特開 2016-204615 シンチレータおよび放射線検出器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2016-204615(P2016-204615A)

(43)【公開日】2016年12月8日

(54)【発明の名称】シンチレータおよび放射線検出器

(51)【国際特許分類】

   C09K 11/00 20060101AFI20161111BHJP

   G01T 1/20 20060101ALI20161111BHJP

   G21K 4/00 20060101ALI20161111BHJP

   A61B 6/00 20060101ALI20161111BHJP

   C09K 11/61 20060101ALI20161111BHJP

   C09K 11/08 20060101ALI20161111BHJP

【ＦＩ】

   C09K11/00 E

   G01T1/20 E

   G01T1/20 B

   G21K4/00 B

   A61B6/00 300Q

   C09K11/61CPF

   C09K11/08 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2015-91733(P2015-91733)

(22)【出願日】2015年4月28日

(71)【出願人】

【識別番号】503382542

【氏名又は名称】東芝電子管デバイス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100062764

【弁理士】

【氏名又は名称】樺澤 襄

(74)【代理人】

【識別番号】100092565

【弁理士】

【氏名又は名称】樺澤 聡

(74)【代理人】

【識別番号】100112449

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 哲也

(72)【発明者】

【氏名】吉田 篤也

【テーマコード（参考）】

2G083

2G188

4C093

4H001

【Ｆターム（参考）】

2G083AA04

2G083BB01

2G083CC03

2G083CC05

2G083DD02

2G083DD19

2G083EE04

2G188AA03

2G188BB02

2G188CC09

2G188CC15

2G188CC17

2G188CC19

2G188CC22

2G188DD05

2G188DD44

2G188EE08

2G188EE36

2G188FF12

4C093AA22

4C093CA13

4C093EA02

4C093EB11

4C093EB20

4H001CA01

4H001CF01

4H001XA17

(57)【要約】

【課題】ゴースト現象を低減できるシンチレータを提供する。
【解決手段】シンチレータ13は、ハロゲン化合物を主成分とし、酸化炭素成分を含まない蛍光体27である。酸化炭素成分を含まないとは、ＩＲ分析法によって酸化炭素成分が検出されない範囲である。シンチレータ13は、真空蒸着法により真空中の酸化炭素分圧が０．７８×１０^-4Ｐａよりも少ない雰囲気で形成されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ハロゲン化合物を主成分とし、酸化炭素成分を含まない蛍光体である
ことを特徴とするシンチレータ。

【請求項2】

前記酸化炭素成分を含まないとは、ＩＲ分析法によって前記酸化炭素成分が検出されない範囲である
ことを特徴とする請求項１記載のシンチレータ。

【請求項3】

真空蒸着法により真空中の酸化炭素分圧が０．７８×１０^-4Ｐａよりも少ない雰囲気で形成されている
ことを特徴とする請求項１または２記載のシンチレータ。

【請求項4】

光電変換素子を有する光検出器と、
請求項１ないし３いずれか一記載のシンチレータと
を具備することを特徴とする放射線検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、放射線を光に変換するシンチレータ、およびこのシンチレータを用いる放射線検出器に関する。

【背景技術】

【0002】

アクティブマトリクス方式を用いた平面形の放射線検出器が、主に医療用の放射線診断用検出器として広く用いられている。

【0003】

この放射線検出器は、マトリクス状に並んだ複数の光電変換素子を有する光検出器、およびこの光検出器上に形成されたシンチレータを備えている。そして、放射線検出器に入射した放射線をシンチレータで光に変換し、その光を光検出器によって電気信号に変換することにより、画像を取得している。

【0004】

シンチレータの材料としては、Ｔｌ賦活ヨウ化セシウム（ＣｓＩ／Ｔｌ）などのハロゲン化合物や、テルビウム賦活硫酸化ガドリニウム（Ｇｄ₂Ｏ₂Ｓ／Ｔｂ）などの酸化物系化合物が用いられている。

【0005】

シンチレータの特性には、感度や解像度といった基本的な特性のほかに、時間的な応答特性がある。例えば、シンチレータへの放射線照射を停止した後、引き続きシンチレータから弱い光が放出される残光現象があり、また、シンチレータへの放射線照射後（第１照射と呼ぶ）、再度照射（第２照射と呼ぶ）したときに、第１照射の画像が第２照射の画像に重なって見えるゴースト現象がある。ゴースト現象は、第１照射に起因して蓄積したエネルギーが第２照射に刺激されて発光する現象である。

【0006】

残光特性は放射線照射後の数十秒で消滅するが、ゴースト現象はシンチレータの状態によって発光後、数分経っても残存していることがある。このようなゴースト現象は、放射線検出器にとって好ましいものではない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１５−１３８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明が解決しようとする課題は、ゴースト現象を低減できるシンチレータおよび放射線検出器を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本実施形態のシンチレータは、ハロゲン化合物を主成分とし、酸化炭素成分を含まない蛍光体である。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】一実施形態を示すシンチレータを備えた放射線検出器の断面図である。

【図2】放射線検出器の斜視図である。

【図3】ゴースト特性の測定方法を示す説明図である。

【図4】シンチレータの成膜工程を示す模式図である。

【図5】サンプル１〜４の特性を示す表である。

【図6】サンプル１〜４の残光特性のグラフである。

【図7】サンプル１〜４のゴースト特性のグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、一実施形態を、図面を参照して説明する。

【0012】

図１に放射線検出器の断面図、図２に放射線検出器の斜視図をそれぞれ示す。

【0013】

放射線検出器11は、光を電気信号に変換する光検出器12、この光検出器12の表面に設けられ入射する放射線としてのＸ線を光に変換するシンチレータ（シンチレータ層）13、このシンチレータ13上に設けられシンチレータ13で変換した光を光検出器12へ反射させる反射層14、光検出器12上にシンチレータ13および反射層14を覆って設けられこれらを外気や湿気から保護する保護体15を備えている。

【0014】

そして、光検出器12は、シンチレータ13から入射する光を電気信号に変換するもので、ガラス基板16、このガラス基板16上に設けられた光電変換部17、行方向に沿って配設された複数の制御ライン（またはゲートライン）18、列方向に沿って配設された複数のデータライン（またはシグナルライン）19、各制御ライン18が電気的に接続された図示しない制御回路、各データライン19が電気的に接続された図示しない増幅／変換部を備えている。

【0015】

光検出器12には、光電変換部17を構成する複数の画素20がマトリクス状に形成されているとともに、各画素20内にそれぞれ光電変換素子としてのフォトダイオード21が配設されている。フォトダイオード21は、アモルファスシリコン（以下ａ−Ｓｉ）によって構成され、シンチレータ13から入射する光を電荷に変換する。各画素20は、フォトダイオード21に電気的に接続された薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）22、フォトダイオード21にて変換した電荷を蓄積する図示しない蓄積キャパシタを具備している。但し、蓄積キャパシタは、フォトダイオード21の容量が兼ねる場合もあり、必ずしも必要ではない。各薄膜トランジスタ22は、フォトダイオード21への光の入射にて発生した電荷を蓄積および放出させるスイッチング機能を担う。薄膜トランジスタ22は、ゲート電極23、ソース電極24およびドレイン電極25のそれぞれを有している。このドレイン電極25は、フォトダイオード21および蓄積キャパシタに電気的に接続されている。

【0016】

制御ライン18は、各画素20間に行方向に沿って配設され、同じ行の各画素20の薄膜トランジスタ22のゲート電極23に電気的に接続されている。また、データライン19は、各画素20間に列方向に沿って配設され、同じ列の各画素20の薄膜トランジスタ22のソース電極24に電気的に接続されている。

【0017】

制御回路は、各薄膜トランジスタ22の動作状態、即ちオンおよびオフを制御する。

【0018】

増幅／変換部は、例えば各データライン19に対応してそれぞれ配設された複数の電荷増幅器、これら電荷増幅器が電気的に接続された並列／直列変換器、この並列／直列変換器が電気的に接続されたアナログ−デジタル変換器を有している。

【0019】

そして、光検出器12の表面には樹脂製の保護層26が形成されている。

【0020】

なお、光検出器12には、Ｃ−ＭＯＳもしくはＣＣＤを用いる場合もある。

【0021】

また、シンチレータ13は、入射するＸ線を光に変換するもので、例えば、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）：タリウム（Ｔｌ）、あるいはヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）：タリウム（Ｔｌ）などのハロゲン化合物を主成分とする蛍光体27が、真空蒸着法によって光検出器12の表面に形成されている。本実施形態のシンチレータ13は、Ｔｌ賦活ヨウ化セシウム（ＣｓＩ／Ｔｌ）を主成分とし、酸化炭素成分を含んでいない。シンチレータ13は、真空蒸着法によって柱状結晶構造に形成されており、柱状結晶構造によってファイバー効果を発揮するため、放射線検出器11の高解像度化に寄与し、さらに、結晶性があるため、シンチレータ13として必要な発光特性を発揮することに寄与している。

【0022】

また、反射層14は、例えば、粒状ＴｉＯ₂をペースト状の樹脂に分散させたものを、シンチレータ13上に膜状に塗布することに形成されている。ＴｉＯ₂の粒径、樹脂の粘土を適切に選択することにより、ファイバーを形成する個々の柱状結晶間の隙間に樹脂およびＴｉＯ₂の粒が落下するのが防止される。

【0023】

また、保護体15は、ＣｓＩ／Ｔｌには吸湿性がある問題に対処している。シンチレータ13、すなわちＣｓＩ／Ｔｌの柱状結晶が水蒸気を含んだ大気中に晒した状態で放置すると、前述の隣接する柱状結晶同士が融合して、ファイバー効果を損なわれる。その結果、放射線検出器としての解像度が低下する。したがって、保護体15を設けることが好ましい。保護体15の一例としては、ＡＬ箔を用い、保護体15の周辺部を吸湿性が少ない接着剤28を用いて光検出器12に接着することにより、光検出器12と保護体15との間でシンチレータ13を封止し、ＣｓＩ／Ｔｌの吸湿性の問題に対処している。

【0024】

そして、放射線検出器11の基本動作は、次の順序となる。

【0025】

放射線検出器11に入射したＸ線をシンチレータ13で光に変換する。

【0026】

シンチレータ13で変換された光は光検出器12のフォトダイオード21に入射する。このとき、シンチレータ13内で光検出器12に対して反対方向に向かった光は反射層14で反射され、光検出器12の方向に戻される。

【0027】

光検出器12のフォトダイオード21に入射した光は光電子として電気信号に変換され、この電気信号が読み出されて画像が取得される。

【0028】

また、シンチレータ13の特性には、感度や解像度といった基本的な特性のほかに、時間的な応答性がある。例えば、シンチレータ13へのＸ線照射を停止した後、引き続きシンチレータ13から弱い光が放出される残光現象があり、また、シンチレータ13へのＸ線照射後（第１照射と呼ぶ）、再度照射（第２照射と呼ぶ）したときに、第１照射の画像が第２照射の画像に重なって見えるゴースト現象がある。ゴースト現象は、第１照射に起因して蓄積したエネルギーが第２照射に刺激されて発光する現象である。残光特性はＸ線照射後の数十秒で消滅するが、ゴースト現象は膜の状態によって発光後数分経っても残存していることがある。

【0029】

ここで、第１照射のエネルギーの蓄積について考察する。ＣｓＩの発光は、ＣｓＩ結晶中で入射Ｘ線が高速電子を経て電子−正孔対に変換され、再結合するときに起こる現象である。正孔は２個のヨウ素イオン（化学式：２Ｉ^-）から、１個の電子が取出され、化学式Ｉ₂^-となることにより形成される。これは、１個の価電子を共有した２個のヨウ素が部分的に結合し、ダンベル状の構造をしたものである。取り出された電子は、タリウムイオンＴｌ⁺に局在する。電子が局在したＴｌのサイトが、正イオンが局在電子で中和された意味合いでＴｌ⁰と表記する。発光に寄与する電子の状態が必ずしもＴｌ局在したものと、限定することはできないが、常温でのＣｓＩ／Ｔｌの発光効率がＴｌ濃度に依存することから、Ｔｌ局在電子の発光に対する寄与は大きいと考えられる。電子が局在するＴｌサイトは、ＣｓＩ結晶中であまり移動しない。一方、正孔であるＩ₂^-は、隣接する通常のヨウ素イオンＩ^-と下記の式により交換されることにより、ヨウ素原子の位置を変えることなく移動することができる。

【0030】

Ｉ₂^-（正孔）＋Ｉ^-→Ｉ^-＋Ｉ⁰＋Ｉ^-→Ｉ^-＋Ｉ₂^-（正孔）

【0031】

その後、電子と正孔は初期には互いにある離れた位置にあり、それらがお互いに引き合い、移動して結合する。しかし、この場合の電荷の移動は、電子が導電体もしくは半導体中を移動するのではなく、上記の式のようなモデルで結果的に起こる現象であることを考えると、ある時間がかかる。この発光の遅れは不可避であり、これが残光の原因の一部である。上記の式で見られる正孔の移動は常温では活発に起こっているとされ、その結果である残光は、通常、真空蒸着法で製作されるＣｓＩ／Ｔｌのシンチレータ13に関して、医療用などの用途では問題にならない。

【0032】

しかし、電子と正孔が再結合する前に、あるトラップサイトに電荷が捕獲されることにより、ゴースト現象の原因となるエネルギーの蓄積が起こっていると考えられ、また、捕獲された電荷は消滅せずに長時間残存している。それらの電荷が第２照射により、トラップの障壁を乗り越え、再結合・発光することにより、画像に現れている。

【0033】

そして、ゴースト現象を低減するために必要なことは、Ｘ線照射に由来する、電子、正孔の移動を阻害する要因を排除することである。これら電荷は、格子欠陥・不純物といった局部的な電荷バランスを乱す部分に捕獲されている。したがって、それらの要因を排除することが必要である。

【0034】

そこで、様々な異なる条件でＣｓＩ／Ｔｌのシンチレータ13を作成し、それらシンチレータ13とゴースト特性との相関を調査した。

【0035】

まず、ゴースト特性について定義する。

【0036】

図３はゴースト特性の測定方法を示す。まず、光検出器12上に成膜したシンチレータ13の中央部に、厚さ３ｍｍの帯状の鉛プレート31を設置した状態で、第１照射として強いＸ線（７０ｋＶ−３２０ｍＡｓ）を照射する。なお、ｍＡｓという単位は、Ｘ線管に対する負荷であり、管電流（ｍＡ）に照射時間（ｓ）を乗じたものである。このとき、鉛プレート31に覆われていない部分のシンチレータ13には、ゴースト特性の原因となる電荷の蓄積が起こっている。

【0037】

鉛プレート31を外した状態で６０秒間放置し、第２照射として通常の撮影を想定した線量のＸ線（７０ｋＶ−４４．８ｍＡｓ）を照射し、画像を取得する。この第２照射の前に、Ｘ線を照射しない暗画像を取得しておく。

【0038】

第２照射の画像（明画像）から暗画像を差し引き、ゴーストを含む差分画像が描出される。ここで、鉛プレート31で覆われていない部分の感度は、覆われている部分よりも感度が高い。この差分をゴースト特性とし、鉛プレート31で覆われた部分の感度と比で％表示する。

【0039】

次に、図４に示すＣｓＩ／Ｔｌのシンチレータ13の成膜工程について説明する。

【0040】

真空槽34内で、ＣｓＩを充填したＣｓＩるつぼ35とＴｌＩを充填したＴｌＩるつぼ36を、光検出器12と対向させて配置する。そして、真空槽34を図示しない真空ポンプで排気し、圧力が１×１０^-3Ｐａ以下に到達したところで、真空槽34内に圧力が０．４ＰａとなるようにＡｒガスを導入する。

【0041】

ＣｓＩるつぼ35とＴｌＩるつぼ36を図示しないヒーターで加温する。そして、各るつぼ35，36の温度が十分上昇し、ＣｓＩとＴｌＩの蒸発が開始した時点で、シャッター37，38を同時に開放し、光検出器12上にＣｓＩ／Ｔｌ膜を堆積させる。ＣｓＩるつぼ35とＴｌＩるつぼ36の温度はいずれも材料の蒸発する速度を決定するので、光検出器12上のＣｓＩ／Ｔｌ膜に対して必要なＴｌ濃度が得られるように、各温度を調整する。ここでは、Ｔｌ濃度を１％±０．２％となるように調整した。

【0042】

光検出器12上のＣｓＩ／Ｔｌの膜厚が約６００μｍとなったところでシャッター37，38を閉じ、蒸着を終了する。るつぼ35，36の加温を止め、真空槽34内の温度が十分に冷えたところで、真空槽34内に窒素ガスを導入し、光検出器12を取り出す。

【0043】

次に、ゴースト特性の測定について説明する。

【0044】

シンチレータ13の成膜後、シンチレータ13上に反射層14を塗布し、シンチレータ13を保護体15で封止することにより、放射線検出器11が完成するが、ここでは、シンチレータ13の成膜が完了した時点で、図３で説明した測定方法によってゴースト特性を測定した。

【0045】

ゴースト特性の測定は、前述の６０秒後の値だけでなく、１８０秒後の値も測定し、１８０秒後の値を６０秒後の値で割ることにより得られるゴースト減衰率も算出した。このゴースト減衰率は、ゴースト現象が消失するのにかかる時間と関係がある評価項目である。

【0046】

併せて、シンチレータ13の不純物をＩＣＰ−ＭＳ分析法とＩＲ分析法（赤外分光分析法）のそれぞれを用いて測定した。

【0047】

ＩＣＰ−ＭＳ分析法は、プラズマをイオン源として使用し、発生したイオンを質量分析部で検出する分析法であり、５４元素（Ｌｉ、Ｂｅ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｋ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）の濃度を分析した。検出限界は、Ｋ、Ｃａ、Ｆｅに対しては３ｐｐｍ。Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌに対しては、１ｐｐｍ。その他の元素に対しては０．５ｐｐｍである。

【0048】

ＩＲ分析法は、対象物に赤外線を照射し、吸収されたスペクトルを測定することによって定性を行う分析法である。

【0049】

そして、図５は、シンチレータ13の成膜条件を変更し、成膜条件と不純物の測定結果とゴースト特性の結果とを示したものである。ＩＣＰ−ＭＳ分析法では、何らかの不純物の元素が検出された場合は○、全ての元素が検出されなかった場合は×で示す。ＩＲ分析法では、１７２５ｃｍ^-1でのピークが強く出た場合は○、１７２５ｃｍ^-1でのピークが弱く出た場合は△、１７２５ｃｍ^-1でのピークが出なかった場合は×で示す。

【0050】

まず判ったことは、いずれのサンプル１〜４も、ＩＣＰ−ＭＳ分析法では、不純物は検出されなかった。一方、ＩＲ分析法では、官能器Ｃ＝Ｏに由来する１７２５ｃｍ^-1での吸収が認められるものと認められないものがあった。すなわち、酸化炭素ＣＯが検出されたものと検出されなかったものがあった。

【0051】

酸化炭素ＣＯが検出されなかったものは、酸化炭素ＣＯの検出されたものに比べて、ゴースト特性が良好なだけではなく、ゴースト減衰率が極端に小さいことが判った。

【0052】

酸化炭素ＣＯがシンチレータ13に混入する経路としては、真空槽34内の残留ガスが考えられる。そこで、真空槽34に装着した質量分析器のデータを調査したところ、ＩＲ分析法で酸化炭素ＣＯが検出されなかったサンプル４の真空中の酸化炭素ＣＯ分圧は０.３５×１０^-4Ｐａ、酸化炭素ＣＯの検出が少なかったサンプル３の真空中の酸化炭素ＣＯ分圧は０.７８×１０^-4Ｐａで、他のサンプル１および２よりも低いことが判った。

【0053】

そして、サンプル１〜４について、真空中の酸化炭素ＣＯ分圧を調査し、酸化炭素ＣＯ分圧とゴースト特性およびゴースト残存率との相関をプロットしたところ、図６のゴースト特性、図７のゴースト減衰率のような結果となり、真空中の酸化炭素ＣＯ分圧がゴースト特性に大きく影響があることが判った。

【0054】

このように、ＩＲ分析法で酸化炭素ＣＯの成分が検出されないように、真空槽34内の残留ガスを確実に除去するなどの製造プロセスを調整することにより、優れたゴースト特性を発揮するシンチレータ13が得られることが判った。

【0055】

したがって、本実施形態のシンチレータ13は、ハロゲン化合物を主成分とし、酸化炭素成分を含まないことにより、ゴースト現象を低減できる。

【0056】

また、ＩＲ分析法によって酸化炭素成分が検出されない範囲であることにより、酸化炭素成分を含まないことを特定できる。

【0057】

また、シンチレータ13は、真空蒸着法によって真空中の酸化炭素分圧が、サンプル３の０．７８×１０^-4Ｐａよりも少ない雰囲気で形成されていることにより、酸化炭素成分を含まないシンチレータ13を形成することができる。

【0058】

なお、本実施形態のシンチレータ13は、シンチレータパネルにも適用できる。

【0059】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0060】

11 放射線検出器
12 光検出器
13 シンチレータ
21 光電変換素子としてのフォトダイオード
27 蛍光体

【図1】

【図2】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図3】