(57)【要約】時間分解能の極めて早いガンマ線検出装置を提供する。シンチレーター結晶としてＣｓＢｒ（臭化セシウム）を用い、光電子増倍管としてＭＣＰ内蔵タイプを用いることにより、ガンマ線検出において従来の値を大きく上回る時間分解能を得られる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シンチレータとしてＣｓＢｒ結晶を用い、シンチレータからの受光に光電子増倍管を用いた放射線検出装置であって、該光電子増倍管が、３００〜５００ｎｍの光を検出し、シングルフォトンが検出可能な感度と、シングルフォトンに対して３０ｐｓ以下の半値幅と、１０ｍｍ２以上の受光面積とを有することを特徴とする放射線検出装置。
【請求項２】
ガンマ線検出のための請求項１に記載の放射線検出装置。
【請求項３】
前記ＣｓＢｒ結晶が、ＣｓＣｌ型の結晶構造を有し、そのＣｓとＢｒの原子比が１：１である請求項１又は２に記載の放射線検出装置。
【請求項４】
シンチレータの減衰時間が５０ｐｓ以下である請求項１〜３のいずれか一項に記載の放射線検出装置。
【請求項５】
前記光電子増倍管が、ＭＣＰ内蔵光電子増倍管である請求項１〜４のいずれか一項に記載の放射線検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  この発明は、放射線、特にガンマ線の検出装置に関し、更に詳細には時間分解能の極めて早いガンマ線検出装置に関する。
従来技術
放射線検出器は、固体の輻射緩和現象を利用して、電離放射線を光学的に検出・測定するものである。近年、物理、化学、生物及び医療などの分野において、短パルス放射線の利用が進められており、短パルス放射線を簡易に測定する方法が求められている。例えば、医療機器であるＰＥＴ（ポジトロン・エミッション・トモグラフィー）では、放射線検出器の時間分解性能を測定系の位置検出に利用することが可能であり、その場合時間分解能が高ければ高いほど、より短時間でより精密な診断を行うことが出来る。従って、高時間分解能放射線検出器に対する要請は極めて大きい。
従来の放射線検出器のうち、特にガンマ線検出器の時間分解能は満足がゆくものではなかった。
例えば、今までのところ最も良い時間分解能として、プラスチックシンチレーターとダイノード増幅型光電子増倍管を用いてアナログ回路で時間処理する方法で測定したものは１２４ｐｓ（Ｍ．Ｍｏｓｚｙｎｓｋｉ，１９９３年Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｉｎ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ａ  ３３７（１９９３）１５４）、ＢａＦ２シンチレーターとダイノード増幅型光電子増倍管とデジタルオシロスコープを用いる方法で測定したものは１５５ｐｓ（Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｉｎ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ａ  ４８７（２００２）６１２−６１７）、プラスチックシンチレーターとダイノード増幅型光電子増倍管とデジタルオシロスコープを用いる方法で測定したものは１２０ｐｓ（Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ａｎｄ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ６８（２００３）４３１−４３４）を示していた。
一方、ＣｓＢｒ（臭化セシウム）結晶からの高速発光は、１９９０年ごろから光物性の研究者の間では知られており（Ｊ  ＰＨＹＳ  ＳＯＣ  ＪＰＮ  ６２：（８）２９０４−２９１４ＡＵＧ  １９９３）、その発光量、発光の減衰時間、その温度依存性が測定されている（ＪＰＨＹＳ  ＳＯＣ  ＪＰＮ  ６６：（８）２５０２−２５１２  ＡＵＧ  １９９７）。表１に示すように、室温において、発光量がＢａＦ２の高速成分の１％（ＮａＩ（Ｔｌ）の０．０４％）、減衰時間が３０ピコ秒であった。室温での発光量が非常に少ないが、減衰時間が非常に高速なことが知られていた。
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しかしＣｓＢｒ結晶をガンマ線計測に応用する発想はなかった。
また、高速性に特徴のあるＭＣＰ内蔵光電子増倍管は、１９８０年ごろから市販されている。ＭＣＰ内蔵光電子増倍管と通常の光電子増倍管との比較を表２に示す。ＭＣＰ内蔵光電子増倍管は、波形の立ち上がり時間（ｒｉｓｅ  ｔｉｍｅ）と走行時間のばらつき（Ｔ．Ｔ．Ｓ．，Ｔｒａｎｓｉｔ  ｔｉｍｅ  ｓｐｒｅａｄ）が小さい点に特徴がある。
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普通の光電子増倍管と普通のガンマ線高速測定用シンチレーター（ＢａＦ２又はプラスチックシンチレーター）を用いたときの時間分解能は、光電面における光電子数の統計的ばらつきで決定され、立ち上がり時間や走行時間のばらつきはあまり効かない。しかし、ＭＣＰ内蔵光電子増倍管と普通のガンマ線高速測定用シンチレーターを用いて、ガンマ線の時間測定を行うと、使用できる光電子の数が少ないため、統計的ばらつきが大きく、普通の光電子増倍管より悪い時間分解能しか得られないため、ガンマ線の時間計測には使用されていなかった。
【発明が解決しようとする課題】
従来のガンマ線検出器は、時間分解能が不十分であった。そのため、以下の応用の際の制約となっていた。
（１）医療におけるＰＥＴ（Ｐｏｓｉｔｒｏｎ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｔｏｍｏｑｒａｐｈｙ，陽電子断層撮影）
時間分解能が向上すれば、時間情報から、陽電子の位置を検出可能になり、測定時間の短縮、線源強度の低減など、被験者の負担低減につながる。
（２）陽電子寿命測定法
材料科学において、陽電子の寿命測定は格子欠陥の検出に利用されている。時間分解能が向上すれば検出感度が向上する。
本発明は、このような制約を解消するため、ガンマ線検出の時間分解能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ガンマ線を光に変換するシンチレーター結晶としてＣｓＢｒ（臭化セシウム）を用い、光を電気信号に変換する光電子増倍管としてＭＣＰ内蔵タイプを用いることにより、ガンマ線検出において従来の値を大きく上回る時間分解能を得られることを見出し、本発明を完成させた。
即ち、本発明は、シンチレータとしてＣｓＢｒ結晶を用い、シンチレータからの受光に光電子増倍管を用いた放射線検出装置であって、該光電子増倍管が、３００〜５００ｎｍの光を検出し、シングルフォトンが検出可能な感度と、シングルフォトンに対して３０ｐｓ以下の半値幅と、１０ｍｍ２以上の受光面積とを有することを特徴とする放射線検出装置である。このシンチレータの減衰時間は５０ｐｓ以下である。
【図面の簡単な説明】  第１図は、本発明に用いることのできるＭＣＰ内蔵光電子増倍管とそのスペックを示す（浜松ホトニクス株式会社のパンフレット）。Ｒ５９１６シリーズは＋１５Ｖゲートシグナルの入力によりゲート制御する。標準タイプは通常ＯＦＦですが、ＯＮタイプもあります。ゲート作動は、ゲートシグナルの入力パルスにもよりますが、５ｎｓです。
第２図は、ＭＣＰ内蔵光電子増倍管（浜松ホトニクスＲ３８０９Ｕ）の構造を示す（浜松ホトニクス株式会社のパンフレットから）。
第３図は、実施例で用いた測定装置の配置を示す。
第４図は、測定結果を示す。横軸はチャンネル数（時間）を表し、縦軸はカウント数を表す。Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ａは移動前、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｂは移動後の測定値を示す。
【発明を実施するための最良の形態】  本発明の放射線検出装置は、シンチレータとしてＣｓＢｒ結晶を用い、シンチレータからの受光に光電子増倍管を用いる。
本発明で用いるＣｓＢｒ結晶は、そのように分類される如何なる結晶を用いてもよいが、ＣｓＢｒを含むアルカリハライド結晶は、１９６０年代から高純度のものが光学用に商業的に提供されており、本発明においてはこのようなものを用いることができる。
その成分はＣｓ（セシウム）とＢｒ（臭素）の原子比が１：１であり、結晶構造がＣｓＣｌ型ものが好ましく用いられる。
ＣｓＢｒ結晶は放射線、特にガンマ線を照射すると３００〜５００ｎｍの光を放射するため、この放射光を受光するために光電子増倍管を用いる。
光電子増倍管は、光を電子に変換するための光電面と、その電子を増幅する増幅部から構成される。一方、ＭＣＰ（マイクロチャンネルプレート）は、ガラスに微細な穴（チャンネル）が空いている素子であり、この両面に電圧（数ｋＶ）をかけると、負電位の側から入射した電子がチャンネルの壁にぶつかりながら２次電子を出して増幅される。ＭＣＰ内蔵光電子増倍管は、このような素子を内蔵することにより、シングルフォトンの検出を可能とし、応答時間を高速にした光電子増倍管である。このようなＭＣＰ内蔵光電子増倍管は市販されており、例えば、浜松ホトニクス株式会社からＲ３８０９ＵシリーズやＲ５９１６Ｕシリーズとして入手可能である。これらのスペックを第１図に示す。
本発明の放射線検出装置は、上記のＣｓＢｒ結晶と光電子増倍管以外に、これら部品を結合して、放射線を検出するために適宜必要なスペックを有する装置を組合わせて用いてもよい。例えば、ＣｓＢｒ結晶とＭＣＰ内蔵光電子増倍管にデジタルオシロスコープを組み合わせたり、このデジタルオシロスコープを外部トリガ回路で動作させるよう構成してもよい。更に、検出された波形の処理のために適宜公知の装置を用いることができる。
この放射線検出装置の測定対象は、陽電子消滅ガンマ線が好ましく、線源はＰＥＴに使用されるものとして、Ｃ−１１、Ｎ−１３、Ｏ−１５、Ｆ−１８、陽電子寿命測定に使用されるものとしてＮａ−２２、Ｇｅ−６８などが挙げられる。
以下、実施例により本発明を例証するが、これらは本発明を制限することを意図したものではない。
【実施例１】測定装置
まず、シンチレータとして、ＣｓＢｒ結晶（Ｋｏｒｔｈ  Ｋｒｉｓｔａｌｌｅ  ＧＭＢＨ社）を用いた。その成分はＣｓとＢｒが１：１（原子比）であり、結晶構造はＣｓＣｌ型である。サイズは８ｍｍφ×８ｍｍであり、全面研磨品である。
光電子増倍管として、ＭＣＰ内蔵光電子増倍管（浜松ホトニクスＲ３８０９Ｕ）を用いた。その立ち上がり時間は１５０ｐｓ、走行時間のばらつきは２５ｐｓである。その構造を第２図に示す。第２図において、ＣＡＴＨＯＤＥが光電面で、ここで光が電子に変換され、その電子がＭＣＰに入射し、増幅され、ＡＮＯＤＥから出力される。
このＣｓＢｒ結晶にシリコングリスを全面に塗布したのち、光電子増倍管への貼り付け面以外を遮光テープで覆ってから、直接光電子増倍管の受光面に貼り付け、放射線検出装置とした。
線源として、２２Ｎａ（入手先：日本アイソトープ協会、製造元：ＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒｌｉｆｅｓｃｉｅｎｃｅ社）を用いた。強度は１ＭＢｑであった。２２Ｎａからは、１．２７ＭｅＶのガンマ線と陽電子が同時に放出され、陽電子はすぐに２本の０．５１１ＭｅＶのガンマ線になる。今回のセットアップでは１．２７ＭｅＶのガンマ線の効果は無視できる。この線源のサイズは約２ｍｍである。
これら各装置を、第３図に示すように配置した。放射線検出装置を２つ用意し、そのＣｓＢｒ結晶が対向するように配置し、光電子増倍管、ＣｓＢｒ結晶及び線源を同一軸上に並べた。２つの放射線検出装置のＣｓＢｒ結晶の面間距離を５０ｍｍとした。
これらに、デジタルオシロスコープ（ＬｅＣｒｏｙ社製ＷａｖｅＭａｓｔｅｒ９６００、アナログ帯域６ＧＨｚ、サンプリング周波数２０ＧＳ／ｓ（２ｃｈ同時））、波高弁別器（ＥＧ＆ＧＯＲＴＥＣ社製モデル５８４）、コインシデンス回路（林栄精器製ＲＰＮ−１３０）を第３図に示すように配置し、２つの光電子増倍管が受光した時間の差を測定した。このように装置を配置した結果、時間分解能は８０ｐｓ以下、距離分解能は１２ｍｍ程度であった。
測定操作
まず、線源（サイズ：約２ｍｍ）を一方の放射線検出装置のＣｓＢｒ結晶から２０ｍｍの位置に置いて、線源からの放射線を測定した。各点間の時間が５ｐｓであるので、縦軸（カウント）が頂点から半分の位置の幅は、１６点以下であった。即ち、２本の陽電子消滅ガンマ線（０．５１１ＭｅＶ，同時に出る）の時間差測定の時間分解能（半値幅）として８０ｐｓ以下の値が得られた。
次に、線源を他方の放射線検出装置のＣｓＢｒ結晶の方向へ１０ｍｍ移動させて、同様に測定した。
測定結果
測定結果を第４図に示す。１０ｍｍの移動により、右検出器に１０ｍｍ近づき、左検出器から１０ｍｍ離れる。第４図からこの移動前後で、ピークが１３．３チャンネル（即ち、６６．６ｐｓ）移動していることが分かる。
光速が３ｃｍ／１００ｐｓなので、６６ｐｓだけピーク位置が移動することが予想される。この予想は上記の測定結果とよく一致した。
即ち、陽電子消滅ガンマ線（０．５１１ＭｅＶ）及びそれとエネルギーが近いガンマ線の時間測定において、従来になかった高い時間分解能を実現する装置が実現した。
また第４図のＰｏｓｉｔｉｏｎＡ（又はＰｏｓｉｔｉｏｎＢ）における時間分解能は、およそ１５ｃｈ（７５ｐｓ）の半値幅であることが、図から読み取れる。この値は、用いたシンチレーターの減衰時間、および、用いた光電子増倍管の分解能半値幅、光路差、その他の時間分解能を悪化させる影響の効果を、足し合わせた値である。
これから、用いたＣｓＢｒシンチレーターの減衰時間を以下のように求めることができる。
用いたシンチレーターの減衰時間（半減期）をτｓ、測定器の分解能をτｐとおき、光路差、その他の時間ジッタに与える効果をτｋとする。全体の分解能は、τｓ，τｐ，τｋの二乗の和の平方根であるので、下式が成り立つ。
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左辺は、図４より７５ｐｓ、τｐはカタログ値より２５ｐｓであり、τｋは結晶のサイズから２０ｐｓと見積もられるため、τｓ＝４３ｐｓとなる。これは、ＣｓＢｒの文献値（３０ｐｓ、表１）とほぼ一致することがわかる。
これより、本発明においては、減衰時間の極めて短いシンチレーターを使用することにより高い時間分解能を得ることが出来たことが明らかである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年10月13日(2004.10.13)
【手続補正００１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
シンチレータとしてＣｓＢｒ結晶を用い、シンチレータからの受光に光電子増倍管を用いた放射線検出装置であって、該光電子増倍管が、シングルフォトンが検出可能な感度と、シングルフォトンに対して３０ｐｓ以下の半値幅と、１０ｍｍ２以上の受光面積とを有することを特徴とする放射線検出装置。
【手続補正００２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
能しか得られないため、ガンマ線の時間計測には使用されていなかった。
【発明が解決しようとする課題】
従来のガンマ線検出器は、時間分解能が不十分であった。そのため、以下の応用の際の制約となっていた。
（１）医療におけるＰＥＴ（Ｐｏｓｉｔｒｏｎ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，陽電子断層撮影）
時間分解能が向上すれば、時間情報から、陽電子の位置を検出可能になり、測定時間の短縮、線源強度の低減など、被験者の負担低減につながる。
（２）陽電子寿命測定法
材料科学において、陽電子の寿命測定は格子欠陥の検出に利用されている。時間分解能が向上すれば検出感度が向上する。
本発明は、このような制約を解消するため、ガンマ線検出の時間分解能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ガンマ線を光に変換するシンチレーター結晶としてＣｓＢｒ（臭化セシウム）を用い、光を電気信号に変換する光電子増倍管としてＭＣＰ内蔵タイプを用いることにより、ガンマ線検出において従来の値を大きく上回る時間分解能を得られることを見出し、本発明を完成させた。
即ち、本発明は、シンチレータとしてＣｓＢｒ結晶を用い、シンチレータからの受光に光電子増倍管を用いた放射線検出装置であって、該光電子増倍管が、シングルフォトンが検出可能な感度と、シングルフォトンに対して３０ｐｓ以下の半値幅と、１０ｍｍ２以上の受光面積とを有することを特徴とする放射線検出装置である。このシンチレータの減衰時間は５０ｐｓ以下である。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明に用いることのできるＭＣＰ内蔵光電子増倍管とそのスペッ




【手続補正書】
【提出日】平成17年10月4日(2005.10.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シンチレータとしてＣｓＢｒ結晶を用い、シンチレータからの受光に光電子増倍管を用いた放射線検出装置であって、該光電子増倍管が、シングルフォトンが検出可能な感度と、シングルフォトンに対して３０ｐｓ以下の半値幅と、１０ｍｍ２以上の受光面積とを有することを特徴とする放射線検出装置。
【請求項２】
ガンマ線検出のための請求項１に記載の放射線検出装置。
【請求項３】
前記ＣｓＢｒ結晶が、ＣｓＣｌ型の結晶構造を有し、そのＣｓとＢｒの原子比が１：１である請求項１又は２に記載の放射線検出装置。
【請求項４】
前記光電子増倍管が２００〜５００ｎｍの光を検出し、前記シンチレータの減衰時間が５０ｐｓ以下である請求項１〜３のいずれか一項に記載の放射線検出装置。
【請求項５】
前記光電子増倍管が、ＭＣＰ内蔵光電子増倍管である請求項１〜４のいずれか一項に記載の放射線検出装置。
【国際調査報告】
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