JP2008544249A - プラズマパネルによる電離光子放射線検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は高解像度能力を備えた電離光子放射線検出器で、速い画素レスポンス、むだ時間の少ない、そして大きなサイズで比較的低価格な放射線検出器を実現すること。
【解決手段】 基板間に密封したガスを封じた入出力基板を含むプラズマパネルに基づいた電離光子放射線検出装置である。該入力基板は、出力基板上の対抗する電極構造との間で電位差を持たせ、かつガスにインターフェースする内部壁上にあるＸ電極層かパターンを含んでいる。該出力基板上のＹｃ電極（つまり列）およびＹｒ電極（つまり行）は、入出力基板間のイオン化気体放電からの位置および現在の流動方向を定める複数の画素を形成するように構成される。インピーダンス素子はＹｃ電極およびＹｒ電極に接続されている。また、電源回路は、入力基板、Ｘ電極層およびＹ電流方向電極に接続されている。インピーダンス素子に接続された放電現象検知器はＹｃ電極およびＹｒ電極上と画素位置での放電現象を検知する。
【選択図】図１

Description

[関連出願の相互参照]
本出願は、２００４年６月１７日に出願された、米国仮出願６０／５８０，６５１の特典を要求し、その明細書は、参照のため、ここに組み入れる。

本発明の一実施例は電離光子放射線検出装置に関するものである。
特に、本発明の一実施例はプラズマパネルによる電離光子放射線検出装置に関するものである。

放射性物質の検知およびコンピューター断層装置「ＣＡＴ」のような多くの有用な応用がＸ線、かつ、またはガンマ線放射線として知られている光子放射線の検知に依存する。これらのタイプの高エネルギーの光子放射線は電離（イオン化）を生じさせる。そして、ここでは、２つの用語、Ｘ線、とガンマ線は、この開示の目的のために、区別なく使用されるものとする。そのような電離放射線の検知の点では、ほとんどの応用において最も興味あるスペクトル領域は、一般に約２０〜２，０００ ｋｅＶ（つまり０．０２〜２ＭｅＶ）のエネルギー間である。

興味のある上記のスペクトル領域では、相互作用の主なタイプは光電効果とコンプトン効果である。各々からの相対的寄与率は、入射光子エネルギーおよび相互に作用する原子の原子番号（つまりＺ数）のコンビネーションによって量的方法で演繹的に決定することができる。光電効果は単一の原子吸光について記述する。しかし、コンプトン効果は、コンプトンの反跳電子およびコンプトン散乱光子に同時に発生する非弾性散乱衝突について記述する。後者では、光子は排出されるか、あるいは相互に作用するメディアによって「吸収」されるまで、非弾力的に再三、散在することができる。２つのプロセスのうち、少なくとも２００ｋｅＶまでの光子エネルギーで、画像応用の中で使用される大多数の既知の電離放射線検知器の主要な基本原理は、光電効果である。それは、単一の「自由電子」および対応する正の原子のイオンの初期の生成をもたらす。

イオン化する電磁放射を検知するために、いくつかの既知の検出装置が一般的に使用されてきた。最も初期に知られていた電子装置のうちの１つは電離箱である。ガイガーミュラー「ＧＭ」計数管のような電離箱中の放射線の検知は、イオン対生成の結果として不活性ガス（通常アルゴンとネオンを含んでいる）内で誘導された電気伝導率に基づく。

さらに、多くの固体半導体素子が電離光子放射線の検知のために使用される。その最も一般的なものは、構造において結晶か非晶質のシリコンフォトダイオードである。しかしながら、多くの他の半導体材料もＧｅ、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＣｄＺｎＴｅなどを含めて使用される。半導体検出器でのオペレーションの基本原理は、電離箱に似ている。すなわち、半導体に同時に吸収された電磁放射は電子と正孔の両方を形成する。結果として生じる電荷は、電磁場では入射電離放射線のエネルギーに比例する電流とは反対方向で移動する。大面積のアモルファスシリコン検出器の使用が、ディジタル電子イメージを生産するために最近普及し、Ｘ線フィルムを置き換えるようになってきた。

現在、最も有効な既知の放射線検出器は一般にシンチレーション計数器であると考えられている。現象の計数間に１００（μｓ）マイクロセカンド台の「むだ時間」があるＧＭ計数管（その間にいかなる放射にも対応できないことになるが）と、比較すると、シンチレーション検出器では約１（μｓ）マイクロ秒あるいはそれ以下の「むだ時間」である。シンチレーション検出器の別の利点は、シンチレーション・プレートか水晶によって生成された、放射された光子の数が、電離放射線との相互作用で、入射放射のエネルギーにほぼ比例することである。しかしながら、従来のシンチレーション計数器は、高価なフォトダイオードあるいは光電子増倍管と共に高度な光学の質の高価な結晶のシンチレーション・プレートを必要としていた。

前記の記述に基づいて、高解像度能力を備えた電離光子放射線検出器で、速い画素レスポンス、むだ時間の少ない、そして大きなサイズで比較的低価格で製造することができるものが必要となっている。

本発明の一実施例は、基板間に密封したガスを封じた入出力基板を含むプラズマパネルに基づいた電離光子放射線検出装置である。該入力基板は、出力基板上の対抗する電極構造との間で電位差を持たせ、かつガスにインターフェースする内部壁上にあるＸ電極層かパターンを含んでいる。該出力基板上のＹｃ電極（列）およびＹｒ電極（行）は、入出力基板間のイオン化気体放電からの位置および現在の流動方向を定める複数の画素を形成するように構成される。インピーダンス素子はＹｃ電極およびＹｒ電極に接続されている。また、電源回路は、入力基板、Ｘ電極層およびＹ電流方向電極に接続されている。インピーダンス素子に接続された放電現象検知器はＹｃ電極およびＹｒ電極上と画素位置での放電現象を検知する。それは電離光子放射線の検知となる。

高解像度能力を備えた電離光子放射線検出器で、速い画素レスポンス、むだ時間の少ない、そして大きなサイズで比較的低価格で製造することができる。

本発明の一実施例は、電離光子放射線を検知するために電子回路に接続した、ガス放電パネル（もし表示応用として設計されていればプラズマディスプレーパネル「ＰＤＰ」を指し、もし光子放射線検知向けに設計されれば、プラズマパネル「ＰＰ」を示す）の使用である。ＧＭ管と同様に、ＰＰは、ガス中に放出された電子が引き金となって起きたイオン対生成の結果としてガス中で誘導された電流パルス（あるいはプラズマ）を生成し、引き続き第２のイオン増加の迅速な加速が後続する、ガス電離チェンバーと考えることができる。両方の場合（つまりＧＭ管およびＰＰの場合）、初期の電子注入／加速現象は、適切な電場が存在する状態で衝突するガンマ線とデバイス物質との相互に作用によると考えることができる。ＧＭ管検知器は、１つの、非常に、コスト効果が高く感度のよい検知器であるが、しかしイメージング能力はない。

典型的なＧＭ管およびＰＤＰは、陽極と陰極間の高電位で商用ＰＤＰの場合には、一般に２００−４００Ｖ、およびＧＭ管の場合には５００−１５００Ｖで作動する。しかしながら、フィールド勾配（それらは実際の電圧セッティングより重要である）はそう大きな違いではないかもしれない。なぜなら、ＰＤＰの中の陽極および陰極の間の空隙がＧＭ管の中で陽極および陰極の間の空隙よりも約２桁小さいで値である約０．１ｍｍであるから。上に説明したように、両方の装置は加速された電子およびガス原子の間の衝突による第２のイオン対生成を生じさせる。結果として、両方の装置は、初期のイオン電流の増幅をもたらす。また、電気的なパルスは急速に大きくなり、電子なだれ（アバランシェ）現象となる。しかしながら、より重要なことには、本発明の一実施例に従えば、ＰＰベースの検知器の少なくとも１つの軸芯に沿った電極要素がすべては、並列のセンサー（多数のＧＭ管と類似している）として電気的に作用することができるという事実である。その結果、１つの電極が「むだ時間」をとなっている場合でも、他の電極は今までどおりこれに影響されないままでありえ、動作体制ができる。

標準テレビ解像度のＰＤＰ（つまり高解像度あるいは「ＨＤＴＶ」ではない）では、４８０のスキャンライン、および約８５３ｘ３縦列の電極がある。これは１，２２６，８８０の画素に対応するものであり、独立した「並列のＧＭ管」としておおむね作用するものである。したがって、本発明の実施例による比較的安価なＰＰ検知器のために、非常に多くの並列のセンサーとはるかに速い応答時間を持ち、同じサイズのＧＭ管と比較した場合の収集効能は、少なくとも２桁改善されるものである。しかしながら、ＧＭ管のエリア配列は相当高価であると予想される。また、その管は、高解像度のイメージング能力および放射性同位体識別のような本発明の実施例の追加の特徴を提供することができない。

ＰＤＰでは、なだれ現象は非常に速いプラズマ放電であり、対抗電圧の発生、あるいは、大電流が流れる前に放電を遮断するインピーダンス素子によって自己制御している。ＡＣ−ＰＤＰの場合には、この対抗電圧が厚膜誘電体（つまりシリーズ・コンデンサー）全体にわたって引き起こされる。しかし、ＤＣ−ＰＤＰで、消滅させる電圧降下が、シリーズ抵抗器全般にわたって生じる。対抗電圧なしでは、プラズマ放電は自己消滅しないし、また、ＰＤＰ電極を気化させることができるアークを生じさせる。

対照的に、ＧＭ管では、電流は、陽極への電子の流れを有効に終結させるより速度の遅い陽イオンからの空間電荷「ダーク」領域の構築によって自己制御するものである。ＧＭ管の場合の正味効果は、電流の瞬間パルスであり、そのパルスにつづいて管が動作しない間隔が続く。この管が動作しない「むだ時間」に、放射線に対する反応は不可能である。空間電荷が消滅する「むだ時間」はＧＭ管のレスポンス能力の中で上限を表わし、約５０−１５０（μｓ）マイクロ秒である。ＧＭ管と異なり、本発明の実施例によるＰＰに基づいた検知器では、むだ時間は約１（μｓ）マイクロ秒のオーダーである。このため、シンチレーション計数器の中で使用される光電子増倍管のうちのいくつか同様の時間スケール上で比較したとき、約１００倍速く応答が可能となる。

ＧＭ管およびＰＤＰの中で使用されるガスは類似しており、典型的にＧＭ管ではアルゴン・ネオンおよび商用ＰＤＰではネオン・キセノン（アルゴンおよび（または）ヘリウムを含んでいてもよい）がふくまれている。しかしながら、本発明の実施例によるＰＰに基づいた検知器として設計されたプラズマパネルは、商用テレビ用ＰＤＰ（例えば設計必要条件に依存する約６００ボルトのオーダー）よりも高電圧ガス混合で動作し、光子の誘発によってパネル壁からガスの中へ放出された自由電子によるアバランシェの引き金になるガンマ線に最適化されている。パネル壁はガスに面した任意の層あるいは固体の表面で、ガスに面するものであればよく、パネル基板、あるいは任意の固形物層か、塗布された、あるいは付加されたフィルムあるいは、基板表面でもよい。通常は、しかしながら、「パネル壁」は基板層を指し、この基板層はガスに面し、さらに放射源電極を含んでいる。ただし、用語「パネル壁」はさらにパネル面上の障壁リブのようなどんな内部３次元の垂直構造も含んでいる。検知器壁におけるイオン化した光子の放射の相互作用によって生成された自由電子については、電子領域‐エネルギー曲線がある壁材料で正確に知られている場合に、それは、正確に単純なスケーリング（次式の関係：ρ_１Ｒ_１＝ρ_２Ｒ_２による相対的な材料密度（ｐ）に基づいて）により他の壁材料での電子領域‐エネルギー曲線は推測が可能である。通常、与えられたエネルギーに対して、電子範囲（Ｒ）は前の方程式で示されるように、材料が変わっても変化しない。しかしながら、異なったエネルギーでの壁材料でのガンマ線相互作用における変化はあり得る。

ガス充填の放射線検出装置中の低いエネルギー・ガンマ線への重要な反応が、ガス・メディアおよび装置コンテナー壁の両方に生じる場合がある。光子と物質間の相互作用の確率は、相互に作用するメディア（例えば１つの原子当たり）に対しての衝突断面積として表現され、入射光子エネルギーの関数である。しかしながら、キセノンのような高い原子番号（つまり高いＺ）を備えた十分ガスを含んでいる探知装置でも、小さなガス・空隙（つまりガス「厚さ」）を備えた減圧環境下で作動するガス放射線検出装置中の低いガンマ線エネルギーでは、光子減衰は、ほとんど生じない。１００ ＫｅＶ（それは核物質の検知にとって興味のある主要なスペクトル域である）のスペクトル領域では、ＰＰセンサー内の入射ガンマ線減衰がほとんど独占的にプラズマパネル・コンテナー壁に生じると推測される。中位から高いＺの壁材料に関しては、数百ＫｅＶまでのエネルギーについては、光電効果による自由電子生成が支配的である。（つまり光子吸収）一方、より高いエネルギーでは、装置壁相互作用はかなりのコンプトン散乱の影響を受ける。しかしながら、構造にかかわらず、ガスの中への壁から逃れた自由電子だけは検知することができる。 したがって、本発明の一実施例中の特定の入射光子エネルギー範囲に対して、ＰＰ「壁」構造および材料の最適化は、低いＺの外部の側壁面、相互に作用しない材料、高いＺの材料を利用する内部の（ガス接触する）側壁面、および光子相互作用を達成するのに適切であるが、ガスに達することができる自由な自由電子の範囲を越えているほどほど厚くない厚さのものとなる。

大量破壊兵器（例えばウラニウム、プルトニウム、ラジウムなど）で使用される可能性のある核物質の検知に関する特定のスペクトル領域は、主として約１００ＫｅＶから１．２メガ電子ボルトまでのエネルギー範囲を包含する。この範囲のローエンドでは、放射性同位体^５７Ｃｏがある。それは１２２ＫｅＶ（ウラニウムに近い）でガンマ線を放射する。中間領域近くには、^１３７Ｃｓがあり、６６２ＫｅＶ（プルトニウムに接近している）でガンマ線を放射する。これらの放射性同位体（すなわち、ＣｏとＣｓ）は両方とも、本発明の実施例によるＰＰセンサー・デバイスによって成功裡に検知された。
しかしながら、興味のある上記のスペクトル領域の両端は非常に異なる材料および装置に対する最適化様相を表わす。１００ ｋｅＶ以下では、例えば、カバープレート／基板の厚さおよび物質減衰は、入射光子伝播を最大限にするように、最小化する必要がある。一方、１ＭｅＶより高い領域では、センサーと活性メデイアの十分な相互作用のため、材料の厚さを増加させる必要がある。

本発明の実施例による操作と最適化されたＰＰ装置の電圧領域では、それぞれのガンマ線は、壁からガス（あるいはガスに中で直接作成され場合もある。）の中への飛び出した自由電子は「直ちに」最も近い画素電極の高電界の環境下で電子倍増を受けることが可能である。これにより、「プラズマ」ガス放電現象「ＤＥ」、すなわちアバランシェ現象が引き起こされ、電子的にかつまたは光学的に検知可能であり、さらに視覚的にも観測ができる。本発明の実施例によるＰＰ装置において、このＤＥは、画素放電極に直列接続された対抗インピーダンス素子によって（この電極を介して電子パルスの計数ができる）元の画素の場所への放電が制限される。この結果、「暴走」なだれ非局在化を防ぐことができる。各ピクセルからのＤＥ出力パルスは、同時に最初に同じピクセル空間に入る自由電子の数にかかわらず、常に本質的にはほぼ同じであるべきである。しかしながら、異なる入射ガンマ線光子あるいはコンプトン散乱によって生まれたいかなる自由電子も、異なるピクセル・フィールド・スペースに入るオリジナルの入射ガンマ線によって、異なるＤＥを作り、別々に数えられる。したがって、ピクセル放電の数および分布状態は入射光子強度を反映し、入射ガンマ線源の「イメージ」を提供することができる。

一方、ＧＭ管はそのようなイメージング能力を持っていもっておらず、全装置が「単一のピクセル」として働く。したがって、陰極壁管表面の異なる空間の領域から放出された「同時の」自由電子を数えることができない。したがって、その高いピクセル空間分解能により、本発明の実施例に従うＰＰに基づいた検知器は、潜在的に、少なくとも、シンチレーション検出器と同程度の高いイメージ分解能力を持っている。

図１は、電気的に放電位置を検知するための本発明の一実施例によるＰＰに基づいた検知器のピクセル重心１８を定義する、２つの電流方向のある電極（ＹｃとＹｒ）に付けられた回路を例証するブロック図である。プラズマパネルのＸ軸と放射源電極２６に付けられた回路は、電源１０、Ｘ駆動６および電流制限インピーダンス素子８を含んでいる。プラズマパネルのＹｃ軸に付けられた回路は、Ｙｃ駆動１２、電流制限インピーダンス素子１４およびＤＥＹｃパルス検出部１６を含んでいる。プラズマパネルのＹｒ軸に付けられた回路は、Ｙｒ駆動２２、電流制限インピーダンス素子２４およびＤＥＹｒパルス検出部２０を含んでいる。どちらかあるいはすべての軸では、電流制限インピーダンス素子は、抵抗および（または）リアクタンスを使って実施することができる。
一実施例では、図１の駆動、インピーダンス素子およびパルス検出部は、能動素子か受動素子、それらのコンビネーションとして集積回路によって実現されてもよい。さらに、一実施例では、商用ＰＤＰのビデオ・ディスプレイ応用において一般的であるように、Ｙｃ駆動１２およびＹｒ−駆動２２は個々の電極方式に含まれていない。

図１に示される検知は、放射源Ｘ電極２６から放出され、以前に記述されたように、ピクセル空間１８を定義する高圧電界に入る自由電子２８を生成するガンマ線相互作用によって始められる。そのメカニズムは、アバランシェ現象または放電現象（「ＤＥ」）に関連した用語、すなわち アバランシェの前、同時あるいは後の用語で表現することができる。さらに、物理的な用語でＤＥの検知能力を定量することができることは有用である。この点では、「放電マージン」（「ＤＭ」）電圧として知られている「生の」プラズマパネル参考値は、プラズマパネル感度を改善するのに役立つ。 ＤＭ電圧はＰＰセンサーの検知距離感度に相互に関連する。特に、与えられた放射能源に関して、より大きな、ＤＭ電圧であれば、ＰＰ装置の感度（あるいは検知距離）は高くなる。放電、回復速度（マイクロ秒）、製造原価および収集効能は、本発明の実施例の最適化に関連する他の要因である。本発明の実施例の最適化に関与する要因は、パネル・ガス混合、パネル・デザイン面の配慮およびパネル・エレクトロニクスに関連して以下で議論される。
パネル・ガス混合

本発明の実施例に従うＰＰ装置用検知感度における著しい改良は、プラズマパネル・ガス混合の変更により達成することができる。ビデオ・ディスプレイ応用に対して設計されたＰＤＰにおいて使用される基礎的なネオン中のキセノンの混合は、ＰＰ装置内部ガス圧力を増加させることによりイオン化する光子に関してガスの相互作用の確率を増加させるために容易に変更することができる。しかしながら、より著しい改良は次のものによってガス混合の平均原子量あるいはＺ数を増加させることにより達成することができる（吸収と非弾性散乱の両方の点から）：
（１）ヘリウムのネオン、アルゴン、クリプトンおよび（または）キセノン・ガスへの置換；
（２）ネオンのアルゴン、クリプトンおよび（または）キセノン・ガスへの置換；
（３）より多くのキセノンおよび（または）より重い平均原子量ガス混合のどちらかに帰着する上記のあらゆる組み合わせ。副次的な効果としては、キセノンのようなより重い種類のものの濃度を増加させることで、反応断面積を増加させるとともに、電子増加の可能性を増加させ、これにより、ガス放電反応活動速度を増加させる。これによってプラズマパネル放電時間を縮小し、かつ、装置むだ時間を短くすることができる。
パネル・デザイン面の配慮

本発明の実施例にて使用されるＰＰ構成は、アバランシェ反応感度および電極分解能と共に自由電子の生成を最大限にする材料および構造に基づいた開発と設計により最適化し、かつ、ガスとのインターフェース部における誘電体表面電荷、アバランシェの広がり、電離時間および製造コストの最小化を実現することができる。ガンマ線の自由電子への変換を最大限にするために、高いＺの材料が誘電体とガスのインターフェースに接近して使用されることが好ましい。選ばれた実際の材料、および誘電体と電極の厚さの両者は、ガスの中への自由電子の効率的な伝播および排出に基づいて決定するのがよい。実施例では、ガス・インターフェースで誘電体の表面電荷を最小化するために、パネルは、ＤＣ−ＰＰ構造（ＡＣ−ＰＰ構造に対立するものとしての）である。しかしながら、ガス・インターフェース誘電体の表面電荷期間およびアバランシェと空間分解能期間のトレードオフがあってもよい。アバランシェを最適化するための構造および電気的手段は電荷の発生を禁じ、かつ／または、電荷を消滅させることである。

電子なだれ反応はガス特性および電場によって影響される。次に、これらは、ガス・空隙（つまり入出力基板間の間隔）およびガス圧力によって影響される。例えば、電圧および（または）入力および（または）出力基板のガス表面インターフェースでの電界強度を増加すると、ガスの中への自由電子の加速が増強される。したがって、本発明の実施例に従う、パネル壁構造および電極は、自由電子と表面電荷効果と同様にこれらをすべて考慮に入れることにより最適化される。エレクトロニクスを構造へ組み込むことも、さらに考慮に入れることができる。電場は電極の形および配置によって決定される。したがって、これらも考慮されるべきである。少なくとも一実施例中の目標としては、電子なだれを一マイクロ秒のオーダーかそれ以下の継続時間で発生し、電流のピーク値は１（ミリアンペア）ｍＡのオーダーで達成することである。

一実施例では、電子なだれの広がりを最小化するために、放電位置は構造および（または）電気的手段によって分離される。構造的手段は上記に議論されるような表面電荷を最小化する必要がある。また、電気的手段は電荷を禁じて、かつ／または電荷を消滅する必要がある。電気的手段は、さらにスペース的にも時間的にも他のものからの各電子なだれを分離するか遮る必要がある。パネル構成は、議論した電気的手段を実施するために、電極構造、構成および集積化されたエレクトロニクスを考慮する必要がある。電子なだれ広がりの最小化の同じ論理的根拠は、さらに空間分解能を最大限にすることに当てはまる。最大限の空間分解能は、達成されるイメージング機能と一緒に考慮されるべきである。
パネル・エレクトロニクス

図２は、本発明の実施例による図１の回路に接続されている検知現象処理回路を例証するブロック図である。より詳細に以下で議論されるが、検知現象処理回路は時間押印回路ＤＥＹｃ３０、時間処理回路ＤＥＹｒ３１、感度制御回路３４、ＤＥＹｃ−ｒ生成回路３６、イメージング機能３８、カメラ４０、および外部コンピューティング・システム４２を含む。

一実施例では、図１および図２に示される電子検知回路は、電子なだれの前と最中と後に関係してくる。電源１０は電子なだれの前に電気検知構造にバイアスを印加するものである。検知エレクトロニクス（例えばＤＥＹｃパルス検出部１６およびＤＥＹｒパルス検出部２０）は電子なだれ中にパルスを感知するメカニズムを提供する。ＤＥ処理回路（例えばＤＥＹｃ３０、ＤＥＹｒ３１、感度コントロール３４、ＤＥＹｃ−ｒ生成回路３６、映像機能回路３８、カメラ４０および外部コンピューティング・システム４２）は、電子なだれ後のパルス検知構造を提供するものである。

一実施例中の電源１０はプラズマパネルへの電源で、一つの出力がＤＣプラズマパネルの一側面上のＸ電極に接続されている。
ＡＣプラズマパネルがある実施例では、少なくとも１つの「Ｘ」出力および１つの「Ｙ」出力が電源１０の出力として備えられている。
一実施例では、電源１０は、個々の電極あるいはあるいはグループの電極に接続される個別の出力と同じ回路でその倍数としてインプリメントすることができる。
一実施例では、電源１０は下記に述べられたＤＥ処理システムの管理の下で調整可能である。

議論したように、ＤＥはガンマ線検知現象と同等である。したがって、次の記法は本発明の実施例について記述するのに使用されてもよい：
ＤＥ＝放電現象＝ガンマ線検知
ＤＥＹｃ＝プラズマパネルのＹｃ軸上（すなわち列出力電極）で検知されたＤＥ。
ＤＥＹｒ＝プラズマパネルのＹｒ軸（すなわち行出力電極）で検知されたＤＥ。
ＤＥＹｃ−ｒ＝プラズマパネルのＹｃ−Ｙｒピクセル位置で感知されたＤＥ。

前述のとおり、本発明の実施例では、電極を気化させる可能性のある暴走電流を形成する前に電離現象を阻止するように動作する対抗インピーダンス素子の働きによって、ＤＥは自己制限される。一実施例中の「対抗インピーダンス素子」は図１のインピーダンス素子１４およびインピーダンス素子２４である。それはＤＣプラズマパネルの場合には抵抗素子でもよい。ＤＥが生じる場合は常に、電極およびそれらの関連するインピーダンス素子を通って流れる電流は、放電を終結させるインピーダンス素子で電圧降下を引き起こす。ＤＥの電流通路のインピーダンス素子で生じた瞬間の電圧降下は、図１に示されるＤＥＹｃとＤＥＹｒのパルス検出部１６および２０によって感知される。

図２に示すとおり、ＤＥＹｃおよびＤＥＹｒのパルス検出部１６および２０の出力は、各現象にマスタークロックを参照して時間押印する同期回路に接続されている。したがって、同じタイムスタンプが押印されたＤＥＹｃとＤＥＹｒの現象は、組み合わされて、定義され、ＤＥＹｃ−ｒ生成回路３６のＤＥＹｃ−ｒ回路に格納される。ＤＥＹｃ−ｒ生成回路３６は、電源１０およびＤＥＹｃ、ＤＥＹｒパルス検出部１６および２０へのフィードバック情報、を提供する感度コントロール３４回路に情報を提供する。
フィードバック制御はリアルタイム・インピーダンス調整および最適化に対して実施されてもよい。
ＤＥ処理システムは、ＹｃとＹｒのインピーダンス、電源（ＡＣでもＤＣでもどちらでもよい）、駆動波形、パルス検出器、プラズマパネルの構成の、およびほとんどすべての面に関する構成および材料セレクションなど統合設計最適化を要求するシステムを緊密にリンクしたものである。
本発明の実施例よるＤＥ回路処理システムは、さらにイメージング機能３８に連続するＤＥＹｃ−ｒフレームあるいは「画像」のストリームを供給する。マスタークロックは、ときには、連続的、同時に、また背中合わせで生じるＤＥを把握することができる程度に、高速で動作できなければならない。このため、大量の生データは適宜、既知の処理方法でフィルターリング、かつ、あるいは圧縮されるように生成される。一実施例では、標準汎用ゲート・アレイ、メモリー・チップおよび他のＩＣコンポーネントはＤＥ処理必要条件を満たすために使用される。

一実施例では、カメラ４０は様々な機能を実施するためにＤＥ処理に含まれている。
最初に、プラズマパネルの１つの側に光学上明瞭な放電位置がある場合、カメラ４０は直接ＤＥＹｃ−ｒの放電現象を捕らえるために使用されてもよい。
カメラ４０は、感度コントロール３４、ＤＥＹｃ−ｒ生成回路３６およびイメージング機能３８と同期がとられている。
別の実施例では、第２のカメラ機能は電極パス中の電流からのフォトダイオード（つまりＬＥＤ）の点滅を捕らえるために使用されてもよい。
この実施例では、フォトダイオードは、放電電流をカメラがＤＥＹｃおよびＤＥＹｒを「画像」として捕らえられる光パルスに変形する。そしてさらに、「画像」は、ＤＥＹｃ−ｒ生成回路３６およびイメージング機能３８で同期化され処理される。

図２に示すように、一実施例では、ＤＥ処理システムは、ＤＥＹｃ−ｒ生成回路３６から、連続するＤＥＹｃ−ｒフレームの流れ、あるいは「画像」をイメージング機能３８に供給する。一実施例では、ＤＥＹｃ−ｒフレームはプロトコールと転送スキームに翻訳される。このプロトコールと転送スキームは、既知の処理技術を使用して、外部コンピューターシステム４２に接続され処理することができるものである。双方向バスかネットワーク機能は、図２の中の「同期リンク」として示された４先端部の矢構造によって表わされる。

図３は、本発明の一実施例で用いるＰＰベースの検知器１００の透視図である。ＰＰベースの検知器１００は、入射放射線が入るプラズマパネルの側である入力（正面）基板７０を含んでいる。
入力基板７０は、ガスにインターフェースするするガンマ線‐自由電子変換／放射層を含んでいる。入力基板７０は、ガラス材料、金属、ガラスと金属の薄層構造あるいは金属および金属の薄層構造でもよい。一定の電圧特性を備えた滑らかな導電面の利点は、ガラス上にクロム、ニッケル、酸化スズ、ＩＴＯなどのような薄膜コーティングと同様に金属基板でも実現することができる。入力基板７０はさらに放射層を備えた、薄層構造あるいは統合部分でもよい。

ＰＰベースの検知器１００は放射源Ｘ電極２６を含んでいる。
一実施例では、放射源Ｘ電極２６は、出力基板上の対立するＹ電極との間で電位差のある導電性のシートか層であってもよい。別の実施例では、放射源電極２６はパターン化することができる。また、検知構造およびピクセル位置を最適化するために、パターンは出力基板７２（以下に議論される）上の対立する電極と同一構造としてもよい。低いエネルギーの（つまりｋｅＶ）電離光子放射線にも対応できるようにするため、パターンニングは、ガスとの直接の相互作用ができるように、そのうちのいくらかを通り抜けるようにしてもよい。

ＰＰに基づいた検知器１００はオプションとしてスペーサ障壁７４を含んでいてもよい。スペーサー７４は数ピクセル相当の長さで、その場合、電極の行列あるいは列全体が包含されれば、ほとんど任意の横断面の形（例えば、長方形、円筒状、など）であってもよい。さらに、スペーサー７４は、少数の必要な位置に控え目にオープンセル・タイプ構造で構造の保全を維持するため設けるようにしてもよい。小型のＰＰに基づいた検知器の実施例において、装置内の活動領域内のスペーサは、周囲シールの近く、隣接する部分あるいは接近して設置されることで、完全に回避されてもよい。より複雑な「リブ」構造の実施例では、スペーサー障壁７４は、図３に示すように、すべての電極行に沿って設けられるか、あるいは、ある規則的な間隔で、しかも部分的の導電性を持たせるようにしてもよい。そのようなリブ構造では、スペーサー障壁は放電を広げるのを阻止するための障壁とスペーサーとしての障壁の両方の障壁として機能する。より複雑な「クローズドセル」実施例（図示せず）では、障壁は本質的に各放電位置を完全に囲む構造をとる。しかしながら、適切なガス排気を保証し、かつパネル組立ておよびガス処理生産ステップ時にガスを封入するために壁の一番上に小さなノッチ設けるなど、クローズドセル構造にはある種類の小さな障壁「開口部」を設けるのがよい。さらに、障壁リブ構造（図示せず）は、単にガス・空隙の一部をカバーする必要があり、かつ、部分的に導電性としてもよい。別の実施例では、図３に示されるスペーサー障壁７４の代わりに、スペーサー障壁があった同じ位置に比較的深い表面のくぼみによって形成される「仮想」障壁としてもよい。この実施例では、「仮想」障壁が使用される。何故なら、くぼみを備えたガス・空隙は大きすぎるので電圧がくぼみで、あるいはそのくぼみにわたって放電をサポートすることができないからである。

ガス・空隙８４は「空隙」であり、あるいは入力基板７０と出力基板７２の間の「空隙」の部分であり、上記で議論したように、適切な圧力で適切なガス混合で満たされる。ＰＤＰを密閉するために一般に使用される既知の方法は、基板７０および７２を密閉するために使用され、それにより、ガスを含むために室を形成する。ガスはペニングタイプ混合物でもよい。
スペーサー７４はガスの適切な分布、気圧調節およびガス全般にわたって適切な電場を実現するように構成される。

ＰＰに基づいた検出器１００は、検知メカニズムが電子なだれの位相を「画像」変換する側のプラズマパネル上に設置した出力基板７２をさらに含んでいる。イメージング機能が電子なだれのカメラ撮影によって「行われる」実施例では、出力基板７２は少なくとも、部分的に「透明で」、したがって、ガラス、および電子なだれを観測するのに十分に透明か狭い電極で構築される。

ＰＰに基づいた検知器１００はさらに３つのタイプの電極を含んでいる：
Ｙｃすなわち列電極７６、Ｙｒすなわち行電極８０および放射源Ｘ電極２６である。
列と行電極は放電から方向性のある電流通路を取り出し提供する。放射源電極２６（つまり入力基板電極）は、１組の電極へパターンとして形成されてもよいし、あるいは、それは、「駆動」回路へ接続された、図３に示すような連続的な導電性の平面あるいは表面（例えば金属膜）でもよい。図１に概略的に示すような駆動回路は抵抗器８を通して接続されているＤＣ電源１０と同じくらい単純にすることが可能である。さらに、放射源層は、金属かあるいは非金属の透明で導電性のある電極パターンに接続されるか、または、統合されることも可能である。

図３に示されるような単一の基板上でＹｃ列電極７６およびのＹｒ行電極８０が使用される実施例では、それらは、個別の「駆動」回路にに接続されていて、それは一つの抵抗を介したＤＣ電源接続であってもよい。図３の実施例では、入力基板のＸ電極からの、Ｙｃ電極あるいはＹｒ電極のどちらか一方への電子なだれによって発生した電離光子が局部的に連鎖的に広がるように、Ｙｃ電極およびＹｒ電極７６、８０は、各電極上の隣接もの同士が同じ電圧のＹｃ／Ｙｒ個々の画素を形成するように、「対」にしてある。電流は駆動回路の中へ両方の電極において流れる。それはさらに電流（あるいはインピーダンス素子による電圧降下でもある）センサーとして役立ててもよい。したがって、電極（それぞれ）にそれ自身の駆動センサー回路がある場合、最初の放電のＹｃ−Ｙｒ行列（方向性のある電流）「位置」を特定することができる。
Ｙｃ−または、Ｙｒ−電極７６または８０は、入力基板あるいは出力基板とは無関係に、放射源物質を含んでいてもよい。さらに下に記述されるように、行と列の電極を分離するために出力基板に適用される、誘電性の絶縁被膜７８は、ＤＥＹｃ−ｒ感知に対して強い電流の指向性を維持しながら、内部壁上の電荷増加を防ぐのにわずかに導電性にしてもよい。

上記の実施例に加えて、底基板を入力基板として上面に置き、上面の基板が出力基板として底面に設置できるように、図３に示される構造は「反転」することができる構造としてある。そのような実施例では、Ｙｃ電極およびＹｒ電極は電流方向指示部の機能と同様に放射源としての機能をもつことにとなる。もう一方の基板は、さらにその電極構造で放射源物質を持つことも可能である。１つの基板の電極はアースされてもよい（例えばＹｃとＹｒ）。別の電極は抵抗器によってＤＣの電源に接続される。抵抗器は電子なだれに電流の流れを制限し、有効に電子なだれパラメーター、どれくらいの時間続くか、それはどれくらい広げるか、また、それがいつ再度生じる場合があるか、をコントロールする。電子なだれパラメーターは抵抗の関数であると同時に、それぞれ、ガス、電極材料、形状などのような他の設計パラメーターの関数でもある。放射源２６を含む電極は、一実施例において希望する電子なだれ特性を達成するために個別の抵抗器によって電気的に分離され駆動されるグループへパターン化することができる。例えば、一実施例では、図３に示される個別電極はそれぞれ、適切に抑制された電子なだれのための抵抗器を持ち、図１および図２示されるそのよう電流検知回路を備える必要がある。出力基板が電極を含めて透明か、ほとんど透明な場合、固体センサーに基づいた、ＣＭＯＳあるいはＣＣＤカメラで放電位置をそれぞれ特定決定することができる。

抵抗器あるいは他のインピーダンス素子の電圧降下によって電流を感知する他の実施例では、電流感知、光遮断器および抵抗器を直列に接続したものを使用している。光遮断器は電子回路に直接の出力（つまりＤＥＹｃまたはＤＥＹｒ）を供給するもので、問題になりそうな大振幅電圧を低減するための標準方法である。別の実施例では、フォトダイオードは抵抗と直列に接続されて使用される。ＤＥＹＣまたはＤＥＹｒの発生を捕らえるためにディジタル・カメラ４０（図２）を使用することができるようにプラズマパネルのまわりにフォトダイオードを設けてもよい。

ガスに面する図３のスペーサー７４は、ＰＰ装置感度および入射光子放射線に対する反応を禁ずる電荷を引きつけて格納するようにしてもよい。スペーサーと障壁は、バイアス電圧を加える必要のある部分的に導電性ある構造として実施してもよい。例えば図３の、一実施例では、スペーサー７４はそれぞれバイアス電圧接続するようにしてもよい。バイアス電圧は、電子なだれが検知された直後に、障壁に沿った電荷を削除するように、タイミングをあわせ、かつ、これに同期させて加えるようにしてもよい。実施例は、各障壁の個々のコントロールを含ませてもよい。

発明の実施例は、圧力と機械的ストレスの下の長期的で、ガスをしっかりと密閉し、気密障壁を維持するＰＰシールを含んでいる。シールはさらにガス交換ポート構造を含んでいる。シールは、プラズマパネルにおいてスペーサー障壁で、またはスペーサー障壁なしで、ガス間隙を常に維持する。一実施例では、シール材料は導電性である。また、基板のうちの１つは絶縁体で、非導電性の基板上の導電性のシールと導電性の活発なエリア電極の間に非常にわずかにしかし連続的に導電性のリングあるいはバンド・コーティング部分を備えている。これにより、活発なエリアと比較して、シールあるいはそのシールの近くでのフィールド勾配をより低くおさえ、電荷を保存し、ガンマ線放射現象をマスクするか、ごまかすことができる検知器シール内部の誘電体の表面を完全に、除去する。

一実施例では、以前に議論された構造は、誘電体コーティングを電極表面に施して、ガスからそれらを隔離することによって、ＡＣ動作に変換してもよい。例えば、図３のＹｃ電極７６およびＹｒ電極８０を誘電体のオーバーコートによってガスから隔離し、表面電離のＡＣプラズマパネルとして動作するようにしてもよい。 この実施例では、放射層は引き続き必要だが、入力電極としてではない。また誘電体外皮はあってもなくてもよい。

ＰＤＰを製作するために使用される、いかなる既知のあるいは、将来に開発される製造工程も、本発明の実施例と共に使用することができる。一実施例では、入力基板によって低いエネルギーｋｅＶ電離光子放射線の伝播を最大限にし、かつ機械的な負荷を最小化するために、入出力基板は同一の材料構成および厚さで、民生用ＰＤＰ処理に適した最も薄いガラスを使って製作した。そのようなガラス基板の例は厚さ２．８ｍｍの標準（Ａｓａｈｉ ＰＤ２００）を使用することである。より低コストとして、互換性をもち、より薄い（あるいはより厚い）ガラス基板材料が利用可能になり、それらを２．８ｍｍのＡｓａｈｉＰＤ２００代わりに用いられてもよい。

図３に示す本発明の実施例では、出力プレートに追いやられた本質的に最も複雑な処理ステップをすべて備えている。Ｙ電極に対して材料に特有な、あるいは、プロセスに特有な必要条件がないので、様々な低価格で、導電材料でそれらを作ることができるし、多くの従来の厚膜および（または）薄膜プロセスのうちのいずれか１つを使用することも可能である。一実施例では、底部Ｙｒ電極は後に作成する誘電体層７８の表面の平面度を最小限に抑える程度に可能な限り薄くつくられている。一実施例では、他の薄膜電極材料システムを使用することができるが、ＰＤＰ薄膜電極材料システムＣｒ／Ｃｕ／Ｃｒがスパッタされリソグラフィーでパターン化される。一旦、底部Ｙｒ電極が作り上げられたら、底部Ｙｒ電極およびトップのＹｃ電極間の適切な絶縁膜を形成するために、「ＰＤＰ型」厚膜、誘電体ペーストが塗布され、次に、加熱される。 次に、稀硝酸スプレーのような標準の誘電性の酸エッチングプロセスが、底部Ｙｒ電極への誘電体によって必要なビアを作成するために適切にパターン化されたフォトレジスト層と共に使用される。完成後、標準薄膜または厚膜導電層（例えばＣｒ／Ｃｕ／Ｃｒ膜、ニッケル・ペーストなど）が、施され、垂直のビア（貫通穴）を覆うかこれを満たし、かつ、導電性のブリッジか垂直列を設けるために、電気的に底部Ｙｒ電極を誘電体層の天面まで引き上げる。同時に、あるいは、これに続いて、表面のＹｃ電極およびＹｒ電極は、標準薄膜または厚膜電極材料／プロセスを使用して、作り上げられる。より複雑な表面のＹｒ電極パターンは、図３に示されたように、以前に作り上げられた導電性のビアに電気接続され、かつ一線になっている。

一実施例では、スペーサー障壁７４のうちのいくつかあるいはすべての代わりの放電隔離障壁リブは、商用ＰＤＰの障壁組立てプロセスで現在使用されている製造工程を使用して作り上げられる。しかしながら、発明のための多くの応用が高解像度要求（ＨＤＴＶのためのＰＤＰとは対照的である）をしていないので、比較的、低解像度・パネルに作りあがる場合がある。したがって、サンドブラステイング、リフトオフまたはエッチングのような、ネガティブプロセス（つまり材料削除）により放電隔離障壁リブを作り上げる代わりに、スクリーン印刷のような、より低コストでポジティブな組立てプロセスを使用することができる。もし断続的なスペーサーが必要ならば、さらに低コスト生産工程が採用できる。たとえばプリフォーム・スペーサー材料を使用し、取り上げ‐据え置き組立て工程と組み合わせて使用することができる。

記述されるように、本発明の実施例は、低費用で製造することができるＰＰに基づいた探知装置を形成するために検知エレクトロニクスと共にプラズマパネル構造を利用するものである。本発明のいくつかの実施例は特に例証され、かつ、またはここに記述した。しかしながら、本発明の他の修正および変化は、発明の精神と意図の範囲から外れずに、上記の教示と添付された請求項の範囲に網羅されると、認識される。

本発明により低価格で製造することができるプラズマパネルを放射線探知装置に利用できる。

電気的に放電位置を感知するための本発明の一実施例に従ってプラズマパネルに基づいた検知器の画素重心を定義する、２つの電流方向電極（ＹｃとＹｒ）に付随する、単純化された回路を図示するブロック図である。単純化については、「Ｘ」は画素で入力基板の放射源電極電圧電位を示す。また、「Ｘ駆動回路」は「Ｘ」の供給のために回路手段を示す。同様に、「Ｙ」は、出力基板上の電極回路を示す。 本発明の実施例による、図１の回路に付加されている検知現象処理回路のブロック図である。 本発明の一実施例で用いるプラズマパネルに基づいた検知器の透視図である。

符号の説明

１０ 電源
１２ Ｘ駆動
１４ 電流制限インピーダンス素子
１６ ＤＥＸパルス検出回路
１８ プラズマ
２０ ＤＥＹパルス
２４ 電流制限インピーダンス素子
３０ 時間押印
３１ 時間押印
３４ 感度コントロール
３６ ＤＥＸ生成回路
３８ イメージング機能
４０ カメラ
４２ 外部コンピューティング・システム
７０ 入力基板
７４ スペース障壁
７６ Ｘ電極
８０ Ｙ電極
８２ 第２の放射源電極
８４ ガス空隙

Claims (20)

1. 第１の基板と
   前記第１の基板と略平行で、前記第１の基板との間で空隙を形成している第２基板と
   前記空隙内に含まれるガスと
   少なくとも前記第１の基板に接続した第１の電極と
   少なくとも前記第２の基板に接続した第２の電極と
   少なくとも前記第２の基板に接続した第３の電極と
   前記第２の電極に接続した第２インピーダンス素子と、
   前記第３の電極に接続した第３のインピーダンス素子と、
   前記第１の電極に接続した電源と、
   前記第２のインピーダンス素子に接続した第１の放電現象検出器と、
   また前記第３のインピーダンス素子に接続した第２放電現象検知器を備えることを特徴とした電離放射検知器。
2. 少なくとも１つの画素を定義するために前記第２の電極および前記第３の電極は隣接してペアになることを特徴とする請求項１の電離光子放射線検出装置。
3. 前記第１の電極はＸ電極であり、前記第２の電極はＹｃ（列）電極であり、また、前記第３の電極はＹｒ（行）電極であることを特徴とする請求項２の電離光子放射線検出装置。
4. 請求項１記載の電離光子放射線検出装置はさらに
   少なくとも前記第２の電極に接続した第１の駆動回路と
   少なくとも前記第３の電極に接続した第２の駆動回路を備える。
5. 請求項１記載の電離光子放射線検出装置はさらに
   前記第１の放電現象検出器および前記第２の放電現象検出器に接続され、前記第１の放電現象検出器および前記第２の放電現象検出器によって検知された放電現象に対してタイムスタンプを押印するタイムスタンプ回路を含む。
6. 請求項５記載の電離光子放射線検出装置はさらに
   前記第１の放電現象検出器および前記第２の放電現象検出器によって検知された略同時に発生した放電現象を記録するために前記タイムスタンプ回路に接続した放電現象データ保存装置を含む。
7. 請求項６記載の電離光子放射線検出装置はさらに
   前記電源、前記第１および第２の放電現象検出器にフィードバック情報を提供するために前記放電現象データ保存装置に接続された感度コントロールを含む。
8. 請求項３記載の電離光子放射線検出装置はさらに、前記第１の基板に接続されたガンマー線―自由電子放出層を含み、かつ、前記Ｘ電極を放射源電極として定義する。
9. 請求項１に記載の電離光子放射線検出装置はさらに
   前記第２の基板に前記第１の基板を接続する密閉シールと
   前記空隙を定義する周端部スペーサーを含む。
10. 請求項１記載の電離光子放射線検出装置は、前記第２の電極と前記第３の電極間にさらに誘電体層を含む。
11. 請求項１の電離光子放射線検出装置は、さらに前記第１の電極に接続された第１のインピーダンス素子を含む。
12. 第１の基板と、
    前記第１の基板と略平行で、前記第１の基板との間で空隙を形成している前記第２の基板と、
    ガス充填前記空隙に充填されたガスと、
    前記第１の基板に接続された放射源電極と、
    前記第２の基板に接続され、画素中心を定義する一電流方向の第１と第２電極と、
    第前記第１の電極に接続された第１の駆動回路、第１の電流制限インピーダンス素子および第１のパルス検出回路と
    前記第２の電極に接続された第２の駆動回路、第２の電流制限インピーダンス素子および第２パルス検出回路とを備える電離光子放射線検出装置。
13. 請求項１２の電離光子放射線検出装置はさらに、
    電源、第３の駆動回路および前記放射源電極に接続された第３の電流制限インピーダンス素子を含む。
14. 前記放射源電極はＸ電極であり、前記第１の電極はＹｃ（列）電極であり、また、前記第２の電極はＹｒ（行）電極であることを特徴とする請求項１３の電離光子放射線検出装置。
15. 請求項１３記載の電離光子放射線検出装置はさらに、
    前記第１のパルス検出部および前記第２のパルス検出部に接続され、前記第１のパルス検出部および前記第２のパルス検出部によって検知された放電現象にタイムスタンプを押印するタイムスタンプ回路を含む。
16. 請求項１５記載の電離光子放射線検出装置はさらに、
    前記第１のパルス検出回路および前記第２のパルス検出回路によって検知された略同時に発生した放電現象を記録するために前記タイムスタンプ回路に接続した放電現象データ保存装置を含む。
17. 請求項１６記載の電離光子放射線検出装置はさらに、
    前記電源と前記第１および第２のパルス検出回路にフィードバック情報を提供するために前記放電現象データ保存装置に接続された感度コントロールを含む。
18. 請求項１２記載の電離光子放射線検出装置はさらに、
    前記第２の基板に前記第１の基板を接続する密閉シールと
    前記空隙を定義する周端部スペーサーを含む。
19. 請求項１２記載の電離光子放射線検出装置はさらに、前記第２の電極と前記第３の電極間に誘電体層を含む。
20. 第１の基板と第２の基板を備えるプラズマパネルにおいて、前記第１の基板でガンマ線放射線を受信し、
    受信したガンマ線放射線に応じて前記第１の基板内で少なくとも１つの自由電子を生成し、前記生成は結果として、前記第１の基板から電子を前記第１の基板と前記第２の基板間の空隙に含まれるガスに放射し、
    前記プラズマパネルの画素部でガス放電現象を生じさせ、
    第２電極に接続した第１のパルス検出検出回路、および第３の電極に接続された第２パルス検出部で前記ガス放電現象を検出する電離放射線の検知用法において、前記第２および第３の電極はプラズマパネルの前記第２の基板に接続してあることを特徴とする電離放射線の検知用法。