JP5840638B2 - 放射線検出装置及び放射線の検出方法 - Google Patents

放射線検出装置及び放射線の検出方法 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、放射線検出装置及び放射線の検出方法に関する。
放射性物質に汚染された可能性がある領域において、放射線源の位置を特定することが求められている。しかし、放射線は、肉眼で見ることができず、可視光の撮像デバイスを用いても、直接検出できない。
放射線源の位置及び放射線の飛来方向を特定するための方法の一つとして、放射線源からのガンマ線によるコンプトン散乱における散乱されたガンマ線のエネルギー及び反跳電子のエネルギーを検出し、それらのエネルギーから入射されたガンマ線の飛来方向を求める方法がある。
コンプトン散乱の検出、ガンマ線のエネルギー及び反跳電子のエネルギーの検出を、高い精度で行うには、検出装置が大型化及び複雑化する傾向がある。
特開２００８−４５９４８号公報 特表２００８−５３７７７４号公報 特開２００４−１２５７５７号公報 特公平７−１３０９号公報
小型及び低コストの放射線検出装置を提供する技術を提案する。
本実施形態の放射線検出装置は、基板上に設けられ、外部からの入射放射線が入射され、半導体からなる複数の第１の光電変換素子がマトリクス状に配列された第１の放射線入射領域を有する半導体チップを１以上含み、前記第１の放射線入射領域内における前記入射放射線による第１の相互作用の発生位置と前記第１の放射線入射領域内における前記第１の相互作用により発生した反跳電子の散乱方向とを、前記複数の第１の光電変換素子によって検出する第１の検出部と、前記基板と前記第１の検出部との間に設けられ、前記第１の相互作用に起因した散乱放射線が入射される第２の放射線入射領域を含み、前記第２の放射線入射領域内における前記散乱放射線による第２の相互作用の発生位置を検出する第２の検出部と、を備え、前記第１の相互作用の発生位置は、前記複数の第１の光電変換素子のうち前記第１の相互作用が発生した素子の座標から特定され、前記反跳電子の移動方向は、前記反跳電子が移動した前記複数の第１の光電変換素子のうち２以上の素子の座標から特定され、前記第２の相互作用の発生位置は、前記第２の相互作用が発生した前記第２の放射線入射領域内の座標から特定され、前記第１の相互作用の発生位置、前記第２の相互作用の発生位置、及び、前記反跳電子の移動方向から得られる第１の面に基づいて、観測対象の空間における前記入射放射線を放出する放射線源の位置を計算する。
放射線検出装置の基本構成の鳥瞰図。 第１の実施形態の放射線検出装置の構造を模式的に示す鳥瞰図。 第１の実施形態の放射線検出装置の構造を模式的に示す断面図。 第１の実施液体の放射線装置の回路構成を模式的に示すブロック図。 イメージセンサの構成例を示す図。 実施形態の放射線検出装置における放射線の検出を説明するための図。 実施形態の放射線検出装置における放射線の検出を説明するための図。 実施形態の放射線検出装置における放射線の検出を説明するための図。 実施形態の放射線検出装置における放射線の検出を説明するための図。 実施形態の放射線検出装置における放射線の検出を説明するための図。 実施形態の放射線検出装置における放射線の検出を説明するための図。 実施形態の放射線検出装置における放射線の検出を説明するための図。 第１の実施形態の放射線検出装置の動作例を示すフローチャート。 第１の実施形態の放射線検出装置の動作例を説明するための図。 第２の実施形態の放射線検出装置の構造を模式的に示す鳥瞰図。 第２の実施形態の放射線検出装置の構造を模式的に示す鳥瞰図。 第２の実施形態の放射線検出装置の構造を模式的に示す鳥瞰図。 実施形態の放射線検出装置の応用例の構造例を模式的に示す鳥瞰図。 実施形態の放射線検出装置の応用例の構成例を模式的に示す図。 実施形態の放射線検出装置の応用例の動作例のフローチャート。 実施形態の放射線検出装置の応用例の動作例を説明するための図。 実施形態の放射線検出装置の変形例を示す図。 実施形態の放射線検出装置の変形例を示す図。
以下、図面を参照しながら、本実施形態について詳細に説明する。以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複する説明は必要に応じて行う。
（Ａ） 基本構成
図１を参照して、実施形態に係る放射線検出装置の基本構成について、説明する。
図１は、実施形態の放射線検出装置の基本構成を示す鳥瞰図である。
図１に示されるように、実施形態の放射線検出装置１０００は、第１の検出部１と、第２の検出部２とを含んでいる。第１の検出部１は、第２の検出部２上に積層されている。第１及び第２の検出部１，２は、積層構造２００を形成している。
第１の検出部１は、放射線を検出する機能を有する。
第１の検出部１は、複数の光電変換素子（例えば、フォトダイオード）５がマトリクス状に配置された領域１２０を含んでいる。以下では、複数のフォトダイオードがマトリクス状に設けられた領域のことを、フォトダイオードアレイ１２０とよぶ。
第１の検出部１はイメージセンサであり、検出部１のフォトダイオードアレイ１２０は、画素（セル回路）を形成するフォトダイオード５やリードトランジスタなどの単位セルが配列された画素アレイによって形成されている。第１の検出部１は、１以上のイメージセンサ１０のチップを含む。
第１の検出部１は、マトリクス状に配列された複数のフォトダイオード５に放射線が入射した際に発生する電荷を蓄積することによって、外部から放射線を検出する。
第２の検出部２は、放射線を検出する機能を有する。
第２の検出部２は、第１の検出部１と同様の１以上のイメージセンサでもよいし、ＣｄＴｅのようなシリコンより高感度で放射線の検出の可能な放射線検出デバイスでもよい。
例えば、放射線検出装置１０００は、検出部１，２からの出力信号に対して所定の信号処理を施す解析部３を、さらに含む。
（Ｂ） 第１の実施形態
図２乃至図１４を参照して、第１の実施形態に係る固体撮像装置及びその製造方法について説明する。
（１） 構造
図２乃至図８を用いて、第１の実施形態に係る放射線検出装置の構造について、説明する。
図２は、第１の実施形態の放射線検出装置を模式的に示す鳥瞰図である。図３は、第１の放射線検出装置の断面構造の模式図である。図４は、第１の実施形態の放射線検出装置を模式的に示すブロック図である。
図２乃至図４に示されるように、第１の実施形態の放射線検出装置１０００は、第１及び第２の検出部１，２としての２以上のイメージセンサを含む。本実施形態において、第１及び第２の検出部１，２の両方が、イメージセンサを用いて形成されている。
放射線検出装置１０００は、第１の検出部１としての少なくとも１つのイメージセンサと、第２の検出部２としての少なくとも１つのイメージセンサとを有する。本実施形態では、支持基板９上に解析部３を積層し、解析部３上に第１及び第２の検出部１，２としての複数のイメージセンサ１０１，１０２，・・・，１０ｎ−１，１０ｎのチップが積層されている。各々のイメージセンサ１０１〜１０ｎを区別しない場合には、単にイメージセンサ１０と表記する。
フォトダイオード５が、入射した放射線のコンプトン散乱により発生した電荷を捕獲、蓄積し、その電荷に応じた信号を読み出すことによって、放射線の散乱（相互作用）の発生及び放射線の入射が検出される。尚、放射線の散乱（ここでは、コンプトン散乱）により発生する電荷量は、フォトダイオード５の飽和電子数に近い。それゆえ、フォトダイオード５の出力信号に応じて、可視光を検出したフォトダイオード５と放射線を検出したフォトダイオード５とを区別できる。尚、放射線は透過性が高い。それゆえ、第１及び第２の検出部１，２としてのイメージセンサに可視光が入射されないように、イメージセンサ１０を覆う遮蔽物（例えば、フィルタや金属膜）が設けられてもよい。
解析部３は、画像処理回路を含む半導体チップであって、ＬＳＩである。図２及び図３に示されるように、解析部３のチップは、イメージセンサのチップと同じ支持基板９上に設けられている。例えば、解析部３上に、第１及び第２の検出部１，２の積層構造２００が、積層されている。これによって、支持基板９上における放射線検出装置１０００の占有面積が、縮小される。なお、解析部３の配置は本実施形態に限定されない。例えば、解析部３は同じ支持基板９上であって、第１及び第２の検出部１，２を積層しなくてもよい。また、支持基板９上に配置されていなくてもよい。
解析部３は、第１及び第２の検出部１，２としてのイメージセンサ１０からの出力信号に対する信号処理を行う。図４に示されるように、第１及び第２の検出部１，２としてのイメージセンサ１０からの出力信号は、解析部３に送信される。解析部３は、イメージセンサ１０からの出力信号を受信し、放射線の飛来方向及び放射線源の位置を予測／特定するための信号処理を行う。処理結果が、解析部３から外部へ出力される。
例えば、解析部３は、各イメージセンサ１０のフォトダイオードアレイ１２０の出力信号の解析（例えば、コンプトン散乱の検出結果に対する各フォトダイオードアレイ１２０のロウ／カラム情報の重ね合わせ）に基づいて、検出された複数のコンプトン散乱のうちどのコンプトン散乱が一連の多重コンプトン散乱であるか判別できる。また、解析部３は、各イメージセンサ１０のフォトダイオードアレイ１２０の出力信号に基づいて、複数のイメージセンサ１０の中から第１の検出部１と第２の検出部２の関係を判別できる。
解析部３は、第１及び第２の検出部１，２としてのイメージセンサ１０の動作を制御する制御部としての機能を有していてもよい。
イメージセンサ１０は、シリコン等で形成された半導体基板上にフォトダイオード５及びリードトランジスタなどの読み出し回路を備えた単位セル、これらの単位セルを制御するロジック回路又はアナログ回路等の周辺回路を備えている。以下、図５を用いて、イメージセンサの一例について説明する。
図５に示されるように、１つの単位セルＵＣが、画素としての１つのフォトダイオード５を含む構成のことを、１画素１セル構造とよぶ。
単位セルＵＣ内の各素子５，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄは、以下のように、接続されている。
フォトダイオード５のアノードは、例えば、接地されている、又は、所定の大きさの定電圧線に接続されている。フォトダイオード５のカソードは、リードトランジスタ７Ａの電流経路を介して、フローティングディフュージョン６に、接続されている。
リードトランジスタ７Ａは、フォトダイオード５の電荷の蓄積及び転送を制御する。
リードトランジスタ７Ａのゲートは、読み出し制御線ＴＲＦに接続されている。リードトランジスタ７Ａの電流経路の一端はフォトダイオード５のカソードに接続され、リードトランジスタ７Ａの電流経路の他端はフローティングディフュージョン６に接続されている。
アンプトランジスタ７Ｂは、フローティングディフュージョン６の信号（電位）を検知及び増幅する。アンプトランジスタ７Ｂによって増幅された信号は、垂直信号線ＶＳＬに出力される。アンプトランジスタ７Ｂは、ソースフォロワとして機能する。
アンプトランジスタ７Ｂのゲートは、フローティングディフュージョン６に接続されている。アンプトランジスタ７Ｂの電流経路の一端は垂直信号線ＶＳＬに接続され、アンプトランジスタ７Ｂの電流経路の他端はアドレストランジスタ７Ｄの電流経路の一端に接続されている。
リセットトランジスタ７Ｃは、フローティングディフュージョン６の電位をリセットする。
リセットトランジスタ７Ｃのゲートはリセット制御線ＲＳＴに接続されている。リセットトランジスタ７Ｃの電流経路の一端はフローティングディフュージョン６に接続され、リセットトランジスタ７Ｃの電流経路の他端は電源端子３０９に接続されている。
アドレストランジスタ７Ｄは、単位セルＵＣの活性化を制御する。
アドレストランジスタ７Ｄのゲートは、アドレス制御線ＡＤＲに接続されている。アドレストランジスタ７Ｄの電流経路の一端はアンプトランジスタ７Ｂの電流経路の他端に接続され、アドレストランジスタ７Ｄの電流経路の他端は電源端子３０９に接続されている。
電源端子３０９は、ドレイン電源、又は、グランド電源、又はオプティカルブラック領域内の単位セル（基準電位セル）に接続されている。
垂直シフトレジスタ３００は、読み出し制御線ＴＲＦ、アドレス制御線ＡＤＲ及びリセット制御線ＲＳＴに接続されている。垂直シフトレジスタ３００は、読み出し制御線ＴＲＦ、アドレス制御線ＡＤＲ及びリセット制御線ＲＳＴの電位を制御し、フォトダイオードアレイ（画素アレイ）１２０内の複数の単位セルＵＣをロウ単位で制御及び選択する。垂直シフトレジスタ３００は、各トランジスタ７Ａ，７Ｃ，７Ｄのオン及びオフを制御するための制御信号を、各制御線ＴＲＦ，ＡＤＲ，ＲＳＴに出力する。
ノイズ除去回路３０２は、垂直信号線ＶＳＬに接続されている。ノイズ除去回路３０２は、例えば、フォトダイオード（単位セルＵＣ）からのアナログ信号をデジタル信号に変換したり、ＣＤＳ（Corrected Double Sampling：相関二重サンプリング）処理したりするための処理ユニット３０３を含む。これによって、フォトダイオードによって検出された信号のノイズが除去される。
水平シフトレジスタ３０５は、水平選択トランジスタ３０６のゲートに接続されている。水平シフトレジスタ３０５は、所定の動作タイミングに基づいて、水平選択トランジスタ３０６のゲートに、水平選択パルスを供給し、フォトダイオードアレイ１２０のカラムを制御する。
水平選択トランジスタ３０６の電流経路の一端は、水平制御線ＨＳＬに接続されている。水平選択トランジスタ３０６の電流経路の他端は、処理ユニット３０３を介して垂直信号線ＶＳＬの一端に接続されている。水平選択トランジスタ３０６は、水平シフトレジスタ３０５からの水平選択パルスによって、活性化又は非活性化される。
負荷トランジスタ３０７は、垂直信号線ＶＳＬに対する電流源として用いられる。負荷トランジスタ３０７のゲートは制御線ＤＣに接続されている。負荷トランジスタ３０７の電流経路の一端は、垂直信号線ＶＳＬを介して、アンプトランジスタ７Ｂの電流経路の一端に接続される。負荷トランジスタ３０７の電流経路の他端は、制御線ＤＣに接続されている。
フォトダイオードの信号（電荷）の出力動作の一例について、説明する。例えば、検出部１，２としてのイメージセンサ１０は、可視光の画像を形成するためのイメージセンサと実質的に同じ動作で駆動できる。
フォトダイオードアレイ１２０の所定のロウが、垂直シフトレジスタ３００によって選択される。
選択されたロウに属するアドレストランジスタ７Ｄが、垂直シフトレジスタ１３３の制御によって、オン状態になる。垂直シフトレジスタ３００の制御によって、リセットトランジスタ７Ｃが、オン状態になる。フローティングディフュージョン６は、オン状態のリセットトランジスタ７Ｃを介して、電源端子３０９に接続される。これによって、フローティングディフュージョン６は、リセット状態になる。
垂直信号線ＶＳＬの電位は、ソースフォロワを形成しているアンプトランジスタ７Ｂによって、リセット状態のフローティングディフュージョン６の電位に応じた電圧（リセット電圧）に変化する。リセット電圧は、ノイズ除去回路３０２に入力される。
リセット電圧がノイズ除去回路３０２にサンプリングされた後、リセットトランジスタ７Ｃは、オフ状態にされる。
リードトランジスタ７Ａが、垂直シフトレジスタ３００の制御によって、オン状態になり、フォトダイオード５に蓄積された電荷（信号電荷）が、フローティングディフュージョン６に転送される。フローティングディフュージョン６の電位は、フォトダイオード５から転送された信号電荷数に応じて変調される。
ソースフォロワを形成しているアンプトランジスタ７Ｂによって、垂直信号線ＶＳＬの電位が、変調されたフローティングディフュージョンの電位（信号電圧）に応じた大きさに変化する。
垂直信号線ＶＳＬに出力された信号電圧が、ノイズ除去回路３０２にサンプリングされる。
共通のロウに属する各単位セルＵＣからのリセット電圧及び信号電圧は、ノイズ除去回路３０２によって、アナログ値からデジタル値へ順次変換されたり、リセット電圧及び信号電圧に対するＣＤＳ処理されたりする。各単位セルＵＣからのリセット電圧と信号電圧との差分値がセル信号として、水平シフトレジスタ３０５及び水平選択トランジスタ３０６の制御によって、解析部３へ出力される。
これによって、所定のロウに属する複数のフォトダイオードからの信号の出力動作が、完了する。このような、フォトダイオードアレイ１２０の信号の出力動作が順次繰り返されて、イメージセンサ１０が検出した信号が、解析部３に送信及び取得される。
第１及び第２の検出部１，２として用いられるイメージセンサ１０は、２画素１セル構造、４画素１セル構造或いは８画素１セル構造のように、１つの単位セルが、２以上の画素（フォトダイオード）を含む単位セルを用いて形成されてもよい。また、イメージセンサ１０の動作は、上述の動作に限定されず、放射線の検出シーケンス（動作サイクル）に応じて、適宜変更されてもよい。
なお、図５に示すイメージセンサ１０は一例であって限定されることはない。例えば、本実施形態で用いるイメージセンサ１０は、図５に示すノイズ除去回路３０２が無くても、放射線検出装置１０００に適用可能である。これは、放射線の入射によって発生した電荷量は比較的多いので、可視光の検出よりもノイズに対してクリティカルではないからである。ノイズ除去回路３０２等の不要な回路を削除することにより回路面積を小さくすることも可能である。
第１及び第２の検出部１，２としてのイメージセンサ１０は、カラーフィルタやマイクロレンズアレイを有していなくてもよい。もちろん、カラーフィルタ及びマイクロレンズアレイを有していてもよい。また、第１及び第２の検出部に用いるイメージセンサ１０は、表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサでもよく、また、裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサでもよい。例えば、表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサにおいて、図３に示す半導体基板１５０の厚さは、１００μｍ以下（例えば、６０μｍ程度）であり、半導体基板１５０上の多層配線構造の厚さは、数μｍである。
尚、ＣＭＯＳイメージセンサの代わりに、ＣＣＤイメージセンサが、第１及び第２の検出部１，２として用いられてもよい。また、第１及び第２の検出部１，２に用いられるイメージセンサ１０は、これらの混合でも構わない。
図３に示されるように、積層されたイメージセンサ１０のそれぞれは、半導体基板１５０内の貫通ビアＴＶと層間絶縁膜８０内の多層配線８１とによって、互いに電気的に接続される。
イメージセンサ１０が、解析部３上に積層されている場合、解析部３のチップ内に設けられた貫通電極ＴＶ／多層配線８１によって、イメージセンサ１０と解析部３とが、互いに電気的に接続されてもよい。
イメージセンサ１０及び解析部３は、接続端子９００を介して、支持基板９内に設けられた配線９０１に接続されてもよい。
尚、積層されたイメージセンサ１０間、イメージセンサ１０と解析部３又は解析部３と支持基板９とは、ボンディングワイヤによって、互いに接続されてもよい。
図２乃至図５においては、本実施形態の放射線検出装置１０００は、放射線を検出するための第１及び第２の検出部１，２に、ＣＭＯＳイメージセンサが用いられている。
上述のように、本実施形態の放射線検出装置１０００は、複数のイメージセンサ１０を第１及び第２の検出部１，２として用いて、ガンマ線による多重コンプトン散乱により発生した電荷を検出する。
第１及び第２の検出部１，２によるコンプトン散乱の検出頻度を向上させるために、３以上のイメージセンサ１０のチップが積層されることによって、第１及び第２の検出部１，２が形成されることが好ましい。
例えば、支持基板９上に積層された複数のイメージセンサ１０１〜１０ｎのチップのうち、１回目のコンプトン散乱が検出されたイメージセンサが、第１の検出部１として用いられる。１回目のコンプトン散乱が発生したイメージセンサの下方のイメージセンサチップのうち、１回目のコンプトン散乱により発生した散乱ガンマ線に起因した２回目のコンプトン散乱を検出したイメージセンサが、第２の検出部２として用いられる。
このように、本実施形態において、第１及び第２の検出部１，２は、２以上のイメージセンサ１０を含む積層構造２００から形成される。
図６は、本実施形態の放射線検出装置における放射線（コンプトン散乱）の検出を説明するための模式図である。
積層されたイメージセンサ１０内の複数のフォトダイオード５において、コンプトン散乱により高エネルギーの反跳電子、及び、コンプトン散乱の反跳電子により発生した電荷が、生成される。反跳電子はシリコンと衝突して電荷を生成しながらシリコン中でエネルギーを失って減衰する。生成した電荷はフォトダイオード５により捕獲、蓄積することによって、フォトダイオードアレイ（画素アレイ）１２０内のおけるコンプトン散乱の発生位置Ｃ１，Ｃ２及び反跳電子ＳＥの移動方向（軌跡）ＴＥを検出する。尚、図６において、入射ガンマ線ＩＧを模式的に示しているが、１回目のコンプトン散乱の検出時及び装置による放射線の検出シーケンスが完了するまで、不可視のガンマ線ＩＧの飛来方向（入射方向）は、未知である。
第１の検出部１としてのイメージセンサ１０ｉにおいて、装置外部から入射されたガンマ線（入射ガンマ線）ＩＧに起因する１回目のコンプトン散乱が、フォトダイオードアレイ１２０内のフォトダイオード５によって検出される。
また、１回目のコンプトン散乱に起因する反跳電子ＳＥがイメージセンサ１０ｉ内に発生する。反跳電子ＳＥの軌跡ＴＥが、フォトダイオードアレイ１２０内の複数のフォトダイオード５によって、検出される。フォトダイオードアレイ１２０内のフォトダイオード５間の間隔（ピッチ）は、例えば、１μｍから２μｍ程度である。このように、比較的小さい間隔で複数のフォトダイオード５が隣り合っていることによって、本実施形態の放射線検出装置１０００は、１μｍから数十μｍ程度の反跳電子ＳＥの軌跡ＴＥを検出できる。
１回目のコンプトン散乱によって、入射ガンマ線ＩＧが散乱し、散乱ガンマ線ＳＧが発生する。
イメージセンサ１０ｉより下層（支持基板９側）の第２の検出部２としてのイメージセンサ１０ｊにおいて、散乱ガンマ線ＳＧに起因する２回目のコンプトン散乱が、フォトダイオード５によって検出される。
入射ガンマ線ＩＧの入射方向と散乱ガンマ線ＳＧの散乱方向がなす角（散乱ガンマ線の散乱角）は、入射ガンマ線ＩＧのエネルギーに依存する。それゆえ、入射ガンマ線ＩＧのエネルギーをある範囲に仮定しておくことで、散乱ガンマ線ＳＧの散乱方向、換言すると、２回目のコンプトン散乱が発生する領域を絞り込むことができる。この結果として、２回目のコンプトン散乱の検出の精度が向上する。
本実施形態においては、イメージセンサ１０ｉ，１０ｊの出力結果によって、１回目及び２回目のコンプトン散乱の発生位置Ｃ１，Ｃ２及び反跳電子ＳＥの軌跡ＴＥが、フォトダイオードアレイ１２０のロウ及びカラムによって示される位置情報（座標）として、取得される。
解析部３は、各検出部１，２のフォトダイオードアレイ１２０内における１回目及び２回目のコンプトン散乱の発生位置Ｃ１，Ｃ２、フォトダイオードアレイ１２０内における反跳電子ＳＥの軌跡（例えば、移動方向の始点／終点）ＴＥの３つの位置情報に基づいた計算処理を実行する。解析部３によって、多重コンプトン散乱の検出によって取得された３つの座標（点）を含む平面ＲＰが計算される。算出された平面（以下、算出平面とよぶ）ＲＰは、ガンマ線の飛来方向（ガンマ線ＩＧの入射方向）に対応する直線を含む。例えば、算出平面ＲＰの延長線上に放射線源が存在する。
得られた算出平面ＲＰに基づいて、本実施形態の放射線検出装置１０００は、ガンマ線の飛来方向、及び、ガンマ線ＩＧの入射方向上に存在する放射線源の位置を判別できる。
以上のように、本実施形態の放射線検出装置１０００は、複数のイメージセンサによって検出された３つの位置情報を用いた解析によって、ガンマ線のエネルギーの大きさを検出器によって直接測定すること無しに、放射線の飛来方向及び放射線源の位置を予測／特定できる。
このように、本実施形態の放射線検出装置１０００は、ガンマ線のエネルギーの大きさを精度よく計測するための構成／機能を含まなくともよいので、装置の大きさを小さくできる。
また、１つのイメージセンサのチップの厚さは、６０μｍ〜１００μｍ程度である。それゆえ、本実施形態によれば、第１及び第２の検出部１，２を形成するために、複数のイメージセンサ１０が積層されていても、比較的小さいサイズの放射線検出装置を、提供できる。
また、放射線を検出するためのイメージセンサ１０のチップ（シリコンチップ）は、周知の放射線検出装置に用いられている材料（例えば、ＣｄＴｅ）よりも、安価である。それゆえ、本実施形態によれば、低コストの放射線検出装置を、提供できる。
したがって、本実施形態によれば、放射線検出装置のサイズを小さくでき、その装置の製造コストを低くできる。
（ｂ） 多重コンプトン散乱及び反跳電子の検出
図７乃至図１１を用いて、本実施形態の放射線検出装置におけるコンプトン散乱の検出及び検出されたコンプトン散乱に基づいた放射線の飛来方向（放射線源の位置）の解析について、説明する。尚、図２乃至図６も適宜用いて、本実施形態の放射線検出装置におけるコンプトン散乱の検出及び放射線の飛来方向（放射線源の位置）の解析について、説明する。
図７は、コンプトン散乱を説明するための模式図である。
比較的高いエネルギー（例えば、１００ｋｅＶ〜１ＭｅＶ程度）のガンマ線が、ある物質（ここでは、シリコン層）内に入射した場合、ある確率で、コンプトン散乱が生じる。
図７に示されるように、コンプトン散乱において、入射されたガンマ線ＩＧは、フォトダイオードを形成するシリコン原子の電子軌道上の電子（軌道電子）ＯＥに衝突する。入射ガンマ線ＩＧと軌道電子ＯＥとの衝突によって、ガンマ線ＩＧは散乱し、高エネルギーの反跳電子ＳＥと散乱ガンマ線ＳＧを発生する。
散乱ガンマ線ＳＧは、入射ガンマ線ＩＧのエネルギーの大きさに応じた角度θ１で、散乱する。また、反跳電子ＳＥも、入射ガンマ線ＩＧのエネルギーの大きさに応じた角度θ２で、原子の電子軌道上から打ち出される。入射ガンマ線ＩＧ、散乱ガンマ線ＳＧ及び反跳電子ＳＥの間に、エネルギー保存則が、成立している。それゆえ、散乱ガンマ線ＳＧは、入射ガンマ線ＩＧのエネルギーから反跳電子ＳＥのエネルギー分を失ったエネルギーを有する。
入射ガンマ線ＩＧのエネルギーが大きくなると、ガンマ線の散乱断面積は、前方に散乱する傾向が大きくなる。
例えば、入射ガンマ線ＩＧのエネルギーの大きさが、５００ｋｅＶから１ＭｅＶの範囲である場合、散乱ガンマ線ＳＧは、７０％以上の確率で前方に散乱され、さらにその前方に散乱されるガンマ線はある程度高い確率で入射ガンマ線ＩＧの入射方向を基準（中心）として、入射ガンマ線ＩＧの入射方向と散乱ガンマ線ＳＧの散乱方向がなす角θ１が−３０°から＋３０°の範囲内になる。
例えば、放射線源としてセシウムを想定した場合、放射性セシウム（例えば、１３４Ｃｓ、１３７Ｃｓ）から発生するガンマ線は、５００ｋｅＶ以上のエネルギーを有している。
例えば、１３７Ｃｓから放出されるエネルギーは、６６２ｋｅＶである。この場合、散乱ガンマ線ＳＧの散乱方向と反跳電子ＳＥの反跳方向とがなす角度（θ１＋θ２）は、ほぼ９０°である。
ガンマ線のエネルギーが５００ｋｅＶから１ＭｅＶの範囲である場合、入射ガンマ線の入射方向を基準とした散乱ガンマ線（散乱光子）ＳＧの散乱角θ１は、上述のように、ある程度高い確率で０°から３０°程度の大きさになり、入射ガンマ線ＩＧの入射方向を基準とした反跳電子ＳＥの散乱角θ２は、６０°から９０°の大きさになる。この場合、反跳直後の反跳電子ＳＥのエネルギーは、０〜１００ｋｅＶ程度である。
＜コンプトン散乱及び反跳電子の検出＞
図８乃至図１１を用いて、本実施形態の放射線検出装置におけるコンプトン散乱の検出及び反跳電子の軌跡の検出について、説明する。
図８は、あるイメージセンサにおけるガンマ線の入射方向、散乱ガンマ線及び反跳電子の散乱方向の検出について説明するためのイメージセンサの模式図である。図９は、あるイメージセンサ内における反跳電子の散乱方向の検出について説明するためのイメージセンサの模式的平面図である。また、図１０は、あるイメージセンサに対するガンマ線の入射方向、散乱ガンマ線及び反跳電子の散乱方向の検出を説明するためのイメージセンサの模式的断面図である。
図８乃至図１０に示されるように、フォトダイオード５（単位セル）が、アレイ状に配列されている。図８乃至図１０において、図示の簡略化のため、単位セル内のトランジスタ及び素子分離絶縁膜などの図示は、省略する。
ある空間に存在する放射線源からの不可視のガンマ線（光子）ＩＧは、ある方向及びある入射角度で、イメージセンサ１０のフォトダイオードアレイ（画素アレイ）１２０に、入射する。
入射したガンマ線ＩＧによって、ある確率でコンプトン散乱が発生する。コンプトン散乱が発生した位置に存在するフォトダイオード５Ｃは、コンプトン散乱の反跳電子によって発生した電荷を、捕獲及び蓄積する。
電荷を蓄積したフォトダイオード５Ｃの信号が出力されることによって、フォトダイオードアレイ１２０内におけるコンプトン散乱の発生した位置を、検出できる。この結果として、コンプトン散乱の発生位置を、フォトダイオードアレイ１２０のロウ及びカラムに対応する座標情報として取得できる。
入射ガンマ線ＩＧによるコンプトン散乱に起因して、反跳電子ＳＥと散乱ガンマ線ＳＧが発生する。上述のように、入射ガンマ線ＩＧのエネルギーが５００ｋｅＶから１ＭｅＶの範囲である場合、散乱ガンマ線（散乱光子）ＳＧの散乱角θ１は、ある程度高い確率で０°から３０°程度の範囲になり、このとき、ガンマ線の入射方向と反跳電子ＳＥの散乱方向（反跳方向）とによって形成される反跳電子ＳＥの散乱角（反跳角）θ２は、６０°から９０°の範囲になる。そのため、反跳電子ＳＥは、コンプトン散乱が発生したフォトダイオード５Ｃに隣接する他のフォトダイオード５に向かって移動する可能性が高い。
尚、図８及び図９に示される例において、反跳電子ＳＥが、半導体基板１５０の主面に対して平行方向に関してコンプトン散乱が発生したフォトダイオード５Ｃに隣接する複数のフォトダイオードのうちどのフォトダイオードに向かって移動するかは、ランダムである。
発生した反跳電子ＳＥは、反跳電子ＳＥの有するエネルギーに応じて、複数のフォトダイオード５にまたがって、移動する。反跳電子ＳＥは、シリコン基板１５０内の原子（電子）と衝突し、電離作用によって反跳電子ＳＥのエネルギーの大きさに応じた電子−正孔対を生成しながら、複数のフォトダイオード５間を移動する。そして、反跳電子ＳＥは、エネルギーを減衰させ、消失する。反跳電子ＳＥが数ｋｅＶから数百ｋｅＶのエネルギーを有する場合、反跳電子ＳＥの軌跡ＴＥは、数μｍから数十μｍ程度になる。
生成された電子−正孔対に応じた電荷が、反跳電子ＳＥが通過したフォトダイオード５Ｔ内に、捕獲及び蓄積される。これによって、コンプトン散乱が生じたフォトダイオード５Ｃだけでなく、反跳電子ＳＥが通過したフォトダイオード５Ｔにおいても、反跳電子ＳＥによって発生した電荷が蓄積される。
電荷を蓄積したフォトダイオードの信号が出力されることによって、フォトダイオードアレイ１２０内における反跳電子ＳＥの軌跡ＴＥを検出できる。この結果として、反跳電子ＳＥの軌跡ＴＥを、フォトダイオードアレイ１２０のロウ及びカラムに対応する座標情報として取得できる。
ここで、図１０を用いて、コンプトン散乱によって発生した反跳電子ＳＥの検出について説明する。
図１０に示されるように、ある入射角度のガンマ線ＩＧは、イメージセンサ１０におけるガンマ線の受光面側からイメージセンサ１０の深さ方向へ向かって、イメージセンサ１０内に入射する。そのため、コンプトン散乱によって発生した反跳電子ＳＥは、半導体基板１５０の深さ方向に対してある角度を有して、移動する可能性がある。すなわち、反跳電子ＳＥの軌跡ＴＥは、半導体基板１５０の主面に対して平行方向のベクトル成分だけでなく、半導体基板１５０の主面に対して垂直方向のベクトル成分を有している。
例えば、デジタルスチルカメラ（例えば、ＤＳＬＲ）用のイメージセンサチップが第１及び第２の検出部１，２として用いられる場合、フォトダイオードアレイ（画素アレイ）１２０内のフォトダイオードの個数（画素数）は、１０００万個（１０Ｍ画素）以上である。ＣＭＯＳイメージセンサにおいて、コンプトン散乱を検出するために２次元に配列されたフォトダイオード（画素／単位セル）は、例えば、１μｍ〜２μｍのピッチを有して、隣接している。フォトダイオード５，５Ｃの不純物半導体層（拡散層）は、例えば、３μｍ〜４μｍの深さ（シリコン基板の主面に対して垂直方向の寸法）を有している。
例えば、一般的なイメージセンサは、可視光に対して６０°程度の視野角（画角）を有するように、形成されている。後述のように、本実施形態の放射線検出装置によって計算された放射線の飛来方向及び放射線源の位置を、観測対象の空間（又は被写体）の画像と重ね合わせて表示する場合、可視光に対する視野角に対応するガンマ線の入射角の範囲を考慮して、反跳電子を検出することが好ましい。
イメージセンサの可視光に対する視野角が６０°である場合、半導体基板１５０の表面（イメージセンサの受光面）における法線とガンマ線の入射方向が形成するガンマ線ＩＧの入射角θＩは、＋３０°から−３０°の範囲になる。図１０の（ａ）〜（ｃ）において、イメージセンサ１２０に入射するガンマ線ＩＧのエネルギーが、５００ｋｅＶ〜１ＭｅＶ程度の場合を想定する。上述のように、このエネルギーのガンマ線において、ガンマ線ＩＧの入射方向を基準とした反跳電子ＳＥの反跳角θ２は、ある程度高い確率で６０°から９０°の範囲になる。
例えば、図１０の（ａ）は、ガンマ線ＩＧが、半導体基板１５０の法線方向（角度θＩ＝０°）から半導体基板１５０に入射した場合を示している。反跳電子ＳＥは、半導体基板１５０表面に対して平行方向を基準（０°）とすると、０°から３０°の角度をなして半導体基板１５０の裏面側（下層のイメージセンサ側）に向かって移動する。
上述のように、反跳電子ＳＥは、フォトダイオードアレイ１２０内において、数μｍから数十μｍの距離を移動する。また、フォトダイオードアレイ１２０内のフォトダイオード５，５Ｃのピッチは、１μｍから２μｍである。それゆえ、図１０の（ａ）に示される場合、反跳電子ＳＥの反跳方向が、半導体基板１５０の表面に対して垂直方向に移動する成分を含んでいたとしても、フォトダイオード間の間隔とフォトダイオードの深さとを考慮すると、反跳電子ＳＥは、複数のフォトダイオードをまたがって移動する可能性が高い。
図１０の（ｂ）及び（ｃ）は、ガンマ線ＩＧが、半導体基板１５０の主面に対する法線に関して３０°の角度θＩで入射した場合を示している。
図１０の（ｂ）は、反跳電子ＳＥが入射ガンマ線ＩＧと同じ方向に反跳し、前方散乱する場合である。反跳電子ＳＥの反跳角θ２が６０°から９０°の範囲である場合、半導体基板１５０の表面の法線に対して反跳電子ＳＥの反跳方向がなす角度は、９０°から１２０°となる。換言すると、反跳電子ＳＥは、半導体基板１５０の表面に対して平行方向を基準として０°から３０°の角度（仰角）で、隣接するフォトダイオード５へ向かって移動する。
図１０の（ｃ）は、反跳電子ＳＥが入射ガンマ線ＩＧと逆方向に反跳し、後方散乱する場合である。反跳電子ＳＥは、半導体基板１５０の表面に対して平行方向に対して３０°から６０°の角度（俯角）で、隣接するフォトダイオード５へ向かって移動する。
図１０の（ｂ）及び（ｃ）に示されるように、ガンマ線ＩＧが、イメージセンサの可視光の視野角に対応する入射角度で、３μｍ〜４μｍの深さを有するフォトダイオードが１μｍ〜２μｍのピッチで配列されているフォトダイオードアレイ１２０に入射した場合、反跳電子ＳＥが半導体基板１５０の主面に対して垂直方向に移動する成分を有していたとしても、フォトダイオード間の間隔とフォトダイオードの深さとを考慮すると、反跳電子ＳＥは、２以上のフォトダイオード５にまたがるように、イメージセンサ１０のフォトダイオードアレイ１２０内を移動する。
それゆえ、イメージセンサ１０の視野角の範囲内の入射角のガンマ線を鑑みた場合、反跳電子ＳＥの軌跡を検出できる。
尚、ガンマ線ＩＧのエネルギーが５００ｋｅＶ〜１ＭｅＶである場合、散乱ガンマ線ＳＧの散乱角θ１は、ある程度高い確率で０°から３０°の範囲になる。図１２の（ａ）〜（ｃ）のように、イメージセンサ１０の視野角（ここでは、６０°）に対応した範囲の入射角度でイメージセンサ１０に入射したガンマ線ＩＧを想定した場合、その入射ガンマ線ＩＧに対応する散乱ガンマ線ＳＧは、半導体基板１５０の表面に対する法線を基準として０°〜６０°の角度の範囲内で、下方のイメージセンサに向かって伝搬する。
それゆえ、図１０の（ａ）〜（ｃ）に示される場合のように、入射ガンマ線ＩＧが半導体基板１５０の表面に対する法線を基準として＋３０°から−３０°の入射角θＩの範囲であれば、１回目のコンプトン散乱が検出されたイメージセンサより下方のイメージセンサに入射する可能性が高い。
尚、上述のように、反跳電子ＳＥはエネルギーを失いながらフォトダイオードアレイ１２０内を移動する。そのため、反跳電子ＳＥが通過したフォトダイオードにおいて、反跳電子ＳＥの軌跡の終端側に位置するにしたがって、フォトダイオードが蓄積する電荷量は、少なくなる。その結果として、反跳電子ＳＥの軌跡の終端側のフォトダイオードから出力される電気信号は、反跳電子ＳＥの軌跡の始点側のフォトダイオードから出力される電気信号より小さくなる。
以上のように、イメージセンサによって、フォトダイオードアレイ内におけるコンプトン散乱及びその発生位置（座標）、及び、コンプトン散乱によって発生した反跳電子の軌跡を検出できる。
散乱ガンマ線ＳＧは、１回目のコンプトン散乱が発生したイメージセンサより下方のイメージセンサに入射する。イメージセンサに対して入射された散乱ガンマ線ＳＧによって、２回目のコンプトン散乱がある確率で発生する。尚、散乱ガンマ線ＳＧの散乱角及び散乱方向は、入射ガンマ線ＩＧの入射角及び入射方向と同様に、１回目のコンプトン散乱が発生したフォトダイオード５を頂点とした円錐形状の範囲（放射状の領域）で示すことができる。
第１の検出部１としてのイメージセンサ１０ｉと同様の動作によって、第２の検出部２としてのイメージセンサ１０ｊが、散乱ガンマ線ＳＧによるコンプトン散乱（２回目のコンプトン散乱）の反跳電子により発生した電荷を捕捉、蓄積する。この蓄積された電荷を読みだすことによって散乱ガンマ線ＳＧによるコンプトン散乱が発生した位置を検出することができる。この結果として、２回目のコンプトン散乱の発生位置を、フォトダイオードアレイのロウ及びカラムに対応する位置情報として取得できる。
第１及び第２の検出部１，２としてのイメージセンサ１０から信号が出力されることによって、１回目のコンプトン散乱の発生位置、１回目のコンプトン散乱の反跳電子の移動方向、及び、２回目のコンプトン散乱の発生位置が、取得される。第１及び第２の検出部１，２によって検出された３つの情報（座標）によって、３つの放射線検出装置内における３次元の位置情報が得られる。
取得された３つの位置情報に基づいて、解析部（画像処理回路）３が、３つの位置情報に対応する座標（点）を含む算出平面を計算する。３つの位置情報に基づいて計算された算出平面は、ガンマ線の飛来方向（飛来方向に対応する直線）を含む。
このように、複数のイメージセンサ１０の積層構造から形成される第１及び第２の検出部１，２によって、検出したコンプトン散乱及び反跳電子ＳＥの位置情報に基づいて、ガンマ線の飛来した方向を含む算出平面が算出される。
図１１は、本実施形態における多重コンプトン散乱の検出に基づく放射線の飛来方向及び放射線源の位置の解析方法の一例を説明するための模式図である。
図１１に示されるように、第１及び第２の検出部（イメージセンサ）を含む放射線検出装置が、ある放射線源ＲＳからの放射線ＧＲを受ける。
入射ガンマ線ＩＧが、第１の検出部１としてのイメージセンサ１０ｉに入射する。
入射ガンマ線ＩＧによるコンプトン散乱が、１回目のコンプトン散乱として、第１の検出部としてのイメージセンサ１０ｉによって検出される。１回目のコンプトン散乱が発生した位置（コンプトン散乱を検出したフォトダイオードの位置）Ｃ１が、フォトダイオードアレイ１２０のロウ及びカラムで示される位置情報（座標）として、取得される。
１回目のコンプトン散乱に起因した反跳電子ＳＥが生成する電荷が、反跳電子ＳＥが通過したフォトダイオードによって蓄積される。この結果として、反跳電子ＳＥの軌跡ＴＥが検出され、反跳電子ＳＥの軌跡ＴＥが、フォトダイオードアレイ１２０のロウ及びカラムで示される位置情報として、取得される。
散乱ガンマ線ＳＧは、入射ガンマ線ＩＧのエネルギーに応じた大きさの散乱角で、第１の検出部１に対して放射線源ＲＳの反対側に設けられた第２の検出部２（ここでは、イメージセンサ）に、入射する。
散乱ガンマ線ＳＧによって２回目のコンプトン散乱が、第２の検出部としてのイメージセンサ１０ｊによって検出され、２回目のコンプトン散乱が発生した位置（コンプトン散乱を検出したフォトダイオードの位置）Ｃ２が、フォトダイオードアレイ１２０のロウ及びカラムで示される位置情報として、取得される。
フォトダイオードアレイによって得られた信号が、イメージセンサから解析部３に出力され、解析部３は、１回目のコンプトン散乱の発生位置Ｃ１を示す位置情報、反跳電子の軌跡ＴＥを示す位置情報（例えば、軌跡の始点／終点）、及び、２回目のコンプトン散乱の発生位置Ｃ２を示す位置情報を、受信する。３つの位置情報（３つの座標）に基づいて、放射線の飛来方向の予測及び判別に用いられる算出平面ＲＰが、解析部３によって形成される。
例えば、１回目のコンプトン散乱の発生位置Ｃ１と反跳電子の軌跡（軌跡の終点）ＴＥとによって、第１の検出部１としてのイメージセンサのフォトダイオードアレイ１２０に対応する平面（以下では、フレームともよぶ）内に、直線Ａ１−Ｂ１が形成される。
第２の検出部２としてのイメージセンサ１０ｊのフォトダイオードアレイ１２０に対応する平面（フレーム）内に、直線Ａ２−Ｂ２が形成される。例えば、イメージセンサ１０ｊの直線Ａ２−Ｂ２は、イメージセンサ１０ｉの直線Ａ１−Ｂ１に対して平行な直線になっている。散乱ガンマ線ＳＧの散乱方向（散乱角の大きさ）に応じて、イメージセンサの主面に対して法線方向（チップの積層方向）における直線Ａ１−Ｂ１と直線Ａ２−Ｂ２との位置は、イメージセンサの主面に対して平行方向にずれる。この結果として、散乱ガンマ線ＳＧの散乱方向（散乱角の大きさ）に応じて、放射線検出装置の受光面（イメージセンサの主面）の法線方向において、算出平面ＲＰに傾きが生じる。
例えば、散乱ガンマ線ＳＧの散乱角が０°である場合、イメージセンサの主面に対して法線方向（イメージセンサの積層方向）において、１回目のコンプトン散乱の発生座標と２回目のコンプトン散乱の発生座標とが重なる位置となり、直線Ａ１−Ｂ１と直線Ａ２−Ｂ２とはイメージセンサの主面に対して法線方向において重なる。
散乱ガンマ線ＳＧの散乱角は、放射線の飛来方向の予測及び判別のための角度分解能に対応する。
３つの位置情報（３つの点）に基づいて計算された平面ＲＰは、２つのイメージセンサ１０ｉ，１０ｊのフォトダイオードアレイ１２０に設定された各直線Ａ１−Ｂ１，Ａ２−Ｂ２の一端及び他端の点Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２を頂点とする。
多重コンプトン散乱に関する３つの位置情報Ｃ１，Ｃ２，ＴＥに基づいた算出平面ＲＰを用いた画像処理（例えば、２次元化処理）が、解析部によって、実行される。画像処理された算出平面ＲＰが、放射線検出装置１０００の観測範囲に対応した放射線源ＲＳ側の２次元平面（以下では、観測平面又は解析画像ともよぶ）Ｓ１に、反映される。
算出平面ＲＰに対する画像処理の結果に基づいて、放射線源ＲＳ側の２次元平面Ｓ１内に、線状又は帯状の領域（以下では、予測領域とよぶ）ＲＲが、形成される。この予測領域ＲＲに示される範囲内に、多重コンプトン散乱を引き起こしたガンマ線ＩＧ，ＳＧを放出する放射線源ＲＳが存在する可能性が高いと、判別できる。例えば、予測領域ＲＲは、ある幅（線幅）の線状又は帯状の平面形状で示される。予測領域ＲＲの幅は、フォトダイオードのサイズに応じた第１及び第２の検出部１，２（イメージセンサ１０ｉ，１０ｊ）のフォトダイオードアレイの位置分解能によって、生じる。
ある観測対象の空間に対して、複数回の多重コンプトン散乱毎に算出平面ＲＰ及び領域ＲＲを計算し、複数の算出平面ＲＰ及び予測領域ＲＲを算出することによって、放射線ＧＲの飛来方向及び放射線源の位置ＲＳの特定の精度を向上できる。例えば、複数の予測領域ＲＲが交差する領域が、放射線源ＲＳが存在する可能性が高い領域（ホットスポット）と、判別される。
尚、第１の検出部としてのイメージセンサに入射されるガンマ線の入射方向（１回目のコンプトン散乱の発生位置Ｃ１）が同じであっても、そのガンマ線に起因する反跳電子の軌跡や散乱ガンマ線の散乱方向は、検出される多重コンプトン散乱毎に異なる。そのため、同じ方向から入射されたガンマ線に対応する算出平面ＲＰ及び予測領域ＲＰの形状は、放射線検出装置１０００の検出シーケンス及び解析シーケンス毎に異なる。
上述のように、散乱ガンマ線の散乱角は、入射ガンマ線のエネルギーに依存するため、入射ガンマ線のエネルギーをある範囲に仮定しておくことで、２回目のコンプトン散乱が発生する領域を、絞り込むことができる。この結果として、２回目のコンプトン散乱の検出の精度を向上でき、放射線源の飛来方向及び放射線源の位置の予測／判別を向上できる。
放射線検出装置（コンプトンカメラ）内に３以上の検出部を設けて、多重コンプトン散乱における連続した３回以上のコンプトン散乱の発生位置及び２つ以上の反跳電子の軌跡を検出することによって、入射されたガンマ線に対応する算出平面ＲＰ及び予測領域ＲＰを算出してもよい。
このように、本実施形態の放射線検出装置１０００によって、複数のイメージセンサから構成される検出部１，２によって、ガンマ線の飛来方向及び放射線源の位置を予測／特定できる。
＜検出条件＞
図１２を用いて、イメージセンサを放射線の検出部として用いた放射線検出装置における、放射線（放射線による散乱現象）の検出条件の一例について、説明する。
積層された複数のイメージセンサによってガンマ線によるコンプトン散乱を検出する場合、イメージセンサの１層あたりのコンプトン散乱の発生率は、０．１％程度である。例えば、１０層のイメージセンサによって多重コンプトン散乱を検出する場合、１０層のイメージセンサによる多重コンプトン散乱の検出率は、０．００１％程度である。
図１２を用いて、放射線源の吸収線量、イメージセンサに入射される光子数（放射線の本数）及びコンプトン散乱の検出回数との関係について、説明する。
図１２の（ａ）は、放射線源の吸収線量と放射線検出装置に入射される放射線との関係を示している。
ここでは、放射線が入射されるイメージセンサ（検出部）のフォトダイオードアレイの面積は、１ｃｍ×１ｃｍに設定される。フォトダイオードの深さは３μｍ程度に設定される。イメージセンサを形成するシリコン基板の厚さは、６０μｍ程度に設定される。６６２ｋｅＶの放射線（ガンマ線）に対する６０μｍの厚さを有するシリコンの透過率は、９９％程度である。放射線源の吸収線量は、１０μＳｖ／ｈとする。
図１２の（ａ）に示されるように、１０μＳｖ／ｈの吸収線量の放射線源を想定した場合において、フォトダイオードアレイ内に入射する光子数（ガンマ線）は、１秒当たり１０００（１×１０３）個であり、１分当たり６００００（６×１０４）個であるとする。放射線の受光時間（観測時間）が１０分間の場合において、入射光子数は６０００００（６×１０５）個、放射線の受光時間が６０分間（１時間）の場合において、入射光子数は３６０００００（３．６×１０６）個とする。
図１２の（ｂ）は、図１２の（ａ）の条件におけるイメージセンサの積層数と１回目のコンプトン散乱（１回散乱イベント）の検出回数との関係を示している。図１２の（ｃ）は、図１２の（ａ）の条件におけるイメージセンサの積層数と１本のガンマ線によって引き起こされた２回目のコンプトン散乱（２回散乱イベント）の検出回数との関係を示している。図１２の（ｂ）及び（ｃ）において、受光時間（放射線検出装置の計測時間）毎のコンプトン散乱の検出回数が示されている。
放射線の飛来方向及び放射線源の位置の予測／特定の精度を向上させるために、２回散乱イベントが１０回以上検出されることが望ましい。
図１２の（ｂ）及び（ｃ）に示されるように、図１２の（ａ）に示される放射線源の条件下において、１０層のイメージセンサを含む放射線検出装置の場合、受光時間（計測時間）が６０分間に設定されることよって、多重コンプトン散乱における１０回以上の２回散乱イベントを検出できる。
また、２０層のイメージセンサを含む放射線検出装置の場合、受光時間が１０分間以上に設定されることによって、１０回以上の２回散乱イベントを検出できる。第１及び第２の検出部１，２を構成するイメージセンサの積層数を増加させることによって、ある期間内の２回散乱イベントの検出回数を増加できる。
このように、放射線検出装置内のイメージセンサの積層数及び放射線の受光時間（計測時間）を適宜設定することによって、放射線の飛来方向及び放射線源の位置の判別のための精度を、向上できる。
なお、イメージセンサ内でのフォトダイオード以外におけるコンプトン散乱の発生を抑えるため、半導体基板におけるフォトダイオード以外の領域の厚さを薄くすることもできる。
尚、半導体基板の厚さに対するフォトダイオードの深さ（半導体基板の表面に対して垂直方向の寸法）の比率を大きくすることで、コンプトン散乱が検出されない不良を低減できる。例えば、６０μｍの厚さの半導体基板に対して、フォトダイオードの深さが１０μｍ程度のフォトダイオードが形成された場合、フォトダイオードの深さが３μｍの場合に比較して、１層あたりのコンプトン散乱の検出率は、３倍程度になる。
また、半導体基板１５０の厚さを薄くすることによって、コンプトン散乱の検出に寄与しない半導体領域が削減されれば、フォトダイオードの外部におけるコンプトン散乱の発生を低減できる。但し、半導体基板の厚さに対するフォトダイオードの相対的なサイズを維持又は大きくするために、半導体基板の厚さを薄くしても、半導体基板の表面に対して垂直方向におけるフォトダイオードのサイズ（例えば、１〜２μｍ）は、小さくしないことが好ましい。
尚、各イメージセンサの半導体基板の表面上における多層配線構造（配線層）の全体の厚さは、数μｍ程度であり、各イメージセンサのシリコン層の厚さより小さい。高いエネルギーのガンマ線によって引き起こされる物理現象は、コンプトン散乱が支配的である。多層配線構造内の金属層の膜厚はシリコン層の膜厚に比較して十分小さいため、金属層においてコンプトン散乱が発生する可能性は小さい。それゆえ、金属層内で発生したコンプトン散乱が、フォトダイオードによる多重コンプトン散乱の検出に悪影響を及ぼす可能性は小さい。
このように、検出部を形成するイメージセンサの積層数を調整したり、イメージセンサを形成する半導体基板１５０の厚さを薄くしたりすることによって、検出されないコンプトン散乱の影響をさらに低減できる。
以上のように、多重コンプトン散乱を検出するための構成及び条件を適宜設定することによって、コンプトン散乱の検出不良又は誤検出などに起因する悪影響が、放射線の飛来方向及び放射線源の位置を算出するための処理に及ぶのを、低減できる。
したがって、本実施形態の放射線検出装置は、多重コンプトン散乱の発生位置及び放射線の飛来方向及び放射線源の位置を、予測／判別できる。
（ｃ） 動作
図１３及び図１４を参照して、第１の実施形態の放射線検出装置の動作（放射線の検出方法）について、説明する。尚、ここでは、図１乃至図１２も適宜用いて、第１の実施形態の放射線検出装置の動作について、説明する。
図１３は、第１の実施形態の放射線検出装置の動作を説明するためのフローチャートである。図１４は、第１の実施形態の放射線検出装置の動作の一例を説明するための図である。
例えば、図１１に示されるように、放射線源ＲＳが、観測対象空間に存在した場合、放射線源ＲＳからのガンマ線ＧＲが、放射線検出装置１０００に入射される。
放射線検出装置１０００が含む複数（ｎ個、例えば、ｎ＝２０）のイメージセンサのうちいずれか１つ（ここでは、ｉ番目とする）のイメージセンサ１０ｉで、入射ガンマ線ＩＧによる１回目のコンプトン散乱（相互作用）が発生する。
図１３に示されるように、入射ガンマ線ＩＧによる１回目のコンプトン散乱が、ｉ番目のイメージセンサ１０ｉによって検出される（ステップＳＴ１）。
第１の検出部１としてのイメージセンサ１０ｉのフォトダイオードアレイ１２０において、コンプトン散乱が発生した位置Ｃ１に存在するフォトダイオード５が、コンプトン散乱の反跳電子ＳＥによって発生した電荷を、捕獲及び蓄積する。
上述のように、コンプトン散乱によって、散乱ガンマ線ＳＧと反跳電子ＳＥとが発生する。反跳電子ＳＥは、電子−正孔対を生成しながら、イメージセンサ１０ｉのフォトダイオードアレイ１２０内を移動する。
反跳電子ＳＥが通過したフォトダイオード５内に、反跳電子ＳＥに起因した電荷が捕獲及び蓄積される。この結果として、コンプトン散乱が発生した位置Ｃ１のフォトダイオードだけでなく、反跳電子ＳＥが通過したフォトダイオードも、電荷を蓄積される。
これによって、第１の検出部１としてのｉ番目のイメージセンサ１０ｉによって、フォトダイオードアレイ１２０内における入射ガンマ線ＩＧによる１回目のコンプトン散乱が発生した位置情報（座標）Ｃ１と、１回目のコンプトン散乱によって発生した反跳電子ＳＥの軌跡ＴＥの位置情報（例えば、軌跡の始点、中間点又は終点の座標）を取得する。
１回目のコンプトン散乱によって発生した散乱ガンマ線ＳＧは、入射ガンマ線ＩＧのエネルギーの大きさに応じた散乱角を有して、イメージセンサ１０ｉより下方のイメージセンサへ伝搬する。
散乱ガンマ線ＳＧに起因する２回目のコンプトン散乱が、１回目のコンプトン散乱が発生したイメージセンサより下方のｊ番目のイメージセンサ内で発生した場合、１回目のコンプトン散乱に連続した２回目のコンプトン散乱が、第２の検出部２としてイメージセンサ１０ｊによって検出される（ステップＳＴ２）。
２回目のコンプトン散乱が発生したイメージセンサ１０ｊ内において、コンプトン散乱に起因する電荷が、フォトダイオードアレイ１２０内の２回目のコンプトン散乱が発生した位置Ｃ２に存在するフォトダイオード５に捕獲及び蓄積される。
これによって、第２の検出部２としてのｊ番目のイメージセンサ１０ｊによって、フォトダイオードアレイ１２０内における散乱ガンマ線ＳＧによる２回目のコンプトン散乱が発生した位置情報（座標）Ｃ２を取得する。
尚、ガンマ線（光子）は光速で複数のイメージセンサ１０から構成される第１及び第２の検出部１，２内を伝搬するため、多重コンプトン散乱における１回目及び２回目のコンプトン散乱の検出は、イメージセンサの動作サイクル（例えば、０．０１秒の平均検出期間）を考慮すると、実質的に同時のタイミングで生じている。
このように、第１及び第２の検出部としてのイメージセンサによって、ある多重コンプトン散乱に関する１回目及び２回目のコンプトン散乱の発生位置Ｃ１，Ｃ２及び反跳電子の軌跡が検出される。
所定の制御及びタイミングで、フォトダイオードが保持している信号が、ノイズ除去回路などに出力され、イメージセンサ１０の検出結果が、第１及び第２の検出部１，２としてのイメージセンサ１０から解析部（画像処理回路）３へ転送される。尚、コンプトン散乱の発生位置Ｃ１，Ｃ２及び反跳電子ＳＥの軌跡ＴＥを示す位置情報は、フォトダイオードアレイのロウ及びカラムの情報とフォトダイオードが蓄積した電荷量に対応する電気信号の大きさとによって、判別できる。
このように、第１及び第２の検出部１，２としてのイメージセンサ１０によって、放射線検出装置１０００の積層されたイメージセンサ１０内における多重コンプトン散乱に関する３次元の位置情報を取得することができる。
ガンマ線の飛来方向を解析するための計算処理が、１回目のコンプトン散乱の発生位置Ｃ１、反跳電子ＳＥの軌跡ＴＥ及び２回目のコンプトン散乱の発生位置Ｃ２をそれぞれ示す情報に基づいて、解析部３によって実行される（ステップＳＴ３）。
１回目のコンプトン散乱の発生位置Ｃ１、反跳電子ＳＥの軌跡ＴＥ及び２回目のコンプトン散乱の発生位置Ｃ２を用いて、ガンマ線の飛来方向を含む算出平面ＲＰが、解析部３によって算出される。例えば、算出平面ＲＰは、イメージセンサ１０の積層構造に対応する３次元の空間内に形成される２次元の平面である。
このように、第１及び第２の検出部１，２としての積層されたイメージセンサ１０によって得られた３つの情報を用いて、観測対象空間における放射線の飛来方向及び放射線源の位置を予測するための算出平面ＲＰが、得られる。
尚、１回目のコンプトン散乱の発生位置Ｃ１及び反跳電子ＳＥの軌跡ＴＥが検出されたとしても、１回目のコンプトン散乱に対応する散乱ガンマ線ＳＧによる２回目のコンプトン散乱が検出されない場合がある。例えば、各イメージセンサからの出力結果に基づいて、解析部３が計算処理の要否を判定する。各イメージセンサからの出力結果（例えば、各フォトダイオードアレイのロウ／カラムの情報の重ね合わせ）に基づいて、解析部３が、あるイメージセンサによって検出された１回目のコンプトン散乱に続く２回目のコンプトン散乱があるイメージセンサより下層のイメージセンサによって検出されていないと判別した場合、解析部３は、ガンマ線の飛来方向を解析するための計算処理を実行しない。これによって、放射線源の飛来方向を含む算出平面ＲＰの計算結果が得られない処理を削減でき、放射線検出装置のシステムエラーや解析部３に生じる負荷を低減できる。
放射線の飛来方向及び放射線源の位置の判別の精度を向上させるために、１つの観測対象空間に対して、多重コンプトン散乱及び反跳電子ＳＥの軌跡から得られる算出平面ＲＰが、複数個、算出されることが好ましい。
例えば、多重コンプトン散乱の検出回数、又は、算出平面ＲＰの個数が、あらかじめ設定されたしきい値以上であるか否か、解析部３によって判定される（ステップＳＴ４）。
多重コンプトン散乱の検出回数又は算出平面の計算回数がしきい値より小さい場合、上述のステップＳＴ１からステップＳＴ３の動作が、再び実行される。そして、検出回数又は計算回数がしきい値以上になるまで、繰り返される。
これによって、ある計測対象空間に対して、複数の算出平面ＲＰが算出される。このように、１つの観測対象空間に対して複数回の解析処理（算出平面の計算）が実行されることによって、放射線の飛来方向及び放射線源の位置の予測／判別の精度を向上できる。
尚、上述のように、多重コンプトン散乱の発生位置及び反跳電子ＳＥの軌跡ＴＥは、同じ放射線源からのガンマ線であっても、検出された多重コンプトン散乱毎に異なる可能性がある。そのため、解析結果毎に、算出平面ＲＰの形状が異なる場合がある。
例えば、図１４の（ａ）に示されるように、変換処理されたガンマ線の飛来方向を含む平面ＲＰが、２次元像４９０上に、第１及び第２の検出部１，２のフォトダイオードアレイの位置分解能（フォトダイオードのサイズ）に応じた複数の帯状（又は線状）の予測領域ＲＲとして示される。
図１４の（ｂ）に示されるように、複数の帯状の予測領域ＲＲが重なった領域ＲＡが、ガンマ線の飛来方向である可能性が高い。複数の帯状の予測領域ＲＲが重なった領域ＲＡが、放射線の飛来方向及び観測対象空間における放射線源ＲＳが存在する位置（存在領域）ＲＡとして、解析部３によって、判別される。
多重コンプトン散乱及び反跳電子の軌跡を用いた放射線の飛来方向及び放射線の位置の計算結果が、放射線検出装置の外部に出力され、放射線源の位置が、ユーザーに認識される。
以上のステップＳＴ１〜ＳＴ５によって、放射線検出装置による放射線の飛来方向及び放射線の位置の判別が、終了する。
以上のように、第１の実施形態の放射線検出装置及び放射線の検出方法によって、ある空間における放射線の飛来方向及び放射線源の位置を、予測又は判別できる。
本実施形態は、複数のイメージセンサを用いた多重コンプトン散乱及び反跳電子の検出によって、装置に対する放射線の飛来方向及びある空間における放射線源の位置を、予測又は判別する。
本実施形態によれば、放射線のエネルギーを用いずに、放射線の飛来方向及び放射線源の位置を解析できる。それゆえ、放射線のエネルギーを高い精度で検出するための構成及び機能を装置内に設けずに、イメージセンサのような比較的安価なシリコンデバイスで、放射線（及びコンプトン散乱）の検出部を、形成できる。このように、放射線（コンプトン散乱）の検出部が複数のイメージセンサによって形成できることによって、低コストの放射線検出装置を提供できる。
放射線及び多重コンプトン散乱の第１及び第２の検出部１，２がイメージセンサによって形成されることによって、放射線検出装置１０００を小型化できる。
このように、新規の放射線の検出方法（放射線の飛来方向及び放射線源の予測／特定方法）を用いることによって、新規の放射線検出装置を提供できる。
以上のように、本実施形態によれば、比較的低コストで、小さいサイズの放射線検出装置を提供でき、その装置によって、放射線及び放射線源を検出できる。
（Ｃ） 第２の実施形態
図１５乃至図１７を参照して、第２の実施形態の放射線検出装置について、説明する。
ここでは、説明の簡略化のため、第１の実施形態で述べた構成は同一符号を付し、それらの機能及び動作に関して実質的に同じ説明は省略する。
図１５乃至図１７は、第２の実施形態の放射線検出装置の複数の構成例を模式的に示す鳥瞰図である。尚、図１５乃至図１７において、第２の実施形態の放射線検出装置の主要部を抽出して、図示している。
第１の実施形態で述べたように、第１の検出部１は、多重コンプトン散乱における１回目のコンプトン散乱の発生位置と、そのコンプトン散乱により発生した反跳電子の軌跡を検出する。第２の検出部２は、１回目のコンプトン散乱により発生した散乱ガンマ線による２回目のコンプトン散乱の発生位置を検出できればよく、反跳電子の軌跡を検出せずともよい。
それゆえ、図１５乃至図１７に示されるように、第２の検出部２Ｘ，２Ｙ，２Ｚは、その放射線検出領域に対する放射線（ガンマ線）が入射した位置を検出できるデバイスであれば、イメージセンサ以外でもよい。また、このときコンプトン散乱だけでなく、検出デバイスによっては光電効果（光電吸収）による相互作用によって発生した電荷の検出をすることで、散乱ガンマ線の入射位置を検出することができる。
例えば、１回目のコンプトン散乱後の散乱ガンマ線の入射位置の検出率を向上させるために、イメージセンサ１０に比較してガンマ線の検出率が高いデバイスが、第２の検出部２Ｚとして、用いられる。
例えば、第２の実施形態の放射線検出装置の第２の検出部２として、ストリップ型のガンマ線検出デバイス、ピクセル型のガンマ線検出デバイス、又は、シンチレータを含むガンマ線検出デバイス等が用いられる。
図１５は、ストリップ型のガンマ線検出デバイスの構造例を示す模式図である。
図１５に示されるように、ストリップ型（例えば、クロスストリップ型）のガンマ線検出デバイス２Ｘは、Ｙ方向に延在する複数の検出素子（ストリップ）２１と、Ｘ方向に交差（直交）する方向に延在する複数の検出素子（ストリップ）２２とを有している。各ストリップ２１，２２は、直線状の平面形状を有している。各ストリップ２１，２２は、半導体基板２０内に設けられた半導体領域である。
半導体基板２０の主面に対して垂直方向において、Ｙ方向に延在するストリップ２１は、Ｘ方向に延在するストリップ２２と異なる高さに設けられている。Ｙ方向に延在するストリップ２１とＸ方向に延在するストリップ２２は、半導体基板２０の主面に対して垂直方向において、互いに交差している。
図１６は、ピクセル型のガンマ線検出デバイスの構造例を示す模式図である。
図１６に示されるように、ピクセル型のガンマ線検出デバイス２Ｙは、基板２０内においてＸ方向及びＹ方向に沿って２次元に配列された、複数の矩形状の検出素子２５を有する。
ストリップ型及びピクセル型のガンマ線検出デバイス２Ｘ，２Ｙの検出素子２１，２２，２５は、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、テルル化カドニウム（ＣｄＴｅ）、テルル化カドニウム亜鉛（ＣｄＺｎＴｅ）等を用いて、形成される。例えば、ストリップ型ガンマ線検出デバイス２Ｘにおいて、Ｓｉのストリップ２１，２２は、１００μｍ程度の膜厚を有する。ＣｄＴｅのストリップ２１，２２は、５００μｍ程度の膜厚を有する。
Ｇｅ、ＣｄＴｅ又はＣｄＺｎＴｅ等を用いて、ストリップ型及びピクセル型のガンマ線検出デバイスを形成することによって、ガンマ線の検出感度を、ＣＭＯＳイメージセンサよりも高くできる。
例えば、ピクセル型のガンマ線検出デバイス２Ｙがシリコンを用いて形成される場合、アバランシェフォトダイオード（Avalanche Photo Diode）やＳｉＰＭ（Silicon Photomultiplier）などが用いられる。
これらのストリップ２１，２２やアバランシェフォトダイオード２５によって、ガンマ線が検出される。
ストリップ型及びピクセル型のガンマ線検出デバイス２Ｘ，２Ｙにおいて、互いに隣り合う検出素子間の間隔（ピッチ）は、イメージセンサのフォトダイオード（単位セル）間の間隔より大きい。例えば、ストリップ型ガンマ線検出デバイス２Ｘにおいて、基板表面に対して平行方向に隣り合うストリップ２１間の間隔は、４００μｍから１ｍｍ程度に設定されている。
例えば、ストリップ型及びピクセル型のガンマ線検出デバイス２Ｘ，２Ｙにおいて、ガンマ線を検出するための素子の面積は、イメージセンサのフォトダイオードの面積より大きい。ストリップ型及びピクセル型のガンマ線検出デバイス２Ｘ，２Ｙが含むガンマ線を検出するための素子数は、イメージセンサ内に設けられるフォトダイオードの素子数より、少ない。ストリップ型及びピクセル型のガンマ線検出デバイス２Ｘ，２Ｙの画素数は、イメージセンサの画素数より少ない。例えば、ストリップ型又はピクセル型のガンマ線検出デバイス２Ｘ，２Ｙの分解能は、１６Ｋ（１２８×１２８）画素程度である。
このようなストリップ型及びピクセル型のガンマ線検出デバイス２Ｘ，２Ｙによって、ＣＭＯＳイメージセンサ（フォトダイオード）よりもガンマ線の検出感度を向上できる。この結果として、放射線検出装置における散乱ガンマ線の入射位置の検出率を向上できる。
図１７に示されるように、ガンマ線検出デバイスの検出素子２５上に、シンチレータ２７が設けられてもよい。
シンチレータ２７は、入射された放射線に対して高い感度で光る（蛍光する）。
ガンマ線及びガンマ線に起因したシンチレータ２７の高感度の発光が、その下層の検出素子２５によって検出される。この結果として、第２の検出部２Ｚにおけるガンマ線の検出感度が向上する。
例えば、シンチレータ２７が、ストリップ型又はピクセル型の検出デバイスに組み合わせられる場合、シンチレータ２７の材料として、ＮａＩ、ケイ酸ガドリニウム（ＧＳＯ）、ゲルマニウム酸ビスマス（ＢＧＯ）、ケイ酸ルテチウム（ＬＳＯ）等が用いられる。
図１５乃至図１７のいずれかの放射線検出装置よって放射線源の位置が判別される場合積層された複数のイメージセンサによって１回目のコンプトン散乱が検出され、イメージセンサより高感度のガンマ線検出デバイス２Ｘ，２Ｙ，２Ｚによって、散乱されたガンマ線の入射位置が検出される。
放射線検出装置の第２の検出部に、イメージセンサと異なる放射線検出デバイスが用いられた場合においても、第２の実施形態の放射線検出装置は、第１の実施形態と実質的に同様の動作によって、放射線の飛来方向及び放射線源の位置を、予測及び判別できる。
第２の実施形態の放射線検出装置によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られるとともに、１回目のコンプトン散乱で散乱されたガンマ線の入射位置が、イメージセンサより高い感度で検出されるため、放射線検出装置に対するガンマ線の入射方向を算出する時間を、短縮できる。
（Ｄ） 応用例
図１８乃至図２３を参照して、実施形態の放射線検出装置の応用例について、説明する。本実施形態において、第１及び第２の実施形態と同じ構成部材及び動作に関する説明は、必要に応じて行う。
（１） 構造
図１８及び図１９を用いて、実施形態の放射線検出装置の応用例について説明する。図１８は、本実施形態の放射線検出装置の応用例の構造を模式的に示す鳥瞰図である。図１９は、本実施形態の放射線検出装置の応用例の構成例を示すブロック図である。尚、ここでは、第１の実施形態における第１及び第２の検出部が用いられているが、第２の実施形態における第１及び第２の検出部が用いられてもよい。
実施形態の放射線検出装置によって得られた放射線源の位置を、放射線源を含む空間の可視光の画像上に、表示されることによって、ある空間における放射線源の位置を、ユーザーが認識し易くなる。
このため、放射線源を含む空間を撮影するための撮像デバイスを含むように、実施形態の放射線検出装置が構成される。
図１８及び図１９に示されるように、空間（被写体）を撮影するための撮像デバイス４が、本実施形態の放射線検出装置１０００のイメージセンサ１０を含む検出部１，２と同じ支持基板９上に、設けられる。
ある空間ＯＪを撮影するための撮像デバイス４は、可視光を光電変換することによって可視光の画像を形成する。撮像デバイス４は、例えば、イメージセンサである。
例えば、空間を撮影するためのイメージセンサ４が、ＣＭＯＳイメージセンサである場合、そのイメージセンサ４は、図５に示される構成に類似した構成を有する。
以下では、説明の区別化のため、撮像デバイスとしてのイメージセンサのことを、可視光センサとよび、可視光センサが含むフォトダイオードアレイのことを、画素アレイとよぶ。
可視光センサは、半導体チップの主面に対して垂直方向において画素アレイと重なる位置に、カラーフィルタＣＦ及びマイクロレンズＭＬが設けられている。カラーフィルタＣＦ及びマイクロレンズＭＬは、画素アレイ１２０の光の受光面側に設けられている。
各色の色素膜に対応するフォトダイオードが、放射線源を含む可能性がある空間ＯＪからの光（可視光）ＶＬを光電変換し、光電変換された各色成分に対応する電気信号が生成される。画素アレイから出力された電気信号は、ＡＤ変換やＣＤＳ処理がノイズ除去回路によって施され、ノイズが除去される。
図１８及び図１９に示されるように、ＣＭＯＳイメージが取得した電気信号は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）やＩＳＰ(Image Signal Processor)が含まれるＬＳＩ４１などによって処理され、観測及び撮影された空間（放射線源ＲＳが存在する可能性がある空間）ＯＪの画像が形成される。例えば、ＬＳＩ４１は、可視光センサ４と支持基板９との間に設けられてもよいし、可視光センサ４の画素アレイと同じ半導体基板内に形成されていてもよい。
画像合成部４２が、計算された放射線の飛来方向及び放射線源の位置と撮影された空間の画像とを重ね合わせる。画像合成部４２は、解析部３又はＬＳＩ４１内に、設けられてもよいし、解析部３及びＬＳＩ４１とは別途のチップとして、支持基板９上に設けられてもよい。
放射線の位置（放射線の飛来方向）と空間の可視光の画像とを重ね合わせた画像データ（以下では、合成画像データとよぶ）が、表示部４３（例えば、液晶ディスプレイ）上に、表示される。これによって、撮影された空間内における放射線源の位置が、ユーザーに認知されるように、画像上に示される。
このように、本実施形態の放射線検出装置１０００によって得られた放射線源の飛来方向及び放射線源の位置と観測対象とした空間の可視光の画像データとが合成されることによって、放射線源の飛来方向及び放射線源の位置を、視覚化できる。
尚、イメージセンサから形成される第１の検出部１が、被写体の画像を撮影する撮像デバイスとしての機能を有していてもよい。例えば、複数のイメージセンサのうち最上層のイメージセンサ（１番目のイメージセンサ）に、可視光を光電変換可能なように、カラーフィルタ及びマイクロレンズが取り付けられる。これによって、最上層のイメージセンサが、放射線センサ（検出部）としての機能を有するとともに、可視光センサ（撮像デバイス）としての機能を有する。
観測対象の空間の撮影用の可視光センサ４は、放射線検出装置１０００と同じ支持基板９上に設けられてもよいし、放射線検出装置１０００とは異なる基板上に設けられてもよい。可視光センサ４のチップが、第１及び第２の検出部１，２の積層構造上に、積層されてもよい。可視光センサが、第１の検出部１上に積層されることによって、支持基板９上における放射線検出装置の占有面積を小さくできる。可視光センサ４は、例えば、ＣＣＤイメージセンサや裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサのように、第１の検出部１としてのイメージセンサと異なる構成を有するイメージセンサでもよい。可視光の画像データと放射線源の位置の重ね合わせを考慮すると、可視光センサ４は、検出部としてのイメージセンサと画素数及び画像サイズを有していることが好ましい。
ＬＳＩ４１、画像合成部４２及び表示部４３は、放射線検出装置１０００及び可視光センサ４とは別途の装置（例えば、コンピュータ）に搭載されてもよい。
（２）動作
図２０及び図２１を用いて、実施形態の放射線検出装置の応用例の動作について、説明する。実施形態の放射線検出装置の応用例の動作を説明するために、図１８及び図１９も適宜用いる。尚、説明の簡略化のため、本応用例における上述の実施形態の放射線装置の動作と実質的に同じ動作は、必要に応じて説明する。
図２０は、本応用例の放射線検出装置の動作の一例を示すフローチャートを示している。図２１は、本応用例の放射線検出装置の動作の一例を説明するための図である。
放射線源からのガンマ線が、第１及び第２の検出部を含む放射線検出装置１０００に入射される。それとともに、放射線源を含む被写体からの光が、撮像デバイスとしてのイメージセンサに入射される。
図２０及び図２１に示されるように、図１３及び図１４を用いて説明した動作と実質的に同様の動作に、多重コンプトン散乱における１回目のコンプトン散乱の発生位置、反跳電子の軌跡及び２回目のコンプトン散乱の発生位置が、第１及び第２の検出部１，２によって、検出される（ステップＳＴ１〜ＳＴ４）。複数回実行されたイメージセンサによる多重コンプトン散乱の検出結果に対する計算処理によって、放射線の飛来方向及び放射線源の位置が、図２０に示されるように、予測及び判別される（ステップＳＴ５）。
図２０及び図２１に示されるように、第１及び第２の検出部１，２による多重コンプトン散乱の検出及びその計算処理と平行して、放射線検出装置１０００が観測対象としている空間の可視光の画像が、可視光センサ４によって、形成される（ステップＳＴ１０）。
可視光センサ４の画素アレイ内のフォトダイオードによって、被写体からの光が光電変換される。光電変換された信号（信号電荷）が、画素アレイのロウ単位で、各フォトダイオードから所定の動作で読み出される。ノイズ除去などの処理が施された信号データが、可視光センサ４からＬＳＩ４１に出力される。
可視光センサ４からの１フレーム分の信号に基づいて、撮影された観測対象空間の画像が、ＬＳＩ４１によって形成される。
放射線検出装置１０００によって解析された観測対象空間の放射線源の位置と可視光センサが取得した観測対象空間の画像との重ね合わせ処理（合成処理）が、実行される（ステップＳＴ１１）。
図２０に示されるように、第１及び第２の検出部１，２による多重コンプトン散乱及び反跳電子の軌跡の検出結果が、解析部３によって解析される。解析結果が、帯状又は線状の予測領域ＲＲとして、２次元の解析画像（観測平面）４９０上に示される。また、観測空間の画像データ４００が、可視光センサ４及びＬＳＩ４１によって、形成される。
解析部３によって形成される解析画像４９０は、可視光センサ４によって形成される画像（可視光画像）４００のスペック（例えば、フレームサイズ、視野角、解像度）に対応するように、形成される。
解析画像４９０と可視光画像４００とが、画像合成部４２によって重ね合わせ処理される。図１３を用いて説明したように、予測領域ＲＲが交差する位置（判別領域）ＲＡに、放射線検出装置によって判別された放射線源が存在する可能性が高い。
図２１に示されるように、放射線源が存在する可能性が高い位置ＲＡがマーク化され、そのマークＲＳが、可視光画像４００上に示される。
画像４９０，４００の合成結果が画像合成部４２から表示部４３に出力され、放射線源の位置を示すマークＲＳを含む画像４０１が、表示部４３として液晶ディスプレイ上に表示される。
なお、観測空間内に放射線源が無い場合（又は、放射線強度が装置の計測限界より小さい場合）には、放射線源の位置を示すマークは、ディスプレイ上に表示されない。
以上のように、実施形態の応用例の放射線検出装置は、ある観測空間内において判別された放射線の飛来方向及び放射線源の位置を、ある観測空間の可視光の画像データ上にできる。
したがって、実施形態の応用例の放射線検出装置によれば、放射線の飛来方向及び放射線源の位置を画面上に表示することによって、目視することが困難な放射線の飛来方向及び放射線源の位置を、視覚化できる。
（Ｅ） 変形例
図２２及び図２３を参照して、本実施形態の放射線検出装置の変形例について説明する。
＜変形例１＞
図２２は、本実施形態の放射線検出装置の変形例を示す模式的な鳥瞰図である。
１つの支持基板９上に、第１及び第２の検出部１，２を含む積層構造２００が、支持基板９の表面に対して平行方向に隣り合うように、複数個設けられてもよい。
解析部３は、第１及び第２の検出部の積層構造２００ごとに、設けられてもよい。１つの解析部３が、複数の積層構造２００によって共有されてもよい。
本変形例のように、支持基板９表面に対して平行方向に配列された複数の積層構造２００から１つの放射線検出装置が形成されることによって、広い範囲から放射線ＧＲを受光できる。この結果として、ある計測期間において１つの放射線検出装置が計測可能な空間を拡大でき、広い空間における放射線の飛来方向及び放射線源の位置を特定できる。
＜変形例２＞
本実施形態の放射線検出装置１０００を用いて、所定の受光期間内において検出されたコンプトン散乱の回数を、カウントすることによって、放射線源から発生している放射線の強度を測定することも可能である。
本実施形態の放射線検出装置１０００は、第１及び第２の検出部１，２を構成するイメージセンサ内で発生するコンプトン散乱の発生回数をカウントすることによって、放射線検出装置１０００に入射されるガンマ線の本数（光子の個数）を検出することもできる。
例えば、放射線検出装置１０００に入射されるガンマ線の本数の検出は、１つのイメージセンサ（例えば、最上層のイメージセンサのチップ）内で生じるコンプトン散乱の発生回数をカウントすることによって、実行されてもよいし、放射線検出装置１０００内の２以上のイメージセンサ内で生じるコンプトン散乱の発生回数に対して演算処理を施すことによって、実行されてもよい。但し、多重コンプトン散乱の発生と検出期間とを考慮して、放射線の強さを測定するために用いられるイメージセンサ１０の個数が、設定されることが好ましい。
本実施形態の放射線検出装置１０００を用いて、放射線源／放射線の強度を測定する場合、解析部３は、コンプトン散乱の発生回数と放射線の強度とが関連付けられた数値テーブルに基づいて、放射線の強度を算出する。放射線源の強度を求めるための数値テーブルは、例えば、解析部３内の記憶領域内に、一時的又は不揮発に記憶されてもよいし、装置１０００の外部の記憶装置（ＨＤＤ、ＳＳＤ、メモリカードなど）に記憶されていてもよい。放射線の強度を判別するための数値テーブルは、放射線源の核種毎に設けられてもよい。
このように、本実施形態の放射線検出装置１０００は、コンプトン散乱の発生回数に基づいて、放射線の飛来方向及び放射線源の位置の判別に加えて、所定の空間の放射線量及び放射線源の強度を測定できる。
＜変形例３＞
図２３は、本実施形態の放射線検出装置の変形例の一例を示す模式図である。
図２３の放射線検出装置は、イメージセンサを含む第１及び第２の検出部とともに、距離測定センサ４Ｚを含む。距離測定センサ４Ｚは、観測対象の空間（放射線源）と放射線検出装置１０００との距離を測定する。例えば、距離測定センサ４Ｚは、赤外線照明（例えば、赤外線レーザ）４４０と、赤外線センサ４４１とを含む。赤外線照明４４０は、観測対象空間（被写体）に向けて赤外線を照射する。赤外線センサ４４１は観測対象空間で反射された赤外線の大きさを検出し、参照値と検出された赤外線の大きさとを比較する。これによって、放射線検出装置と観測対象空間との距離が測定される。
上述のように、実施形態の放射線検出装置は、検出部内で発生したコンプトン散乱のカウントに基づいて放射線源の強度を計測でき、計測値から放射線源の吸収線量（単位：Ｓｖ／ｈ）を求めることができる。距離測定センサ４Ｚによって測定された放射線源と放射線検出装置１０００との距離を用いて、放射線源の計測単位を“Ｓｖ／ｈ（シーベルト）”から“Ｂｑ（ベクレル）”に変換できる。これによって、ある核種を想定した放射線源の放射性物質の量（放射能）を求めることができる。
（Ｄ） その他
上述した各例の放射線検出装置は、モジュール化されてもよい。
上述のように、本実施形態の放射線検出装置１０００は、１以上のイメージセンサを放射線の検出部として含む。それゆえ、イメージセンサの検出部を、図１８及び図１９の可視光の画像を形成するためのイメージセンサ４及びＤＳＰ等を含んだＬＳＩ４１などと同じ支持基板上に搭載できる。
例えば、本実施形態の放射線検出装置は、デジタルカメラやカメラ付き携帯電話内に搭載されてもよい。また、本実施形態の放射線検出装置は、デジタルカメラやカメラ付き携帯電話に着脱可能な外部ユニットとして、提供されてもよい。
このように、本実施形態の放射線検出装置を含むモジュールを提供できる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１：第１の検出部、２，２Ｘ，２Ｙ，２Ｚ：第２の検出部、３：解析部、１０：イメージセンサ、５：フォトダイオード、１２０：フォトダイオードアレイ（画素アレイ）。

Claims (8)

  1. 基板上に設けられ、外部からの入射放射線が入射され、半導体からなる複数の第１の光電変換素子がマトリクス状に配列された第１の放射線入射領域を有する半導体チップを１以上含み、前記第１の放射線入射領域内における前記入射放射線による第１の相互作用の発生位置と前記第１の放射線入射領域内における前記第１の相互作用により発生した反跳電子の散乱方向とを、前記複数の第１の光電変換素子によって検出する第１の検出部と、
    前記基板と前記第１の検出部との間に設けられ、前記第１の相互作用に起因した散乱放射線が入射される第２の放射線入射領域を含み、前記第２の放射線入射領域内における前記散乱放射線による第２の相互作用の発生位置を検出する第２の検出部と、
    を具備し、
    前記第１の相互作用の発生位置は、前記複数の第１の光電変換素子のうち前記第１の相互作用が発生した素子の座標から特定され、
    前記反跳電子の移動方向は、前記反跳電子が移動した前記複数の第１の光電変換素子のうち２以上の素子の座標から特定され、
    前記第２の相互作用の発生位置は、前記第２の相互作用が発生した前記第２の放射線入射領域内の座標から特定され、
    前記第１の相互作用の発生位置、前記第２の相互作用の発生位置、及び、前記反跳電子の移動方向から得られる第１の面に基づいて、観測対象の空間における前記入射放射線を放出する放射線源の位置を計算する、
    ことを特徴とする放射線検出装置。
  2. 前記第２の検出部は、１以上の半導体チップを含み、
    複数の第２の光電変換素子が、前記第２の放射線入射領域内に、マトリクス状に配列されている、
    ことを特徴とする請求項１に記載の放射線検出装置。
  3. 前記第２の検出部は、複数の放射線検出素子を有する放射線検出デバイスを含む、
    ことを特徴とする請求項１に記載の放射線検出装置。
  4. 前記観測対象の空間の可視光の画像を撮影する可視光センサと、
    前記放射線源の位置が前記可視光の画像上に表示されるように、前記放射線源の位置の計算結果と撮影された前記可視光の画像とを合成する画像合成部と、
    をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の放射線検出装置。
  5. 前記第１及び第２の検出部は、入射光を光電変換し、発生した電荷を蓄える画素セルがマトリクス状に配列されたイメージセンサであることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出装置。
  6. 前記第１の検出部は入射光を光電変換し、発生した電荷を蓄える画素がマトリクス状に配列されたイメージセンサであり、前記第２の検出部はガンマ線検出デバイスであることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出装置。
  7. 支持基板上に複数段積層され、入射光を光電変換し、発生した電荷を蓄える複数の画素セルがマトリクス状に配列された第１及び第２のイメージセンサチップを含む複数のイメージセンサチップと、
    前記第１のイメージセンサチップに入射された第１の放射線による第１のコンプトン散乱により発生した第１の反跳電子によって生成された電荷を蓄えた画素セルの座標により特定される前記第１のコンプトン散乱の発生位置と、前記第１のイメージセンサチップ内を移動する前記第１の反跳電子から発生した電荷を蓄えた２以上の画素セルの座標により特定される前記第１の反跳電子の移動方向と、前記第１のコンプトン散乱により発生した第２の放射線が前記第２のイメージセンサチップへ入射したことによる第２のコンプトン散乱により発生した第２の反跳電子によって生成された電荷を蓄えた画素セルの座標により特定される前記第２のコンプトン散乱の発生位置と、から得られる第１の面を計算し、前記第１の面に対する処理に基づいて前記第１の放射線の発生位置を解析する解析部と、
    を具備する放射線検出装置。
  8. 外部からの入射放射線が入射された第１の検出部内のマトリクス状に配列された半導体からなる複数の光電変換素子を含む第１の放射線入射領域内において、前記第１の放射線入射領域内における前記入射放射線による第１の相互作用の発生位置を、前記複数の光電変換素子のうち前記第１の相互作用が発生した素子の座標によって特定し、前記第１の放射線入射領域内における前記第１の相互作用により発生した反跳電子の移動方向を、前記複数の光電変換素子のうち前記反跳電子が移動した２以上の素子の座標によって特定するステップと
    前記第１の相互作用に起因した散乱放射線が入射された第２の検出部内の第２の放射線入射領域内において、前記第２の放射線入射領域内における前記散乱放射線による第２の相互作用の発生位置を、前記第２の放射線入射領域内の座標によって特定するステップと、
    前記第１の相互作用の発生位置、前記第２の相互作用の発生位置、及び、前記反跳電子の移動方向から得られる第１の面に基づいて、観測対象の空間における前記入射放射線を放出する放射線源の位置を計算するステップと、
    を具備することを特徴とする放射線の検出方法。
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