JP7545366B2 - 放射線検出器及び放射線検出装置 - Google Patents

Description

本開示は、放射線検出器及び放射線検出装置に関する。

Ｘ線等の放射線を光に変換するシンチレータと、シンチレータにより変換された光を検出する光検出器と、を有する放射線検出器が知られている。特許文献１には、このような放射線検出器において、ＣｓＩ系のシンチレータと光検出器であるＴＦＴ基板との間に光選択層を配置する構成が開示されている。この構成では、シンチレータによって生成されたシンチレーション光（蛍光）の残光成分が光選択層で吸収又は反射されることにより、ＴＦＴ基板で検出される残光成分が低減される。

中国特許出願公開１１１０８１７２８号

上記特許文献１に開示された構成では、光選択層として、樹脂膜（ＰＶＣ膜、ＰＥＴ膜、及びＰＥ膜の１つ、又はこれらの２以上の組み合わせ）が採用されている。しかし、樹脂膜を光選択層として用いる場合には、紫外領域（特に３００ｎｍ以下の波長領域）の光を選択的に透過（或いは、吸収又は反射）させるように調整することが比較的困難である。また、発光ピークが２つあり、一方のピーク波長が他方のピーク波長よりも長い場合、上記樹脂膜では、当該一方のピーク波長を選択的に透過させることが困難である。

本開示の一側面は、シンチレーション光の波長領域及び発光ピークの形状にかかわらず、注目波長の光を好適に検出可能な放射線検出器及び放射線検出装置を提供することを目的とする。

本開示の一側面に係る放射線検出器は、放射線の入射に応じて、第１ピーク波長を有する第１シンチレーション光と第２ピーク波長を有する第２シンチレーション光とを生成するシンチレータと、シンチレータにより生成されたシンチレーション光を検出する光検出部と、シンチレータと光検出部との間に配置され、第１シンチレーション光を選択的に遮断するフィルタ層と、を備え、フィルタ層は、メタサーフェス構造を有する。

上記放射線検出器では、シンチレータによってピーク波長が互いに異なる第１シンチレーション光及び第２シンチレーション光が生成される。シンチレータと光検出部との間に配置されたフィルタ層によって、第１ピーク波長を有する第１シンチレーション光が選択的に遮断される。すなわち、第２ピーク波長を有する第２シンチレーション光が、光検出部へと選択的に透過させられる。ここで、フィルタ層は樹脂膜ではなくメタサーフェス構造によって構成されている。メタサーフェス構造によってフィルタ層を構成することにより、樹脂膜でフィルタ層を構成する場合と比較して、以下の利点が得られる。すなわち、メタサーフェス構造の形状制御により、シンチレーション光の波長領域及び発光ピークの形状（共鳴ピーク幅等）にかかわらず、樹脂膜でフィルタ層を構成する場合よりも良好なフィルタ性能を得ることができる。すなわち、注目波長の光（ここでは第２ピーク波長を有する第２シンチレーション光）を好適に透過させ、注目波長以外の波長の光（ここでは第１ピーク波長を有する第１シンチレーション光）を好適に遮断することができる。従って、上記放射線検出器によれば、シンチレーション光の波長領域及び発光ピークの形状にかかわらず、注目波長の光を好適に検出することが可能となる。

フィルタ層は、表面プラズモンを利用したプラズモニックフィルタであってもよい。上記構成によれば、表面プラズモンを利用することにより、第１シンチレーション光を選択的に遮断するフィルタ構造を容易に得ることができる。

フィルタ層は、周期的に配列された複数の柱状の金属構造体を有してもよい。上記構成によれば、第１シンチレーション光を選択的に遮断するフィルタ構造を、複数の金属構造体の配置（周期）、並びに金属構造体の幅及び高さを調整することにより、容易に製造することができる。

金属構造体は、円柱状のアルミニウムによって構成されていてもよい。上記構成によれば、円柱状のアルミニウムの径及び高さを調整することにより、第１シンチレーション光を選択的に遮断するためのフィルタ設計を容易に行うことが可能となる。

第１シンチレーション光の減衰時間は、第２シンチレーション光の減衰時間よりも長くてもよい。上記構成によれば、２つのシンチレーション光のうち減衰時間が長い方の第１シンチレーション光を選択的に遮断することにより、光検出部において減衰時間が短い方の第２シンチレーション光のみを検出することが可能となる。これにより、放射線検出器の時間分解能を向上させることができる。

フィルタ層は、シンチレータにより生成された第１シンチレーション光をシンチレータ側に選択的に反射させてもよい。上記構成によれば、光検出部側へと抜ける第１シンチレーション光の量を効果的に低減できるため、光検出部において第２シンチレーション光のみをより一層好適に検出することが可能となる。

シンチレータは、光検出部に対向する第１面と光検出部に対向しない第２面とを有してもよく、第２面の少なくとも一部には、フィルタ層によって反射された第１シンチレーション光を吸収する光吸収層が設けられていてもよい。上記構成によれば、フィルタ層によって反射された第１シンチレーション光を光吸収層で吸収することにより、当該第１シンチレーション光が再度フィルタ層に向かって入射することを抑制することができる。これにより、光検出部において第２シンチレーション光のみをより一層好適に検出することが可能となる。

上記放射線検出器は、シンチレータに対してフィルタ層が設けられた側とは反対側に配置される第２光検出部を更に備えてもよい。上記構成によれば、フィルタ層によって反射された第１シンチレーション光を第２光検出部によって検出することが可能となる。これにより、例えば、第２シンチレーション光を光検出部で検出することによって時間分解能の向上を図ると共に、フィルタ層で反射された第１シンチレーション光を第２光検出部で検出することで、全体として十分な検出光量を確保することが可能となる。これにより、放射線検出器の検出精度を向上させることが可能となる。

上記放射線検出器は、シンチレータと第２光検出部との間に配置され、第２シンチレーション光を選択的に遮断する第２フィルタ層を更に備えてもよい。上記構成によれば、第２光検出部において、第１シンチレーション光のみを好適に検出することが可能となる。

第２フィルタ層は、メタサーフェス構造を有してもよい。上記構成によれば、フィルタ層と同様のメタサーフェス構造を採用することにより、第２フィルタ層を好適に設計及び製造することができる。

フィルタ層は、周期的に配列された複数の柱状体によって構成されていてもよく、第２フィルタ層は、フィルタ層の複数の柱状体に対応する複数のホールによって構成されていてもよい。上記構成によれば、バビネ原理に基づいて、フィルタ層とは反対の性質を有する第２フィルタ層を容易に設計及び製造することができる。すなわち、第２フィルタ層が有するメタサーフェス構造を、フィルタ層が有するサーフェス構造に対応する形状（すなわち、ネガティブ（凹部分）とポジティブ（凸部分）とについて、フィルタ層のメタサーフェス構造と反転関係にある形状）とすることにより、第２シンチレーション光を選択的に遮断する性質を有する第２フィルタ層を容易且つ確実に形成することができる。

光検出部は、固体撮像素子又は電子管であってもよい。上記構成によれば、シンチレータ及びフィルタ層を固体撮像素子又は電子管に対する外付け部材として配置する構成において、上述した放射線検出器の効果を発揮することができる。すなわち、既存の固体撮像素子又は電子管等に対してシンチレータ及びフィルタ層を設けることにより、上述した効果を発揮する放射線検出器を得ることができる。

放射線検出器は、電子管であってもよく、シンチレータは、電子管の光入射窓であってもよく、光検出部は、電子管の光電面であってもよい。上記構成によれば、シンチレータ及びフィルタ層を電子管内に内蔵することにより、シンチレータ及びフィルタ層を電子管の外付け部材として構成する場合と比較して、放射線検出器全体のサイズを小型化することができる。また、検出光（第２シンチレーション光）を効率良く光電面へと導くことができる。

上記放射線検出器は、フィルタ層と光検出部との間に設けられた保護膜を更に備えてもよい。上記構成によれば、保護膜によって、シンチレータと光電面（光検出部）との化学反応を適切に防止することができる。

本開示の他の側面に係る放射線検出装置は、上記放射線検出器を複数配列したガントリを備える。上述した構造を有する放射線検出器を用いて放射線検出装置を構成することにより、上述した放射線検出器の効果を発揮することが可能な放射線検出装置を得ることができる。

本開示の一側面によれば、シンチレーション光の波長領域及び発光ピークの形状にかかわらず、注目波長の光を好適に検出可能な放射線検出器及び放射線検出装置を提供することができる。

図１は、第１実施形態の放射線検出器の断面図である。 図２は、シンチレータ（ＢａＦ２）の発光スペクトルを示す図である。 図３は、フィルタ層の基本構成（単位格子）を示す図である。 図４は、フィルタ層の波長毎の透過率を示す図である。 図５は、フィルタ層の波長毎の反射率を示す図である。 図６は、フィルタ層の作製工程の一例を示す図である。 図７は、第２実施形態の放射線検出器の断面図である。 図８は、第３実施形態の放射線検出器の断面図である。 図９は、第４実施形態の放射線検出器の断面図である。 図１０は、第５実施形態の放射線検出器の断面図である。 図１１は、第６実施形態の放射線検出器の断面図である。 図１２は、第２フィルタ層の基本構成（単位格子）を示す図である。 図１３は、一実施形態の放射線検出装置の概略構成図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。各図面の寸法比率は、必ずしも実際の寸法比率とは一致していない。

［第１実施形態］
図１に示されるように、第１実施形態の放射線検出器１Ａは、Ｘ線等の放射線を検出する検出器である。放射線検出器１Ａは、例えば、消滅放射線の飛行時間情報を画像再構成に用いる陽電子放射断層撮像装置（いわゆる、ＴＯＰ－ＰＥＴ（Time Of Flight Position Emission Tomography））等に用いられる（図１４参照）。放射線検出器１Ａは、シンチレータ２と、光検出部３Ａと、フィルタ層４と、を有する。放射線検出器１Ａの外観形状は、例えば、柱状（本実施形態では一例として、円柱状）である。フィルタ層４は、シンチレータ２と光検出部３Ａとの間に配置されている。本明細書では、説明の便宜上、シンチレータ２と光検出部３Ａとがフィルタ層４を挟んで対向する方向をＺ軸方向と表し、Ｚ軸方向に直交する平面に沿うと共に互いに直交する２つの方向をＸ軸方向及びＹ軸方向と表す。

シンチレータ２は、Ｘ線等の放射線の入射に応じて、ピーク波長及び減衰時間が互いに異なる複数（２以上）のシンチレーション光を生成する。このような性質を有するシンチレータ２の例としては、ＢａＦ２、ＣｄＦ３：Ｐｒ３＋等が挙げられる。本実施形態では、シンチレータ２は、ＢａＦ２によって形成されている。

図２に示されるように、ＢａＦ２によって形成されたシンチレータ２は、放射線の入射に応じて、ピーク波長λ１（第１ピーク波長）を有するシンチレーション光Ｌ１（第１シンチレーション光）とピーク波長λ２（第２ピーク波長）を有するシンチレーション光Ｌ２（第２シンチレーション光）とを生成する。ピーク波長λ１は３００ｎｍであり、ピーク波長λ２は２２０ｎｍである。また、シンチレーション光Ｌ１の減衰時間ｔ１は、シンチレーション光Ｌ２の減衰時間ｔ２よりも短い（ｔ１＜ｔ２）。より具体的には、減衰時間ｔ１は５５０ｎｓであり、減衰時間ｔ２は０．６ｎｓである。図２に示されるように、ＢａＦ２では、シンチレーション光Ｌ１の発光量の方が、シンチレーション光Ｌ２の発光量よりも大きい。

一例として、シンチレータ２は、円柱状に形成されている。すなわち、Ｚ軸方向から見た場合に、シンチレータ２は、円形状に形成されている。シンチレータ２は、フィルタ層４を介して光検出部３Ａに対向する内面２ａと、Ｚ軸方向において内面２ａとは反対側に位置する外面２ｂと、内面２ａの縁部と外面２ｂとの縁部とを接続するようにＺ軸方向に延在する円筒状の側面２ｃと、を有する。一例として、シンチレータ２の外面２ｂが、検出対象の放射線を入射させる入射面として機能し、内面２ａが、シンチレータ２の内部で生成されたシンチレーション光を出射する出射面として機能する。

光検出部３Ａは、シンチレータ２により生成されたシンチレーション光を検出する。本実施形態では、光検出部３Ａは、例えば、ＳＰＡＤ（Single-Photon Avalanche Diode）等のＳｉＰＭ（Silicon Photomultiplier）等の固体撮像素子である。なお、光検出部３Ａは、例えば、ＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）等の他の固体撮像素子によって構成されてもよい。光検出部３Ａは、検出対象の光を入射させるための光検出面３ａを有する。光検出面３ａは、フィルタ層４を介して、シンチレータ２の内面２ａと対向している。

フィルタ層４は、メタサーフェス構造を有している。フィルタ層４は、シンチレータ２により生成されたシンチレーション光Ｌ１，Ｌ２のうちシンチレーション光Ｌ１を選択的に遮断する。すなわち、フィルタ層４は、シンチレーション光Ｌ２の大部分をシンチレータ２側から光検出部３Ａ側へと透過させるのに対して、シンチレーション光Ｌ１の大部分をシンチレータ２側から光検出部３Ａ側へと透過させない。例えば、フィルタ層４は、シンチレーション光Ｌ１を選択的に反射又は吸収する。本実施形態では、フィルタ層４は、シンチレーション光Ｌ１をシンチレータ２側に選択的に反射させるように構成されている。

フィルタ層４は、表面プラズモンを利用したプラズモニックフィルタ（例えば、プラズモニックカラーフィルタ）として構成され得る。すなわち、フィルタ層４は、表面プラズモンを生じさせるように構成されたメタサーフェス構造を有する。図１に示されるように、フィルタ層４は、ＸＹ平面に沿って周期的に配列された複数の柱状の金属構造体４１を有する。一例として、金属構造体４１は、円柱状に形成され得る。複数の金属構造体４１は、ＸＹ平面に沿って２次元的（格子状）に配列されている。フィルタ層４（すなわち、複数の金属構造体４１）は、シンチレータ２の内面２ａ上に蒸着等によって形成されてもよいし、光検出部３Ａの光検出面３ａ上に蒸着等によって形成されてもよい。本実施形態では、フィルタ層４は、シンチレータ２の内面２ａ上に形成されている。

フィルタ層４を構成する金属構造体４１は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ａＳｉ（アモルファスシリコン）等によって形成され得る。本実施形態では、金属構造体４１は、アルミニウム（Ａｌ）によって構成されている。

図３は、フィルタ層４を構成する単位格子Ｃ１を示している。フィルタ層４は、図３に示される単位格子Ｃ１がＸ軸方向及びＹ軸方向に沿って格子状に周期的に配列されることによって構成されたナノ構造体（微細凹凸構造）である。一例として、単位格子Ｃ１は、Ｚ軸方向から見て正方形状の領域である。単位格子Ｃ１毎に１つの円柱状（円板状）の金属構造体４１が形成されている。金属構造体４１は、単位格子Ｃ１の中央部において、シンチレータ２の内面２ａに立設されている。

金属構造体４１の周期ａ（すなわち、互いに隣接する２つの金属構造体４１の中心間距離（ピッチ）であり、単位格子Ｃ１の一辺の長さ）は、フィルタリング対象のシンチレーション光Ｌ１，Ｌ２の波長よりも短くなるように設定されている。本実施形態では、シンチレーション光Ｌ１，Ｌ２の波長はそれぞれ３００ｎｍ，２２０ｎｍであるため、金属構造体４１の周期ａは、これらの波長よりも短い値に設定される。周期ａは、例えば、１５０ｎｍ～２００ｎｍの範囲から選択され得る。金属構造体４１の幅ｄ（直径）は、例えば、８０ｎｍ～１４０ｎｍの範囲から選択され得る。金属構造体４１の高さｈは、例えば、３０ｎｍ～７０ｎｍの範囲から選択され得る。金属構造体４１の高さは、シンチレータ２の内面２ａから金属構造体４１の頂面４１ａまでの長さである。

図４は、フィルタ層４の波長毎の透過率（波長と透過率との関係）を示す図である。図４は、単位格子Ｃ１の周期ａを１５０ｎｍとし、金属構造体４１の高さｈを３０ｎｍとし、金属構造体４１の幅ｄを７０ｎｍ、８０ｎｍ、９０ｎｍ、１００ｎｍとした場合のシミュレーション結果を示している。図４において、横軸はフィルタ層４に入射する光の波長（ｎｍ）を表し、縦軸はフィルタ層４に入射した光の透過率を示す。図４に示される透過率は、透過率１００％を基準値（＝１）とした値を表している。図４に示されるように、周期ａ、高さｈ、及び幅ｄを上記のように設定することにより、ピーク波長λ１（＝３００ｎｍ）を有するシンチレーション光Ｌ１に対する透過率をほぼ０に近い値にできる。一方で、ピーク波長λ２（＝２２０ｎｍ）を有するシンチレーション光Ｌ２については、一定以上（０．６付近）の透過率を確保することができる。すなわち、周期ａ、高さｈ、及び幅ｄを上記のように設定することにより、シンチレーション光Ｌ１を選択的に遮断する（すなわち、シンチレーション光Ｌ２を選択的に透過させる）ようにフィルタ層４を構成することができる。

図５は、フィルタ層４の波長毎の反射率（波長と反射率との関係）を示す図である。図５は、単位格子Ｃ１の周期ａを１５０ｎｍとし、金属構造体４１の高さｈを３０ｎｍとし、金属構造体４１の幅ｄを７０ｎｍ、８０ｎｍ、９０ｎｍ、１００ｎｍとした場合のシミュレーション結果を示している。図５において、横軸はフィルタ層４に入射する光の波長（ｎｍ）を表し、縦軸はフィルタ層４に入射した光の反射率を示す。図５に示される反射率は、反射率１００％を基準値（＝１）とした値を表している。図５に示されるように、周期ａ、高さｈ、及び幅ｄを上記のように設定することにより、ピーク波長λ１（＝３００ｎｍ）を有するシンチレーション光Ｌ１に対する反射率を一定以上（０．５以上）にすることができる。一方で、ピーク波長λ２（＝２２０ｎｍ）を有するシンチレーション光Ｌ２については、反射率を０．２程度の低い値にすることができる。すなわち、周期ａ、高さｈ、及び幅ｄを上記のように設定することにより、シンチレーション光Ｌ１を選択的に反射するようにフィルタ層４を構成することができる。

図６を参照して、フィルタ層４の作製工程の一例について説明する。まず、シンチレータ２の内面２ａ上に電子線（ＥＢ）レジストＲが塗布（成膜）される（ステップＳ１）。ＥＢレジストＲの膜圧は、例えば３００ｎｍ程度である。続いて、ＥＢリソグラフィにより、ＥＢレジストＲに対して、予め設計されたパターンがＥＢ描画される（ステップＳ２）。具体的には、ＥＢレジストＲの一部を除去することにより、金属構造体４１が形成される予定の部分に対応する開口Ｒａが形成される。続いて、蒸着法（例えば、抵抗加熱蒸着）により、ＥＢレジストＲ上にアルミニウム膜４０を成膜する（ステップＳ３）。アルミニウム膜４０の膜厚は、例えば３０ｎｍ程度である。アルミニウム膜４０の一部がＥＢレジストＲに形成された開口Ｒａ内に入り込むことにより、開口Ｒａ内におけるシンチレータ２の内面２ａ上にもアルミニウム膜４０が成膜される。続いて、リフトオフ処理により、シンチレータ２上からＥＢレジストＲを除去する（ステップＳ４）。このとき、ＥＢレジストＲ上に成膜されたアルミニウム膜４０も併せて除去される。その結果、シンチレータ２の内面２ａ上には、ＥＢレジストＲの開口Ｒａに対応する位置に成膜された円柱状のアルミニウム膜４０だけが残される。この円柱状のアルミニウム膜４０が、上述した金属構造体４１に相当する。

フィルタ層４（金属構造体４１の頂面４１ａ）は、光検出部３Ａの光検出面３ａと当接していてもよいし、光検出面３ａから離間するように配置されてもよい。フィルタ層４を透過したシンチレーション光を効果的に光検出部３Ａに取り込む観点からは、フィルタ層４は、光検出面３ａと当接（密着）していることが好ましい。ただし、この場合において、フィルタ層４と光検出部３Ａの光検出面３ａとの間（界面）には、接着剤（接着層）を設けないことが好ましい。接着剤によって検出対象のシンチレーション光（波長２２０ｎｍ帯のシンチレーション光Ｌ２）が吸収されることを防止するためである。

また、フィルタ層４は、シンチレータ２の内面２ａ上ではなく、光検出部３Ａの光検出面３ａ上に形成されてもよい。この場合にも、上述した手順と同様の手順によって、フィルタ層４を形成することができる。すなわち、図６に示した手順における「シンチレータ２の内面２ａ」を「光検出部３Ａの光検出面３ａ」と読み替えた手順を実行することにより、光検出部３Ａの光検出面３ａ上にフィルタ層４を形成することができる。なお、この場合には、フィルタ層４（金属構造体４１の頂面４１ａ）は、シンチレータ２の内面２ａと当接していてもよいし、内面２ａから離間するように配置されてもよい。フィルタ層４を透過したシンチレーション光を効果的に光検出部３Ａに取り込む観点からは、フィルタ層４は、内面２ａと当接（密着）していることが好ましい。ただし、この場合においても、上述した理由と同様の理由により、フィルタ層４とシンチレータ２の内面２ａとの間（界面）には、接着剤（接着層）を設けないことが好ましい。

（作用効果）
以上説明した放射線検出器１Ａでは、シンチレータ２によってピーク波長が互いに異なる２つのシンチレーション光Ｌ１，Ｌ２が生成される。シンチレータ２と光検出部３Ａとの間に配置されたフィルタ層４によって、ピーク波長λ１（本実施形態では、３００ｎｍ）を有するシンチレーション光Ｌ１が選択的に遮断される。すなわち、ピーク波長λ２（本実施形態では、２２０ｎｍ）を有するシンチレーション光Ｌ２が、光検出部３Ａへと選択的に透過させられる。ここで、フィルタ層４は樹脂膜ではなくメタサーフェス構造によって構成されている。メタサーフェス構造によってフィルタ層４を構成することにより、樹脂膜でフィルタ層４を構成する場合と比較して、以下の利点が得られる。すなわち、メタサーフェス構造の形状制御により、シンチレーション光の波長領域及び発光ピークの形状（共鳴ピーク幅等）にかかわらず、樹脂膜でフィルタ層を構成する場合よりも良好なフィルタ性能を得ることができる。すなわち、注目波長の光（ここではピーク波長λ２を有するシンチレーション光Ｌ２）を好適に透過させ、注目波長以外の波長の光（ここではピーク波長λ１を有するシンチレーション光Ｌ１）を好適に遮断することができる。従って、放射線検出器１Ａによれば、シンチレーション光の波長領域及び発光ピークの形状にかかわらず、注目波長の光を好適に検出することが可能となる。

フィルタ層４は、表面プラズモンを利用したプラズモニックフィルタである。上記構成によれば、表面プラズモンを利用することにより、シンチレーション光Ｌ１，Ｌ２の一方（本実施形態では、シンチレーション光Ｌ１）を選択的に遮断するフィルタ構造を容易に得ることができる。すなわち、フィルタ層４のメタサーフェス構造（本実施形態では、複数の金属構造体４１からなる微小凹凸構造）を、表面プラズモン効果を発揮するように設計することにより、特定の波長帯のシンチレーション光のみを選択的に遮断するフィルタ層４を得ることができる。

フィルタ層４は、周期的に配列された複数の柱状の金属構造体４１を有する。上記構成によれば、シンチレーション光Ｌ１，Ｌ２の一方（本実施形態では、シンチレーション光Ｌ１）を選択的に遮断するフィルタ構造を、複数の金属構造体４１の配置（周期ａ）、並びに金属構造体４１の幅ｄ及び高さｈを調整することにより、容易に得ることができる。

金属構造体４１は、円柱状のアルミニウムによって構成されている。上記構成によれば、円柱状のアルミニウムの径（幅ｄ）及び高さｈを調整することにより、シンチレーション光Ｌ１を選択的に遮断するためのフィルタ設計を容易に行うことが可能となる。

シンチレーション光Ｌ１の減衰時間ｔ１は、シンチレーション光Ｌ２の減衰時間ｔ２よりも長い。すなわち、放射線検出器１では、フィルタ層４は、互いに異なる減衰時間ｔ１，ｔ２を有する２つのシンチレーション光Ｌ１，Ｌ２のうち、減衰時間が長い方のシンチレーション光Ｌ１を選択的に遮断するように構成されている。上記構成によれば、光検出部３Ａにおいて減衰時間が短い方のシンチレーション光Ｌ２のみを検出することが可能となる。これにより、放射線検出器１Ａの時間分解能を向上させることができる。特に、本実施形態では、シンチレータ２としてＢａＦ２が使用されており、２つのシンチレーション光Ｌ１，Ｌ２の減衰時間ｔ１，ｔ２間に約１０００倍程度の非常に大きい差（すなわち、ｔ１／ｔ２≒１０００）が存在する。ここで、シンチレーション光Ｌ２と共に一定以上の光量のシンチレーション光Ｌ１が光検出部３Ａにおいて検出されると、減衰するまでの時間が長いシンチレーション光Ｌ１の影響によって、時間分解能が悪化してしまう。一方、本実施形態のように、フィルタ層４によってシンチレーション光Ｌ１を遮断し、減衰時間が短い方のシンチレーション光Ｌ２を選択的に光検出部３Ａへと導くことにより、上述した時間分解能の悪化を抑制することができる。

フィルタ層４は、シンチレータ２により生成されたシンチレーション光Ｌ１をシンチレータ２側に選択的に反射させる。上記構成によれば、光検出部３Ａ側へと抜けるシンチレーション光Ｌ１の量を効果的に低減できるため、光検出部３Ａにおいてシンチレーション光Ｌ２のみをより一層好適に検出することが可能となる。

光検出部３Ａは、固体撮像素子である。上記構成によれば、シンチレータ２及びフィルタ層４を固体撮像素子である光検出部３Ａに対する外付け部材として配置する構成において、上述した放射線検出器１Ａの効果を発揮することができる。すなわち、既存の固体撮像素子に対してシンチレータ２及びフィルタ層４を設けることにより、上述した効果を発揮する放射線検出器１Ａを得ることができる。

［第２実施形態］
図７に示されるように、第２実施形態の放射線検出器１Ｂは、光検出部３Ａの代わりに光検出部３Ｂを備える点において、放射線検出器１Ａと相違している。放射線検出器１Ｂの他の構成は、放射線検出器１Ａと同様である。光検出部３Ｂは、マイクロチャンネルプレートを内蔵した光電子増倍管１０（いわゆる、ＭＣＰ－ＰＭＴ（Microchannel plate photomultiplier tube）によって構成されている。光電子増倍管１０は、真空の内部空間Ｓを有する電子管である。光電子増倍管１０は、光入射窓１１、光電面１２、筒部材１３、及びＭＣＰ（マイクロチャンネルプレート）１４を有する。

光入射窓１１は、シンチレータ２により生成されたシンチレーション光が入射する部材である。光入射窓１１は、例えば、円柱状に形成されている。光入射窓１１は、筒部材１３の一方の開口端（シンチレータ２側の開口端）を気密に封止するように設けられている。光入射窓１１は、例えば、ＭｇＦ２（フッ化マグネシウム、合成石英等によって形成されている。フィルタ層４は、シンチレータ２の内面２ａと光入射窓１１の外面である光入射面１１ａとの間に配置されている。フィルタ層４（複数の金属構造体４１）は、シンチレータ２の内面２ａ上に形成されてもよいし、光入射窓１１の光入射面１１ａ上に形成されてもよい。

光電面１２は、光入射窓１１の内面１１ｂ（内部空間Ｓ側の面）に設けられている。フィルタ層４を光入射面１１ａ上に形成する場合には、光入射面１１ａ上にフィルタ層４を形成した後に内面１１ｂ上に光電面１２を成膜すればよい。光電面１２は、いわゆる透過型光電面である。すなわち、光電面１２は、光入射窓１１側から光が入射された場合に、内部空間Ｓ側から光電子を放出する。光電面１２は、例えば、アルカリ金属を含んで形成されている。光電面１２の材料としては、例えば、アルカリ－アンチモン等が挙げられる。光電面１２は、陰極を構成する。

筒部材１３は、光電子増倍管１０の側管の少なくとも一部を構成する。筒部材１３には、ＭＣＰ１４及び陽極（不図示）が収容されている。ＭＣＰ１４は、光電面１２から放出された光電子を入力し、当該光電子を増倍させる。陽極は、ＭＣＰ１４で増倍された光電子を収集し、外部へ電気信号として取り出す。

第２実施形態によれば、シンチレータ２及びフィルタ層４を電子管（ここでは一例として光電子増倍管）である光検出部３Ｂに対する外付け部材として配置する構成において、上述した放射線検出器１Ａと同様の効果を発揮することができる。すなわち、既存の電子管に対してシンチレータ２及びフィルタ層４を設けることにより、上述した効果を発揮する放射線検出器１Ｂを得ることができる。

［第３実施形態］
図８に示されるように、第３実施形態の放射線検出器１Ｃは、光電子増倍管１０Ｃ（電子管）として構成されている。放射線検出器１Ｃでは、シンチレータ２は光電子増倍管１０Ｃの光入射窓であり、光検出部３Ｃは光電面１２である。すなわち、上述した放射線検出器１Ｂでは、シンチレータ２及びフィルタ層４は光電子増倍管である光検出器（光検出部３Ｂ）に対する外付け部材として構成されていたが、放射線検出器１Ｃでは、シンチレータ２及びフィルタ層４は光電子増倍管である光検出器（光電子増倍管１０Ｃ）に内蔵されている。

放射線検出器１Ｃでは、放射線検出器１Ａ，１Ｂと同様に、フィルタ層４（複数の金属構造体４１）が、シンチレータ２の内面２ａ上に形成されている。さらに、放射線検出器１Ｃでは、保護膜１５が、フィルタ層４と光電面１２（光検出部３Ｃ）との間に設けられている。保護膜１５は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）によって形成される。保護膜１５は、シンチレータ２の材料と光電面１２との反応を遮るバリア層として機能する。

保護膜１５は、例えば、図６に示したステップＳ４（リフトオフ処理）の後に、複数の金属構造体４１が形成されたシンチレータ２の内面２ａに対して、原子層堆積法（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）等でＡｌ_２Ｏ_３膜を成膜することによって形成される。保護膜１５は、シンチレータ２の内面２ａ上（金属構造体４１が設けられていない部分）を覆うと共に、金属構造体４１の頂面４１ａを覆うように形成される。すなわち、保護膜１５の厚さ（内面２ａからの高さ）は、金属構造体４１の高さｈ（図３参照）よりも大きい。保護膜１５の厚さは、例えば、「金属構造体４１の高さｈ＋１ｎｍ」～「金属構造体４１の高さｈ＋５ｎｍ」程度である。例えば、金属構造体４１の高さｈが３０ｎｍである場合、保護膜１５の厚さは、３１ｎｍ～３５ｎｍ程度である。

光電面１２は、保護膜１５の表面１５ａ（シンチレータ２の内面２ａ側とは反対側の表面）の縁部を除いた中央部に設けられている。また、筒部材１３の一方の開口端（シンチレータ２側の開口端）は、保護膜１５の表面１５ａの縁部に対して気密に接合されている。

第３実施形態によれば、シンチレータ２及びフィルタ層４を電子管（本実施形態では一例として、光電子増倍管）内に内蔵することにより、シンチレータ２及びフィルタ層４を電子管の外付け部材として構成する場合と比較して、放射線検出器１Ｃ全体のサイズを小型化することができる。また、検出光（シンチレーション光Ｌ２）を効率良く光電面１２へと導くことができる。また、上記構成において、フィルタ層４と光電面１２（光検出部３Ｃ）との間に設けられた保護膜によって、シンチレータ２と光電面１２との化学反応を適切に防止することができる。

［第４実施形態］
図９に示されるように、第４実施形態の放射線検出器１Ｄは、光吸収層５を更に備える点において、第１実施形態の放射線検出器１Ａと相違している。放射線検出器１Ｄの他の構成は、放射線検出器１Ａと同様である。第１実施形態で説明したように、シンチレータ２は、光検出部３Ａに対向する内面２ａ（第１面）を有すると共に、光検出部３Ａに対向しない外面２ｂ（第２面）及び側面２ｃ（第２面）を有する。光吸収層５は、この第２面の少なくとも一部（本実施形態では一例として、外面２ｂ及び側面２ｃの全体）に設けられている。光吸収層５は、フィルタ層４によって反射されたシンチレーション光Ｌ１を吸収する。光吸収層５は、例えば、外面２ｂ及び側面２ｃに貼着されたブラックテープである。

第４実施形態によれば、フィルタ層４によって反射されたシンチレーション光Ｌ１を光吸収層５で吸収することにより、当該シンチレーション光Ｌ１が再度フィルタ層４に向かって入射することを抑制することができる。これにより、光検出部３Ａにおいてシンチレーション光Ｌ２のみをより一層好適に検出することが可能となる。例えば、フィルタ層４は、特定の入射角度（特定の入射角度の範囲）で入射するシンチレーション光Ｌ１を好適に遮断（反射又は吸収）するように設計され得る。仮に、上記特定の入射角度でフィルタ層４に入射してフィルタ層４によって反射されたシンチレーション光Ｌ１が、上記特定の入射角度とは異なる入射角度でフィルタ層４へと戻ってきた場合、当該シンチレーション光Ｌ１（戻り光）がフィルタ層４を透過してしまうおそれがある。上記のような光吸収層５を設けることにより、上記のような戻り光の発生を抑制することができる。

［第５実施形態］
図１０に示されるように、第５実施形態の放射線検出器１Ｅは、シンチレータ２の外面２ｂにおいて、光吸収層５の代わりに光検出部６（第２光検出部）を備える点において、第４実施形態の放射線検出器１Ｄと相違している。放射線検出器１Ｅの他の構成は、放射線検出器１Ｄと同様である。光検出部６は、光検出部６の光検出面６ａがシンチレータ２の外面２ｂに対向するようにして配置される。光検出部６の種類は特に限定されないが、一例として、光検出部６はＳｉＰＭによって構成され得る。

第５実施形態によれば、フィルタ層４によって反射されたシンチレーション光Ｌ１を光検出部６によって検出することが可能となる。これにより、例えば、シンチレーション光Ｌ１よりも減衰時間が短いシンチレーション光Ｌ２を光検出部３Ａで検出することによって時間分解能の向上を図ると共に、シンチレーション光Ｌ１よりも減衰時間が長い代わりに発光量がシンチレーション光Ｌ２よりも大きいシンチレーション光Ｌ１を光検出部６で検出することで、全体として十分な検出光量を確保することが可能となる。これにより、放射線検出器１Ｅの検出精度を向上させることが可能となる。すなわち、シンチレーション光Ｌ１，Ｌ２を光検出部３Ａ，６で別々に検出することにより、時間分解能の向上と検出光量の確保とを両立させることが可能となる。より具体的には、光検出部３Ａによって時間情報を取得し、光検出部６によって時間情報以外の情報（例えば、放射線のエネルギー、種類等）に関する情報を取得することが可能となる。このように各光検出部３Ａ，６の役割を明確に分けることができるため、後段の信号処理を簡単化することができる。

［第６実施形態］
図１１に示されるように、第６実施形態の放射線検出器１Ｆは、シンチレータ２と光検出部６との間に配置されたフィルタ層７（第２フィルタ層）を更に備える点において、第５実施形態の放射線検出器１Ｅと相違している。放射線検出器１Ｆの他の構成は、放射線検出器１Ｅと同様である。フィルタ層７は、シンチレーション光Ｌ１を選択的に透過させるように構成されている。すなわち、フィルタ層７は、シンチレーション光Ｌ２を選択的に遮断するように構成されている。本実施形態では、フィルタ層７は、フィルタ層４の複数の柱状体（金属構造体４１）に対応する複数のホール７１ａによって構成されている。すなわち、フィルタ層７は、フィルタ層４の金属構造体４１（凸部）と金属構造体４１間の空間（金属構造体４１が設けられていない空間）（凹部）とを反転させた構造を有している。より具体的には、フィルタ層７は、フィルタ層４における複数の金属構造体４１のように格子状に配置された複数の円柱状のホール７１ａ（凹部）を有する金属構造体７１によって形成されている。

図１２は、フィルタ層７を構成する単位格子Ｃ２を示している。フィルタ層７は、図１２に示される単位格子Ｃ２がＸ軸方向及びＹ軸方向に沿って格子状に周期的に配列されることによって構成されたナノ構造体（微細凹凸構造体）である。一例として、単位格子Ｃ２は、Ｚ軸方向から見て正方形状の領域である。単位格子Ｃ２毎に１つの円柱状（円板状）のホール７１ａが形成されている。ホール７１ａは、単位格子Ｃ２における金属構造体７１の中央部に設けられている。

ホール７１ａの周期ａ２（すなわち、互いに隣接する２つのホール７１ａの中心間距離（ピッチ）であり、単位格子Ｃ２の一辺の長さ）は、上述したフィルタ層４の周期ａと同様に、フィルタリング対象のシンチレーション光Ｌ１，Ｌ２の波長よりも短くなるように設定されている。すなわち、シンチレーション光Ｌ１，Ｌ２の波長はそれぞれ３００ｎｍ，２２０ｎｍであるため、ホール７１ａの周期ａ２は、これらの波長よりも短い値に設定される。周期ａ２は、例えば、１５０ｎｍ～２００ｎｍの範囲から選択され得る。ホール７１ａの幅ｄ２（直径）は、上述した金属構造体４１の幅ｄと同様に、例えば、８０ｎｍ～１４０ｎｍの範囲から選択され得る。ホール７１ａの高さｈ２（深さ）は、上述した金属構造体４１の高さｈと同様に、例えば、３０ｎｍ～７０ｎｍの範囲から選択され得る。ホール７１ａの高さｈ２は、シンチレータ２の外面２ｂから金属構造体７１の頂面７１ｂまでの長さである。

第６実施形態によれば、シンチレータ２の外面２ｂ側へと向かうシンチレーション光Ｌ２の成分がフィルタ層７で遮断されるため、光検出部６において、シンチレーション光Ｌ１のみを好適に検出することが可能となる。また、フィルタ層７は、メタサーフェス構造を有する。この場合、フィルタ層４と同様のメタサーフェス構造を採用することにより、フィルタ層７を好適に設計及び製造することができる。また、フィルタ層７は、フィルタ層４の複数の金属構造体４１に対応する複数のホール７１ａによって構成されている。上記構成によれば、バビネ原理に基づいて、フィルタ層４とは反対の性質を有するフィルタ層７を容易に設計及び製造することができる。すなわち、フィルタ層７が有するメタサーフェス構造を、フィルタ層４が有するメタサーフェス構造に対応する形状（すなわち、ネガティブ（凹部分）とポジティブ（凸部分）とについて、フィルタ層４のメタサーフェス構造と反転関係にある形状）とすることにより、シンチレーション光Ｌ２を選択的に遮断する性質を有するフィルタ層７を容易且つ確実に形成することができる。

［放射線検出装置］
図１３に示されるように、一実施形態の放射線検出装置５０は、第１実施形態の放射線検出器１Ａを複数配列したガントリ５１を備える。放射線検出装置５０は、例えば、陽電子放射断層撮像装置（ＴＯＰ－ＰＥＴ）である。ガントリ５１は、円環状（ドーナツ形状）を呈している。この例では、複数の放射線検出器１Ａが、ガントリ５１の全周に亘って円状に配置されている。各放射線検出器１Ａは、シンチレータ２がガントリ５１の中心側に位置すると共に光検出部３Ａがガントリ５１の外側に位置するように、配置されている。

ガントリ５１には、図示しない寝台等の上に横たわった被検者１００（患者）の身体の一部又は全体を侵入させるための開口部が設けられている。被検者１００には予め陽電子放出核種を含む放射性薬剤が投与されている。放射線検出器１Ａは、被検者１００から放出される対消滅ガンマ線を検出する。

上述した構造を有する放射線検出器１Ａを用いて放射線検出装置５０を構成することにより、上述した放射線検出器１Ａの効果を発揮することが可能な放射線検出装置５０を得ることができる。

[変形例]
以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限られない。各構成の材料及び形状には、上述した材料及び形状に限らず、様々な材料及び形状を採用することができる。

例えば、第２実施形態において、ＭＣＰ－ＰＭＴによって光検出部３Ｂを構成する形態を示したが、光検出部は、上記以外の電子管によって構成されてもよい。すなわち、光検出部は、ＭＣＰ－ＰＭＴ以外の種類の光電子増倍管によって構成されてもよいし、電子増倍機能を有さない光電管（光電変換管）によって構成されてもよい。

また、上記実施形態（例えば、第一実施形態）では、フィルタ層４は、２つのシンチレーション光Ｌ１，Ｌ２のうち、ピーク波長が大きい方のシンチレーション光Ｌ１を選択的に遮断するように構成されたが、ピーク波長が小さい方のシンチレーション光Ｌ２を選択的に遮断するように構成されてもよい。この場合、光検出部３Ａにおいて、ピーク波長が大きい方のシンチレーション光Ｌ１のみを好適に検出することが可能となる。また、上記実施形態では、フィルタ層４は、２つのシンチレーション光Ｌ１，Ｌ２のうち、減衰時間が長い方のシンチレーション光Ｌ１を選択的に遮断するように構成されたが、減衰時間が短い方のシンチレーション光Ｌ２を選択的に遮断するように構成されてもよい。この場合、光検出部３Ａにおいて、減衰時間が長い方のシンチレーション光Ｌ１のみを好適に検出することが可能となる。

また、上述した一の実施形態又は変形例における一部の構成は、他の実施形態又は変形例における構成に任意に適用することができる。例えば、第４実施形態の放射線検出器１Ｄにおいて、光検出部３Ａの代わりに他の実施形態の光検出部（例えば、第２実施形態の放射線検出器１Ｂの光検出部３Ｂ）が適用されてもよい。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ…放射線検出器、２…シンチレータ、２ａ…内面（第１面）、２ｂ…外面（第２面）、２ｃ…側面（第２面）、３Ａ，３Ｂ，３Ｃ…光検出部、４…フィルタ層、５…光吸収層、６…光検出部（第２光検出部）、７…フィルタ層（第２フィルタ層）、１０，１０Ｃ…光電子増倍管（電子管）、１１…光入射窓、１２…光電面、１５…保護膜、４１…金属構造体、５０…放射線検出装置、５１…ガントリ、７１…金属構造体、７１ａ…ホール、Ｌ１…シンチレーション光（第１シンチレーション光）、Ｌ２…シンチレーション光（第２シンチレーション光）、λ１…ピーク波長（第１ピーク波長）、λ２…ピーク波長（第２ピーク波長）。

Claims (11)

1. 放射線の入射に応じて、第１ピーク波長を有する第１シンチレーション光と第２ピーク波長を有する第２シンチレーション光とを生成するシンチレータと、
   前記シンチレータにより生成されたシンチレーション光を検出する光検出部と、
   前記シンチレータと前記光検出部との間に配置され、前記第１シンチレーション光を選択的に遮断するフィルタ層と、
   前記シンチレータに対して前記フィルタ層が設けられた側とは反対側に配置される第２光検出部と、
   前記シンチレータと前記第２光検出部との間に配置され、前記第２シンチレーション光を選択的に遮断する第２フィルタ層と、
   を備え、
   前記フィルタ層は、周期的に配列された複数の柱状体によって構成されたメタサーフェス構造を有し、
   前記第２フィルタ層は、前記フィルタ層の前記複数の柱状体に対応する複数のホールによって構成されたメタサーフェス構造を有する、放射線検出器。
2. 前記フィルタ層は、表面プラズモンを利用したプラズモニックフィルタである、請求項１に記載の放射線検出器。
3. 前記フィルタ層は、周期的に配列された複数の柱状の金属構造体を有する、請求項１又は２に記載の放射線検出器。
4. 前記金属構造体は、円柱状のアルミニウムによって構成されている、請求項３に記載の放射線検出器。
5. 前記第１シンチレーション光の減衰時間は、前記第２シンチレーション光の減衰時間よりも長い、請求項１～４のいずれか一項に記載の放射線検出器。
6. 前記フィルタ層は、前記シンチレータにより生成された前記第１シンチレーション光を前記シンチレータ側に選択的に反射させる、請求項１～５のいずれか一項に記載の放射線検出器。
7. 前記シンチレータは、前記光検出部に対向する第１面と前記光検出部に対向しない第２面とを有し、
   前記第２面の少なくとも一部には、前記フィルタ層によって反射された前記第１シンチレーション光を吸収する光吸収層が設けられている、請求項６に記載の放射線検出器。
8. 前記光検出部は、固体撮像素子又は電子管である、請求項１～７のいずれか一項に記載の放射線検出器。
9. 前記放射線検出器は、電子管であり、
   前記シンチレータは、前記電子管の光入射窓であり、
   前記光検出部は、前記電子管の光電面である、請求項１～７のいずれか一項に記載の放射線検出器。
10. 前記フィルタ層と前記光検出部との間に設けられた保護膜を更に備える、請求項９に記載の放射線検出器。
11. 請求項１～１０のいずれか一項に記載の放射線検出器を複数配列したガントリを備える、放射線検出装置。

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