JP2003502868A - Ｘ線検出器システムのための検出器モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、エネルギー感受性のＸ線測定を実行するための検出器モジュールに関する。検出器モジュールは、放射源に指向され、複数の検出器エレメントが設けられた第１の面を備え、放射源から反対向きに指向される第二の面を備える。検出器モジュールはまた、検出アレイの該第二の面から離れて配置され、そして導電経路を有する導電経路支持体を備える。検出器アレイの第二の面に存在する検出器エレメントの第１の接続は、導電経路とボンディングワイヤにより接続され、導電経路は、各々の検出器エレメントから出力される信号を処理するために、信号処理電子回路へと導かれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、概して、原子分析でのＸ線ホログラフィーおよびＸ線分光法におい
て使用するためのＸ線検出器システムのための検出器モジュール、ならびにその
ような検出器モジュールが使用される、上記適用のための、モジュラーで形成さ
れるＸ線検出器システムに関する。

【０００２】 １９４８年のホログラフィーの発明以来、ホログラフィー原理に基づいて原子
構造の空間配置について研究されてきた。可能な解決原理は、Ｘ線ホログラフィ
ーの技術に基づく。

【０００３】 Ｘ線ホログラフィーにおいて、検査される材料サンプルにおける原子は、蛍光
励起され、そしてその材料サンプルから発されるその蛍光放射は、検出器によっ
て捕捉される。ついで、その材料サンプル内に発生する干渉場を反映するその検
出器の電気的な出力信号は、検査されるサンプル材料の空間的な構造についての
情報を与える。しかし、今日まで、その材料サンプルにおいて、可能な限り多く
の数の測定を行う必要がある。

【０００４】 ここ数年で、Ｘ線検出器の開発および製作においてかなりの進歩が見られた。
これは、その材料サンプルの蛍光放射を採り、そしてこれは種々のバックグラウ
ンド放射から確実に分離されるべきである。この検出器は、一方で、そのエネル
ギー、すなわちその放射の波長に従って入ってくる光子の識別を可能にするため
に、エネルギー感度がよくなければならいが、他方で、その作業について高い計
数速度を可能にし、その結果、１秒当たり数十万の光子を受けるようにしなけれ
ばならない。この目的のために、過去において、シリコン検出器のほかに、通常
ゲルマニウム検出器が使用されていた。しかし、後者（ゲルマニウム検出器）は
、液体窒素で冷やさねばならず、これは、比較的コスト高であり、そして好まし
くは約１０ｋｅＶ以上の放射線捕捉について適切である。ゲルマニウム検出器の
使用におけるさらなる欠点は、ゲルマニウム検出器から出る測定信号の増幅のた
めの電子回路は、ある位置にのみ配置され得ることである。この位置は、ゲルマ
ニウム検出器から比較的に離れて位置する。それゆえ、増幅電子回路を有するゲ
ルマニウム検出器の接続のために、長い接続導体が必要であり、これは、強すぎ
る障害および高すぎる欠陥発生率を生じる。これまで、ゲルマニウム検出器の近
くへの予備増幅段階の集積は、満足いく結果ではなく、その際、ゲルマニウム検
出器に適用される冷却は、実質的な障害となっていた。その上、ゲルマニウム検
出器の近くへの増幅器電子回路の集積の際には、より多くの数の、ゲルマニウム
検出器の信号導体、およびより多くの数の、増幅器電子回路が通じていなければ
ならず、これ自体が、より小さな検出器列または検出器アレイにおいて、解決さ
れない障害として提示されていた。

【０００５】 より最近になって、位置およびエネルギーを解決するシリコンＸ線検出器の開
発および製造において、発展が見られた。そこでは、例えば、モノリシック集積
は、高オームのシリコン基板ベースでの電界効果トランジスタを備える高感度の
ドリフト検出器セルを完成させた。この検出器型は、Ｘ線ホログラフィーの分野
において、すでに唯一の検出器として使用されていた。

【０００６】 上記のように、Ｘ線ホログラフィーのためには、材料サンプルを、可能な限り
多くの数測定することが必要である。可能な具体的な測定方法（測定方法１）の
１つにおいて、その材料サンプルの上側半分は、その材料サンプルの上半分の半
球の立体角領域にわたり、度のレベルでの角度解像度によりそのサンプルの蛍光
放射が多数測定されることを意味する。この測定において、１セル型の検出器の
使用において、機械的に適用され、そしてより高い方法構造により、段階式に、
その材料サンプルの半球形状面の上側を異なる経路で移動させることが必要であ
る。スペクトル内の特徴的な線を、必要な正確性をもって証明することを可能に
するために、例えば、１立体角要素あたり約２×１０⁶の入力が必要である。約
１５０ｋＨｚの発生速度までは、その線はそれほど大きな障害なしにその幅を確
認することができる。完全なホログラムのためには、異なる立体角のもとで、例
えば、７２００の記録が必要であり得ることから、合計の測定時間は、約２４時
間になる。

【０００７】 Ｘ線ホログラフィーの第二の具体的な測定方法（測定方法２）では、角度分析
は、一色Ｘ線光の異なる入力角により、行われる。その際、サンプルの蛍光放射
の角度分析およびそれゆえ検出器での処理は、必要ではない。各々の検出器の上
記の発生速度限界に基づき、おなじ合計測定時間が生じる。

【０００８】 長い合計測定時間を短くすることは、各々の検出器の代わりに、複数セルの検
出器を使用することによって可能である。異なる角度領域の同時測定（測定方法
１）および複数セル検出器において、対応してその複数倍になった発生速度（測
定方法２）により、合計時間は、検出器エレメントの数のおおよその因子分だけ
減少する。セルおよびエレメントの限定された数が原因で、すべての市販の複数
セルゲルマニウム検出器または測定方法１において適用される方法構造が節約さ
れ、なおも、それらが約１時間未満へと測定時間のみを減少することが可能であ
る（両方の測定方法）。これらの測定時間の減少は、充分ではないようである。
なぜなら、（シンクロトロン）放射線源および検出器は、長時間の動作の際に、
不安定になるからである。これにより、理想的なリアルタイムが所望される。

【０００９】 本明細書において詳述したＸ線ホログラフィーの例に加え、１つの適用で多数
の異なる測定方法（例えば、Ｘ線吸収分光法、Ｘ線回折、Ｘ線蛍光分析、および
複数のさらに他の分野）でのＸ線放射のための検出器が存在する。上記と同様の
理由により、市販のシリコンおよびゲルマニウムの検出器は、検出器の最大の可
能な発生速度または達成可能な角度もしくは位置の解像度に起因して、多くの用
途（例えば、シンクロトロン放射線源）における測定が限定される。

【００１０】 従って、本発明の課題は、位置および角度の解像度について、Ｘ線光の同時捕
捉を可能にする検出器システムを提供することである。その結果、例えば、Ｘ線
ホログラフィーにおいて、残りの通常の方法構造が不必要となる。本発明のさら
なる課題は、検出器システムの高い合計発生速度を可能にし、その結果、測定結
果の同じ品質における測定時間を顕著に減少させること、および同じ測定時間で
測定結果の品質を向上させることにある。

【００１１】 この課題の解決のために、特許請求の範囲の請求項１の特徴部分を伴う検出器
モジュール、および特許請求の範囲の請求項２９の特徴部分を伴う、そのような
検出器モジュールで構成された検出器システムが機能する。この検出器モジュー
ルおよび検出器システムの好ましい実施形態は、従属する下位請求項の主題であ
る。

【００１２】 本発明の基本的思想は、複数のまたは多数の検出器エレメントを含む、ほぼ半
球形状の検出器モジュールを検査する材料サンプルの周りに配置することにある
。そのような検出器構造に基づき、有意に減少した測定時間およびしたがってリ
アルタイム画像の生成が可能になる。

【００１３】 しかし、検出器エレメントのこの配置は、検出器エレメントに要求される高い
密度に起因して、検出器エレメントの接触に関連する付随する問題および検出器
モジュールおよび付属の信号処理電子回路の冷却を生じる。本発明による検出器
モジュールにおいて、検出器セルが使用され、この検出器セルは、予備増幅電子
回路が集積されたシリコン基板の上に提供される。これにより、その検出器エレ
メントとその予備増幅段階との間の信号導電経路の長さがかなり減少し、これに
より、障害の顕著な回避がもたらされ；同時に信号導体の数が増える。この信号
導体は、検出器エレメント／予備増幅器の配置から、通じていなければならない
。

【００１４】 この検出器モジュールの配置は、好ましくは、Ｃ₆₀フラーレン（バッキーボー
ル）切断された二十面体構造をとり、ここでは（サッカーボールの場合と類似し
て）１０個の六角形検出器モジュールにより内部の基本骨格が半球形状で形成さ
れる。この六角形の検出モジュールの間のこの５つの五角形の間隙は、５つの更
なる検出器モジュールで占められる。この際、この五角形の間隙には、五角形の
検出器モジュールが設置され得るか、またはコストの問題から好ましくは、この
五角形の間隙は、同一の六角形の検出器モジュールで覆われ得る。

【００１５】 好ましい実施形態において、この半球の半径は、約３．７ｃｍである。この実
施形態において、合計で約９００の個々の検出器エレメントが提供される。これ
により、約４°の立体角解像度が達成される。切断された二十面体構造において
、合計で１５の検出器モジュールが必要であり、この場合、個々の検出器モジュ
ールは、約６０の検出器エレメントを備える。検出器型として、シリコン検出器
が使用される。このシリコン検出器において、公知のゲルマニウム検出器とは対
照的に、室温での動作が可能である。シリコン検出器は、低エネルギーおよび中
程度のエネルギーにおいてならびに高速の場合に解像度がゲルマニウムよりも高
い。しかし、各々のシリコン検出器エレメント（その中に集積されたトランジス
タを通じて機能する）は、約４ｍＷまでの電力消費を有し、その結果、約８０ｍ
Ｗ／ｃｍ²までの電力密度が達成される。従って、シリコン検出器の使用にもか
かわらず、検出器エレメントおよび検出器モジュールの冷却のための処置が必要
であることは明白である（簡便には空気冷却、水冷却またはペルチェ冷却）。

【００１６】 上記のように、各々の検出器モジュールは好ましくは、約６０個の検出器エレ
メントを備える。この検出器モジュールは、平坦で互いに入り組んだ配置で検出
器アレイを形成する。この検出器アレイは、実質的に、もともとの検出器モジュ
ールと同じ六角形の基本形状を有する。個々の検出器エレメント（高感度のドリ
フト検出器セルであって、電界効果トランジスタとモノリシックに集積されてい
るもの）から出力されるアナログ信号の処理のための、信号処理電子回路の必要
な寄生アーム（ｐａｒａｓｉｔａｅｔｓａｒｍ）接続が原因で、この信号処理電
子回路は、その検出器エレメントおよび検出器アレイ付近に集積されねばならな
い。個々の検出器エレメントのより少ない固有熱、および信号処理電子回路の構
成要素の顕著により高い損失電力消費に起因して、信号処理電子回路と検出器ア
レイとの間の熱的絶縁、ならびに冷却および良好な熱放散に対応する熱流動が必
要である。良好な熱放散は、モジュール本体の筐体部分が良好な熱放散特性を有
する材料（好ましくは、グラファイト）から作製されることにより達成される。
両方の熱源からの熱的絶縁は、両方の熱源の熱流動を可能な限り短く一緒の経路
をとることにより達成される。適切な材料、および熱源と熱シンクとの間の分断
の選択は、熱流動の各々の挙動に従って調整される。

【００１７】 信号処理電子回路の検出器アレイへの位置的に近い集積および寄生アーム接続
は、好ましくは、導電経路支持体により達成される。この導電経路支持体は、検
出器アレイの上に直接配置される。この導電経路支持体の上には、理論的には、
各々の検出器エレメントの各々の接続点について、１つの導電経路が提供される
。ここで、各導電経路は、ボンディングワイヤを通じてこれと接続されるように
、各々の検出器接続点の直ぐ近くの第１の末端接触、およびそこからその電子回
路へと接続されるように導電経路支持体の末端に存在する第二の末端接触を有す
る。

【００１８】 個々のシリコン検出器エレメントの電気的な接触において、本明細書において
提供された電界効果トランジスタが集積された形態における各々の検出器エレメ
ントについて、合計で６つの接続点、接触されるべきで、かつ検出器エレメント
の上に配置された導電経路支持体と結合するために非常に短いボンディングワイ
ヤ長を伴うべきである。各々の検出器エレメントについて約５ｍｍ²の感度の高
い面において、従来のボンディングワイヤ技術を用いた接触は不可能である。導
電経路支持体における密度の濃い並列して配置された導電経路はまた、反対の影
響を受けた。このことは、測定結果の強い干渉をもたらし得る。この問題は、本
発明に従い、検出器エレメントのいくつかの接続点、好ましくは高感度の、信号
伝導性接続点（好ましくは一定の電圧を導く接続点を同時に伴う）は、ボンディ
ングワイヤにより、導電経路支持体および同時にその導電経路支持体において提
供される導電経路との第１の末端接触と接続されたことによって解決された。検
出器エレメントの通常の接続点は、容易なチェーン結合接続により、外部の、検
出器アレイの外縁に環状に走るバス構造に接続され、そしてボンディングワイヤ
を介し、導電経路支持体におけるリム領域中のさらなる孔を通じて、導電経路支
持体の上に提供された導電経路と接続される。これにより、孔を通じて導電経路
支持体にもたらされねばならない結合接続の数、および導電経路の数もまた顕著
に減少する。その導電経路支持体において並行して配置される導電経路の所望さ
れない反対の接続を減少させるために、上記の一定の電圧を導く結合点とそ接続
された導電経路は、２つの並行して走る信号導電経路の間ごとに導電経路支持体
の上に導かれる。

【００１９】 信号伝導の間の結合は、支持体材料の誘電率によりまったく実質的に確定する
。セラミック材料（例えば、Ａ１２０３またはＡ１Ｎ）は、例としてポリマー上
で約３桁高い誘電率を示す。それゆえ、より高い誘電率を有する機械的に安定な
支持体材料と、信号伝導性金属化面の間には、好ましくは、顕著に小さな誘電率
を有する中間層が埋め込まれる。この中間層の厚さは、信号伝導性の導電経路の
幅にほぼ対応すべきである。中間層のための材料として、特にベンゾシクロブテ
ンまたはポリフェニルキノキサリンが、約２．７の比誘電率を提供するが、標準
的なポリイミドもまた、考慮され得る。それにより、金属化面に存在する保護導
電経路（詳細な説明は以下）において、同じ位置で、硬い支持体と誘電性の中間
層との間に第二の金属化面においても提供される、さらなる最適化が行われる。
信号導体が直接セラミック支持体の上で形成される最も容易な解決との比較にお
いて、接続容量は、まさに、信号導体の間の小さな間隔において、３０倍を超え
る程度減少し得る（例えば、約１５μｍの導電経路幅において５０μｍ）。

【００２０】 上述のように、本発明の基本的思想は、複数（または多数の）検出器エレメン
トを含む検出器アレイおよび検出器モジュールは、概して半球の形状で、検査さ
れる材料サンプルの周りに配置されることにある。好ましくは、この半球面は、
複数面の検出器モジュールから形成される。この検出器モジュールは、複数の検
出器エレメントを備える。ここでは、各々の検出器モジュールは、好ましくは、
可能な限り孔のないようなカバーが半球面に達するように形成および配置される
。ここで、好ましくは、可能な限りあまり異ならないモジュール形状を使用する
。可能な改変体は、４つの六角形および５つの四角形を十四面体（Ｔｅｔｒａｋ
ａｉｄｅｋａｅｄｅｒ）にすることである。さらに好ましい改変体は、Ｃ₆₀フラ
ーレン（バッキーボール）の切断された二十面体構造を使用することである。こ
こでは、ほぼ半球形状面が１０個の六角形から形成される。その５つの五角形の
自由面は、適合する五角形が挿入されて封入されるか、または同じ六角形で覆わ
れるかのいずれかである。両方の例で挙げられた改変体において、好ましくは、
同一の検出モジュールから半球面を構築することである。このため、十四面体の
四角形の自由面および二十面体構造の五角形の自由面は、各々、六角形の基本モ
ジュールで覆われる。これにより、両方の改変体において、唯一のモジュール型
（六角形の検出器モジュール）のみが必要である。半球面へのよりよい適合のた
めに、当然、曲がった検出モジュールを使用することもまた可能である。

【００２１】 本発明の好ましい実施形態において、上記の二十面体構造が使用され、そこで
は、唯一の検出器エレメントと後で切り替えられる信号処理電子回路（アナログ
増幅器など）との間の接続は、このようにして、寄生効果を回避するために、非
常に短く保たれなければならない。信号処理電子回路を保持するチップ（単数ま
たは複数）は、好ましくは、検出器モジュールの上に配置され、そして検出器ア
レイの反対側に放射線技術で遮蔽される。検出器アレイの検出器エレメントの接
続点と信号処理電子回路のチップの接続点との間の接続は、曲げられる平面ケー
ブルおよび可撓性の接続フィルムにより形成される。このケーブルは、その六角
形の検出器モジュールの側縁付近から導きだされる。

【００２２】 上述したように、好ましい検出器モジュールは、六角形の形状を有し、約６１
の接続された検出器エレメントを含む。好ましいモジュールの外側の縁の長さは
、約１．５ｃｍであり、そして実効（ａｋｔｉｖ）面積は、約３ｃｍ²である。
実効面積の受動的面積に対する関係は、約５０％であり、ここで、この関係は、
使用された結合技術に依存する。いわゆるフリップチップ接触は、実効面積の受
動的面積が約９０％に達し得る。このフリップチップ接触において、Ａ１Ｎ（導
電経路支持体）およびＳｉ（検出器アレイ）の異なる熱膨張係数のために、問題
が生じ得る。可能な解決策は、導電経路支持体についてのシリコンの使用が提示
する。ここでは、例えば、ポリマー層を誘電体として使用し得る。

【００２３】 約３．７ｃｍのバッキーボール配置の好ましい球半径において、約４°の中間
の立体角解像度が生成する。ここでは、検出器エレメントの面の密度が維持され
ると立体角解像度は、半球の半径の増強により増大するようである。しかし、こ
こでは、検出器エレメントの合計数もまた同時に増加し、従って、複数のデータ
チャネルを処理することが必要である技術利用も増加する。立体角解像度は、半
球の半径が維持されると、１検出器エレメントあたりの実効面積の減少によって
（そして続いて検出器エレメントの面の密度の増加よって）もまた、増加する。
ここでは、この微細化は、使用される結合技術限界によって設定される。

【００２４】 以下に、本発明を図面を参照して説明する。

【００２５】 図１の左側の部分は、個々の検出器ユニットの金属化面を示し、図１の右側の
部分は、その金属化面の拡大図を示す。検出器ユニットの中心には、モノリシッ
クに集積された電界効果トランジスタ（シングルサイドジャンクションＦＥＴ；
ＳＳＪＦＥＴ）のドレイン接続（Ｄ）ならびにゲート接続およびソース接続（Ｓ
）がある。内部保護リング（ＩＧＲ）および基板接続（ＩＳ）は、トランジスタ
を空間的にその周囲から分離する。ハッチングで示された金属ストライプは、ド
リフト領域の、それに属する、密集した、ｐドーピングされたウエル（Ｗａｎｎ
ｅｎ）の電極を示す。分圧された抵抗チェーン（ジクザグ構造）によって、スト
ライプ電位が調整される。このストライプ電位は、約−１０Ｖから、半径の増大
に伴い上昇する。六角形の検出器アレイは、好ましくは、６１個の検出器エレメ
ントを有し、この６１個の検出器エレメントは、蜂の巣状の金属化（図２参照）
によって取り囲まれている。その金属化により、個々の検出器エレメントは、高
い遮断電圧が提供される。個々の検出器エレメントの基板の後側は、同様に、バ
イアス電圧が掛けられ、検出されるべき光子のための入射窓が形成されている。

【００２６】 図２は、６１個の検出器エレメントと、検出器エレメントの対応する接続配列
とを有する検出器モジュールの構造を示す。図２の左側の部分には、個々の検出
器エレメントの検出器アレイへの配列（図が細かいので、結合面を有するセル中
心の金属化面のみが示されている）が示され、中央の部分には、検出器アレイに
ともに形成された状態で配列されている導電経路支持体が示され、右側の部分に
は、回路支持体を有する可撓性接続フィルムが示されている。達成するべきフタ
の合同が、図２で、検出器の部分図によって、示されるようであるべきである。
その部分図は、導電経路支持体の孔が、例えば検出器エレメントにともに形成さ
れた状態で、存在することが分かる。図２の右側の部分に模式的に示されるよう
に、検出器エレメントの各６個の接続（パッド）のうちの４個が、単純なチェー
ン結合接続によって、外部の、検出器アレイの外縁に沿って延びるバス構造に接
続される。この場合、接続ＲＤおよびＩＳ（図１の左側の部分参照）が同じ電位
にある。バス信号ならびに２つの残りの接続Ｒ＃１およびＳ（図１の左側の部分
参照）は、ボンディングワイヤ接続を介して、合わせて６６個の、直径が約１．
２５ｍｍに達する孔を通って各導電経路の端部接触点に結合される。その導電経
路は、セラミックの導電経路支持体（図２の中央の部分）に設けられている。こ
の場合、各検出器エレメントの接続Ｒ＃１およびＳは、それぞれ検出器エレメン
トにある孔を通って延び、導電経路の付属する接触点に結合される。導電経路支
持体上の全ての導電経路は、導電経路支持体の６個の縁の１つに到達し（図２で
は、それは導電経路支持体の右の縁である）、ワイヤ接続によって直接、または
可撓性接続フィルムによって、それぞれ１２個のアナログチャネルを有する５個
の集積回路（フロントエンドチップ）に接続される（図２の右側の部分参照）。
これらの集積回路で、測定信号が処理される。この能動部品と並んで、回路支持
体上に、いくつかの受動部品があってもよい。

【００２７】 図３は、図２の導電経路支持体の拡大図を示し、検出器モジュールのともに形
成された状態で、検出器アレイに配列されている。各検出器エレメントの両方の
検出器接続からのボンディングワイヤの貫通のための孔が明確に見て取れる。孔
は、検出器モジュールのともに設けられた状態で、それぞれ付属する検出器エレ
メントの上に配列されている。直接、孔のへりから、検出器アレイから反対向き
に指向される導電経路支持体の面の上に、それぞれ２個の導電経路の端部接触（
出力信号接続Ｓおよび電源供給Ｒ＃１）が提供される。その端部接触に、検出器
接続から出て、付属する孔を通って延びてくるボンディングワイヤが接続される
。この場合、導電経路は、他の孔の間を、導電経路支持体の右の縁に向かって延
び、そこで、第２の端部接触と並んで終端する。その第２の端部接触には、可撓
性接続フィルムまたは硬い回路支持体が、接続され得る。

【００２８】 図３に示される配列、すなわち、第１の端部接触から第２の端部接触への導電
経路の配置は、個々の導電経路が、近くを延びる導電経路に対して最も離れるよ
うに、正確に定められる。図３にさらに示されるように、それぞれ出力信号接続
Ｓに接続される、信号を導く個々の導電経路の間をいわゆる保護導電経路が延び
る。保護導電経路のそれぞれは、固定電位Ｒ＃１にある。

【００２９】 図４は、本発明の第１の実施例に従う検出器モジュールの機械的な全体構造を
示す。６１個の検出器エレメントから構成される検出器アレイが示され、その検
出器アレイは、図４において下方に示されている入射窓と、検出器アレイの上に
配置された導電経路支持体とを有する。検出器アレイおよび導電経路支持体は、
六角形の筐体によって保持される。図２を参照して説明したように、検出器アレ
イの６１個の検出器エレメントのそれぞれの６個の接続のうち４個が、簡単なチ
ェーン結合接続によって外部のバス構造に接続される。検出器モジュールをとも
に構成するために、まず、検出器アレイは、筐体内に設置され、筐体に貼り付け
られ、チェーン状に結合される。次いで、すでに装備された、導電経路支持体お
よび回路支持体からなる構造が、筐体の検出器アレイの上に固定される。この際
に、検出器アレイおよび導電経路支持体は、互いに、規則正しい間隔を有する。
これにより、導電経路支持体接続に提供されるボンディングワイヤが、孔を通っ
て延び、個々の検出器エレメントの両方の空いた接続に、結合される。６個の接
続のうち、２個だけの接続が導電経路支持体の孔を通って接触されればよいこと
がよく理解されるので、この点で、本発明の利点が特に明確になる。各検出器エ
レメントの残りの４個の接続は、単純なチェーン結合接続により接続され、これ
は機構的に問題ではない。なぜなら、この生産段階において、検出器アレイの上
部の接触面は、露出しているからである。

【００３０】 図４に示される検出器モジュールの構造において、フロントエンドチップと他
の受動部品が回路支持体上に提供される。その回路支持体は、結合導体および回
路が、ともに１つの共通の支持体に実現されない限り、ワイヤ結合によって、直
接導電経路支持体に結合される。

【００３１】 検出器モジュールのはるかにコンパクトな構造配置が、図５に示される。図５
には、検出器モジュールの代替的な構成の断面図が示されている。図５に示され
るように、下方に示された放射入射窓を有する結合された検出器アレイが、六角
形の筐体の中に（すなわち、土台支持体の中に）設置され、筐体に貼り付けられ
ている。検出器アレイのすぐ上に（および、検出器アレイから規則的に隔たって
）、導電経路支持体が筐体の中に設置されている。この断面図において、導電経
路支持体に設けられた孔が示されている。この孔を通って、各検出器エレメント
について２本のボンディングワイヤが延び、これにより、各検出器エレメントの
２個の接続が、付属する導電経路に導電経路支持体上で結合される。図２、３お
よび４に示されるように、図５に示される構造でも、導電経路支持体上に提供さ
れた導電経路は、導電経路支持体の１つの縁において終端し、その終端点すなわ
ち終端接触において、可撓性接続フィルムＩに結合される。接続フィルムＩの相
対して位置する接触は、別個の回路支持体に結合され、その回路支持体の上には
、共通のアナログ信号処理電子回路が提供される。回路支持体の上に提供される
部品は、概して、比較的放射線感度が高く、従って、保護されなければならない
。これは、図５に示される構造において、既に筐体に固定されている導電経路支
持体の上に、放射線シールドを提供することによって達成される。この放射線シ
ールドの上に、信号処理電子回路が設けられた回路支持体が配置される。図５に
明確に示されるように、可撓性接続フィルムＩは、導電経路支持体から横に出て
、放射線シールドの隙間を通り過ぎて回路支持体まで延びる。回路支持体からの
出力信号は、次いで、第２の可撓性接続フィルムＩＩを通り、回路支持体の上に
提供された検出器モジュールのフタＩＩを通り、外に延びる。この第２の接続フ
ィルムＩＩは、検出器モジュールを、検出され処理された測定信号をさらに処理
するＡ／Ｄ変換モジュール、デジタル信号処理電子回路およびコンピュータに結
合する働きをする。ホログラフィーの具体例では、検査される材料サンプルの原
子構造の撮像面上のホログラムが、後述される。

【００３２】 よりよい放熱のためにだけでなく、検出器モジュールの筐体は、かなりの部分
がグラファイトからなる。炭素蛍光の低エネルギー状態も、約３００ｅＶの近辺
の値までの感受性の高いエネルギー領域の拡張を許容する。さらに、グラファイ
トを選択したことの造形技術的な観点も効果がある。なぜなら、グラファイトは
、その微粒子性に基づいて、５０μｍ未満という小さい製造誤差で加工され得る
からである。選択的に、筐体の異なる部分、例えば、土台支持体またはフタＩａ
およびＩｂが、アルミニウムまたは他の金属または、酸化アルミニウムまたは窒
化アルミニウム（ＡｌＮ）等の技術のセラミックスから形成されてもよい。

【００３３】 すべての光子が検出器アレイのシリコン体積に吸収されるわけではない。そう
ではなく、光子エネルギの増加とともに、透過する光子の率は、次第２増加する
。図５に示されるような積層したモジュール構成では、信号処理する電子回路は
、この放射線によって損傷され得、したがって、モジュールは、機能しなくなっ
てしまう。放射線損傷による損害は、上述した放射線シールドを検出器アレイの
上部に埋め込むことによって避けることができる。そこで吸収された光子は、保
護材料を励起して、蛍光放射を起こさせる。その蛍光放射は、サンプルからの固
有の検出されるべきエネルギースペクトルに重なる。適切な放射線シールド材料
として、検出器の寿命の期間の電子回路の放射線負荷を１ｋｒａｄ未満に保つた
めに、例えば、タンタルまたはタングステンのような、高い原子番号を有する化
学的に安定な材料が適切である。この第１の層（例えば、タンタルまたはタング
ステン）と、検出器アレイとの間に、第１の層の材料の望ましくない蛍光（タン
タルの場合、タンタル蛍光）を、放射線シールドにおける吸収プロセスの後で吸
収し、検出器アレイへの入射を妨げるために、チタン、バナジウムまたはクロム
のような中程度の原子番号を有する適切な材料からなる第２の層が提供され得る
。それに加えて、その第２の層と、検出器アレイとの間に、例えば、再度、第２
の層の蛍光（チタンの場合、チタン蛍光）を検出器アレイから遠ざけておくため
に、アルミニウムのような低い原子番号を有する適切な材料からなる第３の層が
提供され得る。この第３の層の蛍光は、一般に、フタの材料であるグラファイト
の炭素によって十分に吸収される（図５参照）。図５に示される構成では、タン
タルからなる放射線シールドは、３００μｍよりも厚い厚さを有し、チタンは５
０μｍよりも厚い厚さを有し、アルミニウムは５０μｍよりも厚い厚さを有する
。放射線シールドの大きい面積に基づいて、放射線シールドとその上にあるグラ
ファイトのフタとの間の熱による引き外しが、不可避である。この点から、図５
に材料がないと示されている放射線シールドとグラファイトのフタとの間の領域
は、熱伝導度が小さい材料で充填されることが好ましい。例えば、ポリマーで満
たされることが好ましい。

【００３４】 図５に示される検出器モジュールの実施形態は、材料サンプルを配置するため
に、特に、始めに述べた半球状の構造（好ましくは、切断されたＣ₆₀−フラーレ
ンの二十面体構造）に適している。このために特別のフレームが必要である。そ
のフレームは、よりよい熱伝導度と、外部の電磁場および放射線に対する保護の
観点からアルミニウムから形成されている。図５の取り付け具は、このフレーム
の土台エレメントを形成する。これにより、個々の検出器モジュールを必要に応
じて簡単に、迅速に、取り替えることができる。同一の、好ましくは六角形の検
出器モジュールを使用することにより、モジュールの製造コストを低く押さえる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、検出器エレメントの金属化面の概説図および詳細図を示す。

【図２】 図２は、チェーン接続した検出器アレイ（左）およびアレイ断面を伴う導電経
路支持体（中）、ならびに回路支持体を伴う可撓性接続フィルム（右）の図を示
す。

【図３】 図３は、導電経路支持体の拡大図を示す。

【図４】 図４は、本発明の第１の実施例に従う完全に装着された検出器モジュールを示
す。

【図５】 図５は、本発明の第二の実施例に従う検出器モジュールの断面図を示す。

【手続補正書】

【提出日】平成１４年１月１０日（２００２．１．１０）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１０

【補正方法】変更

【補正の内容】

【００１０】 米国特許第５，０４１，７２９号には、複数セルの放射線検出器が開示されて
いる。この放射線検出器では、複数の検出器エレメントが、一列に配置されてい
る。放射線検出器はシンチレータを含み、そのシンチレータの背面には、１２個
のストライプ状のフォトダイオードが一列に互いに隣り合って配置されている。
フォトダイオードには、絶縁性の接着剤を用いて止め具が取り付けられ、これに
より、１２個のフォトダイオードのすべてが覆いを外され、各フォトダイオード
の終端部が配線のために露出される。止め具は、セラミックの絶縁体から形成さ
れ、その背面は、各エレメントのための信号線とともに形成されている。各フォ
トダイオードのボンディング接続面は、ボンディングワイヤを介して、信号線と
結合されている。この構成の欠点は、配線の方法が、検出器エレメントの列の形
態の配置を可能にするだけなので、単に検出器の列−検出器アレイではなく−し
か製造され得ないことである。検出器の列を使用した場合、やはり非常に長い測
定時間が必要である。さらに、全体の撮影を遂行するためには、検出器の列は、
機械を多用する贅沢で高価な方法構造を用いて、少しずつ移動させられなければ
ならない。 従って、本発明の課題は、上述した従来技術の欠点が克服されるような検出器
システムを提供することである。特に、検出器エレメントを検出器アレイに２次
元的に配置した検出器モジュールを対応する配線技術を含めて提供することが本
発明の課題である。そのような検出器モジュールを使用することによって、位置
および角度の解像度について、Ｘ線光の同時捕捉が可能になり、その結果、例え
ば、Ｘ線ホログラフィーにおいて、残りの通常の方法構造が不必要となる。本発
明のさらなる課題は、検出器システムの高い合計発生速度を可能にし、その結果
、測定結果の同じ品質における測定時間を顕著に減少させること、および同じ測
定時間で測定結果の品質を向上させることにある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ， ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ Ｆターム(参考） 2G088 EE29 EE30 FF03 FF14 FF15 GG21 JJ05 JJ09 JJ29 JJ33 JJ37 4M118 AB02 AB04 CA09 CA31 CB11 HA19 HA22 HA30 5C024 AX11 GX07 GX21

Claims (26)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｘ線放射測定のための検出器モジュールであって、以下： 検出器アレイであって、該検出器アレイは、放射源に指向される第１の面およ
   び該放射面から反対向きに指向される第二の面を備え、該放射面は、複数の検出
   器エレメントを備える、検出アレイ； 導電経路支持体であって、該導電経路支持体は、該検出アレイの該第二の面か
   ら離れて配置され、そして導電経路を備える、導電経路支持体、を備える検出器
   モジュールであって、ここで、 該検出器アレイの該第二の面に存在する該検出器エレメントの第１の接続は、
   該導電経路とボンディングワイヤにより接続され； 該ボンディングワイヤは、該検出器エレメントの該第１の接続から、該導電経
   路支持体における内腔を通じて、該導電経路支持体の該検出器アレイとは反対面
   へと導かれて該導電経路が接続され、該導電経路は、該導電経路支持体の該検出
   器アレイとは反対面において形成され； 各検出器エレメントのための導電経路支持体において、内腔が備えられ；そし
   て 該導電経路は、各々の検出器エレメントから出力される信号を処理するために
   、信号処理電子回路へと導かれる、 検出器モジュール。
2. 【請求項２】 前記検出器エレメントは、増幅電子回路と集積されている、
   請求項１に記載の検出器モジュール。
3. 【請求項３】 前記検出器エレメントは、高感度ドリフト検出器セルを備え
   、該ドリフト検出器セルは、電界効果トランジスタとモノリシックに集積されて
   いる、請求項１に記載の検出器モジュール。
4. 【請求項４】 前記検出器エレメントの第二の接続が、前記検出器アレイに
   存在するバス構造に単純なチェーン結合接続により接続されている、請求項１〜
   ３のいずれか１項に記載の検出器モジュール。
5. 【請求項５】 前記バス構造は、検出器アレイの外縁に提供され、そして該
   バス構造のバス導体は、ボンディングワイヤを通じて、前記導線経路支持体に形
   成された導電経路と接続されている、請求項４に記載の検出器モジュール。
6. 【請求項６】 前記検出器アレイは、１つの筐体中に導線経路支持体と一緒
   に設置される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の検出器モジュール。
7. 【請求項７】 前記筐体は、高い熱伝導度および少ないＸ線蛍光能を有する
   材料から生産される、請求項６に記載の検出器モジュール。
8. 【請求項８】 前記筐体は、グラファイトから生産される、請求項６または
   ７に記載の検出器モジュール。
9. 【請求項９】 前記信号処理電子回路もまた、前記筐体に提供される、請求
   項６〜８のいずれか１項に記載の検出器モジュール。
10. 【請求項１０】 前記信号処理電子回路は、回路支持体上に提供され、該回
    路支持体は、前記導電経路支持体の前記検出器アレイとは反対側の面に配置され
    る、請求項１〜９のいずれか１項に記載の検出器モジュール。
11. 【請求項１１】 前記信号処理電子回路は、放射線シールドにより前記放射
    線源から保護される、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の検出器モジュール
    。
12. 【請求項１２】 前記放射線シールドは、前記導電経路支持体と、信号処理
    電子回路との間に提供される、請求項１１に記載の検出器モジュール。
13. 【請求項１３】 前記放射線シールドは、例えば、タンタルまたはタングス
    テンのような高原子番号の原子を有する、化学的に安定な材料からなる第１の層
    を有する、請求項１１または１２に記載の検出器モジュール。
14. 【請求項１４】 前記放射線シールドの前記第１の層は、３００μｍより厚
    い厚さを有する、請求項１３に記載の検出器モジュール。
15. 【請求項１５】 前記放射線シールドの前記第１の層の前記放射線源に指向
    される側に、例えば、チタン、バナジウムまたはクロムのような中程度の原子番
    号の原子を有する材料からなる第二の層が提供される、請求項１３または１４に
    記載の検出器モジュール。
16. 【請求項１６】 前記放射線シールドの前記第二の層は、５０μｍより厚い
    厚さを有する、請求項１５に記載の検出器モジュール。
17. 【請求項１７】 前記放射線シールドの前記第二の層の前記放射線源に指向
    される側に、例えば、アルミニウムのような低原子番号の原子を有する材料から
    なる第三の層が提供される、請求項１５または１６に記載の検出器モジュール。
18. 【請求項１８】 前記回路支持体は、可撓性の接続フィルム（Ｉ）により、
    前記回路支持体と接続する、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の検出器モジ
    ュール。
19. 【請求項１９】 前記導電経路支持体は、可撓性の接続フィルム（ＩＩ）に
    より、前記信号処理電子回路と接続する、請求項１〜１８のいずれか１項に記載
    の検出器モジュール。
20. 【請求項２０】 六角形、五角形または四角形の形状を有する、請求項１〜
    １９のいずれか１項に記載の検出器モジュール。
21. 【請求項２１】 前記検出器アレイと、前記導電経路支持体との接触は、フ
    リップチップ接触により行われる、請求項１〜２０のいずれか１項に記載の検出
    器モジュール。
22. 【請求項２２】 前記導電経路支持体の前記機械的に安定な支持体材料と、
    前記導電経路の前記信号を導く性質の金属化面との間に、中間層が提供され、該
    中間層の誘電率は、該支持体材料の誘電率よりも明確に小さい、請求項１〜２１
    のいずれか１項に記載の検出器モジュール。
23. 【請求項２３】 前記中間層は、前記信号を導く導電経路の幅とほぼ同じに
    対応する厚さを有する、請求項２２に記載の検出器モジュール。
24. 【請求項２４】 前記中間層のための材料として、ベンゾシクロブテンまた
    はポリフェニルキノキサリンが使用される、請求項２２または２３に記載の検出
    器モジュール。
25. 【請求項２５】 前記信号を導く導電経路の間の金属化面において、保護導
    電経路が提供され、そして前記導電経路支持体の前記安定な支持体材料と、前記
    誘電性の中間層との間における第二の金属化面における同じ位置に、さらなる保
    護導電経路が提供される、請求項２２〜２４のいずれか１項に記載の検出器モジ
    ュール。
26. 【請求項２６】 Ｘ線検出器システムであって、以下： 一定数の、請求項１〜２８のいずれか１項に記載の検出器モジュール；および 検出すべき材料サンプルの周りの、実質的に半球形状の面における、該一定数
    の検出器モジュールの保持のためのフレーム、 を備え、ここで、 該実質的に半球形状の面は、切断された二十面体構造により形成される、 Ｘ線検出器システム。