(57)【要約】【課題】放射線照射角度に起因する本質的な解像度低下の問題を改善し、全域において優れた解像度特性を有する放射線検出装置12を提供する。【解決手段】放射線検出パネル23は、複数の光電変換素子33を形成した光検出器22と、光検出器22の表面にシンチレータ材36を形成した蛍光体膜部21とを備える。シンチレータ材36には、光検出器22の面方向に複数の柱状結晶体38が形成する。シンチレータ材36の膜厚が放射線検出パネル23の中央部40より周辺部41が薄く、かつ、放射線検出パネル23の周辺部41におけるシンチレータ材36の膜厚をＴ、放射線入射角度をθ、光電変換素子33のピッチをＰとしたときに、Ｔ≦０．２×Ｐ／ｔａｎθの関係を有する。シンチレータ材36の周辺部41の膜厚を放射線入射角度と光電変換素子33のピッチとにより規定される範囲内とし、周辺部41での放射線入射方向の傾きによる解像度の低下と画像歪を抑制する。【選択図】図１
2009236705.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に複数の光電変換素子が形成された光検出器と、この光検出器の面方向に複数の柱状結晶体が形成されたシンチレータ材により構成される蛍光体膜部とを含む放射線検出パネルを備え、
前記シンチレータ材の膜厚が前記放射線検出パネルの中央部より周辺部が薄く、かつ、前記放射線検出パネルの周辺部におけるシンチレータ材の膜厚をＴ、放射線入射角度をθ、前記光電変換素子のピッチをＰとしたときに、Ｔ≦０．２×Ｐ／ｔａｎθの関係を有する
ことを特徴とする放射線検出装置。
【請求項２】
表面に複数の光電変換素子が形成された光検出器と、この光検出器の面方向に複数の柱状結晶体が形成されたシンチレータ材により構成される蛍光体膜部とを含む放射線検出パネルを備え、
前記シンチレータ材の膜厚が前記放射線検出パネルの中央部より周辺部が薄く、かつ、前記放射線検出パネルの周辺部におけるシンチレータ材の膜厚をＴ、前記光電変換素子のピッチをＰとしたときに、Ｔ≦２×Ｐの関係を有する
ことを特徴とする放射線検出装置。
【請求項３】
光検出器の光電変換素子は、薄膜半導体にて形成されている
ことを特徴とする請求項１または２記載の放射線検出装置。
【請求項４】
光検出器の光電変換素子は、結晶半導体にて形成されている
ことを特徴とする請求項１または２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、放射線を検出する放射線検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、放射線として特にＸ線を光に変換する蛍光体膜部と、その光を電気信号に変換する光電変換素子部とをその構成要素として含む放射線検出装置が実用化されてきている。
【０００３】
これは、放射線検出装置全体の小型軽量化に貢献するとともに、放射線を介した検査対象物からの画像情報を放射線検出装置によりデジタル電気情報に変換し、デジタル画像処理、デジタル画像保存などデジタル情報処理の多くの利便性を享受することができるためである。
【０００４】
放射線検出装置は、患者診断や治療に使用する医療用や歯科用、非破壊検査などの工業用、構解析などの科学研究用など広い分野で使われつつある。それぞれの分野において、デジタル情報処理による高精度な画像抽出、高速度な画像検出が可能となることにより、不要な放射線被爆量の低減や、迅速な検査、診断などの効果が期待できる。
【０００５】
この放射線検出装置の蛍光体膜部には、従来のＸ線イメージ管で用いられているＣｓおよびＩを主成分とするシンチレータ材の技術を転用することが多い。これは、主成分であるヨウ化セシウム（以下ＣｓＩ）が柱状結晶を成すため、他の粒子状結晶からなるシンチレータ材に比較し、光ガイド効果による感度および解像度の向上を成すことができるためである。例えば、タリウム（以下Ｔｌ）などをドープしたＣｓＩは、Ｘ線を吸収し、略５５０ｎｍに中心波長を有する緑色の蛍光を発光する。そして、その光の多くはＣｓＩの柱状結晶中を伝播する。さらに、柱状結晶端に近接する光電変換素子にて、その発光量を読み取るのである。
【０００６】
また、従来のＸ線イメージ管では、真空管内の電子レンズ構成を必要としたため、大きく重い装置となったが、この放射線検出装置では、光電変換素子を有する光検出器を、より薄く、より軽量な半導体平面検出器として構成できる。例えば、ガラス基板上にアモルファスシリコンなどからなる薄膜半導体にて光電変換素子を２次元に配置形成して、光検出器を構成する。また、結晶シリコンからなる半導体光センサを、支持基板上に１または複数個配列して、光検出器を構成することもできる。何れの構成にしても、従来のＸ線イメージ管よりも薄く軽量な放射線検出装置が構成できる。
【０００７】
さらに、光検出器は２次元平面上に光電変換素子を配列し、その検出信号を画像として読み込むことから、画像の歪も無く、デジタル画像処理にも最適であり、かつＸ線写真乾板と類似の画像を直接的に電気信号として取得できるなどと特徴を有している。
【０００８】
上述したような特徴から、ＣｓＩなどの柱状結晶をシンチレータ材とし、光検出器を半導体平面検出器にて構成した放射線検出パネルや、それを利用した放射線検出装置の開発が行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
また、シンチレータ材を別の基板上に形成したシンチレータパネルを光検出器に貼り付け、放射線検出パネルの開発も行われている。
【００１０】
しかしながら、このように優れた画像を取得できる放射線検出パネルであるが、放射線検出装置に組み込み、放射線発生源と組み合せて放射線検査装置を構成した場合には、放射線照射角度の関係から、放射線検出パネルの中央部より周辺部の解像度が低下するという問題が内在する。
【００１１】
この問題は、放射線発生源と放射線検出装置との位置関係から、放射線検出パネルの周辺部では放射線の入射角が垂直からずれてくることに起因する。したがって、この問題を解決するためには、シンチレータ材の改善が必要である。
【００１２】
放射線検出パネルの中央部と周辺部とでシンチレータ材の構造を変更した従来例としては、柱状結晶のシンチレータ材を成膜したシンチレータパネルを光検出器に貼り付けて構成した放射線検出パネルにおいて、中央部の結晶径よりも周辺部の結晶径を太くした例がある（例えば、特許文献２参照）。
【００１３】
しかし、この事例の目的は機械的な貼付強度を確保することが目的であり、むしろ周辺部では結晶径の増加により解像度が低下する傾向にある。
【００１４】
また、放射線検出パネルの周辺部での結晶径の増加に伴う解像度低下を補うため、結晶長（結晶丈）について言及しているものの、放射線照射角度に起因する本質的な解像度低下の改善策ではない。
【特許文献１】特開２０００−１３１４４４号公報（第４頁、図１）
【特許文献２】特開２００３−６６１４７号公報（第３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
従来技術では、放射線検出装置を、放射線発生源と組み合せて放射線検査装置を構成した場合に生じる、放射線照射角度に起因し、放射線検出パネルの中央部より周辺部の解像度が低下するという問題を解決できない。
【００１６】
本発明は、上述のような問題点を鑑みてなされたもので、放射線照射角度に起因する本質的な解像度低下の問題を改善し、全域において優れた解像度特性を有する放射線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】
【００１７】
本発明は、表面に複数の光電変換素子が形成された光検出器と、この光検出器の面方向に複数の柱状結晶体が形成されたシンチレータ材により構成される蛍光体膜部とを含む放射線検出パネルを備え、前記シンチレータ材の膜厚が前記放射線検出パネルの中央部より周辺部が薄く、かつ、前記放射線検出パネルの周辺部におけるシンチレータ材の膜厚をＴ、放射線入射角度をθ、前記光電変換素子のピッチをＰとしたときに、Ｔ≦０．２×Ｐ／ｔａｎθの関係を有するものである。
【００１８】
また、本発明は、表面に複数の光電変換素子が形成された光検出器と、この光検出器の面方向に複数の柱状結晶体が形成されたシンチレータ材により構成される蛍光体膜部とを含む放射線検出パネルを備え、前記シンチレータ材の膜厚が前記放射線検出パネルの中央部より周辺部が薄く、かつ、前記放射線検出パネルの周辺部におけるシンチレータ材の膜厚をＴ、前記光電変換素子のピッチをＰとしたときに、Ｔ≦２×Ｐの関係を有するものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、シンチレータ材の膜厚が放射線検出パネルの中央部より周辺部が薄く、かつ、放射線検出パネルの周辺部におけるシンチレータ材の膜厚をＴ、放射線入射角度をθ、光電変換素子のピッチをＰとしたときに、Ｔ≦０．２×Ｐ／ｔａｎθの関係を有し、シンチレータ材の周辺部の膜厚を放射線入射角度と光電変換素子のピッチとにより規定される範囲内に形成するため、放射線照射角度に起因する本質的な解像度低下の問題を改善し、全域において優れた解像度特性を有する放射線検出装置を得ることができる。
【００２０】
また、本発明によれば、シンチレータ材の膜厚が放射線検出パネルの中央部より周辺部が薄く、かつ、放射線検出パネルの周辺部におけるシンチレータ材の膜厚をＴ、光電変換素子のピッチをＰとしたときに、Ｔ≦２×Ｐの関係を有し、シンチレータ材の周辺部の膜厚を放射線入射角度と光電変換素子のピッチとにより規定される範囲内に形成するため、放射線照射角度に起因する本質的な解像度低下の問題を改善し、全域において優れた解像度特性を有する放射線検出装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００２２】
図３は放射線検出装置を用いた放射線検査装置の配置例を示す模式図である。
【００２３】
この放射線検査装置は、放射線発生源としてのＸ線発生源11と、放射線検出装置12とが、検査対象となる人体などの検査体13を挟み対向した配置を取っている。
【００２４】
Ｘ線発生源11からは、円錐状に放射線としてのＸ線14が放射される。このＸ線発生源11より放射されたＸ線14は、検査体13を透過し、検査体13の各部位のＸ線吸収量に応じた陰影情報を放射線検出装置12に入射する。
【００２５】
また、最善の画像特性を得るために、この放射されたＸ線14の中心軸は、放射線検出装置12の中心に略一致し、かつ放射線検出装置12の入力面に垂直に入射するように放射線検査装置を構成する。
【００２６】
図３に示したように、Ｘ線14の中心軸は放射線検出装置12の入力面の中心に略垂直に入射するが、周辺部になるに従い、垂直からずれ、幾何学的な角度をもって入射する。
【００２７】
例えば、Ｘ線発生源11と放射線検出装置12との間隔を１ｍ、放射線検出装置12の放射線検出領域の幅を４０ｃｍとすると、周辺領域でのＸ線14の入射角は法線に対して約１１度となる。即ち、ｔａｎθ＝２０ｃｍ÷１ｍ、θ≒１１度の関係にある。
【００２８】
また、Ｘ線発生源11と放射線検出装置12との間隔を２ｍに離した場合には、周辺領域でのＸ線14の入射角は法線に対して約５．７度となる。
【００２９】
このように、Ｘ線14は放射線検出装置12の入力面の中心では略垂直に入射するが、周辺部になるに従い斜めに入射する。
【００３０】
次に、図４は放射線検出装置12の断面図である。
【００３１】
放射線検出装置12は、少なくとも、Ｘ線14を吸収し蛍光発光するシンチレータ材を含む蛍光体膜部21およびその蛍光を検出する光検出器22とを含む放射線検出パネル23、回路基板24、それら内蔵する筐体25から構成されている。
【００３２】
ここで、回路基板24は、放射線検出パネル23を駆動し、かつその放射線検出パネル23からの信号出力を処理する機能を持つものである。なお、ここには記載されていないが、回路基板24にて処理された信号を外部に出力し、さらに画像処理を行う場合もある。
【００３３】
次に、図１は放射線検出パネル23の一部を拡大した断面図である。
【００３４】
光検出器22は、例えば０．７ｍｍ厚の低アルカリ性のガラス基板31上に、薄膜半導体32にて光電変換素子33が形成されている。例えば、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）などにより成膜した水素化アモルファスシリコン膜や水素化アモルファス窒化シリコン膜と、スパッタ法などにより成膜した金属薄膜および透明導電膜とを基材に、フォトリソグラフィ法を用いて光電変換素子33が形成されている。
【００３５】
また、蛍光体膜部21は、光検出器22の薄膜半導体32上に形成されており、光検出器22の薄膜半導体32上に形成されたシンチレータ材36と光検出器22と反対のＸ線14の入射側に形成された反射膜37とから構成されている。
【００３６】
シンチレータ材36には、ＣｓＩにＴｌを添加した材料が用いられ、光検出器22の表面の面方向に複数の柱状結晶体38が形成されている。この柱状結晶体38は蒸着法により例えば６００μｍの厚さで膜状に形成され、柱状結晶体38の方向は光検出器22の表面に略垂直な方向とされている。なお、放射線検出装置12用としては、ＣｓＩ膜厚は１００μｍから１０００μｍの範囲が用いられ、より適切には、２００μｍから８００μｍの範囲から、所望の感度と画像解像度に合せて設定する。ＣｓＩ柱状結晶体の径は３μｍから２０μｍほどで形成され、通常は５μｍから１５μｍの範囲が多い。
【００３７】
ここで微量のＴｌを添加した理由は、光電変換素子33の感度波長に適当な緑色の発光を得るためである。ＣｓＩにＴｌを添加したシンチレータ材36は、Ｘ線14を吸収し、約５５０ｎｍにピーク波長を持つ緑色の蛍光39を生じる。添加する元素を変えることにより、蛍光39の波長特性を変えることができる。この蛍光39の波長は、光電変換素子33の感度特性に合わせて選択すればよい。なお、本例のように緑色の蛍光39を生じる添加元素としてはＴｌの他にＣｕなどが報告されている。
【００３８】
シンチレータ材36の柱状結晶体38の膜厚は、シンチレータ材36（放射線検出パネル23）の中央部40では従来同様に光検出器22上に所定の膜厚に形成され、一方、シンチレータ材36（放射線検出パネル23）の周辺部41では光電変換素子33のピッチとＸ線14の入射角度とにより規定される膜厚範囲内に形成されている。これはシンチレータ材36の周辺部41でのＸ線14の入射方向の傾きによる解像度の低下と画像歪をより抑制するためである。
【００３９】
シンチレータ材36の中央部40ではＸ線14は垂直に入射するため、シンチレータ材36のＸ線14の吸収と蛍光39の発光は同一または近接の柱状結晶体38内で発生し、この蛍光39は柱状結晶体38の光ガイド効果により、対応する光電変換素子33に導かれる。また、光電変換素子33とは反対方向に伝達した蛍光39も反射膜37で反射し、柱状結晶体38の光ガイド効果により、対応する光電変換素子33に導かれる。このように、検査体13を通したＸ線14の情報は解像度を保持したまま光電変換素子33に伝えられる。
【００４０】
一方、シンチレータ材36の周辺部41ではＸ線14がシンチレータ材36に斜めに入射してくるが、図１に示すように、シンチレータ材36の周辺部41では光電変換素子33のピッチとＸ線14の入射角度とにより規定される膜厚範囲に形成されているため、入射するＸ線14の入射角度による各柱状結晶体38の横断距離を抑制し、シンチレータ材36の周辺部41における、シンチレータ材36のＸ線14の吸収による蛍光39の発光領域の拡大、すなわちボケ範囲を抑制することができる。そして、この蛍光39が柱状結晶体38の光ガイド効果により、対応する光電変換素子33に導かれることにより、放射線検出パネル23の周辺部41においても、中央部40に近い、検査体13の解像度情報を得ることができる。
【００４１】
確かに、シンチレータ材36の中央部40と周辺部41では膜厚差が生じるため、蛍光39の違いが生じるが、これは後段の電気的な増幅処理により補完することができる。他方、蛍光39のプロセスにおける解像度の低下は、情報量そのものの欠落のため後段の電気的な信号処理で補完することは困難である。この観点から、本発明では優先して解像度情報の低下抑制を目指した。
【００４２】
それに対して、図６に、シンチレータ材36の柱状結晶体38の膜厚を、シンチレータ材36の中央部40および周辺部41とも同じとした比較例を示すように、シンチレータ材36の周辺部41に入射するＸ線14が多数の柱状結晶体38を横断するため、各柱状結晶体38において蛍光39が発生し、それぞれの蛍光39が各柱状結晶体38毎に対応する光電変換素子33に伝達されることになる。この結果、放射線検出パネル23の周辺部41において解像度の低下や放射状の画像歪が大きくなる危険性があった。
【００４３】
以下、解像度とシンチレータ材36の膜厚および光電変換素子33の幅との関係について、図２を用いて説明する。
【００４４】
解像度の指標として簡易的なＣＴＦ（Contrast Transfer Function）を用いて説明する。なお、簡単にモデル化するため、シンチレータ材36におけるＸ線14による蛍光39の発光量は一様とする。
【００４５】
Ｘ線14の有無がそれぞれ一定長Ｌで繰り返される場合を考えると、シンチレータ材36の中央部40における蛍光39の発光の段階ではＣＴＦ＝（ＭＡＸ−ＭＩＮ）÷（ＭＡＸ＋ＭＩＮ）は略１００％である。ここで、ＭＡＸはＸ線14の入射状態における蛍光39の発光である。Ｘ線14が入射しない箇所では蛍光39の発光が無いので、ＭＩＮはゼロとなる。
【００４６】
実際の信号は、この蛍光39を光電変換素子33が受光し、電気信号に変換されるため、解像度には光電変換素子33のピッチＰが重ね合わされることになる。
【００４７】
シンチレータ材36の中央部40のように、略垂直にＸ線14が入射する場合には、光電変換素子33のピッチＰが最大の分解能となるが、シンチレータ材36の周辺部41のように、Ｘ線14が斜めに入射する場合には、その分解能は低下する。
【００４８】
ちょうど、入射するＸ線14の繰返し長Ｌが光電変換素子33のピッチＰとが等しい場合の例を、ＣＴＦを用いて計算してみると、垂直入射の場合の最大ＣＴＦは１００％となる。他方、斜め入射の場合の最大ＣＴＦは、Ｘ線14の横断幅をＨとすると、｛（Ｌ−Ｈ／２）÷Ｌ｝×１００％となる。
【００４９】
ここでＸ線14の横断幅Ｈはシンチレータ材36の膜厚ＴとＸ線14の入射角度θにより、Ｈ＝Ｔ×ｔａｎθと表せることから、最大ＣＴＦは｛（Ｌ−Ｔ×ｔａｎθ／２）÷Ｌ｝×１００％となる。
【００５０】
即ち、光電変換素子33のピッチの分解能が最大の解像度であるが、周辺部41では斜めからのＸ線14の入射により解像度の低下が生じ、その低下量は最大ＣＴＦの値において−Ｔ×ｔａｎθ／（２×Ｌ）×１００％となる。
【００５１】
従って、画質の低下を抑えるため低下量を１０%以下とすれば、光電変換素子幅Ｐ＝Ｌとシンチレータ材36の膜厚Ｔとは次の条件が必要である。
【００５２】
Ｔ≦０．２×Ｐ／ｔａｎθ
【００５３】
例えば前述のように、Ｘ線発生源11と放射線検出装置12との間隔を２ｍ、放射検出装置12の放射線検出領域の幅を４０ｃｍとすると、放射線検出装置12の周辺領域でのＸ線14の入射角度は法線に対して約５．７度となる。
【００５４】
即ち、ｔａｎθ＝１０ｃｍ÷１ｍ、θ≒５．７度であるから、上記の条件は、
Ｔ≦２×Pとなる。
【００５５】
通常、放射線検出装置12の光電変換素子33のピッチＰは１００〜２００μｍの値とする。この場合、放射線検出装置12のシンチレータ材36の膜厚Ｔは周辺部41においてＴ≦２×Ｐを満たし、２００〜４００μｍ以下に抑えることが望ましい。
【００５６】
図６に示した構造では、シンチレータ材36の周辺部41において斜め入射となるＸ線14により解像度の低下が生じる。
【００５７】
それに対し、図１に示したように、シンチレータ材36の周辺部41の膜厚を、光電変換素子33のピッチとＸ線14の入射角度とにより規定される膜厚範囲内に形成することにより、周辺部41でのＸ線14の入射方向の傾きによる解像度の低下と画像歪を実効的に抑制することができる。そして、放射線検出パネル23の周辺部41においても、中央部40に近い、検査体13の解像度情報を得ることができる。
【００５８】
また、本実施の形態では、シンチレータ材36としてＣｓＩを蒸着法により成膜したものを用いている。図５は、シンチレータ材36にＣｓＩを使用した場合の蒸着法の一例について摸式的に示している。
【００５９】
ＣｓＩ材料を坩堝51に入れ、真空チャンバー52内にて加熱し、坩堝51に対向するように設置した光検出器22上へ蒸着する。
【００６０】
ＣｓＩ膜にＴｌを添加するためには、通常、坩堝51を２種類以上用い、ＣｓＩ蒸着用とＴｌ蒸着用に分けて行う２源蒸着法を行う。本例の場合もこの２源蒸着法を適用する。
【００６１】
ＣｓＩを蒸着する光検出器22を真空チャンバー52内に設置するためには、基板固定ホルダ53を用いて光検出器22のシンチレータ材36の蒸着面を坩堝51の方向に配置する。基板固定ホルダ53は回転運動できる構造であり、ＣｓＩ成膜中に所定の速度にて回転運動させる。
【００６２】
更に、狙いの膜厚分布を達成するために、坩堝51を複数配置し、光検出器22の蒸着面上へのＣｓＩおよびＴｌ元素の入射量を調整する。
【００６３】
ＣｓＩの柱状結晶の成長を調整する主要素としては、ＣｓＩ成膜中の光検出器22の加熱温度、真空チャンバー52内の真空度または真空チャンバー52内に微量導入する不活性ガス圧、坩堝51から蒸発したＣｓＩなどの蒸発量と蒸発元素の光検出器22の表面への入射ベクトル、そして各坩堝51と光検出器22の蒸着面との距離である。
【００６４】
これら主要素のうち、シンチレータ材36の柱状結晶成長方向を調整する要素としては、不活性ガス圧と蒸発元素の入射ベクトルがある。不活性ガス圧は、蒸発元素の散乱により光検出器22の蒸着面への等方性を上げ、結果的には柱状結晶体38の垂直方向の成長を促す。蒸発元素の入射ベクトルは、入射ベクトル方向の成長を促す。入射ベクトルは、図５の矢印が示すように、坩堝51と光検出器22の蒸着面との相対位置関係による。
【００６５】
一方、シンチレータ材36の膜厚を調整する要素は、各坩堝51と光検出器22の蒸着面との距離である。
【００６６】
従って、所定の膜厚分布を形成するため、上述のように、坩堝51を複数配置し、光検出器22の蒸着面上へのＣｓＩおよびＴｌ元素の入射量を調整している。
【００６７】
なお、本実施の形態では、ガラス基板31上に薄膜半導体32を成膜して光検出器22を形成したが、この構造に限定されるものではない。例えば、光検出器22としては、結晶シリコンを基にしたＣＣＤやＣＭＯＳなどの結晶半導体にて光電変換素子を１つまたは複数個配列して構成したものでも、同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の一実施の形態を示す放射線検出装置の放射線検出パネルの一部を拡大した断面図である。
【図２】同上放射線検出装置の周辺部へのＸ線入射状態を示す模式図である。
【図３】同上放射線検出装置を用いた放射線検査装置の配置例を示す模式図である。
【図４】同上放射線検出装置の断面図である。
【図５】同上放射線検出装置の製造方法を示す模式図である。
【図６】比較例の放射線検出装置の一部の断面図である。
【符号の説明】
【００６９】
12    放射線検出装置
14    放射線としてのＸ線
21    蛍光体膜部
22    光検出器
23    放射線検出パネル
32    薄膜半導体
33    光電変換素子
36    シンチレータ材
38    柱状結晶体
【図１】
2009236705.tif 000003
【図２】
2009236705.tif 000004
【図３】
2009236705.tif 000005
【図４】
2009236705.tif 000006
【図５】
2009236705.tif 000007
【図６】
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