JP5422581B2 - 放射線画像検出装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
また、シンチレータの蒸着初期の領域で付活剤濃度を高くする場合には特に、シンチレータの結晶成長への悪影響が大きく、結晶性が乱れて柱状結晶間で光が拡散するため、MTFが低下してしまう。
本発明の主な目的は、発光量及びMTFを十分に大きくできる放射線画像検出装置及びその製造方法を提供することにある。
なお、既に述べた構成と同様の構成については、同一符号を付して説明を省略又は簡略化する。
図1は、間接変換方式のX線画像検出装置1の概略構成を模式的に示す側断面図である。X線画像検出装置1は、X線の照射によって発光するシンチレータ200を含むシンチレータパネル10と、シンチレータ200から発光した光を電気信号として検出する光検出器40とを備えている。
図2は、光検出器40の構成を模式的に示す側断面図である。図3は、センサ基板400の構成を模式的に示す平面図である。光検出器40は、半導体層が形成された平面視矩形状のセンサ基板400を有する。センサ基板400は、ガラス等の絶縁性基板401と、a−Siフォトダイオード等の光電変換素子41と、薄膜トランジスタ(TFT:Thin Film Transistor)等のスイッチング素子42とを含んで構成されている。
平坦化層を形成する樹脂としては、ポリイミドやパリレン等を使用することができ、製膜性が良好なポリイミドが好ましい。
接着層を形成する接着剤としてはシンチレータ200から発せられるシンチレーション光に対して光学的に透明なものが好ましく、例えば、熱可塑性樹脂、UV硬化接着剤、加熱硬化型接着剤、室温硬化型接着剤、両面接着シート、などが挙げられるが、画像の鮮鋭度を低下させないという観点からは、光検出器40の画素サイズに対して十分に薄い接着層を形成しうるという点で、低粘度エポキシ樹脂製の接着剤を用いることが好ましい。
また、平坦化層、接着層等の樹脂層の厚みは、感度、画質の観点からは50μm以下であることが好ましく、5μm〜30μmの範囲であることがより好ましい。
〔3−1.全体構成〕
シンチレータパネル10は、図1に示すように、支持体(基板)101と、支持体101上に気相堆積法によって形成されたシンチレータ200と、シンチレータ200を被覆して支持体101上に封止するパリレン等の保護膜(防湿膜)30とを有する。気相堆積法によって形成されたパリレンの保護膜は、シンチレータ200との密着性が良く、その上柔軟性を有するので、支持体101のソリ等への追従性が良い。
本例のシンチレータ200は、CsI:Tl(タリウム付活ヨウ化セシウム)を蛍光物質として用いて形成されているが、その他の蛍光物質、例えば、NaI:Tl(タリウム付活ヨウ化ナトリウム)、CsI:Na(ナトリウム付活ヨウ化セシウム)等を用いて形成されてもよい。なお、発光スペクトルがa−Siフォトダイオードの分光感度の極大値(550nm付近)と適合する点で、CsI:Tlを材料に用いてシンチレータ200を形成することが好ましい。
柱状部20は、多数の柱状結晶20Aの集合体であり、図4に示した例では、各柱状結晶20Aは支持体101に対してほぼ垂直に起立する。本例の柱状結晶20Aは、先端側がすぼまった形状とされている。柱状結晶20Aの先端部は研磨されていてもよい。光検出器40の1つの画素(光電変換素子41)に対して、複数の柱状結晶20Aの先端部が対向する。
図6に示すように、シンチレータ200に添加されるTlドープ濃度(付活剤濃度)は、シンチレータ200の高さ方向(厚み方向)に変化しており、X線入射側の領域でのドープ濃度が、X線入射側とは反対側での領域のドープ濃度よりも高い。
以上説明したX線画像検出装置1によれば、次のような作用及び効果が得られる。
X線の入射側でかつ光検出器40に近接する位置にドープ濃度が高い高付活剤濃度領域としての第1領域R1が設けられたことにより、センサ基板400を透過した直後の殆ど減衰していないX線がドープ濃度の高い発光量が大きい領域(主発光領域として機能する)に入射することになる。すなわち、センサ基板400と主発光領域との距離が短いので、ドープ濃度を高くしたときの発光量増大の効果を最大限に得ることが可能となり、X線が第1領域R1で変換されて発せられた蛍光が光検出器40に迅速に入射するので、光検出器40への入射光量を大きくできる。このようにシンチレータ200の利用可能な発光量を大きくできることで、X線入射側の領域での付活剤濃度が高くてもその領域が光検出器40に近接する位置にはない構成と比較して、付活剤濃度が高い第1領域R1の厚みを薄くできる。これにより、高価な付活剤の使用量が減りコストダウンもできる。
仮に、支持体101側の第2領域R2のドープ濃度が高ければ、蒸着初期の領域である第2領域R2の結晶性の乱れが、その後に成長する第1領域R1の結晶性に深刻な影響を与える。結晶性が乱れた部分では光の拡散、吸収が生じ、これがMTFの低下に繋がってしまう。これに対し、本構成では、支持体101側(第2領域R2)のドープ濃度が低く、柱状結晶20A先端側(第1領域R1)のドープ濃度が高いため、結晶性を維持して結晶成長させることができるので、柱状結晶20Aの高さ方向のほぼ全体において光ガイド効果を維持できる。これによってMTFの低下を抑制できる。
次に、上述したX線画像検出装置1の製造方法について説明する。
上述のシンチレータ200は、支持体101表面に気相堆積法により形成されることが好ましい。ここでは、CsI:Tlを用いた態様を例に挙げて説明する。
気相堆積法の概要としては、真空度0.01〜10Paの環境下、母体であるCsIと付活剤であるTlとをそれぞれ抵抗加熱式のるつぼに通電するなどの手段で加熱して気化させ、支持体101の温度を室温(20℃)〜300℃としてCsI:Tlを支持体上に堆積させる。
また、真空度や支持体温度、蒸着レート等を変更することによって、シンチレータ200の結晶の形状や結晶径、空隙率などを制御することができる。
図9は、本発明の実施形態を説明するためのX線画像検出装置の他の一例を示し、図10及び図11は、図9のX線画像検出装置2に関するドープ濃度の変化を示す。
X線画像検出装置2のシンチレータ220は、光検出器40近傍の位置に低付活剤濃度領域r0を有する。この低付活剤濃度領域r0は、第1領域r1よりもセンサ基板400に近接する側に設けられており、低付活剤濃度領域r0でのドープ濃度は、第1領域r1でのドープ濃度よりも低い。
なお、図10及び図11において、ドープ濃度D2は0であってもよい。また、低付活剤濃度領域r0でのドープ濃度は、D2でなくてもよく、第1領域r1のドープ濃度D1よりも小さければよい。
なお、低付活剤濃度領域r0は、上述した貼り合わせ時の負荷に応じた強度を確保でき、かつ耐吸湿性を保持できる程度の厚みで薄く形成されていることが好ましい。低付活剤濃度領域r0の厚みは、50μm以下が好ましい。このように低付活剤濃度領域r0の厚みが薄ければ、低付活剤濃度領域r0における光の減衰及び散乱等を無視しうる。また、低付活剤濃度領域r0の厚みが5μm以上であることが強度を確保する上で好ましい。
また、非柱状部25の厚みは、柱状部20の先端部を確実に被覆可能な最小の厚みで足りる。すなわち、非柱状部25の厚みが小さいほど、高価な蛍光材料の使用量を節約でき、コストダウンできる。
この非柱状部25の厚みは薄いため、柱状結晶20Aで発光した光の非柱状部25における減衰及び散乱等は無視しうる。
すなわち、非柱状部25は、光の減衰及び散乱等を防止する意味で薄い方が好ましく、薄くても柱状部20の先端部を覆ってシンチレータ240が平坦化されるように、その空隙率が小さい方が好ましい。また、柱状結晶20A間への保護膜30の材料流入を防止する意味でも、非柱状部25の空隙率が小さい方が好ましい。
前述の保護膜30は、平坦化された非柱状部25の表面を被覆する。この保護膜30を介してシンチレータ240はセンサ基板400に密着する。上述したように非柱状部25の空隙率が小さいことでシンチレータ240が十分に平坦化されるので、密着性が十分なものとなる。
シンチレータ240の強度向上により、センサ基板400とシンチレータパネルとの貼り合わせ時の負荷に対するシンチレータ240の強度が確保される。シンチレータ240の強度確保により、シンチレータパネルをセンサ基板に強く押し当ててもシンチレータ240が損傷することなく、シンチレータ240とセンサ基板400とを保護膜30を介して均一に密着させることが可能となる。シンチレータ240とセンサ基板400との密着性にムラがあると検出画像にムラが表れ易いが、そのようなことがなく、検出画像の画質を均一化できる。
また、シンチレータ240とセンサ基板400との密着性向上により、落下衝撃時などにシンチレータ240に加わった外力がセンサ基板400によって緩衝されるので、この点でも耐衝撃性を向上させることができる。X線画像検出装置における耐衝撃性の確保は、X線画像検出装置がX線撮影装置に着脱可能な可搬なカセッテとして構成される場合に特に重要となる。
以上に加えて、センサ基板400との密着性確保により、シンチレータ240とセンサ基板400とが熱膨張量の違いによって剥離することを防止できる。
〔7−1.有機光電変換(OPC;Organic photoelectric conversion)材料〕
上述した光電変換素子41(図2)に、例えば特開2009−32854号公報に記載されたOPC(有機光電変換)材料を用いることができる。このOPC材料により形成された膜(以下、OPC膜という)を光電変換素子41の光導電層410として使用できる。OPC膜は、有機光電変換材料を含み、シンチレータから発せられた光を吸収し、吸収した光に応じた電荷を発生する。このように有機光電変換材料を含むOPC膜であれば、可視域にシャープな吸収スペクトルを持ち、シンチレータによる発光以外の電磁波がOPC膜に吸収されることがほとんどなく、X線等の放射線がOPC膜で吸収されることによって発生するノイズを効果的に抑制することができる。
上述したOPC膜に関するその他の構成は、例えば、特開2009−32854号公報の記載が参考となる。
上述したTFTスイッチング素子42には、無機材料が使われることが多いが、例えば特開2009−212389号公報に記載されたように、有機材料を使用することができる。有機TFTはいかなるタイプの構造でもよいが、最も好ましいのは電界効果型トランジスタ(FET)構造である。このFET構造は、最下層に基板を配置し、その上面の一部にゲート電極を設け、更に該電極を覆い、かつ電極以外の部分で基板と接するように絶縁体層を設けている。更に絶縁体層の上面に半導体活性層を設け、その上面の一部にソース電極とドレイン電極とを隔離して配置している。なお、この構成はトップコンタクト型素子と呼ばれるが、ソース電極とドレイン電極とが半導体活性層の下部にあるボトムコンタクト型素子も好ましく用いることができる。また、キャリアが有機半導体膜の膜厚方向に流れる縦型トランジスタ構造であってもよい。
半導体活性層は、p型有機半導体材料を用いてなる。このp型有機半導体材料は実質的に無色透明である。有機半導体薄膜の膜厚は、例えば触針式膜厚計により測定できる。膜厚の異なる薄膜を複数作製して吸収スペクトルを測定し、検量線から膜厚30nmあたりの最大吸光度に換算してもよい。
以下に、有機薄膜トランジスタにおける半導体活性層以外の素子構成材料について説明する。これらの各材料は、いずれも可視光又は赤外光の透過率が60%以上であることが好ましく、70%以上であることがより好ましく、80%以上であることが更に好ましい。
上述した有機TFTに関するその他の構成は、例えば、特開2009−212389号公報の記載が参考となる。
上述したTFTスイッチング素子42には、例えば特開2010−186860号公報に記載された非晶質酸化物を使用することができる。ここで、特開2010−186860号に記載された電界効果型トランジスタが有する非晶質酸化物含有の活性層について示す。この活性層は、電子又はホールの移動する電界効果型トランジスタのチャネル層として機能する。
活性層に用いられる非晶質酸化物半導体としては、好ましくはIn、Sn、Zn、又はCdよりなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含む非晶質酸化物であり、より好ましくは、In、Sn、Znよりなる群より選ばれる少なくとも1種を含む非晶質酸化物、更に好ましくは、In、Znよりなる群より選ばれる少なくとも1種を含む非晶質酸化物である。
上述した非晶質酸化物に関するその他の構成は、例えば、特開2010−186860号公報の記載が参考となる。
フレキシブルでかつ低熱膨張、高強度といった、既存のガラスやプラスチックでは得られない特性を有するアラミド、バイオナノファイバー等を放射線画像検出装置に用いることも考えられる。
(1)アラミド
上述したセンサ基板の絶縁性基板401や、支持体101や、制御モジュールの回路基板などとして、フレキシブル材料であるアラミドによって形成されたフィルム(あるいはシート、基板)を使用することができる。アラミド材料は、ガラス転移温度315℃という高い耐熱性、ヤング率が10GPaという高い剛性、熱膨張率が−3〜5ppm/℃という高い寸法安定性を有する。このため、アラミド製のフィルムを用いると、一般的な樹脂フィルムを用いる場合と比べて、半導体層やシンチレータの高品質の成膜が容易に行える。また、アラミド材料の高耐熱性により、透明電極材料を高温硬化させて低抵抗化できる。更に、ハンダのリフロー工程を含むICの自動実装にも対応できる。また更に、ITO(indium tin oxide)やガス・バリア膜、ガラス基板と熱膨張係数が近いために、製造後の反りが少ない。そして,割れにくい。ここで、ハロゲンを含まないハロゲンフリー(JPCA−ES01−2003の規定に適合)なアラミド材料を用いることが環境負荷低減の点で好ましい。
アラミドフィルムは、ガラス基板やPET基板と積層されてもよいし、デバイスの筐体に貼り付けられてもよい。
光の波長に対して十分に小さなコンポーネントは光散乱を生じないことから、ナノファイバーによって補強されたフレキシブルなプラスチック材料などを上述したセンサ基板の絶縁性基板401や、支持体101や、制御モジュールの回路基板などに好適に使用することができる。ナノファイバーの中でも、バクテリア(酢酸菌、Acetobacter Xylinum)が産出するセルロースミクロフィブリル束が幅50nmと、可視光波長に対して約1/10のサイズでかつ、高強度、高弾性、低熱膨である特徴を有するバクテリアセルロースと透明樹脂との複合材料(バイオナノファイバーということがある)を好適に使用できる。
上述したバイオナノファイバーに関する構成は、例えば、特開2008−34556号公報の記載が参考となる。
また、X線画像検出装置1は、医療用のX線撮影装置のほか、例えば、工業用のX線撮影装置として非破壊検査に用いたり、或いは、電磁波以外の粒子線(α線、β線、γ線)の検出装置として用いたりすることができ、その応用範囲は広い。
以上、説明したように、本明細書には、
放射線の照射によって蛍光を発する蛍光物質の結晶が柱状に成長してなる柱状結晶の群で形成されたシンチレータと、
前記シンチレータの放射線入射側に設けられ、前記シンチレータが発した蛍光を電気信号として検出する光検出器と、を備え、
前記シンチレータにおける前記光検出器側の位置には、当該シンチレータにおける放射線入射側とは反対側の領域での付活剤濃度よりも付活剤濃度が高い高付活剤濃度領域が設けられる、放射線画像検出装置が開示されている。
前記シンチレータは、前記光検出器と貼り合わせられ、
前記シンチレータにおいて前記高付活剤濃度領域よりも更に前記光検出器に近接する位置には、前記高付活剤濃度領域における付活剤濃度よりも付活剤濃度が低い低付活剤濃度領域が設けられる、ことが好ましい。
前記シンチレータにおいて前記高付活剤濃度領域よりも更に前記光検出器に近接する位置には、非柱状結晶を含む非柱状部が設けられる、ことが好ましい。
前記非柱状部における付活剤濃度は、前記高付活剤濃度領域における付活剤濃度よりも低い、ことが好ましい。
前記非柱状部の空隙率は、0あるいは略0である、ことが好ましい。
前記シンチレータは、前記光検出器に密着する、ことが好ましい。
前記蛍光物質の母体はCsIであり、付活剤はTlである、ことが好ましい。
前記高付活剤濃度領域では、前記蛍光物質の結晶成長方向において変化する付活剤濃度変化幅の1/2に対応する付活剤濃度である付活剤濃度半値よりも付活剤濃度が高く、
前記放射線入射側とは反対側の領域では、前記付活剤濃度半値よりも付活剤濃度が低い、ことが好ましい。
支持体上に、気相堆積法により前記シンチレータを形成する際に、付活剤の加熱温度、真空度、支持体温度、及び蒸着レートの少なくともいずれかの条件を変更することで、前記シンチレータを形成するシンチレータ形成工程を有する、放射線画像検出装置の製造方法が開示されている。
前記シンチレータ形成工程によって支持体上に形成されたシンチレータに、前記支持体とは反対側から前記光検出器を貼り合わせて一体化する貼り合わせ工程を更に有する、ことが好ましい。
10 シンチレータパネル
101 支持体(基板)
200,220,240,260 シンチレータ
20 柱状部
20A 柱状結晶
25 非柱状部
25A 非柱状結晶
27 非柱状部(低付活剤濃度領域)
30 保護膜
40 光検出器
400 センサ基板
R1、r1 第1領域(高付活剤濃度領域)
R2 第2領域(放射線入射側とは反対側の領域)
r0 低付活剤濃度領域
Claims (17)
- 放射線の照射によって蛍光を発する蛍光物質の結晶が柱状に成長してなる柱状結晶の群で形成されたシンチレータと、
前記柱状結晶の結晶成長方向にシンチレータに隣設され、前記シンチレータが発した蛍光を電気信号として検出する光検出器と、を備え、
撮影時に放射線が前記光検出器を通して前記シンチレータに入射する放射線画像検出装置であって、
前記シンチレータにおける放射線入射側である前記光検出器側の位置には、当該シンチレータにおける放射線入射側とは反対側の領域での付活剤濃度よりも付活剤濃度が高い高付活剤濃度領域が設けられ、且つ前記シンチレータにおいて前記高付活剤濃度領域よりも更に前記光検出器に近接する位置には、前記高付活剤濃度領域における付活剤濃度よりも付活剤濃度が低い低付活剤濃度領域が設けられている放射線画像検出装置。 - 請求項1に記載の放射線画像検出装置であって、
前記シンチレータは、前記光検出器と貼り合わせられている放射線画像検出装置。 - 請求項2に記載の放射線画像検出装置であって、
前記柱状結晶の先端部は、すぼまった形状とされており、
前記低付活剤濃度領域は、前記柱状結晶の先端部に設けられている放射線画像検出装置。 - 請求項1から3のいずれか一項に記載の放射線画像検出装置であって、
前記高付活剤濃度領域から前記低付活剤濃度領域に向かって、付活剤濃度が不連続に減少する、放射線画像検出装置。 - 請求項1から4のいずれか一項に記載の放射線画像検出装置であって、
前記シンチレータは、前記高付活剤濃度領域よりも更に前記光検出器に近接する位置には、非柱状結晶を含んで形成された非柱状部を有する、放射線画像検出装置。 - 請求項1に記載の放射線画像検出装置であって、
前記シンチレータは、前記高付活剤濃度領域よりも更に前記光検出器に近接する位置には、非柱状結晶を含んで形成された非柱状部を有し、
前記非柱状部における付活剤濃度は、前記高付活剤濃度領域における付活剤濃度よりも低い、放射線画像検出装置。 - 請求項5又は6に記載の放射線画像検出装置であって、
前記非柱状部の空隙率は、0である、放射線画像検出装置。 - 請求項5から7のいずれか一項に記載の放射線画像検出装置であって、
前記非柱状部の厚みは、3μm以上、50μm以下である、放射線画像検出装置。 - 請求項1から8のいずれか一項に記載の放射線画像検出装置であって、
前記高付活剤濃度領域から前記シンチレータにおける前記放射線入射側とは反対側の領域に向かって、付活剤濃度が段階的に変化する、放射線画像検出装置。 - 請求項1から8のいずれか一項に記載の放射線画像検出装置であって、
前記高付活剤濃度領域から前記シンチレータにおける前記放射線入射側とは反対側の領域に向かって、付活剤濃度が直線的に変化する、放射線画像検出装置。 - 請求項1から10のいずれか一項に記載の放射線画像検出装置であって、
前記シンチレータにおける前記放射線入射側とは反対側の領域端部の付活剤濃度は0である、放射線画像検出装置。 - 請求項1から11のいずれか一項に記載の放射線画像検出装置であって、
前記高付活剤濃度領域は、前記蛍光物質の結晶成長方向おける前記柱状結晶の先端側にある、放射線画像検出装置。 - 請求項1から12のいずれか一項に記載の放射線画像検出装置であって、
前記シンチレータは、前記光検出器に密着する、放射線画像検出装置。 - 請求項1から13のいずれか一項に記載の放射線画像検出装置であって、
前記蛍光物質の母体はCsIであり、付活剤はTlである、放射線画像検出装置。 - 請求項1から14のいずれか一項に記載の放射線画像検出装置であって、
前記高付活剤濃度領域における最高濃度と前記シンチレータにおける前記放射線入射側とは反対側の領域における最低濃度との間の付活剤濃度変化幅の1/2に対応する付活剤濃度を付活剤濃度半値として、前記高付活剤濃度領域では、前記付活剤濃度半値よりも付活剤濃度が高く、
前記シンチレータにおける前記放射線入射側とは反対側の領域では、前記付活剤濃度半値よりも付活剤濃度が低い、放射線画像検出装置。 - 請求項1から15のいずれか一項に記載の放射線画像検出装置の製造方法であって、
支持体上に、気相堆積法により前記シンチレータを形成する際に、付活剤の加熱温度、真空度、支持体温度、及び蒸着レートの少なくともいずれかの条件を変更することで、前記シンチレータを形成するシンチレータ形成工程を有する、放射線画像検出装置の製造方法。 - 請求項16に記載の放射線画像検出装置の製造方法であって、
前記シンチレータ形成工程によって支持体上に形成されたシンチレータに、前記支持体とは反対側から前記光検出器を貼り合わせて一体化する貼り合わせ工程を更に有する、放射線画像検出装置の製造方法。
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