JP2018013338A - 放射線検出器 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数の隣接配置した半導体層へバイアス電圧を給電する際に、各半導体層間の放射線検出機能の差を抑制し検出精度を向上させる。【解決手段】放射線の光子を受けて電荷を発生する半導体層と、該半導体層の一方の面に形成され前記半導体層にバイアス電圧を印加する共通電極と、前記半導体層の他方の面に形成された画素電極とを有する検出素子が二次元配列されてなる複数の検出素子モジュールと、該検出素子モジュールに含まれる各検出素子の共通電極の表面に所定の間隔で配列された給電用の複数のリード線と、該リード線の配置に対応させて、かつ、該リード線の上部に設けられた散乱線除去部材を備えた放射線検出器を提供する。【選択図】図3

Description

本発明は、複数の半導体セルで構成された放射線検出器において、半導体セルへのバイアス電圧を印加するための共通電極へリード線を接続することに起因する性能低下を回避する。
近年、フォトンカウンティング方式を採用する検出器(光子計数型検出器)を搭載したフォトンカウンティングCT(Computed Tomography)装置の開発が進められている。光子計数型検出器は、従来のCT装置で採用されている電荷積分型の検出器と異なり、検出素子に入射した放射線光子を個々に計数可能である。このことにより、入射した放射線光子毎のエネルギーを計測でき、従来のCT装置に比べてより多くの情報を得られる特長がある。
光子計数型検出器の検出素子では、テルル化カドミウム亜鉛(CZT)やテルル化カドミウム(CdTe)等の半導体層を備え、その半導体層では放射線光子が入射するたびにそれに対応した電荷を発生させる。半導体層には発生した電荷を収集するための電極が対向して配置され、バイアス電圧が印加される。画素毎の電荷読出し用に配置された電極は、アノードとして機能する。一方のカソード側は複数画素に対する共通電極として機能する。その共通電極へ電圧を印加するために、共通電極にはバイアス電圧給電用のリード線が接続される。このような電圧印加を行うことで、放射線光子の入射によって半導体層で発生した電荷は、画素毎の電極から個別に取り出すことができる。
このような構成の検出器においては、検出器の性能を阻害することなく、バイアス電圧給電用のリード線を共通電極に接続するという課題がある。バイアス電圧給電用のリード線には銅線等の金属線が用いられるので、リード線が半導体層と放射線源との間に配置されると、リード線において放射線を吸収して、リード線が配置された箇所と配置されていない個所とで検出感度に差異が発生してしまう。この感度差の発生を回避する方法として、特許文献1にはバイアス電圧給電用構造を放射線検出有効エリアから外れた位置に設ける検出器構成が開示されている。
特開2005−086059号公報
ところで、近年のCT装置では、撮影時間短縮のため放射線検出器の体軸方向の幅拡大への要求が強い。このため、放射線検出有効エリアのより広い検出器を構成する必要がある。一方、光子計数型検出器の検出素子に用いられる半導体層は、結晶としての歩留りや、寸法精度を確保する観点から、必要な検出器面積を1枚の結晶で構成することは一般的に困難であり、複数の結晶を隣接配置することにより必要な検出器面積を確保している。その際、特許文献1のようにバイアス電源給電用のリード線が放射線検出有効エリア外に配置された検出器を複数隣接配置した場合、バイアス電源給電用のリード線が半導体層の密接配置を阻害するため、半導体層間の隙間により不感帯が発生してしまったり、バイアス電源給電用のリード線が隣接半導体層の放射線検出有効エリアと干渉することで、隣接半導体層の放射線検出性能を損なってしまったりする、という問題が生じる。従って、特許文献1の構成を、複数の半導体検出素子を隣接配置する光子計数型検出器にそのまま適用しても、放射線検出性能を損なうことなくバイアス電圧給電用構造を配置することが困難である。
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、複数の隣接配置した半導体層へバイアス電圧を給電する際に、各検出素子の放射線検出面における放射線検出性能の差を抑制し検出感度一様性を向上させることを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、放射線の光子を受けて電荷を発生する半導体層と、該半導体層の一方の面に形成され前記半導体層にバイアス電圧を印加する共通電極と、前記半導体層の他方の面に形成された画素電極とを有する検出素子が二次元配列されてなる複数の検出素子モジュールと、該検出素子モジュールに含まれる各検出素子の共通電極の表面に等間隔に配列された給電用の複数のリード線と、該リード線の配置に対応させて設けられた散乱線除去部材とを備えた放射線検出器を提供する。
本発明によれば、複数の隣接配置した半導体層へバイアス電圧を給電する際に、各検出素子の放射線検出面における放射線検出機能の差を抑制し検出感度一様性を向上させることができる。
本発明の第1の実施形態に係るX線CT装置の概略を示すブロック図である。 本発明の第1の実施形態に係るX線CT装置のX線検出器の概略構成を示す斜視図である。 本発明の第1の実施形態に係るX線検出器に用いられる検出素子モジュールに係り、(A)は平面図、(B)は(A)のA−A’断面図である。 本発明の第1の実施形態に係るX線検出器に適用されるX線源から照射されるX線と散乱線除去部材とX線検出器との関係の例を示す説明図である。 (A)及び(B)は、本発明の第1の実施形態に係るX線検出器の検出素子の配列とピクセルの関係の例を示す説明図である。 本発明の第1の実施形態の変形例1に係るX線検出器に用いられる検出素子モジュールに係り、(A)は平面図、(B)は(A)のA−A’断面図である。 本発明の第2の実施形態に係るX線検出器に用いられる検出素子モジュールに係り、(A)は平面図、(B)は(A)のA−A’断面図である。 本発明の第3の実施形態に係るX線検出器に用いられる検出素子モジュールに係り、(A)は平面図、(B)は(A)のA−A’断面図である。 本発明の第3の実施形態の変形例1に係るX線検出器に用いられる検出素子モジュールに係り、(A)は平面図、(B)は(A)のA−A’断面図である。 本発明の第4の実施形態に係るX線検出器に用いられる検出素子モジュールに係り、(A)は平面図、(B)は(A)のA−A’断面図であり、(C)は(A)の部分拡大図である。 本発明の第4の実施形態の変形例1に係るX線検出器に用いられる検出素子モジュールに係り、(A)は平面図、(B)は(A)のA−A’断面図であり、(C)は(A)の部分拡大図である。 本発明の第4の実施形態の変形例2に係るX線検出器に用いられる検出素子モジュールに係り、(A)は平面図、(B)は(A)のA−A’断面図であり、(C)は(A)の部分拡大図である。 本発明の第5の実施形態に係るX線検出器に用いられる検出素子モジュールに係り、(A)は平面図、(B)は(A)のA−A’断面図であり、(C)は(A)の部分拡大図である。 本発明の第5の実施形態の変形例1に係るX線検出器に用いられる検出素子モジュールに係り、(A)は平面図、(B)は(A)のA−A’断面図であり、(C)は(A)の部分拡大図である。 X線検出器の回路設定を説明するための回路モデルに係る説明図である。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
本発明に係る放射線撮像装置は、X線を照射するX線源と、前記X線を検出する複数の検出素子からなるピクセルを二次元配列した検出部と、検出素子による検出信号に基づいて前記X線の強度に応じた出力信号を生成する信号処理部と、信号加算部と、画像生成部とを備える。
信号加算部は、ピクセルに属する前記検出素子の出力信号を加算することにより前記ピクセル毎のX線計数信号を生成する。画像生成部は、X線計数信号に基づいて、画像を生成する。このとき、処理対象ピクセルのX線計数信号と、処理対象ピクセルの近傍に位置するピクセルのX線計数信号とに基づいて、処理対象ピクセルのX線入射分布の非一様性を推定する非一様性推定部を備える。
以下、より具体的に本発明の実施形態について説明する。
<第1の実施形態>
以下、本発明の第1の実施形態に係る放射線検出器として、例えばX線CT装置に適用される放射線検出器の例について図面を参照して説明する。
図1に示すように、X線CT装置は、X線源100と、X線検出器111と、これらX線源100及びX線検出器111の検出部104(後述)を対向配置し所定の回転軸を中心に回転するガントリー回転部101と、ガントリー回転部101の開口内に配置された寝台天板103と、これら撮影系の動作に伴いX線検出器111が取得した信号を処理する信号処理部112とを備えている。
X線源100は、例えば、X線管を適用することができる。X線源100は、管電圧で加速した電子ビームをタングステンやモリブデンなどのターゲット金属に衝突させ、その衝突位置(焦点)からX線を発生させることで、X線フォトンを放出する。X線源120から放出されたX線フォトンは、図示しないフィルタによってフラックス及びエネルギー分布の調整を受けた後に、一部は被検体102によって被検体内の物質分布に応じて吸収され、また一部は被検体102を透過して後述する検出部104において検出される。
ガントリー回転部101は、X線源100及び検出部104を互いに対向配置し、所定の回転軸を中心に回転する。ガントリー回転部101の中央には、被検体102が挿入される開口が設けられ、この開口内に、被検体102が寝かせられる寝台天板103が配置されている。寝台天板103とガントリー回転部101とは、所定の方向に相対的に移動可能となっている。
X線検出器111は、入射したX線フォトンを検出し、複数のエネルギー範囲に分別して計数を行うフォトンカウンティング方式を採用した検出部104と、検出部104のX線入射側に設けられた散乱線除去部材28(図3(B)参照)と、検出部104から出力される投影像を収集する信号収集部108とを備えている。
検出部104により出力されたX線フォトンは、信号収集部108によってパルスモードで処理され、計数される。ここでいう計数とは、検出したX線フォトンを数えることに加え、エネルギー情報を取得することも含む。被検体102で散乱されたX線を検出してしまうと望ましくない信号となるので、X線源100側から見て検出部104の手前に散乱線除去部材28を配置し、散乱されたX線を遮断している。検出部104の詳細は、後述する。
信号処理部112は、演算部105と制御部107を含み、信号収集部108で収集した信号に対して収集した信号に所定の演算処理を行い、マルチエネルギー画像等の再構成像を作成し、生成した画像を図示しない表示部に表示させる。
続いて、X線検出器111の検出部104について説明する。
図2に示すように、検出部104は、複数の検出素子20を二次元配列した検出モジュール10をスライス方向及びチャンネル方向に所定数配列して構成されている。検出素子モジュールは、チャネル方向をガントリー回転部101の回転方向と、スライス方向をガントリー回転部111の回転軸方向と夫々一致させて配置されている。
検出素子モジュール10に含まれる各検出素子20は、図3(B)に示すように、放射線の光子を受けて電荷を発生する半導体層21と、半導体層21の上面に形成され半導体層21にバイアス電圧を印加する共通電極22と、半導体層の下面に画素ピッチに合致して形成された画素電極23とを積層して構成されている。各検出素子20は、所謂フォトンカウンティング方式の検出素子であり、入射したX線フォトンを検出し、例えば、複数のエネルギー範囲に分別して計数を行う。
本実施形態においては、このように構成された検出素子20を図3(A)のように4つ一列に配列し(以下、各検出素子20を必要に応じて20A,20B,20C,20Dとして区別する)、4つの検出素子20A〜20Dの共通電極22の表面に給電用の複数のリード線24(24A〜24D)を等間隔に配列して検出素子モジュール10を構成している。
リード線24(24A〜24D)は、図3(A)に示すように、検出素子モジュール10の長手方向、すなわち本実施形態においてはスライス方向に沿って、各検出素子20の共通電極22の表面に所定の間隔で配置され、各検出素子20A〜20Dにバイアス電圧印加用の電力を給電している。
検出部104の回転方向(チャンネル方向)には半導体層21を隣接配置する必要がある。つまり、検出素子モジュール10を隣接配置して検出部104を構成するため、各検出素子モジュール10におけるリード線24の引き出しは一般的に体軸方向(スライス方向)となる。従って、図3において、リード線24A〜24Dは、図3(A)の下方のバイアス電圧印加端子(図示せず)から検出素子20A〜20Dの共通電極22に対してバイアス電圧を給電するための配線である。
リード線24Aは検出素子20Aへ、リード線24Bは検出素子20Bへ、リード線24Cは検出素子20Cへ、リード配線24Dは検出素子20Dへそれぞれバイアス電圧を給電する。リード配線24A〜24Dは樹脂等の絶縁体25で覆われ、コンタクト26において共通電極22と接触する。コンタクト26は各検出素子20に対してそれぞれ複数個所設けておくと、均一に電圧を印加することができる。
また、図3(A)及び図3(B)では、各検出素子20に対して2本ずつリード線24を配置しているが、1本のリード線24を複数の検出素子20に対して配線しても良い。
また、X線検出部104の上面には、リード線24の配置に対応させて散乱線除去部材28が配置されている。図3(A)に示すように、散乱線除去部材28として、複数の板状部材を所定間隔で立設させることにより構成された一次元のスリットコリメータを適用することができる。すなわち、散乱線除去部材28は、モリブデンやタングステン等を主成分とする物質からなる矩形状の複数の板状部材から構成されている。複数の板状部材は、板状部材の板厚方向をチャネル方向とし、リード線24の配置位置に合致させてチャンネル方向に等間隔に配置されている。
なお、散乱線除去部材28が配置されることによりリード線24は、散乱線除去部材28の下部に位置するため散乱線除去部材28によって覆われて隠れるが、図3〜図6においては、説明の便宜上、散乱線除去部材28の下部に位置するリード線24を図示している。
検出部104のX線入射面に散乱線除去部材28を配置することにより、検出部104のX線入射面のうち散乱線除去部材28の下部に位置する領域にはX線フォトンが殆ど入射しなくなる。よって、実質的には、散乱線除去部材28が配置されていないX線検出部104の上面領域がX線入射面の有効面積となる。
このようにリード線24A〜24Dの配置位置に対応させて、かつ、リード線24A〜24Dの上部に散乱線除去部材28を設けることにより、X線検出部104のX線入射面において、各リード線24A〜24Dは散乱線除去部材28の下部に位置することとなる。このため、検出素子20A〜20DのX線入射面の有効面積中にリード線24A〜24Dが存在することに起因する検出感度の変化の影響を抑制することができる。なお、リード配線24A〜24Dを散乱線除去部材28の下面に配置して固定することにより検出器111が回転する際のリード配線24A〜24Dの振動が抑制され、電気的なノイズの発生を抑制するという利点もある。
散乱線除去部材28の下面28aに対するリード線24A〜24Dの位置関係をより詳細に説明する。
図4に示すように、散乱線除去部材28の板状部材のチャンネル方向の開口幅を所定の値PE、X線の焦点Fと散乱線除去部材28の下面28aとの距離をDASG、リード線24A〜24Dと散乱線除去部材28との検出素子の積層方向の距離をSY、リード線24A〜24Dと散乱線除去部材28とのチャンネル方向のマージンをSXとする。
この場合において、下記の(1)式を満たすようにリード線24A〜24Dを配置することで、リード線24A〜24Dが焦点Fから見て隠れる位置に配置されるので、リード線による検出感度のムラを抑制することができる。
PE/2/DASG<SX/SY ・・・(1)
さらに、被検体による散乱線等の影響を考慮する場合は、散乱線除去部材28の高さをHとし、下記の(2)式を満たすようにリード線24A〜24Dを配置することで、リード線24A〜24Dを散乱線除去部材28の陰に隠すことができ、リード線24A〜24Dによる検出感度のムラをさらに抑制することができる。
PE/H<SX/SY ・・・(2)
このようにリード線24A〜24Dを配線することで、リード線24A〜24Dの抵抗値はX線検出部104のX線入射面の有効面積を覆う層状の配線であるベタ配線(以下、単に「ベタ配線」という)時よりも上昇してしまう。しかし、一般的に半導体層21の抵抗値は1MΩ程度と非常に高いため、リード線24A〜24Dを上述のように配線することによる抵抗値の上昇(例えば数Ω)は十分に無視できる。
これは、より一般的に、半導体層21の抵抗値RD、ベタ配線の抵抗値RBを用いて、下記の(3)式により確認することができる。
RB/RD<<1 ・・・式(3)
また、リード線24A〜24Dの配置間隔は、X線検出部104の一単位としてX線フォトンを検出するピクセルのピッチ、あるいは、その整数倍と一致するようにすることが好ましい。
半導体層21はフォトンの計数率を向上させるため、画素(ピクセル)Pを更に小さい複数のサブピクセルSPに分割し、各サブピクセルに対して光子数の計数を行う構成とすることがある。例として、図5(A)に、ピクセルが2×2のサブピクセルからなる場合、図5(B)にピクセルが3×3のサブピクセルからなる場合を示した。
図5(A)の場合リード線24A〜24Dは3画素毎に配置され、半導体層21の1ピクセル(画素)上の共通電極(不図示)とリード配線24との接触点はコンタクト26、画素開口幅はPE2である。このとき、ピクセルはP2、サブピクセルはSP、画素ピッチはDP2、サブピクセルピッチはDSである。一方、図5(B)の場合、同一のサブピクセルSP、サブピクセルのピッチDSに対して、画素(ピクセル)はP3、画素ピッチはDP3、画素開口幅はPE3となる。このように様々の画素構成を採り得る検出器に対して、リード線の配置間隔を採り得るサブピクセル分割数の最小公倍数(例えば、サブ画素分割数2と3に対して6)とすることで、同一のリード線24A〜24Dで異なるサブピクセル分割数に対応することが可能となる。
このように、リード線24A〜24Dのピッチとピクセルのピッチとを一致させることで、ピクセルが複数のサブピクセルに分割されている場合であっても、一つのピクセルに含まれるサブピクセル間の感度ムラを抑制することができる。
また、1本のリード線24が1つの半導体層21に給電を行う構成としているが、1本のリード線から複数の半導体層に対して給電を行う構成とすることもできる。
このように、本実施形態によれば、リード線24の配線位置と散乱線除去部材28の配置位置を略合致させることで、リード線24によってX線の入射を遮断することがない。また、リード線24と散乱線28の配置関係を上述の式(1)及び(2)で定める位置とすることにより、リード線の露出を散乱線除去部材28よって遮断することができる。従って、複数の隣接配置した検出素子20からなる検出モジュール10において、複数の検出素子20、つまり、半導体層21へバイアス電圧を給電する際に、各検出素子20の放射線検出面における放射線検出性能の差を抑制し検出精度を向上させることができる。
なお、上述の実施形態では4つの検出素子20からなる検出素子モジュール10について説明したが、検出素子モジュールを構成する検出素子の個数、リード線の数、幅、形状は適宜変更することができる。
(第1の実施形態の変形例1)
上述した実施形態においては、散乱線除去部材28を1次元の構成としたが、散乱線除去部材28は1次元に限られず、図6に示すように、板状部材が格子状に配置された2次元の矩形コリメータを適用することもできる。この場合も、X線検出部104の一単位として入射したX線フォトンを検出するピクセルと、2次元の矩形コリメータのピッチ及び形状が一致するようにすることが好ましい。2次元の矩形コリメータのピッチ及び形状をピクセルに一致させることで、ピクセルが複数のサブピクセルに分割されている場合であっても、一つのピクセルに含まれるサブピクセル間の感度ムラを抑制することができる。
<第2の実施形態>
上述した第1の実施形態及びその変形例は、検出素子モジュールの共通電極に対するリード線の配置に合致させて散乱線除去部材を配置する例について説明した。本実施形態は、散乱線除去部材28をリード線と同様に給電部材の一部として用いることにより共通電極にバイアス電圧印加のための電力を供給する点で、上述した実施形態及びその変形例と異なる。以下の説明において、上述した実施形態と同一の構成には同符号を付し、その説明を省略する。
図7に示すように、検出部104は、複数の検出素子を二次元配列した検出素子モジュール12をスライス方向及びチャンネル方向に所定数配列して構成されている。検出素子モジュールは、チャネル方向と回転方向を、スライス方向と回転軸方向を夫々一致させて配置されている。
検出素子モジュールは、例えば、一列に配列された4つの検出素子20A〜20Dを有し、各検出素子20は、放射線の光子を受けて電荷を発生する半導体層21と、半導体層21の上面に形成され半導体層21にバイアス電圧を印加する共通電極22と、半導体層の下面の面に形成された画素電極23とを積層して構成されている。各検出素子20は、所謂フォトンカウンティング方式の検出素子であり、入射したX線フォトンを検出し、例えば、複数のエネルギー範囲に分別して計数を行う。
また、X線検出部104の上面には、散乱線除去部材28が配置されている。散乱線除去部材28として、例えば、2次元矩形コリメータを適用することができる。散乱線除去部材28と共通電極22とは、リード線29(29A〜29D)を介して電気的に接続されている。このようにすることで、散乱線除去部材28を配線材料の一部として使用する。
すなわち、バイアス電圧給電端子(図示せず)からリード配線29を介して散乱線除去部材28をバイアス電圧に維持する。次に、散乱線除去部材28と各検出素子20A〜20Dの共通電極22をリード線29A,29B,29C,29Dで接続することで、各検出素子20A〜20Dの共通電極22A〜22Dにバイアス電圧を給電することができる。なお、ここではリード線29A,29B,29C,29Dを例に説明を行ったが、はんだ等の導電材料を用いて散乱線除去部材28と共通電極22A〜22Dを接続しても良い。
このように本実施形態によれば、検出素子モジュールの共通電極上面にリード線を配線しないため、各検出素子のX線検出面をリード線が干渉することがなく、各検出素子の放射線検出面における放射線検出性能の差を抑制し検出精度を向上させることができる。
<第3の実施形態>
本実施形態は、検出素子モジュールの共通電極に対するバイアス電圧の給電のために、検出素子モジュールの長手方向の一端から他端に亘る長さを有する短冊形状の導電性材料を複数配置したリード配線部を備えている点で上述した第1及び第2の実施形態と異なる。以下の説明において、上述した実施形態と同一の構成には同符号を付し、その説明を省略する。
本実施形態に係るX線検出器の検出部は、複数の検出素子を二次元配列した検出モジュール13をスライス方向及びチャンネル方向に所定数配列して構成されている。検出素子モジュールは、チャネル方向と回転方向を、スライス方向と回転軸方向を夫々一致させて配置されている。
図8に示すように、検出素子モジュール10は、例えば、一列に配列された4つの検出素子20A〜20Dを有し、各検出素子20は、放射線の光子を受けて電荷を発生する半導体層21と、半導体層21の上面に形成され半導体層21にバイアス電圧を印加する共通電極22と、半導体層の下面の面に形成された画素電極23とを積層して構成されている。各検出素子20は、所謂フォトンカウンティング方式の検出素子であり、入射したX線フォトンを検出し、例えば、複数のエネルギー範囲に分別して計数を行う。
検出素子モジュール10の上面、すなわち、各検出素子20A〜20Dの共通電極の表面には共通通電極に対してバイアス電圧印加用の電力を印加するリード配線部31が設けられている。
リード配線部31は、検出素子モジュールの長手方向の一端から他端に亘る長さを有する短冊形状の導電性材料からなる板状配線30A,30B,30C,30Dを、チャンネル方向に等間隔に複数本配置して構成されている。板状配線30Aは検出素子20Aへ、板状配線30Bは検出素子20Bへ、板状配線30Cは検出素子20Cへ、板状配線30Dは検出素子20Dへそれぞれバイアス電圧を給電する。
また、リード配線部31における各板状配線30の間隙に、板状配線30と同素材かつ同じ厚さの導体シート33が設けられている。導体シート33は樹脂等の絶縁体25Bでコーティングが施されている。なお、導体シート33の材料は板状配線30A〜30Dと同材料であることが望ましいが、X線減弱特性が略同程度である他の材料によって形成されていてもよい。
ここで、リード配線部31は共通電極22へ所定の電位を供給するための役割を果たすため、検出素子20の検査時、すなわち、検出素子モジュール10作成の初期段階で必要となる。このとき、検出素子20は歩留まりの低いことが懸念されるため、検出特性に不具合があればリード配線部31を剥がし、別の検出素子20へと入れ替えることで、検出素子モジュール10の作成歩留まりを改善することができる。
一方、導体シート33は検出感度のむらを抑制するために配置される。導体シート33は接着面が大きくなるため、検出素子モジュール10作成の初期段階で接着せずに、検出素子20の検査、配列完了後、すなわち検出素子モジュール10作成の最終段階で接着することが望ましい。このような検出素子モジュール10の作成工程を考慮し、リード配線部31と導体シート33を別部品として構成することで、検出素子モジュール10の作成歩留まりを改善する効果がある。
より具体的には、図8(A)に示すように、導体シート33は、リード配線部31における間隙に埋め合わせるように配置される。このとき、位置合わせの誤差を考慮し、導体シート33とリード配線部31の各板状配線30A〜30Dとの間に若干の隙間を設けることができる。ただし、この隙間は画素ピッチDP以下とすることが望ましい。
なお、本実施形態においては、リード配線部31及び導体シート33は取扱いの容易性や保護を目的として、樹脂等の絶縁体25Aでコーティングが施されている。さらに、導体シート33とリード配線部31を別部品として層構造になっている。
このように、本実施形態によれば、リード配線部31における間隙に導体シート33を設けることにより、X線入射面において、リード配線部に起因して生じるX線の検出感度のむらを大きく抑制することができる。
本構成を採る際に、導体シート33の電位はグラウンド、あるいは、バイアス電圧のいずれかを適宜選択することができる。導体シート33の電位をグラウンドとする場合は、ユーザ等がバイアス電圧に接触しづらくなるため、検出器の安全性を高める効果がある。一方、導体シートの電位をバイアス電位とする場合は、負荷変動に対するリード配線の安定性を高める効果がある。
(第3の実施形態の変形例1)
本変形例は、図9に示すように、上述した第3の実施形態における、リード配線部31の板状配線30同士の間隙に設けた導体シートに代えて、リード配線部の表面に検出素子モジュールの共通電極全体を一様に覆う導体層34を設けている。
導体層34は、リード配線部31と同材料で構成することが望ましいが、同等のX線減弱特性が得られる他の材料で構成されていてもよい。また、導電層は取扱いの容易性の向上や保護を目的として樹脂等の絶縁体25Bによりコーティングを施してもよい。さらに、リード配線部31を別の絶縁体25Aでコーティングし別部品とすることで、検出素子モジュール10の作成歩留まりを改善する効果があるのは第3の実施形態と同様である。
このように、検出部104のX線入射面において、リード配線部に起因して生じるX線の検出感度のむらを大きく抑制することができる。
<第4の実施形態>
本実施形態は、上述した第3の実施形態における放射線検出器と同様に、検出素子モジュールの共通電極に対するバイアス電圧の給電のために、検出素子モジュールの長手方向の一端から他端に亘る長さを有する短冊形状の導電性材料を複数配置したリード配線部を備えている。図10に示すように、本実施形態では、リード配線部の板状配線がメッシュであり、メッシュの網目模様が検出素子の配列方向に対して傾斜している点で上述した第3の実施形態と異なる。以下の説明において、上述した実施形態と同一の構成には同符号を付し、その説明を省略する。
図10に示すように、検出素子モジュール10は、例えば、一列に配列された4つの検出素子20A〜20Dを有し、各検出素子20は、放射線の光子を受けて電荷を発生する半導体層21と、半導体層21の上面に形成され半導体層21にバイアス電圧を印加する共通電極22と、半導体層の下面の面に形成され画素ピッチに合致させて設けられた画素電極23とを積層して構成されている。各検出素子20は、所謂フォトンカウンティング方式の検出素子であり、入射したX線フォトンを検出し、例えば、複数のエネルギー範囲に分別して計数を行う。
検出素子モジュール10の上面、すなわち、各検出素子20A〜20Dの共通電極の表面には共通電極に対してバイアス電圧印加用の電力を供給するリード配線部41が設けられている。
リード配線部41は、いずれも検出素子モジュール10の長手方向の一端から他端に亘る長さを有する短冊形状の導電性材料からなる板状配線42A,42B,42C,42Dを、チャンネル方向に等間隔に複数本配置して構成されている。図10に示すように、本実施形態においては、4本の板状配線42A〜42Dを配置しており、板状配線42Aは検出素子20Aへ、板状配線42Bは検出素子20Bへ、板状配線42Cは検出素子20Cへ、板状配線42Dは検出素子20Dへそれぞれバイアス電圧を給電する。板状配線42A,42B,42C,42Dは樹脂等の絶縁体25で覆われ、コンタクト26において共通電極22と接触する。コンタクト26は各半導体層21に対してそれぞれ複数個所設けておくと、均一に電圧を印加することができる。
リード配線部の各板状配線42A,42B,42C,42Dは、配線幅W1のリード線を編み込んだメッシュであり、メッシュの網目模様が検出素子の配列方向に対して傾斜している。より具体的には、図10(C)の拡大図に示すように、板状配線は、配線幅W1のリード線が、図10(A)中の横方向(検出モジュールの長手方向)ピッチPX1、図10(A)中の縦方向(検出モジュールの短手方向)ピッチPY1となるように編み込まれたメッシュ状を成している。
このとき、メッシュ配線による画素間の検出感度の変化量はメッシュ配線の配線幅W1と横方向ピッチPX1、又は、メッシュ配線の配線幅W1と縦方向ピッチPY1とを調整することによって抑制することができる。例えば、横方向ピッチPX1と縦方向ピッチPY1を同サイズとし、配線幅W1を縦方向ピッチPX1、横方向ピッチPY1の10%、且つ、画素ピッチ(DP)以下と設定することで、X線入射面においてリード配線部に起因して生じるX線の検出感度の変化量をベタ配線時の20%程度に抑制することができる。
これを一般化すると、目標とする検出感度の変化量をR%とした場合に、
W1/PX1+W1/PY1<R% 且つ、 W1<DP ・・・(4)
を満たすように板状配線のメッシュを規定する定数を設定することで、リード配線部の有無による検出感度の変化量をR%程度に抑制することができる。なお、式(4)においては簡単のため、開口率の変化量で検出感度の変化量を近似し、さらに、メッシュ部の重なり部分の影響を無視している。
ところで、上述した第1の実施形態と同様に、メッシュ配線はベタ配線より抵抗値が高くなる。しかし、一般に半導体層の抵抗値は1MΩ程度と非常に高いため、板状配線にメッシュ素材の配線を適用することによる抵抗値の上昇(例えば数Ω)は十分に無視できる。これは、上述した式(3)により確認することができる。
なお、図10に示した検出素子モジュールは一例であり、検出素子数、板状配線のメッシュの幅や形状、メッシュ状の配線と検出素子接続位置等を適宜変更しても良い。また、メッシュ配線の端部は画素ピッチよりも細い配線幅の導体を用いてシャントしても良いし、シャントせずにオープンとしても良いし、性能を大きく阻害しない範囲で間引いでも良い。
(第4の実施形態の変形例1)
本実施形態は、上述した第4の実施形態における放射線検出器と同様に、検出素子モジュールの共通電極に対するバイアス電圧の給電のために、検出素子モジュールの長手方向の一端から他端に亘る長さを有し、メッシュ状の板状配線を複数配置したリード配線部を備えている。図11に示すように、本実施形態では、リード配線部の板状配線が計8本配置されている。以下の説明において、上述した実施形態と同一の構成には同符号を付し、その説明を省略する。
リード配線部41の板状配線42A,42B,42C,42D,42E,42F,42G,42Hは、バイアス電圧印加端子(図示せず)から検出素子20A〜20Dの共通電極に対してバイアス電圧を給電するための配線であり、板状配線42A,42Bは検出素子20Aへ、板状配線42C,42Dは検出素子20Bへ、板状配線42E,42Fは検出素子20Cへ、板状配線42G,42Hは検出素子20Dへそれぞれバイアス電圧を給電する。すなわち、本変形例に係る検出素子モジュールでは、1つの検出素子に対して、2本の板状配線によって給電を行うことができるようになっている。
また、リード配線部41は樹脂等の絶縁体25によって覆われ、コンタクト26において共通電極22と接触する。コンタクト26は各半導体層21に対してそれぞれ複数個所設けておくと、均一に電圧を印加することができる。図11では、1本の板状配線は1つの半導体層21に給電を行う構成としているが、1本の板状配線から複数の半導体層に対して給電を行う構成とすることもできる。
本変形例における板状配線42A〜42Hは、上述した第4の実施形態に係る板状配線と同様に、所定の配線幅のリード線を編み込み、網目模様が検出素子20A〜20Dの配列方向に対して傾斜したメッシュである。より具体的には、図11(C)の拡大図に示すように、板状配線は、配線幅W2のリード線が、図11(A)中の横方向(検出モジュールの短手方向)ピッチPX2、図11(A)中の縦方向(検出モジュールの長手方向)ピッチPY2となるように編み込まれたメッシュ状を成している。
このようなメッシュ状の板状配線42A〜42Hによる検出感度の変化量は、その配線幅W2と横方向PX2と縦方向ピッチPY2を調整することによって抑制することができる。例えば、縦方向ピッチPX2、横方向ピッチPY2、配線幅W2、画素ピッチ(DP)、検出感度の変化量をR%との関係は下記の通りとなる。
W2/PX2+W2/PY2<R% 且つ、 W2<DP ・・・式(5)
なお、式(5)においても、簡単のため、開口率の変化量で検出感度の変化量を近似し、さらに、メッシュ部の重なり部分の影響を無視している。
このように、本変形例によれば、X線入射面においてリード配線部に起因して生じるX線の検出感度の変化量を抑制することができる。また、リード配線部を板状配線の数を細分化し、複数個所で検出素子の共通電極へ接続することにより、共通電極内部の電圧分布を抑制することができると共に、給電を冗長化することができる。
(第4の実施形態の変形例2)
本変形例は、リード配線部41の板状配線42が、メッシュであり、該メッシュの網目模様が検出素子の配列方向に合致する格子状である点で上述した第4の実施形態及びその変形例1と異なる。以下の説明において、上述した他の実施形態と同一の構成には同符号を付し、その説明を省略する。
本変形例2におけるリード配線部41の板状配線42は、検出素子の配列方向に合致する格子状のメッシュである。図12に示すように、メッシュ状の板状配線は、配線幅W3のリード線を編み込み、横方向ピッチ(検出モジュールの短手方向)PX3、縦方向ピッチ(検出モジュールの長手方向)PY3のメッシュ状であり、これらを調整することにより、メッシュ状の板状配線による検出感度の変化を抑制することができる。
例えば、縦方向ピッチPX3、横方向ピッチPY3、配線幅W3、画素ピッチ(DP)、検出感度の変化量をR%との関係は下記の通りとなる。
W3/PX3+W3/PY3<R% 且つ、 W3<DP ・・・式(6)
なお、式(6)においても、簡単のため、開口率の変化量で検出感度の変化量を近似し、さらに、メッシュ部の重なり部分の影響を無視している。
このように、本変形例によれば、X線入射面においてリード配線部に起因して生じるX線の検出感度の変化量を抑制することができ、板状配線の配線パターン作成コストを低減する効果がある。
<第5の実施形態>
本実施形態は、検出素子モジュールの共通電極に対するバイアス電圧の給電のために、検出素子モジュールの表面に一様に配置されたリード配線部を備えている。本実施形態では、図13に示すように、リード配線部が、いずれも長手方向の一端から他端に亘る長さを有する複数のリード線を備えおり、各リード線が共通電極の表面において等間隔に配列されている。以下の説明において、上述した実施形態と同一の構成には同符号を付し、その説明を省略する。
検出素子モジュール10は、例えば、一列に配列された4つの検出素子20A〜20Dを有し、各検出素子20は、放射線の光子を受けて電荷を発生する半導体層21と、半導体層21の上面に形成され半導体層21にバイアス電圧を印加する共通電極22と、半導体層の下面の面に形成され画素ピッチに合致させて設けられた画素電極23とを積層して構成されている。各検出素子20は、所謂フォトンカウンティング方式の検出素子であり、入射したX線フォトンを検出し、例えば、複数のエネルギー範囲に分別して計数を行う。
検出素子モジュール10の上面、すなわち、各検出素子の共通電極の表面には共通電極に対する給電用の複数のリード線52A〜52Dからなるリード配線部51が設けられている。各リード線52A〜52Dは、図13に示すように、検出素子モジュールの一端から他端に亘る長さを有し、共通電極の表面において検出素子の配列方向に対して傾斜しながら等間隔に配列され、各検出素子20のX線入射面に対して各リード線52A〜52Dが一様な配置となっている。
リード線52Aは検出素子20Aへ、リード線52Bは検出素子20Bへ、リード線52Cは検出素子20Cへ、リード配線52Dは検出素子20Dへそれぞれバイアス電圧を給電する。
図13(C)に示す通り、リード線の配線幅W4、横方向(検出素子モジュールの短手方向)ピッチPX4とすると、リード線の配置による検出感度の変化量はその配線幅W4と横方向PX4とを調整することによって抑制することができる。例えば、横方向ピッチPX4、配線幅W4、画素ピッチ(DP)、検出感度の変化量をR%との関係は下記の通りとなる。
W4/PX4<R% 且つ、 W4<DP・・・(7)
なお、式(7)においても、簡単のため、開口率の変化量で検出感度の変化量を近似している。
なお、リード配線HVLは樹脂等の絶縁体25で覆われ、コンタクト26において共通電極22と接触する。コンタクト26は各半導体層21に対してそれぞれ複数個所設けておくと、均一に電圧を印加することができる。
また、図13では、1本のリード配線(HVL)夫々が一つの検出素子に電力供給を行う構成であるが、1本のリード配線(HVL)から複数の半導体素子(D)に対して電力供給を行うように配線することもできる。本実施例ではリード配線を斜め配線とすることで、配線パターン作成コストを低減する効果がある。
(第5の実施形態の変形例1)
本変形例は、図14に示すように、上述した第5の実施形態と同様に、リード配線部が、長手方向の一端から他端に亘る長さを有する複数のリード線を備えおり、各リード線が共通電極の表面において等間隔に配列されている。本実施形態では、各リード線が傾斜しておらず、検出素子の配列方向と平行に配線されている。
図14(C)に示すように、リード線の配線幅W5、横(検出素子モジュールの短手)方向ピッチPX5とすると、このようにリード線を配置したことによる検出感度の変化量はその配線幅W5と横方向PX5とを調整することによって抑制することができる。
例えば、縦方向ピッチPX5、配線幅W5、画素ピッチ(DP)、検出感度の変化量をR%との関係は下記の通りとなる。
W5/PX5<R% 且つ、 W5<DP ・・・(8)
なお、式(8)においても、簡単のため、開口率の変化量で検出感度の変化量を近似している。
このように、本変形例では、リード線をすだれ状に配線することで、配線パターンの作成コストを低減することができる。
なお、上述した各実施形態及びその変形例は一例であり、検出素子モジュールを構成する検出素子数、リード線、板状配線の幅や形状、検出素子接続位置、導体シートの材料等は適宜変更することができる。さらに、周期配線と組み合わせても良い。また、リード配線部や導体シートに用いる導体は銅のほか、より原子番号の小さいアルミニウムや鉄を用いると、感度差をより小さくする効果がある。
以下、回路の定数設定について説明する。
図15に示すように、半導体層21、共通電極22、画素電極23によって検出素子が構成され、共通電極22に対してリード線24を用いて電圧VHVが印加される。電圧VHVには安定化のための容量CVHが並列接続されている。
このとき、光子によって半導体層21内に誘起される電流をID、そして、代表的な寄生成分としてリード配線24のインダクタンスをLHV、安定化容量の等価直列抵抗ESRを考慮して等価回路を表現すると、図15のようになる。このような回路では、電流IDが有する特定周波数の変動によって反共振が発生し、共通電極22への印加電圧が変動してしまう現象が発生する。その周波数Fはリード配線24の寄生インダクタンスLHV、安定化容量CHVを用いて以下の式(9)のように表される。
Figure 2018013338
つまり、電流IDがこの周波数成分を有すると、半導体層21に印加される電圧が変動し、光子に対する検出器応答性が不安定となってしまう。そこで、電流IDの持つ主な周波数から遠ざけるように、リード配線24の寄生インダクタンスLHV、安定化容量CHVを適切に調整する。電流IDの持つ周波数の例として、CTスキャナの回転に起因してリード配線が振動し容量が変化して生じるもの(1Hz〜5Hz)、そして、被写体によってX線の減弱量が変化して生じるもの(1kHz〜10kHz)等が考えられる。
これらの周波数に対して、リード配線24の寄生インダクタンスを100nH、安定化容量CHVを47μHとすると、前記共振周波数Fは73.4kHzとなり、前記電流IDの有する主な周波数成分から遠ざけることができる。また別の手段として、等価直列抵抗ESRをある程度大きくすることで(Q値を低くし)、周波数で発生する共振を速やかに減衰させ、電圧変動の影響を抑制することもできる。
20,20A,20B,20C,20D・・・検出素子、21・・・半導体層、22…共通電極、23・・・画素電極、24,29…リード配線、25・・・絶縁体、2・・・コンタクト、28・・・散乱線除去部材、30・・・板状配線、31・・・リード配線部、33・・・導体シート、34・・・導体層、41・・・リード配線部、42・・・板状配線、51・・・リード配線部、52・・・リード線

Claims (16)

  1. 放射線の光子を受けて電荷を発生する半導体層と、該半導体層の一方の面に形成され前記半導体層にバイアス電圧を印加する共通電極と、前記半導体層の他方の面に形成された画素電極とを有する検出素子が二次元配列されてなる複数の検出素子モジュールと、
    該検出素子モジュールに含まれる各検出素子の共通電極の表面に所定の間隔に配列された給電用の複数のリード線と、
    該リード線の配置に対応させ、かつ、該リード線の上部に設けられた散乱線除去部材と、
    を備えた放射線検出器。
  2. 前記散乱線除去部材が、前記リード線の配列に対応させて立設された複数の板状部材を有する一次元コリメータである請求項1記載の放射線検出器。
  3. 前記散乱線除去部材が、前記リード線の配列に対応させて格子状に配置された板状部材を有する二次元コリメータである請求項1記載の放射線検出器。
  4. 前記板状部材のピッチが前記検出素子モジュールのピクセルのピッチと一致している請求項2又は請求項3記載の放射線検出器。
  5. 前記散乱線除去部材が、前記リード線の配列に対応させて配列された複数のチャンネル方向の板材及び該チャンネル方向の板材と直交するスライス方向の板材によりグリッドを成している請求項1記載の放射線検出器。
  6. 放射線の光子を受けて電荷を発生する半導体層と、該半導体層の一方の面に形成され前記半導体層にバイアス電圧を印加する共通電極と、前記半導体層の他方の面に形成された画素電極とを有する検出素子が二次元配列されてなる複数の検出素子モジュールと、
    該検出素子の表面に配置にされた散乱線除去部材と、
    該散乱線除去部材と前記共通電極とを接続する配線と、を備え、
    前記散乱線除去部材及び前記配線を介して前記共通電極に給電を行う放射線検出器。
  7. 放射線の光子を受けて電荷を発生する半導体層と、該半導体層の一方の面に形成され前記半導体層にバイアス電圧を印加する共通電極と、前記半導体層の他方の面に形成された画素電極とを有する検出素子が二次元配列されてなる複数の検出素子モジュールと、
    該検出素子モジュールに含まれる各検出素子の共通電極の表面に配置された給電用のリード配線部と、を備え、
    該リード配線部が、短冊形状の板状配線をチャンネル方向に所定の間隔に複数本配置して構成されている放射線検出器。
  8. 前記リード配線部の各板状配線がメッシュであり、該メッシュの網目模様が検出素子の配列方向に対して傾斜している請求項7に記載の放射線検出器。
  9. 前記リード配線部の各板状配線がメッシュであり、該メッシュの網目模様が検出素子の配列方向に合致する格子状である
    請求項7に記載の放射線検出器。
  10. 前記リード配線部の各導電性材料が、前記前記検出素子の画素ピッチよりも小さい配線幅のリード線を編んだメッシュ状である請求項7から請求項9の何れかに記載の放射線検出器。
  11. 前記リード配線部における各導電性材料同士の間隙に、該導電性材料とX線減弱特性が略等しい材料からなる導体シートを設けた請求項7記載の放射線検出器。
  12. 前記リード配線部の表面に、前記共通電極全体を覆う導体層を設けた請求項7記載の放射線検出器。
  13. 前記リード配線部と前記共通電極がそれぞれ別の絶縁体で保護された請求項11又は請求項12記載の放射線検出器。
  14. 放射線の光子を受けて電荷を発生する半導体層と、該半導体層の一方の面に形成され前記半導体層にバイアス電圧を印加する共通電極と、前記半導体層の他方の面に形成された画素電極とを有する複数の検出素子が二次元配列されてなる複数の検出素子モジュールと、
    該検出素子モジュールに含まれる各検出素子の共通電極の表面に配置された給電用の複数のリード線と、を備え、
    複数の該リード線が、前記共通電極の表面において所定の間隔に配列されている放射線検出器。
  15. 複数の前記リード線が、前記検出素子の配列方向に対して傾斜して配列されている請求項14記載の放射線検出器。
  16. 複数の前記リード線が、前記検出素子の配列方向に平行に配列されている請求項14記載の放射線検出器。
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