JP2022074778A - 放射線検出器 - Google Patents

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Abstract

【課題】検出精度の向上が可能な放射線検出器を提供する。【解決手段】実施形態によれば、放射線検出器は、第１層、第１導電層、第２導電層及び有機半導体層を含む。前記第１層は、第１有機物を含む。前記第１層は、前記第１層に入射するベータ線に基づいて光を放出し、前記光の前記強度の最高値の時刻から、前記光の強度が前記光の前記強度の最高値の１／２．７２になるまでの時間が１０ｎｓ以上である。前記第２導電層は、前記第１層と前記第１導電層との間に設けられる。前記有機半導体層は、前記第１導電層と前記第２導電層との間に設けられる。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、放射線検出器に関する。
例えば、有機半導体材料を用いた放射線検出器がある。放射線検出器において、検出精度の向上が望まれる。
米国特許第９３２１９５７号明細書
本発明の実施形態は、検出精度の向上が可能な放射線検出器を提供する。
本発明の実施形態によれば、放射線検出器は、第１層、第１導電層、第２導電層及び有機半導体層を含む。前記第１層は、第１有機物を含む。前記第１層は、前記第１層に入射するベータ線に基づいて光を放出し、前記光の強度の最高値の時刻から、前記光の前記強度が前記最高値の１／２．７２になるまでの時間が１０ｎｓ以上である。前記第２導電層は、前記第１層と前記第１導電層との間に設けられる。前記有機半導体層は、前記第１導電層と前記第２導電層との間に設けられる。
図１は、第１実施形態に係る放射線検出器を例示する模式的断面図である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は、第１実施形態に係る放射線検出器の一部を例示する模式図である。 図３は、第１実施形態に係る放射線検出器の一部を例示する模式図である。 図４は、第１実施形態に係る放射線検出器の一部を例示する模式図である。 図５は、第１実施形態に係る放射線検出器の一部を例示する模式図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、放射線検出器の特性を例示する模式図である。 図７は、放射線検出器の特性を例示するグラフ図である。 図８は、第２実施形態に係る放射線検出器を例示する模式的断面図である。 図９は、第２実施形態に係る放射線検出器を例示する模式的断面図である。 図１０は、第２実施形態に係る放射線検出器を例示する模式的断面図である。 図１１は、第２実施形態に係る放射線検出器を例示する模式的断面図である。 図１２は、第３実施形態に係る放射線検出器を例示する模式的断面図である。 図１３は、第４実施形態に係る放射線検出器を例示する模式的斜視図である。
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚さと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る放射線検出器を例示する模式的断面図である。
図２（ａ）、図２（ｂ）、及び、図３～図５は、第１実施形態に係る放射線検出器の一部を例示する模式図である。
図１に示すように、本実施形態に係る放射線検出器１１０は、第１層１０、第１導電層５１、第２導電層５２及び有機半導体層３０を含む。
第２導電層５２は、第１層１０と第１導電層５１との間に設けられる。有機半導体層３０は、第１導電層５１と第２導電層５２との間に設けられる。
第１層１０は、第１有機物１１を含む。第１層１０は、第２有機物１２をさらに含んでも良い。第２有機物１２は、光透過性である。可視光の波長の光に対する第２有機物１２の透過率は、例えば、８５％以上である。図１に示すように、第１層１０は、第１有機物１１を含む複数の領域１１Ｒを含んでも良い。複数の領域１１Ｒの周りに第２有機物１２がある。
第２有機物１２は、例えば、図３に例示するポリビニルトルエンなどを含んで良い。第２有機物１２は、例えば、ポリビニルトルエン、ポリビニルカルバゾール、及び、ポリメチルメタクリレートよりなる群から選択された少なくとも１つを含む。
実施形態において、第１層１０における第１有機物１１の濃度は、例えば、０．０５ｗｔ％以上４０ｗｔ％以下である。
図２（ａ）は、第１有機物１１の例を示している。この例では、第１有機物１１は、２，４，５，６－テトラ（９Ｈ-カルバゾール－９－イル）－５－フルオロベンゾニトリルを含む。図２（ｂ）は、第１有機物１１の別の例を示している。この例では、第１有機物１１は、２，４，５，６－テトラ（９Ｈ-カルバゾール－９－イル）イソフタロニトリル）を含む。後述するように、第１有機物１１は、熱活性遅延蛍光材料を含んでも良い。例えば、第１有機物１１の励起三重項状態のエネルギーと、第１有機物１１の励起一重項状態のエネルギーと、の差は、５００ｍｅＶ以下である。このような第１有機物１１において、発光の寿命が長い。
図１に示すように、有機半導体層３０は、ｐ形領域３２ｐ及びｎ形領域３２ｎを含む。ｐ形領域３２ｐ及びｎ形領域３２ｎは、有機半導体３２に含まれる。
図４は、ｐ形領域３２ｐを例示している。この例では、ｐ形領域３２ｐは、Ｐ３ＨＴ（Poly（3-hexylthiophene））を含む。
図５は、ｎ形領域３２ｎを含む。例えば、ｎ形領域３２ｎは、フラーレン誘導体を含む。この例では、ｎ形領域３２ｎは、ＰＣ６１ＢＭ（[6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester）を含む。このように、例えば、有機半導体層３０は、ポリチオフェンと、フラーレン誘導体と、を含む。
図１に示すように、第２導電層５２から第１導電層５１への第１方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向及びＸ軸方向に対して垂直な方向をＹ軸方向とする。第１方向は、積層方向である。
例えば、第１導電層５１、第２導電層５２及び有機半導体層３０は、Ｘ－Ｙ平面に沿って広がる。第１層１０は、Ｘ－Ｙ平面に沿って広がる。
図１に示すように、第１層１０は、Ｚ軸方向に沿う厚さ（第１厚さｔ１）を有する。後述するように、実施形態において、第１厚さｔ１は、５０μｍ以上５０００μｍ以下であることが好ましい。例えば、高い検出精度が得られる。
図１に示すように、有機半導体層３０は、Ｚ軸方向に沿う厚さ（第２厚さｔ２）を有する。後述するように、実施形態において、第２厚さｔ２は、５００ｎｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。例えば、高い検出精度が得られる。
この例では、検出回路７０が設けられる。検出回路７０は、第１導電層５１及び第２導電層５２と電気的に接続される。例えば、第１配線７１により、検出回路７０が第１導電層５１と電気的に接続される。例えば、第２配線７２により、検出回路７０が第２導電層５２と電気的に接続される。検出回路７０は、第１層１０に入射する放射線８１の強度に応じた信号ＯＳを出力する。
放射線８１は、例えば、ベータ線を含む。放射線８１は、例えば、ガンマ線を含んでも良い。放射線８１は、例えば、第１層１０の側から入射する。
放射線８１が第１層１０に入射すると、第１層１０において、光が生じる。生じた光は、第２導電層５２を通過して、有機半導体層３０に入射する。入射した光に基づいて、有機半導体層３０において、移動可能な電荷が生じる。検出回路７０により、第１導電層５１と第２導電層５２との間に電圧が印加される。これにより、生じた電荷が第１導電層５１または第２導電層５２に向けて移動する。移動した電荷が検出回路７０により検出される。これにより、検出対象の放射線８１が検出できる。有機半導体層３０は、例えば、光電変換層として機能する。
第１層１０は、例えば、シンチレータとして機能する。第１層１０は、無機シンチレータではない。
無機シンチレータを用いる第１参考例の場合、ベータ線だけでなく、ガンマ線が入射したときにも、光が発生する。このため、第１参考例においては、ベータ線をガンマ線と分離して検出する用途の場合、ガンマ線の影響を受けて、ベータ線を高い精度で検出することが困難である。
実施形態においては、第１層１０は、有機材料による層である。第１層１０が過度に厚くない場合、ガンマ線が第１層１０に入射したときに、ガンマ線は、第１層１０を実質的に通過する。第１層１０において、ガンマ線に起因する光はわずかである。このため、第１層１０は、ガンマ線についての感度を実質的に有しない。ベータ線の検出において、ガンマ線の影響を抑制できる。
第２参考例においては、第１有機物１１を含まない有機シンチレータが用いられる。第２参考例においても、有機シンチレータが過度に厚くない場合は、ガンマ線は、第１層１０を通過する。このため、第２参考例においても、ベータ線の検出において、ガンマ線の影響を抑制できる。しかしながら、第１有機物１１を用いない第２参考例においては、ベータ線に対する感度が低い。すなわち、第２参考例において、有機シンチレータが過度に厚くない場合は、ガンマ線及びベータ線の両方の感度が低い。有機シンチレータを厚くすると、ベータ線の感度だけではなく、ガンマ線の感度も上昇してしまう。このため、第２参考例において、ガンマ線の影響を抑制しつつ、ベータ線を高い精度で検出することが困難である。
これに対して、実施形態においては、シンチレータとして機能する第１層１０は、第１有機物１１を含む。第１層１０に入射するガンマ線は、第１層１０を実質的に通過する。第１層１０に入射するベータ線に基づいて第１有機物１１から効率的に光が生じる。光は、例えば、蛍光である。この光の強度は高い。高い強度の光が、第２導電層５２を通過して有機半導体層３０に入射する。有機半導体層３０において、高い強度の光が電荷に変換され、高い強度の信号ＯＳが得られる。
実施形態によれば、例えば、ガンマ線の影響を抑制して、ベータ線を高い感度で検出できる。実施形態によれば、検出精度の向上が可能な放射線検出器が提供できる。
実施形態において、第１層１０が上記のような第１有機物１１を含む場合において、ガンマ線の影響を抑制して、ベータ線を高い感度で検出できることが分かった。以下、本願発明者が行った実験の結果の例について説明する。
第１試料において、第１層１０は、２，４，５，６－テトラ（９Ｈ-カルバゾール－９－イル）－５－フルオロベンゾニトリルと、ポリビニルカルバゾールと、を含む。第１層１０における、２，４，５，６－テトラ（９Ｈ-カルバゾール－９－イル）－５－フルオロベンゾニトリルの濃度は、１０ｗｔ％である。第１層１０の第１厚さｔ１は、２２０μｍである。有機半導体層３０は、Ｐ３ＨＴ及びＰＣ６１ＢＭを含む。有機半導体層３０の第２厚さｔ２は、５μｍである。
第２試料において、第１層１０は、２-（４－ターシャリーブチルフェニル）－５－（４－ビフェニリル）－１，３，４－オキサジアゾールを含む。第１層１０は、上記の第１有機物１１を含まない。第２試料におけるこれ以外の条件は、第１試料と同じである。
これらの試料にベータ線を照射してベータ線の検出効率が測定される。実験では、ストロンチウム９０から生じるベータ線が用いられる。第１試料におけるベータ線の検出効率は、第２試料におけるベータ線の検出効率の約１５倍である。
これらの試料にベータ線とガンマ線とを含む放射線８１を照射して、これらの放射線８１におけるベータ線の検出選択性が測定される。ベータ線の検出選択性は、ガンマ線の検出信号の強度に対するベータ線の検出信の強度の比である。第１試料におけるベータ線の検出選択性は、第２試料におけるベータ線の検出選択性２．５倍である。
このように、第１層１０が、第１有機物１１を含むことで、ベータ線について、高い検出効率が得られることが分かった。ベータ線について、高い検出選択性が得られることが分かった。
第３試料において、第１層１０は、無機シンチレータを含む。第１層１０の第１厚さｔ１は、２２０μｍである。第３試料におけるこれ以外の条件は、第１試料と同じである。第３試料においては、ベータ線の検出効率が低い。さらに、ベータ線の検出選択性が低い。これは、第１層１０が無機シンチレータを含む場合、第１層１０がガンマ線を吸収し易く、ガンマ線に基づく光が生じやすいためであると考えられる。
第４試料における第１層１０は、上記の第１試料における第１層１０と同じである。第４試料においては、有機半導体層３０の代わりに、無機半導体層が設けられる。第４試料においては、ベータ線の検出効率が低い。さらに、ベータ線の検出選択性が低い。これは、無機半導体層において、ガンマ線に基づく電荷が生じやすいためであると考えられる。
このように、第１試料においては、ベータ線についての高い検出効率及び高い検出選択性が得られる。これは、第１有機物１１で生じる光の特性が、有機半導体層３０における光電変換特性に適合しているからであると考えられる。第１有機物１１で生じる光の寿命は、上記の第２試料における２-（４－ターシャリーブチルフェニル）－５－（４－ビフェニリル）－１，３，４－オキサジアゾールで生じる光の寿命よりも長い。
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、放射線検出器の特性を例示する模式図である。
これらの図の横軸は、時間ｔｍである。図６（ａ）の軸は、ベータ線の強度ＩＢである。図６（ｂ）の縦軸は、ベータ線が有機材料に入射したときに有機材料で生じる光の強度ＩＬである。図６（ｂ）に示すように、ベータ線に基づいて光が生じる。光の強度ＩＬは、最高値ｐｋを有する。光の強度ＩＬは、最高値ｐｋが生じた後に減衰し、最高値ｐｋの１／２．７２の値になる時刻が存在する。ベータ線の照射後に、光の強度ＩＬの最高値ｐｋとなる時刻から、光の強度ＩＬが、光の強度ＩＬの最高値ｐｋの１／２．７２になるまでの時間を発光寿命ｔｄとする。「最高値ｐｋの１／２．７２」は、例えば、「最高値ｐｋの１／ｅ」（ｅは、ネイピア数）に対応する。ネイピア数ｅは、自然対数の底であり、約２．７１８２８である。
第１有機物１１においては、発光寿命ｔｄが長い。例えば、第１有機物１１における発光寿命ｔｄは、例えば、１０ｎｓ以上である。第２試料における有機材料にける発光寿命は、例えば、５ｎｓ以下である。このように、第１有機物１１の発光寿命ｔｄが長いことが、ベータ線についての高い検出効率及び高い検出選択性が得られることと関係していると考えられる。
実施形態においては、光電変換層として有機半導体層３０が用いられる。これにより、ガンマ線が光電変換特性に与える影響が抑制できる。一般に、有機半導体層３０における電荷の移動の速度（移動度）は、無機半導体層における電荷の移動の速度（移動度）よりも遅い。このため、第１層１０が、有機半導体層３０中の電荷の移動に要する時間に適合するような発光寿命ｔｄを有するときに、ベータ線についての高い検出効率及び高い検出選択性が得られる。
このように、実施形態においては、ベータ線が第１層１０に入射してから光の強度ＩＬが光の強度ＩＬの最高値ｐｋの１／２．７２になるまでの時間（発光寿命ｔｄ）が１０ｎｓ以上であることが好ましい。発光寿命ｔｄは、１００ｎｓ以上でも良い。発光寿命ｔｄは、３００ｎｓ以上でも良い。発光寿命ｔｄが過度に長いと、例えば、ベータ線の別の入射に基づく信号との分離が困難になり易くなる。発光寿命ｔｄは、例えば、１００μｓ以下でも良い。分離が容易になる。
実施形態において、第１有機物１１は、熱活性遅延蛍光材料を含むことが好ましい。これにより、長い発光寿命ｔｄが得易くなる。例えば、第１有機物１１の励起三重項状態のエネルギーと、第１有機物１１の励起一重項状態のエネルギーと、の差は、５００ｍｅＶ以下である。これにより、長い発光寿命ｔｄが得易くなる。
実施形態において、ベータ線が第１層１０に入射したときに得られる信号ＯＳ（図１参照）の強度は、他の放射線（ガンマ線、中性子線またはＸ線など）が第１層１０に入射したときに得られる信号ＯＳの強度よりも高い。例えば、ベータ線が第１層１０に入射したときに第１導電層５１と第２導電層５２との間に生じる第１信号の感度（強度）は、ガンマ線、中性子線及びＸ線の少なくともいずれかが第１層１０に入射したときに第１導電層５１と第２導電層５２との間に生じる第２信号の感度（強度）よりも高い。
図７は、放射線検出器の特性を例示するグラフ図である。
図７の横軸は、発光寿命ｔｄである。縦軸は、ベータ線検出効率Ｅ１（相対値）である。図７には、第１層１０として、異なる材料が用いられたときの実験結果の例が記載されている。第１試料において、第１層１０は、２，４，５，６－テトラ（９Ｈ-カルバゾール－９－イル）－５－フルオロベンゾニトリルを含む。第１試料において、発光寿命ｔｄは、約１００００ｎｓである。第２試料において、第１層１０は、２-（４－ターシャリーブチルフェニル）－５－（４－ビフェニリル）－１，３，４－オキサジアゾールを含む。第２試料において、発光寿命ｔｄは、１．４ｎｓである。第５試料において、第１層１０は、２，４，５，６－テトラ（９Ｈ-カルバゾール－９－イル）イソフタロニトリル）を含む。第５試料において、発光寿命ｔｄは、約３４００ｎｓである。第６試料における発光寿命ｔｄは、３１６ｎｓである。これらの試料において、有機半導体層３０は、Ｐ３ＨＴ及びＰＣ６１ＢＭを含む。有機半導体層３０の第２厚さｔ２は、５μｍである。
図７に示すように、発光寿命ｔｄが長いと、高いベータ線検出効率Ｅ１が得られる。実施形態において、発光寿命ｔｄは、１０μｓ以上であることが好ましい。図７の例の試料において、有機半導体層３０の第２厚さｔ２は、５μｍである。有機半導体層３０の第２厚さｔ２に対する発光寿命ｔｄの比は、例えば、１０μｓ／５μｍ以上、すなわち、２ｓ／ｍ以上であることが好ましい。
実施形態において、有機半導体層３０の第２厚さｔ２が厚いことで、第１導電層５１と第２導電層５２との間の静電容量が小さくできる。これにより、例えば、測定系におけるノイズを低減できる。有機半導体層３０の第２厚さｔ２が厚くなると、有機半導体層３０で生じた電荷の移動距離が長くなる。例えば、有機半導体層３０の第２厚さｔ２が厚く、電荷の長い移動距離に対応して、発光寿命ｔｄを長くすることで、高いベータ線検出効率Ｅ１が得られると考えられる。
有機半導体における電荷の移動度は、無機半導体（例えば結晶シリコンなど）に比べて、著しく低い。結晶シリコンの場合は、電荷の輸送は、バンド伝導に基づく。これに対して、有機半導体においては、電荷の輸送は、非晶質性または多結晶の膜におけるホッピング伝導に基づく。伝導機構の違いが、電荷の移動度の違いに関係している。例えば、シリコンフォトダイオードの場合、応答時間は、０．１μｓ以上１μｓ以下程度である。これに対して、有機半導体による光検出系においては、応答時間は、１０μｓ以上１００μｓ以下程度である。このような長い応答時間に対応した長い発光寿命ｔｄにより、高いベータ線検出効率Ｅ１が得られると考えられる。
実施形態において、第２厚さｔ２は、５００ｎｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。第２厚さｔ２が５００ｎｍ以上であることで、ノイズを低減でき、高い検出精度が得られる。第２厚さｔ２が５０μｍ以下であることで、ベータ線の検出において、高い検出時間分解能が得られる。このような厚さの範囲において、有機半導体層３０の第２厚さｔ２に対する発光寿命ｔｄの比は、例えば、０．１ｓ／ｍ以上１００ｓ／ｍ以下であることが好ましい。低いノイズと、高い検出時間分解能と、を得つつ、高いベータ線検出効率Ｅ１が得られる。
実施形態において、第１層１０は、原子番号が１９以上の金属元素を含まないことが好ましい。または、第１層１０における原子番号が１９以上の金属元素の濃度は、１０ｗｔ％以下であることが好ましい。第１層１０がこのような金属元素を実質的に含まないことで、ベータ線の検出選択性が高い。
実施形態において、第１層１０の第１厚さｔ１は、有機半導体層３０の第２厚さｔ２の５倍以上１０００倍以下であることが好ましい。例えば、低いノイズと、高い検出時間分解能と、が得易い。高いベータ線検出効率Ｅ１が得られる。
第１有機物１１は、例えば、２，４，５，６－テトラ（９Ｈ-カルバゾール－９－イル）イソフタロニトリル）、２，４，６－トリス（４－（９，９－ジメチルアクリダン－１０－イル）フェニル）－１，３，５－トリアジン、１０－（４－（ビス（２，３，５－テトラメチルフェニル）ボラニル）－２，３，５－テトラメチルフェニル）－１０Ｈ-フェニキサジン、２，４，６－トリ（９Ｈ－カルバゾル－９－イル）－３，５－ジフルオロベンゾニトリル、及び、９－［１，４］ベンズオキサボリノ［２，３，４－ｋｌ］フェノオキサボリン－７－イル－１，３，６，８－テトラメチル－９Ｈ－カルバゾール、よりなる群から選択された少なくとも１つを含んでも良い。
実施形態において、ｐ形領域３２ｐは、例えば、ポリチオフェン及びポリチオフェンの誘導体の少なくともいずれかを含む。これらの化合物は、例えば、π共役構造を有する導電性高分子である。ポリチオフェン及びポリチオフェンの誘導体は、例えば、優れた立体規則性を有する。これらの材料においては、溶媒への溶解性が比較的高い。ポリチオフェン及びポリチオフェンその誘導体は、チオフェン骨格を有する。ｐ形領域３２ｐは、例えば、ポリアリールチオフェン、ポリアルキルイソチオナフテン及びポリエチレンジオキシチオフェンよりなる群から選択された少なくとも１つを含む。上記のポリアリールチオフェンは、例えば、ポリアルキルチオフェン、ポリ（３－フェニルチオフェン）、及び、ポリ（３－（ｐ－アルキルフェニルチオフェン））よりなる群から選択された少なくとも１つを含む。ポリアルキルチオフェンは、例えば、ポリ（３－メチルチオフェン）、ポリ（３－ブチルチオフェン）、ポリ（３－ヘキシルチオフェン）、ポリ（３－オクチルチオフェン）、ポリ（３－デシルチオフェン）、及び、ポリ（３－ドデシルチオフェン）よりなる群から選択された少なくとも１つを含む。
上記のポリアルキルイソチオナフテンは、例えば、ポリ（３－ブチルイソチオナフテン）、ポリ（３－ヘキシルイソチオナフテン）、ポリ（３－オクチルイソチオナフテン）、及び、ポリ（３－デシルイソチオナフテン）よりなる群から選択された少なくとも１つを含む。ｐ形領域３２ｐは、ポリチオフェン誘導体を含んでも良い。このポリチオフェン誘導体は、例えば、カルバゾール、ベンゾチアジアゾール、及び、チオフェンの共重合体よりなる群から選択された少なくとも１つを含む。このチオフェンの共重合体は、例えば、ポリ［Ｎ－９”－ヘプタ－デカニル－２，７－カルバゾール－アルト－５，５－（４’，７’－ジ－２－チエニル－２’，１’，３’－ベンゾチアジアゾール）］（ＰＣＤＴＢＴ）を含む。ｐ形領域３２ｐがポリチオフェン及びポリチオフェンの誘導体を含むことにより、例えば、高い変換効率が得られる。
実施形態において、ｎ形領域３２ｎは、例えば、フラーレン及びフラーレン誘導体を含む。フラーレン誘導体は、フラーレン骨格を有する。フラーレン及びフラーレン誘導体は、例えば、Ｃ６０、Ｃ７０、Ｃ７６、Ｃ７８及びＣ８４よりなる群から選択された少なくとも１つを含む。フラーレン誘導体は、酸化フラーレンを含む。酸化フラーレンにおいて、これらのフラーレンの炭素原子の少なくとも一部が酸化されている。フラーレン誘導体は、フラーレン骨格の一部の炭素原子が任意の官能基で修飾される。フラーレン誘導体は、これらの官能基どうしが互いに結合して形成された環を含んでも良い。フラーレン誘導体は、フラーレン結合ポリマーを含んでも良い。ｎ形領域３２ｎは、溶剤に親和性の高い官能基を有するフラーレン誘導体を含むことが好ましい。この化合物においては、溶媒への可溶性が高い。フラーレン誘導体に含まれる官能基は、例えば、水素原子、水酸基、ハロゲン原子、アルキル基、アルケニル基、シアノ基、芳香族炭化水素基、及び、芳香族複素環基よりなる群から選択された少なくともいずれかを含んでも良い。ハロゲン原子は、例えば、フッ素原子及び塩素原子よりなる群から選択された少なくとも１つを含む。アルキル基は、例えば、メチル基及びエチル基よりなる群から選択された少なくとも１つを含む。アルケニル基は、例えば、ビニル基を含む。アルコキシ基は、例えば、メトキシ基及びエトキシ基よりなる群から選択された少なくとも１つを含む。芳香族炭化水素基は、例えば、フェニル基及びナフチル基よりなる群から選択された少なくとも１つを含む。芳香族複素環基は、例えば、チエニル基及びピリジル基よりなる群から選択された少なくとも１つを含む。
フラーレン誘導体は、例えば、水素化フラーレンを含んでも良い。水素化フラーレンは、例えば、Ｃ６０Ｈ３６及びＣ７０Ｈ３６よりなる群から選択された少なくとも１つを含む。フラーレン誘導体は、例えば、酸化フラーレンを含む。酸化フラーレンにおいて、Ｃ６０またはＣ７０が酸化される。フラーレン誘導体は、例えば、フラーレン金属錯体を含んでも良い。
フラーレン誘導体は、例えば、［６，６］－フェニルＣ６１酪酸メチルエステル（６０ＰＣＢＭ）、［６，６］－フェニルＣ７１酪酸メチルエステル（７０ＰＣＢＭ）、インデン－Ｃ６０ビス付加物（６０ＩＣＢＡ）、ジヒドロナフチル－Ｃ６０ビス付加物（６０ＮＣＢＡ）、及び、ジヒドロナフチル－Ｃ７０ビス付加物（７０ＮＣＢＡ）よりなる群から選択された少なくとも１つを含んでも良い。６０ＰＣＢＭは、未修飾のフラーレンである。６０ＰＣＢＭにおいては、光キャリアの移動度が高い。
ｐ形領域３２ｐ及びｎ形領域３２ｎの少なくともいずれかは、例えば、サブフタロシアニン系化合物、サブナフタロシアニン系化合物、メロシアニン系化合物、スクワリリウム系化合物、フタロシアニン系化合物、キナクリドン系化合物、及び、ペリレン系化合物よりなる群から選択された少なくとも１つを含んでも良い。これらの材料は、低分子系化合物である。
（第２実施形態）
図８は、第２実施形態に係る放射線検出器を例示する模式的断面図である。
図８に示すように、第２実施形態に係る放射線検出器１２１は、第１層１０、第１導電層５１、第２導電層５２及び有機半導体層３０に加えて、第２層２０をさらに含む。第２実施形態における、第１層１０、第１導電層５１、第２導電層５２及び有機半導体層３０は、第１実施形態における、第１層１０、第１導電層５１、第２導電層５２及び有機半導体層３０と同様でも良い。以下、第２層２０の例について説明する。
第２層２０は、第１層１０と第２導電層５２との間に設けられる。第２層２０は、有機層２５を含む。有機層２５は、例えば、ＰＥＴ、ＰＥＮ、透明ポリイミド、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、及びポリカーボネートよりなる群から選択された少なくとも１つを含む。有機層２５は、例えば、有機フィルムである。
第２層２０の厚さｔ２０は、例えば、１０μｍ以上３００μｍ以下である。有機層２５の厚さｔ２５は、例えば、１０μｍ以上３００μｍ以下である。この例では、厚さｔ２０は、厚さｔ２５に対応する。
第２層２０は、光透過性である。第１層１０で生じた光は、第２層２０及び第２導電層５２を通過して、有機半導体層３０に入射可能である。
第２層２０を設けることで、第１層１０に含まれる物質が第２導電層５２及び有機半導体層３０に向けて移動することが抑制できる。高い信頼性が得易くなる。
第２層２０が有機層２５を含むことで、ガンマ線が入射した場合にも、ガンマ線が第２層２０で光に変換されることが抑制できる。ガンマ線の影響を抑制しつつベータ線を高い精度で検出できる。第２層２０は、例えば、基体として機能する。第２層２０により、放射線検出器１２１の機械的な強度が向上する。
図９は、第２実施形態に係る放射線検出器を例示する模式的断面図である。
図９に示すように、第２実施形態に係る放射線検出器１２２においても、第１層１０、第１導電層５１、第２導電層５２、有機半導体層３０及び第２層２０が設けられる。放射線検出器１２２においては、第２層２０は、第１中間層２１を含む。第１中間層２１は、例えば、酸窒化シリコンを含む。第１中間層２１は、酸化シリコン、窒化シリコン、または、酸化アルミニウムなどを含んでも良い。第１中間層２１により、例えば、高いバリア性が得られる。例えば、第１層１０に含まれる物質が第２導電層５２及び有機半導体層３０に向けて移動することが抑制できる。高い信頼性が得易くなる。
第１中間層２１の厚さｔ２１が薄いことが好ましい。厚さｔ２１が過度に厚いと、ガンマ線が入射したときに、第１中間層２１で光に変換される場合がある。厚さｔ２１が薄いことで、ガンマ線の影響を抑制できる。厚さｔ２１は、例えば、２μｍ以下である。
図１０及び図１１は、第２実施形態に係る放射線検出器を例示する模式的断面図である。
図１０に示すように、第２実施形態に係る放射線検出器１２３においては、第２層２０は、有機層２５及び第１中間層２１を含む。図１１に示すように、第２実施形態に係る放射線検出器１２４においては、第２層２０は、有機層２５、第１中間層２１及び第２中間層２２を含む。第２層２０は、第１中間層２１及び第２中間層２２の少なくともいずれかを含んでも良い。
第１中間層２１は、有機層２５と第２導電層５２との間に設けられる。第１中間層２１は、シリコン及びアルミニウムの少なくともいずれかを含む第１元素を含む。第２中間層２２は、第１層１０と有機層２５との間に設けられる。第２中間層２２は、シリコン及びアルミニウムの少なくともいずれかを含む第２元素を含む。第１中間層２１は、例えば、酸素及び窒素の少なくともいずれかと、上記の第１元素と、を含む。第１中間層２１は、例えば、酸窒化シリコンを含む。第２中間層２２は、酸素及び窒素の少なくともいずれかと、上記の第２元素と、を含む。第２中間層２２は、例えば、酸窒化シリコンを含む。
第１中間層２１の厚さｔ２１（図１０参照）は、有機層２５の厚さｔ２５（図８参照）の１／６００倍以上１／５倍以下である。第２中間層２２の厚さｔ２２は、有機層２５の厚さｔ２５の１／６００倍以上１／５倍以下である。これらの中間層の厚さが薄いことで、ガンマ線の影響を抑制しつつ、ベータ線を高精度で検出できる。
第１中間層２１及び第２中間層２２の少なくともいずれかにより、例えば、高いバリア性が得られる。例えば、第１層１０に含まれる物質が第２導電層５２及び有機半導体層３０に向けて移動することが抑制できる。高い信頼性が得易くなる。
（第３実施形態）
図１２は、第３実施形態に係る放射線検出器を例示する模式的断面図である。
図１２に示すように、第３実施形態に係る放射線検出器１３０は、第１層１０、第１導電層５１、第２導電層５２、有機半導体層３０及び第２層２０に加えて、構造体４０を含む。放射線検出器１３０における、第１層１０、第１導電層５１、第２導電層５２、有機半導体層３０及び第２層２０には、第１実施形態及び第２実施形態に関して説明した構成が適用できる。この例では、第２層２０は、有機層２５、第１中間層２１及び第２中間層２２を含む。放射線検出器１３０において、第２層２０は、第１中間層２１及び第２中間層２２の少なくともいずれかを含んでも良い。以下、構造体４０の例について説明する。
構造体４０は、第１部分領域４１、第２部分領域４２及び第３部分領域４３を含む。第１方向（例えば、Ｚ軸方向）において、第１層１０と第１部分領域４１との間に第２層２０がある。第１方向において、第２層２０と第１部分領域４１との間に、第１導電層５１、第２導電層５２及び有機半導体層３０がある。このように、第１導電層５１、第２導電層５２及び有機半導体層３０を含む積層体ＳＢが、第２層２０と第１部分領域４１との間に設けられる。
第１方向と交差する第２方向において、第２部分領域４２と第３部分領域４３との間に、積層体ＳＢ（第１導電層５１、第２導電層５２及び有機半導体層３０）がある。第２方向は、第１方向（Ｚ軸方向）と交差する任意の方向である。この例では、第２方向は、Ｘ軸方向である。例えば、第２部分領域４２と第３部分領域４３は、Ｘ－Ｙ平面内（第１方向と交差する平面内）で、積層体ＳＢの周りに設けられる。例えば、第２部分領域４２と第３部分領域４３は、Ｘ－Ｙ平面内で、積層体ＳＢを囲む。第２部分領域４２及び第３部分領域４３は、第２層２０と接合される。例えば、第２部分領域４２及び第３部分領域４３は、第２層２０と直接的に接合されても良い。例えば、第２部分領域４２及び第３部分領域４３は、第２層２０と、接着層などを介して接合されても良い。
例えば、有機半導体層３０は、第２層２０及び構造体４０により封止される。例えば、第２層２０及び構造体４０は、封止部として機能する。第２層２０及び構造体４０により、高い信頼性が得られる。
（第４実施形態）
図１３は、第４実施形態に係る放射線検出器を例示する模式的斜視図である。
図１３に示すように、第４実施形態に係る放射線検出器１４０は、第１層１０、第１導電層５１、第２導電層５２、有機半導体層３０及び第２層２０を含む。放射線検出器１４０において、構造体４０が設けられても良い。図１３においては、図の見やすさのために、放射線検出器１４０に含まれる要素の一部が互いに離されて描かれている。
放射線検出器１４０においては、複数の第２導電層５２が設けられる。複数の第２導電層５２は、Ｚ軸方向と交差する面（例えばＸ－Ｙ平面）に沿って並ぶ。複数の第２導電層５２は、例えば、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿って、マトリクス状に並ぶ。この例では、第１導電層５１及び有機半導体層３０は、連続的に設けられる。
実施形態において、第２導電層５２は、例えば、金属酸化物膜を含む。金属酸化物膜、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、及び、ＩＴＯよりなる群から選択された少なくとも１つを含む。
第１導電層５１は、例えば、金属薄膜を含む。第１導電層５１は、例えば、合金を含む膜を含む。第１導電層５１は、例えば、導電性の金属酸化物を含んでも良い。第１導電層５１は、例えば、光反射性を有しても良い。有機半導体層３０における光電変換の効率が向上できる。
有機半導体層３０と第１導電層５１との間、及び、有機半導体層３０と第２導電層５２との間の少なくともにいずれかに中間層が設けられても良い。中間層は、例えば、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを含む。中間層は、ポリチオフェン系ポリマーを含む。
実施形態において、放射線検出器は、第１導電層５１及び第２導電層５２と電気的に接続された検出回路７０（図１などを参照）を含んでも良い。検出回路７０は、第１層１０に入射する放射線８１の強度に応じた信号ＯＳを出力する。ベータ線に対する信号ＯＳの感度は、ガンマ線に対する信号ＯＳの感度よりも高い。ベータ線の強度の変化に対する信号ＯＳの変化の比は、ガンマ線の強度の変化に対する信号ＯＳの変化の比よりも高い。実施形態において、ガンマ線の影響を抑制しつつ、ベータ線を高い精度で検出できる。
実施形態によれば、検出精度の向上が可能な放射線検出器が提供できる。
本願明細書において、「電気的に接続される状態」は、複数の導電体が物理的に接してこれら複数の導電体の間に電流が流れる状態を含む。「電気的に接続される状態」は、複数の導電体の間に、別の導電体が挿入されて、これらの複数の導電体の間に電流が流れる状態を含む。
本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。
以上、例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの例に限定されるものではない。例えば、放射線検出器に含まれる導電層、第１層、有機半導体層及び第１有機物などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
各例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
本発明の実施の形態として上述した放射線検出器を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての放射線検出器も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０…第１層、 １１…第１有機物、 １１Ｒ…領域、 １２…第２有機物、 ２０…第２層、 ２１、２２…第１、第２中間層、 ２５…有機層、 ３０…有機半導体層、 ３２…有機半導体、 ３２ｎ…ｎ形領域、 ３２ｐ…ｐ形領域、 ４０…構造体、 ４１～４３…第１～第３部分領域、 ５１、５２…第１、第２導電層、 ７０…検出回路、 ７１、７２…第１、第２配線、 ８１…放射線、 １１０、１２１～１２４、１３０、１４０…放射線検出器、 Ｅ１…ベータ線検出効率、 ＩＢ…強度、 ＩＬ…強度、 ＯＳ…信号、 ＳＢ…積層体、 ｐｋ…最高値、 ｔ１、ｔ２、ｔ２０、ｔ２１、ｔ２２、ｔ２５…厚さ、 ｔｄ…発光寿命、 ｔｍ…時間

Claims (6)

  1. 第１有機物を含む第１層であって、前記第１層は、前記第１層に入射するベータ線に基づいて光を放出し、前記光の強度の最高値の時刻から、前記光の前記強度が前記最高値の１／２．７２になるまでの時間が１０ｎｓ以上である、前記第１層と、
    第１導電層と、
    前記第１層と前記第１導電層との間に設けられた第２導電層と、
    前記第１導電層と前記第２導電層との間に設けられた有機半導体層と、
    を備えた、放射線検出器。
  2. 前記有機半導体層の厚さに対する前記時間は、０．１ｓ／ｍ以上１００ｓ／ｍ以下である、請求項１記載の放射線検出器。
  3. 前記ベータ線が前記第１層に入射したときに前記第１導電層と前記第２導電層との間に生じる第１信号の感度は、ガンマ線、中性子線及びＸ線の少なくともいずれかが前記第１層に入射したときに前記第１導電層と前記第２導電層との間に生じる第２信号の感度よりも高い、請求項１または２に記載の放射線検出器。
  4. 前記第１有機物は、２，４，５，６－テトラ（９Ｈ-カルバゾール－９－イル）イソフタロニトリル）、２，４，６－トリス（４－（９，９－ジメチルアクリダン－１０－イル）フェニル）－１，３，５－トリアジン、１０－（４－（ビス（２，３，５－テトラメチルフェニル）ボラニル）－２，３，５－テトラメチルフェニル）－１０Ｈ-フェニキサジン、２，４，６－トリ（９Ｈ－カルバゾル－９－イル）－３，５－ジフルオロベンゾニトリル、及び、９－［１，４］ベンズオキサボリノ［２，３，４－ｋｌ］フェノオキサボリン－７－イル－１，３，６，８－テトラメチル－９Ｈ－カルバゾールよりなる群から選択された少なくとも１つを含む、請求項１～３のいずれか１つに記載の放射線検出器。
  5. 前記有機半導体層は、ポリチオフェンと、フラーレン誘導体と、を含む、請求項１～４のいずれか１つに記載の放射線検出器。
  6. 前記有機半導体層は、Poly（3-hexylthiophene）と、[6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl esterと、を含む、請求項１～５のいずれか１つに記載の放射線検出器。
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