JP2012163396A

JP2012163396A - シンチレータパネル及び放射線検出器

Info

Publication number: JP2012163396A
Application number: JP2011022533A
Authority: JP
Inventors: Atsuya Yoshida; 篤也吉田
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electron Tubes and Devices Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Electron Tubes and Devices Co Ltd
Priority date: 2011-02-04
Filing date: 2011-02-04
Publication date: 2012-08-30
Also published as: TWI482176B; TW201239898A

Abstract

【課題】解像度が低下しにくいシンチレータパネルを提供する。
【解決手段】シンチレータパネル１０は、表裏両面にそれぞれＰＥＴシートが貼付けられて反射膜２ａ，２ｂが形成されたＣＦＲＰ製基板１の表側表面に蛍光体層３が設けられ、さらにこの蛍光体層３の表面及び基板１の側面を覆うように有機防湿膜４が形成されている。蛍光体層３は複数のピラー結晶５からなり、有機防湿膜４は、蛍光体層３内でピラー結晶５の隙間を充填し、基板１まで到達している。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、放射線を可視光に変換する蛍光体層を備えるシンチレータパネル、及びこのシンチレータパネルを用いた放射線検出器に関する。

従来、医療用もしくは工業用非破壊検査などのデジタル放射線検出器は、コンピューテッド・ラジオロジー（以下「ＣＲ」と記す）や平面検出器（以下「ＦＰＤ」と記す）のような、入射線Ｘ線を蛍光体層で可視光に変換する方式が主流である。

蛍光体層としては、タリウム添加のヨウ化セシウム（ＣｓＩ：Ｔｌ）が大半のＦＰＤで使用され、また、ユーロピウム添加の臭化セシウム（ＣｓＢｒ：Ｅｕ）が一部のＣＲ装置で使用されている。これらの材料は、いずれも真空蒸着法で柱状結晶になりやすいという理由で使用される。

例えば、ＣｓＩ：Ｔｌを用いたシンチレータパネルは、放射線透過性があるガラスなどの支持基板上に、反射膜を塗布し、その上に蛍光体層のＣｓＩ：Ｔｌを成膜した構成が基本である。

Ｘ線源から被写体を通して入射してきたＸ線は、このような構成のシンチレータパネルにおいて可視光に変換される。Ｘ線フォトンを使って説明すると、フォトンは蛍光体層内の発光点で可視光に変換される。光は、発光点から入射フォトンのベクトルとは無関係に八方に発散する。ここで、蛍光体層は太さ３〜１０μｍのピラー構造をしているので、ピラー間の隙間とＣｓＩ（ＣｓＩの屈折率＝１．８）との屈折率の差により、ある割合の発光フォトンは、ピラー内を通って、シンチレータパネルの表面に出てくる。隣のピラー以遠に発散した光についても、多くのピラー間の光学的界面を横切って蛍光体層の面方向に発散する確率は低く、ある界面に差し掛かるとやはりそのピラー内に閉じ込められ、シンチレータパネルの表面に出てくる。以上のような作用により、ピラー構造とした蛍光体層は、それほど発光を滲ませることがなく、発光を次のデバイス（例えば、ＦＰＤならホトダイオードからなる複数の受光面を有したＴＦＴ基板）に伝達するため、比較的解像度特性が高いシンチレータ層が得られる。

このピラー間の隙間部分の比率は、蛍光体層の成膜条件で変化させることが出来る。成膜条件には、基板温度・圧力・蒸着速度などがあり、これらのパラメータを変化させることにより、充填率（蛍光体層全体に対するピラーの部分の割合）を約７０％から１００％まで作り分けることができる。

また、反射膜は、一旦、支持基板の方向に向かった発光光を蛍光体層の表面に戻して、シンチレータパネルの感度を向上させる機能を有する。

蛍光体層の成膜が終了した後、支持基板にさらに防湿膜がコーティングされるが、この防湿膜は上述のピラー構造をした蛍光体層の隙間部分にある程度侵入する。防湿膜の材料としては、ポリパラキシリレン樹脂などの有機ＣＶＤ膜が使われる。有機ＣＶＤ膜はピラー構造に伴う凹凸構造に沿ってほぼ均一な膜厚で塗布できる利点がある。

蛍光体層を使ったＦＰＤの一例として、複数の受光素子が１次元あるいは２次元状に配列されたイメージセンサにシンチレータパネルを貼り合わせた形態がある。このような構造をしたＦＰＤの解像度・感度特性は、シンチレータパネルの特性の影響を受ける。つまり、上述のＣｓＩのピラー構造と反射膜の機能とがＦＰＤの特性を左右している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−５８０９９号公報（第４，５頁、図３）

従来のシンチレータパネルは、上述したように真空蒸着法とＣＶＤ法の比較的簡便な方法で、解像度特性と防湿特性を両立した特性とすることができる。

しかし、製造条件の異なるシンチレータパネルを製作して、加湿試験を行うと防湿特性に差異が見られることがある。例えば、充填率が７９％、膜厚が３５０μｍの蛍光体層を有するシンチレータパネルと、充填率が８８％、膜厚が５００μｍの蛍光体層を有するシンチレータパネルを比較した場合、６０℃−８０％−１０００時間放置したときの３Ｌｐ／ｍｍでの画像分解能（ＣＴＦ：Contrast Transfer Function)の値が、それぞれ加湿前の１０３％、３１％と大きな相違が生じることがある。

元々、有機防湿膜の水分透過率は、一般的に（１日あたり数ｇ／ｍ^２程度）と、完全に水蒸気を遮断しているわけではない。加湿状態でシンチレータパネルを放置すると、防湿膜を透過した水蒸気が蛍光体層に浸入し、蛍光体層が水分で膨潤した状態になる。このとき蛍光体層の隣接するピラーが合体・粗大化が起こり解像度特性の低下が発生してしまう場合がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、解像度が低下しにくいシンチレータパネル及びこのシンチレータパネルを用いた放射線検出器を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本シンチレータパネルは、複数のピラー結晶からなり、放射線を可視光に変換する蛍光体層と、前記蛍光体層を支持する基板と、前記蛍光体層と前記基板の少なくとも一部を被覆する有機防湿膜と、を備えるシンチレータパネルにおいて、前記有機防湿膜が、互いに隣接する前記ピラー結晶同士の隙間を充填し、前記基板まで到達していることを特徴とする。

本発明の一実施形態に係るシンチレータパネルの構造を示す断面図である。蛍光体層の膜厚と充填率を変えた場合において、６０℃−８０％−１０００時間まで加湿を続けたときの解像度（ＣＴＦ）特性の変化を示すグラフである。蛍光体層の膜厚と充填率を変えた場合の１０００時間加湿後の解像度（ＣＴＦ）の残存率を示す表である。蛍光体層の充填率と有機防湿膜の侵入深さの関係を示すグラフである。コート残存深さと１０００時間加湿によるＣＴＦ残存率を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（シンチレータパネルの構造）
図１に、本発明の一実施形態に係るシンチレータパネルの全体構造を示す。

シンチレータパネル１０は、表裏両面にそれぞれＰＥＴ(ポリエチレンテレフタレート)シートが貼付けられて反射膜２ａ，２ｂが形成されたＣＦＲＰ（カーボン繊維強化プラスチック）製基板１の表側表面に蛍光体層３が設けられ、さらにこの蛍光体層３の表面及び基板１の側面を覆うように有機防湿膜４が形成されている。

また、蛍光体層３は、複数のピラー結晶５からなっており、隣接するピラー結晶５の隙間に有機防湿膜４が侵入している。この侵入度合いは、有機防湿膜侵入深さ１１及びコート残存深さ１２で評価することができる。

（シンチレータパネルの製造方法）
次に、このシンチレータパネル１０の製造方法について説明する。

まず、表裏両面にＰＥＴシートを貼って反射膜２ａ，２ｂを形成したＣＦＲＰ製基板１を洗浄する。

次に、基板１と蛍光体材料を収納したるつぼとを互いに対向した状態で真空蒸着装置内に収納し、装置内の圧力、基板１の温度、るつぼ温度などを適正な値に調節して、基板１に付着する蛍光体層３が所望の状態になるまで真空蒸着を行う。

さらに、蛍光体層３を形成した基板１を真空蒸着装置から取り出してＣＶＤ装置に移し、ジパラシクロファン原料を６５０℃に加温することにより発生するラジカル乖離気体をＣＶＤ装置に送り込み、基板１と蛍光体層３の必要な面に有機防湿膜４を形成してシンチレータパネル１０とする。

（放射線検出器）
上述したシンチレータパネル１０を用いて、複数のホトダイオード受光素子が１次元あるいは２次元状にガラス基板上に配列されたイメージセンサに貼り合わせることにより放射線検出器とすることができる。

（解像度特性）
シンチレータパネル１０の解像度特性について検討するため、図１に示す蛍光体層３をＣｓＩ：Ｔｌとし、その蛍光体層３の充填率と膜厚を変化させたサンプルを複数作成した。

すなわち、充填率に対しては、充填率：８６〜９０％の蛍光体層３を作製する工程（プロセスＡ）、充填率：７７〜８１％の蛍光体層３を作製する工程（プロセスＢ）、充填率７１〜７５％の蛍光体層３を作製する工程（プロセスＣ）の３種類の工程により充填率の異なるサンプルを準備した。

蛍光体層３の充填率は、基板上にＣｓＩ蛍光体層を真空蒸着法で成膜する際の基板温度(１００〜２５０℃)、圧力（１０^−５〜１Ｐａ）、成膜速度（１〜５０μｍ／分）、基板回転速度（１〜２０ｒｐｍ）、その他装置内の構造物の形状・寸法などから適正なパラメータを選択することにより所望の値にすることができる。

具体的には、プロセスＡでは基板温度２００℃、圧力０．４Ｐａ、成膜速度１μｍ／分、プロセスＢでは基板温度１６０℃、圧力１０^−３Ｐａ、成膜速度１μｍ／分、プロセスＣでは基板温度１４０℃、圧力１０^−３Ｐａ、成膜速度２μｍ／分とした。基板回転速度は全て１０ｒｐｍとした。また、プロセスＢ、Ｃでは、るつぼの位置をプロセスＡよりも遠ざけた。

また、蛍光体層３の膜厚に対しては、２００、３５０、５００μｍの３種類を用意した。

図２は、蛍光体層３の膜厚、充填率が異なる７種類のサンプルに対して、６０℃−８０％−１０００時間まで加湿を続けたときの解像度（ＣＴＦ）特性の変化を示したものである。ここで、解像度特性としては、３Ｌｐ／ｍｍでのＣＴＦ値を示している。

図２の結果より、プロセスＡ−膜厚５００μｍのサンプルは解像度の低下が著しく、次いでプロセスＢ−膜厚５００μｍのものにも解像度の低下が見られる。

図３に、１０００時間後の解像度（ＣＴＦ）の残存率について示す。

図３の結果より、同じ膜厚５００μｍに注目すると、充填率が低いほど残存率が大きいことが分かる。また、同じプロセス内（ＢとＣ）で注目すると、膜厚が５００μｍのサンプルに解像度低下が見られ、他方３５０μｍのサンプルは解像度低下が殆ど無いことが分かった。

これらの現象を包括的に説明するための法則を見出すために、完成した蛍光体層の破断面を観察した。

その結果、図１に示すように、蛍光体層３のピラー結晶５の隙間に有機防湿膜４が侵入している侵入深さ１１がサンプルにより差異があることが見出された。すなわち、プロセスＡ（充填率８８％）のサンプルの侵入深さ１１は約２００μｍ、プロセスＢ（充填率７９％）は約３５０μｍ、プロセスＣ（充填率７３％）は約５００μｍであることが判った。これらのデータを図４に示すようにグラフにプロットして作成した曲線を２次式で近似すると、
（侵入深さ（μｍ））＝０．５５５６×（充填率（％）^２−１０９．４４×（充填率）＋５５２８．９・・・・・（式１）
となる。

なお、侵入深さ１１は、蛍光体層３の破断面をＳＥＭ（２次電子式電子顕微鏡）で観察するとき、蛍光体層３の膜を膜厚方向に壁開した際に、双方に架橋していた有機防湿膜４が同双方に引っ張られることにより発生する、弦状の残存物の有無により判定した。そして、蛍光体層３の表面側から基板１側に深さ方向に順々に観察して行き、弦状の残存物がなくなるところの深さを侵入深さ１１と決定した。

侵入深さ１１よりも蛍光体層３の膜厚が大きいと、コート残存深さ１２が生じる。コート残存深さ１２は、（蛍光体層３の膜厚（μｍ））−（侵入深さ１１（μｍ））となる。

図５に、コート残存深さ１２に対して、解像度（ＣＴＦ）残存率をプロットしたグラフを示す。

図５に示す結果より、コート残存深さ１２が０を超えるとＣＴＦの低下が起こり、０以下だとＣＴＦの低下が起こらないことが判った。

これをピラー構造の変化で説明すると、ピラーが有機防湿膜４でコートされた部分は、加湿によりピラーが膨潤しても、ピラー形状に沿ってコートされている有機防湿膜４により加湿前の形状を保っていられるのに対して、ピラーが有機防湿膜４でコートされていない部分は、隣接するピラー間に障壁部分が無いので、順次、合体粗大化を繰り返し、蛍光体層の解像度低下を招くと考えられる。

以上の検討結果より、
（蛍光体層３の膜厚（μｍ））≦（侵入深さ１１（μｍ））・・・（式２）
が所望の特性が得られる蛍光体層であるから、式１を式２に代入すると、
（蛍光体層３の膜厚）≦０．５５５６×（充填率（％）^２−１０９．４４×（充填率）＋５５２８．９・・・・・(式３)
が防湿特性が優れた蛍光体層３であるということになる。

具体的には、蛍光体層３の膜厚が２００μｍのシンチレータパネル１０に対しては、蛍光体層３の充填率を８８％以下にすることが望ましく、膜厚が３５０μｍのシンチレータパネル１０に対しては、蛍光体層３の充填率を７９％以下にすることが望ましい。また、膜厚が５００μｍのシンチレータパネル１０に対しては、充填率を７３％以下にすることが望ましい。

なお、蛍光体層３の膜厚を５００μｍ未満とすることにより、解像度特性が低下しないようにするための充填率の幅を広く取ることができる。

（本実施形態の効果）
以上のように、コート残存深さ１２に注目することにより、加湿試験に対して解像度特性が低下しやすいシンチレータパネル１０と、低下しにくいものとを１つのパラメータで区別することが見出され、一つの式（式３）で所望の蛍光体層が得られる条件を見出すことができた。

即ち、コート残存深さ１２を０として、有機防湿膜４がピラー結晶５同士の隙間を充填して基板１まで到達させることによって、加湿によりピラー結晶５が膨潤しても、有機防湿膜４により加湿前の形状を保つことができる。

従って、６０℃−８０％−１０００時間の加湿においても、解像度特性を低下させることがないシンチレータパネル及びこのシンチレータパネルを用いた放射線検出器を提供することが可能になる。

（他の実施形態）
基板1としては、上記実施形態で示したＣＦＲＰ基板のみならず、アモルファスカーボン、グラファイト、ガラス、ベリリウム、チタン、アルミニウム、およびそれらの合金、セラミクス（アルミナ、ベリリア、ジルコニア、窒化珪素）、エンジニアリングプラスティックなども選択可能である。

また、蛍光体層３としては、ＣｓＩのみならず、ＣｓＢｒを用いたときも同様の効果が得られる。

また、前記実施の形態の放射線検出器としては、イメージセンサとして、複数のホトダイオード受光素子が１次元あるいは２次元状にガラス基板上に配列されたものを用いたが、他に、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどを用いることもできる。

１：基板
２ａ，２ｂ：反射膜
３：蛍光体層
４：有機防湿膜
５：ピラー結晶
１０：シンチレータパネル
１１：侵入深さ
１２：コート残存深さ

Claims

複数のピラー結晶からなり、放射線を可視光に変換する蛍光体層と、前記蛍光体層を支持する基板と、前記蛍光体層と前記基板の少なくとも一部を被覆する有機防湿膜と、を備えるシンチレータパネルにおいて、
前記有機防湿膜が、互いに隣接する前記ピラー結晶同士の隙間を充填し、前記基板まで到達していることを特徴とするシンチレータパネル。
前記蛍光体層の膜厚をＴ(μｍ)、前記蛍光体層中のピラー結晶の割合を充填率Ｄ(％)としたとき、
Ｔ≦０．５５５６×Ｄ^２−１０９．４４×Ｄ＋５５２８．９
の関係を満たすように前記蛍光体層が形成されていることを特徴とする請求項１記載のシンチレータパネル。
前記蛍光体層の膜厚が５００μｍ未満であることを特徴とする請求項１記載のシンチレータパネル。
基板上に複数の受光素子が配列されたイメージセンサに、請求項１乃至３のいずれか１項記載のシンチレータパネルを貼り合わせたことを特徴とする放射線検出器。