JP3978389B2 - Radiation position detector and radiation position detection method - Google Patents

Radiation position detector and radiation position detection method Download PDF

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、X線、γ線、α線及びβ線などの放射線の入射位置を高精度に測定できる放射線位置検出器、または放射線画像検出器に関する。
【0002】
【従来の技術】
放射線画像を得る技術として、X線フィルムが最も広く使われてきた。X線フィルムは医療の分野や非破壊検査などの工業分野で古くから広く用いられており、技術が蓄積され完成度も高く解像度も良い反面、フィルムの現像処理工程があるためリアルタイム画像が得られないことが最大の欠点である。また、X線フィルムは積分型の検出器であるため、入射放射線のエネルギーを区別することが不可能であり、エネルギー毎の画像が必要な分野には適用できない。
【0003】
このX線フィルムの問題を解決するため、従来、オンライン・リアルタイムで放射線画像を得るフラットパネルディテクタ(例えば、特許文献1参照)がある。このフラットパネルディテクタでは、多数の放射線の検出素子を二次元方向に並べてゲートドライブ回路とアナログマルチプレクサを制御して放射線画像を得ている。また、目的とするエネルギーのみの画像をオンラインで得るガンマカメラ(例えば、特許文献2参照)がある。このガンマカメラでは、ファンビームコリメータやパラレルビームコリメータで放射線の入射方向を限定してシンチレータと二次元方向に並べられた多数の光検出器を用いて放射線画像を得ている。上記いずれの場合にも、放射線画像を得るため多数の放射線位置検出器を用いている。
【0004】
さらに、多数の放射線位置検出器を用いる方法以外にも、単一のバルクで放射線入射位置を測定するシリコンドリフト検出器(例えば、非特許文献1参照)がある。この検出器は、薄いシリコン検出器の面に電極パターンを形成し、電極パターンにより素子内に電界をつくり、キャリアのドリフト(移動)時間を測定して放射線の入射位置を検出するものである。
【0005】
【特許文献1】
特表平11−510313号公報
【特許文献2】
特開2001−324568号公報
【非特許文献1】
IEEE Transaction on Nuclear Science Vol.42,No.5,pp1497−1504(1995)図1
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
個々の検出エリアが狭い多数の素子を用いて放射線画像を得ている場合には、検出エリアを広くしたり解像度を上げるには、さらに多くの素子が必要となり、素子数の増加に伴ってコストが増加する。また、素子の数が増えれば各素子の出力を処理する信号処理回路の数も増え、素子の実装や微細加工に関するコストもかかる。また、素子や処理回路の個数が多ければ部品点数が増えるため、必然的に故障率が上がる。また、多数の検出器素子を用いればそれぞれの特性にばらつきが生じるため、感度補正などの措置が必要になる。このように、多数の素子を用いた放射線画像検出器は莫大なコストがかかると共に、故障率の増加に対する対応が必要となる。
【0007】
またシリコンドリフト検出器では、シリコン検出器の面に多数の電極を形成しなければならず、製造コストが高くなる。さらに、キャリアの移動時間を高精度に測定するためには素子内の電界が一定であることが必要になるが、キャリアの移動方向に対して側面から電界を制御するため、電界強度に歪みが生じやすく電界の制御、すなわちキャリアの移動時間の精度制御が困難になる。このようにシリコンドリフト検出器では、放射線の入射位置を高精度に測定するためのコスト増加や、精度制御が困難となる問題点がある。
【0008】
そこで、本発明の目的は、単純な構造でコストを大幅に削減すると共に、高精度に放射線の入射位置や放射線画像を得ることができる放射線位置検出器を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る放射線位置検出器は、直方体形状であって、互いに対向する一対の電極を有し、放射線の入射によって極性の異なる2種類の電荷キャリアを生じる半導体検出素子と、
前記半導体検出素子に接続された電荷有感型プリアンプと、
前記半導体検出素子に入射した放射線により生じた前記2種類の電荷キャリアによる前記電荷有感型プリアンプの出力波形の波高がピークとなるパルス立ち上がり時間を測定するパルス立ち上り時間測定手段と、
前記パルス立ち上がり時間から放射線の入射位置を算出する入射位置演算手段と
を備えることを特徴とする。
【0010】
なお、パルス立ち上り時間測定手段に代えて、出力波形を解析し、該出力波形の傾きが変化する時間を測定するパルス波形解析手段を用いてもよい。
【0011】
本発明に係る放射線位置検出方法は、直方体形状であって、互いに対向する一対の電極を有し、放射線の入射によって極性の異なる2種類の電荷キャリアを生じる半導体検出素子を用いた放射線位置検出方法であって、
前記2種類の電荷キャリアによる出力波形の波高がピークとなるパルス立ち上り時間を測定し、該立ち上り時間から前記一対の電極の対向方向についての放射線の入射位置を測定することを特徴とする。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に係る放射線位置検出器について、添付図面を用いて説明する。なお、図面において、実質的に同一の部材には同一の符号を付している。
【0013】
実施の形態1.
本発明に係る放射線位置検出器について図1から図4を用いて説明する。図1は、この放射線位置検出器10の構成を示すブロック図である。この放射線位置検出器10は、直方体状の半導体検出素子1と、該検出素子1の対向する一対の端面に形成された2つの電極2a、2bとの間に電位差を与える直流電源6と、該電極2aと接続されている電荷有感型前置増幅器(電荷有感型プリアンプ)5と、該増幅器5と接続されているパルス立ち上がり時間測定手段7と、該パルス立ち上り時間測定手段7と接続されている入射位置演算手段8とを備える。半導体検出素子1は、例えば、シリコン等からなり、直方体状であり、一対の電極面2a、2bは、長手方向の端面に対向してそれぞれ形成されている。上記検出素子1の両端の電極のうち、一方の電極2bは接地されており、他方の電極2aには直流電源6により電極2bに対して電位差が与えられている。そのため、この検出素子1の内部には、長手方向について一様な電界が生じている。
【0014】
次に、この放射線位置検出器10における放射線位置検出の動作機構について説明する。この半導体検出素子1の上面からX線、γ線、β線、α線などの電離放射線3が入射しエネルギーが付与されると、異なる2種類の電荷キャリアとして電子4aと正孔4bのが一対として生成される。この電子4aと正孔4bとは、半導体検出素子1の内部の電界によって、互いに反対方向の電極2a、2bに向って移動するので、半導体検出素子1内に電流が流れる。電極2aに接続された電荷有感型前置増幅器5において、流れた電荷量が電圧に変換、増幅され、電圧パルスの出力波形がパルス立ち上り時間測定手段7に出力される。この電圧パルスの波形は、放射線により生成した電荷キャリアである電子4a及び正孔4bの挙動に大きく依存する。出力波形の立ち上がりは流れた電荷量の時間変化を示す。即ち、波高がピークとなるパルス立ち上がり時間は、放射線の入射により電荷が生成してから一方の電荷キャリアが電極に到達するまでの時間に対応する。さらに、パルス立ち上り時間測定手段7の出力は入射位置演算手段8に出力され、測定されたパルス立ち上り時間から放射線の入射位置が算出される。
【0015】
図2の(a)は、この放射線位置検出器において、放射線が入射する位置A、B、Cを対向する一対の電極間2a、2bについて示した概略図であり、(b)は、(a)の放射線入射位置ごとの電圧パルスの出力波形を示すグラフである。グラフの横軸は時間であり、縦軸は電圧である。図2の(b)の出力波形を示すグラフA、B、Cは、それぞれ入射位置A、B、Cに対応するものである。またtAe、tBe、tCeは、電荷キャリアが生成してから、電荷キャリアのうち電子4aが電極2aに到達するまでの時間であり、電荷キャリア生成位置がそれぞれA、B、Cに対応する。同様に、tAh、tBh、tChはそれぞれキャリアが生成してから正孔4bが電極2bに到達するための時間を示す。このときの出力波形は、キャリアが生成してから電子4aまたは正孔4bのいずれかが電極2a、2bに到達するまでの間は、電子4aと正孔4bの両方の電荷が流れているため波形の傾きが急峻である。その後、一方のキャリアが電極に到達した後から他方のキャリアが電極に到達するまでの間は、他方のキャリアの電荷しか流れないため波形の傾きが緩やかになる。さらに、電子4aと正孔4bの両方のキャリアが電極に到達した後は、全電荷が電極に到達し、もはや新たな電荷が流れないため、波高は電荷q0に相当するピーク高さになり傾きはほぼゼロになる。その後、出力波形は電荷有感型前置増幅器5の減衰時定数にしたがって電圧が低下していく。なお、この減衰時定数は、通常、立ち上がり時間に比べて十分に長くしてある。よって図2からわかるように、出力波形の立ち上がり時間、すなわち波高がq0になるまでの時間は、放射線3の入射位置により異なることがわかる。また、その立ち上がり時間は、放射線の入射位置から、互いに対向する2つの電極2a、2bまでの距離のうちの長いほうを、キャリアの移動速度で割ったものになる。したがって、出力波形の立ち上がり時間をパルス立ち上がり時間測定器7で測定し、さらに、入射位置演算手段8によって、電荷キャリアの速度を用いて放射線の入射位置を算出することができる。また、測定する電圧パルスの計数率を測定することにより入射放射線の強度がわかるため、放射線の位置強度分布についても測定できる。なお、図2では、半導体検出素子1における電荷キャリアである電子4aの速度veと正孔4bの速度vhがほぼ同じ場合(ve≒vh)について示している。
【0016】
図3は、パルス立ち上り時間測定手段7の好ましい内部構成を示すブロック図である。パルス立ち上がり時間測定手段7は、測定を高速に行うためにはアナログ式が望ましいが、高精度に測定するためにはノイズをいかに低減して測定するかが重要になる。通常、電荷有感型前置増幅器5からの出力波形には、ノイズが重畳しており、このノイズがタイミングを測定する上で障害となる。そこで、電荷有感型前置増幅器5からの出力を2つに分岐させている。一方を反転フィルタアンプ12、すなわち目的とする信号の周波数付近のみを通過させるバンドパスフィルタを備えた反転アンプ12によりノイズ成分を除去し、次いで、コンスタント・フラクション・ディスクリミネータ16aに入力し、立ち上がり開始のタイミング信号を得る。また、電荷有感型前置増幅器5からの出力のもう一方を微分アンプ14に入力する。微分アンプ14では波形を微分するので、電荷有感型増幅器5の出力波形の立ち上がりが完了する時点にゼロをクロスするバイポーラ信号を出力する。このバイポーラ信号をコンスタント・フラクション・ディスクリミネータ16bに入力することにより、ゼロクロスのタイミングにおいてストップ信号を得る。なお、微分アンプ14は反転アンプ12と同様に、通常はフィルタリング機能も備えているため、ノイズが除去されたバイポーラパルスを出力し、結果として高精度なタイミング信号を得ることができる。そして、コンスタントフラクションディスクリミネータ16a及び16bは、それぞれスタートタイミング、ストップタイミングを出力するので、両者の時間差を時間差測定器18で測定することにより、波高のピークとなるパルス立ち上がり時間を高速かつ高精度に測定することができる。
【0017】
実施の形態2.
本発明の実施の形態2に係る放射線位置検出器について、図4を用いて説明する。図4は、この放射線位置検出器20の構成を示すブロック図である。この放射線位置検出器20は、実施の形態1に係る放射線位置検出器と比較すると、パルス立ち上がり時間測定手段に代えてパルス波形解析手段22を備える点で相違する。半導体検出素子1からの出力パルスは、図2に示すように、出力波形に傾きの変化する変曲点tAe、tCh、tBe、tBh、tCe、tAhを持つ。そこで、この出力波形を解析するパルス波形解析手段22を用いて波形上での変曲点までの時間を求める。次いで、入射位置演算手段8によって、実施の形態1に係る放射線位置検出器における時間差測定の場合と同様にして、電荷キャリアの速度を用いて対向する一対の電極2a、2b間における放射線の入射位置を算出することができる。この場合、2つの変曲点を示す場合には、いずれを用いるかあらかじめ定めておく。なお、このパルス波形解析手段22は、微分回路などを用いたアナログ方式でも、波形をディジタルサンプリングして数値解析を行う方式でもよい。
【0018】
実施の形態3.
本発明の実施の形態3に係る放射線位置検出器について、図5を用いて説明する。図5の(a)は、この放射線位置検出器の半導体検出素子1に入射する放射線3の位置を示す概略図であり、(b)は、この放射線位置検出器による放射線位置検出時の出力波形を示すグラフである。この放射線位置検出器は、実施の形態1及び2に係る放射線位置検出器と比較すると、半導体検出素子1の電荷キャリア輸送特性が2種類の電荷キャリア(電子4a、正孔4b)によって異なる点で相違する。即ち、一方の電荷キャリアの移動速度が他方の電荷キャリアの移動速度に比べて十分大きい場合である。例えば、半導体検出素子1として、電子4aの移動速度veが正孔4bの移動速度vhに比べて十分大きな(ve>>vh)テルル化カドミウム、テルル化亜鉛カドミウム、ヨウ化第二水銀等を用いることができる。なお、ここで移動速度が十分大きいとは、一方の電荷キャリアの移動速度が他方の電荷キャリアの移動速度の概ね10倍以上の場合(ve>10×vh)をいう。
【0019】
この半導体検出素子1では、放射線の入射により発生した電荷キャリアのうち、電子4aは短時間に電極2aまで到達するのに対し、正孔4bは長時間かかって電極2bまで到達するか、あるいは移動の途中で捕獲中心に捕獲され停止してしまう。その結果、生じる出力波形は図5に示したとおり、電子4aと正孔4bが共に移動している間の傾きは大きいのに対して、正孔4bのみが移動している間の傾きは小さく実質的にゼロに近い。そのため、実質的に波高がピークとなる立ち上がり時間は電子の移動時間であるtAe、tBe、tCeとなり、これらは放射線の入射位置に比例する。したがって、放射線3の入射位置がパルス立ち上がり時間に比例するので、データの処理が簡単になる。またこれらの出力波形の傾きは印加電圧の値にも依存するが、パルス立ち上がりが実質的に電子4aの移動にほとんど依存するように、印加電圧を最適な値に調整することにより上記の目的を達成することができる。
【0020】
実施の形態4.
本発明の実施の形態4に係る放射線位置検出器30について、図6を用いて説明する。図6は、この放射線位置検出器30の構成を示すブロック図である。この放射線位置検出器30は、実施の形態1と比較すると、複数の半導体検出素子1a、1b、1c、1dを互いに平行に配列している点で相違する。また個々の半導体検出素子1a、1b、1c、1dは、それぞれ電荷有感型前置増幅器5a、5b、5c、5d及びパルス立ち上り時間測定手段7a、7b、7c、7dと並列に接続されている。さらに、各パルス立ち上り時間測定手段7a、7b、7c、7dは、一つの入射位置演算手段8に接続されており、その出力が一つのメモリ24に格納される。なお、各半導体検出素子1a、1b、1c、1dには、図1の場合と同様に直流電源により電圧が印加されているが、図6では省略している。また、図6中の矢印X、Yは二次元平面上の座標軸を示している。
【0021】
次に、この放射線位置検出器30における放射線位置検出の動作について説明する。この放射線位置検出30では、複数の半導体検出素子1a、1b、1c、1dは長手方向がx軸方向に平行になるようにして、y軸方向に並列に配列されている。一つの半導体検出素子1aに放射線が入射すると、入射位置演算手段8でx軸方向についての放射線の入射位置を測定することができる。一方、y軸方向に配列された複数の半導体検出素子1a、1b、1c、1dのいずれで検出されたかによって、y軸方向についての入射位置に関する情報を得ることができる。この出力はメモリ24においてy軸方向の位置に関するメモリに格納される。このようにして、X軸方向とY軸方向に対応する二次元平面上の放射線入射位置を測定できるので、二次元放射線位置検出器や放射線画像検出器を提供できる。
【0022】
実施の形態5.
本発明の実施の形態5に係る放射線位置検出器40について、図7を用いて説明する。図7は、この放射線位置検出器40の構成を示すブロック図である。この放射線位置検出器40は、実施の形態1に係る放射線位置検出器と比較すると、対向する一対の電極のうち、接地されていない電極が複数の分割電極32a、32b、32c、32dに分割されており、それぞれの分割電極32a、32b、32c、32dは個別に電荷有感型前置増幅器5a、5b、5c、5d及びパルス立ち上がり時間測定手段7a、7b、7c、7dと接続されている点で相違している。また、この放射線位置検出器40は、実施の形態4に係る放射線位置検出器と比較すると、xy平面にわたって一定面積を有する単一の半導体検出素子1が用いられ、一方の電極が複数の分割電極32a、32b、32c、32dに分割されている点で相違する。また、パルス立ち上がり時間測定手段7a、7b、7c、7dは、一つの入射位置演算手段8に接続され、算出された入射位置は一つのメモリ24に格納される。なお、各分割電極32a、32b、32c、32dには、図1と同様にそれぞれ直流電源により電圧が印加されているが、図7において直流電源は図示していない。この場合において、各分割電極32a、32b、32c、32dに印加されている電圧の値は全て同じである。また、図7中の矢印X、Yは二次元平面上の座標軸を示している。
【0023】
次に、この放射線位置検出器40の放射線位置検出の動作について説明する。xy平面に一定面積を有する半導体検出素子31に放射線が入射すると電子と正孔とが生成し、素子31内に印加されている電界により互いに反対方向へ移動する。X軸方向の放射線の入射位置については、上記実施の形態1で述べたような方法で測定できる。また、Y軸方向の放射線の入射位置については以下の方法で測定できる。この半導体検出素子31は単一の素子であるが、一方の電極が複数の分割電極に分割されており、もう一方の電極は同一で接地電極34になっている。それぞれの分割電極32a、32b、32c、32dと対向する電極34とに挟まれた領域は、それぞれ一つの素子として動作しうる。そこで、実施の形態4の場合と同様にして、x軸方向の入射位置だけでなくy軸方向の入射位置も測定することができる。この場合には、複数の素子を用いることなく、単一の素子31を用いて二次元の放射線入射位置を測定することができる。
【0024】
実施の形態6.
本発明の実施の形態6に係る放射線位置検出器50について、図8を用いて説明する。図8は、この放射線位置検出器50の構成を示すブロック図である。この放射線位置検出器50は、実施の形態1に係る放射線位置検出器と比較すると、対向する一対の電極のうち、一方の電極を抵抗性電極42としている点で相違する。この抵抗性電極42のy軸方向の一端には、電荷有感型前置増幅器44aを介してパルス波高測定手段45a及びパルス立ち上り時間測定手段46が接続されている。また、抵抗性電極のy軸方向の他端は接地されている。さらに、該抵抗性電極42と対向する他方の電極43には電荷有感型前置増幅器44bを介してパルス波高測定手段45bが接続されている。さらに、2つのパルス波高測定手段45a、45bは、波高除算手段47に接続されている。この波高除算手段47の出力は入射位置演算手段28bに入力される。また、パルス立ち上り時間測定手段46の出力は入射位置演算手段28aに入力される。入射位置演算手段28a、28bの各出力はメモリ48に入力される。なお、図8中の矢印X、Yは二次元平面上の座標軸を示している。また、入射した放射線による電荷キャリアへの付与エネルギーをEとする。さらに、放射線3の入射位置のY座標について、抵抗性電極42の電荷有感型前置増幅器44aに接続された方の一端からの距離をIYとする。
【0025】
次に、この放射線位置検出器50による放射線位置検出の動作について説明する。この放射線位置検出器50では、半導体検出素子41に放射線3が入射すると電子と正孔とが生成し、素子内に印加されている電界により互いに反対方向へ移動する。X軸方向の放射線入射位置については、上記実施の形態1で述べた方法で測定することができ、これについては電荷有感型前置増幅器44aの出力波形の波高がピークとなる立ち上がり時間を、パルス立ち上がり時間測定手段46で測定し、入射位置演算手段28aによってx軸方向の放射線入射位置を得ることができる。一方、Y軸方向の放射線入射位置については、以下のように測定することができる。この場合、抵抗性電極42の一端が電荷有感型前置増幅器44aに接続され、他端が接地されているため、電荷有感型前置増幅器44aの出力波形の波高は距離IYに比例すると共に、付与エネルギーEにも比例する。一方、電極43に接続された電荷有感型前置増幅器44bの出力波形は付与エネルギーEのみに比例した波高を有する。そこで、波高除算手段47で波高測定手段45aの出力を波高測定手段45bの出力で除算することにより、付与エネルギーに比例する部分を除去することができ、放射線の入射位置IYに比例する部分のみを得ることができる。次いで、入射位置演算手段28bによって、入射位置IYに比例する部分からy軸方向の放射線入射位置を算出することができる。このy軸方向の入射位置と、パルス立ち上り時間測定手段46から入射位置演算手段28aで算出されたx軸方向の入射位置とがメモリ48に記録される。以上により、単一の半導体検出素子41を用いて、二次元平面上の入射位置を測定することができ、二次元の放射線入射位置や二次元放射線画像を得ることができる。
【0026】
実施の形態7.
本発明の実施の形態7に係る放射線位置検出器60について、図9を用いて説明する。図9は、この放射線位置検出器60の構成を示すブロック図である。この放射線位置検出器60は、実施の形態6に係る放射線位置検出器と比較すると、回路部分では共通するが、半導体検出素子51に設けられた電極構成について相違する。即ち、この放射線位置検出器60では、抵抗性電極に代えてy軸方向について複数の分割された分割電極52a、52b、52c、52dを設けている点で相違する。また、この分割電極52a、52b、52c、52d同士が、それぞれ外部抵抗54a、54b、54cを介して接続されている点において相違する。さらに、分割電極52d側に電荷有感型前置増幅器44aが接続され、分割電極52a側が接地されている。これにより分割電極52a、52b、52c、52d及び外部抵抗54a、54b、54cとは、実施の形態6における抵抗性電極と同様の役割を果たすことになる。なお、図9中の矢印X、Yは二次元平面上の座標軸を示している。また、放射線3による付与エネルギーをEとする。さらに、放射線3の入射位置のY座標について、分割電極52dの一端からの距離をIYとする。以上により、単一の半導体検出素子41を用いて、二次元平面上の入射位置を測定することができ、二次元の放射線入射位置や二次元放射線画像を得ることができる。
【0027】
実施の形態8.
本発明の実施の形態8に係る放射線位置検出器について、図10から図14を用いて説明する。図10は、この放射線位置検出器の構成を示すブロック図である。この放射線位置検出器70は、実施の形態1に係る放射線位置検出器と比較すると、x軸方向で対向する一対の電極53a、53cに加えて、y軸方向で対向する一対の電極53b、53dを設けている点で相違する。また、x軸方向で対向する電極のうち、一方の電極53aには、電荷有感型前置増幅器44aを介してパルス波形測定手段55aが接続されている。さらに、y軸方向で対向する電極のうち、一方の電極53bには、電荷有感型前置増幅器44bを介してパルス波形測定手段55bが接続されている。2つのパルス波形測定手段55a、55bは、それぞれ入射位置演算手段28a、28bに接続されている。また、入射位置演算手段28a、28bの出力は,メモリ48に格納される。なお、電極53a、53b、53c、53dは、直流電源56a、56b、56c、56dにそれぞれ個別に接続されており、素子61内には電界が印加されている。また、図10中の矢印X、Yは二次元平面上の座標軸を示している。
【0028】
次に、この放射線位置検出器70による放射線位置検出の動作について、図11を用いて説明する。図11は、この半導体検出素子61をxy平面に垂直なz軸方向から見た概略平面図である。この検出素子61に入射した放射線により位置57に生成した電荷キャリアは、素子61内の電界にしたがって移動する。例えば、電荷キャリアが電子の場合、x軸方向の電界成分58aとy軸方向の電界成分58bを有する電界ベクトル58の方向に移動する。このとき、電荷有感型前置増幅器44aは、X軸方向の電界成分58aに相当する波形を出力する。一方、電荷有感型前置増幅器44bは、Y軸方向の電界成分58bに相当する波形を出力する。出力波形の波高のピークとなる立ち上がり時間と立ち上がり部分の傾きから、x軸方向及びy軸方向の入射位置を測定することができる。そこで、図10に示すパルス波形測定手段55aによってX軸方向の入射位置を出力し、パルス波形測定手段55bによってY軸方向の入射位置を出力する。メモリ48には二次元平面における放射線入射位置、または放射線画像が格納される。なお、パルス波形測定手段は、微分回路を用いたアナログ方式でも、デジタルサンプリングをおこない数値的に解析する方式のいずれであってもよい。以上のように、この放射線位置検出器70によれば、単一の半導体検出素子61を用いて、放射線の二次元平面上の入射位置及び放射線画像を測定できる。
【0029】
素子内にかかる電界、すなわち電気力線の方向や密度は、電荷キャリアが移動する方向と速度を決めるものであり、放射線の入射位置を測定する際の測定精度や位置分解能、測定画像の歪みを決める重要なパラメータとなる。高精度に測定するためには、素子内にかかる電界の方向と強度が一定であることが望ましい。
【0030】
なお、半導体検出素子において、任意の箇所の電位を調整してもよい。例えば、図12は、直方体形状の半導体検出素子の対角線にあたる一対の稜線部で電位を調整する場合(b(v)≒c(v))の概略平面図である。図13は、直方体形状の検出素子の内部で複数箇所において電位を調整する場合(b(v)≒c(v)、d(v)≒e(v)≒f(v)、g(v)≒h(v))の概略平面図である。図14は、直方体形状の検出素子の内部で一対の稜線部a及びoを結ぶ対角線と垂直な複数枚の電位調整用電極64を設けた場合の概略断面図である。このように検出素子の内部等に電位を調整する箇所や、電位調整用電極64を設けることにより、検出素子内の電界を一様にすることができる。そこで、電荷キャリアの移動について高精度な測定が可能となり、入射位置を高精度に検出できる。また、データ処理が容易にできるので、回路構成をシンプルにできる。
【0031】
実施の形態9.
本発明の実施の形態9に係る放射線位置検出器80について、図15を用いて説明する。図15は、この放射線位置検出器80の構成を示すブロック図である。この放射線位置検出器80は、実施の形態8に係る放射線位置検出器と比較すると、半導体検出素子71の中央に接地電極66が設けられ、同一の中心を持ち相似形であって一辺の長さがそれぞれ異なる矩形形状の電位調整用電極68が設けられている点で相違する。また、出力波形を測定する系統が各電極53a、53b、53c、53dごとに4系統設けられている点、および、パルス波形測定手段55a、55cの出力を比較する比較器67a、パルス波形測定手段55b、55dの出力を比較する比較器67bが設けられている点においても相違する。さらに、比較器67a、67bの出力はそれぞれ入射位置演算手段28a、28bに接続されている。なお、図15中の矢印X、Yは二次元平面上の座標軸を示している。
【0032】
次に、この放射線位置検出器80による放射線位置検出の動作について説明する。放射線が半導体検出素子71に入射すると電荷キャリアが生成し、該電荷キャリアは該検出素子71内に印加されている電界の方向に従って移動する。この場合において、検出素子71の中心には接地電極66が設けられていると共に、同一の中心を持つ相似形の矩形形状の電位調整用電極68が設けられているので、中心の接地電極66から周辺の各電極に向って電位が上がるように調節されている。そのため、生成した電荷キャリアのうち、例えば、電子は、生成位置が右辺の場合には電極53aに、上辺の場合には電極53bに、左辺の場合には電極53cに、下辺の場合には電極53dに向ってそれぞれ移動する。このとき、電子が右辺の電極53aに移動する場合を考えると、電荷有感型前置増幅器44aの出力波形は、電子の生成位置、即ち、放射線の入射位置のX方向成分であるX1を反映するパルス立ち上り時間を有する。また、電荷有感型前置増幅器44bからの出力波形は、放射線の入射位置のY方向成分であるY1を反映するパルス立ち上り時間を有する。電荷有感型前置増幅器44cの出力波形は、放射線の入射位置のX方向成分であるX2を反映するパルス立ち上り時間を有する。電荷有感型前置増幅器44dの出力波形は、放射線の入射位置のY方向成分であるY2を反映するパルス立ち上り時間を有する。この各電荷有感型前置増幅器の出力波形は、パルス波形測定手段55a、55b、55c、55dに入力され、波形測定される。このパルス波形測定手段55a、55cの出力は比較器67aによりX1とX2とが比較され、比較結果から入射位置演算手段28aによって、素子上のX座標が得られる。同様に、パルス波形測定手段55b、55dの出力は、比較器67bによりY1とY2とが比較され、比較結果から入射位置演算手段28bによって、素子上のY座標が得られる。入射位置演算手段28a、28bの各出力はメモリ48に格納される。以上の通り、電子の生成位置に応じて、そのX軸方向、Y軸方向の位置がわかるため、単一の放射線位置検出素子71を用いて、入射した放射線の二次元平面上の入射位置及び放射線画像を測定できる。
【0033】
なお、ここでは直方体形状の半導体検出素子71を用い、中心に接地電極を設け、4辺に電極を設けたが、直方体形状の場合に限られない。例えば、平面形状が多角形状の素子を用い、各辺に電極を設けてもよい。また、平面形状が円形状の素子を用いて複数の円弧状の電極を設けてもよい。
【0034】
実施の形態10.
本発明の実施の形態10に係る放射線位置検出器について、図16を用いて説明する。図16は、この放射線位置検出器90の構成を示すブロック図である。この放射線位置検出器90は、実施の形態6に係る放射線位置検出器と比較すると、抵抗性電極42を用いると共に、出力波形の波高を測定するパルス波高測定手段45a、45bを用いた回路構成を備える点で共通する。一方、パルス波高測定手段45bとメモリ48とが接続されており、パルス波高測定手段の出力をメモリ48内に格納することができる点で相違する。即ち、この放射線位置検出器90では、実施の形態6に係る放射線位置検出器と同様に、単一の半導体検出素子81によって放射線の入射位置を2次元平面で測定できると共に、パルス波高測定手段45bで得られるエネルギー値Eに比例する成分をメモリ48に記録できる。これにより、得られた二次元の放射線入射位置に加えて、入射した放射線のエネルギーEに関する情報も得ることができるので、エネルギー毎に弁別された放射線入射位置または放射線画像を得ることができる。
【0035】
なお、このように入射した放射線をエネルギーごとに弁別し、所定のエネルギー範囲にある放射線の入射位置を測定することはこの放射線位置検出器90の場合に限定されない。例えば、他の実施の形態1から9のいずれの放射線位置検出器において入射した放射線をエネルギーごとに弁別してもよい。また、エネルギー毎の放射線画像が得られれば、対象物から発する特定のエネルギーの放射線のみの画像を得ることができ、医療用の放射線画像検出器への応用が期待できる。さらに、対象物の元素組成に応じて放射線画像のコントラストを向上させることができ、逆に、得られた放射線画像のエネルギー分布を分析することによって対象物の元素組成を推定するなどの応用が期待できる。
【0036】
【発明の効果】
本発明に係る放射線位置検出器によれば、出力波形の波高のピークとなる立ち上がり時間を測定することにより、直方体形状の半導体検出素子の対向する一対の電極間の長手方向における放射線の入射位置を単一の検出素子で測定することができる。これにより、単純な構造でコストを低減させると共に、放射線入射位置を高精度で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1に係る放射線位置検出器の構成を示すブロック図である。
【図2】 本発明の実施の形態1に係る放射線位置検出器の出力波形の一例を示すグラフである。
【図3】 本発明の実施の形態1に係る放射線位置検出器を構成するパルス立ち上がり時間測定手段の内部構成を示すブロック図である。
【図4】 本発明の実施の形態2に係る放射線位置検出器の構成を示すブロック図である。
【図5】 本発明の実施の形態3に係る放射線位置検出器の出力波形の一例を示すグラフである。
【図6】 本発明の実施の形態4に係る放射線位置検出器の構成を示すブロック図である。
【図7】 本発明の実施の形態5に係る放射線位置検出器の構成を示すブロック図である。
【図8】 本発明の実施の形態6に係る放射線位置検出器の構成を示すブロック図である。
【図9】 本発明の実施の形態7に係る放射線位置検出器の構成を示すブロック図である。
【図10】 本発明の実施の形態8に係る放射線位置検出器の構成を示すブロック図である。
【図11】 本発明の実施の形態8に係る放射線位置検出器を構成する半導体検出素子の概略平面図である。
【図12】 本発明の実施の形態8に係る放射線位置検出器の半導体検出素子の電位調整の一例を示す概略図である。
【図13】 本発明の実施の形態8に係る放射線位置検出器における半導体検出素子の電位調整の一例を示す概略図である。
【図14】 本発明の実施の形態8に係る放射線位置検出器における半導体検出素子の電位調整の一例を示す図である。
【図15】 本発明の実施の形態9に係る放射線位置検出器の構成を示すブロック図である。
【図16】 本発明の実施の形態10に係る放射線位置検出器の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
1、1a、1b、1c、1d 半導体検出素子、2a、2b 電極、3 放射線、4a 電荷キャリア(電子)、4b 電荷キャリア(正孔)、5、5a、5b、5c、5d 電荷有感型前置増幅器、6 直流電源、7、7a、7b、7c、7d パルス立ち上がり時間測定手段、8、28a、28b 入射位置演算手段、10、20、30、40、50、60、70、80、90 放射線位置検出器、12 反転フィルタアンプ、14:微分アンプ、16a、16b コンスタント・フラクション・ディスクリミネータ、18 時間差測定器、22 パルス波形解析手段、24 メモリ、31、41、51、61、71、81 半導体検出素子、32a、32b、32c、32d 分割電極、34 電極、42 抵抗性電極、43 導電性電極、44a、44b 電荷有感型前置増幅器、45a、45b パルス波高測定手段、46 パルス立ち上がり時間測定手段、47 波高除算手段、48 メモリ、52a、52b、52c、52d 分割電極、53 導電性電極、54a、54b、54c 電気抵抗、55a、55b、55c、55d パルス波形測定手段、56a、56b、56c、56d 直流電源、57放射線入射位置(電荷キャリア発生位置)、58 進行方向、58a X成分、58b Y成分、62 電気力線、64、68 電位調整用電極、66 接地電極、67a、67b 比較器
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a radiation position detector or a radiation image detector capable of measuring an incident position of radiation such as X-rays, γ-rays, α-rays, and β-rays with high accuracy.
[0002]
[Prior art]
X-ray film has been most widely used as a technique for obtaining radiation images. X-ray film has been widely used in the medical field and industrial fields such as non-destructive inspection for a long time. Technology has been accumulated, the degree of perfection is high, and the resolution is good. The biggest drawback is not. Further, since the X-ray film is an integral detector, it is impossible to distinguish the energy of incident radiation, and it cannot be applied to a field that requires an image for each energy.
[0003]
In order to solve the problem of the X-ray film, there is conventionally a flat panel detector (see, for example, Patent Document 1) that obtains a radiation image in online and real time. In this flat panel detector, a large number of radiation detection elements are arranged in a two-dimensional direction to control a gate drive circuit and an analog multiplexer to obtain a radiation image. In addition, there is a gamma camera (for example, see Patent Document 2) that obtains an image of only the target energy online. In this gamma camera, a radiation image is obtained by using a fan beam collimator or a parallel beam collimator to limit the incident direction of radiation and using a scintillator and a number of photodetectors arranged in a two-dimensional direction. In any of the above cases, a large number of radiation position detectors are used to obtain a radiation image.
[0004]
In addition to a method using a large number of radiation position detectors, there is a silicon drift detector (see, for example, Non-Patent Document 1) that measures a radiation incident position in a single bulk. In this detector, an electrode pattern is formed on the surface of a thin silicon detector, an electric field is created in the element by the electrode pattern, and a carrier drift (movement) time is measured to detect the incident position of radiation.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese National Patent Publication No. 11-510313
[Patent Document 2]
JP 2001-324568 A
[Non-Patent Document 1]
IEEE Transaction on Nuclear Science Vol. 42, no. 5, pp 1497-1504 (1995) FIG.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
When a radiological image is obtained using a large number of elements with a small individual detection area, more elements are required to widen the detection area and increase the resolution, and the cost increases as the number of elements increases. Will increase. Further, as the number of elements increases, the number of signal processing circuits that process the output of each element increases, and costs associated with element mounting and microfabrication also increase. In addition, if the number of elements and processing circuits is large, the number of parts increases, and the failure rate inevitably increases. In addition, if a large number of detector elements are used, variations in characteristics occur, and measures such as sensitivity correction are required. As described above, a radiological image detector using a large number of elements is very expensive and needs to cope with an increase in failure rate.
[0007]
Further, in the silicon drift detector, a large number of electrodes must be formed on the surface of the silicon detector, which increases the manufacturing cost. Furthermore, in order to measure the carrier movement time with high accuracy, the electric field in the element needs to be constant. However, since the electric field is controlled from the side with respect to the carrier movement direction, the electric field strength is distorted. It tends to occur, and it becomes difficult to control the electric field, that is, to control the accuracy of carrier movement time. As described above, the silicon drift detector has a problem that the cost for measuring the incident position of radiation with high accuracy and the accuracy control become difficult.
[0008]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a radiation position detector that can greatly reduce the cost with a simple structure and can obtain a radiation incident position and a radiation image with high accuracy.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
A radiation position detector according to the present invention has a rectangular parallelepiped shape, a semiconductor detection element having a pair of electrodes facing each other, and generating two types of charge carriers having different polarities upon incidence of radiation,
A charge-sensitive preamplifier connected to the semiconductor detection element;
Pulse rise time measuring means for measuring a pulse rise time at which the peak of the output waveform of the charge-sensitive preamplifier due to the two types of charge carriers generated by radiation incident on the semiconductor detection element reaches a peak;
An incident position calculating means for calculating an incident position of radiation from the pulse rise time;
It is characterized by providing.
[0010]
Instead of the pulse rise time measuring means, pulse waveform analyzing means for analyzing the output waveform and measuring the time when the slope of the output waveform changes may be used.
[0011]
The radiation position detection method according to the present invention is a radiation position detection method using a semiconductor detection element having a rectangular parallelepiped shape and having a pair of electrodes facing each other and generating two types of charge carriers having different polarities upon incidence of radiation. Because
The pulse rising time at which the peak of the output waveform due to the two types of charge carriers reaches a peak is measured, and the incident position of the radiation in the opposing direction of the pair of electrodes is measured from the rising time.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A radiation position detector according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the drawings, substantially the same members are denoted by the same reference numerals.
[0013]
Embodiment 1 FIG.
A radiation position detector according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the radiation position detector 10. This radiation position detector 10 includes a rectangular parallelepiped semiconductor detection element 1 and a DC power supply 6 that provides a potential difference between two electrodes 2a and 2b formed on a pair of opposing end faces of the detection element 1. A charge sensitive preamplifier (charge sensitive preamplifier) 5 connected to the electrode 2a, a pulse rise time measuring means 7 connected to the amplifier 5, and a pulse rise time measuring means 7 are connected. Incident position calculation means 8. The semiconductor detection element 1 is made of, for example, silicon and has a rectangular parallelepiped shape, and the pair of electrode surfaces 2a and 2b are formed to face the end surfaces in the longitudinal direction. Of the electrodes at both ends of the detection element 1, one electrode 2b is grounded, and the other electrode 2a is given a potential difference to the electrode 2b by a DC power source 6. Therefore, a uniform electric field is generated in the detection element 1 in the longitudinal direction.
[0014]
Next, an operation mechanism of radiation position detection in the radiation position detector 10 will be described. When ionizing radiation 3 such as X-rays, γ-rays, β-rays, and α-rays enters from the upper surface of the semiconductor detection element 1 and is given energy, a pair of electrons 4a and holes 4b as two different types of charge carriers. Is generated as The electrons 4 a and the holes 4 b move toward the electrodes 2 a and 2 b in opposite directions due to the electric field inside the semiconductor detection element 1, so that a current flows in the semiconductor detection element 1. In the charge-sensitive preamplifier 5 connected to the electrode 2a, the amount of electric charge that has flowed is converted into voltage and amplified, and the output waveform of the voltage pulse is output to the pulse rise time measuring means 7. The waveform of this voltage pulse greatly depends on the behavior of electrons 4a and holes 4b, which are charge carriers generated by radiation. The rising edge of the output waveform shows the time change of the amount of charge that has flowed. That is, the pulse rise time at which the wave height reaches a peak corresponds to the time from when charge is generated by the incidence of radiation until one charge carrier reaches the electrode. Further, the output of the pulse rise time measuring means 7 is outputted to the incident position calculating means 8, and the radiation incident position is calculated from the measured pulse rise time.
[0015]
FIG. 2A is a schematic diagram showing a pair of electrodes 2a and 2b facing each other at positions A, B, and C where radiation is incident in this radiation position detector, and FIG. ) Is a graph showing an output waveform of a voltage pulse for each radiation incident position. The horizontal axis of the graph is time, and the vertical axis is voltage. Graphs A, B, and C showing output waveforms in FIG. 2B correspond to the incident positions A, B, and C, respectively. TAe, tBe, and tCe are the time from the generation of charge carriers to the arrival of the electrons 4a among the charge carriers at the electrode 2a, and the charge carrier generation positions correspond to A, B, and C, respectively. Similarly, tAh, tBh, and tCh indicate the time required for the holes 4b to reach the electrode 2b after carriers are generated. The output waveform at this time is that the charge of both the electrons 4a and the holes 4b flows between the generation of carriers and the time when either the electrons 4a or the holes 4b reach the electrodes 2a and 2b. The slope of the waveform is steep. Thereafter, after one carrier reaches the electrode and until the other carrier reaches the electrode, only the charge of the other carrier flows, so the slope of the waveform becomes gentle. Furthermore, after the carriers of both electrons 4a and holes 4b reach the electrode, the total charge reaches the electrode, and no new charge flows anymore, so the wave height becomes a peak height corresponding to the charge q0 and is inclined. Becomes almost zero. Thereafter, the voltage of the output waveform decreases according to the decay time constant of the charge sensitive preamplifier 5. This decay time constant is normally sufficiently longer than the rise time. Therefore, as can be seen from FIG. 2, it can be seen that the rise time of the output waveform, that is, the time until the wave height reaches q0, differs depending on the incident position of the radiation 3. The rise time is obtained by dividing the longer one of the distances from the radiation incident position to the two electrodes 2a and 2b facing each other by the carrier moving speed. Therefore, the rise time of the output waveform can be measured by the pulse rise time measuring device 7, and the incident position of the radiation can be calculated by the incident position calculation means 8 using the charge carrier velocity. Further, since the intensity of incident radiation can be known by measuring the count rate of the voltage pulse to be measured, the position intensity distribution of radiation can also be measured. FIG. 2 shows a case where the velocity ve of the electrons 4a which are charge carriers in the semiconductor detection element 1 and the velocity vh of the holes 4b are substantially the same (ve≈vh).
[0016]
FIG. 3 is a block diagram showing a preferred internal configuration of the pulse rise time measuring means 7. The pulse rise time measuring means 7 is preferably an analog type in order to perform measurement at high speed, but in order to measure with high accuracy, it is important how to reduce noise for measurement. Normally, noise is superimposed on the output waveform from the charge-sensitive preamplifier 5, and this noise becomes an obstacle to measuring timing. Therefore, the output from the charge-sensitive preamplifier 5 is branched into two. The noise component is removed by the inverting filter amplifier 12, that is, the inverting amplifier 12 having a bandpass filter that allows only the vicinity of the frequency of the target signal to pass, and then input to the constant fraction discriminator 16a. Get the start timing signal. Further, the other output from the charge-sensitive preamplifier 5 is input to the differential amplifier 14. Since the differential amplifier 14 differentiates the waveform, a bipolar signal that crosses zero is output when the rise of the output waveform of the charge-sensitive amplifier 5 is completed. By inputting this bipolar signal to the constant fraction discriminator 16b, a stop signal is obtained at the timing of zero crossing. Since the differential amplifier 14 also has a filtering function in the same manner as the inverting amplifier 12, a bipolar pulse from which noise has been removed is output, and as a result, a highly accurate timing signal can be obtained. The constant fraction discriminators 16a and 16b output the start timing and the stop timing, respectively. By measuring the time difference between the two by the time difference measuring device 18, the pulse rise time at the peak of the wave height can be increased at high speed and with high accuracy. Can be measured.
[0017]
Embodiment 2. FIG.
A radiation position detector according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the radiation position detector 20. The radiation position detector 20 is different from the radiation position detector according to the first embodiment in that a pulse waveform analysis unit 22 is provided instead of the pulse rise time measurement unit. As shown in FIG. 2, the output pulse from the semiconductor detection element 1 has inflection points tAe, tCh, tBe, tBh, tCe, and tAh at which the inclination changes in the output waveform. Therefore, the time to the inflection point on the waveform is obtained using the pulse waveform analysis means 22 for analyzing the output waveform. Next, the incident position calculation means 8 performs the incident position of the radiation between the pair of electrodes 2a and 2b facing each other using the charge carrier velocity in the same manner as the time difference measurement in the radiation position detector according to the first embodiment. Can be calculated. In this case, when two inflection points are shown, it is determined in advance which one is used. The pulse waveform analysis means 22 may be an analog method using a differentiation circuit or the like, or a method of digitally sampling the waveform and performing numerical analysis.
[0018]
Embodiment 3 FIG.
A radiation position detector according to Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5A is a schematic diagram showing the position of the radiation 3 incident on the semiconductor detection element 1 of the radiation position detector, and FIG. 5B is an output waveform when the radiation position is detected by the radiation position detector. It is a graph which shows. This radiation position detector is different from the radiation position detector according to the first and second embodiments in that the charge carrier transport characteristic of the semiconductor detection element 1 differs depending on two types of charge carriers (electrons 4a and holes 4b). Is different. That is, this is a case where the moving speed of one charge carrier is sufficiently higher than the moving speed of the other charge carrier. For example, cadmium telluride, zinc cadmium telluride, zinc cadmium telluride, mercuric iodide, or the like is used as the semiconductor detection element 1 in which the moving speed ve of the electrons 4a is sufficiently higher than the moving speed vh of the holes 4b (ve >> vh). be able to. Here, the sufficiently high moving speed means that the moving speed of one charge carrier is approximately 10 times or more of the moving speed of the other charge carrier (ve> 10 × vh).
[0019]
In this semiconductor detection element 1, among the charge carriers generated by the incidence of radiation, the electrons 4a reach the electrode 2a in a short time, whereas the holes 4b take a long time to reach the electrode 2b or move. In the middle of, it is caught by the capture center and stops. As a result, as shown in FIG. 5, the resulting output waveform has a large slope while both the electrons 4a and the holes 4b are moving, whereas it has a small slope while only the holes 4b are moving. Virtually close to zero. Therefore, the rise time at which the wave height substantially peaks is tAe, tBe, and tCe, which are electron movement times, and these are proportional to the radiation incident position. Accordingly, since the incident position of the radiation 3 is proportional to the pulse rise time, data processing is simplified. Although the slope of these output waveforms also depends on the value of the applied voltage, the above-mentioned object can be achieved by adjusting the applied voltage to an optimum value so that the pulse rise substantially depends on the movement of the electrons 4a. Can be achieved.
[0020]
Embodiment 4 FIG.
A radiation position detector 30 according to Embodiment 4 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of the radiation position detector 30. The radiation position detector 30 is different from the first embodiment in that a plurality of semiconductor detection elements 1a, 1b, 1c, and 1d are arranged in parallel to each other. The individual semiconductor detection elements 1a, 1b, 1c and 1d are connected in parallel with the charge sensitive preamplifiers 5a, 5b, 5c and 5d and the pulse rise time measuring means 7a, 7b, 7c and 7d, respectively. . Further, each pulse rise time measuring means 7 a, 7 b, 7 c, 7 d is connected to one incident position calculating means 8, and its output is stored in one memory 24. A voltage is applied to each of the semiconductor detection elements 1a, 1b, 1c, and 1d by a DC power source as in the case of FIG. 1, but is omitted in FIG. In addition, arrows X and Y in FIG. 6 indicate coordinate axes on a two-dimensional plane.
[0021]
Next, the radiation position detection operation in the radiation position detector 30 will be described. In this radiation position detection 30, the plurality of semiconductor detection elements 1a, 1b, 1c, and 1d are arranged in parallel in the y-axis direction so that the longitudinal direction is parallel to the x-axis direction. When radiation enters one semiconductor detection element 1a, the incident position calculation means 8 can measure the incident position of the radiation in the x-axis direction. On the other hand, information on the incident position in the y-axis direction can be obtained depending on which of the plurality of semiconductor detection elements 1a, 1b, 1c, and 1d arranged in the y-axis direction. This output is stored in the memory 24 in the memory relating to the position in the y-axis direction. Thus, since the radiation incident position on the two-dimensional plane corresponding to the X-axis direction and the Y-axis direction can be measured, a two-dimensional radiation position detector and a radiation image detector can be provided.
[0022]
Embodiment 5 FIG.
A radiation position detector 40 according to Embodiment 5 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of the radiation position detector 40. Compared with the radiation position detector according to the first embodiment, the radiation position detector 40 is divided into a plurality of divided electrodes 32a, 32b, 32c, and 32d among the opposed electrodes that are not grounded. Each of the divided electrodes 32a, 32b, 32c, 32d is individually connected to the charge sensitive preamplifiers 5a, 5b, 5c, 5d and the pulse rise time measuring means 7a, 7b, 7c, 7d. Is different. Further, in this radiation position detector 40, a single semiconductor detection element 1 having a constant area over the xy plane is used as compared with the radiation position detector according to the fourth embodiment, and one electrode is a plurality of divided electrodes. It is different in that it is divided into 32a, 32b, 32c, and 32d. The pulse rise time measuring means 7 a, 7 b, 7 c, 7 d are connected to one incident position calculating means 8, and the calculated incident positions are stored in one memory 24. Note that a voltage is applied to each of the divided electrodes 32a, 32b, 32c, and 32d by a DC power source as in FIG. 1, but the DC power source is not shown in FIG. In this case, the voltage values applied to the divided electrodes 32a, 32b, 32c, and 32d are all the same. In addition, arrows X and Y in FIG. 7 indicate coordinate axes on a two-dimensional plane.
[0023]
Next, the radiation position detection operation of the radiation position detector 40 will be described. When radiation is incident on the semiconductor detection element 31 having a certain area on the xy plane, electrons and holes are generated and move in opposite directions by the electric field applied in the element 31. The radiation incident position in the X-axis direction can be measured by the method described in the first embodiment. Further, the incident position of the radiation in the Y-axis direction can be measured by the following method. The semiconductor detection element 31 is a single element, but one electrode is divided into a plurality of divided electrodes, and the other electrode is the same as the ground electrode 34. Each region sandwiched between the divided electrodes 32a, 32b, 32c, and 32d and the opposing electrode 34 can operate as one element. Therefore, in the same manner as in the fourth embodiment, not only the incident position in the x-axis direction but also the incident position in the y-axis direction can be measured. In this case, a two-dimensional radiation incident position can be measured using a single element 31 without using a plurality of elements.
[0024]
Embodiment 6 FIG.
A radiation position detector 50 according to Embodiment 6 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the radiation position detector 50. The radiation position detector 50 is different from the radiation position detector according to the first embodiment in that one of the opposed electrodes is a resistive electrode 42. One end of the resistive electrode 42 in the y-axis direction is connected to a pulse height measuring means 45a and a pulse rise time measuring means 46 via a charge sensitive preamplifier 44a. The other end of the resistive electrode in the y-axis direction is grounded. Further, pulse wave height measuring means 45b is connected to the other electrode 43 opposed to the resistive electrode 42 via a charge sensitive preamplifier 44b. Further, the two pulse wave height measuring means 45 a and 45 b are connected to the wave height dividing means 47. The output of the wave height dividing means 47 is input to the incident position calculating means 28b. The output of the pulse rise time measuring means 46 is input to the incident position calculating means 28a. Each output of the incident position calculation means 28 a and 28 b is input to the memory 48. Note that arrows X and Y in FIG. 8 indicate coordinate axes on a two-dimensional plane. Further, E is the energy imparted to the charge carrier by the incident radiation. Further, regarding the Y coordinate of the incident position of the radiation 3, the distance from one end of the resistive electrode 42 connected to the charge sensitive preamplifier 44a is defined as IY.
[0025]
Next, the radiation position detection operation by the radiation position detector 50 will be described. In the radiation position detector 50, when the radiation 3 is incident on the semiconductor detection element 41, electrons and holes are generated and move in opposite directions by the electric field applied in the element. The radiation incident position in the X-axis direction can be measured by the method described in the first embodiment, and for this, the rise time at which the peak of the output waveform of the charge-sensitive preamplifier 44a reaches a peak, Measurement is performed by the pulse rise time measuring means 46, and the radiation incident position in the x-axis direction can be obtained by the incident position calculating means 28a. On the other hand, the radiation incident position in the Y-axis direction can be measured as follows. In this case, since one end of the resistive electrode 42 is connected to the charge sensitive preamplifier 44a and the other end is grounded, the wave height of the output waveform of the charge sensitive preamplifier 44a is proportional to the distance IY. At the same time, it is proportional to the applied energy E. On the other hand, the output waveform of the charge-sensitive preamplifier 44b connected to the electrode 43 has a wave height proportional to the applied energy E only. Therefore, by dividing the output of the pulse height measuring means 45a by the output of the pulse height measuring means 45b by the wave height dividing means 47, a portion proportional to the applied energy can be removed, and only a portion proportional to the radiation incident position IY can be removed. Obtainable. Next, the radiation position in the y-axis direction can be calculated from the portion proportional to the incident position IY by the incident position calculator 28b. The incident position in the y-axis direction and the incident position in the x-axis direction calculated by the incident position calculating means 28a from the pulse rise time measuring means 46 are recorded in the memory 48. By the above, the incident position on a two-dimensional plane can be measured using the single semiconductor detection element 41, and a two-dimensional radiation incident position and a two-dimensional radiation image can be obtained.
[0026]
Embodiment 7 FIG.
A radiation position detector 60 according to Embodiment 7 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a block diagram showing the configuration of the radiation position detector 60. The radiation position detector 60 is common in the circuit portion as compared with the radiation position detector according to the sixth embodiment, but is different in the electrode configuration provided in the semiconductor detection element 51. That is, the radiation position detector 60 is different in that a plurality of divided electrodes 52a, 52b, 52c, and 52d are provided in the y-axis direction in place of the resistive electrodes. Further, the divided electrodes 52a, 52b, 52c, and 52d are different from each other in that they are connected via external resistors 54a, 54b, and 54c, respectively. Further, a charge-sensitive preamplifier 44a is connected to the divided electrode 52d side, and the divided electrode 52a side is grounded. As a result, the divided electrodes 52a, 52b, 52c, 52d and the external resistors 54a, 54b, 54c play the same role as the resistive electrodes in the sixth embodiment. Note that arrows X and Y in FIG. 9 indicate coordinate axes on a two-dimensional plane. Further, E is the energy applied by the radiation 3. Further, regarding the Y coordinate of the incident position of the radiation 3, the distance from one end of the divided electrode 52d is IY. By the above, the incident position on a two-dimensional plane can be measured using the single semiconductor detection element 41, and a two-dimensional radiation incident position and a two-dimensional radiation image can be obtained.
[0027]
Embodiment 8 FIG.
A radiation position detector according to Embodiment 8 of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is a block diagram showing the configuration of this radiation position detector. Compared with the radiation position detector according to the first embodiment, the radiation position detector 70 has a pair of electrodes 53b and 53d opposed in the y-axis direction in addition to the pair of electrodes 53a and 53c opposed in the x-axis direction. It differs in that it is provided. Of the electrodes opposed in the x-axis direction, one electrode 53a is connected to a pulse waveform measuring means 55a via a charge sensitive preamplifier 44a. Further, of the electrodes facing in the y-axis direction, the pulse waveform measuring means 55b is connected to one electrode 53b via a charge sensitive preamplifier 44b. The two pulse waveform measuring means 55a and 55b are connected to the incident position calculating means 28a and 28b, respectively. The outputs of the incident position calculation means 28 a and 28 b are stored in the memory 48. The electrodes 53a, 53b, 53c, and 53d are individually connected to the DC power sources 56a, 56b, 56c, and 56d, and an electric field is applied to the element 61. In addition, arrows X and Y in FIG. 10 indicate coordinate axes on a two-dimensional plane.
[0028]
Next, the radiation position detection operation by the radiation position detector 70 will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a schematic plan view of the semiconductor detection element 61 viewed from the z-axis direction perpendicular to the xy plane. The charge carriers generated at the position 57 by the radiation incident on the detection element 61 move according to the electric field in the element 61. For example, when the charge carrier is an electron, it moves in the direction of an electric field vector 58 having an electric field component 58a in the x-axis direction and an electric field component 58b in the y-axis direction. At this time, the charge-sensitive preamplifier 44a outputs a waveform corresponding to the electric field component 58a in the X-axis direction. On the other hand, the charge-sensitive preamplifier 44b outputs a waveform corresponding to the electric field component 58b in the Y-axis direction. The incident position in the x-axis direction and the y-axis direction can be measured from the rise time at which the peak of the output waveform becomes a peak and the slope of the rise portion. Therefore, the incident position in the X-axis direction is output by the pulse waveform measuring means 55a shown in FIG. 10, and the incident position in the Y-axis direction is output by the pulse waveform measuring means 55b. The memory 48 stores a radiation incident position on a two-dimensional plane or a radiation image. The pulse waveform measuring means may be either an analog system using a differential circuit or a system that performs digital sampling and performs numerical analysis. As described above, according to the radiation position detector 70, it is possible to measure the incident position and radiation image of radiation on a two-dimensional plane using the single semiconductor detection element 61.
[0029]
The direction and density of the electric field applied to the element, that is, the lines of electric force, determine the direction and speed of movement of the charge carriers. The measurement accuracy and position resolution when measuring the incident position of radiation, and the distortion of the measurement image are determined. It is an important parameter to decide. In order to measure with high accuracy, it is desirable that the direction and intensity of the electric field applied in the element are constant.
[0030]
In the semiconductor detection element, the potential at an arbitrary position may be adjusted. For example, FIG. 12 is a schematic plan view of the case where the potential is adjusted by a pair of ridge lines corresponding to diagonal lines of a rectangular parallelepiped semiconductor detection element (b (v) ≈c (v)). FIG. 13 shows a case where potentials are adjusted at a plurality of locations inside a rectangular parallelepiped detection element (b (v) ≈c (v), d (v) ≈e (v) ≈f (v), g (v) It is a schematic plan view of ≈h (v)). FIG. 14 is a schematic cross-sectional view in the case where a plurality of potential adjusting electrodes 64 perpendicular to the diagonal line connecting the pair of ridge lines a and o are provided inside the rectangular parallelepiped detection element. As described above, by providing the portion for adjusting the potential inside the detection element or the like and the potential adjustment electrode 64, the electric field in the detection element can be made uniform. Therefore, it is possible to measure the movement of the charge carrier with high accuracy and to detect the incident position with high accuracy. In addition, since data processing can be facilitated, the circuit configuration can be simplified.
[0031]
Embodiment 9 FIG.
A radiation position detector 80 according to Embodiment 9 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 15 is a block diagram showing the configuration of the radiation position detector 80. Compared with the radiation position detector according to the eighth embodiment, the radiation position detector 80 is provided with a ground electrode 66 at the center of the semiconductor detection element 71, has the same center, is similar, and has a side length. Are different from each other in that rectangular adjustment electrodes 68 having different rectangular shapes are provided. Further, four systems for measuring the output waveform are provided for each of the electrodes 53a, 53b, 53c and 53d, and a comparator 67a for comparing the outputs of the pulse waveform measuring means 55a and 55c, and a pulse waveform measuring means. It is also different in that a comparator 67b for comparing the outputs of 55b and 55d is provided. Further, the outputs of the comparators 67a and 67b are connected to the incident position calculation means 28a and 28b, respectively. Note that arrows X and Y in FIG. 15 indicate coordinate axes on a two-dimensional plane.
[0032]
Next, the radiation position detection operation by the radiation position detector 80 will be described. When radiation enters the semiconductor detection element 71, charge carriers are generated, and the charge carriers move according to the direction of the electric field applied in the detection element 71. In this case, a ground electrode 66 is provided at the center of the detection element 71, and a similar rectangular potential adjusting electrode 68 having the same center is provided. The potential is adjusted so as to increase toward the surrounding electrodes. Therefore, among the generated charge carriers, for example, electrons are generated on the electrode 53a when the generation position is on the right side, on the electrode 53b when on the upper side, on the electrode 53c when on the left side, and on the electrode 53c when on the lower side. Each moves toward 53d. At this time, considering the case where electrons move to the electrode 53a on the right side, the output waveform of the charge-sensitive preamplifier 44a reflects X1 which is the X-direction component of the electron generation position, that is, the radiation incident position. Has a pulse rise time. The output waveform from the charge-sensitive preamplifier 44b has a pulse rise time that reflects Y1, which is the Y-direction component of the radiation incident position. The output waveform of the charge-sensitive preamplifier 44c has a pulse rise time that reflects X2 which is the X-direction component of the radiation incident position. The output waveform of the charge-sensitive preamplifier 44d has a pulse rise time that reflects Y2 which is the Y-direction component of the incident position of radiation. The output waveform of each charge-sensitive preamplifier is input to pulse waveform measuring means 55a, 55b, 55c, and 55d, and the waveform is measured. The outputs of the pulse waveform measuring means 55a and 55c are compared with X1 and X2 by the comparator 67a, and the X coordinate on the element is obtained by the incident position calculating means 28a from the comparison result. Similarly, the outputs of the pulse waveform measuring means 55b and 55d are compared with Y1 and Y2 by the comparator 67b, and the Y coordinate on the element is obtained from the comparison result by the incident position calculating means 28b. Each output of the incident position calculation means 28 a and 28 b is stored in the memory 48. As described above, since the positions in the X-axis direction and the Y-axis direction can be known according to the electron generation position, the incident position of the incident radiation on the two-dimensional plane using the single radiation position detection element 71 and Radiation images can be measured.
[0033]
In addition, although the rectangular parallelepiped-shaped semiconductor detection element 71 is used here and the ground electrode is provided at the center and the electrodes are provided on the four sides, the present invention is not limited to the rectangular parallelepiped shape. For example, an element having a polygonal planar shape may be used, and an electrode may be provided on each side. Further, a plurality of arc-shaped electrodes may be provided by using an element having a circular planar shape.
[0034]
Embodiment 10 FIG.
A radiation position detector according to Embodiment 10 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 16 is a block diagram showing the configuration of the radiation position detector 90. As compared with the radiation position detector according to the sixth embodiment, the radiation position detector 90 uses a resistive electrode 42 and has a circuit configuration using pulse height measuring means 45a and 45b for measuring the height of the output waveform. Common in terms of preparation. On the other hand, the pulse wave height measuring means 45 b and the memory 48 are connected, and the difference is that the output of the pulse wave height measuring means can be stored in the memory 48. That is, in this radiation position detector 90, the radiation incident position can be measured on a two-dimensional plane by the single semiconductor detection element 81, as in the radiation position detector according to the sixth embodiment, and the pulse height measuring means 45b. A component proportional to the energy value E obtained in step (1) can be recorded in the memory 48. Thereby, in addition to the obtained two-dimensional radiation incident position, information on the energy E of the incident radiation can be obtained, and therefore, a radiation incident position or a radiation image discriminated for each energy can be obtained.
[0035]
In this case, the radiation position detector 90 is not limited to discriminating the incident radiation for each energy and measuring the incident position of the radiation within a predetermined energy range. For example, the incident radiation in any of the radiation position detectors of other embodiments 1 to 9 may be discriminated for each energy. Further, if a radiation image for each energy is obtained, an image of only radiation of a specific energy emitted from the object can be obtained, and application to a medical radiation image detector can be expected. Furthermore, the contrast of the radiographic image can be improved according to the elemental composition of the object, and conversely, applications such as estimating the elemental composition of the object by analyzing the energy distribution of the obtained radiographic image are expected. it can.
[0036]
【The invention's effect】
According to the radiation position detector of the present invention, the radiation incident position in the longitudinal direction between a pair of opposed electrodes of a rectangular parallelepiped semiconductor detection element is measured by measuring the rise time at which the peak of the output waveform becomes a peak. It can be measured with a single sensing element. As a result, the cost can be reduced with a simple structure, and the radiation incident position can be measured with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a radiation position detector according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing an example of an output waveform of the radiation position detector according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a block diagram showing an internal configuration of a pulse rise time measuring means constituting the radiation position detector according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a radiation position detector according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing an example of an output waveform of the radiation position detector according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a radiation position detector according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a radiation position detector according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of a radiation position detector according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of a radiation position detector according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of a radiation position detector according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a schematic plan view of a semiconductor detection element constituting a radiation position detector according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a schematic diagram showing an example of potential adjustment of a semiconductor detection element of a radiation position detector according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a schematic diagram showing an example of potential adjustment of a semiconductor detection element in a radiation position detector according to Embodiment 8 of the present invention.
FIG. 14 is a diagram showing an example of potential adjustment of a semiconductor detection element in a radiation position detector according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a block diagram showing a configuration of a radiation position detector according to the ninth embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a block diagram showing a configuration of a radiation position detector according to the tenth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1, 1a, 1b, 1c, 1d Semiconductor detection element, 2a, 2b electrode, 3 radiation, 4a charge carrier (electron), 4b charge carrier (hole), 5, 5a, 5b, 5c, 5d before charge sensitive type Preamplifier, 6 DC power supply, 7, 7a, 7b, 7c, 7d Pulse rise time measuring means, 8, 28a, 28b Incident position calculating means 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 Radiation Position detector, 12 Inversion filter amplifier, 14: Differential amplifier, 16a, 16b Constant fraction discriminator, 18 Time difference measuring device, 22 Pulse waveform analysis means, 24 Memory, 31, 41, 51, 61, 71, 81 Semiconductor detection element, 32a, 32b, 32c, 32d Split electrode, 34 electrode, 42 Resistive electrode, 43 Conductive electrode, 44a, 44b Charged Type preamplifier, 45a, 45b Pulse height measurement means, 46 Pulse rise time measurement means, 47 Wave height division means, 48 Memory, 52a, 52b, 52c, 52d Split electrode, 53 Conductive electrode, 54a, 54b, 54c Electrical resistance 55a, 55b, 55c, 55d Pulse waveform measuring means, 56a, 56b, 56c, 56d DC power supply, 57 radiation incident position (charge carrier generation position), 58 traveling direction, 58a X component, 58b Y component, 62 electric field lines 64, 68 Potential adjustment electrode, 66 Ground electrode, 67a, 67b Comparator

Claims (1)

直方体形状であって、第1の互いに対向する一対の電極と、前記第1の一対の電極の対向方向と直交する方向で互いに対向する第2の一対の電極とを有し、放射線の入射によって極性の異なる2種類の電荷キャリアを生じる半導体検出素子と、
前記半導体検出素子に接続された電荷有感型プリアンプと、
前記半導体検出素子に入射した放射線により生じた前記2種類の電荷キャリアによる前記電荷有感型プリアンプの出力波形の波高がピークとなるパルス立ち上がり時間を測定するパルス立ち上り時間測定手段と、
前記パルス立ち上がり時間から放射線の入射位置を算出する入射位置演算手段と
を備え、
前記半導体検出素子は、該検出素子内の電位を調節する電位調整用電極を電気力線の途中に備えることを特徴とする放射線位置検出器。
It has a rectangular parallelepiped shape and has a first pair of electrodes facing each other and a second pair of electrodes facing each other in a direction orthogonal to the facing direction of the first pair of electrodes. A semiconductor detection element that generates two types of charge carriers of different polarities;
A charge-sensitive preamplifier connected to the semiconductor detection element;
Pulse rise time measuring means for measuring a pulse rise time at which the peak of the output waveform of the charge-sensitive preamplifier due to the two types of charge carriers generated by radiation incident on the semiconductor detection element reaches a peak;
An incident position calculating means for calculating an incident position of radiation from the pulse rise time,
A radiation position detector, wherein the semiconductor detection element includes a potential adjustment electrode for adjusting a potential in the detection element in the middle of the lines of electric force .
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