JP6790005B2 - 検出素子および検出器 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、検出素子および検出器に関する。

放射線を電荷に変換する半導体層として、有機材料の有機変換層を用いた検出素子が知られている。検出素子では、有機変換層内に入射した放射線により発生した電子−正孔対に応じた出力信号を検出することで、放射線を検出する。このような検出素子において、ガンマ線以外の放射線の検出感度の改善のために、有機半導体層の厚みを厚くする構成が知られている。

しかし、有機変換層の厚みが厚くなるほど、有機半導体層内で生成した正孔が電極にたどり着く前にエネルギーを失い、熱揺らぎの中に埋もれて消滅する。このため、高いエネルギーを有する電子のみが、出力信号を取り出す電極にたどり着くこととなる。その結果、出力信号が、電子−正孔対の数に対する依存性のみではなく、有機半導体層内における電子−正孔対の発生位置に関する位置依存性を含むこととなる。このため、従来技術では、検出感度が低下する場合があった。

特開２０１２−１５４３４号公報 特開２０１３−８９６８５号公報

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、放射線の検出感度の向上を図ることができる、検出素子および検出器を提供することを目的とする。

実施形態の検出素子は、第１電極と、第２電極と、有機変換層と、第３電極と、を備える。第１電極は、バイアスを印加される。有機変換層は、第１電極と第２電極との間に配置され、放射線のエネルギーを電荷に変換する。第３電極は、有機変換層内に設けられている。

検出器の一例を示す模式図。 検出素子の電場を示す図。 検出素子の電位を示す図。 電子−正孔対の発生位置に対する出力波形を示す図。 比較検出器の模式図。 比較検出素子の電場を示す図。 比較検出素子の電位を示す図。 比較検出素子の出力波形を示す図。 検出器を示す模式図。 検出素子の電位を示す図。

以下に添付図面を参照して、本実施の形態の詳細を説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態の検出器３０の一例を示す模式図である。

検出器３０は、検出素子１０と、電圧印加部２２と、検出部２４と、を備える。検出素子１０と、電圧印加部２２と、検出部２４と、は電気的に接続されている。

まず、検出素子１０について説明する。検出素子１０は、基板１８と、第１電極１２と、第２電極１４と、有機変換層１６と、第３電極２０と、を備える。

本実施の形態では、検出素子１０は、基板１８上に、第１電極１２、有機変換層１６、および第２電極１４をこの順に積層した積層体である。すなわち、有機変換層１６は、第１電極１２と第２電極１４との間に配置されている。第３電極２０は、有機変換層１６内に配置されている（詳細後述）。

第１電極１２は、バイアスを印加される電極である。第１電極１２は、有機変換層１６に対して、放射線Ｌの入射方向下流側に配置されている。本実施の形態では、第１電極１２は、有機変換層１６より放射線Ｌの入射方向下流側に、有機変換層１６に接して配置されている。本実施の形態では、放射線Ｌは、検出素子１０における第２電極１４側から第１電極１２側に向かう方向に入射する。なお、第１電極１２と有機変換層１６との間に、第１電極１２と第２電極１４との間の電場に影響を与えない層（例えば、接着層）が配置されていてもよい。

第１電極１２は、電圧印加部２２および検出部２４に電気的に接続されている。電圧印加部２２は、第１電極１２にバイアスを印加する。検出部２４は、第１電極１２から出力される出力信号を検出する。

第１電極１２の構成材料は、導電性を有する材料であればよく、限定されない。第１電極１２は、例えば、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ、Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、グラフェン、ＺｎＯ、アルミニウム、金などである。第１電極１２の厚みは限定されない。

第２電極１４は、有機変換層１６に対して、放射線Ｌの入射方向上流側に配置されている。本実施の形態では、第２電極１４は、有機変換層１６より放射線Ｌの入射方向上流側に、有機変換層１６に接して配置されている。なお、第２電極１４と有機変換層１６との間に、第１電極１２と第２電極１４との間の電場に影響を与えず、且つ、検出対象の放射線Ｌの透過を阻害しない層（例えば、接着層）が配置されていてもよい。

第２電極１４は、接地されている。なお、第２電極１４は、電圧印加部２２に電気的に接続されていてもよい。

第２電極１４は、導電性を有する。第２電極１４の構成材料は、導電性を有し、且つ、第２電極１４に入射する、検出対象の放射線Ｌを透過する材料であればよい。放射線Ｌを透過する、とは、入射した放射線Ｌの５０％以上、好ましくは８０％以上を透過することを意味する。第２電極１４は、例えば、ＩＴＯ、グラフェン、ＺｎＯ、アルミニウム、金などである。第２電極１４の厚みは限定されない。

有機変換層１６は、放射線Ｌのエネルギーを電荷に変換する、有機半導体層である。有機変換層１６は、第１電極１２と第２電極１４との間に配置されている。

有機変換層１６が電荷に変換する放射線Ｌの種類は、例えば、β線、重粒子線、α線、中性子線、および、γ線の少なくとも一種である。本実施の形態では、有機変換層１６は、β線、α線、および中性子線の少なくとも１種のエネルギーを電荷に変換する構成であることが好ましく、少なくともβ線のエネルギーを電荷に変換する構成であることが特に好ましい。

有機変換層１６は、公知の有機半導体に用いられる有機材料を主成分とした材料構成であればよい。主成分とする、とは、７０％以上の含有率であること示す。

例えば、有機変換層１６に用いる有機材料は、ポリフェニレンビニレン（ＰＰＶ）の誘導体、ポリチオフェン系高分子材料、の少なくとも１種から選択される。

ポリフェニレンビニレンの誘導体は、例えば、ポリ［２−メトキシ，５−（２’−エチル−ヘキシロキシ）−ｐ−フェニレン−ビニレン］（ＭＥＨ−ＰＰＶ）である。ポリチオフェン系高分子材料は、例えば、ポリ−３−ヘキシルチオフェン（Ｐ３ＨＴ）などのポリ（３−アルキルチオフェン），ジオクチルフルオレンエン−ビチオフェン共重合体（Ｆ８Ｔ２）である。特に好ましくは、有機変換層１６には、Ｐ３ＨＴ、Ｆ８Ｔ２、を用いればよい。

なお、有機変換層１６は、有機材料と、無機材料と、の混合物であってもよい。この場合例えば、有機変換層１６は、上記有機材料と、フラーレン、フラーレン誘導体、半導体性を有するカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、ＣＮＴ化合物、などと、の混合物としてもよい。

フラーレン誘導体は、例えば、［６，６］−フェニル−Ｃ６１−酪酸メチル（ＰＣＢＭ）、フラーレンの二量体、アルカリ金属またはアルカリ土類金属等を導入したフラーレン化合物、などである。ＣＮＴは、例えば、フラーレンまたは金属内包フラーレンを内包したカーボンナノチューブである。また、ＣＮＴは、例えば、ＣＮＴの側壁や先端に、種々の分子を付加したＣＮＴ化合物である。

有機変換層１６の厚みは限定されない。なお、有機変換層１６の厚み方向（矢印Ｚ方向）は、第１電極１２と第２電極１４とが向かい合う方向に一致する。

ここで、本実施の形態の検出素子１０は、γ線の検出を抑制し、γ線以外の放射線Ｌ（β線、α線、中性子線など）を検出することが好ましい。このため、有機変換層１６の厚みは、γ線を選択的に透過させ、γ線以外の放射線Ｌ（例えば、β線、α線、中性子線など）のエネルギーを選択的に電荷に変換可能な、十分な厚みであることが好ましい。

有機変換層１６の厚みを上記の十分な厚みとすることで、γ線以外の放射線（例えば、β線、α線、中性子線）により発生する電子−正孔対の数を増加させることができる。このため、上記の十分な厚みとすることで、有機変換層１６を、γ線以外の放射線Ｌ（例えば、β線、α線、中性子線など）のエネルギーを選択的に電荷に変換可能な構成とすることができる。

次に、第３電極２０について説明する。第３電極２０は、有機変換層１６内に設けられている。本実施の形態では、第３電極２０は、抵抗Ｒ１を介して電圧印加部２２に接続されている。なお、第３電極２０は、電圧印加部２２とは異なる電圧を印加可能な電圧印加部に接続されていてもよく、また、接地されていてもよい。

第３電極２０は、シート状の電極である。

なお、有機変換層１６の厚み方向（矢印Ｚ方向）を、以下では、厚み方向Ｚと称して説明する場合がある。また、厚み方向Ｚに直交する方向（矢印Ｘ方向）を、以下では、面方向Ｘと称して説明する場合がある。

第３電極２０の、有機変換層１６の厚み方向Ｚにおける位置は、限定されない。

但し、第３電極２０は、有機変換層１６の厚み方向Ｚの中央より、第１電極１２に近い側に配置されていることが好ましい。すなわち、第１電極１２と第３電極２０との第１距離Ｄ１は、第２電極１４と第３電極２０との第２距離Ｄ２より小さいことが好ましい。

なお、第１距離Ｄ１は、第１電極１２と第３電極２０との距離である。

また、第２距離Ｄ２は、第２電極１４と第３電極２０との距離である。

第３電極２０の、有機変換層１６の面方向Ｘにおける位置および範囲は限定されない。第３電極２０は、有機変換層１６内における面方向Ｘの全領域に渡って配置された、シート状であることが好ましい。なお、第３電極２０は、有機変換層１６における面方向Ｘの一部の領域を占めるシート状であってもよい。また、第３電極２０は、有機変換層１６の厚み方向Ｚにおける位置が同じであり且つ面方向Ｘにおける位置の異なる、複数領域からなる構成であってもよい。

第３電極２０は、有機変換層１６の厚み方向Ｚに貫通する、１または複数の貫通孔２０Ａを有することが好ましい。

第３電極２０が貫通孔２０Ａを有すると、有機変換層１６でγ線のエネルギーを電荷に変換することを抑制することができる。このため、有機変換層１６が、γ線以外の他の放射線Ｌ（β線、α線、中性子線など）のエネルギーを選択的に電荷に変換することができる。これは、有機変換層１６内に入射した放射線Ｌに含まれるγ線が、第３電極２０にあたって有機変換層１６を非透過となり、有機変換層１６で電荷に変換されることを抑制することができるためと考えられる。

なお、第３電極２０が複数の貫通孔２０Ａを有する場合、複数の貫通孔２０Ａは、互いに同じ大きさで、且つ同じ間隔を隔てて面方向Ｘに沿って均一に配列されていることが好ましい。すなわち、第３電極２０は、複数の貫通孔２０Ａによって、網目状のシートとして構成されていることが好ましい。なお、貫通孔２０Ａの形状は限定されない。例えば、貫通孔２０Ａの形状は、円形状、矩形状、の何れであってもよい。

第３電極２０の構成材料は、導電性を有し、且つ、第３電極２０に入射する放射線Ｌを透過する材料であればよい。

なお、第３電極２０は、導電性炭素材料から構成することが好ましい。第３電極２０を導電性炭素材料から構成することで、有機変換層１６がγ線のエネルギーを電荷に変換することを抑制することができる。

例えば、第３電極２０は、炭素繊維、カーボンペーパー、多孔質炭素シート、活性炭シート、およびグラフェンの少なくとも１種以上から構成すればよい。

基板１８は、検出素子１０における基板１８以外の構成部を支持可能な部材であればよい。基板１８は、例えば、シリコン基板であるが、これに限定されない。

次に、電圧印加部２２について説明する。電圧印加部２２は、第１電極１２にバイアスを印加する。本実施の形態では、電圧印加部２２は、第１電極１２にバイアスを印加すると共に、抵抗Ｒ１を介して第３電極２０に電圧を印加する。

このため、第３電極２０には、第１電極１２に印加される電圧以下の電圧が印加されることとなる。なお、第１電極１２と第３電極２０との第１電位差は、第２電極１４と第３電極２０との第２電位差より大きいことが好ましい。このような電位差は、第１電極１２、第３電極２０、および第２電極１４の少なくとも１つに印加される電圧の電圧値を調整することで、実現可能である。

本実施の形態では、第２電極１４は接地されている。また、第３電極２０は抵抗Ｒ１を介して電圧印加部２２に接続されている。また、第１電極１２は、電圧印加部２２に接続されている。このため、電圧印加部２２から第１電極１２、および抵抗Ｒ１を介して第３電極２０に電圧を印加することで、第１電極１２と第３電極２０との第１電位差を、第２電極１４と第３電極２０との第２電位差より大きくすることができる。

検出部２４は、第１電極１２から出力される出力信号を検出する。出力信号は、有機変換層１６で変換された電荷量を示す信号である。言い換えると、出力信号は、有機変換層１６で検出された、放射線Ｌの検出エネルギーである。検出部２４は、有機変換層１６で検出された電荷の電荷量を、チャージアンプなどで計測可能な信号に変換することで、出力信号とする。なお、本実施の形態では、説明を簡略化するために、検出部２４では、第１電極１２から出力信号を受付けるものとして説明する。

検出部２４は、第１電極１２から受付けた出力信号に基づいて、放射線Ｌの検出エネルギーを導出する。検出エネルギーの導出には、公知の方法を用いればよい。

―検出器３０の作製方法―
次に、検出器３０の作製方法を説明する。検出器３０の作製方法は限定されない。例えば、検出器３０は、以下の手順で作製する。

まず、検出素子１０を作製する。基板１８上に第１電極１２を積層し、第１電極１２上に、薄い有機変換層１６Ａ、第３電極２０、有機変換層１６Ａより厚い有機変換層１６Ｂ、第２電極１４、をこの順に積層する。なお、有機変換層１６Ａおよび有機変換層１６Ｂは、有機変換層１６の一部である。有機変換層１６Ａは、有機変換層１６における、第１電極１２と第３電極２０との間の層を示す。また、有機変換層１６Ｂは、有機変換層１６における、第３電極２０と第２電極１４との間の層を示す。

第１電極１２、有機変換層１６（有機変換層１６Ａ、有機変換層１６Ｂ）、第３電極２０、第２電極１４、の積層方法には、公知の成膜方法や公知の作製方法を用いればよい。

そして、第１電極１２を電圧印加部２２および検出部２４に電気的に接続する。また、第３電極２０を、抵抗Ｒ１を介して電圧印加部２２に電気的に接続する。また、第２電極１４を接地する。これらの手順により、検出器３０を作製する。

―検出素子１０の作用−
次に、検出素子１０の作用について説明する。

検出素子１０に放射線Ｌが入射し、有機変換層１６へ到る。有機変換層１６に到った放射線Ｌによって、有機変換層１６内に電子ｅと正孔ｈの電子−正孔対が発生する。詳細には、有機変換層１６内における、有機変換層１６の厚み方向Ｚおよび面方向Ｘの様々な位置で、電子−正孔対が発生する。発生した電子−正孔対における正孔ｈは、第２電極１４側へ移動し、電子ｅは、第１電極１２側へ移動する。

本実施の形態では、有機変換層１６内に第３電極２０が設けられている。このため、有機変換層１６内における、第２電極１４と第３電極２０との電極間の電場より、バイアスを印加される第１電極１２と第３電極２０との電極間の電場が強い。

図２は、検出素子１０の電場の一例を示す図である。なお、有機変換層１６における第２電極１４側端部（すなわち入射面Ｓの位置）を、厚み方向Ｚの位置ｚ＝０として示した（図１も参照）。また、有機変換層１６における第１電極１２側端面（端面Ｎの位置）を、厚み方向Ｚの位置ｚ＝１として示した。また、第３電極２０の、有機変換層１６の厚み方向Ｚにおける位置を、位置ｚ＝Ｐとして示した。但し、位置ｚ＝Ｐは、０＜Ｐ＜１の関係を示す。なお、後述する図中の“ｚ”も同様の意味である。

図２に示すように、第２電極１４と第３電極２０との電極間の電場４２Ａに比べて、第３電極２０と第１電極１２との電極間の電場４２Ｂが、強い。

よって、第１電極１２、第３電極２０、および第２電極１４の各々の電極間の電位は、図３に示すものとなる。図３は、検出素子１０の電位の一例を示す図である。図３に示すように、第１電極１２と第３電極２０との第１電位差Ｍ１は、第２電極１４と第３電極２０との第２電位差Ｍ２より大きい。また、第１電極１２と第３電極２０との間の電位を示す線４０Ａの傾きに比べて、第３電極２０と第１電極１２との間の電位を示す線４０Ｂの傾きが大きい。なお、これらの線４０（線４０Ａ、線４０Ｂ）の傾きは、有機変換層１６内における厚み方向Ｚの単位距離あたりの電位差に対応する。

ここで、有機変換層１６内の厚み方向Ｚの単位距離あたりの電位差（線４０の傾き）が小さいほど、正孔ｈが第２電極１４にたどり着く前にエネルギーを失って消滅する事を抑制することができる。すなわち、電子ｅのみが第１電極１２に到達することを抑制することができる。

しかし、第１電極１２と第２電極１４との電極間の電位差を、正孔ｈの消滅を防ぐ程度に小さくなるように調整するために、第１電極１２側の電位を小さくすると、検出精度が低下する。これは、第１電極１２から出力される出力信号に含まれるノイズ成分と、該出力信号に含まれる放射線Ｌのエネルギー成分と、を区別することが不可能となるためである。このため、出力信号に含まれるノイズ成分と、出力信号に含まれる放射線Ｌのエネルギー成分と、を分離する観点から、第２電極１４の電位を“０”と仮定した場合、第１電極１２側の電位は、予め定めた値以上とする必要がある（例えば、電位Ｅ２）。このため、第１電極１２と第２電極１４との電極間の電位差を、正孔ｈの消滅を防ぐ程度に小さくなるように調整すると、検出精度の低下が発生する。

本実施の形態では、有機変換層１６内に、第３電極２０が設けられている。このため、第３電極２０と第１電極１２との第１電位差Ｍ１が、第２電極１４と第３電極２０との第２電位差Ｍ２より大きくなる。

このため、本実施の形態の検出素子１０では、有機変換層１６内における、第２電極１４と第３電極２０との間の領域において、正孔ｈが第２電極１４にたどり着く前にエネルギーを失って消滅する事を抑制することができる。また、第３電極２０と第１電極１２との第２電位差Ｍ２が第１電位差Ｍ１より大きいことから、ノイズ成分を分離可能な程度の強度の、出力信号が得られる。

また、第３電極２０と第１電極１２との第２電位差Ｍ２が第１電位差Ｍ１より大きいことから、以下の効果が得られる。すなわち、有機変換層１６内における、第２電極１４と第３電極２０との間の領域内で発生した電子−正孔対の電子ｅと、第３電極２０と第１電極１２との間の領域内で発生した電子−正孔対の電子ｅと、の双方が第１電極１２へ到達することとなる。同様に、本実施の形態の検出素子１０では、有機変換層１６内の第２電極１４と第３電極２０との間の領域内で発生した電子−正孔対の正孔ｈと、第３電極２０と第１電極１２との間の領域内で発生した電子−正孔対の正孔ｈと、の双方が、消滅を抑制された状態で第１電極１２へ到達することとなる。よって、本実施の形態の検出素子１０では、有機変換層１６内で発生した電子−正孔対の数を、より正確に示す出力信号が第１電極１２から出力され、放射線Ｌの検出感度向上を図ることができる。

このため、本実施の形態の検出素子１０では、第１電極１２から出力される出力信号に、有機変換層１６の厚み方向Ｚにおける電子−正孔対の発生位置に関する位置依存性が含まれることを抑制することができる。

図４は、本実施の形態の有機変換層１６における、電子−正孔対の発生位置に対する出力波形の一例を示す図である。図４には、１００組の電子−正孔対の発生位置が、有機変換層１６の厚み方向Ｚにおける第１電極１２側に近いｚ＝０．８である場合の出力波形４８を示した。また、図４には、１００組の電子−正孔対の発生位置が、有機変換層１６の厚み方向における第２電極１４に近いｚ＝０．１である場合の出力波形４６を示した。なお、出力波形は、出力信号によって示される波形である。

図４に示すように、本実施の形態の有機変換層１６では、第１電極１２から出力される出力信号に対する、有機変換層１６の厚み方向Ｚにおける電子−正孔対の発生位置に関する位置依存性が、抑制されるといえる。

一方、第３電極２０を備えない従来の検出素子では、第１電極１２から出力される出力信号に対する、有機変換層１６の厚み方向Ｚにおける電子−正孔対の発生位置に関する位置依存性を抑制することは困難であった。

図５は、比較検出器３００の一例を示す模式図である。比較検出器３００は、従来の検出器である。

比較検出器３００は、比較検出素子１００と、電圧印加部２２と、検出部２４と、を備える。電圧印加部２２および検出部２４の機能は、本実施の形態の検出器３０と同様である。

比較検出素子１００は、従来の検出素子である。比較検出素子１００は、基板１８と、第１電極１２と、有機変換層１６と、第２電極１４と、を備える。比較検出素子１００は、本実施の形態の第３電極２０を備えない点以外は、検出素子１０と同様の構成である。

図６は、比較検出素子１００の電場の一例を示す図である。第３電極２０を備えない場合、有機変換層１６内における第２電極１４と第１電極１２との電極間の電場は、略一定となる。

このため、比較検出素子１００の有機変換層１６内の電位は、図７に示すものとなる。図７は、比較検出素子１００の電位の一例を示す図である。図７に示すように、第１電極１２と第２電極１４との間の電位を示す線４００の傾きは、略一定となる。

このため、従来の比較検出素子１００では、正孔ｈが第２電極１４にたどり着く前にエネルギーを失って消滅する事を抑制することは困難であった。

また、γ線の検出を抑制し、γ線以外の放射線Ｌ（例えば、β線）の検出感度を改善させるために、比較検出素子１００の有機変換層１６の厚みを、上述した十分な厚みとした場合を想定する。この場合、γ線以外の放射線（例えば、β線）により発生する電子−正孔対の数を増加させることは可能である。しかし、従来の比較検出素子１００では、有機変換層１６の厚みが厚いほど、第２電極１４にたどり着く前にエネルギーを失って消滅する正孔ｈの数も多くなる。このため、従来の比較検出素子１００では、出力信号に対する、有機変換層１６の厚み方向Ｚにおける電子−正孔対の発生位置に関する位置依存性が、有機変換層１６の厚みが厚いほど大きくなっていた。

図８は、従来の比較検出素子１００における、電子−正孔対の発生位置に対する出力波形の一例を示す図である。図８には、１００組の電子−正孔対の発生位置が、有機変換層１６の厚み方向Ｚにおける第１電極１２側に近いｚ＝０．８である場合の出力波形４８０を示した。また、図８には、１００組の電子−正孔対の発生位置が、有機変換層１６の厚み方向における第２電極１４に近いｚ＝０．１である場合の出力波形４６０を示した。

図８に示すように、従来の比較検出素子１００では、第１電極１２から出力される出力信号に対する、有機変換層１６の厚み方向Ｚにおける電子−正孔対の発生位置に関する位置依存性が大きいことが分かる。一方、図４を用いて説明したように、本実施の形態の検出素子１０では、有機変換層１６の厚み方向Ｚ方向における電子−正孔対の発生位置に関する位置依存性を抑制することができた。

以上説明したように、本実施の形態の検出素子１０は、第１電極１２と、第２電極１４と、有機変換層１６と、第３電極２０と、を備える。第１電極１２は、バイアスを印加される。有機変換層１６は、第１電極１２と第２電極１４との間に配置され、放射線Ｌのエネルギーを電荷に変換する。第３電極２０は、有機変換層１６内に設けられている。

このため、本実施の形態の検出素子１０では、第１電極１２から出力される出力信号に、有機変換層１６の厚み方向Ｚにおける電子−正孔対の発生位置に関する位置依存性が含まれることを抑制することができる。よって、本実施の形態の検出素子１０では、比較検出素子１００に比べて、有機変換層１６内で発生した電子−正孔対の数を、より正確に示す出力信号が第１電極１２から出力される。

従って、本実施の形態の検出素子１０は、放射線Ｌの検出感度向上を図ることができる。

（第２の実施の形態）
本実施の形態では、有機変換層１６内に、更に電極を備えた構成を説明する。

図９は、本実施の形態の検出器５０の一例を示す模式図である。なお、第１の実施の形態の検出器５０と同じ機能構成部分には、同じ符号を付与し、詳細な説明を省略する。

検出器５０は、検出素子６０と、電圧印加部２２と、検出部２４と、を備える。検出素子６０と、電圧印加部２２と、検出部２４と、は電気的に接続されている。電圧印加部２２および検出部２４は、第１の実施の形態と同様である。

検出素子６０は、基板１８と、第１電極１２と、第２電極１４と、有機変換層１６と、第３電極２０と、第４電極２１と、を備える。基板１８、第１電極１２、第２電極１４、有機変換層１６、および第３電極２０は、第１の実施の形態と同様である。すなわち、本実施の形態の検出素子６０は、第１の実施の形態の検出素子１０に、第４電極２１を更に備えた構成である。

第４電極２１は、有機変換層１６内における、第３電極２０と第２電極１４との間に配置されている。第３電極２０と第２電極１４との間には、１つの第４電極２１が配置されていてもよいし、有機変換層１６の厚み方向Ｚにおける位置が互いに異なる複数の第４電極２１が配置されていてもよい。

本実施の形態では、第３電極２０と第２電極１４との間に、第４電極２１Ａおよび第４電極２１Ｂの２つの第４電極２１（第４電極２１Ａ、第４電極２１Ｂ）が配置された形態を、一例として説明する。第４電極２１Ａと第４電極２１Ｂは、厚み方向Ｚにおける位置が互いに異なる。第４電極２１Ａは、第４電極２１Ｂより第３電極２０側に設けられている。第４電極２１Ｂは、第４電極２１Ａより第２電極１４側に設けられている。なお、第３電極２０と第２電極１４との間には、３つ以上の第４電極２１が配置されていてもよい。

本実施の形態では、第４電極２１は、抵抗Ｒを介して電圧印加部２２に電気的に接続されている。具体的には、第４電極２１Ａは、抵抗Ｒ２および抵抗Ｒ１を介して電圧印加部２２に接続されている。第４電極２１Ｂは、抵抗Ｒ３、抵抗Ｒ２、および抵抗Ｒ１を介して電圧印加部２２に接続されている。

なお、第４電極２１の各々は、電圧印加部２２とは異なる電圧を印加可能な電圧印加部に接続されていてもよく、また、接地されていてもよい。

第４電極２１は、有機変換層１６における、放射線Ｌの入射面Ｓに沿ったシート状の電極である。有機変換層１６内の第２電極１４と第３電極２０との間における、厚み方向Ｚの第４電極２１の位置は限定されない。また、有機変換層１６内に複数の第４電極２１が配置された構成の場合、これらの複数の第４電極２１の間の間隔も限定されない。

なお、複数の第４電極２１の内の少なくとも１つが、有機変換層１６における面方向Ｘの一部を占めるように配置されてもよい。言い換えると、複数の第１電極１２の内の少なくとも１つが、有機変換層１６における面方向Ｘの全領域に渡って配置されてもよい。

第４電極２１は、第３電極２０と同様に、有機変換層１６の厚み方向Ｚに貫通する１または複数の貫通孔２３を有することが好ましい。すなわち、第４電極２１は、複数の貫通孔２３によって、網目状のシートとして構成されていることが好ましい。なお、貫通孔２３の形状は限定されない。

第４電極２１の構成材料は、第３電極２０と同様に、導電性を有し、且つ、第４電極２１に入射する放射線Ｌを透過する材料であればよい。また、第４電極２１は、第３電極２０と同様に、導電性炭素材料から構成することが好ましい。

なお、第４電極２１と第３電極２０との第１電位差は、第３電位差、第４電位差、および第５電位差より大きいことが好ましい。

第３電位差は、第２電極１４と、該第２電極１４に隣接する第４電極２１との間の電位差である。第２電極１４に隣接する第４電極２１とは、複数の第４電極２１の内、最も第２電極１４に近い位置に配置された１つの第４電極２１を示す。このため、図９に示す例の場合、第２電極１４に隣接する第４電極２１は、第４電極２１Ｂである。

第４電位差は、複数の第４電極２１（第４電極２１Ａ、第４電極２１Ｂ）の電極間の電位差である。なお、３つ以上の第４電極２１が配置されている場合、複数の第４電極２１の電極間とは、隣接する第４電極２１の電極間の各々を示す。

第５電位差は、第３電極２０と第３電極２０に隣接する第４電極２１との電極間の電位差である。第３電極２０に隣接する第４電極２１とは、複数の第４電極２１の内、最も第３電極２０に近い位置に配置された１つの第４電極２１を示す。このため、図９に示す例の場合、第３電極２０に隣接する第４電極２１は、第４電極２１Ａである。

このような電位差は、第１電極１２、第３電極２０、１または複数の第４電極２１、および第２電極１４の少なくとも１つに印加される電圧の電圧値を調整することで、実現可能である。

本実施の形態では、第２電極１４は接地されている。第１電極１２は、電圧印加部２２に接続されている。第３電極２０は抵抗Ｒ１を介して電圧印加部２２に接続されている。第４電極２１Ａは、抵抗Ｒ２および抵抗Ｒ１を介して電圧印加部２２に接続されている。第４電極２１Ｂは、抵抗Ｒ３、抵抗Ｒ２、および抵抗Ｒ１を介して電圧印加部２２に接続されている。

このため、本実施の形態の検出素子６０では、第１電位差、第３電位差、第４電位差、および第５電位差が、上記関係を満たすように調整される。

−検出素子６０の作用−
次に、検出素子６０の作用について説明する。

検出素子６０に放射線Ｌが入射し、有機変換層１６へ到る。有機変換層１６に到った放射線Ｌによって、有機変換層１６内に電子ｅと正孔ｈの電子−正孔対が発生する。詳細には、有機変換層１６内における、有機変換層１６の厚み方向Ｚおよび面方向Ｘの様々な位置で、電子−正孔対が発生する。発生した電子−正孔対における正孔ｈは、第２電極１４側へ移動し、電子ｅは、第１電極１２側へ移動する。

本実施の形態では、有機変換層１６内に第３電極２０が設けられている。このため、有機変換層１６内における、第２電極１４と第３電極２０との電極間の電場より、バイアスを印加される第１電極１２と第３電極２０との電極間の電場が強い。

また、本実施の形態では、有機変換層１６における、第３電極２０と第２電極１４の間に、１または複数の第４電極２１が設けられている。このため、有機変換層１６内における、第２電極１４と第３電極２０との間の領域の電場の強さが、第２電極１４側から第３電極２０へ向かって段階的にまたは連続的に強くなるように、調整される。

よって、第１電極１２、第３電極２０、第４電極２１（第４電極２１Ａ、第４電極２１Ｂ）、および第２電極１４の各々の電極間の電位は、図１０に示すものとなる。

図１０は、検出素子６０の電位の一例を示す図である。

なお、有機変換層１６における第２電極１４側端部（すなわち入射面Ｓの位置）を、厚み方向Ｚの位置ｚ＝０として示した（図９も参照）。また、有機変換層１６における第１電極１２側端面（端面Ｎの位置）を、厚み方向Ｚの位置ｚ＝１として示した。また、第３電極２０の、有機変換層１６の厚み方向Ｚにおける位置を、位置ｚ＝Ｐとして示した。但し、位置ｚ＝Ｐは、０＜Ｐ＜１の関係を示す。また、第４電極２１Ａの、有機変換層１６の厚み方向Ｚにおける位置を、位置ｚ＝Ａとして示した。また、第４電極２１Ｂの、有機変換層１６の厚み方向Ｚにおける位置を、位置ｚ＝Ｂとして示した。

図１０に示すように、第１電極１２と第３電極２０との第１電位差Ｍ１は、第２電極１４と第３電極２０との第２電位差Ｍ２より大きい。また、第１電位差Ｍ１は、第３電位差Ｍ３、第４電位差Ｍ４、および第５電位差Ｍ５より大きい。

すなわち、第１電極１２と第３電極２０との間の電位を示す線４０Ａ’の傾きに比べて、第３電極２０と第１電極１２との間の電位を示す線４０Ｂ’の傾きが大きい。

また、第２電極１４と第３電極２０との間に１または複数の第４電極２１（第４電極２１Ａ、第４電極２１Ｂ）が設けられたことによって、第２電極１４と第３電極２０との間の電位を示す線４０Ａ’の傾きを、より均一とすることができる。

このため、本実施の形態の検出素子６０では、上記第１の実施の形態の検出素子１０に比べて、更に、有機変換層１６内で発生した電子−正孔対における正孔ｈが第２電極１４にたどり着く前にエネルギーを失って消滅する事を抑制することができる。

すなわち、本実施の形態の検出素子６０では、第１電極１２から出力される出力信号に、有機変換層１６の厚み方向Ｚにおける電子−正孔対の発生位置に関する位置依存性が含まれることを、更に抑制することができる。

従って、本実施の形態の検出素子６０は、第１の実施の形態の効果に加えて、放射線Ｌの検出感度向上を、更に図ることができる。

なお、上記実施の形態で説明した検出素子１０および検出素子６０の適用範囲は、限定されない。例えば、検出素子１０および検出素子６０は、放射線Ｌを検出する各種の装置に適用可能である。具体的には、検出素子１０および検出素子６０は、サーベイメータなどに適用できる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、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。これら新規な実施の形態は、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。これら実施の形態は、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。

１０、６０ 検出素子
１２ 第１電極
１４ 第２電極
１６ 有機変換層
２０ 第３電極
２０Ａ 貫通孔
２１、２１Ａ、２１Ｂ 第４電極
２２ 電圧印加部
２４ 検出部
３０、５０ 検出器

Claims (10)

1. バイアスを印加される第１電極と、
   第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に配置され、放射線のエネルギーを電荷に変換する有機変換層と、
   前記有機変換層内に設けられた第３電極と、を備え、
   前記第１電極と前記第３電極との第１距離は、前記第２電極と前記第３電極との第２距離より小さく、
   前記第１電極と前記第３電極との第１電位差は、前記第２電極と前記第３電極との第２電位差より大きい、
   検出素子。
2. 前記第３電極は、前記有機変換層の厚み方向に貫通する貫通孔を有する、
   請求項１に記載の検出素子。
3. バイアスを印加される第１電極と、
   第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に配置され、放射線のエネルギーを電荷に変換する有機変換層と、
   前記有機変換層内に設けられた第３電極と、を備え、
   前記第３電極は、導電性炭素材料からなる、
   検出素子。
4. バイアスを印加される第１電極と、
   第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に配置され、放射線のエネルギーを電荷に変換する有機変換層と、
   前記有機変換層内に設けられた第３電極と、
   前記有機変換層内における、前記第２電極と前記第３電極との間に配置された、１または複数の第４電極と、
   を備える検出素子。
5. 複数の前記第４電極は、前記有機変換層の厚み方向における位置が互いに異なる、請求項４に記載の検出素子。
6. 前記第１電極と前記第３電極との第１電位差は、
   前記第２電極と該第２電極に隣接する前記第４電極との間の第３電位差、複数の前記第４電極の間の第４電位差、および前記第３電極と該第３電極に隣接する前記第４電極の間の第５電位差より大きい、
   請求項５に記載の検出素子。
7. 前記有機変換層に用いる有機材料は、ポリフェニレンビニレンの誘導体、および、ポリチオフェン系高分子材料、の少なくとも１つである、
   請求項１、請求項３または請求項５に記載の検出素子。
8. 前記放射線は、β線、α線、および、中性子線の少なくとも１つである、
   請求項１、請求項３または請求項５に記載の検出素子。
9. 前記１または複数の第４電極は、前記有機変換層の厚み方向に直交する方向に、シート状に配置される、
   請求項４に記載の検出素子。
10. 請求項１〜請求項９の何れか１項に記載の検出素子と、
    前記第１電極にバイアスを印加する電圧印加部と、
    前記第１電極から出力される出力信号を検出する検出部と、
    を備える、検出器。

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