JP2012508873A - 固体ｘ線検出器 - Google Patents

Abstract

本発明は、放射線変換器又はシンチレータと組み合わされた光電センサーを備える、固体放射線検出器に関する。このタイプの検出器の適用分野は特に放射線学：Ｘ線撮影、Ｘ線透視、及びマンモグラフィー、又それだけでなく非破壊試験である。検出器は、シンチレータ（１３）の上流側で第一の放射線により通過される堅固な入射窓（１４）と、センサー（１２）と入射窓（１４）との間に設置されるシンチレータ（１３）と、基板（１５）及び基板（１５）上に設置された光電素子（１６）を備えるセンサー（１２）とを備える。本発明によれば、入射窓（１４）はシンチレータ（１３）の形状にぴったり合うように形作られ、センサー（１２）の基板（１５）上に水密のやり方で固定される。

Description

本発明は放射線変換器と組み合わされた光電センサーを備える、固体Ｘ線検出器に関する。このタイプの検出器の適用分野は、特に放射線学―Ｘ線撮影、Ｘ線透視、マンモグラフィー、又それだけでなく非破壊試験―である。

そのような放射線検出器は、例えば、そこで非晶質シリコン光ダイオードから形成されたセンサーが、放射線変換器と組み合わされる仏国特許出願公開第２ ８０３ ０８１号明細書に記述されている。

そのような放射線検出器の操作及び構造が、ここで簡潔に概説されるであろう。

光電センサーは、一般にマトリックスにて配置される固体光電素子から作られる。光電素子は通常、ＣＣＤ又はＣＭＯＳセンサーの場合は単結晶シリコンの半導体材料から、また多結晶シリコンあるいは非晶質シリコンである半導体材料から作られる。光電素子は少なくとも１つの光ダイオード、少なくとも１つのフォトトランジスター、又は少なくとも１つのフォトレジスターを含む。これらの素子は一般にガラス板である基板上に堆積される。

一般に、これらの素子はＸ線又はガンマ線のような、非常に短い波長の放射線を直接的に感知しない。光電センサーがシンチレータ物質の層を含む放射線変換器と組み合わされるのは、このためである。この物質は、そのような放射線により刺激されるとき、それに対してセンサーが感知する、例えば可視光又は可視に近い光のより長い波長の放射線を放出する特性を有する。放射線変換器により放射される光は、センサーの光電素子を照らし、それは光電変換を行ない、適切な回路によって利用され得る電気信号を配信する。この放射線変換器は、本説明の残り部分ではシンチレータと呼ばれるであろう。

アルカリ金属ハロゲン化物類又は希土類金属酸硫化物類の、特定のシンチレータ物質は、それらの良好な機能のため頻繁に採用される。

アルカリ金属ハロゲン化物類の中では、所望の放射に応じて、それぞれ約４００ｎｍにはナトリウム、又は約５５０ｎｍにはタリウムでドーピングされたヨウ化セシウムが、その強いＸ線吸収、及びその優れた蛍光収率によって知られている。それは支持材の上に成長している微細な針状結晶の形をとる。これらの針状結晶はこの支持材に対してほぼ直角であり、それらはセンサーに向けて放射された光を部分的に閉じ込める。それらの微細さは検出器の分解能を決定する。ランタン酸硫化物及びガドリニウム酸硫化物もまた同じ理由で広く用いられる。

しかしながら、これらのシンチレータ物質のいくつかはあまり安定ではないという欠点を有し、すなわち、それらは水分に晒されたとき部分的に分解し、分解によってセンサーに向かって又はセンサーから遠ざかって移動する化学種を放出し、これらの種は高度に腐食性である。とりわけ、ヨウ化セシウム及びランタン酸硫化物はこの欠点を有する。

ヨウ化セシウムに関しては、分解は水酸化セシウムＣｓ^＋ＯＨ⁻及び遊離ヨウ素Ｉ_２を与え、それは次にヨウ化物イオンと結合して錯体Ｉ_３ ⁻をもたらし得る。

ランタン酸硫化物に関して、その分解は硫化水素Ｈ_２Ｓを与え、それは化学的に非常に攻撃性がある。

水分を除去するのは極度に困難なことである。周囲空気及び、検出器を組み立てるために使われる接着剤は常に水分を含む。接着剤中の水分の存在は、周囲空気に起因するか、又は良くあるケースであるが、架橋が２つの化学種の縮合から生じる場合、それは架橋の副産物である。

これらの検出器を製作するときの重要な側面の１つは、当初から検出器内に存在し、そしてシンチレータに接触する水分の量を最小化すること、及び前記水分が動作中にセンサー内へ拡散するのを防止することである。

放射線検出器はシンチレータの上流にあり、Ｘ線によって通過される入射窓を含む。さらに、シンチレータ物質は一般に金属の支持材上に堆積される。支持材及びシンチレータ物質はそのときシンチレータを形成する。

支持材を入射窓として使用することは可能であるが、必須ではない。

シンチレータ物質が、シンチレータを形成するために入射窓上にこのように堆積され、次にセンサーに接着することで付加されるとき、入射窓は損傷無しに堆積及びシンチレータの処理の熱応力に耐えなければならず、そして好ましくは、シンチレータ及びセンサー、とりわけその基板の熱膨張係数と同じ程度の大きさの熱膨張係数を持つ。従って入射窓が小さいヤング率を有し、それによって一方で窓とシンチレータとの間の差応力を、他方で窓とセンサーもしくは特にセンサーの基板との間の差応力を取り除くような備えをすることが可能である。それゆえ、シンチレータの亀裂及びセンサー基板の破損の危険性が取り除かれる。

さらに入射窓の表面仕上げは、特にヨウ化セシウムに関して、可能な限り微細な針状結晶の成長を、出来る限り一様なやり方で可能にしなければならない。針状結晶の微細さは、検出器の感度限界のための線質係数である。

現在、支持材はアルミニウムで作られる。検出されるべき放射線に対するアルミニウムの透過性は優れており、その光学特性は良好である。アルミニウムの処理後に、シンチレータがその上に堆積されるのに十分良好な、表面仕上げを得ることは可能である。残念ながら、その膨張係数はセンサーの膨張係数と非常に異なる。熱サイクル中に２つの要素間の界面における著しい機械応力を避けるため、これらの熱サイクルに関係する変形に損傷無しに耐え得る、フレキシブルなシーリング・パッキンを用いることが必要とされる。このパッキンは、熱サイクルの間のシンチレータの支持材とセンサー間の膨張における差に耐え、そしてその応力と破損の危険性を最小限にするように、必然的にフレキシブルである。しかしながら、フレキシブルな材料は一般に水分を透過させる。この水分に対するシンチレータの不十分な保護がそこから生じ、それにより検出器の寿命を短くする。そのような放射線検出器は、放射線機器又はその上にそれらが搭載されている他の機器の償却期間と同程度の寿命を持つことが望ましく、この期間はおよそ１０年である。

検出器の別の実施形態が同様に開発され、その実施形態において、入射窓の機能とシーリング機能は上述の先行技術のように、シンチレータの支持材のみでは実現されない。

この実施形態において、入射窓はシンチレータに固定されずにシンチレータ上に置かれる追加要素であって、水密シーリング・パッキンが入射窓とセンサーの集合体を実現する。言い換えれば、入射窓はセンサーとシンチレータにより形成される集合体に付加される。シーリングは入射窓とセンサーとの間で行なわれる。

この実施形態において、シンチレータの支持材が受ける応力は、支持材と実際の新たな入射窓との間に分配される。シンチレータの支持材は依然として、前の構造のような、シンチレータ物質の堆積に対する反射率及び表面仕上げの同じ制約を課される。それに反して、シーリング・パッキンの水密性及び支持の制約は、もはや課されない。これらの制約は新たな追加の入射窓へ移される。

この実施形態では、特にそれぞれの膨張係数の適合性に関して、センサーが作られる材料と適合する入射窓の材料の定義を可能にし、それはより硬く、従ってより水密性の高いシーリング・パッキンの使用を許容しなければならない。

入射窓とシンチレータ支持材との機能を分離することにより、入射窓を作るために、遥かに多くの材料の選択肢が得られる。

この実施形態は、シンチレータ及びセンサーの集合の２つの構成において実行され得る。

付加されたシンチレータ構成と呼ばれる第一の構成において、検出されるべき放射線がセンサーに届く前に通過しなければならない支持材の上にシンチレータ物質が堆積される。シンチレータ物質により形成される集合、及びその支持材は、次にセンサー上に接着される。

これを行なうために、シンチレータとセンサーとの間の良好な機械接触と、しかも同様にシンチレータにより照射される光の、光電センサーへの良好な移動の確保を目的とした、光学接着剤が使用される。

直接的堆積構成と呼ばれる第二の構成において、センサーはシンチレータ物質用の支持材として機能し、それはその時センサーと直接的かつ密接した接触をしている。２つの構成は各々利点及び欠点を持ち、それらは例えば仏国特許出願公開第２ ８３１ ６７１号明細書に記述されている。

シンチレータの上方に、シンチレータから独立している入射窓を置くことはそれでもなお、入射窓をセンサーに固定するシーリング・パッキンの厚さを、とりわけ少なくともシンチレータの厚さと等しくなければならない、というような、幾つかの問題を提起する。このタイプの厚いシーリング・パッキンは、特にその水密性の再現性に関して、製作が困難である。それは例えば一様ではなく、パッキンに気孔をもたらし得る気泡を含む可能性がある。パッキンの体積は、その設置のために型を必要とし得る。厚いパッキンはまた流動学的な理由で流れ、そして検出器の領域を汚染し、これは望ましくない。

本発明は厚いパッキンを必要とせずに、付加された入射窓の設置を提案することにより、上述の問題の全て又は幾つかを取り除くことを目的とする。

このために、本発明の１つの主題は、固体の第一の放射線検出器であり、光電センサーと、第一の放射線を、センサーが感知する第二の放射線へと変換するシンチレータと、シンチレータの上流側で、第一の放射線によって通過される堅固な入射窓とを備え、シンチレータがセンサーと入射窓との間に置かれ、センサーが基板及び、その基板上に設置された光電素子を備え、入射窓がシンチレータの形状にぴったり合うように形作られることと、入射窓がセンサーの基板上に水密のやり方で固定されることとを特徴とする。

本発明の別の主題は、本発明による放射線検出器の製作方法であり、それが次の作業：
・ シンチレータをセンサーに接着する作業と、
・ 入射窓をセンサー及びシンチレータにより形成される集合の上に設置する作業と、
・ 入射窓をセンサーに接着する作業と
を行なうことからなることを特徴とする。

本発明は、添付図により説明される、例として与えられている実施形態の詳細記述を読むことによってより良く理解され、その他の利点が明らかになるであろう。

本発明による放射線検出器の例示的実施形態を示す。

明確化のため、本図は原寸に比例していない。

図１に示す放射線検出器１０はＸ線の検出を可能にし、その方向は矢印１１により示されている。検出器１０はセンサー１２、Ｘ線放射をそれに対してセンサー１２が感知する放射線へと変換するシンチレータ１３、及びシンチレータ１３の上流側でＸ線放射により通過される堅固な入射窓１４を備える。

本発明はＸ線検出器に関連して説明される。勿論、本発明はシンチレータを必要とする別の波長においても利用可能である。

シンチレータ１３はセンサー１２と入射窓１４との間に設置される。センサー１２は基板１５及び、その基板１５上に置かれる光電素子１６を含む。各光電素子１６はアドレス可能なように行導体と列導体との間に搭載される。行導体と列導体とは図が込み入らないように、図中には示されていない。光電素子１６及び導体は一般に、それらを水分から保護する目的の保護層により覆われている。シンチレータ１３は支持材１７及び、支持材１７上に堆積されたシンチレータ物質１８を含む。シンチレータ物質１８は、例えば湿った酸化にとりわけ敏感なヨウ化セシウムのような、アルカリ金属ハロゲン化物類に属するが、しかしそれは又その或るメンバーがランタン酸硫化物のように、あまり安定でない希土類金属酸硫化物類にも属し得る。

有利なことに、支持材１７はシンチレータ物質１８の上流側でＸ線放射により通過され、シンチレータ１３はシンチレータ物質１８の側でセンサー１２に固定される。

入射窓１４はシンチレータ１３上へ固定されずに置かれる。入射窓１４は堅固であり、センサー１２の基板１５上に水密のやり方で固定される。

密封シーリング・パッキン１９は、入射窓１４を基板１５に固定する。シーリング・パッキン１９用の材料選定は、入射窓１４の材料と基板１５の材料に応じて行なわれる。シーリング・パッキン１９は無機材料に基づいていてもよい。このタイプのパッキンは、非常に良好な不浸透性を有するが、しかし約４００℃の高温を必要とする。

代わりに、シーリング・パッキン１９は有機材料に基づいていてもよい。これらの材料は無機材料に比べて水密性は劣る。しかし、それに反してそれらは２００℃未満のより低い温度を必要とする。有機材料の中で最良の水密性は、エポキシ系接着剤により確保される。

入射窓１４は、そこから基板１５が形成される材料と類似の熱膨張係数の任意の材料で作られ得る。入射窓の熱膨張係数は、アルミニウムよりも小さいことが有利である。組み立てられる２つの材料の熱膨張係数、すなわち入射窓１４と基板１５の熱膨張係数の近接性は、硬いシーリング・パッキン１９の使用を可能にする。

幾つかの材料が入射窓１４を作るために適している。少しの重い元素を含む材料が、Ｘ線に対するそれらの良好な透過性のため、一般に適している。

入射窓１４はガラスを含み得る。ガラスは単一成分の材料であり、それゆえ使い易い。さらに、基板１５もまたガラスを含み得る。より一般的に、入射窓１４と基板１５は同じ材料、又は少なくとも主として同じ材料で作られることができ、それにより入射窓１４と基板１５の熱膨張係数間の差を制限する。入射窓１４を作るために、カーボンファイバーもまた用いられ得る。カーボンファイバーは、Ｘ線に対してガラスよりも良い透過性を持ち、また更に壊れにくい。しかしながら、しばしばエポキシ樹脂を用いて固定されるカーボンファイバーは、それらの粗い表面仕上げのためにシーリングがより困難である。

代わりに、入射窓１４はＸ線に対するその透過性がガラスに近い、セラミック材を含み得る。

入射窓１４は、例えばポリエステルのような有機材料もまた含み得る。この材料はＸ線に対してガラスよりも良好な透過性を有する。それはまたガラスよりも壊れにくい。それは積層又は成型によって得られるとき、滑らかな表面仕上げを持つ均質な材料である。それにもかかわらず、ポリエステルのシーリングはガラスのシーリングよりも作業がデリケートである。

基板１５上に入射窓１４を固定するための厚さを最小化するために、入射窓１４はシンチレータ１３を覆うように形作られ、基板１５の出来る限り近くに位置する。言い換えれば、入射窓１４はシンチレータ１３の形状にぴったり合うように形作られ、従ってシーリング・パッキン１９内における水分の通過を最小限にするように、シーリング・パッキン１９の厚さを低減する。より正確には、シンチレータ１３は、その第一の前面２０が光電素子１６に対向して配置される、平行六面体として概略的に表わされ得る。面２０とは反対側の第二の前面２１は、Ｘ線放射により通過される。シンチレータ１３は又、２つの前面２０及び２１に対して実質的に直角な側面を備える。図１において、２つの側面２２及び２３が示されている。入射窓１４は前面２１と側面とを覆うように形作られている。

入射窓１４はシンチレータの形状にぴったり合うように、容易に変形し得るガラスシートで構成されてもよい。ガラスシートは熱成形され得る。熱成形は相応の温度でガラスを柔らかくし、型の上でそれを沈下するままにさせる事にある。

ガラスシートはサンドブラストで窪ませられ得る。サンドブラストは、マスクを用いて一定の領域、特に基板１５上に固定される領域を保護しながら、一般にアルミナ又は任意の別の材料である、硬い材料の粒子のジェットをガラスシート上へ吹き付けることにある。

成型で形作られた、カーボンファイバー製のキャップを使用することもまた可能である。

シンチレータ１３は、センサー１２が感知する放射線に対して透過性の接着剤２５を用いて、センサー１２に固定されることが有利である。入射窓１４は、やはり接着剤２５を用いてセンサー１２の基板１５に固定される。接着剤２５はセンサー１２に対向するシンチレータ１３の全面にわたって広がる。言い換えれば、同じ接着剤が、シンチレータ１３とセンサー１２との間の光学接着剤として、及び入射窓１４と基板１５との間のシーリング・パッキンとして双方に使用される。シーリング・パッキン１９と接着剤２５は単一の要素のみを形成する。

シーリング・パッキン１９及び接着剤２５としての、同一要素の使用は幾つもの利点を有する。検出器１０内の集合体の実施形態が単純化され、検出器１０を作るために必要な原材料の数が減少し、従って、作業時間及び製作費が低減される。

接着剤２５はその透過性及び欠陥が無いことで選ばれ、それにより検出器１０によって配信される最終画面の品質に直接貢献する。接着剤２５はまた光電素子１６とシンチレータ物質１８との間の光インターフェースの機械的結着性も確保しなければならない。

接着剤２５は、基板１５と入射窓１４との間の良好な機械的結合を確実にしなければならない。この結合は、接着剤２５の固有の特性のため、或いはシンチレータ１３にぴったり合うように形作られる入射窓１４によって提供される、実質的な水分の通路の閉じ込め度合いに起因する、接着剤の小さい厚みのため、やはり水密でなければならない。

接着剤２５は、例えばスクリーン印刷、浸漬被膜、オフセット印刷、メニスカス堆積、又は他の任意の分配手段により、基板１５上に堆積される液体接着剤であり得る。接着剤２５は、シンチレータ物質１８との光結合及び入射窓１４の堆積の前に、再加熱又は任意のその他の実行処理を必要とし得る。

接着剤２５は又、シンチレータ物質１８との光結合及び入射窓１４の堆積の前に、基板１５上に堆積され、ロールから取られるフィルムの形で塗布され得る。

接着剤２５はシリコン系、アクリル系、又はエポキシ系接着剤の内の１つに属する要素を含み得る。

本発明による放射線検出器の製作方法は、次の作業：
・ シンチレータ１３をセンサー１２に接着する作業と、
・ 入射窓１４をセンサー１２及びシンチレータ１３により形成される集合の上に設置する作業と、
・ 入射窓１４をセンサー１２に接着する作業と
を行なうことにある。

同じ接着剤２５が、シンチレータ１３と入射窓１４とを基板１５上で組み立てるために使用されるとき、本方法は：
・ 接着膜２５を用いてシンチレータ１３をセンサー１２に接着することと、
・ 接着膜２５を用いて入射窓１４をセンサー１２に接着することと
にある。

Claims (10)

1. 固体の第一の放射線検出器であって、
   光電センサー（１２）と、
   前記第一の放射線を、前記センサー（１２）が感知する第二の放射線へと変換するシンチレータ（１３）と、
   前記シンチレータ（１３）の上流側で、前記第一の放射線によって通過される堅固な入射窓（１４）とを備え、
   前記シンチレータ（１３）が前記センサー（１２）と前記入射窓（１４）との間に置かれ、
   前記センサー（１２）が基板（１５）及び、前記基板（１５）の上に設置された光電素子（１６）を備え、
   前記入射窓（１４）が前記シンチレータ（１３）の形状にぴったり合うように形作られることと、
   前記入射窓（１４）が前記センサー（１２）の前記基板（１５）上に水密のやり方で固定されることと、
   前記シンチレータ（１３）が支持材（１７）と前記支持材（１７）上に堆積されたシンチレータ物質（１８）とを含むことと、
   前記支持材（１７）が前記シンチレータ物質（１８）の上流側で、前記第一の放射線によって通過されることと、
   前記シンチレータ（１３）が前記シンチレータ物質（１８）の側で前記センサー（１２）に固定されることと、
   前記入射窓（１４）が、前記シンチレータ（１３）上に固定されることなく設置されることと
   を特徴とする、放射線検出器。
2. 前記シンチレータ（１３）が、前記第一の放射線によって通過される前面（２１）と側面（２２、２３）とを含むことと、前記入射窓（１４）が前記シンチレータ（１３）の前記前面（２１）及び前記側面（２２、２３）を覆うこととを特徴とする、請求項１に記載の放射線検出器。
3. 前記シンチレータ（１３）が、それに対して前記センサー（１２）が感知する前記第二の放射線に対して透過性の接着剤（２５）を用いて前記センサー（１２）に固定されることと、前記入射窓（１４）が、前記接着剤（２５）を用いて前記センサー（１２）の前記基板（１５）に固定されることとを特徴とする、請求項１あるいは２のいずれか一項に記載の放射線検出器。
4. 前記接着剤（２５）が、前記センサー（１２）に対向する前記シンチレータ（１３）の全面にわたって広がることを特徴とする、請求項３に記載の放射線検出器。
5. 前記接着剤（２５）が、シリコーン系、アクリル系、又はエポキシ系接着剤の内の１つに属する要素を含むことを特徴とする、請求項３あるいは４のいずれか一項に記載の放射線検出器。
6. 前記入射窓（１４）と前記センサー（１２）の前記基板（１５）とが、主として同じ材料を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の放射線検出器。
7. 前記入射窓（１４）が、ガラス、カーボンファイバー、セラミック材料、及び有機材料を含む集合に属する要素を備え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放射線検出器。
8. 前記シンチレータ（１３）が支持材（１７）と、前記支持材（１７）に堆積されたシンチレータ物質（１８）を含むことと、そして前記シンチレータ物質（１８）が、ヨウ化セシウムのようなアルカリ金属ハロゲン化物、あるいはランタン酸硫化物のような希土類金属酸硫化物に属する材料を含むこととを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のＸ線検出器。
9. 放射線検出器を製作する方法であって、それが次の作業：
   ・ 前記シンチレータ（１３）を前記センサー（１２）に接着する作業と、
   ・ 前記入射窓（１４）を前記センサー（１２）及び前記シンチレータ（１３）により形成される集合の上に設置する作業と、
   ・ 前記入射窓（１４）を前記センサー（１２）に接着する作業と
   を行なうことからな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放射線検出器を製作する方法。
10. その方法が：
    ・ 接着膜（２５）を用いて前記シンチレータ（１３）を前記センサーに接着することと、
    ・ 前記接着膜（２５）を用いて前記入射窓（１４）を前記センサー（１２）に接着することと
    からなることを特徴とする、請求項９に記載の方法。

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