JP7032738B2 - 検出素子、放射線検出装置、およびコンプトンカメラ - Google Patents

Description

本開示は、検出素子、放射線検出装置、およびコンプトンカメラに関する。

ピクセル型電極によるガス電子増幅型の放射線検出装置の研究が進められている。このような放射線検出装置は、ピクセル型電極を用いることによって放射線を検出する。このとき、荷電粒子の飛跡を検出することができる（例えば、特許文献１）。この手法を用いた放射線検出装置は、陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ：Ｐｏｓｉｔｒｏｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）検査、単一光子放射断層撮影（ＳＰＥＣＴ：Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）検査といった、ごく微量の放射線をだしている薬（ラジオアイソトープ）を目印として用いて病気の診断や治療を行う核医学用の画像装置として用いられる。また、その他の分野として、環境中の放射線量をモニタリングする装置としての応用が期待されている。

特開２００２－６０４７号公報

特許文献１に開示された放射線検出装置によれば、放射線（荷電粒子）が気体と相互作用することにより電子を生じ、その電子をピクセル型電極において捕捉することによって、間接的に放射線を検出する。しかしながら、多くの電子が生じると、複数のピクセル型電極において同時に電子が捕捉される場合がある。このような場合には、電子を捕捉したピクセル型電極を特定することができなくなり、検出効率および検出精度を低下させることにつながっていた。

本開示の目的の一つは、放射線検出装置における放射線の検出効率および検出精度を向上させることにある。

本開示の実施形態によると、絶縁基板の第１面側に露出して配置された複数の露出電極であって、第１露出電極、前記第１露出電極の第１方向に配置された第２露出電極、前記第１露出電極の第１方向と交差する第２方向に配置された第３露出電極、および、前記第２露出電極の前記第２方向かつ前記第３露出電極の前記第１方向に配置された第４露出電極を、少なくとも含む露出電極と、前記絶縁基板の第１面の反対側の第２面側に配置された第１電極パターンであって、前記第１露出電極と前記第２露出電極とに第１貫通電極により接続されたパターン、および前記第３露出電極と前記第４露出電極とに第２貫通電極により接続されたパターンを、少なくとも含む第１電極パターンと、第１露出部を有する第２電極パターンあって、前記第１露出電極と前記第３露出電極とに対応して前記第２方向に沿って配置されたパターン、および前記第２露出電極と前記第４露出電極とに対応して前記第２方向に沿って配置されたパターンを、少なくとも含み、前記第１露出部は、前記第１面側において露出し、前記露出電極と分離して分離して配置される、第２電極パターンと、第２露出部を有する第３電極パターンであって、前記第１露出電極と前記第４露出電極とを結ぶ第３方向に沿って配置され、かつ、前記第１電極パターンと前記第２電極パターンとで前記第３電極パターンを挟むように配置されたパターンを、少なくとも含み、前記第２露出部は、前記第１面側において露出し、前記露出電極および前記第２電極パターンと分離して配置される、第３電極パターンとを備えることを特徴とする検出素子が提供される。

上記検出素子において、前記第２電極パターンは、前記露出電極の一つを囲む第１開口部を有し、前記第３電極パターンは、前記露出電極の一つを囲む第２開口部を有し、前記第１開口部の幅は、前記第２開口部の幅よりも大きくてもよい。

上記検出素子において、前記第３電極パターンの前記第２露出部は、前記第２電極パターンと同一の層に配置されてもよい。

上記検出素子において、前記露出電極は、前記第２電極パターンと同一の層に配置されてもよい。

上記検出素子において、前記第１電極パターン、前記第２電極パターン、および前記第３電極パターンの少なくともいずれか一つは、前記第１露出電極、前記第２露出電極、および前記第４露出電極を囲む領域において、電気的に接続されてもよい。

上記検出素子において、前記第２面側において、前記第１電極パターン上の絶縁層を有してもよい。

上記検出素子において、前記第１露出電極と前記第２露出電極とは隣接して配置され、前記第１露出電極と前記第３露出電極とは隣接して配置され、前記第１露出電極と前記第４露出電極とは隣接して配置されてもよい。

上記検出素子において、前記第１露出電極と前記第２露出電極との距離、前記第１露出電極と前記第３露出電極との距離、および前記第１露出電極と前記第４露出電極との距離は等しくてもよい。

上記検出素子において、前記第２電極パターンに前記第１露出電極と第３露出電極とを結ぶ第１仮想直線を設けたときに、前記第１露出電極の中心と、前記第１露出電極の前記中心を通り前記第１仮想直線に直交する第２仮想直線が前記第２電極パターンの縁部と交差する第１交点との距離は、前記第１露出電極と前記第３露出電極との間の中間点と、前記中間点を通り前記第１仮想直線に直交する第３仮想直線が前記第２電極パターンの縁部と交差する第２交点との距離よりも大きくてもよい。

上記検出素子において、前記第２電極パターンは、波線形状の縁部を有してもよい。

上記検出素子において、前記露出電極は、前記第２露出電極を通り、かつ前記第１露出電極と前記第４露出電極との間を通る第４方向に設けられた第５露出電極をさらに含み、第３露出部を有する第４電極パターンであって、前記第１露出電極と前記第５露出電極とに対応して前記第４方向に沿って配置され、かつ、前記第２電極パターンと前記第３電極パターンとで前記第４電極パターンを挟むように配置されたパターンを、少なくとも含み、前記第３露出部は、前記第１面側において露出し、前記露出電極、前記第２電極パターン、および前記第３電極パターンと分離して配置される、第４電極パターンをさらに含んでもよい。

上記検出素子において、前記第３電極パターンは、前記第１露出電極を囲む第１環状パターンと、前記第４露出電極を囲む第２環状パターンと、前記第１環状パターンと前記第２環状パターンとを接続する接続パターンを有し、前記接続パターンの幅は、前記第１環状パターンの外周幅および前記第２環状パターンの外周幅より狭くてもよい。

上記検出素子において、前記第３電極パターンは絶縁表面上に設けられ、前記絶縁表面は凹部を有し、前記露出電極は前記凹部に設けられ、前記凹部の表面から前記露出電極までの距離は、前記絶縁表面から前記第３電極パターンまでの距離よりも大きくてもよい。

本開示の実施形態によると、上記検出素子と、前記検出素子の前記露出電極、前記第１電極パターン、前記第２電極パターンおよび前記第３電極パターンに接続された電源装置と、を含むことを特徴とする、放射線検出装置が提供される。

上記放射線検出装置において、前記電源装置により印加される前記露出電極の電位と前記第２電極パターンの電位と間の電位差は、前記電源装置により印加される前記露出電極の電位と前記第３電極パターンの電位との間の電位差よりも大きくてもよい。

本開示の実施形態によると、放射線検出装置と、前記放射線検出装置を取り囲むように設けられた光を検出する検出モジュールとを含むコンプトンカメラが提供される。

本開示の一実施形態によれば、放射線検出装置における放射線の検出効率および検出精度を向上させることができる。

本開示の第１実施形態における放射線検出システムの構成を示すブロック図である。 本開示の第１実施形態における検出素子を説明する図である。 本開示の第１実施形態における検出素子の電極パターンを説明する上面模式図である。 本開示の第１実施形態における検出素子の断面構造（図３における断面線Ａ－Ａ’の断面構造）を示す模式図である。 本開示の第１実施形態における検出素子の断面構造（図３における断面線Ｂ－Ｂ’の断面構造）を示す模式図である。 本開示の第１実施形態における検出素子の断面構造（図３における断面線Ｃ－Ｃ’の断面構造）を示す模式図である。 図６の検出素子の断面構造の一部分の拡大模式図である。 本開示の第１実施形態における検出素子を用いた放射線の検出原理を説明する図である。 本開示の第１実施形態における検出素子において、アノード電極が電子を捕捉したときの各電極に生じる電荷を説明する図である。 本開示の第１実施形態における検出素子から出力される検出信号のパターンの第１の例を説明する図である。 本開示の第１実施形態における検出素子から出力される検出信号のパターンの第２の例を説明する図である。 図１０に示す検出信号のパターンから演算される電子捕捉位置を説明する斜視図である。 図１０に示す検出信号のパターンから演算される電子捕捉位置を説明する模式図である。 本開示の第１実施形態における検出素子の製造方法を示す断面模式図である。 本開示の第１実施形態における検出素子の製造方法を示す断面模式図である。 本開示の第１実施形態における検出素子の製造方法を示す断面模式図である。 本開示の第１実施形態における検出素子の製造方法を示す断面模式図である。 本開示の第１実施形態における検出素子の製造方法を示す断面模式図である。 本開示の第１実施形態における検出素子の製造方法を示す断面模式図である。 本開示の第１実施形態における検出素子の製造方法を示す断面模式図である。 本開示の第１実施形態における検出素子の製造方法を示す断面模式図である。 本開示の第１実施形態における検出素子の製造方法を示す断面模式図である。 本開示の第１実施形態における検出素子の製造方法を示す断面模式図である。 本開示の第１実施形態における検出素子の断面構造の変形例である。 本開示の第１実施形態における検出素子の断面構造の変形例である。 本開示の第１実施形態における検出素子の断面構造の変形例である。 本開示の第１実施形態における検出素子の断面構造の変形例である。 本開示の第２実施形態における検出素子の断面構造の模式図である。 本開示の第３実施形態における検出素子の断面構造の模式図である。 本開示の第３実施形態における検出素子の断面構造の模式図である。 本開示の第３実施形態における検出素子の断面構造の模式図である。 本開示の第４実施形態における検出素子の断面構造の模式図である。 本開示の第５実施形態における検出素子の電極パターンを説明する上面模式図である。 図３３の一部を拡大した模式図である。 本開示の第５実施形態における検出素子の電極パターンを説明する上面模式図である。 本開示の第６実施形態における検出素子の電極パターンを説明する上面模式図である。 本開示の第６実施形態における検出信号のパターンから演算される電子捕捉位置を説明する模式図である。 本開示の第６実施形態における検出素子の電極パターンを説明する上面模式図である。 本開示の第６実施形態における検出素子の電極パターンを説明する上面模式図である。 本開示の第７実施形態における検出素子の電極パターンを説明する上面模式図である。 本開示の第８実施形態における検出素子の電極パターンを説明する上面模式図である。 本開示の第８実施形態における検出素子の構造を説明する断面模式図である。 本開示の第１～第８実施形態における検出素子を実装した放射線検出装置である。 本開示の第１～第８実施形態における放射線検出装置を実装したコンプトンカメラである。

以下、本開示の一実施形態に係る放射線検出装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は本開示の実施形態の一例であって、本開示はこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。なお、本実施形態で参照する図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号または類似の符号（数字の後にＡ、Ｂ等を付しただけの符号）を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、図面の寸法比率（各構成間の比率、縦横高さ方向の比率等）は説明の都合上実際の比率とは異なったり、構成の一部が図面から省略されたりする場合がある。

＜第１実施形態＞
［放射線検出システム］
図１は、本開示の第１実施形態における放射線検出システムの構成を示すブロック図である。放射線検出システム１は、電源装置６０および検出素子１００を備えた放射線検出装置１０、エンコーダ５５、および演算装置９０を含む。検出素子１００は、検出信号Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｗを出力する。検出信号Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｗは、この例では、検出素子１００の各端子から出力される電気信号に対し、コンデンサによって直流成分が除去されて、アンプによって増幅されている。電源装置６０は、放射線検出装置１０に含まれる各構成（検出素子１００等）に電圧を印加する。エンコーダ５５は、検出信号Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｗをクロック信号Ｃｋに同期してサンプリングし、エンコードして出力する。検出信号の分解能は、クロック信号Ｃｋに応じて決まる。この出力信号をＳｄという場合がある。演算装置９０は、出力信号Ｓｄに基づいて、放射線（荷電粒子）の飛跡を演算する。

［放射線検出装置］
放射線検出装置１０は、チャンバ５０を有している。チャンバ５０の内部には、検出素子１００、ドリフトケージ７０およびドリフト電極８０が配置されている。ドリフト電極８０は、検出素子１００に対向して配置され、接地電圧（ＧＮＤ）に対して負の電圧が印加されている。ドリフトケージ７０は、検出素子１００とドリフト電極８０との間の空間を囲むように配置されている。ドリフトケージ７０は、検出素子１００とドリフト電極８０との間の電界分布を均一化するように、ドリフト電極８０から検出素子１００に向けて徐々に電圧を接地電圧（ＧＮＤ）に近づけていくための導体（導電体）が形成されている。

放射線を検出するときには、チャンバ５０の内部に、希ガスと、クエンチングガスとの混合ガスが封入される。希ガスは、例えば、アルゴンまたはキセノンが用いられる。クエンチングガスは、例えば、エタン、メタンなどの常温でガスの状態を保つアルカン、または二酸化炭素を含む消光作用を有するガスである。なお、チャンバ５０に封入されるガスは、いずれかの単体のガスであってもよいし、二種類以上の混合ガスであってもよい

［検出素子］
検出素子１００の構造について説明する。以下の説明においては、検出素子１００は、電子を捕捉する単位となるピクセル（アノード電極）が六方最密で配置されている例を示す。なお、この配置は、アノード電極の配置について説明をするための例示である。実際には、数百～数百万個規模の多くのピクセルが配置されてもよい。まず、図２を用いて、検出素子１００のドリフト電極８０側の表面に現れている構成を簡単に説明する。その後、図３～図７を用いて、検出素子１００の各構成を詳細に説明する。なお、説明の関係上、一つのアノード電極パターンの図面を記載する際に、隣接するアノード電極パターンについては表記しない場合がある。第１カソード電極パターンおよび第２カソード電極パターンについても同様とする。

図２は、本開示の第１実施形態における検出素子を説明する図である。検出素子１００は、詳細は後述するが、絶縁表面を有する基板（絶縁基板ともいう。図４～７に示す基板１１０に対応）上に配置された導電性金属のパターンを含む。まず、絶縁基板上に露出して、アノード電極１０１（露出電極）が配置されている。アノード電極１０１は、この例では、Ｘ方向（第２方向）およびＹ方向（第１方向）に沿って、マトリクス状に配置されている。この例では、Ｘ方向とＹ方向とは１２０度で交差する。また、この例では、Ｘ方向に隣接するアノード電極１０１間の距離と、Ｙ方向に隣接するアノード電極１０１間の距離と、Ｗ方向（第３方向）に隣接するアノード電極１０１間の距離と、が等しくなっている。なお、Ｗ方向とは、Ｘ方向およびＹ方向以外の方向であって、この例では、Ｘ方向に延在した直線とＹ方向に延在した直線とのいずれに対しても、６０度で交わる線に沿った方向に対応する。なお、Ｘ方向とＹ方向とは１２０度で交差する場合に限られず、例えば、直交（９０度）で配置されてもよい。また、Ｘ方向とＹ方向とにおいて、隣接するアノード電極１０１間の距離が異なっていてもよい。

アノード電極１０１は、電子を捕捉する単位となるピクセルに対応する。上述したように、この例では、アノード電極１０１は、Ｘ方向に４～７ピクセル、Ｙ方向に４～７ピクセル、合計３７ピクセルが配置されている。以下の説明において、３７ピクセルが配置された領域を検出領域という場合がある。このとき、図２に示す検出領域の外形（３７ピクセルのうち、外周部に相当するピクセルの中心をつないだ形状）は六角形となっている。

絶縁基板上には、Ｘ方向に沿って、第１カソード電極パターン２０５（第２電極パターン）が配置されている。第１カソード電極パターン２０５には、ピクセルに対応して開口部２０２が設けられている。それぞれの開口部２０２は、アノード電極１０１をピクセル毎に囲むように形成されている。第１カソード電極パターン２０５の端部には、検出領域の外側において、第１カソード端子部２０８が配置されている。第１カソード電極パターン２０５は、ストリップ状に形成されているため、第１カソードストリップ電極ともいう。検出領域の外側には、さらに、アノード端子部１０８および第２カソード端子部３０８が配置されている。アノード端子部１０８、第１カソード端子部２０８および第２カソード端子部３０８は、上述した検出信号Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｗを検出素子１００の外部に出力するための端子である。

アノード端子部１０８は、Ｙ方向に沿って配置されたアノード電極パターン１０５（第１電極パターン）を介してアノード電極１０１に接続されている。第２カソード端子部３０８は、Ｗ方向に沿って配置された第２カソード電極パターン３０５（第３電極パターン）と接続されている。

図３は、本開示の第１実施形態における検出素子の電極パターンを説明する図である。図４は、本開示の第１実施形態における検出素子の断面構造（図３における断面線Ａ－Ａ’の断面構造）を示す模式図である。図５は、本開示の第１実施形態における検出素子の断面構造（図３における断面線Ｂ－Ｂ’の断面構造）を示す模式図である。図６は、本開示の第１実施形態における検出素子の断面構造（図３における断面線Ｃ－Ｃ’の断面構造）を示す模式図である。図７は、図６の検出素子の断面構造の一部分の拡大模式図である。なお、図３に示すように、Ｚ方向は、Ｘ方向、Ｙ方向およびＷ方向に垂直な方向（アノード電極１０１が配置された面に垂直な方向）として定義される。

以下の説明において、図３に示すように、複数のアノード電極１０１は、その配置された場所によって、アノード電極１０１－ｘｙという。ここでのｘは、アノード電極１０１－１１（図３において左下のピクセル）を基準としたＸ方向の座標（１～７）を示す。一方、ｙは、アノード電極１０１－１１を基準としたＹ方向の座標（１～７）を示す。この例では、アノード電極１０１－４１は中央下のアノード電極１０１に対応し、アノード電極１０１－１４は左上のアノード電極１０１に対応し、アノード電極１０１－４４は中央のアノード電極１０１に対応し、アノード電極１０１－７４は右下のアノード電極１０１に対応し、アノード電極１０１－４７は中央上のアノード電極１０１に対応し、アノード電極１０１－７７は右上のアノード電極１０１に対応する。また、ピクセルの位置を示すのものとして、ピクセル（ｘｙ）という場合もある。例えば、ピクセル（１１）は、アノード電極１０１－１１に対応する。

Ｘ方向に並ぶ複数のアノード電極１０１は、基板１１０の第２面１１０ｂにおいてＹ方向に沿って配置されたアノード電極パターン１０５を介して電気的に接続されている。アノード電極パターン１０５は、ストリップ状に形成されているため、アノードストリップパターンともいう。アノード電極パターン１０５（１０５－１～１０５－７）は、Ｙ方向に直交する方向に並んで配置される。アノード電極パターン１０５は、その端部においてアノード端子部１０８と接続されている。例えば、アノード電極１０１－１１、１０１－１２、１０１－１３、１０１－１４は、アノード電極パターン１０５－１を介してアノード端子部１０８－１に電気的に接続されている。

アノード電極１０１とアノード電極パターン１０５とは、図４に示すような貫通電極１１２で接続されている。なお、アノード電極１０１と貫通電極１１２とは一体であってもよい。例えば、貫通電極１１２のうち基板１１０から露出した部分をアノード電極１０１と定義してもよい。このとき、アノード電極１０１は、基板１１０から突出していても突出していなくてもよい。

また、図７に示すように、アノード電極１０１と、貫通電極１１２との間に絶縁層１２０とともにビア電極１０２が設けられてもよい。ビア電極１０２の幅は、アノード電極１０１の幅よりも狭いことが好ましい。これにより、貫通電極１１２とアノード電極１０１との位置ずれを緩和できるとともに、検出素子１００の表面において、均一な電場が形成される。なお、ビア電極１０２は、必ずしも設けられなくてもよい。また、第２面１１０ｂ側において貫通電極１１２とアノード電極パターン１０５との間に絶縁層１４０およびビア電極１４２が設けられてもよい。

基板１１０の第１面１１０ａ上においてＸ方向に沿って露出して配置された第１カソード電極パターン２０５は、Ｘ方向に並んだアノード電極１０１をそれぞれ開口部２０２（第１開口部）で囲み、アノード電極１０１と分離して配置される。なお、この例では、第１カソード電極パターン２０５は、上面および側面の全体が露出しているが、一部のみ露出してもよい。したがって、第１カソード電極パターン２０５は、露出部を有するということができる。第１カソード電極パターン２０５は、その端部において第１カソード端子部２０８と接続されている。第１カソード電極パターン２０５（２０５－１～２０５－７）は、Ｘ方向に直交する方向に並んで配置されている。例えば、第１カソード電極パターン２０５－１は、アノード電極１０１－１１、１０１－２１、１０１－３１、１０１－４１をそれぞれ開口部２０２で囲い、第１カソード端子部２０８－１に接続されている。以下、このような第１カソード電極パターン２０５とアノード電極１０１との関係を、第１カソード電極パターン２０５とアノード電極１０１とが対応する配置の関係として定義する。例えば、第１カソード電極パターン２０５－１は、アノード電極１０１－１１、１０１－２１、１０１－３１、１０１－４１に対応して配置されている。

基板１１０の第１面１１０ａにおいて、Ｗ方向に沿って配置された第２カソード電極パターン３０５（３０５－１～３０５－７）は、Ｗ方向に並んだアノード電極１０１との間でアノード電極パターン１０５と第１カソード電極パターン２０５とに挟まれるようにアノード電極パターン１０５と第１カソード電極パターン２０５とは分離して配置されている。第２カソード電極パターン３０５－１を例とした場合、第１カソード電極パターン２０５－１～２０５－４とアノード電極パターン１０５－４～１０５－７とによってＺ方向において第２カソード電極パターン３０５－１が挟まれている。

第２カソード電極パターン３０５は、基板１１０の第１面１１０ａ側に露出部３０５ａを有している。露出部３０５ａは、Ｗ方向に並んだアノード電極１０１をそれぞれ開口部３０２（第２開口部）で囲み、アノード電極１０１と分離して配置される。開口部３０２の幅は、開口部２０２の幅よりも小さい。そのため、露出部３０５ａは、アノード電極１０１と第１カソード電極パターン２０５との間に配置されている。第２カソード電極パターン３０５は、その端部において第２カソード端子部３０８と接続されている。第２カソード電極パターン３０５（３０５－１～３０５－７）は、Ｗ方向に直交する方向に並んで配置されている。例えば、第２カソード電極パターン３０５－１は、アノード電極１０１－４１、１０１－５２、１０１－６３、１０１－７４をそれぞれ開口部３０２で囲い、第２カソード端子部３０８－１に接続されている。以下、このような第２カソード電極パターン３０５とアノード電極１０１との関係を、第１カソード電極パターン２０５とアノード電極１０１とが対応する配置の関係として定義する。例えば、第２カソード電極パターン３０５－１は、アノード電極１０１－４１～アノード電極１０１－７４に対応して配置されている。

上述のように各電極パターンが配置されることで、１つの第２カソード電極パターン３０５と対応関係にある複数のアノード電極１０１は、互いに異なるアノード電極パターン１０５に接続されている。また、１つの第２カソード電極パターン３０５と対応関係にある複数のアノード電極１０１は、互いに異なる第１カソード電極パターン２０５と対応関係にある。

本実施形態において、アノード電極１０１、第１カソード電極パターン２０５および第２カソード電極パターン３０５の厚さは、２μｍ以上、３０μｍ以下好ましくは５μｍであることが望ましい。これにより配線抵抗を抑えることができる。また、絶縁層１３０の厚さは、３μｍ以上、１００μｍ以下好ましくは２０μｍであることが望ましい。これにより検出信号のクロストークを抑えることができる。

ここで、検出素子１００の各構成の寸法について、以下の通り例示する。
・隣接するアノード電極１０１の中心間距離ｄ１（１ピクセル長）：５５４．２６μｍ
・アノード電極１０１の直径ｄ２：６０μｍ
・第１カソード電極パターン２０５の線幅ｄ３：４４０μｍ
・開口部２０２の直径ｄ４：３４０μｍ
・アノード電極パターン１０５の線幅ｄ５：３００μｍ
・第２カソード電極パターン３０５の線幅ｄ６：４４０μｍ
・開口部３０２の直径ｄ７：２６０μｍ
・貫通電極１１２の直径ｄ９：５０μｍ
・ビア電極１０２の直径ｄ１０：３０μｍ
・アノード電極パターン１０５間の距離ｄ１１：１８０μｍ
・第１カソード電極パターン２０５間の距離ｄ１２：４０μｍ
・第２カソード電極パターン３０５間の距離ｄ１３：４０μｍ

［放射線の検出原理］
次に、放射線検出装置１０における放射線の検出原理について、図８および図９を用いて説明する。なお、ドリフト電極８０は、接地電圧（ＧＮＤ）に対して負の電圧が印加されている。第１カソード電極パターン２０５、第２カソード電極パターン３０５は、接地電圧（ＧＮＤ）が印加されている。アノード電極１０１（アノード電極パターン１０５）は、接地電圧（ＧＮＤ）に対して正の電圧が印加されている。

図８は、本開示の第１実施形態における検出素子を用いた放射線の検出原理を説明する図である。チャンバ５０に放射線（荷電粒子ＥＰ）が入射すると、チャンバ５０内に存在する気体との相互作用により電子雲ＥＣが形成される。ドリフト電極８０と第１カソード電極パターン２０５との間に発生させた電界Ｅにより、この電子雲の各電子はＺ方向に沿って検出素子１００側に引き寄せられる。検出素子１００側に引き寄せられた電子は、第１カソード電極パターン２０５とアノード電極１０１とで形成される電界によって加速されて、アノード電極１０１に引き寄せられる。このとき、電子が気体と衝突して、気体を電離させる。電離によって生じた電子は雪崩的に増殖してアノード電極１０１に捕捉される。

図９は、本開示の第１実施形態における検出素子において、アノード電極が電子を捕捉したときの各電極に生じる電荷を説明する図である。雪崩的に増殖した電子が、アノード電極１０１に捕捉されると、アノード電極１０１において一時的に負電荷が生じる。一方、第１カソード電極パターン２０５および第２カソード電極パターン３０５には、電離された気体である陽イオン群が付着し、一時的に正電荷が生じる。増殖した電子の影響によって、これらの電荷から生じるパルス信号（電圧変動）は、アノード端子部１０８、第１カソード端子部２０８および第２カソード端子部３０８から電気信号（検出信号Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｗ）として読み出せる程度に大きくなる。以下の説明において、アノード端子部１０８－１～１０８－７から出力される検出信号Ｓｘに対応して、検出信号Ｓｘ－１～Ｓｘ－７という場合がある。第１カソード端子部２０８－１～２０８－７から出力される検出信号Ｓｙに対応して、検出信号Ｓｙ－１～Ｓｙ－７という場合がある。第２カソード端子部３０８－１～３０８－７から出力される検出信号Ｓｗに対応して、検出信号Ｓｗ－１～Ｓｗ－７という場合がある。

これらの検出信号Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｗにおける電圧変動が生じた時刻と、その電圧変動が生じた電気信号を出力する端子の位置とを用いることによって、荷電粒子ＥＰの飛跡を演算することができる。なお、この飛跡のうち、Ｚ方向の位置は相対的な位置として演算される。

図１０は、本開示の第１実施形態における検出素子から出力される検出信号のパターンの第１の例を説明する図である。図１０に示す検出信号のパターンは、図８に示すように荷電粒子ＥＰが入射した状況を想定している。この例では、アノード電極１０１－３４（ピクセル（３４））に電子が捕捉され、その後アノード電極１０１－４６（ピクセル（４６））に電子が捕捉された状況を示している。

このような状況によれば、まず、アノード電極１０１－３４による電子の捕捉に対応して、検出信号Ｓｘ－３、Ｓｙ－４、Ｓｗ－５に電圧変動が生じる。言い換えれば、演算装置９０は、検出信号Ｓｘ－３、Ｓｙ－４、Ｓｗ－５において電圧変動が生じた時刻が同じであると判定すると、検出信号Ｓｘ－３、Ｓｙ－４、Ｓｗ－５に対応するアノード電極パターン１０５－３、第１カソード電極パターン２０５－４および第２カソード電極パターン３０５－５が交差する部分のアノード電極１０１－３４を、電子が捕捉されたアノード電極１０１として特定する。

その後、アノード電極１０１－４６による電子の捕捉に対応して、検出信号Ｓｘ－４、Ｓｙ－６、Ｓｗ－６に電圧変動が生じる。言い換えれば、演算装置９０は、検出信号Ｓｘ－４、Ｓｙ－６、Ｓｗ－６において電圧変動が生じた時刻が同じであると判定すると、検出信号Ｓｘ－４、Ｓｙ－６、Ｓｗ－６に対応するアノード電極パターン１０５－４、第１カソード電極パターン２０５－６および第２カソード電極パターン３０５－６が交差する部分のアノード電極１０１－４６を、電子が捕捉されたアノード電極１０１として特定する。

このような場合には、検出信号Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｗのいずれか１つが存在しなくても、すなわち２種類の検出信号によって、電子が捕捉されたアノード電極を特定することができる。一方、次に説明するように、アノード電極１０１－３４、１０１－４６に同時に電子が捕捉されると、演算装置９０は、２種類の検出信号のみから電子が捕捉されたアノード電極１０１を正確には特定できない。

図１１は、本開示の第１実施形態における検出素子から出力される検出信号のパターンの第２の例を説明する図である。第２の例では、アノード電極１０１－３４（ピクセル（３４））およびアノード電極１０１－４６（ピクセル（４６））に、同時に電子が捕捉された状況を示している。

このような状況によれば、演算装置９０は、検出信号Ｓｘ－３、Ｓｘ－４、Ｓｙ－４、Ｓｙ－６，Ｓｗ－５、Ｓｗ－６において電圧変動が生じた時刻が同じであると判定する。このとき、電子が捕捉されたアノード電極１０１は、検出信号Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｗを用いると正確に特定されるが、従来技術のように２種類の検出信号（例えばＳｘ、Ｓｙ）のみを用いると正確には特定されない。この事情について、図１２を用いて説明する。

図１２は、図１１に示す検出信号のパターンから演算される電子捕捉位置を説明する斜視図である。図１３は、図１１に示す検出信号のパターンから演算される電子捕捉位置を説明する上面模式図である。まず、検出信号Ｓｘ、Ｓｙを用いた場合、アノード電極パターン１０５－３、１０５－４、および第１カソード電極パターン２０５－４、２０５－６が交差する部分は、アノード電極１０１－３４、１０１－４４、１０１－３６、１０１－４６（ピクセル（３４）、（４４）、（３６）、（４６））となる。したがって、実際には電子が捕捉されていないアノード電極１０１－４４、１０１－３６（ピクセル（４４）、（３６））については、誤検出されたことになる。

一方、検出信号Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｗを用いた場合、アノード電極パターン１０５－３、１０５－４、第１カソード電極パターン２０５－４、２０５－６および第２カソード電極パターン３０５－５、３０５－６が交差する部分は、アノード電極１０１－３４、１０１－４６（ピクセル（３４）、（４６））となる。したがって、検出信号Ｓｘ、Ｓｙのみを用いたときに発生した誤検出は、検出信号Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｗを用いたときには発生しない。

このように、本実施形態における放射線検出装置１０は、２つのアノード電極１０１において同時に電子が捕捉された場合であっても、３種類の検出信号Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｗを用いているため、この２つのアノード電極１０１を特定することができる。なお、３種類の検出信号Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｗを用いた場合であっても、３つのアノード電極１０１において同時に電子が捕捉されると誤検出をしてしまうことになる。しかし、３つのアノード電極１０１において同時に電子が捕捉される確率は、２つのアノード電極１０１において同時に電子が捕捉される確率よりも小さい。したがって、誤検出を低減することができ、その結果として放射線の検出効率および検出精度が向上する。

なお、この例では、検出素子１００は、ピクセルが六方配置された３７ピクセル（アノード電極１０１）を有していたが、１つのアノード電極１０１を基準として、少なくとも、Ｘ方向に並ぶ２つのアノード電極１０１と、Ｙ方向に並ぶ２つのアノード電極１０１とを有していることにより、構成を一般化できる。Ｘ方向またはＹ方向に並ぶ２つのアノード電極１０１は、隣接したアノード電極１０１として定義されてもよいし、隣接しないアノード電極１０１として定義されてもよい。隣接しない２つのアノード電極１０１によって一般化される場合には、その間に他のアノード電極１０１が存在することになる。

互いに隣接する場合には、４つ（２×２）のアノード電極１０１は、例えば、アノード電極１０１－２２、１０１－２３、１０１－３２、１０１－３３（ピクセル（２２）、（２３）、（３２）、（３３））が対応する。互いに隣接しない場合には、４つ（２×２）のアノード電極１０１は、例えば、アノード電極１０１－１１、１０１－１４、１０１－４１、１０１－４４（ピクセル（１１）、（１４）、（４１）、（４４））に対応する。

［検出素子の製造方法］
次に、図１４乃至図２３を用いて、本実施形態における検出素子１００の製造方法について説明する。

まず、図１４に示すように、基板１１０に第１面１１０ａから第２面１１０ｂまで貫通する貫通孔１１１を形成する。基板１１０には、高い絶縁性を有する絶縁材料が用いられる。この例では、基板１１０にソーダガラス基板、無アルカリガラス基板、石英ガラス基板などのガラス基板が用いられる。基板１１０の厚さは１００μｍ以上１０００μｍ以下において適宜設定すればよい。この例では、基板１１０の厚さは、３８０μｍである。

貫通孔１１１は、例えば、基板１１０に対してレーザー照射法（レーザーアブレーション法と呼ぶことができる）を用いることにより形成される。レーザーには、エキシマレーザー、ネオジム：ヤグレーザー（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザー、フェムト秒レーザー等が用いられる。エキシマレーザーを用いる場合、紫外領域の光が照射される。例えば、エキシマレーザーにおいて塩化キセノンを用いる場合、波長が３０８ｎｍの光が照射される。なお、レーザーによる照射径は、１０μｍ以上２５０μｍ未満としてもよい。貫通孔１１１の孔径は、１０μｍ以上２５０μｍ未満の範囲で適宜設定することができる。この例では、貫通孔１１１の孔径は、基板１１０の垂直方向に対して一定であり、５０μｍである。なお、基板１１０の貫通孔１１１を形成する場合、レーザー照射法以外に、ドライエッチング法やウェットエッチング法を用いて行ってもよい。

次に、図１５に示すように、貫通孔１１１に対して、貫通電極１１２を形成する。貫通電極１１２には、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、錫（Ｓｎ）などが用いられる。貫通電極１１２は、めっき法により形成される。例えば、貫通電極１１２は、めっき法により形成された銅（Ｃｕ）が用いられる。めっき法により形成された貫通電極１１２は化学機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法により平坦化処理される。

次に、図１６に示すように、基板１１０の第１面１１０ａに絶縁層１２０を形成する。絶縁層１２０には無機絶縁材料または有機絶縁材料、あるいは無機絶縁材料および有機絶縁材料を混ぜ合わせた材料が用いられる。絶縁層１２０は塗布法およびラミネート法により形成される。塗布法の具体例としては、スピンコート法、スプレーコート法、スリットコート法、ディップコート法などが挙げられる。この例では、絶縁層１２０には、スピンコート法により形成されたポリイミド膜などが用いられる。絶縁層１２０の厚みは、特に制限されないが、１μｍ以上２０μｍ以下の範囲である。この例では、絶縁層１２０の厚みは、４μｍである。

次に、図１７に示すように、絶縁層１２０に開口部１２１を設ける。開口部１２１は、例えば、フォトリソグラフィ法及びエッチング法を用いて形成される。なお、図１７において、絶縁層１２０が感光材を含んでいる場合にはフォトリソグラフィ法のみで開口部１２１を形成してもよい。これにより、製造工程数を削減することができる。

次に、図１８に示すように、貫通電極１１２および絶縁層１２０上にアノード電極１０１、ビア電極１０２および第２カソード電極パターン３０５を形成する。アノード電極１０１、ビア電極１０２および第２カソード電極パターン３０５は、めっき法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、または印刷法などにより形成される。アノード電極１０１、ビア電極１０２および第２カソード電極パターン３０５には、銅（Ｃｕ）が用いられる。なお、アノード電極１０１、ビア電極１０２および第２カソード電極パターン３０５には、銅（Ｃｕ）以外に、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、またはチタン（Ｔｉ）などの金属材料が用いられてもよい。

なお、上記の場合、アノード電極１０１とビア電極１０２とは一度に形成される例を示したが、ビア電極１０２は、アノード電極１０１および第２カソード電極パターン３０５を形成する前に形成してもよい。

次に、図１９に示すように、絶縁層１２０、アノード電極１０１および第２カソード電極パターン３０５上に絶縁層１３０を形成する。絶縁層１３０には、絶縁層１２０と同様の材料および方法を用いてもよい。

次に、図２０に示すように、アノード電極１０１と、第２カソード電極パターン３０５のうち、露出部３０５ａとなるアノード電極１０１側の端部と、絶縁層１２０とを露出させ、開口部２０２および開口部３０２を形成する。開口部２０２および開口部３０２は、開口部１２１と同様の方法により形成されてもよい。このとき、後に形成される第１カソード電極パターン２０５と第２カソード電極パターン３０５とが、重畳しない部分３０５ｂが露出するように、絶縁層１３０を除去してもよい。これにより、放射線検出時に絶縁層１３０が帯電することが防止され、異常放電を抑制することができる。

次に、図２１に示すように、絶縁層１３０上に第１カソード電極パターン２０５を形成する。第１カソード電極パターン２０５は、アノード電極１０１、ビア電極１０２および第２カソード電極パターン３０５と同様の材料および方法に形成される。

次に、図２２に示すように、基板１１０の第２面１１０ｂ上に絶縁層１４０を形成する。絶縁層１４０は、絶縁層１２０と同様の材料および方法に形成される。この例では、絶縁層１４０には、スピンコート法により形成されたポリイミド膜が用いられる。

次に、図２３に示すように、絶縁層１４０の一部を除去し、貫通電極１１２および絶縁層１４０上にビア電極１４２およびアノード電極パターン１０５を形成する。ビア電極１４２およびアノード電極パターン１０５は、ビア電極１０２、アノード電極１０１および第２カソード電極パターン３０５と同様の材料および方法に形成される。以上の方法により、検出素子１００を製造することができる。

（変形例）
なお、本実施形態において、貫通孔１１１は、円柱形状を有するものとして、説明したがこれに限定されない。貫通孔の径が基板の垂直方向に対して変化してもよい（言い換えれば、貫通孔の側面は、基板１１０に対する垂直方向に対し平行とならずに、傾きを有してもよい）。例えば、図２４に示すように、第２面１１０ｂ側から第１面１１０ａに向かって貫通孔１１１の径が小さくなっていく形状（すなわち円錐台形状）であってもよい。

また、本実施形態において、絶縁層１４０およびアノード電極パターン１０５は、第１面側の各要素を形成した後で形成されたが、これに限定されない。絶縁層１４０およびアノード電極パターン１０５を先に形成してから、第１面側の各要素を形成してもよい。

また、本実施形態において、第２カソード電極パターンの部分３０５ｂは必ずしも露出しなくてもよい（つまり、第２カソード電極パターン３０５において露出部３０５ａのみが露出する）。

また、本実施形態において、第１カソード電極パターン２０５の開口部２０２の直径ｄ４は、第２カソード電極パターン３０５の開口部３０２の直径ｄ７よりも大きい例を示したがこれに限定されない。また、第１カソード電極パターン２０５の側面と、絶縁層１３０の側面とが面一でなくてよい。例えば、第１カソード電極パターン２０５の開口部２０２の直径ｄ４は、第２カソード電極パターン３０５の開口部３０２の直径ｄ７と同じでもよい。また、図２５に示すように、第１カソード電極パターン２０５の開口部２０２の直径ｄ４が、第２カソード電極パターン３０５の開口部３０２の直径ｄ７よりも狭くなり、第１カソード電極パターン２０５が絶縁層１３０の側面１３０ａの一部を覆うように配置されてもよい。このとき、第２カソード電極パターン３０５の側面のみが露出してもよい。また、図２６に示すように、第１カソード電極パターン２０５の側面が絶縁層１３０の側面１３０ａよりもアノード電極１０１から離れて配置されてもよい。

また、図２７に示すように、絶縁層１３０に加えてさらにほかの絶縁層１３１を設けて、第１カソード電極パターン２０５と第２カソード電極パターン３０５との間に複数の絶縁層を設けてもよい。絶縁層１３１は、絶縁層１３０と同じ材料でもよいし、異なる材料で形成されてもよい。また、このとき絶縁層１３０の側面と絶縁層１３１の側面とは、単層の場合と同様に連続して配置されてもよいし、図２７に示すように階段状に配置されてもよい。

また、本実施形態において、第１カソード電極パターン２０５および第２カソード電極パターン３０５には、接地電位（ＧＮＤ）が印加されたが、これに限定されない。例えば、第１カソード電極パターン２０５に印加される電位と第２カソード電極パターン３０５に印加される電位とを異ならせてもよい。アノード電極１０１からの距離に応じて印加される電位を変えてもよい。例えば、第１カソード電極パターン２０５は第２カソード電極パターン３０５よりもアノード電極１０１から離れているため、第１カソード電極パターン２０５に－１００Ｖを印加させ、第２カソード電極パターン３０５に０Ｖを印加させてもよい。このとき、アノード電極１０１に５００Ｖが印加されれば、アノード電極１０１と第１カソード電極パターン２０５との間における電位差はアノード電極１０１と第２カソード電極パターン３０５との間の電位差よりも大きくなる。これにより、アノード電極１０１と第１カソード電極パターン２０５との間の電界強度はアノード電極１０１と第２カソード電極パターン３０５との間の電界強度よりも大きくなり、アノード電極１０１から離れても、第１カソード電極パターン２０５において、信号を十分に検出することができる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態では、アノード電極パターン１０５上に絶縁層が形成された検出素子について説明する。

図２８に、検出素子１００Ａの断面模式図を示す。図２８に示すように、検出素子１００Ａは、第１実施形態で示した検出素子１００と異なり、さらに基板１１０およびアノード電極パターン１０５上に絶縁層１５０を有している。絶縁層１５０には、無機絶縁材料または有機絶縁材料が設けられる。絶縁層１５０の厚さは、１μｍ以上１００μｍ未満、好ましくは１０μｍ以上３０μｍ未満である。この例では、絶縁層１５０の厚さは、２０μｍである。絶縁層１５０を設けることにより、検出素子１００を製造時に生じる基板１１０の反りを抑えることができる。なお、絶縁層１５０を形成する場合、絶縁層１４０、アノード電極パターン１０５を形成した後に絶縁層１５０を形成し、その後に第１面１１０ａ側の各要素を形成することが望ましい。

＜第３実施形態＞
第１実施形態では、絶縁基板として、ガラス基板を用いる例を示したが、本実施形態では、ガラス基板とは異なる材料を用いた例を示す。

基板１１０には、ガラス基板のほか、シリコン基板などの半導体基板、サファイア基板、炭化アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）基板、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板、ジルコニア（ＺｒＯ₂）基板の無機絶縁材料、アクリルまたはポリカーボネートなどを含む樹脂基板、またはこれらの基板が積層されたものが用いられてもよい。

図２９は、基板１１０Ｂにシリコン基板を用いた検出素子１００Ｂの断面模式図である。図２９に示すように、基板１１０Ｂにシリコン基板を用いる場合、基板１１０Ｂの表面に絶縁層１１５が設けられる。絶縁層１１５は、熱酸化膜でもよいし、塗布法、ＣＶＤ法またはスパッタリング法によりした窒化シリコン膜（ＳｉＮｘ）や酸化シリコン膜（ＳｉＯｘ）などの絶縁材料が用いられてもよい。したがって、シリコン基板と絶縁層１１５とを組み合わせることにより、基板を介してリーク電流が生じなくなり、絶縁表面を有する基板として用いることができる。

図３０は、基板１１０Ｃに有機樹脂を用いた検出素子１００Ｃの断面模式図である。図３０において、基板１１０Ｃには、強度を高めるためのガラス繊維を含むポリイミド樹脂またはエポキシ樹脂が用いられる。一方、ポリイミド樹脂やエポキシ樹脂などの有機樹脂を用いた場合、撓んでしまうために十分な厚さが必要となる。しかし、基板１１０Ｃには、貫通電極１１２を形成する関係上、基板の厚さに制限がある。そのため、アノード電極パターン１０５上に基板１６０および基板１７０を追加して設けることが望ましい。これにより、検出素子１００Ｃの強度を保持することができる。基板１６０および基板１７０には、ガラス繊維を含むポリイミド樹脂が用いられる。

なお、基板１６０および基板１７０により検出素子１００の強度が保持される場合、基板１１０Ｃにより強度を保持しなくてもよい。この場合、基板１１０Ｃには、ガラス繊維を含まないポリイミド樹脂を用いてもよい。ガラス繊維を含まないことにより、基板１１０Ｃを容易に加工することができる。図３１は、検出素子１００Ｄの断面模式図である。図３１に示すように、基板１１０Ｄの表面をけずり、凹部１１０Ｄｃを設けてもよい。このとき、凹部１１０Ｄｃの表面からアノード電極１０１の上面１０１ａまでの距離ｄ１０１は、基板１１０Ｄの第１面１１０Ｄａから第２カソード電極パターン３０５の上面までの距離ｄ３０５よりも大きくなる。凹部１１０Ｄｃを有することにより、貫通電極１１２の一部が露出することになり、アノード電極１０１と合わせてアノード電極全体の露出面積を広くすることができる。これにより、電場を広げることができ、放射線の検出感度を高めることができる。

＜第４実施形態＞
本実施形態では、第１カソード電極パターン、第２カソード電極パターンの露出部、アノード電極が同一の層に配置された検出素子の例を示す。

図３２は、検出素子１００Ｅの断面模式図である。図３２に示すように、検出素子１００Ｅにおいて、第２カソード電極パターン３０５Ｅの露出部３０５Ｅａは、ビア電極部３０５Ｅｃ上に配置され、第１カソード電極パターン２０５と同一の層（この例では、絶縁層１３０上）に露出して設けられている。同様にアノード電極１０１Ｅも電極１０３およびビア電極１０４を介して第１カソード電極パターン２０５と同一の層に露出して設けられている。上記構成を有することにより、ドリフト電極８０から第１カソード電極パターン２０５までの距離と、ドリフト電極８０から第２カソード電極パターン３０５までの距離とが同じとなる。これにより、電離した電子が２つのカソード電極パターンに到達する速度を均一にすることができる。したがって、放射線の検出感度を向上させることができる。また、図３２の場合、絶縁層１３０による平坦な絶縁表面上に、アノード電極１０１Ｅ、第１カソード電極パターン２０５、および第２カソード電極パターン３０５Ｅの露出部３０５Ｅａを形成することになる。このため、絶縁層１３０上に成膜した導電膜を加工して、アノード電極１０１Ｅ、第１カソード電極パターン２０５、および第２カソード電極パターン３０５Ｅの露出部３０５Ｅａを安定して形成することができる。

＜第５実施形態＞
本実施形態では、第１カソード電極パターンの形状の異なる検出素子の例を示す。

図３３は、検出素子１００Ｆの上面模式図である。図３４は、図３３の一部を拡大した模式図である。図３３および図３４に示すように、本実施形態の第１カソード電極パターン２０５の縁部の形状が波型形状を有し、第１実施形態で示した第１カソード電極パターン２０５の直線状の縁部と異なっている。この例では、第１カソード電極パターン２０５Ｆ（２０５Ｆ－１～２０５Ｆ－７）の縁部の形状は流線形である。このとき、図３４に示すように、アノード電極１０１－２２とＸ方向において、隣接するアノード電極１０１－３２とを結ぶ仮想の直線２０５Ｆａを設けた場合、アノード電極１０１－２２の中心から直線２０５Ｆａに直交する仮想の直線２０５Ｆｂが第１カソード電極パターン２０５Ｆ－２の縁部と交差する点を点２０５Ｆｃとする。また、アノード電極１０１－２２とアノード電極３２との間の点を中間点２０５Ｆｄとした場合、中間点２０５Ｆｄから直線２０５Ｆａに直交する仮想の直線線２０５Ｆｅが第１カソード電極パターン２０５Ｆ－２の縁部と交差する点を点２０５Ｆｆとする。アノード電極１０１－２２の中心から点２０５Ｆｃまでの距離を距離ｄ１４とし、中間点２０５Ｆｄから点２０５Ｆｆまでの距離を距離ｄ１５とすると、距離ｄ１４は距離ｄ１５よりも大きくなる。上記形状を有することにより、アノード電極１０１に最も近い第１カソード電極パターンに電気力線が向かうため、放射線の検出精度をさらに高めることができる。

なお、第１カソード電極パターン２０５の縁部の形状は、流線形に限定されない。例えば、図３５に示すように、第１カソード電極パターン２０５の縁部の形状は、ジグザグ形状を有してもよい。

＜第６実施形態＞
第６実施形態は、第１実施形態と比べて、第２カソード電極パターンの構造が異なっている。すなわち、隣接する２つの第２カソード電極パターンが接続されて、線幅の大きい第２カソード電極パターンを構成している検出素子の例である。

図３６は、検出素子の第２カソード電極パターンを説明する図である。第１実施形態の検出素子１００では、１つの第２カソード電極パターン３０５と対応関係にある複数のアノード電極１０１は、互いに異なるアノード電極パターン１０５に接続されている。また、１つの第２カソード電極パターン３０５と対応関係にある複数のアノード電極１０１は、互いに異なる第１カソード電極パターン２０５と対応関係にある。一方、本実施形態の検出素子１００Ｇでは、図３６に示すように、検出素子１００Ｂにおいて１つの第２カソード電極パターン３０５Ｇに対応する複数のアノード電極１０１には、同一のアノード電極パターン１０５に接続された２つのアノード電極１０１、および同一の第１カソード電極パターン２０５に対応している２つのアノード電極１０１が含まれる。この例では、第２カソード電極パターン３０５Ｇ－４は、アノード電極１０１－１２に対してＸ方向に並んで配置されたアノード電極１０１－２２、およびアノード電極１０１－１２に対してＷ方向に並んで配置されたアノード電極１０１－２３を領域（露出部３０５Ｇａ－１２、３０５Ｇａ－２２、３０５Ｇａ－２３）を有する。第２カソード電極パターン３０５Ｇ－４において、露出部３０５Ｇａ－１２、３０５Ｇａ－２２、３０５Ｇａ－２３は、電気的に接続されている。

例えば、第１実施形態における第２カソード電極パターン３０５－２、３０５－３は、本実施形態における第２カソード電極パターン３０５Ｇ－２として、電気的に接続されている。アノード電極１０１－２２（ピクセル（２２））およびアノード電極１０１－３１（ピクセル（３１））に、同時に電子が捕捉された状況を、図３７を例に示す。まず、検出信号Ｓｘ、Ｓｙを用いた場合、アノード電極パターン１０５－２、１０５－３、および第１カソード電極パターン２０５－１、２０５－２が交差する部分は、アノード電極１０１－２１、１０１－２２、１０１－３１、１０１－３２（ピクセル（２１）、（２２）、（３１）、（３２））となる。したがって、実際には電子が捕捉されていないアノード電極１０１－２１、１０１－３２（ピクセル（２１）、（３２））については、誤検出されたことになる。

一方、検出信号Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｗを用いた場合、アノード電極パターン１０５－２、１０５－３、第１カソード電極パターン２０５－１、２０５－２および第２カソード電極パターン３０５Ｇ－２と３０５Ｇ－４の両方が交差する部分から、アノード電極１０１－２２、１０１－３１（ピクセル（２２）、（３１））と検出された場所を特定できる。

また、アノード電極１０１－２１（ピクセル２１）およびアノード電極１０１－３２（ピクセル（３２））に同時に電子が捕捉された場合は、第２カソード電極パターン３０５Ｇ－２のみが交差する部分として検出できる。このように隣接する２つの第２カソード電極パターンが接続されて、線幅の大きい第２カソード電極パターンを構成している検出素子の場合であっても、第２カソード電極パターンが１つ関係しているか、２つ関係しているか識別が可能できるため誤検出を防止することができる。

また、第２カソード電極パターンの数が減ることにより、放射線の検出信号Ｓｗの数を減らすことができる。したがって、本実施形態を用いることにより、検出分解能を下げることなく、消費電力の削減、検出コストの削減が可能となる。

なお、３種類の検出信号Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｗを用いた場合であっても、３つのアノード電極１０１において同時に電子が捕捉されると誤検出をしてしまうことになる。しかし、３つのアノード電極１０１において同時に電子が捕捉される確率は、２つのアノード電極１０１において同時に電子が捕捉される確率よりも小さい。したがって、誤検出を低減することができ、その結果として放射線の検出精度が向上する。

なお、本実施形態では、隣接する２つの第２カソード電極パターンが接続されて、線幅の大きい第２カソード電極パターンを構成している例を示したが、３つの第２カソード電極パターンが接続されてもよい。

また、隣接する第２カソード電極パターンに限定されず、隣接する第１カソード電極パターンが同様に接続されてもよい。図３８において、例えば、第１実施形態の第１カソード電極パターン２０５－２と第１カソード電極パターン２０５－３とが接続されて、第１カソード電極パターン２０５Ｇ－２が設けられている。図３８において、第１カソード電極パターンの面積が大きくなることにより、広い面積で電場を形成することができ、放射線を検出する際によりイオンを吸収しやすくなる。また、絶縁層１２０および絶縁層１３０が帯電することを抑えることができる。したがって、本実施形態の検出素子を用いることにより、安定して放射線を検出することができる。

また、図３９に示すように、隣接するアノード電極パターンが接続されてもよい。この例では、第１実施形態のアノード電極パターン１０５－２とアノード電極パターン１０５－３とが接続されて、アノード電極パターン１０５Ｇ－２が設けられる。

＜第７実施形態＞
本実施形態では、アノード電極の配置、および第２カソード電極パターンの形状が異なる検出素子の例について説明する。

図４０は、検出素子１００Ｈの上面模式図である。図４０に示すように、本実施形態では、第１実施形態のアノード電極１０１の配置と異なり、Ｘ方向とＹ方向とが直交（９０度）で配置された構成を有する。このとき、Ｗ方向は、Ｘ方向に延在した直線とＹ方向に延在した直線とのいずれに対しても、４５度で交わる線に沿った方向を示す。

図４０において、第２カソード電極パターン３０５Ｈ（３０５Ｈ－１～３０５Ｈ－７）は、環状パターン３０５Ｈｄおよび隣接する環状パターンを接続する直線形状の接続パターン３０５Ｈｅを含む。環状パターン３０５Ｈｄは、第１実施形態の露出部３０５ａと実質的に同じである。第２カソード電極パターン３０５Ｈにおいて、環状パターン３０５Ｈｄの外周の幅ｄ１６（開口部２０２の直径と同等）は、接続パターン３０５Ｈｅの幅ｄ１７より大きいことが好ましい。これにより、環状パターンを大きく配置しても、隣接する第２カソード電極パターン３０５と接触することを防止することができる。

なお、本実施形態において、接続パターンは直線形状を有しているが、これに限定されない。第５実施形態で示したように接続パターンは波線形状を有してもよい。これにより、第１カソード電極パターン２０５との間のクロストークノイズを抑制することができる。

＜第８実施形態＞
本実施形態では、第３カソード電極パターンを有する検出素子の例について説明する。

図４１は、検出素子１００Ｉの上面模式図である。図４１は、検出素子１００Ｉの一部の断面模式図である。図４１に示すように、検出素子１００Ｉは、アノード電極１０１、アノード電極パターン１０５、第１カソード電極パターン２０５、および第２カソード電極パターン３０５Ｉに加えて第３カソード電極パターン４０５Ｉを有している。検出素子１００Ｉにおいて、アノード電極１０１と第１カソード電極パターン２０５とは直交して配置される。第２カソード電極パターン３０５Ｉは、Ｗ方向に沿って配置される。例えば、第２カソード電極パターン３０５Ｉ－４は、アノード電極１０１－２２とアノード電極１０１－３３とに対応してＷ方向に沿って配置される。第３カソード電極パターン４０５Ｉ（４０５Ｉ－１～４０５Ｉ－７）は、Ｗ方向に直交する方向であるＶ方向に沿って配置される。第３カソード電極パターン４０５Ｉ－３は、アノード電極１００－２３とアノード電極１０１－３２に対応してＶ方向に沿って配置される。第３カソード電極パターン４０５Ｉは、第３カソード端子４０８Ｉと電気的に接続される。

また、図４２に示すように、第３カソード電極パターン４０５Ｉは、第１カソード電極パターン２０５と、第２カソード電極パターン３０５Ｉとで挟まれる部分を有する。この例では、第３カソード電極パターン４０５Ｉは、第２カソード電極パターン３０５Ｉ上の絶縁層１３０と第１カソード電極パターン２０５下の絶縁層１３１に挟まれている。さらに、第３カソード電極パターン４０５Ｉは、露出部４０５Ｉａを有する。露出部４０５Ｉａは、露出部３０５Ｉａと同様に基板１１０の第１面１１０ａ側において露出している。露出部４０５Ｉａは、アノード電極１０１、第１カソード電極パターン２０５および第２カソード電極パターン３０５Ｉと分離して配置される。本実施形態を用いることにより、同時検出する可能性が高い、高線量の環境において、放射線の検出効率を高めることができる。

なお、本実施形態では、第３カソード電極パターン４０５Ｉ（４０５Ｉ－１～４０５Ｉ－７）は、Ｗ方向に直交する方向であるＶ方向に沿って配置される例を示したがこれに限定されない。第３カソード電極パターン４０５Ｉは、アノード電極１０１－２３を通り、かつアノード電極１０１－２２とアノード電極１０１－３３との間を通る方向に配置されてもよい。例えば、アノード電極１０１－２３とアノード電極１０１－３１とを通る方向でもよいし、アノード電極１０１－２３とアノード電極１０１－４２とを通る方向でもよい。

また、本実施形態では、カソード電極パターンが３つある例を示したが、これに限定されず、４つの以上のカソード電極パターンを有してもよい。これにより、さらに同時検出する可能性が高い、高線量の環境において、放射線の検出効率を高めることができる。

＜具体的構成例＞
上記の各実施形態における放射線検出装置１０は、図４３および図４４に示すような具体的な構成の例として実現される。

図４３は、本開示の各実施形態における放射線検出装置の具体的な構成例を説明する図である。この放射線検出装置１０は、上述したように、電源装置（図示せず）およびチャンバ５０を有している。チャンバ５０の内部には、検出素子１００（第１実施形態の場合）、ドリフトケージ７０およびドリフト電極８０が配置されている。検出素子１００とドリフト電極８０とは対向して配置されている。放射線を検出するときには、チャンバ５０の内部に、上述したような希ガスおよびクエンチングガスの混合ガスが封入される。

図４４は、放射線検出装置１０を用いたコンプトンカメラ２０の概略構成図である。図４４に示すように、検出モジュール５２は放射線検出装置１０を５方向から取り囲むように設けられている。図４４においては、５箇所の検出モジュールにそれぞれ符号５２ａ～５２ｅを付している。なお、５方向に検出モジュール５２を設けた例を示したが、少なくとも１方向（例えば、アノード電極１０１の下方向）に設けてあればよい。

コンプトンカメラ２００の原理は次の通りである。まず、外部から放射線検出装置１０にγ線が入射すると、ある確率で入射γ線がチャンバ５０内の気体と衝突し、γ線の散乱が発生する。図４４に示す符号Ａは、衝突位置である。衝突により進行方向が変化した散乱γ線は、放射線検出装置１０を透過して検出モジュール５２に入射する。検出モジュール５２に散乱γ線が入射すると発光が生じ、この発光が光電子増倍管等によって電気信号に変換される。このようにして得られた電気信号は、散乱γ線の入射した位置及びその時刻を示す情報として取得される。このとき、散乱γ線のエネルギーを取得してもよい。散乱γ線のエネルギーを取得すると、所定の線源からのγ線がチャンバ内で１回のみ散乱したときに想定されるエネルギー範囲に限定して検出するように構成することにより、複数回散乱したγ線による影響（ノイズ）を除去することが可能となる。

一方、入射γ線と衝突したチャンバ５０内の気体は、符号Ａの位置から所定の方向に反跳電子ｅ^-（荷電粒子）を放出する。すると、反跳電子の飛跡に沿って電子雲が発生する。電子雲を構成する電子は、ドリフト電極８０とピクセル電極（アノード電極１０１）との間の電場によって、ピクセル電極（アノード電極１０１）へ引き寄せられる。このとき、ピクセル電極（アノード電極１０１）の近傍まで引き寄せられた電子は気体と衝突し、気体を電離させる。さらに電離によって生じた電子は雪崩的に増殖し、ピクセル電極（アノード電極１０１）にて検出される。このようにして得られた電気信号は検出信号に相当し、該検出信号は、電子が検出されたピクセルの位置及び当該ピクセルにおいて電子を検出した時刻を特定可能な信号である。

なお、散乱γ線が検出モジュール５２に入射してからピクセル電極（アノード電極１０１）で電子が検出されるまでの時間によって、そのピクセル電極（アノード電極１０１）から電子雲が生じた位置までの距離（Ｚ方向の位置）が算出できる。

１…放射線検出システム、１０…放射線検出装置、２０…コンプトンカメラ、５０…チャンバ、５２…検出モジュール、５５…エンコーダ、６０…電源装置、７０…ドリフトケージ、８０…ドリフト電極、９０…演算装置、１００…検出素子、１０１…アノード電極、１０２…ビア電極、１０３…電極、１０４…ビア電極、１０５…アノード電極パターン、１０８…アノード端子部、１１０…基板、１１１…貫通孔、１１２…貫通電極、１１５…絶縁層、１２０…絶縁層、１２１…開口部、１３０…絶縁層、１３１…絶縁層、１４０…絶縁層、１４２…ビア電極、１５０…絶縁層、１６０…基板、１７０…基板、２０２…開口部、２０５…第１カソード電極パターン、２０８…第１カソード端子部、３０２…開口部、３０５…第２カソード電極パターン、３０８…第２カソード端子部

Claims (16)

1. 絶縁基板の第１面側に露出して配置された複数の露出電極であって、第１露出電極、前記第１露出電極の第１方向に配置された第２露出電極、前記第１露出電極の第１方向と交差する第２方向に配置された第３露出電極、および、前記第２露出電極の前記第２方向かつ前記第３露出電極の前記第１方向に配置された第４露出電極を、少なくとも含む露出電極と、
   前記絶縁基板の第１面の反対側の第２面側に配置された第１電極パターンであって、前記第１露出電極と前記第２露出電極とに第１貫通電極により接続されたパターン、および前記第３露出電極と前記第４露出電極とに第２貫通電極により接続されたパターンを、少なくとも含む第１電極パターンと、
   第１露出部を有する第２電極パターンあって、前記第１露出電極と前記第３露出電極とに対応して前記第２方向に沿って配置されたパターン、および前記第２露出電極と前記第４露出電極とに対応して前記第２方向に沿って配置されたパターンを、少なくとも含み、前記第１露出部は、前記第１面側において露出し、前記露出電極と分離して配置される、第２電極パターンと、
   第２露出部を有する第３電極パターンであって、前記第１露出電極と前記第４露出電極とを結ぶ第３方向に沿って配置され、かつ、前記第１電極パターンと前記第２電極パターンとで前記第３電極パターンを挟むように配置されたパターンを、少なくとも含み、前記第２露出部は、前記第１面側において露出し、前記露出電極および前記第２電極パターンと分離して配置される、第３電極パターンと、
   を備えることを特徴とする検出素子。
2. 前記第２電極パターンは、前記露出電極の一つを囲む第１開口部を有し、
   前記第３電極パターンは、前記露出電極の一つを囲む第２開口部を有し、
   前記第１開口部の幅は、前記第２開口部の幅よりも大きいことを特徴とする、
   請求項１に記載の検出素子。
3. 前記第３電極パターンの前記第２露出部は、前記第２電極パターンと同一の層に配置されることを特徴とする、
   請求項１または２に記載の検出素子。
4. 前記露出電極は、前記第２電極パターンと同一の層に配置されることを特徴とする、
   請求項３に記載の検出素子。
5. 前記第１電極パターン、前記第２電極パターン、および前記第３電極パターンの少なくともいずれか一つは、前記第１露出電極、前記第２露出電極、および前記第４露出電極を囲む領域において、電気的に接続されていることを特徴とする、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の検出素子。
6. 前記第２面側において、前記第１電極パターン上の絶縁層を有する、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の検出素子。
7. 前記第１露出電極と前記第２露出電極とは隣接して配置され、
   前記第１露出電極と前記第３露出電極とは隣接して配置され、
   前記第１露出電極と前記第４露出電極とは隣接して配置されていることを特徴とする、
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載の検出素子。
8. 前記第１露出電極と前記第２露出電極との距離、前記第１露出電極と前記第３露出電極との距離、および前記第１露出電極と前記第４露出電極との距離は等しいことを特徴とする、
   請求項７に記載の検出素子。
9. 前記第２電極パターンに前記第１露出電極と第３露出電極とを結ぶ第１仮想直線を設けたときに、前記第１露出電極の中心と、前記第１露出電極の前記中心を通り前記第１仮想直線に直交する第２仮想直線が前記第２電極パターンの縁部と交差する第１交点との距離は、前記第１露出電極と前記第３露出電極との間の中間点と、前記中間点を通り前記第１仮想直線に直交する第３仮想直線が前記第２電極パターンの縁部と交差する第２交点との距離よりも大きいことを特徴とする、
   請求項８に記載の検出素子。
10. 前記第２電極パターンは、波線形状の縁部を有することを特徴とする、
    請求項９に記載の検出素子。
11. 前記露出電極は、前記第２露出電極を通り、かつ前記第１露出電極と前記第４露出電極との間を通る第４方向に設けられた第５露出電極をさらに含み、
    第３露出部を有する第４電極パターンであって、前記第１露出電極と前記第５露出電極とに対応して前記第４方向に沿って配置され、かつ、前記第２電極パターンと前記第３電極パターンとで前記第４電極パターンを挟むように配置されたパターンを、少なくとも含み、前記第３露出部は、前記第１面側において露出し、前記露出電極、前記第２電極パターン、および前記第３電極パターンと分離して配置される、第４電極パターンをさらに含む、
    請求項１乃至６のいずれか一項に記載の検出素子。
12. 前記第３電極パターンは、前記第１露出電極を囲む第１環状パターンと、前記第４露出電極を囲む第２環状パターンと、前記第１環状パターンと前記第２環状パターンとを接続する接続パターンを有し、
    前記接続パターンの幅は、前記第１環状パターンの外周幅および前記第２環状パターンの外周幅より狭いことを特徴とする、
    請求項７に記載の検出素子。
13. 前記第３電極パターンは絶縁表面上に設けられ、
    前記絶縁表面は凹部を有し、
    前記露出電極は前記凹部に設けられ、
    前記凹部の表面から前記露出電極の上面までの距離は、前記絶縁表面から前記第３電極パターンの上面までの距離よりも大きいことを特徴とする、
    請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の検出素子。
14. 請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の検出素子と、前記検出素子の前記露出電極、前記第１電極パターン、前記第２電極パターンおよび前記第３電極パターンに接続された電源装置と、を含むことを特徴とする、
    放射線検出装置。
15. 前記電源装置により印加される前記露出電極の電位と前記第２電極パターンの電位と間の電位差は、前記電源装置により印加される前記露出電極の電位と前記第３電極パターンの電位との間の電位差よりも大きいことを特徴とする、
    請求項１４に記載の放射線検出装置。
16. 請求項１４または１５に記載の放射線検出装置と、前記放射線検出装置を取り囲むように設けられた光を検出する検出モジュールとを含むことを特徴とする、コンプトンカメラ。

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