JP2011002472A

JP2011002472A - シンチレータパネル、放射線イメージセンサの製造方法

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Publication number: JP2011002472A
Application number: JP2010225851A
Authority: JP
Inventors: Takuya Motome; 卓也本目
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2000-09-11
Filing date: 2010-10-05
Publication date: 2011-01-06
Anticipated expiration: 2021-09-11
Also published as: EP1879050A3; EP1879050A2; JP4731791B2; WO2002023219A1; AU2001284524A1; JPWO2002023219A1; JP4800434B2; EP2267485B1; CN1455877A; EP1326093A1; US20040000644A1; CN1304853C; EP2267485A1; EP1326093A4; US7087908B2

Abstract

【課題】高い光出力を出せるシンチレータパネル及び放射線イメージセンサの製造方法を提供する。
【解決手段】基板５を用意し、この基板５上に、ＣｓＩを主成分とするシンチレータ材料を蒸着して、１本の径が数μｍ〜数十μｍの柱状結晶が複数林立するよう堆積させてシンチレータ１０を形成し、このシンチレータ１０表面から圧力をかけて柱状結晶の異物、異常成長部を平坦化処理する。
【選択図】図２

Description

本発明は、医療用の放射線撮影等に用いられるシンチレータパネル、これを用いた放射線イメージセンサの製造方法に関する。

放射線を電気信号に変換し信号の電気的な処理を可能にする放射線イメージセンサは、医療や工業用として広く利用されている。取得した電気信号は電気的に処理してモニタ上に表示することが可能である。このような放射線イメージセンサの代表的なものとして、放射線を光に変換するシンチレータ材料を使用した放射線イメージセンサがある。この放射線イメージセンサでは、変換された光をさらに電気信号に変換するための撮像素子が組み合わされている。撮像素子には例えばＭＯＳ型のイメージセンサなどが使用される。医療分野あるいは非破壊検査（そのうち、特にマイクロフォーカスＸ線源等を用いる検査）においては放射線の照射線量が限られるため、限られた照射線量でも高い光出力を出せる感度の高い放射線イメージセンサが望まれている。

図９は、特許文献１に記載されている放射線イメージセンサの縦断面図である。この放射線イメージセンサ４は、基板５０と、基板５０上に形成された光反射膜６０と、光反射膜６０上に形成されたシンチレータ１０とから構成されるシンチレータパネル８に対し、撮像素子２０がシンチレータ１０に対向配置された状態で組み合わされて形成されている。放射線３０は基板５０側より入射して光反射膜６０を通過し、シンチレータ１０で光に変換される。変換された光は撮像素子２０により受光され電気信号へ変換される。光反射膜６０はシンチレータ１０で発生した光を反射してシンチレータ１０側へと返し、撮像素子２０の受光部に入射する光の量を増加させるという機能を有する。光反射膜６０には、主にアルミニウムなどの金属膜が使用される。

図１０は、特許文献２に記載されている放射線イメージング装置の縦断面図である。この放射線イメージング装置３は、基板５１と、基板５１上に配置された撮像素子としての光検出器２１と、光検出器２１上に形成されたシンチレータ１０と、シンチレータ１０上に設けられた薄膜４１と、薄膜４１上に形成された光反射膜７０と、光反射膜７０上に形成された水分シール層４２とを備えている。放射線３０は水分シール層４２側より入射する。シンチレータ１０を固定支持する基体として光検出器２１が使用され、光反射膜７０は薄膜４１を介してシンチレータ１０の上に形成されている点で、配置構成は、従来技術１とは大きく異なる。薄膜４１は、有機材料又は無機材料からなり、シンチレータ１０上の凹凸を吸収し光反射膜７０の反射率を均一にする。光反射膜７０として、互いに光屈折率が異なるＴｉＯ₂及びＳｉＯ₂などから構成される誘電体多層膜を使用してもよいことが記されている。

ＷＯ９９／６６３４５号公報特開平５−１９６７４２公報

このような従来の放射線イメージセンサには、次のような問題があった。特許文献１では光反射膜６０として金属膜が使用されるが、この金属膜６０はシンチレータ１０と反応して腐食することが多い。特にシンチレータ１０としてＣｓＩ（Ｔｌ）を使用した場合にはこの腐食は顕著であった。

特許文献２では光反射膜７０として誘電体多層膜が使用されているが、シンチレータ１０は一本の径が数μｍ〜数十μｍ程度の微小な柱状結晶が複数林立した構造であるため表面に微細な凹凸が存在するが、こうした凹凸面上に誘電体多層膜７０を直接形成することは困難なため、この凹凸を平坦化するための薄膜４１を介在させている。誘電体多層膜７０を高反射率を備えた状態で形成するには、それが形成される基体を３００℃程度に加熱して蒸着する必要があるが、この薄膜４１が有機膜の場合には、高温をかけること自体困難である。３００℃以下の温度で多層膜を形成することも可能であるが、形成される膜厚の制御が難しいうえ、誘電体多層膜７０が着色した状態で形成されてしまうといった不具合が生じ、反射率が下がり、光出力が低下する結果になる。また、無機膜で薄膜４１を形成しようとしても、無機膜ではシンチレータ上に多層膜を形成するための平坦な面を形成することが困難で、その結果、誘電体多層膜の表面（反射面）に凹凸が生じて高い反射率を持たせることができない。

そこで、本発明は、高い光出力を出せるシンチレータパネル及び放射線イメージセンサの製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るシンチレータパネルの製造方法は、基板を用意し、基板上に、ＣｓＩを主成分とするシンチレータ材料を蒸着して、１本の径が数μｍ〜数十μｍの柱状結晶が複数林立するよう堆積させ、シンチレータ表面から圧力をかけて柱状結晶の異物、異常成長部を平坦化処理する各工程を備えていることを特徴とする。

この平坦化処理工程は、シンチレータ表面にガラス板を載せて、１気圧の力で圧力を加える工程であるとよい。そして、本発明に係る放射線イメージセンサの製造方法は、上記工程で製造されるシンチレータに対向させて撮像素子を配置する工程をさらに備えている。

これらの製造方法によって上述したシンチレータ表面を平坦化したシンチレータパネルが好適に作成されるので、高出力で解像性のよいシンチレータパネルが得られ、これを用いた放射線イメージセンサも好適に得られる。

本発明に係るシンチレータパネルの製造方法によって得られる第１の実施形態の縦断面図である。図１のシンチレータパネルの製造工程を説明する一連の図である。本発明に係る放射線イメージセンサの製造方法によって得られる第１の実施形態を示す縦断面図である。図３の放射線イメージセンサの動作を説明する拡大断面図である。本発明に係るシンチレータパネルの製造方法によって得られる第２の実施形態を説明する縦断面図である。本発明に係るシンチレータパネルの製造方法によって得られる第２の実施形態を説明する縦断面図である。本発明に係る放射線イメージセンサの製造方法によって得られる第２の実施形態を示す縦断面図である。本発明に係る放射線イメージセンサの製造方法によって得られる第３の実施形態を示す縦断面図である。従来型の放射線イメージセンサの縦断面図である。従来型の放射線イメージセンサの縦断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明に係るシンチレータパネルの製造方法によって得られるシンチレータパネルの第１の実施形態を示す縦断面図である。シンチレータパネル１は、耐熱性を有する放射線透過基板としてのパイレックス（登録商標）ガラス基板５と、パイレックスガラス基板５上に形成された誘電体多層膜ミラー６と、誘電体多層膜ミラー６上に形成された剥離防止層としてのポリイミド層７と、ポリイミド層７上に形成され、パイレックスガラス基板５に入射され誘電体多層膜ミラー６及び剥離防止層７を通過した放射線３０を光に変換して発生させるシンチレータ１０とを備えている。シンチレータ１０は、1本の径が数μｍ〜数十μｍ程度の微小な柱状結晶が複数林立した構造を有する。これら全体は保護膜としてのポリパラキシリレン膜１２で被覆される。パイレックスガラス基板５と誘電体多層膜ミラー６との間には、ＳｉＮのような薄い層が設けられてもよい。この薄い層は、ガラス基板表面を均一な清浄表面とすることに役立つ。誘電体多層膜ミラー６には、例えば、互いに光屈折率が異なるＴｉＯ₂とＳｉＯ₂とが交互に複数回繰り返して積層された多層膜が使用され、シンチレータ１０で発生した光を反射し増幅する光反射膜として作用する。シンチレータ１０には例えば、ＴｌドープのＣｓＩが使用される。

柱状結晶が複数林立した構造を有するシンチレータを形成する場合、シンチレータを固定支持する基体が必要となるが、本実施形態では、シンチレータ１０を固定支持する基体としてパイレックスガラス基板５が使用されている。撮像素子を基体としてシンチレータ１０を形成することも可能であるが、この場合、撮像素子は、シンチレータ１０を形成する際、さらには誘電体多層膜ミラー６を形成する際に熱を繰り返し受けることになり、ダメージが与えられる結果となる。本実施形態では、シンチレータ１０はパイレックスガラス基板５に対して形成されるため、このような不具合は解消されている。また、このパイレックスガラス基板５は耐熱性を有するため３００℃近い高温での蒸着が可能で、これにより、誘電体多層膜ミラー６は反射率の高い状態に形成することが可能となっている。

また、誘電体多層膜は耐腐食性に優れるため、金属膜のようにシンチレータ１０と反応して腐食するということがない。金属膜の場合の腐食は、シンチレータパネル内部に侵入した水分を介してＣｓＩ中のＴｌが金属膜を侵すと考えられ、水分をパネル内部に入り込ませないように構造を工夫する必要があったが、本実施形態では耐腐食性の強い誘電体多層膜ミラー６を使用しているため、この必要性がなくなっている。

さらに、誘電体多層膜ミラー６とシンチレータ１０との間には剥離防止層としてのポリイミド層７が設けられているため、シンチレータ１０の厚みを増すと（特に４００μｍ以上）発生する虞のあるシンチレータ１０の誘電体多層膜６からの剥離が防止されている。

次に、このシンチレータパネル１の製造工程について述べる。まず、放射線透過基板５として２０ｃｍ角０.５ｍｍ厚のパイレックスガラス基板５を準備する（図２（ａ）参照）。し、このパイレックス基板５上にＴｉＯ₂６_１、６_３…６_４１及びＳｉＯ₂６_２、６_４…６_４２を真空蒸着法で交互に繰り返し積層し（図２（ｂ）、図２（ｃ）参照）、合計４２層（合計約４μｍ）からなる誘電体多層膜ミラー６を成膜する（図２（ｄ）参照）。各膜厚を制御することで誘電体多層膜ミラー６全体として所定の波長域に対して所定の反射率を確保することが可能である。

放射線透過基板５としては、パイレックスガラス基板の他、アモルファスカーボン板あるいはアルミニウム板でもよい。アルミニウム板の場合は、ガラスビーズ（＃１５００）を用いてサンドブラスト処理を施し、アルミニウム表面の圧延筋を取り除いた後、誘電体多層膜ミラー６を成膜する。誘電体多層膜ミラー６上には、剥離防止層７として透明度の高いポリイミド層（例日産化学製型名 RN-812）をスピンコートで硬化後、膜厚で１μｍコートする（図２（ｅ）参照）。その後、ポリイミド層７上に、シンチレータ１０として厚さ３００μｍのＣｓＩの柱状結晶を蒸着法により形成する（図２（ｆ）参照）。そして、ＣｓＩ表面の異物、異常成長部を平坦にするため、ＣｓＩ表面にガラス板を載せ、１気圧の力で圧力をかける。最後に、ＣＶＤ法により、保護膜として厚さ１０μｍのポリパラキシリレン膜１２を形成して全体を覆い、図１に示されるシンチレータパネル１が形成される。

なお、３０ｃｍ角以上の大面積を有するシンチレータパネル１を形成する場合には、形成するポリイミド層７の厚さを１μｍとし、コートする方法としてスクリーン印刷法を採用する。また、大型化に伴い輝度を向上させるためシンチレータ１０の厚さも５００μｍとする。

図３は、本発明に係る放射線イメージセンサの製造方法によって得られる放射線イメージセンサ２の縦断面図である。この放射線イメージセンサ２は、図１に示されたシンチレータパネル１のシンチレータ１０に対して、撮像素子２０を対向配置した状態で組み合わせることで構成されている。撮像素子２０はシンチレータ１０により発生した光を電気信号に変換するものである。撮像素子２０としては、例えば、２次元的に配列されたＳｉフォトダイオードを有するＭＯＳ型のイメージセンサが使用される。

図４は、この放射線イメージセンサ２の動作を説明する拡大断面図である。被写体３２によって遮光されないあるいは透過した放射線３０はポリパラキシリレン膜１２、パイレックスガラス基板５、誘電体多層膜ミラー６、ポリイミド層７を通過してシンチレータ１０へ入射する。シンチレータ１０は入射した放射線３０を光へ変換し放射する。シンチレータ１０から放射される光には誘電体多層膜ミラー６側へと向かうものもあり、この光は誘電体多層膜ミラー６により反射されシンチレータ１０へと返される。従って発生した光のほとんどが撮像素子２０へと向かい受光される。撮像素子２０は受光した光画像情報を電気信号へと変換して出力する。こうして出力された電気信号は画像信号としてモニタなどに送られ表示されるが、この画像は、放射線イメージセンサ２に入射した放射線画像がシンチレータ１０で光画像に変換され、撮像素子２０で電気画像信号に変換されたものであるから入射した被写体３２の放射線画像に相当するものである。

前述したように、本実施形態による誘電体多層膜ミラー６は高反射率をもつため、この誘電体多層膜ミラー６が使用されたシンチレータパネル１及び放射線イメージセンサ２は高い光出力を有する。

このようにして作成したシンチレータパネル１を有する放射線イメージセンサ２の放射線３０に対する感度及び耐腐食性を評価するため、本発明の実施例としてのサンプル３個（それぞれ実施例１〜３と呼ぶ。）と、従来型の放射線イメージセンサとしてのサンプル２個（それぞれ従来例１、２と呼ぶ。）をそれぞれ構成を変えて作成した。表１は、これらのサンプル構成を示す。

なお、いずれのサンプルについても、シンチレータとしてはＣｓＩを、保護膜としてはポリパラキシリレン膜を、撮像素子としてはＣ−ＭＯＳを使用した。

放射線３０に対する感度を評価するための試験として、これらの各サンプルに一定量の放射線３０を照射しそれによる光出力値を計測した。耐腐食性を評価するための試験としては、各サンプルにおいて撮像素子２０を取り除いたシンチレータパネル単体の状態で数日間にわたる放置試験を行った。表２に、これらの試験結果を示す。光出力値は従来例１を１００％としたときの相対値として示されている。

実施例１〜３の光出力値は何れも、光反射膜としてアルミニウム膜を使用した従来例１よりも高く、銀膜を使用した従来例２と同程度の光出力値であった。耐腐食性試験については、金属膜を使用した従来例１、２では１〜２日で腐食したのに対し、誘電体多層膜ミラー６を使用した実施例１〜３では変化が見られなかった。

また剥離防止層７の効果を確認するため以下の試験をおこなった。サンプルとして、まずパイレックスガラス製（ＰＸ）の５０ｍｍ角１ｍｍ厚の基板に誘電体多層膜ミラーを２７層成膜したものを１０個作成する。次に、それぞれのサンプルに対し誘電体多層膜ミラー６上に剥離防止層としてポリイミド層７をコートしたものとしないものを５個ずつ作成し、それら全てに対しシンチレータＣｓＩを堆積する。ＣｓＩは５段階に厚さを変えてそれぞれ１０枚堆積した。そして、その結果ＣｓＩの剥離が起こるサンプルの枚数を調査した。

表３に端的に示されるように、誘電体多層膜ミラー６にポリイミド層７を使用しない構成のサンプルの場合、ＣｓＩの厚さが４００μｍを超えた時点で剥離し始めたのに対し、ポリイミド層７を使用したサンプルの場合、ＣｓＩの剥離は見られなかった。さらに、この試験により、このポリイミド層７はシンチレータ１０がＣａＩ（Ｔｌ）やＮａＩ（Ｔｌ）のようにＴｌがドープされている場合、シンチレータ蒸着形成時、Ｔｌが誘電体多層膜ミラー６にわずかながら拡散し着色してしまうという不具合を同時に防止できることが判明した。

このように、上記試験結果より、本実施形態のシンチレータパネル１及び放射線イメージセンサ２は、高い光出力を出し、耐腐食性に優れ、またシンチレータの剥離防止効果もあることが確認された。

以下、本発明に係るシンチレータパネルおよび放射線イメージセンサの製造方法によって得られるその他の実施形態について詳細に説明する。

図５は、本発明に係るシンチレータパネルの第２の実施形態を示す縦断面図である。このシンチレータパネル１ａは、図１に示される第１の実施形態のシンチレータパネル１とほぼ同様の構成を有する。ただし、可視光から紫外線域までの光に対して高い反射率を有するＴａ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２を積層した誘電体多層膜ミラー６ａを使用している点と、ＣｓＢｒ：Ｅｕ等のいわゆる輝尽性蛍光体をシンチレータ１０ａとして使用している点が相違する。

このシンチレータパネル１ａは、図１に示されるシンチレータパネル１と異なり、シンチレータ１０ａ側から放射線３０を照射して使用する。こうして入射する放射線によってシンチレータ１０ａは励起される。その後、図６に示されるように、Ｈｅ−Ｎｅレーザビーム３４をシンチレータ１０ａにスキャン照射することで、照射された放射線３０量に応じた光がシンチレータ１０ａから放射される。この放射される光を光検出器２２により検出して電気信号に変換することで、放射線画像に相当する画像信号を取り出すことができる。

このようにシンチレータ６ａとして輝尽性蛍光体を使用することで、放射線イメージを一時的に蓄積し、レーザビーム走査によってこれを読み出すことで、大面積の撮像素子を用意する必要がなくなり、胸部撮影などの大面積の放射線画像取得が容易になる。

輝尽性蛍光体としては、上記のＣｓＢｒ：Ｅｕのほか、日本特許第３１３０６３３号公報に開示されているような各種の蛍光体を利用することができる。また、誘電体多層膜ミラーとしては、第１の実施形態に用いたＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂積層体やＨＦＯ_２／ＳｉＯ_２積層体等を使用することができる。

図７は、本発明に係る放射線イメージセンサの製造方法によって得られる放射線イメージセンサの第２の実施形態を示す縦断面図である。この放射線イメージセンサ２ａは、図３に示される放射線イメージセンサ２に、さらにシンチレータパネル１全体を被覆するハウジング２５を備えたものである。ハウジング２５は放射線透過性であり、全体を保護し外部からの光を遮光する材質の素材、例えば、黒色のポリカーボネート製である。これにより、シンチレータ１０で発生して誘電体多層膜ミラー６及びパイレックスガラス基板５を透過した光がハウジング２５によって吸収され、再びシンチレータ１０側の発光箇所とは別の位置に戻るのを抑制することができ、このような迷光による解像度の劣化を抑制することができる。また、外部からのノイズとなる外乱光の入射も抑制することができ、高いＳ／Ｎ比を維持できる。

また、このハウジング２５は、シンチレータパネル１のパイレックスガラス基板５に対し圧接した状態に設けられており、この圧接作用によりシンチレータパネル１は撮像素子２０に対しより密着する。これにより、シンチレータ１０で発生した光を撮像素子２０で認識する際、光漏れ、クロストークなどが発生するのを防止することができる。この密着性を高めるために、パイレックスガラス基板５とハウジング２５との間にスポンジなどの弾性体を入れてもよい。

上述したように、シンチレータパネル１の基板としてガラスを使用すると、薄くできかつ撓まないシンチレータパネルが形成できるという利点がある。また、光反射膜として誘電体多層膜を使用すると、耐腐食性に優れかつ高反射率を備えた光反射膜を形成できるという利点がある。これら双方を取り入れたシンチレータパネルを形成した場合、コントラストを低下させる要因となる透過光が発生するが、本実施形態では、さらに光吸収性を有するハウジング２５を設けることによりこの透過光を吸収させ、これら双方の利点を生かしかつ不具合を解消している。

図８は、本発明に係る放射線イメージセンサの製造方法によって得られる第３の実施形態を示す縦断面図である。この実施形態（放射線イメージセンサ２ｂ）では、撮像素子２０は、駆動・読み出し回路が搭載されたセンサ基板２２上に固定されており、シンチレータパネル１が固定ジグ２３によってセンサ基板２２に固定されることで、撮像素子２０に密着固定されており、全体が黒色ポリカーボネート製のハウジング２５ａによって覆われている。固定ジグ２３とハウジング２５ａの協働により、シンチレータパネル１は撮像素子２０に密着するため、シンチレータ１０で発生した光を撮像素子２０で認識する際、光漏れ、クロストークなどが発生するのを防止することができる。尚、図ではガラス基板５とハウジング２５ａとの間には空間があるが、これらは密着していても良い。この構造により、パイレックスガラス基板５を通過した後にハウジング２５内で反射して再度パイレックスガラス基板５へと入光し、コントラスト低下など光出力に悪影響を与えるような光の発生を抑制することができ、解像度やＳ／Ｎ比の低下を抑制できる。

ハウジング２５、２５ａとしては、ハウジング自体を光吸収性部材とするほかに、パイレックスガラス基板５に接触する内側の面に対し、艶消し処理を行ったもの、光吸収性塗料を塗布したもの、また光吸収部材を貼り付けたものでもよい。

このようなハウジングを有する放射線イメージセンサのコントラスト比を評価するため、本発明の実施例としてのサンプル（実施例Ａと呼ぶ）と、従来型の放射線イメージセンサとしてのサンプル（比較例Ｂと呼ぶ）をそれぞれ構成を変えて作成した。実施例Ａ、比較例Ｂともに、ハウジングの有無以外の構成は同一であって、パイレックスガラス上に誘電体多層膜ミラーを形成し、その上にＣｓＩからなるシンチレータを配置し、ポリパラキシリレン膜を保護膜として、撮像素子としてＣ−ＭＯＳ型の撮像素子を用いている点が共通している。

コントラスト比を測定するための試験として、直径３ｃｍ、厚さ０.５ｍｍの鉛製の被写体をハウジング上に配置して放射線を照射し、鉛で隠れた部分及び放射線に露呈している部分に対し、放射線イメージセンサが取得した信号値をそれぞれの場合について測定し、比率として算出した。その結果、実施例Ａでは、比較例Ｂよりコントラストが１０％向上し、より明瞭な像を取得することができた。

このように、上記試験結果より、本実施形態の放射線イメージセンサが明瞭なコントラストをもつ像を取得できることが確認された。

以上の本発明の説明から、本発明を様々に変形しうることは明らかである。そのような変形は、本発明の思想および範囲から逸脱するものとは認めることはできず、すべての当業者にとって自明である改良は、以下の請求の範囲に含まれるものである。

本発明に係るシンチレータパネル、放射線イメージセンサは、胸部撮影などの医療用あるいは非破壊検査等の工業用途において好適に使用できる。

１、８…シンチレータパネル、２、４…放射線イメージセンサ、３…放射線イメージング装置、５…パイレックスガラス基板、６…誘電体多層膜ミラー、７…ポリイミド層（剥離防止層）、１０…シンチレータ、１２…ポリパラキシリレン膜、２０…撮像素子、２１…光検出器、２２…センサ基板、２３…固定ジグ、２５…ハウジング、３０…放射線、３２…被写体、３４…レーザビーム、４１…薄膜、４２…水分シール層、５０、５１…基板、６０、７０…光反射膜。

Claims

基板を用意し、
前記基板上に、ＣｓＩを主成分とするシンチレータ材料を蒸着して、１本の径が数μｍ〜数十μｍの柱状結晶が複数林立するよう堆積させ、
前記シンチレータ表面から圧力をかけて前記柱状結晶の異物、異常成長部を平坦化処理する
各工程を備えているシンチレータパネルの製造方法。
前記平坦化処理工程は、前記シンチレータ表面にガラス板を載せて、１気圧の力で圧力を加える工程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の製造方法。
請求項１または２に記載の工程の後に、シンチレータに対向させて撮像素子を配置する工程をさらに備えている放射線イメージセンサの製造方法。