JP2001296363A - 放射線検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 放射線を蛍光体に照射し光電変換素子で検出
して放射線画像情報の記録や読取りを行なうに際して、
照射線量のダイナミックレンジを拡大する。 【解決手段】 検出器４２のコンデンサＣ２に蓄積し得
る最大蓄積電荷量Ｑ、１画素当たりに入射する放射線Ｌ
１の量子数Ｘ、蛍光体４１で放射線量子１つ当たりに発
生する光量子数Ｌ、蛍光体４１で発生した蛍光のフォト
ダイオードＳ１への入射効率Ｔ、フォトダイオードＰＤ
のフィルファクタＦ、フォトダイオードＰＤの光電荷変
換効率ηが、放射線の線量が１０ｍＲ〜３００ｍＲの範
囲内において、Ｘ・Ｌ・Ｔ・Ｆ・η≦Ｑを満足するよう
に、蛍光体４１と検出器４２との間に光吸収部材４９を
設けて入射効率Ｔを小さくする、蛍光体４１の発光波長
特性とフォトダイオードＰＤの波長感度特性を異ならし
めて光電荷変換効率ηを小さくする、発光量の小さい蛍
光体４１を用いて光量子数Ｌを小さくするの少なくとも
１つを施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、放射線を蛍光体に
照射して蛍光に変換し、この蛍光を光電変換素子で検出
することにより放射線画像情報の記録や読取りを行なう
放射線検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】今日、医療診断などを目的とする放射線
撮影において、放射線を検出して得た電荷を固体検出素
子の蓄電部に一旦蓄積し、該蓄積した電荷を放射線情報
を表す電気信号に変換して出力する放射線固体検出器を
使用する放射線画像記録読取装置が各種提案、実用化さ
れている。この装置において使用される放射線固体検出
器としては、種々のタイプのものが提案されているが、
放射線を電荷に変換する電荷生成プロセスの面からは、
例えば特開昭59-211263 号、特開平2-164067号、ＰＣＴ
国際公開番号ＷＯ92/06501号、SPIE Vol.1443 Medical
Imaging V;ImagePhysics(1991) ，p.108-119 などに提
案されているように、放射線を蛍光体に照射して蛍光に
変換し、蛍光体から発せられたで蛍光をＳｉやＳｅなど
の半導体からなる光電変換素子（フォトダイオード）で
検出して蛍光強度すなわち放射線強度に応じた量の信号
電荷を得、この信号電荷を光電変換素子と接続された容
量素子に蓄積する光変換方式のものがある。この光変換
方式のものにおいて容量素子に蓄積した信号電荷の量に
応じた電気信号（画像信号）を取得するに際しては、容
量素子と接続された信号線の途中に設けられたＴＦＴ
（薄膜トランジスタ）などのスイッチを走査駆動するＴ
ＦＴ読出方式が用いられる。

【０００３】ここで、放射線検出の用途として、上述の
ように蛍光体と光電変換素子の組み合わせからなる放射
線固体検出器とする場合、蛍光体としては、１）被検者
の被爆線量を少なくするために発光光率が高いこと、
２）放射線は物質中の透過が良く量子ノイズが非常に大
きいため、該量子ノイズを小さくし且つ高い発光を得る
めに放射線吸収の大きいこと、３）光電変換素子の波長
感度特性（分光感度特性）に合った発光波長特性である
こと（マッチングがとれていること）などが求められて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ここで、上記光変換方
式の放射線固体検出器を高鮮鋭度画像が要求される例え
ば医療用Ｘ線撮影に用いる場合、光電変換素子のピッチ
すなわち画素ピッチ（１画素の大きさ）は通常５０〜２
００μｍとされる。

【０００５】一方、光電変換素子を構成する層は誘電性
を有するので該光電変換素子を容量素子としても機能さ
せるのが一般的であり、前記画素ピッチに応じて容量素
子の容量も決まり、通常０．５〜２ｐＦ程度と小さく、
１つの容量素子が蓄積し得る最大蓄積電荷量も小さい。

【０００６】他方、蛍光体の放射線吸収を大きくするた
めには、蛍光体を厚くするのが一般的であり、凡そ５０
０μｍ程度の厚さのものが広く用いられている。

【０００７】ところが、放射線の吸収率を上げるため蛍
光体を厚くすると発光量も増加し、光電変換素子で発生
する電荷量も増え、発生電荷量が容量素子の最大蓄積電
荷量を越えてしまう（飽和する）ことになるため、容量
素子が飽和しない低線量の撮影しかできない、換言すれ
ば、放射線線量として十分なダイナミックレンジを確保
することができないという問題を生じる。

【０００８】例えば、蛍光体の発光波長特性と光電変換
素子の波長感度特性とがマッチングした、ＣｓＩ：Ｔｌ
蛍光体とＳｉを主成分とする光電変換素子との組み合わ
せやＣｓＩ：Ｎａ蛍光体とＳｅを主成分とする光電変換
素子との組み合わせでは、いずれも７〜１０ｍＲ程度の
ダイナミックレンジ（飽和限界の線量）しかない。

【０００９】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、量子ノイズを小さくするために蛍光体の放射線吸
収を大きくしても、放射線線量として十分なダイナミッ
クレンジを確保することができる放射線検出装置を提供
することを目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の放射線検出装置
は、蛍光体の放射線吸収を大きくしたまま光電変換素子
で生成される電荷量を小さくするようにすることで、放
射線量子ノイズを小さくしたまま十分なダイナミックレ
ンジを確保するように構成したことを特徴とするもので
あり、具体的には以下の通りである。すなわち、本発明
の第１の放射線検出装置は、ＣｓＩ：Ｔｌ蛍光体を用い
て放射線を蛍光に変換し、該蛍光をそれぞれが画素に対
応するＳｉを主成分とする光電変換素子により検出し、
該検出により得られた電荷を光電変換素子と接続された
容量素子に蓄積する放射線検出装置において、容量素子
に蓄積し得る最大蓄積電荷量Ｑ、１画素に入射する放射
線量子数Ｘ、蛍光体で放射線量子１つに発生する光量子
数Ｌ、蛍光体で発生した蛍光の光電変換素子への入射効
率Ｔ、光電変換素子のフィルファクタＦ、および光電変
換素子の光電荷変換効率ηが、放射線の線量が１０ｍＲ
〜３００ｍＲの範囲内において条件式Ｘ・Ｌ・Ｔ・Ｆ・
η≦Ｑを満足するものであることを特徴とするものであ
る。

【００１１】本発明の第２の放射線検出装置は、Ｃｓ
Ｉ：Ｎａ蛍光体を用いて放射線を蛍光に変換し、該蛍光
をそれぞれが画素に対応するＳｅを主成分とする光電変
換素子により検出し、該検出により得られた電荷を光電
変換素子と接続された容量素子に蓄積する放射線検出装
置において、容量素子に蓄積し得る最大蓄積電荷量Ｑ、
１画素に入射する放射線量子数Ｘ、蛍光体で放射線量子
１つに発生する光量子数Ｌ、蛍光体で発生した蛍光の光
電変換素子への入射効率Ｔ、光電変換素子のフィルファ
クタＦ、および光電変換素子の光電荷変換効率ηが、放
射線の線量が１０ｍＲ〜３００ｍＲの範囲内において条
件式Ｘ・Ｌ・Ｔ・Ｆ・η≦Ｑを満足するものであること
を特徴とするものである。

【００１２】上記条件式の左辺は所望の放射線線量下に
おける光電変換素子で発生する電荷量を表すから、上記
条件式は、放射線線量１０ｍＲ〜３００ｍＲの範囲内に
おいて、光電変換素子で発生する電荷量が容量素子に蓄
積し得る最大蓄積電荷量Ｑ以下となることを示してい
る。

【００１３】本発明の第１および第２の放射線検出装置
においては、具体的手段として、１）蛍光体と光電変換
素子との間に光吸収部材を設けて入射効率Ｔを小さくす
る、２）蛍光体の発光波長特性と光電変換素子の波長感
度特性を異ならしめて光電荷変換効率ηを小さくする、
３）発光量の小さい蛍光体を用いて光量子数Ｌを小さく
する、の少なくとも１つ、すなわち１）〜３）のいずれ
か１つあるいはこれらの任意の組み合わせにより上記条
件式を満足させるようにする。

【００１４】本発明の第１および第２の放射線検出装置
においては、それぞれ多数の光電変換素子および容量素
子が２次元状に分布して蛍光体と一体的に形成されてい
るものとすることができる。

【００１５】

【発明の効果】本発明の放射線検出装置によれば、放射
線の線量が１０ｍＲ〜３００ｍＲの範囲内において、光
電変換素子で発生する電荷量が容量素子に蓄積し得る最
大蓄積電荷量Ｑ以下となる条件式を規定しており、上記
条件式を満足する限り、光電変換素子の発生電荷量が容
量素子の最大蓄積電荷量Ｑを越えることがないので、蛍
光体の放射線吸収を大きくし放射線量子ノイズを小さく
したままで、放射線照射量として十分なダイナミックレ
ンジを確保することができる。

【００１６】本発明の放射線検出装置を、それぞれ多数
の光電変換素子および容量素子が２次元状に分布して蛍
光体と一体的に形成されているものとすれば、蛍光体と
光電変換素子との間隙によるボケを少なくすることがで
き、また装置をコンパクトにすることができる。

【００１７】一方、蛍光体と光電変換素子などとを別体
に形成すれば、上記条件式を満足させる際に、一方の特
性に応じて他方の特性などを設定できるので、融通性、
交換性に富んだ装置とすることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について詳細に説明する。図１は本発明の一実
施形態の放射線検出装置を備えた放射線画像撮影読取装
置の構成を示す概略図である。

【００１９】図１に示すように、この放射線画像撮影読
取装置１は、放射線を発するＸ線発生部２００と記録読
取部４００と制御部６００と画像処理部７００とからな
る。

【００２０】Ｘ線発生部２００は、高圧発生電源２７と
放射線源２８とＸ線絞り２９とを有する。放射線源２８
は、制御部６００により制御される高圧発生電源２７に
よって駆動されＸ線ビームＬ１を放射する。Ｘ線絞り２
９は、制御部６００により駆動され撮像領域の変更に伴
い不必要な領域へのＸ線照射を行わないようにＸ線ビー
ムＬ１を整形する。整形されたＸ線ビームＬ１はＸ線透
過性の撮影用寝台３００の上に横たわった被写体（被検
査体）９に向けられる。撮影用寝台３００は、制御部６
００の指示に基づいてＸ線ビームＬ１の照射方向と直交
する２次元方向に駆動される。Ｘ線ビームＬ１は、被写
体９および撮影用寝台３００を透過した後に記録読取部
４００に照射される。

【００２１】記録読取部４００は、蛍光体４１と２次元
検出器（２次元画像記録読取手段）としての放射線固体
検出器４２と駆動検出回路５００とを有する。蛍光体４
１上（放射線源２８側）には特定方向からの放射線のみ
を該蛍光体４１へ導出するグリッド板４６が配されてい
る。蛍光体４１と検出器４２との間には、後述するよう
に必要に応じて光吸収部材４９が配される。なお、蛍光
体４１と検出器４２とを一体的に構成して光変換方式の
放射線固体検出器としてもよい。また、光吸収部材４９
を配するときには、この光吸収部材４９をも蛍光体４１
および検出器４２と一体的に構成されたものとしてもよ
い。

【００２２】グリッド板４６は、被写体９を透過するこ
とによって生じるＸ線散乱の影響を低減するために配さ
れたものであり、ＡｌなどのＸ線低吸収物質（放射線透
過物質）とＰｂなどのＸ線高吸収物質とが交互に所定の
グリッドピッチで配列されたストライプ構造をなしてい
る。これにより、被写体９内で散乱された放射線がグリ
ッド板４６のＸ線高吸収物質で吸収され、散乱放射線に
よる画像品質の劣化という問題を解消することができ
る。なお、検出器４２とグリッド板４６との格子比の関
係によるモアレが目立たないように、本出願人が特開２
０００−６０８４３号に提案しているように、検出器４
２の画素ピッチ（光電変換素子の配列ピッチ）とグリッ
ド板４６の格子ピッチとの間に所定の関係を持たせた
り、あるいは撮影時にグリッド板４６を振動させるとよ
い。

【００２３】蛍光体４１では、エネルギーの高いＸ線に
よって蛍光体の母体物質が励起され（吸収）され、再結
合する際の再結合エネルギーにより可視領域の蛍光が得
られる。

【００２４】ここでは、後述するように光電変換素子と
してａ−Ｓｉ（アモルファスシリコン）からなるものを
使用するので、このａ−Ｓｉの波長感度特性に合った発
光波長特性を有する（マッチングがとれた）ＣｓＩ：Ｔ
ｌ蛍光体を蛍光体４１として使用することとする。な
お、ａ−ＳｅなどＳｅを主成分とする光電変換素子との
組み合わせでは同様にａ−ＳｅとマッチングがとれたＣ
ｓＩ：Ｎａ蛍光体を使用する。

【００２５】放射線固体検出器４２は、例えば厚さ3mm
の石英ガラスからなる絶縁基板（不図示）にアモルファ
ス半導体膜を挟んで透明導電膜と導電膜とからなる所定
の画素ピッチでＸ方向およびＹ方向にマトリックス状に
配された夫々が画素に対応する複数個の光電変換素子４
４、該光電変換素子４４で光電変換された信号電荷を駆
動検出回路５００側へ転送するＴＦＴ等のスイッチング
素子４５、およびスイッチング素子４５と接続され互い
に直交するようにマトリックス状にパターン形成された
複数の信号線と走査線とから構成されたものである。な
お通常、駆動検出回路５００は光電変換素子４４などと
ともに絶縁基板に一体的に形成される。

【００２６】各光電変換素子４４は誘電体で形成されて
おり、該光電変換素子４４は容量素子としても機能す
る。すなわち、光電変換素子４４で光電変換された信号
電荷が光電変換素子４４内に潜像電荷として蓄積され
る。

【００２７】この放射線画像撮影読取装置１において、
放射線固体検出器４２に放射線画像情報を記録して読み
出すに際しては、先ず蛍光体４１側が放射線源２８側と
なるように配置し、蛍光体４１に被写体９を透過した放
射線を照射する。放射線が蛍光体４１に直接入射して可
視光に変換され、光電変換素子４４により光電変換され
て放射線画像情報を担持する潜像電荷が容量素子として
も機能する光電変換素子４４に蓄積される。この潜像電
荷は光電変換素子４４に対応して設けられたスイッチン
グ素子４５を制御部６００の制御に基づいて走査駆動す
ることにより駆動検出回路５００側へ転送され画像信号
として出力され、さらに画像処理部７００において所望
の画像処理が施されてＣＲＴなどに可視画像として再生
出力される。

【００２８】図２は放射線固体検出器４２の３×３画素
分と駆動検出回路５００との接続態様を示した概略図で
ある。図中Ｓｎが光電変換素子４４の光電変換素子とし
て機能する部分（以下フォトダイオードという）を示
し、Ｃｎが光電変換素子４４の容量素子として機能する
部分（以下コンデンサという）を示し、Ｔｎがスイッチ
ング素子４５として機能する部分（以下ＴＦＴという）
を示す。なおｎは任意の正の整数である。

【００２９】図３は放射線固体検出器４２の１画素分を
用いて撮影読取装置１を示した概略図である。光電変換
素子４４の内部には図２のＳｎに対応するフォトダイオ
ードＰＤと、容量素子として機能するコンデンサＣ１お
よび図２のＣｎに対応するＣ２が形成され、コンデンサ
Ｃ２が信号電荷を蓄積する部分として機能する。

【００３０】先ずシフトレジスタＳＲ１，ＳＲ２により
制御配線ｇ１〜ｇ３、ｓ１〜ｓ３にＨ（ハイ）が印加さ
れる。すると転送用のＴＦＴ１１〜ＴＦＴ３３とスイッ
チＭ１〜Ｍ３がオンし導通し、検出アンプＡ１のイマジ
ナリショートを介して、全フォトダイオードＳ１１〜Ｓ
３３のＤ電極はＧＮＤ電位になる。

【００３１】このとき、リフレッシュ制御回路ＲＦがＨ
を出力しスイッチＳＷｇがオンし全フォトダイオードＳ
１１〜Ｓ３３のＧ電極はリフレッシュ用電源Ｖｇにより
正電位になる。すると全フォトダイオードＳ１１〜Ｓ３
３はリフレッシュモードになりリフレッシュされる。

【００３２】次にリフレッシュ制御回路ＲＦがＬ（ロ
ー）を出力しスイッチＳＷｓがオンし全フォトダイオー
ドＳ１１〜Ｓ３３のＧ電極は読取用電源Ｖｓにより負電
位になる。すると全フォトダイオードＳ１１〜Ｓ３３は
光電変換モードになり同時にコンデンサＣ１１〜Ｃ３３
は初期化される。この状態でシフトレジスタＳＲ１およ
びＳＲ２により制御配線ｇ１〜ｇ３、ｓ１〜ｓ３にＬが
印加される。すると転送用のＴＦＴ１１〜ＴＦＴ３３の
スイッチＭ１〜Ｍ３がオフし、全フォトダイオードＳ１
１〜Ｓ３３のＤ電極はＤＣ的にはオープンになるがコン
デンサＣ１１〜Ｃ３３によって電位は保持される。

【００３３】しかし、この時点ではＸ線は入射されてい
ないため全フォトダイオードＳ１１〜Ｓ３３には光は入
射されず光電流Ｉは流れない。この状態でＸ線がパルス
的に出射され人体等を通過し蛍光体ＣｓＩ：Ｔｌに入射
すると光に変換され、その光がそれぞれのフォトダイオ
ードＳ１１〜Ｓ３３に入射する。この光は人体等の内部
構造の情報が含まれている。この光により流れた光電流
Ｉは電荷としてそれぞれのコンデンサＣ１１〜Ｃ３３
（図３のコンデンサＣ２）に蓄積されＸ線の入射終了後
も保持される。

【００３４】なお図２では３×３画素分しか示していな
いが、実際には、光電変換素子などを行列（２次元）状
に、例えば画素ピッチ５０〜２００μｍの範囲内で２０
００×２０００画素分〜５００×５０００画素分程度で
分布させた２次元検出器として構成され、その面積は例
えば２００ｍｍ×２００ｍｍ〜５００ｍｍ×５００ｍｍ
程度とされる。例えば４０９６×４０９６の画素から構
成され、面積を４３０ｍｍ×４３０ｍｍとすれば、１画
素のサイズは約１０５μｍとなる。このときの容量素子
部分の容量は１．０ｐＦ程度である。

【００３５】図４は放射線固体検出器の素子構造の概略
平面図を示したものであって、４画素分の光電変換素子
およびスイッチング素子を表している。図中斜線を付し
た部分５３が蛍光体４１からの蛍光を受光する受光面で
ある。この検出器５２は、光電変換素子５４、光電変換
素子５４で光電変換された信号電荷を駆動検出回路５０
０側へ転送するスイッチング素子５５、該スイッチング
素子５５を制御する走査線５６、駆動検出回路５００へ
結線される信号線５７、光電変換素子５４にバイアスを
与える電源ライン５８、および光電変換素子５４とスイ
ッチング素子５５を接続するためのコンタクトホール５
９から成る。

【００３６】図５は、図４内Ａ−Ｂで切断した断面図で
ある。この図５を参照して、放射線固体検出器５２の形
成方法について説明する。

【００３７】先ず絶縁基板６０上にスパッタ法や抵抗加
熱法によりクロムＣｒを第１の金属薄膜層６１を約５０
０オングストローム蒸着し、フォトリソグラフィにより
パターニングし、不必要な領域をエッチングにより除去
する。この第１の金属薄膜層６１は光電変換素子５４の
下部電極およびスイッチング素子５５のゲート電極とな
る。

【００３８】次いでＣＶＤ法により同一真空内でエレク
トロンおよびホールの通過を阻止するアモルファスチッ
カシリコン絶縁層（ａ−ＳｉＮ_Ｘ ）６２、水素化アモ
ルファスシリコン光電変換層（ａ−Ｓｉ：Ｈ）６３、ホ
ールキャリアの注入を阻止するＮ型の注入阻止層（Ｎ＋
層）６４を、夫々略２０００、５０００、５００オング
ストロームずつ順次積層させる。これらの各層は光電変
換素子５４の絶縁層／光電変換半導体層／ホール注入阻
止層となり、またスイッチング素子５５のゲート絶縁膜
／半導体層／オーミックコンタクト層となる。さらに、
これら各層は第１の金属薄膜層６１と第２の金属薄膜層
６５とのクロス部分（図４中の５１で示す部分）の絶縁
層としても利用される。

【００３９】各層を積層した後、コンタクトホール５９
となる領域をＲＩＥまたはＣＤＥ等でドライエッチング
し、その後第２の金属薄膜層６５としてのアルミニウム
Ａｌをスパッタ法や抵抗加熱法で、略１００００オング
ストローム積層させる。さらにフォトリソグラフィによ
りパターニングし不必要な領域をエッチングにより除去
する。

【００４０】第２の金属薄膜層６５は、光電変換素子５
４の上部電極、スイッチング素子５５のソース、ドレイ
ン電極、その他の配線類（走査線５６、信号線５７およ
び電源ライン５８）となる。また第２の金属薄膜層６５
の製膜と同時にコンタクトホール５９部で第１および第
２の金属薄膜層が接続される。

【００４１】さらに、スイッチング素子５５のチャネル
部を形成するために、ソース電極、ドレイン電極間の一
部をＲＩＥ法でエッチングし、その後、不必要なａ−Ｓ
ｉＮ _Ｘ 層、ａ−Ｓｉ：Ｈ層、Ｎ＋層をＲＩＥ法でエッ
チングすることで、各素子が分離される。これにより光
電変換素子５４、スイッチング素子５５、走査線５６、
信号線５７および電源ライン５８が形成される。

【００４２】なお図５では２画素分のみを図示している
が、多数の画素が同時に絶縁基板６０上に形成されるの
は勿論である。最後に耐湿性向上の目的で、各素子や配
線類をＳｉＮ_Ｘ のパッシベーション膜（保護膜）６６
で被覆する。

【００４３】このように、光電変換素子５４、スイッチ
ング素子５５、配線類を、同時に積層された共通の第１
の金属薄膜層６１、ａ−ＳｉＮ_Ｘ 層６２、ａ−Ｓｉ：
Ｈ層６３、Ｎ＋層６４および第２の金属薄膜層６５をエ
ッチング処理するのみで形成することができる。このと
き、光電変換素子５４内には注入阻止層（Ｎ＋層）６４
が１箇所しかなく、かつ同一真空内で形成することがで
きる。

【００４４】したがって、既存のＣＶＤ装置やスパッタ
装置等の薄膜作成装置を容易に用いることができ、簡易
な工程で且つその工程数も少なく、さらに高歩留まり率
で且つ安価に、大面積で高性能の光変換方式の２次元画
像読取装置を生産することができる。

【００４５】なお上記の説明において、ホールと電子を
逆にして構成することも可能である。例えば注入阻止層
はｐ層でもよく、この場合電圧や電界の印加を逆にし、
他の構成部分を構成すれば同様の動作をするものを製造
することができる。さらに、光電変換半導体層は光が入
射して電子、ホール対を発生する光電変換機能を有して
いればよい。層構成も１層ではなく多層で構成してもよ
い。

【００４６】同様に、スイッチング素子においても、ゲ
ート電極、ゲート絶縁膜、チャネル形成が可能な半導体
層、オーミックコンタクト層、主電極があればよい。例
えば、オーミックコンタクト層はｐ層でもよく、この場
合ゲート電極の制御の電圧を逆にしてホールをキャリア
として使用するものとすればよい。

【００４７】次に、上記の蛍光体４１と放射線固体検出
器４２との組み合わせにおいて生じ得る問題とその解決
法について説明する。図６は放射線固体検出器４２のダ
イナミックレンジを説明するための図である。

【００４８】上述のように、１画素の大きさを５０〜２
００μｍ程度とすると、容量素子部分の容量は０．５〜
２ｐＦ程度と小さく、１つの容量素子が蓄積し得る最大
蓄積電荷量Ｑも小さい。例えば１画素の容量をＣ
（Ｆ）、この容量に印加される電圧をＶ（Ｖ）、素電荷
をｑ＝１．６ｅ^−１９ （Ｃ）とすると、この画素に蓄
積できる最大蓄積電荷量Ｑは、Ｑ＝Ｃ・Ｖ／ｑ（electr
on）となる。

【００４９】一方、放射線撮影時には、よく知られてい
るように量子ノイズを小さくするために蛍光体を厚くし
て放射線吸収を大きくする必要がある。例えば凡そ５０
０μｍ程度の厚さの蛍光体を使用する。ところが、放射
線の吸収率を上げるため蛍光体を厚くすると発光量も増
加し、光電変換素子で発生する電荷量も増え、上記Ｃｓ
Ｉ：Ｔｌ蛍光体とＳｉを主成分とする光電変換素子との
組み合わせでは図６のａ矢指の線で示すように７〜１０
ｍＲ程度のダイナミックレンジ（飽和限界の線量）しか
ないなど、発生電荷量が容量素子の最大蓄積電荷量Ｑを
越えてしまう（飽和する）ことになるため、容量素子が
飽和しない低線量の撮影しかできず、放射線線量として
十分なダイナミックレンジを確保することができないと
いう問題を生じる。

【００５０】一方、容量素子に蓄積し得る最大蓄積電荷
量をＱ、１画素に入射するＸ線量子数をＸ、ＣｓＩ：Ｔ
ｌ蛍光体でＸ線量子１つに発生する光量子数をＬ、Ｃｓ
Ｉ：Ｔｌ蛍光体で発生した蛍光の光電変換素子への入射
効率をＴ、光電変換素子のフィルファクタをＦ、および
光電変換素子の光電荷変換効率をηとしたとき、放射線
の照射により光電変換素子が発生する発生電荷量Ｑ０は
Ｘ・Ｌ・Ｔ・Ｆ・ηで表すことができる。したがって放
射線の線量が１０ｍＲ〜３００ｍＲなどの高線量の撮影
条件下において、この発生電荷量Ｑ０が容量素子の最大
蓄積電荷量Ｑを越えないようにすれば十分なダイナミッ
クレンジを確保することができる。つまり、放射線の線
量が１０ｍＲ〜３００ｍＲの範囲内において、発生電荷
量Ｑ０＝Ｘ・Ｌ・Ｔ・Ｆ・η≦最大蓄積電荷量Ｑを満足
すればよい。

【００５１】ここで、光電変換素子に入射するＸ線量子
数Ｘは放射線の線量に比例するから、所望の最大検出Ｘ
線量におけるＸ線量子数Ｘで前記条件式を満足させる必
要があり、また光電変換素子を容量素子としても機能さ
せる一般の構成においては光電変換素子で発生する電荷
量および容量が面積に比例するためフィルファクタＦを
変えることによって改善することができない。すなわ
ち、フィルファクタＦを小さくすると発生電荷量が減る
が容量したがって最大蓄積電荷量Ｑも減ってしまい改善
できない。したがって、蛍光体のＸ線吸収を大きくしＸ
線量子ノイズを小さくしたまま十分なダイナミツクレン
ジを確保するためには、具体的には、入射効率Ｔ、光量
子数Ｌ、および光電荷変換効率ηのうちのいずれか１
つ、あるいはこれらの任意の組み合わせによる積を小さ
くすることにより前記条件式を満足させる必要がある。
以下、これらの方法について各別に説明する。

【００５２】＜第１の方法＞蛍光体４１と光電変換素子
４３との間に、図１に示すように光吸収部材（蛍光吸収
層）４９を設けて、入射効率（前記光吸収部材４９の透
過率）Ｔを小さくするとよい。

【００５３】＜第２の方法＞蛍光体４１の発光波長特性
と光電変換素子４３の波長感度特性を異ならしめて光電
荷変換効率ηを小さくするとよい。

【００５４】ＣｓＩ：Ｔｌ蛍光体の発光中心波長（極大
発光波長）は５６５ｎｍ（蛍光体ハンドブック；オーム
社より）なので、通常波長５６０〜５８０nm程度の緑色
光に対して高感度とされるａ−Ｓｉフォトダイオードの
感度中心波長をずらして、光電変換素子の５６５ｎｍに
おける光電荷変換量子効率を通常のものよりも低下させ
る（最適にする）。

【００５５】具体的には、光電変換素子４３の光吸収は
よく知られているようにバンドギャップの大きさによっ
て変わり、このバンドギャップの大きさは不純物のドー
プ量やドープ材にも依存するので、不純物のドープを適
宜調整するとよい。

【００５６】また、光電変換素子４３の成膜条件や膜厚
さを変えることによってもバンドギャップを変えること
ができるので、成膜条件や膜厚さを適宜調整してもよ
い。例えば、ＣＶＤ法を用いてａ−Ｓｉフォトダイオー
ドを成膜する場合であれば、成膜時間を調整することに
より、図５に示した水素化アモルファスシリコン光電変
換層（ａ−Ｓｉ：Ｈ）６３の膜厚を変えて波長感度特性
を変えることができる。

【００５７】＜第３の方法＞発光量の小さい蛍光体を用
いて光量子数Ｌを小さくするとよい。蛍光体の発光量を
抑えるため蛍光体賦活材量としてのＴｌを通常６ｐｐｍ
程度の濃度（母体１モルに対するグラム原子数）が最適
とされるものを適宜調整するとよい。

【００５８】なお、上記方法はそれぞれ単独で施しても
よいが、組み合わせて行なうようにすると、上記条件式
を満足させるのが容易である。放射線が高線量になれば
なるほど組み合わせて行なうのが好ましい。

【００５９】なお、上記各方法はＣｓＩ：Ｎａ蛍光体と
Ｓｅを主成分とする光電変換素子との組み合わせにおい
ても、同様に適用することができる。例えばＣｓＩ：Ｎ
ａ蛍光体の発光中心波長（極大発光波長）は４２０ｎｍ
（蛍光体ハンドブック；オーム社より）なので、通常、
波長４００〜４３０nm程度の青色光に対して高感度とさ
れるａ−Ｓｅフォトダイオードの感度中心波長をずらし
て、光電変換素子の４２０ｎｍにおける光電荷変換量子
効率を適宜調整するなどすればよい。

【００６０】以下に、ＣｓＩ：Ｔｌ蛍光体とＳｉを主成
分とする光電変換素子との組み合わせにおいて、各線量
に応じた具体的な実施例を示す。なおＣｓＩ：Ｔｌ蛍光
体およびａ−Ｓｉフォトダイオードとして標準的なもの
を使用したとき、容量素子の容量Ｃ＝２ｐＦ、印可電圧
Ｖ＝５Ｖで、最大蓄積電荷量Ｑ＝６×１０^７ （electr
on）であるとする。また、ＣｓＩ：Ｔｌ蛍光体でＸ線量
子１つ当たりに発生する光量子数Ｌ＝２０００、光電変
換素子のフィルファクタＦ＝７０％、光電変換素子の光
電荷変換効率η＝８０％であるとする。

【００６１】＜＜実施例１：１０ｍＲ＞＞１０ｍＲ時に
１画素当たりに入射するＸ線量子数Ｘは７×１０^４ で
ある。 ＜第１の方法：蛍光吸収部材を使用のとき＞蛍光吸収部
材４９として、入射効率Ｔ＝５０％とする光学フィルタ
を蛍光体４１と検出器４２との間に設ける。発生電荷量
Ｑ０＝Ｘ・Ｌ・Ｔ・Ｆ・η＝３．９×１０⁷ ≦最大蓄積
電荷量Ｑ＝６×１０⁷ を満足させることができた。

【００６２】＜第２の方法のその１：ドープ調整のとき
＞図７のａに示した光電変換素子の標準的な波長感度特
性を、例えばホウ素ドープ量を調整することによりｂに
示すようにピーク波長を長波長側にシフトすることがで
き、光電荷変換効率ηを６０％にすることができる。こ
れにより発生電荷量Ｑ０＝Ｘ・Ｌ・Ｔ・Ｆ・η＝４．７
×１０⁷ ≦最大蓄積電荷量Ｑ＝６×１０⁷を満足させる
ことができた。

【００６３】＜第２の方法のその２：製膜条件あるいは
膜厚調整のとき＞図７のａに示した光電変換素子の標準
的な波長感度特性を、成膜速度を変えるなどによりｃに
示すようにピーク波長を長波長側にシフトすることで、
光電荷変換効率ηを６０％にすることができ、発生電荷
量Ｑ０＝Ｘ・Ｌ・Ｔ・Ｆ・η＝４．７×１０⁷ ≦最大蓄
積電荷量Ｑ＝６×１０⁷ を満足させることができた。

【００６４】また、膜厚を１μｍから０．３μｍとする
ことで、光電変換効率ηを８０％から５０％へ、また薄
膜化により容量Ｃが２ｐＦから４ｐＦとなり、発生電荷
量Ｑ０＝Ｘ・Ｌ・Ｔ・Ｆ・η＝４．９×１０⁷ ≦最大蓄
積電荷量Ｑ＝１．２×１０⁸とすることができた。

【００６５】＜第３の方法：Ｔｌのドープ量を調整のと
き＞Ｔｌを３ｐｐｍドープしたとき蛍光体でＸ線量子１
つ当たりに発生する光量子数Ｌ＝１２００とすることが
でき、発生電荷量Ｑ０＝Ｘ・Ｌ・Ｔ・Ｆ・η＝４．７×
１０⁷ ≦最大蓄積電荷量Ｑ＝６×１０⁷ を満足させるこ
とができた。

【００６６】＜＜実施例２：１００ｍＲ＞＞１００ｍＲ
時に１画素当たりに入射するＸ線量子数Ｘは７×１０⁵
である。上記実施例１に示した各方法だけでは条件式を
満足しないので、蛍光吸収部材と薄膜化とを組合わせ
る、すなわち例えば入射効率Ｔ＝２０％とする蛍光吸収
部材４９を使用するとともに光電変換素子を薄膜化する
こととした。これにより、発生電荷量Ｑ０＝Ｘ・Ｌ・Ｔ
・Ｆ・η＝１×１０⁸ ≦最大蓄積電荷量Ｑ＝１．２×１
０⁸ を満足させることができた。

【００６７】＜＜実施例３：３００ｍＲ＞＞３００ｍＲ
時に１画素当たりに入射するＸ線量子数Ｘは２×１０⁶
である。上記実施例２に示した組み合わせ方法だけでは
条件式を満足しないので、さらに入射効率Ｔ＝１０％の
蛍光吸収部材４９、光電変換素子の成膜条件の調整およ
び薄膜化を組み合わせることとした。これにより、発生
電荷量Ｑ０＝Ｘ・Ｌ・Ｔ・Ｆ・η＝１×１０⁸ ≦最大蓄
積電荷量Ｑ＝１．２×１０⁸ を満足させることができ
た。

【００６８】以上のように上記ＣｓＩ：Ｔｌ蛍光体とＳ
ｉを主成分とする光電変換素子との組み合わせにおいて
も、図６のｂ矢指の線で示すように１０〜３００ｍＲ程
度まで放射線線量のダイナミックレンジを拡大すること
ができた。

【００６９】次にＣｓＩ：Ｎａ蛍光体とＳｅを主成分と
する光電変換素子との組み合わせにおいて、各線量に応
じた具体的な実施例を示す。なおＣｓＩ：Ｎａ蛍光体お
よびａ−Ｓｅフォトダイオードとして標準的なものを使
用したとき、容量素子の容量Ｃ＝２ｐＦ、印可電圧Ｖ＝
５Ｖで、最大蓄積電荷量Ｑ＝６×１０⁷ （electron）で
あるとする。また、ＣｓＩ：Ｎａ蛍光体でＸ線量子１つ
当たりに発生する光量子数Ｌ＝２０００、光電変換素子
のフィルファクタＦ＝７０％、光電変換素子の光電荷変
換効率η＝２０％であるとする。

【００７０】＜＜実施例４：１００ｍＲ＞＞１００ｍＲ
時に１画素当たりに入射するＸ線量子数Ｘは７×１０⁵
である。 ＜第１の方法：蛍光吸収部材を使用のとき＞蛍光吸収部
材４９として、入射効率Ｔ＝３０％とする光学フィルタ
を蛍光体４１と検出器４２との間に設ける。発生電荷量
Ｑ０＝Ｘ・Ｌ・Ｔ・Ｆ・η＝５．９×１０⁷ ≦最大蓄積
電荷量Ｑ＝６×１０⁷ を満足させることができた。

【００７１】＜第２の方法：製膜条件あるいは膜厚調整
のとき＞図８はＳｅを主成分とする放射線固体検出器の
素子構造の一例を示した概略断面図であり、上記図５に
対応するものである。例えばａ−Ｓｅを使用する場合、
ａ−Ｓｉを用いる場合と異なりエッチングにより光電変
換素子部分を形成するのは難しい。したがって、まずマ
スクを用いて絶縁基板６０上に電極としての第１の金属
薄膜層６１をパターン化する。また絶縁基板６０上にス
イッチング素子５５の部分をａ−Ｓｉを用いた場合と同
様の方法で形成する。その後第１の金属薄膜層６１およ
びスイッチング素子５５上にａ−Ｓｅ層６７を、第１の
金属薄膜層６１の部分の厚さが０．８μｍとなるように
成膜する。次にａ−Ｓｅ層６７上の第１の金属薄膜層６
１と対向する部分に電極としての第２の金属薄膜層６５
をパターン化して光電変換素子５４を形成する。第１お
よび第２の金属薄膜層６１，６５としては例えば２０μ
ｍ程度のＡｌとすればよい。最後に全体をＰＥＴなどの
保護フィルム６６で被覆する。

【００７２】ここで、ａ−Ｓｅ層６７の膜厚を０．８μ
ｍから０．２μｍにすると、容量が２ｐＦから８ｐＦと
なり、Ｑ０＝Ｘ・Ｌ・Ｔ・Ｆ・η＝２×１０⁸ ≦最大蓄
積電荷量Ｑ＝２．５×１０⁸ を満足させることができ
た。

【００７３】＜＜実施例５：３００ｍＲ＞＞３００ｍＲ
時に１画素当たりに入射するＸ線量子数Ｘは２×１０⁶
である。蛍光吸収部材と薄膜化とを組み合わせることに
より、発生電荷量Ｑ０＝Ｘ・Ｌ・Ｔ・Ｆ・η＝ １．７
×１０⁸ ≦最大蓄積電荷量Ｑ＝２．５×１０⁸ を満足さ
せることができた。

【００７４】以上のように上記ＣｓＩ：Ｎａ蛍光体とＳ
ｅを主成分とする光電変換素子との組み合わせにおいて
も、図６のｃ矢指の線で示すように１０〜３００ｍＲ程
度まで放射線線量のダイナミックレンジを拡大すること
ができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の放射線検出装置を備えた
放射線画像撮影読取装置の構成を示す概略図

【図２】放射線固体検出器の３×３画素分と駆動検出回
路との接続態様を示した概略図

【図３】放射線固体検出器の１画素分を用いて撮影読取
装置を示した概略図

【図４】Ｓｉを主成分とする放射線固体検出器の素子構
造の概略平面図

【図５】図４内Ａ−Ｂで切断した断面図

【図６】放射線固体検出器のダイナミックレンジを説明
するための図

【図７】光電変換素子の波長感度特性と蛍光体の発光波
長特性の一例を示した図

【図８】Ｓｅを主成分とする放射線固体検出器の素子構
造の概略断面図

【符号の説明】

１ 放射線画像撮影読取装置 ４１ 蛍光体 ４２ 放射線固体検出器 ４４ 光電変換素子 Ｓｎ フォトトランジスタ Ｃｎ コンデンサ ４９ 光吸収部材 Ｌ１ Ｘ線ビーム ２００ Ｘ線発生部 ４００ 記録読取部 ５００ 駆動検出回路 ６００ 制御部 ７００ 画像処理部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＣｓＩ：Ｔｌ蛍光体を用いて放射線を
   蛍光に変換し、該蛍光をそれぞれが画素に対応するＳｉ
   を主成分とする光電変換素子により検出し、該検出によ
   り得られた電荷を前記光電変換素子と接続された容量素
   子に蓄積する放射線検出装置において、 前記容量素子に蓄積し得る最大蓄積電荷量Ｑ、１画素に
   入射する放射線量子数Ｘ、前記蛍光体で前記放射線量子
   １つに発生する光量子数Ｌ、前記蛍光体で発生した前記
   蛍光の前記光電変換素子への入射効率Ｔ、前記光電変換
   素子のフィルファクタＦ、および前記光電変換素子の光
   電荷変換効率ηが、前記放射線の線量が１０ｍＲ〜３０
   ０ｍＲの範囲内において、条件式Ｘ・Ｌ・Ｔ・Ｆ・η≦
   Ｑを満足するものであることを特徴とする放射線検出装
   置。
2. 【請求項２】 ＣｓＩ：Ｎａ蛍光体を用いて放射線を
   蛍光に変換し、該蛍光をそれぞれが画素に対応するＳｅ
   を主成分とする光電変換素子により検出し、該検出によ
   り得られた電荷を前記光電変換素子と接続された容量素
   子に蓄積する放射線検出装置において、 前記容量素子に蓄積し得る最大蓄積電荷量Ｑ、１画素に
   入射する放射線量子数Ｘ、前記蛍光体で前記放射線量子
   １つに発生する光量子数Ｌ、前記蛍光体で発生した前記
   蛍光の前記光電変換素子への入射効率Ｔ、前記光電変換
   素子のフィルファクタＦ、および前記光電変換素子の光
   電荷変換効率ηが、前記放射線の線量が１０ｍＲ〜３０
   ０ｍＲの範囲内において、条件式Ｘ・Ｌ・Ｔ・Ｆ・η≦
   Ｑを満足するものであることを特徴とする放射線検出装
   置。
3. 【請求項３】 １）前記蛍光体と前記光電変換素子と
   の間に光吸収部材を設けて前記入射効率Ｔを小さくす
   る、２）前記蛍光体の発光波長特性と前記光電変換素子
   の波長感度特性を異ならしめて前記光電荷変換効率ηを
   小さくする、３）発光量の小さい前記蛍光体を用いて前
   記光量子数Ｌを小さくする、の少なくとも１つにより前
   記条件式が満足されていることを特徴とする請求項１ま
   たは２記載の放射線検出装置。
4. 【請求項４】 それぞれ多数の前記光電変換素子およ
   び前記容量素子が２次元状に分布して前記蛍光体と一体
   的に形成されていることを特徴とする請求項１から３い
   ずれか１項記載の放射線検出装置。