JP2018185237A - Radiation detector and radiation measurement system - Google Patents
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Abstract
【課題】 相分離シンチレータ結晶体を含む構成されるシンチレータプレート用いた場合に、低周波数領域の空間解像度が改善された放射線検出器を提供すること。【解決手段】 シンチレータプレートと光検出部とを有する放射線検出器であって、前記シンチレータプレートは、一軸方向に伸びて柱状をなす複数の第一の相と、該複数の第一の相を取り囲む第二の相と、を備えた第一のシンチレータ層と、放射線の照射により発生するシンチレーション光が多重散乱を受けて拡散する第二のシンチレータ層と、を有して構成され、前記シンチレータプレートと前記光検出部とが、前記第二のシンチレータ層、前記第一のシンチレータ層、前記光検出部の順で配置されている。【選択図】 図1An object of the present invention is to provide a radiation detector with improved spatial resolution in a low frequency region when using a scintillator plate configured to include phase-separated scintillator crystals. SOLUTION: A radiation detector including a scintillator plate and a photodetector, the scintillator plate including a plurality of columnar first phases extending in a uniaxial direction and surrounding the plurality of first phases. and a second scintillator layer in which scintillation light generated by radiation irradiation undergoes multiple scattering and is diffused, and the scintillator plate and The photodetector is arranged in the order of the second scintillator layer, the first scintillator layer, and the photodetector. [Selection diagram] Figure 1
Description
本発明は、放射線検出器及び放射線計測システムに関する。 The present invention relates to a radiation detector and a radiation measurement system.
医療現場等でX線撮影に用いられているフラットパネルディテクタ(FPD)は、被写体を通過したX線をシンチレータで受け、そのシンチレータが発した光を受光素子で検出している。シンチレータとしては粉末状構造や、針状構造のものが広く用いられている。特にヨウ化セシウム(CsI)を蒸着して形成した針状構造を有するシンチレータ層は、針状結晶内での光導波によりクロストークが抑制されるため、高い位置分解能が得られる利点を有している。しかし、CsI針状結晶は、隣接する針状結晶同士が癒着しやすく、この癒着がシンチレーション光の導波性を低下させ、放射線検出器の解像度を低下させている。 A flat panel detector (FPD) used for X-ray imaging at a medical site receives X-rays that have passed through a subject with a scintillator and detects light emitted by the scintillator with a light receiving element. As the scintillator, a powder-like structure or a needle-like structure is widely used. In particular, a scintillator layer having a needle-like structure formed by vapor deposition of cesium iodide (CsI) has an advantage that a high position resolution can be obtained because crosstalk is suppressed by optical waveguide in the needle-like crystal. Yes. However, in the CsI needle crystal, adjacent needle crystals easily adhere to each other, and this adhesion lowers the waveguiding property of the scintillation light and lowers the resolution of the radiation detector.
そこで、特許文献1には、屈折率の異なる2つの結晶相を備える相分離構造を有するシンチレータ結晶体とすることが提案されている。この相分離シンチレータ結晶体は、シンチレータとして機能する一方向性を有する複数の第一の相(シリンダー相)と、第一の相の周りに位置する第二の相(マトリックス相)とを有している。第一の相が第二の相よりも屈折率が大きい為、第一の相で等方的に発生したシンチレーション光のうち、第一と第二の相の境界面に、スネルの法則から表わされる臨界角度以上で入射するシンチレーション光は全反射を繰り返し、第一の相に閉じ込められながら、そのシリンダーの方向に導波される。よって、この相分離構造体をシンチレータ層として用いることで、高い解像度を得ることができる。 Therefore, Patent Document 1 proposes a scintillator crystal body having a phase separation structure including two crystal phases having different refractive indexes. This phase-separated scintillator crystal body has a plurality of first phases (cylinder phases) having a unidirectionality functioning as a scintillator, and a second phase (matrix phase) located around the first phase. ing. Since the first phase has a higher refractive index than the second phase, the scintillation light generated isotropically in the first phase is expressed by Snell's law at the interface between the first and second phases. The scintillation light incident above the critical angle repeats total reflection and is guided in the direction of the cylinder while being confined in the first phase. Therefore, high resolution can be obtained by using this phase separation structure as a scintillator layer.
特許文献1に記載の技術が当技術分野に果たす貢献は大きいが、発明者の検討によると特許文献1に記載の技術であっても改善の余地があることが判明した。第一と第二の相の境界面に臨界角度以下で入射するシンチレーション光は、第一の相から漏れた発光となる。漏れた発光の一部は隣接する第一の相に入り、再び全反射によって導波されるものもあるが、全反射をとらない発光も存在する。この全反射をとらない発光はシンチレータ層の厚みが増すほど遠くまで広がることになる為、低周波数領域の空間解像度が低下してしまうという課題があった。ここでいう低周波領域の空間解像度は、例えば隣接する比較的大きな複数の物体の周期を解像できるかとどうかということと捉えることができる。 Although the technology described in Patent Document 1 greatly contributes to this technical field, the inventors have studied and found that there is room for improvement even with the technology described in Patent Document 1. Scintillation light that is incident on the interface between the first and second phases at a critical angle or less becomes light emitted from the first phase. Some of the leaked emission enters the adjacent first phase and is guided again by total reflection, but there is emission that does not take total reflection. Since the light emission that does not take total reflection spreads farther as the thickness of the scintillator layer increases, there is a problem that the spatial resolution in the low frequency region is lowered. The spatial resolution of the low frequency region here can be understood as whether or not the period of a plurality of adjacent relatively large objects can be resolved.
本発明の目的は、低周波数領域の空間解像度が改善された放射線検出器を提供することである。 An object of the present invention is to provide a radiation detector with improved spatial resolution in the low frequency region.
本発明により提供される放射線検出器は、シンチレータプレートと光検出部とを有する放射線検出器であって、前記シンチレータプレートは、一軸方向に伸びて柱状をなす複数の第一の相と、該複数の第一の相を取り囲む第二の相と、を備えた第一のシンチレータ層と、放射線の照射により発生するシンチレーション光が多重散乱を受けて拡散する第二のシンチレータ層と、を有して構成され、前記シンチレータプレートと前記光検出部とが、前記第二のシンチレータ層、前記第一のシンチレータ層、前記光検出部の順で配置されていることを特徴とする。 A radiation detector provided by the present invention is a radiation detector having a scintillator plate and a light detection unit, and the scintillator plate includes a plurality of first phases extending in a uniaxial direction and forming a columnar shape. A first scintillator layer comprising: a second phase surrounding the first phase of the first scintillator; and a second scintillator layer in which scintillation light generated by radiation irradiation diffuses due to multiple scattering. The scintillator plate and the light detection unit are arranged in the order of the second scintillator layer, the first scintillator layer, and the light detection unit.
本発明においては、第一のシンチレータ層として上記特定の第一の相及び第二の相を備えたものを採用し、第二のシンチレータ相として、放射線の照射により発生するシンチレーション光が多重散乱を受けて拡散するものを採用している。そして、シンチレータプレートと光検出部とを、第二のシンチレータ層、第一のシンチレータ層、光検出部の順で配置することで低周波数領域の空間解像度が改善された放射線検出器を提供することができる。 In the present invention, the first scintillator layer is provided with the specific first phase and the second phase, and the scintillation light generated by radiation irradiation is subjected to multiple scattering as the second scintillator phase. The one that receives and spreads is adopted. And providing the radiation detector with which the spatial resolution of the low frequency area | region was improved by arrange | positioning a scintillator plate and a photon detection part in order of a 2nd scintillator layer, a 1st scintillator layer, and a photon detection part. Can do.
本発明の放射線検出器は、X線をはじめとする放射線の入射により光を発生させる複数のシンチレータ層を有するシンチレータプレートと、光検出部とを有して構成される。放射線には、X線の他、α線、γ線等が含まれ、本願明細書ではX線を例として説明するが、放射線はX線に限定されるものではない。本発明の放射線検出器は、シンチレータプレートと光検出部とを有する放射線検出器であり、シンチレータプレートは、一軸方向に伸びて柱状をなす複数の第一の相と、該複数の第一の相を取り囲む第二の相と、を備えた第一のシンチレータ層と、放射線の照射により発生するシンチレーション光が多重散乱を受けて拡散する第二のシンチレータ層と、を有して構成される。そして、本発明の特徴点は、シンチレータプレートと光検出部とが、第二のシンチレータ層、第一のシンチレータ層、光検出部の順で配置されていることである。 The radiation detector of the present invention includes a scintillator plate having a plurality of scintillator layers that generate light upon incidence of radiation such as X-rays, and a light detection unit. Radiation includes α-rays, γ-rays, etc. in addition to X-rays. In the present specification, X-rays will be described as an example. The radiation detector of the present invention is a radiation detector having a scintillator plate and a light detection unit, and the scintillator plate includes a plurality of first phases extending in a uniaxial direction and forming a columnar shape, and the plurality of first phases. And a second scintillator layer in which scintillation light generated by radiation irradiation diffuses due to multiple scattering. The feature of the present invention is that the scintillator plate and the light detection unit are arranged in the order of the second scintillator layer, the first scintillator layer, and the light detection unit.
以下、図面を用いて本実施形態をより具体的に説明する。 Hereinafter, the present embodiment will be described more specifically with reference to the drawings.
図1に本発明の放射線検出器101の模式図を示す。放射線検出器101は、放射線をシンチレーション光に変換するシンチレータプレート102と、シンチレータプレートからのシンチレーション光を検出する光検出部103とを備えている。シンチレータプレート102は、第一のシンチレータ層104と、第二のシンチレータ層105を含み構成されるが、両層の間に接着層など別の層が存在していてもよい。第一のシンチレータ層104は、一軸方向に伸びて柱状をなす複数の第一の相と、この複数の第一の相を取り囲む第二の相と、を備えている。一方、第二のシンチレータ層105は、放射線の照射により発生するシンチレーション光が多重散乱を受けて拡散する形態のものである。こうした形態の第二のシンチレータ層は、粒子状結晶を含んで構成することができる。
FIG. 1 shows a schematic diagram of a
ここで、第一のシンチレータ層104について詳しく説明する。第一のシンチレータ層104としては、図3に示す相分離結晶体201を用いることができる。相分離結晶体201は、複数の第一の相202と、第一の相の周りに位置する第二2の相203を有する相分離構造を採用することができる。シンチレータ結晶体201は第一の面208と第二の面209とを有し、第一の相202は第一の面208から第二の面209へ延伸している。第一の面208は放射線の照射面であり、第二の面209は光の取り出し面であり、X線等の放射線は第一の面208から入射し、シンチレーション光は第二の面209から受光素子へ入射する。第一の相と第二の相の少なくとも一つは、入射した放射線の少なくとも一部をシンチレーション光に変換する発光相である。また、第一の相202と第二の相203は異なる屈折率を有している。よって、シンチレーション光は屈折率が相対的に高い高屈折率相に閉じ込められながら、シンチレータ結晶体の厚さ207方向を第一の面の方向から第二の面の方向へ、第二の面の方向から第一の面の方向へと導波される。シンチレーション光は、シンチレーション光が発生した相内を導波した方が解像度が高いと考えられるため、高屈折率相が発光相として機能することが好ましい。相対的に屈折率の低い低屈折率相は、発光相として機能しても良いし、機能しなくても良い。
Here, the
以下、第一の相202が高屈折率相であり、且つ発光相である場合を例に挙げて説明する。第一の相202が高屈折率相である場合、光ファイバのように、シンチレーション光は第一の相の中に閉じ込められながら第一の面208と第二の面209間を導波する。第一の相202はここでは円柱の形状を有している。第一の相202で発生したシンチレーション光のうち、第一と第二の相の境界面に臨界角度よりも大きな角度で入射するシンチレーション光206は、全反射を繰り返しながら第一の相202中を導波方向210に導波され、第一の面208又は第二の面209から出射される。ここで、シンチレーション光の導波方向210は第一の相202の延伸方向(長手方向)であり、円柱の中心軸と平行な方向である。導波する発光の波長よりも第一の相の直径が小さい場合は、シンチレーション光が第一の相202と第二の相203の境界面で反射せずに境界面を透過する成分が多くなる。よって、第一の相の直径205はシンチレーション光の波長よりも大きいことが望ましい。相分離構造を有するシンチレータとして、300nmからの紫外域に発光を有するようなシンチレータを用いることも想定される為、第一の相の直径205は300nm以上であることが望ましい。また、第一の相202の形状は円柱に限定されず、例えば多角柱であっても良い。
Hereinafter, the case where the
図3に示したシンチレータ結晶体として、例えば、共晶相分離構造を有するシンチレータを用いることができる。共晶相分離構造とは、図3に示した相分離構造体の内、第一の相と第二の相とが共晶体を構成しているもののことを指す。共晶相分離構造体の材料系の一例として、Gdを含有するペロブスカイト型酸化物材料(GdAlO3)と、アルミナ(Al2O3)との共晶相分離構造体が挙げられる。この材料系の共晶相分離構造体は、第一の相(GdAlO3:屈折率2.05)の方が第二の相(Al2O3:屈折率1.79)よりも屈折率が高く、且つ、第一の相がシンチレータとして機能する。そのため、共晶相分離構造体の中でも特に導波性が高い。尚、共晶相分離構造体の場合、第一の相は第一の材料の結晶体、第二の相は第二の材料の結晶体である。第一の相と、第二の相の周りに位置し、第一の相の側面を覆う第二の相との2相を有する共晶相分離構造を形成する上で重要になるのは、第一の相を構成する材料と第二の相を構成する材料との組成比である。相分離構造を有するシンチレータ結晶体を得るためには、一般的に、第一の相の材料と第二の相の材料とが共晶を形成することが可能な組合わせであり、良好な構造とするためには共晶組成比(例えば、GdAlO3:Al2O3=46:54(mol%))とすることが望ましい。ただし、第一の相の材料と第二の相の材料との組成比は共晶組成から外れてはならないものではなく、この組成比に対して共晶組成±5mol%の範囲は許容範囲とすることができる。つまり、GdAlO3とAl2O3との共晶相分離構造体を形成したい場合、これらの材料の組成比は、GdAlO3:Al2O3=41:59〜51:49(mol%)とすることが好ましい。また、第一の相の材料と第二の相の材料との組成比が、共晶組成±3mol%の範囲内であることがより好ましい。第一の相の材料と第二の相の材料とが共晶組成比近傍(±5mol%)で混合された融液を用いて、一方向凝固を行うことで、図3示した良質な相分離構造を有する結晶体を得ることができる。一方向凝固の具体的な方法としては、ブリッジマン法等を用いることができる。上述したGdAlO3の場合、発光中心の元素の種類によって発光波長が変化する。具体的には、発光中心として、例えば希土類元素であるTb3+、Eu3+、Ce3+を用いることができる。尚、これらのイオンを含有する元素は単体に限定されず、これらの元素を含めば良く、これらの元素を含んだ化合物を発光中心として添加すればよい。また、発光効率を高くするために、GdAlO3中にこれらの発光中心を0.001mol%以上含有していることが好ましい。複数種類の発光中心が添加される場合は、発光中心の総量が0.001mol%以上であればよい。発光中心となる添加元素は第一の相であるGdAlO3のGdサイトを置換するように添加され、添加元素を一般式REで表わすと、Gd1−xRExAlO3とAl2O3の組成比が46:54(mol%)となる。発光中心としてTb3+を用いた場合、545nm付近に緑色発光ピークを示す。また、Eu3+を用いた場合615nm付近に赤色発光ピークを示す。また、Ce3+を用いた場合、360nm付近にブロードな紫外発光を示す。このように、添加元素を適切に選択することで、様々な発光波長のシンチレータを得ることができる。また、添加元素として、他の希土類元素(Pr、Nd、Pm、Sm、Dy、Ho、Er、Tm、Yb)を選択することもできる。 As the scintillator crystal shown in FIG. 3, for example, a scintillator having a eutectic phase separation structure can be used. The eutectic phase separation structure refers to a structure in which a first phase and a second phase constitute a eutectic body in the phase separation structure shown in FIG. As an example of the material system of the eutectic phase separation structure, there is a eutectic phase separation structure of a perovskite oxide material (GdAlO 3 ) containing Gd and alumina (Al 2 O 3 ). In the eutectic phase separation structure of this material system, the refractive index of the first phase (GdAlO 3 : refractive index 2.05) is higher than that of the second phase (Al 2 O 3 : refractive index 1.79). High and the first phase functions as a scintillator. Therefore, the waveguide property is particularly high among the eutectic phase separation structures. In the case of the eutectic phase separation structure, the first phase is a crystal of the first material, and the second phase is a crystal of the second material. What is important in forming a eutectic phase separation structure having two phases of the first phase and the second phase located around the second phase and covering the side of the first phase is It is a composition ratio between the material constituting the first phase and the material constituting the second phase. In order to obtain a scintillator crystal having a phase separation structure, generally, the first phase material and the second phase material are a combination capable of forming a eutectic and have a good structure. In order to achieve this, it is desirable to use a eutectic composition ratio (for example, GdAlO 3 : Al 2 O 3 = 46: 54 (mol%)). However, the composition ratio between the material of the first phase and the material of the second phase should not deviate from the eutectic composition, and the range of the eutectic composition ± 5 mol% with respect to this composition ratio is an allowable range. can do. That is, when it is desired to form a eutectic phase separation structure of GdAlO 3 and Al 2 O 3 , the composition ratio of these materials is GdAlO 3 : Al 2 O 3 = 41: 59 to 51:49 (mol%). It is preferable to do. More preferably, the composition ratio between the first phase material and the second phase material is in the range of eutectic composition ± 3 mol%. The high-quality phase shown in FIG. 3 is obtained by performing unidirectional solidification using a melt in which the material of the first phase and the material of the second phase are mixed in the vicinity of the eutectic composition ratio (± 5 mol%). A crystal having a separated structure can be obtained. As a specific method of unidirectional solidification, the Bridgman method or the like can be used. In the case of GdAlO 3 described above, the emission wavelength changes depending on the type of element at the emission center. Specifically, for example, rare earth elements Tb 3+ , Eu 3+ , and Ce 3+ can be used as the emission center. In addition, the element containing these ions is not limited to a simple substance, these elements may be included, and a compound containing these elements may be added as a light emission center. In order to increase the luminous efficiency, it is preferable that 0.001 mol% or more of these luminescent centers are contained in GdAlO 3 . When a plurality of types of emission centers are added, the total amount of emission centers may be 0.001 mol% or more. The additive element serving as the emission center is added so as to replace the Gd site of the first phase GdAlO 3. When the additive element is represented by the general formula RE, Gd 1-x RE x AlO 3 and Al 2 O 3 The composition ratio is 46:54 (mol%). When Tb 3+ is used as the emission center, a green emission peak is shown at around 545 nm. Further, when Eu 3+ is used, a red light emission peak is shown in the vicinity of 615 nm. In addition, when Ce 3+ is used, broad ultraviolet light emission is observed in the vicinity of 360 nm. Thus, scintillators with various emission wavelengths can be obtained by appropriately selecting the additive elements. Also, other rare earth elements (Pr, Nd, Pm, Sm, Dy, Ho, Er, Tm, Yb) can be selected as the additive element.
このように作製された相分離結晶体201は、第一の相202は光ファイバとして機能することから、多数の光ファイバを束ねて形成された光学部材としてのFOP(Fiber Optic Plate)として機能し、第一の面208に入射した像は、第一の相202を介して第二の面209まで伝送される。
Since the
次いで、図1を参照して放射線入射面側に設けられた第二のシンチレータ層105について説明する。第二のシンチレータ層105は、放射線の照射により発生するシンチレーション光が多重散乱を受けて拡散する形態のものであり、第二のシンチレータ層は、粒子状結晶を含んで構成することができる。より具体的には、粉末状結晶、あるいは針状結晶を含む構造(粉末状構造、針状構造)とすることができる。これらの構造では、光学的に不均一な内部構造が少なからず存在する為、光散乱が生じることになり、第二のシンチレータ層内で生じた発光は多重散乱を受けながら拡散する。これにより、高周波数領域での解像度は低下するが、発光を空間的に遠くまで広がらずに留めておくことになる為、その第二のシンチレータ層の層厚が薄い場合は低周波数領域での解像度は維持される。
Next, the
ここで、まず放射線入射面から浅い領域に配置された第二のシンチレータ層の発光109を考える。第二のシンチレータ層の発光109のうち、下方に拡散する光は第一のシンチレータ層104に入射し、第一のシンチレータ層104のFOP機能により、全反射により導波される光110として、拡散することなく第一のシンチレータ層104中を導波し、光検出部103により検出される。一方、発光109のうち高角に拡散する光111については、多重散乱により下方に拡散する光の成分が存在することから、第一と第二のシンチレータ層の界面で、第一のシンチレータ層を導波する光112となり、FOP機能により拡散することなく第一のシンチレータ層104中を導波し、光検出部103により検出される。第一のシンチレータ層の発光113は、相対的に放射線入射面から深い領域から発光となる。これは、全反射により導波される光114と、全反射に入らず拡散する光115とに大別される。第二のシンチレータ層を構成する具体的な材料としては、Gd2O2S(GOS)粉末、CsI針状膜等が挙げられる。
Here, first, consider the
次に、比較として従来例に相当する第二のシンチレータ層を有さず、第一のシンチレータ層104のみを用いた放射線検出器について、図2を参照して説明する。図2において、放射線108が第一のシンチレータ層104に入射すると、その入射面から深さ方向に指数関数的に吸収され発光に至る為、シンチレータの放射線入射面から浅い領域からの発光は、深い領域からの発光に対して相対的に大きくなる。図中の放射線入射面から浅い領域からの発光(117、118、119)と放射線入射面から深い領域からの発光(120、121、122)の大きさと幅の違いはその強度の違いを模式的に表している。
Next, as a comparison, a radiation detector that does not have the second scintillator layer corresponding to the conventional example and uses only the
ここで、まず放射線入射面から浅い領域からの第一のシンチレータ層の発光117を考える。発光117のうち、放射線108に沿った方向のおおむね直下に出射する光は、第一のシンチレータ層を構成する第一と第二の相の境界面に臨界角度よりも大きな角度で入射する為、全反射により導波され、拡散することなく第一のシンチレータ層104中を、全反射により導波される光117として導波し、光検出部103により検出される。一方、発光117のうち、第1と第2の相の境界面に臨界角度未満の角度で入射することになるような、放射線108と成す角度が大きい光は、全反射に入らず拡散する光119となる。この光119はシンチレータ層の厚みが増すほど遠くまで広がることになる為、結果的に低周波数領域の空間解像度が低下することにつながる。
Here, first, consider the
続いて、放射線入射面から深い領域からの第一のシンチレータ層の発光120を考える。発光117の場合と同様に、全反射により導波される光121と、全反射に入らず拡散する光122があり、後者は遠くまで広がることになる為、低周波数領域の空間解像度が低下することにつながる。ここで、全反射に入らず拡散する光である119と122を比べると、より放射線入射面から浅い領域から発生した光119の方が、光122に対して遠くまで広がることになり、さらに、発光量の絶対値も大きい。すなわち、低周波数領域の空間解像度を低下させる要因としては、放射線入射面から浅い領域から全反射に入らず拡散する光の影響が大きいということになる。よって、特に放射線入射面から浅い領域から全反射に入らず拡散する光を、遠くに拡散させることなく光検出部103に導くことで、低周波数領域の空間解像度低下を抑えることが期待される。
Next, consider
そこで本発明の放射線検出器101では、上述した通り、放射線入射面側に第二のシンチレータ層105を設けているのである。
Therefore, in the
ここで図1に示した本発明の放射線検出器と、図2に示した従来の放射線検出器とを比較する。放射線入射面から浅い領域から直下ではなく遠くに拡散する光について着目すると、図2においては、全反射に入らず拡散する光119は、一度全反射条件から外れてしまうと、再度全反射により導波されることは、基本的には生じない。一方で、図1においては、光111は第二のシンチレータ層105中を発光が多重散乱を受けながら拡散するため、第一と第二のシンチレータ層の界面において、全反射により導波される入射角度を有する光が存在することになり、これにより第一のシンチレータ層104中を全反射導波することが可能となる。すなわち、低周波数領域の空間解像度低下要因となっていた、放射線入射面から浅い領域からの発光を、多重散乱を生じさせる第二のシンチレータ層に担わせている。そして、生じた発光を第一のシンチレータ層104のFOP機能により、光検出部103にそのまま伝送することで、低周波数領域の空間解像度を改善している。ただし、光散乱を生じる粉末状構造や針状構造は、その厚みが厚くなると、高周波数領域の解像度が著しく低下する為、目的とする第一のシンチレータ層の高周波数領域の解像度に悪影響を与えないような薄膜として用いる必要がある。この観点から第二のシンチレータ層の層厚は、10μmから100μmの範囲とするのが好適である。そして、第一のシンチレータ層の層厚は、200μmから1000μmの範囲とするのが好適である。
Here, the radiation detector of the present invention shown in FIG. 1 is compared with the conventional radiation detector shown in FIG. Focusing on light diffusing far away from the shallow area from the radiation incident surface, in FIG. 2, the diffused light 119 that does not enter the total reflection is once again guided by total reflection once it deviates from the total reflection condition. The wave is basically not generated. On the other hand, in FIG. 1, the light 111 is diffused in the
撮像対象の被写体に必要とされる空間周波数を、限界空間周波数L(lp/mm)とする。このとき必要とされる、センサの画素サイズ(μm)は、センサのナイキスト周波数から、[センサの画素サイズ(μm)]=[1000(μm)]/[限界空間周波数L(lp/mm)×2]により決定される。 The spatial frequency required for the subject to be imaged is defined as a limit spatial frequency L (lp / mm). The sensor pixel size (μm) required at this time is calculated based on the sensor Nyquist frequency: [sensor pixel size (μm)] = [1000 (μm)] / [limit spatial frequency L (lp / mm) × 2].
第一のシンチレータ層と第二のシンチレータ層の組み合わせ方については以下の手順で決定する。 The combination of the first scintillator layer and the second scintillator layer is determined by the following procedure.
1.必要とされる限界空間周波数とX線エネルギーを設定する。
(例えば、限界空間周波数を4lp/mm(画素サイズ125μmに相当)、X線エネルギーをW(タングステン)−100kVの装置とする。)
1. Set the required critical spatial frequency and x-ray energy.
(For example, a device having a limit spatial frequency of 4 lp / mm (corresponding to a pixel size of 125 μm) and an X-ray energy of W (tungsten) -100 kV).
2.X線エネルギーに対応した第一のシンチレータ層である共晶相分離構造シンチレータの厚さが設定され、解像度曲線が決まる。
(W−100kVだと80%阻止するのに相分離シンチレータが300μm厚必要。)
2. The thickness of the eutectic phase-separated structure scintillator corresponding to the X-ray energy is set, and the resolution curve is determined.
(If it is W-100 kV, a phase separation scintillator needs to be 300 μm thick to prevent 80%.)
3.1で設定した限界空間周波数と交差する空間周波数よりも低周波数側で、解像度を低下させないような厚さとなる第二のシンチレータ層と組み合わせる。
(第二のシンチレータ層シンチレータとして粉末状構造体を用いる場合、後述する図5(C)を参照すると40μm厚であれば4lp/mmまでの解像度を低下させない。)
3. Combined with a second scintillator layer having a thickness that does not reduce resolution on the lower frequency side than the spatial frequency that intersects the limit spatial frequency set in 3.1.
(When a powdery structure is used as the second scintillator layer scintillator, referring to FIG. 5C described later, the resolution up to 4 lp / mm is not lowered if the thickness is 40 μm.)
以上より、300μm厚の共晶相分離構造シンチレータの放射線入射側に、40μm厚の粉末状構造シンチレータを設けたシンチレータパネルとする。これにより、組み合わせるシンチレータのX線阻止能に重み付けされ、目的とする空間周波数領域での解像度曲線と輝度が、共晶相分離構造シンチレータ単体の場合よりも向上する。 From the above, a scintillator panel in which a 40 μm thick powdery structure scintillator is provided on the radiation incident side of a 300 μm thick eutectic phase separation scintillator is obtained. Accordingly, the X-ray stopping power of the scintillator to be combined is weighted, and the resolution curve and brightness in the target spatial frequency region are improved as compared with the case of the eutectic phase separation structure scintillator alone.
ここで、限界空間周波数を4lp/mmとすると、第二のシンチレータ層として粉末状構造を用いる場合は40μm厚程度、CsI針状構造は100μm厚程度、が限界のおおよその膜厚となる。限界空間周波数を10lp/mmとすると、第二のシンチレータ層として粉末状構造を用いる場合は10μm厚程度、CsI針状構造は40μm厚程度、が限界の膜厚となる。以上の膜厚は、あくまで目安であり、その構成により大きく変化する可能性がある為、一体型のシンチレータパネルにした場合の解像度により判断する必要がある。 Here, assuming that the limit spatial frequency is 4 lp / mm, when the powder-like structure is used as the second scintillator layer, the thickness is about 40 μm, and the CsI needle-like structure is about 100 μm thick. Assuming that the limit spatial frequency is 10 lp / mm, the limit film thickness is about 10 μm when the powdered structure is used as the second scintillator layer and about 40 μm for the CsI needle structure. The above film thickness is only a guideline and may vary greatly depending on its configuration, so it needs to be determined by the resolution when an integrated scintillator panel is used.
このように第一と第二のシンチレータ層を一つのシンチレータパネルとして用い、一枚の放射線線画像を取得する放射線検出器とすること以外にも、上層の第二のシンチレータ層では低エネルギーの放射線が吸収され、下層の第一のシンチレータ層では高エネルギーの放射線が吸収されることから、図4に示すように、カラーフィルタ123、124を用いて、それぞれの発光を弁別して検出する放射線検出器125とすることもできる。この場合、取得した複数の放射線画像間で重み付け演算を行うことにより、エネルギー弁別画像として利用することが可能である。
As described above, the first and second scintillator layers are used as one scintillator panel and a radiation detector for acquiring one radiation ray image is used. Is absorbed, and high-energy radiation is absorbed in the lower first scintillator layer. Therefore, as shown in FIG. 4, a
本発明の放射線検出器は、例えば、放射線計測システムとしてのX線トールボット干渉計の検出器として用いたることができる。X線トールボット干渉計の模式図を図6に示す。X線トールボット干渉計は、X線源70と、X線源からのX線71を回折して干渉パターンを形成するX線回折格子73と、干渉パターンを形成するX線を検出するX線検出器74と、X線検出器の検出結果を用いて被検体72の情報を取得する演算装置75を備える。
The radiation detector of the present invention can be used, for example, as a detector of an X-ray Talbot interferometer as a radiation measurement system. A schematic diagram of an X-ray Talbot interferometer is shown in FIG. The X-ray Talbot interferometer includes an
X線トールボット干渉計については、例えば国際公開2010/050483号公報など多数の文献に詳細が記載されているため、詳細については省略する。一般的なトールボット干渉計は、干渉パターンが形成される位置に遮蔽格子または吸収格子と呼ばれる格子を配置し、モアレを形成することで、数μm程度の周期を有する干渉パターンの情報を取得する。図6の干渉計ではX線検出器74として本発明の放射線検出器を備える。X線検出器74による検出結果を用いて、被検体72による干渉パターンの変化を解析することで、被検体の位相、散乱、吸収に関する情報を取得することができる。その他、X線源、回折格子、演算装置による干渉パターンの解析方法などは一般的なトールボット干渉計と同様である。尚、X線トールボット干渉計は、演算装置75により取得した被検体の情報を表示する表示手段(不図示)を備えていても良い。また、X線トールボット干渉計は、演算装置75やX線源70を備えなくても良い。この場合、撮像時に任意のX線源と組み合わせることで、X線トールボット干渉計による撮像(干渉パターンの取得)を行うことができる。
Since the details of the X-ray Talbot interferometer are described in many documents such as International Publication No. 2010/050484, the details are omitted. A general Talbot interferometer obtains information on an interference pattern having a period of about several μm by disposing a grating called a shielding grating or an absorption grating at a position where an interference pattern is formed and forming moire. . The interferometer shown in FIG. 6 includes the radiation detector of the present invention as the
以下、具体的な実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with specific examples.
(実施例及び比較例)
本実施例では、第一のシンチレータ層として共晶相分離構造を用い、第二のシンチレータ層として粉末状構造を用いた場合の放射線撮像結果について説明する。
(Examples and Comparative Examples)
In this example, a radiation imaging result when a eutectic phase separation structure is used as the first scintillator layer and a powdery structure is used as the second scintillator layer will be described.
本実施例の第一のシンチレータ層は、複数の第1の相の材料としてGdAlO3を、第2の相の材料としてAl2O3を有する相分離シンチレータ結晶体で構成され、Tb3+を発光中心として含有する。この相分離シンチレータ結晶体の製造方法について説明をする。まず、GdAlO3に対してTb3+を8mol%添加した材料とAl2O3との組成比が、46:54(mol%)になるように、Gd2O3、Tb4O7、Al2O3、を評量した。これらの粉末を充分に混合し、これを原料粉末とした。これらの原料粉末をIrるつぼに入れて、誘導加熱によりるつぼを1800℃まで加熱し、試料全体を溶解させた。試料全体が溶解した後30分保持してから、18mm/hの速度で一方向凝固を行うことで試料を育成した。このようにして作製した試料を5mm×5mm×厚さ300μmで切り出し、両面を研磨した。この試料は、X線照射により、545nm付近に緑色発光ピークを示した。切り出したシンチレータ結晶体の上面に、第二のシンチレータ層として40μm厚のGd2O2S(GOS)粉末からなるシンチレータを設け、シンチレータプレートとした。作製したシンチレータプレートをFOPを介して、二次元の受光素子に対向するように配置し、放射線検出器とした。FOPはX線が受光素子に直接入射してノイズを形成するのを防ぐために用いているが、X線のエネルギーによってはシンチレータがX線を止める場合もあるため、必ずしも挿入しなくてもよい。 The first scintillator layer of this example is composed of a phase-separated scintillator crystal having GdAlO 3 as a plurality of first phase materials and Al 2 O 3 as a second phase material, and emits Tb 3+ . Contains as a center. A method for producing this phase-separated scintillator crystal will be described. First, Gd 2 O 3 , Tb 4 O 7 , Al 2 so that the composition ratio of Al 2 O 3 to a material obtained by adding 8 mol% of Tb 3+ to GdAlO 3 is 46:54 (mol%). O 3 was weighed. These powders were sufficiently mixed to obtain a raw material powder. These raw material powders were put in an Ir crucible, and the crucible was heated to 1800 ° C. by induction heating to dissolve the entire sample. After the whole sample was dissolved, it was held for 30 minutes, and then the sample was grown by performing unidirectional solidification at a speed of 18 mm / h. The sample thus prepared was cut out at 5 mm × 5 mm × thickness 300 μm and polished on both sides. This sample showed a green emission peak around 545 nm by X-ray irradiation. A scintillator made of Gd 2 O 2 S (GOS) powder having a thickness of 40 μm was provided as a second scintillator layer on the cut scintillator crystal body to form a scintillator plate. The produced scintillator plate was disposed so as to face the two-dimensional light receiving element via the FOP, thereby forming a radiation detector. The FOP is used to prevent the X-rays from directly entering the light receiving element and forming noise. However, the scintillator may stop the X-rays depending on the energy of the X-rays.
限界空間周波数を4lp/mmと設定し、画素サイズ125μmの受光素子を用いた。放射線源としては、タングステン管球のX線源を用い、X線はシンチレータ結晶体に垂直に入射する配置とし、40kV、0.5mA、Alフィルター有りの条件で得られるX線を撮像に用いた。 The limiting spatial frequency was set to 4 lp / mm, and a light receiving element having a pixel size of 125 μm was used. As a radiation source, a tungsten tube X-ray source was used. The X-rays were arranged so as to be perpendicularly incident on the scintillator crystal, and X-rays obtained under conditions of 40 kV, 0.5 mA, with an Al filter were used for imaging. .
50μm厚の鉛の2lp/mmのラインパターンの撮像結果を図5に示す。図5(A)が本発明の、第一のシンチレータ層として相分離構造を用い、第二のシンチレータ層として粉末状構造を設けた場合の撮像結果である。図5(B)に比較の為、第一のシンチレータ層の共晶相分離構造(300μm厚)のみからなる場合の撮像結果も示す。Contrast Transfer Function(CTF)値を、ライン撮像領域の明部(Imax)と暗部(Imin)としてCTF=(Imax−Imin)/(Imax+Imin)として算出した。図5(C)に、本実施例のシンチレータプレートと、比較の為、第二のシンチレータ層としてGOS粉末を設けなかった場合の、空間周波数とCTFの関係を示す。図5(C)は、空間周波数とコントラストで表わされる解像度プロファイルを示している。第二のシンチレータ層として粉末状構造を設けた場合において、空間周波数4lp/mm以下において、CTFが向上した。すなわち、本発明のシンチレータプレートは、第一のシンチレータ層のみで構成したものと比して低周波数領域において解像度プロファイルが、上回る。図5(A)と図5(B)のラインパターンの明部(Imax)の輝度についても、図5(A)に示す本発明の構成の方が、4lp/mmまでの空間周波数において約1.6倍明るくなった。輝度が向上する要因としては、第一に相分離シンチレータ結晶体に対して発光量が大きいGOS粉末が付加されたことが挙げられる。第二に発光量の大きい放射線入射面から浅い領域からの発光のうち、相分離シンチレータ結晶体のみの場合では全反射に入らず拡散して消光していた光が、粉末状構造を有するシンチレータを第二のシンチレータ層として設けることで、拡散することなく相分離シンチレータ結晶体に導かれ、信号として検出されたことが考えられる。これより、第二のシンチレータ層として粉末状構造を設けることで、目的とする4lp/mmまでの空間周波数において、CTFと輝度が共に向上することが確認された。 FIG. 5 shows the imaging result of a 2 lp / mm line pattern of 50 μm thick lead. FIG. 5A shows an imaging result of the present invention when a phase separation structure is used as the first scintillator layer and a powder structure is provided as the second scintillator layer. For comparison, FIG. 5B also shows an imaging result when the first scintillator layer is composed only of the eutectic phase separation structure (300 μm thickness). The Contrast Transfer Function (CTF) value was calculated as CTF = (I max −I min ) / (I max + I min ) as the bright part (I max ) and dark part (I min ) of the line imaging region. FIG. 5C shows the relationship between the spatial frequency and the CTF when the GOS powder is not provided as the second scintillator layer for comparison with the scintillator plate of this example. FIG. 5C shows a resolution profile represented by spatial frequency and contrast. When a powdery structure was provided as the second scintillator layer, CTF was improved at a spatial frequency of 4 lp / mm or less. That is, the scintillator plate of the present invention has a resolution profile that exceeds the resolution profile in the low-frequency region as compared with the scintillator plate composed only of the first scintillator layer. As for the brightness of the bright part (I max ) of the line patterns of FIGS. 5A and 5B, the configuration of the present invention shown in FIG. 5A is about about 4 lp / mm at a spatial frequency. 1.6 times brighter. As a factor for improving the luminance, firstly, a GOS powder having a large light emission amount is added to the phase-separated scintillator crystal. Secondly, among the light emitted from the shallow region from the radiation incident surface where the amount of light emission is large, in the case of only the phase-separated scintillator crystal, the light that has been diffused and quenched without entering the total reflection is converted into a scintillator having a powdery structure. By providing as the second scintillator layer, it can be considered that it was guided to the phase-separated scintillator crystal body without being diffused and detected as a signal. From this, it was confirmed that by providing a powdery structure as the second scintillator layer, both the CTF and the luminance were improved at the target spatial frequency up to 4 lp / mm.
101 放射線検出器
102 シンチレータプレート
103 光検出部
104 第一のシンチレータ層
105 第二のシンチレータ層
108 放射線
109 第二のシンチレータ層の発光
202 第一の相
203 第二の相
DESCRIPTION OF
Claims (19)
前記シンチレータプレートは、一軸方向に伸びて柱状をなす複数の第一の相と、該複数の第一の相を取り囲む第二の相と、を備えた第一のシンチレータ層と、放射線の照射により発生するシンチレーション光が多重散乱を受けて拡散する第二のシンチレータ層と、を有して構成され、
前記シンチレータプレートと前記光検出部とが、前記第二のシンチレータ層、前記第一のシンチレータ層、前記光検出部の順で配置されていることを特徴とする放射線検出器。 A radiation detector having a scintillator plate and a light detection unit,
The scintillator plate includes a first scintillator layer including a plurality of first phases extending in a uniaxial direction and having a columnar shape, and a second phase surrounding the plurality of first phases, and radiation irradiation. A second scintillator layer in which the generated scintillation light is subjected to multiple scattering and diffuses, and
The radiation detector, wherein the scintillator plate and the light detector are arranged in the order of the second scintillator layer, the first scintillator layer, and the light detector.
前記放射線検出器は、請求項1から18のいずれか1項に記載の放射線検出器であることを特徴とする、放射線計測システム。 A diffraction grating that diffracts radiation from a radiation source to form an interference pattern, and a radiation detector that detects the interference pattern,
The radiation measurement system according to claim 1, wherein the radiation detector is the radiation detector according to claim 1.
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| JP2023511511A (en) * | 2020-01-24 | 2023-03-20 | ザ・リサーチ・ファウンデーション・フォー・ザ・ステイト・ユニヴァーシティ・オブ・ニューヨーク | Luminescent glass-ceramics for use in flat panel x-ray detectors, flat panel x-ray detectors, and imaging systems |
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