(57)【要約】【課題】比較的広いエネルギー範囲に亘って比較的短時間の計測でガンマ線などの放射線の検出を可能とする技術を提供する。【解決手段】放射線検出装置１において、電極１２と電子収集器１１の間に形成された電子ドリフト領域１４の周囲に第１の放射線吸収部材１６を含む第１の散乱放射線検出手段１５ａと第２の放射線吸収部材１６を含む第２の散乱放射線検出手段１５ｂを配置する。電子ドリフト領域の中心から第１の放射線吸収部材の中心に向かう方向Ｄａと、電子ドリフト領域の中心から第２の放射線吸収部材の中心に向かう方向Ｄｂのそれぞれが基準入射方向Ｄｃと成す角θａ、θｂの大きさが異なる。第１の放射線吸収部材と第２の放射線吸収部材の放射線に対する検出特性が異なる。【選択図】図４
2017096724.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
散乱体、電極、及び電子収集器を有する放射線検出装置であって、
前記電極と前記電子収集器の間に形成された電子ドリフト領域の周囲に、第１の放射線吸収部材を含む第１の散乱放射線検出手段と第２の放射線吸収部材を含む第２の散乱放射線検出手段が配置され、前記電子ドリフト領域の中心から前記第１の放射線吸収部材の中心に向かう方向を第１の方向とし、前記電子ドリフト領域の中心から前記第２の放射線吸収部材の中心に向かう方向を第２の方向とし、前記検出装置の有効視野の中心から前記電子ドリフト領域の中心に向かう方向を基準入射方向としたときに、前記第１の方向と前記基準入射方向とが成す第１の角と前記第２の方向と前記基準入射方向とが成す第２の角の大きさが異なり、前記第１の放射線吸収部材の放射線に対する検出特性と前記第２の放射線吸収部材の放射線に対する検出特性が異なることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記第１の散乱放射線検出手段と前記第２の散乱放射線検出手段は、それぞれ、入射放射線が前記散乱体内で起こすコンプトン散乱により発生した散乱放射線のエネルギーと到達位置を検出し、
前記電子収集器は、前記コンプトン散乱により発生した反跳電子の飛跡に沿って生じた電離電子を検出し、前記電極は前記散乱体に電界を印加し、
前記散乱放射線のエネルギー及び到達位置と前記反跳電子のエネルギー及び飛跡における反跳方向との情報から前記入射放射線の入射方向が求められることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の角は前記第２の角よりも大きく、放射線に対する検出感度は前記第１の放射線吸収部材が前記第２の放射線吸収部材よりも高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記第１の角は前記第２の角よりも大きく、放射線に対する吸収効率は前記第２の放射線吸収部材が前記第１の放射線吸収部材よりも高いことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記第１の放射線吸収部材及び前記第２の放射線吸収部材はシンチレータであり、前記第１の放射線吸収部材の発光量は前記第２の放射線吸収部材の発光量よりも大きいことを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項６】
前記第１の放射線吸収部材及び前記第２の放射線吸収部材はシンチレータであり、前記第２の放射線吸収部材の密度は前記第１の放射線吸収部材の密度よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記第１の放射線吸収部材は放射線を直接電気信号に変換する半導体素子であり、前記第２の放射線吸収部材はシンチレータであることを特徴とする請求項３又は４に記載の装置。
【請求項８】
請求項１から７の何れか１項に記載の放射線検出装置と、前記検出装置により検出した入射放射線の入射方向より、放射線源から発生する放射線の強度分布画像データを生成する画像再構成手段と、前記強度分布画像データに基づき前記強度分布画像を表示する表示手段と、を備えることを特徴とするコンプトンカメラ。
【請求項９】
前記放射線はガンマ線であることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンプトン散乱により生じる散乱放射線と反跳電子とを検出して、放射線の入射方向を取得する放射線検出装置及びそれを用いたコンプトンカメラに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガンマ線検出方法の１つとして、次のアドバンストコンプトン法が知られている。この方法では、コンプトン散乱により生じた散乱ガンマ線のエネルギーと散乱方向ベクトルに加えて、コンプトン散乱により生じた反跳電子のエネルギーとコンプトン散乱点における反跳方向ベクトルを利用して入射ガンマ線の入射方向を算出する。またこの方法を用いて放射線源が放出するガンマ線の強度分布を計測し、それをイメージングすることができるガンマカメラの一種であるコンプトンカメラが知られている。
【０００３】
非特許文献１は、このようなアドバンストコンプトン法を利用した検出装置であるＴＰＣ（Ｔｉｍｅ  Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  Ｃｈａｍｂｅｒ）を用いた実験について開示している。ここでＴＰＣ内には、散乱体であるガスが満たされ、電離電子を増幅して検出する平板状の電子収集器（μＰＩＣ）が配置される。またＴＰＣ内には、電子収集器に略垂直で一様な電界が作用する電子ドリフト領域が形成されている。入射ガンマ線（光子）は、この電子ドリフト領域内で、散乱体であるガス分子中の電子との相互作用であるコンプトン散乱を生じさせる。その結果発生した反跳電子は、連続的にガス分子を電離しながら進行し、その飛跡上に多数の電離電子から成る電子雲を発生させる。この電子雲は、電子ドリフト領域で電界から受ける力によって反跳電子の飛跡とほぼ同一の形状を維持しながら電子収集器までドリフトする。電子収集器は電子の２次元検出器であり、電子雲（飛跡）の２次元平面への投影の位置（Ｘ，Ｙ座標）及びエネルギーを検出する。一方、ガンマ線検出部による散乱ガンマ線の検出時点即ちコンプトン散乱を生じた時点と電子収集器による電離電子の検出時点との差、及び電離電子のドリフト速度から、電子収集部から飛跡までの距離（Ｚ座標）が検出される。このようにして反跳電子の飛跡の３次元位置を算出することができる。
【０００４】
またガンマ線検出部では散乱ガンマ線の到達位置とエネルギーを検出する。検出した散乱ガンマ線の位置情報（ベクトル）及びエネルギーの情報と、反跳電子の位置情報（ベクトル）及びエネルギーの情報を用いて、入射ガンマ線の入射方向を算出する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Kabuki S. et al. , “Imaging study of a phantom and small animal with a two-head electron-tracking Compton gamma-ray camera”, Nuclear Science Symposium Conference Record (NSS/MIC 2010)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１には次のことが報告されている。放射性同位元素Ｉ−１３１（放出ガンマ線のエネルギーＥ０＝３６５ｋｅＶ）を含む薬剤と放射性同位元素Ｆ−１８（放出ガンマ線のエネルギーＥ０＝５１１ｋｅＶ）を含む薬剤をマウスに投与し、これらの薬剤が集積した部分を同時にイメージできた。この実験では、ガンマ線検出部において、散乱ガンマ線を検出するためのシンチレータとしてＬａＢｒ３を使用している。
【０００７】
ＬａＢｒ３は発光量が大きく、ガンマ線の検出においてエネルギーの高低にかかわらず十分な検出感度が得られる。しかし、高いエネルギーのガンマ線の検出においては密度が不足するため十分な吸収効率が得られない。一般的には密度が大きいシンチレータは発光量が小さく、逆に発光量が大きいシンチレータは密度が小さい傾向がある。このような事情により、広いエネルギー範囲に亘って十分な吸収効率と十分な検出感度を両立することは困難であった。
【０００８】
コンプトンカメラにおけるガンマ線検出部の吸収効率が不足する場合には、必要なデータを得るための計測時間が長くなる。また検出感度が不足する場合には、ガンマ線のエネルギーの検出値のＳ／Ｎが低下して誤差が増すため、入射ガンマ線に対する角度分解能が低下する。その結果、上記のようなガンマ線検出部を備えたコンプトンカメラでは、広いエネルギー範囲（例えば１００ｋｅＶ〜２０００ｋｅＶ）に亘り短時間の計測で高分解能のイメージングを実現することは容易ではなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一側面は、散乱体、電極、及び電子収集器を有する放射線検出装置であって、前記電極と前記電子収集器の間に形成された電子ドリフト領域の周囲に、第１の放射線吸収部材を含む第１の散乱放射線検出手段と第２の放射線吸収部材を含む第２の散乱放射線検出手段が配置される。そして、前記電子ドリフト領域の中心から前記第１の放射線吸収部材の中心に向かう方向を第１の方向とし、前記電子ドリフト領域の中心から前記第２の放射線吸収部材の中心に向かう方向を第２の方向とし、前記検出装置の有効視野の中心から前記電子ドリフト領域の中心に向かう方向を基準入射方向としたときに、前記第１の方向と前記基準入射方向とが成す第１の角と前記第２の方向と前記基準入射方向とが成す第２の角の大きさが異なり、前記第１の放射線吸収部材の放射線に対する検出特性と前記第２の放射線吸収部材の放射線に対する検出特性が異なる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、例えば１００ｋｅＶ〜２０００ｋｅＶの広いエネルギー範囲に亘って比較的短時間の計測でガンマ線などの放射線の検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明によるコンプトンカメラの一例の概略構成を示す図。
【図２】ＴＰＣの検出原理を示す図。
【図３】電子検出回路とガンマ線検出回路の詳細を示す図。
【図４】第１の実施形態におけるガンマ線検出装置の構成を示す図。
【図５】ガンマ線の散乱特性の方向依存性を示す図。
【図６】第２の実施形態におけるガンマ線検出装置の構成を示す図。
【図７】第３の実施形態におけるガンマ線検出装置の構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の一側面の特徴は、次の点にある。以下、「放射線」は「ガンマ線」で代表することもある。電子ドリフト領域の周囲に、第１の放射線吸収部材を含む第１の散乱放射線検出手段と第２の放射線吸収部材を含む第２の散乱放射線検出手段を配置する。そして、電子ドリフト領域の中心から第１の放射線吸収部材の中心に向かう方向（第１の方向）と、電子ドリフト領域の中心から第２の放射線吸収部材の中心に向かう方向（第２の方向）のそれぞれが基準入射方向と成す角の大きさを異ならせる。
【００１３】
本発明によるコンプトンカメラの一例の概略構成について図１により説明する。ガンマ線検出装置１は、散乱体であるガス（例えばアルゴン、キセノンなど）を密閉するための容器で装置の筺体でもあるチャンバー１０を有する。また、第１の散乱ガンマ線検出器１５ａ、第２の散乱ガンマ線検出器１５ｂ、電圧発生器１３、及びチャンバー１０内に配置された電極１２、電子収集器１１を備え、これらは電子の３次元位置検出器であるＴＰＣを構成している。
【００１４】
チャンバー１０内において前端（ガンマ線入射側）に平板状の電極１２が取り付けられ、後端（ガンマ線入射側と逆側）には電子収集器１１が電極１２と平行に対向するように取り付けられている。電極１２と電子収集器１１に電圧発生器１３によりそれぞれ所定の電圧を印加することにより、電極１２と電子収集器１１の間に柱状の電子ドリフト領域１４が形成される。この電子ドリフト領域１４内には電子収集器１１に略垂直で一様な電界が作用する。
【００１５】
放射線源４から到来してチャンバー１０の前端部と電極１２を透過し、電子ドリフト領域１４内に入射した個々の入射ガンマ線（光子）は、ガスの分子内の電子との間の相互作用であるコンプトン散乱を受け、その結果、反跳電子と散乱ガンマ線を生じる。この反跳電子は電子収集器１１によって検出される。また散乱ガンマ線は、散乱放射線検出手段である第１の散乱ガンマ線検出器１５ａ又は第２の散乱ガンマ線検出器１５ｂによって検出される。
【００１６】
図１に示すように、信号処理装置２は、電子検出回路３０、ガンマ線検出回路３１、ガンマ線入射方向演算回路３２、画像再構成装置３３を含む。電子検出回路３０は、反跳電子の検出データから、反跳電子のエネルギー、コンプトン散乱点の位置、及び反跳方向ベクトルを取得する。またガンマ線検出回路３１は、散乱ガンマ線の検出データから、散乱ガンマ線のエネルギー、及び散乱方向ベクトルを取得する。放射線入射方向取得手段であるガンマ線入射方向演算回路３２は、個々のコンプトン散乱事象について、反跳電子のエネルギー、反跳方向ベクトル、散乱ガンマ線のエネルギー、及び散乱方向ベクトルを基に、入射ガンマ線の入射方向を算出する。画像再構成装置３３は、複数のコンプトン散乱事象について検出した入射ガンマ線の入射方向から強度分布画像データを生成し、表示装置３でこの画像データを用いて放射線の強度分布を濃淡や色の違いによって表示する。
【００１７】
次にＴＰＣの検出原理について図２により説明する。なお図２においてチャンバー１０は省略する。電子ドリフト領域１４に入射した１００ｋｅＶ〜２０００ｋｅＶ程度のエネルギーを持つ入射ガンマ線２１（光子）は、ガスの分子内の電子との相互作用であるコンプトン散乱を受ける。そして、その結果、入射ガンマ線２１よりも小さいエネルギーを持つ反跳電子２３と散乱ガンマ線２２を生じる。入射ガンマ線２１のエネルギーをＥ０、反跳電子２３のエネルギーをＫｅ、散乱ガンマ線２２のエネルギーをＥγとすると、Ｅ０＝Ｋｅ+Ｅγの関係が成立する。
【００１８】
反跳電子２３は電子ドリフト領域１４内を進行しながら次々とガスの分子と相互作用して散乱を受け、その都度、電離電子を発生させる。なお図２において、Ｐｃはコンプトン散乱点、Ｐｔは反跳電子の飛跡上の通過点、Ｐａは第１の散乱ガンマ線検出器１５ａ又は第２の散乱ガンマ線検出器１５ｂによる散乱ガンマ線２２の吸収点（散乱ガンマ線が光電吸収された位置）である。また、ｓは入射ガンマ線２１の入射方向ベクトル（入射方向の単位ベクトル）、ｇは散乱ガンマ線２２の散乱方向ベクトル（散乱方向の単位ベクトル）、ｅは反跳電子２３の反跳方向ベクトル（コンプトン散乱点Ｐｃにおける反跳方向の単位ベクトル）である。
【００１９】
反跳電子２３の飛跡に沿う線上には多数の電離電子からなる電子雲２４を生じる。反跳電子２３は電離の度に徐々にエネルギーを失い、全てのエネルギーを失うと停止する。反跳電子２３のエネルギーＫｅが３０ｋｅＶ以下であればその飛程は電子ドリフト領域１４の寸法よりも小さく、ほとんどの反跳電子２３は電子ドリフト領域１４内で停止する。３０ｋｅＶより大きい場合、測定する必要があれば、電子ドリフト領域１４を広げたり、散乱体の密度を上げて（分子量の大きいガスにする、圧力を高くする）ことで電子の飛程を短くしたりすればよい。反跳電子２３が受ける散乱の間隔や散乱方向は不規則であるため、飛跡即ち電子雲２４の形状も図示するように不規則に屈折した線状となる。
【００２０】
電子収集器１１はＭＳＧＣ（Ｍｉｃｒｏ  Ｓｔｒｉｐ  Ｇａｓ  Ｃｈａｍｂｅｒ）等の平板状の２次元検出器であり、微小な間隔で２次元に配列した多数のアノード電極線とカソード電極線を含む。アノード電極線とカソード電極線の間に電位差を付与することにより検出器表面に強電界を発生させ、これにより電子を増幅して収集する機能を有する。電子ドリフト領域１４内に生じた電子雲２４は、電界から受ける力によって電子収集器１１に向かって平行にドリフトする。この電子雲２４は電子収集器１１に到達すると、その投影２５の位置（Ｘ，Ｙ座標）にある検出器で増幅して検出される。電子収集器１１で検出可能な電子の最小エネルギーは回路のノイズ等で制限され、反跳電子のエネルギーＫｅ＝５ｋｅＶ程度に相当する。また検出可能な電子の最大エネルギーは電子ドリフト領域１４の大きさに対する反跳電子２３の飛程で制限され、一般的にはＫｅ＝３０ｋｅＶ程度に相当する。
【００２１】
第１の散乱ガンマ線検出器１５ａ及び第２の散乱ガンマ線検出器１５ｂ（２つのみ図示）は電子ドリフト領域１４の周囲に配置されており、ガンマ線吸収部材１６と増幅器１７を含む。例えば、ガンマ線吸収部材１６として光電吸収材料であるシンチレータと、増幅器１７として２次元配列した多数の光電子増倍管とを組み合わせて構成することができる。２次元配列した多数のシンチレータの素子をガンマ線吸収部材１６としてもよい。散乱ガンマ線２２はシンチレータで光電吸収されて可視光に変換され、さらに光電子増倍管によって電気信号に変換されて増幅され、その位置とエネルギーが出力される。またガンマ線吸収部材１６として光電吸収材料である半導体素子と、増幅器１７として２次元配列した多数の電子増幅素子とを組み合わせて構成することもできる。ここでは、散乱ガンマ線２２は半導体素子で光電吸収されて直接電気信号に変換され、さらに電子増幅素子で増幅されてその位置とエネルギーが出力される。
【００２２】
次に信号処理装置２の動作の詳細について説明する。電子収集器１１による反跳電子の検出信号に対しては、次に電子検出回路３０による処理が行われ、第１の散乱ガンマ線検出器１５ａ及び第２の散乱ガンマ線検出器１５ｂによる散乱ガンマ線の検出信号に対してはガンマ線検出回路３１による処理が行われる。図３に電子検出回路３０とガンマ線検出回路３１の詳細を示す。１つの電子雲の各部分は電子収集器１１の複数の電極線で検出され、その電荷（電子数）に応じた電気信号を発生する。これらの電極線からの電気信号は電子雲の前端の到達から後端の到達までの間継続する。複数の電極線からの電気信号は、対応する複数の増幅部４０によって増幅され、データ取り込み部４１に出力される。
【００２３】
散乱ガンマ線の検出信号は、ガンマ線検出回路３１の増幅部４８によって増幅される。増幅部４８は、ガンマ線の検出に対応した信号をトリガ信号としてデータ取り込み部４１に出力する。データ取り込み部４１は、このトリガ信号を開始点として所定時間分の電気信号をすべて取り込む。ここで所定時間は電子収集器１１と電極１２の間隔をＤ、電子雲のドリフト速度をＶとしたとき、Ｄ／Ｖ以上となるように設定されるものとする。これにより１つの電子雲に対応した各電極線からの電気信号がすべて取り込まれる。データ取り込み部４１に取り込まれた電気信号から総電荷検出部４６によって１つの電子雲に対応する総電荷Ｑｅが算出される。さらに電子エネルギー算出部４７は、総電荷Ｑｅより個々の反跳電子のエネルギーＫｅを算出する。
【００２４】
さらにデータ取り込み部４１に取り込まれた電気信号は、トリガ信号を起点とする時間情報とセットにして飛跡座標計算部４２に出力される。飛跡座標計算部４２は、電子収集器１１で検出された電子雲の各部について、次のことを行う。検出した電子収集器１１の検出器（画素）の位置（Ｘ，Ｙ座標）と、トリガ信号を基準とするドリフト時間ΔＴとドリフト速度Ｖの積で求められる電子収集器１１に垂直な方向の位置（Ｚ座標）とを計算し、これらを基に電子雲各部の３次元位置データを生成する。
【００２５】
次にコンプトン散乱点算出部４３は、抽出された個々の電子雲の３次元位置データより、コンプトン散乱点Ｐｃの位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ座標）を算出する。図２に示すようにガンマ線は電極１２の側から入射するため、電子ドリフト領域１４内でコンプトン散乱により生じた反跳電子２３は電子収集器１１の方向に進行する。従って、電子雲２４の両端の位置データのうち電子収集器１１から遠い（Ｚ座標が大きい）方をコンプトン散乱点Ｐｃとする。また通過点算出部４４は、電子雲の３次元位置データより、コンプトン散乱点Ｐｃから所定の距離だけ離れた飛跡上にある通過点Ｐｔの位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ座標）を算出する。反跳方向ベクトル算出部４５は、これらのデータを基に、個々の電子雲についてコンプトン散乱点Ｐｃから通過点Ｐｔに向かう方向の単位ベクトルである反跳方向ベクトルｅを計算する。これをコンプトン散乱点Ｐｃのデータとともにガンマ線入射方向演算回路３２に送出する。
【００２６】
一方、ガンマ線検出回路３１の増幅部４８によって増幅された個々の散乱ガンマ線の検出信号は、ガンマ線吸収点算出部５０とガンマ線エネルギー算出部４９に入力される。ガンマ線吸収点算出部５０は、散乱ガンマ線が到達し検出された吸収点Ｐａの位置を算出し、データをガンマ線散乱方向ベクトル算出部５１に送出する。ガンマ線エネルギー算出部４９は、検出した散乱ガンマ線のエネルギーＥγを算出し、データをガンマ線入射方向演算回路３２に送出する。ガンマ線散乱方向ベクトル算出部５１は、コンプトン散乱点算出部４３からのコンプトン散乱点Ｐｃのデータと散乱ガンマ線の吸収点Ｐａのデータより、散乱ガンマ線の散乱方向ベクトルｇ（散乱方向の単位ベクトル）を算出する。そして、データをガンマ線入射方向演算回路３２に送出する。
【００２７】
ガンマ線入射方向演算回路３２は、個々のコンプトン散乱事象についての反跳電子のエネルギーＫｅ、散乱ガンマ線のエネルギーＥγ、電子の反跳方向ベクトルｅ、ガンマ線の散乱方向ベクトルｇをもとに、次のことを行う。即ち、以下の式（１）、（２）、（３）により入射ガンマ線の入射方向ベクトルｓ（入射方向の単位ベクトル）を算出する。なお式においてｍは電子の静止質量、ｃは光速である。以上のことを要すれば、次のようになる。第１の散乱放射線検出手段と第２の散乱放射線検出手段は、それぞれ、入射放射線が散乱体内で起こすコンプトン散乱により発生した散乱放射線のエネルギーと到達位置を検出する。電子収集器は、コンプトン散乱により発生した反跳電子の飛跡に沿って生じた電離電子を検出する。そして、演算回路３２は、散乱放射線のエネルギー及び到達位置と反跳電子のエネルギー及び飛跡における反跳方向との情報から入射放射線の入射方向を求める。以上の手順について、例えば、１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介して装置に供給し、その装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理で実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。
【００２８】
【数１−３】
2017096724.tif 000003
【００２９】
さらに画像再構成装置３３は複数のコンプトン散乱事象について、各入射ガンマ線の入射方向ベクトルｓとコンプトン散乱点Ｐｃのデータから放射線源４の放射線強度分布画像データを生成する。この画像データを用いて表示装置３は放射線の強度分布を濃淡や色の違いによって表示する。
【００３０】
（実施形態１）
本発明によるコンプトンカメラの実施形態１におけるガンマ線検出装置１について図４により説明する。本実施形態においてチャンバー１０は円柱状又は角柱状であり、その前面を放射線源４に向けて配置される。第１の散乱ガンマ線検出器１５ａと第２の散乱ガンマ線検出器１５ｂは、それぞれ、ガンマ線吸収部材１６としての光電吸収材料であるシンチレータと増幅器１７としての光電子増倍管とを組み合わせたユニットで構成されている。シンチレータ及び光電子増倍管は共に平面状に複数配列されている。チャンバー１０の側面に対向する４方向に第１の散乱ガンマ線検出器１５ａの４つのユニットが配置され、チャンバー１０の後面に対向して第２の散乱ガンマ線検出器１５ｂのユニットが配置される。電子ドリフト領域１４においてコンプトン散乱の結果発生した散乱ガンマ線はいずれかのシンチレータで光電吸収されて可視光に変換され、さらにこの可視光は光電子増倍管で電気信号に変換され増幅されて出力される。
【００３１】
図４では右方向をＸ方向、上方向をＺ方向、紙面に垂直な方向をＹ方向とし、ガンマ線検出装置１はＸＺ平面及びＹＺ平面に対して対称な形状とする。５はガンマ線検出装置１の有効視野（ＵＦＯＶ）であり、例えば最大感度の７５％以上の感度が得られる範囲と定義する。有効視野の中心Ｃ（面積重心）から電子ドリフト領域１４の中心Ｏ（容積中心）に向かう方向を基準入射方向Ｄｃとする。本実施形態においては基準入射方向ＤｃはＺ方向と同一である。また電子ドリフト領域１４の中心Ｏから第１の散乱ガンマ線検出器１５ａの各ユニットのガンマ線吸収部材１６の中心Ａに向かう方向を第１の方向Ｄａ、基準入射方向Ｄｃと第１の方向Ｄａの成す角を第１の角θａとする。さらに電子ドリフト領域１４の中心Ｏから第２の散乱ガンマ線検出器１５ｂのガンマ線吸収部材１６の中心Ｂに向かう方向を第２の方向Ｄｂ、基準入射方向Ｄｃと第２の方向Ｄｂの成す角を第２の角θｂとする。ただし本実施形態においては基準入射方向Ｄｃと第２の方向Ｄｂは同一なのでθｂ＝０°である。
【００３２】
次に第１の散乱ガンマ線検出器１５ａと第２の散乱ガンマ線検出器１５ｂを構成するガンマ線吸収部材１６について説明する。ガンマ線吸収部材１６に入射したＮ０個の光子のうちＮ１個が光電吸収されるとき、吸収効率はＮ１／Ｎ０とする。吸収効率が高いほど短時間で必要なデータを得ることができる。また散乱ガンマ線の光子１個がガンマ線吸収部材１６で光電吸収され検出可能なエネルギーＥ１に変換されたとき、検出感度はＥ１とする。検出感度が高いほど検出値が大きくＳ／Ｎが良いので精度が向上する。ここではこれらの吸収効率及び検出感度という２つの特性を総称して検出特性と呼ぶ。第１の散乱ガンマ線検出器１５ａと第２の散乱ガンマ線検出器１５ｂを構成するガンマ線吸収部材１６としてのシンチレータは吸収効率及び検出感度について最適な材料を選択することが望ましい。以下これについて説明する。
【００３３】
図５に、散乱体を１気圧のアルゴンガスとした場合のＺ方向を入射方向とするガンマ線の散乱特性の方向依存性を示す。本実施形態によるコンプトンカメラにおいて検出可能な入射ガンマ線のエネルギーＥ０は１００ｋｅＶ〜２０００ｋｅＶであるが、散乱方向の特性は入射ガンマ線のエネルギーＥ０により異なる。一例として、図５（ａ）はエネルギーＥ０＝８７１ｋｅＶ（放射性同位元素Ｔｃ−９４が放出するガンマ線）の特性を示し、図５（ｂ）はエネルギーＥ０＝１５９ｋｅＶ（放射性同位元素Ｉ−１２３が放出するガンマ線）の特性を示す。また図において各矢印は、ｇ０が入射ガンマ線（エネルギーＥ０）、ｅ１が反跳電子（エネルギーＫｅ＝５ｋＶの場合）、ｇ１が散乱ガンマ線（エネルギーＥγ＝Ｅ０−５ｋｅＶの場合）の方向を示す。また同じ入射ガンマ線ｇ０に対して、ｅ２が反跳電子（エネルギーＫｅ＝３０ｋＶの場合）、ｇ２が散乱ガンマ線（エネルギーＥγ＝Ｅ０−３０ｋｅＶの場合）の方向を示す。また矢印の長さは各ガンマ線（光子）又は反跳電子の運動量を表している。曲線ｐはコンプトン散乱の微分散乱断面積であり、コンプトン散乱点Ｐｃから曲線ｐ上の点までの長さは、その方向の単位立体角にガンマ線が散乱される確率の大きさを表している（クライン−仁科の公式による計算結果）。
【００３４】
前述したように、電子収集器１１で検出可能な反跳電子のエネルギーＫｅは５ｋｅＶ〜３０ｋｅＶの範囲である。この範囲に対応した有効な散乱ガンマ線の散乱の方向は矢印ｇ１と矢印ｇ２の間にあり、曲線ｐ上に太線ｐ’で表す範囲である。この範囲外に散乱されるガンマ線は、対応する反跳電子のエネルギーＫｅが５ｋｅＶよりも小さいか、又は３０ｋｅＶよりも大きく、検出できないため無効となる。なお図はＸＺ平面のみ描いたが、実際の散乱はＺ軸の回りに等確率で発生する（曲線ｐをＺ軸まわりに回転した３次元曲面となる）。
【００３５】
また図の（ａ）と（ｂ）の比較により入射ガンマ線のエネルギーＥ０が大きいほど有効な（矢印ｇ１と矢印ｇ２の間の範囲の）散乱ガンマ線の入射ガンマ線（矢印ｇ０）に対する散乱角は小さくなることが理解される。ちなみに図の（ａ）において入射ガンマ線（Ｅ０＝８７１ｋｅＶ、矢印ｇ０）に対して成す角は、散乱ガンマ線（矢印ｇ１）が４．７°であり、散乱ガンマ線（矢印ｇ２）が１１．７°である。また図の（ｂ）において入射ガンマ線（Ｅ０＝１５９ｋｅＶ、矢印ｇ０）に対して成す角は、散乱ガンマ線（矢印ｇ１）が２６．４°であり、散乱ガンマ線（矢印ｇ２）が７５．４°である。
【００３６】
ここで第１の散乱ガンマ線検出器１５ａのガンマ線吸収部材１６は、低エネルギーの入射ガンマ線（例えばＥ０＝１５９ｋｅＶ）が散乱される割合が高い方向に配置する。また、第２の散乱ガンマ線検出器１５ｂのガンマ線吸収部材１６は、高エネルギーの入射ガンマ線（例えばＥ０＝８７１ｋｅＶ）が散乱される割合が高い方向に配置する。その結果、図４に示すように第１の角θａは第２の角θｂよりも大きい。第１の角θａは、第１の散乱ガンマ線検出器１５ａの各ガンマ線吸収部材１６が配置される第１の方向Ｄａと基準入射方向Ｄｃが成す角である。第２の角θｂは、第２の散乱ガンマ線検出器１５ｂのガンマ線吸収部材１６が配置される第２の方向Ｄｂと基準入射方向Ｄｃが成す角である。
【００３７】
一般的にガンマ線の特性としてエネルギーが低いと光電吸収材料での吸収効率は高いが検出感度は低く、逆にエネルギーが高いと光電吸収材料での吸収効率は低いが検出感度は高くなる。従って、ガンマ線のエネルギーの高低によらずに十分な吸収効率と十分な検出感度を両立するためには、次のようにするのが望ましい。即ち、ガンマ線吸収部材として、低エネルギーの散乱ガンマ線が到達する割合が高い第１の散乱ガンマ線検出器１５ａは検出感度の高い光電吸収材料を選択する。そして、ガンマ線吸収部材として、高エネルギーの散乱ガンマ線が到達する割合が高い第２の散乱ガンマ線検出器１５ｂは吸収効率が高い光電吸収材料を選択する。散乱ガンマ線の入射角が異なるとガンマ線吸収部材を貫く長さが変わるので吸収効率は変わるが、この変動は許容範囲内であり、検出感度は入射角や貫通距離には依存しない。
【００３８】
一般的に光電吸収材料は密度が大きいほど吸収効率が高い。またシンチレータの発光量は検出感度に対応する。表１に、いくつかの代表的な光電吸収材料であるシンチレータと半導体材料ＣＺＴ（ＣｄＺｎＴｅ）の特性を比較して示す。
【００３９】
【表１】
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【００４０】
本実施形態においては、第１の散乱ガンマ線検出器１５ａのガンマ線吸収部材１６として、密度は他よりも小さいが発光量が大きく検出感度が高いシンチレータＮａＩ：Ｔｌ又はＬａＢｒ３を選択する。また第２の散乱ガンマ線検出器１５ｂのガンマ線吸収部材１６として、発光量は他よりも小さいが密度が大きく吸収効率が高いシンチレータを選択する。列挙すると、ＢＧＯ（Ｂｉ４Ｇｅ３Ｏ１２）、ＧＳＯ（Ｇｄ２ＳｉＯ５：Ｃｅ）、ＬＧＳＯ（ＬｕＸＧｄ２−ＸＳｉＯ５：Ｃｅ）、又はＬＳＯ（Ｌｕ２ＳｉＯ５：Ｃｅ）である。
【００４１】
これにより低エネルギーの入射ガンマ線は、高い割合で第１の散乱ガンマ線検出器１５ａにより高い吸収効率かつ高い検出感度で検出できる。また、高エネルギーの入射ガンマ線は、高い割合で第２の散乱ガンマ線検出器１５ｂにより高い吸収効率かつ高い検出感度で検出できる。このように、入射ガンマ線のエネルギーの高低によらずに十分な吸収効率と十分な検出感度を両立することができる。つまり、単一の放射線検出装置であっても、例えば１００ｋｅＶ〜２０００ｋｅＶの広いエネルギー範囲に亘って比較的短時間の計測で検出が可能となる。従って、この単一の放射線検出装置を含むコンプトンカメラであっても、比較的広いエネルギー範囲に亘って比較的短時間の計測で高分解能のイメージングを実現することができる。
【００４２】
なお上記の例においては散乱ガンマ線検出器の種類は２としたが、３以上の異なるエネルギーのガンマ線に対応して、使用する散乱ガンマ線検出器の種類を３以上とすることも可能である。例えば、図４で第１の散乱ガンマ線検出器１５ａの下方（角度がθａよりもさらに大きい）に散乱ガンマ線検出器を追加すれば、さらに低エネルギーのガンマ線に対応することができる。
【００４３】
（実施形態２）
本発明によるコンプトンカメラの実施形態２におけるガンマ線検出装置１について図６により説明する。本実施形態において、第１の散乱ガンマ線検出器１５ａと第２の散乱ガンマ線検出器１５ｂの配置を除く構成は第１の実施形態と同一であるので説明は省略する。
【００４４】
チャンバー１０の後面に対向して、第１の散乱ガンマ線検出器１５ａの２つのユニットと第２の散乱ガンマ線検出器１５ｂの２つのユニットが配置される。本実施形態でも、電子ドリフト領域１４の中心Ｏから第１の散乱ガンマ線検出器１５ａの各ユニットのガンマ線吸収部材１６の中心Ａに向かう方向を第１の方向Ｄａ、基準入射方向Ｄｃと第１の方向Ｄａの成す角を第１の角θａとする。さらに電子ドリフト領域１４の中心Ｏから第２の散乱ガンマ線検出器１５ｂの各ユニットのガンマ線吸収部材１６の中心Ｂに向かう方向を第２の方向Ｄｂ、基準入射方向Ｄｃと第２の方向Ｄｂの成す角を第２の角θｂとする。
【００４５】
ここで第１の散乱ガンマ線検出器１５ａのガンマ線吸収部材１６は、低エネルギーの入射ガンマ線（例えばＥ０＝１５９ｋｅＶ）が散乱される割合が高い方向に配置する。また、第２の散乱ガンマ線検出器１５ｂのガンマ線吸収部材１６は、高エネルギーの入射ガンマ線（例えばＥ０＝８７１ｋｅＶ）が散乱される割合が高い方向に配置する。従って、第１の角θａは第２の角θｂよりも大きい。ここで、第１の角θａは、第１の散乱ガンマ線検出器１５ａの各ガンマ線吸収部材１６が配置される第１の方向Ｄａと基準入射方向Ｄｃが成す角である。第２の角θｂは、第２の散乱ガンマ線検出器１５ｂの各ガンマ線吸収部材１６が配置される第２の方向Ｄｂと基準入射方向Ｄｃが成す角である。
【００４６】
さらに本実施形態においても、第１の散乱ガンマ線検出器１５ａのガンマ線吸収部材１６として、密度は他よりも小さいが発光量が大きく検出感度が高いシンチレータＮａＩ：Ｔｌ又はＬａＢｒ３を選択する。また、第２の散乱ガンマ線検出器１５ｂのガンマ線吸収部材１６として、発光量は他よりも小さいが密度が大きく吸収効率が高いシンチレータを選択する。列挙すると、ＢＧＯ（Ｂｉ４Ｇｅ３Ｏ１２）、ＧＳＯ（Ｇｄ２ＳｉＯ５：Ｃｅ）、ＬＧＳＯ（ＬｕＸＧｄ２−ＸＳｉＯ５：Ｃｅ）、又はＬＳＯ（Ｌｕ２ＳｉＯ５：Ｃｅ）である。
【００４７】
これにより、低エネルギーの入射ガンマ線は高い割合で第１の散乱ガンマ線検出器１５ａにより高い吸収効率かつ高い検出感度で検出できる。また、高エネルギーの入射ガンマ線は高い割合で第２の散乱ガンマ線検出器１５ｂにより高い吸収効率かつ高い検出感度で検出できる。このように、入射ガンマ線のエネルギーの高低によらずに十分な吸収効率と十分な検出感度を両立することができる。
【００４８】
（実施形態３）
本発明によるコンプトンカメラの実施形態３におけるガンマ線検出装置１について図７により説明する。本実施形態において、第１の散乱ガンマ線検出器１５ａを除く構成は第１の実施形態と同一であるので説明は省略する。
【００４９】
本実施形態においては、第１の散乱ガンマ線検出器１５ａは、ガンマ線吸収部材１６として半導体素子、増幅器１７として２次元配列した多数の電子増幅素子を含むユニットで構成される。チャンバー１０の側面に対向する４方向に第１の散乱ガンマ線検出器１５ａの４つのユニットが配置される。電子ドリフト領域１４において、コンプトン散乱の結果発生した散乱ガンマ線は半導体素子で光電吸収されて直接電気信号に変換され、さらに電子増幅素子で増幅して出力される。
【００５０】
また第２の散乱ガンマ線検出器１５ｂは、ガンマ線吸収部材１６としての光電吸収材料であるシンチレータ、増幅器１７として光電子増倍管を含むユニットで構成されている。シンチレータ及び光電子増倍管は共に平面状に複数配列されている。チャンバー１０の後面に対向して第２の散乱ガンマ線検出器１５ｂのユニットが配置される。散乱ガンマ線はシンチレータで光電吸収して可視光に変換され、さらにこの可視光は光電子増倍管で検出され電気信号として出力される。
【００５１】
ここで第１の散乱ガンマ線検出器１５ａのガンマ線吸収部材１６は、低エネルギーの入射ガンマ線（例えばＥ０＝１５９ｋｅＶ）が散乱される割合が高い方向に配置される。また、第２の散乱ガンマ線検出器１５ｂのガンマ線吸収部材１６は、高エネルギーの入射ガンマ線（例えばＥ０＝８７１ｋｅＶ）が散乱される割合が高い方向に配置される。従って、第１散乱ガンマ線検出器１５ａの各ガンマ線吸収部材１６配置の第１方向Ｄａと基準入射方向Ｄｃが成す第１の角θａは、第２散乱ガンマ線検出器１５ｂのガンマ線吸収部材１６配置の第２方向Ｄｂと基準入射方向Ｄｃが成す第２の角θｂよりも大きい。
【００５２】
さらに本実施形態においては、第１の散乱ガンマ線検出器１５ａのガンマ線吸収部材１６として光電吸収材料である半導体材料ＣＺＴ（ＣｄＺｎＴｅ）を選択する。ＣＺＴは表１に示したように密度はＬＳＯやＧＳＯなどよりも小さいが、ガンマ線の光子を直接電気信号に変換できるので検出感度が高く、またエネルギー分解能が高いという特徴を持つ。また第２の散乱ガンマ線検出器１５ｂのガンマ線吸収部材１６として、密度が大きく吸収効率が高いシンチレータを選択する。列挙すると、ＢＧＯ（Ｂｉ４Ｇｅ３Ｏ１２）、ＧＳＯ（Ｇｄ２ＳｉＯ５：Ｃｅ）、ＬＧＳＯ（ＬｕＸＧｄ２−ＸＳｉＯ５：Ｃｅ）、又はＬＳＯ（Ｌｕ２ＳｉＯ５：Ｃｅ）である。
【００５３】
故に、低エネルギーの入射ガンマ線は高い割合で第１散乱ガンマ線検出器１５ａにより高い吸収効率かつ高い検出感度で検出でき、また高エネルギーの入射ガンマ線は高い割合で第２散乱ガンマ線検出器１５ｂにより高い吸収効率かつ高い検出感度で検出できる。このように、入射ガンマ線のエネルギーの高低によらずに十分な吸収効率と十分な検出感度を両立することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１・・ガンマ線検出装置（放射線検出装置）、２・・信号処理装置、３・・表示装置、４・・放射線源、５・・有効視野、１１・・電子収集器、１２・・電極、１４・・電子ドリフト領域、１５ａ・・第１の散乱ガンマ線検出器（第１の散乱放射線検出手段）、１５ｂ・・第２の散乱ガンマ線検出器（第２の散乱放射線検出手段）、１６・・ガンマ線吸収部材（放射線吸収部材）、２１・・入射ガンマ線（（入射放射線）、Ｄｃ・・基準入射方向
【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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