JPH10509509A - 電離放射線検出器 - Google Patents

電離放射線検出器

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Abstract

(57)【要約】 電離放射線検出器が開示されている。この検出器はエッチングにより一方の面に複数の並列リッジが形成されているフラット基板を備えている。リッジの並列側面には、電極として作用する導電物質の薄層が形成されている。検出される粒子または放射ビームは基板の平面に直交する方向にリッジに突き当たり、これにより電子/正孔キャリアがリッジ内に発生する。キャリアはビームに直交する方向に電極まで移動し、これにより電荷が電極に誘起される。キャリアは非常に短い距離だけを移動してリッジの側面に到達するので、読出しを非常に高速化することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 電離放射線検出器 本発明は電離放射線検出器(ionizing radiation detector)に関し、具体的に は、高エネルギー放射および/または荷電粒子または中性粒子を検出するのに適 した検出器に関する。 図1は従来の代表的な検出器を示したものである。この検出器はダイヤモンド などの絶縁物質からなるフラット・シート10を備え、そのフラット・シートの 上面と下面に薄膜のゴールド(金)電極コーティング層12,14が形成されて いる。上面電極コーティング層12には、複数の並列読出しストリップ(paralle l readout strip)が設けられ、これらは図面の紙面に直交する方向に一列に並ん でいる。下面電極コーティング層14には、複数の別の読出しストリップが設け られ、これらは図面の紙面に平行する方向に一列に並んでいる。これらの電極コ ーティング層の間は大きな電位差Vが保たれている。 荷電粒子(charged particles)が経路16をたどってダイヤモンドを通り抜け ると、電子−正孔対(electron-hole pair)18,20が発生し、これは電界の影 響を受けて分離し、読取りストリップ上に電荷を誘起する。粒子のエネルギーは 収集された電荷量によって決まり、その位置は最大の誘起電荷を受ける上面スト リップと下面ストリップの交点によって決まる。 この種の検出器にはいくつかの欠点がある。具体的には、電荷収集効率が相対 的に劣ることである。電荷収集効率はダイヤモンド内部の電荷固有の寿命(charg e intrinsic life time)によって典型的に制限され、これを大きくできるのは、 大きな再結合長さ(recombination length)をもつ、高価なダイヤモンドが使用さ れた場合だけである。さらに、x−y平面上で粒子の位置を突き止めるときの精 度は、読出しチャネル間の不可避的なクロストーク(cross-talk)によって制限さ れている。最後に、この検出器は広範囲の角度で入射する粒子に影響されやすい ことである。このことは、この検出器が特にイメージング目的に適していないこ とを意味する。イメージングが必要とされるような場合は、検出器の前に コリメータ(collimator)を組み入れて、検出器の表面に対して法線をなす角度で 走行する粒子が除去されるようにする必要があるのが普通である。この種のコリ メータは検出機器のコストを増加させるだけでなく、検出機器の感度を制限する ことにもなる。 検出効率を向上し、コリメータの使用を避ける試みとして、その幅に比べて深 くなった検出器を提供する提案がいくつかなされている。代表例として、これら の個別検出器のいくつかをバンドルまたはスタックしたものが一緒に使用されて いる。そのような例はUS-A-4891521およびGB-A-1559664に示されている。これら の文献に示されている検出器は、どちらも、データ収集をハイレートで行なうこ とを特に目的としているように見える。しかるに、本発明は、少なくとも原理的 には、個々のイベント(事象)を検出するとき時間的分解能(time resolution) と空間的分解能(spatial resolution)が極めて高い検出器を提供することに係わ るものである。 本発明の目的は、少なくとも従来技術の問題を軽減することである。 本発明によれば、電離放射線検出器が提供されている。この検出器は検出物質 でなるシングル・ウェーハを備え、このウェーハはその表面上に複数の並列側面 付き溝(parallel sided grooves)をもつことにより、溝間に複数の並列側面付き 検出エレメントを形成し、各エレメントの背中合わせの側に相反する読出し電極 (readout electrode)が設けられており、さらに、各エレメントの相反電極間に 電位差を印加してエレメント両端に電界を発生させる手段を備えている。 また、本発明によれば、基板(substrate)と複数の検出エレメントを備えた電 離放射線(または光)検出器が提供されており、この検出器では、検出エレメン トはほぼ並列の側面をもち、基板の表面から外側に突出し、両側に読出し電極を もっている。 本発明のこの種の検出器は、特に光導電原理(photoconducting principle)で 動作するタイプの検出器の構造の場合には、多くの利点をもっている。これらの 検出器は相対的に製造コストが安価であり、感度が高く、読出し速度が極めて高 速であり、チャネル間のクロストークを最小限にして非常に正確な位置決め情報 を得ることができる。この種の検出器には、非常に多数の用途があることが予想 される。例えば、医療イメージング、高エネルギー粒子物理学、燃焼およびプラ ズマ物理学、天文学で使用される紫外線検出器などである。 検出エレメントのサイズは最終的分解能を決定するが、この分解能は、本発明 によれば、製造プロセスにおける制約条件だけによって制限されている。検出エ レメントは、例えば、レーザ・エッチング法(laser etching technique)で製造 すると、その幅を10μm(micrometer:ミクロン)またはそれ以上にすること ができる。最適な読出し速度を得るために好ましいことは、検出エレメントの幅 を検出エレメントの素材となる物質の再結合長さより小さくすることであり、そ うすれば、電離された電子/正孔の大部分が電極に到達することになる。検出エ レメントの正確な、好ましい幅は使用される物質に左右されることは勿論である が、代表例として、その幅は20μmと100μmの間になることが考えられる 。特殊用途の場合には、リッジ(ridge)間のギャップを1μmまで小さくしたデ バイスを製造することも可能である。しかし、この場合には、イオン・ビームの 使用が必要になるので、その結果得られるデバイスは高価になることが避けられ ない。 検出器は、天然のダイヤモンドからでも、人工的に成長させたダイヤモンドか らでも作ることが可能である。ダイヤモンドが人工的に成長させたものであると きは、真性(つまり、ドーピングしていない)であることが好ましい。適当なダ イヤモンド成長法としては、CVD(chemical vapour deposition - 化学気相成 長または化学蒸着)法およびプラズマ励起(plasma enhanced)CVD法がある。こ れらは、数eVからそれ以上のエネルギーをもつ粒子の検出器として使用できる 。この種のダイヤモンドの代表的な特性は、キャリア再結合長さが天然のIIA型 ダイヤモンドで得られるものに比べて小さいことである。再結合長さが小さいと 、入射粒子によって生じる電荷キャリアの収集が従来設計の検出器では低下する のが通常である。しかるに、本発明が提案している検出器のジオメトリ(geometr y)によれば、標準的な成長ダイヤモンドのミクロン(μm)サイズの再結合長さ にマッチするように横方向の寸法(幅)を十分に小さくすることができるので、 高価な手法を用いてダイヤモンドの品質を改善し、再結合長さを大きくする必要 がない。従って、本発明の検出器は相対的に安価で、低品質の成長ダイ ヤモンド(例えば、再結合長さが6μm)を利用することが可能である。なお、 この種のダイヤモンドは現在、検出器で使用するにはあまり望ましくないとされ ている。また、再結合長さが80μmと100μmの間の、若干高品質のダイヤ モンドを使用することも可能である(その場合も、最高品質である必要はない) 。 上記とは別の方法として、検出器はシリコンまたはGaAsで構成し、例えば 、これらの物質のどちらかのシングル・ウェーハで構成することも可能である。 好ましくは、その側面に平行する方向に測定したときの、各検出エレメントの 高さは、並列側面間の距離として定義されている、その幅に比べて相対的に大き くなっている。アスペクト比(高さ/幅の比率)は、好ましくは、少なくとも1 0程度に高くなっているが、応用によっては100にもすることが可能である。 高アスペクト比を使用すると、本発明を取り入れて実現された検出器は、高感度 になるだけでなく(検出される粒子は検出エレメントの全長を通り抜けるため) 、高速化する(電子/正孔キャリアは非常に短い距離だけを走行して最寄りの電 極に到達する前に伝わるため)。 アスペクト比が大きくなると、デバイスの方向性感度(directional sensivity )が大きくなる。アスペクト比を大きくすると、イメージング応用分野で使用さ れている、従来の検出器に必須であるとよく見られたコリメータを完全に省くこ とが可能になる。本発明のデバイスを使用すると、十分な方向性と十分な空間的 精度とが得られるので、検出エレメント、例えば、下述するように、上面と下面 の直交リッジが正しく配置されていれば、別々のコリメータを使用しなくてもイ メージングを得ることができる。リッジ長さは好ましくはリッジ高さと幅に比べ て大きくなっている。 以上から理解されるように、本発明は、その高さが幅よりも大きい検出エレメ ントをもつデバイスに限定されるものでないことはもちろんである。同様に、本 発明は、検出エレメント間の間隔と検出エレメント自体の幅との間の特定な関係 に限定されるものではない。実施例によっては、エレメント間の間隔を非常に狭 くすること(エレメント自体の幅に比べて)が好ましい場合がある。また、他の 実施例では、エレメント間の間隔をエレメント自体の幅より広くした方が好まし い場合もある。 検出器は、好ましくは、ほぼフラットなウェーハで構成され、検出エレメント はウェーハ平面にほぼ直交する方向に外側に突出している。使用時には、検出器 は、検出される入射粒子または放射ビームがウェーハ平面に法線をなすように位 置付けられる設計になっている。一好適実施例では、検出エレメントは複数の並 列リッジを備え、これらはエッチング、成長または他の方法でウェーハ前面に形 成されている。2次元のロケーションが必要である場合は、ウェーハを両面にし て、一方の面に一連の第1並列リッジを形成し、他方の面に一連の第2直交並列 リッジを形成することが可能である。読出しデバイスを2セットにすると、上面 からx位置情報を得て、下面からy位置情報を得ることができる。 検出エレメントが複数の並列リッジを備えている場合、横方向電極は相対的に 大きなキャパシタンス効果を発生することになる。これは、各電極ペアのインピ ーダンスをリッジ終端で読出しデバイス(ワイヤ、増幅器など)のインピーダン スと整合するように構成すると、大部分が除去される。実際には、読出しデバイ スを伝送ラインとして扱い、これらの伝送ラインのインピーダンスを整合するこ とが行なわれている。このようにすると、信号処理が非常に高速化し、信号損失 が大幅に減少することになる。 正確な構成、特に、検出器の素材となる物質とアスペクト比によっては、様々 なタイプの粒子を検出することが可能である。具体的には、本発明を取り入れて 実現された検出器は、あらゆるタイプの荷電粒子検出と光子検出に使用すること ができる。光子検出時に信号強度を大きくするために、高さZの物質層を検出エ レメントの上に置くと、シャワー(showering)を引き起こすことになる。シャワ ー層は検出エレメントのすぐ前に置かれているので、引き起こされる追加のクロ ストークは非常に少なくなる。高アスペクト比にすると、効率的なガンマ線検出 を行なうことも可能である。ここでは、セルフコリメーション(self-collimatio n)が不可欠であるのは、通常のコリメータでは、サンプルの大部分が失われるこ とになるからである。ニュートロンのような中性粒子(neutral particles)の検 出は、検出エレメント間の間隔をプラスチック物質のような吸収 物質(absorber material)で埋めると、向上することができる。 本発明の異なる側面によれば、並列側面をもつ複数の検出エレメントを備えた 電離放射線(光)検出器が提供されており、この検出器では、側面に読取り電極 が設けられ、検出される入射粒子または放射ビームに平行の電極と共に動作する ように構成されている。 好ましくは、入射ビームに直交する方向の検出エレメントの高さは、並列側面 間の距離として定義された幅に比べて相対的に大きくなっている。 本発明の少なくとも一部の実施例によれば、電荷読出し時間は50ps未満に 、おそらくは35ps未満になることが期待される。 本発明の実施態様としてはいくつかが可能であるが、以下では、添付図面を参 照して、いくつかの特定実施態様を例示して説明することにする。添付図面にお いて、 図1は従来の検出器を示す図である。 図2は本発明を取り入れて実現された検出器の断面を示す図である。 図3は図2の検出器を示す斜視図である。 図4aは別の実施例を示す図であり、そこでは電極はバイポーラ電圧構成に接 続されている。 図4bは図4aの実施例を示す図であり、そこでは電極は抵抗チェーン構成に 接続されている。 図5はさらに別の実施例を示す図である。 本発明の好ましい検出器は図2と図3に示されている。これはダイヤモンド検 出器であり、ダイヤモンド基板30を備え、その一方の面には、複数の並列ダイ ヤモンド・リッジ40がエッチングによって形成されている。各リッジの一方の 側面には、正の読出し電極50があり、他方の側面には負の電極60がある。こ れらは好ましくは導体になっているが、高導電ドープ半導体物質(high-conducti vity doped semiconductor material)にすることも可能である。 使用時には、検出器は、基板が検出される粒子または放射ビーム70に実質的 に法線をなすように位置付けられる。個々の粒子がリッジの1つを通り抜けると 、イオン化(電離)キャリアが発生し、これは電極間が大きな電位差に保たれ ているために高速に電極50,60に移動する。この結果、電荷が電極上に誘起 され、この電荷はリッジの終端で読出しデバイス(図示せず)によって読み出さ れる。 基板とリッジは、好ましくは、ダイヤモンドからなっているが、これは天然ダ イヤモンドであっても、人工成長ダイヤモンドであってもよい。リッジは基板と 一緒に成長させることも、エッチング(例えば、励起レーザで)することも可能 である。電極50,60は、ゴールド、タングステン、チタンなどの適当なオー ミック物質ならば、どの物質で作ることも可能である。メタルを薄膜コーティン グ層としてリッジの両側面に塗布するために、標準的堆積法(deposition techni que)を用いることが可能である。代表例として、デバイスはリッジをエッチング し、物質を堆積(deposition)し、次いで上面をポリッシュすることによって作る ことができる。 図2から理解されるように、図示のデバイスの感度はDの値(つまり、リッジ の高さ)を大きくすることにより増加させることができる。リッジの高さが大き くなると、粒子が通り抜けなければならない物質量が多くなるので、デバイス内 のイオン化(電離)が増加することになる。リッジの高さは、検出される粒子が 通り抜けると予想される高さに一致させるのが通常である。読出し速度と効率は リッジの各々の幅Lによって決定される。特定の応用によっては、Lの値は数ミ クロンまでに小さくすることも、最大約20μmまでの大きな値にすることも可 能であり、Dの値は10μmまたはそれ以上にすることが可能である。個々のリ ッジから出される信号間のクロストークは無視し得るほどであるので、信号対雑 音比(S/N比)は大になっている。代表的な基板深さは約100μmであるが 、これはリッジを支持し、別の支持ベースを使用しなくても自立型(free-standi ng)にするのに十分な厚さである。 好ましくは、デバイスは再結合長さが6μm前後になると予想される、相対的 に低品質のダイヤモンドを利用している。 リッジの終端での読出しデバイス(図示せず)のインピーダンスは、好ましく は、電極50,60のインピーダンスと整合されるので、読出し速度が向上し、 信号損失が低減される。 図2に示す電極50,60間に電位差を印加するには、いくつかの方法が可能 である。最も単純化された形体では、電源を2電極間に接続するだけである。別 の方法として、電極を抵抗チェーン(resistor chain)(図示せず)に結合すると 、電極間の電位差は対応する抵抗両端の電圧降下によって決まることになる。 図4は別の実施例を示したもので、そこでは、電極はベースの上とダイヤモン ド・リッジ40の間の間隔の両側面上に形成されている。このことは、実効的に は、リッジ40の左側面の各電極50′は、リッジ列中の隣のリッジの右側面の 対応する電極60′と電気的に結合されるので、これらが一緒になって単一のU 形電極61を形成することになることを意味する。図4aの実施例では、一番目 の1つおきのU形電極61のペアは第1電源V1を通して結合され、二番目の1 つおきのU形電極ペアは第2電源V2を通して結合されている。このようなバイ ポーラ電圧構成にすると、リッジ40の各々の両端に常に一定電位差V1−V2が 生じることになる。 図4bは、電圧をU形電極61に印加する別の方法を示したものである。この 実施例では、複数の直列抵抗Rの両端の入力電圧Vを降下させるために抵抗チェ ーンが使用されている。各リッジ40の両端電圧はVとRに適当な値を選択する ことにより選択することができる。 以上の説明から理解されるように、類似のバイポーラ電圧構成または抵抗チェ イン電圧構成を図2の実施例に関連して使用できることはもちろんである。 リッジ40の両端の代表的な電位差はμm当たり1ボルトの範囲にすることが 可能である。実質的に電圧を高くすることが望ましければ、それも可能であるが (ダイヤモンドはブレークダウン電圧が非常に高いため)、電圧を大きくすると キャリア速度が急速に飽和するので、電位差を高くする必要はほとんどない。 さらに別の実施例(図示せず)では、別の並列リッジのセットが第1のリッジ ・セットに直交するように、基板30の下面に設けられている。このように2つ のリッジ・セットを直交させると、各検出粒子のx−y位置付けを正確に行なう ことができる。 リッジ間の間隔をプラスチック物質や他の吸収物質で埋めると、中性粒子を検 出する検出器の能力を向上することができる。 図5はさらに別の実施例を示したものである。この実施例では、リッジ40間 の間隔は非常に狭くなっており、その各々に別の電極62が置かれている。この 種の実施例が多くの場合に好ましいとされるのは、リッジ40間のギャップを狭 くすると、図2、図3および図4の実施例に比べて発生する許容損失がわずかで あるためである。ギャップの幅、従って電極62の幅は、スロットをどれだけ狭 くダイヤモンド基板に切り込むことができるかによって主に決まる。電極62を 都合のよい方法で1つに結合すると、例えば、図4aまたは図4bの手法を用い て、リッジ40の両端間に適当な電位差を発生させることができる。 ガンマ線(gamma ray)のような、高エネルギー電磁放射の検出は、リッジの上 にシャワー層(図示せず)を追加することによって向上することができる。入射 光子はまずシャワー層に突き当たり、その結果生じたシャワーは次いでその下の リッジの1つを通り抜けるので、検出可能な信号が得られることになる。 上述してきた電離放射線検出器によれば、電荷読出しを非常に高速化すること ができ、おそらくは35ps以内に、確実には50ps以内に行なうことができ る。このような読出し速度は、同等の感度と位置精度をもつどの単一パルス検出 器でも達成できないのが現状である。
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Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.検出器物質のシングル・ウェーハを具備し、前記ウェーハにはその表面に複 数の並列側面付き溝が形成され、もって前記溝間に複数の並列側面付き検出エレ メントが形成され、各検出エレメントの各々の背中合わせの側面には相反する読 取り電極が設けられ、さらに、各検出エレメントの相反電極間に電位差を印加し て前記エレメント両端に電界を発生する手段を具備することを特徴とする電離放 射線検出器。 2.各検出エレメントの高さは、その側面に平行する方向に測定したとき、並列 側面間の距離として定義されたその幅に比べて相対的に大きくなっていることを 特徴とする請求項1に記載の電離放射線検出器。 3.高さ/幅の比は10より大であることを特徴とする請求項2に記載の電離放 射線検出器。 4.高さ/幅の比は20より大であることを特徴とする請求項2に記載の電離放 射線検出器。 5.高さ/幅の比は50より大であることを特徴とする請求項2に記載の電離放 射線検出器。 6.高さ/幅の比は100より大であることを特徴とする請求項2に記載の電離 放射線検出器。 7.並列側面間の距離として定義された各検出エレメントの幅は、ウェーハの素 材となっている物質のキャリア再結合長さよりも小であることを特徴とする請求 項1ないし6のいずれかに記載の電離放射線検出器。 8.並列側面間の距離として定義された各検出エレメントの幅は10ミクロン( μm)未満であることを特徴とする請求項1ないし7のいずれかに記載の電離放 射線検出器。 9.前記ウェーハはダイヤモンドからなることを特徴とする請求項1ないし8の いずれかに記載の電離放射線検出器。 10.前記ウェーハは天然ダイヤモンドからなることを特徴とする請求項9に記 載の電離放射線検出器。 11.前記ウェーハは人工成長ダイヤモンドからなることを特徴とする請求項9 に記載の電離放射線検出器。 12.前記ウェーハは真性シリコンからなることを特徴とする請求項1ないし8 のいずれかに記載の電離放射線検出器。 13.前記ウェーハは不純物ドープ・シリコンからなることを特徴とする請求項 1ないし8のいずれかに記載の電離放射線検出器。 14.前記ウェーハはGaAsからなることを特徴とする請求項1ないし8のい ずれかに記載の電離放射線検出器。 15.前記ウェーハは不純物ドープ半導体物質からなることを特徴とする請求項 1ないし8のいずれかに記載の電離放射線検出器。 16.前記ウェーハはほぼプレーナであり、前記溝の側面はウェーハの全体平面 にほぼ直交していることを特徴とする請求項1ないし15のいずれかに記載の電 離放射線検出器。 17.前記溝はエッチングによってウェーハに形成されていることを特徴とする 請求項1に記載の電離放射線検出器。 18.前記検出エレメントはウェーハと一体に成長されていることを特徴とする 請求項1に記載の電離放射線検出器。 19.前記溝内に置かれた吸収物質を含むことを特徴とする請求項1ないし18 のいずれかに記載の電離放射線検出器。 20.前記検出エレメントの前にシャワー発生物質を有することを特徴とする請 求項1ないし19のいずれかに記載の電離放射線検出器。 21.前記検出エレメントは複数の並列リッジを含んでいることを特徴とする請 求項1ないし20のいずれかに記載の電離放射線検出器。 22.電極からの信号を並列リッジの終端で読み出すように構成された読出しデ バイスを含むことを特徴とする請求項21に記載の電離放射線検出器。 23.電極からの信号を読み出すように構成された読出しデバイスを含み、前記 読出しデバイスは電極に整合されたインピーダンスであることを特徴とする請求 項1ないし22のいずれかに記載の電離放射線検出器。 24.前記ウェーハの一方の側に複数の第1リッジと、ウェーハの反対側に直角 に複数の第2リッジとを備えていることを特徴とする請求項21に記載の電離放 射線検出器。 25.各溝は100μmより幅が狭いことを特徴とする請求項1ないし24のい ずれかに記載の電離放射線検出器。 26.各検出エレメントは幅が100μm未満であることを特徴とする請求項1 ないし25のいずれかに記載の電離放射線検出器。 27.各検出エレメントの一方の読出し電極は隣接する検出エレメントの一方の 読出し電極に電気的に結合されていることを特徴とする請求項1ないし26のい ずれかに記載の電離放射線検出器。 28.前記電極は並列側面と溝のベースにコーティング層を具備することを特徴 とする請求項27に記載の電離放射線検出器。 29.各溝はほぼ全体が読取り電極で埋められていることを特徴とする請求項1 に記載の電離放射線検出器。 30.電位差を印加する手段は、1つおきの電気的に結合された第1電極ペアに 第1電圧を印加し、1つおきの電気的に結合された第2電極ペアに第2電圧を印 加するように構成されていることを特徴とする請求項27、28または29に記 載の電離放射線検出器。 31.電位差を印加する手段は電源と抵抗チェーンを含むことを特徴とする請求 項1ないし30のいずれかに記載の電離放射線検出器。 32.図2および図3を参照して具体的に説明されている電離放射線検出器。
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