WO2008018534A1 - détecteur de rayons gamma - Google Patents

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WO2008018534A1
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gamma
energy
strip
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Shinji Motomura
Shuichi Enomoto
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RIKEN
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/24—Measuring radiation intensity with semiconductor detectors
    • G01T1/242—Stacked detectors, e.g. for depth information

Definitions

  • the present invention relates to a gamma ray detection apparatus, and more particularly to a gamma ray detection apparatus that can detect the incoming direction of gamma rays.
  • a gamma ray detection device that can detect the direction of gamma ray flight or the position of a gamma ray source without using a collimator
  • a gamma ray detection device using Compton scattering kinematics is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-101371. This is described in Japanese Utility Model Publication No. 2005-208057.
  • This gamma ray detector uses two germanium detectors with position resolution and energy resolution, and is incident on the front germanium detector, Compton scattered, and then incident on the rear germanium detector and absorbed.
  • the direction or position of the gamma ray source is calculated based on the detection position and detection energy of the gamma rays in the two germanium detectors.
  • T. Tanaka et al.: Development of a Si / CaTe semiconductor Compton telescope, Proceedings of SPIE 5501 (2004) ⁇ ⁇ 229_240 ⁇ combines a silicon detector and a cadmium telluride (CdTe) detector with the same principle.
  • CdTe cadmium telluride
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 9 101371
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2005-208057
  • Non-Patent Document 1 Proceedings of SPIE 5501 (2004) pp.229-240.
  • a gamma ray detection apparatus using two germanium detectors can detect gamma rays in a wide energy range. However, if the energy of gamma rays decreases, the probability of photoelectric absorption in germanium crystals increases, and the sensitivity of detecting gamma rays using Compton scattering decreases.
  • Figure 1 shows the gamma ray energy as a parameter. It is the figure which showed the relationship between the occurrence probability of Puton scattering and the thickness of germanium. As can be seen from the figure, when the gamma-ray energy drops to about lOOkeV, no matter how thick the germanium crystal is, the probability of Compton scattering will be only about 20%, and the detection efficiency will be significantly reduced.
  • the front-side detector is a silicon semiconductor detector, it will be Compton even for lower energy gamma rays compared to germanium. Improves the probability of occurrence of scattering. In this case, however, gamma rays of about 200 keV or more are easily transmitted through the silicon detector, and the probability of occurrence of Compton scattering is reduced.
  • An object of the present invention is to provide a gamma ray detection apparatus having an expanded detectable energy range.
  • a position-sensitive silicon detector is further added in front of two position-sensitive germanium detectors. Then, Compton scattering of low energy gamma rays occurs mainly at the silicon detector, and the scattered gamma rays are detected by the back germanium detector. In addition, since high energy gamma rays are easily transmitted through the silicon detector, they are Compton scattered mainly in the next germanium detector, and the scattered gamma rays are detected by the last detector. Therefore, it becomes possible to image gamma rays from low energy to high energy with high efficiency. This makes it difficult to image with a gamma-ray imaging device that uses two germanium detectors, and enables imaging of SPECT nuclides for in vivo diagnosis that emits low-energy gamma rays.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the probability of occurrence of Compton scattering in the germanium crystal and the silicon crystal and the crystal thickness.
  • the first stage detector is made of silicon
  • the probability of occurrence of Compton scattering can be improved even with gamma rays of about OOkeV. Therefore, it can be considered that the first-stage detector is silicon and the second-stage detector is germanium or CdTe. If the energy of gamma rays exceeds about 200 keV, germanium has a higher probability of occurrence of Compton scattering than silicon, so devices such as Si + CdTe are suitable for detecting high-energy gamma rays. Absent.
  • a relatively low gamma ray detector (hereinafter referred to as a high energy gamma ray detector) having a high probability of occurrence of Compton scattering with a relatively high energy gamma ray is disposed in front of the gamma ray detector.
  • a gamma ray detector with a high probability of occurrence of Compton scattering for energy gamma rays (hereinafter referred to as a low energy gamma ray detector) is used.
  • the gamma ray detection apparatus of the present invention includes a pair of position sensitive gamma ray detectors for high energy gamma rays capable of detecting an interaction position and energy with gamma rays, and a gamma ray disposed in front of the pair.
  • a position sensitive gamma ray detector for low energy gamma rays capable of detecting the interaction position and energy.
  • a position sensitive gamma ray detector for high energy gamma radiation may comprise a germanium crystal and a position sensitive gamma ray detector for low energy gamma radiation may comprise a silicon crystal.
  • Position sensitive gamma ray detectors for low energy gamma rays are typically energy efficient.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining the occurrence probability of Compton scattering.
  • FIG. 2 A graph showing the relationship between the probability of occurrence of Compton scattering in germanium and silicon crystals and the crystal thickness.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the arrangement of gamma ray detectors in the gamma ray detection apparatus according to the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a detection unit of a gamma ray imaging apparatus according to the present invention, and a diagram showing a detection principle of a gamma ray source. 5] A diagram showing an example of the structure of an electrode-divided flat plate gamma ray detector according to the present invention.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram of a method for measuring the lateral position of the interaction point of gamma rays.
  • FIG. 10 A schematic block diagram showing an example of a signal processing unit of the gamma ray imaging apparatus according to the present invention.
  • 11 Detailed diagram of the signal processing circuit.
  • FIG. 13 is a diagram showing a breakdown of data transferred to a computer.
  • FIG. 14 is a flowchart of data processing by a computer.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the arrangement of gamma ray detectors in the gamma ray detection apparatus according to the present invention.
  • the gamma ray detection apparatus according to the present invention has a structure in which a first-stage detector 101, a second-stage detector 102, and a third-stage detector 103 are arranged in parallel in order from the gamma-ray incident side.
  • the first-stage detector 101 is a low energy gamma ray detector composed of a silicon semiconductor detector.
  • the second-stage detector 102 and the third-stage detector 103 are high-energy gamma ray detectors each composed of a germanium semiconductor detector.
  • the material of the first stage detector 101 may be diamond.
  • the third-stage detector 103 can be replaced with a CdTe detector or a CdZnTe detector having a higher atomic number.
  • Each gamma ray detector is a position sensitive semiconductor detector that can measure the position of the interaction point with the gamma ray and the energy given to the detector by the interaction as described below.
  • Gamma rays with a low energy of about lOOkeV emitted from a gamma ray source are Compton scattered mainly by the first-stage silicon detector. Assuming that the scattered gamma rays are photoelectrically absorbed by the second or third stage germanium detector, they are measured by the respective detectors.
  • the scattering angle can be obtained by substituting the energy into the kinematic equation of Compton scattering. In other words, an open-angle cone that is twice the scattering angle with the straight line passing through the two interaction points as the axis and the interaction point in the first-stage detector as the apex is determined.
  • high-energy gamma rays of about 200 keV or more emitted from a gamma ray source easily pass through the first-stage silicon detector and are mainly Compton scattered by the second-stage germanium detector. If the scattered gamma rays are photoelectrically absorbed by the third-stage detector, as in the case of the low-energy gamma line, the second straight line passes through the two measured interaction points. An open cone with twice the scattering angle with the interaction point in the detector as the apex is determined. In other words, the Compton camera system can capture gamma rays from low energy to high energy with high efficiency.
  • the detection principle of the gamma ray source by the gamma ray detection apparatus of the present invention will be described.
  • the two detectors that detected the interaction of gamma rays they were Compton scattered by the near gamma ray source by the gamma ray source, and photoelectrically absorbed by the far detector! Focusing on the events, the former detector is called the scattering detector, and the latter detector is called the absorption detector.
  • the first-stage detector 101 or the second-stage detector 102 can be a scattering detector.
  • the second-stage detector 102 and the third-stage detector 103 can be absorption detectors.
  • the second-stage detector 102 is a scattering detector
  • the third-stage detector 103 can be an absorption detector.
  • FIG. 4 is a diagram showing the detection principle of the gamma ray source by the scattering detector and the absorption detector.
  • the illustrated gamma rays 14 and 15 are incident on the scattering detector 11 and Compton-scattered there, and then incident on the absorption detector 12 and have lost their total energy.
  • Focus on special events It is assumed that gamma ray 14 and gamma ray 15 are incident on detection unit 10 at different times.
  • the gamma ray 14 gives the energy of E to the front scattering detector 11,
  • the nuclide can be identified by this measured energy E.
  • the Compton scattering angle ⁇ is calculated by the following equation (2). Where m is the static mass of the electron and c is the speed of light.
  • the gamma ray source 13 connects the interaction point where the gamma ray 14 caused the Compton scattering in the scattering detector 11 and the interaction point where the scattered gamma ray was absorbed by the absorption detector 12. It can be seen that the apex angle is 2 ⁇ with respect to the straight line. Therefore, if two or more sets of such events are measured, a conical surface is created for each combination, and a position where these conical surfaces overlap is obtained, that position is a candidate for a position where the gamma ray source 13 exists. . As the number of events measured, that is, the number of conical surfaces increases, the overlapping area can be reduced, and the location of the gamma ray source can be determined with high accuracy.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of the structure of each gamma ray detector.
  • (A) is a top view
  • (b) is a front view
  • (c) is a side view.
  • the gamma ray detector that can be used in the present invention is not limited to the detector having the structure shown in FIG. 5, and any gamma ray detector that can detect the interaction position and energy with the gamma ray can be used. Is possible.
  • Electrodes divided into strips are formed on both sides of a flat plate-type gamma ray detection crystal 20 having dimensions a X b X c.
  • a plurality of electrode strips 21 having a width d and a length a that are elongated in the X direction are densely arranged.
  • a plurality of elongated electrode strips 22 in the Y direction having a width d and a length b are densely arranged on the surface on the opposite side of the flat gamma ray detection crystal 20.
  • the electrode strip on one surface is an anode (hereinafter referred to as an anode strip), and the electrode strip on the opposite surface is a cathode (hereinafter referred to as an anode strip).
  • anode strip an anode
  • cathode strip a cathode extending in directions orthogonal to each other are provided on the front surface and the back surface of the flat-type gamma ray detection crystal 20, respectively.
  • Signal is strong
  • the rough XY coordinates of the interaction point can be determined by the combination of the anode strip and cathode strip that are emitted.
  • FIG. 6 is a diagram simulating the output signals generated from the anode strip and the cathode strip when the gamma rays interact with the gamma ray detection crystal inside the electrode-divided flat plate gamma ray detector.
  • the signal shown is the signal from the anode and cathode strips closest to the interaction point.
  • the signal waveform changes depending on the depth position (DOI) of the interaction point of gamma rays.
  • Figure 7 shows the maximum time for the amplitude of the signal waveform detected on the anode strip 21 to reach 50% of the maximum value and the amplitude of the signal waveform detected on the cathode strip 22 for one detection event.
  • the figure shows the relationship between the difference in time until reaching 50% of the value and the DOI. It can be seen that this time difference and DOI are almost linear. Therefore, by storing the relationship of FIG. 7 and applying the measured time difference to the relationship of FIG. 7, the DOI, that is, the depth of the interaction point from the surface of the gamma ray detection crystal can be known.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a method of measuring the lateral position of the interaction point between the gamma ray detection crystal and the gamma ray, that is, the position within the width of the electrode strip with high accuracy.
  • FIG. 8 is a diagram showing a signal waveform detected by the electrode strips on both sides of the electrode strip showing the maximum signal amplitude.
  • the left graph in Fig. 8 shows the signal waveform of the electrode strip to the left of the electrode strip showing the maximum signal amplitude
  • the right graph shows the signal waveform of the electrode strip to the right of the electrode strip showing the maximum signal amplitude.
  • the amount of deviation from the center line of the 3 mm wide electrode strip (TOI: Transverse position of interaction) is the same, lmm.
  • the maximum amplitude of the signal waveform of the electrode strip on the right is A + and the maximum amplitude of the signal waveform of the electrode strip on the left is A.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between TOI and parameter L defined by the above equation (3).
  • TOI and parameter L have a substantially linear relationship. Therefore, the relationship shown in FIG. 9 is stored, and the parameter L calculated based on the amplitudes A and A measured from the signal waveforms of the electrode strips adjacent to the electrode strip showing the maximum signal amplitude is shown in FIG.
  • TOI that is, the position of the interaction point of gamma rays within the width d of the electrode strip can be known with high accuracy.
  • the Y coordinate position of the interaction point can be obtained with high accuracy, and by performing this with respect to the cathode strip 22 elongated in the Y direction, the X coordinate position of the interaction point can be determined. Finding with high accuracy.
  • the force that is the strip closest to the interaction point and the adjacent strip can be identified using the difference in the signal waveform obtained from these strips.
  • the signal of the strip closest to the interaction point has a wave height of ⁇ 100 at 500 ns in Fig. 6, for example, while the signal from both adjacent strips has a wave height of SO at 300 ns in Fig. 8, for example. ing.
  • a waveform discriminator for discriminating this waveform difference is manufactured and applied, the two can be discriminated. It is a strip for detecting DOI (DOI strip) or a strip for detecting TOI (TOI You can see if it is a strip).
  • FIG. 10 is a schematic block diagram showing an example of the signal processing unit of the gamma ray imaging apparatus according to the present invention.
  • the first, second, and third stage detectors 101, 102, and 103 of the detection unit 10 are cooled by being fixed to a copper cold finger cooled by liquid nitrogen in a liquid nitrogen container. Signals from a plurality of anode strips and a plurality of cathode strips provided in the first-stage detector 101 are amplified by respective preamplifiers.
  • signals from a plurality of anode strips and a plurality of cathode strips provided in the second-stage detector 102, and signals from a plurality of anode strips and a plurality of cathode strips provided in the third-stage detector 103 The signal is also amplified by the respective preamplifier.
  • the preamplifiers connected to the cathode strip and the anode strip of the first-stage detector 101 are represented by the preamplifier 1 and the preamplifier 3, respectively.
  • the preamplifier connected to the cathode strip and the cathode strip of the detector 102 is represented by the preamplifier 2 and the preamplifier 4 respectively, and the cathode of the detector 103 in the third stage is displayed.
  • the pre-amplifiers connected to the strip and the anode strip are represented by pre-amplifier 5 and pre-amplifier 6 respectively.
  • the output signals of the respective preamplifiers are input to a signal processing circuit 32 shown in detail in FIG.
  • This signal processing circuit 32 outputs an energy signal to output A and outputs a time signal to output T if the input signal is a DOI strip. If it is not from a DOI strip, the signal at output A is used for TOI measurement and no signal is output at output T.
  • the signal input to the signal processing circuit 32 is divided into four parts, which are input to the waveform discriminator 41, the amplitude measuring device 42, the shaping amplifier 43, and the TFA 44, respectively.
  • the operation of each element circuit shown in FIGS. 10 and 11 will be described.
  • the preamplifier 31 is called a charge-sensitive preamplifier, and outputs a signal having a wave height proportional to the amount of charge generated in the detector due to the interaction of gamma rays.
  • the waveform discriminator 41 is set to output a gate signal if the output waveform of the preamplifier 31 exceeds a certain threshold and maintains a certain wave height after 300 ns, and outputs nothing otherwise. ing.
  • the amplitude measuring device 42 is a circuit that outputs the difference between the maximum value and the minimum value of the output of the preamplifier 31.
  • the shaping amplifier 43 generates a semi-Gaussian waveform in order to accurately output a wave height proportional to the wave height of the preamplifier 31.
  • the TFA (timing 'filter' amplifier) 44 is a bandpass circuit.
  • the low-pass time constant is 50 ns
  • the high-pass time constant is 500 ns.
  • the CFD 45 is a commercially available circuit called a constant 'fraction. Discriminator', and its operation principle will be described with reference to FIG.
  • the input signal 51 shown in (a) is divided into two parts, as shown in (b), the signal 52 delayed by t by the input signal 51, and as shown in (c), the input signal 51
  • the simultaneous measurement circuit 33 is a circuit that outputs a gate signal when the time difference between input signals is shorter than a set value.
  • the width and delay time of the gate signal are variable.
  • An event in which the interaction of gamma rays is detected by only two of the three detectors 1101, 102, 103 is selected by the simultaneous measurement circuit 33, and data is acquired.
  • the time difference recorder 35 uses the gate signal output of the simultaneous measurement circuit 33 as a start signal, uses the signal delayed by the output T of the signal processing circuit 32 by the delay circuit 3 4 as a stop signal, and calculates the time difference between the start signal and the stop signal.
  • a circuit for recording uses the gate signal output of the simultaneous measurement circuit 33 as a start signal, uses the signal delayed by the output T of the signal processing circuit 32 by the delay circuit 3 4 as a stop signal, and calculates the time difference between the start signal and the stop signal.
  • the wave height recorder 36 is a circuit that records the maximum value of the wave height of the output A signal of the signal processing circuit 32 while the gate signal of the simultaneous measurement circuit 33 is being output. Next, the operation of the signal processing unit shown in FIGS. 10 and 11 will be described.
  • the waveform discriminator 41 checks whether the input signal is a DOI strip force or not. If it is a DOI strip, the gate signal is output so that the output signal of the amplitude measuring device 42 is not output, and at the same time the output signals of the shaping amplifier 43 and the CFD 44 can be output.
  • the gate signal is not output, the output signal of the amplitude measuring device 42 can be output, and the output signals of the shaping amplifier 43 and the CFD 44 are not output.
  • the amplitude measuring device 42 measures and outputs the difference between the maximum value and the minimum value of the input signal when it is not a DOI strip.
  • From the shaping amplifier 43 a signal having a waveform suitable for energy measurement is generated.
  • the TFA 44 generates a signal with a waveform suitable for time measurement.
  • the output of TFA44 is input to CFD45 and generates an output signal when it reaches 50% of the maximum value of the wave height.
  • the signals of the signal processing circuit 1, the signal processing circuit 2, and the signal processing circuit 6 are DOI strip signals, the signals of the respective outputs T are input to the simultaneous measurement circuit 33. If the time difference between these input signals is shorter than a set value, a gate signal is output from the simultaneous measurement circuit 33, and the time difference recorder 35 and the wave height recorder 36 are operated. The stop signal of the time difference recorder 35 is generated through the delay circuit 34 as a signal of output T. The output A signal is input to the input of the pulse height recorder 36.
  • the output T of the signal processing circuit 32 is output only for the DOI strip signal.
  • data is created only in the channel corresponding to the DOI strip of the time difference recorder 35.
  • the data transfer process the data corresponding to this channel among the data of the wave height recorder 36 and the data of the adjacent channels are transferred.
  • the data of the time difference recorder 35 and the wave height recorder 36 are transferred to the computer 37 for each measurement event, and processing for image generation is performed.
  • Figure 13 shows the breakdown of the transferred data.
  • t is the data of the time difference recorder 35.
  • t and t are scattering detection
  • Strip and anode strip data Each data is recorded as a set of ID information for identifying a channel and the numerical value obtained from that channel.
  • the data after E is the data of the wave height recorder 36.
  • E and E are the shadows of the scatter detector, respectively.
  • a and A are the shadows of the scatter detector.
  • a and A are the DOI strips of the anode of the absorption detector.
  • the data is from the strips (TOI strips) on both sides of the 4+ 4-loop.
  • Figure 14 shows the flow of data processing by the computer 37. This process is repeated for the number of detected events.
  • step 11 check the detection pattern in step 12. This detection pattern is inspected based on the data of the time difference recorder 35. If data exists in a channel with the time difference recorder 35, the strip from which the data originated was a DOI strip. Here, the process proceeds only if only one of the cathode and anode strips of the scatter detector and absorption detector is a D OI strip. If two or more DOI strip signals are caused by two gamma rays entering the detector at the same time, the event is excluded from later analysis.
  • step 13 energy is inspected. This energy check is performed using E and E of the wave height recorder 36. The target gamma is the sum of E and E
  • step 14 is performed using the data from the time difference recorder 35. From the difference in t tt, the DOI in the scatter detector is
  • the OI calculation is performed using the data from the wave height recorder 36.
  • the cathode division direction is the X direction
  • the anode division direction is the Y direction.
  • OI is calculated, and A and A forces are also calculated as TOI in the Y direction of the scatter detector.
  • the location of the nuclide can be determined, and the spatial distribution of the source is displayed as an image. Can do.
  • the conical surfaces calculated by the ton scattering kinematics are grouped for each nuclide by energy, and the location of each nuclide can be obtained separately by overlapping the conical surfaces independently for each nuclide.
  • low energy gamma rays are mainly Compton scattered by a silicon detector, and the scattered gamma rays are detected by a germanium detector behind.
  • high-energy gamma rays can easily pass through the silicon detector and can be detected by two conventional germanium detectors. This enables high-efficiency detection from low-energy gamma rays of about 1 OOkeV to high-engineered gamma rays of about 2 MeV.
  • Fig. 15 (a) shows a combination of detectors used in the gamma ray detector of the present invention.
  • the first stage detector is made of silicon with a thickness of 10 mm
  • the second stage detector is with germanium with a thickness of 10 mm.
  • the third-stage detector was made of germanium with a thickness of 20 mm.
  • Figure 15 (b) shows a comparative gamma ray detector, where the first detector is made of 10 mm thick silicon, and the second detector is made of 20 mm thick germanium.
  • Figure 15 (c) also shows a comparative gamma ray detector, where the first detector is made of 10mm thick germanium and the second detector is made of 20mm thick germanium. In all cases, the vertical and horizontal dimensions of the detector were 39 mm x 39 mm, the detector spacing was 30 mm, and the gamma ray source was 30 mm in front of the first-stage detector. [0046] For the combinations of the detectors shown in Fig. 15, the detection efficiencies when imaging the lOOke V and lOOOkeV gamma rays emitted from the gamma ray source were compared by Monte Carlo simulation. Fig. 16 shows the detection efficiency when the gamma ray energy is lOOkeV, and Fig. 17 shows the detection efficiency when the gamma ray energy is lOOOkeV.
  • Ga + Ge is the gamma ray detector of the comparative example shown in FIG. 15 (c), and “Si + Ge” is the low energy gamma ray shown in FIG. 15 (b).
  • the detector, and “Si + Ge + Gej” represents the gamma ray detector according to the present invention shown in FIG. 15 (a).
  • the detector of the combination of Ge + Ge has a detection efficiency of
  • the detection device with the combination of Si + Ge + Ge can achieve the same detection efficiency as the detection device with the combination of Si + Ge.
  • the detection device of the present invention has a detection efficiency more than twice as high as that of the combination detection device of Si + Ge.
  • gamma rays in the range of about lOOkeV to 2MeV can be obtained.
  • a high-resolution 'high-efficiency imaging device that uses the Compton camera method It can be realized.
  • FIG. 18 is a diagram showing the force at which the interaction occurs with which detector combination and at what frequency when imaging is performed with the gamma ray detection apparatus according to the present invention.
  • Gel + Ge2, Si + Ge2 and Si + Gel in the figure indicate the combinations of the second and third detectors, the first and third detectors, and the first and second detectors, respectively.
  • SlOOOkeV energy force
  • 63.44% is found to interact with Gel + Ge2. In other words, it can be seen that this invention improves the detection efficiency from low energy to high energy.

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Description

明 細 書
ガンマ線検出装置
技術分野
[0001] 本発明はガンマ線検出装置に関し、特にガンマ線の飛来方向を検出することので きるガンマ線検出装置に関する。
背景技術
[0002] コリメータを用いることなくガンマ線の飛来方向あるいはガンマ線源の位置を検出す ることのできるガンマ線検出装置として、コンプトン散乱の運動学を利用するガンマ線 検出装置が特開平 9— 101371号公報ゃ特開 2005— 208057号公報に記載され ている。このガンマ線検出装置は、位置分解能及びエネルギー分解能を有する 2枚 のゲルマニウム検出器を用い、前方のゲルマニウム検出器に入射してコンプトン散乱 された後、後方のゲルマニウム検出器に入射して吸収されたガンマ線検出事象に着 目し、 2つのゲルマニウム検出器におけるガンマ線の検出位置及び検出エネルギー をもとにガンマ線源の存在する方向あるいは位置を演算するものである。 T. Tanaka e t al. : Development of a Si/CaTe semiconductor Compton telescope ， Proceedings of SPIE 5501(2004) ρρ·229_240·には、シリコン検出器とテルル化カドミウム（CdTe) 検出器を組み合わせ、同様の原理を応用したガンマ線天文学用の撮像装置が記載 されている。
特許文献 1：特開平 9 101371号公報
特許文献 2：特開 2005— 208057号公報
非特許文献 1 : Proceedings of SPIE 5501(2004) pp.229-240.
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0003] 2枚のゲルマニウム検出器を用いるガンマ線検出装置は、広いエネルギー範囲の ガンマ線を検出可能である。し力もながら、ガンマ線のエネルギーが低くなると、ゲル マニウム結晶中で光電吸収が起こる確率が高くなり、コンプトン散乱を利用するガン マ線の検出感度が低下する。図 1は、ガンマ線のエネルギーをパラメータとして、コン プトン散乱の生起確率とゲルマニウムの厚さとの関係を示した図である。図から分か るように、ガンマ線のエネルギーが lOOkeV程度まで低くなると、どんなにゲルマニウ ム結晶を厚くしたとしてもコンプトン散乱の起こる確率は 2割程度にとどまり、検出効率 が著しく低下してしまう。また、 Proceedings of SPIE 5501(2004) ρρ·229_240·に記載さ れているように、前面の検出器をシリコン半導体検出器にすると、ゲルマニウムに比 ベて、より低いエネルギーのガンマ線に対してもコンプトン散乱の生起確率を向上さ せること力 Sできる。しかしながらこの場合は、約 200keV以上のガンマ線はシリコン検 出器を透過し易くなり、コンプトン散乱の生起確率が低下してしまう。
[0004] 本発明は、検出できるエネルギーレンジを拡大したガンマ線検出装置を提供するこ とを目的とする。
課題を解決するための手段
[0005] 2枚の位置感応型のゲルマニウム検出器の前方に、さらに位置感応型のシリコン検 出器を追加する。そうすると、低いエネルギーのガンマ線のコンプトン散乱は主にシリ コン検出器で起こり、散乱されたガンマ線は後方のゲルマニウム検出器で検出される 。また、高いエネルギーのガンマ線はシリコン検出器を透過しやすくなるので、主に 次段のゲルマニウム検出器中でコンプトン散乱され、散乱されたガンマ線は最後方 の検出器で検出される。従って、低エネルギーから高エネルギーまでのガンマ線を 高効率で撮像することが可能になる。これによつて、 2枚のゲルマニウム検出器を用 いたガンマ線撮像装置では撮像が難し力、つた低エネルギーのガンマ線を放出するィ ンビボ診断用の SPECT核種の撮像も可能になる。
[0006] 図 2は、ゲルマニウム結晶とシリコン結晶中におけるコンプトン散乱の生起確率と結 晶の厚さとの関係を示した図である。この図から明らかなように、 1段目の検出器の素 材をシリコンにすれば、エネルギー力 OOkeV程度のガンマ線でもコンプトン散乱の 生起確率を向上することができる。従って、 1段目の検出器をシリコン、 2段目の検出 器をゲルマニウムや CdTeにすることが考えられる。し力、し、ガンマ線のエネルギーが 約 200keV以上になると、シリコンよりもゲルマニウムの方がコンプトン散乱の生起確 率が高いために、 Si + CdTeなどの装置は高エネルギーのガンマ線の検出には向か ない。 [0007] そこで本発明では、相対的に高エネルギーのガンマ線に対するコンプトン散乱の生 起確率が高いガンマ線検出器 (以下、高エネルギー用ガンマ線検出器という）を 2枚 配置した前方に、相対的に低エネルギーのガンマ線に対するコンプトン散乱の生起 確率が高いガンマ線検出器 (以下、低エネルギー用ガンマ線検出器という）を配置し た構成を採用する。
[0008] すなわち、本発明のガンマ線検出装置は、ガンマ線との相互作用位置及びエネル ギーを検出できる一対の高エネルギーガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出器と、 その前方に配置された、ガンマ線との相互作用位置及びエネルギーを検出できる低 エネルギーガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出器とを備える。高エネルギーガン マ線用の位置敏感型ガンマ線検出器はゲルマニウム結晶を備え、低エネルギーガン マ線用の位置敏感型ガンマ線検出器はシリコン結晶を備えるものとすることができる
[0009] 低エネルギーガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出器は、典型的には、エネルギ
lOOkeVのガンマ線に対するコンプトン散乱の生起確率が高エネルギーガンマ線 用の位置感応型ガンマ線検出器より高ぐエネルギー lOOOkeVのガンマ線に対する コンプトン散乱の生起確率が高エネルギーガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出 器より低!/ヽ検出器とすること力 Sできる。
発明の効果
[0010] 本発明によると、低エネルギーのガンマ線から高エネルギーのガンマ線まで広!/ヽェ ネルギーレンジにわたつて高い効率で検出することができる。
図面の簡単な説明
[0011] [図 1]コンプトン散乱の生起確率を説明する図。
[図 2]ゲルマニウム結晶とシリコン結晶中におけるコンプトン散乱の生起確率と結晶の 厚さとの関係を示した図。
[図 3]本発明によるガンマ線検出装置におけるガンマ線検出器の配置を示す模式図
[図 4]本発明によるガンマ線撮像装置の検出部の概略構成図と、ガンマ線源の検出 原理を示した図。 園 5]本発明による電極分割型平板ガンマ線検出器の構造例を示す図。
園 6]電極分割型平板ガンマ線検出器の陽極及び陰極の出力信号をシミュレーショ ンした図。
園 7]陽極と陰極間における、信号波形の振幅が最大値の 50%に達するまでの時間 の差と DOIの関係を示す図。
[図 8]ガンマ線の相互作用点の横方向の位置の測定法の説明図。
園 9]TOIと図 6で定義したパラメータの関係を示す図。
園 10]本発明によるガンマ線撮像装置の信号処理部の例を示す概略ブロック図。 園 11]信号処理回路の詳細図。
園 12]CFDの動作原理を説明する図。
[図 13]コンピュータに転送されるデータの内訳を示す図。
[図 14]コンピュータによるデータ処理のフローチャート。
園 15]ガンマ線検出装置の構成例を示す図。
園 16]ガンマ線検出装置の検出効率を比較して示した図。
園 17]ガンマ線検出装置の検出効率を比較して示した図。
園 18]相互作用した検出器の組み合わせの説明図。
符号の説明
10 検出部
11 散乱検出器
12 吸収検出器
13 ガンマ線源
14, 15 ガンマ泉
20 ガンマ線検出結
21 陽極ストリップ
22 陰極ストリップ
31 前置増幅器
32 信号処理回路
33 同時計測回路 34 遅延回路
35 時間差記録器
36 波高記録器
37 コンピュータ
41 波形弁別器
42 振幅測定器
43 成形増幅器
44 TFA
45 CFD
101 1段目の検出器
102 2段目の検出器
103 3段目の検出器
発明を実施するための最良の形態
[0013] 以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
[0014] 図 3は、本発明によるガンマ線検出装置におけるガンマ線検出器の配置を示す模 式図である。本発明によるガンマ線検出装置は、ガンマ線の入射側から、 1段目の検 出器 101、 2段目の検出器 102、 3段目の検出器 103を順に平行に並べて配置した 構造を有する。 1段目の検出器 101はシリコン半導体検出器からなる低エネルギー 用ガンマ線検出器である。 2段目の検出器 102及び 3段目の検出器 103は、それぞ れゲルマニウム半導体検出器からなる高エネルギー用ガンマ線検出器である。 1段 目の検出器 101の材質はダイヤモンドとしてもよい。また、 3段目の検出器 103は、よ り原子番号が大きな CdTe検出器あるいは CdZnTe検出器などで代用することもでき る。各ガンマ線検出器は、以下に説明するような原理でガンマ線との相互作用点の 位置と相互作用によって検出器に与えられたエネルギーを測定可能な、位置感応型 半導体検出器である。
[0015] ガンマ線源から放出された lOOkeV程度の低いエネルギーのガンマ線は主に 1段 目のシリコン検出器でコンプトン散乱される。その散乱されたガンマ線が 2段目または 3段目のゲルマニウム検出器で光電吸収されたとすると、それぞれの検出器で測定さ れたエネルギーをコンプトン散乱の運動学方程式に代入して散乱角を求めることが できる。つまり、計測された 2つの相互作用点を通る直線を軸とし、 1段目の検出器中 の相互作用点を頂点とした、散乱角の 2倍の開角円錐が定まる。また、ガンマ線源か ら放出された約 200keV以上の高いエネルギーのガンマ線は 1段目のシリコン検出 器を透過しやすくなり、主に 2段目のゲルマニウム検出器でコンプトン散乱される。そ の散乱されたガンマ線が 3段目の検出器で光電吸収されたとすると、低エネルギーガ ンマ線の場合と同様に、計測された 2つの相互作用点を通る直線を軸とし、 2段目の 検出器中の相互作用点を頂点とした、散乱角の 2倍の開角円錐が定まる。すなわち 、コンプトンカメラ方式によって低エネルギーから高エネルギーまでのガンマ線を高 効率で撮像することが可能になる。
[0016] 次に、本発明のガンマ線検出装置によるガンマ線源の検出原理について説明する 。ここでは、ガンマ線の相互作用を検出した 2つの検出器のうち、ガンマ線源により近 V、方の検出器でコンプトン散乱され、ガンマ線源からより遠!/、方の検出器で光電吸 収された事象に着目し、前者の検出器を散乱検出器、後者の検出器を吸収検出器 と呼ぶ。図 3に示した検出器のうち、 1段目の検出器 101あるいは 2段目の検出器 10 2が散乱検出器となりうる。 1段目の検出器 101が散乱検出器の場合、吸収検出器と なりうるのは 2段目の検出器 102と 3段目の検出器 103である。また、 2段目の検出器 102が散乱検出器の場合、吸収検出器となりうるのは 3段目の検出器 103である。
[0017] 図 4は、散乱検出器と吸収検出器によるガンマ線源の検出原理を示した図である。
[0018] 図示したガンマ線 14, 15は、散乱検出器 11に入射してそこでコンプトン散乱され た後、吸収検出器 12に入射してそこで全エネルギーを失ったものであり、本発明で はこのような事象に注目する。なお、ガンマ線 14とガンマ線 15は別々の時間に検出 部 10に入射したものとする。
[0019] この時、例えばガンマ線 14は前方の散乱検出器 11に Eのエネルギーを付与し、
1
後方の吸収検出器 12に Eのエネルギーを付与するため、次式（1)の関係が成り立 つ。
[0020] E = E +E (1)
1 2
この測定されたエネルギー Eによって核種を識別することができる。そして、コンブト ン散乱の運動学から、コンプトン散乱角 Θは次式（2)によって計算される。ここで m は電子の静止質量、 cは光速度である。
[数 1]
Figure imgf000008_0001
[0021] これらの関係からガンマ線源 13は、散乱検出器 11中でガンマ線 14がコンプトン散 乱を起こした相互作用点と、散乱されたガンマ線が吸収検出器 12で吸収された相互 作用点を結ぶ直線に対して頂角が 2 Θの円錐面上にあることが分かる。従って、この ような事象を 2組以上計測し、夫々の組み合わせに対して円錐面を作り、それらの円 錐面が重なり合う位置を求めると、その位置はガンマ線源 13の存在する位置の候補 である。事象の計測数、すなわち円錐面の数を多くすればするほど、それらの重なり 合う領域を狭めることができ、高レ、精度でガンマ線源の存在位置を求めることができ
[0022] 図 5は、個々のガンマ線検出器の構造例を示す図であり、 (a)は上面図、（b)は正 面図、（c)は側面図である。ただし、本発明で使用できるガンマ線検出器は、図 5に 示す構造の検出器に限られず、ガンマ線との相互作用位置とエネルギーを検出でき るガンマ線検出器であれば、どのような検出器でも使用可能である。
[0023] 図示のように X、 Y、 Ζ座標系を設定して説明する。この検出器は、寸法 a X b X cの 平板型のガンマ線検出結晶 20の両面に短冊状に分割された電極を形成したもので ある。平板型のガンマ線検出結晶 20の一方の表面には、幅 dで長さが aの X方向に 細長い電極ストリップ 21が複数本、密に並べて形成されている。また、平板型のガン マ線検出結晶 20の反対側の表面には、幅 dで長さが bの Y方向に細長い電極ストリツ プ 22が複数本、密に並べて形成されている。一方の表面の電極ストリップは陽極（以 下、陽極ストリップという）とされ、反対側の表面面の電極ストリップは陰極（以下、陰 極ストリップという）とされる。このように平板型のガンマ線検出結晶 20の表面と裏面に は、互いに直交する方向に延びる陽極ストリップ 21と陰極ストリップ 22がそれぞれ複 数本設けられており、ガンマ線とガンマ線検出結晶との相互作用による信号が強く検 出される陽極ストリップと陰極ストリップの組み合わせによって、相互作用点の大まか な XY座標が分かるようになつている。
[0024] 以下では、一例として、 a = 39mm、 b = 39mm、 c = 20mm、 d = 3mmとし、ガンマ 線入射側の電極を陽極、反対側の電極を陰極とした例によって説明する。最初に、 平板型のガンマ線検出結晶 20内におけるガンマ線の相互作用点の結晶表面からの 深さ方向の位置 DOI (D印 th of interaction)を求める方法について説明する。
[0025] 図 6は、電極分割型平板ガンマ線検出器の内部でガンマ線がガンマ線検出結晶と 相互作用したとき、陽極ストリップ及び陰極ストリップから発生する出力信号をシミュレ ートした図である。図示した信号は相互作用点に最も近い陽極ストリップ及び陰極ス トリップからの信号である。ガンマ線の相互作用点の深さ方向の位置（DOI)によって 信号波形が変化する。
[0026] 図 7は、 1つの検出事象について、陽極ストリップ 21で検出された信号波形の振幅 が最大値の 50%に達するまでの時間と陰極ストリップ 22で検出された信号波形の振 幅が最大値の 50%に達するまでの時間の差と、 DOIとの関係を図示したものである 。この時間差と DOIとがほぼ直線関係にあることが分かる。従って、図 7の関係を記憶 しておき、測定された時間差を図 7の関係に当てはめることによって DOI、すなわち 相互作用点のガンマ線検出結晶の表面からの深さを知ることができる。
[0027] 電極分割型平板ガンマ線検出器内でガンマ線がガンマ線検出結晶と相互作用す ると、検出器の表面（ガンマ線入射側）に設けられた複数の陽極ストリップから信号が 発生されるが、相互作用点に最も近い位置にある陽極ストリップから発生される信号 が最大の振幅を示す。同様に、陽極ストリップと直交するようにして検出器の裏面に 設けられた複数の陰極ストリップから発生される信号も、相互作用点に最も近い陰極 ストリップから発生される信号が最大の振幅を示す。従って、複数の陽極ストリップの 中で信号振幅が最大の陽極ストリップの位置と、複数の陰極ストリップの中で信号振 幅が最大の陰極ストリップの位置から相互作用点の XY座標を知ることができる力 電 極ストリップは幅 dを有するため、この方法によって知ることのできる相互作用点の X 座標及び Y座標は、それぞれ最大 d/2 (図示の例では d = 3mm)の誤差を含んでい る。そこで、以下に説明する方法により、相互作用点の XY座標を電極ストリップの幅 より小さな精度で決定する。
[0028] 図 8は、ガンマ線検出結晶とガンマ線の相互作用点の横方向位置、すなわち電極 ストリップの幅内における位置を高精度に測定する方法を説明する図である。電極分 割型平板ガンマ線検出器内でガンマ線がガンマ線検出結晶と相互作用すると、前述 のように、検出器の表面に設けられた複数の陽極ストリップから信号が検出され、相 互作用点に最も近い陽極ストリップから発生される信号が最大の振幅を示す。同様 に、検出器の裏面に設けられた複数の陰極ストリップ力、らも信号が検出されるが、相 互作用点に最も近い陰極ストリップから発生される信号が最大の振幅を示す。
[0029] 図 8は、最大の信号振幅を示す電極ストリップの両隣の電極ストリップによって検出 される信号波形を示した図である。図 8の左側のグラフは最大の信号振幅を示す電 極ストリップの左隣の電極ストリップの信号波形、右側のグラフは最大の信号振幅を 示す電極ストリップの右隣の電極ストリップの信号波形であり、上から DOI = lmm、 5 mm、 10mmのときをシミュレーションしたものである。相互作用点の、幅 3mmの電極 ストリップの中心線からのずれ量（TOI : Transverse position of interaction)は全て同 じで lmmである。右隣の電極ストリップの信号波形の最大振幅を A+、左隣の電極スト リップの信号波形の最大振幅を Aとして、次式で表されるパラメータ Lを計算する。
[数 2]
[0030] 図 9は、 TOIと上式（3)で定義したパラメータ Lの関係を示す図である。図示するよう に、 TOIとパラメータ Lはほぼ直線の関係を有する。従って、図 9の関係を記憶してお き、最大の信号振幅を示す電極ストリップの両隣の電極ストリップの信号波形から測 定された振幅 A、 Aをもとに計算されるパラメータ Lを図 9の関係に当てはめることに よって TOI、すなわち電極ストリップの幅 d内におけるガンマ線の相互作用点の位置 を高精度に知ることができる。これを X方向に細長い陽極ストリップ 21に関して行うこ とにより相互作用点の Y座標位置を高精度に求めることができ、また Y方向に細長い 陰極ストリップ 22に関して行うことにより相互作用点の X座標位置を高精度に求める こと力 Sでさる。 [0031] 相互作用点に最も近いストリップである力、、その両隣のストリップであるかは、それら のストリップから得られる信号波形の違いを使って識別することができる。相互作用点 に最も近いストリップの信号は、図 6で例えば 500nsのところで波高が ± 100になつ ているのに対し、両隣のストリップからの信号は、図 8で例えば 300nsのところで波高 力 SOになっている。そこで、この波形の違いを識別するための波形弁別器を製作し適 用すれば両者を識別でき、 DOIを検出するためのストリップ (DOIストリップ)であるか 、 TOIを検出するためのストリップ (TOIストリップ）であるかがわかる。
[0032] 図 10は、本発明によるガンマ線撮像装置の信号処理部の例を示す概略ブロック図 である。検出部 10の 1段目、 2段目及び 3段目の検出器 101 , 102, 103は液体窒素 容器内の液体窒素で冷却される銅製コールドフィンガーに固定されて冷却されてい る。 1段目の検出器 101に設けられた複数の陽極ストリップ及び複数の陰極ストリップ からの信号はそれぞれの前置増幅器によって増幅される。同様に、 2段目の検出器 1 02に設けられた複数の陽極ストリップ及び複数の陰極ストリップからの信号、 3段目の 検出器 103に設けられた複数の陽極ストリップ及び複数の陰極ストリップからの信号 もそれぞれの前置増幅器によって増幅される。図には、 1段目の検出器 101の陰極 ストリップ及び陽極ストリップに接続されてレ、る前置増幅器を、それぞれ前置増幅器 1 及び前置増幅器 3で代表させて表示し、 2段目の検出器 102の陰極ストリップ及び陽 極ストリップに接続されて!/、る前置増幅器を、それぞれ前置増幅器 2及び前置増幅 器 4で代表させて表示し、 3段目の検出器 103の陰極ストリップ及び陽極ストリップに 接続されて!/、る前置増幅器を、それぞれ前置増幅器 5及び前置増幅器 6で代表させ て表示した。
[0033] それぞれの前置増幅器の出力信号は、図 11に詳細を示す信号処理回路 32に入 力される。この信号処理回路 32は、入力信号が DOIストリップのものであったならば 出力 Aにエネノレギー信号を出力し、出力 Tに時間信号を出力する。 DOIストリップの ものでなかったならば出力 Aの信号は TOIの測定に利用され、出力 Tには信号を出 力しない。図 11に図示するように、信号処理回路 32に入力された信号は 4つに分け られ、それぞれ波形弁別器 41、振幅測定器 42、成形増幅器 43、 TFA44に入力さ れる。 [0034] ここで、図 10及び図 11に示した各要素回路の動作について説明する。前置増幅 器 31は電荷感応型前置増幅器と呼ばれるもので、ガンマ線の相互作用によって検 出器中に生成される電荷量に比例した波高の信号を出力する。波形弁別器 41は、 前置増幅器 31の出力波形が、ある閾値を超えた後、 300ns後にもある波高を保って いればゲート信号を出力し、そうでなければ何も出力しないように設定されている。振 幅測定器 42は、前置増幅器 31の出力の、最大値と最小値の差を出力する回路であ る。成形増幅器 43は、前置増幅器 31の波高に比例した波高の出力を精度良く出力 するため、セミガウシアン型の波形を生成する。この回路は、 CRの微分回路の後に R Cの積分回路を多段つなげて実現される。 TFA (タイミング'フィルタ'アンプ) 44は、 帯域通過回路になっている。ここでは、低域通過の時定数を 50ns、高域通過の時定 数を 500nsとした。
[0035] CFD45は、コンスタント 'フラクション.ディスクリミネータと呼ばれる市販の回路であ り、その動作原理を図 12より説明する。 （a)に示す入力信号 51を 2つに分け、（b)に 示すように、入力信号 51を tだけ遅らせた信号 52と、（c)に示すように、入力信号 51
d
を反転させ振幅を f倍した信号 53を作る。その後、（d)に示すように、信号 52と信号 5 3を足し合わせた信号 54を作ると、その波高が 0になる時間 tは、入力信号 51の波
f
高が最大値の f倍になる時間に tを加えた時間になる。こうして、立ち上がり波形ある
d
いは立ち下がり波形の信号を CFDに通すことにより、波高の最大値の f倍になるまで の時間を知ることができる。
[0036] 同時計測回路 33は、入力信号の時間差がある設定値より短かった場合、ゲート信 号を出力する回路である。ゲート信号の幅と遅延時間は可変である。 3つの検出器 1 01 , 102, 103のうちのどれか 2つだけでガンマ線の相互作用を検出した事象を同 時計測回路 33で選択し、データを取得する。時間差記録器 35は、同時計測回路 33 のゲート信号出力をスタート信号として使い、信号処理回路 32の出力 Tを遅延回路 3 4で遅らせた信号をストップ信号として使い、スタート信号とストップ信号の時間差を 記録する回路である。波高記録器 36は、同時計測回路 33のゲート信号が出力され ている間の、信号処理回路 32の出力 Aの信号の波高の最大値を記録する回路であ [0037] 次に、図 10及び図 11に示した信号処理部の動作について説明する。波形弁別器 41では、入力された信号が DOIストリップのものである力、、そうでないかが調べられる 。もし DOIストリップであったならばゲート信号を出力し、振幅測定器 42の出力信号 を出力しないようにすると同時に、成形増幅器 43及び CFD44の出力信号を出力で きるようにする。逆に、 DOIストリップでなかったならば、ゲート信号を出力せず、振幅 測定器 42の出力信号を出力できるようにし、成形増幅器 43及び CFD44の出力信 号を出力しないようにする。振幅測定器 42では、 DOIストリップではなかった場合に、 入力信号の最大値と最小値の差が測定され出力される。成形増幅器 43からは、エネ ルギ一の測定に適した波形の信号が生成される。 TFA44では、時間の測定に適し た波形の信号が生成される。 TFA44の出力は CFD45に入力され、波高の最大値 の 50%になったときに出力信号を生成する。
[0038] 信号処理回路 1、信号処理回路 2及び信号処理回路 6の信号が DOIストリップのも のであったとすると、それぞれの出力 Tの信号が同時計測回路 33に入力される。そ れらの入力信号の間の時間差が、ある設定値よりも短かったならば、同時計測回路 3 3からゲート信号が出力され、時間差記録器 35及び波高記録器 36を作動させる。時 間差記録器 35のストップ信号は、出力 Tの信号を、遅延回路 34を通して作られる。 波高記録器 36の入力には、出力 Aの信号が入力される。
[0039] 上述のように DOIストリップの信号に対してのみ、信号処理回路 32の出力 Tが出力 される。つまり、時間差記録器 35の、 DOIストリップに対応するチャンネルにのみデ ータが作られる。そして、データ転送の処理により、波高記録器 36のデータのうちで 、このチャンネルに対応するデータと、その両隣のチャンネルのデータを転送する。 時間差記録器 35及び波高記録器 36のデータは、測定事象ごとにコンピュータ 37に 転送され、画像生成のための処理が行われる。転送されるデータの内訳を図 13に示 す。
[0040] 図 13において、 tから は時間差記録器 35のデータである。 t及び tは散乱検出
1 4 1 3
器の陰極ストリップ及び陽極ストリップのデータであり、 t及び tは吸収検出器の陰極
2 4
ストリップ及び陽極ストリップのデータである。それぞれのデータには、チャンネルを特 定するための ID情報とそのチャンネルから得られた数値が組になって記録されてい る。 E以降は波高記録器 36のデータである。 E及び Eは散乱検出器のそれぞれ陰
1 1 3
極及び陽極の DOIストリップによるデータであり、 E及び Eは吸収検出器のそれぞれ
2 4
陰極及び陽極の DOIストリップによるデータである。 A 及び A は、散乱検出器の陰
1+ 1- 極の D〇Iストリップの両隣のストリップ（T〇Iストリップ）によるデータである。 Α 及び A
2+ 2 は、吸収検出器の陰極の DOIストリップの両隣のストリップ (TOIストリップ）によるデ ータである。 A 及び A は、散乱検出器の陽極の DOIストリップの両隣のストリップ (T
3+ 3-
OIストリップ）によるデータである。 A 及び A は、吸収検出器の陽極の DOIストリツ
4+ 4- プの両隣のストリップ (TOIストリップ）によるデータである。
コンピュータ 37によるデータの処理の流れを図 14に示す。この処理は、検出事象 の数だけ繰り返し行われる。ステップ 11にてデータを読み込んだのち、ステップ 12で 検出パターンの検査を行う。この検出パターンの検査は、時間差記録器 35のデータ により行う。時間差記録器 35のあるチャンネルにデータが存在した場合、そのデータ の元となったストリップは DOIストリップであったことになる。ここでは、散乱検出器及 び吸収検出器のそれぞれの陰極及び陽極のストリップのうちでそれぞれ 1つだけが D OIストリップであった場合にのみ次の処理に進む。検出器に同時に 2個のガンマ線 が入射するなどして DOIストリップの信号が 2つ以上となった場合、その事象は後の 解析から除外する。次に、ステップ 13においてエネルギーの検査を行う。このエネル ギ一の検査は、波高記録器 36の E及び Eを使って行う。 Eと Eの和が目的のガンマ
1 2 1 2
線のエネルギーと等しレ、場合にのみ次の処理に進む。ステップ 14の DOIの演算は、 時間差記録器 35のデータを使って行う。 t ttの差から散乱検出器における DOIが
1 3
計算され、 t ttの差から吸収検出器における DOIが計算される。続くステップ 15の T
2 4
OIの演算は、波高記録器 36のデータを使って行う。ここでは、陰極の分割の方向を X方向、陽極の分割の方向を Y方向とする。 A 及び A 力、ら散乱検出器の X方向の T
1+ 1-
OIが計算され、 A 及び A 力も散乱検出器の Y方向の TOIが計算される。同様にし
3+ 3- て、 A 及び A 力、ら吸収検出器の X方向の TOIが計算され、 A 及び A から吸収検
2+ 2- 4+ 4- 出器の Y方向の TOIが計算される。こうして、散乱検出器中と吸収検出器中での相 互作用点が高精度に求められる。次に、ステップ 16に進み、散乱検出器で検出され たエネルギー Eと吸収検出器で検出されたエネルギー Eを上式（2)に当てはめてコ ンプトン散乱角 Θを計算する。
[0042] こうして複数の検出事象の各事象毎に、散乱検出器中での相互作用点、吸収検出 器中での相互作用点、コンプトン散乱角 Θの情報をもとに図 4に示したような円錐面 が計算される。そこで、検出されたガンマ線エネルギー E ( = E + E )から同一核種か
1 2
ら放出されたガンマ線に起因すると判断される事象を集め、その事象の集合に属す る円錐面を重ねることによってその核種の存在位置を求めることができ、線源の空間 分布を像として表示することができる。
[0043] Eと Eの和が複数あってガンマ線源として複数の核種が存在する場合には、コンプ
1 2
トン散乱の運動学で計算された円錐面をエネルギーによって核種毎にグループ化し 、それぞれの核種に対して独立して円錐面を重ねることによって各核種の存在位置 を分離して求めることができる。
[0044] 本発明のガンマ線検出装置を使うと、低いエネルギーのガンマ線は主にシリコン検 出器でコンプトン散乱され、散乱されたガンマ線は後方のゲルマニウム検出器で検 出される。一方、高いエネルギーのガンマ線はシリコン検出器を透過しやすくなるの で、従来通りの 2枚のゲルマニウム検出器によって検出することができる。これによつ て、約 1 OOke V程度の低エネルギ一のガンマ線から 2Me V程度の高工ネルギ一のガ ンマ線まで高効率で検出することが可能になる。
[0045] ここで、本発明によってどの程度、検出効率が改善するかを評価した例を示す。図 15に示したガンマ線検出器の組み合わせについて、ガンマ線の検出効率を比較し た。図 15 (a)は、本発明のガンマ線検出装置が採用した検出器の組み合わせであり 、 1段目の検出器は厚さ 10mmのシリコンからなり、 2段目の検出器は厚さ 10mmの ゲルマニウム、 3段目の検出器は厚さ 20mmのゲルマニウムからなるものとした。図 1 5 (b)は、比較例のガンマ線検出装置を示し、 1段目の検出器は厚さ 10mmのシリコ ンからなり、 2段目の検出器は厚さ 20mmのゲルマニウムからなる。図 15 (c)も、比較 例のガンマ線検出装置を示し、 1段目の検出器は厚さ 10mmのゲルマニウムからなり 、 2段目の検出器は厚さ 20mmのゲルマニウムからなる。いずれの場合も、検出器の 縦'横の寸法は 39mm X 39mmとし、検出器の間隔は 30mm、ガンマ線源は 1段目 の検出器の前方 30mmの位置にあるとした。 [0046] 図 15に示した各検出器の組み合わせについて、ガンマ線源から放出される lOOke V及び lOOOkeVのガンマ線を撮像した場合の検出効率をモンテカルロシミュレーシ ヨンによって比較した。図 16はガンマ線のエネルギーが lOOkeVの場合の検出効率 を示し、図 17はガンマ線のエネルギーが lOOOkeVの場合の検出効率を示している
〇
[0047] 図 16及び図 17中の「Ge + Ge」は図 15 (c)に示した比較例のガンマ線検出装置、 「Si + Ge」は図 15 (b)に示した低エネルギー用のガンマ線検出装置、そして「Si + G e + Gejは図 15 (a)に示した本発明によるガンマ線検出装置を示す。ガンマ線のェ ネルギ一が lOOkeVのとき、 Ge + Geの組み合わせの検出装置は検出効率が著しく 低下しているが、 Si + Ge + Geの組み合わせの検出装置は Si + Geの組み合わせの 検出装置と同等の検出効率が得られることがわかる。また、ガンマ線のエネルギーが lOOOkeVの場合、本発明の検出装置は Si + Geの組み合わせの検出装置に比べて 2倍以上の検出効率が得られていることがわかる。こうして、本発明によると、ェネル ギ一が約 lOOkeVから 2MeVの範囲のガンマ線を、高解像度'高効率で撮像可能な 装置をコンプトンカメラ方式で実現することができる。
[0048] 図 18は、本発明によるガンマ線検出装置で撮像した場合に、どの検出器の組み合 わせでどのような頻度で相互作用が起こる力、を示す図である。図中の Gel + Ge2、 S i + Ge2及び Si + Gelはそれぞれ 2段目と 3段目、 1段目と 3段目及び 1段目と 2段目 の検出器の組み合わせを示す。エネルギーが lOOkeVの場合は 94. 28%が Si + G elで相互作用が起こっており、 3段目の検出器の寄与は小さい。しかし、エネルギー 力 SlOOOkeVの場合は、 63. 44%が Gel + Ge2で相互作用が起こっていることがわ かる。つまり、この発明によって、低エネルギーから高エネルギーまで検出効率が改 善されることがわかる。

Claims

請求の範囲
[1] ガンマ線との相互作用位置及びエネルギーを検出できる一対の高エネルギーガン マ線用の位置感応型ガンマ線検出器と、
その前方に配置された、ガンマ線との相互作用位置及びエネルギーを検出できる 低エネルギーガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出器と
を備えることを特徴とするガンマ線検出装置。
[2] 請求項 1記載のガンマ線検出装置において、前記高エネルギーガンマ線用の位置 敏感型ガンマ線検出器はゲルマニウム結晶を備え、前記低エネルギーガンマ線用の 位置敏感型ガンマ線検出器はシリコン結晶を備えることを特徴とするガンマ線検出装 置。
[3] 請求項 1又は 2記載のガンマ線検出装置において、前記低エネルギーガンマ線用 の位置感応型ガンマ線検出器は、エネルギー lOOkeVのガンマ線に対するコンプト ン散乱の生起確率が高エネルギーガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出器より高く 、エネルギー lOOOkeVのガンマ線に対するコンプトン散乱の生起確率が高工ネルギ 一ガンマ線用の位置感応型ガンマ線検出器より低いことを特徴とするガンマ線検出 装置。
[4] 請求項 1〜3のいずれ力、 1項記載のガンマ線検出装置において、前記 3個の位置 敏感型ガンマ線検出器のうちの 2個だけでガンマ線の相互作用を検出した事象のみ を取り出す同時計測回路を有することを特徴とするガンマ線検出装置。
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