JP2008511163A - 電離放射線の検出器 - Google Patents
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Abstract
本発明は、電離放射線を検出する検出器において、前記検出器からの信号の読出しと評価とを行う読出し装置に接続するように配置された少なくも１つの検出器を含み、前記少なくも１つの検出器はキャリア材料とキャリア材料に適用される活性検出器材料を含む１つの層（４）とを含み、前記活性検出器材料は、前記層（４）に入射する電離放射線（３）を受信する場合、前記層（４）内の前記活性検出器材料に電離を引起すように配置され、前記層（４）に電界を印加し、それにより前記電離は電流を生じ、前記読出し装置は、前記入射電離放射線（３）をこの方式で検出することができるように配置される検出器である。本発明の検出器は、前記層内の前記活性検出器材料には電離放射線が検出可能な電流を生ずる程度までＺｎＯを含むことを特徴とする。
【選択図】 図１
【選択図】 図１
Description
本発明は電離放射線の検出器に関する。
そのような放射線の例には、研究で用いるＸ線があり、Ｘ線検出器は、物体又は生体の画像を電子方式で記録するのに使用できる。別の例には、例えば、医用材料科学、防犯用途で用いるガンマ放射線の検出に用いる検出器がある。しかし、この検出器は、あらゆるタイプの電離放射線の検出用に用いることができる。更に、この検出器は、医療用途、工業用途の両方で用いることができる。医療分野では、その検出は、例えば、疾患の治療におけるガンマ線の使用と関連して、又はＸ線の使用と関連して行われることができる。工業分野では、放射線の検出は、例えば、超小型電子技術、ナノ技術等での物体の研究と関連して行われる。
それ故、本発明は、任意の１つの使用分野に限定されるものと見なすべきではない。
電離放射線のデジタル検出器は様々に設計されることができる。いくつかは、露出されると表面層に電荷を生成するアモルファス半導体を基礎としている。アモルファス半導体層を有する検出器プレートは、読出し装置に読み込まれ、それによって目的画像が得られる。
最近デジタル検出器が更に発展している。種々の技術上の解決がその基礎となっている。あるタイプの検出器は、検出器の中にシリコンを有する。この方式で、Ｘ線又はガンマ光子をシリコンベースの検出器の中に直接収集することができる。シリコンベースの検出器は、即ち画像の画素を有するシリコンの平面領域等のプレートタイプであってよく、又はシリコン基層から突出するシリコンのロッドを含む複数の画素から組立てられてもよい。
別のタイプの検出器は、希ガスが増幅器として用いられる「ガス雪崩検出器」を含むタイプの検出器に基づく。この方式において、電子雲が生成され、その電子雲は、例えばキャリアに適用された金属の電極を有する検出器プレートによって検出される。
各種の半導体検出器、例えばゲルマ二ウム、シリコン、ＣｄＴｅ、ＨｇＩ２等を含む検出器が電離放射線の検出に利用できる。閃光タイプの検出器は、ＮａＩ、ＣｓＩ、ＢＧＯ、ＢａＦ２、プラスチック又はファイバ等を含む活性体を備える。
公知の検出器は主として高価であるという欠点を有する。別の欠点は入射する放射線の記録の遅れを引起すことである。
本発明はこれらの欠点を解消するものである。
本発明は、デジタル検出器のコストを低減し、かつそれと同時に検出器の性能を向上させる。
本発明は電離放射線を検出する検出器に関し、少なくとも１つの検出器が、検出器からの信号の読出しと評価を行う読出装置に接続するように配置される。検出器は、キャリア材料とこのキャリア材料に設けられた活性検出器材料を含む層とを備える。活性検出器材料は、前記層に入射する電離放射線を受けると、前記層内の前記活性検出器材料の電離を引起すように配置される。前記層を亘って電界が印加され、それによって、前記の電離は電流を生ずる。読出装置は、この状態で前記入射する電離放射線を検出できるように配置される。前記層内の前記活性検出器材料は、電離放射線によって検出可能な電流を生ずる程度までにＺｎＯを含むことを特徴とする。
本発明を、添付図面に示す本発明の実施形態に部分的に関連させながら、以下に詳細に説明する。
活性材料酸化亜鉛は低線量放射を可能とし、高速記録を生じさせる。このことは、またＸ線によっていわゆる動画を形成できることを意味する。本発明は検出器又はＣＣＤ（電荷結合素子）を含む。その検出器材料は、純粋な又はドーパントでドープされた、アモルファス、結晶又はナノ結晶構造の酸化亜鉛から成る。酸化亜鉛はｐ−ドープ、ｎ−ドープされるか、又は真性状態（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｆｏｒｍ）で存在していてもよい。酸化亜鉛はその後キャリア材料に蓄積される。キャリア材料はガラス、水晶、セラミック、ポリマ、サファイア、シリコン等の様々な性質を持つものでもよい。キャリア材料は、表面層内部又はキャリア材料に一体化された読出し電極を有する。しかし、光子を検出するための活性材料である酸化亜鉛は、純粋な、又はドープされたものであると指摘しておくことは重要である。増幅用、閾値検出用、信号処理用、及びデジタル化用の電子回路が、キャリア材料と一体化され、又はキャリア材料に取付けられている。酸化亜鉛は、完全装置たる検出器を形成する大きな領域に適用されてもよく、又はその後共に組立てられて検出器のユニットを形成する小さな領域に適用されてもよい。活性材料酸化亜鉛は、各種の波長に適合させることができる。更に、活性材料酸化亜鉛は、適切な波長範囲内で一定の応答を行う。そしてこれにより読出し用及び検出用に用いる電子回路の設計が容易になる。
本発明を、まず概略図を用いて以下に説明しよう。図１ａは、電離放射線の検出器であって、活性材料酸化亜鉛は伝導層を備える読出しチップに付ける。図１ｂ、１ｃは本発明の機能に係わる原理を図示する。
図２は、酸化亜鉛が読出し用及び検出用の電子回路に接続する回路基板に如何に適用されるかということを示す。図３は、活性材料が如何にキャリア基層に適用されるかということを示し、この基層は、それがフリップチップ技術を用いて読出し用及び検出用の電子回路に接続できるように、電子的に接続されている。図４は検出器材料（ＺｎＯ）が基層に適用される技術的解決策を示し、基層はポリマ材料、セラミック、シリコン等の回路基板から成る。更に、活性材料の第２層が適用される。これにより、電離放射線の入射角の測定が可能になる。
更に入射光子のエネルギーレベルを測定することができる。
本発明は、検出器又はＣＣＤ（電荷結合素子）を含み、検出器材料は、純粋な又はドーパントでドープされた、アモルファス、結晶又はナノ結晶構造の酸化亜鉛から成る。酸化亜鉛はｐ−ドープ、ｎ−ドープされてもよく、又は真性状態であってもよい。
図１ａはＸ線又はガンマ線３等の電離放射線用の検出器を示す。活性材料酸化亜鉛４が伝導層６を備えた読出しチップ７に適用される。誘電体材料５は伝導層６内の伝導体の間に存在する。頂部電極１は活性材料４の上方に配置する。
図１ｂは、頂部から下方へ、頂部電極、誘電体層、活性検出器材料、誘電体材料で取囲まれた導電体を有する伝導層、及びキャリア層を備えた検出器を示す。頂部電極下方の誘電体層の代りにショットキーコンタクトを頂部電極内に形成してもよい。下部の誘電体材料を、同じようにショットキーコンタクトで置き代えることもできる。ＺｎＯの検出器体積部に入射され、ＺｎＯの検出器体積部によって停止される光子は、電子正孔対に変換され、同じくなお一層の電子正孔対が形成されて光子の過剰エネルギーが順に緩和される。自由電荷キャリアはその後かけられた電界内で加速され、電子は、制限された及び分離された金属の読出しアイランドに集合し、読出しアイランドは読出しコンタクトに接続されている。電界は頂部電極と読出しアイランドの間に形成され、図１ｃを見ると、この電界は原理的には容量Ｃｄによって特徴づけられて検出器体積部の両面に亘っている状態にある。この容量Ｃｄは、読出しコンタクトと地球との間の容量Ｃｓよりかなり小さいことに意味がある。信号は、伝導体を通して容量Ｃｓと地球との間から読出し電子機器へ引出される。
好適な一実施形態によれば、前記活性材料は、５％までの窒素（Ｎ）、砒素（Ａｓ）又はリン（Ｐ）でｐ−ドープされたＺｎＯを含む。
他の好適な実施形態によれば、前記活性材料は、５％までのアルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）、又はガリウム（Ｇａ）でｎ−ドープされたＺｎＯを含む。
伝導層６は、活性検出器材料層４の下方に配置され、好適な一実施形態によればチタニウム（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、及び銀（Ａｇ）の１つ又は複数の金属を含む導電層から成る。
頂部電極１の形状の導電層１は、活性検出器材料層の上方に配置され、チタニウム（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）又は銀（Ａｇ）の１つ又は数種の金属を含む。
前記活性検出器材料は、間隔１ｋｅＶ及び２０ＭｅＶのエネルギーレベルを有する入射電磁放射線で前記検出可能な電流を供給するように配置される。
図２は、第２実施形態による、電離放射線３の検出器を示す。この実施形態によれば、活性材料酸化亜鉛４は回路基板９、例えばプリント回路基板の上に配置された伝導層１１の上に置かれる。伝導層は導電体の間に誘電媒体８を有する導電体を含む。導電体は、図示されていない読出し用及び検出用の上記タイプの検出器用の周知の適当な電子回路に対する電気接続部１０を有する。頂部電極１は、活性材料４の上方に適用される。検出器のこのような設計は、読出し及び検出チップへの取付けを容易にするように接続部１０を散開することができる。例えば、ワイヤボンディング等の効率的な取付け方法が使用できる。
図３に第３の実施形態による電離放射線３用の検出器を示す。活性材料酸化亜鉛４はキャリア基層１２に適用され、それはＢＧＡ類（ボールグリッドアレー）技術を含むフリップチップ技術を用いて読出し及び検出用の電子回路１４上の読出しアイランド１７に接続できるような電気接続部１６を有する。この接続部は、例えば伝導性ゴム要素等の他の接続要素を用いて作られてもよい。伝導層を有する回路基板又は基層１２を上述のように活性材料４の頂部に適用する。頂部電極１を回路基板又は基層１２の頂部に適用する。
図４は、第４の実施形態による電離放射線の検出器を示す。
本実施形態によれば、第２の等価検出器装置が、頂部電極、活性層、及び導電層を含む第１の検出器装置の下方に配置されている。これにより、入射放射線は、まず上の活性材料に入射し、次いで下の活性材料に入射する。ここで、読出し回路は活性材料の各層に存在する。
活性材料酸化亜鉛４を読出しアイランドを有するキャリア基層２３に適用する。読出しアイランドを有するキャリア基層２３は、ポリマ材料、セラミック、シリコン又は類似した材料の回路基板からなる。
更に、頂部電極１８を含む活性材料の第２層２２をキャリア基層２３の下方に設ける。キャリア基層１９が読み出しアイランドを有する第２活性層の下方に存在し、ポリマ材料、セラミック、シリコン又は類似した材料の回路基板からなる。
下部活性層２２は複数の画素に区画される。
好適な一実施形態によると、いくつかの検出器が同一の基層に配置される場合、導電層内に分離した導電体を形成するために、誘電体材料は、活性材料層の下方の前記導電材料の異なる部分の間に配置される。
図４は、読み出し及び検出チップへの接続を可能にするために、関連する基層を通る、「バイアス（vias）」として周知の電気接続部２０、２４を示す。
このような設計により、入射放射線３の入射角の測定が可能になる。光子の入射角は読出電子回路を用いて測定され、それらは検出が行われる検出器面内の読出しアイランド及び他の平面内のアイランドの両者と相互に作用する。精密なマイクロ秒までイベントを正確に時間測定した場合、又は、短い時間間隔の場合、一つの光子によって形成された電子雲は、相互に作用する異なる面に少なくとも二つの異なる読出しアイランドを有する様々な層で検出される。入射角は単一光子イベントから得られるこの情報によって計算できる。
更に、入射光子のエネルギーレベルが計測できる。エネルギーレベルは検出器電極の二つ又はそれ以上の層を通って測定され、異なるエネルギーを有する放射線を識別する。最大エネルギーＥ１で第１の検出器体積部を突き抜けできる光子は、検出器材料の上層で検出される。Ｅ１より大きなエネルギーを有する光子は、下層で検出される。２つ以上の検出器層を使用すれば、いくつかのエネルギー間隔を有する放射線が識別され、人工的な「カラー深度」を有するＸ線画像を提供するために用いることができる。
３次元及びリアルカラーのＸ線画像をこの方式で実現する。
全ての実施形態によると、活性検出器材料から読み出すために、前記導電層の中に又は上にＴＦＴｓ（薄膜トランジスタ）として知られているものを形成することが好ましい。
好適な代替的実施形態によれば、活性検出器材料から読み出すために、前記導電層の中に又は上にＣＣＤ要素（電荷結合素子要素）として知られているものを形成する。
他の好適な代替的実施形態によれば、活性検出器材料から読み出すために、前記導電層の中に又は上にＲＯＩＣｓ（読出し集積回路）として知られているものを形成する。
上述の全ての実施形態によれば、活性層の厚みは１０〜１００００μｍである。
好適な一実施形態によれば、それ自身の平面内の検出器の寸法は１×１ｍまでである。
多数の実施形態を上述した。しかし、本発明による検出器は、それ自身平面内の検出器層の設計に関し及び伝導層の設計に関し、当業者には変更可能である。
従って本発明は上述の実施形態に限定されるべきではなく、添付請求項の範囲内で変更することができる。
Claims (16)
- 電離放射線を検出する検出器において、前記検出器からの信号の読出しと評価とを行う読出し装置に接続するように配置された少なくも１つの検出器を含み、前記少なくも１つの検出器はキャリア材料と前記キャリア材料に設けられた活性検出器材料を含む層（４）とを含み、前記活性検出器材料は、前記層（４）に入射する電離放射線（３）を受信する場合、前記層（４）内の前記活性検出器材料に電離を引起すように配置され、前記層（４）を亘って電界を印加すると、それにより前記電離は電流を生じ、前記読出し装置は、前記入射電離放射線（３）をこの方式で検出することができるように配置される検出器であって、前記層内の前記活性検出器材料は電離放射線によって検出可能な電流が生ずる程度までにＺｎＯを含むことを特徴とする検出器。
- 前記活性検出器材料はアモルファス、結晶又はナノ結晶構造のＺｎＯを含むことを特徴とする請求項１に記載の検出器。
- 前記活性材料が、５％までの窒素（Ｎ）、砒素（Ａｓ）又はリン（Ｐ）でＰ−ドープされたＺｎＯを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の検出器。
- 前記活性材料は、５％までのアルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）又はガリウム（Ｇａ）でｎ−ドープされたＺｎＯを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の検出器。
- 前記活性材料は、真性状態のＺｎＯを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の検出器。
- 前記活性検出器材料は、１ＫｅＶと２０ＭｅＶとの間の間隔内のエネルギーレベルを有する入射電磁放射線に対して前記検出可能な電流を生ずるように配置されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の検出器。
- チタニウム（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）及び銀（Ａｇ）の１つ又は複数の金属を含む導電層が前記活性検出器材料層の下方に存在することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の検出器。
- チタニウム（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）及び銀（Ａｇ）の１つ又は複数の金属を含む頂部電極状の導電層は活性検出器材料層の上方に存在することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の検出器。
- 前記の３層、即ち活性層、前記活性層の上層及び下層を有する検出器は、ポリマ材料、セラミック材料又はシリコン材料の基層上に構築されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の検出器。
- 同一の基層上にいくつかの検出器が配置されている場合、前記導電層内に分離した導電体を形成するために、誘電体材料は活性材料層下方の前記導電材料の異なる部分の間に配置されることを特徴とする請求項９に記載の検出器。
- ＴＦＴｓ（薄膜トランジスタ）として周知であるものは、前記活性検出器材料を読出すために、前記導電層内又は層上に形成されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の検出器。
- ＣＣＤ要素（電荷結合素子要素）として周知であるものは、前記活性検出器材料を読出すために、前記導電層内又は層上に形成されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の検出器。
- ＲＯＩＣｓ（読出し集積回路）として周知であるものは、前記活性検出器材料からの信号を読出すために前記導電層内又は層上に形成されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の検出器。
- 前記活性層の厚みは１０μｍと１００００μｍの間にあることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の検出器。
- それ自身の平面における検出器の寸法は１×１ｍまでであることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の検出器。
- 第２の対応する検出器装置は、頂部電極と、活性層と、導電層とを含む第１の検出器装置の下方に配置され、それにより、入射放射線は先ず上部活性材料に入射し、次いで下部活性材料に入射し、かつ読出し回路が活性材料の各層毎に存在することを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載の検出器。
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