JP4695578B2 - 半導体放射線検出器および陽電子放出型断層撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体放射線検出器および陽電子放出型断層撮像装置に関するものである。

近年、放射線計測技術を応用した核医学診断装置が広く普及してきている。その代表的な装置が陽電子放出型断層撮像装置（ＰＥＴ撮像装置）、単光子放射断層撮像装置（ＳＰＥＣＴ撮像装置）、ガンマカメラ装置などである。これらの装置で主として使用されている放射線検出器はシンチレータと光電子増倍管とを組み合わせたものである。シンチレータは放射線が入射すると発光し、その微弱な光を光電子増倍管で増幅して放射線を検出するものである。一方、放射線の計測にはシンチレータだけではなく、半導体を用いることもできる。半導体では放射線が入射すると光電効果によりホールおよび電子といった電荷が生成し、これらが半導体に印加されている外部電圧による電界で移動する。この電荷量は放射線のエネルギーに比例するので、電荷量を正確に測定することで放射線のエネルギーを正確に知ることができる。そのため半導体は、シンチレータと光電子増倍管との組み合わせよりも正確に放射線のエネルギーを測定することができるという利点を有する。
ここで、使用される半導体素子としては、いくつかの種類があるが、核医学診断装置で使用するγ線を感度よく測定するという点で実効原子番号が大きく、また取扱いの点で室温動作可能である半導体材料を用いたものが好適であり、具体的には、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）やテルル化亜鉛カドミウム（ＣｄＺｎＴｅ）などが挙げられる。

このような半導体素子を用いて形成される半導体放射線検出器は、前記のように放射線（γ線）のエネルギーを正確に測定できる点でシンチレータより優れてはいるが、γ線に対する感度やγ線が入射した時刻の精度という点では必ずしも優れているわけではない。感度は、物質の原子番号が大きいほど高くすることができる傾向にあるが、ＣｄＴｅやＣｄＺｎＴｅの実効的な原子番号は５０程度であるのに対し、シンチレータは、例えばＢＧＯ（Ｂｉ４Ｇｅ３Ｏ１２、ビスマスゲルマネイト）やＧＳＯ（Ｇｄ２ＳｉＯ５、ガドリニウムシリケイト）の実効的な原子番号は６０を超えており、半導体放射線検出器より感度が高い。そこで、半導体放射線検出器では、感度を高めるためにγ線が通過する領域を極力増やす構成とすること、すなわち、半導体素子の体積を大きくすることが有効である。

ところが、ＣｄＴｅやＣｄＺｎＴｅは、体積が大きくされると、γ線のエネルギーを正確に測定する能力がかえって低下するという特性を示す。これはＣｄＴｅやＣｄＺｎＴｅのキャリヤ寿命とキャリヤ移動速度とが十分に大きくなく、半導体素子の体積が大きくされると、途中でキャリヤが再結合して消滅するものが多くなるためであると考えられる。つまり、半導体素子の内部のキャリヤの発生位置によって電荷量のばらつきが大きくなり、その結果として、正確な電荷量が測定できなくなるためである。さらに、半導体素子の体積が大きくされると、キャリヤの移動時間が長くなるため、長時間にわたって電荷が移動し、γ線の入射時刻に対する時間精度の低下を招く。このことは特にＰＥＴ撮像装置のように消滅γ線の同時計測を行う場合に大変不利となる。なぜならば、時間精度が低下すると消滅γ線の識別が困難になり、その飛来方向が特定できなくなるからである。

そこで、半導体素子を例えばＣｄＴｅで形成してなる半導体放射線検出器では、前記のような問題を回避するために半導体素子を比較的薄く形成し、これを積層して構成することが考えられる。このような半導体放射線検出器によれば、半導体素子が比較的薄くされているため、キャリヤの移動時間が短くて済み、また、積層構造とされているので体積も増やすことができる。このように構成された半導体放射線検出器としては、例えば、特許文献１，２に開示されたものがある。

また、半導体素子に直接接合されている導電性の薄膜からなる電極を２つの領域に分け、半導体素子の周辺領域に発生する電荷を一方のガード電極で収集し、半導体素子のその他の領域に発生する電荷を他方の計測電極で収集するようにして、放射線の検出信号以外の雑音信号を除去するようにしたものが開示されている（例えば、特許文献３参照）。

特開平８−１６０１４７号公報 特開平１１−２８１７４７号公報 特開２００５−７７１５２号公報

しかしながら、半導体素子をより薄く形成して、これを積層してなる半導体放射線検出器では、半導体素子の体積あたりの感度が若干低下することが判明した。例えば、１．０ｍｍ厚の半導体素子４枚と電極板とを積層した半導体放射線検出器と、０．５ｍｍ厚の半導体素子８枚と電極板とを積層した半導体放射線検出器とを製作して、５１１ｋｅＶに対する感度の測定試験を行ったところ、０．５ｍｍ厚の半導体素子を積層した半導体放射線検出器が、１．０ｍｍ厚の半導体素子を積層した半導体放射線検出器よりも約１０％感度が低下する結果となった。
一方、０．５ｍｍ厚の半導体素子を積層した半導体放射線検出器は、放射線エネルギーの正確さを示すエネルギー分解能や、放射線の入射時刻の精度を示す時間分解能といった特性に関して、１．０ｍｍ厚の半導体放射線検出器よりも優れた特性を示した。したがって、半導体素子を薄く形成したことによって特性が悪化するわけではないことが確認できた。

そこで、前記した感度低下の原因を調べるために、試験的に半導体素子の周辺部と外部の回路とを接続するだけの極めて小型の電極板を使用して半導体放射線検出器を製作し、その感度を測定した。その結果、１．０ｍｍ厚の半導体素子を積層したものでは、５１１ｋｅＶのγ線の感度が、通常の電極板にて試験したものよりも約１０％増加した。また、０．５ｍｍ厚の半導体素子を積層したものでは、同じく感度が約１８％増加した。したがって、電極板が小さければ、その分、感度が向上することがわかった。

ところで、前記したような積層構造の半導体放射線検出器では、電極板によって半導体素子が両側から保持される構造となっており、電極板に保持機能をもたせてある。したがって、前記したように、感度向上のために電極板を小さく形成したのでは、半導体素子の保持状態が不安定となってしまい、積層構造を好適に維持することができなくなる。特に、ＣｄＴｅは、その物性が脆くて軟らかい性質であるため、電極板を小さく形成した構造では、半導体素子を保持することの困難性が顕著となる。

また、前記特許文献３に開示された半導体放射線検出器に対して、前記のような信号を取り出すための電極板を設ける場合にも、薄膜からなる計測電極の上に電極板が接続される。このため、引用文献３に開示された半導体放射線検出器においても、前記特許文献１，２に記載された半導体放射線検出器と同様の問題を有している。

そこで、本発明の目的は、前記した課題を解決し、半導体素子と電極板とが積層構造とされた半導体放射線検出器において、半導体素子を好適に保持することができるとともに、放射線検出の感度を向上させることができる半導体放射線検出器および陽電子放出型断層撮像装置を提供することにある。

前記した目的を達成するため、本発明では、半導体放射線検出器の積層構造を構成する少なくともひとつの電極板には、半導体素子に接する領域に切欠部が形成されている構成とした。この構成によれば、電極板に形成された切欠部を、放射線の入射による光電効果で生じた１次電子の通過空間として利用することができる。つまり、光電効果で生じた１次電子が電極板へ向けて飛び出しても、その１次電子は切欠部を通じて、隣接する半導体素子へ入射されるようになり、電極板によって吸収される確率が小さくなる。したがって、従来であれば電極板で消滅していた１次電子を隣接する半導体素子に入射させることで、隣接する半導体素子でキャリヤを生成する１次電子が増加するようになり、これを有効な信号として使用することができる。これによって放射線検出の感度が向上するようになる。また、電極板に形成された切欠部は半導体素子に接する領域に形成されているので、切欠部以外の部分によって半導体素子を好適に保持することができる。

また、切欠部が形成された電極板を、積層されて隣合う半導体素子の間にのみ配置することで、半導体放射線検出器の両端に積層された電極板からの１次電子の飛び出しを抑制することができ、隣接する他の半導体放射線検出器への１次電子の入射を防止しつつ、放射線検出の感度が向上された半導体放射線検出器が得られる。
また、電極板に磁性をもたせることで、電磁ピンセット等を用いたハンドリングを行うことができ、半導体素子と電極板とを積層するための工程や基板へ半導体放射線検出器を実装する際等の取扱いが容易となって、生産性の向上、組立コストの低減を図ることができる。

また、このような半導体放射線検出器を用いた陽電子放出型断層撮像装置においては、半導体放射線検出器の感度が向上することによって、放射性薬剤の量の低減や測定時間の短縮を図ることができる。また、測定時間の短縮によって、測定人数の増加が見込めるので、経済効果が高く、コストの低減も図ることができる。

本発明によれば、半導体素子と電極板とが積層構造とされた半導体放射線検出器において、半導体素子を好適に保持することができるとともに、放射線検出の感度を向上させることができる半導体放射線検出器および陽電子放出型断層撮像装置が得られる。

次に、本発明の半導体放射線検出器を適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
（第１実施形態）
本実施形態の半導体放射線検出器（以下では単に、検出器という）１は、図１に示すように、４枚の半導体素子１１と、半導体素子１１の間および半導体素子１１の両端に配置された電極板１２Ｃ，１２Ａとを有して積層構造とされており、本実施形態の特徴的構成である切欠部１３が電極板１２Ｃ，１２Ａ（図２（ｂ）参照）に形成されている。

半導体素子１１は、図２（ａ）に示すように、平板状に形成された半導体材料（半導体結晶）１１ａを備え、その両側面の全面にわたって、蒸着法等により薄い膜状の電極が形成されている。ここで、半導体素子１１の一方の面に形成された電極がカソード電極（以下、カソードという）Ｃであり、他方の面に形成された電極がアノード電極（以下、アノードという）Ａである。

半導体材料１１ａは、放射線（γ線等）と相互作用を及ぼして電荷を生成する領域をなしており、ＣｄＴｅ、ＣｄＺｎＴｅ、ＧａＡｓ等のいずれかの単結晶で形成されている。また、カソードＣ、アノードＡは、Ｐｔ、Ａｕ、Ｉｎ等のいずれかの材料が用いられる。本実施形態では、例えば、半導体材料１１ａにＣｄＴｅを用い、これにＰｔを主成分とするカソードＣ、Ｉｎを主成分とするアノードＡを成膜してｐｎ接合ダイオードを形成している。したがって、電磁ピンセット等を用いたハンドリングが可能となっている。

図２（ｂ）に示すように、電極板１２Ｃ，１２Ａは、同一の形状であるので、以下では電極板１２Ｃについて説明し、適宜、電極板１２Ａについて説明する。電極板１２Ｃは、半導体素子１１（図２（ａ）参照、以下同じ）に接する領域に、四角形状に切り欠かれた切欠部１３が形成された薄板状の部材であり、例えば、鉄−ニッケル合金、鉄−ニッケル−コバルト合金、クロム、タンタルのうちの少なくともひとつから形成される。ここで、鉄−ニッケル合金としては、４２アロイ（Ｆｅ５８％、Ｎｉ４２％）を用いることができ、鉄−ニッケル−コバルト合金としては、コバール（Ｆｅ５４％、Ｎｉ２９％、Ｃｏ１７％）を用いることができる。つまり、このような材料によって形成される電極板１２Ｃは、磁性を有したものとなっている。
切欠部１３は、電極板１２Ｃをプレス成形する際に、同時に打ち抜かれることで形成される。本実施形態では、切欠部１３が、電極板１２Ｃの上下左右に所定の間隔を置いて計４つ形成されている。電極板１２Ｃは、半導体素子１１に接する部分の外形状が半導体素子１１の外形に沿って線状に形成されており、内側に４つの切欠部１３を備えた、全体として四角い枠状を呈したものとなっている。

また、電極板１２Ｃの外形、具体的には少なくとも半導体素子１１に接する部分の外形は、図１に示すように、半導体素子１１の外形よりも大きくされている。これによって、電極板１２Ｃ，１２Ａの上端、左右側端が半導体素子１１の上端、左右側端から外側に張り出すように積層して、検出器１を構成することができる（図１参照）。このように構成された検出器１では、半導体素子１１の上端、左右側端が、電極板１２Ｃ，１２Ａの上端、左右側端よりも内側に位置するので、半導体素子１１の損傷等が好適に防止される。
なお、電極板１２Ｃの外形寸法は、半導体素子１１と同じ大きさであっても差し支えない。また、電極板１２Ｃの厚さは、１０μｍから１００μｍ程度で、主に５０μｍ程度とされることが望ましい。

また、電極板１２Ｃには、図２（ｂ）に示すように、半導体素子１１よりも下側（図１に示した配線基板２４側）に垂下される突出部１２ａ（１２ｂ）が設けられている。この突出部１２ａ（１２ｂ）は、検出器１を配線基板２４に電気的に取り付けるための固定部として機能する。なお、固定に際しては、図示しないはんだ等を用いて行われる。

このような半導体素子１１および電極板１２Ｃ，１２Ａを備えた検出器１は、図２（ｃ）に示すように、半導体素子１１を、カソードＣ同士およびアノードＡ同士が互いに向き合うように並列に配置し、電極板１２Ｃ，１２Ａを介して同じ種類の電極同士（アノードＣ同士、およびカソードＡ同士）を電気的に接続して構成される。すなわち、電極板１２Ｃは、一方で隣接する半導体素子１１の向かい合うカソードＣ間に配置され、導電性接着剤１４により、それぞれのカソードＣに取り付けられる。また、電極板１２Ａは、隣接する半導体素子１１の向かい合うアノードＡ間に配置され、導電性接着剤１４によりそれぞれのアノードＡに取り付けられる。さらに、検出器１の両端部分に位置する各カソードＣに電極板１２Ｃが導電性接着剤１４によって接着される。このように、検出器１は、カソードＣとアノードＡとが交互に配置され、電極板１２Ｃ，１２Ａも交互に配置されて構成される。

導電性接着剤１４としては、例えば、金属粉（銀）などの導電性粒子を有機高分子材料からなる絶縁性の樹脂バインダ中に分散したものが用いられる。通常、半導体素子１１と電極板１２Ｃ，１２Ａとを導電性接着剤１４により接着する際には、導電性接着剤１４を硬化させるために、およそ１２０〜１５０℃の高温の熱処理が行われる。
本実施形態では、電極板１２Ｃ，１２Ａの中央部に十字状に切り残された交差部分１２ｄが半導体素子１１に対して接着されるように、図１，図２（ａ）（ｃ）に示すように、半導体素子１１のカソードＣおよびアノードＡが形成される面の中央部に導電性接着剤１４がそれぞれ塗布される。
なお、導電性接着剤１４の塗布位置は、半導体素子１１を電極板１２Ｃ，１２Ａで保持することのできる位置であれば交差部分１２ｄに限られることはなく、例えば、図２（ａ）に示すように、電極板１２Ｃの対角部１１ｂ，１１ｂ等としてもよい。

そして、検出器１は、図１に示すように、配線基板２４上に設けられた、カソードＣ用の接続部材ＣＰに、カソードＣ側の電極板１２Ｃの突出部１２ａが接続され、また、配線基板２４上に設けられたアノードＡ用の接続部材ＡＰに、アノードＡ側の電極板１２Ａの突出部１２ｂが接続される。また、検出器１は、これらの突出部１２ａ，１２ｂによって、配線基板２４上に非密着状態に、つまり、配線基板２４との間に半導体素子１１が所定の隙間Ｓを有する状態に取り付けられる。これにより、取付時に検出器１と配線基板２４との間に塵埃等が挟まること等に起因する絶縁性の低下を好適に防止することができる。また、この隙間Ｓを通じて通気性が高まるので、検出器１の冷却が可能となって検出器１の特性が安定する。なお、検出器１の底面部に図示しない絶縁材をコーティングして、予期しない絶縁破壊が生じるのをさらに防止するように構成してもよい。

ここで、検出器１によるγ線の検出原理の概略を説明する。図３（ａ）に示すように、検出器１にγ線が入射して１次電子Ｅを生じると、γ線と半導体素子１１の半導体材料１１ａとが相互作用を及ぼし、正孔（hole）および電子（electron）が、１次電子Ｅの持つエネルギーに比例した量だけ対になって生成される。ところで、検出器１を構成する半導体素子１１のカソードＣとアノードＡの電極間には、直流の高電圧電源２０からの電荷収集用の逆方向バイアス電圧（例えば、カソードＣが−５００Ｖで、アノードＡがグラウンド電位に近い電位、即ち、カソードＣに対してアノードＡが５００Ｖ高くなるような逆方向印加電圧）がかけられている。このため、正の電荷に相当する正孔は、カソードＣに引き寄せられて移動し、負の電荷である電子は、アノードＡに引き寄せられて移動する。これらの正孔と電子とを比較すると、移動し易さ（モビリティ）は、電子の方が相対的に大きいことから、電子が相対的に短時間にアノードＡに到達することとなる。一方、正孔は、移動し易さが相対的に小さいことから、正孔の方が相対的に時間をかけてカソードＣに到達する。ちなみに、電子や正孔は、アノードＡ，カソードＣに到達する前に途中で捕獲（トラップ）されることもある。

ここで、図３（ｂ）に示すように、γ線の入射位置が、半導体材料１１ａの端部であるカソードＣおよびアノードＡの近傍（図ではアノードＡの近傍）である場合には、γ線の入射による光電効果で生じた１次電子Ｅが、半導体材料１１ａ内でキャリヤを生成する前に、隣接する半導体素子１１’側へ向けて飛び出すことがある。
ここで、半導体素子１１と隣接する半導体素子１１’との間には、電極板１２Ａが配置されており、この電極板１２Ａには切欠部１３が形成されているので、１次電子Ｅが隣接する半導体素子１１’へ向けて飛び出しても、電極板１２Ａの切欠部１３をそのまま通過して、隣接する半導体素子１１’の半導体材料１１ａ’に入射される確率が高まる。つまり、飛び出した１次電子Ｅが電極板１２Ａによって吸収される確率が小さくなる。

仮に、図３（ｃ）に示すように、アノードＡの電極板ＥＢが、従来のように、一面が板状とされた通常の電極板ＥＢ（切欠部１３のない電極板）であるとすると、飛び出した１次電子Ｅは、その電極板ＥＢに入射してキャリヤを生成せずに吸収されることとなる。つまり、１次電子Ｅによる電気信号が取り出されないまま１次電子Ｅが電極板ＥＢに吸収されることとなる。

これに対して、本実施形態の検出器１によれば、前記のように、電極板１２Ｃ，１２Ａに切欠部１３が形成されているので、図３（ｂ）に示すように、γ線の入射による１次電子Ｅが隣接する半導体素子１１’へ向けて飛び出しても、これが電極板１２Ａの切欠部１３を通じて隣接する半導体素子１１’に入射し易くなり、その結果として、隣接する半導体素子１１’の半導体材料１１ａ’でキャリヤを生成する１次電子Ｅが増加することとなる。つまり、図３（ｃ）に示したもののように、従来では消滅していた１次電子Ｅを隣接する半導体素子１１’で有効な電気信号として取り出すことができる。したがって、検出器１の感度が向上するようになる。

検出器１の感度は、前記したように放射線（γ線）が入射したときに、キャリヤが生成されて流れる電流の積分値、すなわち、放射線がもつエネルギーに比例したキャリヤ電荷量を測定することによって知ることができる。
そこで、本実施形態の検出器１に、線源強度２５００ｋＢｑの１３７Ｃｓの６６２ｋｅＶγ線を使用して、キャリヤ電荷量を測定し、感度の測定を行った。検出器１は、線源から２００ｍｍ離れた位置に設置した。その結果、６６２ｋｅＶのピークの計数は１時間で１００５６回であった。
比較例として、図３（ｃ）に示すような切欠部１３の形成されていない電極板ＥＢを使用した検出器を用意し、これを線源から２００ｍｍ離れた位置に設置して同様に感度の測定を行った。なお、この比較例の検出器は、電極板ＥＢが異なるだけであり、同一の体積を有する半導体材料１１ａを使用した。

その結果、比較例の検出器は、６６２ｋｅＶのピークの計数が１時間で８９９５回であった。
このことから、本実施形態の検出器１と比較例の検出器とを、計数によって比較評価すると、本実施形態の検出器１は、比較例の検出器に比べて、１２％の感度の向上が認められた結果となった。

ここで、図４，図５に検出器１の変形例を示す。図４（ａ）に示す検出器１Ａは、電極板１２Ｃ_１，１２Ａ_１に円形の切欠部１３’を複数設けたものであり、その他の構成に変更はない。なお、電極板１２Ｃ_１，１２Ａ_１は、構成が同一であるので、以下では電極板１２Ｃ_１について説明する。図４（ｂ）に示すように、切欠部１３’は、電極板１２Ｃ_１の半導体素子１１に接する面に、縦方向に４個、横方向に５個設けられており、全体として電極板１２Ｃ_１に２０個設けられている。この検出器１Ａでは、切欠部１３’が多数設けられる一方、電極板１２Ｃ_１の切り残された部分の面積（半導体素子１１に接する部分の面積）も、前記した検出器１（図１参照）における電極板１２Ｃの切り残された部分の面積よりも大きくなっているので、電極板１２Ｃ_１の剛性が高く、半導体素子１１の保持に優れている。また、電極板１２Ｃ_１を打ち抜いて切欠部１３’を形成する際にも変形等を生じ難くなり、電極板１２Ｃ_１の形状維持に優れている。したがって、このような電極板１２Ｃ_１，１２Ａ_１を用いることによって、感度に優れるとともに、寸法精度の高い検出器１Ａが得られるようになる。

このように構成された検出器１Ａにおいて、前記と同様に、線源強度２５００ｋＢｑの１３７Ｃｓの６６２ｋｅＶγ線を使用し、線源から２００ｍｍ離れた位置に検出器１Ａを設置して、感度の測定を行った。その結果、６６２ｋｅＶのピークの計数は１時間で９５１１回であり、前記比較例（図３（ｃ）参照）に比べて感度の向上が確認された。

また、図５（ａ）に示す検出器１Ｂは、電極板１２Ｃ_２，１２Ａ_２に大きな切欠部１３’’，１３’’を上下に２個形成し、正面視（積層方向に視て）で電極板１２Ｃ_２，１２Ａ_２がＨ形を呈するようにしたものである。なお、電極板１２Ｃ_２，１２Ａ_２は、構成が同一であるので、以下では電極板１２Ｃ_２について説明する。電極板１２Ｃ_２は、図５（ｂ）に示すように、左右の縦板部１２ｅ，１２ｅ間に横板部１２ｆが一体的に連結されたものであり、前記した検出器１よりもさらに、半導体素子１１に接触する部分の面積が小さく設定されている。縦板部１２ｅ，１２ｅは、半導体素子１１の左右両側縁部を覆う長さを有している。なお、左右の縦板部１２ｅ，１２ｅと横板部１２ｆとの連結部分は三角状に幅広に形成されて補強され、この幅広とされた部分およびその近傍部分が導電性接着剤１４を介して半導体素子１１に接着されるように構成されている。

このように構成された検出器１Ｂにおいて、前記と同様に、線源強度２５００ｋＢｑの１３７Ｃｓの６６２ｋｅＶγ線を使用し、線源から２００ｍｍ離れた位置に検出器１Ｂを設置して、感度の測定を行った。その結果、６６２ｋｅＶのピークの計数は１時間で１０１２２回であり、前記比較例（図３（ｃ）参照）および前記した検出器１に比べて感度の向上が確認された。

次に、前記した検出器１を用いて構成されるＰＥＴ撮像装置３０について説明する。
図６に示すように、本実施形態のＰＥＴ撮像装置３０は、中央部分に円柱状の計測空間３１ａを有する撮像装置３１、被検体（被検診者）Ｈを支持して長手方向に移動可能なベッド３２、データ処理装置（コンピュータ等）３３、および表示装置３４を主として備えて構成される。
撮像装置３１は、図７，図８（ａ）（ｂ）に示すような、ユニット基板Ｕ（プリント基板）を周方向に多数配置しており、被検体Ｈは、図６に示すように、ベッド３２に載せられてユニット基板Ｕによって取り囲まれる計測空間３１ａ内に挿入される。

図７に示すように、撮像装置３１に多数配置されるユニット基板Ｕは、検出器１の設置された面が撮像装置３１の奥行き方向（Ｚ方向）に向くように、撮像装置３１に設けられた環状の支持部材（図示せず）に設置され、計測空間３１ａを取り囲む。そして、ユニット基板Ｕは、複数の検出器１が設置された検出モジュール２０Ａと、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）基板２０Ｂとを備え、検出モジュール２０Ａが内側（計測空間３１ａ側）に、ＡＳＩＣ基板２０Ｂが外側（計測空間３１ａから離れる側）に位置するように配置される。本実施形態では、複数のユニット基板Ｕが、撮像装置３１の奥行き方向（Ｚ方向）にも配置される。

図８（ａ）（ｂ）に示すように、検出モジュール２０Ａには、検出器１が、前記した電極板１２Ｃ，１２Ａの突出部１２ａ，１２ｂ（図１参照）を介して複数設置される。本実施形態では、配線基板２４上に、検出モジュール２０ＡからＡＳＩＣ基板２０Ｂに向かうＹ方向（撮像装置３１の半径方向、図７参照）に６ｃｈ、Ｙ方向と直交するＸ方向（撮像装置３１の周方向、図７参照）に１６ｃｈ、さらに、配線基板２４の厚み方向であるＺ方向（撮像装置３１の奥行き方向、図７参照）に２ｃｈ配置（配線基板２４の両面に配置）される。これにより、検出器１は、配線基板２４の片面に合計９６ｃｈ、その両面では合計１９２ｃｈが設置されることになる。

ＡＳＩＣ基板２０Ｂは、コンデンサ２６、抵抗２７、アナログＡＳＩＣ２８およびデジタルＡＳＩＣ２９を有する。各検出器１から出力されたγ線検出信号は、コネクタＣ１，Ｃ２（図８（ｂ）参照）を介して検出モジュール２０Ａ側からＡＳＩＣ基板２０Ｂ側へ供給される。

ＡＳＩＣ基板２０Ｂは、デジタルＡＳＩＣ２９が片面に１個設置され、アナログＡＳＩＣ２８が４個ずつ両面に配置されている。ＡＳＩＣ基板２０Ｂの両面には、コンデンサ２６、抵抗２７が検出器１の数に対応した数だけ設置されている。
また、コンデンサ２６、抵抗２７、アナログＡＳＩＣ２８およびデジタルＡＳＩＣ２９を電気的に接続する複数の接続配線（図示せず）が、ＡＳＩＣ基板２０Ｂ内に設けられている。アナログＡＳＩＣ２８は、検出器１から出力されたアナログ信号（γ線検出信号）を処理する、特定用途向けのＬＳＩの一種である。アナログＡＳＩＣ２８は、個々の検出器１ごとに信号処理回路を設けている。これらの信号処理回路は、対応する一つの検出器１から出力されたγ線検出信号（放射線検出信号）を入力してγ線の波高値を求めるようになっている。

本実施形態では、同時計測処理の検出時間の正確さが損なわれないように、検出器１、コンデンサ２６、抵抗２７、アナログＡＳＩＣ２８およびデジタルＡＳＩＣ２９を撮像装置３１の半径方向に順に近接配置しており、回路の長さやγ線検出信号を伝送する配線の長さ（距離）を短くして、γ線検出信号に対するノイズの影響の軽減、γ線検出信号の減衰の低減を図っている。

以上の構成を有するＰＥＴ撮像装置３０の動作を説明する。放射線検査を行う前に、まず被検体Ｈに予め注射等の方法によりＰＥＴ用の放射性薬剤（例えば^１８Ｆを含む）をその体内投与放射能が例えば３７０ＭＢｑ程度になるように投与する。放射性薬剤は、検査目的（癌の場所を把握、または心臓の動脈瘤の検査等）に応じて選ばれる。投与された放射性薬剤は、やがて、被検体Ｈの患部に集まる。この状態で被検体Ｈをベッド３２上に寝かせる。
ＰＥＴ検査を実行する検査者（診療放射線技師や医師）は、検査の目的に応じて必要な情報（断層像を得たい領域（撮像領域或いは関心領域）、スライス数、スライス間隔、吸収線量等）を、データ処理装置３３を介して入力する。この場合、表示装置３４に図示しない情報入力画面を表示させて、必要なデータを、キーボードやマウス等により入力する。その後、ベッド３２を長手方向に移動させて、被検体Ｈの検査部位（例えば癌の患部）が所定の位置に来るまで被検体Ｈを計測空間３１ａ内に挿入する。そして、ＰＥＴ撮像装置３０を作動させる。

データ処理装置３３からの指示により、各検出器１のカソードＣとアノードＡ（図１参照）の間に直流高圧電圧が印加され、撮像装置３１がＰＥＴ検査を開始する。被検体Ｈの体内から放射性薬剤に起因して放射されたγ線は、検出器１によって検出される。すなわち、ＰＥＴ用の放射性薬剤から放出された陽電子の消滅時に一対のγ線が約１８０°の反対方向に放出され、別々の検出器１で検出される。検出器１はγ線検出信号を出力する。このγ線検出信号は、配線基板２４側からコネクタＣ１、Ｃ２およびコンデンサ２６を経て、該当するアナログＡＳＩＣ２８内の対応する信号処理回路(図示せず)に入力される。この信号処理回路は、γ線検出信号を増幅し、検出したγ線の波高値を求める。この波高値は、デジタルＡＳＩＣ２９内の図示しないアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）でデジタルの波高値情報に変換される。デジタルＡＳＩＣ２９は、さらに、γ線を検出した検出器１の位置情報およびγ線の検出時刻情報も出力する。デジタルの波高値情報、検出器１の位置情報およびγ線の検出時刻情報は、データ処理装置３３に入力される。データ処理装置３３の同時計測装置（図示せず）は、検出時刻情報を用いて、１つの陽電子の消滅により発生した一対のγ線を一個として計数し、その一対のγ線を検出した２つの検出器１，１の位置をそれらの位置情報を基に特定する。また、データ処理装置３３の画像情報作成装置である断層像情報作成装置（図示せず）が、同時計測で得た計数値および検出器１の位置情報を用いて、放射性薬剤の集積位置、すなわち悪性腫瘍位置での被検者の断層像情報（画像情報）を作成する。この断層像情報は表示装置３４に表示される。

このようにして動作するＰＥＴ撮像装置３０において、前記した検出器１の感度測定時と同様に、線源強度２５００ｋＢｑの１３７Ｃｓの６６２ｋｅＶγ線を使用して、キャリヤ電荷量を測定し、感度の測定を行った。線源は、計測空間３１ａの中心に配置した。
また、比較例として、図３（ｃ）に示すような切欠部１３の形成されていない電極板ＥＢを使用した図示しない検出器を多数用意し、これをＰＥＴ撮像装置３０の配線基板２４上に取り付け、同様に感度の測定を行った。なお、この比較例の検出器は、電極板ＥＢが異なるだけであり、同一の体積を有する半導体材料１１ａを使用した。

その結果、本実施形態の検出器１を用いたＰＥＴ撮像装置３０は、比較例の検出器を用いたＰＥＴ撮像装置よりも感度が１６％高くなった。つまり、前記した検出器１の単体で測定したときの感度の向上（１２％）よりも、さらに高い感度の向上が得られた。これは、ＰＥＴ撮像装置３０では、対消滅γ線を２ヵ所で同時測定するためであり、１つの陽電子の消滅によって発生した一対のγ線を設定された同時計測の時間窓内で検出する感度は、両側で２乗に向上することとなるためである。
このように１６％の感度の向上が得られることから、ＰＥＴ撮像装置３０においては、被検体Ｈの検査時間（測定時間）を感度の向上分、つまり、１６％短縮することが可能となる。

以下では、本実施形態において得られる効果を説明する。
（１）検出器１の積層構造を構成する電極板１２Ｃ（１２Ａ）には、半導体素子１１に接する領域に切欠部１３が形成されているので、電極板１２Ｃ（１２Ａ）に形成された切欠部１３を、γ線の入射による光電効果で生じた１次電子Ｅの通過空間として利用することができる。つまり、光電効果で生じた１次電子Ｅが電極板１２Ｃ（１２Ａ）へ向けて飛び出しても、その１次電子Ｅは切欠部１３を通じて、隣接する半導体素子１１（図３（ｂ）では半導体素子１１’、以下同じ）へ入射されるようになり、電極板１２Ｃ（１２Ａ）によって吸収される確率が小さくなる。したがって、従来であれば電極板１２Ｃ（１２Ａ）で消滅していたであろう１次電子Ｅを隣接する半導体素子１１に入射させることができる。これによって、隣接する半導体素子１１でキャリヤを生成する１次電子Ｅを増加させることができ、これを有効な信号として使用することができる。したがって、γ線（放射線）検出の感度が向上するようになる。
（２）電極板１２Ｃ（１２Ａ）に形成された切欠部１３は、半導体素子１１に接する領域に形成されているので、電極板１２Ｃ（１２Ａ）の切欠部１３以外の部分によって半導体素子１１を好適に保持することができる。
（３）電極板１２Ｃ（１２Ａ）に磁性をもたせてあるので、電磁ピンセット等を用いたハンドリングを行うことができ、半導体素子１１と電極板１２Ｃ（１２Ａ）とを積層するための工程や配線基板２４への検出器１の実装時における取扱いが容易となって、生産性の向上、組立コストの低減を図ることができる。
特に、本実施形態のように、ＰＥＴ撮像装置３０において使用される小型積層タイプの検出器１においては、電極板１２Ｃ（１２Ａ）の面積が小さくなると、吸着による真空ピンセット等を用いて電極板１２Ｃ（１２Ａ）を取り扱うことが困難となるため、電極板１２Ｃ（１２Ａ）に磁性をもたせることで、電磁ピッセット等によるコントロールが可能となり効果的である。
（４）図４（ａ）〜（ｃ）に示した検出器１Ａにおいては、切欠部１３’が多数設けられる一方、電極板１２Ｃ_１の切り残された部分の面積が、検出器１（図１参照）における電極板１２Ｃの切り残された部分の面積よりも大きくなっているので、電極板１２Ｃ_１の剛性が高く、半導体素子１１の保持性に優れている。また、切欠部１３’を電極板１２Ｃ_１に打ち抜く際にも変形等を生じ難く、電極板１２Ｃ_１の形状維持に優れている。したがって、感度に優れるとともに、寸法精度の高い検出器１Ａが得られる。
（５）図５（ａ）〜（ｃ）に示した検出器１Ｂでは、半導体素子１１に接する部分の面積を最小限の面積とすることができ、より一層感度を向上させることができる。また、電極板１２Ｃ_２の縦板部１２ｅ，１２ｅは、半導体素子１１の左右両側縁部を覆う長さを有しているので、半導体素子１１の左右両側縁部の接触等による損傷等を防止することができる。
（６）検出器１を用いたＰＥＴ撮像装置３０においては、検出器１の感度が向上することによって、放射性薬剤の量の低減や測定時間の短縮を図ることができる。また、検査時間（測定時間）の短縮によって、検査人数（測定人数）の増加が見込めるので、経済効果が高く、コストの低減も図ることができる。
また、薄い半導体素子１１を複数積層して構成される検出器１を用いているので、電子やホールの移動距離が短縮でき、エネルギー分解能や入射時刻の認識精度が向上し、また半導体素子１１の体積占有率を大きく取れて検出器１の体積も増大できる等の利点を備えており、ＰＥＴ撮像装置３０の性能を向上させることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態である半導体放射線検出器を説明する。本実施形態の検出器１Ｄは、図９に示すように、切欠部１３が形成された電極板１２Ｃ，１２Ａが、積層されて隣合う半導体素子１１，１１の間にのみ配置される構成となっており、検出器１Ｄの両側に配置される電極板１２Ｂが、切欠部１３の形成されていない面板状のものを用いている点が異なっている。

このような検出器１Ｄによれば、積層されて隣合う半導体素子１１，１１の間にのみ切欠部１３が形成された電極板１２Ｃ，１２Ａが配置されているので、前記したように、γ線の入射位置が、半導体材料１１ａの端部である、例えば、アノードＡの近傍である場合（図３（ｂ）参照）には、隣接する半導体素子１１’に１次電子Ｅが入射し、隣接する半導体素子１１’内でキャリヤが生成される。これによって、従来であれば電極板１２Ｃ（１２Ａ）で消滅していた１次電子Ｅを隣接する半導体素子１１’に入射させることで、隣接する半導体素子１１’でキャリヤを生成する１次電子Ｅが増加するようになり、これを有効な信号として使用することができる。したがって放射線検出の感度が向上するようになる。

一方、γ線の入射位置が、電極板１２Ｂの近傍である場合には、前記したように、１次電子Ｅが電極板１２Ｂへ向けて飛び出すことがある。この場合、電極板１２Ｂには、切欠部１３が形成されていないので、飛び出した１次電子Ｅは、電極板１２Ｂへ入射すると電極板１２Ｂ内で吸収されて消滅することとなる。したがって、検出器１Ｄの両端に積層された電極板１２Ｂから１次電子Ｅが飛び出すことが抑制される。

このように構成された検出器１Ｄにおいて、前記と同様に、線源強度２５００ｋＢｑの１３７Ｃｓの６６２ｋｅＶγ線を使用し、線源から２００ｍｍ離れた位置に検出器１Ａを設置して、感度の測定を行った。その結果、６６２ｋｅＶのピークの計数は１時間で１００８９回であり、前記比較例（図３（ｃ）参照）に比べて感度の向上が確認された。

本実施形態では、前記第１実施形態で生じる効果（１）〜（６）を得ることができるとともに、さらに以下に記す効果を生じる。
（７）本実施形態の検出器１Ｄは、前記したＰＥＴ撮像装置３０に用いた場合に特に効果的である。つまり、前記したようにＰＥＴ撮像装置３０では、検出器１Ｄを配線基板２４上に多数設ける必要があるので、検出器１Ｄから隣接する他の検出器１Ｄへの１次電子Ｅの入射が抑制されることで、検出器１Ｄ個々の検出精度が向上するようになり、エネルギー分解能および位置分解能の精度を向上することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態である半導体放射線検出器を説明する。本実施形態の検出器１Ｅは、図１０に示すように、積層方向に複数の半導体素子１１が電気的接続によってひとつのまとまりとなって構成される、計２つの検出器集合体１１Ａ，１１Ｂを有している点が異なっている。
検出器１Ｅは、半導体素子１１と、切欠部１３を有する電極板１２Ａ_３，１２Ａ_４と、切欠部１３を有しない電極板１２Ｂとが交互に積層されてなり、中央に配置される電極板１２Ｂを境にして、２つの検出器集合体１１Ａ，１１Ｂが構成されている。本実施形態では、中央の電極板１２Ｂが２つの検出器集合体１１Ａ，１１Ｂの共有の電極となっている。

各検出器集合体１１Ａ，１１Ｂは、図１１に示すように、２枚の半導体素子１１と、２枚の半導体素子１１の間に配置される電極板１２Ａ_３（１２Ａ_４）と、２枚の半導体素子１１の両側に配置される電極板１２Ｂ（一方の電極板１２Ｂは共有）とを有しており、それぞれ独立したγ線検出信号（放射線検出信号）を出力するようになっている。つまり、検出器集合体１１Ａ側の２枚の半導体素子１１に入射したγ線は、検出器集合体１１Ａ側のγ線検出信号として、電極板１２Ａ_３から突出部１２ｂ_１を介してアノードＡ用の接続部材ＡＰ１に出力され、また、検出器集合体１１Ｂ側の２枚の半導体素子１１に入射したγ線は、検出器集合体１１Ｂ側のγ線検出信号として、電極板１２Ａ_４から突出部１２ｂ_２を介してアノードＡ用の接続部材ＡＰ２に出力される。

ここで、各検出器集合体１１Ａ，１１Ｂの２枚の半導体素子１１の間に配置される電極板１２Ａ_３，１２Ａ_４には、切欠部１３がそれぞれ形成されているので、次のような作用効果を奏する。
すなわち、検出器集合体１１Ａを例にとって説明すると、前記した図３（ｂ）に示すように、γ線の入射による光電効果で生じた１次電子Ｅが、半導体材料１１ａ内でキャリヤを生成する前に、隣接する半導体素子１１’側（検出器集合体１１Ａ内の隣接する半導体素子１１’）へ向けて飛び出しても、切欠部１３をそのまま通過して、隣接する半導体素子１１’の半導体材料１１ａ’に入射され、隣接する半導体素子１１’で有効な電気信号として取り出される。したがって、検出器集合体１１Ａ内において１次電子Ｅによるキャリヤが生成され、これによって、検出器集合体１１Ａ内における感度が向上するようになる。

一方、検出器集合体１１Ａと検出器集合体１１Ｂとの間に配置される電極板１２Ｂには、切欠部１３が形成されていないので、前記した図３（ｃ）における作用と同様に、電極板１２Ｂの近傍に入射したγ線により生じた１次電子Ｅが電極板１２Ｂへ向けて飛び出しても、電極板１２Ｂ内でこれが吸収されて消滅することとなる。したがって、検出器集合体１１Ａ，１１Ｂの間で１次電子Ｅが飛び交うことが防止される。これによって、検出器集合体１１Ａ，１１Ｂ個々に入射したγ線は、各検出器集合体１１Ａ，１１Ｂ内でのみ１次電子Ｅによるキャリヤが生成されることとなる。ゆえに、実質的に各検出器集合体１１Ａ，１１Ｂにおける検出精度が向上することとなる。このことは、ＰＥＴ撮像装置３０において、エネルギー分解の向上、位置分解能の精度の向上に寄与する。

本実施形態では、前記第１実施形態で生じる効果（１）〜（６）を得ることができるとともに、さらに以下に記す効果を生じる。
（８）本実施形態では、切欠部１３の形成された電極板１２Ａ_３，１２Ａ_４と切欠部１３の形成されていない電極板１２Ｂとを交互に配置することによって、電極板１２Ｂを境として２つの検出器集合体１１Ａ，１１Ｂを構成することができ、各検出器集合体１１Ａ，１１Ｂから別個のγ線検出信号を出力することのできる検出器１Ｅを構成することができる。
そしてこのような検出器１Ｅを用いたＰＥＴ撮像装置３０によれば、電極板１２Ａと電極板１２Ｂとの積層を交互にするという安価な構成で、エネルギー分解能、位置分解能に優れたＰＥＴ撮像装置３０が得られるようになる。
なお、前記各実施形態では、半導体材料１１ａとしてＣｄＴｅを用いたものについて説明したが、これに限定されるものではなく、種々の物質を使用することができる。また、半導体素子１１の積層個数は任意に設定することができる。
また、電極板１２Ｃ，１２Ａに、他の部分よりも肉厚の薄くされた薄膜部を形成し、光電効果で生じた１次電子Ｅをこの薄膜部を通じて隣接する半導体素子１１，１１’へ入射させるように構成してもよい。なお、薄膜部は、切欠部１３，１３’とともに形成してもよく、また、切欠部１３，１３’に代えて形成するようにしてもよい。

本発明の第１実施形態の半導体放射線検出器を模式的に示した斜視図である。 （ａ）は半導体素子の模式斜視図、（ｂ）は電極板を模式的に示した斜視図、（ｃ）は半導体放射線検出器の分解斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）はγ線の入射によるキャリヤの生成を示す模式図である。 （ａ）は変形例の半導体放射線検出器を模式的に示した斜視図、（ｂ）は電極板を模式的に示した斜視図、（ｃ）は半導体放射線検出器の分解斜視図である。 （ａ）は他の変形例の半導体放射線検出器を模式的に示した斜視図、（ｂ）は電極板を模式的に示した斜視図、（ｃ）は半導体放射線検出器の分解斜視図である。 本発明の第１実施形態の陽電子放出型撮像装置を示す構成図である。 撮像装置におけるユニット基板の配置を示す模式図である。 （ａ）はユニット基板の正面図、（ｂ）はユニット基板の側面図である。 本発明の第２実施形態の半導体放射線検出器を模式的に示す斜視図である。 本発明の第３実施形態の半導体放射線検出器を模式的に示す斜視図である。 同じく半導体放射線検出器の分解斜視図である。

符号の説明

１ 半導体放射線検出器（検出器）
１Ａ，１Ｂ，１Ｄ，１Ｅ 半導体放射線検出器（検出器）
１１，１１’ 半導体素子
１１Ａ，１１Ｂ 検出器集合体
１１ａ，１１ａ’ 半導体材料
１２Ｃ，１２Ａ 電極板
１２Ｂ 電極板
１２Ａ_１ 電極板
１２Ａ_２ 電極板
１２Ｃ_１ 電極板
１２Ｃ_２ 電極板
１２ａ 突出部
１２ｂ 突出部
１３ 切欠部
１３’ 切欠部
１３’’ 切欠部
１４ 導電性接着剤
２０Ａ 検出モジュール
２０Ｂ ＡＳＩＣ基板
２４ 配線基板
３０ ＰＥＴ撮像装置
Ａ アノード電極
Ｃ カソード電極
Ｕ ユニット基板

Claims (8)

1. 入射した放射線を電気信号に変換する半導体素子と、金属製の電極板とが導電性接着剤によって交互に複数接着されて積層構造とされた半導体放射線検出器であって、
   前記積層構造を構成する少なくともひとつの前記電極板には、前記半導体素子に接する領域に切欠部が形成されていることを特徴とする半導体放射線検出器。
2. 前記切欠部が形成された前記電極板は、積層されて隣合う前記半導体素子の間にのみ配置されることを特徴とする請求項１に記載の半導体放射線検出器。
3. 入射した放射線を電気信号に変換する半導体素子と、金属製の電極板とが導電性接着剤によって交互に複数接着されて積層構造とされ、かつ、積層方向に複数の前記半導体素子が電気的接続によりひとつのまとまりとなって構成される検出器集合体が、積層方向に複数構成されてなる半導体放射線検出器であって、
   隣合う前記検出器集合体の間に配置される前記電極板を除いたその他の前記電極板の少なくともひとつには、前記半導体素子に接する領域に切欠部が形成されていることを特徴とする半導体放射線検出器。
4. 前記切欠部を有した前記電極板は、前記検出器集合体内で積層されて隣合う前記半導体素子の間にのみ配置されることを特徴とする請求項３に記載の半導体放射線検出器。
5. 前記電極板は、磁性を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体放射線検出器。
6. 前記切欠部が形成された前記電極板は、前記半導体素子に接する部分が枠状に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体放射線検出器。
7. 前記切欠部が形成された前記電極板は、前記半導体素子に接する部分が、前記半導体素子との積層方向から視て、田の字型またはＨ型に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体放射線検出器。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の半導体放射線検出器を用いた陽電子放出型断層撮像装置であって、
   複数の前記半導体放射線検出器が取り付けられた配線基板を有し、被検体を支持するベッドが挿入される計測領域を取り囲み、前記計測領域の周囲に配置された複数のプリント基板と、
   複数の前記半導体放射線検出器から出力された放射線検出信号を基に得られた情報を用いて画像を生成する画像情報作成装置と、を備えた陽電子放出型断層撮像装置。

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