放射线照相术测定装置及放射线照相术测定方法

专利名称：放射线照相术测定装置及放射线照相术测定方法
技术领域：
本发明涉及在使用了 X射线、Y射线、中子射线等放射线的放射线照相 术中所使用的放射线照相术测定装置和放射线照相术测定方法。
背景技术：
在X射线、Y射线等放射线透射物质时，根据其构成物质的种类和形状 不同而产生的吸收和散射不同。若将其作为影像记录成照片、视频和数字文 件等，就能够掌握物质的破损状态、变化及填充状况等。这一般通过用X射 线形成x射线照片来诊断人体内部状态的方法来加以应用。不破坏想测定的
物体或试料而测定内部状态的该方法，被称作放射线照相术或无损放射线摄 影法。
在医疗诊断和/或工业用无损检査等中所应用的x射线和Y射线摄影中，
通常为了提高摄影系统的灵敏度，使用图像增强器(Image Intensifier)。图像 增强器将放射线与闪烁器的反应中所发出的光转换成电信号来进行观测。'为 了提高图像增强器的灵敏度，考虑增大该闪烁器与放射线进行反应的区域。 但是，另一方面，若增大反应区域，则测定的位置分辨率就对应于反应区域 变大的量而变差。即，若要使灵敏度和分辨率都良好，就不得不牺牲某一方。 因此，以前使用了如下的方法不增大闪烁器的反应区域即发光区域，用光 传感器转换成电信号之后进行电气性放大。X射线和Y射线的图像增强器毫 无疑问是在图像传感器中装入电子放大功能的装置。
另外，作为即使低灵敏度也得到高清晰度的方法，使用增长照射时间并 利用积分功能进行测定的方法。作为这些方法，是使用了胶片和/或辉尽性荧 光片等的方法，但是这些方法没有实时性，并且若没有显影和/或读取等间接 操作，就不能得到数据。
另一方面，在想要对要测定的放射线的种类和能量的差异、紫外线和/或 光的波长造成的差异进行测定的情况下，必须要按各种类分别进行测定。例如，若要测定中子线和x射线，若不改变对各个放射线进行反应的闪烁器， 就不能进行测定。因此，已提出了一种如下技术使用对每种放射线分别具 有灵敏度的多个闪烁器，并且使用分别发出不同颜色光的多个闪烁器，能够 根据颜色来区别混在一起的放射线(例如，参照专利文献l)。
但是，上述方法中也没有规定用于提高灵敏度的方法，期望能够进一步 用高灵敏度测定混在一起的放射线。在以前的想法中，主要考虑了扩大进行 反应的闪烁器的反应区域，或者在用光检测器读入闪烁器的发光时用X射线 的图像增强器和/或微通道板(micro channel plate)等进行电气性放大的方法。
在考虑了该电气性放大时的微通道板中，沟道间的间隔成为分辨率。因 此，必须要制作微尺寸的沟道间隔的微通道板，还具有必须要使沟道间的放 大特性一致的问题。此外，在X射线图像增强器中，根据用于放大的电子透 镜所产生的电场中的等电位线的关系，若不使输入面的反应闪烁器和光电转 换面成为曲面，就不能够形成图像。
由于X射线的透射像的图像浓淡具有X射线路径的电子数信息，因此， 重金属等灵敏度良好。另一方面，在利用了中子的情况下，中子与质量大致 相等的氢的散射反应显著，含有氢的水、塑料等灵敏度高。此外，也适用于 钆、镉或硼等特定的中子吸收材料的图像化。
中子的透视成像的结构基本与X射线的透视成像的结构相同，取代X射 线，而用摄像机系统观察与中子进行反应的荧光板。该荧光板使用ZnS: 6LiF 和Gd202S: Tb，摄像机系统使用SIT管摄像机和CCD摄像机。与X射线相 比应用时间短，而且还有中子源的制约，但是作为中子放射线照相术，在无 损检查和可视化计测等研究开发和/或应用中已有很多论文和国际会议报告。
关于中子图像增强器，在国内还没有使用的例子，但在外国，在1970年 代后半段，Rolls Royce公司在英国的AWREE的HERALD核反应堆和AERE Harwell的DIDO核反应堆中，使用冷中子源(0.004eV)，中子图像增强器进 行了燃气涡轮发动机的燃料和/或润滑油的实时中子成像。最近还发表了使用 德国HMI (Hahn—Meitner—Institut Berlin)的冷中子(Flux: 3xl09n / cm2s)， 将中子实时成像应用于锂电池和航空发动机等工业领域中的技术，但是LiZnS 闪烁器和CCD摄像机的组合结构中用的不是图像增强器。
要构成中子用的图像增强器，就必须要将输入反应面的荧光体变换成用中子进行反应的荧光体。作为这种荧光体，考虑利用ti的(n， oO反应进行 发光的ZnS: tiF和利用Gd的(n， Y)反应进行发光的Gd202S: Tb等。以 前销售的THOMSON TUBES ELECTRONIQUES公司的NEUTRON — RADIATION IMAGE INTENSIFIER TUBE,在输入反应面中使用了 Gd202S: Tb。该荧光体也使用在X射线用的图像增强器中，在中子与X射线或Y射线 混在一起的情况下同样进行反应，不能够将中子和X射线区别开来进行测定。专利文献1日本特开平11—271453号公报

发明内容
如上所述，在以前的技术中，在放射线混在一起时，例如在X射线与中 子射线混在一起的情况下，不能实时地观测仅由中子射线产生的透射图像， 或者不能将仅由中子射线产生的透射图像和仅由X射线产生的透射图像区别 开来同时实时地进行观测。
实际上，放射线的透射图像在X射线、Y射线及中子射线中有很大不同， 能够观测的材质也不同。特别是金属材料中的氢系材料的变化等，若不是中 子射线就不能清楚地观测到，反之，关于铝和金属类的结构等，适用X射线 和Y射线。此外，若能够同时实时地观测它们，就能得到实时的相关关系， 在变化和结构分析中有效。
本发明鉴于上述现有技术的问题点，提供一种在多种放射线混在一起的 情况等中也能够实时且高灵敏度地进行放射线照相术的放射线照相术测定装 置和放射线照相术测定方法，
本发明涉及的放射线照相术测定装置的特征在于具有中子反应体层， 形成在放射线的入射窗中；针状的第一闪烁器层，形成在上述中子反应体层 的上面，利用由上述中子反应体层与中子的反应所放出的a射线或电子射线 进行发光；光电转换层，形成在上述第一闪烁器层的上面；电子透镜，对从 上述光电转换层放出的电子进行加速；第二闪烁器层，利用已被上述电子透 镜加速的电子进行发光；以及摄像机，对上述第二闪烁器层的发光进行摄像。
此外，本发明涉及的放射线照相术测定方法的特征在于，利用中子反 应体层，形成在放射线的入射窗中；针状的第一闪烁器层，形成在上述中子 反应体层的上面，通过由上述中子反应体层与中子的反应所放出的(X射线或电子射线进行发光；以及光电转换层，形成在上述第一闪烁器层上面，从入 射的中子产生电子，利用电子透镜将该电子加速，利用所加速的电子使第二 闪烁器层发光，利用摄像机对该第二闪烁器层的发光进行摄像。


图1是示意地示出本发明的一个实施方式的放射线照相术测定装置的结 构的图。
图2是示出图1的放射线照相术测定装置的主要部分剖面结构的图。
图3示出其他实施方式的放射线照相术测定装置的结构，(a)是概略纵 向剖面图，(b)是正视图。
图4 (a)至(c)是分别示出由图3的放射线照相术测定装置得到的摄影 图像的例子的照片。
图5 (a)是以前的放射线照相术测定装置的主要部分剖面图，(b)是(a) 的A部分放大剖面图。
图6是以前的放射线照相术测定装置的主要部分放大剖面图。
具体实施例方式
以下，参照附图，说明本发明的放射线照相术测定装置和放射线照相术 测定方法的详细内容的实施方式。
图1是示意地示出本发明的一个实施方式的放射线照相术测定装置的整 体结构的图。如图1所示，放射线照相术测定装置1具有图像增强器2。图像 增强器2具有放射线3入射的入射窗20、将入射窗20中产生的电子进行聚焦 的电子透镜21、由利用己被电子透镜21聚焦的电子进行发光的闪烁器层构成 的输出荧光面22。电子透镜21由聚焦电极25和阳极26等构成。
在上述图像增强器2的输出荧光面22的后方设置有反射镜4和摄像机5， 构成为利用摄像机5对输出荧光面22的发光进行摄像。作为构成输出荧光面 22的闪烁器层(第二闪烁器层)，可以使用发出绿色等单色光的单色闪烁器层 或者发出RGB的各色的彩色闪烁器层。在本实施方式中，输出荧光面22由 利用被电子透镜21加速的电子发出多色光的彩色闪烁器层构成。此外，由于 摄像机5对由彩色闪烁器层构成的输出荧光面22的发光进行摄像来形成彩色图像，因此使用彩色摄像机。
在此，参照图5说明以前的某个以X射线为对象的图像增强器的结构。 如图5 (a)所示，在入射窗20中设置有铝基板200，在铝基板200的内侧形 成闪烁器层201。在以X射线为对象的图像增强器的情况下，作为闪烁器层 201，使用容易与X射线反应的CsI闪烁器。此外，作为使清晰度良好的办法， 作成针状的结构。然后，如图5 (b)所示，在闪烁器层201的上面形成有光 电转换层202，所述光电转换层202从在闪烁器层201中所产生的光产生电子。
另一方面，在是针对中子射线的图像增强器的情况下，必须要使用与中 子高效地进行反应的材料。图6示出使用了利用(n， tO反应的类型的闪烁 器层211时的结构。该情况下，在闪烁器层211中使用以氧硫化钆为母剂激 活了铽的材料(Gd202S: Tb)。该材料是在以前的X射线用的图像增强器的 开发当初，在幵发针状闪烁器CsI之前所使用的，与X射线进行反应，但针 对中子，变为利用通过Gd的(n， Y)反应同时产生的内部转换电子使铽发光 的机构。 .
但是，在使用该闪烁器作为反应体的情况下，由于闪烁器的密度高，并 且还与X射线发生反应，因此，难以将X射线和Y射线区别开来进行测定。 例如，作为一般的中子照射范围，在核反应堆的照射孔和加速器的照射孔、 锎(Cf) RI射线源等中，除了中子以外，必定还有Y射线和X射线混在一起。 该混合的Y射线有时也具有相当强度。从而，在构成了利用中子的图像增强 器的情况下，难以去除混在一起的Y射线的影响。
在本实施方式中，如图2所示，在入射窗20的铝基板200的内侧直接涂 覆了中子反应体层220。然后，在该中子反应体层220的内侧形成闪烁器层(第 一闪烁器层)201，在闪烁器层201的内侧形成光电转换层202。在本实施方 式中，中子反应体层220由浓縮碳化硼(1QB4C)构成。该浓縮碳化硼通过浓 縮硼(1QB)的(n， a)反应，从中子产生a射线。然后，用该a射线使闪烁 器层201发光。
浓縮硼与中子的反应效率很高，为了在中子反应体层220(浓縮碳化硼膜) 的膜内与中子反应来使a射线透射，该膜的膜厚最好极薄，从几pm 10iim 的程度。为了形成该浓縮硼膜，可以使用将粉末状的浓縮碳化硼在高温高压 下暂时烧结成球状、用电子枪使其蒸发来进行蒸镀的方法，从而可以控制其膜厚。
作为与上述a射线反应的闪烁器层201，可以使用针状的CsI，但根据ci 射线的射程，最好将闪烁器层201的厚度设为几^im到一百pm以下。可以通 过蒸镀形成该闪烁器层201。该浓縮碳化硼与Csl闪烁器的组合，与以前的使 用氧硫化钆的闪烁器的类型相比，能够尽可能减小膜的厚度，能够尽可能减 少X射线和Y射线的影响。在使用了氧硫化钆的闪烁器时，由于使荧光发光 的内部转换电子的射程比a射线长，因此，若要提高中子的灵敏度，就必须 要使闪烁器层的厚度成为100至20(Him左右的厚度，但浓縮碳化硼的反应体 不是其自身发光，而是发出a射线，其射程为几微米的程度。从而，闪烁器 层201的厚度与使用了氧硫化钆的闪烁器时相比，能够变薄大约将近2位数。
此外，在如图5所示的一般的X射线用图像增强器中，闪烁器层201的 厚度是大约400)am左右，在Y射线类型的情况下，是l至2mm。从而，在图 2所示的实施方式的情况下，通过减小闪烁器层201的厚度，能够极端地减少 对于X射线和Y射线的灵敏度。在使用了本实施方式的装置的测定中，由于 能够尽可能地抑制特别是对于X射线和y射线的灵敏度，因此，在测定对象 物发出X射线和/或y射线的情况下，就能用中子测定透射图像并进行检查。
此外，也考虑取代浓縮碳化硼，而作为中子反应体层220，涂覆金属钆 (Gd)，并在其上面设置由利用电子射线发光的CsI构成的闪烁器层201的方 法。该情况下，期望金属钆层(中子反应体层220)的厚度比浓縮碳化硼厚十 几pm至几十pm以下。
在上述实施方式中，作为中子用的图像增强器，示出了能够尽可能减小 成为基底的X射线和Y射线的影响来进行测定的结构。以下，关于能够同时 实时地测定中子和X射线或Y射线的结构的实施方式进行说明。
在图6所示的(n， Y)类型的情况下，通过减小成为反应体的闪烁器层 211 (Gd202S: Tb)的厚度，也能对应于y射线。但是，由于中子在入射侧进 行发光，光在闪烁器层211内透射，因此，闪烁器层211的自吸收变大，透 射比例变差，中子的检测效率变差。此外，若增厚粉体状的闪烁器(Gd202SS: Tb)，则发出的光就会散射，从而空间分辨率降低。 '
因此，在本实施方式中，在图2所示的(n， a)反应类型中，中子反应 体层220的浓縮碳化硼(1QB4C)的厚度与上述实施方式同样为从几pm到最厚lOpm的程度，使闪烁器层201 (针状闪烁器层Csl)晶体生长到0.4mm以 上来进行制作。特别是对于高能量的Y射线，期望使闪烁器层201 (针状闪烁 器层CsI)的厚度在lmm以上。
这样，中子与浓縮硼进行反应，X射线和Y射线与CsI闪烁器进行反应。 与浓縮硼进行反应的中子所产生的a射线，在闪烁器层201的入射侧的入口 附近进行反应，但由于CsI的针状晶体，光很难扩散，画质很少模糊。.
在构成了如上所述的图像增强器2的情况下，与上述实施方式不同，也 与X射线和Y射线反应。因此，如图3 (a)所示的放射线照相术测定装置la 所示，在图像增强器2的入射窗20的前面放置旋转圆盘6。该旋转圆盘6如 图3 (b)所示，每卯度设置一个由开口构成的(什么都没有)窗60和放入 中子吸收体的窗61，通过被未图示的驱动机构旋转，窗60和61被交替地放 置在图像增强器2的入射窗20的前面。这样就构成了遮断或开放中子的通过 状态的开闭机构。
利用未图示的传感器等检测该窗60、 61的放置状况，使彩色摄像机5的 图像取入的定时一致。例如，在彩色摄像机5的1 / 30秒内，使1个镜头与 什么都没有的窗60同步，在下一个1 / 30秒，与放入中子吸收体的窗61同 步。g卩，在什么都没有的窗60时，中子射线和Y射线射入，在放入中子吸收 体的窗61中，仅Y射线入射到图像增强器2中。通过从中子射线和Y射线混 在一起形成的图像增强器的图像中减去仅由该Y射线形成的图像，就能够得 到仅由中子形成的图像，从而能分别独立地实时观测中子射线图像和Y射线 图像。作为上述中子吸收体，例如，可以使用包含碳化硼和锂的薄片、Cd板、 Gd板以及将包含Gd的化合物加工成薄片状的板等。再有，在图3的放射线 照相术测定装置la中，在与上述图1的放射线照相术测定装置1相对应的部 分标记对应的附图标记，省略重复说明。
图4中示出利用图3所示的放射线照相术测定装置la，对中子放射线照 相术用的指示器和雕刻在丙烯树脂上的文字以及在标尺中填入了碳化硼 (B4C)粉末的量度等进行了摄影的图像的一例。图4 (a)是在中子和Y射线 混在一起的状况下摄影的结果，作为中子吸收体的镉(Cd)盘和Cd条、 一氮 化硼(BN)盘、丙烯树脂梯级、量度的B4C文字和成为Y射线的吸收体的铅 梯级(step)等全部拍摄了下来。 '仅用该图像还不能识别中子吸收的材质等，但在通过放入中子吸收体的
窗61 (遮蔽了中子的状况)而摄影到的图4 (b)的结果中，丙烯树脂梯级和 B4C的文字、BN盘等未拍摄下来，而仅拍摄了铅的梯级、Cd盘、Cd条。若 以该结果为基础，从图4 (a)中减去图4 (b)的图像，就得到图4 (c)的仅 由中子形成的图像，就能够确认作为中子吸收体的Cd盘和Cd条、BN盘、 丙烯树脂梯级、量度的B4C文字。铅梯级在该图像中拍摄不到。以前有利用 胶片等进行如上所述的中子和Y射线的同时放射线照相术的例子，但该情况 下，仅得到静止图像。相对于此，根据本实施方式，则能够利用动画实时地 进行中子和Y射线的同时放射线照相术。
另外，以上关于中子和Y射线进行了描述，但也可以将窗中的吸收体设 为低能量X射线的吸收体，可以利用于与Y射线的能量差分法。在此，所述 能量差分法是从由能量大小不同的X射线和y射线所产生的透射图像中除去 相互的图像，或者利用除法辨认材质不同的物质，仅抽取各自不同的材质作 为人体中血管和骨头等活动组织中的实时图像的方法。
在使用该能量差分法时，若在X射线中设定管电流的值一定，则使相当 于X射线的能量的管电压的值大小变化。这时，管电压高的一方的透射亮度 值高。由于透射亮度值的差根据管电压的差而变大，因此这样很难在该情况 下直接进行运算。于是，为了尽量使没有对象物的背景的透射亮度值相等， 在射线源与图像增强器之间设置用于在高能量即管电压高的状态时降低透射 亮度值的滤波器。该滤波器最好是钨和铅等X射线吸收体。如果不是瞬间转 换插入了该滤波器的状况和卸下滤波器来降低管电压的状况，就不能实时地 确认差分状况。因此，在图3所示的旋转圆盘6中，用钨和/或铅金属板制成 什么都没有的窗或者厚度薄的X射线吸收窗以及厚度厚的X射线吸收窗，并 使其与摄像机同步来进行摄影。
此外，根据上述实施方式的方法，在测定对象物是高辐射剂量的情况下， 例如，在再处理燃料和/或高级别废弃物等中测定其内部状况和域密度等的情 况下，将在什么都没有的窗中由来自测定对象物的辐射剂量所产生的图像与 由中子或y射线所产生的透射图像相比，能减少基底的辐射剂量所产生的影 响，得到噪声少的图像。
工业实用性本发明的放射线照相术测定装置和放射线照相术测定方法能够在医疗诊 断和工业用无损检查的领域等中予以利用。因此，具有工业实用性。
权利要求
1、一种放射线照相术测定装置，其特征在于，具有中子反应体层，形成在放射线的入射窗中；针状的第一闪烁器层，形成在上述中子反应体层的上面，利用由上述中子反应体层与中子的反应所放出的α射线或电子射线进行发光；光电转换层，形成在上述第一闪烁器层的上面；电子透镜，对从上述光电转换层放出的电子进行加速；第二闪烁器层，利用已被上述电子透镜加速的电子进行发光；以及摄像机，对上述第二闪烁器层的发光进行摄像。
2、 根据权利要求l所述的放射线照相术测定装置，其特征在于， 上述第二闪烁器层是利用被上述电子透镜加速的电子发出多色光的彩色闪烁器层，上述摄像机是对上述彩色闪烁器层的发光进行摄像的彩色摄像机。
3、 根据权利要求1所述的放射线照相术测定装置，其特征在于， 上述中子反应体层由利用^B的(n， oO反应，从中子产生a射线的浓缩碳化硼构成。
4、 根据权利要求3所述的放射线照相术测定装置，其特征在于， 由浓縮碳化硼构成的上述中子反应体层的厚度是几pm l(^m。
5、 根据权利要求4所述的放射线照相术测定装置，其特征在于， 通过将粉末状的浓縮碳化硼凝固成小球状，用电子枪使该固体形的浓缩碳化硼蒸发而进行蒸镀，由此形成由浓縮碳化硼构成的上述中子反应体层。
6、 根据权利要求l所述的放射线照相术测定装置，其特征在于， 上述中子反应体层由金属钆构成。
7、 根据权利要求6所述的放射线照相术测定装置，其特征在于，由金属钆构成的上述中子反应体层的厚度是十几pm 几十pm。
8、 根据权利要求1所述的放射线照相术测定装置，其特征在于， 上述第一闪烁器层的厚度是几pm 一百nm。
9、 根据权利要求1所述的放射线照相术测定装置，其特征在于， 上述第一闪烁器层的厚度是几百^m 几mm，在上述入射窗的前面具有开闭机构，所述开闭机构在每规定时间反复形成设置有中子吸收体的状态和 未设置上述中子吸收体的状态，构成为，通过利用上述摄像机得到与上述幵闭机构同步的图像，就能够 交替地取得设置有上述中子吸收体的状态的图像和没有上述中子吸收体的状 态的图像。
10、 根据权利要求9所述的放射线照相术测定装置，其特征在于，上述 开闭机构具有圆形基板，交替地配置有由开口构成的窗和设置了中子吸收体的窗； 驱动机构，使上述基板旋转；以及 检测上述基板的旋转状况的机构。
11、 根据权利要求l所述的放射线照相术测定装置，其特征在于， 上述第一闪烁器层的厚度是几百pm 几mm，在上述入射窗的前面具有开闭机构，所述开闭机构在每规定时间反复形成设置有X射线吸收体的状态 和未设置上述X射线吸收体的状态， -构成为，通过利用上述摄像机得到与上述开闭机构同步的图像，就能够 交替地取得设置有上述X射线吸收体的状态的图像和没有上述X射线吸收体 的状态的图像。
12、 根据权利要求11所述的放射线照相术测定装置，其特征在于，上述 开闭机构具有圆形基板，交替地配置有由开口构成的窗和设置了 X射线吸收体的窗；驱动机构，使上述基板旋转；以及 检测上述基板的旋转状况的机构。
13、 一种放射线照相术测定方法，其特征在于， 利用中子反应体层，形成在放射线的入射窗中；针状的第一闪烁器层，形成在上述中子反应体层的上面，通过由上述中 子反应体层与中子的反应所放出的(X射线或电子射线进行发光；以及 光电转换层，形成在上述第一闪烁器层上面， 从入射的中子产生电子，利用电子透镜将该电子加速，利用所加速的电子使第二闪烁器层发光， 利用摄像机对该第二闪烁器层的发光进行摄像。
14、 根据权利要求13所述的放射线照相术测定方法，其特征在于，. 上述第二闪烁器层是利用被上述电子透镜加速的电子发出多色光的彩色闪烁器层，上述摄像机是对上述彩色闪烁器层的发光进行摄像的彩色摄像机。
全文摘要
本发明在入射窗(20)的铝基板(200)的内侧直接涂覆了中子反应体层(220)。在该中子反应体层(220)的内侧形成第一闪烁器层(201)，在第一闪烁器层(201)的内侧形成光电转换层(202)。中子反应体层(220)由浓缩碳化硼(¹⁰B₄C)构成，利用浓缩硼的(n，α)反应，从中子产生α射线。然后，用该α射线使第一闪烁器层(201)发光。
文档编号G01T3/06GK101669042SQ20088001321
公开日2010年3月10日 申请日期2008年4月24日 优先权日2007年4月24日
发明者小长井主税, 日塔光一, 角川清春 申请人:株式会社东芝