JP2005062169A - X-ray detection element and x-ray detector using the same - Google Patents
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Abstract
Description
X線光子を直接電気信号に変換するX線検出要素及びこれを用いたX線検出装置に係り、特にコリメータを一体に設けたX線検出要素及びこれを用いたX線検出装置に関する。 The present invention relates to an X-ray detection element that directly converts an X-ray photon into an electric signal and an X-ray detection apparatus using the X-ray photon, and particularly to an X-ray detection element that is provided with a collimator integrally and an X-ray detection apparatus using the X-ray detection element.
X線CT装置やX線透視装置等のX線を利用した診断装置においては、被検体で散乱したX線を除去するために、通常X線検出器の前にコリメータを設け、X線管から放射されたX線のうち被検体を透過したものを検知できるようになっている。 In diagnostic apparatuses using X-rays such as an X-ray CT apparatus and an X-ray fluoroscopic apparatus, a collimator is usually provided in front of the X-ray detector in order to remove X-rays scattered by the subject, Among the radiated X-rays, the one that has passed through the subject can be detected.
このようなコリメータとして種々の提案がなされている。例えば、特許文献1には、複数のコリメータ板により形成された区画ごとに被検体を透過したX線を通過させるコリメータにおいて、該コリメータの幅方向の端部付近における前記コリメータ板の配置のピッチを該コリメータの中央部付近における配置のピッチよりも疎にしたコリメータが提案されている。 Various proposals have been made as such collimators. For example, in Patent Document 1, in a collimator that passes X-rays that pass through a subject for each section formed by a plurality of collimator plates, the pitch of the arrangement of the collimator plates in the vicinity of the end in the width direction of the collimator is set. A collimator having a sparser pitch than the arrangement pitch near the center of the collimator has been proposed.
また、特許文献2には、上下面に電極を有しX線を直接電荷信号に変換するX線変換層と、散乱線除去用のコリメータ板で構成されたコリメータ部とを一次元もしくは2次元状に配置した放射線検出器において、基板に感光性ガラス板を用い、エッチングにより形成された溝に前記コリメータ板を挿入固着し、その裏面にX線変換層を設けた複数の副基板を多段に構成し、各副基板の電気配線を共有化できるように主基板上の配線を形成し、X線変換層を対向もしくは同方向配置させるように構成した放射線検出器が提案されている。
In
しかし、これらの従来のコリメータは、複雑で大きな装置になりやすいという問題がある。また、コリメータを構成する金属板の間に中間材や支持部材等の補強部材を要するものもあり、それらが被検体からの透過X線を吸収するためX線検出装置の感度が低下するという問題がある。 However, these conventional collimators have the problem that they are complex and large devices. In addition, some metal plates that form a collimator require a reinforcing member such as an intermediate material or a support member, which absorbs transmitted X-rays from the subject, and thus the sensitivity of the X-ray detection apparatus is lowered. .
本発明は、かかる従来の問題に鑑み、簡単な構造で効率的に散乱X線を排除することができ、かつ高感度の、コリメータを一体に設けたX線検出要素及びこれを用いたX線検出装置を提供することを目的とする。 In view of such a conventional problem, the present invention can efficiently eliminate scattered X-rays with a simple structure, and has a highly sensitive X-ray detection element integrally provided with a collimator and an X-ray using the same. An object is to provide a detection device.
本発明に係るX線検出要素は、一次元配列された多数のX線検知素子を有するX線検出半導体と、X線阻止部材とを交互に重ねて積層してなる。 The X-ray detection element according to the present invention is formed by alternately stacking X-ray detection semiconductors having a large number of X-ray detection elements arranged one-dimensionally and X-ray blocking members.
上記発明において、一次元配列された多数のX線検知素子は、シリコンn型半導体基板の一方の表層部にp+領域を縞状に配列し、他方の表層部にp+領域に対応するn+領域を配してなるものが好ましく、また、シリコンp型半導体基板の一方の表層部にn+領域を縞状に配列し、他方の表層部にn+領域に対応するp+領域を配してなるものとすることができる。 In the above invention, a number of one-dimensionally arranged X-ray detection elements are arranged such that p + regions are arranged in stripes on one surface layer portion of a silicon n-type semiconductor substrate, and n + regions corresponding to the p + regions are arranged on the other surface layer portion. It is preferable that n + regions are arranged in stripes on one surface layer portion of the silicon p-type semiconductor substrate, and p + regions corresponding to the n + regions are disposed on the other surface layer portion. be able to.
さらに、X線検知素子は、放射されたX線を縞状のp+又はn+領域の長手方向に受け入れるようになっているのが好ましく、縞状のp+又はn+領域の長手方向の長さは20〜50mmであるのが好ましい。 Furthermore, the X-ray sensing element is preferably adapted to receive the emitted X-rays in the longitudinal direction of the striped p + or n + region, and the longitudinal length of the striped p + or n + region is 20 It is preferably ˜50 mm.
また、X線阻止部材は、X線検出要素からの突出量が20〜40mmであるのが好ましく、板厚が40〜100μmであるのが好ましい。また、X線阻止部材は、X線阻止部材の端部両面に傾斜角0.05〜0.1°なる傾斜面を設けるのが好ましい。 The X-ray blocking member preferably has a protrusion amount of 20 to 40 mm from the X-ray detection element, and preferably has a plate thickness of 40 to 100 μm. Further, the X-ray blocking member is preferably provided with inclined surfaces having an inclination angle of 0.05 to 0.1 ° on both end surfaces of the X-ray blocking member.
上記のX線検出要素を利用したX線検出装置は、上記X線検出要素と、該X線検出要素にバイアス電圧を印加するバイアス印加部と、前記X線検出要素からの信号を配線を介して読み出す読出部と、を有してなる。 The X-ray detection apparatus using the X-ray detection element includes the X-ray detection element, a bias applying unit that applies a bias voltage to the X-ray detection element, and a signal from the X-ray detection element via wiring. And a reading unit for reading out.
本発明に係るX線検出要素は、コリメータ機能を有するX線阻止部材がX線を検知するX線検出半導体と一体に構成されており、簡単な構造で効率的に散乱X線を排除することができる。また、そのX線検出半導体は、広く利用されているシリコン半導体の製造に用いられる方法により容易に製造することができる。さらに、このX線検出要素を利用して高感度でコンパクトなX線検出装置を構成することができる。 The X-ray detection element according to the present invention is configured integrally with an X-ray detection semiconductor in which an X-ray blocking member having a collimator function detects X-rays, and efficiently eliminates scattered X-rays with a simple structure. Can do. Further, the X-ray detection semiconductor can be easily manufactured by a widely used method for manufacturing a silicon semiconductor. Furthermore, a high-sensitivity and compact X-ray detection apparatus can be configured using this X-ray detection element.
本発明に係るX線検出要素の一実施例を図を基に以下に説明する。本X線検出要素100の断面を図1に示し、平面図を図2に示す。図1に示すように、X線検出要素100は、X線検出半導体10とX線阻止部材20とを交互に重ねて積層してなる。
An embodiment of the X-ray detection element according to the present invention will be described below with reference to the drawings. A cross section of the present
この例では、X線検出半導体10はシリコンn型半導体基板から構成されており、その上側表層部の最外層にはSiO2層14が形成され、SiO2層14の下部には図2に示すようにp+領域12が縞状に配列されている。一方、X線検出半導体10の下側表層部には、p+領域12に対応する層状のn+領域13が形成され、さらにその下部には層状のAl電極15が形成されている。p+領域12とn+領域13の間には空乏層11が形成されている。
In this example, the
本X線検出半導体10は、公知のシリコンストリップ検出器(SSD)と同様の方法で製造することができる。X線検出半導体10のSiO2層14からAl電極15を含む全厚さは200〜600μmであり、SiO2層14、n+領域13及びAl電極15の厚さはそれぞれ約1μmである。
The present
p+領域12は、厚さ約1μm、幅10〜300μm、長さが20〜50mmであり、20〜500μmのピッチで数十から1000本程度縞状に配列されている。各p+領域12においてX線を感知することができるから、X線検出半導体10は、厚さ200〜600μm、幅20〜500μm、長さ30〜50mmの多数のX線検知素子17(17A、17B、17C)がX線入射方向に直交して一次元に配列された構造をしている。従って、このX線検知素子17がピクセルとなり、これによってX線画像を描くことができる。
The p +
p+領域12の長さは、2〜150mmにすることができるが、本発明においては上記のように20〜50mmとするのがよい。この長さは、シリコン型半導体のX線吸収長の2〜4倍に相当し、X線検出半導体10に入射したほとんどのX線の捕捉が可能な長さであり、必要十分の長さである。
The length of the p +
X線阻止部材20は、金属板21とその両面に設けられた絶縁層23及び25からなり、絶縁材で金属板21を挟み込んだ構造をしている。金属板21は、被検体内で散乱された散乱X線のX線検知素子17への入射を阻止し、また、X線検知素子17内で生ずる散乱X線を上下に積層された他のX線検出半導体10に到達させないようにするコリメータ機能を有する。このため、金属板21は原子番号及び密度の大きいものが好ましく、また、加工性のよいものが好ましい。例えば、原子番号47番の銀〜82番の鉛又はこれらの合金が好ましい。また、金属板21に白金又は金を蒸着させたものは、X線を効率よく全反射させるのでX線阻止部材20として優れる。
The
絶縁層23及び25は、金属板21とX線検出半導体10との通電を防止する機能を有するものであれば足り、その厚さは薄いほどよい。例えば、厚さが10μm以下のカプトンフィルム、金属酸化膜等を利用することができる。なお、絶縁層23及び25はX線検出半導体10に一体に形成されたものであってもよい。
The
X線阻止部材20は、図3(a)に示すように、X線検出要素100からX線入射方向側に20〜40mm突出させるのがよい(L=20〜40mm)。これにより、被検体内で散乱された散乱X線のX線検出要素100への入射を効果的に阻止することができる。すなわち、散乱X線の除去率を表す最大開口角度は、本X線検出要素100の場合は以下に示すように1°以下にすることができ、従来のものに比較して散乱X線の除去率がかなり高く、高感度のX線検出要素100を構成することができる。
As shown in FIG. 3A, the
最大開口角度αは、X線阻止部材20のX線検出要素100からの突出量Lとし、X線阻止部材20間の内幅をSとするとき、図3(a)に示すように、α=tan-1(S/L)により表される。しかし本発明に係るX線検出要素100の実質的な最大開口角度α1は、シリコン型半導体のX線吸収長が5〜15mmであることを考慮すると、α1=tan-1(S/L1)で表される。本X線検出要素100の場合、例えばL=20mm、L1=30mm、S=0.4mmとすると、α=1.1°、α1=0.8°となる。ちなみに、特許文献1には最大開口角度αが3.4°の例が示されている。
When the maximum opening angle α is the amount L of protrusion of the
X線阻止部材20の金属板21の板厚Tは40〜100μmとするのが好ましい。この板厚部分は、被検体を透過したX線がX線検出要素100に検出されない不感領域となるのでできるだけ薄い方が好ましい。しかしながら、実用上、強度を確保する必要があるので、金属板21の板厚は40〜100μmとするのがよい。
The thickness T of the
上記不感領域は、図3(b)に示すように、X線阻止部材20の端部両面に傾斜角θ=0.05〜0.1°なる傾斜面を設けることにより、小さくすることができる。すなわち、被検体からの透過X線のうち、図3(b)に示すようなX線阻止部材20の端部の傾斜面に当たるものを全反射させ、X線検知素子17に導くことができるので透過X線の検出範囲が広くなるからである。上記の構成により、さらにX線検出要素100の感度を向上させることができる。
As shown in FIG. 3B, the insensitive area can be reduced by providing inclined surfaces with an inclination angle θ = 0.05 to 0.1 ° on both ends of the
以上説明したように、本X線検出要素100は、X線阻止部材20がコリメータの機能を有し、X線検出半導体10がX線検出機能を有するとともにコリメータの中間材(支持材)としての機能を有する。すなわち、本X線検出要素100は簡単な構造でコンパクトなコリメータ付きのX線検出器として機能する。
As described above, in the present
上述のX線検出要素100を利用することにより、図1及び図4に示すようなX線検出装置を構成することができる。本X線検出装置300は、上記X線検出要素100と、X線検出要素100にバイアス電圧を印加するバイアス印加部110と、X線検出要素100からの信号を配線を介して読み出す読出部200を有してなる。
By using the
バイアス印加部110は、図1に示すように、電源111及びバイアス抵抗112を有し、X線検出要素100にX線検知素子17のp+領域12とAl電極15を通じてバイアス電圧を印加できるようになっている。本例の場合は、50〜150Vの逆バイアス電圧を与えるようになっている。なお、バイアス電圧V(ボルト)は、X線検知素子17の厚みD(μm)及び抵抗率ρ(Ωcm)とすると、X線検知素子17がシリコンn型半導体基板からなる場合は、V=((D/0.53)2×(1/ρ)と表される。また、X線検知素子17がシリコンp型半導体基板からなる場合は、V=((D/0.32)2×(1/ρ)と表される。これによると、X線検知素子17の厚さが410μmのシリコンn型半導体基板からなり、D=410μm、ρ=10kΩcmである場合は、バイアス電圧Vは約60Vとなる。
As shown in FIG. 1, the
読出部200は、X線検出要素100からの信号を増幅するプリアンプ202、増幅された信号の波形整形をするシェーパ204、一定以上の強さの信号のX線検出要素100への入力があった場合にデジタル信号を出力するコンパレータ206、該デジタル信号をカウントするカウンタ208及びカウンタ208からの信号を画像として出力するコンピュータ230へ入力するためのインターフェース220を有してなる。
The
このように上述のX線検出要素100は、簡単な構造で効果的に散乱X線を防止することができるコリメータ付きのX線検出器であり、広く利用されているシリコン半導体製造方法を使用して作成することができる。また、X線検出装置300は高感度で鮮明なX線画像を得ることができる。しかしながら、このようなX線検出要素100及びX線検出装置300は、上述の実施例に限らない。X線検出半導体10は、X線光子により生成された電子・正孔対を直接検知することにより入射X線の強度及び入射量を検出することができるものであればよく、例えば、X線検出要素100を構成するX線検出半導体10のn+領域13を、図5(a)に示すように、p+領域12に対向させた縞状にすることができる。また、図5(b)に示すように、p+領域12とn+領域13とが千鳥に配列された構造にすることができる。この場合にp+領域12とn+領域13のそれぞれのピッチが同じなら、電子と正孔に基づく2つの出力を利用することができX線の検知感度を向上させることができる。
Thus, the above-described
さらに、X線検出半導体10を、シリコンp型半導体基板を基に構成することができる。この場合、X線検出半導体10はシリコンp型半導体基板の一方の表層部にn+領域を縞状に配列し、他方の表層部にn+領域に対応するp+領域を配するように形成される。
Furthermore, the
また、点源から放出されるX線を検出する場合は、図6(a)に示すように、X線検出要素100の形状を、X線検出半導体10のp+領域12が形成する縞模様がX線入射方向と反対方向に末広がりの形状になるようにするのがよい。また、図6(b)に示すようにX線検出要素100の形状を、X線阻止部材20の配列が末広がりの形状になるようにするのがよい。これにより、効果的に散乱X線を排除することができる。
When X-rays emitted from the point source are detected, as shown in FIG. 6A, the
さらに、X線検出装置の読出部を以下のような構成にすることができる。すなわち、読出部201を、図7に示すように、プリアンプ202、シェーパ204、サンプルホールド211、マルチプレクサ213、A/D変換装置215、インターフェース220及びコンピュータ230からなるようにすることができる。この場合は、サンプルホールド211部で一旦保持されたX線検出要素100からの信号をマルチプレクサ213により順番を付けて読み出し、読み出された信号を順次A/D変換装置215によりA/D変換してコンピュータ230に出力することができるので、経済的なX線検出装置300を構成することができる。
Furthermore, the reading unit of the X-ray detection apparatus can be configured as follows. That is, as shown in FIG. 7, the
10 X線検出半導体
11 空乏層
12 p+領域
13 n+領域
14 SiO2層
15 Al電極
17(17A、17B、17C) X線検知素子
20 X線阻止部材
21 金属板
23 絶縁層
25 絶縁層
30 点源からのX線
100 X線検出要素
110 バイアス印加部
111 電源
112 バイアス抵抗
200、201 読出部
202 プリアンプ
204 シェーパ
206 コンパレータ
208 カウンタ
211 サンプルホールド
213 マルチプレクサ
215 A/D変換装置
220 インターフェース
230 コンピュータ
300 X線検出装置
10 X-ray detection semiconductor
11 Depletion layer
12 p + region
13 n + region
14 SiO 2 layer
15 Al electrode
17 (17A, 17B, 17C) X-ray detector
20 X-ray blocking member
21 Metal plate
23 Insulation layer
25 Insulation layer
30 X-rays from a point source
100 X-ray detection element
110 Bias application section
111 Power supply
112 Bias resistor
200, 201 reading section
202 preamplifier
204 shaper
206 Comparator
208 counter
211 Sample hold
213 multiplexer
215 A / D converter
220 interface
230 computers
300 X-ray detector
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JP2011530081A (en) * | 2008-08-07 | 2011-12-15 | コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ | Combined anti-scatter grid, cathode and carrier for photon detector |
JP2018155642A (en) * | 2017-03-17 | 2018-10-04 | 株式会社東芝 | Radiation detector and method for radiation detection |
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2004
- 2004-07-27 JP JP2004218040A patent/JP2005062169A/en active Pending
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