(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガンマ線またはＸ線の放射線量子を検出する放射線検出装置であって、
互いに対向する２つの面を有する半導体シンチレータ要素と、
前記シンチレータ要素と光連通した少なくとも１つの光検出器とを有し、
前記少なくとも１つの光検出器は光検出器電気出力を有し、検出されたガンマ線またはＸ線の放射線量子の受光時を示す第１の電気信号を生成して前記光検出器電気出力に出力するように構成されており、
２つのシンチレータ要素面の一方の少なくとも一部と電気的に連通している少なくとも１つのカソードと、
前記２つのシンチレータ要素面の他方の少なくとも一部と電気的に連通している少なくとも１つのアノードとを有し、
前記少なくとも１つのカソードまたは前記少なくとも１つのアノードのうち少なくとも一方は、検出されたガンマ線またはＸ線の放射線量子のエネルギーを示す第２の電気信号を生成するように構成されている、
放射線検出装置。
【請求項２】
前記第２の電気信号は前記第１の電気信号の後に生成される、
請求項１に記載の放射線検出装置。
【請求項３】
前記半導体シンチレータ要素はアモルファス構造または多結晶構造またはセラミック構造を有する、
請求項１に記載の放射線検出装置。
【請求項４】
シールディング電極をさらに有し、
前記シールディング電極は、前記アノードと前記カソードとの間のシンチレータ要素内に組み込まれた導電平面レイヤであり、前記シンチレータ要素から電気的に絶縁されており、
前記電気的に絶縁された導電レイヤは、前記導電レイヤと前記カソードとの間の領域から、前記導電レイヤと前記アノードとの間の領域までの経路に沿って電子の通過を許すように構成された複数の穿孔を有する、
請求項３に記載の放射線検出装置。
【請求項５】
ガンマ線またはＸ線の放射線量子を検出する放射線検出装置であって、
２つの互いに対向する面、第１の側面、及び第２の側面を有する半導体シンチレータ要素であって、前記第１の側面と前記第２の側面は、前記２つの互いに対向する面の間に配置された、半導体シンチレータ要素と、
前記シンチレータ要素と光連通した少なくとも１つの光検出器とを有し、
前記少なくとも１つの光検出器は光検出器電気出力を有し、検出されたガンマ線またはＸ線の放射線量子の受光時を示す第１の電気信号を生成して前記光検出器電気出力に出力するように構成され、
前記２つの互いに対向する面の一方の少なくとも一部と電気的に連通している少なくとも１つのカソードと、
前記２つの互いに対向する面の他方の少なくとも一部と電気的に連通している少なくとも１つのアノードとを有し、
前記少なくとも１つのカソードまたは前記少なくとも１つのアノードのうち少なくとも一方は、検出されたガンマ線またはＸ線の放射線量子のエネルギーを示す第２の電気信号を生成するように構成され、
前記少なくとも１つのアノードと前記少なくとも１つのカソードとの間の領域のシンチレータ要素内に組み込まれた複数の誘導検知電極とを有し、
前記複数の誘導検知電極は、第１の長い導体のレイヤと第２の長い導体のレイヤとを含み、前記第１の長い導体のレイヤは、シンチレータ要素の第１の側面から第１の方向に延在し、各長い導体を取り囲む絶縁領域により、シンチレータ要素からそれぞれ電気的に絶縁され、前記第２の長い導体のレイヤは、シンチレータ要素の第２の側面から第２の方向に延在し、各長い導体を囲む絶縁領域により、シンチレータ要素からそれぞれ電気的に絶縁され、
前記第１の長い導体のレイヤ、前記第２の長い導体のレイヤ、及び前記アノードを有するシンチレータ要素面は、それぞれ、互いに平行な平面内にあり、第１の方向と第２の方向は互いに横断している、
放射線検出装置。
【請求項６】
前記少なくとも１つのアノードは、前記互いに対向する２つの面に平行な方向に分離された複数のアノードである、
請求項１に記載の放射線検出装置。
【請求項７】
前記複数のアノードと同じシンチレータ要素面に配置された共通ステアリング電極をさらに有し、
前記共通ステアリング電極は、隣接するアノードが共通ステアリング電極の少なくとも一部により、前記互いに対向する２つの面に平行な方向に分離されるように、アノード間に配置された電気的に相互接続された複数の導電領域を含む、
請求項６に記載の放射線検出装置。
【請求項８】
単一のアノードを有し、前記アノードと同じシンチレータ要素に配置された共通ステアリング電極をさらに有し、
前記共通ステアリング電極は、前記アノードと前記共通ステアリング電極との間にギャップがあるように、前記アノードを取り囲んでいる、
請求項１に記載の放射線検出装置。
【請求項９】
前記少なくとも１つのアノードは、前記互いに対向する２つの面に平行な方向に分離された複数のアノードであり、前記少なくとも１つのカソードは、前記互いに対向する２つの面に平行な他の方向に分離された複数のカソードであり、
前記アノードは第１の方向に伸びる複数の導電性ストライプにより形成され、前記カソードは第２の方向に伸びる複数の導電性ストライプにより形成され、
前記第１の方向と第２の方向は互いに横切る、
請求項１に記載の放射線検出装置。
【請求項１０】
前記半導体シンチレータ要素は、前記互いに対向する２つの面の間に配置された複数の側面を含み、
前記シンチレータ要素の複数の側面の周りに配置された導電リングを有し、前記半導体シンチレータ要素の複数の側面から誘電的に絶縁されているシールディング電極であって、前記導電リングは、電子がアノードを通過し、ホールが前記アノードを通過しないようにバイアスされている、シールディング電極をさらに含む、
請求項１に記載の放射線検出装置。
【請求項１１】
ガンマ線またはＸ線の放射線量子を検出する放射線検出装置であって、
互いに対向する２つの面を有する半導体シンチレータ要素と、
前記シンチレータ要素と光連通した少なくとも１つの光検出器とを有し、
前記少なくとも１つの光検出器は光検出器電気出力を有し、検出されたガンマ線またはＸ線の放射線量子の受光時を示す第１の電気信号を生成して前記光検出器電気出力に出力するように構成され、
２つのシンチレータ要素面の一方の少なくとも一部と電気的に連通している少なくとも１つのカソードと、
前記２つのシンチレータ要素面の他方の少なくとも一部と電気的に連通している少なくとも１つのアノードとを有し、
前記少なくとも１つのカソードまたは前記少なくとも１つのアノードのうち少なくとも一方は、検出されたガンマ線またはＸ線の放射線量子のエネルギーを示す第２の電気信号を生成するように構成され、
少なくとも１つのアノードまたは少なくとも１つのカソードが透明導電レイヤにより形成され、
前記少なくとも１つの光検出器は、前記透明導電レイヤの少なくとも一部を含む光インタフェースにより、前記シンチレータ要素と光連通している、
放射線検出装置。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのアノードは、前記互いに対向する２つの面に平行な方向に分離された複数のアノードであり、前記装置は、
各アノードに対して、前記アノードにおいて集められた電荷を電流または電圧信号に変換するように構成された電気回路と、
前記電流または電圧信号を受け取り、前記電流または電圧信号の相対的な大きさに基づいて、前記シンチレータ要素により受光された放射光量子の相互作用の、前記互いに対向する２つの面に平行な方向位置を計算するように構成された電子回路またはプロセッサとをさらに有する、
請求項１に記載の放射線検出装置。
【請求項１３】
各アノードに対して、前記アノードにおいて集められた電荷を電流または電圧信号に変換するように構成された電気回路と、
一以上の電流または電圧信号を受け取り、前記一以上の電流または電圧信号の大きさを合計して、一以上のアノードにおいて集められた全電荷を示す合計信号を生成することにより、前記シンチレータ要素により受光されたガンマ線またはＸ線の放射線量子のエネルギーを計算するように構成された電子回路またはプロセッサとを有する、
請求項１に記載の放射線検出装置。
【請求項１４】
請求項１ないし１３いずれか一項に記載の放射線検出装置を含むＰＥＴまたはＸ線画像化システム。
【請求項１５】
前記アノードと前記カソードとの間の半導体シンチレータ要素に組み込まれた電極をさらに含み、前記電極は、
複数の穿孔を確成する一以上の電導体と、
前記一以上の電導体を前記半導体シンチレータ要素から電気的に絶縁するように構成された電気的絶縁コーティングとを含み、
前記電気的絶縁コーティングによりコーティングされた前記一以上の伝導体により確成される穿孔は、電子を通過させるように構成される、
請求項１に記載の放射線検出装置。
【請求項１６】
前記半導体シンチレータ要素は、
前記シンチレータ要素内に組み込まれた電極であって、前記半導体シンチレータ要素の融解温度を越える融点を有する耐熱金属により構成され、前記半導体シンチレータ要素の融点より高い融点を有するセラミック絶縁体でコーティングされる、
請求項３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、ガンマ線またはＸ線放射線量子を検出する装置に関する。システムと、前記装置により使用されるコンピュータ読み取り可能媒体がさらに開示される。本発明は、具体的に、核画像化及びＸ線画像化の分野における放射線量子の検出に応用できる。より具体的には、本発明は、ＰＥＴ画像化システム及びスペクトルＣＴ画像化システムに応用できる。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ＰＥＴやＸ線画像化システムにおいて用いられるガンマ線やＸ線放射線量子などのイオン化放射の検出器は、従来、シンチレータ要素と光検出器を含む。シンチレータ要素は、放射線量子を受け、各放射線量子を赤外線、可視光線、または紫外線のパルスに変換する。このパルスは光検出器により検出される。光検出器から得られる電気パルスが分析され、放射線量子の特性が決定される。
【０００３】
ＰＥＴ画像化システムでは、受光の時間と、各放射線量子のエネルギーをそれぞれ用いて、放射性崩壊イベントの起点を決定及び確認する。ＰＥＴ画像化領域の周りに配置された検出器により、お互いの狭い所定時間内に受光されるガンマ線光子は、共通の起点（ｏｒｉｇｉｎ）で生成されたことを示し、所定の狭い範囲内のエネルギーを有するガンマ線光子は、起点と検出点との間で経路を変える散乱が無いことを示す。ＰＥＴ画像化システムにおいて、ガンマ線光子の受光時間はタイムスタンプユニットにより決定される。タイムスタンプユニットは、光検出器の電気信号が所定閾値を超えた時間を記録する。同時発生判定部は、その後、お互いに狭い時間内（一般的には＋／−５ｎｓ内）に発生したタイムスタンプのペアを同時発生イベントとして特定する。各ガンマ線光子のエネルギーは、光検出器の電気信号を積分することにより、それゆえガンマ線光子によるシンチレータ要素において発生した個々の光子のエネルギーを足し合わせることにより決定される。
【０００４】
光検出器がタイミング信号を生成する斯様なシンチレータベース検出器の利点は、高速応答である。ＬＹＳＯ（Ｌｕ，Ｙ）２ＳｉＯ５：ＣｅやＧＡＧＧ  Ｇｄ３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２：Ｃｅなどの現在使われているシンチレータ材料は、約数百ピコ秒の精度でタイムスタンプを発生することができ、これによりＰＥＴ画像化アプリケーションにおける使用に適したものとなっている。それぞれ約４５ｎｓ及び９０ｎｓのＬＹＳＯとＧＡＧＧの速い減衰時間は、連続して受光されたガンマ線光子間においてシンチレーション光が無視できるレベルまで減衰することを保証することにより、このタイミング精度に貢献する。しかし、斯様なシンチレータベースの検出器のエネルギー弁別は、シンチレータ材料の光収率が比較的低いことにより妨げられる。ＬＹＳＯは約３２０００光子／ＭｅＶの光収率を有し、ＧＡＧＧは約６５０００光子／ＭｅＶの光収率を有する。これらの光収率では、光子統計により、エネルギー分解能が５１１ｋｅＶガンマ線光子の場合１０−１２％の値に制限される。
【０００５】
シンチレータベースのＸ線検出器における光検出器からの電気信号は、同様の方法で生成される。しかし、Ｘ線ＣＴで一般的に用いられるＰｒ（ＧＯＳ）をドープしたＧｄ２Ｏ２ＳやＥｕをドープした（Ｙ，Ｇｄ）２Ｏ３などのシンチレータ材料は、ＣＴ画像化において用いられる放射線束密度において個々のＸ線量子のタイミング情報を提供するには遅すぎる。結果として、これらの材料をＣＴで用いる場合、受光されたＸ線束密度を決定するために、光検出器の電気信号は積分される。斯様な材料を用いてスペクトルＣＴを実施する場合、放射線源を時間的にスイッチして、エネルギーが異なるＸ線放射線量子を生成するｋＶスイッチングにより、またはエネルギーが異なるＸ線放射線量子を同時に生成しスタック型検出器を用いてその検出器における吸収深度に基づき各放射線量子のエネルギーを弁別することにより、エネルギー弁別が行われる。
【０００６】
スペクトルＣＴの分野では、ＣＺＴ（（Ｃｄ，Ｚｎ）Ｔｅ）などの材料が受光Ｘ線放射線量子のエネルギーを電荷信号に直接変換するフォトンカウンティングＸ線検出器も使われている。電荷信号は、閾値を超えると、カウンタをトリガーし、そのカウンタが、空間のあるライン上を進む放射線量子の総数を記録する。斯様な構成を用いて、Ｘ線源と検出器との間の物質の減衰を決定する。さらにまた、個々の各電気信号の振幅は量子のエネルギーを示し、受光量子のエネルギー弁別を可能とする。空間のあるラインについて、量子のエネルギーが異なるカウントを比較することにより、介在する物質の特性をさらに決定することができる。しかし、かかる直接検出Ｘ線検出器は、タイミング精度が本来的に低い。受光Ｘ線量子に応じて生成される電荷雲のドリフト時間は、それが検出される検出器のコンタクトに届くのに数百ｎｓかかる。しかし、Ｘ線検出では、各放射線量子を受光した絶対時間は、重要度が低いので、電荷雲が検出器のコンタクトまでドリフトするのにかかる時間の本来的な変動はそれほど重要ではない。量子のエネルギーに基づきカウント及び弁別をできる直接検出法などは、スペクトルＣＴ画像化に応用することができる。対照的に、ＰＥＴ画像化においては、タイミング信号における斯様な変動は許容できず、この手法のＸ線検出への応用を制約してしまう。
【０００７】
非特許文献１は、シンチレータ要素として液体キセノンを用いる他のシンチレーションベースガンマ光子検出器を説明している。液体キセノンのコンテナに結合された光検出器が、受光ガンマ線光子に応じて生成された光信号を検出し、コンテナ表面に露出した電極が電気的にバイアスされ、ガンマ線光子により生成されたイオン化電荷キャリアを分離する。液体キセノン中に配置されたワイヤが、時間投影チャンバ（ｔｉｍｅ  ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  ｃｈａｍｂｅｒ）として知られる構成における電極間を電子がドリフトする間に、その電子により誘起される電流を測定する。シンチレーション光とイオン化電荷を合わせることにより、４％未満のエネルギー分解能を達成している。
【０００８】
しかし、斯様なシンチレーションベースの検出器で液体キセノンを用いる欠点は複数あり、冷却または高圧封じ込めの必要性が含まれる。さらにまた、液体キセノンは、１６１．４Ｋの三重点温度において密度が２．９７８ｇ／ｃｍ３であり、入射ガンマ線光子の同じ特性を収集するためには、密度が７．３ｇ／ｃｍ３ＬＹＳＯなどの従来のシンチレータ材料より厚いシンチレータ要素を必要とする。冷却され及び／又は高圧にされた液体キセノンの使用に伴う安全性の問題により、ＰＥＴ画像化システムなどでの使用の実用性はさらに難しくなる。
【０００９】
特許文献１は、シンチレータの光出力を増加する方法と装置に関する。これは、光出力を向上するために、イオン化放射にさらされているシンチレータに非常に強い電場をかける。
特許文献２は、イオン化検出器に関する。例えばＣｄＺｎＴｅなどの材料のイオン化サブストレートの相互作用、透過性及び測定領域を形成する導電性及び半導体材料のリファレンスパターンを利用する高解像度イオン化検出器と、かかる検出器のアレイとが記載されている。
特許文献３は、ＰＥＴにおける深さ方向の相互作用位置（ＤＯＩ）決定に関する。ＰＥＴシステムを設定する方法は、ＰＥＴシステムの検出器のパラメータセットを決定するステップを含む。各パラメータは、検出器内を進む光子に影響するように設定される。この方法は、さらに、検出器の動作をシミュレートして、パラメータセットにより設定される検出器のシミュレーションモデルにより検出器内の複数のＤＯＩ位置の光子検出タイミングデータプロファイルを生成するステップと、シミュレーションされた動作に基づき複数のＤＯＩ位置の各ＤＯＩ位置の飛行時間補正係数を決定するステップとを含む。
結果として、かかる実用性及び安全性の問題という欠点がなく、タイミング精度がよくエネルギー解像度がよいガンマ線光子及びＸ線検出器に対する必要性がまだある。
【００１０】
【特許文献１】米国特許第７６１２３４２号明細書
【特許文献２】米国特許６１７５１２０号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１３０３２７０６号
【非特許文献１】Ｐ．  Ａｍａｕｄｒｕｚ  ｅｔ  ａｌ．著「Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｌｉｑｕｉｄ  ｘｅｎｏｎ  ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ  ｆｏｒ  ＰＥＴ：  Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ  ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｌｉｇｈｔ  ａｎｄ  ｃｈａｒｇｅ  ｓｉｇｎａｌｓ  ｆｒｏｍ  ５１１  ｋｅＶ  ｐｈｏｔｏｎｓ」（Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｒｅｃｏｒｄ，  ２００７．  ＮＳＳ  ０７．  ＩＥＥＥ，  ｖｏｌ  ４，  ｐｐ．  ２８８９  -  ２８９１）
【発明の概要】
【００１１】
本発明の一目的は、高いタイミング精度を有するガンマ線またはＸ線の放射線量子を検出する放射線検出装置を提供することである。本発明のさらに別の一目的は、かかる放射線検出装置であって高いエネルギー分解能を有するものを提供することである。
【００１２】
これらの目的は、半導体シンチレータ要素と光検出器とを有する放射線検出装置により達成される。光検出器はシンチレータ要素と光連通している。シンチレータ要素は互いに対向する面を有する。カソードは２つの面のうち一方と電気的に連通しており、アノードは２つの面のうち他方と電気的に連通している。
【００１３】
使用時、半導体シンチレータ要素によるガンマ線光子の受光により、電荷雲と光パルスが発生する。電荷雲は、アノードとカソードとの間に印加されるバイアス電圧により、それを構成している電子とホールとに分離される。結果として、電子とホールはそれぞれアノードとカソードに向けて移動する。アノードでまたはカソードで集められる電荷の大きさは、ガンマ線光子のエネルギーを示す。高エネルギー分解能は半導体によりシンチレータ要素を形成することにより実現される。半導体は、ガンマ線光子の受光に応じて、多数の電子・ホールペアを生成するからである。多数の電子・ホールペアにより、エネルギー信号の信号対雑音比が高くなる。シンチレータ要素で生成される対応する光パルスは、発光により、より具体的には蛍光により生成され、それゆえ素早く生成される。光検出器による検出により、電気信号が生成され、ガンマ線光子の受光時間の正確な決定に用いられ得る。その結果として、放射線量子の検出時間は、放射線検出装置により決定され得る。
【００１４】
半導体は従来、シンチレーション光の発光体としては適さないと考えられてきた。その結果、半導体シンチレータの使用は、放射線量子の検出を正確に計時する光パルスを生成するには適さないと考えられている。しかし、発明者は、電荷雲に対応するタイミング信号を生成するためには、小数の光子のみを検出すればよいので、半導体シンチレータ要素の利用は実際には正しいことに気づいた。
【００１５】
シンチレータ要素に適した半導体材料は、結晶材料と、アモルファスまたは多結晶またはセラミック材料との両方を含む。カドミウム亜鉛テルル化物（ＣＺＴ）、ＨｇＩ２及びＰｂＩ２は好適な結晶材料である。一般的に、発光は室温未満に冷却することにより改善され得る。
【００１６】
本発明の一態様によると、前記シンチレータ要素はアモルファス構造または多結晶構造またはセラミック構造を有する。Ｄｅｒｅｎｚｏ，  Ｓ．  Ｅ  ｅｔ  ａｌ著の文献Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｉｎ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ａ  ４８６  （２００２）  ｐｐ  ２１４−２１９で報告されたＣｕＩ、ＨｇＩ２、ＰｂＩ２、ＺｎＯ：Ｇａ及びＣｄＳ：Ｉｎを含むアモルファス、多結晶またはセラミック半導体シンチレータ材料は、放射線量子の受光に応じて、発光（より具体的には蛍光放射）と、電荷雲との必要な組み合わせを発生する。ＺｎＯも適している。これらの材料は室温で所望の光パルスを発生するが、一般的には、室温より低く冷却することにより光収率が改善される。例えば、ＺｎＯ：Ｇａの場合、半導体を３６５Ｋから１２Ｋに冷却することにより、光収率が３３倍に改善し得る。室温では光収率が低いにもかかわらず、所望のタイムスタンプを生成するのに十分な数の光子が得られる。これらの半導体の減衰時間は短く、一般的には１ナノ秒より短いからである。
【００１７】
半導体シンチレータ材料ＺｎＯ：Ｇａについて、室温での光収率が９０００ｐｈ／ＭｅＶであることが、文献Ｄｅｍｉｄｅｎｋｏ，  Ｖ，  ｅｔ  ａｌ．著「Ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ｃｅｒａｍｉｃｓ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｚｉｎｃ  ｏｘｉｄｅ」（Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  Ｖｏｌｕｍｅ  ４２，  Ｉｓｓｕｅｓ  ４-５，  Ａｐｒｉｌ−Ｍａｙ  ２００７，  Ｐａｇｅｓ  ５４９-５５２）で報告されている。この化合物は密度が高く５．６ｇ／ｃｍ３であり、放射線量子を吸収するのに必要なシンチレータ材料の厚さを最小化するのに役立つ。報告されている密度が７．１−７．２ｇ／ｃｍ３であるインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）は、もう一つの好適な半導体シンチレータ材料であり、密度がより高いので、シンチレータ要素の厚さの低減の役に立つ。さらにまた、バンドギャップが約４ｅＶなので、ＩＴＯの光学的透明度は高く、これにより光検出器により集められるシンチレーション光の割合が向上する。
【００１８】
他の好適なアモルファス、多結晶、又はセラミック半導体シンチレータ材料には、ビスマスバナジウム酸塩Ｂｉ２ＶＯ５．５、ＢｉＶＯ４、Ｂｉ２Ｏ３またはこれらの混合物、ビスマステルル化物（Ｂｉ２Ｔｅ３）、アンチモニーテルル化物、またはタングステン酸化物が含まれる。
【００１９】
シンチレータ要素としての利用に関連して説明した上記の半導体シンチレータ材料は、無機半導体シンチレータ材料として認められる。
【００２０】
有利にも、シンチレータ要素へのアモルファス、多結晶またはセラミック半導体材料の利用により、結晶半導体材料の利用と比較して、製造プロセスが単純になる。さらにまた、かかる製造プロセスは、形状が複雑なシンチレータ要素の製造にも、より適している。さらにまた、ＬＹＳＯなどの従来の材料と比較してシンチレータ要素におけるレアアース材料を削減することにより、これらの材料の限られた天然資源への依存性を低くできる。
【００２１】
開示の装置によれば、ガンマ線またはＸ線の放射線量子を検出する放射線検出装置であって、
互いに対向する２つの面を有する半導体シンチレータ要素と、少なくとも１つの光検出器と、前記２つのシンチレータ要素面の一方の少なくとも一部と電気的に連通している少なくとも１つのカソードと、前記２つのシンチレータ要素面の他方の少なくとも一部と電気的に連通している少なくとも１つのアノードとを有し、少なくとも１つの光検出器は、前記シンチレータ要素と光連通している。
【００２２】
本発明の他の一態様によると、放射線検出装置はシールディング電極をさらに含む。シールディング電極は、アノードとカソードとの間にあるシンチレータ要素内に組み込まれ、シンチレータ要素から電気的に絶縁されている。  前記電気的に絶縁された導電レイヤは、前記導電レイヤと前記カソードとの間の領域から、前記導電レイヤと前記アノードとの間の領域までの経路に沿って電子の通過を許すようなサイズと方向である複数の穿孔を有する。シールディング電極は放射線検出装置のエネルギー分解能を改善するように作用する。
【００２３】
本発明の他の一態様によると、放射線検出装置は、アノードとカソードとの間の領域中のシンチレータ要素内に組み込まれた複数の誘導検知電極をさらに含む。誘導検知電極は、有利にも、シンチレータ要素に対する放射線量子の横方向の発生位置を決定する手段を提供する。
【００２４】
本発明の他の一態様によると、シンチレータ要素の一面に横方向に分離された複数のアノードがある。アノードはシンチレータ要素と電気的に連通している。分離されたアノードにおいて電荷雲から電荷キャリアを集めることによって、シンチレータ要素に対する放射線量子の横方向の入射位置を決定してもよい。
【００２５】
本発明の他の一態様によると、シンチレータ要素の一面は、シンチレータ要素と電気的に連通している横方向に分離された複数のアノードを有し、シンチレータ要素の同じ面には共通のステアリング電極も配置される。使用時、共通のステアリング電極に印加されるバイアス電圧により、移動する電荷キャリアが、横方向に分離された個々のアノードに向けられる。有利にも、共通のステアリング電極により提供される改善された電荷キャリアの分離により、シンチレータ要素に対する放射線量子の横方向入射位置の決定精度が改善される。
【００２６】
本発明の他の一態様によると、放射線検出装置は単一のアノードを有し、シンチレータ要素の同じ面にアノードとして配置された共通ステアリング電極をさらに含む。共通ステアリング電極は、アノードと共通ステアリング電極との間にギャップができるように、アノードを取り囲む。有利にも、共通ステアリング電極はアノードの近くでのリーク電流を低減し、それによりシンチレータ要素に対する放射線量子の横方向の入射位置を決定する精度を向上させる。
【００２７】
本発明の他の一態様によると、放射線検出装置は、２つのシンチレータ要素面の一方と電気的に連通した複数の横方向に分離されたアノードと、２つのシンチレータ要素面の他方と電気的に連通した複数の横方向に分離されたカソードとを有する。この電極構成により、有利にも、放射線量子の、シンチレータ要素との相互作用の横方向位置を決定できる。
【００２８】
本発明の他の一態様によると、放射線検出装置は、シンチレータ要素の側面に配置された導電領域として実装されたシールディング電極をさらに含む。この側面は互いに対向する２つの面の間に配置される。この側面は、互いに対向する面のどちらか又は両方に対して横方向に向いた平面内にあってもよい。シールディング電極はカソードとアノードとの間に配置され、シンチレータ要素の側面から誘電的に絶縁されている。有利にも、シールディング電極は放射線検出装置のエネルギー分解能を改善するように作用する。
【００２９】
本発明の他の一態様によると、放射線検出装置の少なくとも１つのカソードは、透明導電レイヤにより構成されている。さらにまた、光検出器は、透明導電レイヤの少なくとも一部を含む光インタフェースにより、シンチレータ要素と光連通している。かかる構成を用いてシンチレーション光の光収集効率を改善してもよい。光収集効率を改善することにより、放射線検出装置のタイミング精度が改善される。改善されたタイミング精度により、有利にも、ＰＥＴ画像化システムでは、ガンマ線光子の同時発生をより正確に決定することにより画質を改善できる。
【００３０】
本発明の他の一態様によると、放射線検出装置は横方向に分離された複数のアノードを有する。このデバイスは、各アノードに対して、前記アノードにおいて集められた電荷を電流または電圧信号に変換するように構成された電気回路と、前記電流または電圧信号を受け取り、前記電流または電圧信号の相対的な大きさに基づいて、前記シンチレータ要素により受光された放射光量子の相互作用の横方向位置を計算するように構成された電子回路またはプロセッサとをさらに有する。電荷の変換に適した電子回路には、例えば、電荷増幅器、電流増幅器、トランスインピーダンス増幅器などがある。有利にも、シンチレータ要素により受光される放射線量子の横方向の相互作用位置を計算する能力があるので、放射線検出装置の空間的解像度が改善される。かかる構成は、有利にも、ＰＥＴ画像化システムにおいて画質を改善するために用い得る。
【００３１】
本発明の他の一態様によると、放射線検出装置は、各アノードに対して、前記アノードにおいて集められた電荷を電流または電圧信号に変換するように構成された電気回路と、前記一以上の電流または電圧信号を受け取り、前記一以上の電流または電圧信号の大きさを合計して、前記一以上のアノードにおいて集められた全電荷を示す合計信号を生成することにより、前記シンチレータ要素により受光されたガンマ線またはＸ線の放射線量子のエネルギーを計算するように構成された電子回路またはプロセッサとをさらに有する。有利にも、シンチレータ要素により受光されるガンマ線またはＸ線の放射線量子のエネルギーを計算する能力があるので、放射線検出装置のエネルギー分解能が改善される。かかる構成をＰＥＴ画像化システムにおいて有利に用いて、受光したガンマ線光子のエネルギーを期待エネルギーと比較することにより、同時発生イベントの確認を改善することにより画質を改善できる。
【００３２】
本発明の他の一態様によると、放射線検出装置は、ガンマ線またはＸ線の放射線量子の受光に応じて、前記少なくとも１つの光検出器の各々により生成された電気信号を受け取り、前記少なくとも１つの光検出器のいずれかにより生成された電気信号が所定の第１の閾値を超えた最も早い時を示す第１のタイムスタンプを生成するように構成された第１のタイミング回路をさらに含む。放射線検出装置は、各アノードに対して、前記アノードにおいて集められた電荷を電流または電圧信号に変換するように構成された電気回路と、ガンマ線またはＸ線の放射線量子の受光に応じて、各アノードにより集められた電荷から生成された電流または電圧信号を受け取り、前記電流または電圧信号のうち少なくとも一つが所定の第２の閾値を超えた時を示す第２のタイムスタンプを生成するように構成された第２のタイミング回路とをさらに含む。このデバイスは、さらに、前記第１のタイムスタンプと第２のタイムスタンプとの間の時間差に基づき、前記シンチレータにおける放射線量子の相互作用の深度を比較するように構成された電子回路またはプロセッサとを有する。相互作用の深さは、時間差とシンチレータにおける高速との積を用いて計算してもよい。この計算により、さらに、シンチレータ要素における放射線量子のジオメトリックな経路をその軌跡に基づいて補償してもよい。この軌跡は、シンチレータ要素との相互作用の空間的位置を用いて計算してもよい。有利にも、相互作用の深度を用いて、放射線検出装置により受光される放射線量子の軌跡の決定を改善してもよい。かかる情報は、ＰＥＴ画像化システムにおいて、シンチレータ要素における放射線量子の横方向の相互作用位置に関する情報と組み合わせて、実際には散乱された時間的に同時発生したイベントペアを取り除くことにより画質を改善してもよい。
【００３３】
本発明の他の一態様によると、ＰＥＴまたはＸ線画像化システムは、本発明の上記の一以上の態様による放射線検出装置を有する。
【００３４】
本発明の他の一態様によると、コンピュータ読み取り可能媒体が開示される。コンピュータ読み取り可能媒体は、プロセッサで実行されたとき、前記プロセッサに、放射線検出装置により、前記シンチレータ要素によるガンマ線またはＸ線の放射線量子の受光に応じて、前記少なくとも１つの光検出器により生成された電気信号を受け取るステップと、最も早く所定閾値を超えた電気信号にタイムスタンプを割り当てるステップを実行することにより、ガンマ線またはＸ線の放射線量子の受光の時を示すタイムスタンプを生成する、
または、放射線検出装置により、前記少なくとも１つのアノードの各々において集められた電荷により生成された電気信号を受け取るステップと、前記電気信号の大きさを合計して前記一以上のアノードにおいて集められた全電荷を示す合計信号を生成するステップを実行することにより、ガンマ線またはＸ線の放射線量子のエネルギーを決定させる命令を担う。コンピュータ読み取り可能媒体は、有利にも、放射線検出装置と共に用いて、放射線検出装置のタイミング精度及び／又はエネルギー分解能を改善してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の態様によるＰＥＴ画像化システムの一例を示す図である。
【図２】本発明の態様による放射線検出装置の一例を示す図である。
【図３】シンチレータ要素内にシールド電極が組み込まれた放射線検出装置の一実施形態を示す。
【図４】シンチレータ要素内に複数の誘導検知電極が組み込まれた放射線検出装置の一実施形態を示す。
【図５】複数のアノードとして共通ステアリング電極が同じシンチレータ要素面上に配置された放射線検出装置の一実施形態を示す図である。
【図６】単一のアノードとして共通ステアリング電極が同じシンチレータ要素面上に配置された放射線検出装置の一実施形態を示す図である。
【図７】横方向に離れた複数のアノードと横方向に離れた複数のカソードを含む放射線検出装置の一実施形態を示す図である。
【図８】シールド電極を含む放射線検出装置の一実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
タイミング精度が高くとエネルギー分解能が高い、ガンマ線またはＸ線放射線量子を検出する放射線検出装置を提供するため、半導体シンチレータ要素と光検出器を含む本発明を、ＰＥＴ画像化システムを参照して説明する。しかし、さらに言うまでもなく、本発明は、Ｘ線画像化システムに、特にスペクトルＣＴ画像化システムに応用することもできる。
【００３７】
図１は、本発明の態様によるＰＥＴ画像化システムの一例を示す図である。本発明の放射線検出装置は、例えば図１に示したシステムで用いられ得る。図１において、ＰＥＴ画像化システム１は、画像化領域４からのガンマ線（あるいはガンマ線光子）を受光するために、画像化領域４に対して放射状に配置された複数のガンマ線検出装置２、３を有する。複数のガンマ線検出装置は、それぞれガンマ線光子の受光を示す電気信号を発生し、その電気信号はバス５、６により同時発生判定部７により受信される。ガンマ線光子は、放射性崩壊後の消滅イベント（放射性崩壊により陽電子が発生し、それが電子と消滅する）の結果として形成される反対方向を向いた一対のガンマ線光子８、９であってもよい。同時発生判定部７は、電気信号により表される各ガンマ線光子の受光時間を評価して、狭い時間間隔内に受光された同時発生イベントのペアにガンマ線光子をソートする。時間間隔は、ＰＥＴの場合、一般的には＋／−５ｎｓである。同時発生判定部７は、さらに、受光された各ガンマ線光子に関連するエネルギーを分析し、光子のペアが狭い時間間隔内に発生し、一般的にはピークガンマ線光子エネルギーの＋／−１０％以内の狭い所定のエネルギーウィンドウ内のエネルギーを有するとき、光子のペアが同時発生したとみなす。同時発生判定部７は、再構成プロセッサ１０と連結されている。再構成プロセッサ２７は、同時発生判定部７により受光され同時発生したとみなされたガンマ線光子の発生位置の画像を表すデータを再構成するため、受光され同時発生とみなされたガンマ線光子の各ペアのライン応答（ｌｉｎｅ  ｏｆ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ）を再構成し、さらに複数のかかるライン応答を処理する。再構成プロセッサ１０は、反復的再構成及びフィルタ逆投影法などの手法を用いることができる。再構成プロセッサ１０は、さらに、画像処理部１１と連結している。画像処理部２８は、同時発生ガンマ線光子の発生位置を表すデータを処理して、出力装置上に画像を表すのに好適なフォーマットにするように構成されている。画像処理部１１は、さらに、ディスプレイやプリンタなどの、画像を提示する出力装置１２と連結している。
【００３８】
本発明の放射線検出装置は、例えば図１のガンマ線放射検出装置２、３として応用でき、この装置から各ガンマ線光子の受信時間とそのエネルギーを決定することが望ましい。これらのパラメータは、上記の通り、画像化領域４から受光したガンマ線光子８、９のペアの同時発生を決定し確認するときに、同時発生判定部７により用いられ得る。
図１のＰＥＴ画像化システムは、一以上の電流または電圧信号を受け取り、一以上の電流または電圧信号の大きさを合計して、一以上のアノードにおいて集められた全電荷を示す合計信号を生成することにより、シンチレータ要素（図２参照）により受光されたガンマ線またはＸ線の放射線量子のエネルギーを計算するように構成された電子回路またはプロセッサ（図示せず）を有してもよい。
図１のＰＥＴ画像化システムは、ガンマ線またはＸ線の放射線量子の受光に応じて、少なくとも１つの光検出器の各々により生成された電気信号を受け取り、少なくとも１つの光検出器のいずれかにより生成された電気信号が所定の第１の閾値を超えた最も早い時を示す第１のタイムスタンプを生成するように構成された第１のタイミング回路（図示せず）を有してもよい。また、図１のＰＥＴ画像化システムは、ガンマ線またはＸ線の放射線量子の受光に応じて、各アノードにより集められた電荷から生成された電流または電圧信号を受け取り、電流または電圧信号のうち少なくとも１つが所定の第２の閾値を超えた時を示す第２のタイムスタンプを生成するように構成された第２のタイミング回路（図示せず）を有していてもよい。さらに、図１のＰＥＴ画像化システムは、第１のタイムスタンプと第２のタイムスタンプとの間の時間差に基づき、前記シンチレータ要素における放射線量子の相互作用の深度を比較するように構成された電子回路またはプロセッサ（図示せず）を有してもよい。
【００３９】
図２は、本発明の態様による放射線検出装置の一例を示す図である。図２において、放射線検出装置２０は、光検出器２２と光学的に連通している半導体シンチレータ要素２１を有する。半導体シンチレータ要素２１は互いに対向する２つの面２３、２４を有する。カソード２５は２つのシンチレータ要素面の一方２３と電気的に連通しており、アノード２６は２つのシンチレータ要素面の他方２４と電気的に連通している。
【００４０】
図２を参照する。作動中、半導体シンチレータ要素２１によるガンマ線光子などの放射線量子２７の受光は、半導体シンチレータ要素２１の特性光放射スペクトル内の波長を有する複数の光子を含むシンチレーション光のパルス２８を発生させる。光パルスの減衰時間は、４００ｎｓ未満、２００ｎｓ未満、１００ｎｓ未満、又はより好ましくは５０ｎｓ未満であると有利である。シンチレーション光のパルス２８と同時に、放射光量子２７により複数の電子・ホールペアを含む電荷雲２９が生成される。光パルスの検出をその後の電荷雲からの電荷キャリアの検出と相関させることにより、放射線量子の受光時間とそのエネルギーが決定できる。一般的に、光子のエネルギーは、受光される放射線量子２７のエネルギーよりもずっと小さく、シンチレーション光は紫外線（ＵＶ）から可視光を通って赤外線のスペクトル領域までの波長を含むことがある。一般的なシンチレータ材料では、半導体シンチレータ要素２１の特性光放射スペクトルのピークは可視光の波長領域にある。使用時、アノード２６とカソード２５との間の電位差により、電荷雲がそれを構成している電子とホールとに分離し、それぞれアノード２６とカソード２５に移動させる。アノード２６またはカソード２５において収集された電荷量を測定することにより、放射線量子２７のエネルギーを示す信号が得られる。好ましい構成では、電子の電荷がアノードで測定される。ほとんどの半導体材料では、電子の方がホールより移動度が高く、そのため放射線量子のエネルギーの検出を速く行えるからである。さらに、半導体材料中の電子は、一般的に、欠陥におけるトラップの効果に対する感度が高くない。各電極により収集される電荷量が減り、その結果として、カソードと比較してアノードにおいて、信号対雑音比がより高い電荷信号を測定できる。好ましくは、電荷はアノード２６において受け取られた電流を検出することにより測定される。電荷増幅器、電流増幅器、又はトランスインピーダンス増幅器はこの目的に適した電子回路の例である。
【００４１】
図２を参照して、アノード２６とカソード２５との間に印加される電位差は、好ましくは、電荷キャリアを各電極にドリフトさせる電場に応じて決定される。電位差が小さいと、電荷キャリアはドリフトの過程を通じてゆっくりと移動するが、電位差がより大きいと、電荷キャリアはより速く移動する。電位差が非常に大きいと、電荷キャリアがシンチレータ原子と衝突するとアバランシェ電流が発生する衝突イオン化（ｉｍｐａｃｔ  ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）が生じる可能性がある。好ましくは、電位差は衝突イオン化が生じる閾値より低い。好適な電場強度は１００Ｖ／ｍｍないし１０００Ｖ／ｍｍの範囲であり、より好ましくは２００−３００Ｖ／ｍｍの範囲である。
【００４２】
図２を参照して、シンチレータ要素２１は、好ましくは、正四角柱の形状であるが、六角柱などその他の角柱形状であっても適している。円柱形状のシンチレータ要素を使ってもよい。結果として、シンチレータ要素は、互いに対向する２つの面２３、２４以外の表面または面（ｓｕｒｆａｃｅｓ  ｏｒ  ｆａｃｅｓ）を有していてもよい。シンチレータ要素２１は、図２の長方形の側面図に示した高いアスペクト比ａを有するように図示されている。これは、高い空間的分解能と組み合わせて高エネルギーの放射線量子に対する長い吸収深度を示すのに有用である。しかし、アスペクト比が異なるシンチレータ要素を代替的に用いてもよい。留意点として、特に、Ｘ線放射などのより低いエネルギー放射線量子の検出において、より低いアスペクト比を用いてもよい。好ましくは、対向する面２３、２４は互いに平行である。ここで平行とは、厳密な平行から＋／−１０度以内の構成を含むと理解すべきである。
【００４３】
図２を参照して、単一の光検出器２２がシンチレータ要素２２と光連通していることを示すが、言うまでもなく複数の光検出器を用いてもよい。一以上の光検出器がシンチレータ要素２１の面（ｆａｃｅｓ）又は表面（ｓｕｒｆａｃｅｓ）のいずれかの一部と光連通していてもよい。複数の光検出器が、シンチレータ要素２１のより大きな表面エリアからのシンチレーション光を検出するように構成することにより、シンチレーション光パルスを収集する確率が大きくなる。特に、シンチレーション要素２１が放射線量子２７の受光に応じて小数の光子のみを発生する場合にそうである。一実装例では、光検出器２２は、固体半導体光検出器であってもよい。固体半導体光検出器は、ここでは、半導体材料中にモノリシックプロセス（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ）を用いて作られた光検出器であると定義する。他の実装例では、光検出器２２は、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、シリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）、または単一光子アバランシェ検出器（ＳＰＡＤ）などのフォトダイオードであってもよい。他の一例では、光検出器は光電子増倍管（ＰＭＴ）であってもよい。フォトダイオードなどの固体検出器の利用により小型化できる。ＰＭＴ検出器は、応答時間が速く、感度が高いので、放射イベントにより生じるシンチレーション光の高感度の検出に適している。
【００４４】
図２を参照して、単一のアノード２６と単一のカソード２５が図示されている。しかし、言うまでもなく、替わりに、複数のアノードがシンチレータ要素面２４と電気的に連通していてもよく、同様に、複数のカソードがシンチレータ要素面２５と電気的に連通していてもよい。
【００４５】
図２に示したシンチレータ要素２１に好適なシンチレータ要素には、結晶構造の及びより低い秩序構造の半導体シンチレータ要素が両方とも含まれる。シンチレータ要素は、室温で発光することが好ましいが、室温未満に冷却されたときに発光するシンチレータ要素であってもよい。上記の通り、好適に材料には、ＣＺＴ  ＣｕＩ、ＨｇＩ２、ＰｂＩ２、ＺｎＯ及びＣｄＳ：Ｉｎ、ＺｎＯ：Ｇａ、ＩＴＯ、ビスマスバナジウム酸塩、Ｂｉ２ＶＯ５．５、ＢｉＶＯ４、Ｂｉ２Ｏ３またはこれらの混合物、ビスマステルル化物、（Ｂｉ２Ｔｅ３）、アンチモニーテルル化物、またはタングステン酸化物、光イオン化により大きな消光を示す発光材料が含まれるが、これらの例に限定されない。秩序状態がより低く、それゆえアモルファス構造または多結晶構造またはセラミック構造の半導体シンチレータ要素を使用することには、製造時に、シンチレータのバルク電気的特性を維持しつつ、電極をシンチレータ要素内に組み込めるという利点がある。シンチレータ要素２１は、アモルファス、多結晶、またはセラミックの形式で、いわゆるグリーンボディ（ｇｒｅｅｎ  ｂｏｄｙ）に押し固める前に粉末状の構成要素に電極を組み込んだものを用意できる。電極は、セラミック、多結晶、またはアモルファス構造が電極の周りに構成されるセラミックの焼成後も、シンチレータ要素内に組み込まれている。かかる組み込みは、その成長軸に沿った結晶構造の維持の必要性により斯様な中断が許容されない結晶構造の半導体シンチレータ要素では可能ではない。
【００４６】
図３は、シンチレータ要素内にシールド電極が組み込まれた放射線検出装置の一実施形態を示す。この方法でシールディング電極３１を組み込むことは、アモルファスまたは多結晶またはセラミック構造を有するシンチレータ要素２１の使用により、不可能である。図２の放射線検出装置を参照して、図２のソリューションの欠点は、シンチレータ要素２１による放射線量子の受光により、シンチレータ要素における放射線量子２７のインターラクションの深さにおける各電極において収集される全電荷に依存することである。これは、部分的には、電荷キャリア、一般的にはホールの、カソード２５に到着する前の早すぎる再結合による。アノード２６から流れる電流によりアノード２６で検知される電荷は、カソード２５において収集されるホール電荷により影響される。ホールは一般的にトラップ（ｔｒａｐｐｉｎｇ）に非常に敏感なので、シンチレータ要素２１の深いところで吸収される放射線量子により、浅いところで吸収された放射線量子よりもトラップされるホールの割合が高くなる。結果として、アノード２６において電流により検知される電荷は、放射線量子の吸収深度により影響を受ける。この信号は放射線量子のエネルギーを示しているので、図２に示したソリューションにより実現できるエネルギー分解能を制約する。
【００４７】
図３のシンチレータ要素２１に組み込まれたシールディング電極３１は、収集電極をスクリーニングすることにより、放射線検出装置のエネルギー分解能を改善するように作用する。図３を参照して、シールディング電極３１は、シンチレータ要素２１内のアノード２６とカソード２５との間に組み込まれ、シンチレータ要素２１から電気的に絶縁された導電レイヤである。電気的に絶縁された導電レイヤは、導電レイヤとカソード２５との間の領域から、導電レイヤとアノード２６との間の領域までの経路に沿って電子の通過を許すサイズと方向である穿孔３２と穿孔３３により例示した複数の穿孔（ｐｅｒｆｏｒａｔｉｏｎｓ）を有する。穿孔（ｐｅｒｆｏｒａｔｉｏｎｓ）の径は、好ましくは、１００マイクロメートルないし５ミリメートルの範囲にあり、より好ましくは５００マイクロメートルないし１ミリメートルの範囲にある。好ましくは、シールディング電極３１は、アノード２６と電気的に連通しているシンチレータ要素面２４を含む平面に平行な平面にある。ここで、平行とは、厳密な平行に対して＋／−１０°以内の構成を含むものと理解すべきである。
【００４８】
使用時、バイアス電圧が、収集電極とシールディング電極３１との間を移動する電荷キャリアのみが収集電極で検知される電荷に影響するように、アノード２６とカソード２５をスクリーンする作用をする図３のシールディング電極３１に印加される。斯様な構成では、アノード２６が収集電極として用いられることが好ましい。電子は移動度が最高であり、ホールよりも電荷トラップ（ｃｈａｒｇｅ  ｔｒａｐｐｉｎｇ）に敏感でなく、そのためにアノード２６で収集される電荷を測定することにより、最高かつ最速の応答が得られるからである。好ましくは、シールディング電極３１はカソード２５によりアノード２６に近くに配置される。こうすると、放射線量子２７の相互作用深度が大きくなり、シールディング電極３１の穿孔を通り、その後アノード２６に届くまで、電子がアノード２６で検知されないからである。その際、シンチレータ要素２１において放射線量子の相互作用の深度に対する、アノードで収集される電荷の大きさの依存性が低減される。有利にも、これにより、放射線検出装置３０のエネルギー分解能が改善される。
【００４９】
図３に示したシールディング電極３１は、例えば、製造時にアモルファスまたは多結晶またはセラミックシンチレータ要素内に組み込まれた導電格子から形成されてもよい。格子は、例えば、必要な性能を有する金属ワイヤまたは金属レイヤから形成してもよい。シンチレータ要素からの電気的な絶縁は、シンチレータの融点よりも高い融点を有する高温セラミック絶縁体で、シンチレータ内に組み込む前に、導電格子の導電要素をコーティングすることにより実現してもよい。導電要素間の穿孔は、例えば、セラミック絶縁体が格子内のホールを完全には埋めないようにすることにより、実現できる。タングステンなどの、シンチレータの融解温度を超える融点を有する耐熱性金属を導電格子に用いることにより、圧縮していわゆるグリーンボディ（ｇｒｅｅｎ  ｂｏｄｙ）にする前に、シンチレータ構成の粉末形式に格子を組み込んでもよい。シールディング電極は、セラミック、多結晶、またはアモルファス構造がシールディング電極の周りに構成されるセラミックの焼成後も、シンチレータ要素内に組み込まれている。
【００５０】
図４は、シンチレータ要素内に複数の誘導検知電極が組み込まれた放射線検出装置の一実施形態を示す。図３に示した実施形態のように、誘導検知電極４１をこのように組み込むのは、アモルファス、多結晶、又はセラミック構造を有するシンチレータ要素２１の使用により可能となる。誘導検知電極４１は、アノード２６とカソード２５との間の電場により分離されている間に、電荷雲中の電荷キャリアを検知し、放射線量子２７の位置を横方向の発生位置を示す。その際、受光された放射線量子の横方向位置は、有利にも、より正確に決定され得る。横方向位置との用語は、放射線量子を受光するシンチレータ要素の面に平行な面上の位置を指す。複数の誘導検知電極４１は、シンチレータ要素の側面から第１の方向に延在し、各長い導体を取り囲む絶縁領域により、シンチレータ要素からそれぞれシンチレータ要素から電気的に絶縁された長い導体４２の第１のレイヤと、シンチレータ要素の他の側面から第２の方向に延在し、各長い導体を囲む絶縁領域によりそれぞれシンチレータ要素から電気的に絶縁された長い導体４３の第２のレイヤとを含む。さらにまた、第１のレイヤ、第２のレイヤ、及びアノード２６を有するシンチレータ要素面２４は、それぞれ、互いに平行な平面内にあり、第１の方向と第２の方向は互いに横断する（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ）。互いに平行であるとの定義は、厳密な平行に対して＋／−１０°内の構成を含むものと理解すべきである。使用時、アノード２６とカソード２５との間に印加されるバイアス電圧により、入射放射線量子２７により発生した電子とホールが、それぞれアノード２６とカソード２５に向けて移動する。電荷キャリアが誘導検知電極４１の近くを通るとき、誘導検知電極にミラー電荷が誘導される。各絶縁レイヤを取り囲む絶縁領域により、誘導検知電極における電荷キャリアの収集が防られ、それぞれのアノードまたはカソード電極に向けて移動し続ける。アノードを有するシンチレータ電極面に平行である平面内に、横方向に向いた電極があるような構成により、電荷キャリアによりミラー電荷が誘導された、誘導検知電極の２つの横方向軸により、放射線量子の横方向の相互作用位置の決定ができる。
【００５１】
図４に示した誘導検知電極に誘導された電荷を検出するために、各電極は、電荷増幅器、電流増幅器またはトランスインピーダンス増幅器に別々に電気的に接続されていてもよい。好ましくは、例えば、トランスインピーダンス増幅器構成として構成された演算増幅器を用いて、シンチレータ要素内の２つのレイヤのそれぞれの電位が一定の電位に保たれるようにして、各電極の電位が一定の電位に維持される。好ましくは、一レイヤ内のすべての長い導体４２、４３の電位は、カソードとアノードとの間の電位差と、アノードとカソードとの間のそのレイヤの平均距離とにより決定され、そのレイヤの各導体の電位は、そのレイヤが無ければ、その平均距離においてシンチレータ要素の電位であったようにされる。
【００５２】
図４のシンチレータ要素２１に誘導検知電極４１を組み込むことは、図３のシールディング電極３１を組み込むことを参照して説明したように実現できる。各長い導体のシンチレータ要素からの電気的絶縁は、図４に示した導体格子の導体要素の電気的絶縁を参照して説明したように、実現してもよい。
【００５３】
図５は、複数のアノードとして共通ステアリング電極が同じシンチレータ要素面上に配置された放射線検出装置の一実施形態を示す図である。例示を容易にするため、シンチレータ要素の面２４のみを示した。共通のステアリング電極により提供される改善された電荷キャリアの分離により、放射線検出装置５０におけるシンチレータ要素２１に対する放射線量子の横方向入射位置の決定精度が改善される。図５において、共通のステアリング電極５１が、シンチレータ要素２１と電気的に連通している複数の横方向に分離したアノード５２６と同じシンチレータ要素面に配置されている。共通のステアリング電極５１は、シンチレータ要素と電気的に連通していても、替わりにシンチレータ要素から誘電的に絶縁されていてもよい。好適な誘電的絶縁材料には、シンチレータ要素自体の自然酸化物や高分子を含む電気的に絶縁性酸化物が含まれる。共通ステアリング電極５１は、隣接するアノードが共通ステアリング電極の少なくとも一部により横方向に分離されるように、アノード５２６間にまたはその周りに配置された複数の電気的に相互接続された導電領域５２、５３を含む。使用時、バイアス電位が共通ステアリング電極に印加され、シンチレータ要素内の電位に影響を与える。結果として得られる電気力線は、個々の横方向に分離されたアノード５２６に向かって進む電荷キャリアを誘導する作用をする。使用時、電子をカソードに集めるために、各アノードのバイアス電位はカソードに対して正である。電子をアノードに誘導するために、共通ステアリング電極のバイアス電位は、電子が集められるアノードの電位よりも、低い正電位でなければならず、好ましくは数ボルトないし数十ボルトだけ低い正電位である。有利にも、共通のステアリング電極により提供される改善された電荷キャリアの分離により、シンチレータ要素に対する放射線量子の横方向入射位置の決定精度が改善される。
【００５４】
図６は、単一のアノードとして共通ステアリング電極が同じシンチレータ要素面上に配置された放射線検出装置の一実施形態を示す図である。図６において、アノード６２６と共通ステアリング電極６５１との間にギャップ６０１があるように、共通ステアリング電極６５１がアノード６２６を取り囲んでいる。共通のステアリング電極６５１は、シンチレータ要素面と電気的に連通していても、替わりにシンチレータ要素面から誘電的に絶縁されていてもよい。使用時、バイアス電位が共通ステアリング電極に印加される。これは、図５に示した共通ステアリング電極と同様に、アノードに向かって移動している電子を誘導するよう作用し、アノードにおけるその収集をする。有利にも、共通のステアリング電極により提供される改善された電荷キャリアの分離により、シンチレータ要素に対する放射線量子の横方向入射位置の決定精度が改善される。
【００５５】
図７は、横方向に離れた複数のアノードと横方向に離れた複数のカソードを含む放射線検出装置の一実施形態を示す図である。図７において、複数の横方向に分離されたアノード７２６が２つのシンチレータ要素面２４の一方と電気的に連通しており、複数の横方向に分離されたカソード７２５が２つのシンチレータ要素面２３の他方と電気的に連通している。アノード７２６は第１の方向に伸びる複数の導電性ストライプにより形成され、カソードは第２の方向に伸びる複数の導電性ストライプにより形成される。さらにまた、第１の方向と第２の方向は互いに横切る。使用時、電子をアノードに集め、ホールをカソードに集めるために、バイアス電位が各アノードに印加され、各カソードに対して正電位になる。互いに横断する電極構成により、各アノードと各カソードで収集される電荷を測定することにより、放射線量子のシンチレータ要素との相互作用の横方向位置の決定ができる。好ましい構成において、各アノード・カソード・ペアにおいて収集される電荷の大きさの差を計算する。すべてのアノード・カソード・ペアについてこの差を後で比較することにより、放射線量子のシンチレータ要素との相互作用の横方向位置を決定できる。
【００５６】
図８は、シールド電極を含む放射線検出装置の一実施形態を示す図である。図８において、シールディング電極８３１は、カソード２５とアノード２６との間のシンチレータ要素２１の側面に配置された導電領域であり、シンチレータ要素の側面から誘電的に絶縁されている。好ましい構成において、シールディング電極は、シンチレータ要素を取り囲む導電帯により構成されているが、一以上の不連続部分を有するような帯であってもよい。好ましくは、その帯は、アノード２６と電気的に連通したシンチレータ要素面２４を含む平面に平行な（それゆえ厳密な平行に対して＋／−１０°以内にある）平面にある。他の実施形態を参照して説明したように、一以上のアノード及び一以上のカソードがあってもよい。使用時、受光した放射線量子２７により発生した電荷雲をその構成要素である電子とホールとに分離するため、一以上のアノード２６に、一以上のカソード２５に対して正であるバイアス電位を印加する。好ましくは、シンチレータ要素により受光された放射線量子のエネルギーを決定するため、電子がアノード２６に集められ。シールディング電極８３１はカソード２５に対してよりアノード２６に対してより近く配置されている。使用時、シールディング電極にはさらに別のバイアス電圧が印加される。これは、収集アノードとシールディング電極との間を移動する電荷キャリアだけを収集アノードにより検出するように、アノードをスクリーンする作用を果たす。好ましくは、シールディング電極の電位は、カソードとアノードとの間の電位差と、アノードとカソードとの間のシールディング電極の平均距離とに応じて決定され、シールディング電極の電位が、そのシールディング電極が無ければ、その平均距離において、シールディング電極があった電位である。他の一構成では、シールディング電極の電位はグラウンド電位にされる。シールディング電極は、さらに、シンチレータ要素の表面を介したアノードとカソードとの間のリーク電流を減らす作用をする。有利にも、シールディング電極は放射線検出装置のエネルギー分解能を改善するように作用する。
【００５７】
本発明の他の一実施形態では、放射線検出装置の少なくとも１つのカソードは、透明導電レイヤにより構成されている。さらにまた、光検出器は、透明導電レイヤの少なくとも一部を含む光インタフェースにより、シンチレータ要素と光連通している。このように、光検出器は、透明導電アノードまたはカソードレイヤの少なくとも一部を通過したシンチレータ要素からのシンチレーション光を検出するために配置されてもよい。図２を参照して、想定される一構成では、アノード２６とカソード２５のどちらか又は両方の一部により、フォトダイオード２２と同様なフォトダイオードがシンチレータ要素２１と光連通してもよい。想定される他の一構成では、フォトダイオードはシンチレータ要素のありとあらゆる表面と接触していてもよい。このように、例えば図３を参照して、原理的には、シンチレータ要素２１の６つの面の各々が、フォトダイオードと光連通していてもよい。透明導電体でアノードまたはカソードを構成することにより、及び光検出器をそのように構成することにより、さもなければアノードまたはカソードで吸収され、またはシンチレーション要素内で減衰していた、シンチレータ要素内で発生したシンチレーション光が、光検出器により検出される。結果として、シンチレーション光の収集効率が向上する。シンチレーション効率が低い半導体シンチレータ材料では、アノードまたはカソードの表面において光子を検出する能力は、放射線検出装置のタイミング精度における大幅な向上を表す。放射線量子により発生した最初の光子を収集する確率が高くなるからである。好ましくは、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）が透明導電レイヤとして用いられるが、酸化亜鉛、フッ素ドープしたスズ酸化物、鉛ジルコニウムチタン酸塩（ＰＺＴ）薄膜、グラフェン及びカーボンナノチューブネットワークを含むその他の材料を使ってもよい。例えば、シンチレータ要素の自然酸化物や高分子を含む電気的絶縁性の酸化物を用いて透明導電レイヤの誘電絶縁を設けてもよい。透明導電レイヤを有するかかる一構成は、同時発生イベントのより正確な決定による画質改善のため、ＰＥＴ画像化システムにおいて有利に用いられてもよい。
【００５８】
ＰＥＴ画像化システムでは、各放射線量子の検出時間を用いて、同時発生イベント、または狭い時間内（一般的には＋／−５ｎｓ）に受光されたガンマ線光子のペアをランダムイベントと弁別する。同時発生イベントのペアは、共通の起源として放射性崩壊イベントを有すると解釈され、ＰＥＴ画像化システムの画像化領域内の放射性トレーサのソースを特定する。各ガンマ線光子のエネルギーを用いて、エネルギーが所定エネルギー範囲外にあり、そのため散乱による経路変更を経たであろうガンマ線光子を除去することにより、ペアの共通起源をさらに確認する。
【００５９】
要約すると、タイミング精度とエネルギー分解能とが改善された、放射線量子を検出する放射線検出装置を、具体的にＰＥＴ画像化システムを参照して説明した。放射線検出装置は、ガンマ線及びＸ線放射の検出に応用でき、スペクトルＣＴの分野で用いることができる。放射線検出装置は、半導体シンチレータ要素と光検出器とを含む。光検出器はシンチレータ要素と光連通している。シンチレータ要素は互いに対向する面を有する。カソードは２つの面のうち一方と電気的に連通しており、アノードは２つの面のうち他方と電気的に連通している。
【００６０】
本発明を、図面と上記の説明に詳しく示し説明したが、かかる例示と説明は例であり限定ではなく、本発明は開示した実施形態には限定されず、様々なアプリケーションにおいてガンマ線及びＸ線の放射線量子の検出のタイミングに用いることができる。
【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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