JP2015504513A - 電荷拒絶セグメントギャップを有する放射線感知ディテクタデバイス - Google Patents

Abstract

直接変換型検出器などの放射線感知検出装置において、電荷は外部印加電場内において、（例えば、画素配列を表す）セグメント化された収集電極（４）に向けてドリフトしている。電気力線はセグメント間のギャップにおいて検出器を離れ、その電気力線に沿ってドリフトする電荷がギャップ内にトラップされることがある。これは、電気力線を直接変換型材料に押し戻す外部電極により回避できる。図４

Description

本発明は、概して、画像化システム、放射線検出方法、及び空間的解像度のためのセグメント化された電極パターンを有する放射線感知ディテクタデバイスに関する。

医療その他の画像化システムは、酸硫化ガドリニウム（ＧＯＳ）ディテクタなどの間接変換型（シンチレータ／フォトセンサ）ディテクタ、またはテルル化カドミウム亜鉛（ＣＺＴ）やテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）ディテクタなどの直接変換型ディテクタの配列を含み得る。単一レイヤの直接変換型ディテクタでは、大きな負電圧でバイアスされた共通カソード電極がディテクタ配列一方の側にある。グラウンドにまたはその近くにバイアスされた画素化されたアノードが、そのレイヤの他の側にある。アノード画素からの信号は、基板及び／または回路板を通って読み出しエレクトロニクスに送られる。テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）とテルル化カドミウム亜鉛（ＣＺＴ）は、Ｘ線減衰など高い阻止能を有するが、移動度が小さく、電荷輸送時間が長い半導体材料である。例えば、厚みが１．０ないし５．０ｍｍのＣＺＴまたはＣｄＴｅの単一レイヤ直接変換型ディテクタは、一般的には１ｍｍ四方あたり約百万カウントから一千万カウントで飽和する。シリコン（Ｓｉ）及びヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）は、移動度が高く、電荷輸送時間が短いが、Ｘ線減衰などＸ線阻止能が低い半導体材料である。

一例として、放射線感知半導体基板を、複数行の検出器要素及び複数列の検出器要素に分割して、２次元配列の検出器要素を構成する。各検出器要素は、対応する電気信号を読み出し基板に転送する対応する電気的接点と結合されている。読み出し基板には、検出器から電気的信号を転送する電気的接点が含まれる。ＣＺＴベースの検出器では、ＣＺＴ放射線感知半導体基板上の電気的接点は、検出器の生産者その他の要因に応じて、金（Ａｕ）、プラチナ（Ｐｔ）、またはインジウム（Ｉｎ）である。

上記の、直接変換型材料に基づくＸ線及びガンマ線放射のエネルギー分解検出器は、光子エネルギーを測定する効率的な方法であることが分かっている。入射光子により多数の電子・ホールペアが生成される。その後、一般的に電子とホールは電極により供給される電場中で反対方向にドリフトする。ショックレー・ラモの定理が言うように、ドリフトプロセスにおいて、電流が、検出器システムに取り付けられた各電極に容量的に誘起される。

典型的には、電極は、電子・ホールクラウドを生成したインターラクションイベントを空間的に分解するように、ストライプまたは画素のパターンにセグメント化されている。特許文献１に記載されているように、電極をセグメント化する他の一理由は、一種類の電荷キャリアのみの検出を改善することである。電極セグメントが小さければ、相対的に面積が小さく、電荷が電極セグメント付近でドリフトする場合のみ、関連電流パルスが誘起されるようになっている。しかし、電気力線は電極セグメントの間のギャップで検出器結晶を離れることもある。電荷（例えば、電子）は、電気力線に従って、比較的長い時間、表面にトラップされ、そのため測定されるパルス信号にもはや貢献しない。この問題の一解決策は、特許文献１で示唆されたステアリング電極の実装である。ステアリング電極は検出器セグメント間のギャップ中に配置され、電気力線が常に収集（すなわち、信号発生）電極に向けてガイドされるようにチャージされる。しかし、この技術の実施は、いくつかの場合には（さらに小型化したり構成を追加したりする必要があるので）可能ではなく、またはステアリング電極を駆動するのに必要な電圧が、ノイズ特性によくない影響を与えるバイアス電流を生じる。

米国特許第５，６７７，５３９号

本発明の一目的は、画像化性能の改善を実現できる検出装置と放射線検出方法とを提供することである。

これは請求項１に記載の検出装置、請求項９に記載の生産方法、及び請求項１１に記載の画像化システムにより実現できる。

したがって、離れたガイド電極を設け、検出器結晶を離れる電気力線がギャップ部分において検出器結晶に押し戻され、収集電極の内側で終わるように充電される。これにより電荷のトラップが防止され、より多くの電荷が出力信号に貢献する。
第１の態様では、複数のガイド電極が、電荷収集電極を接続するために設けられた接続レイヤ上に配置される。これにより、単にマスキングプロセスを修正することによりガイド電極を追加できるように、ガイド電極が既存レイヤ上に配置できるとの利点がある。しかし、留意点として、電気力線を変換レイヤに押し戻す機能を満たせれば、ガイド電極は離れた他のどの位置にでも、例えば他の一中間レイヤに、または変換レイヤとは異なるレイヤ内に、または電気回路中に配置できる。
第２の態様では、第１の態様と結合することもできるが、電荷収集電極は電子を収集するアノードまたはホールを収集するカソードである。よって、提案の解決策は両方の電荷キャリアタイプを有する変換レイヤに対して実施できる。

第３の態様では、第１と第２の態様の一方とも結合できるが、電荷収集電極のパターンは放射線を画像に変換する画素配列を確定する。放射線ベースの画像化システムの検出器として、改善された検出器を用いることができる。

第４の態様では、第１ないし第３の態様の１つと結合できるが、変換レイヤの第１面に対向する第２面に配置される少なくとも１つのカウンタ電極を設ける。この場合、カウンター電極も中間ギャップを有する所定パターンを形成できる。外部ガイド電極の別の電極が構成され、電気力線がカウンター電極の所定パターンのギャップを通って変換レイヤから離れるのを防止するように構成される。それにより、変換レイヤの対向側または面にギャップ構造に対して同じ利点を実現できる。

第５の態様では、第１ないし第４の態様の１つと結合できるが、変換レイヤと接続レイヤとの間に設けられたスペースは少なくとも部分的に接着剤で満たされる。これにより装置の機械的な安定性が改善する。より具体的な例では、例えば、接着剤げ電荷収集電極に接触しないように、ギャップとガイド電極との間にのみ配置できる。それにより、ガイド機能が改善し、バイアス電流が改善する。

第６の態様では、第１ないし第５の態様の１つと結合できるが、
Ｕ_ｇ＝Ｕ_ｂｉａｓ・（ｄ_ｇａｐ／２＋ｄ_ｇ・ε_ｃ／ε_ｇ）／（ｄ_ｇａｐ／２＋ｄ_ｃ）
に近い電圧がガイド電極に印加される。ここで、Ｕ_ｂｉａｓは放射線を受ける電荷収集電極とカウンター電極との間に印加される電圧を示し、ｄ_ｇａｐは隣接する収集電極の間のギャップの幅を示し、ｄ_ｇはガイド電極が配置される接続レイヤと変換レイヤとの間の距離を示し、ε_ｃは変換レイヤ材料の比誘電率を示し、ε_ｇは変換レイヤと接続レイヤとの間のボリュームの比誘電率を示し、ｄ_ｃは変換レイヤの厚さを示す。これによる利点は、検出器ジオメトリに対して、ガイド電極に印加する電圧を最適化できることである。

さらに別の有利な実施形態は以下に記載する。

本発明の上記その他の態様を、以下に説明する実施形態を参照して明らかにし、説明する。
本発明を実施できる医療画像化システムを示すブロック図である。 本発明を実施できる放射線感知検出器配列を示す斜視図である。 トラップ問題が発生する従来の検出器デザインを示す断面図である。 一実施形態による改善された検出器デザインを示す断面図である。

放射線感知直接変換型検出器に基づき、様々な実施形態を説明する。しかし、本発明は、画像化システムの、電子・ホールペアが生成され電場により収集されるどんなタイプの検出器にも適用可能である。

診断装置の例には、Ｘ線システム、単光子放出コンピュータ断層撮影システム（ＳＰＣＴ）、超音波システム、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）システム、陽電子放出コンピュータ断層撮影（ＰＥＴ）システム、及びその他のタイプの画像化システムがある。Ｘ線源のアプリケーションの例には、画像化、医療、セキュリティ、及び産業用検査アプリケーションがある。しかし、当業者には言うまでもなく、実施例はシングルスライス構成またはマルチスライス構成に適用できる。さらに、実施例はＸ線の検出及び変換に利用できる。しかし、さらに言うまでもなく、実施例は他の高周波数電磁エネルギー及び／または高周波数多色電磁エネルギー、及び／またはアルファ粒子やベータ粒子などの他種のイオン化放射の検出と変換に利用できる。

図１は、画像化システム、例えば単光子放射コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）１００を示し、少なくとも一放射検知検出器配列１１０を含む。図示したように、例示のシステム１００は、２つの放射感知検出器配列１１０１と１１０２とを含む。放射感知検出器配列１１０１と１１０２は、おおよそ９０°ないし１０２°の範囲の角度で互いに配置されている。これと異なる検出器配列１１０の数とその間の角度も想定できる。放射感知検出器配列１１０１と１１０２は、検査領域１１２の周りに回転し、複数の投影角または投影ビューについての投影像（projections）を取得する。

図示した例では、放射感知検出器配列１１０１と１１０２は、様々なレイヤを含む２次元直接変換型検出器配列である。かかるレイヤは、放射感知レイヤ１１４、読み出しレイヤ１１６、及び中間レイヤ１１８を含む。中間レイヤ１１８は、放射感知レイヤ１１４と読み出しレイヤ１１６に電気的及び物理的に結合している。放射感知レイヤ１１４は、ＣＺＴ基板を含み、ＣＺＴによく接着できる材料よりなる少なくとも一電気的接点を有する。また、中間レイヤ１１８は、ＣＺＴ基板上の電気的接点との電気的相互接続を構成するのに適した材料を含む。

一般的に、放射感知レイヤ１１４は、検査領域１１２で発生する放射性原子核分裂１０８によるガンマ線放射を受け取り、それを示す信号を発生する。その信号は中間レイヤ１１８を通して読み出しレイヤ１１６に送られる。その信号は検出器１１０から読み出しレイヤ１１６を介して出力される。再構成器１２０は、投影像（projections）を再構成し、検出されたガンマ線放射を表す立体画像データ（volumetric image data）を生成する。この立体画像データは、検査領域１１２を示す。さらに、コンピュータはオペレータコンソール１２２として機能する。コンソール１２２は、モニターやディスプレイなどの人間が読み取れる出力装置と、キーボードやマウスなどの入力装置とを含む。オペレータは、コンソール上のソフトウェアレジデントにより、例えばグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）により、画像化システム１００を制御及びインターラクトできる。

カウチ等の被験者支持台１２４が、検査領域１１２において、患者その他の被験者を支持する。被験者支持台１２４は、スキャン手順を実行している間、検査領域１１２に対して被験者をガイドするように移動可能である。これには、所望のスキャントラジェクトリーによる複数の縦方向位置で被験者をスキャンできるように、ガンマ線放射感知検出器１１０の動作と協調して、被験者支持台１２４を縦方向に動かすことが含まれる。

本実施形態では、直接変換器を設けるが、何らかの理由でステアリング電極の実装が不可能であり、または好ましくなく、収集電極間のギャップが問題となる。追加電極を、直接変換器結晶上に配置するのではなく、外部の接続要素（例えば、直接変換器がボンディングされているインターポーザや電子回路）上に配置することが示唆される。検出器結晶を離れる電気力線が検出器結晶に押し戻され、収集電極の内側で終わるように、電極に充電される。

図２は、図１に示した検出器１１０の非限定的検出器配列の一部を示す。この一部分は、ＣＺＴ放射感知検出または変換基板またはレイヤ２と、電荷収集電極４と、半田相互接続またはボール５と、読み出し基板または接続レイヤ７と、第１の電気的接点または電極６と、ビア８とを含む。ビア８は、第１の電極６から、接続レイヤ７を通って、複数の第１の電気的接点または電極９のうちの対応するものまで延在し、第１と第２の電気的接点６と９の間に電気的経路を提供する。放射変換レイヤ２の電荷収集電極４により生成される電気信号は、検出器１１０の検出器配列から、第１と第２の電極６と９を通して転送できる。この例では、検出器配列は、検出器要素またはセグメントの複数の行と複数の列を含み、検出器１１０の２次元の検出器配列を構成する。例えば、これは検出画像の画素配列に対応する。言うまでもなく、検出器１１０は、その検出面を大きくするため、他の１つ以上の検出器配列でタイル（tile）されていてもよい。

図３は、電気力線が収集電極セグメント間のギャップを通って検出器を離れてしまう検出器の一般的または従来のデザインを示す断面図である。留意点として、図３において、図２の検出器スタックはひっくり返されていて、変換レイヤ２が上側に示され、追加の連続カウンター電極１が変換レイヤ２の上に配置され、これを通って、図１の検査領域１１２から放射が入ってきている。変換レイヤ２はＣＺＴなどの直接変換型結晶によりできている。各電荷収集電極４を対応する第１電極６と接続する半田ボール（solder ball）が設けられ、第１電極６は接続レイヤ７上の半田ボール５の接触パッドとして機能する。接続レイヤ７は、例えばインターポーザー（interposer）または電子回路であってもよい。説明を簡明にするため、図２の残りのコンポーネントは、図３には図示しない。

カウンター電極１と電荷収集電極４との間に電圧を印加し、図３に示すように、上部連続電極１と電荷収集電極４との間の電気力線３ａのほとんどが、一電荷収集電極４上の変換例や２の「内側」になるようにする。しかし、電荷収集電極４の間のギャップ領域では、いくつかの電気力線３ｂが、変換レイヤ２を離れると、一電荷収集電極４上の変換レイヤ２の「外側」か、その他の場所に来ている。

図４は、一実施形態による改善された検出器デザインを示す断面図である。提案する検出器のデザインは、電気力線が変換レイヤ２に「押し戻されて」、検出器から離れないように構成されている。こうするため、追加的にガイド電極８を設け、これが図３の電気力線３ｂを押して、図４に示した電気力線３ｃのようになり、変換レイヤ２を離れないようにする。

第１の実施形態では、追加されるガイド電極８は、検出器結晶上ではなく、接続レイヤ７上に配置される。接続レイヤ７は通常、電荷収集電極４を接続するために用いられる。ガイド電極８は、電荷収集電極４により収集される電荷と同じ符号の電位により充電される。電子の信号を測定する一般的な検出器では、ガイド電極８は負に充電され、電子を押し戻す（repulse）。ガイド電極８の電圧に応じて、ガイド電極８が無ければ変換レイヤ２を離れてしまう電気力線３ｂが、上記電位により「押し戻され（repulsed）」、理想的には電荷収集電極４の間のギャップを通って電気力線が離れないようにする。結果として、図３の場合には電気力線３ｂに従いギャップにトラップされる電子やホールが、図４の電気力線に従い、変換レイヤ２のボリューム内のどこで発生したかにかかわらず、電荷収集電極４により収集されるようになる。

電荷収集電極４は、カウンター電極１と電荷収集電極４との間に印加される電圧に応じて、（電子を収集する）アノードまたは（ホールを収集する）カソードとして機能し得る。

さらに、電荷収集電極４のセグメント化は画素配列である必要はない。任意の形状やパターンでよく、例えばストライプでもよい。

第２の実施形態では、連続電極１は電荷収集電極４のようにセグメント化もできる。そして、電気力線を変換レイヤ２中に留めるように、変換レイヤ２の反対側に同様のガイド電極８を設けても良い。

他の一オプションとして、変換レイヤ２と接続レイヤ７との間のスペースは、空気で満たしてもよく、より好ましくは機械的により安定なデバイスとするため任意の種類の接着剤で満たしてもよい。導電性が比較的低い接着剤を選択し、ギャップとガイド電極８との間のみに配置しなければならない。一例では、接着剤は接続電極４に触れず、電気力線に最適な「ガイド（guiding）」を提供し、電荷収集電極４とガイド電極８との間のバイアス電流を最小化するように配置しなければならない。

また、接続レイヤ７の抵抗を大きくして、第１電極６とガイド電極８との間のバイアス電流が大きくなることを避けることができる。

さらに、ガイド電極８に印加するプッシュまたは反発電圧は、ジオメトリに応じて選択してもよく、すなわち、電荷収集電極４間のギャップサイズ（例えば、画素ギャップサイズ）、変換レイヤ２と接続レイヤ７との間の距離、変換レイヤ２の厚さ、使用材料の比誘電率、及びカウンター電極１の電圧のうちの少なくとも１つに応じて選択してもよい。

第３の実施形態では、変換レイヤ２の検出器材料、及び変換レイヤ２と接続レイヤ７との間の充填接着剤の比誘電率が同等であり、ギャップ幅及び変換レイヤ２と接続レイヤ７との間の距離が、変換レイヤ２の厚さと比較して小さい場合、ガイド電極８に印加される電圧Ｕｇは、次の式により近似的に設定できる。

ここで、Ｕ_ｂｉａｓはカウンター電極１と電荷収集電極４との間に印加されるバイアス電圧を示し、ｄ_ｇａｐは隣接する収集電極４の間のギャップの幅を示し、ｄ_ｇは変換レイヤ２と接続レイヤ７との間の距離を示し、ε_ｃは変換レイヤ材料の比誘電率を示し、ε_ｇは変換レイヤ２と接続レイヤ７との間のボリュームの比誘電率を示し、ｄ_ｃは変換レイヤ２の厚さを示す。実際の一例では、典型値は、Ｕ_ｂｉａｓ＝９００Ｖ、ｄ_ｇａｐ＝１００μｍ、ｄ_ｇ＝３０μｍ、ε_ｃ＝１０、ε_ｇ＝４、及びｄ_ｃ＝３ｍｍであり、その結果のガイド電極電圧はＵ_ｇ＝３７Ｖとなる。

要約すると、直接変換型検出器などの放射線感知検出器装置と、放射線検出方法とであって、（例えば画素配列を表す）セグメント化された収集電極に向けて電荷が外部印加電場内をドリフトするものを説明した。電気力線はセグメント間のギャップにおいて検出器を離れ、その電気力線に沿ってドリフトする電荷がギャップ内にトラップされることがある。これは、電気力線を直接変換型材料に押し戻す外部または遠隔ガイド電極を追加することにより回避される。

図面と上記の説明に詳しく示し本発明を説明したが、かかる例示と説明は例であり限定ではない。本発明は、開示の実施形態には限定されず、電子・ホールペアが生成され、電場により収集されるあらゆる種類の検出器にあてはまる。ガイド電極は、任意の形状でよく、変換レイヤから離れた様々な場所に設けられて、変換レイヤを離れようとする電気力線に対するプッシュ機能（pushing function）を提供できる。ガイド電極は、検出器の中間レイヤに、または接続レイヤ内もしくはその反対側に、または電気回路上に設けることができる。

さらに、請求項に記載した発明を実施する際、図面、本開示、及び添付した特許請求の範囲を研究して、開示した実施形態のその他のバリエーションを、当業者は理解して実施することができるであろう。 請求項において、「有する（comprising）」という用語は他の要素やステップを排除するものではなく、「１つの（"a" or "an"）」という表現は複数ある場合を排除するものではない。相異なる従属クレームに手段が記載されているからといって、その手段を組み合わせて有利に使用することができないということではない。請求項に含まれる参照符号は、その請求項の範囲を限定するものと解してはならない。

本発明は、概して、画像化システム、放射線検出方法、及び空間的解像度のためのセグメント化された電極パターンを有する放射線感知ディテクタデバイスに関する。

医療その他の画像化システムは、酸硫化ガドリニウム（ＧＯＳ）ディテクタなどの間接変換型（シンチレータ／フォトセンサ）ディテクタ、またはテルル化カドミウム亜鉛（ＣＺＴ）やテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）ディテクタなどの直接変換型ディテクタの配列を含み得る。単一レイヤの直接変換型ディテクタでは、大きな負電圧でバイアスされた共通カソード電極がディテクタ配列一方の側にある。グラウンドにまたはその近くにバイアスされた画素化されたアノードが、そのレイヤの他の側にある。アノード画素からの信号は、基板及び／または回路板を通って読み出しエレクトロニクスに送られる。テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）とテルル化カドミウム亜鉛（ＣＺＴ）は、Ｘ線減衰など高い阻止能を有するが、移動度が小さく、電荷輸送時間が長い半導体材料である。例えば、厚みが１．０ないし５．０ｍｍのＣＺＴまたはＣｄＴｅの単一レイヤ直接変換型ディテクタは、一般的には１ｍｍ四方あたり約百万カウントから一千万カウントで飽和する。シリコン（Ｓｉ）及びヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）は、移動度が高く、電荷輸送時間が短いが、Ｘ線減衰などＸ線阻止能が低い半導体材料である。

一例として、放射線感知半導体基板を、複数行の検出器要素及び複数列の検出器要素に分割して、２次元配列の検出器要素を構成する。各検出器要素は、対応する電気信号を読み出し基板に転送する対応する電気的接点と結合されている。読み出し基板には、検出器から電気的信号を転送する電気的接点が含まれる。ＣＺＴベースの検出器では、ＣＺＴ放射線感知半導体基板上の電気的接点は、検出器の生産者その他の要因に応じて、金（Ａｕ）、プラチナ（Ｐｔ）、またはインジウム（Ｉｎ）である。

上記の、直接変換型材料に基づくＸ線及びガンマ線放射のエネルギー分解検出器は、光子エネルギーを測定する効率的な方法であることが分かっている。入射光子により多数の電子・ホールペアが生成される。その後、一般的に電子とホールは電極により供給される電場中で反対方向にドリフトする。ショックレー・ラモの定理が言うように、ドリフトプロセスにおいて、電流が、検出器システムに取り付けられた各電極に容量的に誘起される。

典型的には、電極は、電子・ホールクラウドを生成したインターラクションイベントを空間的に分解するように、ストライプまたは画素のパターンにセグメント化されている。特許文献１に記載されているように、電極をセグメント化する他の一理由は、一種類の電荷キャリアのみの検出を改善することである。電極セグメントが小さければ、相対的に面積が小さく、電荷が電極セグメント付近でドリフトする場合のみ、関連電流パルスが誘起されるようになっている。しかし、電気力線は電極セグメントの間のギャップで検出器結晶を離れることもある。電荷（例えば、電子）は、電気力線に従って、比較的長い時間、表面にトラップされ、そのため測定されるパルス信号にもはや貢献しない。この問題の一解決策は、特許文献１で示唆されたステアリング電極の実装である。ステアリング電極は検出器セグメント間のギャップ中に配置され、電気力線が常に収集（すなわち、信号発生）電極に向けてガイドされるようにチャージされる。しかし、この技術の実施は、いくつかの場合には（さらに小型化したり構成を追加したりする必要があるので）可能ではなく、またはステアリング電極を駆動するのに必要な電圧が、ノイズ特性によくない影響を与えるバイアス電流を生じる。

非特許文献１は、処理されＭｅｄｉｐｉｘ２−ＭＸＲ ＡＳＩＣにバンプボンドされたＣｄＴｅセンサを有するＸ線検出器を開示している。ＡＳＩＣのｎ番目ごとの画素をセンサに接続することにより、画素ピッチを５５μｍの倍数にできる。画素電極間のギャップが大きくなると、いくつかの電気力線はバルク材料を離れ、バンプボンドされていない画素入力パッドに入る。結果として、その電気力線に従う電荷キャリアは失われ、信号にはならない。ＡＳＩＣのいくつかの未接続画素入力パッドを負電位に設定して、この問題を解決できる。

米国特許第５，６７７，５３９号

E. Guni et al.「The Influence of Pixel Pitch and Electrode Pad size on the Spectroscopic Performance of a Photon Counting Pixel Detector with CdTe Sensor」（IEEE Transactions on Nuclear Science, volume 58, number 1, pages 17 to 25 (2011)）

本発明の一目的は、画像化性能の改善を実現できる検出装置と放射線検出方法とを提供することである。

これは請求項１に記載の検出装置、請求項９に記載の生産方法、及び請求項１１に記載の画像化システムにより実現できる。

したがって、離れたガイド電極を設け、検出器結晶を離れる電気力線がギャップ部分において検出器結晶に押し戻され、収集電極の内側で終わるように充電される。これにより電荷のトラップが防止され、より多くの電荷が出力信号に貢献する。
第１の態様では、複数のガイド電極が、電荷収集電極を接続するために設けられた接続レイヤ上に配置される。これにより、単にマスキングプロセスを修正することによりガイド電極を追加できるように、ガイド電極が既存レイヤ上に配置できるとの利点がある。しかし、留意点として、電気力線を変換レイヤに押し戻す機能を満たせれば、ガイド電極は離れた他のどの位置にでも、例えば他の一中間レイヤに、または変換レイヤとは異なるレイヤ内に、または電気回路中に配置できる。
第２の態様では、第１の態様と結合することもできるが、電荷収集電極は電子を収集するアノードまたはホールを収集するカソードである。よって、提案の解決策は両方の電荷キャリアタイプを有する変換レイヤに対して実施できる。

第３の態様では、第１と第２の態様の一方とも結合できるが、電荷収集電極のパターンは放射線を画像に変換する画素配列を確定する。放射線ベースの画像化システムの検出器として、改善された検出器を用いることができる。

第４の態様では、第１ないし第３の態様の１つと結合できるが、変換レイヤの第１面に対向する第２面に配置される少なくとも１つのカウンタ電極を設ける。この場合、カウンター電極も中間ギャップを有する所定パターンを形成できる。外部ガイド電極の別の電極が構成され、電気力線がカウンター電極の所定パターンのギャップを通って変換レイヤから離れるのを防止するように構成される。それにより、変換レイヤの対向側または面にギャップ構造に対して同じ利点を実現できる。

第５の態様では、第１ないし第４の態様の１つと結合できるが、変換レイヤと接続レイヤとの間に設けられたスペースは少なくとも部分的に接着剤で満たされる。これにより装置の機械的な安定性が改善する。より具体的な例では、例えば、接着剤げ電荷収集電極に接触しないように、ギャップとガイド電極との間にのみ配置できる。それにより、ガイド機能が改善し、バイアス電流が改善する。

第６の態様では、第１ないし第５の態様の１つと結合できるが、
Ｕ_ｇ＝Ｕ_ｂｉａｓ・（ｄ_ｇａｐ／２＋ｄ_ｇ・ε_ｃ／ε_ｇ）／（ｄ_ｇａｐ／２＋ｄ_ｃ）
に近い電圧がガイド電極に印加される。ここで、Ｕ_ｂｉａｓは放射線を受ける電荷収集電極とカウンター電極との間に印加される電圧を示し、ｄ_ｇａｐは隣接する収集電極の間のギャップの幅を示し、ｄ_ｇはガイド電極が配置される接続レイヤと変換レイヤとの間の距離を示し、ε_ｃは変換レイヤ材料の比誘電率を示し、ε_ｇは変換レイヤと接続レイヤとの間のボリュームの比誘電率を示し、ｄ_ｃは変換レイヤの厚さを示す。これによる利点は、検出器ジオメトリに対して、ガイド電極に印加する電圧を最適化できることである。

さらに別の有利な実施形態は以下に記載する。

本発明の上記その他の態様を、以下に説明する実施形態を参照して明らかにし、説明する。
本発明を実施できる医療画像化システムを示すブロック図である。 本発明を実施できる放射線感知検出器配列を示す斜視図である。 トラップ問題が発生する従来の検出器デザインを示す断面図である。 一実施形態による改善された検出器デザインを示す断面図である。

放射線感知直接変換型検出器に基づき、様々な実施形態を説明する。しかし、本発明は、画像化システムの、電子・ホールペアが生成され電場により収集されるどんなタイプの検出器にも適用可能である。

診断装置の例には、Ｘ線システム、単光子放出コンピュータ断層撮影システム（ＳＰＣＴ）、超音波システム、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）システム、陽電子放出コンピュータ断層撮影（ＰＥＴ）システム、及びその他のタイプの画像化システムがある。Ｘ線源のアプリケーションの例には、画像化、医療、セキュリティ、及び産業用検査アプリケーションがある。しかし、当業者には言うまでもなく、実施例はシングルスライス構成またはマルチスライス構成に適用できる。さらに、実施例はＸ線の検出及び変換に利用できる。しかし、さらに言うまでもなく、実施例は他の高周波数電磁エネルギー及び／または高周波数多色電磁エネルギー、及び／またはアルファ粒子やベータ粒子などの他種のイオン化放射の検出と変換に利用できる。

図１は、画像化システム、例えば単光子放射コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）１００を示し、少なくとも一放射検知検出器配列１１０を含む。図示したように、例示のシステム１００は、２つの放射感知検出器配列１１０１と１１０２とを含む。放射感知検出器配列１１０１と１１０２は、おおよそ９０°ないし１０２°の範囲の角度で互いに配置されている。これと異なる検出器配列１１０の数とその間の角度も想定できる。放射感知検出器配列１１０１と１１０２は、検査領域１１２の周りに回転し、複数の投影角または投影ビューについての投影像（projections）を取得する。

図示した例では、放射感知検出器配列１１０１と１１０２は、様々なレイヤを含む２次元直接変換型検出器配列である。かかるレイヤは、放射感知レイヤ１１４、読み出しレイヤ１１６、及び中間レイヤ１１８を含む。中間レイヤ１１８は、放射感知レイヤ１１４と読み出しレイヤ１１６に電気的及び物理的に結合している。放射感知レイヤ１１４は、ＣＺＴ基板を含み、ＣＺＴによく接着できる材料よりなる少なくとも一電気的接点を有する。また、中間レイヤ１１８は、ＣＺＴ基板上の電気的接点との電気的相互接続を構成するのに適した材料を含む。

一般的に、放射感知レイヤ１１４は、検査領域１１２で発生する放射性原子核分裂１０８によるガンマ線放射を受け取り、それを示す信号を発生する。その信号は中間レイヤ１１８を通して読み出しレイヤ１１６に送られる。その信号は検出器１１０から読み出しレイヤ１１６を介して出力される。再構成器１２０は、投影像（projections）を再構成し、検出されたガンマ線放射を表す立体画像データ（volumetric image data）を生成する。この立体画像データは、検査領域１１２を示す。さらに、コンピュータはオペレータコンソール１２２として機能する。コンソール１２２は、モニターやディスプレイなどの人間が読み取れる出力装置と、キーボードやマウスなどの入力装置とを含む。オペレータは、コンソール上のソフトウェアレジデントにより、例えばグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）により、画像化システム１００を制御及びインターラクトできる。

カウチ等の被験者支持台１２４が、検査領域１１２において、患者その他の被験者を支持する。被験者支持台１２４は、スキャン手順を実行している間、検査領域１１２に対して被験者をガイドするように移動可能である。これには、所望のスキャントラジェクトリーによる複数の縦方向位置で被験者をスキャンできるように、ガンマ線放射感知検出器１１０の動作と協調して、被験者支持台１２４を縦方向に動かすことが含まれる。

本実施形態では、直接変換器を設けるが、何らかの理由でステアリング電極の実装が不可能であり、または好ましくなく、収集電極間のギャップが問題となる。追加電極を、直接変換器結晶上に配置するのではなく、外部の接続要素（例えば、直接変換器がボンディングされているインターポーザや電子回路）上に配置することが示唆される。検出器結晶を離れる電気力線が検出器結晶に押し戻され、収集電極の内側で終わるように、電極に充電される。

図２は、図１に示した検出器１１０の非限定的検出器配列の一部を示す。この一部分は、ＣＺＴ放射感知検出または変換基板またはレイヤ２と、電荷収集電極４と、半田相互接続またはボール５と、読み出し基板または接続レイヤ７と、第１の電気的接点または電極６と、ビア８とを含む。ビア８は、第１の電極６から、接続レイヤ７を通って、複数の第１の電気的接点または電極９のうちの対応するものまで延在し、第１と第２の電気的接点６と９の間に電気的経路を提供する。放射変換レイヤ２の電荷収集電極４により生成される電気信号は、検出器１１０の検出器配列から、第１と第２の電極６と９を通して転送できる。この例では、検出器配列は、検出器要素またはセグメントの複数の行と複数の列を含み、検出器１１０の２次元の検出器配列を構成する。例えば、これは検出画像の画素配列に対応する。言うまでもなく、検出器１１０は、その検出面を大きくするため、他の１つ以上の検出器配列でタイル（tile）されていてもよい。

図３は、電気力線が収集電極セグメント間のギャップを通って検出器を離れてしまう検出器の一般的または従来のデザインを示す断面図である。留意点として、図３において、図２の検出器スタックはひっくり返されていて、変換レイヤ２が上側に示され、追加の連続カウンター電極１が変換レイヤ２の上に配置され、これを通って、図１の検査領域１１２から放射が入ってきている。変換レイヤ２はＣＺＴなどの直接変換型結晶によりできている。各電荷収集電極４を対応する第１電極６と接続する半田ボール（solder ball）が設けられ、第１電極６は接続レイヤ７上の半田ボール５の接触パッドとして機能する。接続レイヤ７は、例えばインターポーザー（interposer）または電子回路であってもよい。説明を簡明にするため、図２の残りのコンポーネントは、図３には図示しない。

カウンター電極１と電荷収集電極４との間に電圧を印加し、図３に示すように、上部連続電極１と電荷収集電極４との間の電気力線３ａのほとんどが、一電荷収集電極４上の変換例や２の「内側」になるようにする。しかし、電荷収集電極４の間のギャップ領域では、いくつかの電気力線３ｂが、変換レイヤ２を離れると、一電荷収集電極４上の変換レイヤ２の「外側」か、その他の場所に来ている。

図４は、一実施形態による改善された検出器デザインを示す断面図である。提案する検出器のデザインは、電気力線が変換レイヤ２に「押し戻されて」、検出器から離れないように構成されている。こうするため、追加的にガイド電極８を設け、これが図３の電気力線３ｂを押して、図４に示した電気力線３ｃのようになり、変換レイヤ２を離れないようにする。

第１の実施形態では、追加されるガイド電極８は、検出器結晶上ではなく、接続レイヤ７上に配置される。接続レイヤ７は通常、電荷収集電極４を接続するために用いられる。ガイド電極８は、電荷収集電極４により収集される電荷と同じ符号の電位により充電される。電子の信号を測定する一般的な検出器では、ガイド電極８は負に充電され、電子を押し戻す（repulse）。ガイド電極８の電圧に応じて、ガイド電極８が無ければ変換レイヤ２を離れてしまう電気力線３ｂが、上記電位により「押し戻され（repulsed）」、理想的には電荷収集電極４の間のギャップを通って電気力線が離れないようにする。結果として、図３の場合には電気力線３ｂに従いギャップにトラップされる電子やホールが、図４の電気力線に従い、変換レイヤ２のボリューム内のどこで発生したかにかかわらず、電荷収集電極４により収集されるようになる。

電荷収集電極４は、カウンター電極１と電荷収集電極４との間に印加される電圧に応じて、（電子を収集する）アノードまたは（ホールを収集する）カソードとして機能し得る。

さらに、電荷収集電極４のセグメント化は画素配列である必要はない。任意の形状やパターンでよく、例えばストライプでもよい。

第２の実施形態では、連続電極１は電荷収集電極４のようにセグメント化もできる。そして、電気力線を変換レイヤ２中に留めるように、変換レイヤ２の反対側に同様のガイド電極８を設けても良い。

他の一オプションとして、変換レイヤ２と接続レイヤ７との間のスペースは、空気で満たしてもよく、より好ましくは機械的により安定なデバイスとするため任意の種類の接着剤で満たしてもよい。導電性が比較的低い接着剤を選択し、ギャップとガイド電極８との間のみに配置しなければならない。一例では、接着剤は接続電極４に触れず、電気力線に最適な「ガイド（guiding）」を提供し、電荷収集電極４とガイド電極８との間のバイアス電流を最小化するように配置しなければならない。

また、接続レイヤ７の抵抗を大きくして、第１電極６とガイド電極８との間のバイアス電流が大きくなることを避けることができる。

さらに、ガイド電極８に印加するプッシュまたは反発電圧は、ジオメトリに応じて選択してもよく、すなわち、電荷収集電極４間のギャップサイズ（例えば、画素ギャップサイズ）、変換レイヤ２と接続レイヤ７との間の距離、変換レイヤ２の厚さ、使用材料の比誘電率、及びカウンター電極１の電圧のうちの少なくとも１つに応じて選択してもよい。

第３の実施形態では、変換レイヤ２の検出器材料、及び変換レイヤ２と接続レイヤ７との間の充填接着剤の比誘電率が同等であり、ギャップ幅及び変換レイヤ２と接続レイヤ７との間の距離が、変換レイヤ２の厚さと比較して小さい場合、ガイド電極８に印加される電圧Ｕｇは、次の式により近似的に設定できる。

ここで、Ｕ_ｂｉａｓはカウンター電極１と電荷収集電極４との間に印加されるバイアス電圧を示し、ｄ_ｇａｐは隣接する収集電極４の間のギャップの幅を示し、ｄ_ｇは変換レイヤ２と接続レイヤ７との間の距離を示し、ε_ｃは変換レイヤ材料の比誘電率を示し、ε_ｇは変換レイヤ２と接続レイヤ７との間のボリュームの比誘電率を示し、ｄ_ｃは変換レイヤ２の厚さを示す。実際の一例では、典型値は、Ｕ_ｂｉａｓ＝９００Ｖ、ｄ_ｇａｐ＝１００μｍ、ｄ_ｇ＝３０μｍ、ε_ｃ＝１０、ε_ｇ＝４、及びｄ_ｃ＝３ｍｍであり、その結果のガイド電極電圧はＵ_ｇ＝３７Ｖとなる。

要約すると、直接変換型検出器などの放射線感知検出器装置と、放射線検出方法とであって、（例えば画素配列を表す）セグメント化された収集電極に向けて電荷が外部印加電場内をドリフトするものを説明した。電気力線はセグメント間のギャップにおいて検出器を離れ、その電気力線に沿ってドリフトする電荷がギャップ内にトラップされることがある。これは、電気力線を直接変換型材料に押し戻す外部または遠隔ガイド電極を追加することにより回避される。

図面と上記の説明に詳しく示し本発明を説明したが、かかる例示と説明は例であり限定ではない。本発明は、開示の実施形態には限定されず、電子・ホールペアが生成され、電場により収集されるあらゆる種類の検出器にあてはまる。ガイド電極は、任意の形状でよく、変換レイヤから離れた様々な場所に設けられて、変換レイヤを離れようとする電気力線に対するプッシュ機能（pushing function）を提供できる。ガイド電極は、検出器の中間レイヤに、または接続レイヤ内もしくはその反対側に、または電気回路上に設けることができる。

さらに、請求項に記載した発明を実施する際、図面、本開示、及び添付した特許請求の範囲を研究して、開示した実施形態のその他のバリエーションを、当業者は理解して実施することができるであろう。 請求項において、「有する（comprising）」という用語は他の要素やステップを排除するものではなく、「１つの（"a" or "an"）」という表現は複数ある場合を排除するものではない。相異なる従属クレームに手段が記載されているからといって、その手段を組み合わせて有利に使用することができないということではない。請求項に含まれる参照符号は、その請求項の範囲を限定するものと解してはならない。

Claims (12)

1. 放射線を検出する検出装置であって、
   入射する放射線を電荷に変換する変換レイヤと、
   前記変換レイヤの第１面に配置され、前記変換レイヤで生成された電荷を収集するように構成され、中間ギャップを有する所定パターンを形成する複数の電荷収集電極と、
   前記変換レイヤから離れて配置され、前記電荷収集電極により収集される電荷と同じ符号を有する電位に接続され、電気力線が前記ギャップを通って前記変換レイヤを離れることを防止するように構成された複数の外部ガイド電極と、
   を有する装置。
2. 前記複数のガイド電極は、前記電荷収集電極に接続するように設けられた接続レイヤ上に配置される、請求項１に記載の装置。
3. 前記電荷収集電極は電子を収集するアノードまたはホールを収集するカソードである、請求項１に記載の装置。
4. 前記電荷収集電極のパターンは、前記放射を画像に変換する画素配列を確定する、
   請求項１に記載の装置。
5. 前記変換レイヤの、前記第１面に対向する第２面に配置された少なくとも１つのカウンター電極をさらに有する、請求項１に記載の装置。
6. 前記カウンター電極は中間ギャップを有する所定パターンを形成し、前記外部ガイド電極のうちの別の電極は電気力線が前記カウンター電極の所定パターンのギャップを通って前記変換レイヤを離れるのを防止するように構成された、
   請求項５に記載の装置。
7. 前記変換レイヤと前記接続レイヤとの間に設けられたスペースは少なくとも部分的に接着剤で満たされている、請求項２に記載の装置。
8. 前記接着剤は前記ギャップと前記ガイド電極との間のみに配置される、
   請求項７に記載の装置。
9. 前記接着剤は、前記電荷収集電極に接触しないように配置される、
   請求項８に記載の装置。
10. 放射線検出方法であって、
    変換レイヤを用いて、入射する放射線を電荷に変換するステップと、
    中間ギャップを有する電極パターンにより前記変換レイヤに生成された電荷を収集するステップと、
    前記電荷収集電極により収集される電荷と同じ符号を有する電位に複数の外部ガイド電極を接続する、電気力線が前記ギャップを通って前記変換レイヤを離れることを防止するように前記外部ガイド電極は前記変換レイヤから離れて配置されるステップと、を有する方法。
11. 前記ガイド電極に電圧
    Ｕ_ｇ＝Ｕ_ｂｉａｓ・（ｄ_ｇａｐ／２＋ｄ_ｇ・ε_ｃ／ε_ｇ）／（ｄ_ｇ／２＋ｄ_ｃ）
    を印加するステップをさらに有し、Ｕ_ｂｉａｓは前記放射を受ける前記電荷収集電極とカウンター電極との間に印加される電圧を示し、ｄ_ｇａｐは前記電荷収集電極の間のギャップの幅を示し、ｄ_ｇは前記ガイド電極が構成される接続レイヤと前記変換レイヤとの間の距離を示し、ε_ｃは前記変換レイヤ材料の比誘電率を示し、ε_ｇは前記収集電極と前記ガイド電極との間のレイヤの比誘電率を示し、ｄ_ｃは前記変換レイヤの厚さを示す、
    請求項１０に記載の方法。
12. 放射線を検出する、請求項１に記載の検出装置を有する画像化システム。

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