JP2004273747A - 光検出器および放射線検出装置 - Google Patents
光検出器および放射線検出装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】光電変換素子が占める面積の割合を高く維持し、製造歩留まりの向上が可能な光検出器および放射線検出装置を提供すること。
【解決手段】回路基板上に複数の放射線受線モジュールを有し、かかる放射線受線モジュールは、二次元シンチレータアレイ３と、光電変換器４とを有する。光電変換器４は、基板１２と、基板１２上面に形成された溝部１３ａ〜１３ｄに埋め込まれたフォトダイオードアレイ１４ａ〜１４ｄとを備え、二次元シンチレータアレイ３は、フォトダイオードアレイ１４ａ〜１４ｄが備えるフォトダイオード素子１５に対応して配置されたシンチレータ素子１０と、シンチレータ素子１０間に配置されたセパレータ１１とを備える。かかる構造を有することによって製造歩留まりを向上し、基板１２の上面において光電変換素子たるフォトダイオード素子１５の占有面積を向上させている。
【選択図】 図３
【解決手段】回路基板上に複数の放射線受線モジュールを有し、かかる放射線受線モジュールは、二次元シンチレータアレイ３と、光電変換器４とを有する。光電変換器４は、基板１２と、基板１２上面に形成された溝部１３ａ〜１３ｄに埋め込まれたフォトダイオードアレイ１４ａ〜１４ｄとを備え、二次元シンチレータアレイ３は、フォトダイオードアレイ１４ａ〜１４ｄが備えるフォトダイオード素子１５に対応して配置されたシンチレータ素子１０と、シンチレータ素子１０間に配置されたセパレータ１１とを備える。かかる構造を有することによって製造歩留まりを向上し、基板１２の上面において光電変換素子たるフォトダイオード素子１５の占有面積を向上させている。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光強度分布または放射線強度分布に応じた電気信号を出力する技術に関し、特に、光電変換素子が配置される平面において、光電変換素子が占める面積の割合を高く維持し、製造歩留まりの向上が可能な光検出器および放射線検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
医療機関などで使用されるＸ線ＣＴ装置では、被検体に対してＸ線を照射することによって被検体の内部構造を撮影する。具体的には、Ｘ線ＣＴ装置は、Ｘ線照射源と、Ｘ線照射源と被検体を介して対抗配置された、Ｘ線検出部が一次元アレイ状に配置された構造の放射線検出器を有する。ここで、検出部は、受線したＸ線を電気信号に変換する機能を有し、Ｘ線を可視光線に変換するシンチレータ素子と、可視光線を電気信号に変換するフォトダイオードとを有する。この放射線検出器によって被検体を通過したＸ線を受線し、受線したＸ線に基づいて得られる電気信号を記録する。そして、Ｘ線照射源と放射線検出器の位置関係を維持したまま、Ｘ線を照射する角度を様々に変化させてＸ線の受線をくり返す。その後、得られた電気信号に対してコンボルーション（畳み込み）やバックプロジェクション（逆投影）等の処理をおこなうことで、Ｘ線が通過した被検体の断面（以下、「スライス」と言う）の画像を再構成する。
【０００３】
特に近年、一回のＸ線照射によって、同時に複数のスライスについて撮影することのできるマルチスライスＸ線ＣＴ装置の開発が盛んである。マルチスライスＸ線ＣＴ装置は、複数のスライスに対応して、アレイ状のＸ線検出部を複数配置して、それぞれのスライスを通過したＸ線を収集してスライス画像を再構成している。したがって、マルチスライスＸ線ＣＴ装置においては、検出部が一次元アレイ状ではなく、二次元アレイ状に配置された、放射線検出装置を備える必要がある。このため、検出部を構成するフォトダイオードについても、二次元的に配置されなければならない（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
かかる放射線検出装置として、所定の回路を備えた回路基板と、回路基板上に配置され、マトリックス状に分布する複数のフォトダイオードとそれに対応した配線を同一の半導体基板上に一体的に形成した光電変換器とを備えた構造が知られている。そして、フォトダイオードを形成した半導体基板上に、個々のフォトダイオードに対応したシンチレータ素子を有する二次元シンチレータアレイを搭載することで、放射線検出器を形成する。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−３５２０９４号公報（第３頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では１枚の半導体基板上にすべてのフォトダイオードを形成することとしているため、受線領域の面積が制限されると共に、製造歩留まりが低いという問題を有する。以下、かかる問題点について順次説明する。
【０００７】
すなわち、上記従来技術では同一基板上にすべてのフォトダイオードを形成するため、二次元フォトダイオードアレイを構成する多数のフォトダイオードの中で不良素子が一つでも存在すれば放射線検出装置に用いることは不可能となる。すなわち、放射線検出装置では光源から出力された放射線の二次元強度分布を検出することが目的であるため、物理的にフォトダイオードは二次元状に配置されている必要がある。従って、例えばＤＲＡＭ等で製造歩留まりを向上させる目的で採用される冗長回路を使用することができず、製造歩留まりが非常に悪くなる。
【０００８】
また、上記従来技術では、フォトダイオードのみならず、フォトダイオードにおいて光から変換された電気信号を外部回路に出力するための出力配線についても同一の半導体基板上に形成する必要がある。従って半導体基板の表面上に出力配線を形成する領域を確保する必要があり、フォトダイオードアレイの占有面積が相対的に減少することとなる。特に、近年のマルチスライスＸ線ＣＴ装置では、必要とするフォトダイオードの数が飛躍的に増大することから、個々のフォトダイオードに対応した出力配線の本数も増大し、フォトダイオードの占有面積がさらに減少することとなり、高感度の放射線検出装置を実現する観点からは上記従来技術の構造は適切とは言えない。
【０００９】
この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、光電変換素子が配置される平面において、光電変換素子が占める面積の割合を高く維持し、製造歩留まりの向上が可能な光検出器および放射線検出装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１にかかる光検出器は、所定の電気回路および入力端子を備えた回路基板上に複数の光電変換器を配置した光検出器であって、前記光電変換器は、前記入力端子に対応した出力端子および表面上に前記出力端子と電気的に接続された入力パッドを備えた基板と、前記入力パッドとほぼ同一の平面を形成するよう配置され、前記入力パッドと電気的に接続された出力電極と、該出力電極と電気的に接続され、受光強度に応じた電気信号を出力する光電変換素子とを一次元状に配列した一次元光電変換素子アレイを素子配列方向と垂直方向に複数配列した二次元光電変換部とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
この請求項１の発明によれば、一次元光電変換素子アレイを複数配列した構造を有するために製造歩留まりが向上すると共に、出力端子を介して光電変換素子からの電気信号を出力する構造を有するために基板表面上における配線構造を簡略化することとしたため、基板表面における光電変換素子の占有面積を拡大可能な高感度の光検出器を実現することができる。
【００１２】
また、請求項２にかかる光検出器は、上記の発明において、前記基板は、前記一次元光電変換素子アレイを埋め込む溝部を複数備えたことを特徴とする。
【００１３】
また、請求項３にかかる光検出器は、上記の発明において、前記基板は、上面の一部領域上に配置され、上端面に前記入力パッドを有する凸部と、上面の他の領域上に配置された前記一次元光電変換素子アレイ収容領域と、前記入力パッドに電気的に接続された出力端子とを備えたＭＩＤ基板とを前記一次元光電変換素子アレイの素子配列方向と垂直方向に複数配列した構造を備えたことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項４にかかる光検出器は、上記の発明において、前記入力パッドと、前記出力電極との間はワイヤボンディングによって電気的に接続されたことを特徴とする。
【００１５】
また、請求項５にかかる光検出器は、所定の電気回路および入力端子を備えた回路基板と、該回路基板上に配置され、１０ｍｍ角以上の面積を有する受光面と、該受光面上に配置された複数の光電変換素子と、該光電変換素子と電気的に接続され、前記入力端子に対応した出力端子とを備えた光電変換器と、前記出力端子と前記入力端子との間を電気的に接続する導電性樹脂層と、前記回路基板と前記光電変換器との間であって、前記出力端子および前記入力端子間以外の領域に配置された絶縁性硬化樹脂層とを備えたことを特徴とする。
【００１６】
この請求項５の発明によれば、回路基板と光電変換器との間を導電性樹脂層および絶縁性樹脂層を用いて接続することとしたため、製造時に低温環境下で接続が可能であるため、回路基板および／または基板が反ることを抑制することができる。
【００１７】
また、請求項６にかかる光検出器は、上記の発明において、前記導電性樹脂層は、前記出力端子または前記入力端子上に形成され、あらかじめ固化された導電性硬化樹脂層と、該導電性硬化樹脂層上に流動性を備えた状態で形成され、前記光電変換器を前記回路基板上に固定する際に固化される導電性樹脂層とを備えることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項７にかかる放射線検出装置は、請求項１〜６のいずれか一つに記載の光検出器と、前記光検出器の有する二次元光電変換部に対応して配置され、受線した放射線を前記光検出器で検出可能な波長の光に変換する複数の光変換素子を有する光変換器と、前記光変換素子間に配置された遮蔽層とを備えたことを特徴とする。
【００１９】
また、請求項８にかかる放射線検出装置は、所定の電気回路および入力端子を備えた回路基板上に複数の放射線検出器を配置した放射線検出装置であって、前記放射線検出器は、受線した放射線を所定波長の光に変換する光変換素子を一次元状に配列した一次元光変換素子アレイと、該一次元光変換素子アレイに対してアレイ整列方向の一方の側面に配置され、前記光変換素子に対応して光電変換素子を一次元状に配列した一次元光電変換素子アレイと、をアレイ整列方向と垂直方向に複数配列したことを特徴とする。
【００２０】
また、請求項９にかかる放射線検出装置は、上記の発明において、前記一次元変換素子アレイは、受線方向下流に延在した構造を有し、該延在した領域上に引き出し用配線と、該引き出し用配線に電気的に接続した外部出力端子とを備えたことを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態である光検出器および放射線検出装置について説明する。図面の記載において同一あるいは類似部分には同一あるいは類似な符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、それぞれの部分の厚みの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。さらに、符号に付くａ、ｂ、ｃ等の識別文字は必要に応じて付けるものとし、“放射線受線モジュール２ａ、２ｂ”のように複数の同一部分が存在する場合には、必要に応じて“放射線受線モジュール２”と総称して記述する。
【００２２】
本実施の形態にかかる放射線検出装置は、回路基板上に複数の放射線受線モジュールを二次元状に配置した構造を有する。個々の放射線受線モジュールは、アレイ方向と垂直方向に配列された複数の一次元光電変換素子アレイと、かかる一次元光電変換素子アレイを収容する溝部と、フォトダイオード素子等によって形成された個々の光電変換素子から出力される電気信号を回路基板上の回路に伝達するための配線構造を備えた基板とを有する光電変換器を有する。さらに、光電変換素子に対応して配置され、受線した放射線を光電変換素子が検出可能な波長の光に変換する二次元シンチレータアレイを光電変換器上に有する。
【００２３】
図１は、本実施の形態にかかる放射線検出装置の全体像を示す鳥瞰図である。図１に示すように、本実施の形態にかかる放射線検出装置は、所定の回路構造を有する回路基板１上にマトリックス状に配置された放射線受線モジュール２ａ〜２ｆを備えた構造を有する。放射線受線モジュール２ａ〜２ｆは、それぞれ入射した放射線を強度分布に応じて電気信号に変換し、回路基板１上に形成された所定の回路に対して電気信号を出力可能な構造を有する。
【００２４】
次に、放射線受線モジュール２を回路基板１上に固定する態様について説明する。図２は、回路基板と放射線受線モジュール２との間の接続態様を示す断面図である。図２に示すように、回路基板１上には放射線受線モジュール２から出力された電気信号を入力するための端子６ａ〜６ｃが配置されている。放射線受線モジュール２は、放射線を受線し、所定波長の光に変換する二次元シンチレータアレイ３と、二次元シンチレータアレイ３に対して受線下流方向に位置し、変換された光の強度に基づいて電気信号を生成する光電変換器４と、端子６ａ〜６ｃに対応して設けられ、生成された電気信号を出力するための端子５ａ〜５ｃとを有する。そして、回路基板１と放射線受線モジュール２とは、端子に対応した部分では導電性硬化樹脂によって接続され、端子以外の部分では絶縁性硬化樹脂層９によって互いが固定されている。
【００２５】
本実施の形態にかかる放射線検出装置では、端子５ａと端子６ａとの間を半田材によって接続するのではなく、導電性樹脂によって形成されるバンプ７ａおよび接続部８ａを用いて接続している。具体的には、端子５ａ上にあらかじめ導電性樹脂を所定の厚みだけ堆積し、所定の熱等を印加して固化させることによってバンプ７ａを形成する。そして、形成したバンプ７ａ上に、好ましくはバンプ７ａと同一の導電性樹脂を再び堆積し、固化せずに流動した状態を維持した接続部８ａを形成する。そして、流動性を有する接続部８ａと端子６ａとを接触させた状態とした後、熱等を加えて接続部８ａを固化し、隣接する端子間の空隙部分に、接着材料として機能する絶縁性樹脂を注入して固化する。バンプ７ａおよび接続部８ａを構成する導電性樹脂としては、エポテック社製のＥ−４１１０ＰＦＣを用いるのが好適であるが、他の導電性樹脂であっても固化する温度が低温であればバンプ７ａ、接続部８ａの材料として使用することが可能である。
【００２６】
次に、放射線受線モジュール２の構造について詳細に説明する。図３は、本実施の形態にかかる放射線検出装置を構成する放射線受線モジュール２の構造を示す鳥瞰図である。放射線受線モジュール２は二次元シンチレータアレイ３と、光電変換器４とを有する。光電変換器４は、基板１２と、基板１２上面に形成された溝部１３ａ〜１３ｄに埋め込まれたフォトダイオードアレイ１４ａ〜１４ｄとを備え、二次元シンチレータアレイ３は、フォトダイオードアレイ１４ａ〜１４ｄが備えるフォトダイオード素子１５に対応して配置されたシンチレータ素子１０と、シンチレータ素子１０間に配置されたセパレータ１１とを備える。
【００２７】
光電変換器４は、溝部１３ａ〜１３ｄにそれぞれ埋め込んだフォトダイオードアレイ１４ａ〜１４ｄを有する。このため、フォトダイオードアレイ１４ａ〜１４ｄは、それぞれが備えるフォトダイオード素子１５の配列方向に対して垂直に並べられ、結果として光電変換器４の表面上にはフォトダイオード素子１５が二次元マトリックス状に配置されることとなる。
【００２８】
また、個々のフォトダイオード素子１５は、それぞれ受光面と同一面上にアノード電極１６を備え、基板１２の上面にはアノード電極１６に対応してパッド１７が形成されている。ここで、溝部１３ａ〜１３ｄは、アノード電極１６と、パッド１７とが同一平面を形成するよう構成されている。また、パッド１７の一部領域にはスルーホール１８が形成され、スルーホール１８は基板１２の裏面に設けられた端子５ａ（図３においては図示省略）に電気的に接続された構造を有する。さらに、アノード電極１６とパッド１７との間はワイヤボンディングによって電気的に接続されており、結果としてフォトダイオード素子１５のアノード電極１６は、パッド１７、スルーホール１８を介して基板１２の裏面に設けられた端子５ａに電気的に接続されている。なお、図示は省略したが、フォトダイオード素子１５のカソード電極は受光面の裏面に形成され、溝部１３ａ〜１３ｄの底面上に設けられた導電パッドおよびスルーホールによって、カソード電極についても基板１２の裏面に設けられた端子に電気的に接続される。かかる構造により、基板１２上面に配置されたフォトダイオード素子１５によって得られた電気信号は基板１２裏面の端子を介して回路基板１に出力されることとなる。
【００２９】
放射線受線モジュール２の動作について簡単に説明する。図４は、放射線受線モジュール２の動作を説明するための模式図である。図４に示すように、外部からＸ線がシンチレータ素子１０ａ、１０ｂに対して入射している。シンチレータ素子１０ａ、１０ｂは、それぞれＸ線を所定波長の光に変換する機能を有するため、入射したＸ線は、シンチレータ素子１０ａ、１０ｂの内部でＸ線強度に応じた強度の光に変換される。ここで、シンチレータ素子１０ａ、１０ｂ間にはセパレータ１１ｂが配置され、入射したＸ線および変換された光が、隣接するシンチレータ素子に入射する事を防いでいる。このため、クロストークの発生が抑制され、Ｘ線の強度分布を正確に測定することが可能である。そして、変換された光はフォトダイオード素子１５ａ、１５ｂに入射し、光強度に応じた電気信号がスルーホールを介して出力される。そして、基板１２下に設けられた回路基板１は、端子６を介して電気信号を受け取り、回路基板１上に設けられた回路によって必要な処理が行われる。なお、図４では電気信号の例として電流Ｉが出力される状態を示すが、電気信号として電圧等を出力する構造としても良い。
【００３０】
次に、本実施の形態にかかる放射線検出装置の利点について説明する。まず、フォトダイオードアレイ１４ａ〜１４ｄを用いて光電変換器４を形成したことによる利点について説明する。
【００３１】
従来のように二次元フォトダイオードアレイを同一基板上に形成した場合には、既に説明したように基板上に形成された多数のフォトダイオード素子のうち、１つでも欠陥を有する素子が存在した場合には光電変換器４に用いることができない。これに対して本実施の形態では、一次元フォトダイオードアレイを複数配置して二次元フォトダイオードアレイを実現することによって同一基板上に形成されるフォトダイオード素子の個数を減らしており、製造歩留まりを向上させている。
【００３２】
次に、フォトダイオードアレイ１４ａ〜１４ｄを基板１２上面に形成された溝部１３ａ〜１３ｄに埋め込む構造としたことによる利点について説明する。第１に、溝部１３ａ〜１３ｄの幅とフォトダイオードアレイ１４ａ〜１４ｄの幅とがほぼ一致するため、フォトダイオードアレイ１４ａ〜１４ｄの位置決めが容易に行えるという利点を有する。このため、一次元フォトダイオードアレイを複数配列して二次元フォトダイオードアレイを構成する場合に一次元フォトダイオードアレイ相互間の位置関係を容易かつ正確に制御することが可能となり、製造工程上の負担の増加を抑制することができる。
【００３３】
第２に、溝部１３ａ〜１３ｄの深さと、フォトダイオードアレイ１４ａ〜１４ｄの厚みをほぼ一致させることによって、フォトダイオード素子１５のアノード電極１６と基板１２上に形成されるパッド１７とがほぼ同一平面を形成することができる。これにより、アノード電極１６とパッド１７とをワイヤボンディングによって接続する構造としても、アノード電極１６とパッド１７とを隣接させて配置することができる。
【００３４】
すなわち、接続する電極間に段差を有する場合、電極間の水平距離をある程度確保する必要が生じるのに対し、本実施の形態では、アノード電極１６とパッド１７とがほぼ同一の平面を有するために水平距離を短くすることが可能となり、ひいてはフォトダイオード素子１５の占有面積を増加させることが可能となる。なお、「ほぼ同一の面」とは、完全に同一平面を形成する場合の他、アノード電極１６とパッド１７との高低差が１００μｍ以下の場合も含むこととする。かかる高低差であれば、実質上同一面を形成した場合と同視でき、アノード電極１６とパッド１７とを隣接した状態で配置することが可能となるためである。
【００３５】
次に、光電変換器４において、フォトダイオード素子１５によって得られる電気信号を、スルーホール１８を介して基板１２の裏面に出力することによる利点について説明する。スルーホール１８を用いることによって、個々のフォトダイオード素子１５からの電気信号を基板１２の表面上に形成した配線を介して外部に出力する必要がなくなるため、基板１２表面に配線用の領域が必要なくなる。従って、基板１２の表面上におけるフォトダイオード素子１５の占有面積を十分確保することが可能となり、高感度の放射線検出装置を実現することが可能となる。
【００３６】
次に、回路基板１上に放射線受線モジュール２を複数配置したことによる利点について説明する。上記のように、放射線受線モジュール２は基板１２上に形成されており、かかる基板１２を回路基板１上に固定した状態で放射線検出装置は構成される。ここで、面積の増加に伴って基板１２の反りが問題となり、基板１２と回路基板１との電気的接触が十分とれないおそれが生じる。このため、放射線受線モジュール２を構成する基板１２の大きさは１０ｍｍ角〜５０ｍｍ角程度とするのが一般的であるが、一回のＸ線照射によって同時に複数のスライスを撮影できるマルチスライスＸ線ＣＴ装置を実現する観点からは、かかる受光面積では十分ではない。従って、本実施の形態では放射線受線モジュール２を回路基板１上に複数設けることによって基板１２の反りによる問題を回避し、十分な受線面積を有する放射線検出装置を実現している。
【００３７】
また、放射線受線モジュール２を複数配置することによって、受線領域を任意に設定した放射線検出装置を実現することが可能である。すなわち、異なる受線領域を有する放射線検出装置を製造する場合、従来は受線領域に応じて二次元フォトダイオードアレイを同一基板上に形成する必要があった。しかしながら、本実施の形態では放射線受線モジュール２を複数配置する構造としたため、配置パターンを調整することによって異なる受線領域の放射線検出装置を構成することが可能となる。
【００３８】
最後に、回路基板１上に放射線受線モジュール２を固定する態様において、図２に示すように導電性樹脂および絶縁性樹脂を用いて固定することによる利点について説明する。従来は、端子間を電気的に接続した状態で固定するために、端子間に半田材を介在させることによって固定していた。しかしながら、半田材を使用した場合には固定強度が強くなる反面、半田材の溶解温度が高いために回路基板１と基板１２の熱膨張係数の相違により、固定後の回路基板１または／および基板１２が反るという問題が存在した。特に、放射線受線モジュールのように１０ｍｍ角程度以上の大きさを有する素子を固定する場合には、基板の反りは大きな問題となる。
【００３９】
これに対して、本実施の形態にかかる放射線検出装置では、放射線受線モジュール２を構成する基板１２と回路基板１との間を、端子間の接続については導電性樹脂を使用し、他の部分については絶縁性樹脂を使用して固定している。従って、放射線受線モジュール２の固定を低温環境下で行うことが可能となり、回路基板１または／および基板１２が反ることを防いでいる。なお、端子間の接続に関して、固化したバンプ７ａをあらかじめ形成することとしたのは、接続部８ａを形成する導電性樹脂を流動状態で十分な量堆積するためである。すなわち、端子５ａ上に直接流動状態の接続部８ａを堆積した場合、導電性樹脂が水平方向に拡散する傾向があるため、十分な厚みを確保することが困難なためである。また、本実施の形態では絶縁性樹脂も使用して放射線受線モジュール２を固定している。これは、放射線受線モジュール２が１０ｍｍ角程度以上と一定の大きさを有することと、導電性樹脂のみで固定した場合物理的な固定強度に問題が生じるおそれがあることが理由である。
【００４０】
（変形例１）
本実施の形態にかかる放射線検出装置の変形例１について説明する。なお、以下の変形例１〜変形例４を通じて、特に言及しない部分については実施の形態にかかる放射線検出装置と同様の構造を有するものとし、同様の名称を付したものについても、実施の形態の場合と同様の構造、機能を有するものとする。
【００４１】
実施の形態では、回路基板１の表面は平面を形成し、かかる平面上に放射線受線モジュール２を配置する構成としたが、変形例１では、図５に示すように、回路基板１の表面を曲面によって形成し、表面上に放射線受線モジュール２２ａ〜２２ｅを配置している。実際に放射線検出装置を使用する場合、受線する放射線を出力する放射線源は点光源であるのが通常である。従って、放射線源から出力された放射線は放射状に拡散することから、放射線検出装置の受線領域も、拡散した放射線が垂直に入射する構造とすることが好ましい。従って、例えば回路基板１の表面を放物面状に形成することによって回路基板１の表面上に固定される放射線受線モジュール２２ａ〜２２ｅは、放射線の進行方向に対して垂直な受線面を有することとなり、受線感度を向上させることが可能となる。
【００４２】
（変形例２）
次に、変形例２にかかる放射線検出装置について説明する。変形例２にかかる放射線検出装置は、放射線受線モジュール２３の構造が実施の形態の放射線受線モジュール２と異なる構造を有する。具体的には、本変形例２では、図６に示すように、ＭＩＤ基板２４と、フォトダイオードアレイ２５と、一次元シンチレータアレイ２６とを備えた積層構造が、アレイ整列方向と垂直な方向に複数配置された構造を有する。
【００４３】
図７は、ＭＩＤ基板２４と、フォトダイオードアレイ２５の構造について説明するための鳥瞰図である。図７に示すように、変形例２では、ＭＩＤ基板２４の上面の一部領域上にはパッド形成用突起２７が設けられており、パッド形成用突起２７の上端面がフォトダイオードアレイ２５上に設けられたアノード電極３１とほぼ同じ高さとなるよう形成されている。さらに、ＭＩＤ基板２４の上面の他の領域にはフォトダイオードアレイ２５を形成するフォトダイオード素子のカソード電極と電気的接続を確保するためのカソード導電層２０が形成され、カソード導電層２０は、ＭＩＤ基板２４の裏面に形成されたカソード端子３０と電気的に接続された構造を有する。
【００４４】
一方、パッド形成用突起２７上に設けられたアノードパッド２８は、ＭＩＤ基板２４裏面に設けられたアノード端子２９と電気的に接続された構造を有する。また、アノードパッド２８はフォトダイオードアレイ２５を構成する個々のフォトダイオード素子に対応して配置されたアノード電極３１とワイヤボンディングを介して電気的に接続され、結果としてフォトダイオード素子のアノード電極３１およびカソード電極は、アノード端子２９およびカソード端子３０と接続した構造となる。
【００４５】
かかる構造とした場合であっても、実施の形態と同様に、配線に要する領域を少なくすることが可能となる。すなわち、アノード電極３１から出力される電気信号をＭＩＤ基板２４の下部に設けたアノード端子２９から取り出す立体配線構造とすることで、従来のように基板表面に二次元的な配線を施した場合と比べて、フォトダイオードアレイ間の隙間領域を狭くすることが可能となる。従って、本変形例２にかかる放射線検出装置は、従来と比較してフォトダイオードの占有面積を相対的に大きく取ることができ、有効Ｘ線受線面積を最大にし、検出効率を増大させることができる。
【００４６】
なお、図６および図７では、放射線受線モジュール２３から外部に出力する構造としてピン状のアノード端子２９およびカソード端子３０を用いた構造について図示したが、実施の形態の場合と同様の端子構造を用いることとしても良い。また、一次元シンチレータアレイ２６を複数固着する構造とするのではなく、実施の形態と同様に二次元シンチレータアレイを用いた構造としても良い。さらに、ＭＩＤ基板２４の上面にフォトダイオードアレイ２５の位置決めのための溝または突起を設けることとしても良い。
【００４７】
また、変形例２にかかる放射線検出装置では、ＭＩＤ基板２４に配線を施すことによって立体配線を実現しているが、ＭＩＤ基板２４およびパッド形成用突起２７を貫通したスルーホールによって立体配線を形成しても良い。スルーホールを用いた場合、基板についてもＭＩＤ基板以外の基板を用いることが可能である。
【００４８】
（変形例３）
次に、変形例３にかかる放射線検出装置について説明する。本変形例３は、放射線受線モジュールの構造について、実施の形態と異なる構造を採用している。具体的には、本変形例における放射線受線モジュールは、図８に示すように、一次元シンチレータアレイ３３に対してアレイ整列方向の側面上にフォトダイオードアレイ３２を配置した構造を有し、かかる構造を複数配置した構造を有する。
【００４９】
図９は、フォトダイオードアレイ３２の構造について説明するための模式図である。フォトダイオードアレイ３２は、基板上にフォトダイオード素子３８を列状に形成した構造を有し、個々のフォトダイオード素子３８に対して配線３６および端子３７を配置することによって電気信号を出力する構造を有する。
【００５０】
このように、一次元シンチレータアレイ３３に対して、アレイ整列方向の一方の側面にフォトダイオードアレイ３２を配置することで、次の利点が生じる。すなわち、フォトダイオードアレイ３２の厚みはせいぜい数百μｍ程度しかない。従って、受線方向から変形例３にかかる放射線受線モジュールを見た場合、一次元シンチレータアレイ３３が占有する面積と比較して、フォトダイオードアレイ３２の占有面積を非常に小さくすることができる。これにより、放射線受線モジュールを小型化することが可能となると共に、放射線受線面積を十分確保することができるという利点を有する。
【００５１】
（変形例４）
次に、変形例４にかかる放射線検出装置について説明する。本変形例４は、放射線受線モジュールの構造について、実施の形態と異なる構造を採用している。具体的には、図１０に示すように、本変形例４は、変形例３と同様に一次元シンチレータアレイ４１ａ〜４１ｄに対してアレイ配列方向の側面上にフォトダイオードアレイ４０ａ〜４０ｄを配置した構造を複数有する。また、フォトダイオードアレイ４０ａ〜４１ｄにおいて、フォトダイオード素子からの出力配線を、アレイ整列方向に延在させた構造を有する。
【００５２】
より具体的には、図１１に示すように、フォトダイオードアレイ４０は、フォトダイオード素子４７からアレイ整列方向に延在した配線４６と、配線４６と接続した端子４３をアレイ整列方向端部に配置した構造を有する。さらに、端子４３は、フォトダイオードアレイ４０に固着した基板４２上に設けられた配線４４を介して接続端子４５に接続される。基板４２は、個々のフォトダイオード素子からの出力端子間の間隔を拡大させるためのものであるが、別基板上に配線４４および接続端子４５を形成するのではなく、かかる構造をフォトダイオードアレイ４０上に形成することとしても良い。
【００５３】
変形例４においては、一次元シンチレータアレイ４１ａ〜４１ｄのアレイ整列方向の側面上にフォトダイオードアレイ４０を配置した構造を有する。このため、フォトダイオードアレイ４０においてフォトダイオード素子４７を配置した面の面積が受線面積に影響を及ぼすことはない。従って、フォトダイオードアレイ４０を受線方向下流側に拡大させた構造を取ることも可能であり、配線４６を配置するために必要な領域を十分に確保することが可能である。従って、変形例４では、出力端子を受線方向下流側に配置するのではなく、配線４６を介してアレイ配列方向に端子４３および接続端子４５を形成することが可能となる。
【００５４】
以上、実施の形態およびその変形例に渡って本発明を説明してきたが、本発明はこれら実施の形態等に限定されるのではなく、当業者ならばこれらの実施の形態を用いて様々な変形例、実施例に想到することが可能である。例えば、実施の形態および変形例では、放射線検出装置について説明してきたが、構造から容易に推定できるように、シンチレータアレイを除外した構造とすることで、光検出器を構成する事が可能である。本発明によれば、受光面においてフォトダイオード素子の占有面積を増大させることが可能であるため、本発明の構造を光検出器に応用することで、受光面積が広く、感度の高い光検出器を提供することができる。
【００５５】
また、フォトダイオード素子のアノード電極等と、他の電極とを電気的に接続する態様としてワイヤボンディングを例として説明を行ったが、かかる態様に限定して解釈する必要はない。例えば、フリップチップ方式によって接続しても良いし、ＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｄｉｎｇ）方式によって接続しても良い。実施の形態および変形例で説明した構造によれば、フォトダイオード素子上面に設けられた電極と、基板上に設けられたパッドとはほぼ同一平面を形成するため、このような方式によっても容易に電気的に接続することが可能である。なお、実施の形態および変形例ではフォトダイオード素子の受光面上に形成される電極をアノード電極としフォトダイオード素子の裏面にカソード電極を配置した構造を例に説明したが、カソード電極とアノード電極とを逆に配置した構造としてもよいのはもちろんである。
【００５６】
さらに、実施の形態では、１の溝部に対して１の一次元フォトダイオードアレイを配置した構造としたが、１の溝部に対してアレイ整列方向に複数の一次元フォトダイオードアレイを配置した構造としても良い。かかる構造とした場合であっても本発明の利点が失われるものではない。同様に、変形例２〜変形例４においても、個々の基板上に単一の一次元フォトダイオードアレイを配置するのではなく、複数の一次元フォトダイオードアレイをアレイ整列方向に配置した構造としても良い。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、一次元光電変換素子アレイを複数配列した構造を有するために製造歩留まりが向上すると共に、出力端子を介して光電変換素子からの電気信号を出力する構造を有するために基板表面上における配線構造を簡略化することとしたため、基板表面における光電変換素子の占有面積を拡大可能な高感度の光検出器を実現することができるという効果を奏する。
【００５８】
また、この発明によれば、回路基板と光電変換器との間を導電性樹脂層および絶縁性樹脂層を用いて接続することとしたため、製造時に低温環境下で接続が可能であるため、回路基板および／または基板が反ることを抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態にかかる放射線検出装置の全体構造を示す鳥瞰図である。
【図２】放射線検出装置を構成する回路基板上に放射線受線モジュールを固定する態様を説明するための断面図である。
【図３】放射線受線モジュールの構造を示す鳥瞰図である。
【図４】放射線受線モジュールの動作を示す模式図である。
【図５】変形例１にかかる放射線検出装置の構造を示す断面図である。
【図６】変形例２にかかる放射線検出装置を構成する放射線受線モジュールの構造を示す模式図である。
【図７】変形例２における放射線受線モジュールを構成するＭＩＤ基板およびフォトダイオードアレイの構造を示す鳥瞰図である。
【図８】変形例３にかかる放射線検出装置を構成する放射線受線モジュールの構造を示す模式図である。
【図９】変形例３における放射線受線モジュールを構成するフォトダイオードアレイおよび一次元シンチレータアレイの構造を示す模式図である。
【図１０】変形例４にかかる放射線検出装置を構成する放射線受線モジュールの構造を示す模式図である。
【図１１】変形例４における放射線受線モジュールを構成するフォトダイオードアレイおよび一次元シンチレータアレイの構造を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 回路基板
２ａ〜２ｆ 放射線受線モジュール
３ 二次元シンチレータアレイ
４ 光電変換器
５ａ 端子
６ａ 端子
７ａ バンプ
８ａ 接続部
９ 絶縁性硬化樹脂層
１０ａ〜１０ｃ シンチレータ素子
１１ａ〜１１ｃ セパレータ
１２ 基板
１３ａ〜１３ｄ 溝部
１４ａ〜１４ｄ フォトダイオードアレイ
１５ フォトダイオード素子
１６ アノード電極
１７ パッド
１８ スルーホール
２０ カソード導電層
２１ 回路基板
２２ａ〜２２ｅ 放射線受線モジュール
２３ 放射線受線モジュール
２４ａ〜２４ｅ ＭＩＤ基板
２５ａ〜２５ｅ 一次元フォトダイオードアレイ
２６ａ〜２６ｅ 一次元シンチレータアレイ
２７ パッド形成用突起
２８ アノードパッド
２９ アノード端子
３０ カソード端子
３１ アノード電極３１ アノード電極
３２ａ〜３２ｅ フォトダイオードアレイ
３３ａ〜３３ｅ 一次元シンチレータアレイ
３６ 配線
３７ 端子
３８ フォトダイオード素子
４０ａ フォトダイオードアレイ
４１ａ フォトダイオードアレイ
４２ 基板
４３ 端子
４４ 配線
４５ 接続端子
４６ 配線
４７ フォトダイオード素子
【発明の属する技術分野】
この発明は、光強度分布または放射線強度分布に応じた電気信号を出力する技術に関し、特に、光電変換素子が配置される平面において、光電変換素子が占める面積の割合を高く維持し、製造歩留まりの向上が可能な光検出器および放射線検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
医療機関などで使用されるＸ線ＣＴ装置では、被検体に対してＸ線を照射することによって被検体の内部構造を撮影する。具体的には、Ｘ線ＣＴ装置は、Ｘ線照射源と、Ｘ線照射源と被検体を介して対抗配置された、Ｘ線検出部が一次元アレイ状に配置された構造の放射線検出器を有する。ここで、検出部は、受線したＸ線を電気信号に変換する機能を有し、Ｘ線を可視光線に変換するシンチレータ素子と、可視光線を電気信号に変換するフォトダイオードとを有する。この放射線検出器によって被検体を通過したＸ線を受線し、受線したＸ線に基づいて得られる電気信号を記録する。そして、Ｘ線照射源と放射線検出器の位置関係を維持したまま、Ｘ線を照射する角度を様々に変化させてＸ線の受線をくり返す。その後、得られた電気信号に対してコンボルーション（畳み込み）やバックプロジェクション（逆投影）等の処理をおこなうことで、Ｘ線が通過した被検体の断面（以下、「スライス」と言う）の画像を再構成する。
【０００３】
特に近年、一回のＸ線照射によって、同時に複数のスライスについて撮影することのできるマルチスライスＸ線ＣＴ装置の開発が盛んである。マルチスライスＸ線ＣＴ装置は、複数のスライスに対応して、アレイ状のＸ線検出部を複数配置して、それぞれのスライスを通過したＸ線を収集してスライス画像を再構成している。したがって、マルチスライスＸ線ＣＴ装置においては、検出部が一次元アレイ状ではなく、二次元アレイ状に配置された、放射線検出装置を備える必要がある。このため、検出部を構成するフォトダイオードについても、二次元的に配置されなければならない（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
かかる放射線検出装置として、所定の回路を備えた回路基板と、回路基板上に配置され、マトリックス状に分布する複数のフォトダイオードとそれに対応した配線を同一の半導体基板上に一体的に形成した光電変換器とを備えた構造が知られている。そして、フォトダイオードを形成した半導体基板上に、個々のフォトダイオードに対応したシンチレータ素子を有する二次元シンチレータアレイを搭載することで、放射線検出器を形成する。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−３５２０９４号公報（第３頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では１枚の半導体基板上にすべてのフォトダイオードを形成することとしているため、受線領域の面積が制限されると共に、製造歩留まりが低いという問題を有する。以下、かかる問題点について順次説明する。
【０００７】
すなわち、上記従来技術では同一基板上にすべてのフォトダイオードを形成するため、二次元フォトダイオードアレイを構成する多数のフォトダイオードの中で不良素子が一つでも存在すれば放射線検出装置に用いることは不可能となる。すなわち、放射線検出装置では光源から出力された放射線の二次元強度分布を検出することが目的であるため、物理的にフォトダイオードは二次元状に配置されている必要がある。従って、例えばＤＲＡＭ等で製造歩留まりを向上させる目的で採用される冗長回路を使用することができず、製造歩留まりが非常に悪くなる。
【０００８】
また、上記従来技術では、フォトダイオードのみならず、フォトダイオードにおいて光から変換された電気信号を外部回路に出力するための出力配線についても同一の半導体基板上に形成する必要がある。従って半導体基板の表面上に出力配線を形成する領域を確保する必要があり、フォトダイオードアレイの占有面積が相対的に減少することとなる。特に、近年のマルチスライスＸ線ＣＴ装置では、必要とするフォトダイオードの数が飛躍的に増大することから、個々のフォトダイオードに対応した出力配線の本数も増大し、フォトダイオードの占有面積がさらに減少することとなり、高感度の放射線検出装置を実現する観点からは上記従来技術の構造は適切とは言えない。
【０００９】
この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、光電変換素子が配置される平面において、光電変換素子が占める面積の割合を高く維持し、製造歩留まりの向上が可能な光検出器および放射線検出装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１にかかる光検出器は、所定の電気回路および入力端子を備えた回路基板上に複数の光電変換器を配置した光検出器であって、前記光電変換器は、前記入力端子に対応した出力端子および表面上に前記出力端子と電気的に接続された入力パッドを備えた基板と、前記入力パッドとほぼ同一の平面を形成するよう配置され、前記入力パッドと電気的に接続された出力電極と、該出力電極と電気的に接続され、受光強度に応じた電気信号を出力する光電変換素子とを一次元状に配列した一次元光電変換素子アレイを素子配列方向と垂直方向に複数配列した二次元光電変換部とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
この請求項１の発明によれば、一次元光電変換素子アレイを複数配列した構造を有するために製造歩留まりが向上すると共に、出力端子を介して光電変換素子からの電気信号を出力する構造を有するために基板表面上における配線構造を簡略化することとしたため、基板表面における光電変換素子の占有面積を拡大可能な高感度の光検出器を実現することができる。
【００１２】
また、請求項２にかかる光検出器は、上記の発明において、前記基板は、前記一次元光電変換素子アレイを埋め込む溝部を複数備えたことを特徴とする。
【００１３】
また、請求項３にかかる光検出器は、上記の発明において、前記基板は、上面の一部領域上に配置され、上端面に前記入力パッドを有する凸部と、上面の他の領域上に配置された前記一次元光電変換素子アレイ収容領域と、前記入力パッドに電気的に接続された出力端子とを備えたＭＩＤ基板とを前記一次元光電変換素子アレイの素子配列方向と垂直方向に複数配列した構造を備えたことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項４にかかる光検出器は、上記の発明において、前記入力パッドと、前記出力電極との間はワイヤボンディングによって電気的に接続されたことを特徴とする。
【００１５】
また、請求項５にかかる光検出器は、所定の電気回路および入力端子を備えた回路基板と、該回路基板上に配置され、１０ｍｍ角以上の面積を有する受光面と、該受光面上に配置された複数の光電変換素子と、該光電変換素子と電気的に接続され、前記入力端子に対応した出力端子とを備えた光電変換器と、前記出力端子と前記入力端子との間を電気的に接続する導電性樹脂層と、前記回路基板と前記光電変換器との間であって、前記出力端子および前記入力端子間以外の領域に配置された絶縁性硬化樹脂層とを備えたことを特徴とする。
【００１６】
この請求項５の発明によれば、回路基板と光電変換器との間を導電性樹脂層および絶縁性樹脂層を用いて接続することとしたため、製造時に低温環境下で接続が可能であるため、回路基板および／または基板が反ることを抑制することができる。
【００１７】
また、請求項６にかかる光検出器は、上記の発明において、前記導電性樹脂層は、前記出力端子または前記入力端子上に形成され、あらかじめ固化された導電性硬化樹脂層と、該導電性硬化樹脂層上に流動性を備えた状態で形成され、前記光電変換器を前記回路基板上に固定する際に固化される導電性樹脂層とを備えることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項７にかかる放射線検出装置は、請求項１〜６のいずれか一つに記載の光検出器と、前記光検出器の有する二次元光電変換部に対応して配置され、受線した放射線を前記光検出器で検出可能な波長の光に変換する複数の光変換素子を有する光変換器と、前記光変換素子間に配置された遮蔽層とを備えたことを特徴とする。
【００１９】
また、請求項８にかかる放射線検出装置は、所定の電気回路および入力端子を備えた回路基板上に複数の放射線検出器を配置した放射線検出装置であって、前記放射線検出器は、受線した放射線を所定波長の光に変換する光変換素子を一次元状に配列した一次元光変換素子アレイと、該一次元光変換素子アレイに対してアレイ整列方向の一方の側面に配置され、前記光変換素子に対応して光電変換素子を一次元状に配列した一次元光電変換素子アレイと、をアレイ整列方向と垂直方向に複数配列したことを特徴とする。
【００２０】
また、請求項９にかかる放射線検出装置は、上記の発明において、前記一次元変換素子アレイは、受線方向下流に延在した構造を有し、該延在した領域上に引き出し用配線と、該引き出し用配線に電気的に接続した外部出力端子とを備えたことを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態である光検出器および放射線検出装置について説明する。図面の記載において同一あるいは類似部分には同一あるいは類似な符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、それぞれの部分の厚みの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。さらに、符号に付くａ、ｂ、ｃ等の識別文字は必要に応じて付けるものとし、“放射線受線モジュール２ａ、２ｂ”のように複数の同一部分が存在する場合には、必要に応じて“放射線受線モジュール２”と総称して記述する。
【００２２】
本実施の形態にかかる放射線検出装置は、回路基板上に複数の放射線受線モジュールを二次元状に配置した構造を有する。個々の放射線受線モジュールは、アレイ方向と垂直方向に配列された複数の一次元光電変換素子アレイと、かかる一次元光電変換素子アレイを収容する溝部と、フォトダイオード素子等によって形成された個々の光電変換素子から出力される電気信号を回路基板上の回路に伝達するための配線構造を備えた基板とを有する光電変換器を有する。さらに、光電変換素子に対応して配置され、受線した放射線を光電変換素子が検出可能な波長の光に変換する二次元シンチレータアレイを光電変換器上に有する。
【００２３】
図１は、本実施の形態にかかる放射線検出装置の全体像を示す鳥瞰図である。図１に示すように、本実施の形態にかかる放射線検出装置は、所定の回路構造を有する回路基板１上にマトリックス状に配置された放射線受線モジュール２ａ〜２ｆを備えた構造を有する。放射線受線モジュール２ａ〜２ｆは、それぞれ入射した放射線を強度分布に応じて電気信号に変換し、回路基板１上に形成された所定の回路に対して電気信号を出力可能な構造を有する。
【００２４】
次に、放射線受線モジュール２を回路基板１上に固定する態様について説明する。図２は、回路基板と放射線受線モジュール２との間の接続態様を示す断面図である。図２に示すように、回路基板１上には放射線受線モジュール２から出力された電気信号を入力するための端子６ａ〜６ｃが配置されている。放射線受線モジュール２は、放射線を受線し、所定波長の光に変換する二次元シンチレータアレイ３と、二次元シンチレータアレイ３に対して受線下流方向に位置し、変換された光の強度に基づいて電気信号を生成する光電変換器４と、端子６ａ〜６ｃに対応して設けられ、生成された電気信号を出力するための端子５ａ〜５ｃとを有する。そして、回路基板１と放射線受線モジュール２とは、端子に対応した部分では導電性硬化樹脂によって接続され、端子以外の部分では絶縁性硬化樹脂層９によって互いが固定されている。
【００２５】
本実施の形態にかかる放射線検出装置では、端子５ａと端子６ａとの間を半田材によって接続するのではなく、導電性樹脂によって形成されるバンプ７ａおよび接続部８ａを用いて接続している。具体的には、端子５ａ上にあらかじめ導電性樹脂を所定の厚みだけ堆積し、所定の熱等を印加して固化させることによってバンプ７ａを形成する。そして、形成したバンプ７ａ上に、好ましくはバンプ７ａと同一の導電性樹脂を再び堆積し、固化せずに流動した状態を維持した接続部８ａを形成する。そして、流動性を有する接続部８ａと端子６ａとを接触させた状態とした後、熱等を加えて接続部８ａを固化し、隣接する端子間の空隙部分に、接着材料として機能する絶縁性樹脂を注入して固化する。バンプ７ａおよび接続部８ａを構成する導電性樹脂としては、エポテック社製のＥ−４１１０ＰＦＣを用いるのが好適であるが、他の導電性樹脂であっても固化する温度が低温であればバンプ７ａ、接続部８ａの材料として使用することが可能である。
【００２６】
次に、放射線受線モジュール２の構造について詳細に説明する。図３は、本実施の形態にかかる放射線検出装置を構成する放射線受線モジュール２の構造を示す鳥瞰図である。放射線受線モジュール２は二次元シンチレータアレイ３と、光電変換器４とを有する。光電変換器４は、基板１２と、基板１２上面に形成された溝部１３ａ〜１３ｄに埋め込まれたフォトダイオードアレイ１４ａ〜１４ｄとを備え、二次元シンチレータアレイ３は、フォトダイオードアレイ１４ａ〜１４ｄが備えるフォトダイオード素子１５に対応して配置されたシンチレータ素子１０と、シンチレータ素子１０間に配置されたセパレータ１１とを備える。
【００２７】
光電変換器４は、溝部１３ａ〜１３ｄにそれぞれ埋め込んだフォトダイオードアレイ１４ａ〜１４ｄを有する。このため、フォトダイオードアレイ１４ａ〜１４ｄは、それぞれが備えるフォトダイオード素子１５の配列方向に対して垂直に並べられ、結果として光電変換器４の表面上にはフォトダイオード素子１５が二次元マトリックス状に配置されることとなる。
【００２８】
また、個々のフォトダイオード素子１５は、それぞれ受光面と同一面上にアノード電極１６を備え、基板１２の上面にはアノード電極１６に対応してパッド１７が形成されている。ここで、溝部１３ａ〜１３ｄは、アノード電極１６と、パッド１７とが同一平面を形成するよう構成されている。また、パッド１７の一部領域にはスルーホール１８が形成され、スルーホール１８は基板１２の裏面に設けられた端子５ａ（図３においては図示省略）に電気的に接続された構造を有する。さらに、アノード電極１６とパッド１７との間はワイヤボンディングによって電気的に接続されており、結果としてフォトダイオード素子１５のアノード電極１６は、パッド１７、スルーホール１８を介して基板１２の裏面に設けられた端子５ａに電気的に接続されている。なお、図示は省略したが、フォトダイオード素子１５のカソード電極は受光面の裏面に形成され、溝部１３ａ〜１３ｄの底面上に設けられた導電パッドおよびスルーホールによって、カソード電極についても基板１２の裏面に設けられた端子に電気的に接続される。かかる構造により、基板１２上面に配置されたフォトダイオード素子１５によって得られた電気信号は基板１２裏面の端子を介して回路基板１に出力されることとなる。
【００２９】
放射線受線モジュール２の動作について簡単に説明する。図４は、放射線受線モジュール２の動作を説明するための模式図である。図４に示すように、外部からＸ線がシンチレータ素子１０ａ、１０ｂに対して入射している。シンチレータ素子１０ａ、１０ｂは、それぞれＸ線を所定波長の光に変換する機能を有するため、入射したＸ線は、シンチレータ素子１０ａ、１０ｂの内部でＸ線強度に応じた強度の光に変換される。ここで、シンチレータ素子１０ａ、１０ｂ間にはセパレータ１１ｂが配置され、入射したＸ線および変換された光が、隣接するシンチレータ素子に入射する事を防いでいる。このため、クロストークの発生が抑制され、Ｘ線の強度分布を正確に測定することが可能である。そして、変換された光はフォトダイオード素子１５ａ、１５ｂに入射し、光強度に応じた電気信号がスルーホールを介して出力される。そして、基板１２下に設けられた回路基板１は、端子６を介して電気信号を受け取り、回路基板１上に設けられた回路によって必要な処理が行われる。なお、図４では電気信号の例として電流Ｉが出力される状態を示すが、電気信号として電圧等を出力する構造としても良い。
【００３０】
次に、本実施の形態にかかる放射線検出装置の利点について説明する。まず、フォトダイオードアレイ１４ａ〜１４ｄを用いて光電変換器４を形成したことによる利点について説明する。
【００３１】
従来のように二次元フォトダイオードアレイを同一基板上に形成した場合には、既に説明したように基板上に形成された多数のフォトダイオード素子のうち、１つでも欠陥を有する素子が存在した場合には光電変換器４に用いることができない。これに対して本実施の形態では、一次元フォトダイオードアレイを複数配置して二次元フォトダイオードアレイを実現することによって同一基板上に形成されるフォトダイオード素子の個数を減らしており、製造歩留まりを向上させている。
【００３２】
次に、フォトダイオードアレイ１４ａ〜１４ｄを基板１２上面に形成された溝部１３ａ〜１３ｄに埋め込む構造としたことによる利点について説明する。第１に、溝部１３ａ〜１３ｄの幅とフォトダイオードアレイ１４ａ〜１４ｄの幅とがほぼ一致するため、フォトダイオードアレイ１４ａ〜１４ｄの位置決めが容易に行えるという利点を有する。このため、一次元フォトダイオードアレイを複数配列して二次元フォトダイオードアレイを構成する場合に一次元フォトダイオードアレイ相互間の位置関係を容易かつ正確に制御することが可能となり、製造工程上の負担の増加を抑制することができる。
【００３３】
第２に、溝部１３ａ〜１３ｄの深さと、フォトダイオードアレイ１４ａ〜１４ｄの厚みをほぼ一致させることによって、フォトダイオード素子１５のアノード電極１６と基板１２上に形成されるパッド１７とがほぼ同一平面を形成することができる。これにより、アノード電極１６とパッド１７とをワイヤボンディングによって接続する構造としても、アノード電極１６とパッド１７とを隣接させて配置することができる。
【００３４】
すなわち、接続する電極間に段差を有する場合、電極間の水平距離をある程度確保する必要が生じるのに対し、本実施の形態では、アノード電極１６とパッド１７とがほぼ同一の平面を有するために水平距離を短くすることが可能となり、ひいてはフォトダイオード素子１５の占有面積を増加させることが可能となる。なお、「ほぼ同一の面」とは、完全に同一平面を形成する場合の他、アノード電極１６とパッド１７との高低差が１００μｍ以下の場合も含むこととする。かかる高低差であれば、実質上同一面を形成した場合と同視でき、アノード電極１６とパッド１７とを隣接した状態で配置することが可能となるためである。
【００３５】
次に、光電変換器４において、フォトダイオード素子１５によって得られる電気信号を、スルーホール１８を介して基板１２の裏面に出力することによる利点について説明する。スルーホール１８を用いることによって、個々のフォトダイオード素子１５からの電気信号を基板１２の表面上に形成した配線を介して外部に出力する必要がなくなるため、基板１２表面に配線用の領域が必要なくなる。従って、基板１２の表面上におけるフォトダイオード素子１５の占有面積を十分確保することが可能となり、高感度の放射線検出装置を実現することが可能となる。
【００３６】
次に、回路基板１上に放射線受線モジュール２を複数配置したことによる利点について説明する。上記のように、放射線受線モジュール２は基板１２上に形成されており、かかる基板１２を回路基板１上に固定した状態で放射線検出装置は構成される。ここで、面積の増加に伴って基板１２の反りが問題となり、基板１２と回路基板１との電気的接触が十分とれないおそれが生じる。このため、放射線受線モジュール２を構成する基板１２の大きさは１０ｍｍ角〜５０ｍｍ角程度とするのが一般的であるが、一回のＸ線照射によって同時に複数のスライスを撮影できるマルチスライスＸ線ＣＴ装置を実現する観点からは、かかる受光面積では十分ではない。従って、本実施の形態では放射線受線モジュール２を回路基板１上に複数設けることによって基板１２の反りによる問題を回避し、十分な受線面積を有する放射線検出装置を実現している。
【００３７】
また、放射線受線モジュール２を複数配置することによって、受線領域を任意に設定した放射線検出装置を実現することが可能である。すなわち、異なる受線領域を有する放射線検出装置を製造する場合、従来は受線領域に応じて二次元フォトダイオードアレイを同一基板上に形成する必要があった。しかしながら、本実施の形態では放射線受線モジュール２を複数配置する構造としたため、配置パターンを調整することによって異なる受線領域の放射線検出装置を構成することが可能となる。
【００３８】
最後に、回路基板１上に放射線受線モジュール２を固定する態様において、図２に示すように導電性樹脂および絶縁性樹脂を用いて固定することによる利点について説明する。従来は、端子間を電気的に接続した状態で固定するために、端子間に半田材を介在させることによって固定していた。しかしながら、半田材を使用した場合には固定強度が強くなる反面、半田材の溶解温度が高いために回路基板１と基板１２の熱膨張係数の相違により、固定後の回路基板１または／および基板１２が反るという問題が存在した。特に、放射線受線モジュールのように１０ｍｍ角程度以上の大きさを有する素子を固定する場合には、基板の反りは大きな問題となる。
【００３９】
これに対して、本実施の形態にかかる放射線検出装置では、放射線受線モジュール２を構成する基板１２と回路基板１との間を、端子間の接続については導電性樹脂を使用し、他の部分については絶縁性樹脂を使用して固定している。従って、放射線受線モジュール２の固定を低温環境下で行うことが可能となり、回路基板１または／および基板１２が反ることを防いでいる。なお、端子間の接続に関して、固化したバンプ７ａをあらかじめ形成することとしたのは、接続部８ａを形成する導電性樹脂を流動状態で十分な量堆積するためである。すなわち、端子５ａ上に直接流動状態の接続部８ａを堆積した場合、導電性樹脂が水平方向に拡散する傾向があるため、十分な厚みを確保することが困難なためである。また、本実施の形態では絶縁性樹脂も使用して放射線受線モジュール２を固定している。これは、放射線受線モジュール２が１０ｍｍ角程度以上と一定の大きさを有することと、導電性樹脂のみで固定した場合物理的な固定強度に問題が生じるおそれがあることが理由である。
【００４０】
（変形例１）
本実施の形態にかかる放射線検出装置の変形例１について説明する。なお、以下の変形例１〜変形例４を通じて、特に言及しない部分については実施の形態にかかる放射線検出装置と同様の構造を有するものとし、同様の名称を付したものについても、実施の形態の場合と同様の構造、機能を有するものとする。
【００４１】
実施の形態では、回路基板１の表面は平面を形成し、かかる平面上に放射線受線モジュール２を配置する構成としたが、変形例１では、図５に示すように、回路基板１の表面を曲面によって形成し、表面上に放射線受線モジュール２２ａ〜２２ｅを配置している。実際に放射線検出装置を使用する場合、受線する放射線を出力する放射線源は点光源であるのが通常である。従って、放射線源から出力された放射線は放射状に拡散することから、放射線検出装置の受線領域も、拡散した放射線が垂直に入射する構造とすることが好ましい。従って、例えば回路基板１の表面を放物面状に形成することによって回路基板１の表面上に固定される放射線受線モジュール２２ａ〜２２ｅは、放射線の進行方向に対して垂直な受線面を有することとなり、受線感度を向上させることが可能となる。
【００４２】
（変形例２）
次に、変形例２にかかる放射線検出装置について説明する。変形例２にかかる放射線検出装置は、放射線受線モジュール２３の構造が実施の形態の放射線受線モジュール２と異なる構造を有する。具体的には、本変形例２では、図６に示すように、ＭＩＤ基板２４と、フォトダイオードアレイ２５と、一次元シンチレータアレイ２６とを備えた積層構造が、アレイ整列方向と垂直な方向に複数配置された構造を有する。
【００４３】
図７は、ＭＩＤ基板２４と、フォトダイオードアレイ２５の構造について説明するための鳥瞰図である。図７に示すように、変形例２では、ＭＩＤ基板２４の上面の一部領域上にはパッド形成用突起２７が設けられており、パッド形成用突起２７の上端面がフォトダイオードアレイ２５上に設けられたアノード電極３１とほぼ同じ高さとなるよう形成されている。さらに、ＭＩＤ基板２４の上面の他の領域にはフォトダイオードアレイ２５を形成するフォトダイオード素子のカソード電極と電気的接続を確保するためのカソード導電層２０が形成され、カソード導電層２０は、ＭＩＤ基板２４の裏面に形成されたカソード端子３０と電気的に接続された構造を有する。
【００４４】
一方、パッド形成用突起２７上に設けられたアノードパッド２８は、ＭＩＤ基板２４裏面に設けられたアノード端子２９と電気的に接続された構造を有する。また、アノードパッド２８はフォトダイオードアレイ２５を構成する個々のフォトダイオード素子に対応して配置されたアノード電極３１とワイヤボンディングを介して電気的に接続され、結果としてフォトダイオード素子のアノード電極３１およびカソード電極は、アノード端子２９およびカソード端子３０と接続した構造となる。
【００４５】
かかる構造とした場合であっても、実施の形態と同様に、配線に要する領域を少なくすることが可能となる。すなわち、アノード電極３１から出力される電気信号をＭＩＤ基板２４の下部に設けたアノード端子２９から取り出す立体配線構造とすることで、従来のように基板表面に二次元的な配線を施した場合と比べて、フォトダイオードアレイ間の隙間領域を狭くすることが可能となる。従って、本変形例２にかかる放射線検出装置は、従来と比較してフォトダイオードの占有面積を相対的に大きく取ることができ、有効Ｘ線受線面積を最大にし、検出効率を増大させることができる。
【００４６】
なお、図６および図７では、放射線受線モジュール２３から外部に出力する構造としてピン状のアノード端子２９およびカソード端子３０を用いた構造について図示したが、実施の形態の場合と同様の端子構造を用いることとしても良い。また、一次元シンチレータアレイ２６を複数固着する構造とするのではなく、実施の形態と同様に二次元シンチレータアレイを用いた構造としても良い。さらに、ＭＩＤ基板２４の上面にフォトダイオードアレイ２５の位置決めのための溝または突起を設けることとしても良い。
【００４７】
また、変形例２にかかる放射線検出装置では、ＭＩＤ基板２４に配線を施すことによって立体配線を実現しているが、ＭＩＤ基板２４およびパッド形成用突起２７を貫通したスルーホールによって立体配線を形成しても良い。スルーホールを用いた場合、基板についてもＭＩＤ基板以外の基板を用いることが可能である。
【００４８】
（変形例３）
次に、変形例３にかかる放射線検出装置について説明する。本変形例３は、放射線受線モジュールの構造について、実施の形態と異なる構造を採用している。具体的には、本変形例における放射線受線モジュールは、図８に示すように、一次元シンチレータアレイ３３に対してアレイ整列方向の側面上にフォトダイオードアレイ３２を配置した構造を有し、かかる構造を複数配置した構造を有する。
【００４９】
図９は、フォトダイオードアレイ３２の構造について説明するための模式図である。フォトダイオードアレイ３２は、基板上にフォトダイオード素子３８を列状に形成した構造を有し、個々のフォトダイオード素子３８に対して配線３６および端子３７を配置することによって電気信号を出力する構造を有する。
【００５０】
このように、一次元シンチレータアレイ３３に対して、アレイ整列方向の一方の側面にフォトダイオードアレイ３２を配置することで、次の利点が生じる。すなわち、フォトダイオードアレイ３２の厚みはせいぜい数百μｍ程度しかない。従って、受線方向から変形例３にかかる放射線受線モジュールを見た場合、一次元シンチレータアレイ３３が占有する面積と比較して、フォトダイオードアレイ３２の占有面積を非常に小さくすることができる。これにより、放射線受線モジュールを小型化することが可能となると共に、放射線受線面積を十分確保することができるという利点を有する。
【００５１】
（変形例４）
次に、変形例４にかかる放射線検出装置について説明する。本変形例４は、放射線受線モジュールの構造について、実施の形態と異なる構造を採用している。具体的には、図１０に示すように、本変形例４は、変形例３と同様に一次元シンチレータアレイ４１ａ〜４１ｄに対してアレイ配列方向の側面上にフォトダイオードアレイ４０ａ〜４０ｄを配置した構造を複数有する。また、フォトダイオードアレイ４０ａ〜４１ｄにおいて、フォトダイオード素子からの出力配線を、アレイ整列方向に延在させた構造を有する。
【００５２】
より具体的には、図１１に示すように、フォトダイオードアレイ４０は、フォトダイオード素子４７からアレイ整列方向に延在した配線４６と、配線４６と接続した端子４３をアレイ整列方向端部に配置した構造を有する。さらに、端子４３は、フォトダイオードアレイ４０に固着した基板４２上に設けられた配線４４を介して接続端子４５に接続される。基板４２は、個々のフォトダイオード素子からの出力端子間の間隔を拡大させるためのものであるが、別基板上に配線４４および接続端子４５を形成するのではなく、かかる構造をフォトダイオードアレイ４０上に形成することとしても良い。
【００５３】
変形例４においては、一次元シンチレータアレイ４１ａ〜４１ｄのアレイ整列方向の側面上にフォトダイオードアレイ４０を配置した構造を有する。このため、フォトダイオードアレイ４０においてフォトダイオード素子４７を配置した面の面積が受線面積に影響を及ぼすことはない。従って、フォトダイオードアレイ４０を受線方向下流側に拡大させた構造を取ることも可能であり、配線４６を配置するために必要な領域を十分に確保することが可能である。従って、変形例４では、出力端子を受線方向下流側に配置するのではなく、配線４６を介してアレイ配列方向に端子４３および接続端子４５を形成することが可能となる。
【００５４】
以上、実施の形態およびその変形例に渡って本発明を説明してきたが、本発明はこれら実施の形態等に限定されるのではなく、当業者ならばこれらの実施の形態を用いて様々な変形例、実施例に想到することが可能である。例えば、実施の形態および変形例では、放射線検出装置について説明してきたが、構造から容易に推定できるように、シンチレータアレイを除外した構造とすることで、光検出器を構成する事が可能である。本発明によれば、受光面においてフォトダイオード素子の占有面積を増大させることが可能であるため、本発明の構造を光検出器に応用することで、受光面積が広く、感度の高い光検出器を提供することができる。
【００５５】
また、フォトダイオード素子のアノード電極等と、他の電極とを電気的に接続する態様としてワイヤボンディングを例として説明を行ったが、かかる態様に限定して解釈する必要はない。例えば、フリップチップ方式によって接続しても良いし、ＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｄｉｎｇ）方式によって接続しても良い。実施の形態および変形例で説明した構造によれば、フォトダイオード素子上面に設けられた電極と、基板上に設けられたパッドとはほぼ同一平面を形成するため、このような方式によっても容易に電気的に接続することが可能である。なお、実施の形態および変形例ではフォトダイオード素子の受光面上に形成される電極をアノード電極としフォトダイオード素子の裏面にカソード電極を配置した構造を例に説明したが、カソード電極とアノード電極とを逆に配置した構造としてもよいのはもちろんである。
【００５６】
さらに、実施の形態では、１の溝部に対して１の一次元フォトダイオードアレイを配置した構造としたが、１の溝部に対してアレイ整列方向に複数の一次元フォトダイオードアレイを配置した構造としても良い。かかる構造とした場合であっても本発明の利点が失われるものではない。同様に、変形例２〜変形例４においても、個々の基板上に単一の一次元フォトダイオードアレイを配置するのではなく、複数の一次元フォトダイオードアレイをアレイ整列方向に配置した構造としても良い。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、一次元光電変換素子アレイを複数配列した構造を有するために製造歩留まりが向上すると共に、出力端子を介して光電変換素子からの電気信号を出力する構造を有するために基板表面上における配線構造を簡略化することとしたため、基板表面における光電変換素子の占有面積を拡大可能な高感度の光検出器を実現することができるという効果を奏する。
【００５８】
また、この発明によれば、回路基板と光電変換器との間を導電性樹脂層および絶縁性樹脂層を用いて接続することとしたため、製造時に低温環境下で接続が可能であるため、回路基板および／または基板が反ることを抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態にかかる放射線検出装置の全体構造を示す鳥瞰図である。
【図２】放射線検出装置を構成する回路基板上に放射線受線モジュールを固定する態様を説明するための断面図である。
【図３】放射線受線モジュールの構造を示す鳥瞰図である。
【図４】放射線受線モジュールの動作を示す模式図である。
【図５】変形例１にかかる放射線検出装置の構造を示す断面図である。
【図６】変形例２にかかる放射線検出装置を構成する放射線受線モジュールの構造を示す模式図である。
【図７】変形例２における放射線受線モジュールを構成するＭＩＤ基板およびフォトダイオードアレイの構造を示す鳥瞰図である。
【図８】変形例３にかかる放射線検出装置を構成する放射線受線モジュールの構造を示す模式図である。
【図９】変形例３における放射線受線モジュールを構成するフォトダイオードアレイおよび一次元シンチレータアレイの構造を示す模式図である。
【図１０】変形例４にかかる放射線検出装置を構成する放射線受線モジュールの構造を示す模式図である。
【図１１】変形例４における放射線受線モジュールを構成するフォトダイオードアレイおよび一次元シンチレータアレイの構造を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 回路基板
２ａ〜２ｆ 放射線受線モジュール
３ 二次元シンチレータアレイ
４ 光電変換器
５ａ 端子
６ａ 端子
７ａ バンプ
８ａ 接続部
９ 絶縁性硬化樹脂層
１０ａ〜１０ｃ シンチレータ素子
１１ａ〜１１ｃ セパレータ
１２ 基板
１３ａ〜１３ｄ 溝部
１４ａ〜１４ｄ フォトダイオードアレイ
１５ フォトダイオード素子
１６ アノード電極
１７ パッド
１８ スルーホール
２０ カソード導電層
２１ 回路基板
２２ａ〜２２ｅ 放射線受線モジュール
２３ 放射線受線モジュール
２４ａ〜２４ｅ ＭＩＤ基板
２５ａ〜２５ｅ 一次元フォトダイオードアレイ
２６ａ〜２６ｅ 一次元シンチレータアレイ
２７ パッド形成用突起
２８ アノードパッド
２９ アノード端子
３０ カソード端子
３１ アノード電極３１ アノード電極
３２ａ〜３２ｅ フォトダイオードアレイ
３３ａ〜３３ｅ 一次元シンチレータアレイ
３６ 配線
３７ 端子
３８ フォトダイオード素子
４０ａ フォトダイオードアレイ
４１ａ フォトダイオードアレイ
４２ 基板
４３ 端子
４４ 配線
４５ 接続端子
４６ 配線
４７ フォトダイオード素子
Claims (9)
- 所定の電気回路および入力端子を備えた回路基板上に複数の光電変換器を配置した光検出器であって、
前記光電変換器は、
前記入力端子に対応した出力端子および表面上に前記出力端子と電気的に接続された入力パッドを備えた基板と、
前記入力パッドとほぼ同一の平面を形成するよう配置され、前記入力パッドと電気的に接続された出力電極と、該出力電極と電気的に接続され、受光強度に応じた電気信号を出力する光電変換素子とを一次元状に配列した一次元光電変換素子アレイを素子配列方向と垂直方向に複数配列した二次元光電変換部と、
を備えたことを特徴とする光検出器。 - 前記基板は、前記一次元光電変換素子アレイを埋め込む溝部を複数備えたことを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
- 前記基板は、
上面の一部領域上に配置され、上端面に前記入力パッドを有する凸部と、上面の他の領域上に配置された前記一次元光電変換素子アレイ収容領域と、
前記入力パッドに電気的に接続された出力端子とを備えたＭＩＤ基板と、
を前記一次元光電変換素子アレイの素子配列方向と垂直方向に複数配列した構造を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光検出器。 - 前記入力パッドと、前記出力電極との間はワイヤボンディングによって電気的に接続されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光検出器。
- 所定の電気回路および入力端子を備えた回路基板と、
該回路基板上に配置され、１０ｍｍ角以上の面積を有する受光面と、該受光面上に配置された複数の光電変換素子と、該光電変換素子と電気的に接続され、前記入力端子に対応した出力端子とを備えた光電変換器と、
前記出力端子と前記入力端子との間を電気的に接続する導電性樹脂層と、
前記回路基板と前記光電変換器との間であって、前記出力端子および前記入力端子間以外の領域に配置された絶縁性硬化樹脂層と、
を備えたことを特徴とする光検出器。 - 前記導電性樹脂層は、前記出力端子または前記入力端子上に形成され、あらかじめ固化された導電性硬化樹脂層と、
該導電性硬化樹脂層上に流動性を備えた状態で形成され、前記光電変換器を前記回路基板上に固定する際に固化される導電性樹脂層と、
を備えることを特徴とする請求項５に記載の光検出器。 - 請求項１〜６のいずれか一つに記載の光検出器と、
前記光検出器の有する二次元光電変換部に対応して配置され、受線した放射線を前記光検出器で検出可能な波長の光に変換する複数の光変換素子を有する光変換器と、
前記光変換素子間に配置された遮蔽層と、
を備えたことを特徴とする放射線検出装置。 - 所定の電気回路および入力端子を備えた回路基板上に複数の放射線検出器を配置した放射線検出装置であって、
前記放射線検出器は、
受線した放射線を所定波長の光に変換する光変換素子を一次元状に配列した一次元光変換素子アレイと、
該一次元光変換素子アレイに対してアレイ整列方向の一方の側面に配置され、前記光変換素子に対応して光電変換素子を一次元状に配列した一次元光電変換素子アレイと、
をアレイ整列方向と垂直方向に複数配列したことを特徴とする放射線検出装置。 - 前記一次元変換素子アレイは、受線方向下流に延在した構造を有し、該延在した領域上に引き出し用配線と、該引き出し用配線に電気的に接続した外部出力端子とを備えたことを特徴とする請求項８に記載の放射線検出装置。
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