JPH09500927A - けい光体を取り込んだ材料および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 入射電離放射線によって励起された電子が安定な捕獲サイトで捕獲され、続いて光刺激などの刺激によって解放される種類の蓄積けい光体を含み、けい光体がゾルゲル・ガラスから成るホスト基質内に含まれており、該ガスラ中に蓄積けい光体がドーパントとして取り込まれている、蓄積けい光体材料。

Description

【発明の詳細な説明】 けい光体を取り込んだ材料および装置 本発明は、けい光体、特に誘発ルミネセンスによる放射線の検出に使用できる 蓄積けい光体を取り込んだ材料および装置に関する。 従来技術において、下記の電子プロセスが得られるけい光体材料が知られてい る。 （ａ）入射放射線による材料の価電子帯より上のドナー・サイトのイオン化。 （ｂ）材料の伝導帯より例えば１〜２ｅＶ低い安定した捕獲サイトへの電子移動 。 （ｃ）熱刺激または光刺激、例えば入射放射線の照射による捕獲サイトからの電 子の解放。 （ｄ）解放された電子のドナー・サイトへの減衰と、それによる光子のルミネセ ンスとしての放出。 このようなけい光体は、アルファ線、ベータ線、ガンマ線、Ｘ線、中性子線な どの電離放射線の検出に使用できる。励起され捕獲された電子の数が入射光の強 度の尺度となり、それ自体は捕獲された電子が光刺激を受けたときに放出される 光子の数 の検出によって測定できる。上記の種類のけい光体を他の既知のけい光体から区 別する特徴は、電子がその捕獲サイトに留まり得る時間の長さである。このサイ トは非常に安定とすることができ、したがって捕獲された電子数の光刺激による 読取りを最初のイオン化の何時間も後に行うことができる。さらに、所与の期間 にわたる総放射線量が、励起された電子の数に関して積分される。したがって、 このけい光体を蓄積けい光体と称する。 従来技術においては、上記の種類のけい光体は、写真フィルムと同様に高分子 フィルム中に有機バインダと混ぜた多結晶粉末として取り込まれていた。こうし たフィルムおよびその使用方法は、例えばＪ．ミヤハラ、Ｋ．タカハシ、アメミ ヤ、Ｎ．カミヤ、Ｙ．サトウの論文”A new type of X-ray detector Utilizing lastr stimulated luminescence”、Nuclear Instruments and Methods in phy sics Research、Ａ２４６、pp.572〜578（１９８０）に記載されている。 上記の方法で製造した蓄積けい光体材料は、例えば従来のＸ線フィルムに比べ て高い感度とダイナミック・レンジをもたらすが、すべての点で理想的とは言え ないことが判明している。 本発明の一態様における目的は、改良型の蓄積けい光体材料を提供することで ある。 本発明の第一の態様によれば、入射電離放射線によって励起された電子を安定 な捕獲サイトで捕獲し、続いて光刺激などの刺激によって放出させることができ る種類の蓄積けい光体を含み、ゾルゲル・ガラスから成るホスト基質内にけい光 体が含まれており、このガラス内に蓄積けい光体がドーパントとして取り組まれ た、蓄積けい光体材料が提供される。 本発明による蓄積けい光体材料は、思いがけないことに、かつ有利なことに、 従来技術の高分子フィルムを使用した材料に比べていくつかの利点を有する。ゾ ルゲル・ガラスは、秀れた透明度の高い支持材料となる。したがって、本発明に よる材料は、読取りシステム、例えば光刺激システムおよび光電システムとの光 学的結合に優れ、光誘発放射線の吸光度が高く、ホスト材料の機械的剛性と熱安 定性および化学的安定性が高い。この材料は、さらに下記に述べる利点をも有す ることができる。 本発明による材料中の蓄積けい光体は、従来技術におけるのと同様に、一種ま たは数種の希土類金属でドープしたアルカリ土類のフルオロハライド、例えば式 ＢａＦＨａ：Ｒ²⁺で表され るけい光体を含むことができる。ただし、ＨａはＢｒまたはＣｌ、ＲはＥｕ、Ｃ ｅ、Ｓｍ、Ｌａ、Ｙ、Ｇｄのうちから選ばれた一種または数種、特にＥｕである 。 ゾルゲル・ガラスは、光学ガラスの分野で周知である。このガラスは、溶液た とえばＳｉ（ＯＨ）₄の縮合反応によって例えば−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−鎖をベース とする三次元網を形成することによって調製した基質を含む。乾燥し、エージン グし、１００〜１０００℃の範囲の温度で制御焼結することにより、処理温度に 依存した多孔度をもつ多孔ガラスが形成される。焼結プロセス中に、多孔度と屈 折率が増大する。 ゾルゲル・ガラスは予成形した後に、基質内で均一に分布させるために例えば コロイド状のけい光体分子のゆっくりした拡散によって活性けい光体でドープす ることができる。 別法として、ゾル形成段階でけい光体を添加粉末として導入した後にゲル化し 、さらに高密度化することもできる。 本発明によるけい光体材料は、成型、スピニングその他既知のプロセスにより 、モノリシック・ブロック、薄膜、ファィバまたはゾルゲル・ガラスの既知のそ の他の形で製造することができる。 ゾルゲル・ガラスおよびその製造は、例えば、先行英国特許ＧＢ２１６５２３ ４Ｂ号明細書に記載され、ゾルゲル・ガラスのドーピングは、例えば英国特許Ｇ Ｂ２２２２４００Ａ号明細書に記載されている。蓄積けい光体を分散ドーパント として取り込んだゾルゲル・ガラスの製造には、これらの先行特許明細書に記載 されている技法を使用することができる。 本発明によるけい光体材料は、ホスト・ゾルゲル・ガラスから得られる非常に 高い光学特性という利点を有する。ホスト・ゾルゲル・ガラスの形状の選択によ り、蓄積ガラスの様々な応用例に適した良好な光学的結合を得ることができる。 けい光体はゾルゲル・ガラス基質中に埋め込まれているので、厳しい環境、例え ば電場、磁場、高温、低温、高湿度、化学薬品による侵食から保護される。 本発明の第二の態様によれば、本発明の第一の態様によるけい光体材料を使用 するための装置は、捕獲サイトに捕獲された電子を励起してこのサイトから解放 し、それによって光子を緩和させて放出させる、けい光体材料のけい光体を光誘 発する手段と、けい光体から放出された光子を検出する手段を備える。 光誘発手段は、レーザ、すなわち気体レーザ、固体レー ザ、またはダイ・レーザ、例えばＡｒイオン・レーザ、Ｋｒイオン・レーザ、Ｈ ｅ−Ｎｅレーザ、Ｈｅ−Ｃｄレーザ、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ、半導体レーザ、また はＯＰＯ（光パラメータ発振器）源を備えることができる。レーザ放射線は、連 続式のものでもパルス式のものでもよい。 レーザが出す放射線は、一次読取り放射線としてけい光体材料の光誘発を引き 起こす働きをする。放射線は開放経路を介して直接に、あるいは例えば１個また は複数の光ファイバ導波体を備える光学結合手段を介して照射することができる 。一次読取り放射線は、けい光体材料に照射する前に帯域フィルタを通すことが できる。 けい光体材料の光誘発によって生じる二次放射線は、開放経路を介して検出器 手段に入射させることもでき、あるいは例えば光ファイバ・プレートまたはウェ ッジまたはガイドなどの集光器で集光して例えば光ファイバ・ガイドにより検出 器手段に送ることもできる。 前記のけい光体材料は、ゾルゲル・ガラスのプレートまたは基板を備えること ができる。一次読取り放射線は、プレートまたは基板の１つの主表面に入射させ ることができる。光誘発に よって生じる二次放射線は同じ表面から反射モードで集光することができる。あ るいは二次放射線をプレートまたは基板の（一次読取り放射線が入射する表面と は）反対側の表面から透過モードで集光することもできる。 あるいは、一次読取り放射線をけい光体材料を含むプレートまたは基板の縁部 に当て、それによって発生した二次放射線をプレートまたは基板の一方または両 方の主表面から集光することもできる。このモードでは、一次放射線はプレート または基板中を案内されて、けい光体材料のストリップに刺激を与える（放射線 が注入されるスポットから横方向にガンニング）。 前記のけい光体材料はそれ自体、光ファイバ・ゾルゲル・ガラス導波体、例え ば光ファイバ・ガイドの端部にはめ込んだ光ファイバ・コイルまたは検出器を備 えることができる。 光ファイバ・ガイドをこのように使用することにより、遠隔位置にある、例え ば地下に埋設したゾルゲル・けい光体検出器を体を介して読み取ることができる 。 一次読取り放射線は、希望するならば、調査したいけい光体材料の表面を横切 って、例えばＸ−Ｙラスタ式に走査することができる。放射線ビームを既知の方 法により表面の両端間で偏 向させることができる。あるいは、照射する放射線が通る光ガイドを動かすこと によって、これを達成することもできる。この動きは、例えば、ロボット装置に よる制御で、自動的に行うことができる。 ルミネセンスによって放出される二次放射線を含む光子を検出するための前記 の検出器手段は、適当な既知の光子検出力ウント装置、例えば光電子増倍管また は光ダイオードまたは増幅器に接続した半導体光ダイオードを備えることができ る。放出された光子は、レーザ光線が入射したけい光体材料表面から放出される 場合、別の１個または複数の帯域フィルタによって一次読取り放射線から分離す ることができる。 使用の際には、第二の態様による前記の装置において、（プレートの形の）け い光体材料中に記憶された所与の電離放射線のイメージを、（けい光体を光誘導 する手段によって与えられる）一次読取り放射線により画素毎に読み取り、光子 を検出するための検出器手段によって検出された対応する信号を記憶し処理し、 後で例えば光電式表示装置で表示することができ、記憶されたイメージはすべて 既知の方法で視覚形で再生される。けい光体材料の個々の画素から得られた光子 のカウント値を表 すように検出器手段の出力をデジタル化し、デジタル値を処理したけい光体光子 出力の電子イメージを組み立てることができる。これを達成するには、既知の方 法により、処理中のデジタル値に対応するけい光体材料上の画素を表す基準信号 を信号処理装置に供給する必要がある。 電離放射線によってけい光体中で生じるイメージの光誘発およびこうして発生 した光子の検出による読取りシステムの例も、従来技術において、米国特許第４ ６６１７０４号、第４７７８９９５号、第４９０６８４８号、第４９７３１３４ 号、第４９９９５０４号、ヨーロッパ特許第４２３８９１Ａ号、米国特許第５０ ８３０２４号の各明細書に記載されている。本明細書に記載するシステムで使用 される既知の読取り検出技法は、本発明の前記適用例で使用できるように適合さ せることができる。 次に、添付の図面を参照しながら、例を挙げて本発明の実施例を説明する。 第１図は、蓄積けい光体材料の電子エネルギー状態の変化を示す一連のエネル ギー準位図である。 第２図は、けい光体材料中に記憶されたイメージを読み取り 検出するための装置を示す図である。 第３図、第４図、第５図は、第１図に示した装置内で使用されるけい光体材料 検出器がとり得る代替形状を示す図である。 例えばＢａＦＢｒ：Ｅｕ²⁺の活性けい光体でドープしたゾルゲル・ガラスを備 えるけい光体材料、は、上記のいずれかの方法で製造する。 このけい光体材料を使用する際に得られる電子エネルギー状態の変化を第１図 に示す。けい光体材料の価電子帯を水平線Ｖで示し、伝導帯を水平線Ｃで示して ある。この材料が電離放射線に当たると、価電子帯Ｖに隣接しその上にあるドナ ー・サイトＤから電子が放出され、第１ａ図に示す伝導帯Ｃまたは中間励起状態 Ｓに励起される。励起された電子は速やかに緩和し、または第１ｂ図に示すよう に量子力学的にトンネル現象によって熱的に安定な捕獲サイトＴに入る。当然の ことながら、読取りプロセスでエネルギーＥｓの光子の照射によって電子が光誘 発される場合は、第１ｃ図に示すように電子は再励起されて捕獲サイトＴから解 放され、速やかに再結合してドナー・サイトＤに戻り、エネルギーＥｅのより長 波長の光子を放出する。 第１ｃ図に示したゾルゲル・けい光体材料中に記憶されたイ メージを読み取り検出するための装置を第２図に示す。レーザ光源１から出た出 力レーザ放射線は、帯域フィルタ３で濾波され、光ファイバ導波管５を介して、 前述のようにけい光体材料を含むゾルゲル・プレート検出器７の前面に送られる 。レーザ光源１はこれによって一次読取り放射線を生成し、それが検出器７のけ い光体の光誘発を引き起こす。光誘発によって生じた二次放射線は別の光ファイ バ・ガイド９で集光され、別の帯域フィルタ１１を経て、光検出器１３に送られ る。検出器１３の出力は信号処理装置１５で処理される。信号処理装置１５は、 処理装置１５内でのデジタル信号の処理を助けるアナログ・デジタル変換器（図 示せず）を含むことができる。信号処理装置は、検出器７の出力の電子イメージ を画素ごとに生成する。信号処理装置１５の出力は表示装置１７で表示すること ができる。 帯域フィルタ３および１１は、それぞれ当該のガイド５および９から送られる 放射線の波長の識別を容易にする波長通過帯域を画定することにより、装置の性 能を高める。 第２図に示すように、一次放射線を検出器７の表面に結合させ、同表面からの 二次放射線を集光する方法の代替方法を第３図に示す。 第３ａ図において、（第２図のように生成され濾波された）一次読取り放射線 がガイド１０を介して検出器７の前面７ａに入射し、二次放射線がガイド１２を 介して透過モードで後面７ｂから引き出される。この二次放射線はまた、第２図 に示すように検出し処理することもできる。 第３ｂ図において、（第２図のように生成された）一次読取り放射線は、検出 器７の縁部に接続されたガイド１４を介して検出器７を備えるプレートの縁部照 射を行う。二次放射線は、第２図または第３ａ図のように集光し、次いで第２図 のように検出し処理することができる。 第４図においては、第２図および第３図の検出器７が、光ファイバ・コイル１ ９で置き換えられている。このコイル１９はそれ自体けい光体でドープしたゾル ゲルを含む。コイル１９は大きな活性領域と活性表面を与える。コイル１９の材 料のけい光体の光誘発は、一次読取り放射線をレーザ光源からフィルタ（図示せ ず）を介してコイル１９を含むファイバのコアに沿ってコイル１９の第１端部１ ９ａを経て送ることにより達成される。二次放射線は、コイル１９の第２端部１ ９ｂを介して集光し、第２図に示すようにフィルタおよび検出器（図示せず）に 送ることができる。 第５図においては、第２図および第３図の検出器７が、光ファイバ・ガイド２ ３の端部にはめ込んだゾルゲル・けい光体媒体２１で置き換えられている。（レ ーザで発生され第２図に示すように帯域フィルタで濾波された）一次読取り放射 線は、ガイド２３に沿って一方向に送られ、媒体２１の光誘発によって生じる二 次放射線はガイド２３に沿って逆方向に送られ（濾波されて検出され、検出され た信号は第２図のように処理され）る。ガイド２３は重信ファイバまたは重信ケ ーブルを含むことができる。実施例 狭い部分の端部がファイバの端部と一致するドロッパ・ピペット中に洗浄しエ ッチングした光ガラス・ファイバの端部をピペット内部のファイバの周囲に環状 空間が形成するように挿入することにより、第５図に示した種類のプローブを形 成した。ファイバとピペットの端部をエポキシ樹脂でシールした。ゾルゲルとけ い光体の混合物をピペットに入れ、ピペット基部のファイバの周囲の密封空間を 満たした。けい光体材料はピペットの部分でそれを含むゾルゲル液の底部に沈下 した。約３日後に、 ピペット内部の溶液が高密度化し、けい光体はファイバの周囲でゾルゲルによっ て支持されるその端部に向けて被覆を形成した。ピペットをけい光体が占める領 域の頂部で切断し、ピペットの頂部をファイバに封着して、ゾルゲル・けい光体 を含む長さ約２ｃｍのカプセル化領域を形成した。先端にこのような領域が形成 されたファイバは、前記のように遠隔感知プローブとして使用することができた 。 同様にして、２個以上のエッチングした光ファイバを挿入して上例の方法でピ ペット中にファイバの束を形成し、あるいは１本または複数のファイバの外側に 沿ってゾルゲル・けい光体を被覆することによって、他のプローブを作成するこ とができた。 上例では、ゾルゲル法で調製した微孔シリカ・フィルムで未クラッドの光ファ イバを被覆した。ゾルゲル溶液は、ＴＥＯＳ（オルトケイ酸テトラエチル）１２ ．５ｍｌを、エタノール１３．５ｍｌおよびＨＣ１０．０５ｍｌを水５０ｍｌに 溶かした塩溶液１２ｍｌと混合して作成した。蓄積けい光体ＢａＦＢｒ：Ｅｕ²⁺ による事前ドーピングを実施し、５０℃で ２０時間ないし１日間加熱した後に最終の被覆溶液が形成された。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロウデン，スベン・グリン イギリス国、マンチエスター・エム・13・ ９・ピー・エル、シユスター・ラボラトリ ー、デパートメント・オブ・フイジクス、 ユニバーシテイ・オブ・マンチエスター気 付（番地なし) (72)発明者 シヤトルワース，ステイーブン イギリス国、マンチエスター・エム・13・ ９・ピー・エル、シユスター・ラボラトリ ー、デパートメント・オブ・フイジクス、 ユニバーシテイ・オブ・マンチエスター気 付（番地なし)

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．入射電離放射線によって励起された電子が安定な捕獲サイトに捕獲でき、続 いて光刺激などの刺激によって解放される種類の蓄積けい光体を含む蓄積けい光 体材料であって、ソルゲル・ガラスから成るホスト基質内にけい光体が含まれて おり、該ガラス中に蓄積けい光体がドーパントとして取り組まれていることを特 徴とする、蓄積けい光体材料。 ２．蓄積けい光体が１種または数種の希土類金属でドープされたアルカリ土類フ ルオロハライドを含むことを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の材料。 ３．ソルゲル・ガラスが予成形され、続いて基質中で均一に分布するようにけい 光体分子のゆっくりした拡散によって活性けい光体でドープされることを特徴と する、請求の範囲第１項または第２項に記載の材料。 ４．けい光体がゾル形成段階で添加粉末として導入され、続いてゲル化され、さ らに高密度化されることを特徴とする、請求の範囲第１項または第２項に記載の 材料。 ５．成型またはスピニングによって製造されることを特徴とす る、請求の範囲第１項から第４項のいずれか一項に記載の材料。 ６．材料がモノリシック・ブロックまたはプレートまたは基板またはフィルムま たはファイバの形であることを特徴とする、請求の範囲第１項から第５項のいず れか一項に記載の材料。 ７．前記けい光体材料の他に、けい光体材料のけい光体に光刺激を与えて捕獲サ イトに捕獲された電子を励起させそのサイトから解放して緩和させ光子を放出さ せる手段と、けい光体によって放出された光子を検出する検出器手段とを備える 、請求の範囲第１項に記載のけい光体材料を使用するための装置。 ８．光刺激手段がレーザを備えることを特徴とする、請求の範囲第７項に記載の 装置。 ９．レーザから出力された放射線をけい光体材料に案内する手段をも含むことを 特徴とする、請求の範囲第８項に記載の装置。 １０．レーザによって出力された放射線を濾波する帯域フィルタを含むことを特 徴とする、請求の範囲第８項または第９項に記載の装置。 １１．光刺激の結果けい光体材料によって放出された二次放射線を集光する集光 器を含むことを特徴とする、請求の範囲第７項から第１０項のいずれか一項に記 載の装置。 １２．集光された二次放射線を検出器手段に案内する手段を含むことを特徴とす る、請求の範囲第１１項に記載の装置。 １３．二次放射線を濾波する帯域フィルタを含むことを特徴とする、請求の範囲 第１１項または第１２項に記載の装置。 １４．けい光体材料がプレートから成り、けい光体に光刺激を与える手段が、け い光体材料のプレートの前面に入射するようにされた光線を提供することを特徴 とする、請求の範囲第７項から第１３項のいずれか一項に記載の装置。 １５．けい光体材料がプレートから成り、けい光体に光刺激を与える手段がけい 光体材料のプレートの側縁部に入射するようにされた光線を提供することを特徴 とする、請求の範囲第７項から第１３項のいずれか一項に記載の装置。 １６．けい光体に光刺激を与える手段が、プレートをラスタ式に走査する光線を 形成するようにされ、装置が、光線によるプレートの走査によってプレートの様 々な領域から放出される二次放射線の光子強度の電子イメージを生成する、検出 器手段に接続された信号処理装置を含むことを特徴とする、請求の範囲第１４項 に記載の装置。 １７．けい光体材料自体が１個または複数の光ファイバ・ガイ ドを備えることを特徴とする、請求の範囲第７項に記載の装置。 １８．けい光体材料が光ファイバ・ガイドの端部に担持された検出器であること を特徴とする、請求の範囲第７項に記載の装置。