JP2022538540A - 放射線検出器およびその製造するための方法 - Google Patents
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Abstract
放射線検出器および放射線検出器を製造するための方法を提供することが目的である。一実施形態によれば、放射線検出器は、少なくとも１つのピクセルを含むフォトダイオード層と、発光物質およびポリマーを含む少なくとも１つの幾何学的形状を含むシンチレータ層であって、発光物質は入射電離放射線を非電離電磁放射線に変換するように構成され、少なくとも１つの幾何学的形状は変換された電磁放射線の少なくとも一部を少なくとも１つのピクセルに誘導するように構成される、シンチレータ層とを含む。放射線検出器および放射線検出器を製造するための方法が提供される。【選択図】図２
Description
本開示は、放射線検出器に関し、特に、放射線検出器および放射線検出器を製造するための方法に関する。
シンチレータベースの検出器は、Ｘ線放射線、ガンマ線、アルファ線、ベータ線、および中性子線などの電離放射線を検出するために使用され得る。シンチレータベースの検出器は、シンチレータ層およびフォトダイオード層を含み得る。シンチレータ層は入射電離放射線を非電離放射線に変換することができ、次にフォトダイオード層は非電離放射線を検出可能な電流に変換することができる。
この概要は、発明を実施するための形態において以下にさらに詳細に説明する概念の選択を簡略化した形で紹介するために提供されている。この概要は、特許請求される主題の重要な特徴または必須の特徴を特定することを意図するものではなく、特許請求される主題の範囲を限定するために使用されること意図するものでもない。
放射線検出器および放射線検出器を製造するための方法を提供することが目的である。上述の目的および他の目的は、独立請求項の特徴によって達成される。さらなる実施形態は、従属請求項、説明および図面から明らかである。
第１の態様によれば、放射線検出器は、少なくとも１つのピクセルを含むフォトダイオード層と、発光物質およびポリマーを含む少なくとも１つの幾何学的形状を含むシンチレータ層であって、発光物質は、入射電離放射線を非電離電磁放射線に変換するように構成され、少なくとも１つの幾何学的形状は、変換された電磁放射線の少なくとも一部を少なくとも１つのピクセルに誘導するように構成される、シンチレータ層とを含む。少なくとも１つの幾何学的形状はポリマーを含むので、３Ｄ印刷を使用して少なくとも１つの幾何学的形状を作成することが可能であり得る。このことにより、低減された製造コストで少なくとも１つの幾何学的形状を成形することが可能になり得る。
第１の態様の実装形態では、少なくとも１つの幾何学的形状は、少なくとも１つの幾何学的形状内部での反射を使用して、変換された電磁放射線を少なくとも１つのピクセルに誘導するように構成される。このような構成では、少なくとも１つの幾何学的形状は、全内部反射（ＴＩＲ）を使用して、変換された電磁放射線のピクセルへの誘導の改善を可能にし得る。
第１の態様のさらなる実装形態では、少なくとも１つの幾何学的形状は、変換された電磁放射線に対して反射性を有する材料を含む、少なくとも１つの幾何学的形状の表面上に位置する反射層をさらに含む。このような構成では、少なくとも１つの幾何学的形状は、変換された電磁放射線のピクセルへの誘導の効率を高めることが可能であり得る。
第１の態様のさらなる実装形態では、少なくとも１つの幾何学的形状は、第１の表面と、第１の表面に対向する第２の表面とを含み、第１の表面の表面積は第２の表面の表面積よりも大きく、第２の表面は第１の表面よりもフォトダイオード層に近い。このような構成では、少なくとも１つの幾何学的形状は、例えば、各ピクセルの有効表面積を増加させることができる。
第１の態様のさらなる実装形態では、少なくとも１つの幾何学的形状は第１の表面および第２の表面を含み、第１の表面および／または第２の表面は実質的に凸状である。このような構成では、少なくとも１つの幾何学的形状は、凸面を使用して、変換された電磁放射線をピクセルに誘導し得る。
第１の態様のさらなる実装形態では、第１の表面または第２の表面はフォトダイオード層と接触している。このような構成では、変換された電磁放射線は、例えば、少なくとも１つの幾何学的形状からピクセルへ効率的に伝達し得る。
第１の態様のさらなる実装形態では、少なくとも１つの幾何学的形状は高さおよび幅を含み、高さと幅の比は１より大きい。このような構成により、少なくとも１つの幾何学的形状の変換効率を高めることができる。
第１の態様のさらなる実装形態では、少なくとも１つの幾何学的形状の屈折率は、フォトダイオード層の平面内で変化する。可変屈折率は、変換された電磁放射線の少なくとも１つのピクセルへの誘導を高めることができる。
第１の態様のさらなる実装形態では、ポリマーは、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリ乳酸、ポリビニルアルコール、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレートコポリエステル、耐衝撃性ポリスチレン、ナイロン、または熱可塑性エラストマーのうちの少なくとも１つを含む。このような構成では、従来の３Ｄ印刷手順および／または機器を使用して少なくとも１つの幾何学的形状を３Ｄ印刷することが可能であり得る。
第１の態様のさらなる実装形態では、少なくとも１つの幾何学的形状は第１の幾何学的形状および第２の幾何学的形状を含み、第１の幾何学的形状は第１の発光物質を含み、第２の幾何学的形状は第２発光物質を含む。このような構成では、同じ検出器を使用して異なる波長範囲を検出することが可能であり得る。
第１の態様のさらなる実装形態では、第１の発光物質は、第１の波長域の電離放射線を第１の非電離電磁放射線に変換するように構成され、第２の発光物質は、第２の波長域の電離放射線を第２の非電離電磁放射線に変換するように構成される。このような構成では、同じ検出器を使用して異なる波長域を検出することが可能であり得る。
第１の態様のさらなる実装形態では、ポリマーは発光物質を含む。このような構成では、電離放射線を非電離電磁放射線に変換するためにポリマー自体の発光特性を利用することが可能であり得る。
第２の態様によれば、放射線検出器を製造するための方法は、少なくとも１つのピクセルを含むフォトダイオード層を提供することと、ポリマーを使用して、シンチレータ層をフォトダイオード層上に３Ｄ印刷することであって、シンチレータ層は発光物質およびポリマーを含む少なくとも１つの幾何学的形状を含み、発光物質は入射電離放射線を非電離電磁放射線に変換するように構成され、少なくとも１つの幾何学的形状は変換された電磁放射線を少なくとも１つのピクセルに誘導するように構成される、３Ｄ印刷こととを含む。このような方法を用いて、改善された精度および／または低減された製造コストで少なくとも１つの幾何学的形状を成形することが可能であり得る。
第２の態様の実装形態では、該方法は、３Ｄ印刷の前に、発光物質をポリマーに添加することをさらに含む。
第２の態様のさらなる実装形態では、３Ｄ印刷は、ステレオリソグラフィ、バインダジェッティング、熱溶解積層法、デジタル光処理、選択的レーザ焼結、または薄膜積層法のうちの１つを使用して行われる。
第２の態様のさらなる実装形態では、少なくとも１つの幾何学的形状は、幾何学的形状内部での反射を使用して、変換された電磁放射線を少なくとも１つのピクセルに誘導するように構成される。
第２の態様のさらなる実装形態では、少なくとも１つの幾何学的形状は、変換された電磁放射線に対して反射性を有する材料を含む、幾何学的形状の表面上に位置する反射層をさらに含む。
第２の態様のさらなる実装形態では、少なくとも１つの幾何学的形状は、第１の表面と、第１の表面に対向する第２の表面とを含み、第１の表面の表面積は第２の表面の表面積よりも大きく、第２の表面は第１の表面よりもフォトダイオード層に近い。
第２の態様のさらなる実装形態では、少なくとも１つの幾何学的形状は第１の表面および第２の表面を含み、第１の表面および／または第２の表面は実質的に凸状である。
第２の態様のさらなる実装形態では、第１の表面または第２の表面はフォトダイオード層と接触している。
第２の態様のさらなる実装形態では、少なくとも１つの幾何学的形状は高さおよび幅を含み、高さと幅の比は１より大きい。
第２の態様のさらなる実装形態では、少なくとも１つの幾何学的形状の屈折率は、フォトダイオード層の平面内で変化する。可変屈折率は、変換された電磁放射線の少なくとも１つのピクセルへの誘導を高めることができる。
第２の態様のさらなる実装形態では、ポリマーは、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリ乳酸、ポリビニルアルコール、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレートコポリエステル、耐衝撃性ポリスチレン、ナイロン、または熱可塑性エラストマーのうちの少なくとも１つを含む。
第２の態様のさらなる実装形態では、少なくとも１つの幾何学的形状は第１の幾何学的形状および第２の幾何学的形状を含み、第１の幾何学的形状は第１の発光物質を含み、第２の幾何学的形状は第２発光物質を含む。
第２の態様のさらなる実装形態では、第１の発光物質は、第１の波長域の電離放射線を第１の非電離電磁放射線に変換するように構成され、第２の発光物質は、第２の波長域の電離放射線を第２の非電離電磁放射線に変換するように構成される。
第２の態様のさらなる実装形態では、ポリマーは発光物質を含む。
上述した第２の態様の実装形態は、互いに組み合わせて使用され得ることを理解されたい。実装形態のいくつかは、さらなる実装形態を形成するために組み合わされ得る。
付随する特徴の多くは、添付図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによってよりよく理解されるので、より容易に理解されるであろう。
以下において、添付図面を参照しながら、例示的な実施形態をより詳細に説明する。
以下において、同一の参照符号は、同一または少なくとも機能的に同等の特徴を指す。
以下の説明では、添付図面を参照する。添付図面は、本開示の一部を形成し、本開示が設置され得る特定の態様が例として示されている。他の態様を使用することができ、本開示の範囲から逸脱せずに構造的または論理的変更を行うことができることを理解されたい。したがって、以下の詳細な説明は、本開示の範囲が添付の請求項によって定義されるので、限定的な意味で解釈されるべきではない。
例えば、説明される方法に関連する開示内容は、その方法を実行するように構成された対応するデバイスまたはシステムにも当てはまり、その逆も同じことが言えると理解される。例えば、特定の方法ステップが説明されている場合、対応するデバイスは、説明されている方法ステップを実行するためのユニットを、そのようなユニットが明示的に説明されていない、または図面に示されていない場合であっても、含めることがある。一方で、例えば、特定の装置が機能ユニットに基づいて説明される場合、対応する方法は、説明されている機能を実行するステップを、そのようなステップが明示的に説明されていない、または図に示されていない場合であっても、含めることがある。さらに、本明細書に記載されている様々な例示的な態様の特徴は、特に別段の記載がない限り、互いに組み合わされ得ると理解される。
図１は、一実施形態に係る放射線検出器１００の概略断面図である。
一実施形態によれば、放射線検出器１００は、少なくとも１つのピクセル１０２を含むフォトダイオード層１０１と、発光物質およびポリマーを含む少なくとも１つの幾何学的形状１０４を含むシンチレータ層１０３とを含む。発光物質は、入射電離放射線１０５を非電離電磁放射線１０６に変換するように構成される。幾何学的形状１０４は、変換された電磁放射線１０６の少なくとも一部を少なくとも１つのピクセル１０２に誘導するように構成される。
少なくとも１つの幾何学的形状１０４はポリマーを含むので、少なくとも１つの幾何学的形状１０４は、３Ｄ印刷を使用して作成され得る。このことは、変換された電磁放射線１０６の少なくとも１つのピクセル１０２への誘導を向上させることができる少なくとも１つの幾何学的形状１０４の様々な形状を可能にし得る。
一実施形態によれば、少なくとも１つの幾何学的形状１０４は、高さおよび幅を含み、高さと幅の比は１より大きい。この比は、高さを幅で除されたものを指すことができる。したがって、高さは幅より大きくなり得る。高さは、フォトダイオード層１０１の平面に実質的に垂直な方向で測定され得る。幅は、実質的にフォトダイオード層１０１の平面内で測定され得る。少なくとも１つの幾何学的形状１０４の高さにより、幾何学的形状１０４は、より多くの電離放射線１０５を非電離放射線１０６に変換することが可能であり得る。代替的または追加的に、高さと幅の比は、例えば、２、３、４、５、６、７、８、９、または１０より大きい比であり得る。
一実施形態によれば、少なくとも１つの幾何学的形状１０４は、幾何学的形状１０４内部での反射を使用して、変換された電磁放射線１０６を少なくとも１のピクセル１０２に誘導するように構成される。少なくとも１つの幾何学的形状１０４の材料は、空気などの周囲物質の屈折率よりも大きい屈折率を有し得るので、変換された電磁放射線１０６は、幾何学的形状１０４内部で１回以上の全内部反射（ＴＩＲ）を受け得る。したがって、ＴＩＲは、変換された電磁放射線１０６を少なくとも１つのピクセル１０２に誘導し得る。
一実施形態によれば、ポリマーは発光物質を含む。ポリマー自体が発光特性を有する場合もある。代替的または追加的に、発光物質がポリマーに添加され得る。発光物質は、例えば、ポリマーに添加される前は粉末状であり得る。
本明細書では、「電離放射線」という用語は、例えば、Ｘ線放射線、ガンマ線、アルファ線、またはベータ線を指すことができる。電離放射線１０５の波長は、例えば１ｎｍ未満であり得る。電離放射線１０５は、様々な波長を含み得る。
発光物質は、例えば、酸硫化ガドリニウム（ＧＯＳ）を含み得る。ＧＯＳは、例えば、テルビウム、プラセオジム、および／またはフッ素でドープされ得る。代替的または追加的に、シンチレータ材料は、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）、ガーネット、ペロブスカイト、および／または酸化物シンチレータ、例えばケイ酸塩、タングステン酸塩、オキシオルトシリケートを含み得る。
発光物質の粒径は、例えば、１０～２００マイクロメートル（μｍ）の範囲内、またはこの任意の部分範囲内、例えば、１０～１００μｍ、５０～１５０μｍ、もしくは３０～１３０μｍなどであり得る。
発光物質の被覆重量は、例えば、１平方センチメートル当たり４０～５００ミリグラム（ｍｇ／ｃｍ２）の範囲、またはこの任意の部分範囲内、例えば、４０～４００ｍｇ／ｃｍ２、５０～３００ｍｇ／ｃｍ２、もしくは１００～４００ｍｇ／ｃｍ２などであり得る。
図２は、一実施形態に係る放射線検出器１００の概略斜視図である。図２の実施形態に示されている放射線検出器１００は、図１の実施形態に示されている放射線検出器１００と同様であり得る。
少なくとも１つの幾何学的形状１０４は、例えば、ピラーを含み得る。このようなピラーの一例は、図１および図２の実施形態に示されている。電離放射線１０５が少なくとも１つの幾何学的形状１０４に入射すると、少なくとも１つの幾何学的形状１０４内の発光物質は、電離放射線１０５を非電離電磁放射線１０６に変換することができる。非電離放射線１０６は、電離放射線１０５より長い波長を有し得る。
変換された電磁放射線１０６は、非電離放射線、変換された非電離放射線、非電離電磁放射線、変換された電磁放射線、変換された非電離放射線などと称される場合がある。
変換された電磁放射線１０６は、例えば、非電離電磁放射線であり得る。変換された電磁放射線１０６は、例えば、赤外線（ＩＲ）、可視光線（ＶＩＳ）および／または紫外線（ＵＶ）を含み得る。変換された電磁放射線１０６の波長は、電離放射線１０５の波長より長い波長であり得る。例えば、変換された電磁放射線の波長は、１００マイクロメートル（μｍ）～１０ナノメートル（ｎｍ）の範囲であり得る。変換された電磁放射線１０６は、様々な波長の電磁放射線を含み得る。
少なくとも１つの幾何学的形状１０４の変換効率は、少なくとも１つの幾何学的形状１０４の高さを使用して構成され得る。
少なくとも１つの幾何学的形状１０４は、空気などの周囲物質の屈折率よりも大きい屈折率を有し得るので、変換された電磁放射線１０６は、少なくとも１つの幾何学的形状１０４の内側で反射し得る。したがって、変換された電磁放射線１０６の少なくとも一部は、少なくとも１つの幾何学的形状１０４内に実質的に閉じ込められ得る。したがって、少なくとも１つの幾何学的形状１０４は、変換された電磁放射線１０６を少なくとも１つのピクセル１０２に誘導することができる。その結果、少なくとも１つの幾何学的形状１０４は、変換された電磁放射線１０６のための導波路として機能するように構成され得る。このようにして、少なくとも１つの幾何学的形状１０４は、隣接するピクセル１０２間における変換された電磁放射線１０６の漏れ／クロストークを低減することができる。
フォトダイオード層１０１の平面における少なくとも１つの幾何学的形状１０４の断面は、図１の実施形態では円形として示され得るが、少なくとも１つの幾何学的形状１０４の断面は任意の形状であり得る。その断面は、例えば、長方形、正方形、三角形、楕円形、または任意の多角形であり得る。
いくつかの実施形態では、シンチレータ層１０３は、複数の幾何学的形状１０４を含み得る。いくつかの実施形態では、シンチレータ層１０３は、少なくとも２つの幾何学的形状１０４を含み得る。
少なくとも１つのピクセル１０２は、変換された電磁放射線１０６を電流に変換するように構成され得る。フォトダイオード層１０１に電圧が印加され、ピクセル１０２内で発生した電子正孔対が電流として検出され得る。
当業者は理解できるように、少なくとも１つのピクセル１０２は、様々な方法で実装され得る。例えば、各々のピクセル１０２はｎ型半導体を含み得、フォトダイオード層の残りはｐ型半導体を含み得る。ｐｎ接合に電圧が印加されると、変換された電磁放射線によってｐｎ接合において発生した電子正孔対に起因する電流が検出され得る。検出器１００は、図１および図２の実施形態に示されていないバイアスプレート、基板、集積回路、および／または類似物などの他の構成要素をさらに含み得る。
図３は、一実施形態に係る放射線検出器１００の概略斜視図である。
図４は、一実施形態に係る放射線検出器１００の概略断面図である。図４の実施形態に示されている放射線検出器１００は、図３の実施形態に示されている放射線検出器１００と同様であり得る。
一実施形態によれば、少なくとも１つの幾何学的形状１０４は、第１の表面１０７と、第１の表面１０７に対向する第２の表面１０８とを含み、第１の表面１０７の表面積は第２の表面１０８の表面積よりも大きく、第２の表面１０８は第１の表面１０７よりもフォトダイオード層１０１に近い。第１の表面１０７および／または第２の表面１０８は、実質的に平面状／平坦であり得る。
少なくとも１つの幾何学的形状１０４は、第１の表面１０７および第２の表面１０８を含み得る。第２の表面は、第１の表面１０７よりもフォトダイオード層１０１に近くなり得る。第２の表面１０８はフォトダイオード層１０１と接触し得る。第１の表面１０７の表面積は、第２の表面１０８の表面積より大きい表面積であり得る。第１の表面１０７および／または第２の表面１０８は、フォトダイオード層１０１の平面と実質的に平行であり得る。
少なくとも１つの幾何学的形状１０４の各々は、実質的に正四角錐台として成形され得る。図４の実施形態は、このような幾何学的形状１０４の概略断面図である。断面は実質的に等脚台形であり得る。代替として、少なくとも１つの幾何学的形状１０４は、別のタイプの錐台として成形され得る。
少なくとも１つの幾何学的形状１０４の形状により、シンチレータ層１０３は、より多くの電離放射線を少なくとも１つのピクセル１０２に集めることができる。少なくとも１つの幾何学的形状１０４の内側の発光物質が電離放射線を非電離電磁放射線に変換するので、少なくとも１つの幾何学的形状１０４の側面１０９は、変換された電磁放射線をフォトダイオード層１０１内の少なくとも１つのピクセル１０２に誘導することができる。さらに、第１の表面１０７のより大きな表面積により、少なくとも１つの幾何学的形状１０４は、より多くの電離放射線を集めることができる。このことにより、フォトダイオード層１０１のピクセル間の不感領域（デッドスペース）が低減され得、ピクセル間の空間不感領域が低減および／または排除されたピクセル化フォトダイオードが実現され得る。
図５は、一実施形態に係る放射線検出器１００の概略斜視図である。
図６は、一実施形態に係る放射線検出器１００の概略断面図である。図６の実施形態に示されている放射線検出器１００は、図５の実施形態に示されている放射線検出器１００と同様であり得る。
一実施形態によれば、少なくとも１つの幾何学的形状１０４は、第１の表面１０７および第２の表面１０８を含み、第１の表面１０７および／または第２の表面１０８は実質的に凸状である。
さらなる実施形態によれば、第１の表面１０７または第２の表面１０８は、フォトダイオード層１０１と接触している。
少なくとも１つの幾何学的形状１０４は、例えば、マイクロレンズを含み得る。このようなマイクロレンズの例は、図５および図６の実施形態に示されている。
少なくとも１つの幾何学的形状１０４は、実質的に凸状の第１の表面１０７および実質的に平坦な第２の表面１０８を含み得る。第２の表面１０８は、第１の表面１０７よりもフォトダイオード層１０１に近くなり得る。第２の表面１０８はフォトダイオード層１０１と接触し得る。第１の表面１０７および／または第２の表面１０８は、フォトダイオード層１０１の平面と実質的に平行であり得る。
実質的に凸状の第１の表面１０７により、少なくとも１つの幾何学的形状１０４は、平凸レンズとして機能することができる。電離放射線１０５が非電離電磁放射線１０６に変換されると、変換された電磁放射線１０６は様々な方向に伝搬し得る。少なくとも１つの幾何学的形状１０４と少なくとも１つの幾何学的形状１０４を囲む材料との間に屈折率差が存在し得るので、第１の表面１０７は、フォトダイオード層１０１から離れて伝搬する変換電磁放射線１０６の一部を反射してフォトダイオード層１０１の方へ戻すことができる。したがって、フォトダイオード層１０１内のピクセル１０２は、より大きな割合の変換電磁放射線１０６を集めることが可能であり得る。
図７ａは、一実施形態に係る放射線検出器１００の概略断面図である。
一実施形態によれば、少なくとも１つの幾何学的形状１０４は、実質的に平坦な第１の表面１０７および実質的に凸状の第２の表面１０８を含み得る。第２の表面１０８は、第１の表面１０７よりもフォトダイオード層１０１に近くなり得る。第２の表面１０８はフォトダイオード層１０１と接触し得る。第１の表面１０７および／または第２の表面１０８は、フォトダイオード層１０１の平面と実質的に平行であり得る。
凸状の第２の表面１０８により、少なくとも１つの幾何学的形状１０４は、平凸レンズとして機能することができる。したがって、変換された電磁放射線１０６は、少なくとも１つの幾何学的形状１０４によって少なくとも１つのピクセル１０２に集束され得る。
図７ｂは、一実施形態に係る放射線検出器１００の概略断面図である。少なくとも１つの幾何学的形状１０４の内側の勾配は、材料の屈折率に対応し得る。
一実施形態によれば、少なくとも１つの幾何学的形状１０４の屈折率は、フォトダイオード層１０１の平面内で変化する。屈折率は、フォトダイオード層１０１の平面内の勾配を含み得る。図７ｂの実施形態は、このような放射線検出器１００の一例である。
少なくとも１つの幾何学的形状１０４の屈折率は、フォトダイオード層１０１の平面内の少なくとも一方向において変化し得る。屈折率は、次第に変化し得る。例えば、屈折率は、幾何学的形状１０４の中央部よりも幾何学的形状１０４の外側部分の方が低くなり得る。屈折率は、幾何学的形状１０４の中央部よりも、フォトダイオード層１０１に実質的に垂直である幾何学的形状１０４の側面に近い方が低くなり得る。例えば、少なくとも１つの幾何学的形状の断面がフォトダイオード層１０１の平面において実質的に円形である場合、屈折率は半径方向に可変であり得る。このような可変屈折率は、図７ａの実施形態において示されているレンズ構造と同様に、変換された電磁放射線１０６の少なくとも１つのピクセル１０２への誘導を向上させ得る。
３Ｄ印刷は、少なくとも１つの幾何学的形状１０４の屈折率を次第に変化させることができる。これは、例えば、印刷される原材料の混合比を変えることによって実現され得る。
図８は、一実施形態に係る放射線検出器１００の概略斜視図である。
一実施形態によれば、少なくとも１つの幾何学的形状１０４は、変換された電磁放射線に対して反射性を有する材料を含む幾何学的形状１０４の表面上に位置する反射層１１０をさらに含む。
一実施形態によれば、少なくとも１つの幾何学的形状は、周期的またはランダムに位置決めされた導光構造、例えばファイバ、ピラー、低密度のシンチレーション被覆、または印刷される原材料の混合比を変更することによって実現され得る密度勾配を有する領域を含む。これらの周期的またはランダムに位置決めされた構造は、これらの導光構造のない幾何学的形状と比較して、集められる電磁放射線の量を増加させることができる。
図９は、一実施形態に係る放射線検出器１００の概略断面図である。図９の実施形態に示されている放射線検出器１００は、図８の実施形態に示されている放射線検出器１００と同様であり得る。
シンチレータ層１０３は、反射層１１０をさらに含み得る。反射層は、少なくとも１つの幾何学的形状１０４の表面上に位置し得る。図８および図９の実施形態は、前述のピラー形状に対するそのような反射層１１０を示している。しかしながら、反射層１１０は、本明細書に記載される任意の幾何学的形状１０４と組み合わされる場合もある。
反射層１１０は、変換された電磁放射線１０６の波長において反射性を有し得る。したがって、反射層１１０は、変換された電磁放射線１０６をフォトダイオード層１０１内のピクセル１０２にさらに誘導することができる。
反射層１１０は、変換された電磁放射線１０５の全ての波長または変換された電磁放射線１０６のいくつかの波長において反射性を有し得る。変換された電磁放射線１０６の波長全体の反射層１１０の平均反射率は、例えば、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、または０．９より大きくなり得る。
いくつかの実施形態では、反射層１１０は再帰反射材を含み得る。
いくつかの実施形態では、反射層１１０は、幾何学的形状１０４の材料の屈折率よりも小さい屈折率を含む材料を含み得る。
いくつかの実施形態では、各々の幾何学的形状１０４は、フォトダイオード層１０１内のピクセル１０２と実質的に位置合わせされ得る。
図１０は、一実施形態に係る多重エネルギー撮像のために構成された放射線検出器１００の概略図である。
一実装形態によれば、少なくとも１つの幾何学的形状は第１の幾何学的形状１０４＿１および第２の幾何学的形状１０４＿２を含み、第１の幾何学的形状１０４＿１は第１の発光物質を含み、第２の幾何学的形状１０４＿２は第２発光物質を含む。
さらなる実装形態によれば、第１の発光物質は、第１の波長域の電離放射線１０５＿１を第１の非電離電磁放射線１０６＿１に変換するように構成され、第２の発光物質は、第２の波長域の電離放射線１０５＿２を第２の非電離電磁放射線１０６＿２に変換するように構成される。
シンチレータ層１０３は、異なる発光物質を含む少なくとも１つの幾何学的形状１０４＿１、１０４＿２を含み得る。したがって、少なくとも１つの幾何学的形状１０４＿１、１０４＿２は、異なる電離放射線波長域を非電離電磁放射線１０６＿１、１０６＿２に変換するように構成され得る。
変換された電磁放射線１０６＿１、１０６＿２はさらに、異なる波長を含み得る。例えば、第１の変換された電磁放射線１０６＿１はＵＶ波長を含み得、第２の変換された電磁放射線１０６＿２はＶＩＳ波長を含み得、またはその逆であり得る。代替的または追加的に、変換された電磁放射線１０６＿１、１０６＿２は、実質的に同じ波長を含み得、および／またはそれらの波長は重複し得る。
図１１は、一実施形態による放射線検出器を製造するための方法のフローチャートである。
一実施形態によれば、放射線検出器を製造するための方法１１００は、少なくとも１つのピクセルを含むフォトダイオード層を提供すること１１０１と、ポリマーを使用してシンチレータ層をフォトダイオード層上に３Ｄ印刷すること１１０２であって、シンチレータ層は発光物質およびポリマーを含む少なくとも１つの幾何学的形状を含み、発光物質は入射電離放射線を非電離電磁放射線に変換するように構成され、幾何学的形状は変換された電磁放射線を少なくとも１つのピクセルに誘導するように構成されることとを含む。
一実施形態によれば、放射線検出器を製造するための方法１１００は、３Ｄ印刷の前に、発光物質をポリマーに添加することをさらに含む。いくつかの実施形態では、発光物質は粉末状であり得る。
少なくとも１つの幾何学的形状１０４は、３Ｄ印刷を使用してフォトダイオード層１０１上に作成され得るので、印刷された材料は、シンチレータおよび接着剤の機能を果たすことができる。したがって、光学接着剤、およびそれによってシンチレータ層１０３とフォトダイオード層１０１との間の中間層を省略することができる。このことにより、シンチレータ層１０３とフォトダイオード層１０１との間の光損失が低減され得る。
印刷可能な原材料の価格は、標準的なシンチレータの価格よりも相当低い価格であり得る。特に、ＵＶ硬化性印刷技術は、少なくとも１つの幾何学的形状１０４を３Ｄ印刷するのに好適であり得る。しかしながら、原理的には、任意の３Ｄ印刷技術が好適であり得る。２，５－ジフェニルオキサゾール（ＰＰＯ）ならびに１，４－ビス（５－フェニルオキサゾール－２－イル）ベンゼン（ＰＯＰＯＰ）などの蛍光色素を含有する、ポリビニルトルエン（ＰＶＴ）ならびにポリスチレン（ＰＳ）のような芳香族プラスチックなどの多くのプラスチック、およびいくつかのＵＶ硬化性材料は、天然シンチレータである。これらの材料は、Ｘ線吸収時に可視光またはＵＶ光を放出することができる。したがって、高価なシンチレータ材料は、フォトダイオード層１０１上に直接堆積され得るより安価なプラスチックと置き換えられ得る。このことは、ＶＩＳおよび／またはＵＶ波長領域において最も感度が高いフォトダイオード層１０１にとって特に有用であり得る。
印刷プラスチックのシンチレーション能力は、印刷原材料にシンチレータ材料を添加することによって増大され得る。これは、シンチレータ材料が粉末または溶液の形態で存在する場合、例えば、プラセオジムをドープした酸硫化ガドリニウム（Ｇｄ２Ｏ２Ｓ：Ｐｒ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、またはホウ素－１０（１０Ｂ）およびガドリニウム－１５７（１５７Ｇｄ）のような中性子吸収材である場合に特に簡単である。このアプローチはまた、異なる場所に異なる発光物質を添加することによって、同じフォトダイオード上に様々な発光色のシンチレータを印刷するために使用され得る。このことにより、多色のＸ線またはガンマ線撮像およびエネルギー特異的シンチレーションが可能になり得る。したがって、単一のシンチレータ層およびフォトダイオード層を使用する多重エネルギー放射線検出器が可能になり得る。
シンチレータをフォトダイオードに３Ｄ印刷することの別の利点は、プリントの形状が恣意的に調整可能であるということであり得る。したがって、例えば台形の側壁を有する特定用途向けのシンチレータ形状、またはマイクロレンズ、ならびに各々のフォトダイオードピクセルに対する個々のシンチレータが可能であり得る。その結果、ピクセル化シンチレータを、より低いコストで製造することが可能であり得る。恣意的な形状およびマイクロレンズは、従来のシンチレータでは可能ではないまたは実現可能でない場合があるが、ピクセル化シンチレータは、製造コストがより高いことから、より高価になり得る。
３Ｄ印刷されたシンチレータはまた、数ミリメートルまたは数センチメートルなど、厚みを増して堆積されてもよい。このことは、Ｘ線吸収長を増加させ、ひいてはシンチレータ層１０３の全体的な効率を高めることによって、プラスチックの低い吸収効率の予想される欠点を軽減することを可能にし得る。
３Ｄ印刷１１０２は、例えば、デジタル光処理（ＤＬＰ）、熱溶解積層法（ＦＤＭ）、ステレオリソグラフィ（ＳＬＡ）、バインダジェッティング、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）、電子ビーム溶融（ＥＢＭ）、および／または薄膜積層法（ＬＯＭ）を使用して行われ得る。
本明細書において、「３Ｄ印刷」という用語は、例えば、材料がコンピュータ制御下で接合または固化されて３次元物体を作成する様々なプロセスを指すことができる。例えば、３Ｄ印刷では、液体分子または粉末粒子などの材料が加えられ得、一緒に溶融され得る。３Ｄ印刷は、層ごとに行われ得る。３Ｄ印刷は、３次元印刷などと称される場合もある。
ポリマーは、例えば、３Ｄ印刷に使用される任意のポリマーであり得る。ポリマーは熱可塑性であり得る。ポリマーは紫外線硬化性であり得る。
ポリマーは、例えば、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンテレフタレートコポリエステル（ＰＥＴＴ）、耐衝撃性ポリスチレン（ＨＩＰＳ）、ナイロン、熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）、ポリビニルトルエン（ＰＶＴ）ならびにポリスチレン（ＰＳ）のような芳香族プラスチック、２，５－ジフェニルオキサゾール（ＰＰＯ）、および／または１，４－ビス（５－フェニルオキサゾール－２－イル）ベンゼン（ＰＯＰＯＰ）を含み得る。
本明細書内で与えられる任意の範囲またはデバイス値は、求められる効果を失うことなく拡張または変更され得る。また、明示的に否定されない限り、任意の実施形態が別の実施形態と組み合わせられ得る。
主題は、構造的特徴および／または動作に特有の言語で説明されているが、添付の請求項において定義される主題は、必ずしも上述の特定の特徴または動作に限定されないことを理解されたい。むしろ、上述の特定の特徴および動作は、請求項を実装する例として開示され、他の同等の特徴および動作が請求項の範囲内にあることが意図される。
上述の利益および利点は、一実施形態に関連し得る、またはいくつかの実施形態に関連し得ることが理解されるであろう。実施形態は、上記の問題のいずれかもしくは全てを解決するもの、または上記の利益および利点のいずれかもしくは全てを有するものに限定されない。「一つの」項目への言及は、それらの項目のうちの１つ以上を指す場合があることがさらに理解されるであろう。
本明細書に記載されている方法のステップは、任意の好適な順序で、または適切な場合には同時に実施され得る。加えて、個々のブロックは、本明細書に記載されている主題の精神および範囲から逸脱することなく、方法のいずれかから削除され得る。上述の実施形態のいずれかの態様は、求められる効果を失うことなく、さらに別の実施形態を形成するために、記載される他の実施形態のいずれかの態様と組み合わされ得る。
「含む」という用語は、本明細書では、特定された方法、ブロック、または要素を含めることを指すために使用されるが、そのようなブロックまたは要素は、排他的リストを含まず、方法または装置は、追加のブロックもしくは要素を含み得る。
上述の説明は、単なる例として示されたものであり、様々な修正が当業者によってなされ得ることが理解されるであろう。上記の仕様、例およびデータは、例示的な実施形態の構造および使用を詳細に説明するものである。種々の実施形態が、ある程度の特定性を伴って、または１つ以上の個々の実施形態を参照しながら上記で説明されているが、当業者は、本明細書の精神または範囲から逸脱することなく、本開示の実施形態に多くの変更を加えることができる。
Claims (13)
- 放射線検出器（１００）であって、
少なくとも１つのピクセル（１０２）を含むフォトダイオード層（１０１）と、
発光物質およびポリマーを含む少なくとも１つの幾何学的形状（１０４）を含むシンチレータ層（１０３）であって、前記発光物質は入射電離放射線（１０５）を非電離電磁放射線（１０６）に変換するように構成され、前記少なくとも１つの幾何学的形状（１０４）は前記少なくとも１つの幾何学的形状内部での反射を使用して変換された電磁放射線（１０６）の少なくとも一部を前記少なくとも１つのピクセル（１０２）に誘導するように構成される、シンチレータ層（１０３）と、
を含む、放射線検出器（１００）であり、
前記少なくとも１つの幾何学的形状は、第１の表面（１０７）と、前記第１の表面に対向する第２の表面（１０８）とを備え、前記第１の表面の表面積は前記第２の表面の表面積よりも大きく、前記第２の表面は前記第１の表面よりも前記フォトダイオード層に近い、放射線検出器（１００）。 - 前記少なくとも１つの幾何学的形状は、前記変換された電磁放射線に対して反射性を有する材料を含む、前記少なくとも１つの幾何学的形状の表面上に位置する反射層（１１０）をさらに含む、請求項１に記載の放射線検出器（１００）。
- 前記少なくとも１つの幾何学的形状は、第１の表面（１０７）と第２の表面（１０８）とを含み、前記第１の表面および／または前記第２の表面は実質的に凸状である、請求項１または請求項２に記載の放射線検出器（１００）。
- 前記第１の表面または前記第２の表面は、前記フォトダイオード層（１０１）と接触している、いずれかの先行する請求項に記載の放射線検出器（１００）。
- 前記少なくとも１つの幾何学的形状は、高さおよび幅を含み、前記高さと前記幅の比は１より大きい、いずれかの先行する請求項に記載の放射線検出器（１００）。
- 前記少なくとも１つの幾何学的形状（１０４）はさらに、前記フォトダイオード層（１０１）の平面内で変化する、前記少なくとも１つの幾何学的形状（１０４）の屈折率を用いて、前記変換された電磁放射線（１０６）の少なくとも一部を前記少なくとも１つのピクセル（１０２）に誘導するように構成される、いずれかの先行する請求項に記載の放射線検出器（１００）。
- 前記ポリマーは、
アクリロニトリルブタジエンスチレン、
ポリ乳酸、
ポリビニルアルコール、
ポリエチレンテレフタレート、
ポリエチレンテレフタレートコポリエステル、
耐衝撃性ポリスチレン、
ナイロン、または
熱可塑性エラストマー
のうちの少なくとも１つを含む、いずれかの先行する請求項に記載の放射線検出器（１００）。 - 前記少なくとも１つの幾何学的形状は、第１の幾何学的形状（１０４＿１）および第２の幾何学的形状（１０４＿２）を含み、前記第１の幾何学的形状は第１の発光物質を含み、前記第２の幾何学的形状は第２の発光物質を含む、いずれかの先行する請求項に記載の放射線検出器（１００）。
- 前記第１の発光物質は、第１の波長域の電離放射線（１０５＿１）を第１の非電離電磁放射線（１０６＿１）に変換するように構成され、前記第２の発光物質は、第２の波長域の電離放射線（１０５＿２）を第２の非電離電磁放射線（１０６＿２）に変換するように構成される、請求項８に記載の放射線検出器（１００）。
- 前記ポリマーは、前記発光物質を含む、いずれかの先行する請求項に記載の放射線検出器（１００）。
- 放射線検出器を製造するための方法（１１００）であって、
少なくとも１つのピクセルを含むフォトダイオード層を提供すること（１１０１）と、
ポリマーを使用してシンチレータ層を前記フォトダイオード層上に３Ｄ印刷すること（１１０２）であって、前記シンチレータ層は発光物質および前記ポリマーを含む少なくとも１つの幾何学的形状を含み、前記発光物質は入射電離放射線を非電離電磁放射線に変換するように構成され、前記少なくとも１つの幾何学的形状は前記少なくとも１つの幾何学的形状内部での反射を使用して変換された電磁放射線を前記少なくとも１つのピクセルに誘導するように構成されることと、
を含む、放射線検出器を製造するための方法（１１００）であり、
前記少なくとも１つの幾何学的形状は、第１の表面と、前記第１の表面に対向する第２の表面とを備え、前記第１の表面の表面積は前記第２の表面の表面積よりも大きく、前記第２の表面は前記第１の表面よりも前記フォトダイオード層に近い、放射線検出器を製造するための方法（１１００）。 - 前記３Ｄ印刷の前に、前記発光物質を前記ポリマーに添加すること
をさらに含む、請求項１１に記載の放射線検出器を製造するための方法（１１００）。 - 前記３Ｄ印刷は、
ステレオリソグラフィ、
バインダジェッティング、
熱溶解積層法、
デジタル光処理、
選択的レーザ焼結、または
薄膜積層法
のうちの１つを使用して行われる、請求項１１または請求項１２に記載の放射線検出器を製造するための方法（１１００）。
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