JP2696860B2 - 放射線検出素子 - Google Patents
放射線検出素子Info
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Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、Ｘ線CT装置に使用される放射線検出素子に
関し、特に、放射線入射位置による検出感度のバラツキ
が少く、高SN比で検出感度が高く、実装が容易な放射線
検出素子に関する。 〔従来技術〕 従来、代表的なＸ線CT装置用固体検出素子としては、
シンチレータとフォトダイオードとを組み合わせたもの
がある。 また、フォトダイオードについては近年、非晶質材料
の応用研究の進歩により、例えば、“集積化アモルファ
スＸ線センサー，魏 光晋、岡本博明、浜川圭弘、谷口
正克、前畑英彦、大工博之共著，応用物理学会誌，第55
巻,1986年，第824頁〜829頁”に記載されているよう
に、フォトダイオードとして非晶質シリコンフォトダイ
オードを用いることが可能になりつつある。 なお、この種の方法として関連するものには、例え
ば、特開昭62−71881号、および特開昭62−43585号が挙
げられる。 〔発明が解決しようとする問題点〕 上記従来技術では、非晶質シリコン（以下ａ−Siと略
す）フォトダイオードに関し、非晶質太陽電池の開発
や、ファクシミリ用一次元ラインセンサに用いる非晶質
フォトダイオードの開発で培われた技術を応用すること
ができる。 しかし、Ｘ線CT装置に使用される放射線検出素子と、
これらの技術分野で開発されたフォトダイオードとは応
用目的が異なるため、必ずしも最適ではない。 例えば、フォトダイオードの空乏層厚さについては、
フォトダイオードの構造がpin構造の場合、空乏層厚さ
はｉ層膜厚により決まる。 さらに、この膜厚は光検出感度、つまり、検出信号電
流が最大となるように設定される。 一般に、短波長の光に対しては膜厚を薄くするに従っ
て光感度は高くなる。例えば、ZnS:NiやZnS等、発光波
長が500nm〜600nmの範囲のシンチレータに対しては、pi
n構造フォトダイオードのｉ層膜厚は0.5μｍ程度に設定
さる。 一方、Ｘ線CT装置用検出素子として最も重要な性能
は、検出素子に起因するノイズがＸ線量子ノイズに比べ
て十分、小さいことである。 しかし、従来のａ−Siフォトダイオードの性能は、こ
の点に関して満足できるものではなかった。 本発明の目的は、このような問題点を改善し、Ｘ線CT
装置用検出素子として十分なノイズ特性を有する放射線
検出素子を提供することにある。 〔問題を解決するための手段〕 上記目的を達成するため、本発明の放射線検出素子
は、放射線を光に変換するシンチレータと、該シンチレ
ータからの発光を電気信号に変換する非晶質シリコンフ
ォトダイオード、および非晶質シリコンフォトダイオー
ドが発生する電気信号を検出する電子回路を備えた放射
線検出素子において、pin構造の非晶質シリコンフォト
ダイオードでは、光感度とｉ層膜厚ｄの関係、および検
出素子ノイズとｉ層膜厚ｄの関係を測定し、それらの関
係から、最終的に得られる検出電気信号のSN比が主に入
射放射線の量子ノイズに起因するように、従来よりもｉ
層膜厚ｄを厚く、ε、SA、ｄをMKS単位系として、2.6×
10-3εSAｄ8.6×10-3εSA（ε:i層の比誘電率,SA:
非晶質シリコンフォトダイオードの面積（m2））の範囲
に設定したことに特徴がある。 〔作用〕 本発明においては、ａ−Si pinフォトダイオードの
ｉ層膜厚ｄを設定する場合、光検知感度のｉ層膜厚依存
性と、検出素子ノイズのｉ層膜厚依存性とから、検出系
のSN比を求め、その値に基づいてｉ層膜厚ｄを最適化す
る。 つまり、フォトダイオードの空乏層を厚くすることに
より、検出信号ノイズは大幅に減少するため、空乏層を
厚くしたことにより、光検出電流が減少するにも拘ら
ず、検出信号のSN比は大幅に向上する。 なお、従来は光検知感度のｉ層膜厚依存性のみを考慮
して空乏層厚さを設定していた。 〔実施例〕 以下、本発明の一実施例を図面により説明する。 第３図は、本発明の一実施例における放射線検出回路
の構成図である。 本実施例の放射線検出回路は、放射線検出素子31、お
よびオペアンプ32を備え、放射線をシンチレータにより
光に変換し、さらにａ−Si pinフォトダイオードによ
り電気信号に変換して、オぺアンプ32を介し、その電圧
信号を検出する。また、ａ−Si pinフォトダイオード
のｉ層膜厚ｄについては、従来方法と異なり、光検知感
度との関係の他に、検出素子ノイズとの関係を考慮して
設定している。 まず、本実施例におけるこのａ−Si pinフォトダイ
オードのｉ層膜厚ｄの設定方法について述べる。 第１図は、本発明の一実施例における放射線検出素子
のｉ層膜厚ｄ（μｍ）と検出信号のSN比との関係を示す
説明図、第４図はａ−Si pinフォトダイオードを用い
た場合の出力ノイズと入力容量との関係を示す説明図、
第５図はａ−Si pinフォトダイオードを用いた場合の
出力ノイズ電圧とｉ層膜厚ｄ（μｍ）との関係を示す説
明図、第６図はａ−Si pinフォトダイオードを用いた
場合の出力電圧とｉ層膜厚ｄ（μｍ）との関係を示す説
明図である。 一般に、検出信号のノイズ電圧VNは、次の式で示され
る。 （１）VN 2＝VX 2＋VD 2 但し、VXはＸ線量子ノイズ電圧、VDは検出素子ノイズ
電圧である。 従って、検出信号電圧をVSとすると、次の式が得られ
る。 （２）（S/N）２＝VS 2/VN 2＝VS 2/（VX 2＋VD 2） また、本実施例における放射線検出回路と同様に、オ
ペアンプを含む検出回路により、放射線検出を行う場
合、検出信号電圧VSは次の式で示される。 （３）VS＝iSRf＝eXpq（ｄ）Rf 但し、iSは信号電流、Rfはフィードバック抵抗、ｅは
電気素量、Ｘは検出素子シンチレータのＸ線吸収量（Ｘ
−photon数／素子・秒）、ｐは蛍光体のＸ線光子から可
視光子への変換量子効率、ｑ（ｄ）はａ−Siフォトダイ
オードの空乏層厚さｄに依存する光電変換量子効率であ
る。 すなわち、VSは空乏層厚さｄ（μｍ）の関数であり、
通常はVSが最大となるようにｉ層膜厚ｄ（μｍ）を設定
している。なお、pin構造フォトダイオードでは空乏層
厚さｄはｉ層膜厚にはほぼ等しい。 また、シンチレータ発光波長の典型例として緑色光を
選び、緑色光に対するVSの測定を行った場合、第６図の
ような測定結果が得られる。 なお、この測定では、Gd2O2S:Pr,Ce,Fシンチレータに
ｉ層膜厚0.35μｍのａ−Si pinフォトダイオードを密
着した放射線検出部に、管電圧120kVのＸ線を１μR/1ms
で照射したときの出力電流を、ナショナルセミコンダク
タ社製オペアンプLF356Hにフィードバック抵抗5MΩを接
続した電流・電圧変換回路の出力電圧として測定し、8m
Vの出力を得た。 また、ｉ層膜厚0.68μｍ、1.0μｍ、2.2μｍ、および
2.6μｍのPINフォトダイオードについても同様に出力電
圧を測定し、第４図（□印、■印、△印、▲印、▽
印）、および第６図（○印）に測定値を示した。 従って、第６図より、ｄ〜0.5μｍで検出信号電圧VS
が最大となることが示される。これはｉ層膜厚ｄが0.5
μｍ以上、厚くなると短波長光感度が低下するという従
来の知見と一致する。また、現実に太陽電池用ａ−Si
pinフォトダイオードで用いられるｉ層膜厚（〜0.5μ
ｍ）とも一致している。 さらに、ノイズについて述べる。 まず、Ｘ線量子ノイズ電圧VXについては、次の式で示
される。 但し、ｔはＸ線照射時間である。 また、診断用Ｘ線CT装置では、例えば１プロファイル
データ当り、1ms間にＸ線管電圧120kVのＸ線を1mR照射
する。このＸ線は人体腹部を透過すると、約1/1000に減
衰する。このため、検出素子に吸収されるＸ線数Xtは、
シンチレータのＸ線吸収率を0.9、シンチレータのＸ線
入射面積を20mm2とすると、 （５）１（mR）×20（mm2）×6.67×1011（Ｘ−photon/ mR・mm2）×10-3×0.9＝1.2×104（Ｘ−photon/素子） となる。 従って、（３）〜（５）式により、Ｘ線量子ノイズに
起因する（S/N）Ｘは次の式で示す程度となる。 また、検出系のノイズについては、本実施例における
放射線検出回路と同様に、ａ−Siフォトダイオードとオ
ペアンプとから構成された検出系では通常、電流性ノイ
ズと電圧性ノイズとである。 しかし、ａ−Siフォトダイオードでは、材料自身の抵
抗が高く、リーク電流が例えば10〜20pAと極めて小さい
ため、電流性ノイズは無視することができる。 一方、電圧性ノイズは主に抵抗性熱雑音、およびオペ
アンプのノイズである。 このオペアンプのノイズは、ａ−Siフォトダイオード
に付随する入力容量Ciの増加とともに増える。なお、第
３図では入力容量Ciは点線で示される。 また、ａ−Siフォトダイオードでは結晶Siフォトダイ
オードに比べて空乏層厚さｄが通常、0.3μｍ〜0.7μｍ
と薄いため、一般に容量が大きくなる。 本実施例におけるＸ線CT装置用の放射線検出素子で
は、システムの要求によりａ−Siフォトダイオード面積
（SA）は通常、20〜30mm2と大きいため、特に容量が大
きくなり、アンプノイズは著しく増培される。 そこで、入力容量Ciが大きい場合の容量とノイズの関
係を調べる。 まず、帰還抵抗Rfから生じる抵抗性熱雑音eiRは次の
式で示される。 但し、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、Ｂは帯域
幅である。 また、この出力換算ノイズeoRは、次の式で示され
る。 （８）eoR＝eiR/（１＋SCfRf） 但し、Cfは帰還容量、Ｓは周波数である。また、この
eoRは入力容量Ciに依存しない。 さらに、アンプノイズen1の出力換算ノイズをeonとす
ると、アンプノイズen1の伝送特性eon/en1は、次の式で
示される。なお、市販の低雑音アンプではオプアンプの
en1の値は 程度である。 （９）eon/en1＝−(Ｋ＋１)Ｇ(Ｓ)／(Ｋ＋１＋Ｇ(Ｓ)) （10）Ｋ＝SCiRf/（１＋SCiRi）／（１＋SCfRf） 但し、Ｇ（Ｓ）はアンプの電圧利得、Riは入力抵抗で
ある。 また、検出素子ノイズ電圧VDは、（８）、（９）式で
与えられるeon、およびeoRを用いて、次の式で示すこと
ができる。 但し、S1、およびS2は検出回路の周波数帯域の下限、
および上限である。 さらに、（９）（10）および（11）式により、VDはCi
の関数であることがわかる。 また、本実施例と同様の検出回路において、例えばRf
＝5MΩ、Cf＝40pFである場合、入力容量Ciと検出素子ノ
イズ電圧VDとの関係は測定値から第４図のように示され
る。 なお、この測定では、Gd2O2S:Pr,Ce,Fシンチレータに
ｉ層膜厚0.35μｍのａ−Si pinフォトダイオードを密
着した放射線検出部の出力信号を、ナショナルセミコン
ダクタ社製オペアンプLE356Hにフィードバック抵抗5MΩ
を接続した電流・電圧変換回路の出力電圧として検出し
た。 この結果、放射線を入射しないときの出力ノイズ電圧
を測定すると、380μVrmsであった。 また、ｉ層膜厚1.0μｍのフォトダイオードを同様の
検出回路に接続した場合のノイズ電圧は、30μVrmsであ
った。同様に、Ｉ層膜厚0.68μｍ、2.2μｍ、および2.6
μｍのPINフォトダイオードについても検出素子ノイズ
電圧（出力ノイズ）を測定して、□印、■印、△印、▲
印、および▽印で示した。 なお、この測定ではフォトダイオードへの印加電圧を
0Vとしているが、逆バイアス電圧を1Vまで印加してもノ
イズ電圧は増加しなかった。 この第４図より、VDのCi依存性については、Ci＝1500
pF以上では、 であることがわかる。 一方、Ciについては、主にａ−Si pinフォトダイオ
ードの容量Ｃで決まり、それらの関係は次の式で示され
る。 （12）Ci〜Ｃ＝εε0SA/d 但し、εはａ−Siの比誘電率、ε０は真空誘電定数、
SAはａ−Siフォトダイオードの面積、ｄは空乏層（ｉ
層）膜厚であり、（12）式では、MKS単位系を使用して
おり、（12）式では、SAはm2、ｄはｍの単位で表され
る。 なお、εは材料固有の値であり、ａ−Si:Hでは14程度
である。また、面積SAはCT画像の画素サイズやスライス
厚さで決まる。 例えば、幅が約1mm、スライス方向長さが25mmであれ
ば、SAは25mm2であり、この値は容易に変更できない。 この条件下で、ａ−Si pinフォトダイオードとして
従来、用いられているｉ層膜厚を適用すると、例えば0.
5μｍの厚さでは、容量Ｃは（12）式より6200pFと非常
に大きくなり、検出素子ノイズ電圧VDが極めて大きくな
る。 このため、従来は光検知感度が最高となるように設定
していたｉ層膜厚ｄを、検出素子ノイズを考慮して再設
定することが必要である。 先に述べたように、（11）式より、VDはCiの関数であ
り、また、（12）式より、Ciは空乏層膜厚ｄの関数であ
るため、VDはｄの関数であると言える。 従って、検出信号ノイズ電圧VNが検出素子ノイズ電圧
VDのみに起因するならば、VNは次の式で示される。 （13）VN＝VN（Ci）＝VN（Ci（ｄ））＝VN（ｄ） また、この場合の検出素子ノイズ電圧VD（出力ノイズ
電圧）とｉ層膜厚ｄの関係は第５図に示される。 この第５図より、ｉ層膜厚ｄを大きくすると、検出素
子ノイズ電圧VDが急激に減少することがわかる。特に、
０＜ｄ＜１μｍの範囲では、ｄが増加するとVDが急激に
減少する。 これらの測定結果から、本実施例では検出素子ノイズ
のｉ層膜厚依存性が極めて大きいことを考慮し、従来、
光検知感度を最大とするように設定していたｉ層膜厚ｄ
について、検出系のS/Nを測定し、その値に基づいてｉ
層膜厚ｄを最適化する。 例えば、第４図に示された検出素子ノイズのｉ層膜厚
依存性、および第６図に示された光検知感度のｉ層膜厚
依存性から、放射線検出素子のS/N（（S/N）Ｄ）を算出
し、第１図に○印で示す。 この第１図より、（S/N）ＤはＩ層膜厚ｄ〜1.7μｍで
最大となる。 すなわち、ｄ1.7μｍではｄが大きくなるに従い、
ノイズが減少するため、（S/N）Ｄは向上するが、ｄ
1.7μｍではｄの増大に伴うノイズの減少効果より、信
号量の減少が著しく、（S/N）Ｄは低下する。 また、ｄ0.9μｍでは（S/N）Ｄは220以下に低下
し、0.9μｍｄ3.0μｍでは（S/N）Ｄは220以上の良
好な値を示す。 特に、この範囲（0.9μｍｄ3.0μｍ）ではＸ線量
子ノイズの（S/N）Ｘに対して、検出系の（S/N）Ｄは約
２培以上大きいため、CT画像情報を殆ど劣化することな
く、電気信号に変換することができる。 また、1.25μｍ＜ｄ＜2.45μｍでは、S/N比〜300以上
と極めて質の高い信号検出を行うことができる。 これにより、従来の方法、つまり、光検知感度を最大
にするようにｉ層膜厚ｄを設定する方法では得られなか
った高いS/Nの信号を検出することができる。 さらに、検出系ノイズとＸ線量子ノイズとの関係につ
いて述べる。 （１）式より、VN 2＝VX 2＋VD 2である。 Ｘ線CTシステムとして検出信号ノイズ電圧VNがＸ線量
子ノイズ電圧VXの何倍まで許容されるかについては、撮
影部位や診断対象によって異なるが、通常VNがVXの1.1
倍程度までは許容できると考えられる。 例えば、VN≦1.1VXをシステムの要求仕様とすると、V
Dの要求仕様は、（１）式より、VD≦0.46VXとなる。 これにより、次の式が得られる。 （14）（S/N）Ｄ≧（S/N）X/0.46＝2.2S（S/N）Ｘ 例えば、第１図の結果では、（14）式を満たすｉ層膜
厚は、（S/N）Ｘ＝110のとき、（S/N）Ｄ＝220であるた
め、0.9μｍ以上となる。 このように、本実施例におけるｉ層膜厚ｄの設定方法
では、CT用放射線検出器において、最終的に得られる信
号のS/Nを、主に入射Ｘ線の量子ノイズに起因させるた
め、非晶質Siフォトダイオードの空乏層厚さを通常の設
定値に比べて厚い0.9μｍ〜3.0μｍに設定し、検出器ノ
イズを小さくする。 さらに、本実施例では実際のCT用検出器の使用条件に
より評価した結果を用いているが、利用状況の変更等に
おいては、本実施例に含まれる各パラメータを変更する
ことにより、最適なｉ層膜厚が得られる。 例えば、面積SAやεが異なる場合には、（12）式を考
慮して要求仕様を求める。 この場合、（12）式と同様に、SA、ｄ、εをMKS単位
系として、2.6×10-3εSAｄ8.6×10-3εSAという要
求仕様になる。 本実施例では比誘電率εは14程度、面積SA＝25×10-6
（単位、m2）であり、0.9×10-6（＝dmin、（単位、
ｍ））≦ｄ（単位、ｍ）3.0×10-6（＝dmax、（単位、
ｍ））の条件は、（12）式で示される容量Ｃの関係で示
すと、Cmin≦Ｃ≦Cmaxとなり、Cmax（単位、F/m）＝14
ε０×（25×10-6）／（0.9×10-6）、Cmin（単位、F/
m）＝14ε０×（25×10-6）／（3.0×10-6）である。従
って、面積SA、比誘電率εが異なる場合には、Cmin≦Ｃ
≦Cmaxを満足させるためには、dmin＝εε0SA/Cmax＝ε
ε0SA×（0.9×10-6）／｛14ε０×（25×10-6）｝＝k1
εSA（ここで、k1（単位、m-1）＝（0.9×10-6）／｛14
×（25×10-6）｝＝2.6×10-3である）、dmax＝εε0SA
/Cmin＝εε0SA×（3.0×10-6）／｛14ε０×（25×10
-6）｝＝k2εSA（ここで、k2（単位、m-1）＝（3.0×10
-6）／｛14×（25×10-6）｝＝8.6×10-3である）とす
ればよい。 特に、3.6×10-3εSAｄ7.0×10-3εSAでは、（S/
N）Ｄは極めて高くなり、CT画像の画質はほぼ入射Ｘ線
の量子ノイズのみ、つまり（S/N）Ｘで決まるため、高
画質のCT画像の提供が可能である。 第２図は、本発明の一実施例における放射線検出素子
の構成図である。 本実施例の放射線検出素子は、透明電極54、ｐ型水素
化シリコン55、ｉ型水素化シリコン56、ｎ型水素化シリ
コン57、および電極58をから構成されたａ−Si pinフ
ォトダイオード59、透明膜53、シンチレータ51、および
光反射膜52を備える。 このシンチレータ51は、例えば熱間静水圧加圧法によ
り作成したGd2O2S:Pr,Ce,Fであり、厚さは1.5mm、Ｘ線
受光面の大きさは1.2mm×30mmである。また、上面、お
よび下面は鏡面研磨を施されている。 下面には、蛍光を反射するための光反射膜52として、
例えばAl蒸着膜を形成する。なお、必要に応じてシンチ
レータとAl蒸着膜の間に透明膜を配置することもでき
る。 また、上面には透明膜53を配置する。この透明膜53に
は、例えばSiO2、SiN4、Ta2O5等を用い、厚さは１μｍ
とする。 さらに、この透明膜53上にａ−Siフォトダイオード59
を形成する。 すなわち、まず、ITO、SnO2、SnO2/ITO2層膜等の透明
電極54を形成する。 次に、ｐ型、ｉ型、ｎ型の順に水素化非晶質シリコン
55〜57を形成する。なお、膜厚はｐ層0.01μｍ、ｉ層1.
2μｍ、ｎ層0.03μｍである。 さらに、ｎ層の上に電極58としてAl蒸着膜を形成す
る。なお、Al蒸着膜の大きさは1mm×25mmとする。 また、電極58の取り出しは透明電極とAl電極から行
い、出力信号は低雑音オペアンプを用いて電流・電圧変
換する。 なお、本実施例ではシンチレータの上にａ−Siフォト
ダイオード１素子を形成したが、必要に応じて、１シン
チレータ上に多素子のフォトダイオードを形成すること
もできる。 例えば、30mm×20.8mmのシンチレータ上に30mm×1.2m
mのフォトダイオードを100μｍの間隔で並列に16チャン
ネル形成することもできる。この場合、多素子がブロッ
ク化され、CT装置への実装が容易になる。 〔発明の効果〕 本発明によれば、シンチレータと非晶質シリコンフォ
トダイオード、および検出回路から構成されたＸ線CT装
置用の放射線検出素子において、検出器のS/N比を高く
することができる。 この結果、検出信号のSN比がほぼ入射Ｘ線の量子ノイ
ズによってのみ決まるため、その検出素子を用いたＸ線
CT装置においては、入射Ｘ線の量子ノイズのみのSN比を
もつ理想的なCT画像を得ることができる。 さらに、Ｘ線CT装置に限らず、他の放射線検出装置に
も固体検出素子のSN比向上方法として利用することが可
能である。
関し、特に、放射線入射位置による検出感度のバラツキ
が少く、高SN比で検出感度が高く、実装が容易な放射線
検出素子に関する。 〔従来技術〕 従来、代表的なＸ線CT装置用固体検出素子としては、
シンチレータとフォトダイオードとを組み合わせたもの
がある。 また、フォトダイオードについては近年、非晶質材料
の応用研究の進歩により、例えば、“集積化アモルファ
スＸ線センサー，魏 光晋、岡本博明、浜川圭弘、谷口
正克、前畑英彦、大工博之共著，応用物理学会誌，第55
巻,1986年，第824頁〜829頁”に記載されているよう
に、フォトダイオードとして非晶質シリコンフォトダイ
オードを用いることが可能になりつつある。 なお、この種の方法として関連するものには、例え
ば、特開昭62−71881号、および特開昭62−43585号が挙
げられる。 〔発明が解決しようとする問題点〕 上記従来技術では、非晶質シリコン（以下ａ−Siと略
す）フォトダイオードに関し、非晶質太陽電池の開発
や、ファクシミリ用一次元ラインセンサに用いる非晶質
フォトダイオードの開発で培われた技術を応用すること
ができる。 しかし、Ｘ線CT装置に使用される放射線検出素子と、
これらの技術分野で開発されたフォトダイオードとは応
用目的が異なるため、必ずしも最適ではない。 例えば、フォトダイオードの空乏層厚さについては、
フォトダイオードの構造がpin構造の場合、空乏層厚さ
はｉ層膜厚により決まる。 さらに、この膜厚は光検出感度、つまり、検出信号電
流が最大となるように設定される。 一般に、短波長の光に対しては膜厚を薄くするに従っ
て光感度は高くなる。例えば、ZnS:NiやZnS等、発光波
長が500nm〜600nmの範囲のシンチレータに対しては、pi
n構造フォトダイオードのｉ層膜厚は0.5μｍ程度に設定
さる。 一方、Ｘ線CT装置用検出素子として最も重要な性能
は、検出素子に起因するノイズがＸ線量子ノイズに比べ
て十分、小さいことである。 しかし、従来のａ−Siフォトダイオードの性能は、こ
の点に関して満足できるものではなかった。 本発明の目的は、このような問題点を改善し、Ｘ線CT
装置用検出素子として十分なノイズ特性を有する放射線
検出素子を提供することにある。 〔問題を解決するための手段〕 上記目的を達成するため、本発明の放射線検出素子
は、放射線を光に変換するシンチレータと、該シンチレ
ータからの発光を電気信号に変換する非晶質シリコンフ
ォトダイオード、および非晶質シリコンフォトダイオー
ドが発生する電気信号を検出する電子回路を備えた放射
線検出素子において、pin構造の非晶質シリコンフォト
ダイオードでは、光感度とｉ層膜厚ｄの関係、および検
出素子ノイズとｉ層膜厚ｄの関係を測定し、それらの関
係から、最終的に得られる検出電気信号のSN比が主に入
射放射線の量子ノイズに起因するように、従来よりもｉ
層膜厚ｄを厚く、ε、SA、ｄをMKS単位系として、2.6×
10-3εSAｄ8.6×10-3εSA（ε:i層の比誘電率,SA:
非晶質シリコンフォトダイオードの面積（m2））の範囲
に設定したことに特徴がある。 〔作用〕 本発明においては、ａ−Si pinフォトダイオードの
ｉ層膜厚ｄを設定する場合、光検知感度のｉ層膜厚依存
性と、検出素子ノイズのｉ層膜厚依存性とから、検出系
のSN比を求め、その値に基づいてｉ層膜厚ｄを最適化す
る。 つまり、フォトダイオードの空乏層を厚くすることに
より、検出信号ノイズは大幅に減少するため、空乏層を
厚くしたことにより、光検出電流が減少するにも拘ら
ず、検出信号のSN比は大幅に向上する。 なお、従来は光検知感度のｉ層膜厚依存性のみを考慮
して空乏層厚さを設定していた。 〔実施例〕 以下、本発明の一実施例を図面により説明する。 第３図は、本発明の一実施例における放射線検出回路
の構成図である。 本実施例の放射線検出回路は、放射線検出素子31、お
よびオペアンプ32を備え、放射線をシンチレータにより
光に変換し、さらにａ−Si pinフォトダイオードによ
り電気信号に変換して、オぺアンプ32を介し、その電圧
信号を検出する。また、ａ−Si pinフォトダイオード
のｉ層膜厚ｄについては、従来方法と異なり、光検知感
度との関係の他に、検出素子ノイズとの関係を考慮して
設定している。 まず、本実施例におけるこのａ−Si pinフォトダイ
オードのｉ層膜厚ｄの設定方法について述べる。 第１図は、本発明の一実施例における放射線検出素子
のｉ層膜厚ｄ（μｍ）と検出信号のSN比との関係を示す
説明図、第４図はａ−Si pinフォトダイオードを用い
た場合の出力ノイズと入力容量との関係を示す説明図、
第５図はａ−Si pinフォトダイオードを用いた場合の
出力ノイズ電圧とｉ層膜厚ｄ（μｍ）との関係を示す説
明図、第６図はａ−Si pinフォトダイオードを用いた
場合の出力電圧とｉ層膜厚ｄ（μｍ）との関係を示す説
明図である。 一般に、検出信号のノイズ電圧VNは、次の式で示され
る。 （１）VN 2＝VX 2＋VD 2 但し、VXはＸ線量子ノイズ電圧、VDは検出素子ノイズ
電圧である。 従って、検出信号電圧をVSとすると、次の式が得られ
る。 （２）（S/N）２＝VS 2/VN 2＝VS 2/（VX 2＋VD 2） また、本実施例における放射線検出回路と同様に、オ
ペアンプを含む検出回路により、放射線検出を行う場
合、検出信号電圧VSは次の式で示される。 （３）VS＝iSRf＝eXpq（ｄ）Rf 但し、iSは信号電流、Rfはフィードバック抵抗、ｅは
電気素量、Ｘは検出素子シンチレータのＸ線吸収量（Ｘ
−photon数／素子・秒）、ｐは蛍光体のＸ線光子から可
視光子への変換量子効率、ｑ（ｄ）はａ−Siフォトダイ
オードの空乏層厚さｄに依存する光電変換量子効率であ
る。 すなわち、VSは空乏層厚さｄ（μｍ）の関数であり、
通常はVSが最大となるようにｉ層膜厚ｄ（μｍ）を設定
している。なお、pin構造フォトダイオードでは空乏層
厚さｄはｉ層膜厚にはほぼ等しい。 また、シンチレータ発光波長の典型例として緑色光を
選び、緑色光に対するVSの測定を行った場合、第６図の
ような測定結果が得られる。 なお、この測定では、Gd2O2S:Pr,Ce,Fシンチレータに
ｉ層膜厚0.35μｍのａ−Si pinフォトダイオードを密
着した放射線検出部に、管電圧120kVのＸ線を１μR/1ms
で照射したときの出力電流を、ナショナルセミコンダク
タ社製オペアンプLF356Hにフィードバック抵抗5MΩを接
続した電流・電圧変換回路の出力電圧として測定し、8m
Vの出力を得た。 また、ｉ層膜厚0.68μｍ、1.0μｍ、2.2μｍ、および
2.6μｍのPINフォトダイオードについても同様に出力電
圧を測定し、第４図（□印、■印、△印、▲印、▽
印）、および第６図（○印）に測定値を示した。 従って、第６図より、ｄ〜0.5μｍで検出信号電圧VS
が最大となることが示される。これはｉ層膜厚ｄが0.5
μｍ以上、厚くなると短波長光感度が低下するという従
来の知見と一致する。また、現実に太陽電池用ａ−Si
pinフォトダイオードで用いられるｉ層膜厚（〜0.5μ
ｍ）とも一致している。 さらに、ノイズについて述べる。 まず、Ｘ線量子ノイズ電圧VXについては、次の式で示
される。 但し、ｔはＸ線照射時間である。 また、診断用Ｘ線CT装置では、例えば１プロファイル
データ当り、1ms間にＸ線管電圧120kVのＸ線を1mR照射
する。このＸ線は人体腹部を透過すると、約1/1000に減
衰する。このため、検出素子に吸収されるＸ線数Xtは、
シンチレータのＸ線吸収率を0.9、シンチレータのＸ線
入射面積を20mm2とすると、 （５）１（mR）×20（mm2）×6.67×1011（Ｘ−photon/ mR・mm2）×10-3×0.9＝1.2×104（Ｘ−photon/素子） となる。 従って、（３）〜（５）式により、Ｘ線量子ノイズに
起因する（S/N）Ｘは次の式で示す程度となる。 また、検出系のノイズについては、本実施例における
放射線検出回路と同様に、ａ−Siフォトダイオードとオ
ペアンプとから構成された検出系では通常、電流性ノイ
ズと電圧性ノイズとである。 しかし、ａ−Siフォトダイオードでは、材料自身の抵
抗が高く、リーク電流が例えば10〜20pAと極めて小さい
ため、電流性ノイズは無視することができる。 一方、電圧性ノイズは主に抵抗性熱雑音、およびオペ
アンプのノイズである。 このオペアンプのノイズは、ａ−Siフォトダイオード
に付随する入力容量Ciの増加とともに増える。なお、第
３図では入力容量Ciは点線で示される。 また、ａ−Siフォトダイオードでは結晶Siフォトダイ
オードに比べて空乏層厚さｄが通常、0.3μｍ〜0.7μｍ
と薄いため、一般に容量が大きくなる。 本実施例におけるＸ線CT装置用の放射線検出素子で
は、システムの要求によりａ−Siフォトダイオード面積
（SA）は通常、20〜30mm2と大きいため、特に容量が大
きくなり、アンプノイズは著しく増培される。 そこで、入力容量Ciが大きい場合の容量とノイズの関
係を調べる。 まず、帰還抵抗Rfから生じる抵抗性熱雑音eiRは次の
式で示される。 但し、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、Ｂは帯域
幅である。 また、この出力換算ノイズeoRは、次の式で示され
る。 （８）eoR＝eiR/（１＋SCfRf） 但し、Cfは帰還容量、Ｓは周波数である。また、この
eoRは入力容量Ciに依存しない。 さらに、アンプノイズen1の出力換算ノイズをeonとす
ると、アンプノイズen1の伝送特性eon/en1は、次の式で
示される。なお、市販の低雑音アンプではオプアンプの
en1の値は 程度である。 （９）eon/en1＝−(Ｋ＋１)Ｇ(Ｓ)／(Ｋ＋１＋Ｇ(Ｓ)) （10）Ｋ＝SCiRf/（１＋SCiRi）／（１＋SCfRf） 但し、Ｇ（Ｓ）はアンプの電圧利得、Riは入力抵抗で
ある。 また、検出素子ノイズ電圧VDは、（８）、（９）式で
与えられるeon、およびeoRを用いて、次の式で示すこと
ができる。 但し、S1、およびS2は検出回路の周波数帯域の下限、
および上限である。 さらに、（９）（10）および（11）式により、VDはCi
の関数であることがわかる。 また、本実施例と同様の検出回路において、例えばRf
＝5MΩ、Cf＝40pFである場合、入力容量Ciと検出素子ノ
イズ電圧VDとの関係は測定値から第４図のように示され
る。 なお、この測定では、Gd2O2S:Pr,Ce,Fシンチレータに
ｉ層膜厚0.35μｍのａ−Si pinフォトダイオードを密
着した放射線検出部の出力信号を、ナショナルセミコン
ダクタ社製オペアンプLE356Hにフィードバック抵抗5MΩ
を接続した電流・電圧変換回路の出力電圧として検出し
た。 この結果、放射線を入射しないときの出力ノイズ電圧
を測定すると、380μVrmsであった。 また、ｉ層膜厚1.0μｍのフォトダイオードを同様の
検出回路に接続した場合のノイズ電圧は、30μVrmsであ
った。同様に、Ｉ層膜厚0.68μｍ、2.2μｍ、および2.6
μｍのPINフォトダイオードについても検出素子ノイズ
電圧（出力ノイズ）を測定して、□印、■印、△印、▲
印、および▽印で示した。 なお、この測定ではフォトダイオードへの印加電圧を
0Vとしているが、逆バイアス電圧を1Vまで印加してもノ
イズ電圧は増加しなかった。 この第４図より、VDのCi依存性については、Ci＝1500
pF以上では、 であることがわかる。 一方、Ciについては、主にａ−Si pinフォトダイオ
ードの容量Ｃで決まり、それらの関係は次の式で示され
る。 （12）Ci〜Ｃ＝εε0SA/d 但し、εはａ−Siの比誘電率、ε０は真空誘電定数、
SAはａ−Siフォトダイオードの面積、ｄは空乏層（ｉ
層）膜厚であり、（12）式では、MKS単位系を使用して
おり、（12）式では、SAはm2、ｄはｍの単位で表され
る。 なお、εは材料固有の値であり、ａ−Si:Hでは14程度
である。また、面積SAはCT画像の画素サイズやスライス
厚さで決まる。 例えば、幅が約1mm、スライス方向長さが25mmであれ
ば、SAは25mm2であり、この値は容易に変更できない。 この条件下で、ａ−Si pinフォトダイオードとして
従来、用いられているｉ層膜厚を適用すると、例えば0.
5μｍの厚さでは、容量Ｃは（12）式より6200pFと非常
に大きくなり、検出素子ノイズ電圧VDが極めて大きくな
る。 このため、従来は光検知感度が最高となるように設定
していたｉ層膜厚ｄを、検出素子ノイズを考慮して再設
定することが必要である。 先に述べたように、（11）式より、VDはCiの関数であ
り、また、（12）式より、Ciは空乏層膜厚ｄの関数であ
るため、VDはｄの関数であると言える。 従って、検出信号ノイズ電圧VNが検出素子ノイズ電圧
VDのみに起因するならば、VNは次の式で示される。 （13）VN＝VN（Ci）＝VN（Ci（ｄ））＝VN（ｄ） また、この場合の検出素子ノイズ電圧VD（出力ノイズ
電圧）とｉ層膜厚ｄの関係は第５図に示される。 この第５図より、ｉ層膜厚ｄを大きくすると、検出素
子ノイズ電圧VDが急激に減少することがわかる。特に、
０＜ｄ＜１μｍの範囲では、ｄが増加するとVDが急激に
減少する。 これらの測定結果から、本実施例では検出素子ノイズ
のｉ層膜厚依存性が極めて大きいことを考慮し、従来、
光検知感度を最大とするように設定していたｉ層膜厚ｄ
について、検出系のS/Nを測定し、その値に基づいてｉ
層膜厚ｄを最適化する。 例えば、第４図に示された検出素子ノイズのｉ層膜厚
依存性、および第６図に示された光検知感度のｉ層膜厚
依存性から、放射線検出素子のS/N（（S/N）Ｄ）を算出
し、第１図に○印で示す。 この第１図より、（S/N）ＤはＩ層膜厚ｄ〜1.7μｍで
最大となる。 すなわち、ｄ1.7μｍではｄが大きくなるに従い、
ノイズが減少するため、（S/N）Ｄは向上するが、ｄ
1.7μｍではｄの増大に伴うノイズの減少効果より、信
号量の減少が著しく、（S/N）Ｄは低下する。 また、ｄ0.9μｍでは（S/N）Ｄは220以下に低下
し、0.9μｍｄ3.0μｍでは（S/N）Ｄは220以上の良
好な値を示す。 特に、この範囲（0.9μｍｄ3.0μｍ）ではＸ線量
子ノイズの（S/N）Ｘに対して、検出系の（S/N）Ｄは約
２培以上大きいため、CT画像情報を殆ど劣化することな
く、電気信号に変換することができる。 また、1.25μｍ＜ｄ＜2.45μｍでは、S/N比〜300以上
と極めて質の高い信号検出を行うことができる。 これにより、従来の方法、つまり、光検知感度を最大
にするようにｉ層膜厚ｄを設定する方法では得られなか
った高いS/Nの信号を検出することができる。 さらに、検出系ノイズとＸ線量子ノイズとの関係につ
いて述べる。 （１）式より、VN 2＝VX 2＋VD 2である。 Ｘ線CTシステムとして検出信号ノイズ電圧VNがＸ線量
子ノイズ電圧VXの何倍まで許容されるかについては、撮
影部位や診断対象によって異なるが、通常VNがVXの1.1
倍程度までは許容できると考えられる。 例えば、VN≦1.1VXをシステムの要求仕様とすると、V
Dの要求仕様は、（１）式より、VD≦0.46VXとなる。 これにより、次の式が得られる。 （14）（S/N）Ｄ≧（S/N）X/0.46＝2.2S（S/N）Ｘ 例えば、第１図の結果では、（14）式を満たすｉ層膜
厚は、（S/N）Ｘ＝110のとき、（S/N）Ｄ＝220であるた
め、0.9μｍ以上となる。 このように、本実施例におけるｉ層膜厚ｄの設定方法
では、CT用放射線検出器において、最終的に得られる信
号のS/Nを、主に入射Ｘ線の量子ノイズに起因させるた
め、非晶質Siフォトダイオードの空乏層厚さを通常の設
定値に比べて厚い0.9μｍ〜3.0μｍに設定し、検出器ノ
イズを小さくする。 さらに、本実施例では実際のCT用検出器の使用条件に
より評価した結果を用いているが、利用状況の変更等に
おいては、本実施例に含まれる各パラメータを変更する
ことにより、最適なｉ層膜厚が得られる。 例えば、面積SAやεが異なる場合には、（12）式を考
慮して要求仕様を求める。 この場合、（12）式と同様に、SA、ｄ、εをMKS単位
系として、2.6×10-3εSAｄ8.6×10-3εSAという要
求仕様になる。 本実施例では比誘電率εは14程度、面積SA＝25×10-6
（単位、m2）であり、0.9×10-6（＝dmin、（単位、
ｍ））≦ｄ（単位、ｍ）3.0×10-6（＝dmax、（単位、
ｍ））の条件は、（12）式で示される容量Ｃの関係で示
すと、Cmin≦Ｃ≦Cmaxとなり、Cmax（単位、F/m）＝14
ε０×（25×10-6）／（0.9×10-6）、Cmin（単位、F/
m）＝14ε０×（25×10-6）／（3.0×10-6）である。従
って、面積SA、比誘電率εが異なる場合には、Cmin≦Ｃ
≦Cmaxを満足させるためには、dmin＝εε0SA/Cmax＝ε
ε0SA×（0.9×10-6）／｛14ε０×（25×10-6）｝＝k1
εSA（ここで、k1（単位、m-1）＝（0.9×10-6）／｛14
×（25×10-6）｝＝2.6×10-3である）、dmax＝εε0SA
/Cmin＝εε0SA×（3.0×10-6）／｛14ε０×（25×10
-6）｝＝k2εSA（ここで、k2（単位、m-1）＝（3.0×10
-6）／｛14×（25×10-6）｝＝8.6×10-3である）とす
ればよい。 特に、3.6×10-3εSAｄ7.0×10-3εSAでは、（S/
N）Ｄは極めて高くなり、CT画像の画質はほぼ入射Ｘ線
の量子ノイズのみ、つまり（S/N）Ｘで決まるため、高
画質のCT画像の提供が可能である。 第２図は、本発明の一実施例における放射線検出素子
の構成図である。 本実施例の放射線検出素子は、透明電極54、ｐ型水素
化シリコン55、ｉ型水素化シリコン56、ｎ型水素化シリ
コン57、および電極58をから構成されたａ−Si pinフ
ォトダイオード59、透明膜53、シンチレータ51、および
光反射膜52を備える。 このシンチレータ51は、例えば熱間静水圧加圧法によ
り作成したGd2O2S:Pr,Ce,Fであり、厚さは1.5mm、Ｘ線
受光面の大きさは1.2mm×30mmである。また、上面、お
よび下面は鏡面研磨を施されている。 下面には、蛍光を反射するための光反射膜52として、
例えばAl蒸着膜を形成する。なお、必要に応じてシンチ
レータとAl蒸着膜の間に透明膜を配置することもでき
る。 また、上面には透明膜53を配置する。この透明膜53に
は、例えばSiO2、SiN4、Ta2O5等を用い、厚さは１μｍ
とする。 さらに、この透明膜53上にａ−Siフォトダイオード59
を形成する。 すなわち、まず、ITO、SnO2、SnO2/ITO2層膜等の透明
電極54を形成する。 次に、ｐ型、ｉ型、ｎ型の順に水素化非晶質シリコン
55〜57を形成する。なお、膜厚はｐ層0.01μｍ、ｉ層1.
2μｍ、ｎ層0.03μｍである。 さらに、ｎ層の上に電極58としてAl蒸着膜を形成す
る。なお、Al蒸着膜の大きさは1mm×25mmとする。 また、電極58の取り出しは透明電極とAl電極から行
い、出力信号は低雑音オペアンプを用いて電流・電圧変
換する。 なお、本実施例ではシンチレータの上にａ−Siフォト
ダイオード１素子を形成したが、必要に応じて、１シン
チレータ上に多素子のフォトダイオードを形成すること
もできる。 例えば、30mm×20.8mmのシンチレータ上に30mm×1.2m
mのフォトダイオードを100μｍの間隔で並列に16チャン
ネル形成することもできる。この場合、多素子がブロッ
ク化され、CT装置への実装が容易になる。 〔発明の効果〕 本発明によれば、シンチレータと非晶質シリコンフォ
トダイオード、および検出回路から構成されたＸ線CT装
置用の放射線検出素子において、検出器のS/N比を高く
することができる。 この結果、検出信号のSN比がほぼ入射Ｘ線の量子ノイ
ズによってのみ決まるため、その検出素子を用いたＸ線
CT装置においては、入射Ｘ線の量子ノイズのみのSN比を
もつ理想的なCT画像を得ることができる。 さらに、Ｘ線CT装置に限らず、他の放射線検出装置に
も固体検出素子のSN比向上方法として利用することが可
能である。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例における放射線検出素子のｉ
層膜厚ｄと検出信号のSN比との関係を示す説明図、第２
図は本発明の一実施例における放射線検出素子の構成
図、第３図は本発明の一実施例における放射線検出回路
の構成図、第４図はａ−Si pinフォトダイオードを用
いた場合の出力ノイズと入力容量との関係を示す説明
図、第５図はａ−Si pinフォトダイオードを用いた場
合の出力ノイズ電圧とｉ層膜厚ｄとの関係を示す説明
図、第６図はａ−Si pinフォトダイオードを用いた場
合の出力電圧とｉ層膜厚ｄとの関係を示す説明図であ
る。 31:放射線検出素子,32:オペアンプ（OP）,51:シンチレ
ータ,52:光反射膜,53:透明膜,54:透明電極,55:p型水素
化シリコン,56:i型水素化シリコン,57:n型水素化シリコ
ン,58:電極,59:a−Si pinフォトダイオード,C,Ci,Cf:
容量,Ri,Rf:抵抗,VS:検出信号電圧。
層膜厚ｄと検出信号のSN比との関係を示す説明図、第２
図は本発明の一実施例における放射線検出素子の構成
図、第３図は本発明の一実施例における放射線検出回路
の構成図、第４図はａ−Si pinフォトダイオードを用
いた場合の出力ノイズと入力容量との関係を示す説明
図、第５図はａ−Si pinフォトダイオードを用いた場
合の出力ノイズ電圧とｉ層膜厚ｄとの関係を示す説明
図、第６図はａ−Si pinフォトダイオードを用いた場
合の出力電圧とｉ層膜厚ｄとの関係を示す説明図であ
る。 31:放射線検出素子,32:オペアンプ（OP）,51:シンチレ
ータ,52:光反射膜,53:透明膜,54:透明電極,55:p型水素
化シリコン,56:i型水素化シリコン,57:n型水素化シリコ
ン,58:電極,59:a−Si pinフォトダイオード,C,Ci,Cf:
容量,Ri,Rf:抵抗,VS:検出信号電圧。
フロントページの続き
(72)発明者 嶋田 寿一
東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地
株式会社日立製作所中央研究所内
(72)発明者 麻殖生 健二
東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地
株式会社日立製作所中央研究所内
(56)参考文献 特開 昭62−257030（ＪＰ，Ａ)
特開 昭62−124484（ＪＰ，Ａ)
特開 昭58−204088（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−127670（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．放射線を光に変換するシンチレータと、前記光を電
気信号に変換するpin構造を有する非晶質シリコンフォ
トダイオードとを有する放射線検出素子において、前記
非晶質シリコンフォトダイオードのｉ層の厚さｄ（単
位、ｍ）が、該ｉ層の比誘電率をε、前記非晶質シリコ
ンフォトダイオードの面積をSA（単位、m2）、k1＝2.6
×10-3（単位、m-1）、k2＝8.6×10-3（単位、m-1）と
するとき、k1εSA≦ｄ≦k2εSAであることを特徴とする
放射線検出素子。 ２．特許請求の範囲第１項に記載の放射線検出素子にお
いて、前記非晶質シリコンフォトダイオードが前記シン
チレータの前記放射線の出射面に形成されたことを特徴
とする放射線検出素子。 ３．特許請求の範囲第１項に記載の放射線検出素子にお
いて、前記非晶質シリコンフォトダイオードが前記シン
チレータの前記放射線の出射面に形成され、前記シンチ
レータが、熱間静水圧加圧法により形成されたGd2O2S:P
r,Ce,Feからなることを特徴とする放射線検出素子。
Priority Applications (3)
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|---|---|---|---|
| JP62283075A JP2696860B2 (ja) | 1987-11-11 | 1987-11-11 | 放射線検出素子 |
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| DE3836835A DE3836835A1 (de) | 1987-10-28 | 1988-10-28 | Strahlungsdetektor und herstellungsverfahren dafuer |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62283075A JP2696860B2 (ja) | 1987-11-11 | 1987-11-11 | 放射線検出素子 |
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|---|---|
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| JP2696860B2 true JP2696860B2 (ja) | 1998-01-14 |
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ID=17660885
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62283075A Expired - Fee Related JP2696860B2 (ja) | 1987-10-28 | 1987-11-11 | 放射線検出素子 |
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| US4982096A (en) * | 1988-01-06 | 1991-01-01 | Hitachi Medical Corporation | Multi-element radiation detector |
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-
1987
- 1987-11-11 JP JP62283075A patent/JP2696860B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01126583A (ja) | 1989-05-18 |
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