JP2015064249A - 放射線検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】放射線変換膜のリーク電流によるオフセットを低減できる放射線検出器の構成を得る。【解決手段】放射線検出器１００は、入射した放射線に応じた量のキャリアを生成する放射線変換膜１３と、放射線変換膜１３の一方の面に電気的に接続され、放射線変換膜１３にバイアス電圧を印加する電圧供給回路３０と、放射線変換膜１３の他方の面に電気的に接続されるキャパシタ１２２と、バイアス電圧を制御するバイアス制御回路２２１とを備える。バイアス制御回路２２１は、放射線変換膜１３に放射線が照射される前の期間であるプリセット期間および前記放射線変換膜に放射線が照射された後の期間であるポストセット期間の少なくとも一方においては、バイアス電圧を所定の予備電圧に設定し、放射線変換膜に放射線が照射される期間である撮影期間においては、バイアス電圧を予備電圧と符号の異なるキャリア収集電圧に設定する。【選択図】図１

Description

本発明は、放射線検出器に関し、より詳しくは、直接変換型の放射線検出器に関する。

従来、Ｘ線等の放射線を電荷情報に直接変換する放射線検出器の構成が知られている。

特開２０１０−２０６８１９号公報には、光または放射線の入射により光または放射線の情報を電荷情報に変換する変換層と、２次元状に複数配列され、変換層で変換された電荷情報を蓄積して読み出す蓄積・読み出し回路と、同一列の蓄積・読み出し回路に接続された各ゲートラインと、同一行の蓄積・読み出し回路に接続された各データラインとを備え、各ゲートラインを逐次駆動して、蓄積・読み出し回路で読み出された電荷情報に基づいて画像を得る撮像装置であって、ある列における電荷情報を、その後に駆動される画像を得るための列から読み出された電荷情報に基づいて補正する画像情報補正手段を備える撮像装置が記載されている。

特開２０１０−２０６８１９号公報

特開２０１０−２０６８１９号公報に記載された撮像装置では、変換層（放射線変換膜）のリーク電流によるオフセットを、アナログ‐ディジタル（ＡＤ）変換後のディジタル信号処理によって行う。そのため、オフセットが大きい場合には、ＡＤ変換器またはその前段の読み出し回路において、信号が飽和する場合がある。

本発明の目的は、放射線変換膜のリーク電流によるオフセットを低減できる放射線検出器の構成を得ることである。

ここに開示する放射線検出器は、入射した放射線に応じた量のキャリアを生成する放射線変換膜と、前記放射線変換膜の一方の面に電気的に接続され、前記放射線変換膜にバイアス電圧を印加する電圧供給回路と、前記放射線変換膜の他方の面に電気的に接続されるキャパシタと、前記バイアス電圧を制御するバイアス制御回路とを備える。前記バイアス制御回路は、前記放射線変換膜に放射線が照射される前の期間であるプリセット期間および前記放射線変換膜に放射線が照射された後の期間であるポストセット期間の少なくとも一方においては、前記バイアス電圧を所定の予備電圧に設定し、前記放射線変換膜に放射線が照射される期間である撮影期間においては、前記バイアス電圧を前記予備電圧と符号の異なるキャリア収集電圧に設定する。

本発明によれば、放射線変換膜のリーク電流によるオフセットを低減できる放射線検出器の構成が得られる。

図１は、本発明の第１の実施形態にかかる放射線検出器の構成を示す模式図である。 図２は、センサ部の構成の一部を模式的に示す断面図である。 図３Ａは、センサ部の具体的な構成の一例を示す断面図である。 図３Ｂは、センサ部の具体的な構成の一例を示す平面図である。 図４は、放射線検出器による放射線検出の概略を説明するための図である。 図５は、放射線検出器の動作の一例において、放射線検出器の一つのキャパシタに蓄積された電荷Ｑの時間変化を示すグラフである。 図６は、トップ電極とボトム電極との間の抵抗ｒを説明するための図である。 図７は、比較例にかかる放射線検出器の一つのキャパシタに蓄積された電荷Ｑの時間変化を示すグラフである。 図８は、アナログ‐ディジタル変換器（ＡＤＣ）のダイナミックレンジと信号電荷との関係を説明するための図である。 図９は、放射線変換膜の例としてＣｄＴｅとａ−Ｓｅの特性を比較した表である。 図１０は、放射線検出器の動作の他の例において、放射線検出器の一つのキャパシタに蓄積された電荷Ｑの時間変化を示すグラフである。 図１１は、本発明の第２の実施形態にかかる放射線検出器の構成を示す模式図である。 図１２は、制御信号ＣＴＲＬ１およびＣＴＲＬ２、ならびにバイアス電圧Ｖｂの関係を示すタイミングチャートである。 図１３は、本発明の第２の実施形態の変形例にかかる放射線検出器の構成を示す模式図である。 図１４は、制御信号ＣＴＲＬ１およびＣＴＲＬ２、ならびにバイアス電圧Ｖｂの関係を示すタイミングチャートである。 図１５は、本発明の第３の実施形態にかかる放射線検出器の構成を示す模式図である。 図１６は、制御信号ＣＴＲＬ１およびＣＴＲＬ２、ならびにバイアス電圧Ｖｂの関係を示すタイミングチャートである。 図１７は、本発明の第３の実施形態の変形例にかかる放射線検出器の構成を示す模式図である。 図１８は、制御信号ＣＴＲＬ１およびＣＴＲＬ２、ならびにバイアス電圧Ｖｂの関係を示すタイミングチャートである。

本発明の一実施形態にかかる放射線検出器は、入射した放射線に応じた量のキャリアを生成する放射線変換膜と、前記放射線変換膜の一方の面に電気的に接続され、前記放射線変換膜にバイアス電圧を印加する電圧供給回路と、前記放射線変換膜の他方の面に電気的に接続されるキャパシタと、前記バイアス電圧を制御するバイアス制御回路とを備える。前記バイアス制御回路は、前記放射線変換膜に放射線が照射される前の期間であるプリセット期間および前記放射線変換膜に放射線が照射された後の期間であるポストセット期間の少なくとも一方においては、前記バイアス電圧を所定の予備電圧に設定し、前記放射線変換膜に放射線が照射される期間である撮影期間においては、前記バイアス電圧を前記予備電圧と符号の異なるキャリア収集電圧に設定する（第１の構成）。

上記の構成によれば、撮影期間では、電圧供給回路からバイアス電圧としてキャリア収集電圧が印加される。キャリア収集電圧によって、放射線変換膜に生成されたキャリアは、キャパシタに蓄積される。このとき、キャパシタには、キャリアによる電流に加えて、リーク電流による電荷が蓄積される。一方、上記の構成によれば、放射線を照射する前の期間であるプリセット期間において、放射線変換膜に、バイアス電圧としてキャリア収集電圧と反対符号の予備電圧（プリセット電圧）を印加する。これによって、撮影時のリーク電流による電荷と反対符号の電荷を、キャパシタにあらかじめ蓄積しておく。あるいは、放射線を照射した後の期間であるポストセット期間において、放射線変換膜に、バイアス電圧としてキャリア収集電圧と反対符号の予備電圧（ポストセット電圧）を印加する。これによって、撮影時のリーク電流による電荷と反対符号の電荷を、キャパシタから取り除く。これによって、リーク電流による電荷が打ち消され、オフセットが低減される。

上記第１の構成において、前記電圧供給回路は、可変電圧電源を含む構成としても良い（第２の構成）。

上記第１の構成において、前記電圧供給回路は、前記予備電圧を供給する予備電圧供給用定電圧電源と、前記キャリア収集電圧を供給するキャリア収集電圧供給用定電圧電源とを含む構成としても良い（第３の構成）。

上記の構成では、２種類の定電圧電源を使用する。そのため、可変電圧電源を使用して電圧を切り替える場合と比較して、電圧を安定させる時間を省略することができる。

上記第３の構成において、前記電圧供給回路は、前記予備電圧供給用定電圧電源と前記放射線変換膜との間に接続される第１スイッチと、前記キャリア収集電圧供給用定電圧電源と前記放射線変換膜との間に接続される第２スイッチとをさらに備え、前記バイアス制御回路は、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチの開閉を制御する制御信号を供給する構成としても良い（第４の構成）。

上記第４の構成において、前記第１スイッチと前記第２スイッチとが同時に閉状態にならないように、前記制御信号のタイミングを調整するタイミング調整回路をさらに備える構成とすることが好ましい（第５の構成）。

上記の構成によれば、予備電圧供給用定電圧電源とキャリア収集電圧供給用定電圧電源とが短絡するのをより確実に防止できる。

上記第１の構成において、前記電圧供給回路は、フローティング電源を含む構成としても良い（第６の構成）。

フローティング電源は、出力端の間の電圧が一定で、接地端子を切り替えることで供給する電圧の極性を変化させることができる。上記の構成によれば、可変電圧電源を使用して電圧を切り替える場合と比較して、電圧を安定させる時間を省略することができる。

上記第６の構成において、前記電圧供給回路は、前記フローティング電源の出力端子の一方と前記放射線変換膜との間に接続された第３スイッチと、前記フローティング電源の出力端子の一方と基準電位との間に接続された第４スイッチと、前記フローティング電源の出力端子の他方と前記基準電位との間に接続された第５スイッチと、前記フローティング電源の出力端子の他方と前記放射線変換膜との間に接続された第６スイッチとをさらに含み、前記バイアス制御回路は、前記第３スイッチ、前記第４スイッチ、前記第５スイッチ、および前記第６スイッチの開閉を制御する制御信号を供給する構成としても良い（第７の構成）。

上記第７の構成において、前記第３スイッチと前記第６スイッチとが同時に閉状態にならず、かつ第４スイッチと第５スイッチとが同時に閉状態にならないように、前記制御信号のタイミングを調整するタイミング調整回路をさらに備える構成とすることが好ましい（第８の構成）。

上記の構成によれば、フローティング電源の２つの出力端が短絡するのをより確実に防止できる。

上記第１〜第８のいずれかの構成において、前記キャパシタに接続されたスイッチング素子をさらに備えることが好ましい（第９の構成）。

上記第９の構成において、前記スイッチング素子は、酸化物半導体を含むことが好ましい（第１０の構成）。

上記第１０の構成において、前記酸化物半導体は、酸化インジウムガリウム亜鉛（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系半導体；インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）および酸素（Ｏ）を含む酸化物半導体）であることが好ましい（第１１の構成）。

Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系半導体は、オフ抵抗が極めて高い。そのため、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系半導体を用いれば、プリセット期間に蓄積した電荷のリークが少なくなり、オフセット低減の効果がより顕著に得られる。

［実施の形態］
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。なお、説明を分かりやすくするために、以下で参照する図面においては、構成が簡略化または模式化して示されたり、一部の構成部材が省略されたりしている。また、各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。

［第１の実施形態]
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる放射線検出器１００の構成を示す模式図である。放射線検出器１００は、センサ部１０と、センサ部１０を駆動する駆動部２０とを備えている。

センサ部１０は、アレイ層１２、放射線変換膜１３、およびトップ電極１４を備えている。駆動部２０は、コントローラ２１、ゲートドライバ２２、読出アンプ２３、アナログ‐ディジタル変換器（ＡＤＣ）２４、画像構成回路２５、出力部２６、および電圧供給回路３０を備えている。

図２は、センサ部１０の構成の一部を模式的に示す断面図である。図２に示すように、アレイ層１２、放射線変換膜１３、およびトップ電極１４は、基板１１の上に、この順番で形成されている。

アレイ層１２は、複数の画素１２０を含んでいる。画素１２０は、アレイ層１２の表面にマトリクス状に形成されている。画素１２０の各々は、ボトム電極１２１を含んでいる。ボトム電極１２１の各々は、放射線変換膜１３と接続されている。

放射線変換膜１３は、アレイ層１２の全体を覆って形成されている。放射線変換膜１３は、Ｘ線等の放射線を吸収して電気信号に変換する。放射線変換膜１３は例えば、ＣｄＴｅ、ＣｄＺｎＴｅ、ａ‐Ｓｅ（アモルファス‐セレン）、ＰｂＩ_２、ＨｇＩ_２、ＧａＡｓ、Ｓｉ等の膜である。放射線変換膜１３は例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって形成される。

トップ電極１４は、放射線変換膜１３の全体を覆って形成されている。トップ電極１４は、放射線変換膜１３と接続されている。トップ電極１４は例えば、Ｐｔ（プラチナ）を放射線変換膜１３に蒸着させたオーミック電極である。トップ電極１４はあるいは、Ｉｎ（インジウム）を堆積させてショットキーダイオードを形成した電極であっても良い。

図１に示すように、トップ電極１４には、電圧供給回路３０から、バイアス電圧Ｖｂが印加される。電圧供給回路３０は、可変電圧電源３１を含み、符号（極性）および大きさの異なる任意のバイアス電圧Ｖｂを、トップ電極１４に印加することができる。バイアス電圧Ｖｂの符号および大きさは、コントローラ２１に含まれるバイアス制御回路２１１によって制御される。コントローラ２１によるバイアス電圧の制御については後述する。

次に、図１を参照して、アレイ層１２の構成を説明する。アレイ層１２は、複数のゲート線ＧＬと、複数の信号線ＳＬとを含んでいる。ゲート線ＧＬの各々は、ゲートドライバ２２に接続されている。信号線ＳＬの各々は、読出アンプ２３に接続されている。ゲート線ＧＬと信号線ＳＬとは互いに直交しており、ゲート線ＧＬと信号線ＳＬとの交点の各々に、画素１２０が形成されている。

アレイ層１２はさらに、ゲート線ＧＬと概略平行に形成された、複数の容量線ＣＬを含んでいる。容量線ＣＬは、画素１２０の各々を横切るように形成されている。容量線ＣＬは、基準電位（例えば接地電位）に接続されている。

画素１２０の各々は、ボトム電極１２１と、キャパシタ１２２と、スイッチング素子１２３とを含んでいる。図３Ａおよび図３Ｂに、画素１２０の具体的な構成の一例を示す。図３Ａおよび図３Ｂはあくまで一例であり、画素１２０の構成はこれに限定されない。

ボトム電極１２１は、放射線変換膜１３と接続されている。ボトム電極１２１は、後述するように、放射線変換膜１３の内部に生成されたキャリアを収集する。変換効率を高めるためには、ボトム電極１２１の面積は広い方が好ましい。そのため、ボトム電極１２１は例えば、層間絶縁膜１２４を挟んで、キャパシタ１２２およびスイッチング素子１２３を覆うように配置されている。

キャパシタ１２２は、後述するように、画素１２０に入射した放射線に応じた量の電荷を蓄積する。キャパシタ１２２の一方の電極は、ボトム電極１２１とスイッチング素子１２３のドレインとに並列に接続されている。キャパシタ１２２の他方の電極は、容量線ＣＬに接続されている。容量線ＣＬは基準電位に接続されているため、キャパシタ１２２の他方の電極の電位は、一定に保たれている。

スイッチング素子１２３は、例えばＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。スイッチング素子１２３のソースは信号線ＳＬに接続され、ゲートはゲート線ＧＬに接続され、ドレインはボトム電極１２１とキャパシタ１２２の一方の電極とに並列に接続されている。

コントローラ２１は、ゲートドライバ２２、読出アンプ２３、ＡＤＣ２４、画像構成回路２５、および出力部２６を制御する。コントローラ２１は、これらを制御して、キャパシタ１２２の各々に蓄積された電荷を読み出し、読み出された電荷に基づいて画像を生成し、生成した画像を出力部２６に出力する。

より具体的には、まず、ゲートドライバ２２が、ゲート線ＧＬを１本ずつ選択する。ゲートドライバ２２は、選択した１本のゲート線ＧＬの電位をハイレベルに、他のゲート線ＧＬの電位をローレベルにする。ゲート線ＧＬの電位がハイレベルになると、そのゲート線ＧＬに接続されたスイッチング素子１２３がオン状態となる。これによって、キャパシタ１２２に蓄積された電荷が、信号線ＳＬを通じて、読出アンプ２３に転送される。

読出アンプ２３は、信号線ＳＬからの信号を増幅して、ＡＤＣ２４に供給する。なお、読出アンプ２３は、複数の信号線ＳＬからの信号を並列に処理しても良いし、1本ずつ選択して順番に処理しても良い。すなわち、読出しアンプ２３は、線順次で処理を実行しても良いし、点順次で処理を実行しても良い。

ＡＤＣ２４は、読出アンプ２３から供給されるアナログ信号をディジタル信号に変換して、画像構成回路２５に供給する。画像構成回路２５は、ＡＤＣ２４から順次供給される信号を集積して画像データとして再構成し、出力部２６に供給する。出力部２６は例えば、ディスプレイ、プロジェクタ、プリンタ、ストレージ（記憶媒体）等であり、画像構成回路２５によって構成された画像を出力する。

次に、図４を参照して、放射線検出器１００による放射線検出の概略を説明する。図４では、簡単のため、一つの画素１２０だけを図示している。

図４に示すように、放射線９０が撮影対象物９９を通過して放射線変換膜１３に入射すると、放射線変換膜１３の内部にキャリア（電子‐ホール対）が生成される。

放射線９０を照射している間、トップ電極１４には、電圧供給回路３０によって、バイアス電圧Ｖｂが印加されている。これによって、トップ電極１４とボトム電極１２１との間に電界が形成される。

放射線変換膜１３に形成された電界によって、電子およびホールの一方はトップ電極１４側に移動し、他方はボトム電極１２１側に移動する。これによって、トップ電極１４とボトム電極１２１との間に電流（ドリフト電流）が流れる。その結果、ボトム電極１２１に接続されたキャパシタ１２２には、放射線変換膜１３内に生成したキャリアの量に対応する量の電荷が蓄積される。

放射線検出器１００は、放射線９０の照射が終了した後の期間である読出期間に、画素１２０の各々のキャパシタ１２２に蓄積された電荷を読み出す。これによって、画素１２０の各々に入射した放射線の強度を反映した画像を生成することができる。

ここで、放射線変換膜１３の抵抗は有限であるため、バイアス電圧Ｖｂが印加されている間、トップ電極１４とボトム電極１２１との間には、リーク電流が流れる。そのため、キャパシタ１２２には、ドリフト電流による電荷とリーク電流による電荷とが蓄積される。リーク電流による電荷は、放射線とは無関係に生じるオフセットノイズ（ｏｆｆｓｅｔ ｎｏｉｓｅ：以下、単にオフセットという）であり、画像のコントラストを低下させる原因となる。

本実施形態にかかる放射線検出器１００は、放射線変換膜１３に放射線が照射される前の期間に、放射線変換膜１３に逆方向のバイアス電圧を印加することによって、リーク電流の影響を低減する。より具体的には、バイアス制御回路２１１は、放射線が照射される前の期間であるプリセット期間においては、バイアス電圧Ｖｂを所定の予備電圧（プリセット電圧）に設定し、放射線が照射される期間である撮影期間においては、バイアス電圧Ｖｂを予備電圧と符号の異なる電圧（キャリア収集電圧）に設定する。

［放射線検出器１００の動作］
以下、図５を参照して、放射線検出器１００の動作の一例を具体的に説明する。図５は、放射線検出器１００の動作の一例において、放射線検出器１００の一つのキャパシタ１２２に蓄積された電荷Ｑの時間変化を示すグラフである。図５中、実線は放射線を照射したときの電荷Ｑ（信号電荷＋オフセット）の時間変化であり、破線は放射線を照射しないときの電荷Ｑ（オフセットのみ）の時間変化である。

図５に示すように、放射線検出器１００の動作を、リセット期間ｔ１、プリセット期間ｔ２、切替期間ｔ３、撮影期間ｔ４、待機期間ｔ５、および読出期間ｔ６に分けて説明する。

まず、リセット期間ｔ１において、キャパシタ１２２をリセットする。キャパシタ１２２のリセットは、図示しないリセット回路によって行うことができる。また、キャパシタ１２２のリセットは、読出期間ｔ６において読出時間を十分に長くして、キャパシタ１２２を十分に放電させておくことによって行っても良い。

次に、プリセット期間ｔ２では、バイアス電圧Ｖｂ＝Ｖｂ０（プリセット電圧）を放射線変換膜１３に印加する。プリセット電圧Ｖｂ０は、撮影期間ｔ４において印加される電圧（キャリア収集電圧Ｖｂ１）と反対符号である。すなわち、プリセット期間ｔ２では、撮影期間ｔ４と反対方向の電界が、放射線変換膜１３に形成される。

ここで、プリセット期間ｔ２の間にキャパシタ１２２に蓄積される電荷量Ｑ０は、プリセット期間ｔ２の長さをＴｂ０、プリセット電圧Ｖｂ０の絶対値を｜Ｖｂ０｜、トップ電極１４とボトム電極１２１との間の抵抗をｒとすると、下記の式（１）で表される。
｜Ｑ０｜＝Ｔｂ０×｜Ｖｂ０｜／ｒ 式（１）

なお、トップ電極１４とボトム電極１２１との間の抵抗ｒは、図６に示すように、放射線変換膜１３の抵抗率をρ、放射線変換膜１３の厚さをｔ、画素１２０のピッチをｐとして、ｒ＝ρ×ｔ／ｐ^２と表すことができる。

再び図５を参照して、説明を続ける。切替期間ｔ３では、可変電圧電源３１の電圧を、プリセット電圧Ｖｂ０からキャリア収集電圧Ｖｂ１に切り替える。

可変電圧電源３１の電圧が安定した後、撮影対象物９９（図４）および放射線検出器１００に放射線を照射する。放射線が照射されている期間が、撮影期間ｔ４である。

撮影期間ｔ４では、バイアス電圧Ｖｂ＝Ｖｂ１（キャリア収集電圧）を放射線変換膜１３に印加する。前述のように、キャリア収集電圧Ｖｂ１は、プリセット電圧Ｖｂ０と反対符号の電圧である。そのため、撮影期間ｔ４では、プリセット期間ｔ２と反対方向の電界が、放射線変換膜１３に形成される。

撮影期間ｔ４では、ドリフト電流による電荷（信号電荷）とリーク電流による電荷（オフセット）とが、キャパシタ１２２に蓄積される。リーク電流によってキャパシタ１２２に蓄積される電荷量Ｑ１は、撮影期間ｔ４の長さをＴｂ１、キャリア収集電圧Ｖｂ１の絶対値を｜Ｖｂ１｜とすると、下記の式（２）で表される。
｜Ｑ１｜＝Ｔｂ１×｜Ｖｂ１｜／ｒ 式（２）

ここで、撮影期間ｔ４において放射線変換膜１３に形成される電界の方向は、プリセット期間ｔ２における方向と反対である。そのため、撮影期間ｔ４におけるリーク電流の方向も、プリセット期間ｔ２における方向と反対である。したがって、キャパシタ１２２に蓄積される電荷の符号も反対になる。本実施形態によれば、図５に示すように、Ｑ０とＱ１とが打ち消し合って、リーク電流によるオフセットを低減することができる。

Ｑ０とＱ１とが完全に打ち消し合うようにするためには、Ｑ０＋Ｑ１＝０、すなわち、｜Ｑ０｜＝｜Ｑ１｜とすれば良い。式（１）および式（２）から、下記の式（３）が得られる。
Ｔｂ０×｜Ｖｂ０｜＝Ｔｂ１×｜Ｖｂ１｜ 式（３）

式（３）から分かるように、必ずしもＴｂ０とＴｂ１とを等しくしなければならない訳ではなく、同様に、必ずしも｜Ｖｂ０｜と｜Ｖｂ１｜とを等しくしなければならない訳ではない。例えば、Ｖｂ１＝＋１００Ｖ、Ｔｂ１＝１００ｍｓの場合、Ｖｂ０＝−１００Ｖ、Ｔｂ０＝１００ｍｓとしても良いし、Ｖｂ０＝−２００Ｖ、Ｔｂ０＝５０ｍｓとしても良い。

もっとも、常にＱ０＋Ｑ１＝０としておく必要はない。Ｑ０とＱ１とが反対符号であれば、すなわち、プリセット電圧Ｖｂ０とキャリア収集電圧Ｖｂ１とが反対符号であれば、Ｑ０＋Ｑ１はＱ１よりも小さくなり、オフセットを低減する効果が得られる。

待機時間ｔ５は、キャパシタ１２２に蓄積された電荷Ｑが読み出されるまでの待ち時間である。前述のように、放射線検出器１００は複数の画素１２０を備え、画素１２０の各々のキャパシタ１２２の電荷は、順番に読み出される。

読出期間ｔ６は、キャパシタ１２２に蓄積された電荷Ｑを読み出す期間である。具体的には、キャパシタ１２２に接続されたスイッチング素子１２３がオン状態となって、キャパシタ１２２に蓄積された電荷が、信号線ＳＬを通じて、読出アンプ２３に転送される。

本実施形態によれば、リーク電流によるオフセットが取り除かれた（低減された）信号電荷が得られる。これによって、ＡＤＣ２４のダイナミックレンジを有効に利用して、コントラストの高い画像を得ることができる。

ここで、放射線検出器１００の効果を説明するため、仮想的な比較例について説明する。図７は、比較例にかかる放射線検出器の一つのキャパシタに蓄積された電荷Ｑの時間変化を示すグラフである。比較例にかかる放射線検出器では、本実施形態におけるプリセット期間ｔ２、切替期間ｔ３における動作に対応する動作を実行しない。そのため、読出期間ｔ６において読み出される電荷Ｑには、信号電荷とオフセットとの和になる。

図８は、ＡＤＣのダイナミックレンジと信号電荷との関係を説明するための図である。図８の左図はオフセットが小さい場合を、図８の右図はオフセットが大きい場合を、それぞれ表している。

図８の左図のようにオフセットが小さい場合、アナログ‐ディジタル変換後にオフセットを差し引く等の補正を行うことができる。一方、図８の右図のようにオフセットが大きい場合、ダイナミックレンジが飽和して信号情報の一部が失われる。そのため、アナログ‐ディジタル変換後に補正をすることができない。したがって、コントラストの高い画像を得ることができない。

図９は、放射線変換膜１３の例としてＣｄＴｅとａ−Ｓｅの特性を比較した表である。図９に示すように、ａ−ＳｅはＣｄＴｅと比較して抵抗率が高い。そのため、リーク電流が小さく、オフセットが小さい。一方、ＣｄＴｅはａ−Ｓｅと比較して変換効率が高いものの、抵抗率が低く、オフセットが大きくなる。例えば医療用用途等、撮影対象物（患者）への放射線照射量を少なくしたい場合には、放射線変換膜１３として変換効率の高いＣｄＴｅを用いることが好ましい。しかしながら、上述の特性のため、ＣｄＴｅを用いる場合、コントラストの高い画像を得ることが難しくなる。

本実施形態によれば、放射線変換膜１３に放射線が照射される前の期間に、放射線変換膜１３に逆方向のバイアス電圧を印加することによって、リーク電流によるオフセットを低減する。これによって、放射線変換膜１３としてＣｄＴｅ等の抵抗率が低い物質を用いた場合でも、コントラストの高い画像を得ることができる。

また、本実施形態による放射線検出器１００には、任意のスイッチング素子１２３を用いることができる。スイッチング素子１２３は、ａ−Ｓｉ（アモルファス‐シリコン）を用いたものであっても良いし、酸化物半導体を用いたものでも良い。

酸化物半導体は、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系半導体、Ｚｎ−Ｏ系半導体、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系半導体、Ｚｎ−Ｔｉ−Ｏ系半導体、Ｃｄ−Ｇｅ−Ｏ系半導体、Ｃｄ−Ｐｂ−Ｏ系半導体、ＣｄＯ、Ｍｇ−Ｚｎ−Ｏ系半導体、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系半導体、およびＩｎ−Ｇａ−Ｓｎ−Ｏ系半導体である。なかでも、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系半導体が好ましい。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系半導体は、Ｉｎ（インジウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｚｎ（亜鉛）の三元系酸化物であって、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎの割合（組成比）は特に限定されず、例えばＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：２：１、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：２等を含む。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系半導体は、アモルファスでも良いし、結晶質部分を含み、結晶性を有していても良い。

Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系半導体は、オフ抵抗が極めて高い。そのため、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系半導体を用いれば、プリセット期間ｔ２後のリークが少なくなり、本実施形態の効果がより顕著に得られる。

［放射線検出器１００の動作の変形例］
次に、図１０を参照して、放射線検出器１００の動作の他の例を説明する。図１０は、放射線検出器１００の動作の他の例において、放射線検出器１００の一つのキャパシタ１２２に蓄積された電荷Ｑの時間変化を示すグラフである。図５と同様に、図１０中の実線は放射線を照射したときの電荷Ｑ（信号電荷＋オフセット）の時間変化であり、破線は放射線を照射しないときの電荷Ｑ（オフセットのみ）の時間変化である。

本変形例では、図５の例におけるプリセット期間ｔ２に代えてポストセット期間ｔ８を有し、切替期間ｔ３に代えて切替期間ｔ７を有している。本変形例では、放射線変換膜１３に放射線が照射された後の期間であるポストセット期間ｔ８において、キャリア収集電圧Ｖｂ１と逆方向の電圧を印加し、リーク電流の影響を低減する。

まず、図５の例と同様に、リセット期間ｔ１において、キャパシタ１２２をリセットする。

次に、撮影期間ｔ４において、撮影対象物９９（図４）および放射線検出器１００に放射線を照射する。撮影期間ｔ４では、バイアス電圧Ｖｂ＝Ｖｂ１（キャリア収集電圧）を放射線変換膜１３に印加する。図５の例と同様に、撮影期間ｔ４では、ドリフト電流による電荷（信号電荷）とリーク電流による電荷（オフセット）とが、キャパシタ１２２に蓄積される。リーク電流によってキャパシタ１２２に蓄積される電荷量は、図５の場合と同じＱ１（式（２））である。

放射線の照射が終了した後、切替期間ｔ７において、可変電圧電源３１の電圧を、キャリア収集電圧Ｖｂ１からポストセット電圧Ｖｂ２に切り替える。

ポストセット期間ｔ８では、バイアス電圧Ｖｂ＝Ｖｂ２（ポストセット電圧）が放射線変換膜１３に印加される。ポストセット電圧Ｖｂ２は、撮影期間ｔ４において印加される電圧（キャリア収集電圧Ｖｂ１）と反対符号である。すなわち、ポストセット期間ｔ８では、撮影期間ｔ４と反対方向の電界が、放射線変換膜１３に形成される。

ここで、ポストセット期間ｔ８の間にキャパシタ１２２から放電される電荷量Ｑ２は、ポストセット期間ｔ８の長さをＴｂ２、ポストセット電圧Ｖｂ２の絶対値を｜Ｖｂ２｜、トップ電極１４とボトム電極１２１との間の抵抗をｒとすると、下記の式（４）で表される。
｜Ｑ２｜＝Ｔｂ２×｜Ｖｂ２｜／ｒ 式（４）

ここで、ポストセット期間ｔ８において放射線変換膜１３に形成される電界の方向は、撮影期間ｔ４における方向と反対である。そのため、ポストセット期間ｔ８におけるリーク電流の方向も、撮影期間ｔ４における方向と反対である。したがって、キャパシタ１２２に蓄積（放電）される電荷の符号も反対になる。本実施形態によれば、図１０に示すように、Ｑ１とＱ２とが打ち消し合って、リーク電流によるオフセットを低減することができる。

Ｑ１とＱ２とが完全に打ち消し合うようにするためには、Ｑ１＋Ｑ２＝０、すなわち、｜Ｑ１｜＝｜Ｑ２｜とすれば良い。式（２）および式（４）から、下記の式（５）が得られる。
Ｔｂ１×｜Ｖｂ１｜＝Ｔｂ２×｜Ｖｂ２｜ 式（５）

式（３）の場合と同様に、必ずしもＴｂ１とＴｂ２とを等しくしなければならない訳ではなく、必ずしも｜Ｖｂ１｜と｜Ｖｂ２｜とを等しくしなければならない訳ではない。また、常にＱ１＋Ｑ２＝０としておく必要はない。Ｑ１とＱ２とが反対符号であれば、すなわち、ポストセット電圧Ｖｂ２とキャリア収集電圧Ｖｂ１とが反対符号であれば、Ｑ１＋Ｑ２はＱ１よりも小さくなり、オフセットを低減する効果が得られる。

本変形例によっても、リーク電流によるオフセットが取り除かれた（低減された）信号電荷が得られる。これによって、ＡＤＣ２４のダイナミックレンジを有効に利用して、コントラストの高い画像を得ることができる。

［第２の実施形態］
図１１は、本発明の第２の実施形態にかかる放射線検出器２００の構成を示す模式図である。放射線検出器２００は、放射線検出器１００の電圧供給回路３０に代えて、電圧供給回路４０を備えている。さらに、放射線検出器２００は、放射線検出器１００のバイアス制御回路２１１に代えて、バイアス制御回路２１２を備えている。

電圧供給回路４０は、２種類の定電圧電源４１，４２と、スイッチ群４３とを含んでいる。定電圧電源４１は予備電圧−｜ＶｂＰ｜を出力し、定電圧電源４２はキャリア収集電圧＋｜Ｖｂ１｜を出力する。スイッチ群４３は、スイッチＳ１とスイッチＳ２とを含んでいる。スイッチＳ１は定電圧電源４１の出力端子とトップ電極１４との間に配置されおり、スイッチＳ２は定電圧電源４２の出力端子とトップ電極１４との間に配置されている。

バイアス制御回路２１２は、スイッチ群４３を制御することによって、放射線変換膜１３に印加するバイアス電圧Ｖｂを制御する。より具体的には、バイアス制御回路２１２は、制御信号ＣＴＲＬ１およびＣＴＲＬ２を生成して、スイッチ群４３を制御する。スイッチＳ１は、制御信号ＣＴＲＬ１がハイレベルのときオン（閉）状態となり、ＣＴＲＬ１がローレベルのときオフ（開）状態となる。同様に、スイッチＳ２は、制御信号ＣＴＲＬ２がハイレベルのときオン（閉）状態となり、ＣＴＲＬ２がローレベルのときオフ（開）状態となる。

図１２は、制御信号ＣＴＲＬ１およびＣＴＲＬ２、ならびにバイアス電圧Ｖｂの関係を示すタイミングチャートである。バイアス制御回路２１２は、互いに反対極性になるように制御信号ＣＴＲＬ１とＣＴＲＬ２とを生成する。より詳しくは、バイアス制御回路２１２は、制御信号ＣＴＲＬ１をローレベルからハイレベルにするタイミングに同期して、制御信号ＣＴＲＬ２をハイレベルからローレベルにする。同様に、バイアス制御回路２１２は、制御信号ＣＴＲＬ１をハイレベルからローレベルにするタイミングに同期して、制御信号ＣＴＲＬ２をローレベルからハイレベルにする。これによって、バイアス電圧Ｖｂは、予備電圧−｜ＶｂＰ｜およびキャリア収集電圧＋｜Ｖｂ１｜のいずれかとなる。

なお、バイアス制御回路２１２は、図５のように、プリセット期間ｔ２にプリセット電圧Ｖｂ０として予備電圧−｜ＶｂＰ｜を印加するように動作する構成であっても良いし、図１０のようにポストセット期間ｔ３に、ポストセット電圧Ｖｂ２として予備電圧−｜Ｖｂ０｜を印加するように動作する構成であっても良い。

本実施形態によれば、第１の実施形態と比較して、切替時間ｔ３（図５）またはｔ７（図１０）を短くすることができる。すなわち、第１の実施形態では可変電圧電源３１（図１）の出力電圧の切り替えに伴い、出力電圧が安定するまで待機する必要がある。これに対し、本実施形態によればこの時間を省略することができる。

また、第１の実施形態における可変電圧電源３１のように、正負の出力切替が可能であり、かつ出力電圧の絶対値も大きい電源は高価である。本実施形態では、定電圧電源を２つ用いることによって、このような高価な可変電圧電源を用いなくて済むため、コスト上も有利である。

［第２の実施形態の変形例］
図１３は、本発明の第２の実施形態の変形例にかかる放射線検出器２０１の構成を示す模式図である。放射線検出器２０１は、放射線検出器２００の構成に加えて、タイミング調整回路２１３をさらに備えている。

放射線検出器２００と放射線検出器２０１とは、スイッチ群４３の制御方法が異なる。図１４は、制御信号ＣＴＲＬ１およびＣＴＲＬ２、ならびにバイアス電圧Ｖｂの関係を示すタイミングチャートである。本変形例では、タイミング調整回路２１３によって、制御信号ＣＴＲＬ１の極性が反転するタイミングと、制御信号ＣＴＲＬ２の極性が反転するタイミングとを、ΔＴだけずらしている。より詳しくは、制御信号ＣＴＲＬ１がハイレベルからローレベルになるタイミングからΔＴだけ遅延して、制御信号ＣＴＲＬ２がローレベルからハイレベルになる。同様に、制御信号ＣＴＲＬ２がハイレベルからローレベルになるタイミングからΔＴだけ遅延して、制御信号ＣＴＲＬ１がローレベルからハイレベルになる。

放射線検出器２００による制御方法（図１１および図１２）の場合、スイッチＳ１とＳ２とが同時に閉じる瞬間が生じる可能性がある。この場合、定電圧電源４１と４２とが短絡して、定電圧電源４１および４２を破損する可能性がある。本変形例によれば、制御信号ＣＴＲＬ１およびＣＴＲＬ２の極性が反転するタイミングを明示的にずらすことによって、定電圧電源４１と４２とが短絡するのをより確実に防止できる。

なお、ノンオーバーラップ時間ΔＴは、制御信号ＣＴＲＬ１およびＣＴＲＬ２のｔｒ／ｔｆ特性を考慮して、必要十分な時間を確保して設定すれば良い。

［第３の実施形態］
図１５は、本発明の第３の実施形態にかかる放射線検出器３００の構成を示す模式図である。放射線検出器３００は、放射線検出器１００の電圧供給回路３０に代えて、電圧供給回路５０を備えている。さらに、放射線検出器２００は、放射線検出器１００のバイアス制御回路２１１に代えて、バイアス制御回路２１４を備えている。

電圧供給回路５０は、フローティング電源５１と、スイッチ群５２とを含んでいる。フローティング電源５１は、出力端の間の電圧が一定（Ｖ０）であり、接地端子を切り替えることで供給する電圧の極性を変化させることができる装置である。スイッチ群５２は、スイッチＳ３〜Ｓ６を含んでいる。スイッチＳ３はフローティング電源５１の出力端子の一方とトップ電極１４との間に配置され、スイッチＳ４はフローティング電源５１の出力端子の一方と基準電位との間に配置されている。スイッチＳ５はフローティング電源５１の出力端子の他方と基準電位との間に配置され、スイッチＳ６はフローティング電源５１の出力端子の他方とトップ電極１４との間に配置されている。

バイアス制御回路２１４は、スイッチ群５２を制御することによって、放射線変換膜１３に印加するバイアス電圧Ｖｂを制御する。より具体的には、バイアス制御回路２１４は、制御信号ＣＴＲＬ１およびＣＴＲＬ２を生成して、スイッチ群５２を制御する。スイッチＳ３およびＳ５は、制御信号ＣＴＲＬ１がハイレベルのときオン（閉）状態となり、ＣＴＲＬ１がローレベルのときオフ（開）状態となる。同様に、スイッチＳ４およびＳ６は、制御信号ＣＴＲＬ２がハイレベルのときオン（閉）状態となり、ＣＴＲＬ２がローレベルのときオフ（開）状態となる。

図１６は、制御信号ＣＴＲＬ１およびＣＴＲＬ２、ならびにバイアス電圧Ｖｂの関係を示すタイミングチャートである。バイアス制御回路２１４は、バイアス制御回路２１２と同様に、互いに反対極性になるように制御信号ＣＴＲＬ１とＣＴＲＬ２とを生成する。これによって、バイアス電圧Ｖｂは、−｜Ｖ０｜および＋｜Ｖ０｜のいずれかとなる。

なお、バイアス制御回路２１４は、図５のように、プリセット期間ｔ２にプリセット電圧Ｖｂ０として電圧−｜Ｖ０｜を印加するように動作する構成であっても良いし、図１０のように、ポストセット期間ｔ３にポストセット電圧Ｖｂ２として電圧−｜Ｖ０｜を印加するように動作する構成であっても良い。

本実施形態によっても、第１の実施形態と比較して、切替時間ｔ３（図５）またはｔ７（図１０）を短くすることができる。また、高価な可変電圧電源を用いなくて済むため、コスト上も有利である。

［第３の実施形態の変形例］
図１７は、本発明の第３の実施形態の変形例にかかる放射線検出器３０１の構成を示す模式図である。放射線検出器３０１は、放射線検出器３００の構成に加えて、タイミング調整回路２１５をさらに備えている。

放射線検出器３００と放射線検出器３０１とは、スイッチ群５２の制御方法が異なる。図１８は、制御信号ＣＴＲＬ１およびＣＴＲＬ２、ならびにバイアス電圧Ｖｂの関係を示すタイミングチャートである。本変形例においても、第２の実施形態の変形例と同様に、タイミング調整回路２１５によって、制御信号ＣＴＲＬ１の極性が反転するタイミングと、制御信号ＣＴＲＬ２の極性が反転するタイミングとを、ΔＴだけずらしている。

放射線検出器３００による制御方法（図１５および図１６）の場合、スイッチＳ３とＳ６とが同時に閉じる瞬間が生じる可能性がある。あるいは、スイッチＳ４とＳ５とが同時に閉じる瞬間が生じる可能性がある。この場合、フローティング電源５１の２つの出力端子が短絡して、フローティング端子を破損する可能性がある。本変形例によれば、制御信号ＣＴＲＬ１およびＣＴＲＬ２の極性が反転するタイミングを明示的にずらすことによって、フローティング電源５１の２つの出力端子が短絡するのをより確実に防止できる。

［その他の実施形態］
以上、本発明についての実施形態を説明したが、本発明は上述の各実施形態のみに限定されず、発明の範囲内で種々の変更が可能である。また、各実施形態は、適宜組み合わせて実施することが可能である。

なお、上述の各実施形態では、プリセット期間ｔ２およびポストセット期間ｔ８のいずれか一方において、バイアス電圧を予備電圧に設定する場合を説明した。しかし、プリセット期間ｔ２およびポストセット期間ｔ８の両方を設けて、両方の期間においてバイアス電圧を所定の予備電圧に設定して、オフセットを低減させても良い。

本発明は、放射線検出器として産業上の利用が可能である。

１００，２００，２０１，３００，３０１ 放射線検出器
１０ センサ部
１１ 基板
１２ アレイ層
１２０ 画素
１２１ ボトム電極
１２２ キャパシタ
１２３ スイッチング素子
１３ 放射線変換膜
１４ トップ電極
２０ 駆動部
２１ コントローラ
２１１，２１２，２１４ バイアス制御回路
２１３，２１５ タイミング調整回路
３０，４０，５０ 電圧供給回路
３１ 可変電圧電源
４１，４２ 定電圧電源
５１ フローティング電源
４３，５２ スイッチ群

Claims (4)

1. 入射した放射線に応じた量のキャリアを生成する放射線変換膜と、
   前記放射線変換膜の一方の面に電気的に接続され、前記放射線変換膜にバイアス電圧を印加する電圧供給回路と、
   前記放射線変換膜の他方の面に電気的に接続されるキャパシタと、
   前記バイアス電圧を制御するバイアス制御回路とを備え、
   前記バイアス制御回路は、
   前記放射線変換膜に放射線が照射される前の期間であるプリセット期間および前記放射線変換膜に放射線が照射された後の期間であるポストセット期間の少なくとも一方においては、前記バイアス電圧を所定の予備電圧に設定し、
   前記放射線変換膜に放射線が照射される期間である撮影期間においては、前記バイアス電圧を前記予備電圧と符号の異なるキャリア収集電圧に設定する、放射線検出器。
2. 前記電圧供給回路は、可変電圧電源を含む、請求項１に記載の放射線検出器。
3. 前記電圧供給回路は、
   前記予備電圧を供給する予備電圧供給用定電圧電源と、
   前記キャリア収集電圧を供給するキャリア収集電圧供給用定電圧電源とを含む、請求項１に記載の放射線検出器。
4. 前記電圧供給回路は、フローティング電源を含む、請求項１に記載の放射線検出器。

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