JP2010122166A

JP2010122166A - 放射線検出器および放射線検査装置

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Publication number: JP2010122166A
Application number: JP2008298231A
Authority: JP
Inventors: Akira Yoshikawa; 彰吉川; Takeyuki Yanagida; 健之柳田; Naoto Abe; 直人阿部
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2008-11-21
Publication date: 2010-06-03
Anticipated expiration: 2028-11-21
Also published as: JP5207056B2

Abstract

【課題】発光量はさほど高くないが、サブナノ〜数ナノ秒という極めて短い蛍光寿命を示すシンチレータと、低発光量の光に対しても高い感度を有するとともに応答速度が速い受光素子とを組み合わせた高速応答の放射線検出器および放射線検査装置を提供する。
【解決手段】励起子発光シンチレータ２２とガイガーモードＡＰＤ２３とを組み合わせる。励起子発光シンチレータ２２は、ZnO、Al:ZnO、Ga:ZnO、In:ZnO、Cd:ZnO、Mg:ZnO、RE:ZnO（RE=希土類元素：Sc、Y、ランタノイド）、ZrO₂、HfO₂、GaN、Si:GaN、Ge:GaN、Sn:GaN、Pb:GaN、In:GaN、Al:GaN、Yb:Y₂O₃、Gd₂O₃、Sc₂O₃、Lu₂O₃のうち、少なくともいずれか一種類を含み、励起子による0.05ナノ秒〜10ナノ秒の蛍光寿命を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射線検出器および放射線検査装置に関する。より詳細には、励起子発光シンチレータを用いる放射線検出器およびこれを用いる放射線検査装置に関する。

高エネルギー物理やポジトロン放出型断層撮影（ＰＥＴ）イメージング・システムでは、シンチレータへの（核崩壊事象によって発生される）放射線の衝突に基づいて画像が作成される。被検体内に陽電子放出性医薬品が投与されると、ポジトロンと対応する電子との相互作用から、５１１ｋｅＶのエネルギーを有する、２つの逆方向に向いたガンマ線が生じ、そのガンマ線がシンチレータ結晶の中へ入って、受光素子によって検出することのできるフォトンに変換される。被検体内の特定の位置から放出された光は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ）、光電子増倍管（ＰＭＴ）、または他の受光素子により電気信号に変換されて検出される。

フォトダイオードは、特に放射線検出器やイメージング機器において、広範な用途を有している。現在、様々な公知のフォトダイオードが使用されている。その中で、ガイガーモードＡＰＤ（ガイガーモードアバランシェフォトダイオード）と称される特定の形式のフォトダイオードでは、ＡＰＤの逆バイアスを降伏電圧以上に設定することで内部電界が非常に高くなり、増倍率が１０^５〜１０^６倍と非常に大きくなる。このような状態で動作させることをガイガーモードといい、ガイガーモード時にフォトンの入射でアバランシェ層にキャリアが注入されると、非常に大きいパルスが発生する。このパルスを検出することによって、シングルフォトンの検出を行い、このフォトンがアレイに衝突する位置を突き止めることができる。このような用途での使用は、それらがアレイに衝突するフォトンの位置を検知する能力を持っているので、特に関心が持たれている。

ところで、ＰＥＴを用いた検査は、治療前の腫瘍悪性度診断、癌の浸潤範囲や転移病巣の検出などによる臨床病期の診断、治療中・治療直後の癌治療に対する反応の判定・評価、治療後の予後予測や再発診断など、癌診断について精度の高い情報を提供するものと期待され、癌臨床への応用が広まっている。しかし、癌浸潤範囲の正確な診断という観点では、ＰＥＴにより得られる画像のみでは、生体臓器や組織の正確な位置情報が得にくいという欠点がある。

一方、Ｘ線ＣＴ装置やＭＲＩ装置は、生体の解剖学的な詳細情報を正確に描出でき、医療分野において広く利用されているが、ＰＥＴのような代謝機能に関する解析能は備わっていない。特にＭＲＩは、患者または他のイメージング対象物において磁気共鳴を生成したり、空間的にエンコード化したりするものであり、高い磁場、磁場勾配及び高周波励起パルスを組み合わせている。磁気共鳴は、空間エンコードを復号し、対象物の再構成画像を生成するために、フーリエ変換又は他の再構成処理により処理される。

このＭＲＩ装置やＸ線ＣＴ装置およびＰＥＴ装置の互いの欠点を補い、両者の優れた特徴を利用した新しい癌診断装置として、近年、ＰＥＴ画像による代謝機能情報と磁気共鳴イメージングであるＭＲＩ画像による解剖学的位置情報とを同時期に収集し、両画像の重ね合わせによる診断を可能としたＭＲＩ付ＰＥＴ装置（ＭＲＩ−ＰＥＴ）の開発が行われている。ＰＥＴスキャナは、一般にガンマ線を光のバーストに変換するためにシンチレータを用い、そのシンチレータ事象を検出するために光電子増倍管を用いている。ＭＲＩ−ＰＥＴでは、強力な磁場を発するＭＲＩを使用するため、光電子増倍管が使用できない。すなわち、光電子増倍管は、シンチレータに放射線が入射した際に発せられる蛍光を電気信号へと変換するものであるが、電子を加速して増幅する構造上、強力な磁場が存在する環境下では使用できない。このため、磁場の影響を受けず、シンチレータから発せられる蛍光を電気信号に変換可能な素子として、量子変換効率の高いモード型受光素子がＭＲＩ−ＰＥＴに用いられる。

ガイガーモードＡＰＤは、電子の移動距離が数μｍと短いので、強力な磁場が存在する環境下であっても使用することができるため、ＭＲＩ−ＰＥＴ用の素子として適している。ガイガーモードＡＰＤは安価で、他の受光素子と比較して低バイアス電圧動作での高い増幅率、高いフォトン検出効率、高速応答、高係数率、優れた時間分解能、広い感度波長範囲を有し、ＳＮ比が非常に優れている。さらに固体素子であるため、衝撃などに強く、入射光の飽和による焼つきがなく、冷却が不要で、常温動作でフォトカウンティングが可能であることから、フォトカウンティングに用いられてきた従来の検出器に代わる受光素子として期待されている。

これまで、ガイガーモードＡＰＤを利用した放射線検出器の開発がいくつか行われている（例えば、特許文献１および非特許文献１参照）。また、特許文献１などで報告されている一般的なシンチレータ結晶は、蛍光寿命が数10nsである（例えば、特許文献２参照）。

特表２００８−５３６６００号公報 E. Lorenz, I. Britvich, D. Ferenc, N. Otte, D. Renker, Z. Sadygovand A. Stoykov, "Some studies for a development of a small animal PET based onLYSO crystals and Geiger mode-APDs", Nuclear Instruments and Methodsin Physics Research, 2007, A 572, p.259-261 国際公開第２００５／０１９８６２号パンフレット

ＰＥＴ等に用いられる放射線検出器では、数え落としを少なくするため、応答速度の速いＰＥＴ装置や放射線検出器が求められている。特に、ＰＥＴ装置では、検査時間を短くし、検査の対象となる被検体の負担を軽減する観点、及び、複数の蛍光が重なり合う現象、いわゆるパイルアップを防止して高い時間分解能を有する放射線検出器を構成する観点から、発光量が低くとも蛍光寿命が短いシンチレータと、その発光ピーク波長で量子変換効率が高く、時間応答性の速い受光素子とを組み合わせた、高速応答の放射線検出器が求められている。

しかしながら、特許文献１などに記載の一般的なシンチレータ結晶は、蛍光寿命が数10nsであるため、例えば１ナノ秒以下の高速応答が可能なシンチレータを特定しない限り、１ナノ秒以下の応答を有する検出器の具現化は実現しない。特許文献１では、「１ナノ秒以下の時間分解能を有する」との記載があるにも関わらず、それを可能とするような具体的なシンチレータの構成や、時間応答に関するデータを一切示しておらず、高速応答の放射線検出器を実現することはできないという課題があった。また、サブナノ〜数ナノ秒の蛍光寿命を呈するシンチレータを、ガイガーモードＡＰＤとアセンブリさせた放射線検出器に関するものは、これまで全く報告されていない。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、発光量はさほど高くないが、サブナノ〜数ナノ秒という極めて短い蛍光寿命を示すシンチレータと、低発光量の光に対しても高い感度を有するとともに応答速度が速い受光素子とを組み合わせた高速応答の放射線検出器および放射線検査装置を提供することを目的としている。

高速応答が期待される短い蛍光寿命の発光を持つ一方で、発光量があまり高くないシンチレータとして、励起子発光シンチレータがある。また、低発光量の光に対して高い感度を有し、且つ高速応答を有する受光素子として、ガイガーモードＡＰＤがある。本発明者等は、ガイガーモードＡＰＤと組み合わせることにより、特性の優れた高速応答の放射線検出器を具現化することができる励起子発光シンチレータを特定することに成功し、本発明に至った。

本発明に係る放射線検出器および放射線検査装置は、高速応答性を有する励起子発光シンチレータを特定し、これとガイガーモードＡＰＤとを組み合わせてサブナノ〜数ナノ秒の応答速度を具現化するものである。このような高速応答の放射線検出器および放射線検査装置を具現化するためには、高速応答性を有するシンチレータを新たに特定することが必要不可欠であり、既存の技術から実現することは不可能である。なお、「放射線」とは、原子、分子をイオン化させるのに十分なエネルギーをもった粒子線（α線、β線、γ線、Ｘ線、中性子線等）を示す。

上記目的を達成するために、本発明に係る放射線検出器は、励起子による0.05ナノ秒〜10ナノ秒の蛍光寿命を有する、直接遷移型半導体の励起子から発光する励起子発光シンチレータと、ガイガーモードＡＰＤ（ガイガーモードアバランシェフォトダイオード）とを、有することを特徴とする。この場合、前記直接遷移型半導体は、ZnOまたはZnOのZnサイトの一部をAl、Ga、In、Cd、Mg、RE（希土類元素：Sc、Y、ランタノイド）のいずれか１種以上の元素で置換した化学組成を有していてもよく、GaNまたはGaNのGaサイトの一部をSi、Ge、Sn、Pb、In、Al、のいずれか１種以上の元素で置換した化学組成を有していてもよい。

また、本発明に係る放射線検出器は、ZrO₂、HfO₂、Yb:Y₂O₃、Gd₂O₃、Sc₂O₃、Lu₂O₃のうち、少なくともいずれか一種類を含み、励起子による0.05ナノ秒〜10ナノ秒の蛍光寿命を有する励起子発光シンチレータと、ガイガーモードＡＰＤ（ガイガーモードアバランシェフォトダイオード）とを、有していてもよい。

本発明に係る放射線検出器は、励起子発光シンチレータおよびガイガーモードＡＰＤ（ガイガーモードアバランシェフォトダイオード）ともに、0.05ナノ秒〜10ナノ秒（サブナノ〜数ナノ秒）という極めて速い応答速度を有するため、時間分解能が高く、サブナノ〜数ナノ秒という高速応答性を備えることができる。また、ガイガーモードＡＰＤが低発光量の光に対して高い感度を有するため、発光量があまり高くない励起子発光シンチレータと組み合わせても、高精度での放射線の検出が可能である。時間分解能が高くパイルアップを防止することができるため、数え落としが少なく、高精度で放射線を検出することができる。

本発明に係る放射線検出器で、前記励起子発光シンチレータは２７０〜９００ｎｍに発光ピーク波長を有し、前記ガイガーモードＡＰＤは２７０〜９００ｎｍに波長感度を有することが好ましい。特に、本発明に係る放射線検出器で、前記励起子発光シンチレータは３００〜６００ｎｍに発光ピーク波長を有し、前記ガイガーモードＡＰＤは３００〜６００ｎｍの波長域で１０％以上の量子変換効率を有することが好ましい。これらの場合、特に高精度で放射線を検出することができる。

本発明に係る放射線検出器で、前記ガイガーモードＡＰＤは１photonの発光を検出可能な感度を有していてもよい。この場合、ガイガーモードＡＰＤの検出感度が高く、高精度で放射線を検出することができる。なお、現在のところ、１photonの発光を検出できる受光素子は、ガイガーモードＡＰＤしか存在していない。このため、励起子発光シンチレータの発光量が１photon程度しかない場合でも、ガイガーモードＡＰＤを使用することにより、特性の優れた放射線検出器を具現化することが可能となる。

本発明に係る放射線検出器で、前記ガイガーモードＡＰＤは、３．０ｅＶ以上のバンドギャップエネルギーを有する半導体を有していてもよい。この場合、３．０ｅＶ以上のバンドギャップエネルギーを有する半導体として、例えば、ＧａＮ、（Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ、（Ａｌ，Ｇａ）Ｎ、（Ｉｎ，Ａｌ，Ｇａ）Ｎ、ＺｎＯ、（Ｍｇ，Ｚｎ）Ｏ、ＺｎＳｅ、Ｇａ_２Ｏ_３、ＳｉＣ等の半導体を使用することができる。

ここで、暗電流をＩ、バンドギャップエネルギーをＥ_ｇ、ボルツマン定数をｋ、温度［Ｋ］をＴとすると、下記のような関係がある。
Ｉ ∝ exp｛−Ｅ_ｇ／（２×ｋ×Ｔ）｝
上式から、温度Ｔが一定でバンドギャップエネルギーＥ_ｇが大きければ、暗電流は指数関数的に小さくなる。

理論的には、バンドギャップエネルギーが３．０ｅＶ以上の半導体では、４６０℃の高温環境下においても、バンドギャップエネルギーが１．１ｅＶ程度のＳｉ系半導体の室温時と同等の暗電流しか発生しない。したがって、バンドギャップエネルギーが３．０ｅＶ以上の半導体を有するガイガーモードＡＰＤを使用することにより、高温での暗電流が小さくなり、放射線検出器の冷却機構を簡素化することができる。これにより、放射線検出器およびこれを備える放射線検査装置を小型化することができ、低価格化を図ることができる。

本発明に係る放射線検出器で、前記ガイガーモードＡＰＤは、Ｓｉ、II−VI族化合物半導体、III族元素としてＧａ、ＡｌまたはＩｎを含むIII−V族窒化物半導体、有機半導体、またはダイヤモンド半導体を有していてもよい。この場合、高性能のガイガーモードＡＰＤを形成することができ、高性能化を図ることができる。

本発明に係る放射線検査装置は、本発明に係る放射線検出器を備えることを、特徴とする。

本発明に係る放射線検査装置は、高速応答の放射線検出器を備えるため、データ取得時間を大幅に短縮することができる。このため、本発明に係る放射線検査装置を医療画像装置などに利用することにより、検査時間を短くすることができ、被検体の負担を大幅に軽減することができる。また、ガイガーモードＡＰＤは強力な磁場が存在する環境下であっても使用することができるため、本発明に係る放射線検査装置をＭＲＩ−ＰＥＴ装置のＰＥＴ装置として使用することもできる。

本発明によれば、発光量はさほど高くないが、サブナノ〜数ナノ秒という極めて短い蛍光寿命を示すシンチレータと、低発光量の光に対しても高い感度を有するとともに応答速度が速い受光素子とを組み合わせた高速応答の放射線検出器および放射線検査装置を提供することができる。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図１３は、本発明の実施の形態の放射線検出器および放射線検査装置と、その特性とを示している。
図１に示すように、放射線検査装置１０は、放射線検出器１１とバイアス電源１２と前置増幅器１３と波形整形増幅器１４とマルチチャンネルアナライザ１５とパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１６とを有している。

図１に示すように、放射線検出器１１は、チャンバー２１と励起子発光シンチレータ２２とガイガーモードＡＰＤ２３と反射材２４とを有している。励起子発光シンチレータ２２は、チャンバー２１の内部に収納され、ZnO、ZnOのZnサイトの一部をAl、Ga、In、Cd、Mg、RE（希土類元素：Sc、Y、ランタノイド）のいずれか１種以上の元素で置換した化学組成、GaN、GaNのGaサイトの一部をSi、Ge、Sn、Pb、In、Al、のいずれか１種以上の元素で置換した化学組成、ZrO₂、HfO₂、Yb:Y₂O₃、Gd₂O₃、Sc₂O₃、または、Lu₂O₃のうちのいずれか一種類の化学組成を有している。励起子発光シンチレータ２２は、励起子による0.05ナノ秒〜10ナノ秒の蛍光寿命を有している。また、励起子発光シンチレータ２２は、３００nm〜６００nmに発光ピーク波長を有している。

図１に示すように、ガイガーモードＡＰＤ２３は、チャンバー２１の内部に収納され、励起子発光シンチレータ２２に隣接して設置されている。ガイガーモードＡＰＤ２３は、励起子発光シンチレータ２２から発せられた蛍光を電気信号に変換可能に構成されている。ガイガーモードＡＰＤ２３は、３．０ｅＶ以上のバンドギャップエネルギーを有するＧａＮ、（Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ、（Ａｌ，Ｇａ）Ｎ、（Ｉｎ，Ａｌ，Ｇａ）Ｎ、ＺｎＯ、（Ｍｇ，Ｚｎ）Ｏ、ＺｎＳｅ、Ｇａ_２Ｏ_３、ＳｉＣ等のいずれかの半導体を有している。ガイガーモードＡＰＤ２３は、励起子発光シンチレータ２２の発光ピーク波長、すなわち３００〜６００ｎｍの波長域で１０％以上の量子変換効率を有している。また、ガイガーモードＡＰＤ２３は、１photonの発光を検出可能な感度を有している。

図１に示すように、反射材２４は、チャンバー２１の内部に収納され、励起子発光シンチレータ２２の外面のうち、ガイガーモードＡＰＤ２３で覆われている部分以外の部分を覆っている。
放射線検出器１１は、線源１からの放射線が励起子発光シンチレータ２２の内部に入ると、励起子発光シンチレータ２２が蛍光を発し、その蛍光をガイガーモードＡＰＤ２３が検出して電気信号に変換して出力するようになっている。

放射線検出器１１の励起子発光シンチレータ２２の一例として、Ｇａ：ＺｎＯシンチレータ（Ｇａ添加濃度２６、５３、５５０ｐｐｍ）の蛍光強度を、ラジオルミネッセンスにより測定した結果を、図２に示す。図２に示すように、このＧａ：ＺｎＯシンチレータの蛍光強度スペクトルにおける最大ピーク波長は、３９０ｎｍである。なお、図２中の520nｍ付近に最大ピーク波長を有する発光は、蛍光寿命が長いため、放射線検出器１１には利用しない。また、ＧａＮシンチレータの蛍光減衰時間を、フォトルミネッセンスにより測定した結果を、図３に示す。図３に示すように、このＧａＮシンチレータは、０．８ｎｓという極めて短い蛍光寿命を有する。

放射線検出器１１のガイガーモードＡＰＤ２３の一例として、市販されている３種類のガイガーモードＡＰＤ（浜松ホトニクス株式会社製）の２００ｎｍ〜９００ｎｍの波長域における量子変換効率（検出効率；％）を、図４に示す。図４に示すように、これら３種類のガイガーモードＡＰＤは、３００nm〜６００nmの波長域で量子変換効率が１０％以上である。

図１に示すように、バイアス電源１２は、放射線検出器１１に電力を供給可能に、ガイガーモードＡＰＤ２３に接続されている。前置増幅器１３は、ガイガーモードＡＰＤ２３に接続され、ガイガーモードＡＰＤ２３から出力された電気信号を増幅するようになっている。波形整形増幅器１４は、前置増幅器１３に接続され、前置増幅器１３から出力された信号波形を整形し、さらに増幅するようになっている。マルチチャンネルアナライザ１５は、波形整形増幅器１４に接続され、波形整形増幅器１４からの信号を入力して、サンプリング、データの保存、データの表示などを行うようになっている。パーソナルコンピュータ（ＰＣ）１６は、マルチチャンネルアナライザ１５に接続され、測定データに対して各種処理を実施可能になっている。これにより、放射線検査装置１０は、線源１からの放射線を放射線検出器１１で検出し、検出されたデータを保存・解析可能になっている。

次に、作用について説明する。
放射線検出器１１は、励起子発光シンチレータ２２およびガイガーモードＡＰＤ２３ともに、0.05ナノ秒〜10ナノ秒（サブナノ〜数ナノ秒）という極めて速い応答速度を有するため、時間分解能が高く、サブナノ〜数ナノ秒という高速応答性を備えることができる。また、ガイガーモードＡＰＤ２３が低発光量の光に対して高い感度を有するため、発光量があまり高くない励起子発光シンチレータ２２と組み合わせても、高精度での放射線の検出が可能である。時間分解能が高くパイルアップを防止することができるため、数え落としが少なく、高精度で放射線を検出することができる。

また、励起子発光シンチレータ２２の発光量が１photon程度しかない場合でも、ガイガーモードＡＰＤ２３により検出することができ、高感度である。バンドギャップエネルギーが３．０ｅＶ以上の半導体を有するガイガーモードＡＰＤ２３を使用しているため、高温での暗電流が小さくなり、放射線検出器１１の冷却機構を簡素化することができる。これにより、放射線検出器１１および放射線検査装置１０を小型化することができ、低価格化を図ることができる。

放射線検査装置１０は、高速応答の放射線検出器１１を備えるため、データ取得時間を大幅に短縮することができる。このため、放射線検査装置１０を医療画像装置などに利用することにより、検査時間を短くすることができ、被検体の負担を大幅に軽減することができる。また、ガイガーモードＡＰＤ２３は強力な磁場が存在する環境下であっても使用することができるため、放射線検査装置１０をＭＲＩ−ＰＥＴ装置のＰＥＴ装置として使用することもできる。

放射線検査装置１０は、例えば、ＰＥＴ、Ｘ線ＣＴ、ＳＰＥＣＴ（単一光子放射断層撮影）などから成っている。また、放射線検査装置１０は、ＰＥＴからなる場合、特に限定されることはないが、ＭＲＩ−ＰＥＴ、ＣＴ−ＰＥＴ、２次元型ＰＥＴ、三次元型ＰＥＴ、ＴＯＦ型ＰＥＴ、深さ検出（ＤＯＩ）型ＰＥＴ、ＯＰＥＮ−ＰＥＴから成ることが好ましい。さらに、放射線検査装置１０は、これらの組み合わせから成っていてもよい。

特に、現在実現が期待されている飛行時間陽電子放出装置（TOF型PET）では、従来の両検出器を結ぶ直線（LOR）上に等確率を付与する方法と異なり、対向する両検出器の計測時刻の差から放射線源の座標点を求め、LORに沿って検出器の時間分解能に相当するガウス関数でぼかした分布を位置情報とする。このため、従来のシンチレータ応答速度では、１００センチ弱の位置特定能力しか有することができない。これに対して、励起子発光シンチレータ２２を利用する放射線検査装置１０を使用することにより、数センチメートルの位置特定能力を有することができ、高性能化を図ることができる。

励起子発光シンチレータ２２としてＧａ：ＺｎＯ、およびフォトダイオードとしてガイガーモードＡＰＤ２３を用いた放射線検出器１１を準備した。この放射線検出器１１を用いて、７０Vの高電圧を印加し、^９０Sr線源からの１．８ＭｅＶのエネルギーをもつβ線を検出したときのエネルギー波高分布を測定し、その結果を図５に示す。図５に示すように、熱電子ノイズ（図５中の黒線）に比較し有意に信号（図５中のグレーの線）を検出することができ、放射線検出器１１として動作可能であることが確認できた。

励起子発光シンチレータ２２としてＧａ：ＺｎＯ、およびフォトダイオードとしてガイガーモードＡＰＤ２３を用いた放射線検出器１１を準備した。この放射線検出器１１を用いて、７０Vの高電圧を印加し、^９０Sr線源からの１．８ＭｅＶのエネルギーをもつβ線を照射したときの蛍光減衰時間を、フォトルミネッセンスにより測定し、その結果を図６に示す。図6に示すように、実測値（図６中の黒点）に対して、二成分の蛍光時定数を持つものと仮定してフィッティングを行った結果（図６中の破線）、第一成分として９．２ｎｓという結果が得られた。ここで、フィッティングに用いた関数はtを時間として、I = exp(-t/τ) 型の自然指数減少関数であり、強度Iが1/eになる時間τ を蛍光時定数と定義し、仮に一成分モデルが棄却された場合は複数の指数減少関数の和を仮定してフィッティングを行うものである。図６に示すように、放射線検出器１１によれば、励起子発光シンチレータ２２の１０ｎｓ以下の高速な発光成分を、有意に検出可能であることが確認できた。

励起子発光シンチレータ２２としてＩｎ：ＺｎＯ、およびフォトダイオードとしてガイガーモードＡＰＤ２３を用いた放射線検出器１１を準備した。この放射線検出器１１を用いて、７０Vの高電圧を印加し、荷電粒子として^２４１Ａｍ線源からの５．５ＭｅＶのエネルギーをもつα線を検出したときのエネルギー波高分布を測定し、その結果を図７に示す。図７に示すように、熱電子ノイズ（図７中の黒線）に比較し有意に信号（図７中のグレーの線）を検出することができ、放射線検出器１１として動作可能であることが確認できた。このように、荷電粒子を照射した場合でも、β線を照射したときと同様の結果が得られた。

励起子発光シンチレータ２２としてＩｎ：ＺｎＯ、およびフォトダイオードとしてガイガーモードＡＰＤ２３を用いた放射線検出器１１を準備した。この放射線検出器１１を用いて、７０Vの高電圧を印加し、荷電粒子として^２４１Ａｍ線源からの５．５ＭｅＶのエネルギーをもつα線を照射したときの蛍光減衰時間を、フォトルミネッセンスにより測定し、その結果を図８に示す。図８に示すように、実測値（図８中の黒点）に対して、二成分の蛍光時定数を持つものと仮定して、実施例２と同様にフィッティングを行った結果（図８中の破線）、第一成分として９.５ｎｓという結果が得られた。このように、放射線検出器１１によれば、励起子発光シンチレータ２２の１０ｎｓ以下の高速な発光成分を、有意に検出可能であることが確認できた。このように、荷電粒子を照射した場合でも、β線を照射したときと同様の結果が得られた。

励起子発光シンチレータ２２としてＹｂ：Ｙ₂Ｏ₃、およびフォトダイオードとしてガイガーモードＡＰＤ２３を用いた放射線検出器１１を準備した。この放射線検出器１１を用いて、７０Vの高電圧を印加し、^９０Sr線源からの１．８ＭｅＶのエネルギーをもつβ線を検出したときのエネルギー波高分布を測定し、その結果を図９に示す。図９に示すように、熱電子ノイズ（図９中の黒線）に比較し有意に信号（図９中のグレーの線）を検出することができ、放射線検出器１１として動作可能であることが確認できた。

励起子発光シンチレータ２２としてＹｂ：Ｙ₂Ｏ₃、およびフォトダイオードとしてガイガーモードＡＰＤ２３を用いた放射線検出器１１を準備した。この放射線検出器１１を用いて、７０Vの高電圧を印加し、^９０Sr線源からの１．８ＭｅＶのエネルギーをもつβ線を照射したときの蛍光減衰時間を、フォトルミネッセンスにより測定し、その結果を図１０に示す。図１０に示すように、実測値（図１０中の黒点）に対して、二成分の蛍光時定数を持つものと仮定して、実施例２と同様にフィッティングを行った結果（図１０の破線）、第一成分として０．１ｎｓという結果が得られた。このように、放射線検出器１１によれば、励起子発光シンチレータ２２の１０ｎｓ以下の高速な発光成分を、有意に検出可能であることが確認できた。

励起子発光シンチレータ２２としてＨｆＯ_２、およびフォトダイオードとしてガイガーモードＡＰＤ２３を用いた放射線検出器１１を準備した。この放射線検出器１１を用いて、７０Vの高電圧を印加し、^９０Sr線源からの１．８ＭｅＶのエネルギーをもつβ線を検出したときのエネルギー波高分布を測定し、その結果を図１１に示す。図１１に示すように、熱電子ノイズ（図１１中の黒線）に比較し有意に信号（図１１中のグレーの線）を検出することができ、放射線検出器１１として動作可能であることが確認できた。

励起子発光シンチレータ２２としてＨｆＯ_２、およびフォトダイオードとしてガイガーモードＡＰＤ２３を用いた放射線検出器１１を準備した。この放射線検出器１１を用いて、７０Vの高電圧を印加し、^９０Sr線源からの１．８ＭｅＶのエネルギーをもつβ線を照射したときの蛍光減衰時間を、フォトルミネッセンスにより測定し、その結果を図１２に示す。図１２に示すように、実測値（図１２中の黒点）に対して、二成分の蛍光時定数を持つものと仮定して、実施例２と同様にフィッティングを行った結果（図１２中の破線）、第一成分として１．４ｎｓという結果が得られた。このように、放射線検出器１１によれば、励起子発光シンチレータ２２の１０ｎｓ以下の高速な発光成分を、有意に検出可能であることが確認できた。

励起子発光シンチレータ２２としてＧａＮ、およびフォトダイオードとしてガイガーモードＡＰＤ２３を用いた放射線検出器１１を準備した。この放射線検出器１１を用いて、７０Vの高電圧を印加し、^９０Sr線源からの１．８ＭｅＶのエネルギーをもつβ線を検出したときのエネルギー波高分布を測定し、その結果を図１３に示す。図１３に示すように、熱電子ノイズ（図１３中の黒線）に比較し有意に信号（図１３中のグレーの線）を検出することができ、放射線検出器１１として動作可能であることが確認できた。

以上、実施例を参照して本発明を詳細に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。また、図面を参照して本発明の実施の形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、これら以外の様々な構成を採用することができる。

本発明の実施の形態の放射線検出器および放射線検査装置を示す全体構成図である。図１に示す放射線検出器および放射線検査装置の、励起子発光シンチレータとしてＧａ：ＺｎＯシンチレータを用いたときの蛍光強度を、ラジオルミネッセンスにより測定したグラフである。図１に示す放射線検出器および放射線検査装置の、励起子発光シンチレータとしてＧａＮ、フォトダイオードとしてガイガーモードＡＰＤを用いた場合の、^９０Sr線源からの１．８ＭｅＶのエネルギーをもつβ線を照射したときの蛍光減衰時間を、フォトルミネッセンスにより測定したグラフである。図１に示す放射線検出器および放射線検査装置のガイガーモードＡＰＤの、２００ｎｍ〜９００ｎｍの波長域における量子変換効率を示すグラフである。図１に示す放射線検出器および放射線検査装置の、励起子発光シンチレータとしてＧａ：ＺｎＯ、フォトダイオードとしてガイガーモードＡＰＤを用いた場合の、^９０Sr線源からの１．８ＭｅＶのエネルギーをもつβ線を検出したときのエネルギー波高分布を示すグラフである。図１に示す放射線検出器および放射線検査装置の、励起子発光シンチレータとしてＧａ：ＺｎＯ、フォトダイオードとしてガイガーモードＡＰＤを用いた場合の、^９０Sr線源からの１．８ＭｅＶのエネルギーをもつβ線を照射したときの蛍光減衰時間を、フォトルミネッセンスにより測定したグラフである。図１に示す放射線検出器および放射線検査装置の、励起子発光シンチレータとしてＩｎ：ＺｎＯ、フォトダイオードとしてガイガーモードＡＰＤを用いた場合の、荷電粒子である^２４１Ａｍ線源からの５．５ＭｅＶのエネルギーをもつα線を検出したときのエネルギー波高分布を示すグラフである。図１に示す放射線検出器および放射線検査装置の、励起子発光シンチレータとしてＩｎ：ＺｎＯ、フォトダイオードとしてガイガーモードＡＰＤを用いた場合の、荷電粒子である^２４１Ａｍ線源からの５．５ＭｅＶのエネルギーをもつα線を照射したときの蛍光減衰時間を、フォトルミネッセンスにより測定したグラフである。図１に示す放射線検出器および放射線検査装置の、励起子発光シンチレータとしてＹｂ：Ｙ₂Ｏ₃、フォトダイオードとしてガイガーモードＡＰＤを用いた場合の、^９０Sr線源からの１．８ＭｅＶのエネルギーをもつβ線を検出したときのエネルギー波高分布を示すグラフである。図１に示す放射線検出器および放射線検査装置の、励起子発光シンチレータとしてＹｂ：Ｙ₂Ｏ₃、フォトダイオードとしてガイガーモードＡＰＤを用いた場合の、^９０Sr線源からの１．８ＭｅＶのエネルギーをもつβ線を照射したときの蛍光減衰時間を、フォトルミネッセンスにより測定したグラフである。図１に示す放射線検出器および放射線検査装置の、励起子発光シンチレータとしてＨｆＯ_２、フォトダイオードとしてガイガーモードＡＰＤを用いた場合の、^９０Sr線源からの１．８ＭｅＶのエネルギーをもつβ線を検出したときのエネルギー波高分布を示すグラフである。図１に示す放射線検出器および放射線検査装置の、励起子発光シンチレータとしてＨｆＯ_２、フォトダイオードとしてガイガーモードＡＰＤを用いた場合の、^９０Sr線源からの１．８ＭｅＶのエネルギーをもつβ線を照射したときの蛍光減衰時間を、フォトルミネッセンスにより測定したグラフである。図１に示す放射線検出器および放射線検査装置の、励起子発光シンチレータとしてＧａＮ、フォトダイオードとしてガイガーモードＡＰＤを用いた場合の、^９０Sr線源からの１．８ＭｅＶのエネルギーをもつβ線を検出したときのエネルギー波高分布を示すグラフである。

符号の説明

１線源
１０放射線検査装置
１１放射線検出器
１２バイアス電源
１３前置増幅器
１４波形整形増幅器
１５マルチチャンネルアナライザ
１６パーソナルコンピュータ（ＰＣ）
２１チャンバー
２２励起子発光シンチレータ
２３ガイガーモードＡＰＤ
２４反射材

Claims

励起子による0.05ナノ秒〜10ナノ秒の蛍光寿命を有する、直接遷移型半導体の励起子から発光する励起子発光シンチレータと、
ガイガーモードＡＰＤ（ガイガーモードアバランシェフォトダイオード）とを、
有することを特徴とする放射線検出器。
前記直接遷移型半導体はZnOまたはZnOのZnサイトの一部をAl、Ga、In、Cd、Mg、RE（希土類元素：Sc、Y、ランタノイド）のいずれか１種以上の元素で置換した化学組成を有することを、特徴とする請求項１記載の放射線検出器。
前記直接遷移型半導体はGaNまたはGaNのGaサイトの一部をSi、Ge、Sn、Pb、In、Al、のいずれか１種以上の元素で置換した化学組成を有することを、特徴とする請求項１記載の放射線検出器。
ZrO₂、HfO₂、Yb:Y₂O₃、Gd₂O₃、Sc₂O₃、Lu₂O₃のうち、少なくともいずれか一種類を含み、励起子による0.05ナノ秒〜10ナノ秒の蛍光寿命を有する励起子発光シンチレータと、
ガイガーモードＡＰＤ（ガイガーモードアバランシェフォトダイオード）とを、
有することを特徴とする放射線検出器。
前記励起子発光シンチレータは２７０〜９００ｎｍに発光ピーク波長を有し、
前記ガイガーモードＡＰＤは２７０〜９００ｎｍに波長感度を有することを、
特徴とする請求項１、２、３または４記載の放射線検出器。
前記励起子発光シンチレータは３００〜６００ｎｍに発光ピーク波長を有し、
前記ガイガーモードＡＰＤは３００〜６００ｎｍの波長域で１０％以上の量子変換効率を有することを、
特徴とする請求項１、２、３または４記載の放射線検出器。
前記ガイガーモードＡＰＤは１photonの発光を検出可能な感度を有することを、特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載の放射線検出器。
前記ガイガーモードＡＰＤは、３．０ｅＶ以上のバンドギャップエネルギーを有する半導体を有することを、特徴とする請求項１、２、３、４、５、６または７記載の放射線検出器。
前記ガイガーモードＡＰＤは、Ｓｉ、II−VI族化合物半導体、III族元素としてＧａ、ＡｌまたはＩｎを含むIII−V族窒化物半導体、有機半導体、またはダイヤモンド半導体を有することを、特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７または８記載の放射線検出器。
請求項１、２、３、４、５、６、７、８または９記載の放射線検出器を備えることを、特徴とする放射線検査装置。