JPH0816702B2

JPH0816702B2 - 半導体放射線位置検出装置

Info

Publication number: JPH0816702B2
Application number: JP58247109A
Authority: JP
Inventors: 良彦熊澤
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1983-12-26
Filing date: 1983-12-26
Publication date: 1996-02-21
Anticipated expiration: 2011-02-21
Also published as: JPS60135884A

Description

【発明の詳細な説明】（イ）産業上の利用分野この発明は、半導体放射線位置検出装置の改良に関す
るもので、この半導体放射線位置検出装置は、たとえば
核医学診断で通常使用されているシンチレーションカメ
ラやエミッションCT装置（コンピュータ断層撮影装置）
のように特定のエネルギの放射線の２次元的位置を検出
することによって特定のRI核種の分布イメージを得るの
に有用であり、あるいは他に理工学の分野等で使用され
る。

（ロ）従来技術従来の２次元的な半導体放射線位置検出装置は、たと
えば検出画素がｎ×ｎの場合その１つ１つの画素にプリ
アンプを設けてはｎが大きいと非常に高価で複雑となる
ため、一般に直交短冊型電極方式（Checker−Board−Ty
pe）のように、陽極と陰極とを対向する平行平板電極で
構成し、且つ各電極を互いに直交するような帯状に細分
化し、これら陽極と陰極との両方から信号を取り出すと
いう構成をとることによって、プリアンプ数を2n個また
は４個とするようにしている。たとえば第１図Ａ、Ｂ、
Ｃに示すように、半導体放射線検出基板103を対向する
平行平板電極102、104で挟み、電極102をバイアス印加
側信号取り出し電極、電極104を接地側信号取り出し電
極として、いずれか一方（ここではバイアス印加側電極
102）から放射線を入射させ、両電極102、104から信号
を読み出す。第１図Ａでは各行、各列の電極102、104毎
に個別にプリアンプ106、106′を備え、電極102には抵
抗107を経てバイアス電圧を印加し、コンデンサ108で直
流分をカットするようにしている（たとえば、L.Kaufma
n,et al.“Two−Detector 512−Element High Purity G
erumanium Camera Prototye"IEEE Trans.NS−25,
（１）,189,1978を参照）。第１図Ｂでは、各座標毎に
一連の抵抗群105、105′を通して、一対のプリアンプ11
6a,116b;116a′,116b′に電荷を分割して入力し、電荷
分割方式で検出するようにしている（たとえば、M.S.Ge
rber,et al.“Position Sensitive Gamma Ray Detector
s Using Resistive Charge Division Readout"IEEE Tra
ns.NS−24,（１）,182,1977を参照）。なお117はバイア
ス印加用抵抗、118は直流カット用コンデンサである。
また、この第１図Ｂの抵抗群105、105′の代りに遅延線
を設けて信号の線路の両端における時間差を測定して位
置検出を行なう方法もある（たとえば、L.Kaufman,et a
l.“Delay Line Readouts For High Purity Gerumanium
Medical Imaging Cameras"IEEE Trans.NS−21,（１）,
652,1974を参照）。第１図Ｃでは隣接する各電極の間に
溝を形成することによりクロストークを減少させてい
る。

しかし、この場合、放射線をどちらか一方の電極側か
ら入射する構成であるため、一般にエネルギの高いガン
マ線（たとえば100keV以上）に対して有感層の厚さが不
充分となり、検出効率が低いという問題があった。検出
基板として高純度Geのｐ−ｎ接合型検出基板を用いた場
合には、空乏層の厚さＷ（mm）は不純物濃度をＮ個/c
m³、バイアス電圧をＶ（ボルト）とすると、で表わされ、Ｖ＝10³ボルトの場合Ｎ＝10¹⁰個/cm³とし
ても、空乏層の厚さは13mm程度が限界である。

また、CdTeやHgI₂のような常温用化合物半導体放射線
検出基板は、一般に正孔のμτ積（μ；易動度、τ；平
均寿命）が電子に比べて小さく、有感層（低抵抗型CdTe
のｐ−ｎ接合型では空乏層、高抵抗層CdTe及びHgI₂では
結晶の厚さ）を薄くすると電荷収集特性が悪くなり、エ
ネルギ分解能が低下する欠点を持つ。

一方、ある程度有感層が薄くても高エネルギガンマ線
に対して高検出効率が得られる方法として同軸円筒型を
用いた方法（たとえばM.G.Strauss,et al.“Coaxial Ge
（Li）Gamma−Ray Camera"IEEE Trans.NS−19,（３）,2
19,1972を参照）等が考えられるが、２次元位置検出を
行なうには一般に複雑な構成となり、高空間分解能や大
きな有効視野を得ることが困難であったり、検出装置組
立体の製作が難しい等の問題があった。

このように従来では、対向する平行平板電極のどちら
か一方の側から放射線を入射し対向する電極の両方側か
ら信号を読み出すようにしているため、有感層の厚さに
限界があり、エネルギの高い放射線に対して検出効率が
低いという欠点があり、また放射線入射側からも信号を
読み出す必要があるため構成が複雑で入射側電極付近の
不均一散乱等の問題がある。

（ハ）目的この発明は、比較的簡単な構成で且つ製作・組立が容
易でプリアンプ数が少なく、しかもエネルギの高い放射
線に対しても検出効率が良く、且つエネルギ分解能およ
び空間分解能が良好であり、有効視野の大型化が容易に
できる半導体放射線位置検出装置を提供することを目的
とする。

（ニ）構成この発明による半導体放射線位置検出装置では、互い
に対向する第１、第２の平行平板電極ではさまれた放射
線検出用半導体基板が該電極面に略直角な第１の方向に
隣接するよう複数個配列され、該第１の電極が該電極面
に略平行な第２の方向に基板毎に複数個に分離されてお
り、第２の電極は上記の第２の方向には連続するように
されていて、放射線の入射方向が上記電極面に略平行で
且つ上記第２の方向に略直角となるよう構成され、上記
複数個に分離された第１の電極のうち上記第２の方向に
おいて同位置の電極のそれぞれに共通に複数の信号線の
各々が接続され、これら複数の信号線のいずれにおいて
信号が発生したかにより該第２方向での位置検出を行な
うとともに、上記第２の複数の電極のいずれにおいて信
号が発生したかにより上記第１方向での位置検出を行な
い、上記第１の電極より生じた信号と第２の電極より生
じた信号とが所定の時間範囲内で同時であるか否かを同
時計数手段で検出し、上記第１の電極と第２の電極の少
なくとも一方の側から生じた信号により得たエネルギ信
号が１個以上の所定のエネルギ範囲内に入っているか否
かを波高分析手段で識別するようにしている。

（ホ）実施例第２図および第３図はこの発明の一実施例を示し、こ
れらの図では説明の簡単化のため検出画素が４×４のマ
トリクス状に配置されているものとしている。４個の放
射線検出用半導体基板３（3a〜3d）は、１個のバイアス
電極２（2a〜2d）と４個に細分化された接地側電極（仮
想接地の場合も含む）４（411〜414、421〜424、431〜4
34、441〜444）との互いに対向する平行平板電極により
それぞれはさまれている。これらの基板３はたとえばGe
やSiまたはCdTeやHgI₂等の化合物半導体よりなる。そし
て絶縁体１を介して電極面側が隣接するように（すなわ
ちＹ方向に）一定間隔で配列されており、接地側電極４
は電極面に対し平行な方向つまりＸ方向に一定間隔に細
分化されている。ガンマ線などの測定すべき放射線は図
示していないコリメータを通して電極面に対して平行で
且つＸ軸に対して垂直な方向（図では下の方向）から入
射される。なお、半導体基板３は、Ge、Si等では高純度
半導体の空乏層またはリチウムイオン等で補償した真性
領域でかなり、各電極２、４はp⁺またはn⁺層を有する
が、HgI₂及び高抵抗型CdTeの場合は基板３が結晶自体で
あり、各電極２、４はPd、Ge等の蒸着やアカダック塗布
等で形成されている。

絶縁体１は基板３の厚さに比べて薄いことが検出効率
の点から好ましいが、あまり薄すぎると漏れ電流が多く
なり、また静電容量も増大し、これらにより回路雑音の
増加すなわちエネルギ分解能の劣化を引き起す。したが
って絶縁体１は体積抵抗率が大きくしかも誘電率が比較
的小さいこと（たとえばテフロン等）が望ましく（さら
に第２図の構成では絶縁破壊が強いことももちろん必要
である）、検出効率と雑音との両方の見地から妥協でき
る厚さを選択すべきである（なお検出効率に関してはコ
リメータの隔壁の厚さおよび整合性にも依存する）。

細分化された各々の接地側電極４のうちＸ座標が同位
置である電極同士は同一信号線を介してそれぞれ１個の
プリアンプ６に直流結合で接続され、仮想的に接地され
る。すなわち電極411、421、431および441は互いに共通
の１本の信号線を介してプリアンプ6aに接続され、この
プリアンプ6aから電圧出力Vx1を得る。同様に電極412、
422、432および442はプリアンプ6bに、電極413、423、4
33および443はプリアンプ6cに、電極414、424、434およ
び444はプリアンプ6dに、それぞれ接続されて電圧出力V
x2、Vx3、Vx4を得る。

一方バイアス印加側電極2a,2b,2c,2dは、それぞれバ
イアス抵抗7a,7b,7c,7dを介して高圧電源に接続されて
おり、また各コンデンサ8a,8b,8c,8dを介してプリアン
プ6a′,6b′,6c′,6d′の各々に交流結合で接続され、
これらから電圧出力Vy1、Vy2、Vy3、Vy4をそれぞれ得
る。

なお、第２図の構成ではバイアス印加側電極２からの
信号取り出し点を側面に形成したが、上方の面より信号
を取り出すよう構成してもよい。また、両電極２、４か
らの信号取り出し点は実際には各電極とそれに隣接する
絶縁体１との間に設けるものとし、たとえば絶縁体１の
表面に導体を蒸着させて信号線を作りその一部が電極
２、４とそれぞれ接触するよう構成することもできる。

プリアンプ以降の回路構成に関しては本質的に従来の
ものが使用でき、種々の構成が考えられるが、この実施
例では第３図の構成を採用したとして説明を続ける。

Ｘ方向の位置情報を有する各プリアンプ出力Vx1〜Vx4
は対応する波形整形および電圧増幅器9a〜9dの各々に入
力され、それらから得られた各出力はそれぞれ対応する
ディスクリミネータ10a〜10dの各々と、アナログマルチ
プレクサ31とに入力される。各ディスクリミネータ10a
〜10dはコンパレータ等で形成され、入力された各増幅
器9a〜9dの出力信号が予め設定されたスレッショルド電
圧Vthxを越えるときのみデジタルパルス信号を出力する
よう構成されており、これらデジタルパルス信号はOR回
路11、ラッチ回路12および上記のアナログマルチプレク
サ31に送られる。ディスクリミネータ10a〜10dのうち少
なくとも１個がパルス信号を出力した場合にはOR回路11
からパルス信号T1xが出力され、これが同時計数および
タイミング制御回路30に入力され、その結果信号T2xが
この同時計数およびタイミング制御回路30から出力さ
れ、この信号T2xがラッチ回路12に送られラッチ回路12
の内容を固定する。固定されたラッチ回路12の出力はエ
ンコーダ13に送られてコード化された後ラッチ回路14に
送られる一方、同時計数およびタイミング制御回路30に
も送られ、上記ディスクリミネータ10a〜10dのうちの２
個以上から同時にパルス信号が生じていないかどうかが
この同時計数およびタイミング制御回路30で識別される
（たとえばパリティ・ジェネレータ／チェッカーICを利
用すればこの識別が可能である）。

同様にＹ方向の位置情報を有する各プリアンプ出力Vy
1〜Vy4は対応する波形整形および電圧増幅器9a′〜9d′
の各々に入力され、それらから得られた各出力はそれぞ
れ対応するディスクリミネータ10a′〜10d′の各々に入
力される。各ディスクリミネータ10a′〜10d′はコンパ
レータ等で形成され、入力された各増幅器9a′〜9d′の
出力信号が予め設定されたスレッショルド電圧Vthyを越
えるときのみデジタルパルス信号を出力するよう構成さ
れており、これらのデジタルパルス信号はOR回路21、ラ
ッチ回路22に送られる。ディスクリミネータ10a′〜10
d′のうち少なくとも１個がパルス信号が出力した場合
にはOR回路21からパルス信号T1yが出力され、これが同
時計数およびタイミング制御回路30に入力され、その結
果信号T2yがこの同時計数およびタイミング制御回路30
から出力され、この信号T2yがラッチ回路22に送られラ
ッチ回路22の内容を固定する。固定されたラッチ回路22
の出力はエンコーダ23に送られてコード化された後ラッ
チ回路24に送られる一方、同時計数およびタイミング制
御回路30にも送られ、上記ディスクリミネータ10a′〜1
0d′のうちの２個以上から同時にパルス信号が生じてい
ないかどうかがこの同時計数およびタイミング制御回路
30で識別される。なお、上記のラッチ回路12、14、22、
24はＤ型ラッチ回路またＤ型フリップフロップで構成さ
れる。

一方、アナログマルチプレクサ31は、ディスクリミネ
ータ10a〜10dのパルス信号を出力したものに対応する波
形整形および電圧増幅器9a〜9dのいずれの出力信号のみ
を、後続の主増幅器32に送るアナログスイッチで構成さ
れており、波形整形および電圧増幅器9a〜9dの各々から
の信号を単純に加算して主増幅器32に入力する場合に比
べて雑音を減少させる働きを有する。

主増幅器32の出力であるエネルギ信号Ｚは、波高分析
器33に送られ、ここで、エネルギ信号Ｚが予め設定され
た１個または複数個のエネルギ範囲（窓）等に含まれる
か否かの判定がなされる。含まれているときは信号Ｓを
同時計数およびタイミング制御回路30に送る。同時計数
およびタイミング制御回路30では、ディスクリミネータ10a〜10dのうちパルス信号を出力
したものが１個だけであること、ディスクリミネータ10a′〜10d′のうちパルス信号を
出力したものが１個だけであること、信号T1xに関する信号と、信号T1yに関する信号とが一
定の時間範囲であること（すなわち同時計数）、信号Ｓが波高分析器33から出力されていること、の４つの条件が満たされているか否かの判断が行なわれ
る。これらの４条件が全て満たされている場合には、こ
の同時計数およびタイミング制御回路30から信号T3が出
力され、この信号によりラッチ回路14、24の内容が固定
されるとともに、この信号T3より一定時間の後にアンブ
ランク信号が出力され、このアンブランク信号がCRT表
示装置34に入力される。固定されたラッチ回路14,24か
ら出力される信号DigX,DigYはデジタル位置信号であ
り、それぞれD/A変換器およびドライバ回路15、25でア
ナログ位置信号Ｘ、Ｙに変換された後CRT表示装置34に
送られて、２次元のイメージが表示される。

なお、第３図では省略したが、ラッチ回路14、24にお
いてコード信号の下位ビットに乱数発生器（たとえばカ
ウンタ等で構成される）の出力を付加して画素点にイメ
ージが集中することを防いで見易くすることが望まし
い。

同時計数およびタイミング制御回路30は、信号T1x
（または信号T1y）が入力されて信号T2x（または信号T2
y）が生じる場合、その直後に別の放射線入射事象に起
因する信号T1x（または信号T2y）が送られてきても前事
象に関する処理時間の間はこの信号の受け付けを禁止す
る、つまり後の信号については信号T2x（または信号T2
y）が発生しないように構成されており、さらに信号Ｇ
をアナログマルチプレクサ31に送ってそのスイッチ状態
を一定時間の間固定するよう構成されている。また、上
記の４条件のいずれか１つでも満たされない場合には、
ただちにリセット状態に戻るよう構成されているものと
する。

なお、上記は１つの実施例を示すものであり、構成的
に種々の変更が可能である。

たとえば、第２図において接地側電極４の各々を仮想
的に接地する代りに実際に接地するようにしてもよく、
また交流結合としてもよい。さらに第２図とは逆に各基
板３毎に接地側電極４を１個ずつとしバイアス印加側電
極２の方を複数に細分化するようにしてもよい。

また、回路構成的にも第３図の構成以外の構成を採用
することができ、たとえば、Vx1〜Vx4の代りにVy1〜Vy4
に関する信号でエネルギ信号Ｚを形成したり、あるいは
Vx1〜Vx4とVy1〜Vy4の両者の和に関する信号でエネルギ
信号Ｚを形成するようにしてもよい。アナログマルチプ
レクサ31の代りに加算回路を使用したり、ディスクリミ
ネータ10、10′の代りにシングルチャネルアナライザを
使用してもよい。

また、VthxとVthyの各スレッショルドレベル電圧は異
なっていてもよいし、共通であってもよい。さらに前記
スレッショルドレベル電圧が、波高分析器33のエネルギ
窓（複数ある場合は最も低いエネルギ窓）の低限レベル
に応じて変化するように構成してもよい。

さらに第２図のように各行、各列毎にプリアンプ6,
6′を設けるのでなく、その代りに第４図Ａに示すよう
に抵抗群205、205′等のインピーダンスを利用した電荷
分割方式を採用することもできる。たとえば第４図Ａで
は１対のプリアンプ206a,206bの各出力Vxa,Vxbの対称加
算信号によりエネルギ信号を得るとともに、非対称加算
信号（たとえばVxb−Vxa）を上記のエネルギ信号で除算
することによってＸ方向の位置信号を得、同様に１対の
プリアンプ206a′,206b′の各出力Vya、Vybの非対称加
算信号を上記エネルギ信号で除算することによりＹ方向
の位置信号を得るよう構成することもできる。

またこの第４図Ａの場合、抵抗群205、205′の代りに
遅延線を設けて信号の線路の両端における時間差を測定
して位置検出する構成をとることもできる。

第２図では接地側電極４とバイアス印加側電極２とが
絶縁体１を介して互いに隣接しているが、たとえば第４
図Ｂに示すように各々の半導体基板３の接地側電極４同
士およびバイアス印加側電極２同士が隣接するように配
置してもよい。この場合、互いに隣接する電極同士の電
位がほぼ同じであるため、絶縁破壊や漏れ電流の心配が
あまりないので、静電容量に関する雑音とクロストーク
に関してのみ注意すればよいという利点がある。また細
分化されている方の電極（第４図Ｂでは特に接地側電極
４）について導体100を介して隣接させるよう構成で
き、こうすることにより放射線検出器組立体の製作が簡
単になる。他方、細分化されていない方の電極（第４図
Ｂでは特にバイアス印加側電極２）について、第４図Ｂ
のように絶縁体１を介して隣接させるようにしてもよい
が、逆に導体を介して隣接させ、Ｙ方向の空間分解能が
２倍に悪化する代りに静電容量に関する雑音とクロスト
ークの問題の改善と、放射線検出器組立体の製作の簡単
化とを得る方を選択することもできる。

第４図Ｃに示すように絶縁体１の一部を空洞化するこ
とにより静電容量（および漏れ電流）に起因する雑音を
低減させることも可能である。

また、第４図Ｄに示すように、Ｘ方向に隣接する細分
化された電極（図では特に接地側電極４）からの信号が
互いにクロストークするのを防止するためこれら電極の
間に溝を形成するようにしてもよい。

さらに、上記では説明の便宜のため、４×４のマトリ
クスの場合について説明したが、他の多数の配列の場合
も同様に適用できることはもちろんである。

各半導体基板の細分化される電極の数は２以上の任意
の複数を選択でき、またＸ方向に半導体基板を複数配列
させることもできる。

また、第２図等の２次元放射線位置検出器の組立体を
リング型または六角形状に配置することにより多層スラ
イスのエミッションCT装置に適用することも可能であ
る。

（ヘ）効果この発明による半導体放射線位置検出装置では、互い
に対向する第１、第２の平行平板電極ではさまれた放射
線検出用半導体基板が該電極面に略直角な第１の方向に
隣接するよう複数個配列され、該第１の電極が該電極面
に略平行な第２の方向に基板毎に複数個に分離されてお
り、第２の電極は上記の第２の方向には連続するように
されていて、放射線の入射方向が上記電極面に略平行で
且つ上記第２の方向に略直角となるように構成されてい
るので、放射線検出用半導体基板を用いながらエネルギ
の高い放射線に対する検出効率を高いものとすることが
でき、エネルギ分解能を向上させることができる。すな
わち、ｐ−ｎ接合型半導体検出基板を用いる場合比較的
純度が低い結晶や薄い結晶を使用したり、低バイアスで
動作させたりしてもエネルギの高い放射線に対する検出
効率が良好になる。さらに常温用化合物半導体検出基板
を使用する場合有感層が薄くてもエネルギの高い放射線
に対する良好な検出効率を達成することができ、そのた
め電荷収集特性が比較的良好となり、エネルギ分解能が
比較的良くなる。また、有効視野の大型化が比較的容易
で、必ずしも大口径の結晶が必要でない。さらに、プリ
アンプ数を比較的少なくすることができ回路構成が簡単
で安価にできる。放射線入射側から信号線を取り出す必
要がなく、半導体基板の配列が簡単になり組立体の製造
が容易になる。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ、Ｂ、Ｃは従来例をそれぞれ示す模式図、第２
図および第３図はこの発明の一実施例を示すもので、第
２図は空間的配列関係を示す模式図、第３図は信号系の
ブロック図、第４図Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは変形例をそれぞれ
示す模式図である。１（1a〜1d）……絶縁体２（2a〜2d）,102……バイアス印加側電極３（3a〜3d）、103……放射線検出用半導体基板４（411〜444）,104……接地側電極 105、105′、205、205′……抵抗群６（6a〜6d）、６′（6a′〜6d′）、 106、106′、116a,116b,116a′,116b′,206a,206b,206
a′,206b′……プリアンプ７（7a〜7d）、107、117、207a、207b……バイアス抵抗８（8a〜8d）、108、118、208a、208b……コンデンサ９（9a〜9d）、９′（9a′〜9d′）……波形整形および
電圧増幅器 10（10a〜10d）、10′（10a′〜10d′）……ディスクリ
ミネータ 11、21……OR回路 12、14、22、24……ラッチ回路 13、23……エンコーダ 15、25……D/A変換器およびドライバ回路 30……同時計数およびタイミング制御回路 31……アナログマルチプレクサ 32……主増幅器、33……波高分析器 34……CRT表示装置、100……導体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに対向する第１、第２の平行平板電極
ではさまれた放射線検出用半導体基板が該電極面に略直
角な第１の方向に隣接するように絶縁体または導体を介
して複数個配列され、該第１の電極が該電極面に略平行
な第２の方向に基板毎に複数個に分離されており、第２
の電極は上記の第２の方向には連続するようにされてい
て、放射線の入射方向が上記電極面に略平行で且つ上記
第２の方向に略直角となるよう構成された組立体と、上
記複数個に分離された第１の電極のうち上記第２の方向
において同位置の電極のそれぞれに共通に接続される複
数の信号線と、これら複数の信号線のいずれにおいて信
号が発生したかにより該第２方向での位置検出を行なう
手段と、上記第２の複数の電極のいずれにおいて信号が
発生したかにより上記第１方向での位置検出を行なう手
段と、上記第１の電極より生じた信号と第２の電極より
生じた信号とが所定の時間範囲内で同時であるか否かを
検出する同時計数手段と、上記第１の電極と第２の電極
の少なくとも一方の側から生じた信号により得たエネル
ギ信号が１個以上の所定のエネルギ範囲内に入っている
か否かを識別する波高分析手段とを有することを特徴と
する半導体放射線位置検出装置。
【請求項２】上記半導体基板が、基板の厚さに比べて薄
い絶縁体を介して上記第１の方向に隣接するよう複数個
配置されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載の半導体放射線位置検出装置。
【請求項３】上記第１、第２の各電極からの信号取り出
し点が、上記各電極と、該電極に隣接する絶縁体との間
に存在することを特徴とする特許請求の範囲第２項記載
の半導体放射線位置検出装置。
【請求項４】上記絶縁体の一部分が空洞となっているこ
とを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の半導体放射
線位置検出装置。
【請求項５】上記各半導体基板が、それぞれの第１の電
極同士および第２の電極同士が互いに隣接するように配
列されていると共に、上記複数個に分離された第１の電
極の上記第２方向において同位置の隣接する電極同士が
導体で接続されていることを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の半導体放射線位置検出装置。
【請求項６】上記各半導体基板が、それぞれの隣接する
第２の電極間に導体を介して配列されていることを特徴
とする特許請求の範囲第５項記載の半導体放射線位置検
出装置。