JP2005121528A

JP2005121528A - ２次元イメージ素子及びそれを利用した２次元イメージ検出装置並びにｘ線分析装置

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Publication number: JP2005121528A
Application number: JP2003357915A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Matsushita; 一之松下
Original assignee: Rigaku Denki Co Ltd; Rigaku Corp
Current assignee: Rigaku Denki Co Ltd; Rigaku Corp
Priority date: 2003-10-17
Filing date: 2003-10-17
Publication date: 2005-05-12

Abstract

【課題】電磁放射線のリアルタイム測定が可能で小型かつ容易に装置内に搭載可能な２次元イメージ素子、それを利用した検出装置、Ｘ線分析装置を提供する。
【解決手段】２次元イメージ素子１０は、シリコンなどの電磁放射線に感度を有する半導体から形成し互いに隣接して並列に配置された複数のストリップ状の半導体検出素子１００と、上記半導体検出素子１００の上面に直交する方向に互いに隣接して並列に配置され、やはり電磁放射線に感度を有する半導体からなる複数のストリップ状の半導体検出素子２００とから構成され、これら半導体検出素子１００と２００の重なり部分によって、平面状に多数の検出部３００を形成する。検出部３００へ入射したＸ線は、上層（Ｙ軸）の半導体検出素子２００により電気信号へ変換され、蛍光Ｘ線を発生し、下層（Ｘ軸）の半導体検出素子１００により電気信号へ変換される。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｘ線等を含む電磁放射線を検出するための新たな構造の検出素子及びそれを利用した検出装置に関し、特に、照射される電磁放射線をリアルタイムで２次元検出することの可能な電磁放射線の２次元イメージ素子とそれを利用した２次元イメージ検出装置、更には、Ｘ線回折装置に関する。

従来、各種の物理的リサーチを行なうために用いる測定装置では、光やＸ線等を含む電磁放射線を検出するための手段として、例えば、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)、フラットパネル、ＩＰ(イメージング・プレート)等、所謂、２次元電磁放射線検出器は、既に良く知られており、また、各種の２次元検出装置において広く利用されている。しかしながら、これらの検出器では、共通して、電磁放射線が照射された位置情報をリアルタイムで検出できないという問題点がある。

例えば、ＣＣＤを利用した２次元検出装置では、ＣＣＤ検出器に電磁放射線を照射したとき、この電磁放射線を受光した素子（ピクセル）内で発生した電子は一旦検出器自体の素子内に貯め込まれ、その後、各素子に貯め込まれた電子がそれぞれの方法により、順次、取り出される。すなわち、検出器自体が検出した情報を一旦貯め込んで、その後、所定のタイミングでその情報が読み出されるという原理構造となっている。

このように、検出器（素子）自体が一旦検出情報を蓄積し、その後に読み出すという原理的な構造になる２次元検出装置では、かかる原理的な構造に起因して、リアルタイムに検出情報（例えば、検出したイメージ）を見ることは困難であり、検出情報を所望の時間で時間分割することにも限界がる。また、素子を順次読み出すことが必要であることから、測定を行なわないデッドタイムが存在するという問題点がある。時間分割が難しい場合には、例えば、過電荷蓄積によってサチレーションを生じるなど、特に、過渡現象の計測が困難となるという問題点があった。

一方、上述した問題点を解消するため、従来、２次元ＰＳＰＳ(ポジション・センシティブ・プロポーショナル・カウンタ：位置敏感形比例計数器)やＭＳＧＣ（マイクロ・ストリップ・ガス・チャンバー）など、その原理的な構造において、検出器自体が検出情報を蓄積しない構造の検出装置もまた、既に提案されており、かつ、既に知られている。

例えば、ＭＳＧＣは、以下の特許文献１や特許文献２によって既に知られており、その構造は、マイクロチップモジュール（ＭＣＭ）技術に基づいて、基板上に、微小幅のストリップ状のガス計数検出器を多数、２次元（Ｘ−Ｙ座標）に交互に配置して形成したものである。なお、かかる構造になるＭＳＧＣでは、ストリップ状のガス計数検出器を形成するガスチャンバーに希ガスであるアルゴンや放電を抑えるエタン等を混合したガスを通流させる。そして、各ストリップ状のガス計数検出器からの出力は、やはり、上記基板上に形成された多数の電極（陽極、バックストリップ、陰極）を介して取り出され、ＴＤＣ（ディジタル・タイミング・コンバータ）を介して取り出される。

また、上記ＭＳＧＣからの出力信号を大量かつ迅速に処理することのできる高速データ収集システムが、以下の特許文献３により知られている。

特開平１０−３００８５６号公報

特開２０００−２１４２６４号公報特開平１１−７２５６９号公報

ところで、上記の従来技術になる、ＭＳＧＣに代表される、検出器自体が検出情報を蓄積しない構造の検出装置は、上述したように、基板上に多数の微小幅でストリップ状のガス計数検出器を形成する構造であることから、その内部のガスチャンバーと共に、その内部にガスを流通するためのチャンバーを形成しなければならず、そのため、その製造が難しかった。また、その混合ガスを通流させるガスチャンバーの構造や、ＭＳＧＣにとっては必須である冷却器や真空ポンプ等の付属機器を備えることから、検出器自体として比較的大きな機器構成となってしまい、これでは検出装置が非常に大きなものとなってしまう。

そこで、本発明は、上記のような従来技術における問題点に鑑みて、すなわち、電磁放射線のリアルタイムな測定が可能であり、かつ、より簡潔な構成になる２次元イメージ素子、及びそれを利用した２次元イメージ検出装置、更には、Ｘ線分析装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明によれば、まず、電磁放射線を２次元で検知する２次元イメージ素子であって、電磁放射線に感度を有する半導体からなり、かつ、互いに隣接して並列に配置された複数のストリップ状の第１の検出素子と、前記複数のストリップ状の第１の検出素子の一方の面上に配置され、電磁放射線に感度を有する半導体からなり、かつ、前記ストリップ状の第１の検出素子に対して直交する方向に互いに隣接して並列に配置された複数のストリップ状の第２の検出素子とから構成され、前記第１の半導体検出素子と前記第２の半導体検出素子との重なり部分によって複数の検出部を平面に形成２次元イメージ素子が提供される。

なお、本発明では、前記に記載した２次元イメージ素子において、前記各ストリップ状の第１の半導体検出素子と前記各ストリップ状の第２の半導体検出素子との間に、入射電磁放射線による蛍光Ｘ線の発生層を形成することが好ましく、又は、前記第１及び第２のストリップ状の検出素子は、シリコンにより形成されていることが好ましい。また、前記第１と前記第２のストリップ状の検出素子は、互いに異なる元素又は合金から構成され、かつ、前記第１のストリップ状の検出素子は、前記第２のストリップ状の検出素子を構成している元素又は合金形成元素の原子番号より大きい元素、あるいは、前記第２のストリップ状の検出素子を構成している元素又は合金形成元素の原子番号より大きい元素の合金により形成されてもよく、又は、前記第１及び第２のストリップ状の検出素子として、ストリップ状のダイオードを形成してもよい。更には、前記第１及び第２のストリップ状の検出素子として、ストリップ状のアバランシェダイオードを形成してもよい。

また、本発明では、やはり上記の目的を達成するため、２次元イメージ素子を利用した２次元イメージ検出装置であって、前記請求項１に記載した２次元イメージ素子と、前記２次元イメージ素子の前記第１及び第２の検出素子の各々に接続され、前記検出素子内において変換された電気的信号を増倍するための増幅器と、前記増幅器からの出力信号を読み出して２次元イメージ画像を形成する手段とを備えている２次元イメージ素子を利用した２次元イメージ検出装置が提供される。

なお、本発明では、前記に記載した２次元イメージ検出装置において、前記増幅器は、それぞれ、弁別回路を備えており、かつ、前記２次元イメージ画像形成手段には、さらに、波高手段が接続されていることが好ましい。

加えて、本発明によれば、やはり上記の目的を達成するため、Ｘ線を発生するＸ線源と、分析する試料を配置する試料保持機構と、前記試料から発生するＸ線を２次元で検知する２次元イメージ検出装置とを含んだＸ線分析装置において、当該２次元イメージ検出装置は、前記に記載した２次元イメージ素子を含んでいることを特徴とするＸ線分析装置が、又は、当該２次元イメージ検出装置は、前記に記載した２次元イメージ検出装置であるＸ線分析装置が提供されている。

以上からも明らかなように、本発明は、電磁放射線のリアルタイムな測定が可能であり、かつ、従来のＭＳＧＣなどに比較しても、冷却器や真空ポンプ等の付属機器を備える必要がなく、そのため検出器自体として比較的小さく構成することが出来、また、その製造も比較的に簡単であり、かつ容易に検出装置内に装着することが可能な２次元イメージ素子を、さらには、それを利用した２次元イメージ検出装置を提供するという、優れた効果を発揮する。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、添付の図１には、本発明の一実施の形態になる２次元イメージ素子及びそれを利用した２次元イメージ検出装置が示されている。なお、以下の説明では、本発明の２次元イメージ素子によって、測定すべき電磁放射線の一例として、例えば、Ｘ線の回折像を検出する２次元イメージ検出装置について説明する。

図１において、図中の符号１００は、平面（図中、Ｘ−Ｙ軸で表す）上において、所定の方向（図のＸ軸方向）に互いに並列に配置されて形成された多数の半導体検出素子を示している。これらは、各々、細長いストリップ状に形成され、かつ、固体検出器（ＳＳＤ）を構成しており、かつ、これらはＸ軸方向に多数（数百本〜数千本）の検出素子が並べられた第1の検出素子層を形成している。一方、上記の第1の検出素子層の一方の面（Ｘ線の入射面。図では、上面）に接しては、さらに、上記トリップ状の固体検出器１００の配列方向（Ｘ軸方向）と直交した方向（すなわち、Ｙ軸方向）に、やはり、平面上に互いに並列に（図のＹ軸方向に）配置されて形成された多数（数百本〜数千本）の半導体検出素子２００が設けられており、これらもやはり、各々、細長いストリップ状に形成され、かつ、固体検出器（ＳＳＤ）を構成し、第２の検出素子層を形成している。そして、本発明の２次元イメージ素子では、上述したように、上下２層に形成したストリップ状の半導体検出素子１００及び２００が互いに重なって交差する領域（図中に破線で示す）を画素部３００（所謂、ピクセル）として、所謂、多数の２次元（平面）イメージ素子を構成している。

なお、上記した第１及び第２の半導体検出素子層を形成する細長いストリップ状の固体検出器（下層）１００又は（上層）２００について、そのより詳細な構造の一例が、添付の図２に示されている。すなわち、この図２において、固体検出器１００（２００）は、例えば、Ｓｉ、ＳｉＬｉ、Ｇｅ等、Ｘ線などの電磁放射線を受光するとその内部に電子と正孔の対を発生する半導体である、所謂、電磁放射線に感度を有する半導体によって形成されている。かつ、図にも示すように、その一方（図の上方）の層をＰ層１１０（２１０）とし、他方（図の下方）の層をＮ層１２０（２２０）として、所謂、ダイオード構造の半導体素子として形成されている。そして、これらＰ層１１０（２１０）とＮ層１２０（２２０）との境界部分には、一般的に、空乏（Ｉ）層１１５（２１５）が形成されることとなる。

また、この図２中の符号１３０（２３０）は、上記Ｐ層１１０（２１０）の表面の一部（一端部）に形成した電極部を、また、図中の符号１４０（２４０）は、Ｎ層１２０（２２０）の下面に形成された電極層を示している。なお、これらの電極部や電極層は、例えば、ＡｕやＮｉなどの光透過性金属の薄膜電極により形成されており、これらの電極を介して所定の高電圧の逆バイアスが各素子に印加されると共に、これらの電極は、それぞれ信号線を介して、後にも説明するが、増幅器や信号処理部へ導かれている。また、特に、上層の半導体検出素子２００では、図１にも示すように、上記金属の薄膜電極に加えて、蛍光Ｘ線を発生する物質をコーティングすることにより、二次Ｘ線発生層２５０を形成するようにしてもよい。なお、その際には、コーティング物質としては、下層の固体検出器１００が感知し易い波長の二次Ｘ線を発生する物質を選択することが好ましい。

次に、上記にその構成を説明した２次元イメージ素子によって電磁放射線の検出原理について説明する。

上記の図１において、例えば、Ｘ線が２次元イメージ素子、特に、その画素部を形成する（破線により示された）部分に投射された場合について説明する。すなわち、投射されたＸ線は、まず、上側の層を構成している固体検出器２００において、そのＰ層とＮ層との間に形成される空乏（Ｉ）層（図２の構造を参照）において、正孔−電子対を発生し、これらはそれぞれ逆バイアス電場によりＰ層及びＮ層に集められ、それぞれの電極に導かれる。すなわち、Ｘ線光量子（フォトン）は、検出器によって電気的なパルスに変換される。また、この時、入射したＸ線は、その一部のエネルギー（例えば、７０％〜５０％程度）を上側の層内で消費することとなるが、その一部（３０％〜５０％）により、二次Ｘ線である蛍光Ｘ線を発生することとなる。そして、この発生した蛍光Ｘ線が、下側の層を構成する固体検出器１００に投射し、上記と同様の原理によって、その空乏（Ｉ）層内で正孔−電子対を発生すると共に、それぞれの電極に導かれる。すなわち、２次元イメージ素子のＸ線が入射した位置に対応するＸ軸及びＹ軸の電極上には、同時に、電気的な信号（出力信号）を得る。これにより、例えばＸ線回折像の２次元画像を、電荷の蓄積を伴わず、瞬時にリアルタイムなイメージとして得ることが可能となる。

添付の図３には、上記に説明した２次元イメージ素子を使用した２次元イメージ検出装置の概略回路構成が示されている。

この図３にも明らかなように、２次元的な画像を取得するために、２次元イメージ素子１０を構成するＸ軸方向の固体検出器１００及びＹ軸方向の固体検出器２００からの出力信号は、それぞれ、増幅回路３０、３０…に導かれて所定の増幅度で増幅された後、所謂、データ収集システムを構成する信号処理部４０によって信号処理することにより、電磁放射線のリアルタイムな測定が可能となる。この信号処理部４０は、例えば、ＴＤＣ４５（ディジタル・タイミング・コンバータ：例えば、ＣＡＭＡＣマルチヒットＴＤＣ［ＬｅＣｒｏｙ２２７７］等）から構成されており、このＴＤＣには、ＣＰＵ（中央演算処理装置）５０や大容量メモリ６０などが接続されている。

すなわち、上記のデータ収集システムによれば、２次元イメージ素子１０によって得られるリアルタイムなＸ線の位置情報が所定のタイミングで取り込まれ、大容量メモリ６０内に順次格納される。そして、この格納された情報から極めてリアルタイムに近い２次元画像を構成し、各種の分析を行なう。なお、上記の増幅回路３０、３０…には、それぞれ、波高弁別器を設け、上記増幅回路３０からの出力を二値化して読み出している。

なお、上述した実施の形態では、２次元イメージ素子１０を構成する各固体検出器１００又は２００は、所謂、ダイオード構成として説明したが、しかしながら、これら検出器の構成は、本発明ではかかる構成にのみ限定されるものではない。検出素子を構成する半導体自体が、Ｘ線などの電磁放射線に対して感度を有する半導体であればよく、例えば、上層には原子番号の大きな元素で構成される検出器を用いることによって、二次Ｘ線発生層を構成したり、又は、アバランシェダイオードやその他の半導体素子の構成とすることも可能である。

また、上記の実施の形態では、細長いストリップ状の固体検出器１００、２００は、それぞれ、並列に配置され、かつ、上下２層に設けられるものとして説明したが、かかる構造になる２次元イメージ素子１０は、特に、半導体製造技術（特に、マイクロチップモジュール（ＭＣＭ）技術）を利用することにより好適に製造することが可能である。例えば、１０ｃｍ×１０ｃｍ、又は、５ｃｍ×５ｃｍ程度の基板、例えば、セラミックスなどの絶縁基板上に、数百μｍピッチで、上記固体検出器１００、２００を構成する半導体層を順次積層することによれば、例えば、数十μｍ程度の各細長いストリップ状の固体検出器を、隣接する検出器との間の間隔を数十μｍ程度にして形成することが可能であり、解像度の高い２次元イメージ素子を得ることが可能となる。又は、ポリイミドなどのフレキシブル基板上に成層することによれば、円筒などの湾曲面の２次元イメージ素子を得ることが可能となり、例えば、ワイゼンベルグカメラなどにも利用することが可能となる。

また、上記固体検出器１００、２００を構成する半導体層の厚さについても、上記にも述べたように、投射されたＸ線の一部のエネルギー（例えば、７０％〜５０％程度）は上側の層内で消費されるが、残りの一部（３０％〜５０％）が下側の層へ蛍光Ｘ線として達することが可能な程度の厚さに設定される。また、特に、上層と下層の検出素子の元素を異なるものとした場合や、上側の層が下側の層と接する部分に蛍光体の層等を設ける構造では、下側の固体検出器１００が感知し易い波長の二次Ｘ線を発生する物質を選択し、その物質によって成層することが望ましい。

加えて、上記２次元イメージ素子１０を構成する細長いストリップ状の半導体固体検出器１００（第１検出素子）と２００（第２検出素子）を形成するための元素としては、以下の表１に示すものが挙げられる。

すなわち、上記に記載した２次元イメージ素子において、前記第１と前記第２のストリップ状の検出器１００、２００は、互いに異なる元素又は合金から構成されている。より具体的には、前記第１のストリップ状の検出器１００は、前記第２のストリップ状の検出器２００を構成している元素又は合金形成元素の原子番号より大きい元素によって形成されている。あるいは、前記第１のストリップ状の検出器１００は、前記第２のストリップ状の検出素子を構成している元素又は合金形成元素の原子番号より大きい元素の合金により形成されている。なお、これらの素子の組み合わせによって、種々のエネルギーに対応した２次元イメージ検出装置を作ることが可能であり、かつ、Ｘ線回折やＸ線透過検査や医療分野での応用が可能である。

上記した実施の形態になる２次元イメージ検出装置は、その基本的な構成として、大規模な冷却器や真空ポンプ等の付属装置を必要とせず、２次元イメージ素子と、データ収集システムを構成する信号処理部とから構成されており、近年のエレクトロニクス技術の進歩から小型化が期待されるので、検出装置への取り付けの自由度が増大すると共に、その作業自体も簡単かつ容易になる。

また、上記した本発明になる２次元イメージ検出装置を適用した一例として、Ｘ線分析装置、特に、回折Ｘ線分析装置に適用した装置の構成を添付の図４に示す。

本装置は、Ｘ線を発生するＸ線源４００、上記Ｘ線源からのＸ線を所定の径のビームに絞って試料に照射するコリメータ４１０、上記試料から発生した回折Ｘ線を検出するＸ線検出器５００とを備えている。分析対象である試料Ｓは、試料を保持するための試料保持機構により保持されると共に、試料を所望の位置に回転する試料駆動機構６５０（通常、ω、χ、φ回転軸から構成される）を備えるゴニオメータ６００により、上記Ｘ線検出器５００と試料面Ｓとのなす角（θ）と、照射Ｘ線と試料Ｓから回折したＸ線の角（２θ）とを保った状態で回転される。また、装置は、電気信号を増幅するための増幅器７１０を備え、上記Ｘ線検出器４００の検出信号を処理する信号処理部７００、上記信号処理部に接続されたメモリ７２０を備えている。さらに、装置は、上記試料駆動機構６５０やゴニオメータ６００や信号処理部７００を制御するＣＰＵ８００、Ｘ線検出器で検出した２次元画像を表示する、例えば、ＣＲＴ等の表示装置８１０等から構成されている。なお、本発明になる２次元イメージ検出装置は、上記Ｘ線検出器５００として適用される。また、上記の信号処理部は、増幅器からの出力信号を読み出して２次元イメージ画像を形成する２次元イメージ画像形成手段、例えば、ＴＤＣ４５などから構成されている。また、上記信号処理部は、Ｘ線検出器と一体的に構成されていることが好ましい。

このような回折Ｘ線分析装置を使用して単結晶解析や蛋白質構造解析を行なえば、回折Ｘ線の２次画像がリアルタイムなイメージとして得られる。また、回折Ｘ線小角散乱測定による高分子解析へも応用できる。さらに、本発明の２次元イメージ検出装置を用いれば、Ｘ線透過による非破壊検査やセキュリティチェックにおける持ち物検査、医療用透過装置である、所謂、レントゲンなど、放射線検出器における応用分野全般にわたって幅広い用途が期待できる。

本発明の一実施の形態になる２次元イメージ素子の動作原理を説明するための一部拡大斜視図である。上記２次元イメージ素子を構成するストリップ状の半導体検出素子の構造を説明する一部拡大斜視図である。上記２次元イメージ素子を利用した２次元イメージ検出装置の概略構成を示す回路図である。上記２次元イメージ検出装置を適用したＸ線分析装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１０（４００）２次元イメージ素子
１００、２００半導体検出素子
２５０二次Ｘ線発生層
３０増幅回路
４５ＴＤＣ
５０ＣＰＵ
６０大容量メモリ
３００画素（ピクセル）
４００Ｘ線源
４１０コリメータ
６００ゴニオメータ
６５０試料駆動機構
Ｓ試料

Claims

電磁放射線を２次元で検知する２次元イメージ素子であって、電磁放射線に感度を有する半導体からなり、かつ、互いに隣接して並列に配置された複数のストリップ状の第１の検出素子と、前記複数のストリップ状の第１の検出素子の一方の面上に配置され、電磁放射線に感度を有する半導体からなり、かつ、前記ストリップ状の第１の検出素子に対して直交する方向に互いに隣接して並列に配置された複数のストリップ状の第２の検出素子とから構成され、前記第１の半導体検出素子と前記第２の半導体検出素子との重なり部分によって複数の検出部を平面に形成したことを特徴とする２次元イメージ素子。
前記請求項１に記載した２次元イメージ素子において、前記各ストリップ状の第１の半導体検出素子と前記各ストリップ状の第２の半導体検出素子との間に、入射電磁放射線による蛍光Ｘ線の発生層を形成したことを特徴とする２次元イメージ素子。
前記請求項１に記載した２次元イメージ素子において、前記第１及び第２のストリップ状の検出素子は、シリコンにより形成されていることを特徴とする２次元イメージ素子。
前記請求項１に記載した２次元イメージ素子において、前記第１と前記第２のストリップ状の検出素子は、互いに異なる元素又は合金から構成され、かつ、前記第１のストリップ状の検出素子は、前記第２のストリップ状の検出素子を構成している元素又は合金形成元素の原子番号より大きい元素、あるいは、前記第２のストリップ状の検出素子を構成している元素又は合金形成元素の原子番号より大きい元素の合金により形成されていることを特徴とする２次元イメージ素子。
前記請求項１に記載した２次元イメージ素子において、前記第１及び第２のストリップ状の検出素子として、ストリップ状のダイオードを形成したことを特徴とする２次元イメージ素子。
前記請求項１に記載した２次元イメージ素子において、前記第１及び第２のストリップ状の検出素子として、ストリップ状のアバランシェダイオードを形成したことを特徴とする２次元イメージ素子。
２次元イメージ素子を利用した２次元イメージ検出装置であって、前記請求項１に記載した２次元イメージ素子と、前記２次元イメージ素子の前記第１及び第２の検出素子の各々に接続され、前記検出素子内において変換された電気的信号を増倍するための増幅器と、前記増幅器からの出力信号を読み出して２次元イメージ画像を形成する手段とを備えていることを特徴とする２次元イメージ素子を利用した２次元イメージ検出装置。
前記請求項７に記載した２次元イメージ検出装置において、前記増幅器は、それぞれ、弁別回路を備えており、かつ、前記２次元イメージ画像形成手段には、さらに、波高手段が接続されていることを特徴とする２次元イメージ素子を利用した２次元イメージ検出装置。
Ｘ線を発生するＸ線源と、分析する試料を配置する試料保持機構と、前記試料から発生するＸ線を２次元で検知する２次元イメージ検出装置とを含んだＸ線分析装置において、当該２次元イメージ検出装置は、前記請求項１〜６の何れかに記載した２次元イメージ素子を含んでいることを特徴とするＸ線分析装置。
Ｘ線を発生するＸ線源と、分析する試料を配置する試料保持機構と、前記試料から発生するＸ線を２次元で検知する２次元イメージ検出装置とを含んだＸ線分析装置において、当該２次元イメージ検出装置は、前記請求項７又は８の何れかに記載した２次元イメージ検出装置であることを特徴とするＸ線分析装置。