(57)【要約】【課題】放射線耐性を向上できるシンチレータモジュール、放射線撮像装置、及びシンチレータモジュールの製造方法を提供する。【解決手段】このシンチレータモジュール１１は、基材１２と、基材１２の一面側に設けられたシンチレータ１３と、を備えている。シンチレータモジュール１１において、基材１２とシンチレータ１３とは、分子間力によって非接着で直接接合されている。これにより、放射線の吸収による接着層の変質が生じることはなく、シンチレータモジュール１１の放射線耐性の向上が図られる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、
前記基材の一面側に設けられたシンチレータと、を備え、
前記基材と前記シンチレータとは、分子間力によって非接着で直接接合されているシンチレータモジュール。
【請求項２】
前記基材の前記一面に直交する方向の前記シンチレータの厚さは、２０μｍ以下となっている請求項１記載のシンチレータモジュール。
【請求項３】
前記シンチレータは、結晶シンチレータである請求項１又は２記載のシンチレータモジュール。
【請求項４】
前記シンチレータは、ＧＡＧＧ結晶又はＬｕＡＧ結晶によって構成されている請求項３記載のシンチレータモジュール。
【請求項５】
前記基材は、アモルファス構造を有している請求項１〜４のいずれか一項記載のシンチレータモジュール。
【請求項６】
前記基材は、アモルファスカーボンによって構成されている請求項５記載のシンチレータモジュール。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のシンチレータモジュールが収容された筐体と、
外部からの放射線を前記筐体内の前記シンチレータモジュールに向けて入射させる入射窓と、
前記放射線の入射によって前記シンチレータモジュールで発生した光を外部に出射させる出射窓と、
前記出射窓から出射した前記光を撮像する撮像装置と、を備えた放射線撮像装置。
【請求項８】
基材の接合面及びシンチレータの接合面を平坦化する平坦工程と、
前記基材の接合面及び前記シンチレータの接合面にビームを照射し、これらの接合面に原子の未結合手をそれぞれ形成する照射工程と、
前記原子の未結合手が形成された前記基材の接合面と前記シンチレータの接合面とを分子間力によって非接着で直接接合する接合工程と、を備えたシンチレータモジュールの製造方法。
【請求項９】
接合工程の後に、前記基材の前記接合面に直交する方向の前記シンチレータの厚さが２０μｍ以下となるように前記シンチレータを研磨する研磨工程を更に備えた請求項８記載のシンチレータモジュールの製造方法。
【請求項１０】
前記ビームは、イオンビーム又は粒子ビームである請求項８又は９記載のシンチレータモジュールの製造方法。
【請求項１１】
前記シンチレータは、結晶シンチレータである請求項８〜１０のいずれか一項記載のシンチレータモジュールの製造方法。
【請求項１２】
前記シンチレータは、ＧＡＧＧ結晶又はＬｕＡＧ結晶によって構成されている請求項１１記載のシンチレータモジュールの製造方法。
【請求項１３】
前記基材は、アモルファス構造を有している請求項８〜１２のいずれか一項記載のシンチレータモジュールの製造方法。
【請求項１４】
前記基材は、アモルファスカーボンによって構成されている請求項１３記載のシンチレータモジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、シンチレータモジュール、放射線撮像装置、及びシンチレータモジュールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線などの放射線を撮像対象とする放射線撮像装置は、例えば医療現場における病状の診断などの目的で広く用いられている。放射線撮像装置としては、放射線を可視光に変換するシンチレータモジュールを備えたものがある。従来のシンチレータモジュールは、例えば特許文献１に記載のように、接着層を介してシンチレータを剛性板に接合することによって構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１２／０３２７９７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のシンチレータモジュールでは、放射線耐性が課題となっている。放射線耐性が不足すると、強度の高い放射線の入射によってシンチレータが破損するおそれがある。このため、照射施設側で高強度の放射線を照射可能であったとしても、撮像装置側の放射線耐性を考慮して放射線の強度を制限せざるを得ないという問題が生じる。放射線の強度が制限されると、放射線撮像装置において露光時間当たりの放射線入射量が十分に得られず、撮像の時間分解能のボトルネックになってしまう点、或いはＳＮ比の十分な撮像を行うために要する時間が増加してしまう点などが問題となる。
【０００５】
本開示は、上記課題の解決のためになされたものであり、放射線耐性を向上できるシンチレータモジュール、放射線撮像装置、及びシンチレータモジュールの製造方法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】
【０００６】
本開示の一側面に係るシンチレータモジュールは、基材と、基材の一面側に設けられたシンチレータと、を備え、基材とシンチレータとは、分子間力によって非接着で直接接合されている。
【０００７】
本願発明者らは、鋭意研究を行った結果、基材とシンチレータとを接合している接着層に放射線が吸収され、接着層が変質してしまうことが放射線によるシンチレータモジュールの破損の要因であることを突き止めた。このシンチレータモジュールでは、基材とシンチレータとが分子間力によって非接着で直接接合されている。このため、放射線の吸収による接着層の変質が生じることはなく、シンチレータモジュールの放射線耐性の向上が図られる。
【０００８】
基材の一面に直交する方向のシンチレータの厚さは、２０μｍ以下となっていてもよい。シンチレータの厚さが大きい場合、放射線の侵入深さのばらつきが大きくなることが考えられる。このため、シンチレータモジュールからの光を撮像する場合に、フォーカス面以外からの光によって画像がぼけてしまうおそれがある。シンチレータの厚さを２０μｍ以下とすることで、このような画像のぼけを抑制することが可能となる。
【０００９】
シンチレータは、結晶シンチレータであってもよい。結晶シンチレータを用いることで、放射線の入射に対する発光量を十分に確保することができる。
【００１０】
シンチレータは、ＧＡＧＧ結晶又はＬｕＡＧ結晶によって構成されていてもよい。ＧＡＧＧ結晶では、発光量を確保でき、自己放射性がないため、放射線の撮像の精度が高められる。ＬｕＡＧ結晶では、発光量及び応答速度を十分に確保できる。
【００１１】
基材は、アモルファス構造を有していてもよい。アモルファス構造では、原子が不規則に並ぶため、放射線との干渉を抑制できる。
【００１２】
基材は、アモルファスカーボンによって構成されていてもよい。カーボンは、特にＸ線を透過させる軽元素であり、軽くて丈夫な基材を構成することができる。
【００１３】
本開示の一側面に係る放射線撮像装置は、上記シンチレータモジュールが収容された筐体と、外部からの放射線を筐体内のシンチレータモジュールに向けて入射させる入射窓と、放射線の入射によってシンチレータモジュールで発生した光を外部に出射させる出射窓と、出射窓から出射した光を撮像する撮像装置と、を備える。
【００１４】
この放射線撮像装置では、シンチレータモジュールを構成する基材とシンチレータとが分子間力によって非接着で直接接合されている。このため、放射線の吸収による接着層の変質が生じることはなく、シンチレータモジュールの放射線耐性の向上が図られる。
【００１５】
本開示の一側面に係るシンチレータモジュールの製造方法は、基材の接合面及びシンチレータの接合面を平坦化する平坦化工程と、基材の接合面及びシンチレータの接合面にビームを照射し、これらの接合面に原子の未結合手をそれぞれ形成する照射工程と、原子の未結合手が形成された基材の接合面とシンチレータの接合面とを分子間力によって非接着で直接接合する接合工程と、を備えたシンチレータモジュールの製造方法。
【００１６】
このシンチレータモジュールの製造方法では、基材とシンチレータとを分子間力によって非接着で直接接合する。このため、放射線の吸収による接着層の変質が生じることはなく、シンチレータモジュールの放射線耐性の向上が図られる。
【００１７】
接合工程の後に、基材の接合面に直交する方向のシンチレータの厚さが２０μｍ以下となるようにシンチレータを研磨する研磨工程を更に備えていてもよい。シンチレータの厚さが大きい場合、放射線の侵入深さのばらつきが大きくなることが考えられる。このため、シンチレータモジュールからの光を撮像する場合に、フォーカス面以外からの光によって画像がぼけてしまうおそれがある。シンチレータの厚さを２０μｍ以下とすることで、このような画像のぼけを抑制することが可能となる。
【００１８】
シンチレータは、結晶シンチレータであってもよい。結晶シンチレータを用いることで、放射線の入射に対する発光量を十分に確保することができる。
【００１９】
シンチレータは、ＧＡＧＧ結晶又はＬｕＡＧ結晶によって構成されていてもよい。ＧＡＧＧ結晶では、発光量を確保でき、自己放射性がないため、放射線の撮像の精度が高められる。ＬｕＡＧ結晶では、発光量及び応答速度を十分に確保できる。
【００２０】
基材は、アモルファス構造を有していてもよい。アモルファス構造では、原子が不規則に並ぶため、放射線との干渉を抑制できる。
【００２１】
基材は、アモルファスカーボンによって構成されていてもよい。カーボンは、特にＸ線を透過させる軽元素であり、軽くて丈夫な基材を構成することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本開示によれば、放射線耐性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】シンチレータモジュールを備えて構成された放射線撮像装置の一例を示す概略図である。
【図２】シンチレータモジュールの一実施形態を示す側面図である。
【図３】シンチレータモジュールの製造工程の一例を示すフローチャートである。
【図４】平坦化工程の様子を示す概略図である。
【図５】照射工程の様子を示す概略図である。
【図６】接合工程の様子を示す概略図である。
【図７】図６の後続の工程の様子を示す概略図である。
【図８】放射線耐性に関する評価結果を示す図である。
【図９】空間分解能に関する評価結果を示す図である。
【図１０】感度に関する評価結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照しながら、本開示の一側面に係るシンチレータモジュール、放射線撮像装置、及びシンチレータモジュールの製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
［放射線撮像装置の構成］
【００２５】
図１は、シンチレータモジュールを備えて構成された放射線撮像装置の一例を示す概略図である。同図に示すように、放射線撮像装置１は、シンチレータモジュール１１が収容された筐体２と、撮像装置３とを備えている。放射線撮像装置１は、入射するＸ線をシンチレータモジュール１１で可視光に変換して撮像装置３で撮像するＸ線イメージングシステムとして構成されている。
【００２６】
筐体２の一面側には、Ｘ線を入射させる入射窓４が設けられている。また、筐体２の他面側には、シンチレータモジュール１１で発生した可視光を出射させる出射窓５が設けられている。また、筐体２の内部には、シンチレータモジュール１１で発生した可視光を出射窓５に向けて導光する対物レンズ６及びミラー７が配置されている。入射窓４は、例えばベリリウムなどのＸ線に対する透過性に優れた材料によって形成されている。
【００２７】
シンチレータモジュール１１は、筐体２の内部において、入射窓４と対向するように配置されている。入射窓４を通してシンチレータモジュール１１にＸ線が入射すると、Ｘ線のエネルギーを吸収したシンチレータモジュール１１から蛍光が発生する。発生した蛍光は、対物レンズ６及びミラー７によって出射窓５から出射し、撮像装置３によって撮像される。撮像装置３としては、例えば薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳセンサなどを用いることができる。
［シンチレータモジュールの構成］
【００２８】
図２は、シンチレータモジュールの一実施形態を示す側面図である。同図に示すように、シンチレータモジュール１１は、基材１２と、シンチレータ１３とを備えている。基材１２は、Ｘ線に対する透過性に優れた材料によって円板状に形成されている。基材１２の構成材料としては、例えばアルゴンよりも原子量の小さい軽元素からなる固体材料が用いられる。一例としては、ベリリウムやアモルファスカーボンなどが挙げられる。本実施形態では、基材１２は、アモルファスカーボンによって構成されている。
【００２９】
シンチレータ１３は、荷電粒子が通過する際に発光する材料によって、基材１２よりも一回り小径の円板状に形成されている。シンチレータ１３の厚さは、例えば２０μｍ以下となっている。本実施形態では、シンチレータ１３は、結晶シンチレータ或いは単結晶シンチレータとなっている。このようなシンチレータ１３の構成材料としては、例えばＹＡＧ結晶、ＬＹＳＯ結晶、ＬｕＡＧ結晶、ＧＡＧＧ結晶などが挙げられる。ＹＡＧ結晶、ＬｕＡＧ結晶、ＧＡＧＧ結晶については、セリウムを添加したものであってもよい。シンチレータ１３は、基材１２の一面側に接合されている。基材１２とシンチレータ１３とは、分子間力によって非接着で直接接合されている。以下、この接合方法を主とするシンチレータモジュール１１の製造方法について詳細に説明する。
［シンチレータモジュールの製造］
【００３０】
図３は、シンチレータモジュールの製造方法の一例を示すフローチャートである。同図に示すように、シンチレータモジュール１１の製造工程には、平坦化工程（ステップＳ０１）と、照射工程（ステップＳ０２）と、接合工程（ステップＳ０３）と、研磨工程（ステップＳ０４）とが含まれている。
【００３１】
平坦化工程では、図４に示すように、基材１２の接合面１２ａ及びシンチレータ１３の接合面１３ａをそれぞれ平坦化する。基材１２の接合面１２ａ及びシンチレータ１３の接合面１３ａの平坦化には、例えば研磨板Ｐを用いることができる。平坦化工程による接合面１２ａ，１３ａの精度は、例えば表面粗さ（ｒｍｓ）１ｎｍ以下、平面度λ／１０以下（λは例えばヘリウムネオンレーザの波長）、平行度１０秒以下であることが好ましい。
【００３２】
照射工程では、図５に示すように、基材１２の接合面１２ａ及びシンチレータ１３の接合面１３ａにビームＢをそれぞれ照射する。ビームＢの照射は、真空中での電子銃を用いたイオンビーム又は粒子ビームの照射によって実施することができる。ビームＢの照射により、接合面１２ａ，１３ａの表面の酸素原子等の吸着物Ａを除去し、これらの接合面１２ａ，１３ａに原子の未結合手１４をそれぞれ形成する。ビームＢを構成するイオン又は粒子としては、例えばアルゴンイオンなどが用いられる。ビームＢの照射時間は、例えば３０秒以上であることが好ましく、１００秒以上であることがより好ましい。
【００３３】
接合工程では、図６に示すように、原子の未結合手１４が形成された基材１２の接合面１２ａとシンチレータ１３の接合面１３ａとを分子間力によって非接着で直接接合する。より具体的には、まず、基材１２の接合面１２ａとシンチレータ１３の接合面１３ａとが互いに対向するように基材１２上にシンチレータ１３を配置する。次に、基材１２の接合面１２ａにシンチレータ１３の接合面１３ａを接触させ、基材１２側の未結合手１４とシンチレータ１３側の未結合手１４とを結合させる。これにより、接着剤を用いることなく、基材１２とシンチレータ１３とが強固に接合される。
【００３４】
接合工程では、シンチレータ１３を基材１２に対して加圧してもよい。加圧を行う場合の荷重は、例えば５００Ｎ以上であることが好ましく、１００００Ｎ〜２００００Ｎであることがより好ましい。また、加圧時間は、３０秒以上であることが好ましく、６０秒以上であることがより好ましい。
【００３５】
研磨工程では、図７に示すように、基材１２によって支持されたシンチレータ１３を所望の厚さに研磨する。シンチレータ１３の研磨には、平坦化工程と同様に、例えば研磨板を用いることができる。研磨工程では、例えば基材１２の接合面１２ａに直交する方向のシンチレータ１３の厚さが２０μｍ以下となるようにシンチレータ１３を研磨する。以上により、図２に示したシンチレータモジュール１１が得られる。
［作用効果］
【００３６】
従来のシンチレータモジュールでは、基材とシンチレータとが接着剤を用いて接合されていた。このため、接着層にＸ線が吸収され、接着層が変質してしまうことがＸ線によるシンチレータモジュールの破損の要因となっていた。これに対し、本実施形態に係るシンチレータモジュール１１では、基材１２とシンチレータ１３とが分子間力によって非接着で直接接合されている。このため、Ｘ線の吸収による接着層の変質が生じることはなく、放射線耐性の向上が図られる。
【００３７】
また、シンチレータモジュール１１では、基材１２の接合面１２ａに直交する方向のシンチレータ１３の厚さが２０μｍ以下となっている。シンチレータ１３の厚さが大きい場合、Ｘ線の侵入深さのばらつきが大きくなることが考えられる。このため、シンチレータモジュール１１からの光を撮像する場合に、フォーカス面以外からの光によって画像がぼけてしまうおそれがある。シンチレータ１３の厚さを２０μｍ以下とすることで、このような画像のぼけを抑制することが可能となる。
【００３８】
また、シンチレータモジュール１１では、シンチレータ１３が結晶シンチレータとなっている。結晶シンチレータを用いることで、Ｘ線の入射に対する発光量を十分に確保することができる。ＧＡＧＧ結晶を用いる場合、発光量を確保でき、自己放射性がないため、放射線の撮像の精度が高められる。ＬｕＡＧ結晶を用いる場合、発光量及び応答速度を十分に確保できる。
【００３９】
また、シンチレータモジュール１１では、基材１２がアモルファス構造を有している。アモルファス構造では、原子が不規則に並ぶため、Ｘ線との干渉を抑制できる。本実施形態では、基材１２がアモルファスカーボンによって構成されている。カーボンは、特にＸ線を透過させる軽元素であり、軽くて丈夫な基材１２を構成することができる。
［評価試験］
【００４０】
続いて、本開示に係るシンチレータモジュールの評価試験について説明する。この評価試験は、基材とシンチレータとを接着剤を用いて接合したシンチレータモジュール（比較例）と、基材とシンチレータとを分子間力によって非接着で直接接合したシンチレータモジュール（実施例）とについて、放射線耐久性、空間分解能、感度をそれぞれ評価したものである。比較例及び実施例では、いずれもＧＡＧＧ結晶により厚さ２０μｍのシンチレータを構成した。
【００４１】
図８は、放射線耐性に関する評価結果を示す図である。この評価試験は、実施例及び比較例のシンチレータモジュールそれぞれに８ｋｅＶ（４．７Ｅ＋１３フォトン／ｓｅｃ／ｍｍ２）のＸ線を持続的に照射し、毎分１回の撮像を行ったものである。撮像の露光時間は１ｍｓｅｃとした。図８（ａ）〜図８（ｃ）において、図示右側が比較例の画像、図示左側が実施例の画像である。図８（ａ）は、Ｘ線の照射開始直後の撮像結果、図８（ｂ）は、Ｘ線の照射開始から６分後の撮像結果、図８（ｃ）は、Ｘ線の照射開始から１１９分後の撮像結果である。
【００４２】
これらの図に示されるように、比較例のシンチレータモジュールでは、Ｘ線の照射開始から６分後には中央付近でシンチレータの破損が生じ、Ｘ線の照射開始から１１９分後ではシンチレータの破損が拡大した。一方、比較例のシンチレータモジュールでは、Ｘ線の照射開始から１１９分後においてもシンチレータの破損は確認されなかった。この評価結果から、実施例のシンチレータモジュールは、比較例のシンチレータモジュールに比べて少なくとも２０倍以上の放射線耐性を有していることが確認できた。
【００４３】
図９は、空間分解能の評価結果を示す図である。この評価試験は、実施例及び比較例のシンチレータモジュールそれぞれに２０ｋｅＶのＸ線を１ｓｅｃ照射し、２１本のラインを１ショットで撮像したときのＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を計測したものである。図９では、横軸が撮像エリアのピクセル、縦軸が透過率（コントラスト）である。横軸の１ピクセル当たりの間隔は０．２１μｍである。縦軸の透過率は５０％〜１００％の範囲で規格化した。また、この評価試験では、ＬｕＡＧ結晶からなる厚さ５００μｍのシンチレータ（基材無し）を参考例として追加した。図９に示す結果から、実施例のシンチレータのＭＴＦは、比較例及び参考例のシンチレータのＭＴＦと同等となっており、実施例のシンチレータの空間分解能が従来のシンチレータと同等の性能を有していることが確認できた。
【００４４】
図１０は、感度の評価結果を示す図である。この評価試験は、実施例及び比較例のシンチレータモジュールそれぞれにおいてダーク減算した撮像画像の全画素値を積算し、これをイオンチャンバでの計測値で規格化したものである。Ｘ線のエネルギーは、８ｋｅＶ、１０ｋｅＶ、２０ｋｅＶ、３０ｋｅＶの４段階とし、照射時間はいずれも１ｓｅｃとした。この評価試験においても、ＬｕＡＧ結晶からなる厚さ５００μｍのシンチレータ（基材無し）を参考例として追加した。図１０では、実施例のシンチレータモジュールでの計測値を用いて、比較例及び参考例のシンチレータの計測値を規格化した。ここでは、撮像側での電荷電圧変換ゲインは考慮していないが、図１０に示す結果から、実施例のシンチレータの感度は、比較例及び参考例のシンチレータのＭＴＦと同等となっており、実施例のシンチレータの空間分解能が従来のシンチレータと同等の性能を有していることが確認できた。
【００４５】
以上を考察すると、実施例のシンチレータモジュールでは、比較例のシンチレータモジュールに比べて２０倍以上の放射線耐性を有している。このような放射線耐性は、高密度Ｘ線を利用する高分解能計測や高速度撮像には、必須の特性である。放射線耐性自体は、シンチレータの厚さを増大させることによっても実現可能と考えられるが、上述したように、Ｘ線の侵入深さのばらつきによる画像のぼけが問題となり得る。基材とシンチレータとを分子間力によって非接着で直接接合することで、シンチレータの厚さを増大させることなく放射線耐性を向上できる点で本開示のシンチレータモジュールは有意である。
【００４６】
また、実施例のシンチレータモジュールでは、基材の接合面及びシンチレータの接合面に原子の未結合手を形成する際に、これらの接合面から粉塵などが除去され得る。撮像装置のフォーカス面をシンチレータにおけるＸ線の入射面（すなわちシンチレータの接合面）に合わせる場合、当該接合面が清浄に保たれることで、粉塵などによるノイズのない画像を得ることができる。また、当該接合面の近傍にガラスなどの部材が存在しないので、これによる画像のぼけなども原理的に生じない。
【００４７】
接着剤によるＸ線の吸収の影響を回避するためには、基材に開口を形成する構成も考えられる。しかしながら、このような構成では、開口を臨む部分ではシンチレータが基材で支持されないため、Ｘ線入射時にシンチレータが熱膨張してしまうおそれがある。この場合、シンチレータによる回折パターンが変動してしまうが、実施例のシンチレータモジュールでは、このような問題も生じることはない。
【符号の説明】
【００４８】
１…放射線撮像装置、２…筐体、３…撮像装置、４…入射窓、５…出射窓、１１…シンチレータモジュール、１２…基材、１２ａ…接合面、１３…シンチレータ、１３ａ…接合面、１４…未結合手。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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