JP2015179087A - 放射線検出装置およびct装置 - Google Patents
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Abstract
Description
第1実施形態による放射線検出装置について、図4乃至図6を参照して説明する。この実施形態の放射線検出装置は、図1に示す放射線検出装置において、APDアレイ10を図4に示すAPDアレイ10Aに置き換えた構成となっている。すなわち、本実施形態の放射線検出装置は、入射されたX線に対応した蛍光を発生する蛍光体を有するシンチレータ100と、シンチレータ100から発生された蛍光を検出するGeigerモードで動作するアバランシェホトダイオード(APD)を有するAPDセルがアレイ状に配置されたAPDアレイ10Aと、を備えている。図4は、本実施形態の放射線検出装置に係るAPDアレイ10Aの断面図である。このAPDアレイ10Aは、図2乃至図3(b)に示すAPDアレイ10において、APDセルのアクティブ領域および抵抗を図5に示す形状に変えるとともに、各APDセル12上にマイクロレンズ20を設けた構成となっている。すなわち、図5に示すように、APDセルのアクティブ領域14a、14bは円形であり、抵抗16a、16bはアクティブ領域14a、14bを取り囲むように形成されている。また、マイクロレンズ20は、例えば半球状の形状を有している。マイクロレンズ20の中心は、アクティブ領域14の中心と実質的に一致するように、マイクロレンズ20が配置される。
1)レンズの凸面が光線入射側を向いている。
2)屈折回数を増やすことでデッドスペース領域に入射する光線がAPDセルへ入射する機会が増えると考えられる。
3)レンズとAPDセルは結像系にはなっていない。APDセルアクティブエリア領域の任意の位置に光子が到達した時点でアバランシェ効果による増倍が発生するため、レンズによる屈折が大きくなるようなレンズの配置および設計を行えば良い。
4)APDセルとレンズアレイのレンズが一対一に対応している。
5)イメージセンサ+マイクロレンズアレイのように、レンズとイメージセンサが一対一に対応していなくとも、集光効果によってAPDアレイの実効的開口率の向上が見込める。しかし、屈折によってAPDアレイのデッドスペースへ光線が入射してしまう可能性が残る。より確実に光をAPDセルアクティブ領域へ導くため、レンズアレイレンズとAPDセルは一対一に対応していることが好ましい。
図7(a)、7(b)に本実施形態で用いたシミュレーションモデルの概略を示す。シミュレーションには、平面状の任意の点から2π内で任意の立体角に放射するような面光源を用いた。面光源の直下(50μm)にはAPDアレイを設置した。APDセルサイズは、20×20μm2、アクティブ領域(円形)の半径は4.5μmとし、APDセルの個数は3×3であった。この場合のAPDセルの開口率15%であった。APDアレイと光源の間は屈折率1.56の材料(エポキシ系接着剤を想定)で満たした。APDセルの直上にはAPDセルと接する形でレンズを設置し、レンズの屈折率は必要に応じて変化させた。 本実施形態では屈折率2.0のS−LAH79(Edmund Optics社の資料参照)、ガラスの屈折率として2種類の値1.5および1.6をシミュレーションで用いた。APDセルアクティブ領域上に入射した光線と、アクティブ領域外に入射した光線の線量の差で評価した。評価した領域は、図8(a)、8(b)に示す中央の領域である。以下の等を用いて、APDアレイの実効的開口率Neを評価した。
Ne=(アクティブ領域上に入射した光線量)/[(アクティブ領域上に入射した光線量)+(アクティブ領域外に入射した光線量)/9]
次に、シミュレーションによって求めた、APDセルとレンズアレイを組み合わせる場合の最適なレンズのパラメータについて説明する。
図9(a)、9(b)、9(c)、9(d)に示すように、半球レンズ径(直径)DとセルサイズLとの比D/LをパラメータとしてAPDセルの実効的開口率を評価した。APDセルには図7(a)、7(b)で説明した条件、すなわちセルサイズ20×20μm2、開口率15%を用いた。図9(a)、9(b)、9(c)はそれぞれ、比D/Lが1.0より小さい場合、1.0に等しい場合、1.0よりも大きい場合のセルの断面図を示す。図9(d)はシミュレーション結果を示す。図9(d)からわかるように、実効開口率はD/L=1、すなわち、レンズ径がセルサイズに等しい時に実効的開口率が最も高くなる。このシミュレーションにより、開口率15%のAPDアレイに対して最も有効なレンズの径はAPDアレイのセルサイズに等しいということがわかる。また、図9(d)からわかるように、比D/Lが0.6〜1.2の範囲にあれば、実効開口率が30%以上となり、好ましい。
図10(a)、10(b)、10(c)、10(d)に示すように、APDアレイ直上の球面レンズの高さHと、レンズの曲率半径lとの比によって、レンズの半球度をH/lで定義する。H/l=1.0のとき、レンズは半球となり1.0よりも大きい時、レンズは真球に近くなる。図10(a)、10(b)、10(c)はそれぞれ、比H/lが1.0よりも小さい場合、1.0に等しい場合、1.0よりも大きい場合のセルの断面図を示す。図10(d)は、レンズ半球度と実効開口率との関係を、レンズの屈折率をパラメータとして、シミュレーションによって求めた結果を示す。図10(d)からわかるように、半球度に対して実効開口率がピークを持つことから、最適なレンズ半球度が存在する。
この評価を、レンズ屈折率が2.0、1.6、1.5であるレンズそれぞれに対して実施した。結果から、レンズ屈折率ごとに最適な半球度が異なり、且つ、レンズ屈折率低下と共に最適な半球度が大きくなることが分かる。これは、屈折率の違いで入射光線の屈折の具合が異なるからであると考えられる。また、図10(d)の矢印に示すように、レンズの屈折率に応じてピークがシフトする。
図11(a)、11(b)に、シミュレーションによって導かれた最適なレンズアレイの構造の第1例を示す。図11(a)は、最適なレンズアレイの第1例の上面図を示し、図11(b)は、斜視図を示す。最適なレンズアレイの第1例は、正方配列となっている。この正方配列の構造は、開口率が15%と小さいAPDセルに対して実施した場合であることを注意しておく。最適なレンズ条件の例を図11(c)に示す。本実施形態ではAPDアレイとして実施可能であるものに対してレンズアレイを組み合わせた場合の条件を示している。
また、開口率が40%より大きい条件ではレンズの半球度は1.0〜1.5である。
次に、レンズアレイの製造方法について、図13(a)乃至図13(d)を参照して説明する。図13(a)に示すように、レンズ高さとして所望の深さにエッチングされた溝を有するSiウェハ60にシリカビーズ64を溝内にセルフアラインで整列する。シリカビーズを溝内に六方最密構造で配置させる場合には溝内に支柱を設けなくともよい。しかし、正方配列させる場合には、図13(a)、13(b)に示すように、支柱62は必要なる。この場合、支柱62は四角柱であることが好ましい。
第2実施形態による放射線検出装置について説明する。この第2実施形態の放射線検出装置は、取り出し部に突起構造を配することによるシンチレータ光の取出し効率を向上させたものである。シンチレータ内で発生した光を取り出す際、その取出し効率を決めているのは、シンチレータ−センサ間に満たされた接合部の屈折率とシンチレータの屈折率のミスマッチングである。これは材料を選定の時点で決定してしまうため、大きな立体角を光取り出しに使えるような構造を検討する必要がある。
図15(a)に示すように、シンチレータ100がAPDアレイ10と対向する面に角錐上の突起物構造170を配置した。本実施形態では、図15(b)に示すように、突起物構造170は、四角錐構造である。この突起物構造170の屈折率はシンチレータ100と同じである。シミュレーションではシンチレータとしてLYSOを用いているため、屈折率は1.82である。この構造において、図15(c)に示すように、突起物構造170の各構成要素170aの底面の正方形の1辺の長さをLとし、四角錐の高さをHとし、アスペクト比H/Lに対して光取出し効率についてシミュレーションにより評価した。
この評価結果を図15(d)に示す。黒い菱形が低屈折率(1.4)の接着剤を用いた場合の結果であり、白い四角は接着率が1.56のエポシキ樹脂を用いた場合の結果であり、黒い丸が高屈折率(1.7)の接着剤を用いた場合の結果を示す。図15(d)からわかるように、アスペクト比が0.1〜0.5のとき、接着層150にどの屈折率の材料を用いても光取出し効率が60%を越える。
図16(a)に第2実施形態による放射線検出装置の断面を示す。この第2実施形態の放射線検出装置は、シンチレータ100と、このシンチレータ100の光取り出し側に設けられた突起物構造170と、APDアレイ10と、を備えており、APDアレイ10と突起物構造170は、接着層150によって接着されている。
第3実施形態による放射線検出装置を図17に示す。この第3実施形態の放射線検出装置は、第1実施形態と第2実施形態の放射線検出装置を組み合わせた構成となっている。
すなわち、シンチレータ100と、このシンチレータ100の第1実施形態で説明したAPDアレイ10Aと、シンチレータ100のAPDアレイ10Aと対向する面に設けられた突起物構造170と、を備えている。なお、突起物構造170とAPDアレイ10Aとは接着層150によって接着される。
第4実施形態による放射線検出装置について図18を参照して説明する。この第4実施形態の放射線検出装置は、第1実施形態の放射線検出装置において、APDアレイ10Aを図18(a)に示すAPDアレイ10Bに置き換えた構成となっている。このAPDアレイ10Bは、APDアレイ10Aからレンズを削除するとともに、APDセルのデットスペースに反射性のグレーティング(回折格子)180を設けた構成となっている。このグレーティング180は、図18(b)に示すように、アクティブ領域14a、14bおよび抵抗16a、16bが形成された半導体基板50上に設けられる。
第5実施形態によるコンピュータ断層撮像システム(CT)を図20に示す。このCTは、X線発生装置200と、放射線検出装置300とを備えている。放射線検出装置300は、第1乃至第4実施形態のいずれかの放射線検出装置である。台座500上に臥された被験者400に、X線発生装置200からX線が放射され、被験者400を通過して減衰したX線が放射線検出装置300によって検出され、X線撮像が得られる。その手順を図21に示す。まず、X線発生装置200から、60keV〜120keVのX線が発生され、被験者400に照射される(ステップS1、S2)。すると、X線と被験者間の相互作用により、X線が被験者400を透過する間にX線のエネルギーが減衰する(ステップS3)。被験者400を透過し減衰したX線が放射線検出装置300のシンチレータへ入射する(ステップS4)。入射X線のエネルギーに応じてシンチレータ内で光子が生成される(ステップS5)。生成された光子はAPDにて計測される(ステップS6)。X線の物質による光電吸収に関する知見からX線が透過した物質の弁別が行われる(ステップS7)。
10A APDアレイ
12a APDセル
12b APDセル
14a アクティブ領域
14b アクティブ領域
15a 引き出し配線
15a1 コンタクト
15a2 コンタクト
15b 引き出し配線
15b1 コンタクト
15b2 コンタクト
16a 抵抗
16b 抵抗
18 配線
20 マイクロレンズ
24 層間絶縁膜
50 半導体基板
100 シンチレータ
150 接着層
170 突起物構造
180 グレーティング
Claims (14)
- シンチレータと、
前記シンチレータから放出された可視光を検出するアバランシェホトダイオードのアクティブ領域の周囲の一部に沿って設けられた抵抗を有する複数のセルからなる光検出素子アレイと、
前記アクティブ領域を含む面であって、前記アクティブ領域を除く領域、前記抵抗を除く領域、および前記光検出素子アレイの外周を除く領域に少なくとも設けられ前記可視光を反射する反射部材と、
を備えている放射線検出装置。 - シンチレータと、
前記シンチレータから放出された可視光を検出するアバランシェホトダイオードのアクティブ領域の周囲の一部に沿って設けられた抵抗を有する複数のセルからなる光検出素子アレイと、
前記アクティブ領域を含む面であって、前記アクティブ領域を除く領域、前記抵抗を除く領域、および前記光検出素子アレイの外周よりも内側の領域に少なくとも設けられ前記可視光を反射する反射部材と、
を備えている放射線検出装置。 - シンチレータと、
前記シンチレータから放出された可視光を検出するアバランシェホトダイオードのアクティブ領域の周囲の一部に沿って設けられた抵抗を有する複数のセルからなり、前記複数のセルで外周部と内部を構成する光検出素子アレイと、
前記内部を構成するセルの前記アクティブ領域を含む面であって、前記アクティブ領域を除く領域および前記抵抗を除く領域に少なくとも設けられ前記可視光を反射する反射部材と、
を備えている放射線検出装置。 - 前記セルのそれぞれに対応して各セル上に設けられ前記可視光を対応するセルの光検出素子に入射させる複数のレンズを更に備えた請求項1乃至3のいずれかに記載の放射線検出装置。
- 前記レンズは、前記可視光が入射する側が凸のレンズである請求項4記載の放射線検出装置。
- 前記レンズの曲率半径r、前記セルのサイズをlとすると、比2r/lが0.6〜1.2の範囲である請求項5記載の放射線検出装置。
- 前記レンズの曲率に対する前記レンズの高さの比が1.0〜1.5である請求項5記載の放射線検出装置。
- 前記シンチレータの前記可視光を出射する面に設けられた突起物構造を備えている請求項1乃至7のいずれかに記載の放射線検出装置。
- 前記突起物構造は、多角錐状の突起部を複数個有し、前記突起部は前記シンチレータの前記可視光を出射する面に配列され、前記突起部の底面の一辺の長さに対する前記突起部の高さの比が0.1〜0.5である請求項8記載の放射線検出装置。
- 前記反射部材は、グレーティングである請求項1乃至9のいずれかに記載の放射線検出装置。
- 前記反射部材は、金属である請求項1乃至9のいずれかに記載の放射線検出装置。
- X線発生装置と、
前記X線発生装置からのX線を可視光に変換するシンチレータと、
前記シンチレータから放出された可視光を検出するアバランシェホトダイオードのアクティブ領域の周囲の一部に沿って設けられた抵抗を有する複数のセルからなる光検出素子アレイと、
前記アクティブ領域を含む面であって、前記アクティブ領域を除く領域、前記抵抗を除く領域、および前記光検出素子アレイの外周を除く領域に少なくとも設けられ前記可視光を反射する反射部材と、
を備えているCT装置。 - X線発生装置と、
前記X線発生装置からのX線を可視光に変換するシンチレータと、
前記シンチレータから放出された可視光を検出するアバランシェホトダイオードのアクティブ領域の周囲の一部に沿って設けられた抵抗を有する複数のセルからなる光検出素子アレイと、
前記アクティブ領域を含む面であって、前記アクティブ領域を除く領域、前記抵抗を除く領域、および前記光検出素子アレイの外周よりも内側の領域に少なくとも設けられ前記可視光を反射する反射部材と、
を備えているCT装置。 - X線発生装置と、
前記X線発生装置からのX線を可視光に変換するシンチレータと、
前記シンチレータから放出された可視光を検出するアバランシェホトダイオードのアクティブ領域の周囲の一部に沿って設けられた抵抗を有する複数のセルからなり、前記複数のセルで外周部と内部を構成する光検出素子アレイと、
前記内部を構成するセルの前記アクティブ領域を含む面であって、前記アクティブ領域を除く領域および前記抵抗を除く領域に少なくとも設けられ前記可視光を反射する反射部材と、
を備えているCT装置。
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