(57)【要約】【課題】主にＸ線を含む放射線がバーストモードで放射線検出器に入射するような状況において、特に、Ｘ線のイメージングやＣＴにおける線質硬化（ビームハードニング）に関する情報を短時間に取得できるように、放射線エネルギー分布を把握するための検出方法及びその検出装置を提供する。【解決手段】本発明の検出方法は、放射線である荷電粒子又は荷電粒子に変換される電磁波の入射方向に対して、チェレンコフ放射が起こるときのエネルギー閾値が異なるチェレンコフカウンターの複数を直列に配置し、それぞれのチェレンコフカウンターにおいて光検出器で測定される光強度からエネルギー閾値の所定の範囲に存在する放射線強度を換算することによって放射線のエネルギー分布を推定することを特徴とする。エネルギー閾値は、チェレンコフカウンターに含まれるチェレンコフ輻射体の屈折率によって制御することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射線である荷電粒子又は該荷電粒子に変換される電磁波の入射方向に対して、チェレンコフ放射が起こるときのエネルギー閾値が異なるチェレンコフカウンターの複数を直列に配置し、前記チェレンコフカウンターの複数のそれぞれにおいて、前記チェレンコフカウンターに備わる光検出器で測定される光強度から前記エネルギー閾値の所定の範囲に存在する放射線強度を換算することによって、前記放射線のエネルギー分布を推定することを特徴とする放射線エネルギー分布の検出方法。
【請求項２】
前記チェレンコフ放射が起こるときのエネルギー閾値は、前記チェレンコフカウンターにチェレンコフ輻射体として含まれる光学媒質の屈折率によって制御され、
前記チェレンコフカウンターに備わる光検出器で測定される光強度は、既知のエネルギーと光強度との関係を用いて較正を行うか、又はシミュレーション計算を行うことによって、前記エネルギー閾値の所定の範囲に存在する放射線強度に換算されることを特徴とする請求項１に記載の放射線エネルギー分布の検出方法。
【請求項３】
前記チェレンコフカウンターの複数は、チェレンコフ放射が起こるときのエネルギー閾値を変えるために、気体、ゲル、液体及び固体からなる群から選ばれる少なくとも屈折率が異なる２種以上をそれぞれ前記チェレンコフ輻射体として用い、相対的に低密度で低屈折率の前記チェレンコフ輻射体を有するチェレンコフカウンターから、相対的に高密度で高屈折率の前記チェレンコフ輻射体を有するチェレンコフカウンターの順に、荷電粒子からなる放射線の入射方向に対して直列に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線エネルギー分布の検出方法。
【請求項４】
前記チェレンコフカウンターの複数は、チェレンコフ放射が起こるときのエネルギー閾値を変えるために、屈折率が異なる少なくとも２以上の固体をそれぞれチェレンコフ輻射体として用い、前記エネルギー閾値が低く、相対的に高屈折率の前記チェレンコフ輻射体を有するチェレンコフカウンターから、前記エネルギー閾値が高く、相対的に低屈折率の前記チェレンコフ輻射体を有するチェレンコフカウンターの順に、荷電粒子からなる放射線の入射方向に対して直列に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線エネルギー分布の検出方法。
【請求項５】
一つのチェレンコフカウンターに光検出器を複数設置し、前記光検出器の少なくとも一つはチェレンコフ光が入射しないように遮光することによって、前記チェレンコフ光を検出する前記光検出器と前記チェレンコフ光を遮光した前記光検出器との間の電気信号の差分から前記チェレンコフ光の強度を測定することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の放射線のエネルギー分布の検出方法。
【請求項６】
前記チェレンコフカウンターの複数は、前記エネルギー閾値を変えるためのチェレンコフ輻射体またはチュレンコフ光を光検出器に伝送する手段として光ファイバをそれぞれ複数有し、前記光ファイバの少なくとも一つはチェレンコフ光が入射しないように遮光することによって、前記チェレンコフ光を検出する光ファイバと前記チェレンコフ光を遮光した光ファイバとの間の電気信号の差分から前記チェレンコフ光の強度を測定することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の放射線エネルギー分布の検出方法。
【請求項７】
シンチレーションカウンターまたは半導体放射線検出器からなる主検出器を、前記チェレンコフカウンターの複数を直列に配置したチェレンコフカウンター群の最後尾に、または前記チェレンコフカウンター群の最後に配列するチェレンコフカウンターに代えて配置し、前記主検出器によって被写体を透過するすべての放射線強度を測定し、該すべての放射線強度と、前記チェレンコフカウンターの複数のそれぞれにおいて、前記チェレンコフカウンターに備わる光検出器で測定される強度シグナルから換算される前記エネルギー閾値の所定の範囲に存在する放射線強度とを対比することによって、前記放射線エネルギー分布における線質硬化の影響を推定することを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の放射線のエネルギー分布の検出方法。
【請求項８】
Ｘ線管から放射されるＸ線のエネルギー部分の検出において、前記チェレンコフカウンターの複数は少なくとも一つがＸ線入射側の前面にＸ線を荷電粒子に変換するコンバーター用板を備えることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の放射線のエネルギー分布の検出方法。
【請求項９】
放射線としてＸ線管が放射するＸ線を使用し、該Ｘ線に対し、チェレンコフカウンターのチェレンコフ輻射体として使用する固体が、高屈折率ガラスや、キュービックジルコニア、ダイヤモンド、チタン酸ストロンチウム、モアッサナイト及びルチルの群から選ばれる少なくとも一つを用いることを特徴とする請求項８に記載の放射線のエネルギー分布の検出方法。 
【請求項１０】
放射線である荷電粒子又は該荷電粒子に変換される電磁波のエネルギー分布の検出装置であって、
前記の荷電粒子又は電磁波の入射方向に対して、チェレンコフ放射が起こるときのエネルギー閾値が異なるチェレンコフカウンターの複数を直列に配置するチェレンコフカウンター群と、
前記チェレンコフカウンターの複数のそれぞれにおいて、前記チェレンコフカウンターに備わる光検出器によって測定される光強度から前記エネルギー閾値の所定の範囲に存在する放射線強度を換算するための処理装置と
を有することを特徴とする放射線エネルギー分布の検出装置。
【請求項１１】
前記チェレンコフカウンターは、少なくとも、前記チェレンコフ放射が起こるときのエネルギー閾値に対応した屈折率を有し、チェレンコフ輻射体として使用する光学物質と、チェレンコフ光を検出する光検出器とを有し、
前記エネルギー閾値の所定の範囲に存在する放射線強度を換算するための処理装置は、前記チェレンコフカウンターに備わる光検出器で測定される光強度を、既知のエネルギーと光強度との関係を用いて較正を行う手段、又はシミュレーション計算を行う手段を有することを特徴とする請求項１０に記載の放射線エネルギー分布の検出装置。
【請求項１２】
前記チェレンコフカウンターの複数は、チェレンコフ放射が起こるときのエネルギー閾値を変えるために気体、ゲル、液体及び固体からなる群から選ばれる少なくとも屈折率の異なる２種以上をそれぞれ密度の異なるチェレンコフ輻射体として用い、相対的に低密度で低屈折率の前記チェレンコフ輻射体を有するチェレンコフカウンターから、相対的に高密度で高屈折率の前記チェレンコフ輻射体を有するチェレンコフカウンターの順に、荷電粒子からなる放射線の入射方向に対して直列に配置されることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の放射線エネルギー分布の検出装置。
【請求項１３】
前記チェレンコフカウンターの複数は、チェレンコフ放射が起こるときのエネルギー閾値を変えるために、屈折率の異なる少なくとも２以上の固体をそれぞれチェレンコフ輻射体として用いるときに、前記エネルギー閾値が低く、相対的に高屈折率の前記チェレンコフ輻射体を有するチェレンコフカウンターから、前記エネルギー閾値が高く、相対的に低屈折率の前記チェレンコフ輻射体を有するチェレンコフカウンターの順に、荷電粒子からなる放射線の入射方向に対して直列に配置されることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の放射線エネルギー分布の検出装置。
【請求項１４】
一つのチェレンコフカウンターに光検出器を複数設置し、前記光検出器の少なくとも一つはチェレンコフ光が入射しないように遮光することによって、前記チェレンコフ光を検出する前記光検出器と前記チェレンコフ光を遮光した前記光検出器との間の電気信号の差分から前記チェレンコフ光の強度を求めるための手段を有することを特徴とする請求項１０〜１３の何れかに記載の放射線エネルギー分布の検出装置。
【請求項１５】
前記チェレンコフカウンターの複数は、前記エネルギー閾値を変えるためのチェレンコフ輻射体またはチュレンコフ光を光検出器に伝送する手段として光ファイバをそれぞれ複数有し、前記光ファイバの少なくとも一つはチェレンコフ光が入射しないように遮光することによって、前記チェレンコフ光を検出する光ファイバと前記チェレンコフ光を遮光した光ファイバとの間の電気信号の差分から前記チェレンコフ光の強度を求めるための手段を有することを特徴とする請求項１０〜１４の何れかに記載の放射線エネルギー分布の検出装置。
【請求項１６】
シンチレーションカウンターまたは半導体放射線検出器からなる主検出器を、前記チェレンコフカウンター群の最後尾に、または前記チェレンコフカウンター群の最後に配列するチェレンコフカウンターに代えて備え、前記放射線のエネルギー分布における線質硬化の影響を推定するために、前記主検出器によって測定する被写体を透過するすべての放射線強度と、前記チェレンコフカウンターの複数のそれぞれにおいて、前記チェレンコフカンターに備わる光検出器で測定される強度シグナルから概算される前記エネルギー閾値の所定の範囲に存在する放射線強度とを対比することを特徴とする請求項１０〜１５の何れかに記載の放射線エネルギー分布の検出装置。
【請求項１７】
Ｘ線管から放射されるＸ線のエネルギー部分の検出において、前記チェレンコフカウンターの複数は少なくとも一つがＸ線入射側の前面にＸ線を荷電粒子に変換するコンバーター用板を備えることを特徴とする請求項１０〜１６の何れかに記載の放射線エネルギー分布の検出装置。
【請求項１８】
放射線としてＸ線管が放射するＸ線を使用し、該Ｘ線に対し、チェレンコフカウンターのチェレンコフ輻射体として使用する均質組成の固体が、高屈折率ガラスや、キュービックジルコニア、ダイヤモンド、チタン酸ストロンチウム、モアッサナイト及びルチルの群から選ばれる少なくとも一つを用いることを特徴とする請求項１７に記載の放射線エネルギー分布の検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度の放射線源から発せられる荷電粒子又は該荷電粒子に変換される電磁波の放射線エネルギー分布を推定することによって、Ｘ線ＣＴ等で問題となる透過Ｘ線の線質硬化の影響を排除できる放射線エネルギー分布の検出方法及びその検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
放射線、特にＸ線は医療や産業用途で広く利用されている。Ｘ線発生装置としては、Ｘ線を放射する放射性物質、Ｘ線管、電子線形加速器を用いたＸ線源、放射光施設などがある。医療産業応用にはＸ線管や電子線形加速器が多く用いられる。Ｘ線管や電子線形加速器を用いたＸ線源は、電子ビームを加速してターゲットに入射し、そのとき発生する制動放射Ｘ線を用いるものである。制動放射Ｘ線は単色ではなく連続エネルギースペクトルを有する。
【０００３】
連続エネルギースペクトルを有するＸ線を用いたＸ線イメージングやＸ線ＣＴについては、線質硬化(ビームハードニング)という問題がある。Ｘ線は被写体にて減弱するが、減弱係数は物質の種類や密度だけでなくエネルギーにも依存する。つまり、被写体を透過したＸ線は、エネルギー分布が変化する。Ｘ線管が発生できるＸ線のエネルギーの領域から１０ＭｅＶ程度の領域では、減弱係数はＸ線エネルギーに対して低くなる。エネルギーの低いＸ線は減少し、エネルギーの高いＸ線は比較的減少せずに被写体を透過する。そのため、透過したＸ線のエネルギー分布は高い方に寄った分布となるという線質硬化の現象が見られる。この線質硬化はＸ線ＣＴでの画像再構成の際に、ＣＴ画像に密度の歪を発生させるなどの深刻な影響(アーチファクト) を及ぼすことが知られており、様々な補正手段が提案されている。
【０００４】
特許文献１では、フォトンカウンティングモードで動作するＸ線検出器で得られるＸ線エネルギー分布情報により線質硬化の影響を除去しようとしている。しかし、大量の光子が同時に検出器に入射するバーストモードでの運用ができないため、測定時間は長くならざるを得ない。
【０００５】
また、特許文献２では、Ｘ線管に異なる電圧を印加することによりエネルギー分布の異なるＸ線を発生させ、それぞれの画像を取得し再構成している。しかし、同じ画像についてＸ線を二度照射しなければならず、患者の被爆量が多くなる懸念がある。
【０００６】
線質硬化に起因するアーチファクトは、医療分野では骨の付近や人口骨、金属など、他の部分と比較してＸ線吸収が大きい部分で発生し、診断結果に影響を及ぼす重大な問題である。産業用途でも、例えば鉄筋コンクリートの鉄骨の部分でアーチファクトが発生する。
【０００７】
Ｘ線のエネルギー分布を知るには、通常は、Ｘ線光子が時間的に離散した状態で検出器に入射するフォトンカウンティングモードにて、その光子の全エネルギーの検出器内でのデポジットを測定することが必要とされている。光子が２個以上同時に検出器に入射しエネルギーをデポジットした場合、その合計エネルギーが信号としてもたらされる。従って、大量の光子が同時に検出器に入射するバーストモードでは、その合計エネルギーしか判らない。
【０００８】
軟Ｘ線に限れば、波長分散型のＸ線測定法を適用すれば、バーストモードのエネルギー分布の測定は不可能ではない、しかし、波長分散型のＸ線測定法は、結晶格子を用いて特定のエネルギーのＸ線を取り出し強度を測定するという方法なので、エネルギー分布の測定を行うには結晶格子の角度を変化させエネルギースキャンを行わなければならず時間がかかる。また装置も大掛かりになる。一方、数１００ｋｅＶ以上の硬Ｘ線では結晶格子による反射の効率が下がり、現実的でなくなる。
【０００９】
特許文献３には、本発明と同じくエネルギーバンドによる選別を活用して、例えば、低エネルギー散乱ガンマ線から出てくる“雑音”を無くすためにチェレンコフカウンターを用いる方法が開示されている。しかし、この発明は放射線エネルギーの分布を検出することによって線質硬化の情報を得ようという目的に使用されるものではない。また、チェレンコフカウンターを積層することは何等考慮されていない。
【００１０】
特許文献４には、Ｘ線検出器を積層し、Ｘ線のエネルギーに応じた線減弱係数の違いを利用して複数の単色Ｘ線のエネルギーごとの強度の比を測定する多色Ｘ線測定方法が提案されている。しかしながら、この方法は、エネルギーの判明している複数の単色Ｘ線が測定対象であり、各単色Ｘ線についてＸ線検出器の検出効率及び検出器に入射するまでの透過効率をあらかじめ検定等で求める必要がある。そのため、連続エネルギースペクトルを有するＸ線をエネルギーごとに細分化してエネルギー分布を検出する方法への適用は容易でなく、汎用性に乏しい。
【００１１】
また、非特許文献１には、エアロジェル及び空気をそれぞれ有する二台のチェレンコフカウンターを用いて、両者のチェレンコフカウンターの間にＸ線のスピンによる透過率の変化を起こさせるための磁化鉄を設置した短パルスガンマ線の編極度測定装置が開示されている。二台のチェレンコフカウンターの中で、後置の空気チェレンコフカウンターは磁化鉄を透過したＸ線の強度を測定するものであり、入射Ｘ線（ガンマ線）のエネルギー分布を測定するために設置されたものではない。さらに、前記非特許文献１の文中に記載されているＸ線(ガンマ線)の最大エネルギーは、チェレンコフカウンターによる測定値ではなく、電子線のエネルギーとレーザー光の波長から理論式を用いて推定されたものである。前記非特許文献１に記載の磁化鉄は、本発明においては検査対象物となる被写体に相当するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０１０−８２０３１号公報
【特許文献２】特開２００８−１５４７８４号公報
【特許文献３】特許第３５６９２２７号公報
【特許文献４】特許第４８３９０５０号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】福田  将史、「Polarization Measurement of Short-Pulse Gamma Rays Produced through Inverse Compton Scattering of Circularly Polarized Laser Beams」、 JAHEP - Japan Association of High Energy Physicists、高エネルギーニュース  研究紹介、第２３巻、第２号、２００４年、Ｐ５７−６２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、放射線イメージングや放射線ＣＴによる画像構成において、線質硬化に起因するアーチファクトを受けない正確なＣＴ画像を得るために必要なエネルギー分布に関する情報、すなわち、上記のバーストモードで放射線検出器に入射する種類が既知の放射線のエネルギー分布に関する情報を短時間で取得するための放射線エネルギー分布の検出方法及びその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】
【００１５】
本発明者は、上記の課題を解決するために、放射線である荷電粒子又は該荷電粒子に変換される電磁波の入射方向に対して、チェレンコフ放射が起こるときのエネルギー閾値が異なるチェレンコフカウンターの複数を直列に配置し、エネルギー閾値の所定の範囲に存在する放射線強度をそれぞれ個別のチェレンコフカウンターで求めることによって、放射線のエネルギー分布を従来よりも正確に推定できることを見出して本発明に到った。すなわち、本発明は以下の構成を有するものである。
【００１６】
本発明は、放射線である荷電粒子又は該荷電粒子に変換される電磁波の入射方向に対して、チェレンコフ放射が起こるときのエネルギー閾値が異なるチェレンコフカウンターの複数を直列に配置し、前記チェレンコフカウンターの複数のそれぞれにおいて、前記チェレンコフカウンターに備わる光検出器で測定される光強度から前記エネルギー閾値の所定の範囲に存在する放射線強度を換算することによって、前記放射線のエネルギー分布の推定を行う放射線エネルギー分布の検出方法である。ここで、前記チェレンコフ放射が起こるときのエネルギー閾値は、前記チェレンコフカウンターにチェレンコフ輻射体として含まれる光学媒質の屈折率によって制御され、前記エネルギー閾値の所定の範囲に存在する放射線強度の換算は、既知のエネルギーと光強度との関係を用いて較正を行うか、又はシミュレーション計算で行われる。
【００１７】
また、本発明は、前記チェレンコフカウンターの複数が、チェレンコフ放射が起こるときのエネルギー閾値を変えるために、気体、ゲル、液体及び固体からなる群から選ばれる少なくとも屈折率が異なる２種以上をそれぞれチェレンコフ輻射体として用い、相対的に低密度で低屈折率の前記チェレンコフ輻射体を有するチェレンコフカウンターから、相対的に高密度で高屈折率の前記チェレンコフ輻射体を有するチェレンコフカウンターの順に、荷電粒子からなる放射線の入射方向に対して直列に配置される。それ以外にも、前記チェレンコフカウンターの複数は、前記エネルギー閾値を変えるために、屈折率が異なる少なくとも２以上の固体をそれぞれチェレンコフ輻射体として用い、前記エネルギー閾値が低く、相対的に高屈折率の前記チェレンコフ輻射体を有するチェレンコフカウンターから、前記エネルギー閾値が高く、相対的に低屈折率の前記チェレンコフ輻射体を有するチェレンコフカウンターの順に配置しても良い。
【００１８】
また、本発明は、一つのチェレンコフカウンターに光検出器を複数設置し、前記光検出器の少なくとも一つはチェレンコフ光が入射しないように遮光することによって、前記チェレンコフ光を検出する前記光検出器と前記チェレンコフ光を遮光した前記光検出器との間の電気信号の差分から前記チェレンコフ光の強度を測定する放射線エネルギー分布の検出方法である。それ以外にも、前記エネルギー閾値を変えるためのチェレンコフ輻射体またはチェレンコフ光を光検出器に伝送する手段として光ファイバをそれぞれ複数有し、前記光ファイバの少なくとも一つはチェレンコフ光が入射しないように遮光するようにして、遮光しない光ファイバとの間の電気信号の差分から前記チェレンコフ光の強度を測定しても良い。
【００１９】
本発明の放射線のエネルギー分布の検出方法は、シンチレーションカウンターまたは半導体放射線検出器からなる主検出器を、複数のチェレンコフカウンター群の最後尾に、または前記チェレンコフカウンター群の最後に配列するチェレンコフカウンターに代えて配置し、前記主検出器によって被写体を透過するすべての放射線強度を測定し、該すべての放射線強度と、前記チェレンコフカウンターの複数のそれぞれにおいて、光検出器で測定される強度シグナルから換算される前記エネルギー閾値の所定の範囲に存在する放射線強度とを対比することによって、放射線エネルギー分布における線質硬化の影響を推定する方法である。
【００２０】
また、Ｘ線管から放射されるＸ線のエネルギー部分の検出を行うときに、前記チェレンコフカウンターの複数は少なくとも一つがＸ線入射側の前面にＸ線を荷電粒子に変換するコンバーター用板を備える。ここで、チェレンコフカウンターのチェレンコフ輻射体として使用する固体は、高屈折率ガラスや、キュービックジルコニア、ダイヤモンド、チタン酸ストロンチウム、モアッサナイト及びルチルの群から選ばれる少なくとも一つを用いても良い。
【００２１】
本発明の放射線エネルギー分布の検出装置は、放射線である荷電粒子又は該荷電粒子に変換される電磁波の入射方向に対して、チェレンコフ放射が起こるときのエネルギー閾値が異なるチェレンコフカウンターの複数を直列に配置するチェレンコフカウンター群と、前記チェレンコフカウンターの複数のそれぞれにおいて、前記チェレンコフカウンターに備わる光検出器によって測定される光強度から前記エネルギー閾値の所定の範囲に存在する放射線強度を換算するための処理装置とを有する。ここで、前記チェレンコフカウンターは、少なくとも、前記チェレンコフ放射が起こるときのエネルギー閾値に対応した屈折率を有するチェレンコフ輻射体と、チェレンコフ光を検出する光検出器とを有し、前記エネルギー閾値の所定の範囲に存在する放射線強度の換算するための処理装置は、既知のエネルギーと光強度との関係を用いて較正を行うか、又はシミュレーション計算で行う手段を有する。
【００２２】
また、本発明の放射線エネルギー分布の検出装置において、前記エネルギー閾値の所定の範囲に存在する放射線強度の換算手段、チェレンコフカウンターとその中に内蔵される光学媒質の構成、及び光検出器による検出手段は、上記の放射線エネルギー分布の検出方法で採用したものと同じ構成を有する。ここで、前記エネルギー閾値を変えるためのチェレンコフ輻射体またはチェレンコフ光を光検出器に伝送する手段として光ファイバを用いても良い。
【００２３】
また、本発明の放射線エネルギー分布の検出装置は、放射線エネルギー分布における線質硬化の影響を推定するために、被写体を透過するすべての放射線強度を測定する手段として、シンチレーションカウンターまたは半導体放射線検出器からなる主検出器を、複数のチェレンコフカウンター群の最後尾に、または前記チェレンコフカウンター群の最後に配列するチェレンコフカウンターに代えて配置する。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の検出方法によれば、フォトンカウンティングモードではなくバーストモードでのＸ線のエネルギー分布の推定が可能になる。従来の波長分散型のように波長スキャン(スイープ)を行う必要がなく、Ｘ線強度が強ければ原理的にワンショットでＸ線エネルギー分布の推定が可能である。
【００２５】
また、本発明の検出装置によれば、単体のチェレンコフカウンター群ではなく、チェレンコフカウンター群のアレイを構成することによって、一次元や二次元空間のＸ線エネルギー分布の推定が可能になる。
【００２６】
さらに、本発明の検出方法及び検出装置において、高屈折率材料をチェレンコフ輻射体として用いることによって、通常の管圧（１２０ｋＶ程度）のＸ線管で放射される範囲のＸ線のエネルギー分布推定が可能になる。そのため、Ｘ線管を用いたＣＴにおいて、Ｘ線射爆が一回であっても、Ｘ線線質硬化を推定することが可能になる。また、Ｘ線管のＸ線ターゲットにはタングステン或いはモリブデンが多用されており、Ｘ線管では、制動放射Ｘ線の他にターゲット材質に依る特性Ｘ線も放射される。その場合、タングステン或いはモリブデンによる特性Ｘ線のエネルギー閾値を考慮し、チェレンコフ輻射体として使用する光学媒質を最適化することによって、Ｋａ線とＫｂ線を識別できる可能性がある。
【００２７】
また、電子ビームエネルギーが1MeV弱の電子線形加速器によるＸ線のエネルギー分布は100keVから300keV程度である。各種光学ガラス(屈折率1.43-2.14)を用いることによって、詳細なエネルギー分布を知ることも可能である。
【００２８】
これらにより、Ｘ線ＣＴの線質硬化に起因するアーチファクトを、測定値を基に補正でき、画像診断等の精度が向上する。これは医療分野での診断精度向上が見込めるため、誤診減少に繋がる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】光学媒質の屈折率と電子の運動エネルギーに対するチェレンコフ光の発光閾値との関係を示す図である。
【図２】本発明による放射線エネルギー分布の検出装置の一実施例を示す図である。
【図３】本発明に使用するチェレンコフカウンターの構成を示す断面図である。
【図４】本発明に使用するチェレンコフカウンターの別の構成を示す断面図である。
【図５】光ファイバを有するチェレンコフカウンターの２個を直列に配置した本発明による放射線エネルギーの検出装置を示す断面図である
【図６】本発明による放射線エネルギー分布の検出装置において、別の実施例の構成を示す図である。
【図７】電子線形加速器を用いたＸ線源の模式図である。
【図８】本発明の実施例５において、Ｘ線の最大エネルギーを測定する装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
光速ｃに近い速度ｖで運動する荷電粒子が光学媒質に媒質中の光速より早い速度(ｖ＞ｃ／ｎ、 ｎ：媒質の屈折率)で入射すると、チェレンコフ放射が起こることが知られている。ａ＝ｖ／ｃとすると、ａ＝1／ｎが閾値となってチェレンコフ放射が起こるかどうかが決まる。
【００３１】
荷電粒子の全エネルギーＥに対しては
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が閾値となる(ｍは荷電粒子の質量である)。
【００３２】
荷電粒子の運動エネルギーＫに対しては、
2015021913.tif 000004
が成り立つ。
【００３３】
光学媒質の屈折率と電子の運動エネルギーに対するチェレンコフ光の発光閾値の関係を図１に示す。図１に示すように、屈折率の異なる光学媒質ではチェレンコフ放射が起こるエネルギー閾値が異なる。ある運動エネルギーを持つ荷電粒子が屈折率の異なる複数の光学媒質に入射すると、運動エネルギーの範囲によっては、屈折率に依ってチェレンコフ放射を起こす光学媒質と起こさない光学媒質が出てくる。
【００３４】
一方、チェレンコフ放射を観測するためにはチェレンコフ検出器（以下、チェレンコフカウンターという）を使用するが、そもそもチェレンコフカウンター内でも線質硬化は起こる。そのため、チェレンコフカウンターの１個だけでは、そこに含まれる光学媒質の屈折率に対応するエネルギー閾値以上の運動エネルギーを有する放射線に関する情報しか得られず、広範囲のエネルギー分布を正確に把握することができない。それに対して、屈折率が異なる複数の光学媒質を荷電粒子入射方向に積層して配置し、それぞれの光学媒質のチェレンコフ放射の有無を検出することにより、図１に示す関係から荷電粒子のおおよその運動エネルギーを広範囲にわたって測定できることになる。すなわち、放射線エネルギーに応じた放射線強度を、屈折率が異なる複数の光学媒質をそれぞれ有する複数のチェレンコフカウンターによって分離して計測することによって、放射線の高エネルギー成分から順次、低エネルギー成分まで広いエネルギー範囲を細分化しながらエネルギー分布の検出を確実に行うことができる。したがって、バーストモードで放射線検出器に入射する放射線であっても、エネルギー分布に関する情報を短時間で、且つ正確に取得することが可能になる。本発明の放射線エネルギー分布の検出方法及びその検出装置は、この原理に基づいてなされたものである。
【００３５】
なお、チェレンコフ放射を起こす光学媒質については、光の全反射条件を利用すると、一つの光学媒質で２種類のエネルギー閾値を持つことができることが知られている(非特許文献：佐田優太、「実験のための全反射型ガラスチェレンコフ検出器の開発」、京都大学大学院理学研究科 修士論文J-PARC E15、2010を参照)。この文献は、屈折率の異なる光学媒質を利用しているものの、粒子の運動量が既知な粒子についてその種類の識別を行うことを目的としており、屈折率の選定方法が本発明とは異なる。
【００３６】
以下、本発明の放射線エネルギー分布の検出方法及びその検出装置を実施例によって説明する。
【００３７】
〈実施例１〉
図２は、本実施例による放射線エネルギー分布の検出装置の構成を示す図である。図２に示すように、本発明の検出装置はチェレンコフカウンター１の複数個（入射放射線に近い方からＣ１、Ｃ２、Ｃ３、・・・・、Ｃｎのように呼ぶことにする）をチュレンコフカウンター群２として放射線の入射方向に対して直列に配置する。このチェレンコフカウンター１は、図３に示すように、チェレンコフ放射を起こす光学媒質(輻射体)６とチェレンコフ光を検出する光検出器７、光学媒質を囲む光遮蔽膜及び反射膜で構成される。光学媒質（輻射体）６は図１に示すようにチェレンコフ放射の発生の有無を決める輻射体であることから、以下では「チェレンコフ輻射体６」と定義する。本発明においては、チェレンコフ光１をミラー９で反射し、放射線遮蔽体８に囲まれた光検出器７に導くこともある。また、図２及び図３に示すように、Ｘ線検出のためには、チェレンコフ輻射体６の前方にコンバーター（金属板)５を配置し、ここでＸ線を荷電粒子(電子、陽電子)に変換する。コンバーター５は、チェレンコフカウンター群２を構成するすべてのチェレンコフカウンター１に設置する必要はない。また、コンバーター５は、荷電粒子(電子、陽電子)の放射線エネルギーの検出を行う場合には使用しなくても良い。
【００３８】
図２に示す複数のチェレンコフカウンター１は、チェレンコフ放射の起こるときのエネルギー閾値がそれぞれ異なるように配置する。本発明は、配置の方法として次の２通りを行う。
【００３９】
第１の方法は、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、・・・・、Ｃｎの順に、エネルギー閾値が低くなるように配置する方法である。この方法においては、図２に示す検出装置に入射する放射線を、放射線エネルギーの大きさに応じて、エネルギー閾値の高いものから低いものへと各チェレンコフカウンター１で順次、検出していく。それによって、複数のチェレンコフカウンター群２の最初の方では相対的に高いエネルギーを有する放射線が検出され、最後尾に近づくに従って相対的に低いエネルギーを有する放射線が検出されるようになる。そのため、広範囲のエネルギーの計測が可能になる。このようにして、バーストモードで入射する各種の放射線について、放射線エネルギー分布を短時間に、且つ、正確な検出を行うことができる。
【００４０】
エネルギー閾値は、図１に示すように、チェレンコフ放射を起こすチェレンコフ輻射体の屈折率を小さくすれば大きくできる。屈折率は一般にチェレンコフ輻射体として用いる光学媒質の分極率と密度によって調整できるが、本実施例では、複数のチェレンコフカウンター１（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、・・・・、Ｃｎ）において、それぞれ密度の異なるチェレンコフ輻射体を使用することによって屈折率の制御を行う。密度の低い物質は、屈折率が小さくなる傾向にあるため、複数のチェレンコフカウンター１は、密度の低いチェレンコフ輻射体を有するものから密度の高いチェレンコフ輻射体を有するものの順にＣ１、Ｃ２、Ｃ３、・・・・、Ｃｎと配置する。複数のチェレンコフカウンター１において密度の低いチェレンコフ輻射体を有するものから配列する理由は次の通りである。仮に、密度の高いチェレンコフ輻射体を有するものから配列した場合、密度の高い検出器において放射線が吸収遮蔽されてしまい、後方に配置されたチェレンコフカウンターまで放射線が到達し難くなる。その結果、放射線エネルギーの細分化による検出性能の向上という効果が得られないためである。
【００４１】
第２の方法は、チェレンコフ輻射体のすべてをエネルギー閾値が異なる固体の組合せで構成する方法である。ここで、それぞれ固体のチェレンコフ輻射体は、複数のチェレンコフカウンター１（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、・・・・、Ｃｎ）の順に、エネルギー閾値の低いものから設置する。複数の固体で構成する場合にエネルギー閾値の低いものから順番に配列する理由は次の通りである。固体のチェレンコフ輻射体は、気体や液体と比べて線質硬化が顕著に現れるため、低いエネルギーを有する放射線は途中で吸収されるようになる。仮に、エネルギー閾値の低い固体のチェレンコフ輻射体を後方に配置すると、低エネルギーの放射線強度の正確な計測が困難になる。したがって、固体のチェレンコフ輻射体の場合は、エネルギー閾値の低い固体を前方に配置することによって、先に低いエネルギーを有する放射線の強度を検出するようにする。
【００４２】
前記の第１の方法及び第２の方法は、図１に示す関係に基づいて、測定対象となる放射線の把握したいエネルギー分布範囲に応じて、どちらかを選択して採用することができる。場合によっては、第１及び第２の方法を組合わせても良い。例えば、第１の方法において、最後部に配置する固体のチェレンコフ輻射体として、１種類の固体の代わりに、エネルギー閾値の異なる固体の複数を組合わせたものを用いる。なお、本発明のチェレンコフカウンターでチェレンコフ輻射体として使用する具体的な光学媒質については後で詳細に説明する。
【００４３】
図２及び図３に示すチェレンコフカウンター１に備える光検出器７は荷電粒子とは異なり、電磁波であるＸ 線やガンマ線に対して直接には感受性はない。しかし、Ｘ 線やガンマ線は物質内で光電効果、コンプトン効果、電子対生成により電子を放出させることが知られている。そのため、Ｘ線やガンマ線を検出するときは、チェレンコフカウンター１の前面に金属等によるコンバーター５を設置して、コンバーター５にて、光電効果、コンプトン効果、電子対生成によりＸ 線を電子に変換することが可能である。チェレンコフカウンター内でも同様の反応は起きるが、変換効率の点からコンバーターを設置するほうが望ましい。光電効果により放出された電子はＸ 線のエネルギーとほぼ同等の運動エネルギーを持つ。厳密には、束縛エネルギーを減じた値となる。該電子は該Ｘ線のエネルギーがチェレンコフカウンターの電子の運動エネルギーに対する閾値を超えていれば、チェレンコフカウンターにより該電子が検出される。
【００４４】
また、Ｘ線のエネルギーが数百keV以上であると、光電効果よりもコンプトン効果の方が散乱断面積が大きくなることが知られている。コンプトン効果で放出される反眺電子の最大エネルギーKRmax は、入射するX 線のエネルギーをEphoton とすると、
2015021913.tif 000005
であることが知られている。
【００４５】
さらに、Ｘ線のエネルギーが電子の質量エネルギーの二倍を越えると、電子対生成が起こるようになる。電子対生成によって生成される電子若しくは陽電子の運動エネルギーの最大値は、入射Ｘ線エネルギーから電子の質量エネルギーの二倍を減じた値となる。物質にも依存するが、Ｘ 線のエネルギーが1 MeV を越える場合は、光電効果はほとんど起こらず、電子対生成が支配的となる。
【００４６】
このように、Ｘ線検出器のエネルギー閾値としては、光電効果、コンプトン効果若しくは電子対生成による電子若しくは陽電子の最大運動エネルギーを用いることになる。
【００４７】
上記のコンバーター５の厚さの最適値は使用エネルギー範囲によって違うが、光子が電子(陽電子)に変換される確率が数％以下とあまり高くないようにする。コンバーター５が厚すぎると、変換された電子等がコンバーター内で散乱したりエネルギーを失ったりする。また、後段へ到達する光子の量が減少する。コンバーター５の材質としては、一般的には、タングステン、鉄、銅又はそれらの合金が用いられる。また、非特許文献１に記載されているようなアルミニウムや鉛をコンバーター５の材質として用いても良い。コンバーター５の材質及び厚さに関しては、想定される入射放射線のエネルギーや線量、使用目的及び設計ポリシーに依存する部分が多いので、詳細については実験等で最適化することができる。場合によっては、モンテカルロシミュレーション等を用いて決定しても良く、最終的に実験等で確認を行えばコンバーターの最適な構成を使用することができる。
【００４８】
チェレンコフカウンター１において、光検出器７はチェレンコフ輻射体６の後方に設置するとＸ線や電子を直接検出する恐れがあるので、図３に示すように、チェレンコフ輻射体６の側面に設置するのが一般的である。通常はチェレンコフ光を光検出器に伝送する手段によりチェレンコフ光を光検出器７に伝送する。例えば、図３に示すミラー９を使って、放射線の入射方向に対して垂直方向にチェレンコフカウンター１の後方から採光することが多いが、その場合は、ミラー９と、ミラー９から光検出器７までの遮光された空間２０が光導波路として機能し、チェレンコフ光を光検出器に伝送する手段に相当する。また、光検出器７として用いられることが多い光電子増倍管の受光面はガラスでありチェレンコフ光を発する場合があり、チェレンコフ輻射体の方がより多くのチェレンコフ光を発する場合は、光学媒質の後方に光電子増倍管を設置することがある。
【００４９】
また、光検出器とチェレンコフカウンターの間には、チェレンコフ光の紫外線を光検出器の感度波長へ変換するために波長変換素子を介在させても良い。それ以外にも、チェレンコフ輻射体として波長変換材料をドープした光学媒質等も存在するので、それを利用することもできる(例えば、特開２００５−２４７６６１号公報を参照)。チェレンコフ光に含まれる紫外線は、これらの方法によって可視域の光として観測できるため、観測するチェレンコフ光が微弱なものであっても確実な検出を行うことができる。
【００５０】
前述の通り、光検出器は放射線に感受性があるものが多いので、図３に示すように、光検出器の周りは、放射線遮蔽体８によって適当な放射線遮蔽を施すことが好ましい。
【００５１】
図２において、光検出器７が放射線に感受性がある場合は、散乱線などが光検出器７にてノイズシグナルとして検出される恐れがある。この問題を解決するために、本発明においては、一つのチェレンコフカウンター１に光検出器７を複数設置して、そのうちいくつか(半分程度)を光フィルター等の遮光手段によって遮光し、チェレンコフ光が光検出器に入射しないようにすることが好ましい。チェレンコフ光を検出するものと遮光したものにおいて、両者の電気シグナルレベルの差分により、チェレンコフ光のシグナルを推定することができる。その場合、遮光している光検出器とチェレンコフ光を検出できる光検出器はなるべく隣接することが望ましく、同一の放射線遮蔽体内に設置することが特に望ましい。
【００５２】
上記で述べたように、チェレンコフ輻射体６と光検出器７は、通常、チェレンコフ光を光検出器に輸送する手段により光学的に結合されている。例えば、図３においてミラー９から光検出器７までの遮光された空間２０は光導波路として機能し、チェレンコフ光を光検出器に伝送する手段に相当する。チェレンコフ光を光検出器に輸送する手段としては、光ファイバー等も考えられる。それ以外にも、導波路内側側に反射膜が設置されているような空洞のようなものや、チェレンコフ光を発する目的で設置していない各種の光学素子が考えられる。また、チェレンコフ輻射体６が気体の場合で、光検出器が気体の容器の外に設置されるようなときは、光取り出し窓もチェレンコフ光を光検出器に伝送する手段に含まれることになる。チェレンコフ光を光検出器に伝送する手段は必ずしも放射線感受性が無いとは限らない。例えば、チェレンコフ光やシンチレーション光を発する可能性がある。そのため、該チェレンコフ光を光検出器に伝送する手段で発生するノイズシグナル光を除去する必要がある場合もある。該チェレンコフ光を光検出器に伝送する手段で発生するノイズシグナル光を除去するには、該チェレンコフ光を光検出器に伝送する手段を複数個用意し、その最低一つ以上(一般的には半分)について、チェレンコフ輻射体との光学的結合を阻止する手段を講ずる、具体的には遮光能力のあるフィルターをチェレンコフ輻射体と該チェレンコフ光を光検出器に伝送する手段の間に挿入する。この場合、前述の光検出器７においては遮光する必要はなく、例えば、該チェレンコフ光を光検出器に伝送する手段として使用する光ファイバと光検出器７は一対一若しくは一対多若しくは多対一若しくは多対多に光学的に結合される。ただし、フィルターが具備されているものとされていないものは分離されるべきである。
【００５３】
チェレンコフ光を光検出器に伝送する手段は、複数の部分からなる場合もあるが、検出すべき放射線の最大エネルギーが判明しており、チェレンコフ光を光検出器に伝送する手段の一部分若しくは全体においてノイズシグナルの発生の恐れがないと判断される場合は、最もチェレンコフ輻射体６に近いノイズシグナルが発生しうる部分のチェレンコフ輻射体６に近い位置からチェレンコフ輻射体６の間の任意の位置にフィルターを設置することもできる。
【００５４】
光検出器７、若しくはチェレンコフ光を光検出器７に伝送する手段と光検出器７との組合せは、通常それぞれ独立した読み出し回路(ＡＤＣ等含む)を持ち(ＣＣＤ等の一次元又は二次元光検出器の場合はこの限りではない)、分析処理装置４(コンピューター等)に接続されている。先に示したチェレンコフ光を検出するものと遮光したものとのシグナルレベルの差分は、この分析演算装置４で行うことができる。また、ＡＤＣ等の前で差動増幅回路を用いて両者のシグナルレベルの差分を行うことも可能である。
【００５５】
次に、図２に示す複数のチェレンコフカウンター１（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、・・・・、Ｃｎ）に備える密度の異なるチェレンコフ輻射体について説明する。  前記で述べたように、チェレンコフカウンター内でも線質硬化は起こるので、第１の方法として、チェレンコフ輻射体は密度の低い順に配置する。具体的には、エネルギー閾値の違いを明確にできるように屈折率差、すなわち密度差を大きくする必要があるため、密度の低い気体から、順次、密度が高くなるシリカエアロゲル、液体、固体をそれぞれ有するチェレンコフカウンターの順に配置することが好ましい。本発明は、エネルギー閾値に応じて、気体、シリカエアロゲル、液体、固体の群から選ばれる少なくとも密度の異なる２以上のチェレンコフ輻射体を使用すればよく、必ずしも形態が異なるチェレンコフ輻射体を併用する必要はない。同じ形態に属する物質であっても、密度が異なるものを選択して屈折率の異なる２種以上のチェレンコフ輻射体として使用することができる。
【００５６】
本発明においては、チェレンコフ輻射体の第２の配置方法としてエネルギー閾値が異なる固体を組み合わせて使用しても良い。ここで、それぞれの固体のチェレンコフ輻射体はエネルギー閾値の低いものとして相対的に高屈折率の光学媒質を有するチェレンコフカウンターからエネルギー閾値の高いものとして相対的に低屈折率の光学媒質を有するチェレンコフカウンターの順番に設置する。複数の固体からなるチェレンコフ輻射体の組合せは、前記の気体、シリカエアロゲル、液体、固体からなる群から選ばれる少なくとも屈折率の異なる２以上を使用するときに、最後尾に配置する固体光学媒質の構成のひとつとして採用しても良い。
【００５７】
チェレンコフカウンターにチェレンコフ輻射体として用いる光学媒質には、空気、二酸化炭素、窒素、アルゴンなどの気体、シリカエアロゲル、水その他の液体、アクリル樹脂、各種光学ガラス 、ダイヤモンドとダイヤモンド代替品が使用可能である。
【００５８】
例えば、特開２００５−２４７６６１号公報によれば、シリカエアロゲルの屈折率は１．０１〜１．３ である。田端 誠によれば、屈折率１．００２２〜１．２６５が可能とされている(千葉大学大学院 自然科学研究科 修士論文 「気体−液体間の屈折率空白域を埋める シリカエアロゲルの新製法の研究開発」 2006年を参照)。
【００５９】
気体の屈折率は、密度すなわち温度と圧力に依存するので考慮が必要である。空気に関しては湿度も無視できない。乾燥した単体気体が望ましい。逆に、気体を加圧して密度を上げることで屈折率を上げ、より低い閾値を得ることも可能である。また、屈折率は、厳密には光の波長に依存する。チェレンコフ輻射体として使用するときはこれらの因子を十分に考慮して、測定のときに最適な屈折率を有する光学媒質を選択する。本実施例でチェレンコフ輻射体として使用する光学媒質の例を下記の表１に示す。
【００６０】
【表１】
2015021913.tif 000006
【００６１】
Ｘ線でなく荷電粒子の検出をする場合には、荷電粒子のチェレンコフ輻射体中の飛程を考慮し、荷電粒子進行方向に対してチェレンコフカウンターを薄くする。液体や固体よりも、気体やシリカエアロゲルが好適である。
【００６２】
また、Ｘ線検出に適用する場合は、高屈折率の固体材料、例えば、屈折率が２以上の光学ガラスや 、屈折率２．４１７のダイヤモンド及びキュービックジルコニア、チタン酸ストロンチウム、モアッサナイト、ルチル等のダイヤモンド代替品をチェレンコフ輻射体として用いると、通常の管圧(120kV程度)のＸ線管で放射される範囲のＸ線のエネルギー分布推定が可能になる。また、Ｘ線管を用いたＣＴにおいて、Ｘ線射爆が一回であっても、Ｘ線線質硬化を推定することが可能になる。
【００６３】
Ｘ線管のＸ線ターゲットにはタングステン或いはモリブデンが多用されている。Ｘ線管では、制動放射Ｘ線の他にターゲット材質に依る特性Ｘ線も放射される。例えば、タングステンの特性Ｘ線は、Ka1=59.319[keV]、Ka2= 57.982[keV]、Kb1=67.245[keV]、Kb2I =69.101[keV]である（http://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayTrans/Html/search.  htmlを参照) 。ダイヤモンド及びキュービックジルコニアのエネルギー閾値と対比すると、ダイヤモンドとキュービックジルコニアを用いれば、Ｋａ線とＫｂ線を識別できる可能性があることがわかる。
【００６４】
また、電子ビームエネルギーが1MeV弱の電子線形加速器によるＸ線のエネルギー分布は100keVから300keV程度である。各種光学ガラス(屈折率1.43-2.14)を持ちいれば、詳細なエネルギー分布を知ることも可能である。
【００６５】
図２に示すように、こうして構成されたチェレンコフカウンター群の後方に、主検出器３として、Ｘ線の全吸収が可能なシンチレーションカウンターや半導体検出器を設置するのが好ましい。主検出器３は、通常チェレンコフカウンター群の最後尾に配置するが、前記チェレンコフカウンター群の最後に配列するチェレンコフカウンターに代えて備えるように配置しても良い。こうすることにより、被写体のＸ線透過率全体を主検出器で測定し、このようにして測定したすべての放射線強度と、チェレンコフカウンターの複数のそれぞれにおいて、チェレンコフカウンターに備わる光検出器で測定される強度シグナルから換算されるエネルギー閾値の所定の範囲に存在する放射線強度とを対比することによって、前記放射線エネルギー分布における線質硬化の影響を推定することが可能となる。但し、主検出器３の設置は必須ではない。
【００６６】
チェレンコフカウンター群及びシンチレーションカウンター(または半導体検出器)の信号は、Ｘ線の射爆後、独立したＡＤＣに入力され分析処理装置４により直ちに読み出される。ただし、二次元光検出器の場合はこの限りではない。
【００６７】
図２及び３に示す検出装置を適用して本発明の放射線のエネルギー分布を推定する最も簡単な検出方法の一つは以下の通りである。
【００６８】
図２に示すｎ個のチェレンコフカウンター１で構成されているチェレンコフカウンター群２において、個々のチェレンコフカウンター１をエネルギー閾値の低い順にＣ１、Ｃ２、Ｃ３、・・・・、Ｃｎのように配置する。Ｃｉ(ｉ＝１・・・ｎ)のエネルギー閾値はＳｉ(ｉ＝１・・・ｎ)とし、Ｃｉにおける推定放射線強度(Ｘ線光子数など)はＮｉ（(ｉ＝１・・・ｎ)とする。
【００６９】
閾値ＳｉとＳｉ＋１の間にあると推定される放射線強度(Ｘ線光子数など)は、単純にＮｉ＋１−Ｎｉから求めることができる。このとき、当然のことながら、個々のチェレンコフカウンターの実際のシグナルレベルと推定放射線強度(Ｘ線光子数など)との関係はなんらかの方法で判明していなければならない。
【００７０】
個々のチェレンコフカウンターの実際のシグナルレベルと推定放射線強度(Ｘ線光子数など)との関係を推定する方法としては、エネルギーと強度の判明している(準)単色X線(放射性同位体から放射されるX線やガンマ線)を用いて較正するという直接的な方法がある。また、モンテカルロシミュレーションによりＸ線から電子等への変換効率を求めて、荷電粒子とチェレンコフカウンターのシグナルレベルの関係を、単色かつ単一(１個)の荷電粒子(加速器で生成される粒子線や放射性同位体から放射されるベータ線等を偏向電磁石等でエネルギー選別する等)を用いて求めるという方法もある。また、すべてを計算に依ることも行っても良い。
【００７１】
以上のように、放射線の運動エネルギー閾値に応じた照射線強度（放射線光子数を反映する物理量）を、複数のチェレンコフカウンターによってそれぞれ計測することによって、広範囲のエネルギーに亘って正確な放射線エネルギー分布を検出することができる。
【００７２】
〈実施例２〉
図４は、エネルギー閾値を変えるためのチェレンコフ輻射体６またはチェレンコフ光を光検出器に伝送する手段として、複数の光ファイバを有するチェレンコフカウンター１の構成を示す図である。
【００７３】
図４の（ａ）は、チェレンコフ輻射体６によって放射されるチェレンコフ光を光検出器７に伝送する手段として光ファイバ１０，１１を使用するときのチュレンコフカウンターの例である。図４の（ｂ）は、チュレンコフカウンター１の内部にチェレンコフ輻射体が含まれておらず、光ファイバ１３，１４がチェレンコフ光を光検出器に伝送する手段としてだけでなく、チェレンコフ輻射体としての機能を担うために設けられたチュレンコフカウンターの例である。また、図４の（ｃ）に示すチュレンコフカウンターは、コンバータ５からフィルター１２までの間に光ファイバが設置された例である。それによってコンバータ５からフィルター１２までの間で発生する放射線の散乱等による測定への悪影響を低減する効果が得られ、より厳密な測定が可能となる。図４の（ａ）〜（ｃ）に示すフィルター１２は、測定しようとするエネルギー閾値を有するチェレンコフ光だけを選択的に測定するために使用される。本発明の検出装置は、図４の（ａ）〜（ｃ）に示すチェレンコフカウンターを、図２に示すものと同じように２個以上配列することによって構成することができる。
【００７４】
図５には、図４の（ａ）及び（ｂ）に示すチェレンコフカウンターを２個用いて直列に配置した本発明による放射線エネルギーの検出装置の例を示す。図５の（ａ）に示す本発明の検出装置は、チュレンコフ輻射体６によって放射されるチェレンコフ光を光ファイバ１０，１１で検出するチェレンコフカウンター１の２個を直列に配置したものである。一方、図５の（ｂ）は、チュレンコフ輻射体６によって放射されるチェレンコフ光を光ファイバ１０，１１で検出するチェレンコフカウンター１を放射線の入射側（図のおいて上段）に配置し、光検出器へのチェレンコフ光伝送手段としてだけでなく、チェレンコフ輻射体としての機能を担う光ファイバー１３，１４を内部に備えるチェレンコフカウンター１を放射線の出射側（図において下段）に直列で配置したものである。図５には、チェレンコフカウンターの２個を配列した検出装置の例を示しているが、本実施例は３個以上を配列することができる。また、図４の（ａ）及び（ｂ）に示すチェレンコフカウンターの組合せも、放射線のエネルギー分布の測定精度に応じて自由に選ぶことができる。
【００７５】
また、図には示していないが、図４の（ｂ）及び（ｃ）に示すチュレンコフカウンターの何れかを２個以上で直列に配置する場合は、放射線の出射側に配置されたチェレンコフカウンター１には、エネルギー閾値がチェレンコフ輻射体６より低くなるような光ファイバを備える。例えば２個の場合は、直列に配置する各チェレンコフカウンターについて、それぞれエネルギー閾値が異なる光ファイバを備えるようにし、エネルギー閾値の高い光ファイバを有するものから低い光ファイバを有するものの順に放射線の入射側から配置する。以下、３個以上のチェレンコフカウンターを配置する場合にも、エネルギー閾値の異なる光ファイバーを用いて、同じような構成を採用する。
【００７６】
前記のエネルギ閾値の高い光ファイバとしてはコア部の屈折率が低いものが選択され、例えば、石英径光ファイバ、プラスチック光ファイバ、シリコーンやフッ素オイル等の低屈折率液体をそれより低屈折率のプラスチッククラッド材に封入して作製される光ファイバが挙げられる。一方、エネルギ閾値の低い光ファイバとしては、コア部の屈折率が高いものを使用し、例えば、高屈折率のガラス又は透明セラミックスのコア部とした光ファイバ等が挙げられる。本実施例の光ファイバは数ｍ以下の短尺で使用するため、光透過率は光通信用光ファイバほど高くなくても問題ない。そのため、前記の透明セラミックスのコア部とした光ファイバや、コア部に高屈折率のドーパントを有する光ファイバ等を使用することができる。
【００７７】
本実施例の放射線エネルギー分布の検出装置は、チェレンコフ輻射体からチェレンコフ光を光検出器に伝送する手段として使用する光ファイバが一般に固体又は液体で作製されるため、放射線に感受性があるものが多い。前記で述べたように、光検出器の機能を有する光ファイバが放射線に感受性がある場合は、散乱線などが光検出器にてノイズシグナルとして検出される恐れがある。この問題を解決するために、本実施例は、一つのチェレンコフカウンター１に光ファイバ（図４において、符号１０，１１及び１３，１４）を複数設置して、そのうち１本を、例えばフィルター１２を光が透過しない物質で構成することにより遮光し、チェレンコフ光が光ファイバ１１，１４に入射しないようにすることが好ましい。チェレンコフ光を検出する光ファイバ１０，１３と遮光した光ファイバ１１，１４において、両者の電気シグナルレベルの差分により、チェレンコフ光のシグナルを推定することができる。また、図４には、例として２本の光ファイバ１０，１１又は１３，１４を有するチェレンコフカウンターを示したが、光ファイバは３本以上を設置しても良く、そのうちのいくつか（半分程度）を遮光して、チェレンコフ光を検出する光ファイバとの電気シグナルレベルの差分から、同じようにチェレンコフ光のシグナルを推定することができる。本実施例では、複数の光ファイバを同一のチェレンコフカウンターに備えるとともに、互いに近接させることによって、ノイズが少ない高感度のチェレンコフ光のシグナルを得ることができる。
【００７８】
図４及び図５に示す検出装置を適用して行う本発明の放射線のエネルギー分布の推定するための検出方法は、実施例１と同じようにして行う。本実施による放射線エネルギー検出方法は、図２に示すｎ個のチェレンコフカウンターで構成されているチェレンコフカウンター群において、個々のチェレンコフカウンターが複数の光ファイバによって構成されている点を除けば、個々のチェレンコフカウンターの実際のシグナルレベルと推定放射線強度の計測は実施例１と同じ原理に基づいて行うことができる。
【００７９】
また、本発明においては、複数のチェレンコフカウンターのすべてが複数の光ファイバを備える構成だけでなく、図３に示すような、チェレンコフ輻射体を有するチェレンコフカウンターの構成と組み合わせてチェレンコフカウンター群として使用しても良い。
【００８０】
〈実施例３〉
本発明により推定された各エネルギー帯は、それぞれがエネルギー帯の幅を持つ擬似的な単色Ｘ線であると考えることもできるので、空港や港湾の荷物検査のための擬似２色若しくは擬似多色イメージング装置（ラインセンサー、平面型検出器、若しくはＸ線ＣＴ装置）にも応用可能である。最近では物質判別の要望があり( UTNL-R-0476 東京大学大学院工学系研究科原子力専攻平成21年度共同利用成果報告書21L10 可搬型小型Ｘ線源を用いた非破壊検査応用研究（http://www.nuclear.jp/utnl-w/0025/main0025.pdfを参照)、本発明はラインセンサーとして好適である。例えば、特開２０１１−１１２６２３号公報に開示されているようなシンチレーターを用いた２段Ｘ線検出器において、シンチレーションカウンターの代わりに本発明のチェレンコフカウンターを適用することによって、２段だけに限らず、３段以上の構成を採用することができるため、エネルギー分布をより細分化した状態で高精度に検出することが可能となる。
【００８１】
〈実施例４〉
本実施例は、電子線加速器などの電子等荷電粒子ビーム若しくは発生X線の簡易エネルギー測定にも適用できる。電子ビームエネルギーが６ＭｅＶ程度の医療用電子ビーム加速器(ライナック、リニアック)が販売されている。現在最も屈折率の小さいシリカエアロゲルの電子エネルギー閾値は７．２ＭｅＶであり、電子ビーム運動エネルギー６ＭｅＶをカバーする。現在最も屈折率の大きいシリカエアロゲルの電子エネルギー閾値は０．２９ＭｅＶである。この範囲であれば、ある程度ばらつきがあるものの、任意の屈折率のシリカエアロゲルを入手できる。本実施例では、ゲルという同じ相形態に属しながらも、密度及び屈折率が異なるシリカエアロゲルの２以上をチェレンコフカウンターのチェレンコフ輻射体として用いる。それによって、適当な屈折率のシリカエアロゲルを複数積層し、それぞれを独立に遮光しつつ放射線遮蔽材に囲まれた光検出器に接続することにより電子ビームエネルギー分析装置を構成する。
【００８２】
加速器のビーム取り出し窓から取り出された電子ビームを、本発明の検出装置を電子ビームエネルギー分析装置として使用し、その分析装置に入射する。光検出器の出力を分析し、どのエネルギー閾値のシリカエアロゲルがチェレンコフ光を放射したかを知ることにより、電子ビームのエネルギーを知ることができる。
【００８３】
但し、シリカエアロゲルは電気絶縁性が高く、エネルギーを失いシリカエアロゲル内で停止した電子等により帯電する可能性があるので、シリカエアロゲルを光反射膜を兼ねてアルミ箔等導電体で囲むのが望ましい。
【００８４】
最も単純な構成は、チュレンコフ輻射体１及びチュレンコフ輻射体２としてシリカエアロゲル１及びシリカエアロゲル２をそれぞれ有するチェレンコフカウンター２個による構成であり、図６の（ａ）及び（ｂ）に、その外観図と断面図をそれぞれ示す。それぞれのチュレンコフカウンター内部で放射されるチェレンコフ光は、放射線の入射方向に対して垂直方法で光検出器７によって検出される。例えば６．０ＭｅＶ±０．１ＭｅＶのビームエネルギーを保障したいのであれば、エネルギー閾値５．９ＭｅＶと６．１ＭｅＶのチェレンコフカウンターで構成する。５．９ＭｅＶのカウンターが反応し、６．１ＭｅＶのカウンターが反応しない状態が、６ＭｅＶ±０．１ＭｅＶのビームエネルギーを保障する状態となる。
【００８５】
各々のチェレンコフカウンターの反応の可否については、ＡＤＣで分析演算装置４に取り込まれたシグナルから判断することも可能であるが、各々のチェレンコフカウンターに具備されている光検出器７のうち、チェレンコフ光を検出するものと遮光したものの電気シグナルレベルを差動増幅器等で差分をとり、その信号をコンパレーター(若しくはディスクリミネーター)により弁別することによっても可能である。
【００８６】
電子線加速器等で発生される荷電粒子ビームは非常に粒子数が多い(１０５よりはるかに多い)のが一般的であり、シリカエアロゲルは０．１ｃｍ〜１ｃｍ程度の厚さでも十分な光量を発する。また、本実施例ではチェレンコフ輻射体としてシリカエアロゲルを例示したが、対象の放射線のエネルギーによって、適切な屈折率を持つ気体、液体、固体やその他(メタマテリアルやフォトニック結晶と呼ばれるもの)の物質をチェレンコフ輻射体として用いることが出来る。
【００８７】
このように、本実施例は明確なエネルギー閾値を用いるため、入射放射線束の最大エネルギーを求めることを目的とする場合には有利な方法である。端的に言えば、本実施例によって明確なエネルギー閾値によるエネルギー分布推定を行うことができるため、検出器の信号強度からエネルギー帯毎の強度を推定する従来方法よりも直接的である。すなわち、本実施例によって推定される各エネルギー帯は、それぞれがエネルギー帯の幅を持つ擬似的な単色の放射線であると考えることができる。
【００８８】
〈実施例５〉
本発明は、Ｘ線源においてバーストモードで発生するＸ線の最大エネルギー若しくはエネルギー分布を推定することが可能である。その方法を本実施例で説明する。
【００８９】
Ｘ線発生装置や使用方法がＸ線源である放射線発生装置は、許可されたエネルギーの電子線によりＸ線を発生することが法令により求められる。日本国では、電子線のエネルギーが1MeV以上のＸ線源は放射線発生装置として扱われ、1MeV未満のＸ線源とは法令が異なる。そのような場合に対応するためには電子線やＸ線の最大エネルギーを容易に知ることが重要である。また、Ｘ線源で発生するＸ線のエネルギーが不明であると、該Ｘ線の利用にも支障を来す。特に癌の放射線治療においては、患部やその他の部位での吸収線量を推定する必要があり、Ｘ線の最大エネルギーが不明であることは致命的である。
【００９０】
Ｘ線管の場合、電子線のエネルギーはＸ線管に印加する高電圧の電圧そのものであるため、Ｘ線の最大エネルギーもその電圧であるとしても差し支えない。しかし、高周波を用いた電子線形加速器を電子線源として用い、電子線をターゲットに入射して制動輻射Ｘ線を発生するＸ線発生装置の場合は、電子線のエネルギーは自明ではないのでＸ線の最大エネルギーも自明ではない。
【００９１】
図７に示すように、上記の電子線形加速器を用いたＸ線源１５の構成例は、加速管１６に真空フランジを介して直結された電子銃１７と、加速管１６に真空フランジを介して直結されたＸ線ターゲット１８とからなる。また、加速管１６に短いビームパイプ１９を有し、ビームパイプ１９の端に真空フランジを介してＸ線ターゲット１８が接続されている場合もある。大型のがん治療用Ｘ線照射装置には、長い（例えば、2mの長さ）加速管の後に90度ないし270度の偏向電磁石を有するものがある。しかし、装置の小型化や可搬性の観点からは偏向電磁石を具備することは好ましくない。また、電子線は横方向に発散する傾向があるので、電子線が発散する前にＸ線ターゲットに入射することが望ましい。若しくは電子線を集束する装置を用いることが出来るが、装置の大型化に繋がるために嫌われる。電子線形加速器の内部は高真空に保たれている。
【００９２】
上記電子線形加速器の電子線のエネルギーを測定するには、通常は偏向電磁石を用いる。しかし、Ｘ線発生装置に電子線のエネルギー測定用の偏向電磁石を常時具備するのが困難な場合も多い。前記の実施例４は、この問題を解決するために考えられる手法であるが、実施例４による手法だけでは解決が容易ではない。理由としては、Ｘ線発生装置にはＸ線を発生させるためのＸ線ターゲットが設置してあり、電子線はＸ線ターゲットに入射するように設計されているためである。通常、偏向電磁石を持たないＸ線発生装置の電子線のエネルギーを測定するためには、Ｘ線ターゲットを取り外して、ビーム取り出し窓を取り付けて大気中に電子線を取り出すか或いは偏向電磁石による電子ビームエネルギー分析装置を取り付けて電子線のエネルギーを測定することになる。これらの方法を実施するには、真空に保たれている加速装置をＸ線ターゲット等の交換のために大気解放する必要があり、非常に手間がかかると同時に真空の回復にも時間がかかるため、数日を要する。従って、上記の方法により常時Ｘ線の最大エネルギーを監視するのは不可能である。
【００９３】
このような問題を解決するために、本実施例では、図８に示すようにＸ線源１５の装置にコンバーター（金属板)５を設置し、Ｘ線を電子に変換できるようにしてＸ線の最大エネルギーを測定できるようにした装置を、Ｘ線発生装置の正面直近の、Ｘ線源１５と被写体若しくは患者との間に設置する。各チェレンコフ輻射体毎にコンバーター（金属板)５を設置するのが望ましい。このようにすれば、Ｘ線ターゲットを取り外さなくてもＸ線の最大エネルギーが推定でき、その源泉である電子線のエネルギーも推定できる。したがって、必要な時に上記装置をＸ線源直近に設置することで、Ｘ線の最大エネルギー及び電子線のエネルギーを推定できる。該装置の設置場所はＸ線の放射軸上が望ましいが、Ｘ線の放射軸から外れた位置であってもよい。
【００９４】
Ｘ線の最大エネルギーを推定する方法は、原理的に実施例４に示す方法と同等である。例えば６．０ＭｅＶ±０．１ＭｅＶのＸ線エネルギーを保障したいのであれば、エネルギー閾値５．９ＭｅＶと６．１ＭｅＶのチェレンコフカウンターで構成する。５．９ＭｅＶのカウンターが反応し、６．１ＭｅＶのカウンターが反応しない状態が、６ＭｅＶ±０．１ＭｅＶのＸ線エネルギーを保障する状態となる。ただし、Ｘ線が電子線に変換される時に僅かにエネルギーが減少するので、必要に応じてこのエネルギーの減少分を考慮する。
【００９５】
上記装置のコンバーター（金属板)５やチェレンコフ輻射体を信号レベルが許す限り薄くすることで、発生するＸ線に与える影響を低くしてＸ線の最大エネルギー及び電子線のエネルギーを推定することもできる。これにより、上記装置を前置検出器として使用し、Ｘ線を利用しながら該Ｘ線の最大エネルギー及び電子線のエネルギーを常時監視することが可能となる。また、Ｘ線のエネルギーが同じであれば、Ｘ線の強度はチェレンコフ光の強度に比例するので、信号レベルを較正すればＸ線の強度も常時監視可能である。
【００９６】
本実施例においては、チェレンコフ輻射体やコンバーター（金属板)５の数を３以上に増やし、エネルギー分布を推定可能とすることが出来ることは言うまでもない。
【００９７】
このように、本実施例によれば各エネルギー帯はそれぞれがエネルギー帯の幅を持つ擬似的な単色Ｘ線であると考えることができ、Ｘ線エネルギー分布の検出において前記の実施例４と同じ効果が得られる。したがって、本実施例は、前記の特許文献４に開示されているような検出器の信号強度からエネルギー帯毎の強度を推定する方法と比べて、より直接的なＸ線エネルギー分布の検出方法である。勿論、被写体若しくは患者を透過したＸ線を、本発明による放射線検出器で検出できることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００９８】
１・・・チェレンコフカウンター、２・・・チェウレンコフカウンター群、３・・・主検出器、４・・・分析処理装置、５・・・コンバーター、６・・・チェレンコフ輻射体、７・・・光検出器、８・・・放射線遮蔽体、９・・・ミラー、１０・・・チェレンコフ光を検出する光ファイバ、１１・・・遮光した光ファイバ、１２・・・フィルター、１３・・・チェレンコフ光を検出する光ファイバ、１４・・・遮光した光ファイバ、１５・・・Ｘ線源、１６・・・加速管、１７・・・電子銃、１８・・・Ｘ線ターゲット、１９・・・ビームパイプ、２０・・・チェレンコフ光を光検出器に伝送する手段としての空間。
【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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