JP4510453B2 - 固体ｘ線検出器 - Google Patents

Description

本発明は放射線変換器と関連付けられている感光センサを備えた固体Ｘ線検出器に関する。この種の検出器の応用分野は、特に放射線学（Ｘ線撮影、蛍光透視法および乳房Ｘ線撮影）の分野であるが、同様に非破壊検査にも適用される。

こういった放射線検出器は、例えば、アモルファスシリコン・フォトダイオードから形成されたセンサが放射線変換器と関連付けられている、特許文献１で知られている。
このような放射線変換器の構造と動作を以下で簡単に確認する。
仏国特許公報第２６０５１６６号 仏国特許公報第２７５８６５４号 仏国特許公報第２７５８６５６号

感光センサは、一般に、マトリクス状に配置された固体感光素子から作られる。感光素子は、通常ＣＣＤ又はＣＭＯＳタイプのセンサの場合は単結晶シリコンであるが、多結晶又はアモルファスシリコンの半導体材料からも作られる。感光素子は、少なくとも１つのフォトダイオード、１つのフォトトランジスタ、又は１つのフォトレジスタを備える。これらの素子は、基板、一般的にはガラス板に被着される。
これらの素子は、通常、Ｘ線やガンマ線といった波長が非常に短い放射線を直接感受しない。このような理由で、感光センサは、シンチレーション物質層を備えた放射線変換器と関連付けられている。この物質には、上記のような放射線によって励起されると、波長がより長い放射線、例えばセンサが感受できる可視光又は近可視光を放つ特性がある。放射線変換器から放たれた光はセンサの感光素子を照射し、該センサは光電変換を行い、しかるべき回路で利用可能な電気信号を伝達する。放射線変換器は、以下の記載ではシンチレータと称することとする。

アルカリ性ハロゲン化物又は希土類酸硫化物群の特定のシンチレーション物質が、性能が優れているため頻繁に使用される。
アルカリ性ハロゲン化合物の中では、所望される各放射波長が約４００ナノメートルであるか、約５５０ナノメートルであるかに基づいてナトリウム又はタリウムがドープ処理されたヨウ化セシウムが、強力なＸ線吸収力と優れた蛍光収率で知られている。それは、細針状の形態で支持体上に伸びている。これらの細針状部は、その支持体に概略垂直で、センサに向けて放たれた光を部分的に拘束する。針の細さが検出器の分解能を決定する。ランタン及びガドリニウム酸硫化物もまた、同様の理由で広く使用される。

しかしながら、これらのシンチレーション物質の中には、安定性に欠けるという欠点を持つものもあり、それらは水蒸気に曝されると部分的に分解することがあり、こういった分解は、センサに向かって又はセンサから離れて移動する化学種を遊離させることとなる。これらの化学種は非常に腐食性が強い。ヨウ化セシウムとランタン酸硫化物が特にこの欠点による害を被る。
ヨウ化セシウムが分解すると、水酸化セシウムＣｓ^＋ＯＨ⁻及び遊離ヨウ素Ｉ_２が生成され、これらは、その後ヨウ化物イオンと結合し、錯基Ｉ_３ ⁻を生成する。
ランタン酸硫化物が分解すると、化学的に非常に攻撃的な硫化水素Ｈ_２Ｓが生成される。

水蒸気を排除することは非常に難しい。水蒸気は、検出器のアセンブリに使用される接着化合物中だけでなく、周囲空気中に常に存在している。接着化合物中の水蒸気は、周囲空気によって存在するか、又は、該接着化合物が２つの化学種の縮合によるものである場合（そうである場合が多い）は、重合の副産物として存在する。

これら検出器を製造する際に重要な点は、元々検出器内に存在してシンチレータと接触する水蒸気の量を最小限に抑えることと、センサの作動中に該センサ内に前記水蒸気が拡散するのを防止することである。

放射線検出器は、シンチレータに向かうＸ線が通過する入射窓を有する。さらに、シンチレーション物質は、通常、金属製の支持体に被着され、それによって、該支持体と該シンチレーション物質とでシンチレータを形成する。さらに、周知の解決策は、支持体を入射窓として使用することである。
センサ上に配置されることとなるシンチレータを形成するために、シンチレーション物質が入射窓に被着される場合、入射窓は、ダメージを受けることなく被着の熱応力とシンチレータの加工とに耐久できなくてはならず、好ましくは、その熱膨張係数は、シンチレータの、及びセンサ又はより特定するとその基板の係数と近似していなくてはならない。窓はまた、低い弾性係数を有するように選択されてもよく、それにより、一方では窓とシンチレータ間の、及び他方では窓とセンサ又はより特定するとセンサ基板間の差異応力が取り除かれやすくなる。よって、シンチレータのひび割れ又はセンサ基板の破損の虞は回避される。

また、入射窓の表面状態は、特にヨウ化セシウムの場合、針状部が最も細く、なるべく均一的な様態で伸びることができるような状態でなければならない。針の細さは、検出器分解能の品質に関する１つの要因である。
支持体は、一般に、検出されるべき放射線に対する優れた透過性と、良好な光学特性をもつアルミニウムから作られる。アルミニウムの調整処理の後、シンチレータの被着に申し分のない表面状態が得られる。残念なことに、その熱膨張係数は、センサの係数とは大きく異なる。熱循環中の２つの素子間の境界面における著しい機械的応力を防ぐためには、損傷を与えずに当該熱循環により生じた歪みを緩和できる、しなやかな密封シールの使用が必要である。このシールは、シンチレータ支持体とセンサとの熱循環中の熱膨張の差異を緩和して、応力と破砕の虞とを最小限に抑えるために、必然的にしなやかな性質である。しかし、しなやかな材料は一般的に水蒸気を透過させ、よってシンチレータを水蒸気から十分に保護できなくなるため、検出器の寿命が短くなる。このような放射線検出器は、それを搭載する放射線装置又はその他の装置の原価回収期間に相当する約１０年の寿命を有することが望ましい。

本発明は、従来技術の場合のように入射窓と密封シール双方の役割がシンチレータ支持体のみによって果たされるということがない、寿命が向上した放射線検出器を提案する。
このために、本発明の主題は、感光センサと、Ｘ線を該感光センサが感受できる放射線に変換するシンチレータと、シンチレータに向かうＸ線が通過する入射窓とを備えた固体Ｘ線検出器であり、当該固体Ｘ線検出器は、入射窓が固定されることなくシンチレータ上に配置されていることと、入射窓とセンサが水蒸気密封シールによって固定されていることを特徴とする。

本発明によると、シンチレータ支持体が受ける制約は、支持体と新たな入射窓とで共有されることになる。シンチレータ支持体は、依然、反射率とシンチレータ被着のための表面状態に関しては従来技術の場合と同様の制約を受ける。しかし、密封であること及びシールを支持することの制約はもはや受けない。これらの制約は、新たに追加する入射窓に移される。
この構造によって、入射窓の材料を、センサを構成する材料に、特に熱膨張係数の点で適合するものと規定することができ、しかして、より硬質で、従ってさらに水蒸気を透過しにくいシールを使用することが可能になるはずである。
入射窓とシンチレータ支持体の役割を分けることによって、入射窓に利用可能な材料をより幅広く選択できる。

本発明は、シンチレータとセンサの２つの異なるアセンブリ構成で実施できる。
第一の、いわゆる分離シンチレータ構成では、シンチレーション物質は、検出されるべき放射線がセンサに到達する前に通過しなければならない支持体上に被着される。次いで、アセンブリ全体がセンサに接着される。この構成で、入射窓は固定されることなく支持体上に配置される。これにより、入射窓を、支持体に対してある程度自由に保つことができる。入射窓は、検出器の温度変化の間に何らかの熱膨張の差異を緩和するために、例えば、支持体に対してスライドすることができる。
第二の、いわゆる直接被着構成では、センサがシンチレーション物質の支持体として機能し、よって該物質はセンサと直接的に密着する。次いで、シンチレーション物質が保護皮膜で覆われる。これら２つの構成はそれぞれ利点と欠点を有する。

第一の構成では、シンチレータとセンサを別個に最適化することができる。よって、センサが熱処理に不適合であっても、シンチレータは熱処理を受けることができる。ヨウ化セシウムは、熱気化によって被着され、該熱気化における縮合により支持体に被着される。その後、最適な蛍光収率を達成するために、約３００℃でアニール処理される。第二の、いわゆる直接被着構成でシンチレーション物質が直接センサに被着される場合は、センサの損傷を避けるために、アニール温度に関して妥協する必要がある。
第一の、いわゆる分離シンチレータ構成の他の利点は、センサとシンチレータが検査に合格した場合にのみ、それらの組み立てが行われ、それによって、全体的な生産効率を向上させる点である。第二の、いわゆる直接被着構成では、シンチレータに欠陥がある度にセンサを廃棄することになる。これは、再利用しようとする試みには、リスクを冒す価値がないためである。

第一の、いわゆる分離シンチレータ構成では、組み立てに使用される接着化合物の厚みによってＸ線検出器の空間分解能と集光力が幾分か損われる。一方、シンチレータを直接センサに被着すると、光学的な結合に最適な状態が得られる。
シンチレータが支持体に担持される構成では、支持体付きのシンチレータとセンサの２つの素子の製造を別々に行うことができるため、生産フローをより効率的に管理することが可能となる。
さらに、第一の構成で述べたような支持体のコストは、第二の構成におけるシンチレーション物質の支持体として機能するセンサのコストよりも低い。よって、欠陥のあるシンチレーション物質を被着した場合に被る損失、つまり、シンチレータとその支持体を廃棄しなければならないということは少なくなる。
最後に、第一の構成は、例えば、特許文献２及び特許文献３に記載のような複数の接合された素子のアセンブリからなる感光素子に適用することができる。第二の構成は、そのような、複数の接合された素子のアセンブリからなる感光アセンブリに適用することはできない。というのは、支持体に被着した後のシンチレーション物質を加工するのに必要な温度３００℃では、こういったアセンブリの寸法安定性は乏しいためである。

２つの構成において、入射窓は以下の要件を満たしていなければならない：検出されるべき放射線に対してなるべく透過性でなければならないことと、水蒸気に対して密封性がなければならないことと、そして検出器が従う操作に適合した機械的特性を持っていなければならないことである。
非常に良好な解像度を有する検出器が所望される場合、シンチレータによって反射された、つまりシンチレータに対してセンサの反対方向に放たれた光を吸収する入射窓を提供することが有利である。しかし、感度は損なわれることとなる。
一方、良好な感度を有する検出器が所望される場合、シンチレータによって反射された光をセンサに向けて反射する入射窓を提供することが有利である。このようにすると、放射線が同量の場合、センサによる受光感度が増す。この感度の利得は、解像度を損ねて獲得される。この理由は、１つのＸ線光子からの直接透過光と反射光は、センサの異なる場所に衝突し、取得画像の鮮明度が先述した場合よりも多少低下するためである。

一般的なＸ線撮影の信号対雑音比の条件において、実際の放射線検出器では、入射窓の反射率を低減すると総体的により有利となりうる。実際、シンチレータは１つのＸ線光子を多数の光の光子に変換するので、吸収された各Ｘ線光子から数百の電子が生成される。重要なことは、各Ｘ線光子が電子に変換されてからセンサにより検出されることである。センサで取得された雑音が、Ｘ線光子の吸収によって生じた信号と同程度である場合は、反射率を低減させることで、信号対雑音比と感度を損なうことなく解像度を向上させることができる。
添付の図面を参照して以下の説明を熟読することにより、本発明の理解がさらに深まり、他の特徴及び利点が明らかとなる。判り易くするため、図面は任意の尺度である。

分離シンチレータ構成として知られる第一の構成を図１に示した。放射線センサを符号１で示す。該センサは、原則的にはガラス板である基板２とそれが支持する感光素子３を備える。各感光素子３は、アドレス指定されるように横列導体と縦列導体との間に組み込まれる。簡素化のため、導体は図示していない。感光素子３と導体は、通常、水蒸気から保護するように設計されたパッシベーション層４で覆われている。
当該構成において、センサ１は、実施例では光学接着化合物６を介してセンサ１に光学的に結合されたシンチレータ５と協働する。シンチレータ５は、支持体８に被着された、針状構造で示されたシンチレーション物質７の層を備える。このように、支持体８はシンチレーション物質７を担持する。シンチレーション物質７は、例えば、水蒸気の存在下で特に酸化しがちなヨウ化セシウムといったアルカリ性ハロゲン化合物群に属するが、ランタン酸硫化物といった特定のものが一様に乏しい安定性を示す、希土類酸硫化物群に属することもある。

直接被着構成として知られる図２に示した第二の構成では、図１に示したようにシンチレーション物質７を支持体８に被着して、シンチレータ５を形成するこの別個のアセンブリをセンサ１に載置するのではなく、シンチレーション物質７がセンサ１に直接被着され、シンチレーション物質７が皮膜９で覆われる。皮膜９は、シンチレーション物質７の保護として機能する。簡素化のために、第二の構成において、シンチレーション物質７と皮膜９によって形成されたアセンブリは符号５で示し、第一の構成と同様にシンチレータと称する。

図１及び２に示したＸ線検出器において、入射窓１０はシンチレータ５上に配置されているが固定はされていない。密封シール１１が入射窓１０をセンサ１に、又はより正確には基板２に固定する。
密閉シールの材料の選択は、入射窓とセンサの材料によって決まる。シールは、無機材料から作られてよい。この種のシールは非常に良好な不透過性を示すが、その加工には約４００℃の高温が必要である。
代替案として、密封シールは有機材料から作られてもよい。これらの材料は、無機材料ほど密封性がないが、その加工に必要な温度は約２００℃と低い。有機材料の中で最も密封性があるのはエポキシ系接着剤である。

入射窓１０に関しては、センサ１を形成している材料と熱膨張係数が近い任意の材料から構成することもできる。有利には、入射窓の熱膨張係数はアルミニウムの係数より低い。組み立てられるべき２つの材料、つまり入射窓とセンサの熱膨張係数が近似していると、硬質の密封シールの使用が可能になる。
入射窓１０は、その反射率の向上、又は、例えば水蒸気の存在下でシンチレータ分解副産物から発生する任意の腐食に対するその耐化学性の向上を目的とした任意の被着物で覆うことができる。

いくつかの材料が入射窓の作製に適している。通常、重元素をわずかに含む材料が、それらの良好なＸ線透過性ゆえに最適である。
入射窓はガラス製であってよい。ガラスは単一成分であるため、扱いやすい。さらに、センサ１の基板２がガラス板からなる場合、密封シールの選択が容易である。というのは、該シールの、単一材料（この場合はガラス）との適合性を確認する必要があるためである。
炭素繊維もまた、入射窓の作製に使用されてよい。炭素繊維は、ガラスよりもＸ線に対する透過性が高く、また壊れにくい。一方、炭素繊維は、エポキシ樹脂とともに用いられることが多く、表面が粗いため密封するのが困難である。

別の代替案として、入射窓は、Ｘ線透過性がガラスの透過性と近いセラミック材料から作られてもよい。
入射窓はまた、例えばポリエステルといった有機材料から構成されてもよい。この材料は、ガラスよりも高いＸ線透過性を示し、またガラスよりも壊れにくい。圧延によって製造されると、滑らかな表面を有する均質な材料となる。それでも、ポリエステルで密封シールを形成するのは、ガラスの場合より難しい。

使用する構成に応じて、シンチレータ支持体８又は皮膜９は、アルミニウム、チタン、又は他の金属といった任意の金属材料から構成されてよい。また、例えばポリイミドといった任意のセラミック又は有機材料、又は他には炭素繊維を含有する複合材料から構成されてもよい。選択された材料は、Ｘ線に対して透過性で、化学的にシンチレーション物質に適合し、且つ、発光シンチレータの製造に伴うプロセス、例えば真空蒸着やアニーリングといったプロセスに適合しなければならない。有利には、選択材料は、シンチレータ５によって生成された光を吸収又は反射するが、伝達はさせない。実際は、シンチレータ５によって生成された光は、一般的に可視光又は近可視光である。仮に、選択材料がシンチレータ５によって生成された光を伝達した場合は、検出器は外部光から光学的に遮断されなくなり、センサ１は、その動作に干渉すると思われる外部光を受けてしまうことになろう。

第一の構成による放射線検出器を示す。 第二の構成による放射線検出器を示す。

Claims (15)

1. 感光センサと、Ｘ線を該感光センサが感受できる放射線に変換するシンチレータと、シンチレータに向かうＸ線が通過する入射窓とを備えた固体Ｘ線検出器であって、
   該入射窓が固定されることなくシンチレータ上に配置されていることと、入射窓と感光センサが水蒸気密封シールによって固定されていることと、シンチレータが支持体とシンチレーション物質とから構成され、該支持体が入射窓とシンチレーション物質の間に位置していることと、支持体が感光センサと別個体であることと、該シンチレータは感光センサにのみ固定されていることとを特徴とする固体Ｘ線検出器。
2. 入射窓の熱膨張係数がアルミニウムの熱膨張係数よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の固体Ｘ線検出器。
3. 入射窓がガラスから作られることを特徴とする請求項２に記載の固体Ｘ線検出器。
4. 入射窓が炭素繊維から作られることを特徴とする請求項２に記載の固体Ｘ線検出器。
5. 入射窓がセラミック材料から作られることを特徴とする請求項２に記載の固体Ｘ線検出器。
6. 入射窓が有機材料から作られることを特徴とする請求項２に記載の固体Ｘ線検出器。
7. 密封シールが無機材料から作られることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の固体Ｘ線検出器。
8. 密封シールが有機材料から作られることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の固体Ｘ線検出器。
9. 密封シールがエポキシ系接着剤から作られることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の固体Ｘ線検出器。
10. シンチレータが、ヨウ化セシウムといったアルカリ性ハロゲン化物群、又はランタン酸硫化物といった希土類酸硫化物群に属する物質を含むことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の固体Ｘ線検出器。
11. 支持体が金属製であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の固体Ｘ線検出器。
12. 支持体がアルミニウムから作られることを特徴とする請求項１１に記載の固体Ｘ線検出器。
13. 支持体がチタンから作られることを特徴とする請求項１１に記載の固体Ｘ線検出器。
14. 支持体が有機物又はセラミックであることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の固体Ｘ線検出器。
15. 支持体がポリイミドの支持体であることを特徴とする請求項１４に記載の固体Ｘ線検出器。

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