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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-04-08
(45)【発行日】2022-04-18
(54)【発明の名称】光増倍装置
(51)【国際特許分類】
G01T 1/20 20060101AFI20220411BHJP
G01T 3/06 20060101ALI20220411BHJP
【ＦＩ】
G01T1/20 E
G01T1/20 L
G01T1/20 G
G01T3/06
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2018001948
(22)【出願日】2018-01-10
(65)【公開番号】P2019120638
(43)【公開日】2019-07-22
【審査請求日】2020-11-17
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国立研究開発法人科学技術振興機構、研究成果展開事業 研究成果最適展開支援プログラム（Ａ－ＳＴＥＰ）「レーザー駆動中性子源の開発と高速ラジオグラフィへの応用」に係る委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
(73)【特許権者】
【識別番号】504176911
【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学
(74)【代理人】
【識別番号】110000338
【氏名又は名称】特許業務法人ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ
(72)【発明者】
【氏名】有川 安信
(72)【発明者】
【氏名】西村 博明
(72)【発明者】
【氏名】中井 光男
(72)【発明者】
【氏名】余語 覚文
(72)【発明者】
【氏名】安部 勇輝
(72)【発明者】
【氏名】松原 秋登
(72)【発明者】
【氏名】岸本 秀隆
【審査官】鳥居 祐樹
(56)【参考文献】
【文献】特表平０９－５０３０９１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０６－０４４９２９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１１－５０１４１５（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００６／０１９７０２５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１２－２２５６８０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｔ １／２０
Ｈ０１Ｌ ３１／１０７
Ｇ０１Ｔ ３／０６
Ｈ０１Ｊ ３１／５０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
中性子を発生する携帯型中性子源と、
前記携帯型中性子源により発生した中性子に励起されることにより微弱光を発するシンチレータと、
前記シンチレータにより発生した微弱光を電流に変換して増倍する複数個のアバランシェフォトダイオードが格子状に配列されたアバランシェパネルと、
前記中性子に基づく中性子画像を表示するために前記アバランシェフォトダイオードからの電流を可視光に変換する複数個の発光ダイオードが格子状に配列された発光パネルと、
前記発光パネルに表示された前記中性子画像を撮像するカメラとを備えたことを特徴とする光増倍装置。
【請求項2】
前記複数個の発光ダイオードが前記複数個のアバランシェフォトダイオードと１対１に対応するように配列される請求項１に記載の光増倍装置。
【請求項3】
前記複数個の発光ダイオードを前記複数個のアバランシェフォトダイオードと１対１で結合する複数本の配線と、各アバランシェフォトダイオードと並列に結合されたフォトダイオード電圧源と、
各発光ダイオードと並列に結合された発光素子電圧源とをさらに備える請求項１に記載の光増倍装置。
【請求項4】
前記フォトダイオード電圧源が、各アバランシェフォトダイオードに正電圧を供給する第１正極と、グランドに接地された第１負極とを有し、
前記発光素子電圧源が、各発光ダイオードに負電圧を供給する第２負極と、
前記グランドに接地された第２正極とを有する請求項３に記載の光増倍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、シンチレーション信号や蛍光などの微弱光を電流に変換して増倍し、微弱光に基づく画像を表示するための光増倍装置に関する。
【背景技術】
【0002】
シンチレーション信号や蛍光などの微弱光を電流に変換して増倍し、微弱光に基づく画像を表示するための装置として、従来はマイクロチャンネルプレート内蔵のイメージインテンシファイアという装置があった。
【0003】
この従来のイメージインテンシファイアは、放射線に励起されることにより微弱光を発するシンチレータと、シンチレータからの微弱光を電子に変換するフォトカソードと、フォトカソードにより変換された電子を増倍するマイクロチャンネルプレートと、マイクロチャンネルプレートにより増倍された電子を光信号に変換するフォスファーとを備える。
【0004】
このイメージインテンシファイアの空間分解能は２０μｍ程度であった。従来のイメージインテンシファイアは、真空管を用いた精密機器であり、非常に高価で、価格は数百万円から１千万円程度であり、手軽に使える装置ではなかった。
【0005】
また、イメージインテンシファイアの口径として２インチ程度が最大である。従来のイメージインテンシファイアにおいて、フォトカソードからマイクロチャンネルプレートにかけての量子効率は典型的に１０％程度が限界であり、フォトン数が少ない画像に対して画質の劣化が顕著であった。
【0006】
３ナノ秒程度の時間ゲート（１コマ撮影のみ）が可能なイメージインテンシファイアも存在するが、基本的に高速変化する画像信号を連続的に増倍する事は不可能であった。
【0007】
また、イメージインテンシファイアは構造上、フォトカソードの受光面の周りが、金属等の固定枠で覆われており、不感領域になっている。このため、このフォトカソードを多数並べても画像欠損のない大型のパネル状に組み上げることができず、１０ｃｍ直径よりも大きな受光面を実現することができなかった。
【0008】
また、マイクロチャンネルプレートには－５０００Ｖ程度の高電圧をかけて使用するため、特殊な電源装置が必要であった。加えて、マイクロチャンネルプレートは、過大光がフォトカソードに入力されると損傷し易く、暗室装置や暗箱装置を用意し慎重に運転する必要があった。
【0009】
近年マイクロチャンネルプレートなど真空管デバイスの代わりに半導体デバイスの発展が目覚ましい。シリコンフォトダイオードの量子効率は６０％に達している。アバランシェフォトダイードは、量子効率が６０％程度でありながら、１０６倍に微弱光を増倍することができる。
【0010】
アバランシェフォトダイオード単体では単一の出力電流がオンかオフの２値にしかならないが、アバランシェフォトダイオードのマイクロ素子を１０００個程度に多数並べて、回路的に一つに結線して線形増幅を実現したマルチピクセルフォトンカウンター（ＭＰＰＣ）が知られている（特許文献１）。このデバイスは量子効率が６０％、増倍率が１０６、ダイナミックレンジが１０００以上の線形増幅性能を実現している。このＭＰＰＣを１ｍｍ程度の画素サイズで多数並べたＭＰＰＣアレーはマイクロチャンネルプレートと同様の機能を果たすことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0011】
【文献】特開2011-211070号公報（2011年10月20日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
近年、原子炉や加速器やレーザーなどで発生したＸ線や中性子を用いて、高速道路やコンクリート橋げたなどのメートルサイズの物体の内部の欠陥を、ラジオグラフによって非破壊で探知することができる様になりつつある。特に中性子は、発生手法と検出手法とが難しいが、メートルサイズのコンクリートでも透視できるので、発生手法と検出手法との技術開発が進められている。
【0013】
中性子の検出手法には、一般に中性子により励起されたシンチレータから発光されるシンチレーション光の画像をＣＣＤカメラで撮影する手法が用いられる。微弱なシンチレーション光の画像を撮影するためには、光増倍装置が必須である。
【0014】
中性子の画像化のためのシンチレータには、１ｍｍ直径程度のファイバー状プラスチックシンチレータを多数束ねた、シンチレータアレイが用いられる。また、このようなプラスチックシンチレータファイバーバンドル（シンチレータアレイ）の代わりに、液体シンチレータをアルミハニカムパネルに充填してガラス窓で封じ込める事で、同様の性能を持つメートルサイズのシンチレータアレイパネルを安価に作ることができる。
【0015】
メートルサイズのシンチレーション発光画像を従来の小口径のイメージインテンシファイアカメラ（ＣＣＤカメラ）で撮影するためには画像の縮小が必要である。典型的にはシンチレータアレイパネルから１メートルの位置に、口径３ｃｍ・焦点距離３ｃｍ程度の低ノイズ冷却型のＣＣＤカメラのレンズを設置する必要があるが、この場合シンチレータアレイパネルからのごく一部の光しかレンズに集めることができない。この悪い効率をカバーできるだけの中性子を発生させられる装置は超大型の加速器（Ｊ－ＰＡＲＣなど）を除いて世の中に存在しないため、従来技術では中性子画像装置はなかなか汎用化ができなかった。
【0016】
本発明の一態様は、メートルサイズの物体からの放射線に対応する微弱光に基づく画像を表示することができる汎用的な光増倍装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0017】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光増倍装置は、微弱光を電流に変換して増倍する複数個のアバランシェフォトダイオードが格子状に配列されたアバランシェパネルと、前記微弱光に基づく画像を表示するために前記アバランシェフォトダイオードからの電流を可視光に変換する複数個の発光素子が格子状に配列された発光パネルとを備えたことを特徴とする。
【0018】
この特徴によれば、格子状に配列されたアバランシェフォトダイオードにより微弱光から変換して増倍された電流が、格子状に配列された発光素子により可視光に変換される。アバランシェフォトダイオードが格子状に配列されるので、イメージインテンシファイアのように不感領域が発生せず、大型のパネル状に組み上げることができる。この結果、メートルサイズの物体の微弱光に基づく画像を表示することができる汎用的な光増倍装置を実現することができる。
【0019】
本発明の一態様に係る光増倍装置は、前記複数個の発光素子が前記複数個のアバランシェフォトダイオードと１対１に対応するように配列されてもよい。
【0020】
上記構成によれば、アバランシェフォトダイオードを画素とする画像を表示することができる。
【0021】
本発明の一態様に係る光増倍装置は、前記複数個の発光素子を前記複数個のアバランシェフォトダイオードと１対１で結合する複数本の配線と、各アバランシェフォトダイオードと並列に結合されたフォトダイオード電圧源と、各発光素子と並列に結合された発光素子電圧源とをさらに備えてもよい。
【0022】
上記構成によれば、各アバランシェフォトダイオードと各発光素子とを簡素な構成で動作させることができる。
【0023】
本発明の一態様に係る光増倍装置は、前記フォトダイオード電圧源が、各アバランシェフォトダイオードに正電圧を供給する第１正極と、グランドに接地された第１負極とを有し、前記発光素子電圧源が、各発光素子に負電圧を供給する第２負極と、前記グランドに接地された第２正極とを有してもよい。
【0024】
上記構成によれば、各アバランシェフォトダイオードと各発光素子とを簡素な構成で動作させることができる。
【0025】
本発明の一態様に係る光増倍装置は、放射線に励起されることにより前記微弱光を発するシンチレータをさらに備え、前記アバランシェフォトダイオードが前記シンチレータにより発せられた光を前記電流に変換して増倍してもよい。
【0026】
上記構成によれば、放射線により励起された微弱光に基づく画像を表示することができる。
【0027】
本発明の一態様に係る光増倍装置は、前記発光パネルに表示された前記画像を撮像するカメラをさらに備えてもよい。
【0028】
上記構成によれば、微弱光に基づく画像を撮像することができる。
【0029】
本発明の一態様に係る光増倍装置は、前記発光素子が発光ダイオードであってもよい。
【0030】
上記構成によれば、アバランシェフォトダイオードからの電流を効率良く可視光に変換することができる。
【発明の効果】
【0031】
本発明の一態様によれば、メートルサイズの物体からの放射線に対応する微弱光に基づく画像を表示することができる汎用的な光増倍装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0032】
【図1】実施形態に係る光増倍装置の模式図である。
【図2】上記光増倍装置に設けられた光増倍パネルの構成を示すブロック図である。
【図3】（ａ）は上記光増倍パネルをアバランシェパネル側から見た斜視画像であり、（ｂ）は上記光増倍パネルを発光パネル側から見た斜視画像である。
【図4】（ａ）は上記光増倍パネルの要部をアバランシェパネル側から見た斜視画像であり、（ｂ）は発光パネル側から見た斜視画像である。
【図5】上記光増倍装置に設けられたシンチレータからのシンチレーション信号の撮像画像である。
【図6】上記光増倍パネルにパルス光を入力した時に出力される光信号の時間応答を示す波形図である。
【図7】上記光増倍装置による中性子画像計測実験のセットアップを示す模式図である。
【図8】上記中性子画像計測実験のセットアップを示す画像である。
【図9】上記中性子画像計測実験の結果を示す画像である。
【発明を実施するための形態】
【0033】
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。
【0034】
【0035】
光増倍装置１は、光増倍パネル１６を備える。光増倍パネル１６は、微弱光１７を電流１８に変換して増倍するために設けられたアバランシェパネル２と、アバランシェパネル２からの電流１８を可視光１９に変換するために設けられた発光パネル３とを有する。
【0036】
図３（ａ）は増倍パネル１６をアバランシェパネル２側から見た斜視画像であり、（ｂ）は光増倍パネル１６を発光パネル３側から見た斜視画像である。図３（ａ）は光増倍パネル１６の要部をアバランシェパネル２側から見た斜視画像であり、（ｂ）は発光パネル３側から見た斜視画像である。
【0037】
アバランシェパネル２には、微弱光１７を電流１８に変換して増倍する複数個のアバランシェフォトダイオード４が格子状に配列される。発光パネル３には、微弱光１７に基づく画像を表示するためにアバランシェフォトダイオード４からの電流１８を可視光１９に変換する複数個の発光ダイオード（ＬＥＤ、Light Emitting Diode）５（発光素子）が格子状に配列される。複数個の発光ダイオード５は、複数個のアバランシェフォトダイオード４と１対１に対応するように配列される。
【0038】
光増倍装置１には、複数個の発光ダイオード５を複数個のアバランシェフォトダイオード４と１対１で結合する複数本の配線６と、各アバランシェフォトダイオード４と並列に結合されたフォトダイオード電圧源７と、各発光ダイオード５と並列に結合された発光素子電圧源８とが設けられる。フォトダイオード電圧源７は、各アバランシェフォトダイオード４に＋５５Ｖ程度の正電圧を供給する正極９（第１正極）と、グランドＧに接地された負極１０（第１負極）とを有する。発光素子電圧源８は、各発光ダイオード５に－２Ｖ程度の負電圧を供給する負極１２（第２負極）と、グランドＧに接地された正極１１（第２正極）とを有する。発光素子電圧源８は、発光ダイオード５を高速パルス駆動することが可能である。
【0039】
光増倍装置１は、放射線１５に励起されることにより微弱光１７を発するシンチレータ１３をさらに備える。アバランシェフォトダイオード４はシンチレータ１３により発せられた微弱光１７を電流１８に変換して増倍する。
【0040】
光増倍装置１には、発光パネル３に表示された画像を撮像するＣＣＤカメラ１４（カメラ）が設けられる。
【0041】
本実施形態に係る光増倍装置１は、従来のマイクロチャンネルプレート式のイメージインテンシファイアの欠点を解決する。この光増倍装置１は、アバランシェフォトダイオード４が格子状に配列されたＭＰＰＣアレーからなるアバランシェパネル２を用いて微弱光１７を電流１８（電子）に変換し、増倍してから、複数個の発光ダイオード５が格子状に配列された発光ＬＥＤアレーからなる発光パネル３で可視光１９による画像信号に変換する。
【0042】
ＭＰＰＣアレーの量子効率は典型的に6０％で、電子の像倍率は１０６、電子からＬＥＤ（発光ダイオード５）のフォトン効率は１０％程度であるので、光増倍パネル１６の全体の光増倍率はおよそ１０５倍である。
【0043】
この光増倍パネル１６をシンチレータ１３と組み合わせれば、微弱光１７によるシンチレーション信号を肉眼で観測することができるため、放射線１５を放射する放射性物質を肉眼で観測することができる。
【0044】
（光増倍装置１の動作）
図５は光増倍装置１に設けられたシンチレータ１３からのシンチレーション信号の撮像画像である。
図５は光増倍装置１に設けられたシンチレータ１３からのシンチレーション信号の撮像画像である。
【0045】
これは、ＮａＩ：Ｔｌシンチレータからなるシンチレータ１３に密封放射線源を接着させ、シンチレータ１３から発生したシンチレーション信号（微弱光１７）を光増倍パネル１６で増倍し、デジタルカメラからなるＣＣＤカメラ１４で撮影した画像である。光増倍装置１によれば、シンチレーション信号のような微弱な光信号を通常のデジタルカメラで撮影できるほど高感度に増倍できていることを示す。
【0046】
図６は光増倍パネル１６にパルス光を入力した時の出力される光信号の時間応答を示す波形図である。
【0047】
応答速度は、アバランシェフォトダイオード４の種類と発光ダイオード５の種類とを適切に選択することによって、最小３ｎｓ程度までは高速にすることができる。
【0048】
図６には、実際に製作された光増倍パネル１６のアバランシェパネル２の入力面にインパルス光（微弱光１７）を入力し、発光パネル３の発光ダイオード５の発光を高速フォトディテクタで測定したインパルス応答が示されている。この光増倍パネル１６では応答速度が１００ｎｓ程度であるが、ＭＰＰＣの種類の選択と回路設計次第では１０ｎｓ程度まで高速化が可能である。高速撮影カメラと組み合わせることで、高速に時間変化する微弱光１７の信号を増倍しながら連続的に撮影することも可能である。また、発光ダイオード５を駆動するためのＬＥＤ回路にゲート回路を備えており、瞬間的な画像信号のみを切り出して増倍することができ、通常のＣＣＤカメラやデジタルカメラで撮影することで高速ゲートカメラとして機能させることもできる。
【0049】
アバランシェフォトダイオード４の画素サイズが現状２ｍｍであるＭＰＰＣをアバランシェパネル２に用いているが、アバランシェフォトダイオード４の既製品を用いた場合でも画素サイズが１ｍｍであるＭＰＰＣまで製造可能であり、原理的には０．１ｍｍ程度まで画素サイズを小さくすることも可能である。
【0050】
このアバランシェフォトダイオード４は、全て半導体素子から構成されているため、５５Ｖ程度と低い電圧で駆動し、ＤＣ－ＤＣコンバーターによる昇圧を介して電池で駆動することも可能である。このため、光増倍装置１のアバランシェパネル２が、高圧電源を必要とせず、マイクロチャンネルプレート内蔵の従来のイメージインテンシファイアに比べてはるかにコンパクトになる。
【0051】
フォトダイオード素子であるアバランシェフォトダイオード４は、過大光が入射されても出力が飽和するだけで、損傷する可能性は低い。従って、アバランシェフォトダイオード４は、従来のマイクロチャンネルプレートと比べて過大光に対する耐性が圧倒的に強く、特別な暗室や暗箱装置がなくても使用することができる。
【0052】
また、アバランシェフォトダイオード４は、従来のイメージインテンシファイアのように受光面の周りに不感領域（デッドスペース）がないため、アバランシェフォトダイオード４を多数配列した大型化も容易であり、図３（ａ）に示すように２０ｃｍ程度の大きさのアバランシェパネル２も実現している。アバランシェフォトダイオード４は安価であるため、１メートルサイズのアバランシェパネル２の実現も可能である。
【0053】
本実施形態に係る光増倍装置１は２ｍｍ程度の分解能を有する。アバランシェパネル２のパネルサイズは数ｃｍサイズからメートルサイズまで大型化が可能である。光増倍パネル１６は、光画像信号を表す微弱光１７を光－光増倍率１０５で増倍し、時間応答が１００ｎｓ秒以下で連続的に微弱光１７を増倍することができる。光増倍パネル１６は、小型の電源で駆動し、過大光入力に対しても損傷は起こりにくい。そして、光増倍パネル１６は、量子効率が６０％程度であり、非常に高効率な感度を有している。
【0054】
【0055】
アルミハニカムに液体シンチレータを充填してガラス窓付き容器で封入したシンチレータアレープレート（シンチレータ１３）の発光面に、本実施形態の光増倍パネル１６を貼り付け、この光増倍パネル１６の発光パネル３に形成されるＬＥＤ発光面をＣＣＤカメラ１４で撮像する。この光増倍装置１をＸ線カメラや中性子カメラとして用いることができる。
【0056】
図７に示すようなセットアップで、大阪大学レーザー科学研究所の激光１２号レーザーを用いて、重水素－重水素核融合反応による２．４５ＭｅＶの中性子からなる放射線１５を発生させ、これを中性子源として用いて、鉛ブロック２１とパラフィンブロック２２のシャドウグラフを行った画像が図９に示される。鉛の影とパラフィンの影が写っている。中性子は、鉛ではほとんど減衰しないが、パラフィンでは減衰するため、パラフィンの所に濃い影が写っている。
【0057】
この画像は、Ｘ線と中性子を飛行時間弁別法によって弁別し、中性子時刻に時間ゲートをかけて撮影した画像である。鉛よりもパラフィンの方が中性子信号の減衰が大きいことからも、この画像が中性子信号に基づく画像であることがわかる。
【0058】
本実施形態に係る光増倍装置１は、携帯型放射線源と組み合わせることにより、例えば、トンネルの中に配置されたコンクリートの内部欠陥を可視化する非破壊検査に使用するためのハンディタイプの放射線画像検出装置に適用することができる。また、光増倍装置１は、放射線源と組み合わせることにより、トモグラフィ（tomography、断層映像法）を用いた医療機器に適用することができる。
【0059】
以上のように本実施形態に係る光増倍装置１では、メートルサイズの光増倍パネルを製作することも可能である。メートルサイズのシンチレータパネルの表面に同サイズの光増倍パネルを設置して、増倍された光をＣＣＤカメラで撮影することによって、大型の中性子画像計測も可能になった。
【0060】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0061】
１ 光増倍装置
２ アバランシェパネル
３ 発光パネル
４ アバランシェフォトダイオード
５ 発光ダイオード（発光素子）
６ 配線
７ フォトダイオード電圧源
８ 発光素子電圧源
９ 正極（第１正極）
１０ 負極（第１負極）
１１ 正極（第２正極）
１２ 負極（第２負極）
１３ シンチレータ
１４ ＣＣＤカメラ（カメラ）
１５ 放射線
１６ 光増倍パネル
１７ 微弱光
１８ 電流
１９ 可視光
２ アバランシェパネル
３ 発光パネル
４ アバランシェフォトダイオード
５ 発光ダイオード（発光素子）
６ 配線
７ フォトダイオード電圧源
８ 発光素子電圧源
９ 正極（第１正極）
１０ 負極（第１負極）
１１ 正極（第２正極）
１２ 負極（第２負極）
１３ シンチレータ
１４ ＣＣＤカメラ（カメラ）
１５ 放射線
１６ 光増倍パネル
１７ 微弱光
１８ 電流
１９ 可視光
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
