特開 2024-102933 放射線検出装置

(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】P2024102933

(43)【公開日】2024-08-01

(54)【発明の名称】放射線検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01T 1/172 20060101AFI20240725BHJP

   G01T 1/20 20060101ALI20240725BHJP

   G01T 1/24 20060101ALI20240725BHJP

   G01T 1/161 20060101ALI20240725BHJP

【ＦＩ】

G01T1/172

G01T1/20 B

G01T1/20 E

G01T1/24

G01T1/161 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023007015

(22)【出願日】2023-01-20

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り １．ウェブサイト掲載日：令和４年１月２０日 掲載アドレス：ｈｔｔｐｓ：／／ｋｅｋｃｌｏｕｄ．ｋｅｋ．ｊｐ／ｉｎｄｅｘ．ｐｈｐ／ｓ／ｗＫｄＤ９ＡＹｉＤｄＱｑＰ４４（現在は閉鎖） ２．研究集会名：第３６回「放射線検出器とその応用」研究会 開催日：令和４年１月２５日（オンライン開催） ３．研究集会名：第８回室温動作化合物半導体検出器研究会 開催日：令和４年５月２０日 ４．ウェブサイト掲載日：令和４年８月２６日 掲載アドレス：ｈｔｔｐｓ：／／ｍｅｅｔｉｎｇ．ｊｓａｐ．ｏｒ．ｊｐ／ｊｓａｐ２０２２ａ／ｐｒｏｇｒａｍ ｈｔｔｐｓ：／／ｍｅｅｔｉｎｇ．ｊｓａｐ．ｏｒ．ｊｐ／ｊｓａｐ２０２２ａ／ｉｄｐｗ ５．研究集会名：第８３回応用物理学会秋季学術講演会 開催日：令和４年９月２０日（オンライン開催） ６．研究集会名：２０２２ ＩＥＥＥ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，Ｍｅｄｉｃａｌ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｒｏｏｍ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ 開催日：令和４年１１月９日

(71)【出願人】

【識別番号】505374783

【氏名又は名称】国立研究開発法人日本原子力研究開発機構

(71)【出願人】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】北山 佳治

(72)【発明者】

【氏名】人見 啓太朗

(72)【発明者】

【氏名】野上 光博

【テーマコード（参考）】

2G188

4C188

【Ｆターム（参考）】

2G188AA01

2G188AA19

2G188AA25

2G188AA27

2G188BB02

2G188BB04

2G188BB09

2G188BB15

2G188BB18

2G188CC12

2G188CC18

2G188CC23

2G188CC28

2G188DD01

2G188DD30

2G188EE07

2G188EE08

2G188EE12

2G188EE17

2G188EE22

2G188EE29

2G188EE39

4C188FF04

4C188GG21

4C188JJ01

4C188KK21

(57)【要約】

【課題】視野が広く、放射線エネルギーの適用範囲が広く、且つ、小型軽量化を図ることが可能な新しい放射線検出装置を提供することを目的とする。
【解決手段】放射線検出装置１は、放射線を検出する複数の検出素子１２が３次元的に配置された検出素子群１１を備える放射線検出装置である。検出素子群１１の構造は、任意の仮想面Ｓ上に検出素子１２が敷き詰められた仮想検出素子群から任意の位置の検出素子１２を取り除いて形成された空乏１３を有する構造である。空乏１３は、任意の方向に沿って配置された一の検出素子１２ａ及び他の検出素子１２ｂの各検出値の差分が、当該方向を入射方向とする放射線が入射する場合と当該方向の逆方向を入射方向とする放射線が入射する場合とにおいて、異なる値を示す位置に設けられる。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

放射線を検出する複数の検出素子が３次元的に配置された検出素子群を備える放射線検出装置であって、
前記検出素子群の構造は、任意の仮想面上に検出素子が敷き詰められた仮想検出素子群から任意の位置の検出素子を取り除いて形成された空乏を有する構造であり、
前記空乏は、任意の方向に沿って配置された一の検出素子及び他の検出素子の各検出値の差分が、当該方向を入射方向とする前記放射線が入射する場合と当該方向の逆方向を入射方向とする前記放射線が入射する場合とにおいて、異なる値を示す位置に設けられる
ことを特徴とする放射線検出装置。

【請求項2】

前記空乏の少なくとも一部には、前記放射線を遮蔽する遮蔽部材が配置されている
ことを特徴とする請求項１に記載の放射線検出装置。

【請求項3】

前記仮想面は、第１仮想平面と、前記第１仮想平面に対向して配置された第２仮想平面と、を含み、
前記検出素子群は、前記検出素子及び前記空乏が前記第１仮想平面上に配置された第１検出素子群と、前記検出素子及び前記空乏が前記第２仮想平面上に配置された第２検出素子群と、を含んで構成される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線検出装置。

【請求項4】

前記第１仮想平面及び前記第２仮想平面は、互いに略平行に配置され、
前記第１仮想平面及び前記第２仮想平面は、互いに略同一の正方形状である
ことを特徴とする請求項３に記載の放射線検出装置。

【請求項5】

前記第１検出素子群内の少なくとも１つの前記検出素子と、前記第２検出素子群内の少なくとも１つの前記検出素子とは、前記第１仮想平面及び前記第２仮想平面の法線方向から視て互いに異なる位置に配置されている
ことを特徴とする請求項３に記載の放射線検出装置。

【請求項6】

前記仮想面は、半球面状の仮想曲面を含む
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線検出装置。

【請求項7】

演算処理装置を更に備え、
前記演算処理装置は、前記複数の検出素子の各検出値に基づいて前記検出素子群内における前記放射線の空間的な強度分布を取得する処理部と、前記強度分布の取得結果に基づいて前記放射線の線源位置を推定する推定部と、を含む
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線検出装置。

【請求項8】

前記推定部は、前記強度分布の前記取得結果から前記線源位置を推定する推定モデルを有し、
前記推定モデルは、前記検出素子群への前記放射線の入射角度毎に取得された前記強度分布と、当該強度分布を取得時の前記線源位置とが紐付けられた教師データに基づく機械学習によって予め生成されたモデルである
ことを特徴とする請求項７に記載の放射線検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、放射線検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ガンマ線等の放射線を検出して可視する放射線検出装置（例えばガンマ線イメージャー）が知られている。この種の放射線検出装置の代表例としては、コンプトンカメラ、ピンホールカメラ又はコーデッドマスク型カメラ等が挙げられる。

【0003】

コンプトンカメラは、２つの異なる検出素子同士で信号の検出タイミングを揃える（コインシデンスをとる）必要があるので、信号の検出レートが高い箇所では処理が追い付かず、適用が困難である。コンプトンカメラは、非常に多くの検出素子数が必要であるので、回路が複雑になり、価格も高価である。コンプトンカメラの視野は、カメラの前方において立体角が２πｓｒ以下の範囲の製品が一般的であり、当該製品を使用した場合、全方向（立体角が４πｓｒ）の放射線検出及びイメージングを行うには多数回の測定を実施するか、複数のコンプトンカメラを用いる必要がある。

【0004】

ピンホールカメラは、鉛又はタングステン等の重く大型な遮蔽体が必要であるので、装置の重量が数十ｋｇを超える。ピンホールカメラは、持ち運びが容易ではなく、小型の探索ロボットに搭載するといった用途には適さない。更に、ピンホールカメラは、遮蔽体に形成された小さなピンホールを通過した放射線のみを検出対象とするので、検出感度が低く、視野も狭い。

【0005】

コーデッドマスク型カメラは、高エネルギーのガンマ線に対してはコーデッドマスクを透過してくるイベントが増加して結像精度が大幅に悪化するので、検出可能な放射線のエネルギー範囲が制限される。更に、コーデッドマスク型カメラは、検出素子前方以外からも放射線が入射してくるような環境では、ノイズが大きくなり使用に適さない。コーデッドマスク型カメラは、コンプトンカメラ及びピンホールカメラと比較しても視野が狭く、広い領域の放射線検出及びイメージングを行う用途にも適さない。

【0006】

非特許文献１には、全方向の視野を確保できる新しい放射線検出装置が開示されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】https://indico.cern.ch/event/731980/contributions/3312342/attachments/1830590/2997828/Vacheret-nFacet-NuSec-Workshop-2019.pdf

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、非特許文献１に開示された放射線検出装置は、全方向の視野を確保できるものの、依然として多くの検出素子数が必要であり、装置の重量も大きい。したがって、非特許文献１に開示された放射線検出装置は、コンプトンカメラ等の従来の放射線検出装置と同様に改善の余地がある。

【0009】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、視野が広く、放射線エネルギーの適用範囲が広く、且つ、小型軽量化を図ることが可能な新しい放射線検出装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決するために、本発明の放射線検出装置は、放射線を検出する複数の検出素子が３次元的に配置された検出素子群を備える放射線検出装置であって、前記検出素子群の構造は、任意の仮想面上に検出素子が敷き詰められた仮想検出素子群から任意の位置の検出素子を取り除いて形成された空乏を有する構造であり、前記空乏は、任意の方向に沿って配置された一の検出素子及び他の検出素子の各検出値の差分が、当該方向を入射方向とする前記放射線が入射する場合と当該方向の逆方向を入射方向とする前記放射線が入射する場合とにおいて、異なる値を示す位置に設けられることを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、視野が広く、放射線エネルギーの適用範囲が広く、且つ、小型軽量化を図ることが可能な新しい放射線検出装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本実施形態の放射線検出装置の構成を示す図。

【図2】図１に示す検出素子群の構造を説明する図。

【図3】図２に示す空乏に遮蔽部材が配置された検出素子群の構造を説明する図。

【図4】図３に示す検出素子群の詳細構造を説明する図。

【図5】図３及び図４に示す検出素子群を備える放射線検出装置によって線源位置を推定したシミュレーション結果を示す図。

【図6】従来の放射線検出装置によって線源位置を推定した結果を示す図。

【図7】放射線検出器の一例を示す斜視図。

【図8】図７に示す放射線検出器の分解斜視図。

【図9】図７及び図８に示す放射線検出器によって線源位置を推定した実験結果を示す図。

【図10】検出素子群の他の構造例を説明する図。

【図11】検出素子群の他の構造例を説明する図。

【図12】検出素子群の他の構造例を説明する図。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。各実施形態において同一の符号を付された構成については、特に言及しない限り、各実施形態において同様の機能を有し、その説明を省略する。

【0014】

図１は、本実施形態の放射線検出装置１の構成を示す図である。図２は、図１に示す検出素子群１１の構造を説明する図である。

【0015】

放射線検出装置１は、放射線を検出して可視化する装置である。放射線検出装置１は、数ｋｅＶ程度のＸ線から数十ＭｅＶのガンマ線に至るまで、幅広い放射線エネルギー範囲に適用可能である。更に、放射線検出装置１は、数ｕＳｖ／ｈ程度以下の低線量場から数Ｓｖ／ｈといった超高線量場まで、様々な線量率の環境に適用可能である。例えば、放射線検出装置１は、福島第一原子力発電所建屋内部の放射能汚染調査に用いられるガンマ線イメージャー、圧力容器等の超高線量場に用いられるガンマ線イメージャー、天文学用衛星に搭載されるＸ線若しくはガンマ線イメージャー、屋外環境中の放射能汚染調査に用いられるガンマ線イメージャー、放射線治療用医療機器に搭載されるガンマ線イメージャー、大型イベント等における核セキュリティ用検出器等に適用可能である。

【0016】

放射線検出装置１は、放射線を検出する複数の検出素子１２によって構成された検出素子群１１を備えた放射線検出器１０と、放射線検出器１０に接続され放射線検出器１０の検出結果を処理する演算処理装置５０と、を備える。

【0017】

検出素子１２は、検出対象の放射線を検出可能な素子であれば、特に限定されない。検出対象の放射線がガンマ線である場合、検出素子１２は、例えば、シンチレータ、半導体型検出素子、又は、積分型検出素子等、様々なものが考えられる。本実施形態では、検出対象の放射線がガンマ線であり、検出素子１２が立方体状のシンチレータであるとして説明する。

【0018】

検出素子群１１は、複数の検出素子１２によって構成される。検出素子群１１を構成する複数の検出素子１２は、３次元的に配置されている。検出素子群１１の構造は、任意の仮想面Ｓ上に検出素子１２が敷き詰められた仮想検出素子群から任意の位置の検出素子１２を取り除いた空乏１３（空間）を有する構造である。例えば、図２には、検出素子群１１の外形が立方体によって構成された検出素子群１１が図示されている。図２には、仮想面Ｓとして、ｘｙ平面に沿ったボトム側の外表面が図示されている。図２の例では、ｘｙ平面に沿ったボトム側の外表面の仮想面Ｓに対して、検出素子１２が１つしか配置されておらず、検出素子１２が当該仮想面Ｓに対して均一に敷き詰められていない。すなわち、図２の例で、ｘｙ平面に沿ったボトム側の外表面の仮想面Ｓに対して正方形状に９つ敷き詰められた仮想検出素子群から、８つの検出素子１２を取り除いて８つの空乏１３が形成されていると解釈することができる。

【0019】

なお、図２の例では、ｘｙ平面に沿ったボトム側の外表面だけを仮想面Ｓとして図示しているが、仮想面Ｓは、この外表面以外にも定義される。図２の例では、図示を省略しているが、ｘｙ平面に沿ったトップ側の外表面や、ｘｙ平面に沿って検出素子１２ａと検出素子１２ｂとの間を通過する面も、仮想面Ｓとして定義される。仮想面Ｓは、検出素子群１１の外形を構成する立体の外表面や当該立体に交差する面であれば、任意に定義され得る。仮想面Ｓの数も任意に定義され得る。

【0020】

空乏１３は、検出素子群１１の外形に交差する任意の方向に沿って配置された一の検出素子１２ａ及び他の検出素子１２ｂの各検出値の差分が、当該方向から放射線が入射する場合と当該方向の逆方向から放射線が入射する場合とにおいて異なる値を示す位置に設けられる。図２の例では、検出素子群１１の外形に交差する＋ｚ軸方向に沿って配置された一の検出素子１２ａ及び他の検出素子１２ｂの各検出値の差分は、＋ｚ軸方向を入射方向とする放射線が検出素子群１１に入射する場合と、当該方向の逆方向である－ｚ軸方向を入射方向とする放射線が検出素子群１１に入射する場合とにおいて、異なる値を示す。

【0021】

これにより、検出素子群１１は、放射線の任意の入射方向に対する複数の検出素子１２の相対的な位置関係を、全方向（立体角が４πｓｒ）において異なる位置関係とすることができる。したがって、検出素子群１１では、複数の検出素子１２の各検出値から取得される検出素子群１１内の放射線の強度分布（具体的には放射線フラックスの強度分布）を、全方向において異なる分布とすることができる。言い換えると、放射線検出装置１は、放射線の入射方向に応じて異なる放射線フラックス強度の勾配を検出素子群１１内に能動的に作り出すことができる。図２の例では、＋ｚ軸方向を入射方向とする放射線を検出した場合の検出素子群１１内の放射線の強度分布と、－ｚ軸方向を入射方向とする放射線を検出した場合の検出素子群１１内の放射線の強度分布とは、異なる分布となる。

【0022】

放射線検出装置１は、放射線の入射方向に応じて異なる検出素子群１１内の放射線の強度分布を利用して、放射線の線源位置を推定する。放射線検出装置１は、どの方向から放射線が入射すると検出素子群１１内の放射線の強度分布がどのような分布になるのかを紐付けた情報を予め記憶しておき、実際の測定時に取得された放射線の強度分布から、当該放射線の線源位置を推定する。

【0023】

具体的には、放射線検出装置１の演算処理装置５０は、複数の検出素子１２の各検出値に基づいて検出素子群１１内における放射線の空間的な強度分布を取得する処理部５１と、放射線の強度分布の取得結果に基づいて当該放射線の線源位置を推定する推定部５２と、を含む。また、演算処理装置５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等によって構成され、ＲＯＭに記憶されたプログラムをＣＰＵが実行することによって、処理部５１及び推定部５２を含む放射線検出装置１の各種機能を実現する。なお、処理部５１は、放射線検出器１０の内部に組み込まれていてもよい。

【0024】

推定部５２は、強度分布の取得結果から線源位置を推定する推定モデル５２ａを有していてもよい。推定モデル５２ａは、検出素子群１１への放射線の入射角度毎（すなわち放射線の入射方向毎）に取得された強度分布と、当該強度分布を取得時の線源位置とが紐付けられた教師データに基づく機械学習によって予め生成されたモデルである。

【0025】

機械学習の手法は、アンフォールディング又はニューラルネットワーク等であってもよい。アンフォールディングは、放射線検出の技術分野においてよく用いられている逆計算手法である。

【0026】

ここで、放射線検出器１０の応答関数を行列Ｒとし、求める対象である重み関数を行列Ｗとし、強度分布の取得結果を行列Ｓとして、次式（１）が成り立つと考えることができる。
Ｓ＝ＲＷ …（１）
応答関数Ｒは、一般に非正規行列であるので逆行列を定義できない。したがって、次式（２）に示す目的関数σを最小化するような重み関数Ｗを探索する。本実施形態では、行列Ｓは、取得結果である放射線フラックスの強度分布に相当する。行列Ｒは、放射線の入射角度毎の放射線フラックス強度のパターンに相当する。行列Ｗは、各入射角度の強度に相当する。
σ＝（Ｓ－ＲＷ）^２ …（２）

【0027】

このように、放射線検出装置１は、放射線の入射方向に応じて異なる検出素子群１１内の放射線の強度分布を利用して放射線の線源位置を推定することができるので、放射線検出器１０が簡易な構成でありながらも、全方向において放射線の線源位置を推定することができる。更に、放射線検出装置１は、機械学習によって生成された推定モデル５２ａを用いることによって、放射線検出器１０が簡易な構成でありながらも、放射線の線源位置を精度良く推定することができる。

【0028】

図３は、図２に示す空乏１３に遮蔽部材１４が配置された検出素子群１１の構造を説明する図である。図４は、図３に示す検出素子群１１の詳細構造を説明する図である。

【0029】

空乏１３には、図３及び図４に示すように、放射線を遮蔽する遮蔽部材１４が配置されていてもよい。遮蔽部材１４は、空乏１３の全てに配置される必要はなく、検出対象の放射線のエネルギー範囲又は線量率に応じて任意に配置可能である。すなわち、空乏１３の少なくとも一部（空乏１３の少なくとも１つ）には、遮蔽部材１４が配置されていてもよい。遮蔽部材１４は、検出素子１２と同様に立方体状に形成されていてもよい。検出対象の放射線が中性子線である場合、遮蔽部材１４は、軽元素の材料である水又はホウ素等によって形成されることが好ましい。検出対象放射線がガンマ線又はＸ線といった透過性の高い放射線である場合、遮蔽部材１４は、重元素の材料である鉛又はタングステン等によって形成されることが好ましい。すなわち、遮蔽部材１４の配置、形状及び材料の選択については、放射線の入射方向に応じて異なる放射線フラックス強度の勾配を検出素子群１１内に能動的に作り出すという観点で、任意に設計変更することができる。

【0030】

また、検出素子１２の体積又は密度についても任意に設計変更することができる。例えば、放射線の入射方向に対して、一の検出素子１２ａと他の検出素子１２ｂとの間に体積又は密度の差異が生じるよう設計変更することによって、放射線フラックス強度の勾配を検出素子群１１内に能動的に作り出すことができる。また、検出素子１２の種類についても任意に設計変更することができる。例えば、一の検出素子１２ａをベータ線用検出素子とし、他の検出素子１２ｂをアルファ線用検出素子とする等、一の検出素子１２ａと他の検出素子１２ｂとの間に放射線検出感度の差異が生じるよう設計変更することによって、放射線フラックス強度の勾配を検出素子群１１内に能動的に作り出すことができる。

【0031】

遮蔽部材１４が空乏１３に配置されることにより、放射線検出装置１は、検出素子群１１内の複数の検出素子１２における各検出値の差分を大きくすることができる。これにより、放射線検出装置１は、複数の検出素子１２の各検出値から取得される検出素子群１１内の放射線の強度分布に対して、放射線の入射方向に応じて大きな差分を付与することができる。よって、放射線検出装置１は、放射線の入射方向を精度良く推定することができ、放射線の線源位置を精度良く推定することができる。特に、福島第一原子力発電所建屋内部のような高線量場においては、検出素子１２の信号の検出レートが高くなって処理が追い付かない（パイルアップする）だけでなく、放射線が検出素子１２を透過してしまい、放射線フラックス強度の勾配を検出素子群１１内に作り出すことができず、検出素子群１１内の放射線の強度分布を精度良く取得できないことがある。放射線検出装置１は、遮蔽部材１４が空乏１３に配置されることにより、高線量場においても当該強度分布を精度良く取得することができ、放射線の線源位置を精度良く推定することができる。

【0032】

なお、遮蔽部材１４が空乏１３に配置されていない場合、複数の検出素子１２のそれぞれに入射する放射線数も多くなるので、検出素子群１１全体において光子のカウント数を多く稼げる構成となる。これにより、放射線検出装置１は、遮蔽部材１４が空乏１３に配置されている場合よりも、放射線の検出効率を大幅に向上させることができる。検出効率の向上は測定時間の短縮化に繋がる。測定時間の短縮化は、放射線検出装置１が放射線治療用医療機器に搭載される場合に、放射性医薬品の投与量を少なくできるので、患者の被曝量を低減できる効果を奏する。したがって、遮蔽部材１４が空乏１３に配置されていない放射線検出装置１は、測定時間の短縮化が必要な放射線治療用医療機器等に搭載される場合に有効である。

【0033】

図３及び図４に示す検出素子群１１において、仮想面Ｓは、第１仮想平面Ｓａと、第２仮想平面Ｓｂと、第３仮想平面Ｓｃと、を含む。第２仮想平面Ｓｂは、第１仮想平面Ｓａに対向して配置される。第３仮想平面Ｓｃは、第２仮想平面Ｓｂに対向して配置される。

【0034】

図３及び図４の例では、第１仮想平面Ｓａは、ｘｙ平面に沿ったボトム側の外表面である。図３及び図４の例では、第２仮想平面Ｓｂは、検出素子群１１の外形を構成する立体に交差する面であって検出素子１２ｂと遮蔽部材１４ａとの間を通過する平面である。図３及び図４の例では、第３仮想平面Ｓｃは、検出素子群１１の外形を構成する立体に交差する面であって検出素子１２ａと検出素子１２ｂとの間を通過する平面である。

【0035】

図３及び図４の例では、第１仮想平面Ｓａ、第２仮想平面Ｓｂ及び第３仮想平面Ｓｃは、ｘｙ平面に沿った面を基準としてｘｙ平面の法線方向に積層されるように定義されている。しかしながら、第１仮想平面Ｓａ、第２仮想平面Ｓｂ及び第３仮想平面Ｓｃは、ｘｙ平面の法線方向に積層されるだけでなく、ｘｚ平面及びｙｚ平面に沿った面を基準としてｘｙ平面及びｙｚ平面の法線方向にも積層されるように定義されてもよい。このように、図３及び図４に示す検出素子群１１の仮想面Ｓは、検出素子群１１の外形を構成する立体の外表面や当該立体に交差する面であれば、任意に定義され得る。仮想面Ｓの数も任意に定義され得る。

【0036】

図３及び図４に示す検出素子群１１は、検出素子１２及び空乏１３又は遮蔽部材１４が第１仮想平面Ｓａ上に配置された第１検出素子群１１ａと、検出素子１２及び空乏１３又は遮蔽部材１４が第２仮想平面Ｓｂ上に配置された第２検出素子群１１ｂと、検出素子１２及び空乏１３又は遮蔽部材１４が第３仮想平面Ｓｃ上に配置された第３検出素子群１１ｃと、を含んで構成される。

【0037】

これにより、放射線検出装置１は、検出素子１２の３次元的な配置を容易に実現することができると共に、検出素子群１１の外形を比較的単純な多面体とすることができる。したがって、放射線検出装置１は、検出素子群１１の外形が部分的に突出する形状になることを防止することができる。よって、放射線検出装置１は、放射線検出器１０を省スペース化することができ、小型化することができる。

【0038】

更に、図３及び図４に示す検出素子群１１において、第１仮想平面Ｓａ、第２仮想平面Ｓｂ及び第３仮想平面Ｓｃは、互いに略平行に配置される。第１仮想平面Ｓａ、第２仮想平面Ｓｂ及び第３仮想平面Ｓｃは、互いに等間隔を空けて配置される。第１仮想平面Ｓａ、第２仮想平面Ｓｂ及び第３仮想平面Ｓｃは、互いに略同一の正方形状である。

【0039】

これにより、放射線検出装置１は、検出素子１２の３次元的な配置を更に容易に実現することができると共に、検出素子群１１の外形を単純な立方体とすることができる。したがって、放射線検出装置１は、放射線検出器１０を更に省スペース化することができ、更に小型化することができる。

【0040】

更に、図３及び図４に示す検出素子群１１において、第１検出素子群１１ａ内の少なくとも１つの検出素子１２と、第２検出素子群１１ｂ内の少なくとも１つの検出素子１２と、第３検出素子群１１ｃ内の少なくとも１つの検出素子１２とは、第１仮想平面Ｓａ、第２仮想平面Ｓｂ及び第３仮想平面Ｓｃの法線方向から視て、互いに異なる位置に配置されている。

【0041】

これにより、放射線検出装置１は、当該法線方向に直交する方向を入射方向とする放射線に対して、複数の検出素子１２の各検出値の差分を確実に大きくすることができる。したがって、放射線検出装置１は、第１仮想平面Ｓａ、第２仮想平面Ｓｂ及び第３仮想平面Ｓｃに沿った方向から入射する放射線の線源位置を精度良く推定することができる。

【0042】

第１検出素子群１１ａ内の少なくとも１つの検出素子１２と、第２検出素子群１１ｂ内の少なくとも１つの検出素子１２と、第３検出素子群１１ｃ内の少なくとも１つの検出素子１２とは、ｘｙ平面の法線方向だけなく、ｘｚ平面の法線方向及びｙｚ平面の法線方向から視ても、互いに異なる位置に配置されることが好ましい。

【0043】

これにより、放射線検出装置１は、各法線方向に直交する方向を入射方向とする各放射線に対して、複数の検出素子１２の各検出値の差分を確実に大きくすることができる。したがって、放射線検出装置１は、全方向から入射する放射線の線源位置を更に精度良く推定することができる。

【0044】

図５は、図３及び図４に示す検出素子群１１を備える放射線検出装置１によって線源位置を推定したシミュレーション結果を示す図である。

【0045】

まず、シミュレーション条件について説明する。検出素子群１１のジオメトリに係る条件は、次の通りである。すなわち、検出素子１２、空乏１３及び遮蔽部材１４のそれぞれの形状及びサイズは、１０ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍの立方体とした。検出素子１２としては、ＧＡＧＧ（Gadolinium Aluminum Gallium Garnet）シンチレータを８個設けた。遮蔽部材１４としては、鉛ブロックを１８個設けた。空乏１３を１個設けた。検出素子１２、空乏１３及び遮蔽部材１４の各配置は、図４に示す配置とした。

【0046】

線源位置のイメージングに係る条件は、次の通りである。すなわち、推定モデル５２ａを生成する機械学習の手法は、ニューラルネットワーク（隠れ層は１層）とした。教師データとしては、６６２ｋｅＶのガンマ線を、方位角φ及び仰角θともに１０度刻みの入射角度毎に検出素子群１１に照射した。１つの入射角度において、１０分間の放射線照射を１０回行った。各入射角度から検出素子群１１に入射した放射線に対する検出素子１２のフォトンカウント数を測定した。

【0047】

テストデータに係る条件は、次の通りである。すなわち、放射線源は、^１３７Ｃｓ（１０ＭＢｑ）とした。光子数は、１０２，７０８個とした。この光子数は、検出素子群１１から３ｍ離れた線源位置からガンマ線が１０分間照射されることに相当する。放射線の線源位置は、Ｐ１～Ｐ３の３パターンを用意した。

【0048】

次に、シミュレーション結果について説明する。図５の横軸は放射線の入射角度の方位角φを示し、図５の縦軸は放射線の入射角度の仰角θを示す。図５では、シミュレーション結果としてマッピングされた色が濃いほど、検出された放射線の強度が高く、線源位置の存在確率が高いことを示している。図５において、Ｐ１～Ｐ３の矢印の先端は真の線源位置を示している。図５に示すように、Ｐ１～Ｐ３の３パターンともに、シミュレーション結果は真の線源位置を再現できていることが分かる。したがって、図５に示すシミュレーション結果から、放射線検出装置１が放射線の線源位置を精度良く推定可能であることが分かる。

【0049】

図６は、従来の放射線検出装置によって線源位置を推定した結果を示す図である。

【0050】

まず、測定条件について説明する。本測定では、従来の放射線検出装置としてコンプトンカメラ（製造者：株式会社千代田テクノル、製品名：ガンマ・キャッチャー）を用いた。放射線源は^１３７Ｃｓ（１０ＭＢｑ）とした。当該コンプトンカメラから８ｍ離れた線源位置からガンマ線を１時間照射した。

【0051】

次に、線源位置の推定結果について説明する。図６の横軸は放射線の入射角度の方位角φを示し、図６の縦軸は放射線の入射角度の仰角θを示す。なお、従来の放射線検出装置における実際の視野はカメラ中心から±７０°の角度範囲であるが、図６では、図５と比較し易いよう、４πｓｒの視野に換算している。図６において、Ｐ４の矢印の先端は真の線源位置を示している。

【0052】

図６に示すように、従来の放射線検出装置によれば、真の線源位置以外にも余分なイメージが出現していることが分かる。これは、コンプトンカメラが、１回の検出につき１つのコンプトンコーンをイメージングし、沢山のイベントを取得した後に、最もコンプトンコーンが重なり合った位置を、線源位置の存在確率が最も高い位置としてイメージングするからである。したがって、従来の放射線検出装置によれば、無数のコンプトンコーンが出現することになり、線源位置の推定に際してはノイズ成分となり得る。一方、図５に示すシミュレーション結果では、図６に示すようなノイズ成分が少なく、本実施形態の放射線検出装置１が放射線の線源位置を精度良く推定可能であることが分かる。

【0053】

図７は、放射線検出器１０の一例を示す斜視図である。図８は、図７に示す放射線検出器１０の分解斜視図である。

【0054】

図７及び図８に示す放射線検出器１０は、検出素子群１１と、検出素子群１１を保持するホルダ２１と、検出素子１２の信号処理を行って検出値を取得する回路基板２２と、を備える。

【0055】

図７及び図８に示す検出素子群１１は、図３及び図４に示す検出素子群１１と同様の多層構造を有し、第１検出素子群１１ａと、第２検出素子群１１ｂと、第３検出素子群１１ｃとによって構成される。第１検出素子群１１ａ、第２検出素子群１１ｂ及び第３検出素子群１１ｃは、それぞれの外形が正方形の平板状に形成され、ｘｙ平面の法線方向に沿って積層されている。

【0056】

ホルダ２１及び回路基板２２は、第１～第３検出素子群１１ａ～１１ｃのそれぞれに対して設けられている。ホルダ２１は、検出素子１２及び遮蔽部材１４を保持する。ホルダ２１の少なくとも検出素子１２を保持する部分には、シンチレータである検出素子１２から発せられた光を透過させる孔等の光透過部２１ａが設けられている。ホルダ２１は、回路基板２２に対向して配置され、ねじ等によって固定されている。回路基板２２には、検出素子１２の発光を検出及び増幅するＳｉＰＭ（Silicon Photomultipliers）２３が実装されている。ＳｉＰＭ２３は、回路基板２２の実装面において、少なくとも検出素子１２に対応する位置に配置されている。回路基板２２には、ＳｉＰＭ２３以外にも、検出素子１２の検出値を取得するために必要な各種電子部品が実装されている。

【0057】

なお、光透過部２１ａが面する回路基板２２の各領域の全てにＳｉＰＭ２３を配置すれば、測定環境に適した検出素子１２の種類又は配置等を任意に変更可能となる。これにより、例えば、放射線治療用医療機器に放射線検出装置１が搭載される場合には、放射線の検出効率を向上させることができるので、放射線検出装置１は、検出素子１２の体積又は密度を変更したり、放射線検出感度の良い検出素子１２に変更したりするといった設計変更を容易に実行することができる。

【0058】

第１検出素子群１１ａに対応するホルダ２１及び回路基板２２と、第２検出素子群１１ｂに対応するホルダ２１及び回路基板２２と、第３検出素子群１１ｃに対応するホルダ２１及び回路基板２２とは、スペーサ２４を介して、互いに間隔を空けて配置されている。

【0059】

図９は、図７及び図８に示す放射線検出器１０によって線源位置を推定した実験結果を示す図である。

【0060】

まず、実験条件について説明する。検出素子群１１のジオメトリに係る条件は、次の通りである。すなわち、検出素子１２、空乏１３及び遮蔽部材１４のそれぞれの形状及びサイズは、１０ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍの立方体とした。検出素子１２としては、ＧＡＧＧシンチレータを８個設けた。遮蔽部材１４としては、鉛ブロックを１８個設けた。空乏１３を１個設けた。検出素子１２、空乏１３及び遮蔽部材１４の各配置は、図８に示す配置とした。

【0061】

線源位置のイメージングに係る条件では、方位角φ（０度～３５０度）について１０度刻みの入射角度毎にガンマ線を検出素子群１１に照射する条件での応答関数を用意した。

【0062】

テストデータに係る条件は、次の通りである。すなわち、放射線源は、^１３７Ｃｓ（１０ＭＢｑ）とした。放射線検出器１０から１５２．４ｍｍ（６ｉｎｃｈ）離れた線源位置からガンマ線を３分間照射した。放射線の線源位置は、Ｐ５及びＰ６の２パターンを用意した。放射線源及び放射線検出器１０を同じテーブルに載置し、放射線の入射角度の方位角φだけを変化させた。

【0063】

次に、実験結果について説明する。図９に示す円の中心は、放射線検出器１０の位置を示している。図９に示す円の周方向に記載された数値は方位角φを示す。図９では、実験結果としてマッピングされた黒い棒グラフの長さが長いほど、検出された放射線の強度が高く、線源位置の存在確率が高いことを示している。図９において、Ｐ５の真の線源位置の方位角φは０度であり、Ｐ６の真の線源位置の方位角φは２２５度である。図９に示すように、Ｐ５及びＰ６の２パターンともに、実験結果は真の線源位置を概ね再現できていることが分かる。したがって、図９に示す実験結果から、放射線検出装置１が放射線の線源位置を精度良く推定可能であることが分かる。

【0064】

図１０は、検出素子群１１の他の構造例を説明する図である。図１１は、検出素子群１１の他の構造例を説明する図である。図１２は、検出素子群１１の他の構造例を説明する図である。

【0065】

上記の実施形態では、検出素子群１１は、図３及び図４に示すように、第１検出素子群１１ａ～第３検出素子群１１ｃを積層させた多層構造を有する立方体状に形成されていた。しかしながら、検出素子群１１の形状及び構造は、検出素子群１１内の放射線の強度分布が線源位置によって一意に決まるのであれば、どのような形状及び構造であってもよい。

【0066】

例えば、図１０に示すように、検出素子群１１は、中空構造を有する半球殻状に形成されていてもよい。図１０に示す検出素子群１１の仮想面Ｓは、半球面状の仮想曲面を含む。これにより、放射線検出装置１は、要求される視野が２πｓｒで足りる場合には、検出素子群１１を多層構造としなくて済むので、部品点数を削減することができ、低コスト化及び軽量化することができる。

【0067】

また、例えば、図１１に示すように、検出素子群１１は、Ｌ字型の板状に形成されていてもよい。図１１に示す検出素子群１１の仮想面Ｓは、Ｌ字型に屈折する仮想屈折面を含む。これにより、放射線検出装置１は、放射線の入射方向が特定の方向に限定される場合には、検出素子群１１を多層構造としなくて済むので、部品点数を削減することができ、低コスト化及び軽量化することができる。

【0068】

また、上記の実施形態では、検出素子群１１を構成する複数の検出素子１２が３次元的に配置されていた。しかしながら、放射線の入射方向が特定の方向に限定される場合には、検出素子群１１を構成する複数の検出素子１２は、図１２に示すように、２次元的に配置されていてもよい。これにより、放射線検出装置１は、部品点数を更に削減することができ、更に低コスト化及び軽量化することができる。

【0069】

以上のように、本実施形態の放射線検出装置１は、放射線を検出する複数の検出素子１２が３次元的に配置された検出素子群１１を備える放射線検出装置である。検出素子群１１の構造は、任意の仮想面Ｓ上に検出素子１２が敷き詰められた仮想検出素子群から任意の位置の検出素子１２を取り除いて形成された空乏１３を有する構造である。空乏１３は、任意の方向に沿って配置された一の検出素子１２ａ及び他の検出素子１２ｂの各検出値の差分が、当該方向を入射方向とする放射線が入射する場合と当該方向の逆方向を入射方向とする放射線が入射する場合とにおいて、異なる値を示す位置に設けられる。

【0070】

これにより、本実施形態の放射線検出装置１は、主に、従来の放射線検出装置では得られない以下の４つの利点を得ることができる。

【0071】

第１の利点は、放射線検出装置１の視野が全方向という点である。検出素子群１１内に生じる放射線の強度分布は、全方向から入射する放射線の寄与を含んでいるので、当該強度分布を取得することによって、放射線検出装置１は、１回の測定で全方向を対象としたイメージングを行うことができる。

【0072】

第２の利点は、放射線のエネルギー及び線量率に関する放射線検出装置１の適用範囲が広いという点である。コンプトンカメラであれば、検出対象となる光子のエネルギーはコンプトン散乱が主たる相互作用となるエネルギー範囲に限られる。コーデッドマスク型カメラであれば、コーデッドマスクの遮蔽能力には限界があるので、高エネルギーの光子に対するイメージング精度は大幅に悪化する。また、コンプトンカメラは、多数の検出素子の信号に対してコインシデンスをとる必要があるので、検出値を取得するための信号処理回路が複雑になると共に、検出レートが高い高線量場には適用が困難である。これに対して、放射線検出装置１は、対象とする光子のエネルギーに適した、検出素子１２、空乏１３及び遮蔽部材１４のそれぞれの種類若しくは配置等を選定することによって、様々な放射線に適用可能である。また、検出素子１２、空乏１３及び遮蔽部材１４のそれぞれのサイズ及び個数を適切に選定することによって、屋外環境中のような低線量場から原子炉内部のような超高線量場まで適用可能である。

【0073】

第３の利点は、装置構成が簡易であり、小型軽量化が可能という点である。ピンホールカメラは、ピンホール以外からの放射線の入射を遮蔽するために、分厚い遮蔽体で検出器全体を囲う必要がある。これにより、ピンホールカメラの全重量は数十ｋｇ以上になる。これ対して、放射線検出装置１は、上記のような空乏１３を有していれば遮蔽部材１４は必須ではない。遮蔽部材１４を用いる場合であっても、放射線検出装置１は、対象とする放射線のエネルギーの光子に対して検出素子群１１内において放射線フラックス強度の勾配が生じるだけの最低限の遮蔽部材１４だけでよい。したがって、放射線検出装置１は、遮蔽部材１４を用いる場合であっても、放射線検出器１０の重量を数百ｇから数ｋｇ以下に抑えることができる。この程度の重量であれば、放射線検出装置１は小型ロボットやドローンに搭載することが容易であり、応用の幅が大きく拡大する。更に、人工衛星等の検出器重量が非常に重要になる応用先においても、放射線検出装置１は極めて有利となる。しかも、放射線検出装置１は、検出素子１２が数個でも十分であるので、装置構成が簡易であり、検出素子１２の検出値を取得するための信号処理回路も簡易な回路で済む。放射線検出装置１は、安価に製作することができる。

【0074】

第４の利点は、検出素子群１１の形状及び構造を問わないという点である。通常、ガンマ線イメージャーは、検出器の形状及び構造によって視野、検出効率及び空間分解能が大きく変わるので、一般的な形状及び構造から大きく変更できない。これに対し、放射線検出装置１は、検出素子群１１内の放射線の強度分布から放射線の線源位置を推定するので、線源位置によって当該強度分布が一意に決まるのであれば、検出素子群１１がどのような形状及び構造であってもよい。この利点は、放射線検出装置１の設置場所が限られている場合に有効である。

【0075】

このように、本実施形態によれば、視野が広く、放射線エネルギーの適用範囲が広く、且つ、小型軽量化を図ることが可能な新しい放射線検出装置１を提供することができる。

【0076】

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の変更を行うことができる。本発明は、或る実施形態の構成を他の実施形態の構成に追加したり、或る実施形態の構成を他の実施形態と置換したり、或る実施形態の構成の一部を削除したりすることができる。

【符号の説明】

【0077】

１…放射線検出装置、１０…放射線検出器、１１…検出素子群、１１ａ…第１検出素子群、１１ｂ…第２検出素子群、１１ｃ…第３検出素子群、１２…検出素子、１２ａ…一の検出素子、１２ｂ…他の検出素子、１３…空乏、１４…遮蔽部材、５０…演算処理装置、５１…処理部、５２…推定部、５２ａ…推定モデル、Ｓ…仮想面、Ｓａ…第１仮想平面、Ｓｂ…第２仮想平面、Ｓｃ…第３仮想平面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】