ガンマ線検出装置
【課題】検出できるエネルギーレンジを拡大したガンマ線検出装置を提供する。
【解決手段】ガンマ線との相互作用位置及びエネルギーを検出できる一対の高エネルギーガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出器１０２，１０３の前方に、ガンマ線との相互作用位置及びエネルギーを検出できる低エネルギーガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出器１０１を配置する。
【解決手段】ガンマ線との相互作用位置及びエネルギーを検出できる一対の高エネルギーガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出器１０２，１０３の前方に、ガンマ線との相互作用位置及びエネルギーを検出できる低エネルギーガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出器１０１を配置する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガンマ線検出装置に関し、特にガンマ線の飛来方向を検出することのできるガンマ線検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
コリメータを用いることなくガンマ線の飛来方向あるいはガンマ線源の位置を検出することのできるガンマ線検出装置として、コンプトン散乱の運動学を利用するガンマ線検出装置が特開平９−１０１３７１号公報や特開２００５−２０８０５７号公報に記載されている。このガンマ線検出装置は、位置分解能及びエネルギー分解能を有する２枚のゲルマニウム検出器を用い、前方のゲルマニウム検出器に入射してコンプトン散乱された後、後方のゲルマニウム検出器に入射して吸収されたガンマ線検出事象に着目し、２つのゲルマニウム検出器におけるガンマ線の検出位置及び検出エネルギーをもとにガンマ線源の存在する方向あるいは位置を演算するものである。T. Tanaka et al.: ”Development of a Si/CdTe semiconductor Compton telescope”, Proceedings of SPIE 5501(2004) pp.229-240.には、シリコン検出器とテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）検出器を組み合わせ、同様の原理を応用したガンマ線天文学用の撮像装置が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１０１３７１号公報
【特許文献２】特開２００５−２０８０５７号公報
【非特許文献１】Proceedings of SPIE 5501(2004) pp.229-240.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
２枚のゲルマニウム検出器を用いるガンマ線検出装置は、広いエネルギー範囲のガンマ線を検出可能である。しかしながら、ガンマ線のエネルギーが低くなると、ゲルマニウム結晶中で光電吸収が起こる確率が高くなり、コンプトン散乱を利用するガンマ線の検出感度が低下する。図１は、ガンマ線のエネルギーをパラメータとして、コンプトン散乱の生起確率とゲルマニウムの厚さとの関係を示した図である。図から分かるように、ガンマ線のエネルギーが１００ｋｅＶ程度まで低くなると、どんなにゲルマニウム結晶を厚くしたとしてもコンプトン散乱の起こる確率は２割程度にとどまり、検出効率が著しく低下してしまう。また、Proceedings of SPIE 5501(2004) pp.229-240.に記載されているように、前面の検出器をシリコン半導体検出器にすると、ゲルマニウムに比べて、より低いエネルギーのガンマ線に対してもコンプトン散乱の生起確率を向上させることができる。しかしながらこの場合は、約２００ｋｅＶ以上のガンマ線はシリコン検出器を透過し易くなり、コンプトン散乱の生起確率が低下してしまう。
【０００５】
本発明は、検出できるエネルギーレンジを拡大したガンマ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】
【０００６】
２枚の位置感応型のゲルマニウム検出器の前方に、さらに位置感応型のシリコン検出器を追加する。そうすると、低いエネルギーのガンマ線のコンプトン散乱は主にシリコン検出器で起こり、散乱されたガンマ線は後方のゲルマニウム検出器で検出される。また、高いエネルギーのガンマ線はシリコン検出器を透過しやすくなるので、主に次段のゲルマニウム検出器中でコンプトン散乱され、散乱されたガンマ線は最後方の検出器で検出される。従って、低エネルギーから高エネルギーまでのガンマ線を高効率で撮像することが可能になる。これによって、２枚のゲルマニウム検出器を用いたガンマ線撮像装置では撮像が難しかった低エネルギーのガンマ線を放出するインビボ診断用のＳＰＥＣＴ核種の撮像も可能になる。
【０００７】
図２は、ゲルマニウム結晶とシリコン結晶中におけるコンプトン散乱の生起確率と結晶の厚さとの関係を示した図である。この図から明らかなように、１段目の検出器の素材をシリコンにすれば、エネルギーが１００ｋｅＶ程度のガンマ線でもコンプトン散乱の生起確率を向上することができる。従って、１段目の検出器をシリコン、２段目の検出器をゲルマニウムやＣｄＴｅにすることが考えられる。しかし、ガンマ線のエネルギーが約２００ｋｅＶ以上になると、シリコンよりもゲルマニウムの方がコンプトン散乱の生起確率が高いために、Ｓｉ＋ＣｄＴｅなどの装置は高エネルギーのガンマ線の検出には向かない。
【０００８】
そこで本発明では、相対的に高エネルギーのガンマ線に対するコンプトン散乱の生起確率が高いガンマ線検出器（以下、高エネルギー用ガンマ線検出器という）を２枚配置した前方に、相対的に低エネルギーのガンマ線に対するコンプトン散乱の生起確率が高いガンマ線検出器（以下、低エネルギー用ガンマ線検出器という）を配置した構成を採用する。
【０００９】
すなわち、本発明のガンマ線検出装置は、ガンマ線との相互作用位置及びエネルギーを検出できる一対の高エネルギーガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出器と、その前方に配置された、ガンマ線との相互作用位置及びエネルギーを検出できる低エネルギーガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出器とを備える。高エネルギーガンマ線用の位置敏感型ガンマ線検出器はゲルマニウム結晶を備え、低エネルギーガンマ線用の位置敏感型ガンマ線検出器はシリコン結晶を備えるものとすることができる。
【００１０】
低エネルギーガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出器は、典型的には、エネルギー１００ｋｅＶのガンマ線に対するコンプトン散乱の生起確率が高エネルギーガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出器より高く、エネルギー１０００ｋｅＶのガンマ線に対するコンプトン散乱の生起確率が高エネルギーガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出器より低い検出器とすることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、低エネルギーのガンマ線から高エネルギーのガンマ線まで広いエネルギーレンジにわたって高い効率で検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図３は、本発明によるガンマ線検出装置におけるガンマ線検出器の配置を示す模式図である。本発明によるガンマ線検出装置は、ガンマ線の入射側から、１段目の検出器１０１、２段目の検出器１０２、３段目の検出器１０３を順に平行に並べて配置した構造を有する。１段目の検出器１０１はシリコン半導体検出器からなる低エネルギー用ガンマ線検出器である。２段目の検出器１０２及び３段目の検出器１０３は、それぞれゲルマニウム半導体検出器からなる高エネルギー用ガンマ線検出器である。１段目の検出器１０１の材質はダイヤモンドとしてもよい。また、３段目の検出器１０３は、より原子番号が大きなＣｄＴｅ検出器あるいはＣｄＺｎＴｅ検出器などで代用することもできる。各ガンマ線検出器は、以下に説明するような原理でガンマ線との相互作用点の位置と相互作用によって検出器に与えられたエネルギーを測定可能な、位置感応型半導体検出器である。
【００１３】
ガンマ線源から放出された１００ｋｅＶ程度の低いエネルギーのガンマ線は主に１段目のシリコン検出器でコンプトン散乱される。その散乱されたガンマ線が２段目または３段目のゲルマニウム検出器で光電吸収されたとすると、それぞれの検出器で測定されたエネルギーをコンプトン散乱の運動学方程式に代入して散乱角を求めることができる。つまり、計測された２つの相互作用点を通る直線を軸とし、１段目の検出器中の相互作用点を頂点とした、散乱角の２倍の開角円錐が定まる。また、ガンマ線源から放出された約２００ｋｅＶ以上の高いエネルギーのガンマ線は１段目のシリコン検出器を透過しやすくなり、主に２段目のゲルマニウム検出器でコンプトン散乱される。その散乱されたガンマ線が３段目の検出器で光電吸収されたとすると、低エネルギーガンマ線の場合と同様に、計測された２つの相互作用点を通る直線を軸とし、２段目の検出器中の相互作用点を頂点とした、散乱角の２倍の開角円錐が定まる。すなわち、コンプトンカメラ方式によって低エネルギーから高エネルギーまでのガンマ線を高効率で撮像することが可能になる。
【００１４】
次に、本発明のガンマ線検出装置によるガンマ線源の検出原理について説明する。ここでは、ガンマ線の相互作用を検出した２つの検出器のうち、ガンマ線源により近い方の検出器でコンプトン散乱され、ガンマ線源からより遠い方の検出器で光電吸収された事象に着目し、前者の検出器を散乱検出器、後者の検出器を吸収検出器と呼ぶ。図３に示した検出器のうち、１段目の検出器１０１あるいは２段目の検出器１０２が散乱検出器となりうる。１段目の検出器１０１が散乱検出器の場合、吸収検出器となりうるのは２段目の検出器１０２と３段目の検出器１０３である。また、２段目の検出器１０２が散乱検出器の場合、吸収検出器となりうるのは３段目の検出器１０３である。
【００１５】
図４は、散乱検出器と吸収検出器によるガンマ線源の検出原理を示した図である。
図示したガンマ線１４，１５は、散乱検出器１１に入射してそこでコンプトン散乱された後、吸収検出器１２に入射してそこで全エネルギーを失ったものであり、本発明ではこのような事象に注目する。なお、ガンマ線１４とガンマ線１５は別々の時間に検出部１０に入射したものとする。
【００１６】
この時、例えばガンマ線１４は前方の散乱検出器１１にＥ１のエネルギーを付与し、後方の吸収検出器１２にＥ２のエネルギーを付与するため、次式（１）の関係が成り立つ。
【００１７】
Ｅ＝Ｅ１＋Ｅ２ (1)
【００１８】
この測定されたエネルギーＥによって核種を識別することができる。そして、コンプトン散乱の運動学から、コンプトン散乱角θは次式（２）によって計算される。ここでｍｃは電子の静止質量、ｃは光速度である。
【００１９】
【数１】
【００２０】
これらの関係からガンマ線源１３は、散乱検出器１１中でガンマ線１４がコンプトン散乱を起こした相互作用点と、散乱されたガンマ線が吸収検出器１２で吸収された相互作用点を結ぶ直線に対して頂角が２θの円錐面上にあることが分かる。従って、このような事象を２組以上計測し、夫々の組み合わせに対して円錐面を作り、それらの円錐面が重なり合う位置を求めると、その位置はガンマ線源１３の存在する位置の候補である。事象の計測数、すなわち円錐面の数を多くすればするほど、それらの重なり合う領域を狭めることができ、高い精度でガンマ線源の存在位置を求めることができる。
【００２１】
図５は、個々のガンマ線検出器の構造例を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。ただし、本発明で使用できるガンマ線検出器は、図５に示す構造の検出器に限られず、ガンマ線との相互作用位置とエネルギーを検出できるガンマ線検出器であれば、どのような検出器でも使用可能である。
【００２２】
図示のようにＸ、Ｙ、Ｚ座標系を設定して説明する。この検出器は、寸法ａ×ｂ×ｃの平板型のガンマ線検出結晶２０の両面に短冊状に分割された電極を形成したものである。平板型のガンマ線検出結晶２０の一方の表面には、幅ｄで長さがａのＸ方向に細長い電極ストリップ２１が複数本、密に並べて形成されている。また、平板型のガンマ線検出結晶２０の反対側の表面には、幅ｄで長さがｂのＹ方向に細長い電極ストリップ２２が複数本、密に並べて形成されている。一方の表面の電極ストリップは陽極（以下、陽極ストリップという）とされ、反対側の表面面の電極ストリップは陰極（以下、陰極ストリップという）とされる。このように平板型のガンマ線検出結晶２０の表面と裏面には、互いに直交する方向に延びる陽極ストリップ２１と陰極ストリップ２２がそれぞれ複数本設けられており、ガンマ線とガンマ線検出結晶との相互作用による信号が強く検出される陽極ストリップと陰極ストリップの組み合わせによって、相互作用点の大まかなＸＹ座標が分かるようになっている。
【００２３】
以下では、一例として、ａ＝３９ｍｍ、ｂ＝３９ｍｍ、ｃ＝２０ｍｍ、ｄ＝３ｍｍとし、ガンマ線入射側の電極を陽極、反対側の電極を陰極とした例によって説明する。最初に、平板型のガンマ線検出結晶２０内におけるガンマ線の相互作用点の結晶表面からの深さ方向の位置ＤＯＩ（Depth of interaction）を求める方法について説明する。
【００２４】
図６は、電極分割型平板ガンマ線検出器の内部でガンマ線がガンマ線検出結晶と相互作用したとき、陽極ストリップ及び陰極ストリップから発生する出力信号をシミュレートした図である。図示した信号は相互作用点に最も近い陽極ストリップ及び陰極ストリップからの信号である。ガンマ線の相互作用点の深さ方向の位置（ＤＯＩ）によって信号波形が変化する。
【００２５】
図７は、１つの検出事象について、陽極ストリップ２１で検出された信号波形の振幅が最大値の５０％に達するまでの時間と陰極ストリップ２２で検出された信号波形の振幅が最大値の５０％に達するまでの時間の差と、ＤＯＩとの関係を図示したものである。この時間差とＤＯＩとがほぼ直線関係にあることが分かる。従って、図７の関係を記憶しておき、測定された時間差を図７の関係に当てはめることによってＤＯＩ、すなわち相互作用点のガンマ線検出結晶の表面からの深さを知ることができる。
【００２６】
電極分割型平板ガンマ線検出器内でガンマ線がガンマ線検出結晶と相互作用すると、検出器の表面（ガンマ線入射側）に設けられた複数の陽極ストリップから信号が発生されるが、相互作用点に最も近い位置にある陽極ストリップから発生される信号が最大の振幅を示す。同様に、陽極ストリップと直交するようにして検出器の裏面に設けられた複数の陰極ストリップから発生される信号も、相互作用点に最も近い陰極ストリップから発生される信号が最大の振幅を示す。従って、複数の陽極ストリップの中で信号振幅が最大の陽極ストリップの位置と、複数の陰極ストリップの中で信号振幅が最大の陰極ストリップの位置から相互作用点のＸＹ座標を知ることができるが、電極ストリップは幅ｄを有するため、この方法によって知ることのできる相互作用点のＸ座標及びＹ座標は、それぞれ最大ｄ／２（図示の例ではｄ＝３ｍｍ）の誤差を含んでいる。そこで、以下に説明する方法により、相互作用点のＸＹ座標を電極ストリップの幅より小さな精度で決定する。
【００２７】
図８は、ガンマ線検出結晶とガンマ線の相互作用点の横方向位置、すなわち電極ストリップの幅内における位置を高精度に測定する方法を説明する図である。電極分割型平板ガンマ線検出器内でガンマ線がガンマ線検出結晶と相互作用すると、前述のように、検出器の表面に設けられた複数の陽極ストリップから信号が検出され、相互作用点に最も近い陽極ストリップから発生される信号が最大の振幅を示す。同様に、検出器の裏面に設けられた複数の陰極ストリップからも信号が検出されるが、相互作用点に最も近い陰極ストリップから発生される信号が最大の振幅を示す。
【００２８】
図８は、最大の信号振幅を示す電極ストリップの両隣の電極ストリップによって検出される信号波形を示した図である。図８の左側のグラフは最大の信号振幅を示す電極ストリップの左隣の電極ストリップの信号波形、右側のグラフは最大の信号振幅を示す電極ストリップの右隣の電極ストリップの信号波形であり、上からＤＯＩ＝１ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍのときをシミュレーションしたものである。相互作用点の、幅３ｍｍの電極ストリップの中心線からのずれ量（ＴＯＩ：Transverse position of interaction）は全て同じで１ｍｍである。右隣の電極ストリップの信号波形の最大振幅をＡ+、左隣の電極ストリップの信号波形の最大振幅をＡ-として、次式で表されるパラメータＬを計算する。
【００２９】
【数２】
【００３０】
図９は、ＴＯＩと上式（３）で定義したパラメータＬの関係を示す図である。図示するように、ＴＯＩとパラメータＬはほぼ直線の関係を有する。従って、図９の関係を記憶しておき、最大の信号振幅を示す電極ストリップの両隣の電極ストリップの信号波形から測定された振幅Ａ+、Ａ-をもとに計算されるパラメータＬを図９の関係に当てはめることによってＴＯＩ、すなわち電極ストリップの幅ｄ内におけるガンマ線の相互作用点の位置を高精度に知ることができる。これをＸ方向に細長い陽極ストリップ２１に関して行うことにより相互作用点のＹ座標位置を高精度に求めることができ、またＹ方向に細長い陰極ストリップ２２に関して行うことにより相互作用点のＸ座標位置を高精度に求めることができる。
【００３１】
相互作用点に最も近いストリップであるか、その両隣のストリップであるかは、それらのストリップから得られる信号波形の違いを使って識別することができる。相互作用点に最も近いストリップの信号は、図６で例えば５００ｎｓのところで波高が±１００になっているのに対し、両隣のストリップからの信号は、図８で例えば３００ｎｓのところで波高が０になっている。そこで、この波形の違いを識別するための波形弁別器を製作し適用すれば両者を識別でき、ＤＯＩを検出するためのストリップ（ＤＯＩストリップ）であるか、ＴＯＩを検出するためのストリップ（ＴＯＩストリップ）であるかがわかる。
【００３２】
図１０は、本発明によるガンマ線撮像装置の信号処理部の例を示す概略ブロック図である。検出部１０の１段目、２段目及び３段目の検出器１０１，１０２，１０３は液体窒素容器内の液体窒素で冷却される銅製コールドフィンガーに固定されて冷却されている。１段目の検出器１０１に設けられた複数の陽極ストリップ及び複数の陰極ストリップからの信号はそれぞれの前置増幅器によって増幅される。同様に、２段目の検出器１０２に設けられた複数の陽極ストリップ及び複数の陰極ストリップからの信号、３段目の検出器１０３に設けられた複数の陽極ストリップ及び複数の陰極ストリップからの信号もそれぞれの前置増幅器によって増幅される。図には、１段目の検出器１０１の陰極ストリップ及び陽極ストリップに接続されている前置増幅器を、それぞれ前置増幅器１及び前置増幅器３で代表させて表示し、２段目の検出器１０２の陰極ストリップ及び陽極ストリップに接続されている前置増幅器を、それぞれ前置増幅器２及び前置増幅器４で代表させて表示し、３段目の検出器１０３の陰極ストリップ及び陽極ストリップに接続されている前置増幅器を、それぞれ前置増幅器５及び前置増幅器６で代表させて表示した。
【００３３】
それぞれの前置増幅器の出力信号は、図１１に詳細を示す信号処理回路３２に入力される。この信号処理回路３２は、入力信号がＤＯＩストリップのものであったならば出力Ａにエネルギー信号を出力し、出力Ｔに時間信号を出力する。ＤＯＩストリップのものでなかったならば出力Ａの信号はＴＯＩの測定に利用され、出力Ｔには信号を出力しない。図１１に図示するように、信号処理回路３２に入力された信号は４つに分けられ、それぞれ波形弁別器４１、振幅測定器４２、成形増幅器４３、ＴＦＡ４４に入力される。
【００３４】
ここで、図１０及び図１１に示した各要素回路の動作について説明する。前置増幅器３１は電荷感応型前置増幅器と呼ばれるもので、ガンマ線の相互作用によって検出器中に生成される電荷量に比例した波高の信号を出力する。波形弁別器４１は、前置増幅器３１の出力波形が、ある閾値を超えた後、３００ｎｓ後にもある波高を保っていればゲート信号を出力し、そうでなければ何も出力しないように設定されている。振幅測定器４２は、前置増幅器３１の出力の、最大値と最小値の差を出力する回路である。成形増幅器４３は、前置増幅器３１の波高に比例した波高の出力を精度良く出力するため、セミガウシアン型の波形を生成する。この回路は、ＣＲの微分回路の後にＲＣの積分回路を多段つなげて実現される。ＴＦＡ（タイミング・フィルタ・アンプ）４４は、帯域通過回路になっている。ここでは、低域通過の時定数を５０ｎｓ、高域通過の時定数を５００ｎｓとした。
【００３５】
ＣＦＤ４５は、コンスタント・フラクション・ディスクリミネータと呼ばれる市販の回路であり、その動作原理を図１２より説明する。（ａ）に示す入力信号５１を２つに分け、（ｂ）に示すように、入力信号５１をｔｄだけ遅らせた信号５２と、（ｃ）に示すように、入力信号５１を反転させ振幅をｆ倍した信号５３を作る。その後、（ｄ）に示すように、信号５２と信号５３を足し合わせた信号５４を作ると、その波高が０になる時間ｔｆ は、入力信号５１の波高が最大値のｆ倍になる時間にｔｄを加えた時間になる。こうして、立ち上がり波形あるいは立ち下がり波形の信号をＣＦＤに通すことにより、波高の最大値のｆ倍になるまでの時間を知ることができる。
【００３６】
同時計測回路３３は、入力信号の時間差がある設定値より短かった場合、ゲート信号を出力する回路である。ゲート信号の幅と遅延時間は可変である。３つの検出器１０１，１０２，１０３のうちのどれか２つだけでガンマ線の相互作用を検出した事象を同時計測回路３３で選択し、データを取得する。時間差記録器３５は、同時計測回路３３のゲート信号出力をスタート信号として使い、信号処理回路３２の出力Ｔを遅延回路３４で遅らせた信号をストップ信号として使い、スタート信号とストップ信号の時間差を記録する回路である。波高記録器３６は、同時計測回路３３のゲート信号が出力されている間の、信号処理回路３２の出力Ａの信号の波高の最大値を記録する回路である。
【００３７】
次に、図１０及び図１１に示した信号処理部の動作について説明する。波形弁別器４１では、入力された信号がＤＯＩストリップのものであるか、そうでないかが調べられる。もしＤＯＩストリップであったならばゲート信号を出力し、振幅測定器４２の出力信号を出力しないようにすると同時に、成形増幅器４３及びＣＦＤ４４の出力信号を出力できるようにする。逆に、ＤＯＩストリップでなかったならば、ゲート信号を出力せず、振幅測定器４２の出力信号を出力できるようにし、成形増幅器４３及びＣＦＤ４４の出力信号を出力しないようにする。振幅測定器４２では、ＤＯＩストリップではなかった場合に、入力信号の最大値と最小値の差が測定され出力される。成形増幅器４３からは、エネルギーの測定に適した波形の信号が生成される。ＴＦＡ４４では、時間の測定に適した波形の信号が生成される。ＴＦＡ４４の出力はＣＦＤ４５に入力され、波高の最大値の５０％になったときに出力信号を生成する。
【００３８】
信号処理回路１、信号処理回路２及び信号処理回路６の信号がＤＯＩストリップのものであったとすると、それぞれの出力Ｔの信号が同時計測回路３３に入力される。それらの入力信号の間の時間差が、ある設定値よりも短かったならば、同時計測回路３３からゲート信号が出力され、時間差記録器３５及び波高記録器３６を作動させる。時間差記録器３５のストップ信号は、出力Ｔの信号を、遅延回路３４を通して作られる。波高記録器３６の入力には、出力Ａの信号が入力される。
【００３９】
上述のようにＤＯＩストリップの信号に対してのみ、信号処理回路３２の出力Ｔが出力される。つまり、時間差記録器３５の、ＤＯＩストリップに対応するチャンネルにのみデータが作られる。そして、データ転送の処理により、波高記録器３６のデータのうちで、このチャンネルに対応するデータと、その両隣のチャンネルのデータを転送する。時間差記録器３５及び波高記録器３６のデータは、測定事象ごとにコンピュータ３７に転送され、画像生成のための処理が行われる。転送されるデータの内訳を図１３に示す。
【００４０】
図１３において、ｔ１からｔ４は時間差記録器３５のデータである。ｔ１及びｔ３は散乱検出器の陰極ストリップ及び陽極ストリップのデータであり、ｔ２及びｔ４は吸収検出器の陰極ストリップ及び陽極ストリップのデータである。それぞれのデータには、チャンネルを特定するためのＩＤ情報とそのチャンネルから得られた数値が組になって記録されている。Ｅ１以降は波高記録器３６のデータである。Ｅ１及びＥ３は散乱検出器のそれぞれ陰極及び陽極のＤＯＩストリップによるデータであり、Ｅ２及びＥ４は吸収検出器のそれぞれ陰極及び陽極のＤＯＩストリップによるデータである。Ａ１＋及びＡ１−は、散乱検出器の陰極のＤＯＩストリップの両隣のストリップ（ＴＯＩストリップ）によるデータである。Ａ２＋及びＡ２−は、吸収検出器の陰極のＤＯＩストリップの両隣のストリップ（ＴＯＩストリップ）によるデータである。Ａ３＋及びＡ３−は、散乱検出器の陽極のＤＯＩストリップの両隣のストリップ（ＴＯＩストリップ）によるデータである。Ａ４＋及びＡ４−は、吸収検出器の陽極のＤＯＩストリップの両隣のストリップ（ＴＯＩストリップ）によるデータである。
【００４１】
コンピュータ３７によるデータの処理の流れを図１４に示す。この処理は、検出事象の数だけ繰り返し行われる。ステップ１１にてデータを読み込んだのち、ステップ１２で検出パターンの検査を行う。この検出パターンの検査は、時間差記録器３５のデータにより行う。時間差記録器３５のあるチャンネルにデータが存在した場合、そのデータの元となったストリップはＤＯＩストリップであったことになる。ここでは、散乱検出器及び吸収検出器のそれぞれの陰極及び陽極のストリップのうちでそれぞれ１つだけがＤＯＩストリップであった場合にのみ次の処理に進む。検出器に同時に２個のガンマ線が入射するなどしてＤＯＩストリップの信号が２つ以上となった場合、その事象は後の解析から除外する。次に、ステップ１３においてエネルギーの検査を行う。このエネルギーの検査は、波高記録器３６のＥ１及びＥ２を使って行う。Ｅ１とＥ２の和が目的のガンマ線のエネルギーと等しい場合にのみ次の処理に進む。ステップ１４のＤＯＩの演算は、時間差記録器３５のデータを使って行う。ｔ１とｔ３の差から散乱検出器におけるＤＯＩが計算され、ｔ２とｔ４の差から吸収検出器におけるＤＯＩが計算される。続くステップ１５のＴＯＩの演算は、波高記録器３６のデータを使って行う。ここでは、陰極の分割の方向をＸ方向、陽極の分割の方向をＹ方向とする。Ａ１＋及びＡ１−から散乱検出器のＸ方向のＴＯＩが計算され、Ａ３＋及びＡ３−から散乱検出器のＹ方向のＴＯＩが計算される。同様にして、Ａ２＋及びＡ２−から吸収検出器のＸ方向のＴＯＩが計算され、Ａ４＋及びＡ４−から吸収検出器のＹ方向のＴＯＩが計算される。こうして、散乱検出器中と吸収検出器中での相互作用点が高精度に求められる。次に、ステップ１６に進み、散乱検出器で検出されたエネルギーＥ１と吸収検出器で検出されたエネルギーＥ２を上式（２）に当てはめてコンプトン散乱角θを計算する。
【００４２】
こうして複数の検出事象の各事象毎に、散乱検出器中での相互作用点、吸収検出器中での相互作用点、コンプトン散乱角θの情報をもとに図４に示したような円錐面が計算される。そこで、検出されたガンマ線エネルギーＥ（＝Ｅ１＋Ｅ２）から同一核種から放出されたガンマ線に起因すると判断される事象を集め、その事象の集合に属する円錐面を重ねることによってその核種の存在位置を求めることができ、線源の空間分布を像として表示することができる。
【００４３】
Ｅ１とＥ２の和が複数あってガンマ線源として複数の核種が存在する場合には、コンプトン散乱の運動学で計算された円錐面をエネルギーによって核種毎にグループ化し、それぞれの核種に対して独立して円錐面を重ねることによって各核種の存在位置を分離して求めることができる。
【００４４】
本発明のガンマ線検出装置を使うと、低いエネルギーのガンマ線は主にシリコン検出器でコンプトン散乱され、散乱されたガンマ線は後方のゲルマニウム検出器で検出される。一方、高いエネルギーのガンマ線はシリコン検出器を透過しやすくなるので、従来通りの２枚のゲルマニウム検出器によって検出することができる。これによって、約１００ｋｅＶ程度の低エネルギーのガンマ線から２ＭｅＶ程度の高エネルギーのガンマ線まで高効率で検出することが可能になる。
【００４５】
ここで、本発明によってどの程度、検出効率が改善するかを評価した例を示す。図１５に示したガンマ線検出器の組み合わせについて、ガンマ線の検出効率を比較した。図１５（ａ）は、本発明のガンマ線検出装置が採用した検出器の組み合わせであり、１段目の検出器は厚さ１０ｍｍのシリコンからなり、２段目の検出器は厚さ１０ｍｍのゲルマニウム、３段目の検出器は厚さ２０ｍｍのゲルマニウムからなるものとした。図１５（ｂ）は、比較例のガンマ線検出装置を示し、１段目の検出器は厚さ１０ｍｍのシリコンからなり、２段目の検出器は厚さ２０ｍｍのゲルマニウムからなる。図１５（ｃ）も、比較例のガンマ線検出装置を示し、１段目の検出器は厚さ１０ｍｍのゲルマニウムからなり、２段目の検出器は厚さ２０ｍｍのゲルマニウムからなる。いずれの場合も、検出器の縦・横の寸法は３９ｍｍ×３９ｍｍとし、検出器の間隔は３０ｍｍ、ガンマ線源は１段目の検出器の前方３０ｍｍの位置にあるとした。
【００４６】
図１５に示した各検出器の組み合わせについて、ガンマ線源から放出される１００ｋｅＶ及び１０００ｋｅＶのガンマ線を撮像した場合の検出効率をモンテカルロシミュレーションによって比較した。図１６はガンマ線のエネルギーが１００ｋｅＶの場合の検出効率を示し、図１７はガンマ線のエネルギーが１０００ｋｅＶの場合の検出効率を示している。
【００４７】
図１６及び図１７中の「Ｇｅ＋Ｇｅ」は図１５（ｃ）に示した比較例のガンマ線検出装置、「Ｓｉ＋Ｇｅ」は図１５（ｂ）に示した低エネルギー用のガンマ線検出装置、そして「Ｓｉ＋Ｇｅ＋Ｇｅ」は図１５（ａ）に示した本発明によるガンマ線検出装置を示す。ガンマ線のエネルギーが１００ｋｅＶのとき、Ｇｅ＋Ｇｅの組み合わせの検出装置は検出効率が著しく低下しているが、Ｓｉ＋Ｇｅ＋Ｇｅの組み合わせの検出装置はＳｉ＋Ｇｅの組み合わせの検出装置と同等の検出効率が得られることがわかる。また、ガンマ線のエネルギーが１０００ｋｅＶの場合、本発明の検出装置はＳｉ＋Ｇｅの組み合わせの検出装置に比べて２倍以上の検出効率が得られていることがわかる。こうして、本発明によると、エネルギーが約１００ｋｅＶから２ＭｅＶの範囲のガンマ線を、高解像度・高効率で撮像可能な装置をコンプトンカメラ方式で実現することができる。
【００４８】
図１８は、本発明によるガンマ線検出装置で撮像した場合に、どの検出器の組み合わせでどのような頻度で相互作用が起こるかを示す図である。図中のＧｅ１＋Ｇｅ２、Ｓｉ＋Ｇｅ２及びＳｉ＋Ｇｅ１はそれぞれ２段目と３段目、１段目と３段目及び１段目と２段目の検出器の組み合わせを示す。エネルギーが１００ｋｅＶの場合は９４．２８％がＳｉ＋Ｇｅ１で相互作用が起こっており、３段目の検出器の寄与は小さい。しかし、エネルギーが１０００ｋｅＶの場合は、６３．４４％がＧｅ１＋Ｇｅ２で相互作用が起こっていることがわかる。つまり、この発明によって、低エネルギーから高エネルギーまで検出効率が改善されることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】コンプトン散乱の生起確率を説明する図。
【図２】ゲルマニウム結晶とシリコン結晶中におけるコンプトン散乱の生起確率と結晶の厚さとの関係を示した図。
【図３】本発明によるガンマ線検出装置におけるガンマ線検出器の配置を示す模式図。
【図４】本発明によるガンマ線撮像装置の検出部の概略構成図と、ガンマ線源の検出原理を示した図。
【図５】本発明による電極分割型平板ガンマ線検出器の構造例を示す図。
【図６】電極分割型平板ガンマ線検出器の陽極及び陰極の出力信号をシミュレーションした図。
【図７】陽極と陰極間における、信号波形の振幅が最大値の５０％に達するまでの時間の差とＤＯＩの関係を示す図。
【図８】ガンマ線の相互作用点の横方向の位置の測定法の説明図。
【図９】ＴＯＩと図６で定義したパラメータの関係を示す図。
【図１０】本発明によるガンマ線撮像装置の信号処理部の例を示す概略ブロック図。
【図１１】信号処理回路の詳細図。
【図１２】ＣＦＤの動作原理を説明する図。
【図１３】コンピュータに転送されるデータの内訳を示す図。
【図１４】コンピュータによるデータ処理のフローチャート。
【図１５】ガンマ線検出装置の構成例を示す図。
【図１６】ガンマ線検出装置の検出効率を比較して示した図。
【図１７】ガンマ線検出装置の検出効率を比較して示した図。
【図１８】相互作用した検出器の組み合わせの説明図。
【符号の説明】
【００５０】
１０:検出部、１１：散乱検出器、１２：吸収検出器、１３：ガンマ線源、１４，１５:ガンマ線、２０: ガンマ線検出結晶、２１：陽極ストリップ、２２：陰極ストリップ、３１：前置増幅器、３２：信号処理回路、３３：同時計測回路、３４：遅延回路、３５：時間差記録器、３６：波高記録器、３７：コンピュータ、４１：波形弁別器、４２：振幅測定器、４３：成形増幅器、４４：ＴＦＡ、４５：ＣＦＤ、１０１：１段目の検出器、１０２：２段目の検出器、１０３：３段目の検出器
【技術分野】
【０００１】
本発明はガンマ線検出装置に関し、特にガンマ線の飛来方向を検出することのできるガンマ線検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
コリメータを用いることなくガンマ線の飛来方向あるいはガンマ線源の位置を検出することのできるガンマ線検出装置として、コンプトン散乱の運動学を利用するガンマ線検出装置が特開平９−１０１３７１号公報や特開２００５−２０８０５７号公報に記載されている。このガンマ線検出装置は、位置分解能及びエネルギー分解能を有する２枚のゲルマニウム検出器を用い、前方のゲルマニウム検出器に入射してコンプトン散乱された後、後方のゲルマニウム検出器に入射して吸収されたガンマ線検出事象に着目し、２つのゲルマニウム検出器におけるガンマ線の検出位置及び検出エネルギーをもとにガンマ線源の存在する方向あるいは位置を演算するものである。T. Tanaka et al.: ”Development of a Si/CdTe semiconductor Compton telescope”, Proceedings of SPIE 5501(2004) pp.229-240.には、シリコン検出器とテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）検出器を組み合わせ、同様の原理を応用したガンマ線天文学用の撮像装置が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１０１３７１号公報
【特許文献２】特開２００５−２０８０５７号公報
【非特許文献１】Proceedings of SPIE 5501(2004) pp.229-240.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
２枚のゲルマニウム検出器を用いるガンマ線検出装置は、広いエネルギー範囲のガンマ線を検出可能である。しかしながら、ガンマ線のエネルギーが低くなると、ゲルマニウム結晶中で光電吸収が起こる確率が高くなり、コンプトン散乱を利用するガンマ線の検出感度が低下する。図１は、ガンマ線のエネルギーをパラメータとして、コンプトン散乱の生起確率とゲルマニウムの厚さとの関係を示した図である。図から分かるように、ガンマ線のエネルギーが１００ｋｅＶ程度まで低くなると、どんなにゲルマニウム結晶を厚くしたとしてもコンプトン散乱の起こる確率は２割程度にとどまり、検出効率が著しく低下してしまう。また、Proceedings of SPIE 5501(2004) pp.229-240.に記載されているように、前面の検出器をシリコン半導体検出器にすると、ゲルマニウムに比べて、より低いエネルギーのガンマ線に対してもコンプトン散乱の生起確率を向上させることができる。しかしながらこの場合は、約２００ｋｅＶ以上のガンマ線はシリコン検出器を透過し易くなり、コンプトン散乱の生起確率が低下してしまう。
【０００５】
本発明は、検出できるエネルギーレンジを拡大したガンマ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】
【０００６】
２枚の位置感応型のゲルマニウム検出器の前方に、さらに位置感応型のシリコン検出器を追加する。そうすると、低いエネルギーのガンマ線のコンプトン散乱は主にシリコン検出器で起こり、散乱されたガンマ線は後方のゲルマニウム検出器で検出される。また、高いエネルギーのガンマ線はシリコン検出器を透過しやすくなるので、主に次段のゲルマニウム検出器中でコンプトン散乱され、散乱されたガンマ線は最後方の検出器で検出される。従って、低エネルギーから高エネルギーまでのガンマ線を高効率で撮像することが可能になる。これによって、２枚のゲルマニウム検出器を用いたガンマ線撮像装置では撮像が難しかった低エネルギーのガンマ線を放出するインビボ診断用のＳＰＥＣＴ核種の撮像も可能になる。
【０００７】
図２は、ゲルマニウム結晶とシリコン結晶中におけるコンプトン散乱の生起確率と結晶の厚さとの関係を示した図である。この図から明らかなように、１段目の検出器の素材をシリコンにすれば、エネルギーが１００ｋｅＶ程度のガンマ線でもコンプトン散乱の生起確率を向上することができる。従って、１段目の検出器をシリコン、２段目の検出器をゲルマニウムやＣｄＴｅにすることが考えられる。しかし、ガンマ線のエネルギーが約２００ｋｅＶ以上になると、シリコンよりもゲルマニウムの方がコンプトン散乱の生起確率が高いために、Ｓｉ＋ＣｄＴｅなどの装置は高エネルギーのガンマ線の検出には向かない。
【０００８】
そこで本発明では、相対的に高エネルギーのガンマ線に対するコンプトン散乱の生起確率が高いガンマ線検出器（以下、高エネルギー用ガンマ線検出器という）を２枚配置した前方に、相対的に低エネルギーのガンマ線に対するコンプトン散乱の生起確率が高いガンマ線検出器（以下、低エネルギー用ガンマ線検出器という）を配置した構成を採用する。
【０００９】
すなわち、本発明のガンマ線検出装置は、ガンマ線との相互作用位置及びエネルギーを検出できる一対の高エネルギーガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出器と、その前方に配置された、ガンマ線との相互作用位置及びエネルギーを検出できる低エネルギーガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出器とを備える。高エネルギーガンマ線用の位置敏感型ガンマ線検出器はゲルマニウム結晶を備え、低エネルギーガンマ線用の位置敏感型ガンマ線検出器はシリコン結晶を備えるものとすることができる。
【００１０】
低エネルギーガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出器は、典型的には、エネルギー１００ｋｅＶのガンマ線に対するコンプトン散乱の生起確率が高エネルギーガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出器より高く、エネルギー１０００ｋｅＶのガンマ線に対するコンプトン散乱の生起確率が高エネルギーガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出器より低い検出器とすることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、低エネルギーのガンマ線から高エネルギーのガンマ線まで広いエネルギーレンジにわたって高い効率で検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図３は、本発明によるガンマ線検出装置におけるガンマ線検出器の配置を示す模式図である。本発明によるガンマ線検出装置は、ガンマ線の入射側から、１段目の検出器１０１、２段目の検出器１０２、３段目の検出器１０３を順に平行に並べて配置した構造を有する。１段目の検出器１０１はシリコン半導体検出器からなる低エネルギー用ガンマ線検出器である。２段目の検出器１０２及び３段目の検出器１０３は、それぞれゲルマニウム半導体検出器からなる高エネルギー用ガンマ線検出器である。１段目の検出器１０１の材質はダイヤモンドとしてもよい。また、３段目の検出器１０３は、より原子番号が大きなＣｄＴｅ検出器あるいはＣｄＺｎＴｅ検出器などで代用することもできる。各ガンマ線検出器は、以下に説明するような原理でガンマ線との相互作用点の位置と相互作用によって検出器に与えられたエネルギーを測定可能な、位置感応型半導体検出器である。
【００１３】
ガンマ線源から放出された１００ｋｅＶ程度の低いエネルギーのガンマ線は主に１段目のシリコン検出器でコンプトン散乱される。その散乱されたガンマ線が２段目または３段目のゲルマニウム検出器で光電吸収されたとすると、それぞれの検出器で測定されたエネルギーをコンプトン散乱の運動学方程式に代入して散乱角を求めることができる。つまり、計測された２つの相互作用点を通る直線を軸とし、１段目の検出器中の相互作用点を頂点とした、散乱角の２倍の開角円錐が定まる。また、ガンマ線源から放出された約２００ｋｅＶ以上の高いエネルギーのガンマ線は１段目のシリコン検出器を透過しやすくなり、主に２段目のゲルマニウム検出器でコンプトン散乱される。その散乱されたガンマ線が３段目の検出器で光電吸収されたとすると、低エネルギーガンマ線の場合と同様に、計測された２つの相互作用点を通る直線を軸とし、２段目の検出器中の相互作用点を頂点とした、散乱角の２倍の開角円錐が定まる。すなわち、コンプトンカメラ方式によって低エネルギーから高エネルギーまでのガンマ線を高効率で撮像することが可能になる。
【００１４】
次に、本発明のガンマ線検出装置によるガンマ線源の検出原理について説明する。ここでは、ガンマ線の相互作用を検出した２つの検出器のうち、ガンマ線源により近い方の検出器でコンプトン散乱され、ガンマ線源からより遠い方の検出器で光電吸収された事象に着目し、前者の検出器を散乱検出器、後者の検出器を吸収検出器と呼ぶ。図３に示した検出器のうち、１段目の検出器１０１あるいは２段目の検出器１０２が散乱検出器となりうる。１段目の検出器１０１が散乱検出器の場合、吸収検出器となりうるのは２段目の検出器１０２と３段目の検出器１０３である。また、２段目の検出器１０２が散乱検出器の場合、吸収検出器となりうるのは３段目の検出器１０３である。
【００１５】
図４は、散乱検出器と吸収検出器によるガンマ線源の検出原理を示した図である。
図示したガンマ線１４，１５は、散乱検出器１１に入射してそこでコンプトン散乱された後、吸収検出器１２に入射してそこで全エネルギーを失ったものであり、本発明ではこのような事象に注目する。なお、ガンマ線１４とガンマ線１５は別々の時間に検出部１０に入射したものとする。
【００１６】
この時、例えばガンマ線１４は前方の散乱検出器１１にＥ１のエネルギーを付与し、後方の吸収検出器１２にＥ２のエネルギーを付与するため、次式（１）の関係が成り立つ。
【００１７】
Ｅ＝Ｅ１＋Ｅ２ (1)
【００１８】
この測定されたエネルギーＥによって核種を識別することができる。そして、コンプトン散乱の運動学から、コンプトン散乱角θは次式（２）によって計算される。ここでｍｃは電子の静止質量、ｃは光速度である。
【００１９】
【数１】
【００２０】
これらの関係からガンマ線源１３は、散乱検出器１１中でガンマ線１４がコンプトン散乱を起こした相互作用点と、散乱されたガンマ線が吸収検出器１２で吸収された相互作用点を結ぶ直線に対して頂角が２θの円錐面上にあることが分かる。従って、このような事象を２組以上計測し、夫々の組み合わせに対して円錐面を作り、それらの円錐面が重なり合う位置を求めると、その位置はガンマ線源１３の存在する位置の候補である。事象の計測数、すなわち円錐面の数を多くすればするほど、それらの重なり合う領域を狭めることができ、高い精度でガンマ線源の存在位置を求めることができる。
【００２１】
図５は、個々のガンマ線検出器の構造例を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。ただし、本発明で使用できるガンマ線検出器は、図５に示す構造の検出器に限られず、ガンマ線との相互作用位置とエネルギーを検出できるガンマ線検出器であれば、どのような検出器でも使用可能である。
【００２２】
図示のようにＸ、Ｙ、Ｚ座標系を設定して説明する。この検出器は、寸法ａ×ｂ×ｃの平板型のガンマ線検出結晶２０の両面に短冊状に分割された電極を形成したものである。平板型のガンマ線検出結晶２０の一方の表面には、幅ｄで長さがａのＸ方向に細長い電極ストリップ２１が複数本、密に並べて形成されている。また、平板型のガンマ線検出結晶２０の反対側の表面には、幅ｄで長さがｂのＹ方向に細長い電極ストリップ２２が複数本、密に並べて形成されている。一方の表面の電極ストリップは陽極（以下、陽極ストリップという）とされ、反対側の表面面の電極ストリップは陰極（以下、陰極ストリップという）とされる。このように平板型のガンマ線検出結晶２０の表面と裏面には、互いに直交する方向に延びる陽極ストリップ２１と陰極ストリップ２２がそれぞれ複数本設けられており、ガンマ線とガンマ線検出結晶との相互作用による信号が強く検出される陽極ストリップと陰極ストリップの組み合わせによって、相互作用点の大まかなＸＹ座標が分かるようになっている。
【００２３】
以下では、一例として、ａ＝３９ｍｍ、ｂ＝３９ｍｍ、ｃ＝２０ｍｍ、ｄ＝３ｍｍとし、ガンマ線入射側の電極を陽極、反対側の電極を陰極とした例によって説明する。最初に、平板型のガンマ線検出結晶２０内におけるガンマ線の相互作用点の結晶表面からの深さ方向の位置ＤＯＩ（Depth of interaction）を求める方法について説明する。
【００２４】
図６は、電極分割型平板ガンマ線検出器の内部でガンマ線がガンマ線検出結晶と相互作用したとき、陽極ストリップ及び陰極ストリップから発生する出力信号をシミュレートした図である。図示した信号は相互作用点に最も近い陽極ストリップ及び陰極ストリップからの信号である。ガンマ線の相互作用点の深さ方向の位置（ＤＯＩ）によって信号波形が変化する。
【００２５】
図７は、１つの検出事象について、陽極ストリップ２１で検出された信号波形の振幅が最大値の５０％に達するまでの時間と陰極ストリップ２２で検出された信号波形の振幅が最大値の５０％に達するまでの時間の差と、ＤＯＩとの関係を図示したものである。この時間差とＤＯＩとがほぼ直線関係にあることが分かる。従って、図７の関係を記憶しておき、測定された時間差を図７の関係に当てはめることによってＤＯＩ、すなわち相互作用点のガンマ線検出結晶の表面からの深さを知ることができる。
【００２６】
電極分割型平板ガンマ線検出器内でガンマ線がガンマ線検出結晶と相互作用すると、検出器の表面（ガンマ線入射側）に設けられた複数の陽極ストリップから信号が発生されるが、相互作用点に最も近い位置にある陽極ストリップから発生される信号が最大の振幅を示す。同様に、陽極ストリップと直交するようにして検出器の裏面に設けられた複数の陰極ストリップから発生される信号も、相互作用点に最も近い陰極ストリップから発生される信号が最大の振幅を示す。従って、複数の陽極ストリップの中で信号振幅が最大の陽極ストリップの位置と、複数の陰極ストリップの中で信号振幅が最大の陰極ストリップの位置から相互作用点のＸＹ座標を知ることができるが、電極ストリップは幅ｄを有するため、この方法によって知ることのできる相互作用点のＸ座標及びＹ座標は、それぞれ最大ｄ／２（図示の例ではｄ＝３ｍｍ）の誤差を含んでいる。そこで、以下に説明する方法により、相互作用点のＸＹ座標を電極ストリップの幅より小さな精度で決定する。
【００２７】
図８は、ガンマ線検出結晶とガンマ線の相互作用点の横方向位置、すなわち電極ストリップの幅内における位置を高精度に測定する方法を説明する図である。電極分割型平板ガンマ線検出器内でガンマ線がガンマ線検出結晶と相互作用すると、前述のように、検出器の表面に設けられた複数の陽極ストリップから信号が検出され、相互作用点に最も近い陽極ストリップから発生される信号が最大の振幅を示す。同様に、検出器の裏面に設けられた複数の陰極ストリップからも信号が検出されるが、相互作用点に最も近い陰極ストリップから発生される信号が最大の振幅を示す。
【００２８】
図８は、最大の信号振幅を示す電極ストリップの両隣の電極ストリップによって検出される信号波形を示した図である。図８の左側のグラフは最大の信号振幅を示す電極ストリップの左隣の電極ストリップの信号波形、右側のグラフは最大の信号振幅を示す電極ストリップの右隣の電極ストリップの信号波形であり、上からＤＯＩ＝１ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍのときをシミュレーションしたものである。相互作用点の、幅３ｍｍの電極ストリップの中心線からのずれ量（ＴＯＩ：Transverse position of interaction）は全て同じで１ｍｍである。右隣の電極ストリップの信号波形の最大振幅をＡ+、左隣の電極ストリップの信号波形の最大振幅をＡ-として、次式で表されるパラメータＬを計算する。
【００２９】
【数２】
【００３０】
図９は、ＴＯＩと上式（３）で定義したパラメータＬの関係を示す図である。図示するように、ＴＯＩとパラメータＬはほぼ直線の関係を有する。従って、図９の関係を記憶しておき、最大の信号振幅を示す電極ストリップの両隣の電極ストリップの信号波形から測定された振幅Ａ+、Ａ-をもとに計算されるパラメータＬを図９の関係に当てはめることによってＴＯＩ、すなわち電極ストリップの幅ｄ内におけるガンマ線の相互作用点の位置を高精度に知ることができる。これをＸ方向に細長い陽極ストリップ２１に関して行うことにより相互作用点のＹ座標位置を高精度に求めることができ、またＹ方向に細長い陰極ストリップ２２に関して行うことにより相互作用点のＸ座標位置を高精度に求めることができる。
【００３１】
相互作用点に最も近いストリップであるか、その両隣のストリップであるかは、それらのストリップから得られる信号波形の違いを使って識別することができる。相互作用点に最も近いストリップの信号は、図６で例えば５００ｎｓのところで波高が±１００になっているのに対し、両隣のストリップからの信号は、図８で例えば３００ｎｓのところで波高が０になっている。そこで、この波形の違いを識別するための波形弁別器を製作し適用すれば両者を識別でき、ＤＯＩを検出するためのストリップ（ＤＯＩストリップ）であるか、ＴＯＩを検出するためのストリップ（ＴＯＩストリップ）であるかがわかる。
【００３２】
図１０は、本発明によるガンマ線撮像装置の信号処理部の例を示す概略ブロック図である。検出部１０の１段目、２段目及び３段目の検出器１０１，１０２，１０３は液体窒素容器内の液体窒素で冷却される銅製コールドフィンガーに固定されて冷却されている。１段目の検出器１０１に設けられた複数の陽極ストリップ及び複数の陰極ストリップからの信号はそれぞれの前置増幅器によって増幅される。同様に、２段目の検出器１０２に設けられた複数の陽極ストリップ及び複数の陰極ストリップからの信号、３段目の検出器１０３に設けられた複数の陽極ストリップ及び複数の陰極ストリップからの信号もそれぞれの前置増幅器によって増幅される。図には、１段目の検出器１０１の陰極ストリップ及び陽極ストリップに接続されている前置増幅器を、それぞれ前置増幅器１及び前置増幅器３で代表させて表示し、２段目の検出器１０２の陰極ストリップ及び陽極ストリップに接続されている前置増幅器を、それぞれ前置増幅器２及び前置増幅器４で代表させて表示し、３段目の検出器１０３の陰極ストリップ及び陽極ストリップに接続されている前置増幅器を、それぞれ前置増幅器５及び前置増幅器６で代表させて表示した。
【００３３】
それぞれの前置増幅器の出力信号は、図１１に詳細を示す信号処理回路３２に入力される。この信号処理回路３２は、入力信号がＤＯＩストリップのものであったならば出力Ａにエネルギー信号を出力し、出力Ｔに時間信号を出力する。ＤＯＩストリップのものでなかったならば出力Ａの信号はＴＯＩの測定に利用され、出力Ｔには信号を出力しない。図１１に図示するように、信号処理回路３２に入力された信号は４つに分けられ、それぞれ波形弁別器４１、振幅測定器４２、成形増幅器４３、ＴＦＡ４４に入力される。
【００３４】
ここで、図１０及び図１１に示した各要素回路の動作について説明する。前置増幅器３１は電荷感応型前置増幅器と呼ばれるもので、ガンマ線の相互作用によって検出器中に生成される電荷量に比例した波高の信号を出力する。波形弁別器４１は、前置増幅器３１の出力波形が、ある閾値を超えた後、３００ｎｓ後にもある波高を保っていればゲート信号を出力し、そうでなければ何も出力しないように設定されている。振幅測定器４２は、前置増幅器３１の出力の、最大値と最小値の差を出力する回路である。成形増幅器４３は、前置増幅器３１の波高に比例した波高の出力を精度良く出力するため、セミガウシアン型の波形を生成する。この回路は、ＣＲの微分回路の後にＲＣの積分回路を多段つなげて実現される。ＴＦＡ（タイミング・フィルタ・アンプ）４４は、帯域通過回路になっている。ここでは、低域通過の時定数を５０ｎｓ、高域通過の時定数を５００ｎｓとした。
【００３５】
ＣＦＤ４５は、コンスタント・フラクション・ディスクリミネータと呼ばれる市販の回路であり、その動作原理を図１２より説明する。（ａ）に示す入力信号５１を２つに分け、（ｂ）に示すように、入力信号５１をｔｄだけ遅らせた信号５２と、（ｃ）に示すように、入力信号５１を反転させ振幅をｆ倍した信号５３を作る。その後、（ｄ）に示すように、信号５２と信号５３を足し合わせた信号５４を作ると、その波高が０になる時間ｔｆ は、入力信号５１の波高が最大値のｆ倍になる時間にｔｄを加えた時間になる。こうして、立ち上がり波形あるいは立ち下がり波形の信号をＣＦＤに通すことにより、波高の最大値のｆ倍になるまでの時間を知ることができる。
【００３６】
同時計測回路３３は、入力信号の時間差がある設定値より短かった場合、ゲート信号を出力する回路である。ゲート信号の幅と遅延時間は可変である。３つの検出器１０１，１０２，１０３のうちのどれか２つだけでガンマ線の相互作用を検出した事象を同時計測回路３３で選択し、データを取得する。時間差記録器３５は、同時計測回路３３のゲート信号出力をスタート信号として使い、信号処理回路３２の出力Ｔを遅延回路３４で遅らせた信号をストップ信号として使い、スタート信号とストップ信号の時間差を記録する回路である。波高記録器３６は、同時計測回路３３のゲート信号が出力されている間の、信号処理回路３２の出力Ａの信号の波高の最大値を記録する回路である。
【００３７】
次に、図１０及び図１１に示した信号処理部の動作について説明する。波形弁別器４１では、入力された信号がＤＯＩストリップのものであるか、そうでないかが調べられる。もしＤＯＩストリップであったならばゲート信号を出力し、振幅測定器４２の出力信号を出力しないようにすると同時に、成形増幅器４３及びＣＦＤ４４の出力信号を出力できるようにする。逆に、ＤＯＩストリップでなかったならば、ゲート信号を出力せず、振幅測定器４２の出力信号を出力できるようにし、成形増幅器４３及びＣＦＤ４４の出力信号を出力しないようにする。振幅測定器４２では、ＤＯＩストリップではなかった場合に、入力信号の最大値と最小値の差が測定され出力される。成形増幅器４３からは、エネルギーの測定に適した波形の信号が生成される。ＴＦＡ４４では、時間の測定に適した波形の信号が生成される。ＴＦＡ４４の出力はＣＦＤ４５に入力され、波高の最大値の５０％になったときに出力信号を生成する。
【００３８】
信号処理回路１、信号処理回路２及び信号処理回路６の信号がＤＯＩストリップのものであったとすると、それぞれの出力Ｔの信号が同時計測回路３３に入力される。それらの入力信号の間の時間差が、ある設定値よりも短かったならば、同時計測回路３３からゲート信号が出力され、時間差記録器３５及び波高記録器３６を作動させる。時間差記録器３５のストップ信号は、出力Ｔの信号を、遅延回路３４を通して作られる。波高記録器３６の入力には、出力Ａの信号が入力される。
【００３９】
上述のようにＤＯＩストリップの信号に対してのみ、信号処理回路３２の出力Ｔが出力される。つまり、時間差記録器３５の、ＤＯＩストリップに対応するチャンネルにのみデータが作られる。そして、データ転送の処理により、波高記録器３６のデータのうちで、このチャンネルに対応するデータと、その両隣のチャンネルのデータを転送する。時間差記録器３５及び波高記録器３６のデータは、測定事象ごとにコンピュータ３７に転送され、画像生成のための処理が行われる。転送されるデータの内訳を図１３に示す。
【００４０】
図１３において、ｔ１からｔ４は時間差記録器３５のデータである。ｔ１及びｔ３は散乱検出器の陰極ストリップ及び陽極ストリップのデータであり、ｔ２及びｔ４は吸収検出器の陰極ストリップ及び陽極ストリップのデータである。それぞれのデータには、チャンネルを特定するためのＩＤ情報とそのチャンネルから得られた数値が組になって記録されている。Ｅ１以降は波高記録器３６のデータである。Ｅ１及びＥ３は散乱検出器のそれぞれ陰極及び陽極のＤＯＩストリップによるデータであり、Ｅ２及びＥ４は吸収検出器のそれぞれ陰極及び陽極のＤＯＩストリップによるデータである。Ａ１＋及びＡ１−は、散乱検出器の陰極のＤＯＩストリップの両隣のストリップ（ＴＯＩストリップ）によるデータである。Ａ２＋及びＡ２−は、吸収検出器の陰極のＤＯＩストリップの両隣のストリップ（ＴＯＩストリップ）によるデータである。Ａ３＋及びＡ３−は、散乱検出器の陽極のＤＯＩストリップの両隣のストリップ（ＴＯＩストリップ）によるデータである。Ａ４＋及びＡ４−は、吸収検出器の陽極のＤＯＩストリップの両隣のストリップ（ＴＯＩストリップ）によるデータである。
【００４１】
コンピュータ３７によるデータの処理の流れを図１４に示す。この処理は、検出事象の数だけ繰り返し行われる。ステップ１１にてデータを読み込んだのち、ステップ１２で検出パターンの検査を行う。この検出パターンの検査は、時間差記録器３５のデータにより行う。時間差記録器３５のあるチャンネルにデータが存在した場合、そのデータの元となったストリップはＤＯＩストリップであったことになる。ここでは、散乱検出器及び吸収検出器のそれぞれの陰極及び陽極のストリップのうちでそれぞれ１つだけがＤＯＩストリップであった場合にのみ次の処理に進む。検出器に同時に２個のガンマ線が入射するなどしてＤＯＩストリップの信号が２つ以上となった場合、その事象は後の解析から除外する。次に、ステップ１３においてエネルギーの検査を行う。このエネルギーの検査は、波高記録器３６のＥ１及びＥ２を使って行う。Ｅ１とＥ２の和が目的のガンマ線のエネルギーと等しい場合にのみ次の処理に進む。ステップ１４のＤＯＩの演算は、時間差記録器３５のデータを使って行う。ｔ１とｔ３の差から散乱検出器におけるＤＯＩが計算され、ｔ２とｔ４の差から吸収検出器におけるＤＯＩが計算される。続くステップ１５のＴＯＩの演算は、波高記録器３６のデータを使って行う。ここでは、陰極の分割の方向をＸ方向、陽極の分割の方向をＹ方向とする。Ａ１＋及びＡ１−から散乱検出器のＸ方向のＴＯＩが計算され、Ａ３＋及びＡ３−から散乱検出器のＹ方向のＴＯＩが計算される。同様にして、Ａ２＋及びＡ２−から吸収検出器のＸ方向のＴＯＩが計算され、Ａ４＋及びＡ４−から吸収検出器のＹ方向のＴＯＩが計算される。こうして、散乱検出器中と吸収検出器中での相互作用点が高精度に求められる。次に、ステップ１６に進み、散乱検出器で検出されたエネルギーＥ１と吸収検出器で検出されたエネルギーＥ２を上式（２）に当てはめてコンプトン散乱角θを計算する。
【００４２】
こうして複数の検出事象の各事象毎に、散乱検出器中での相互作用点、吸収検出器中での相互作用点、コンプトン散乱角θの情報をもとに図４に示したような円錐面が計算される。そこで、検出されたガンマ線エネルギーＥ（＝Ｅ１＋Ｅ２）から同一核種から放出されたガンマ線に起因すると判断される事象を集め、その事象の集合に属する円錐面を重ねることによってその核種の存在位置を求めることができ、線源の空間分布を像として表示することができる。
【００４３】
Ｅ１とＥ２の和が複数あってガンマ線源として複数の核種が存在する場合には、コンプトン散乱の運動学で計算された円錐面をエネルギーによって核種毎にグループ化し、それぞれの核種に対して独立して円錐面を重ねることによって各核種の存在位置を分離して求めることができる。
【００４４】
本発明のガンマ線検出装置を使うと、低いエネルギーのガンマ線は主にシリコン検出器でコンプトン散乱され、散乱されたガンマ線は後方のゲルマニウム検出器で検出される。一方、高いエネルギーのガンマ線はシリコン検出器を透過しやすくなるので、従来通りの２枚のゲルマニウム検出器によって検出することができる。これによって、約１００ｋｅＶ程度の低エネルギーのガンマ線から２ＭｅＶ程度の高エネルギーのガンマ線まで高効率で検出することが可能になる。
【００４５】
ここで、本発明によってどの程度、検出効率が改善するかを評価した例を示す。図１５に示したガンマ線検出器の組み合わせについて、ガンマ線の検出効率を比較した。図１５（ａ）は、本発明のガンマ線検出装置が採用した検出器の組み合わせであり、１段目の検出器は厚さ１０ｍｍのシリコンからなり、２段目の検出器は厚さ１０ｍｍのゲルマニウム、３段目の検出器は厚さ２０ｍｍのゲルマニウムからなるものとした。図１５（ｂ）は、比較例のガンマ線検出装置を示し、１段目の検出器は厚さ１０ｍｍのシリコンからなり、２段目の検出器は厚さ２０ｍｍのゲルマニウムからなる。図１５（ｃ）も、比較例のガンマ線検出装置を示し、１段目の検出器は厚さ１０ｍｍのゲルマニウムからなり、２段目の検出器は厚さ２０ｍｍのゲルマニウムからなる。いずれの場合も、検出器の縦・横の寸法は３９ｍｍ×３９ｍｍとし、検出器の間隔は３０ｍｍ、ガンマ線源は１段目の検出器の前方３０ｍｍの位置にあるとした。
【００４６】
図１５に示した各検出器の組み合わせについて、ガンマ線源から放出される１００ｋｅＶ及び１０００ｋｅＶのガンマ線を撮像した場合の検出効率をモンテカルロシミュレーションによって比較した。図１６はガンマ線のエネルギーが１００ｋｅＶの場合の検出効率を示し、図１７はガンマ線のエネルギーが１０００ｋｅＶの場合の検出効率を示している。
【００４７】
図１６及び図１７中の「Ｇｅ＋Ｇｅ」は図１５（ｃ）に示した比較例のガンマ線検出装置、「Ｓｉ＋Ｇｅ」は図１５（ｂ）に示した低エネルギー用のガンマ線検出装置、そして「Ｓｉ＋Ｇｅ＋Ｇｅ」は図１５（ａ）に示した本発明によるガンマ線検出装置を示す。ガンマ線のエネルギーが１００ｋｅＶのとき、Ｇｅ＋Ｇｅの組み合わせの検出装置は検出効率が著しく低下しているが、Ｓｉ＋Ｇｅ＋Ｇｅの組み合わせの検出装置はＳｉ＋Ｇｅの組み合わせの検出装置と同等の検出効率が得られることがわかる。また、ガンマ線のエネルギーが１０００ｋｅＶの場合、本発明の検出装置はＳｉ＋Ｇｅの組み合わせの検出装置に比べて２倍以上の検出効率が得られていることがわかる。こうして、本発明によると、エネルギーが約１００ｋｅＶから２ＭｅＶの範囲のガンマ線を、高解像度・高効率で撮像可能な装置をコンプトンカメラ方式で実現することができる。
【００４８】
図１８は、本発明によるガンマ線検出装置で撮像した場合に、どの検出器の組み合わせでどのような頻度で相互作用が起こるかを示す図である。図中のＧｅ１＋Ｇｅ２、Ｓｉ＋Ｇｅ２及びＳｉ＋Ｇｅ１はそれぞれ２段目と３段目、１段目と３段目及び１段目と２段目の検出器の組み合わせを示す。エネルギーが１００ｋｅＶの場合は９４．２８％がＳｉ＋Ｇｅ１で相互作用が起こっており、３段目の検出器の寄与は小さい。しかし、エネルギーが１０００ｋｅＶの場合は、６３．４４％がＧｅ１＋Ｇｅ２で相互作用が起こっていることがわかる。つまり、この発明によって、低エネルギーから高エネルギーまで検出効率が改善されることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】コンプトン散乱の生起確率を説明する図。
【図２】ゲルマニウム結晶とシリコン結晶中におけるコンプトン散乱の生起確率と結晶の厚さとの関係を示した図。
【図３】本発明によるガンマ線検出装置におけるガンマ線検出器の配置を示す模式図。
【図４】本発明によるガンマ線撮像装置の検出部の概略構成図と、ガンマ線源の検出原理を示した図。
【図５】本発明による電極分割型平板ガンマ線検出器の構造例を示す図。
【図６】電極分割型平板ガンマ線検出器の陽極及び陰極の出力信号をシミュレーションした図。
【図７】陽極と陰極間における、信号波形の振幅が最大値の５０％に達するまでの時間の差とＤＯＩの関係を示す図。
【図８】ガンマ線の相互作用点の横方向の位置の測定法の説明図。
【図９】ＴＯＩと図６で定義したパラメータの関係を示す図。
【図１０】本発明によるガンマ線撮像装置の信号処理部の例を示す概略ブロック図。
【図１１】信号処理回路の詳細図。
【図１２】ＣＦＤの動作原理を説明する図。
【図１３】コンピュータに転送されるデータの内訳を示す図。
【図１４】コンピュータによるデータ処理のフローチャート。
【図１５】ガンマ線検出装置の構成例を示す図。
【図１６】ガンマ線検出装置の検出効率を比較して示した図。
【図１７】ガンマ線検出装置の検出効率を比較して示した図。
【図１８】相互作用した検出器の組み合わせの説明図。
【符号の説明】
【００５０】
１０:検出部、１１：散乱検出器、１２：吸収検出器、１３：ガンマ線源、１４，１５:ガンマ線、２０: ガンマ線検出結晶、２１：陽極ストリップ、２２：陰極ストリップ、３１：前置増幅器、３２：信号処理回路、３３：同時計測回路、３４：遅延回路、３５：時間差記録器、３６：波高記録器、３７：コンピュータ、４１：波形弁別器、４２：振幅測定器、４３：成形増幅器、４４：ＴＦＡ、４５：ＣＦＤ、１０１：１段目の検出器、１０２：２段目の検出器、１０３：３段目の検出器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガンマ線との相互作用位置及びエネルギーを検出できる一対の高エネルギーガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出器と、
その前方に配置された、ガンマ線との相互作用位置及びエネルギーを検出できる低エネルギーガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出器と
を備えることを特徴とするガンマ線検出装置。
【請求項２】
請求項１記載のガンマ線検出装置において、前記高エネルギーガンマ線用の位置敏感型ガンマ線検出器はゲルマニウム結晶を備え、前記低エネルギーガンマ線用の位置敏感型ガンマ線検出器はシリコン結晶を備えることを特徴とするガンマ線検出装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のガンマ線検出装置において、前記低エネルギーガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出器は、エネルギー１００ｋｅＶのガンマ線に対するコンプトン散乱の生起確率が高エネルギーガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出器より高く、エネルギー１０００ｋｅＶのガンマ線に対するコンプトン散乱の生起確率が高エネルギーガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出器より低いことを特徴とするガンマ線検出装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項記載のガンマ線検出装置において、前記３個の位置敏感型ガンマ線検出器のうちの２個だけでガンマ線の相互作用を検出した事象のみを取り出す同時計測回路を有することを特徴とするガンマ線検出装置。
【請求項１】
ガンマ線との相互作用位置及びエネルギーを検出できる一対の高エネルギーガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出器と、
その前方に配置された、ガンマ線との相互作用位置及びエネルギーを検出できる低エネルギーガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出器と
を備えることを特徴とするガンマ線検出装置。
【請求項２】
請求項１記載のガンマ線検出装置において、前記高エネルギーガンマ線用の位置敏感型ガンマ線検出器はゲルマニウム結晶を備え、前記低エネルギーガンマ線用の位置敏感型ガンマ線検出器はシリコン結晶を備えることを特徴とするガンマ線検出装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のガンマ線検出装置において、前記低エネルギーガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出器は、エネルギー１００ｋｅＶのガンマ線に対するコンプトン散乱の生起確率が高エネルギーガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出器より高く、エネルギー１０００ｋｅＶのガンマ線に対するコンプトン散乱の生起確率が高エネルギーガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出器より低いことを特徴とするガンマ線検出装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項記載のガンマ線検出装置において、前記３個の位置敏感型ガンマ線検出器のうちの２個だけでガンマ線の相互作用を検出した事象のみを取り出す同時計測回路を有することを特徴とするガンマ線検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２００８−４５９４８（Ｐ２００８−４５９４８Ａ）
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２２０４４６（Ｐ２００６−２２０４４６）
【出願日】平成１８年８月１１日（２００６．８．１１）
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月１１日（２００６．８．１１）
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
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