JP5022805B2 - 放射線検出器 - Google Patents
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Description
本発明は、放射線を検出する放射線検出器に関する。
新世代のＸ線診断用検出器として、アクティブマトリクスを用いた平面形のＸ線検出器が開発されている。このＸ線検出器に照射されたＸ線を検出することにより、Ｘ線撮影像、あるいはリアルタイムのＸ線画像がデジタル信号として出力される。そして、このＸ線検出器では、Ｘ線をシンチレータ層により可視光すなわち蛍光に変換させ、この蛍光をアモルファスシリコン(ａ−Ｓｉ)フォトダイオード、あるいはＣＣＤ（Charge Coupled Device）などの光電変換素子で信号電荷に変換することで画像を取得している。
シンチレータ層は、材料として、一般的にヨウ化セシウム（ＣｓＩ）：ナトリウム（Ｎａ）、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）：タリウム（Ｔｌ）、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）、あるいは酸硫化ガドリニウム（Ｇｄ2Ｏ2Ｓ）などが用いられ、ダイシングなどにより溝を形成したり、柱状構造が形成されるように蒸着法で堆積したりすることで、解像度特性を向上させることができる。
そして、シンチレータ層からの蛍光の利用効率を高めて感度特性を改善するために、シンチレータ層上に反射膜を形成する方法がある。即ち、シンチレータ層で発光した蛍光のうち光電変換素子側に対して反対側に向かう蛍光を反射膜で反射させて、光電変換素子側に到達する蛍光を増大させるものである。
反射膜の例としては、銀合金やアルミニウムなど蛍光反射率の高い金属層をシンチレータ層上に成膜する方法や、ＴｉＯ2などの光散乱性物質とバインダ樹脂とから成る光散乱反射性の反射膜を塗布形成する方法などが一般に知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、シンチレータ膜上に形成するのではなく、アルミなどの金属表面を持つ反射板をシンチレータ層に密着させてシンチレータ光を反射させる方式も実用化されている。
特開２００５−２８３４８３号公報（第５−６頁、図１）
しかしながら、従来のように、シンチレータ層上に金属層を形成する方法では、シンチレータ層表面の凹凸の影響により金属層での反射率が低いという問題がある。この低反射率を改善するためにシンチレータ層の表層を平坦化するとかシンチレータ層の表面に透明な樹脂保護膜を形成して平滑化するなどの対応策はあるが、シンチレータ層の表層にダメージを与えてデッドレイヤーを作ってしまうとか、せっかくシンチレータ層の柱間を分離してライトガイド効果により解像度を向上させるようにしているのに、その柱間に樹脂保護膜が侵入することによりライトガイド効果が損なわれて解像度の低下を招くなどのデメリットが大きい。
また、シンチレータ層上に反射板を密着させる方法では、反射板とシンチレータ層との隙間の不均一性により輝度や解像度のむらが生じたり、シンチレータ層の防湿保護のためにシンチレータ層の表面に直接形成する樹脂の保護層がシンチレータ層の柱間に侵入して解像度低下に繋がるなどの問題点がある。
さらに、ＴｉＯ2などの光散乱性物質とバインダ樹脂とから成る光散乱反射性の反射膜を塗布形成する方法では、ＴｉＯ2などの光散乱性物質の隙間にバインダとなる樹脂が密に充填されるために、高屈折率であるＴｉＯ2などの光散乱性物質の光散乱効果が大幅に減じられてしまう。そのため、例えばＴｉＯ2（屈折率２．７）と大気（屈折率１．０）との屈折率差による界面の屈折角の大きさに対して、ＴｉＯ2（屈折率２．７）とバインダの樹脂（屈折率１．６前後）との屈折率差は小さいため、一回当りの界面の屈折角が小さくなる。光散乱性物質による反射は、光散乱性物質と周囲物質との界面反射や界面屈折の繰り返しにより光の進行方向がランダムに向きを変えて光散乱反射性の反射膜の役割を果たすものであり、界面の反射や屈折角の低減は光の進行方向がランダムに向きを変えるまでに必要な反射や屈折の回数を増やしてしまう。即ち、蛍光が同様に向きを変えるのに遠回りすることを意味する。この遠回りにより蛍光が反射膜の膜厚方向と膜面方向との両方に広がるように遠方拡散し、そのため、シンチレータ層の柱間のクロストークが増大し、解像度の低下や、反射膜の内部での蛍光の減衰を強めることに繋がって輝度の低下をも招く。
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、高解像度、高輝度の放射線検出器を提供することを目的とする。
本発明の放射線検出器は、光電変換素子と、この光電変換素子上に形成され、放射線を蛍光に変換するシンチレータ層と、このシンチレータ層上に形成され、このシンチレータ層からの蛍光を反射させる光散乱性粒子及びこの光散乱性粒子間を結合するバインダ材を含有し、かつ光散乱性粒子の周辺部にバインダ材が充填されていない空乏部が形成されている反射膜とを具備し、前記シンチレータ層が柱状構造を有し、前記反射膜の光散乱性粒子が前記シンチレータ層上に加えて前記シンチレータ層の柱間に侵入され、前記反射膜の光散乱性粒子とバインダ材との体積比率が、光散乱性粒子の体積／バインダ材の体積≧４／６の関係を有するものである。
本発明によれば、反射膜には光散乱性粒子の周辺部にバインダ材が充填されていない空乏部が形成されているため、光散乱性粒子と空乏部との界面での屈折角が大きくなり、シンチレータ層により変換された蛍光の多重屈折による反射効果が小領域内で生じ、反射光の遠方拡散による解像度低下や輝度の低下を抑え、高解像度、高輝度の放射線検出器を提供できる。
以下、本発明の一実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１に放射線検出器の斜視図、図２に放射線検出器の断面図を示す。11は放射線検出器としてのＸ線検出器で、このＸ線検出器11は、放射線像であるＸ線像を検出するＸ線平面センサであり、例えば一般医療用途などに用いられている。そして、このＸ線検出器11は、蛍光を電気信号に変換する光電変換基板としてのアレイ基板12、このアレイ基板12の一主面である表面上に設けられ入射するＸ線を蛍光に変換するＸ線変換部であるシンチレータ層13、このシンチレータ層13上に設けられシンチレータ層13からの蛍光をアレイ基板12側へ反射させる反射膜14、必要によりシンチレータ層13および反射膜14上に設けられ外気や湿度から保護する防湿膜15を備えている。
そして、アレイ基板12は、シンチレータ層13によりＸ線から可視光に変換された蛍光を電気信号に変換するもので、ガラス基板16、このガラス基板16上に設けられて光センサとして機能する略矩形状の複数の光電変換部17、行方向に沿って配設された複数の制御ライン（又はゲートライン）18、列方向に沿って配設された複数のデータライン（又はシグナルライン）19、各制御ライン18が電気的に接続された図示しない制御回路と、各データライン19が電気的に接続された図示しない増幅／変換部を備えている。
アレイ基板12には、それぞれ同構造を有する画素20がマトリクス状に形成されているとともに、各画素20内にそれぞれ光電変換素子としてのフォトダイオード21が配設されている。これらフォトダイオード21はシンチレータ層13の下部に配設されている。
各画素20は、フォトダイオード21に電気的に接続されたスイッチング素子としての薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）22、フォトダイオード21にて変換した信号電荷を蓄積する電荷蓄積部としての図示しない蓄積キャパシタを具備している。但し、蓄積キャパシタは、フォトダイオード21の容量が兼ねる場合もあり、必ずしも必要ではない。
各薄膜トランジスタ22は、フォトダイオード21への蛍光の入射にて発生した電荷を蓄積および放出させるスイッチング機能を担う。結晶性を有する半導体材料である非晶質半導体としてのアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）、あるいは多結晶半導体であるポリシリコン（Ｐ−Ｓｉ）などの半導体材料にて少なくとも一部が構成されている。また、薄膜トランジスタ22は、ゲート電極23、ソース電極24およびドレイン電極25のそれぞれを有している。このドレイン電極25は、フォトダイオード21および蓄積キャパシタに電気的に接続されている。
蓄積キャパシタは、矩形平板状に形成され、各フォトダイオード21の下部に対向して設けられている。
制御ライン18は、各画素20間に行方向に沿って配設され、同じ行の各画素20の薄膜トランジスタ22のゲート電極23に電気的に接続されている。
データライン（シグナルライン）19は、各画素20間に列方向に沿って配設され、同じ列の各画素20の薄膜トランジスタ22のソース電極24に電気的に接続されている。
制御回路は、各薄膜トランジスタ22の動作状態、即ちオンおよびオフを制御するもので、ガラス基板16の表面における行方向に沿った側縁に実装されている。
増幅／変換部は、例えば各データライン19に対応してそれぞれ配設された複数の電荷増幅器、これら電荷増幅器が電気的に接続された並列／直列変換器、この並列／直列変換器が電気的に接続されたアナログ−デジタル変換器を有している。
シンチレータ層13は、入射するＸ線を可視光すなわち蛍光に変換するもので、例えばヨウ化セシウム（ＣｓＩ）：タリウム（Ｔｌ）、あるいはヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）：タリウム（Ｔｌ）等により真空蒸着法で柱状構造に形成したもの、あるいは酸硫化ガドリニウム（Ｇｄ2Ｏ2Ｓ）蛍光体粒子をバインダ材と混合し、アレイ基板12上に塗布して焼成および硬化し、ダイサによりダイシングするなどで溝部を形成して四角柱状に形成したものなどである。これら柱間には、大気、あるいは酸化防止用の窒素（Ｎ2）などの不活性ガスが封入され、あるいは真空状態とすることも可能である。そして、以下に示す各実施例では、シンチレータ層13にＣｓＩ：Ｔｌの蒸着膜を用い、膜厚は約６００μｍ、ＣｓＩ：Ｔｌの柱状構造結晶の柱（ピラー）の太さは最表面で８〜１２μｍ程度のものが用いられる。
なお、以下に説明する各実施例において、最終的なＸ線検出器11としては前述のようにアレイ基板12上にシンチレータ層13および反射膜14を順次形成するが、反射膜14の輝度及び解像度への効果を簡易的に評価するために、ガラス製の基板上にＣｓＩ：Ｔｌのシンチレータ層13を形成し、そのシンチレータ層13上に種々の反射膜14を形成して輝度と解像度（ＣＴＦ）特性を測定する方法を適宜用いた。この方法での輝度と解像度特性は、Ｘ線を反射膜14およびシンチレータ層13側から入射し、基板側からこの基板とシンチレータ層13との界面に焦点を合わせてＣＣＤカメラでＸ線像を撮影する方法を採用した。Ｘ線質条件としては７０ＫＶｐでＲＱＡ−５相当条件とし、輝度は標準とする増感紙（富士フィルム株式会社ＨＧ−Ｈ２ Ｂａｃｋ）に対する相対輝度とし、解像度は解像度チャート像の２Ｌｐ／ｍｍのＣＴＦ（Contrast Transfer Function）の値＝ＣＴＦ（２Ｌｐ／ｍｍ）％を画像処理により求めた。
次に、第１の実施例を説明する。
反射膜14は、シンチレータ層13からフォトダイオード21と反対側に発せられた蛍光を反射して、フォトダイオード21に到達する蛍光光量を増大させるものである。シリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂などの熱硬化性樹脂材料、或いはアクリル等メタクリル系樹脂やブチラール系樹脂等のポリビニルアセタール系樹脂など熱可塑性樹脂材料をバインダ材とし、平均粒径がサブミクロン程度のＴｉＯ2粉体、Ａｌ2Ｏ2粉体、ＳｉＯ2粉体などの光散乱性粒子を含有し、かつ光散乱性粒子の周辺部にバインダ材が充填されていない空乏部（隙間）が形成されている。特に、ブチラール系樹脂のバインダ材は、塗膜にクラックが生じ難く、高品位の反射膜を形成できる。塗布ペーストの生成は、バインダ材と溶媒とを調合して加温しながらバインダ材を溶解させる。更に、光散乱性粒子を混合、攪拌して塗布ペーストを作成する。塗布ペーストを用いた反射膜14の形成は、筆塗り、ブレード、ディスペンサー、コンタクトメタルスクリーン印刷などの方法でシンチレータ層13上に形成し、常温放置又は乾燥炉にて乾燥させる。
光散乱性粒子を用いた反射膜14は、光散乱性粒子の屈折率と周辺の屈折率との比率が大きいほど各光散乱性粒子による光散乱角が大きく、従って複数の光散乱性粒子による反射効果が小領域でも得られやすくなる。また、光散乱性粒子の粒径は小さいほど単位体積に充填される光散乱性粒子の数が増えるため、小領域で反射効果が得られやすくなる。但し、蛍光波長に対して概ね１／１０程度以下に光散乱性粒子の粒径が小さくなると、蛍光を屈折する効果が低下することから、より小領域で反射効果を確保するためには、最大蛍光波長の１０倍〜１／１０程度の粒径が望ましい。
屈折率の高い材料を選定する観点から、光散乱性粒子材料としては、Ｒｕｔｉｌｅ型ＴｉＯ2（Ｎ＝２．７２程度）を用いた。他の光散乱性粒子材としてはＡｎａｔａｓｅ型のＴｉＯ2やＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2などの無機材料を用いることも可能であるが、バインダ材の樹脂の屈折率との比率が大きい点でＲｕｔｉｌｅ型ＴｉＯ2は特に優れている。
光散乱性粒子の周辺は屈折率が小さいほど望ましく、理想的には真空とか大気や他のガス状態（ｎ＝１．０程度）が最も望ましいが、反射膜14としての形状を保持するためにバインダ材を用いている。小領域で良好な反射効果を確保するためには、バインダ材の屈折率とバインダ材の体積占有率はできるだけ小さいほうが望ましい。また、光散乱性粒子とバインダ材とによる蛍光吸収のロスを抑えるために、バインダ材の蛍光透過率も高いほど望ましい。そして、実施例では、バインダ材としてアクリル系樹脂、ブチラール系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂を用い、ＴｉＯ2とバインダ材との混合比率、及び溶媒添加量比率を種々に変化させた。
先に例示した光散乱性粒子は、高屈折率の無機粉体粒子であるが、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌなどの金属や合金の表面反射性金属粉末、若しくはこれら金属や合金を被覆して表面反射性を付与した粒子でも光散乱性粒子としては十分に機能する。光散乱性粒子の粒径が蛍光波長の１／１０〜１０倍程度が望ましい点は無機粉体粒子の場合と同様である。
また、形成された反射膜14の空乏部（隙間）の体積比率は、反射膜特性への影響が大きい。空乏部（隙間）の程度は、後述するように塗液作成時に混合する光散乱性粒子とバインダ材との混合比率に大きく依存する。即ち、光散乱性粒子の体積混合比率を大きくし、バインダ材の体積混合比率を小さくする程、空乏部（隙間）の体積比率は大きくなる。また、溶媒の種類や添加量も多少の影響あるが、乾燥状態での空乏部（隙間）の程度は、塗液作成時の光散乱性粒子とバインダ材との体積混合比率が支配的である。
反射膜14の空乏部（隙間）の程度（比率）を反射膜の体積と含有成分（光散乱性粒子とバインダ材）の質量から試算し、反射膜特性（解像度＝ＣＴＦ（２Ｌｐ／ｍｍ）％）との関係を調査した。夫々の反射膜14は６００μｍのＣｓI：Ｔｌのシンチレータ層13上に１００〜２００μｍ程度の厚さに形成した。
その結果を図３および図４に示す。半定量的ではあるが、反射膜14の空乏部（隙間）の含有比率が大きいほど、解像度（指標はＣＴＦ（２Ｌｐ／ｍｍ）％）の向上が見られた。
また、反射膜14の断面を観察すると、図５の顕微鏡写真（ＳＥＭ写真）に示すように、高解像度の反射膜14は空乏部（隙間）比率が大きいとともに、反射膜14のどの部分でも空乏部（隙間）が均一に観察された。一方、図６の顕微鏡写真（ＳＥＭ写真）に示すように、低解像度の反射膜14は、ＴｉＯ2粒がバインダ材に略完全に埋もれて、空乏部（隙間）が僅かか殆ど見られない状態であった。
従って、反射膜14には光散乱性粒子の周辺部にバインダ材が充填されていない空乏部を形成することにより、光散乱性粒子と空乏部との界面での屈折角が大きくなり、シンチレータ層13により変換された蛍光の反射効果が小領域内で生じ、反射光の遠方拡散による解像度低下や輝度の低下を抑え、高解像度、高輝度のＸ線検出器11を提供できる。
次に、第２の実施例を説明する。
反射膜14の光散乱性粒子としてＲｕｔｉｌｅ型ＴｉＯ2粉体とバインダ材としてブチラール系樹脂とを質量比で９０：１０に調合し、その後、溶媒としてシクロヘキサノンを用いた塗布ペーストを作成した。シクロヘキサノンの添加率によって塗布ペーストの粘度を変え、ＣｓＩ：Ｔｌのシンチレータ層13上に反射膜14を塗布形成した。塗布ペーストの塗膜方法は筆塗りで、乾燥は室温乾燥（風乾）を半日間実施した。夫々の乾燥後、膜厚は約２００μｍなるように調整した。
図７に示すように、シクロヘキサノンの添加率により塗布ペーストの粘度が変わり、柱状構造のシンチレータ層13の柱間への反射膜14の侵入状態が変化した。
また、柱状構造のシンチレータ層13の柱間への反射膜14の侵入状態を図８乃至図１０の顕微鏡写真（ＳＥＭ写真）に示す。
図８はシンチレータ層13の柱間への反射膜14の侵入が大きい場合を示し、この場合には、シンチレータ層13の柱間への反射膜14の光散乱性粒子の侵入が多く、ＣＴＦ（２Ｌｐ／ｍｍ）＝４８％の高解像度の特性が得られた。
図９は柱状構造のシンチレータ層13の柱間への反射膜14の侵入が小さい場合を示し、この場合には、シンチレータ層13の柱間への反射膜14の光散乱性粒子の侵入が少なく、ＣＴＦ（２Ｌｐ／ｍｍ）＝３７％であった。
図１０はシンチレータ層13の柱間への反射膜14の侵入が大きいが、光散乱性粒子に対してバインダ材の比率が高い場合を示し、この場合には、シンチレータ層13の柱間への反射膜14のバインダ材の侵入が多いが光散乱性粒子の侵入が少なく、ＣＴＦ（２Ｌｐ／ｍｍ）＝２８％であった。これは、シンチレータ層13の柱間をバインダ材が埋めて、柱状構造によるライトガイド効果を減じているためと推定される。従って、シンチレータ層13の柱間に反射膜14を侵入させる場合には、反射膜14の光散乱性粒子／バインダ材の比率を高く保つことが重要である。
次に、第３の実施例を説明する。
反射膜14を構成する光散乱性粒子の種類と粒径、及びバインダ材の種類と、光散乱性粒子の充填率（配合比率）を種々に振って反射膜14の特性変化を調査した。光散乱性粒子としてＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2を用い、また粒径としてはサブミクロン〜数十μｍの範囲で振って試作した。バインダ材の種類としてはシリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、ブチラール系樹脂で試作した。また、これらの光散乱性粒子とバインダ材との混合割合として、夫々の体積比率を概ね光散乱性粒子：バインダ材＝１０：９０〜８０：２０の範囲で振って試作し、輝度と解像度特性を評価した。これら反射膜14の膜厚は、適用するＣｓＩ：Ｔｌのシンチレータ層13の蛍光（ピークは長波は約５４０ｎｍ）の透過が略遮蔽される厚さとして１００〜３００μｍ程度とした。これらの代表的な結果を図１１〜図１６に示す。
図１１及び図１２は、Ｒｕｔｉｌｅ型ＴｉＯ2（屈折率ｎ≒２．７２）で平均粒径０．３μｍ程度の粉体を光散乱性粒子として用い、種々の樹脂のバインダ材との混合比率を変えて反射膜14を試作した場合の輝度と解像度特性を示す。上述した第１の実施例のように反射膜14を構成する光散乱性粒子とバインダ材との比率（光散乱性粒子の量／バインダ材の量）が高いほど高解像度の反射膜14が得られるが、光学的な屈折や反射に関わる現象は質量には直接関係なく、粒径や体積比率などのディメンジョンに因るので、光散乱性粒子とバインダ材との体積含有率をパラメータとした。光散乱性粒子としてはＲｕｔｉｌｅ型ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2などの透明性無機粉体粒子を用いた。これら粒子の平均粒径はサブミクロンの程度である。バインダ材としては、熱可塑性樹脂のブチラール系、アクリル系、及び熱硬化性樹脂のエポキシ系、シリコーン系を用いた。
光散乱性粒子：バインダ材の体積比率が４：６付近までは解像度の指標であるＣＴＦ（２Ｌｐ／ｍｍ）の値が３０〜３５％程度であるが、４：６付近より光散乱性粒子の配合比率が高くなるとＣＴＦ値は高くなり、５：５付近より大きい配合比では４０％程度以上のＣＴＦ値を示している。
図１３及び図１４にはＡｌ2Ｏ3の光散乱性粒子を適用した場合の試験結果を示し、図１５及び図１６にはＳｉＯ2の光散乱性粒子を適用した場合の試験結果を示す。いずれの場合も、ＴｉＯ2を用いた場合よりＣＴＦ値の改善度はやや低めであるが、光散乱性粒子とバインダ材との配合比率依存性に関しては同様な傾向が確認された。
これらの配合比率に対する反射膜14の断面をＳＥＭ観察した結果、第１の実施例で説明したのと同様な反射膜14の空乏部（隙間）と解像度との関係が確認された。即ち、光反射性粒子：バインダ材の体積比率が４：６程度未満の反射膜14では、光反射性粒子間をバインダ材が略隙間無く埋まっている。一方、光反射性粒子：バインダ材の体積比率が４：６程度以上の反射膜14になってくると光反射性粒子とバインダ材の充填されていない空乏部（隙間）が顕在化している。このため、先に述べた光散乱性粒子の屈折率と周辺に形成された空乏部（隙間）との屈折率比の故に、小領域で反射効果を最大限に発揮することが可能になっている。小領域での反射効果アップは、シンチレータ層13の蛍光の反射光が広がるのを抑えて、反射光をシンチレータ層13の近傍の柱の範囲内に戻す働きをし、高解像度特性の発現に繋がっていると考えられる。また、小領域での反射効果アップは、シンチレータ層13の蛍光が反射膜14からシンチレータ層13に戻されるまでに通過する反射膜14内の通過距離を短く抑えて、余分な吸収を生じないために輝度を高く維持する面でも効果がある。
次に、第４の実施例を説明する。
反射膜14の光反射性粒子として平均粒径０．３μｍのＲｕｔｉｌｅ型ＴｉＯ2を用い、バインダ材として熱硬化性樹脂のシリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂と、熱可塑性樹脂のアクリル系樹脂とブチラール系樹脂とを夫々用いて塗布ペーストを試作し、これをＣｓＩ：Ｔｌのシンチレータ層13上に塗布形成して、夫々の特性を比較した。樹脂を溶かすための溶媒とその添加量は、夫々のバインダ材のとの相性から適宜選定して、トルエン、メチルシクロヘキサン、シクロヘキサノンなどを用いた。また、ＴｉＯ2粉体とバインダ材、溶媒は自公転型攪拌器により十分に攪拌混合した塗布ペーストを用いて塗布成膜の後に自然乾燥した。
これら試作した反射膜14を比較した結果、クラックの発生や表面凹凸などの概観品位でブチラール系樹脂が明らかに優れていることが分かった。また、反射膜厚を厚くすると、ブチラール系樹脂バインダの中でも平均分子量が概ね５×１０4以上の高重合度ブチラール系樹脂で特にクラックを生じにくいことが判明した。
反射膜14に用いるブチラール系樹脂としては、ポリビニルアルコールを酸触媒のもとでブチルアルデヒドを加えることにより得られるポリマーであれば、いかなるものも使用できる。さらに、酢酸ビニル、ビニルアルコールとの共重合タイプの使用も可能である。
ブチラール系樹脂の具体例としては、エスレックＢＬ−１、ＢＬ−１Ｈ、ＢＬ−２、ＢＬ−５、ＢＬ−１０、ＢＬ−Ｓ、ＢＬ−ＳＨ、ＢＸ−１０、ＢＸ−Ｌ、ＢＭ−１、ＢＭ−２、ＢＭ−５、ＢＭ−Ｓ、ＢＭ−ＳＨ、ＢＨ−３、ＢＨ−６、ＢＨ−Ｓ、ＢＸ−１、ＢＸ−３、ＢＸ−５、ＫＳ−１０、ＫＳ−１、ＫＳ−３、ＫＳ−５（以上、積水化学工業株式会社製）などがあり、溶媒への溶解性、塗膜の平坦性、塗膜のクラック性の点から適宜選択することが可能である。
次に、第５の実施例を説明する。
平均粒径０．３μｍのＲｕｔｉｌｅ型ＴｉＯ2粉体と、アクリル系やブチラール系樹脂のバインダ材とから成る反射膜14を形成した。塗布ペースト作成時のＴｉＯ2粉体とバインダ材との混合比率を変えて塗液を作成し、６００μｍのＣｓＩ：Ｔｌのシンチレータ層13上には、先ずはＴｉＯ2含有比率が高い塗膜（ＴｉＯ2：バインダ材＝９０：１０ 質量比）を約５０μｍ程度の膜厚に形成し、その後ＴｉＯ2含有比率が小さい塗膜（ＴｉＯ2：バインダ材＝５０：５０ 質量比）を約５０μｍ程度の膜厚に形成した。比較用として、ＴｉＯ2含有比率が高い塗膜（ＴｉＯ2：バインダ材＝９０：１０ 質量比）のみ１００μｍ程度形成した比較例１、及びＴｉＯ2含有比率が小さい塗膜（ＴｉＯ2：バインダ材＝５０：５０ 質量比）のみを１００μｍ程度形成した比較例２を試作した。
この結果、図１７に示すように、ＴｉＯ2含有比率の違う反射膜14を積層した本実施例と、ＴｉＯ2含有比率が高い反射膜14のみ形成した比較例１とは解像度特性が殆ど差異が無いが、ＴｉＯ2含有比率の小さい反射膜14のみを形成した比較例２の解像度特性は明らかに劣る。また、図示しないが、輝度特性は３つの例で殆ど有意差は無い。一方、振動試験や熱衝撃試験などで調査した反射膜14の機械的・熱的な信頼性（クラックの生じ易さや脆さ）は、ＴｉＯ2含有比率が高い反射膜14のみを形成した比較例１では明らかに低く、本実施例や比較例２では良好な結果が得られた。
このことより、本実施例は、高解像度特性と機械的・熱的な信頼性を兼ね備えた優れた特長を有すると考えられる。これは、光学的な特性がより重要なシンチレータ層13の近傍は、ＴｉＯ2の含有比率の高さによってＴｉＯ2粒子間に十分な空乏部（隙間）を確保し、表層側はバインダ材の含有比率が高い膜でＴｉＯ2粒子間の結着力を高めて、機械的・熱的な安定性を確保しているものと考えられる。
試作評価の結果から、シンチレータ層13側の反射膜14（反射優先層）のＴｉＯ2含有比率の目安としては、本実施例のように実質的にＴｉＯ2粉体のみの場合以外にも光散乱性粒子とバインダ材との体積比率が４：６以上（光散乱性粒子の体積／バインダ材の体積≧４／６）であればよい。また、ＴｉＯ2含有率が低い表層側の反射膜（形状維持優先層）のＴｉＯ2含有比率の目安としては、光散乱性粒子とバインダ材の体積比率が４：６以下（光散乱性粒子の体積／バインダ材の体積≦４／６）である。
本実施例では光散乱性粒子とバインダ材との体積含有比率が異なる２種類の反射膜14を積層したが、３通り以上の含有比率の異なる反射膜14を積層する方法も同様である。
反射膜14の膜厚方向にＴｉＯ2の含有比率を変化させる他の方法としては、例えば溶媒の添加量を多めにして、反射膜塗布後の乾燥時間を長く取ることにより、膜中のＴｉＯ2の高比重による沈殿効果を利用する方法がある。溶媒の添加比率が高いほど反射膜14の膜厚方向にＴｉＯ2の含有比率の勾配を生じることが確認され、前述の積層する方法と同様に高解像度で高信頼性の反射膜を形成することができる。
次に、第６の実施例を説明する。
図１８に示す光路追跡型の光学シミュレーションの結果から、光散乱性粒子の屈折率にもよるが、光散乱性粒子が概ね１０層前後以上積層されれば、ＴｉＯ2など高屈折率の光散乱性粒子では８０％以上の反射率が得られる。また、図示していないが、ＳｉＯ2など屈折率があまり高くない光散乱性粒子の場合でも６０％以上の反射率が得られる。
一方、光散乱性粒子の粒径が大きくなると、十分な反射率を得るための反射膜厚はそれに略比例して厚くなる。その場合、シンチレータ層13側に戻る反射光の広がりは膜厚に応じて大きくなり、解像度の低下を招く。また、反射膜14の膜厚が大きい場合は、光路長が長くなり、光の減衰が顕在化して輝度への影響もでてくる。従って、反射膜厚としては、できるだけ薄くかつ上記関係式を満たすように光反射性粒子の粒径を選定することが望ましい。
実際の反射膜14では、光学シミュレーションのように光散乱性粒子が整然と配列している訳ではないので、膜厚と体積充填率との関係から膜厚中に平均して何層程度の光散乱性粒子が積層されていることになるかを見積もる必要がある。
光散乱性粒子の粒径を振って、アクリル系、ブチラール系、シリコーン系、エポキシ系の各バインダ材(1)〜(4)を用いた場合の、（光散乱性粒子の粒径／体積含有率）／反射膜厚と解像度特性との試験結果を図１９及び図２０に示す。シンチレータ層13は、ＣｓＩ：Ｔｌを用い、膜厚６００μｍとし、０．７ｍｍのガラス基板上に真空蒸着法により成膜した。反射膜14は、Ｒｕｔｉｌｅ型ＴｉＯ2粉体を用い、含有率７０％、膜厚５０μｍとし、シンチレータ層13上に塗布ペーストを塗布・乾燥して形成した。
これらの結果から、同一膜厚の場合に、光散乱性粒子と体積充填率と反射膜厚との関係が概ね（光散乱性粒子の平均粒径／光散乱性粒子の体積充填率≦１／１０×膜厚）の関係を満たす範囲で特に解像度の改善効果が顕著に現れることがわかった。
次に、第７の実施例を説明する。
柱状構造のＣｓＩ：Ｔｌのシンチレータ層13は、厚さ６００μｍとし、温度や雰囲気圧等の蒸着条件を変えることにより柱の先端の平均ピッチが約６μｍ〜約１６μｍのものを作成した。反射膜14はＲｕｔｉｌｅ型ＴｉＯ2粉体の平均粒径を振って試作し、ＴｉＯ2の平均粒径と解像度特性との関係を試験した。バインダ材はシリコーン系やエポキシ系、アクリル系やブチラール系を、溶媒は夫々のバインダ材に対して適宜選定して粘度を考慮しながら添加量を決めた。
図２１及び図２２に示すように、ＣｓＩ：Ｔｌのシンチレータ層13の柱ピッチ（図にはピラーピッチと示す）により元々のシンチレータ層13の解像度特性の差異が当然でるが、反射膜14のＴｉＯ2粒径と柱ピッチとの関係で見ると、反射膜14のＴｉＯ2粒径は柱ピッチの概ね１／４（０．２５）程度を境にそれより比率が低いと解像度特性の顕著な改善が見られた。
図示しないが、この傾向はＧＯＳ：Ｔｂの焼成型シンチレータをダイシングでマトリックス状に画素分離したシンチレータ層13でも同様であることが確認できた。この場合は分離の画素ピッチに対して１／４程度以下の光散乱粒子の粒径で解像度特性の上昇が顕著になった。
次に、第８の実施例を説明する。
図２３に示す光散乱性粒子の粒径と反射率との光学シミュレーションの結果から、光散乱性粒子を用いた反射膜14が高反射率の優れた反射膜14として機能するためには、シンチレータ層13で生じた蛍光波長の１／１０〜１０倍程度の範囲であることが分かる。実際に試作に用いるＴｉＯ2などの光散乱性粒子の粒径は、シンチレータ層13のＣｓＩ：Ｔｌの蛍光波長ピーク（５４０ｎｍ）やＧＯＳ：Ｔｂの主蛍光波長（５３５ｎｍ）に対して１／１０〜１０倍の範囲に入っている。
次に、第９の実施例を説明する。
ＣｓＩ：Ｔｌのシンチレータ層13及び反射膜14を、画素ピッチが１５０μｍ、及び３００μｍの各アレイ基板12上に形成して解像度特性を評価した結果を図２４及び図２５に示す。本実施例では、アレイ基板12上にシンチレータ層13及び反射膜14を成膜して、２Ｌｐ／ｍｍのコントラストチャートの画像出力からＣＴＦ（２Ｌｐ／ｍｍ）％を求めた。アレイ基板12を通して測定する解像度は、画素ピッチで決まるＮｉｑｕｉｓｔ周波数ｆＮｑと解像度を測定する空間周波数ｆ（Ｌｐ／ｍｍ）との関係でＳＩＮ（Ｘ）／Ｘ倍に低減する。ここで、Ｘ＝（π／２）・（ｆ／ｆＮｑ）である。本実施例の場合、２Ｌｐ／ｍｍの解像度は、１５０μｍピッチのアレイ基板12では膜の解像度の約０．８６倍に、また３００μｍピッチのアレイ基板12では膜の解像度の約０．５０倍に低減する。
反射膜14に用いた光散乱性粒子は高屈折率の代表としてＲｕｔｉｌｅ型ＴｉＯ2粉体を、低屈折率の代表としてＳｉＯ2粉体を用いた。図から分かるように、膜厚と光散乱性粒子の平均粒径の関係が第６の実施例で示した関係式を満たした条件下で、膜厚が画素ピッチと同程度以下の場合に特に解像度特性に優れることが分かる。但し、図示しないが、解像度とは逆に、輝度は反射膜厚の薄膜化に伴い低減する傾向を示す。反射膜厚が薄い場合には、シンチレータ層13の蛍光の一部が反射膜14を突き抜けてロスする割合が大きくなり、結果として反射膜14による輝度アップ率は低下するが、一方、反射膜14内で面方向のより遠方への光の広がりは少なくなるので、解像度の劣化は抑制されるためと考えられる。
次に、第１０の実施例を説明する。
シンチレータ層13は、ＣｓＩ：Ｔｌを用い、膜厚６００μｍとし、また、反射膜14は、Ｒｕｔｉｌｅ型ＴｉＯ2粉体を用い、含有率７０％、膜厚５０μｍとし、例えばシリコーン系、エポキシ系、アクリル系、ブチラール系等の適当なバインダ材及びこのバインダ材に適合した適当な溶媒とともに、シンチレータ層13の蛍光を吸収する顔料系のフィラー材の添加率を振って試作した反射膜14の特性を図２６及び図２７に示す。反射膜14中のフィラー材の添加率に応じて、輝度はやや低下するが、逆に解像度は改善する。これはシンチレータ層13の蛍光の一部を反射膜中のフィラー材が吸収することにより、反射膜14のトータル反射率が低減して、解像度低下の影響が小さい直接光（光電変換素子側に直接放射される光）の割合が相対的に増大する事と、また反射膜14中の遠方への蛍光の拡散が抑制され、解像度をより低下させる反射光成分が減じる為と考えられる。
Ｘ線検出器11によっては輝度をある程度低下させても解像度を重視する用途がある。蛍光吸収性のフィラー材の材質や形状、添加量を適正化することによって輝度と解像度とのバランスをシフトさせることが可能となる。材質としては例えばカーボンブラックや絵の具やペンキに用いられる顔料等の中から選定することができる。
次に、第１１の実施例を説明する。
反射膜14の成膜は、基本的にはシンチレータ層13の上面を覆うように塗布ペーストを塗布形成して後に乾燥させて行うが、乾燥時の体積収縮により、反射膜14がシンチレータ層13に応力を及ぼしてシンチレータ層13の膜剥れ、つまりアレイ基板12とシンチレータ層13との間の剥れを生じる可能性がある。実施例として、Ｒｕｔｉｌｅ型ＴｉＯ2粉体と、シリコーン系、エポキシ系、アクリル系、ブチラール系のバインダ材と、バインダ材に適する溶媒とからなる塗布ペーストを、溶媒添加量など変化させてＣｓＩ：Ｔｌのシンチレータ層13上に塗布乾燥させて反射膜14を形成した。シンチレータ層13は２５ｍｍ□で、６００μｍの膜厚のものを用いた。比較した内容としては、塗布ペーストの塗布エリアと、塗布量である。
その結果、図２８に示すように、反射膜14をシンチレータ層13の上面部のみに塗布して側面部には塗布しなかった場合には、反射膜厚が２００μｍを超えるまでＣｓＩ：Ｔｌのシンチレータ層13の膜剥れは生じなかった。一方、図２９に示すように、反射膜14をシンチレータ層13の上面部及び側面部に塗布した場合には、反射膜厚が１５０μｍ程度でもＣｓＩ：Ｔｌのシンチレータ層13の膜剥れが発生した。これは、反射膜14をシンチレータ層13の側面部まで被覆した場合には、反射膜14の乾燥時の体積収縮による応力により、シンチレータ層13の端面に引き剥がし力が働き、シンチレータ層13の周辺部から剥れが生じ易くなるものと推定される。
次に、第１２の実施例を説明する。
反射膜14の塗布ペーストを作成する際に、バインダ材を溶解する溶媒の中から沸点の異なる幾つかの溶媒を用いて試作した反射膜を比較した。光散乱性粒子としては平均粒径０．３μｍのＲｕｔｉｌｅ型ＴｉＯ2粉体を用い、バインダ材としてはアクリル系及びブチラール系の樹脂を用いた。比較した溶媒はアセトン（沸点＝約５６℃）、メチルシクロヘキサン（沸点＝約１０１℃）、シクロヘキサノン（沸点＝約１５６℃）などを用いた。その結果、例えばアセトンなどの沸点が低い溶媒を用いた場合には、塗布ペーストの塗布後の乾燥が速いために、塗布時に生じる反射膜表面のうねりや塗布むらがそのまま残って、平滑性の悪い反射膜14になってしまう。また、急激な乾燥によるクラックも生じ易い。一方、沸点の高いメチルシクロヘキサンやシクロヘキサノンを用いると、塗布後の乾燥時間は要するが、乾燥するまでの間に塗布膜表面の平滑性が改善して、表面性の優れた反射膜14が得られることが分かった。特にシクロヘキサノンは表面平滑性の優れた反射膜14が得られ易い。これらの平滑性が優れた反射膜14はＸ線画像の輝度むらが小さく、またクラックが生じ難いので信頼性面でも優れる。防湿膜（ポリパラキシリレンのＣＶＤ膜）15を形成した場合にもクラックが無いので膜の連続性を確保できて、高い防湿性能が得られる。
溶媒の沸点温度は高いほど反射膜14の平滑性改善効果が高いが、概ね１００℃以上沸点の溶媒であれば例えばディスペンサー、バーコート、コンタクトメタルスクリーン印刷、筆塗り等の種々の塗布方式でも特に問題ないレベルの平滑性を確保することができる。
次に、反射膜14の形成後の工程に関して説明する。
反射膜14を形成後に、シンチレータ層13の吸湿による特性劣化を防ぐために防湿膜15を形成した。防湿膜15は、ポリパラキシリレンの熱ＣＶＤ膜でシンチレータ層13と反射膜14の表面全体を覆う方法を用いた。アレイ基板12の周辺部の電極パッド部などは予めポリパラキシリレンＣＶＤの前にマスクテープなどで保護して、ＣＶＤによる成膜後にマスクテープを剥がす方法で電極パッドを露出させている。
ポリパラキシリレン防湿と別の防湿方式としては、アルミラミネートフィルムやアルミ箔、無機膜と有機膜の積層防湿シート、或いはガラス板など水蒸気バリア性の高い防湿層部材と、シンチレータ周辺部に配する枠状の防湿部材とを用いる方法など、種々の方法が可能である。
防湿膜15の形成により、Ｘ線検出器11のパネルは完成する。引き続いて、制御ライン、信号ラインの角電極パッド部にＴＡＢ接続により配線を繋いで、アンプ以降の回路に接続し、さらに筐体構造に組み込んで本実施例のＸ線検出器11が完成する。
本実施例のＸ線検出器11の主要特性として、Ｘ線強度に対する信号電荷量の割合を回路系の増幅率など補正することで求めて感度特性を評価した。また、解像度チャートを用いてＣＴＦ（Contrast Transfer function）を測定し、解像度特性を評価した。比較の従来例としては、アルミ反射板をシンチレータ層13に押し当てる方式、及びスパッタリング成膜を用いてＡｇ−Ｐｔ−Ｃｕ合金の反射膜をシンチレータ上に直接形成したものを同様に評価した。
これらの評価結果を図３０及び図３１に示す。これらの図から分かるように、本実施例のＸ線検出器11は、反射膜無しの場合の特性に対して大幅な輝度アップがあり、かつ解像度の低下は小さい。比較用の反射膜は、アルミ反射板方式は輝度アップはそれなりにあるが解像度の低下が大きく、またＡｇ−Ｐｔ−Ｃｕ合金の反射膜方式は、解像度はむしろアップするものの輝度は寧ろ低下する。これは、ＣｓＩ：Ｔｌ膜の柱構造上では、蒸着やスパッタ法などの薄膜成膜方式の反射膜は平滑性が得られないために反射効果をはっきすることができないためと思われる。シンチレータ層13の表面側への蛍光を吸収してしまうので、解像度はアップするが、輝度面のロスは致命的である。
これらの比較から、本実施例の反射膜14を用いたＸ線検出器11は輝度特性と解像度特性の何れにも優れていることが分かる。
11 放射線検出器としてのＸ線検出器
13 シンチレータ層
14 反射膜
21 光電変換素子としてのフォトダイオード
13 シンチレータ層
14 反射膜
21 光電変換素子としてのフォトダイオード
Claims (9)
- 光電変換素子と、
この光電変換素子上に形成され、放射線を蛍光に変換するシンチレータ層と、
このシンチレータ層上に形成され、このシンチレータ層からの蛍光を反射させる光散乱性粒子及びこの光散乱性粒子間を結合するバインダ材を含有し、かつ光散乱性粒子の周辺部にバインダ材が充填されていない空乏部が形成されている反射膜と
を具備し、
前記シンチレータ層が柱状構造を有し、前記反射膜の光散乱性粒子が前記シンチレータ層上に加えて前記シンチレータ層の柱間に侵入され、
前記反射膜の光散乱性粒子とバインダ材との体積比率が、光散乱性粒子の体積／バインダ材の体積≧４／６の関係を有する
ことを特徴とする放射線検出器。 - バインダ材は、ブチラール系樹脂である
ことを特徴とする請求項１記載の放射線検出器。 - 反射膜における光散乱性粒子の体積占有比率が、反射膜の表層側よりシンチレータ層側で大きい
ことを特徴とする請求項１または２記載の放射線検出器。 - 反射膜の光散乱性粒子の平均粒径及び体積充填率と反射膜の膜厚とが、光散乱性粒子の平均粒径／光散乱性粒子の体積充填率≦１／１０×膜厚の関係を有する
ことを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の放射線検出器。 - シンチレータ層が柱状構造を有し、反射膜の光散乱性粒子の平均粒径がシンチレータ層の柱状構造の柱間平均ピッチに対して１／４以下である
ことを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載の放射線検出器。 - 反射膜の光散乱性粒子の平均粒径が、シンチレータ層の最大発光波長の１／１０乃至１０倍の範囲である
ことを特徴とする請求項１乃至５いずれか記載の放射線検出器。 - 光電変換素子が所定のピッチで配列され、反射膜の膜厚が光電変換素子のピッチと同等以下である
ことを特徴とする請求項１乃至６いずれか記載の放射線検出器。 - 反射膜は、シンチレータが発光する蛍光成分の少なくとも一部を吸収する光吸収性のフィラー材を含有する
ことを特徴とする請求項１乃至７いずれか記載の放射線検出器。 - 反射膜は、シンチレータ層の上面部を被覆し、シンチレータ層の側面部は被覆しないか被覆しても上面部に対して膜厚を薄くするかのいずれ一方としている
ことを特徴とする請求項１乃至８いずれか記載の放射線検出器。
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