JPWO2010064693A1 - 放射線の位置を2次元で検出する半導体検出器及びそれを用いた放射線の2次元位置検出方法 - Google Patents
放射線の位置を2次元で検出する半導体検出器及びそれを用いた放射線の2次元位置検出方法 Download PDFInfo
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Abstract
Description
したがって、シンチレーター検出器では、X線CT並みの1mm以下の空間分解能を得ることができない。
本発明の他の目的は、上記半導体2次元位置検出器を用いて放射線の2次元位置を検出する方法を提供することにある。
後述する数式(3)及び(4)で位置弁別を行うためには、各ストライプ電極の抵抗とストライプ電極の上端部同士間及び/又は下端部同士間に接続される抵抗との抵抗比は、好ましくは、10:1〜100:1である。
第1〜第nの各ストライプ電極は、好ましくは、Y方向に沿って互いに溝分離されている。第1〜第nの各ストライプ電極を形成するストリップ電極同士が、好ましくは、X方向に沿って互いに溝分離されている。
ストライプ電極は電気伝導抵抗性が高く且つショットキー型電極であり、前記半導体基板の裏面に配置された電極は電気伝導性の高い電極としてもよい。
前記半導体基板は、好ましくは、CdTe、CdZnTe及びBrTlの何れかからなり、電極は、好ましくはインジウム又は白金からなる。
上記構成において、第1〜第nの各ストライプ電極を、Y方向に形成されかつ互いに分離されたm個のストリップ電極から形成し、各ストリップ電極のY方向に沿って隣り合うストリップ電極同士を抵抗を介して接続して各ストライプ電極を形成してもよい。
2:半導体基板
2A:半導体基板の表面
2B:半導体基板の裏面
2C:半導体基板の溝部
3:ストライプ電極
4,5:抵抗
6,8,10,12:出力用の抵抗
7:第1の信号出力用端子
9:第2の信号出力用端子
11:第4の信号出力用端子
13:第3の信号出力用端子
15:ショットキー電極
16:放射線
17〜20:信号検出器
22:演算部
25:放射線の照射位置
26:仮位置座標
33:ストライプ電極
33ij:ストリップ電極
35:ストリップ電極接続用の抵抗
〔第1の実施の形態〕
図1は、本発明の第1の実施形態に係る放射線の位置を2次元で検出するための半導体2次元位置検出器1の構成を示す平面図であり、図2は、図1のII−II線に沿った断面図である。
この半導体2次元位置検出器1は、半導体基板2と、この半導体基板2の表面2AにX方向に所定の間隔を置いて並置された、Y方向と平行な第1〜第n(nは2以上の整数)のストライプ電極3と、第1〜第nのストライプ電極の上端部3A同士間に接続される複数の抵抗4と、第1〜第nのストライプ電極3の下端部3B同士間に接続される複数の抵抗5と、第1のストライプ電極31の下端部3Bに出力用の抵抗6を介して接続される第1の信号出力用端子7と、第nのストライプ電極3nの下端部3Bに出力用の抵抗8を介して接続される第2の信号出力用端子9と、第1のストライプ電極31の上端部3Aに出力用の抵抗10を介して接続される第4の信号出力用端子11と、第nのストライプ電極3nの上端部3Aに出力用の抵抗12を介して接続される第3の信号出力用端子13と、半導体基板2の裏面2Bに配置された電極15と、を備えている。第1〜第nのストライプ電極3は、各列を示すのに、例えば1列目のストライプ電極3は、31と表記する。
ここで、半導体2次元位置検出器1は、半導体基板2の表面2Aに配置される第1〜第nのストライプ電極3と、裏面2B側に配置される電極15と、からなる所謂ショットキーダイオードである。
ここで、ストライプ電極は、電気伝導抵抗性が高く且つショットキー型電極を用いることができる。また、半導体基板の裏面に配置される電極は電気伝導性の高い電極とすることができる。
なお、第1〜4の信号出力用端子7,9,11,13と接続されている信号検出器17〜20の間に信号増幅器(図示せず)を設け、出力信号を調整してもよい。信号検出器17〜20としては、電荷有感型増幅器を用いることができる。以下の説明では、信号検出器17〜20は電荷有感型増幅器として説明する。
上記第1実施形態に係る半導体2次元位置検出器1における電流経路を説明する。
半導体2次元位置検出器1へ放射線16が照射され、ストライプ電極3に衝突することで生じた電流は、ストライプ電極3の両端側へ流れる。図12のような従来の面状の電極の場合、電流は二次元的な方向へ流れるのに対し、半導体2次元位置検出器1では一次元的な方向へ流れる。つまり、面状の電極の場合、電流は放射線16の衝突位置から多方向へ流れるのに対し、半導体2次元位置検出器1では各ストライプ電極3が分離されX方向への流れが制限されるため、ストライプ電極3が伸びているY方向へ電流が流れる。
放射線16の入射位置からストライプ電極3の両端部までの距離とY方向の抵抗値とは比例するが、抵抗を流れる電流は反比例する。電流は誘起電荷に比例するので、電流に比例して電荷有感型増幅器の出力が増大する。このため、Y方向の両側にある、例えば第1、第2、第3及び第4の電荷有感型増幅器17〜20で検出された信号から、Y方向における放射線16の入射位置を算出することができる。
これらの事情に鑑み、検出すべき電流とノイズ電流との識別性を維持しつつ仮位置座標(Xi,Yj)におけるY方向の歪みを抑えることを考慮し、ストライプ電極3と抵抗4,5との抵抗比は10:1〜100:1とすることが望ましい。後述する測定例において、ストライプ電極3の抵抗値は1MΩで、抵抗4,5の好ましい抵抗値は、10kΩから40kΩであった。
第1の実施形態に係る半導体2次元位置検出器1における放射線16の入射位置の算出方法について説明する。
第1〜第4の信号検出器17〜20の出力信号V1〜V4が、演算部22において、演算処理され放射線16の入射位置が算出される。具体的には、出力信号V1〜V4を基に、下記(1)式及び(2)式によって仮位置座標(Xi,Yj)を算出する。
半導体2次元位置検出器1を用いた放射線16の検出例1について説明する。
図4は、半導体2次元位置検出器1への放射線16の照射位置を示す平面図である。図4に示す半導体2次元位置検出器1は半導体基板2がCdTeからなり、8列のストライプ電極3を有している。ストライプ電極3の1本は、Y方向の長さが20mm、X方向の幅は1.1mm、厚さ500Å厚のインジウム蒸着膜である。このストライプ電極3の1本の両端間の抵抗値は1MΩである。隣り合うストライプ電極3の間のピッチ(隣り合う電極3の中心線と中心線の距離)は、1.2mmである。この場合、隣り合うストライプ電極3の電極間の溝2Cの幅は0.1mm程度となっている。半導体基板2の裏面2Bの電極15は白金で形成した。図中の×印で示す箇所は、放射線16の照射位置25を示している。放射線16として、241Am線源によるアルファ線を用いた。
図5から明らかなように、放射線16のXY方向の仮位置座標26は判別可能な程度に分離されており、図12で示した従来の半導体2次元位置検出器50に比較して2次元平面における分解能が著しく向上していることが分かった。特に、X方向は概ね等間隔である。しかしながら、Y方向では特に中央部で大きく歪んでおり、実際の放射線16の照射位置25を十分再現していないことが判明した。
そこで、仮位置座標(Xi,Yj)を基に、更に演算処理を行い、検出位置座標(Xp,Yq)を導出する。
図6は、検出位置座標(Xp,Yq)を算出する工程を示すフローチャートである。図6に示すように、最初にステップST1で、半導体2次元位置検出器1の検出位置精度を調べるため、22Na線源等によるガンマ線の全面照射を行う。
ステップST2で、演算値分布の測定、X方向の弁別性能の確認及び上記抵抗4,5の値を調整する。X軸の位置検出とX方向の弁別性能の確認ができた場合には、ステップST3に進む。一方、X軸の位置検出やX方向の弁別性能が不十分な場合には、ステップST1に戻る。
ステップST4では、241Am線源(0.5mmにコリメート)によるアルファ線等の照射を行う。アルファ線を、各ストライプ電極3のX方向中央へ、Y方向に2mm間隔に、図4の×印で示す照射位置25に照射し、仮位置座標26を算出する。一つの照射点4で照射と算出を繰り返し、1点につき10分間ずつ測定した。
ステップST5では、X方向と同様に、Y方向の検出位置座標の算出を行い、必要に応じて、後述する2次曲線へのフィッティングをステップST6で行い、測定を終了する。その結果、上記図5に示すような、放射線16の仮位置座標26が得られた。
(1)X方向に並んだ仮位置座標群は、X方向には等間隔に分布している。
(2)X方向に並んだ仮位置座標(Xi,Yj)群におけるYjの位置は、Y方向に凹んでいる。
そこで、数式Yj=aXi 2+bXi+cとする2次曲線上にあるとし、上記係数a、b、cは、X方向に並んだ座標(Xi,Yj)群を基にそれらが2次曲線上にあるとしてフィッティングすることにより、最適な係数a、b、cが決定され、上記2次曲線が特定できる。
図7は、(3)式及び(4)式を用いて仮位置座標(Xi,Yj)より、検出位置座標(Xp,Yq)を導出した結果を示す図である。図4において×で示す照射位置に測定点が対応していることが分かる。
図7から明らかなように検出位置座標(Xp,Yq)において、X方向の間隔は1.2mm、Y方向の間隔は2mmであり、Y方向の位置分解能は、1mmが得られていることが分かる。
図8(A)から明らかなように、X方向の半値幅は、抵抗4,5の抵抗値が20kΩ以下では、約0.3mm以上となる。一方、X方向の半値幅は、抵抗4,5の抵抗値が20kΩ以上〜100kΩでは、約0.3mm〜0.25mmとなり、半値幅が低下することが分かる。これから、抵抗4,5の抵抗値が20kΩ以下では、X方向の半値幅が増大、つまり半導体2次元位置検出器1の空間分解能が劣化することが判明した。ストライプ電極3の抵抗値は上記したように1MΩである。この場合、ストライプ電極の抵抗値(1MΩ)と、ストライプ電極3の上端部同士間等に接続された抵抗4、5との抵抗(20kΩ)との比は、50:1となり、空間分解能が劣化しない。
本発明の第2の実施形態に係る半導体2次元位置検出器について以下説明する。
図9は、本発明の第2の実施形態に係る半導体2次元位置検出器30の構成を示す平面図であり、図10は、図9のVIII−VIII線に沿った断面図である。
第2実施形態の半導体2次元位置検出器30が、図3に示す第1実施形態の半導体2次元位置検出器1Aと異なるのは、各列のストライプ電極33の構造である。つまり、Y方向の溝2C及びX方向の溝2Dで分離された複数の後述するストリップ電極33ijが、Y方向にのみ抵抗35を介して接続されてストライプ電極33が構成されている。他の構成は、第1実施形態の半導体2次元位置検出器1,1Aと同じであるので説明は省略する。
ここで、j列目のストリップ電極33jk(kはm以下の自然数)同士がj列の抵抗rjで接続されて形成された電極を、ストライプ電極33jと呼ぶ。このj列目のストリップ電極33j同士がj列の抵抗rjで接続された状態を、ストライプ電極33jと呼ぶ。
この半導体2次元位置検出器30によれば、ストリップ電極33ijをマトリクス状とし、各列ストライプ電極33jを抵抗35で接続することによって、X方向及びY方向の放射線検出の位置分解能を、半導体2次元位置検出器1,1Aと同等、又はそれ以上に向上させることができる。
CdTe結晶からなる半導体基板2の白金電極15の面同士を電気伝導性を持つペーストで相互に貼り付ける。これを、非常に薄い絶縁薄膜と交互に幾重にも張り合わせることによって、ガンマ線の位置を3次元的に測定できる半導体検出器ブロックが形成される。
Claims (15)
- 半導体基板と、
上記半導体基板の表面にX方向に所定の間隔を置いて並置された、Y方向と平行な第1〜第n(nは2以上の整数)のストライプ電極と、
上記第1〜第nのストライプ電極の上端部同士間に接続される複数の抵抗と、
上記第1〜第nのストライプ電極の下端部同士間に接続される複数の抵抗と、
上記第1のストライプ電極の下端部に抵抗を介して接続される第1の信号出力用端子と、
上記第nのストライプ電極の下端部に抵抗を介して接続される第2の信号出力用端子と、
上記第1のストライプ電極の上端部に抵抗を介して接続される第4の信号出力用端子と、
上記第nのストライプ電極の上端部に抵抗を介して接続される第3の信号出力用端子と、
上記半導体基板の裏面に配置された電極と、
を備え、
上記半導体基板の任意の点に入射した放射線からの出力信号を上記第1〜第4の信号出力用端子から得ることを特徴とする、放射線の位置を2次元で検出するための半導体2次元位置検出器。 - 半導体基板と、
上記半導体基板の表面にX方向に所定の間隔を置いて並置された、Y方向と平行な第1〜第n(nは2以上の整数)のストライプ電極と、
上記第1〜第nのストライプ電極の上端部同士間に接続される複数の抵抗と、
上記第1〜第nのストライプ電極の下端部同士間に接続される複数の抵抗と、
上記第1のストライプ電極の下端部に抵抗を介して接続される第1の信号出力用端子と、
上記第nのストライプ電極の下端部に抵抗を介して接続される第2の信号出力用端子と、
上記第1のストライプ電極の上端部に抵抗を介して接続される第4の信号出力用端子と、
上記第nのストライプ電極の上端部に抵抗を介して接続される第3の信号出力用端子と、
上記半導体基板の裏面に配置された電極と、
を備え、
上記第1〜第nの各ストライプ電極は、Y方向に形成されかつ互いに分離されたm個のストリップ電極から形成され、
該各ストリップ電極は、Y方向に沿って隣り合うストリップ電極同士が抵抗を介して接続されて上記各ストライプ電極を形成し、
上記半導体基板の任意の点に入射した放射線からの出力信号を、上記第1〜第4の信号出力用端子から得ることを特徴とする、放射線の位置を2次元で検出するための半導体2次元位置検出器。 - 前記ストライプ電極の上端部同士間及び下端部同士間に接続される抵抗は、その抵抗値が調整可能に形成されていることを特徴とする、請求項1又は2に記載の半導体2次元位置検出器。
- 前記各ストライプ電極の抵抗と前記ストライプ電極の上端部同士間及び/又は下端部同士間に接続された抵抗との抵抗比は、10:1〜100:1であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の半導体2次元位置検出器。
- 前記第1〜第nの各ストライプ電極が、前記Y方向に沿って互いに溝分離されていることを特徴とする、請求項1又は2に記載の半導体2次元位置検出器。
- 前記第1〜第nの各ストライプ電極を形成するストリップ電極同士が、前記X方向に沿って互いに溝分離されていることを特徴とする、請求項2に記載の半導体2次元位置検出器。
- 前記ストライプ電極は電気伝導抵抗性が高く且つショットキー型電極であり、前記半導体基板の裏面に配置された電極は電気伝導性の高い電極であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の半導体2次元位置検出器。
- 前記半導体基板は、CdTe、CdZnTe及びBrTlの何れかからなり、前記電極は、インジウム又は白金からなることを特徴とする、請求項1又は2に記載の半導体2次元位置検出器。
- 前記出力信号から前記放射線の位置を演算する演算部を備え、
上記演算部は、第1〜第4の信号出力用端子から出力される電圧を、それぞれV1,V2,V3,V4としたとき、下記(1)式及び(2)式によって、放射線の仮位置座標(Xi,Yj)を演算し、
上記仮位置座標(Xi,Yj)を用いて、下記(3)式及び(4)式によって前記放射線の検出位置座標(Xp,Yq)を算出することを特徴とする、請求項1〜8の何れかに記載の半導体2次元位置検出器。
- 半導体基板の表面に、Y方向と平行であってX方向に所定の間隔で第1〜第n(nは2以上の整数)のストライプ電極を並置し、
上記第1〜第nのストライプ電極の上端部同士間のそれぞれを抵抗を介して接続し、
上記第1〜第nのストライプ電極の下端部同士間のそれぞれを抵抗を介して接続し、
上記第1のストライプ電極の下端部に抵抗の一端を接続し、該抵抗の他端部に第1の信号出力用端子を配置し、
上記第nのストライプ電極の下端部に抵抗の一端を接続し、該抵抗の他端部に第2の信号出力用端子を配置し、
上記第1のストライプ電極の上端部に抵抗の一端を接続し、該抵抗の他端部に第4の信号出力用端子を配置し、
上記第nのストライプ電極の上端部に抵抗の一端を接続し、該抵抗の他端部に第3の信号出力用端子を配置し、
上記半導体基板の裏面に電極を配置し、
上記半導体基板に入射した放射線からの出力信号を、上記第1〜第4の信号出力用端子から得ることを特徴とする、放射線の2次元位置検出方法。 - 上記第1〜第nの各ストライプ電極を、Y方向に形成されかつ互いに分離されたm個のストリップ電極から形成し、該各ストリップ電極のY方向に沿って隣り合うストリップ電極同士を抵抗を介して接続して上記各ストライプ電極を形成することを特徴とする、請求項11に記載の放射線の2次元位置検出方法。
- 第1〜第4の信号出力用端子から出力される電圧を、それぞれV1,V2,V3,V4としたとき、下記(1)式及び(2)式によって、放射線の仮位置座標(Xi,Yj)を演算し、
上記仮位置座標(Xi,Yj)を用いて、下記(3)式及び(4)式によって前記放射線の検出位置座標(Xp,Yq)を算出することを特徴とする、請求項11又は12に記載の放射線の2次元位置検出方法。
- 請求項1〜10の何れかに記載の半導体2次元位置検出器を用いたことを特徴とする、陽電子断層撮影装置。
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