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課題・解決手段

本発明は、高い計数率および/または高い分解能が可能になるシンチレーション検出器に関する。特許請求されたシンチレーション検出器のシンチレータは、互いに隙間(4)で分離されているピクセル(2)から形成される。別法として、または加えて、シンチレータの表面が溝によってピクセル(2)に分割される。このような構造は、特に高い分解能を可能にするだけではない。複数の検出器モジュールが使用される場合、この構造はまた、およそ20MHzの範囲内の高い計数率を可能にもする。

概要

背景

シンチレーション検出器は、電離放射線エネルギー、強度ならびに位置を決定するための、シンチレーションに基づく測定装置である。シンチレーション検出器のシンチレータ内に入射電離放射線による閃光が発生し、その閃光の数は入射放射線のエネルギーによって決まる。これらの非常に弱い閃光により電子が、後ろに配置されている光電子倍増管光電陰極から放出される。これらの電子は、光電子倍増管内の電極に当たることで倍増される。次に、陽極電流パルスが取り込まれ、その振幅は入射放射線のエネルギーによって決まる。光電子倍増管の代わりにフォトダイオードを利用することもできる。

シンチレーション検出器は、詳細にはそのシンチレータに応じて、アルファ線ベータ線ガンマ線または中性子線の測定に使用することができる。シンチレータとしては、たとえば、タリウムドープされたヨウ化ナトリウム塩化ランタンまたはヨウ化セシウムが適切である。6Liを含むシンチレータを有する中性子用シンチレーション検出器は、文献EP2631676 A1により知られている。

平方メートルの大きさのシンチレーション面を有する中性子用シンチレーション検出器は今のところ、計数率最低100kHzからおよそ1MHzまでが限界である。さらに、達成可能な分解能(全方向で最小8mm)は、この分解能がアンガー原理による補間によってのみ可能になるという理由により、測定中の計算作業が大きくなる。このようなシンチレーション検出器の保守および修理には、かなり費用がかかる。達成可能な幾何形状は、かなり限定される。一次ビームの領域では、シンチレーション検出器が遮蔽によって保護されなければならない。

別法として、中性子の検出用ガス検知器を使用することもできる。1〜1.5MHzの計数率が確実に達成可能である。ガスとして3Heがよく利用されるが、このガスは利用可能性が次第に限られるようになっている。

概要

本発明は、高い計数率および/または高い分解能が可能になるシンチレーション検出器に関する。特許請求されたシンチレーション検出器のシンチレータは、互いに隙間(4)で分離されているピクセル(2)から形成される。別法として、または加えて、シンチレータの表面が溝によってピクセル(2)に分割される。このような構造は、特に高い分解能を可能にするだけではない。複数の検出器モジュールが使用される場合、この構造はまた、およそ20MHzの範囲内の高い計数率を可能にもする。

目的

本発明の目的は、高い計数率だけでなく高い分解能も可能にするためのシンチレーション検出器を確立することである

効果

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請求項1

シンチレータ、光読取ユニット、特に光電子倍増管(6)、および評価電子回路(9)を有するシンチレーション検出器であって、前記シンチレータが、隙間(4)によって互いに分離されている、かつ/または表面が溝によってピクセル化されているピクセル(2)から形成されていることを特徴とする、シンチレーション検出器。

請求項2

前記溝および/または隙間(4)が、検出すべき光についての反射材料充填されることを特徴とする、請求項1に記載のシンチレーション検出器。

請求項3

前記反射材料が硫酸バリウムから成ることを特徴とする、請求項2に記載のシンチレーション検出器。

請求項4

前記隙間(4)によって生じた前記ピクセル(2)間の距離が少なくとも100μmになる、かつ/または前記溝が少なくとも100μmの幅であることを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載のシンチレーション検出器。

請求項5

前記ピクセル(2)が、長さ6mmまで、好ましくは3mmまで、かつ/または幅6mmまで、好ましくは3mmまでであること、かつ/または前記ピクセル(2)が、長さ3mmまで、かつ/または幅3mmまでであることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載のシンチレーション検出器。

請求項6

前記ピクセル(2)が6Liを含むことを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載のシンチレーション検出器。

請求項7

前記シンチレータが、入射放射線に反応して閃光を発生すると共に前記シンチレーション材料(2)よりも小さい屈折率を有する前記シンチレーション材料(2)用の基板(1)を備える、請求項1から6のいずれか一項に記載のシンチレーション検出器。

請求項8

前記シンチレータが、入射放射線に反応して閃光を発生する前記シンチレーション材料(2)用の基板(1)を備え、光吸収接着層および/または光反射接着層が前記基板(1)と前記シンチレーション材料(2)の間に組み込まれる、請求項1から7のいずれか一項に記載のシンチレーション検出器。

請求項9

前記光読取ユニットのピクセル、特に多陽極光電子倍増管の陽極が、長さ6mmまで、好ましくは3mmまで、かつ/または幅6mmまで、好ましくは3mmまでであること、かつ/または前記光読取ユニットの前記ピクセル、特に多陽極光電子倍増管の陽極が、長さ少なくとも3mm、かつ/または幅少なくとも3mmであることを特徴とする、請求項1から8のいずれか一項に記載のシンチレーション検出器。

請求項10

前記評価電子回路の基面が、前記光読取ユニット(多陽極光電子倍増管)の前面のサイズを超えないことを特徴とする、請求項1から9のいずれか一項に記載のシンチレーション検出器。

請求項11

多数のモジュールから形成されることを特徴とする、請求項10に記載のシンチレーション検出器。

請求項12

前記評価電子回路が、光読取ユニット(多陽極光電子倍増管)のピクセルの個々の信号の増幅およびノイズフィルタリングを行う1つまたは複数の集積電子構成要素を備えることを特徴とする、請求項1から11のいずれか一項に記載のシンチレーション検出器。

請求項13

前記評価電子回路がプログラム可能論理装置内部記憶領域と共に含み、このプログラム可能論理装置が、いくつかのタスク、特に具体的には、測定モードの設定、および/または集積電子構成要素の比較器閾値の設定、ならびに内部記憶場所において時系列で足し合わされる論理比較器信号の記録を行い、また全く同様に、やはり内部記憶装置で足し合わされるアナログ−デジタル変換器のデータの記録を行うことを特徴とする、請求項1から12のいずれか一項に記載のシンチレーション検出器。

技術分野

0001

本発明は、特に中性子用のシンチレーション検出器に関する。

背景技術

0002

シンチレーション検出器は、電離放射線エネルギー、強度ならびに位置を決定するための、シンチレーションに基づく測定装置である。シンチレーション検出器のシンチレータ内に入射電離放射線による閃光が発生し、その閃光の数は入射放射線のエネルギーによって決まる。これらの非常に弱い閃光により電子が、後ろに配置されている光電子倍増管光電陰極から放出される。これらの電子は、光電子倍増管内の電極に当たることで倍増される。次に、陽極電流パルスが取り込まれ、その振幅は入射放射線のエネルギーによって決まる。光電子倍増管の代わりにフォトダイオードを利用することもできる。

0003

シンチレーション検出器は、詳細にはそのシンチレータに応じて、アルファ線ベータ線ガンマ線または中性子線の測定に使用することができる。シンチレータとしては、たとえば、タリウムドープされたヨウ化ナトリウム塩化ランタンまたはヨウ化セシウムが適切である。6Liを含むシンチレータを有する中性子用シンチレーション検出器は、文献EP2631676 A1により知られている。

0004

平方メートルの大きさのシンチレーション面を有する中性子用シンチレーション検出器は今のところ、計数率最低100kHzからおよそ1MHzまでが限界である。さらに、達成可能な分解能(全方向で最小8mm)は、この分解能がアンガー原理による補間によってのみ可能になるという理由により、測定中の計算作業が大きくなる。このようなシンチレーション検出器の保守および修理には、かなり費用がかかる。達成可能な幾何形状は、かなり限定される。一次ビームの領域では、シンチレーション検出器が遮蔽によって保護されなければならない。

0005

別法として、中性子の検出用ガス検知器を使用することもできる。1〜1.5MHzの計数率が確実に達成可能である。ガスとして3Heがよく利用されるが、このガスは利用可能性が次第に限られるようになっている。

発明が解決しようとする課題

0006

本発明の目的は、高い計数率だけでなく高い分解能も可能にするためのシンチレーション検出器を確立することである。

課題を解決するための手段

0007

この問題を解決するために、1つのシンチレーション検出器が請求項1の特徴を含む。有利な実施形態は、従属請求項から得られる。

0008

本発明によるシンチレーション検出器のシンチレータは、互いに隙間で分離されている、いくつかのピクセルから形成される。別法として、または加えて、シンチレータの表面が溝によってピクセルに分割される。このような構造は、特に高い分解能を可能にするだけではない。複数の検出器モジュールが使用される場合、この構造はまた、約20MHzの範囲内の高い計数率を可能にもする。

0009

個々のシンチレータピクセル間の溝および/または隙間は、それによって実現される個々のピクセルの光学的分離によって、さらに改善された形で本発明の問題を解決できるようにするために、検出すべき光についての反射材料充填されることが好ましい。それによってクロストークを有利に回避することができる。たとえば硫酸バリウムが、改善された形で本発明の問題を解決するための反射材料として機能し得る。たとえば結合剤によって、反射材料を付着させることができる。

0010

クロストークを回避するために、反射材料の代わりに、検出すべき光を吸収する材料を使用することもできる。しかし、反射材高感度を可能にし、したがって好まれる。

0011

長さ8mmまで、好ましくは6mm、さらに好ましくは3mm、および/または幅8mmまで、好ましくは6mm、さらに好ましくは3mmであるピクセルサイズを実現することができる。同じことが、シンチレーション材料または変換材料の溝によるピクセル化相応に適用される。

0012

シンチレータのピクセルは、適切な製造および中性子検出を可能にするために、好ましくは6Liを含む。別法として、10Bまたは他の中性子変換物を提供することもできる。様々なシンチレーション材料が可能である。さらに、確立された様々な材料の中から選択することもできる。

0013

空間分解的に、かつより高い計数率で読取りを可能にするには、多陽極光電子倍増管が適切であることが分かっている。多陽極光電子倍増管は、シンチレータで発生した閃光を電気信号に変換する。しかし、多陽極光電子倍増管はまた、適切な光検出ユニットに置き換えることもできる。

0014

シンチレータのピクセルのサイズは、有利には、続いて配置されている感光面(ここでは光電子倍増管)の陽極のサイズに一致する。同じことが他の光読取ユニットにも相応に当てはまる。これによって、ピクセルで発生する閃光が、高計数率および高空間分解能で検出することをこのように可能にするために、本明細書記載の光電子倍増管または相当する光読取ユニットの対向陽極それぞれにほとんど完全に達することが実現される。したがって、光読取ユニットのピクセルは、一実施形態では、長さ8mmまで、好ましくは6mm、さらに好ましくは3mm、および/または幅8mmまで、好ましくは6mm、さらに好ましくは3mmである。

0015

光読取ユニットのピクセルは、極端に高い技術的生産支出をする必要がないように、長さ少なくとも3mm、および/または幅少なくとも3mmであるのが好ましい。

0016

シンチレーション検出器は、一実施形態では多数のモジュールから形成される。各モジュールは、それ自体のシンチレータ、それ自体の光読取ユニット、およびそれ自体の読取電子回路を備える。個々のモジュールの交換が可能であり、それにより保守作業および修理作業が最小限になる。個々のモジュールは、有利には52×52mm2以下の底面を有する。

0017

さらに改善された計数率および/または高空間分解能を可能にする、さらなる利点および実施形態は以下の記述から得られる。

0018

シンチレーション検出器は、光を電気信号に変換するための光読取ユニット以外に、集積電子構成要素と、中性子に対応する論理パルス時間分解的位置決めのための高速プログラム可能論理装置とによる、読取ユニットの信号の増幅およびデジタル化を含む。

0019

たとえば、6Liを含むシンチレータピクセルは透明である。たとえば、6Liがドープされているガラスが使用され、これを以下ではLiガラスと呼ぶ。

0020

中性子捕捉時、青色光を放出することができ、5Åの中性子波長で約98%の吸収係数が実現可能である。

0021

多陽極光電子倍増管は、たとえばその実施形態において、シンチレータに向く面全体に対して約89%の光検出用活性面を有し、この活性面は、それぞれ6.08/6.26mm(内側/外側)の間隔でサイズ5.8×5.8mm2の、または3.04/3.22mm(内側/外側)の間隔でサイズ2.8×2.8mm2の、個々の陽極ピクセルの上に製作される。同じことが他の光読取ユニットにも相応に当てはまる。

0022

集積電子構成要素が、光読取りの個々の信号の増幅およびノイズフィルタリングを行う。

0023

集積電子構成要素は、一実施形態では、個々の信号用比較器を含み、これは、調整可能閾値によって論理出力信号を発生する。

0024

集積電子構成要素は、有利にはアナログ−デジタル変換器を含み、これを用いて陽極信号の発生電荷量を測定することができる。

0025

プログラム可能論理装置が有利には提供され、これにより測定モードの設定(調整)、および集積電子構成要素の比較器閾値の設定(調整)が可能になる。

0026

プログラム可能論理装置は有利には、集積電子構成要素の論理信号を記録し、これらを内部記憶装置メモリ)において時系列で足し合わせることができる。

0027

プログラム可能論理装置は有利には、アナログ−デジタル変換器のデータを記録し、これらを内部記憶装置(メモリ)内で、サイズに対応するすべてのチャネルについて足し合わせることができる。

0028

プログラム可能論理装置は有利には、内部記憶装置(メモリ)に記録されたデータにアクセスするための、またはデータをそれぞれ移送するための外部インターフェースを含む。

0029

したがって、検出器は特に、プログラム可能論理装置を内部記憶領域(メモリ領域)と共に下流電子回路内に備え、この論理装置は多様なタスクを行う。この論理装置は、測定モードの設定、および集積電子構成要素の比較器閾値の設定を行い、また、内部記憶装置場所において時系列で足し合わされる論理比較器信号、ならびにアナログ−デジタル変換器のデータも記録し、これらもまた、内部記憶装置内で、サイズに対応するすべてのチャネルについて足し合わされる。加えて、この論理装置は、内部記憶装置に記録されたデータにアクセスするための、またはデータをそれぞれ移送するための外部インターフェースを有し、それによりデータは、画面付きコンピュータで表示すること、ならびに解析すること、および/または後の評価のためにファイルに書き込むことが可能になる。

0030

それに関して熱中性子用のモジュール方式拡張性のある多チャンネル検出器について記述されるが、この検出器は、比較器閾値を発生信号の高さに設定することによって、中性子とガンマ線を区別する。

0031

具体的には、たとえば多陽極光電子倍増管などの(たとえば、H8500、H9500の名称で市販されている)特殊な光読取ユニットを使用することができ、これは、極めて高密度パッケージングで、表面が小さく、隣接するチャネルとの境界がほとんどない(交差)多くの個別光検出ユニットを有する。それによって、比較的高い分解能、ならびに光検出用の高活性面が実現され、これは、単チャネル光電子倍増管では達成可能になることがない。この光検出用高活性面は、光の検出量を、すなわち中性子とガンマ線の重要な相違を顕著に決定するので、特に有利である。その場合、活性面は、好ましく適用された多陽極光電子倍増管のたとえば1.5mm幅外側境界によって境界がつけられるだけであり、それにより活性面の大きさは、全面測定の89%になる。

0032

検出器では、個別チャネルを熱中性子用の別々の検出器として適用するために、多陽極光電子倍増管のこれらの特性が、1つの対応する実施形態において利用される。それによって達成される、たとえばそれぞれ6mmまたは3mmの分解能は、中性子散乱に関する多くの用途に適している。証拠材料として、中性子捕捉時に非常に短い減衰時間で光を発生する、ほとんど6Liを含むシンチレータピクセルが使用される(たとえば、6Liガラス)。このシンチレータピクセルのサイズは、それが多陽極光電子倍増管のほとんど1つのチャネルを面積カバーするように寸法設定される。小さい隙間だけが隣接ピクセルの間に保持され、光反射材料で充填される。それによって、隣接チャネルに対する発生光の妨害クロストークを可能な限り回避することができ、その結果、当たったチャネルだけが実質的な電気信号を発生するようになる。シンチレーション材料だけが溝でピクセル化される、シンチレーション材料と基板材料によるサンドイッチ製造では、基板材料中の反射によるクロストークがさらに抑制されなければならない。これは、基板材料の低い屈折率、およびそれにより発生する内部全反射、または反射接着剤もしくは吸収層によって達成される。また、両方策組合せも可能である。

0033

電気信号の処理は、信号の高さに基づく中性子とガンマ線を区別する目的で、別個に、また比較的簡単に実現することができる。第1のステップとして、パルス高さ決定時の精度を改善するために、非常に小さい電気信号を増幅およびノイズフィルタリングすることが適切である。その後、信号が比較器に供給され、ここで中性子とガンマ線の区別が調整可能閾値によって行われる。中性子の場合、結果として、比較器は論理パルスを発生する。比較器閾値を設定するために、発生パルス高を測定できるアナログ−デジタル変換器が使用される。パルス高の数値図表ヒストグラムの形で得られる場合には、必要な閾値が明白になる。アナログ−デジタル変換器が設定目的のためにだけ使用されるので、変換用のチャネルを多重化することによる検出器の解決策を用いることができる。

0034

一実施形態において、検出器のモジュール性および拡張性を確保するために、(指定の通常動作に応じて水平および垂直を設定するときの)信号処理の範囲、すなわち基面は、光読取ユニット(たとえば多陽極光電子倍増管)の前面のサイズを超えない。したがって、集積電子構成要素によるコンパクトな解決策が適用される。その場合、単モジュールが、たとえば52×52mm2の基面を含む。そうしてシンチレーション検出器は、多数のそのようなモジュールを含むことができる。それによって、維持作業は少なく保つことができる。修理の場合、不具合モジュールはまた、非常に簡単に交換することもできる。モジュールは、シンチレーション検出器として使用できるユニットとして、詳細には別のモジュールと組み合わされる、ならびにまた別のモジュールから独立しているユニットとして、本明細書では理解されている。

0035

この検出器を用いて到達可能な計数率は、シンチレータの減衰時間、レスポンスタイム、すなわち応答時間、たとえば多陽極光電子倍増管の最大陽極電流などの光読取ユニット、および電気信号の増幅およびノイズフィルタリングのときの時定数によって実質的に限定される。最大陽極電流は、特別な多陽極光電子倍増管によって固定してあらかじめ決められているが、シンチレータの適切な選択と、それと共に、信号処理のときの関連時定数とによって、特にまた、本明細書に記載の検出器を高度にセグメント化することによっても、非常に高い計数率を面積によって(面積に対して)達成することができる。中性子検出用の活性領域は、光読取ユニット(本明細書では多陽極光電子倍増管)の境界、およびシンチレータピクセルの隙間によって決めることができる。その結果、全面の約85%の中性子用活性検出面の部分が得られ、これにより、シンチレータの吸収と併せて、5Åの熱中性子に対して80%を超える検出効率(証拠効率)が可能になる。同時に、検出器のモジュール構造により、大きい面への拡張性のある構成で使用することが可能になり、諸特性が表面と同様に拡張する。

0036

したがって、以下の利点を本発明による検出器によって実現することができる。
・シンチレータのピクセル化によって、たとえば多陽極光電子倍増管による中性子の検出に関して、単チャネル処理を実現することができる。
・チャネルの電子処理を別個に、かつ比較的簡単に構成することができる。
・ 空間を節約する集積構成要素を用いることによって、電子回路の寸法を光読取ユニットの面にまで制限することができる。
・高空間分解能、高計数率、および高検出効率(証拠効率)を同時に達成することができるが、これを単チャネル光電子倍増管によって達成することはできない。
大面積検出器を生成するために、検出器を複数のモジュールで構成することができる。その場合、有利な特性は、面積に応じてスケールアップされる。

0037

シンチレータは、好ましくは連続しているガラス板の形の基板または支持体それぞれを備えることができる。これとは対照的に、たとえばLiガラスから形成されるシンチレータのピクセルは、互いに分離することができ、また光学分離を目的として、反射材料(たとえば硫酸バリウム)で充填される隙間を各ピクセルの間に備えることができる。

0038

基板とピクセルは、特に接着層を介して互いに付着する。これには、市販の接着剤またはゲルが適切である。

0039

追加の接着層をピクセルと光電子倍増管または光読取ユニットそれぞれとの間に設けることができる。この接着層は光に対して、可能な最高透明度を有さなければならない。

0040

シンチレーション検出器は、特に中性子の検出用に作られている。しかし、シンチレータの材料の選択によって、シンチレーション検出器はまた、他の放射線の検出用に構成することもできる。

0041

以下では、本発明を例示的な実施形態に基づいて詳細に説明する。

図面の簡単な説明

0042

シンチレーション検出器の断面図である。
シンチレータの上面図である。
屈折率がシンチレーション材料の屈折率よりも大きい支持体を有するシンチレータの図である。
屈折率がシンチレーション材料の屈折率よりも小さい支持体を有するシンチレータの図である。

実施例

0043

図1は、本発明によるシンチレーション検出器を横断面図で示す。

0044

シンチレーション検出器は、シンチレーション材料の支持体としてのガラス板1を備え、その上に、6mm×6mmの面積でLiガラスから形成されたピクセル2が接着層3によって取り付けられている。シンチレーション材料から形成されたピクセル2は、互いの間にそれぞれ100μmの距離を置いた隙間を有する。ピクセル2間の隙間は硫酸バリウムで充填される。接着層5によって、多陽極光電子倍増管6がピクセル2に取り付けられる。

0045

多陽極光電子倍増管6とフレーム8のプラグピン7を介して、評価電子回路9が下流にあり、多陽極光電子倍増管6と接続されている。

0046

支持体材料すなわちガラス板1は、さらに改善された形でクロストークを回避するために、シンチレーション材料すなわちピクセル2よりも小さい屈折率を有する。

0047

動作時、中性子が、矢印表示の通りにシンチレーション検出器に当たる。

0048

構成要素1、2、3、4を有するシンチレータの後ろに配置された別の検出器の構成要素、すなわち光電子倍増管6ならびに評価電子回路9は、モジュール構造を適切に可能にするために、図1に示されるようにシンチレータを横方向に突出させていない。ガラス板1の上を見た上面視では、評価電子回路の基面、および多陽極光電子倍増管の前面は、したがってガラス板1を突出させていない。

0049

図2は、6mm×6mmの(表)面積を有するシンチレータを、ピクセル2の上を見た上面視で示す。

0050

図3および図4はそれぞれ、入射中性子により閃光が発生したピクセル2を有するシンチレータを示す。領域11から出発して、光は矢印表示の通りに広がる。図3の場合では、ガラスから形成された支持体材料1の屈折率がピクセル2の屈折率よりも大きい。図4の場合では、ガラスから形成された支持体材料1の屈折率がピクセル2の屈折率よりも小さい。図3の場合、望ましくないクロストークが屈折および反射により生じ得る。これは、図4の場合には回避される。

0051

Liガラス2の屈折率が、図3に示されるように支持体ガラス1のものよりも小さいとき、それゆえに接着層3は光の反射特性に対し、言及できる影響を及ぼさない。

0052

この場合、反射によって、Liガラス2中のシンチレーション作用から支持体ガラス1の方向に放出される光は、隣接するピクセル2に入る。それによって、ピクセルは互いの間でクロストークすることがあり、それにより、空間分解能が悪くなるだけでなく、ノイズもまた大きくなる。

0053

Liガラス2の屈折率が図4に示されるように支持体ガラス1のものよりも大きいとき、それゆえに接着層3は光の反射特性に対し、言及できる影響を及ぼさない。この場合、図4に示されるように内部全反射が起こり、その結果、各ピクセル2の間にクロストークが生じない。

0054

しかし、接着層3は、別法として、または加えて、それが散乱光を吸収するように、かつ/または後方にガラス板1の方向に反射するように選択することができる。これによって、クロストークは同様に防止される。

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