JPS62225983A - 結合カソ−ド・コンバ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、例えば、Ｘ線若しくはガンマ線等の高エネル
ギのフォトンを検出するのに用いられるガス充填型放射
線検出器のためのカソード・コンバータに関するもので
あり、限定的ではないが、特に、核医学において患者の
３次元Ｘ線写真を形成すべく用いられるポジトロン・カ
メラのためのカソードφコンバータに関する。

背景技術 核医学における写真撮影の大部分は９９ＴＣ１と呼ばれ
る放射性医薬を用いて実施され、ガンマ線カメラを用い
て鮮明に映出される。かかる撮影像は該医薬を注入後３
時間以内に撮影され、実際には、平坦な静的像や動的な
像あるいは断層像であってもよい。大部分の造影剤は病
気の特効薬ではなく、従って、しばしば正常な機能と異
常な機能との差異に乏しい場合がある。単一フォトン放
出型コンピュータ断層撮影法（ＳＰＥＣＴ）によって、
かかる差異を改良することができる。該５ＰＥＣＴは患
者の周囲を回転しながら複数の撮影をし且つコンピュー
タによる復元技術によって人体の断面写真を形成する。

しかしながら、該ガンマ線カメラの感度は代表的なコリ
メータにおいて僅か０．１％であり、該ガンマ線カメラ
による像は患者の中心において約２ｃｍの解像度を有す
る。

より高い空間解像度及び感度が可能な撮影方法としてポ
ジトロン放出型断層撮影法（ＰＥＴ）がある。該ＰＥＴ
はポジトロンを放出する放射性核種を用いて行なわれる
。組織内において起るポジトロン同士の相互作用はポジ
トロンの放出点から１ｍｍ近辺において発生し、互いに
１８０°の角度をなして放出される２つのフォトンを生
成する。

該２つのフォトンは、次に、対象物の両側に配設された
２つの検出器によって同時に検出される。

該ＰＥＴ検出器はコリメータを必要としないので、本質
的に空間解像度が良く且つ所望の感度を有する。しかし
ながら、利用できる検出器は極めて高価であり且つ型ど
おりの核医学での利用に対して柔軟性に欠けており、そ
れゆえ、低廉で且つ高効率のフォトン検出器が望まれて
いる。

かかる検出器は、例えば、マルチワイヤ型比例チャンバ
（ＭＷＰＣ）技術に基いてなされ、該ＭＷＰＣにおいて
は、高密度のコンバータに衝突せしめられたフォトンが
高速電子の放出を惹起し、該高速電子は１若しくは１以
上の陰極及び陽極とアルゴン／メタン混合気の如きチャ
ンバ・ガスとからなる一般的な比例チャンバ内において
検出される。

今日までに作製されたかかるタイプの検出器は次の２つ
の設計方法のうちの１つに従ってなされている。第１の
方法は、通常、１ｃＩ１１の厚みのドリフト溝が組み込
まれた高密度コンバータの背後に配設された単−ＭＷＰ
Ｃ平面を利用するものである。該コンバータはドリフト
孔が開けられた鉛層を有する層状構造、若しくは、マト
リクス状の鉛ガラス管からなる。５１１ｋｅＶのフォト
ンは該−鉛層内において高速電子に変換され、該高速電
子は該鉛層から該ドリフト孔若しくは鉛ガラス管の中へ
逃げ込んで該チャンバ・ガス内におけるイオン化を惹起
する。このようにして発生せしめられた電子のシャワー
は印加された電場によって該鉛ガラス管内に流入せしめ
られ、該ＭＷＰＣによって検出される。このタイプの装
置は最小２關の高い固有空間解像度と最小２〜４０ｎＳ
　（ナノ秒）（ネオン中において）の時間分解能とを有
する。

もう１つの方法はアノード平面間に鉛層からなる平面を
配設して積み重ね構造のＭＷＰＣを構成するものであり
、該鉛層はカソードとコンバータの両方の役目をする。

該装置は２〜１０ｎＳ（イソブタン中において）の高い
時間分解能と５關以下の空間解像度とを有する。

ＭＷＰＣによる装置は比較的感度が低く、その結果、マ
ルチクリスタルφリングによる装置の如き他の装置と比
較して撮影時間が長く且つＳ／Ｎ比（信号／雑音比率）
が低いという欠点を有する。

該検出器の効率は開口型窪み列形状になされたカソード
・コンバータを用いることによって目覚しく増加せしめ
られることが確認された。カソード・コンバータとして
一般的に用いられる基材、例えば、鉛若しくは鉛合金か
ら該列形状を作製することは困難である。なぜなら、該
基材は比較的軟質の場合が多く、それゆえ、必要な細か
さに加工することが容易ではないからである。

更に、放電−浸食加工（放電加工若しくはＥＤＭとして
公知である）、すなわち、硬質の金属に対して用いられ
る公知の技術が該カソード・コンバータに必要なパター
ンの窪みを形成するのに極めて有効であることが確認さ
れた。

発明の要点 従って、本発明はガス充填型放射線検出器のカソード・
コンバータとして使用されるべくなされた構造を提供し
、該構造は放電加工（ＥＤＭ）によってコンバータ用素
材内に形成された窪みの列を有することを特徴としてい
る。該窪みは適切なカソード・コンバータ用素材、好ま
しくは、鉛若しくはアンチモニやビスマスあるいは銅と
鉛との合金を放電加工することによって形成される。

更に、本発明は鉛層若しくは他の軟質の適当な素材から
なり且つ表面には放電加工によって窪みの列が形成され
ているカソード・コンバータを作製する方法を提供する
。

該窪みの列は、好ましくは、コンバータ索材の厚み全体
を貫通して延在する矩形孔の規則正しい列からなり、該
窪みの壁の厚みは４０ないし８０μｍの範囲である。該
窪みのパターンのピッチと該窪みの深さとは、好ましく
は、０．５ないし１゜５１１Ｉ１１の範囲である。該ハ
ニカム構造の鉛層は層状素材によって支持され、該層状
素材はｇｒｐ　（ガラス強化プラスチック）板からなる
下層と電子工学においてｐｃｂｓ　（プリン）・回路基
板）として用いられるタイプの板と同等の銅からなる上
層とから構成される。本発明によるカソード・コンバー
タは従来のカソード・コンバータにおける方法、すなわ
ち、例えば、アルゴン／メタン混合気の如きチャンバ・
ガスによって囲まれたワイヤ網からなる積み重ね構造の
陽極の間に該カソード・コン−９＝ バークが挿入される方法と全く同じ方法で用いられる。

イオン化電子の検出は従来のＭＷＰＣにおける方法と同
様にして行なわれ、該現象を処理し且つ分析するソフト
ウェア及びハードウェアも従来のものでよい。

更に、本発明は上記第１の観点に従って、両端が開口し
ている窪みを有する構造を提供する。

更に、他の観点に従って、本発明は該チャンバを画定す
る手段を有する中性粒子検出器を提供し、該中性粒子検
出器においては、該チャンバはイオン化用チャンバ・ガ
スを充填され、該チャンバ内には少な（とも１つの積み
重ね構造のカソードφコンバータが配設され、該コンバ
ータとその間に挿入された陽極は互いに交差して配設さ
れ、該カソード・コンバータは該コンバータ用素材内に
画定された窪みの列を有する構造であり、該窪みは該コ
ンバータ用素材内に放電加工によって形成されている。

また、本発明はポジトロン検出器において用いることも
でき、該ポジトロン検出器においては、１若しくは１以
上の検出器が使用され、該検出器の構成部材は互いに対
向して配設される。

実施例 第１図は本発明によるカソード・コンバータ１の作用部
分の断面を示しており、該作用部分は鉛合金からなる薄
い層２を放電浸食によって形成した入口の開いた矩形窪
み３が列状に並んだ形状になされている。窪み３の各々
は正方形の断面を有し、４つの壁３ａ〜３ｄによって画
定され且つ鉛合金層２を貫通している。鉛合金層２は薄
層５によって支持され、薄層５は銅からなる上層６とｇ
ｒｐ（ガラス強化プラスチック）板からなる下層７とを
有する。各窪みの壁の厚みは約４０〜８０μｍ（マイク
ロメータ）であり、各窪みのピッチ及び鉛合金層２の深
さは０．５から１．５５關の範囲である。第１図から明
らかなように、該カソード・コンバータは数百、時には
、数千の窪みを有する。

第２図に示すように、フォトン検出器内には複数個の該
カソード・コンバータが組み込まれる。

該フォトン検出器は積み重ねて配列され且つ２０個の平
行に横たわるカソード・コンバータ８を有し、該カソー
ド・コンバータの間には同数の陽極面９が配設されてい
る。カソード・コンバータ８の各々は２つの鉛層からな
り、該２つの鉛層は各々厚さが１２５μｎ１であり且つ
各々の反対側には薄いプラスチック箔が覆設されている
。本実施例においては、該プラスチック箔の厚みは７５
μｍである。各鉛層の表面には、第１図に示すように箱
状のパターン（第２図においては図示せず）が再生され
ている。更に、第２図に示すように、鉛層２は狭い間隙
によって帯状に分割されている。

このことによって、次に説明するように、検知された現
象の座標が確認できる。該間隙の幅は１＋＋＋ｎ＋以下
である。帯状になされたカソード・コンバータ面８は、
第２図に示すように、Ｘ若しくはＹの両方向（紙面に対
して直角）に整列せしめられる。

該陽極は２０μｍの全鍍金されたタングステン線からな
る。該陽極と陰極との間隙は約２．５ｍｍであり、該陽
極面におけるタングステン線のピッチは１ないし２＋ｎ
ｍである。該陽極面は第２図から明らかなように該カソ
ード・コンバータに対して平行である。該陽極と該カソ
ード・コンバータとは適当なバイアス電圧を印加されて
比例チャンバを形成する。

該帯状の陽極を連続する平面において互いに直角に整列
せしめることによって、検知さるべき入射フォトンのＸ
−Ｙ座標が数ミリメートル以内の精度で確認できる。該
入射フォトンは該カソード・コンバータ面のうちの１つ
において高速電子を生成する。該高速電子は該カソード
・コンバータから脱出し、該高速電子が該比例チャンバ
内の気体中において生成する２次電子のシャワーによっ
て該比例チャンバ内において検知される。該電子のシャ
ワーは該陽極において検知され、互いに隣接する２つの
陰極面においてパルスが発生せしめられる。このように
して、該帯状陰極面を連続する平面において交互に配向
せしめることによって、発生した現象のＸ−Ｙ座標が確
認できるのである。

該陽極内における対応するパルスが２座標とされる。該
検出器からの信号は一般的な電子技術によって連続的に
処理される。

次に、鉛若しくは鉛合金からなる該カソード・コンバー
タを放電加工によって製造する方法を説明する。まず、
グラファイト、銅あるいはタングステンから所望形状の
鏡像の陽極が切り取られ、次に、該陽極は平板状の鉛シ
ート上に該所望形状の浸食を形成すべく用いられる。該
陽極は該鉛シートに対して高電位にされ、次に、該鉛シ
ートに向って下降せしめられて該陽極と該鉛シートの間
に放電が起こる。該陽極と該鉛シートとの間の空間は静
電場によって満され、該静電場は該鉛シートから不要な
金属を飛し去る。この工程は該所望の形状が切り取られ
るまで継続される。該浸食に対してより堅い基質とする
ことを目的として鉛アンチ二合金や鉛カルシュウム合金
などを用いることができる。該陽極と該作製量との間に
おける放電は熱を発生し、従って、比較的低融点の鉛を
使用しても、所望の小さい形状を正しく形成することは
期待できないであろう。しかしながら、ＥＤＭ（放電加
工）による製造品の品質は検出器の感度を所望程度まで
増すのに充分である。

人体の内部器官を撮影するための装置全体を第３図に示
す。２つの検出器１０及び１１が患者の両側において用
いられる。患者の器官内にある同位元素１２がポジトロ
ンを放出し、該ポジトロンは数ミリメータ移動する間に
消滅して互いに１８０°の角度をなして進むフォトンを
生成する。検出器１０及び１１−は、既に説明したよう
にフォトンを検出し、一般的なデジタル電子装置を用い
てコインシデンス（（Ｘ：を重粒子の同時計数）がなさ
れ且つ「正しい」現象が分離される。該検出器を患者の
周囲に沿って回転せしめることによって完全な３Ｄ（３
次元）像が形成される。

上記の実施例においては、該コンバータ内のセルは該コ
ンバータの厚み全体を貫通している。しかしながら、第
４図に示すように、該セルは該鉛層を貫通せずに、代わ
りに床板３０を有する。第４図に示すカソード・コンバ
ータは放電加工によって形成され且つ第１図に示したも
のと全く同様に検出器内において用いられる。第４図に
示すカソード・コンバータの動作は第１図のコンバータ
はど正しく動作しないことが明らかであり、これは、コ
ンバータを構成する素材表面上における電子増加効果を
相殺する以上に該コンバータにおいて形成される電子が
該コンバータから脱出する可能性が減少することによる
。

該コンバータの設計は次に示す解析をすれば最良の状態
になる。個々の光電陰極の効率は３つのパラメータによ
って決まる。

（Ｉ）５１１ｋｅＶにおいて、光電効果あるいはコンプ
トン効果によって該鉛層内において高速電子を生成する
入射フォトンの確率は各相互作用において略同じである
。

（ＩＩ）多重散乱であることからして、１次電子分布は
明確に定義された範囲においては等方性であると考えら
れる。従って、該チャンバ内の気体中に逃げ込んでイオ
ン化を惹起する電子の確率は該光電陰極、特に、該光電
陰極の体積に対する表面積の割合に依存する。

積み重ね構造の検出器における薄層の特性は上記（Ｉ）
と（ｎ）の中間が最適である。該薄層における減衰があ
まり大きい場合には、積み重ねられて連続した薄層内に
おいて検知されていたはずのフォトンが消失し、該薄層
における減衰が少ない場合には、同一のトータル効率を
得るためには、更に多くのコンバータを配設する必要が
ある。最適な光電陰極は、用いられる光電陰極の数によ
ることが明らかであり、更に、検出器のトータル効率は
１つの光電陰極における電子漏洩パラメータに比例する
ことが明らかである。従って、もし電荷補集効率が低下
しなければ、光電陰極の該漏洩パラメータが増加すると
、その分だけ該検出器の効率が増加する。

（ＩＩＩ）該気体中において生成された２次電子は陽極
の１つにおいて補集されて検知可能な信号を生成するが
、該補集電場があまり低いと電子は該鉛層上に戻されて
拡散され且つ消失する。（また、該高速電子の行路長は
充分な電離作用が得られないほど小さくされてはならな
い。）従って、この−１７＝ ことは平板状のものよりも第１図のような光電陰極にお
いて、より重要であることが明らかである。

なぜなら、この場合には、横方向の拡散か起る前に、電
子が該電場によって該「窪み」から移動しなければなら
ないからである。

第５図は立方体の窪み（すなわち、第１図に示したカソ
ード・コンバータにおけるものと類似しているが底面を
有するもの）内における等電位面１４の３Ｄ（３次元）
算出結果を示しており、該立方体の窪みにおいては、該
等電位面は平板状陰極の場合と同様に該カソード・コン
バータに対して平行に走り且つ２箇所において該平行等
電位面から逸れて窪んでいると近似されている。明らか
に、図に示した立方体の窪みにおいては、該窪みの底面
における電場は該窪みの外側の均一領域（すなわち、該
窪みの影響を受けない領域）における電場の約５％であ
り、該均一領域における電場は平板状陰極におけるもの
と略同等と考えられる。本実施例における陽極−陰極間
隔が２．５ｍｍの平板状陰極の表面における電場は、該
窪み内における最も低い電場を４００Ｖ／ｃｍ以下とす
るならば、８ｋＶ／ａｍ以下であり、電場の平均値はこ
れより遥かに高い。この電場の高さは電子を該窪みから
移動せしめるのに充分である。また、該電場は該窪みの
壁面からあらゆる方向に指向せしめらるので２次電子の
拡散効果に対抗し得るのである。

第６図は２０個の箱状パターンのコンバータ面を有する
コンバータ（該箱状パターンのピッチは第１図に示した
ように１＋ｎｕである）において５１１ｋｅＶを印加し
た場合におけるコンバータ層の厚みと効率Ｖとの関係を
示しており、約１７％の効率を得る場合には、最適な薄
層の厚みは４０ないし５０μｍであることがわかる。

コンバータの効率は第７図に示す装置によって測定する
ことができ、該測定はフォトンの減衰が少ない単一のコ
ンバータによってなされる。５１１ｋｅＶの電子から放
出される光電子の実質飛程距離は船内において５０μ鰭
であるので、５０μ關以下の表面層のみが電子の検出に
関係し、また、２次電子の補集が完全であるならば、す
なわち、該補集電場が極めて高く且つ該高速電子の行路
長が電離作用を惹起しない程度まで小さくされていない
ならば、該コンバータの効率は該薄層の表面積に比例す
ると考えられる。該薄層の厚みが該効率の測定に影響を
及ぼすのは、複数のコンバータの使用が考慮され且つ減
衰効果が重要になる場合のみである。

３種の１０ｃｍＸ１０ｃｍのコンバータ層の効率を測定
した結果を次に示す。第１のコンバータは厚みが２５０
μｍの平坦な鉛シートからなる。第２のコンバータは厚
みが０６５關の鉛シートからなり且つその中には幅７５
０μｍで深さが３５０μｍの孔がｌｌｌ１１ピツチで開
けられており、第３のコンバータは幅１５０μｍ１深さ
６５０μｍ１ピツチ７５０μｍの第４図の如き箱状パタ
ーンのコンバータである。かかるコンバータ全てにおい
て、該壁の厚みは上記の最大電子飛程距離５０μｍより
遥かに大きい。コンバータ１５は厚さ１．６ｍｍのｇｒ
ｐ　（ガラス強化プラスチック）の回路基板タイプのベ
ース１６上に装着される。２２Ｎ　ａ源１７からのポジ
トロン消滅による５１１ｋｅＶのフォトンの変換効率は
１つのワイヤ平面１８と２つの平坦な陰極からなるＭＷ
ＰＣ（マルチワイヤ型比例チャンバ）によって測定され
、該２つの陰極のうちの一方はコンバータ１６からなり
、他方は銅張ｇｒｐ　（ガラス繊維入り強化プラスチッ
ク）板１９からなる。ワイヤ平面１８は２ｍｎ＋ピッチ
で並設された２０μｍのワイヤからなり、該陽極−陰極
間隔は４關であり、２．５ｍｍ間隔による普通サイズの
基本型よりも大きい。該検出器の前面に配設されたメリ
ネックス（ｍｅｌｉｎｅｘ）の窓２０によって、フォト
ンと該チャンバ内の気体との相互作用によるバックグラ
ウンド雑音の測定が可能となり且つ測定値から減算され
る。使用される気体はアルゴンとメタンとの８０／２０
混合気であり、３ｋＶのＥＨＴによって安定して作動す
る。該ＭＷＰＣは該コンバータ層に明確に画定された「
突出領域」を生じるＮａＩシンチレータと同様に作動す
る。

該効率測定結果を次に示す。

上記の結果から、該コンバータの効率は該コンバータの
表面積に比例して増加し、４０ないし５０μｍの厚さの
壁を有するコンバータを用いることによって各コンバー
タの効率は５倍に増加するということがわかる。かかる
コンバータ面が２０個からなる検出器は、同様な拡散検
出特性を有する代表的な検出器の効率の３．５倍の効率
を有するであろうし、同時に作動する完全な装置におい
ては、基本型の１０倍の感度を有するであろう。

２個若しくは４個の検出器からなる完全なＰＥＴ（ポジ
トロン放出断層撮影）装置においては、６０ＣＩＩＩＸ
３０（！ＩＴのコンバータが使用され、数分間の撮影時
間に大きな体積の対象物の３次元像が高い解像度で形成
される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例によるカソード・コンバータの
部分詳細図であり、第２図はＭＷＰＣと本発明によるカ
ソード・コンバータとの積み重ね構造を示す図であり、
第３図はポジトロン・カメラを用いた撮影方法及び装置
を示す図であり、第４図は本発明の他の実施例を示す図
であり、第５図は本発明によるカソード・コンバータの
鉛からなる窪み内における電場を示す図であり、第６図
は本発明を実施した２０個の層からなるＭＷＰＣにおけ
る効率を窪みの壁の厚さの関数として表わしたグラフで
あり、第７図は該カソード・コンバータの効率を測定す
る装置を示す図である。 主要部分の符号の説明

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガス充填型放射線検出器のための結合カソード・
   コンバータ（ｃａｔｈｏｄｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）と
   して使用するための構造であり、放電加工（ＥＤＭ）に
   よってコンバータ用素材内に形成された窪みの列（３）
   を有する構造。
2. （２）前記窪みの列（３）は鉛若しくは鉛合金から形成
   されることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の構
   造。
3. （３）前記窪みの列（３）は等辺等角であることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項若しくは第２項記載の構造
   。
4. （４）前記窪み（３）が立方体であることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項ないし第３項のうちのいずれか１
   つに記載の構造。
5. （５）前記各窪み間の壁の厚みが２５ないし１２５μｍ
   の範囲であり、前記窪みのピッチ及び深さは０．５ない
   し１．５ｍｍの範囲であることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項ないし第４項のうちのいずれか１つに記載の
   構造。
6. （６）前記窪みの列（３）はグラスファイバ板（７）と
   銅からなる層（６）とを有する層状部材５に担持されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第５
   項のうちのいずれか１つに記載の構造。
7. （７）前記窪みの底面が閉塞されてなることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項ないし第６項のうちのいずれか
   １つに記載の構造。
8. （８）前記窪みの両端が開口されてなることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項ないし第７項のうちのいずれか
   １つに記載の構造。
9. （９）イオン化用チャンバ・ガスが充填され且つワイヤ
   網からなる陽極（９）が綴じ込まれた少なくとも１つの
   積み重ね構造からなるカソード・コンバータ（８）が内
   部に配設されたチャンバを有する中性粒子検出器であり
   、前記カソード・コンバータ（８）は特許請求の範囲第
   １項ないし第８項のうちのいずれか１つに記載の構造で
   ある中性粒子検出器。
10. （１０）試験体から放出されたフォトンのコインシデン
    ス（同時計数）をなすためのポジトロン検出装置であり
    、１若しくは１以上の検出器の対を有し、前記検出器は
    特許請求の範囲第９項記載の検出器であり、前記対をな
    す２つの検出器は前記試験体の両側に配列されてなるポ
    ジトロン検出装置。
11. （１１）イオン化用チャンバ内において用いるためのカ
    ソード・コンバータを作製する方法であり、コンバータ
    用素材（２）の表面に開口窪み列（３）を放電加工によ
    って形成する工程を含む作製方法。
12. （１２）前記コンバータ用素材（２）が鉛若しくは鉛合
    金からなり、前記窪みの列（３）は前記コンバータ用素
    材２内に設けられた立方体の窪みの規則正しい列からな
    り、各窪み間の壁の厚みは２５ないし１２５μｍの範囲
    であり、前記窪みのピッチ及び深さは０．５ないし１．
    ５ｍｍの範囲であることを特徴とする特許請求の範囲第
    １１項記載の作製方法。