JPH08509550A

JPH08509550A - 放射線検出器

Info

Publication number: JPH08509550A
Application number: JP6524016A
Authority: JP
Inventors: ジェームズモートン，エドワード
Original assignee: ユニバーシティオブサリー
Priority date: 1993-04-28
Filing date: 1994-04-26
Publication date: 1996-10-08
Also published as: WO1994025878A1; EP0696358A1; US5693947A; AU6574694A

Abstract

(57)【要約】放射線検出器は、行と列に配置された分散電極（１３）を含む複数の第１コンデンサ（１０）と第２コンデンサ（２０）のアレイＡからなる２容量性構造を備えている。第２コンデンサ（２０）は、第１コンデンサ（１０）と協同する放射線変換器（２１）を実装し、放射線変換器曝される放射線の空間分布に応じて、分散電極（１３）へ電荷を蓄積させる。読出し手段（３０）は、蓄積した電荷の信号表示を出力するために設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】放射線検出器〔発明の背景〕本発明は放射線検出器、特に、広帯域、２次元、画素化された放射線検出器に関する。本発明は医用検査機器、例えば、医用Ｘ線画像などのような特定用途の検出器に限定されていない。画素化された放射線検出器は、通常、２次元状に配置された放射線検出素子アレイからなる。通常、放射線検出器の素子は、行と列に配置され、規則正しいアレイを構成する。各素子がアレイ状に配置されたこのような放射線検出器の周知の例の１つは、トランジスタに逆バイアス接続されたフォトダイオードを含む。信号集積中、トランジスタは非導通状態に保持され、入射した放射から誘導された光放射信号は、フォトダイオードの両端に印加されたバイアスを放電できる。次に、この信号はトランジスタを導通状態にして読み出され、フォトダイオードの両端に印加されたバイアスを放電できる。信号はトランジスタを導通状態にして読み出され、フォトダイオードの両端の逆バイアスを再格納するのに必要な電荷量を記録する。このようなアレイは、通常、結晶シリコンまたは水素添加されたアモルファス・シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）から形成される。この種の検出器は、非線形性能を示し、大きな入力信号に飽和し、そして、ａ −Ｓｉ：Ｈセンサの漏れ電流は、認める程度に検出されるショット・ノイズが発生する点で不十分になる傾向がある。また、このような放射線検出器は半導体物質の捕獲位置で画像の遅れを生じる。〔発明の要約〕本発明の第１態様によれば、第２容量性手段は第１容量性手段と協働して、電荷を分散電極に蓄積させる分散電荷収集電極の２次元アレイを含む第１容量性手段と、放射線変換手段が曝される放射線強度の空間分布による電荷収集電極と、分散電極に蓄積する電荷の信号表示を出力する読出し手段と、第１容量性手段の電荷収集手段と、を具備する放射線検出器を提供する。放射線検出器は、放射線変換手段の動作に関連した比較的高い電圧に読出し回路が曝されるのを防ぐ役割を果たす容量性構造を備えている。また、この放射線検出器の構造により、比較的高いフレーム速度の画像機能を実現できる。半導体基板および分散電極の２次元アレイを含む第１容量性手段と、半導体基板の第１面に形成される分散電荷収集電極とからなり、各前記電荷収集電極は、各第１コンデンサの一部を構成する本発明の別の態様による放射線検出器を提供する。第２容量性手段は、層が曝される放射線を電荷に変換する放射線変換物質層からなり、第１容量性手段と直列に配置された第２コンデンサと、放射線強度の空間分布に従い、分散電荷収集電極に放射線変換物質で発生した電荷を集中して蓄積する集中手段と、分散電荷収集電極に蓄積する電荷の信号表示を出力する読出し手段と、を具備する。〔図面の説明〕図１は、本発明の１実施例による放射線検出器を図式的に示す図である。図２（ａ）〜（ｃ）は、図１に示す放射線変換器の別の実施例の等価回路を示す図である。図３は、図１に示す放射線検出器の読出し回路を図式的に示す図である。図４ａ〜４ｄは、放射線検出器を連続的に動作させる方法を示す図である。図５は、本発明の別の実施例による放射線検出器の４つの電荷収集電極からなるグループの簡略化した正面図である図６は、図５に示す放射線検出器の一部の簡略化した断面図である。図７は、図５と６に示す放射線検出器の電荷収集の理想化した最小電位分布を示す図である。〔好適な実施例の説明〕図１を参照すると、放射線検出器は第１コンデンサ１０のアレイＡと第２コンデンサ２０からなる２容量性構造を含み、さらに、半導体読出し回路３０を含む。第２コンデンサは放射線検出器２１を実装している。用いる放射線変換器の形態は、放射線検出器が用いられる特定の用途に依存する。この特定実施例において、放射線検出器は高解像度でのＸ線放射の検出に適しており、放射線変換器２１は、イオン化チェンバ（図示せず）に含まれる固体、液体、またはガス状の適切な放射伝導物質とイオン化媒質２３から構成されるフラットなプレート電極からなる。第１コンデンサ１０のアレイＡは、プレーナ電極１２と行と列に配置された（このうち、１つの行だけが図１に示されている）分散電荷収集電極１３の２次元アレイとの間に配置された誘電物質の薄い層で形成されている。各分散電極１３はアレイＡの各第１コンデンサ１０の一部を構成する。代表的な実施例において、層１１は電極アレイ１３を形成する金属パッドを備えるプリント回路基板の一部を構成するグラス・ファイバ複合体シートと、プレーナ電極１２を形成するグランド面からなる。以下に詳細に説明するように、放射線変換器の電極２２は検出される放射に曝される面を持ち、各分散電極１３は放射線検出器により構成される検出された放射画像の１画素に対応する。ここで、図２ａ〜２ｃに示す等価回路を参照する。電極２２はＨＴ電源４０に接続されている。各コンデンサ１０はコンデンサ２０に直列に接続されるような構成を採っている。明確にするため、図２ａ〜２ｃはアレイＡのコンデンサ１０の１つだけを示す。ＨＴ電源４０は電圧Ｖ_EHTを電極２０に供給し、イオン化媒質２３の両端に強い電場をＥｏを発生する。放射線検出器の動作中、入射した放射は電子と陽イオンを生成するイオン化媒質をイオン化する。半導体の場合は電子と空孔を生成する。これらの電荷は電極１３と２２に印加された電場Ｅ_oの方向にドリフトする。＋Ｖ_EHTが電極２２に接続されたとき、複数の電子が電極２２にドリフトし、陽イオンと空孔は分散電極１３にドリフトされる。分散電極１３のアレイに蓄積する電荷は、事実上、入射した放射強度の空間分布に対応する。電極１３に蓄積した電荷の信号表示の出力は読出し回路３０の機能であり、次に信号は処理されて、入射した放射線強度の空間分布を示す２次元画像を生成する。最後に、各電極１３は、電解効果トランジスタ（ＦＥＴまたはＪＦＥＴ）３１とオプションの増幅器３２からなる各半導体スイッチを介して各データライン（Ｄ）に接続される。図２（ａ）は、増幅器３２が省略された簡略化した回路を示し、図２（ｂ）と２（ｃ）は増幅器を含むより複雑な回路を示す。各増幅器３２は関連するリセット・スイッチ３３と出力マルチプレクサ・スイッチ３４を備えている。図２（ｂ）は電圧検出増幅器の配置を示し、図２（ｃ）は電流検出増幅器の配置を示す。各スイッチ３１をオープンすると、アレイＡの各第１コンデンサ１０は、次の式により全信号電流の一部を集積する。ｉ_sig（ｔ）＝ｉ₁（ｔ）＋ｉ₂（ｔ）（１）ここでｉ₁（ｔ）は時間ｔに各コンデンサ１０を流れる電流、ｉ₂（ｔ）はコンデンサ２０を流れる電流を示す。次に、各電圧Ｖ₁，Ｖ₂が、次の式により各コンデンサ１０とコンデンサ２０の両端に生じる。ここでｔ_iは集積期間中に分散電極１３に電荷を蓄積する時間間隔である。Ｃ₁は第１コンデンサ１０の容量である。Ｃ₂は第２コンデンサ２０の容量である。集積期間ｔ_i中、各第１コンデンサの両端に表れる各電圧Ｖ₁は、この期間に対応する画素で受光した蓄積放射線強度に比例する。従って、電圧Ｖ₁を読み出すことにより、入射した放射の強度分布の画像を得ることができる。検出した出力信号を最大化するため、第２コンデンサ２０を流れる電流ｉ₂はできるだけ小さくなければならない。これは上記の式から次のようになる。ｉ₁／ｉ₂＝−Ｃ₁／Ｃ₂ （３）そこで、Ｃ₁の値はＣ₂の値より大きくなければならない。通常、Ｃ₂：Ｃ₁の比は５〜１０，０００の範囲になければならず、さらに１００〜１０，０００の範囲にあるのが好ましい。この条件は層１１をできるだけ薄くし、高い誘電定数を持つ物質から層を形成して達成することができる。また、オフ状態にあるＦＥＴ３１と第１コンデンサ１０により形成される回路の時定数τは、集積期間ｔ_iと読出し期間ｔ_rの合計に対し大きくなければならず、それにより、ＦＥＴ３１を通して放電する第１コンデンサ１０による信号消失の可能性を低減する。時定数τは次の式により与えられる。 τ＝Ｒ_oＣ₁ （４）ここでＲ_oはオフのときのＦＥＴ３１の抵抗である。従って、最適な状態は、Ｒ_oとＣ₁の値が両方とも大きいときに表れる。検出器の読出し期間ｔ_rを低減させることも有益である。これから述べるように、各ＦＥＴ３１のスイッチング状態は、アレイＡの第１コンデンサ１０から電圧Ｖ₁を読み出す順序を決定するため制御される。図２に示すように、各ＦＥＴ３１のソースは関連する分散電極３１に接続しており、ドレインはオプションの増幅器回路３２を介して各データラインＤに接続する。図３は図２（ａ）を参照して説明したように、増幅器回路３２が省略されているときの読出し回路の配置方法を図式的に示している。この場合、ＦＥＴ３１は、ゲートが同一制御ライン（Ｃｌ）に接続されている同一行（ＲＯＷｌ）の電極１３に接続されており、同様に、ＦＥＴは、ドレインが順に共通処理回路（ＰＲＯ１）に接続されている共通データライン（Ｄ１）に接続される同一列（ＣＯＬ１）の電極１３に接続されている。この配置により、選択した行（行１）のコンデンサ１０の両端に表れる電圧Ｖ１は、行の制御ライン（Ｃ１）をハイに、他の制御ライン（Ｃ２，Ｃ３．．．．）をローに設定して読み出すことができる。この状態において、選択した行のＦＥＴはすべてクローズし、他の選択されていない行に関連したすべてのＦＥＴはオープンする。それゆえ、選択した行の各データラインＤの信号は、その行の各コンデンサ１０の両端に表れる電圧Ｖ₁を示し、外部処理回路ＰＲＯ１，ＰＲＯ２．．．．により、列ごとにシーケンシャルあるいはマルチプレクスして同時に読み出すことができる。次に、この手順は、すべてのコンデンサ１０の両端の電圧Ｖ₁が読み出されるまで、アレイの他の行に対して繰り返される。外部処理回路ＰＲＯ１，ＰＲＯ２．．．．は、電流検出か電圧検出のいずれかである。増幅器３２が含まれているとき、読出し回路は異なって配置される。この場合、大域ゲート制御信号ＧＡＴＥがアレイの全ＦＥＴに同時に供給され、リセット・スイッチ３３と同一行の各マルチプレクサ３２に関連する出力マルチプレクサ・スイッチ３４は共通マルチプレクサ制御ラインＣを介して制御される。選択した行の各データラインＤへの出力信号は、前述したように、列ごとかマルチプレクスして読み出される。図４（ａ）〜（ｄ）は、入射した放射に応答して電荷を蓄積するため、およびコンデンサ１０に格納された電荷を読み出すために、放射線検出器を連続的に動作させる例を図式的に示す。ステージ１（図４ａ）放射ビームがオンになりＦＥＴ３１がすべてオープンし、その結果、各分散電極１３は、グランド電位からフロートする。入射した放射は、例えば、陽イオン（＋）を分散電極１３に蓄積させる放射線変換器２１のイオン化媒質２２をイオン化する。ステージ２（図４ｂ）一時的に、電極１３に格納された電荷を読み出す前にリセット・スイッチ３３がオープンする。ステージ３（図４ｃ）トランジスタ３１はクローズし、電極に格納された電荷が外部処理回路ＰＲＯ１，ＰＲＯ２．．．．に到達できるようにする。処理回路の出力での信号は集積期間の放射線強度に比例する。ステージ４（図４ｄ）スイッチ３３をクローズすると、電極１３がグランド電位に接続され、次の集積期間の準備ができている画素をリセットする（ステージ１）。アレイの各画素は、ステージ４を除き、読出しサイクルのすべての時点で電荷を格納することができる。それゆえ、ステージ１のみで放射ビームを再度オンとオフにするか、ビームを連続的にオンにして、検出器を４つのステージを連続的に循環させると、連続（シネ）モードで動作できる。誘電層１１と第１コンデンサ１０のアレイＡに関連した少なくともいくつかの読出し回路３０は、水素添加アモルファス・シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）、またはポリシリコン（Ｐ−Ｓｉ）などのような半導体物質の共通基板から製造される。検出器の画素のサイズとピッチを実際に定義する分散電荷収集電極１３は、蒸着または任意の他の蒸着技術により、半導体基板表面に形成でき、回路構成要素（ＦＥＴ３１）に関連するある回路では、各電極１３のすぐ下の基板物質に埋め込まれる。制御ラインＣとゲートおよび回路構成要素を相互接続するデータラインＤは、基板の隣接する端まで延び、関連する処理回路に接続する。回路構成要素が各画素を形成する電極１３の下に位置している構成は、電極間のスペースを大幅に低減できるという利点があり、その結果、画素自体が比較的小さい、通常、直径が１００μｍ以下であっても、照射された検出器領域の９０％以上の入射した放射線を検出する。ａ−Ｓｉ：ＨＦＥＴの抵抗Ｒは次の式で与えられることが知られている。１／Ｒ＝（Ｗ／Ｌ）μ_FE（Ｖ_G−Ｖ_T）Ｃ_G （５）ここで、ＷとＬはそれぞれＦＥＴの幅と長さである。 μ_FEはキャリア移動度である。Ｖ_Tはスレッシュホールド電圧である。Ｖ_Gはゲート電圧であり、ここでＶ_G、Ｖ_TおよびＣ_Gはゲート容量である。ＦＥＴが「クローズ」したとき（低抵抗「読み出し」状態）、上記のパラメータは、通常、次の値になる。Ｗ／Ｌ＝１０ μ_FE＝０．５ｃｍ^-2Ｖ^-1 ｓｅｃ^-1 Ｖ_T＝１ＶＶ_G＝５ＶＣ_G＝１０^-8Ｆｃｍ^-2 これらの値を上記の式（５）に適用すると、読出し期間中のＦＥＴ抵抗Ｒ_ONは約５ＭΩになる。検出器が１００μｍ平方の比較的小さな画素サイズと１マイクロメータの厚さの誘電層１１を備える場合、各コンデンサ１０の容量Ｃ₁は５００ｆＦになる。従って、アレイ中の画素の読出し時定数 τ_R（Ｒ_ON・Ｃ₁）は、約２．５μ秒になるため、その結果、アレイが２０００行から構成される場合、全アレイの読出期間は、４０フレームｓｅｃ^-1のピークフレーム速度に対応する約２５ｍ秒になる。これにより、５τ_R期間で行の全画素からデータを読み出せるようにする。もちろん、ＦＥＴのＷ／Ｌ比、および／または、ゲート電圧Ｖ_Gを上げてこれより速いフレーム速度を達成できる。ａ−Ｓｉ：Ｈなどのような半導体物質で製造した電子回路に関連する問題は、高い電圧に起因する電気的故障に対する感受性である。しかし、図１を参照して説明した放射線検出器は、分散電極１３に電荷の蓄積時、集積期間中、および読出し期間中、被る恐れのある損傷から読出し回路を保護する目的で設計されたいくつかの有用な機能を持つ。層１１の半導体物質は高い誘電定数を持つため、それで、容量比により、放射線変換器２１で発生する可能性のある電気放電から読出し回路３０を保護する。さらに、各ＦＥＴ３１にオプションのダイオード（Ｄ１、Ｄ２）を互い違いに接続して、さらなる保護機能を提供し、検出器が壊れたとき大きな電気信号が流れるのを防ぐ。層１１のこのような高い抵抗は、漏れ電流を低く抑え、各画素のショット・ノイズを低減させる。さらに、コンデンサ２０の両端に表れる電圧（Ｖ_EHT−Ｖ₁）は、コンデンサ１０の両端に表れる電圧Ｖ₁より大きくなるのが普通であり、これにより、放射線変換器２１両端の電圧は、ほぼ一定に保持され、集積入力信号の広範囲にわたり良好な信号の線形性を保証する。図１を参照して説明した放射線検出器は、イオン化媒質の形の放射線変換器２１を実装し、高解像度でのＸ線放射の検出に適している。印加電圧Ｖ_EHTによるイオン化媒質中の高い電場Ｅ_oにより、良好な空間解像度が得られる。電場は帯電した粒子の移動を電極１３と２２の面に垂直な方向に制限する傾向がある。陽イオンは、通常、イオン化媒質中の電子より小さな移動度を持つため、空間解像度は、陽イオンが電極１３にドリフトされたとき最大になる。図５、６および７は本発明の好適な実施例を示している。この図では、ポリシリコン（Ｐ−Ｓｉ）を代替物質として利用可能であるが、水素添加アモルファス・シリコン（ａ−Ｓｉ、Ｈ）から２容量性構造を製造する。図１〜４を参照して説明した実施例のように、２容量性構造は、電荷を蓄積できる分散電荷収集電極１０を備える。第１コンデンサ１０の２次元アレイと、第１コンデンサ１０に直列に接続しオーバレイしている共通の第２コンデンサと、からなる。図５は大規模な２次元アレイの一部を形成する電荷収集電極１０１の４つのグループを示す簡略化した平面図である。各電極１０１は、各コンデンサ１０の一部を形成し、図６はコンデンサ１０の１つだけを通して図５のラインＡ−Ａで切った放射線検出器の断面図を示す。図６を参照すると、各コンデンサ１０は、その１つの面Ｓ₁に電荷収集電極１０１を備えるａ−Ｓｉ：Ｈ層１０２と、電極１０１のすぐ下にある反対面Ｓ₂の対応する画素電極１０３からなる。画素電極はグランド電位に接続している。各スイッチング回路を介してデータラインＤに接続している電極Ｄは、関連するコンデンサ１０の横側の層１０２に形成された電解効果トランジスタ３１からなる。各トランジスタ３１は、層１０２の面Ｓ₁に形成されたａ−Ｓｉ：Ｈの層１３１と層１３１に蒸着されたｎ⁺型物質（ａ−Ｓｉ：Ｈ：ｎ⁺）の領域１３２、１３３からなる。このような各領域１３２、１３３は、電極１０１に接続したコンタクト１３４（ソース電極）と各データラインＤに接続したコンタクト１３５（ドレイン電極）をそれぞれ備えている。トランジスタ３１は、層１０２の面Ｓ２に形成されたゲート電極１３６も備えており、これは、各制御ラインＣに接続されている。２容量性構造の第２コンデンサ２０は、分散電極１０１とオーバレイした真性ａ−Ｓｉ：Ｈ層２０１とそれらに関連する電解効果トランジスタ３１、およびＨＴ電源のソースに接続し、第２コンデンサの最上プレートを形成するｎ⁺ドープした物質（ａ−Ｓｉ：Ｈ：ｎ⁺）層２０２と、からなる。絶縁物質層（図示せず）は、トランジスタとデータラインを層１０２から絶縁するため設けられている。この実施例において、放射線検出器は、シンチレータ層３００と円柱状の構造を持つセシウム・ヨウ化物（ＣｓＩ）とからなる。層３００は２容量性構造１０、２０の一部を形成していないが、検出すべき放射（例えば、Ｘ線放射またはγ 線放射）を光放射に変換する。生成した光放射強度は、層３００が曝される放射線強度に依存している。このようにして生成された光放射は、層３００を通って、第２コンデンサ２０の層２０１に入射する。層３００での光放射のどのような拡散も円柱状のセシウム・ヨウ化物の結晶構造によって制限されるので、その結果、層２０１を通過する光子の空間分布は、層３００が曝される放射線強度の空間分布にほぼ一致する。層２０１に入射する個々の光子は、層の半導体物質に電子−空孔対を生成する。この実施例において、空孔はｎ⁺物質で形成される層２０１へドリフトし、電子は各電荷収集電極１０１にドリフトする。実際、第２コンデンサは半導体ドリフト・チェンバとして機能する。面Ｓ₁には、各電荷収集電極１０１とそれに関連する電解効果トランジスタ３０１を取り囲む高濃度でドープしたｎ⁺型物質（ａ−Ｓｉ：Ｈ：ｎ⁺）の薄い、狭い層２０３も面Ｓ₁に設けられている。また、高濃度でドープしたｐ⁺型物質（ａ −Ｓｉ：Ｈ：ｐ⁺）層２０４は、各電極１０１に蒸着されている。複数層２０３、２０４の空間分布は、図７に理想化した形で示すように第２コンデンサ２０に最小電位Ｐｍを生成するので、その結果、層２０１で生成した電荷（この実施例では電子）は電位井戸内の移動が制限され、そのため、各電荷収集電極に集中する。複数層２０２、２０３、および２０４の層の極性は、もちろん、反転すると認識される。この場合、空孔は電荷収集電極１０１にドリフトし電子は層２０２にドリフトする。図５〜７を参照して説明した構成は重要な特質を持つ。各スイッチング回路（ＦＥＴ３１）は横側に位置し、関連するコンデンサ１０とほぼ同一面にある。従って、層１０２は、通常、約３００ｎｍの比較的薄い厚さにできるため、各コンデンサ１０はコンデンサ２０の容量よりさらに大きな容量持ち、広いダイナミック・レンジと良好な線形性を提供する。この構成を採ることによって、各電荷収集電極１０１の領域は、関連するＦＥＴを実装するため、サイズを低減させなければならない。説明したように、電子収集によって、検出器は高い電荷収集効率を達成できるにもかかわらず（検出器の照射領域の約１００％に入射する放射線を検出器が検出できるようにする）、隣接画素間の高いクロストーク除去を達成する。各行の電極１０１に蓄積する電荷は、上述したように、データと制御ラインＤ、Ｃを制御して読み出すことができる。図３を参照して説明したように、各行の画素は、列ごとにシーケンシャル、またはマルチプレクスして同時に読み出すことができる。図５〜７を参照して説明した構成は、周知のアモルファス・シリコン・プロセス技術を用いて製造できる。通常、アルミニウム膜は、例えば、ガラスから製造されるフラットな基板上に蒸着され、エッチングして、ゲート電極１３６、関連する制御ラインＣおよび画素電極１０３を形成する。アモルファス・シリコン窒化物（ａ−Ｓｉ：Ｈ：Ｎ）は、通常、３００ｎｍの厚さであり、エッチングした膜、真性ａ−Ｓｉ：Ｈ層およびｎ⁺型物質（ａ−Ｓｉ：Ｈ：ｎ⁺）層を蒸着する。次に、ａ−Ｓｉ：Ｈ層とｎ⁺型物質層をフォトリソグラフィ的にエッチングで除去して層１３１とトランジスタ３１のソースとドレイン領域１３２、１３３を形成する。第２アルミニウム膜はエッチングした半導体物質上に蒸着され、エッチングで除去して、電荷収集電極１０１、ソースとドレイン電極１３４、１３５、およびデータラインＤを形成する。次に、プラズマ・エッチング・プロセス技術を用いて、トランジスタ３１のチャネルの外因性ｎ⁺ 型物質を除去する。ｎ⁺型とｐ⁺型物質の追加層は、蒸着し、フォトリソグラフィ的にエッチングして、電子集中に用いられる層２０３、２０４を形成する。約２μｍの厚さの真性層ａ−Ｓｉ：Ｈ（層２０１）を、続いて、ｎ⁺型物質の薄い層（層２０２）にコンタクト電極を電子蒸着により蒸着し、最後に、３００μｍの厚さの円柱状のセシウム・ヨウ化物の薄い層を化学蒸着、またはシルク・スクリーン印刷にって蒸着して（層３００）検出器を完成する。図５〜７を参照して説明した構造は、コンデンサ１０のアレイと、それに関連する電解効果トランジスタ、および広範囲の様々な放射線変換器と組み合わせて使用できる制御とデータラインを同じ半導体基板に実装している点において非常に適用性がある。別の実施例において、図６の層２０１、２０２、および３００は、検出すべき放射を直接電子−空孔対に変換する放射線変換物質の単一層によって置換できる。この目的のため特に有用な物質の例としては、Ｘ線放射、γ線放射、αまたは β粒子の検出に使用できるテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）がある。テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）は、電子蒸着により蒸着され、もし過剰な¹¹ ³ Ｃｄアイソトープが供給されると、結果として得られる層は中性子に対して高感度になる。さらに別の実施例において、層２０１、２０２、および３００は、図１を参照して説明した方法に類似した液体、ガス、または固体イオン化チェンバにより置換できる。説明した実施例から分かるように、放射線検出器は、医用画像（Ｘ線画像）に非常に適した広い領域の、高解像度の画像が得られる。しかし、本発明はこの応用だけに限定されず、本発明による適切な放射線変換器を選択することにより、広範囲な各種画像の応用の途が開けてくる。本発明の別の応用として、放射線検出器を₁Ｈ³（３重水素）オートラジオグラフィに用いたものがある。この場合、放射線変換器２０は、マイクロチャネル・プレートの最上面に蒸着された薄いフォトカソード２０からなる。トレーサに用いる標識付けをし電気泳動した後、検査中のゲルは、放射線変換器のフォトカソードの上に配置する前にシンチレーション液に浸積される。β^-粒子は標識₁Ｈ³のβ^-崩壊により放射され、シンチレーション液から可視光の形で光子を放射させ、フォトカソードから順に電子を放出する。光電子はマイクロチャネル・プレートに入り、負の電荷が蓄積する電荷収集電極（１３、１０１）アレイ方向に加速される。電極（１３、１０１）は図５〜７を参照して説明したように半導体基板上に実装される。マイクロチャネル・プレートの利得は、検出器の出力信号のＳ／Ｎ比の向上を支援する。図１〜７を参照して説明した実施例のように、放射線変換器の容量Ｃ₂はコンデンサＣ₁の容量よりはるかに小さいので、後者は放射線変換器の動作に関連する高い電圧から読出し回路３０を保護するのに効果的である。本発明の別の応用において、放射線検出は中性子の撮影に用いられる。₆₄Ｇｄ¹⁵⁸ （ガドリニウム）は、自然界に最高２５％まで豊富に存在する安定した核種で、熱中性子に対する断面は２．６×１０⁵バーンになる。（ｎ、γ）反応をして最大７．９Ｍｅｖのエネルギーを持つ₆₄Ｇｄ¹⁵⁷（これも安定した核種）を生成する。この反応は４１ＫｅＶ以下の低エネルギーのオージェ電子も生成する。これは上述した標識₁Ｈ³の検出に用いたのと類似した放射線変換器を用いた、中性子画像の生成に用いたオージェ電子である。しかし、この場合、薄いシンチレーション層は、シンチレーション液の代わりにフォトカソードに直接塗布される。₆₄Ｇｄ¹⁵⁸層は、オーバレイして、シンチレーション層とフォトカソードを保護する。この種の中性子検出器は、低エネルギー（５００ＫｅＶ以上）のＸ線検出器と組み合わせて用いられる。通常、Ｘ線検出器は図１を参照して説明したイオン化媒質に類似した高解像度に適したイオン化媒質からなる放射線変換器を備える。Ｇｄ中性子放射線変換器からの汚染を低減するため、高エネルギー（１ＭｅＶ以上）のＸ線に対する感度を低くすることが必要であろう。しかし、２つの放射線変換器は非常に近接して接続されているので、この効果を補償する「中性子汚染補正係数」を生成することが可能である。本発明のさらに別に実施例において、放射線検出器は₁₆Ｓ³⁵（イオウ）のオートラジオグラフィに用いることができる。₁₆Ｓ³⁵は、ベリリウムなどの薄いシートを通過することができる１６８ＫｅＶのエネルギーを持つＢ^-粒子を放射する。この場合、放射線変換器２１は、イソオクタンなどのような適切なイオン化液体で満たされた液体イオン化チェンバからなり、薄いベリリウム・シートからなる窓を備える。チェンバを封止すれば、チェンバを大きく変形させることなく、洗浄用のベリリウム窓にある程度の圧力を加えることができる。しかしながら、テフロン膜または他の強靭なプラスチック・シートを窓の上で引張り、検出器の感度に多少の影響があるオペレータへのダメージを低減するのが好ましい。放射線変換器の利得を上げるため、複数段をワイヤ接続したアバランシュ・ステージ（ａｗｉｒｅｍｕｌｔｉ−ｓｔｅｐａｖａｌａｎｃｈｅｓｔａｇｅ）または他の高い利得装置をイオン化チェンバのイオン化空間に設ける。放射線変換器の洗浄を容易にするために、ａ−Ｓｉ：Ｈの薄い層また他のアモルファス半導体物質などのような固体イオン化媒質を用いることができる。これとは別に、上述したような、₁Ｈ³のオートラジオグラフィを光検出放射線変換器に用いることができる。上述した実施例のように、本発明による放射線検出器を電磁放射（例えば、Ｘ線放射、γ線放射、光放射）、荷電粒子（例えば、α粒子、β粒子）、中性子、圧力波および磁場を含む広範囲の各種放射線の検出に用いることができる。低エネルギーのα、β、Ｘ、およびγ線放射を撮影する本発明のさらに別の応用では、放射線変換器２３はポリピロールまたはポリアニリンなどのような物質を用いた、高分子半導体からなる。この場合、放射線は電荷収集電極に信号を転送する高分子と相互作用する。大きな原子番号を持つ元素を高分子基板に加えて、高エネルギーＸ線とγ線との相互作用の確率を高くする。さらに別の方法では、伝導率が化学濃度の関数として変化する高分子物質に置換しているので、画素化された「電子ノイズ」を発生する。従って、放射線変換器を含む放射線検出器を用いる用途に応じて、放射線変換器は実に様々な形態をとりえ、このような放射線変換器には次のものが含まれる。（ａ）IV属半導体（例えば、結晶、多結晶、またはアモルファス形状のシリコンとゲルマニウム）。これらの物質はα、β、γ、Ｘ線、または光放射の検出に有用である。（ｂ）結晶、多結晶、またはアモルファス形状のＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＨｇＩ₂ 、ＴｌＢｒを含む化合物半導体。これらの物質はα、β、γ、Ｘ線または光放射の検出に有用である。（ｃ）高分子半導体（ｄ）アモルファス・セレン。この物質はα、β、γ、およびＸ線の検出に有用である。（ｅ）ガス・イオン・チェンバ（例えば、室温または高圧力下で純粋のまたは適切な冷却剤を混合したＡｒ、Ｘｅ、Ｋｒガス）。この放射線変換器はα、β、 γ、またはＸ線放射の検出に用いることができる。（ｆ）ガス比例チェンバ（例えば、適切な冷却剤を混合したＡｒ、Ｘｅ、Ｋｒガス）。この放射線変換器はα、β、γ、またはＸ線の検出に用いることができる。（ｇ）液体イオン・チェンバ（純粋アルコール）。この放射線変換器はα、β 、γ、またはＸ線の検出に用いることができる。（ｈ）コンデンサ２０の誘電物を形成する電子加速ギャップを備えるフォトカソードと組み合わせたシンチレータ。この種の放射線変換器はα、β、γ、またはＸ線放射の検出に用いることができる。（ｉ）半導体層がコンデンサＣ２を形成する半導体を照射するシンチレータ。この種の放射線変換器はα、β、γ、またはＸ線放射の検出に用いることができる。（ｊ）（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）、または（ｉ）型のデバイスと接触した高い中性子相互作用断面を持つ金属膜。（ｋ）ピエゾ圧電物質。この物質は圧力波を検出する。相互作用波は、変換媒質２０を形成するピエゾ圧電物質全体に電圧変化を起こさせる。この電圧変化によりＣ１に電流を流させ、それにより、画像信号を発生する。（ｌ）ホール効果デバイスとして動作する半導体物質。このデバイスは磁場を検出する。変換媒質２０として用いられる半導体全体のホール効果電圧の発生により、Ｃ₁に電流を流させ、それにより、画像信号を発生する。ほとんどすべての場合において、放射線変換器は、入射した放射に応答して荷電粒子を発生し、コンデンサ１０の電荷収集電極に電荷を蓄積させ、コンデンサ１０の両端に表れる結果として得られた電圧Ｖ₁は読出し回路を用いて読み出される。説明した放射線検出器の特有の利点は、ここで述べたように、放射線変換器は様々な形態をとりうるが、コンデンサ１０を形成する構造と放射線変換器と一緒に用いられる読出し回路３０は大きな変更を必要としないことである。従って、各種放射線変換器を用いる実験は比較的簡単である。説明した放射線検出器は、同じ一般的な構造、すなわち、生成される画像の各画素と各第１コンデンサの一部を構成する分散電極アレイと、放射線変換器を実装する第２コンデンサ、および放射線変換器で検出した放射に応答して第１コンデンサの分散電極に蓄積された電荷の信号表示を読み出す読出し回路からなる。すでに述べたように、２容量性構造は、第１コンデンサの容量が放射線変換器の動作に用いられる比較的高い電圧から読出し回路を保護する点で好都合である。また、医用画像に応用されたとき、放射線検出器は、高い空間解像度の組み合わせ（放射線変換器で生成された電荷キャリアの疑似１次元パスによる）、高い量子効率（Ｘ線膜と他の画素化された検出器で用いられる燐光に比較し、可能な比較的厚い検出器による）。また、放射線変換器を適切に選択すると、説明した放射線検出器は、画像遅れが少ないか全くない高いフレーム速度の画像機能を提供する。これは現在、ａ− Ｓｉ：Ｈ自身の捕獲状態数により、周知のアモルファス・シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）を用いて達成できていない。産業上の応用可能性本発明は、例えば、医用Ｘ線画像などの医用画像だけに限定されるものではなく、大規模な、２次元の画素化された放射線検出器に特に適用可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims

【特許請求の範囲】１．分散電荷収集電極の２次元アレイを含む第１容量性手段と、放射線変換手段を含む第２容量性手段を備え、前記第２容量性手段は、前記分散電荷収集電極へ電荷を蓄積させる前記第１容量性手段と協働して、前記分散電荷収集電極へ電荷を蓄積させ、前記電荷収集電極は、前記放射線変換手段が曝される放射線強度の空間分布に応じて、電荷を収集し、前記第１容量性手段の前記分散電荷収集電極へ蓄積する電荷の信号表示を出力する読出し手段と、を具備することを特徴とする放射線検出器。２．請求項１に記載の放射線検出器において、各前記分散電荷収集電極は、前記第２容量性手段に直列に電気的に接続した各第１コンデンサの一部を形成する放射線検出器。３．請求項２に記載の放射線検出器において、前記第１コンデンサは第１容量を持ち、前記第２容量性手段は前記第１コンデンサに直列に電気的に接続した第２コンデンサを備え、前記各第１コンデンサの容量と前記第２コンデンサの容量の比が１０，０００対５であり、好ましくは１０，０００対１００である放射線検出器。４．請求項１に記載の放射線検出器において、前記第１容量性手段は、誘電物質層と、層の第１面に形成される前記電荷収集電極と、を具備する放射線検出器。５．請求項４に記載の放射線検出器において、前記誘電物質層は水素添加アモルファス・シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）またはポリシリコン（ｐ−Ｓｉ）から形成される放射線検出器。６．請求項４または５に記載の放射線検出器において、前記読出し手段は、前記２次元アレイの前記各電荷収集電極をデータラインに接続する複数の半導体スイッチング・デバイスを具備する放射線検出器。７．請求項６に記載の放射線検出器において、前記半導体スイッチング・デバイスは電解効果トランジスタであり、前記各電解効果トランジスタは、前記各電荷収集電極のすぐ下の半導体物質層に形成されている放射線検出器。８．請求項６に記載の放射線検出器において、前記半導体スイッチング・デバイスは、電解効果トランジスタであり、各前記電解効果トランジスタは、その前記電解効果トランジスタが接続している前記各電荷収集電極に隣接する前記半導体物質層の前記第１面に形成されるドレインとソースとを備える放射線検出器。９．請求項８に記載の放射線検出器において、前記各電解効果トランジスタは、前記半導体物質層の第２面に形成されるゲート電極を備える放射線検出器。１０．請求項７〜９のいずれか１つに記載の放射線検出器において、前記電解効果トランジスタの前記ゲート電極は、前記半導体読出し手段が行または列ごとに前記電荷表示信号の出力を可能にする制御ラインに接続した放射線検出器。１１．請求項１０に記載の放射線検出器において、前記半導体読出し手段は、前記２次元アレイの連続した行（列）から列（行）ごとにシーケンシャルに、またはマルチプレクスして読み出す手段からなる放射線検出器。１２．請求項１に記載の放射線検出器において、層が曝される放射線を光放射に変換する第１放射線変換物質層を含み、前記第２容量性手段の前記放射線変換手段は、前記第１放射線変換物質層で発生された光放射を電荷に変換して、前記第１容量性手段の前記分散電荷収集電極に蓄積させる第２放射線変換物質層の追加層からなる放射線検出器。１３．請求項１２に記載の放射線検出器において、前記第１放射線変換物質は、円柱状の構造を持つ結晶物質である放射線検出器。１４．請求項１３に記載の放射線検出器において、前記第１放射線変換物質はセシウム・ヨウ化物（ＣｓＩ）である放射線検出器。１５．請求項１に記載の放射線検出器において、前記第２容量性手段は、前記分散電荷収集電極に電荷を集中させる電荷集中手段からなる放射線検出器。１６．請求項１５に記載の放射線検出器において、前記電荷集中手段は、前記第２容量性手段に複数の電位井戸を生成し、前記各電位井戸は前記各電荷収集電極に電荷を集中するように配置されている放射線検出器。１７．請求項１に記載の放射線検出器は、互い違いに接続されたダイオード対を具備し、前記各ダイオード対は、前記２次元アレイの前記各電荷収集電極に接続されている放射線検出器。１８．請求項６に記載の放射線検出器は、前記第１容量性手段と前記第２容量性手段とを電気的に絶縁する手段と、電荷を前記電荷収集電極に蓄積できるプリセット集積期間中、前記データラインから電気的に絶縁する前記第２容量性手段と、を含む放射線検出器。１９．半導体基板と前記半導体基板の第１面に形成される分散電荷収集電極の２次元アレイとを含み、各前記電荷収集電極は各第１コンデンサの一部を形成し、第１容量性手段の前記第１コンデンサと直列に配置した第２コンデンサからなる第２容量性手段を備え、前記第２コンデンサは、層が曝される放射線を電荷に変換する放射線変換物質層と前記放射線変換物質層で発生した電荷を前記分散電荷収集電極に集中する電荷集中手段からなり、それにより、層が曝される放射線強度の空間分布に応じて、電荷集中電極に電荷を蓄積し、前記分散電荷収集電極に電荷を蓄積される電荷の信号表示を出力する半導体読出し手段と、を具備する放射線検出器２０．請求項１９に記載の放射線検出器において、前記電荷集中手段は、前記放射線変換物質層に複数の電位井戸を生成し、前記各電位井戸は、電荷が前記各電荷収集電極に集中するように配置された放射線検出器。２１．請求項１９または２０に記載の放射線検出器において、前記電荷集中手段は、コンタクトを備える半導体物質本体と、電荷が前記分散電荷収集電極に蓄積するように配置した電極を備える半導体物質本体と、を具備する放射線検出器。２２．請求項２１に記載の放射線検出器において、蓄積した電荷は、電子、ｐ型半導体物質からなる前記半導体物質本体の電荷収集コンタクトを具備する放射線検出器。２３．請求項２１または２２に記載の放射線検出器において、半導体読出し回路は、前記２次元アレイの前記各電荷収集電極をデータラインに接続する複数の電解効果トランジスタと、前記電解効果トランジスタが接続される前記電荷収集電極に隣接する前記半導体基板の前記第１面に形成されている前記各電解効果トランジスタのドレインとソースと、を具備する放射線検出器。２４．請求項２３に記載の放射線検出器において、前記半導体基板本体は前記半導体基板の前記第１面に形成され、前記各電荷収集電極と、その前記電荷収集電極が接続される前記電解効果トランジスタを取り囲む放射線検出器。２５．請求項２３または２４に記載の放射線検出器において、前記各電解効果トランジスタは、前記半導体基板の第２面に形成されるゲート電極を持つ放射線検出器。２６．請求項２５に記載の放射線検出器において、前記電解効果トランジスタのゲート電極は、半導体読出し手段が行または列ごとに電荷表示信号を出力できるように制御ラインに接続する放射線検出器。２７．請求項１９に記載の放射線検出器は、検出すべき、追加層が曝される放射を光放射に変換する前記放射線変換物質の追加層を含み、前記第２容量性手段の前記放射線変換物質が前記追加層で発生した光放射を前記分散電荷収集電極に蓄積する電荷に変換する放射線検出器。２８．請求項２７に記載の放射線検出器において、前記追加層は円柱状の構造を持つ結晶放射線変換物質から形成される放射線検出器。２９．請求項２８に記載の放射線検出器において、前記結晶放射線変換物質はセシウム・ヨウ化物（ＣｓＩ）である放射線検出器。３０．１〜２９の請求項のいずれか１つに記載の放射線検出器は、前記第２容量性手段の両端に電場を発生する手段を含む放射線検出器。３１．請求項１または１９に記載の放射線検出器において、前記放射線変換手段は、（ａ）結晶、多結晶またはアモルファス形のシリコンとゲルマニウムを含むIV 属半導体、（ｂ）結晶、多結晶またはアモルファス形のＧａＡｌ、ＣｄＴｅ、ＨｇＩ２、ＴｌＢｒを含む化合物半導体、（ｃ）高分子半導体、（ｄ）アモルファス・セレン、（ｅ）冷却剤を添加したＡｒ、Ｘｅ、Ｋｒなどのようなガスを含むガス・イオン・チェンバと液体イオン・チェンバを含むイオン化媒質、（ｆ）適切な冷却剤を添加したＡｒ、Ｘｅ、Ｋｒなどのようなガスを含むガス比例チェンバ、（ｇ）液体イオン・チェンバ、（ｈ）フォトカソードを組み合わせたシンチレータ、（ｉ）半導体層を照射するシンチレータ、（ｊ）上記（ａ）〜（ｉ）から選択したデバイスと組み合わせた中性子相互作用断面を備える金属箔、（ｋ）圧電物質、（１）ホール効果デバイスとして動作する半導体物質、からなるグループから選択される放射線検出器、３２．請求項１〜１５に記載の放射線検出器は、１以上の放射線変換手段の組み合わせを含み、前記各放射線変換手段は各種放射線を検出する放射線検出器。３３．請求項１〜３２のいずれか１つに記載の放射線検出器は、（ａ）α、β、γ粒子（線）、Ｘ線放射、宇宙放射（線）、光放射、（ｂ）中性子、（ｃ）圧力波、（ｄ）磁場、の以上のグループから選択される放射線を検出する放射線検出器。３４．請求項１〜３２のいずれか１つに記載の放射線検出器を実装する画像装置。３５．請求項１〜３２のいずれか１つに記載の放射線検出器を実装する医用Ｘ線画像装置。