JP2020016508A

JP2020016508A - 放射線検出器

Info

Publication number: JP2020016508A
Application number: JP2018138768A
Authority: JP
Inventors: 光陽雨宮; Mitsuaki Amamiya
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2018-07-24
Filing date: 2018-07-24
Publication date: 2020-01-30
Anticipated expiration: 2038-07-24
Also published as: US11112511B2; US20200033487A1; JP7182930B2

Abstract

【課題】半導体素子を用いた電荷蓄積型の放射線検出器で、転送された画像信号から、放射線の入射時刻とエネルギーとを特定する。【解決手段】半導体基板と、前記半導体基板の両面に配置された電極とを有する放射線検出器であって、前記半導体基板に入射した放射線により生成された電荷を蓄積する電荷蓄積部を、前記半導体基板の内部に複数有し、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷は、少なくとも一方の前記電極を通して、外部に読出し可能であることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、光電効果により生じる光電子、及びコンプトン散乱により生じる反跳電子を検出することにより、観測対象の放射線を検出する放射線検出器に関する。

半導体素子を用いた放射線検出装置が知られている。特許文献１には、第１及び第２の検出部を含む放射線検出装置が開示されている。第１の検出部は、入射放射線による第１の相互作用が発生した位置と第１の相互作用により発生した反跳電子の軌跡とを第１の光電変換素子によって検出し、第２の検出部は、散乱放射線による第２の相互作用が発生した位置を検出する。第１及び第２の相互作用の発生位置、及び、反跳電子の軌跡を用いて、観測対象の空間における放射線源の位置を計算する。

特許文献２には、散乱体検出器と吸収体検出器と演算装置とを具備した放射線測定装置が開示されている。散乱体検出器と吸収体検出器の画素電極は、隣接する２つの画素電極の中心の距離が、電磁放射線のコンプトン散乱で発生する反跳電子の平均自由工程よりも小さくなるように配置されている。

特開２０１４−１８５８５２号公報特開２０１７−０２６５２４号公報

電荷蓄積型の２次元半導体素子では、反跳電子によって発生した電荷を検出器内のコンデンサーで蓄積し、画像信号として外部に電荷を転送する。しかしながら、転送された電荷の蓄積時刻の特定ができないために、画像信号の読み出し時間が不感時間となり、放射線源の入射時刻を特定できない。また、非電荷蓄積型の２次元半導体素子では、マトリクス状に配置された各画素電極に信号線を配置することにより、転送された電荷の蓄積時刻の特定が可能となるが、測定位置精度を向上させようとすると、画素電極が微細化され、信号線の本数が多くなる欠点がある。

即ち、従来の電荷蓄積型の２次元半導体素子を用いた放射線検出器では、転送された画像信号から、放射線の入射時刻やエネルギーを特定することができなかった。本発明は、電荷蓄積型の２次元半導体素子を用いた放射線検出器であって、放射線の入射時刻やエネルギーを、画像信号の転送後に特定できる放射線検出器、及びそれを用いたコンプトンカメラを提供するものである。

本発明の放射線検出器は、半導体基板と、前記半導体基板の両面に配置された電極とを有する放射線検出器であって、前記半導体基板に入射した放射線により生成された電荷を蓄積する電荷蓄積部を、前記半導体基板の内部に複数有し、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷は、少なくとも一方の前記電極を通して、外部に読出し可能であることを特徴とする。

本発明では、放射線の入射がリアルタイムで検知されるので、入射と同時に画像信号を取り込むことができる。そのため、画像信号のバックグランドやノイズを抑制できるほか、不要な画像信号の取り込みが無くなるので、画像信号の転送回数を少なくできる。また、放射線の入射領域も検知されるので、画像信号量が削減され、転送時間も小さくできる。更に、低強度の入射光では露光しながら必要な露光量に達したことが検知されるので、露光量も適切に管理できる。

また、本発明をコンプトンカメラに適用することにより、高感度かつ高精度でガンマ線の入射方向を特定できる。

実施形態１に係るＸ線検出装置の構成を示す模式図である。実施形態１に係るＸ線検出器の平面図である。実施形態２に係るＸ線検出装置の構成を示す模式図である。実施形態３に係るＸ線検出装置の平面図である。実施形態４に係るＸ線検出装置の構成を示す模式図である。実施形態５に係るコンプトンカメラの構成を示す模式図である。実施形態５に係るコンプトンカメラの動作のタイミングチャートである。

本実施形態においては、放射線としてＸ線を例としているが、本発明は、ガンマ線にも適用可能である。

（実施形態１）
図１の断面図部分で示すように、Ｘ線検出器１は、Ｘ線２（２ａ、２ｂ）の有感層である半導体基板３と、半導体基板３の両面に形成された電極４、９からなる。半導体基板３のＸ線入射面（放射線入射側）には、表面電極４（４ａ、４ｂ）が複数配置されている。Ｘ線検出器１は、ＣＭＯＳやＣＣＤのような、Ｓｉ基板を用いた２次元の半導体素子である。表面電極４は、電流計５（５ａ，５ｂ）、電圧源６（６ａ，６ｂ）を通してアースに接続されている。電圧源６ａ、６ｂは、共通化してもよい。Ｘ線２ａが入射し、半導体基板３で光電吸収されると、光電効果によりＸ線のエネルギーに対応した数の光電子７が発生する。光電子７は、半導体基板３内を電子１１と正孔１２を生成しながら移動し、全エネルギーを失い停止する。発生した電子１１と正孔１２の数は、光電子のエネルギーに比例するため、電子数または正孔数が分かれば、入射Ｘ線エネルギーが分かる。半導体基板３には電圧源６を通して電場が形成されているので、正孔はＸ線２ａの入射面に移動し、電流計５ａを通してアースに流れ、検出された時刻Ｔａと電流Ｉａが記録される。一方、電子１１はＸ線２ａの入射面と反対面に移動し、マトリクス状に配置されたコンデンサー（電荷蓄積部）８に蓄積される。Ｘ線２の入射面の反対面（放射線入射側に対向する側）には、裏面電極９が形成されアースに繋がっており、コンデンサー８に蓄積された量の電子と同数の正孔がアースから裏面電極９に供給される。コンデンサー８に蓄積された電子数と表面電極４ａに流れた正孔数は同数なので、コンデンサー８に蓄積された電子数は、電流量Ｉａから計測される。更に、Ｘ線２ａが入射する前にＸ線２ｂが入射し、コンデンサー８ｂに電子が蓄積されているが、Ｘ線２ａと同様に、電流計５ｂでＸ線２ｂの入射時刻Ｔｂと電流Ｉｂが記録されている。

図２は、Ｘ線検出器１を、Ｘ線入射面から見た平面図である。電荷が蓄積されたコンデンサー８を斜線で示した。斜線部のコンデンサーは光電子の軌跡であり、その総電荷蓄積量は入射Ｘ線エネルギーに対応する。所定の時間、Ｘ線が測定された後、配線１０を通して各コンデンサー８の電荷蓄積量が読み出されることにより、光電子の軌跡が画像化され、Ｘ線の入射位置が特定される。

ところで、画像からは各コンデンサー８の電荷蓄積時刻が特定できないので、Ｘ線の入射時刻も特定できない。しかし、電極４が分割されていることにより、電極４ａ、４ｂとコンデンサーの位置が対応付けされるので、電極４ａ、４ｂに電流が流れた時刻Ｔａ，Ｔｂを計測することにより、各電極へのＸ線入射時刻が特定される。更に、同じ領域に２個のＸ線が入射しても、記録された電流Ｉａ、Ｉｂから、コンデンサー蓄積電荷量の対応付けが可能なので、各Ｘ線の入射時刻が特定される。

本発明のＸ線検出器１には、各Ｘ線入射時刻が特定される他、次の利点がある。
〔１〕Ｘ線入射の領域の画像だけを読み出すことができるため、読み出し時間の短縮化と、読み出していない画素では、読み出し中も継続的に測定ができる。
〔２〕実時間でＸ線が入射したことが検知されるので、Ｘ線入射後直ちに、その位置が求められる他、不必要な画像読み出しがなくなる。
〔３〕電極４に流れる電流を積算することで、必要な露光量に達したか否かが判定できるので、実時間で露光時間を決定できる。

（実施形態２）
図３に示すように、本実施形態では、表面電極４と裏面電極９との両方を、短冊状に分割し、かつ長手方向で互いに直交させて配置する。表面電極４と裏面電極９とに流れる電流を、それぞれ測定することにより、その交点にＸ線が入射したことがわかるので、実時間でＸ線入射位置を高精度で特定できる。

（実施形態３）
図４に示すように、本実施形態では、表面電極４に代えて、４つの角を有する形状の抵抗層１３を配置する。これは、いわゆるＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅＤｅｖｉｃｅ（ＰＳＤ）と呼ばれる。Ｘ線の入射位置に応じて、抵抗層１３の各角に接続された信号線に流れる電流（Ｉ_Ｘ１，Ｉ_Ｘ２，Ｉ_ｙ１，Ｉ_ｙ２）が変化することを利用して、Ｘ線の入射位置を測定するものである。図４では２次元のＰＳＤを示したが、どちらかの相対する辺に端子を付けて、１次元のＰＳＤとしてもよい。

（実施形態４）
実施形態１〜３では、直接変換型の検出器で説明したが、間接型の検出器でもよい。図５に示すように、Ｘ線の入射面には、可視光を透過する電極４が設けられ、電極４の表面にシンチレータが配置されることにより、Ｘ線は可視光に変換される。シンチレータとしては、ＣｓＩのような柱状結晶やシンチレーションファイバーが好適である。

（実施形態５）
本実施形態は、本発明に係る放射線検出器を用いたコンプトンカメラである。図６に示すように、第１検出器１は、ガンマ線を散乱させる散乱体として機能し、散乱位置と散乱で失うエネルギー（反跳電子のエネルギー）とを測定する。第２検出器２１は、散乱ガンマ線の吸収位置とエネルギーとを測定する。第２検出器は、第１検出器の裏面電極側に配置されている。１回のコンプトン散乱で、入射ガンマ線の方向を算出するために、第１と第２の検出器での測定データの対応を取る必要がある。そのため、第１検出器１に、本発明に係る放射線検出器を適用するものである。

第１検出器１にガンマ線が入射し、コンプトン散乱点２４でコンプトン散乱が起きると、反跳電子２２と散乱ガンマ線２３とが発生する。すでに説明したように、反跳電子２２は正孔と電子とを発生させ、電子はコンデンサー８ａに蓄積され、正孔は電流計５ａを通してアースに流れる。その時刻Ｔａと電流Ｉａが記録される。所定の時間経過後、画像を読み出せば、コンデンサー８ａに蓄積された電荷量から、反跳電子２２のエネルギーとその位置が求められる。

一方、散乱ガンマ線２３は、第２検出器２１のシンチレータ２５で吸収され、シンチレータ光２６を発光する。シンチレータ光２６は、シンチレータ２５の背面側に配置された光電子増倍管アレイ２７で検出される。光電子増倍管アレイ２７は、微小な光電子増倍管をマトリクス状に配列したもので、個々の光電子増倍管に接続された信号線２８から、シンチレータ光強度に比例した信号を得ることができる。重心検知等の方法を用いることにより、この信号から、散乱ガンマ線２３の吸収位置が検出される。更に、シンチレータ光強度は散乱ガンマ線２３の強度に比例するために、信号線２８の電流を測定すれば、散乱ガンマ線２３の吸収時刻と位置、エネルギーが求められる。

次に、４個のガンマ線が逐次的に第１検出器１に入射して、初めの３個のガンマ線が第１検出器１内でコンプトン散乱を起こし、その散乱ガンマ線が第２検出器２１で検出される場合を考える。図７に、第１検出器１と第２検出器２１との動作のタイミングチャートを示す。時刻Ｔａに、ガンマ線２ａが入射し第１検出器１でコンプトン散乱を起こし、散乱ガンマ線２３が第２検出器２１に入射し検出されるとする。このとき、電極４ａを通して、電流計５ａで電流Ｉａとその時刻Ｔａが記録される。第２検出器２１では、時刻Ｔａに散乱ガンマ線のエネルギーＥａが記録される。電流計５ａの信号から、第１検出器１に反跳電子２２の軌跡が画像として記録されたことが検知されるので、信号線１０を通して画像信号を読み出し、正確な反跳電子のエネルギーと位置とが求められる。画像信号は、全領域読み出す必要は無く、電極４ａに対応した領域Ａのみを読み出せばよい。このように、入射ガンマ線２ａに対して、第１検出器１で反跳電子のエネルギーとコンプトン散乱点の位置、第２検出器２１で散乱ガンマ線のエネルギーＥａと散乱ガンマ線の吸収位置が測定されるので、入射ガンマ線２ａの方向が求められる。

次に、電極４ｂに対応した領域Ｂに２個のガンマ線Ｅｂ_１とＥｂ_２が入射した後、領域Ｂの画像信号を読み出すことを考える。画像には、２個のガンマ線のコンプトン散乱による反跳電子の軌跡が記録され、画像から各々の反跳電子のエネルギーが求められる。電流計５ｂには、反跳電子のエネルギーによる電流Ｉｂ_１とＩｂ_２、その発生時刻Ｔｂ_１とＴｂ_２が記録されている。画像から分かる反跳電子のエネルギーと電流計の電流の対応を取れば、画像に記録された反跳電子の発生時刻が求められる。こうして、各々のガンマ線２ｂ_１と２ｂ_２に対して、第１検出器１と第２検出器２１とで測定された反跳電子と散乱ガンマ線が対応付けられるので、各々の入射ガンマ線の入射方向が求められる。

従来の放射線検出器を、第１検出器として使用すると、信号線１０から得られる画像信号しかないため、画像に反跳電子の軌跡が記録されていても、時刻ＴａかＴｂ_１，２のいずれかで入射したガンマ線か特定できないため、第２検出器２１で得られるデータとの対応が取れないのである。

（実施形態６）
実施形態５では、散乱ガンマ線２３がシンチレータ２４で光電吸収されるとしたが、シンチレータ２４でコンプトン散乱する場合がある。その場合、シンチレータ２４内で反跳電子と散乱ガンマ線が発生し、反跳電子のエネルギーが光電子増倍管に入射し記録され、散乱ガンマ線のエネルギーは外部へ放出される。更に、第１検出器１でコンプトン散乱を起こした際に発生する反跳電子が、第１検出器１内で停止せずに外部に出ていく場合がある。このような場合、測定された反跳電子又は散乱ガンマ線のエネルギーが不正確であるため、入射ガンマ線の方向が正しく求められない。そこで、第１検出器１と第２検出器２１とで得られた反跳電子のエネルギーＥｅと散乱ガンマ線のエネルギーＥｇの和が、入射ガンマ線のエネルギーＥ_０に、測定誤差範囲内で等しくならない場合、即ち、

である場合、そのデータの組は破棄することで、入射ガンマ線の検出精度を高く保つことができる。

入射ガンマ線のエネルギーが未知の場合でも、第１検出器１と第２検出器２１の測定データから、破棄するかどうか判断できる方法を示す。図６において、入射した４個のガンマ線のうち、第４のガンマ線２ｂ_３は、第１検出器１でコンプトン散乱せず、エネルギーを損失せずに第２検出器２１で検出されたとする。第１検出器１でコンプトン散乱を起こす場合、その散乱ガンマ線のエネルギーは広い分布をもち、鋭いピークを持たない。それに対して、第１検出器１でコンプトン散乱を起こさずにシンチレータで直接ガンマ線吸収される場合、第２検出器２１で得られるガンマ線エネルギーＥｂ_３の分布は、第２検出器２１のエネルギー分解能で決まる分布となりピークをもち、予め入射ガンマ線のエネルギーＥ_０が分からない場合でも、Ｅ_０が推定できるので、式１に従ったデータの組の破棄が可能となる。

（その他の実施形態）
（１）実施形態１〜４では、以下の形態を含む。
〔１〕電極に流れる電流または電極にかかる電圧が、予め決められた値を超えたときに露光を終了する、又は２次元画像を読み出す。これにより、一定値以下の信号は、反跳電子の個数が所定の値に達したときに、２次元画像を読み出すことができ、不要な読み出しを回避できる。更に、ノイズレベル以下信号を無視できる。
〔２〕表面電極６を分割せずに電流を測定するだけでもよく、電流Ｉａとコンデンサー蓄積電荷量から、各Ｘ線の入射時刻がわかる。
〔３〕表面電極の代わりに裏面電極９に流れる電流と時刻を測定してもよい。
〔４〕電極に流れる電流を測定するために電圧を測定してもよい。更に、個々のＸ線エネルギーは小さいため、所定のＸ線量入射後画像を読み出す場合、放射線測定器の前置増幅器の様に、個々のＸ線によって発生した電圧値を積分し、所定の電圧に達した後画像を読み出してもよい。

（２）実施形態１で、光電子のエネルギーが高い場合、１個の素子１では光電子が停止せずに素子１の裏面から離脱し、光電子のエネルギーが正確に求められない。そのような場合に関して、複数の素子１を積層することで、初めの素子１から離脱した光電子が、次の素子に入射してエネルギーを失って、やがて光電子が停止する。光電子の速度は光速に近いため、これらの素子で電子−正孔が発生される時刻は同時とみなせるので、同時刻に現れた各素子１で記録された電流計もしくは画像から算出した光電子のエネルギーの総和を出すことで光電子のエネルギーが正確に求めることが可能となる。

（３）実施形態５では、第２検出器２１として、シンチレータと光電子増倍管アレイの組み合わせを紹介したが、本発明に係る放射線検出器を使用してもよい。

１Ｘ線検出器
２ａ・２ｂガンマ線
３半導体基板
４電極
８コンデンサー

Claims

半導体基板と、前記半導体基板の両面に配置された電極とを有する放射線検出器であって、
前記半導体基板に入射した放射線により生成された電荷を蓄積する電荷蓄積部を、前記半導体基板の内部に複数有し、
前記電荷蓄積部に蓄積された電荷は、少なくとも一方の前記電極を通して、外部に読出し可能であることを特徴とする放射線検出器。
前記半導体基板の両面に配置された電極は、前記半導体基板の放射線入射側に配置された表面電極と、前記半導体基板の放射線入射側と対向する側に配置された裏面電極とからなり、前記表面電極は、複数配置され、各電極は、それぞれ電流計に接続されている請求項１に記載の放射線検出器。
前記表面電極と前記電荷蓄積部とは、それぞれの位置関係が対応付けされ、
前記表面電極の各々に電流が流れた時刻を計測することにより、前記表面電極の各々への放射線の入射時刻が特定される請求項２に記載の放射線検出器。
前記裏面電極は、複数配置され、前記表面電極とは、その長手方向が直交するように配置されている請求項２に記載の放射線検出器。
前記表面電極は、４つの角を有する形状の抵抗層であり、前記４つの角のうち、互いに対向する少なくとも２つの角には、信号線が接続されている請求項１に記載の放射線検出器。
前記表面電極の表面には、シンチレータが配置され、前記放射線は可視光である請求項１に記載の放射線検出器。
請求項１〜６の何れか１項に記載の放射線検出器と、
前記放射線検出器の前記裏面電極側に配置された第２の放射線検出器とからなるコンプトンカメラであって、
前記放射線検出器は、入射した放射線のコンプトン散乱により発生する反跳電子のエネルギーを検出し、
前記第２の放射線検出器は、前記コンプトン散乱による散乱ガンマ線のエネルギーを検出し、
前記反跳電子のエネルギーと前記散乱ガンマ線のエネルギーとから、入射した放射線の入射方向を特定し、画像化するコンプトンカメラ。
前記電極に流れる電流又は前記電極にかかる電圧が、予め決められた値を超えたときに露光を終了する請求項７に記載のコンプトンカメラ。
前記反跳電子のエネルギーＥｅと、前記散乱ガンマ線のエネルギーＥｇと、入射ガンマ線のエネルギーＥ_０と、推定される測定誤差に対して、

であるとき、前記放射線検出器及び前記第２の放射線検出器で得られたデータを破棄する請求項７に記載のコンプトンカメラ。