KR20030015896A - 장수명 방사선 검출기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 감광 센서 (1) 와 방사선에 대한 입구 윈도우 (8, 9, 80) 사이에 위치되며, 습식 산화에 민감한 물질로 만들어진 신틸레이터를 구비하는 방사선 검출기이다. 입구 윈도우 (8, 9, 80) 는 티타늄계 기초한다.

특히, 방사선 촬영 또는 비파괴 검사용 X-선 검출기에 이용 가능하다.

Description

장수명 방사선 검출기 {RADIATION DETECTOR WITH INCREASED LIFE SPAN}

본 발명은 방사선 변환기와 결합된 감광 센서를 구비하는 방사선 검출기에 관한 것이다. 특히, 이러한 형태의 검출기는 방사선 촬영 및 투시기, 유방 촬영 뿐만 아니라 비파괴 검사의 분야에서 사용된다.

예를 들어, 그러한 방사선 검출기는 비결정 실리콘으로 만들어진 광다이오드로 구성된 센서가 변환기와 결합된 프랑스 특허 FR 2 605 166 에서 공지되어 있다.

그러한 방사선 검출기의 동작 및 구조를 간단하게 요약한다.

일반적으로, 감광 센서는 매트릭스로 배열된 결정상태 감광 소자들로 제조된다.

이들 소자는 X-선 또는 감마선과 같은 단파장 방사선에 직접적으로 민감하지 않다. 이것은 감광 센서가 신틸레이팅 물질층을 포함하는 방사선 변환기와 결합되기 때문이다. 이러한 물질은 그러한 방사선에 의해 여기된 때 센서에 민감한 긴 파장 (가시광선 또는 가시광선에 근사함) 을 갖는 방사선을 방출하는 특성을 갖는다. 방출광은 광전자 변환을 행하여, 적당한 회로에 의해 사용될 수 있는 전자 신호를 전송하는 센서의 감광 소자를 조광한다.

변환기에 의해 센서 방향으로 방출되는 양질의 광을 얻기 위해, 변환기와 센서는 실질적으로 동일한 크기로 제공되며 그들은 근접에 의해 광학적으로 연결된다.

공기 또는 접착제와 같은 연결 물질은, 센서에 전달되는 이미지의 질을 가능한 작게 열화시키기 위해, 조립체의 공간 해상도에 비해 얇은 두께를 갖는다. 제 1 구성에서는, 지지체상에 신틸레이터를 증착하여 검출될 방사선이 신틸레이터에 도달하기 전에 통과해야 하는 입구 윈도우를 형성한다.

또 다른 구성에서, 센서가 신틸레이터에 대한 지지체로서 기능하므로, 직접 밀접하게 접촉한다. 일반적으로, 표면상에, 센서는 특히 습기로부터 감광 소자를 보호하기 위한 패시베이션 층을 갖는다. 그 후, 신틸레이터가 보호 시트로 피복되어, 습기에 불투수성이 되며, 검출될 방사선에 대한 입구 윈도우로 기능한다.

감광 소자는, 통상적으로 CCD 또는 CMOS 식의 센서의 경우에 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 또는 비결정 실리콘인 반도체 물질로 제조된다. 감광 소자는 하나 이상의 광다이오드, 광트랜지스터, 또는 광레지스터를 갖는다. 일반적으로, 이들 소자는 유리 타일인 기판상에 증착된다.

종종, 우수한 성능을 위해, 알칼리 할로겐화물, 또는 희토류 (rare-earth) 산황화물계의 어떤 신틸레이팅 물질을 사용한다.

높은 X-선의 흡수와 뛰어난 형광 수율용으로는, 400 나노미터 또는 550 나노미터에서 각각 방출이 요구되느냐에 따라서 소듐 또는 탈륨으로 도프된 세슘 요오드가 알려져 있다. 그것은 지지체에서 성장되는 미세 바늘의 형태로 나타난다. 이들 바늘은 실질적으로 지지체에 수직이며, 부분적으로 센서 방향으로 방출되는 광을 제한한다. 그들의 미세도는 검출기의 해상도를 결정한다. 또한, 동일한 이유로, 란탄 및 가돌리늄 산황화물이 매우 폭넓게 사용된다.

그러나, 이들 물질들 중에서, 어떠한 것들은 매우 안정하지 못한 단점을 가지며, 그들이 습기에 노출될 때 부분적으로 분해되어, 화학 종들이 센서 방향로 또는 센서로부터 이동한다. 이들 종들은 부식성이 크다. 특히, 세슘 요오드과 란탄 산황화물이 이러한 단점을 갖는다.

세슘 요오드에 있어서, I^- ₃화합물을 나타내기 위해 분해에 의해, 세슘 수산화물 (Cs⁺OH^-) 과, 그 후 요오드 이온과 결합할 수도 있는 유리 요오드 (I₂) 로 된다.

란탄 산황화물에 있어서, 분해에 의해, 화학적으로 매우 공격적인 황화수소 (H₂S) 로 된다.

습기는 제거하기는 매우 어려워, 주변 공기에 항상 일부가 존재하므로, 그러한 주변의 공기 또는 2 가지 화학 종들의 응축에 의해 통상 발생하는 중합 반응의 부산물중 어느 것에 기인하여, 접착제는 미량의 수분을 함유한다.

두가지 구성은 이점을 가지고 있지만 단점도 가지고 있다.

접착제 접합에 의해 변환기와 센서를 각각 최적화 시킬 수 있다. 변환기는, 센서와 양립할 수 없는 위험이 있는 열처리를 받을 수도 있다. 세슘 요오드를 증착하기 위해서, 세슘 요오드를 가열에 의해 증발시켜, 응축함에 따라서 지지체상에 증착시킨다. 그 후, 약 300℃ 에서 어닐링 동작을 행하여 최적의 형광 수율을 얻는다. 센서상에 직접 신틸레이터를 증착할 경우에는, 센서를 보호하기 위해 어닐링 온도를 조정할 필요가 있다.

또 다른 이점은, 센서와 변환기를 성공적으로 테스트된 경우에만 조립하기 때문에, 전체적인 제조 수율을 향상시킬 수 있다 : 직접 증착의 경우에는 변환기에 결점이 있을 때마다, 리사이클링의 위험이 제거되지 않기 때문에 센서를 폐기한다.

조립체의 접착제 두께는 공간 해상도와 광 수집의 관점에서 몇 가지의 단점을 나타낸다. 센서상에의 신틸레이터의 직접 증착은 최상의 광학 결합 조건을 제공한다.

양 구성에서, 입구 윈도우는 이하의 조건, 즉 검출될 방사선에 가능한 투명하며, 불투수성이며, 실질적으로 필수불가결한 신틸레이터의 분해동안 분리되는 화학 종과 양립할 수 있으며, 신틸레이터에 의해 형성된 광을 흡수 또는 반사뿐만 아니라 투과하는 조건을 따르며, 검출기에 의해 행해지는 핸들링과 양립하는 기계적 특성을 갖는다.

해상도가 매우 높은 검출기를 이용하는 것이 바람직한 경우에는, 신틸레이터에 의해 후방으로, 즉 신틸레이터에 대해 센서로부터 방출되는 광을 흡수하는 입구 윈도우를 제공하는 것이 바람직하다. 그러나, 감도는 손실된다.

반면, 감도가 매우 높은 검출기를 이용하는 것이 바람직한 경우에는, 신틸레이터에 의해 후방에서 센서 방향으로 방출되는 광을 반사하는 입구 윈도우를 제공하는 것이 바람직하다. 따라서, 센서에 의해 수신된 광 신호가 동일한 방사선 양만큼 증가된다. 이러한 감도의 증가는 X-선 광자로부터 직접적으로 투과된광과 반사된 광이 센서의 다른 충격지점에 도달하므로, 해상도의 손실시에 얻어진다. 얻어진 이미지는 이전의 경우보다 덜 선명하다.

현재의 방사선 검출기에서는, 일반적인 방사선 촬영의 신호 대 잡음비의 조건하에서, 입구 윈도우의 반사도를 감소시키는 것이 대체적으로 더 바람직하다. 이것은, 신틸레이터가 하나의 X-선 광자를 다수의 광자로 변환시켜, 하나의 흡수된 X-선 광자에 의해 수백개의 전자가 생성되기 때문이다. 중요한 것은, 각각의 X-선 광자가 전자로의 변환 후에 센서에 의해 검출된다는 것이다. 센서에서의 판독 잡음이 X-선 광자의 흡수에 의해 발생하는 신호와 비교할 수 있는 경우, 반사도를 감소시켜 신호 대 잡음비 및 감도를 저하시키지 않고 해상도를 향상시킬 수 있다.

입구 윈도우상에 신틸레이터를 증착하여 센서에 부착하는 경우, 입구 윈도우는 신틸레이터 증착 및 처리의 열 응력을 손상없이 견뎌야 하며, 신틸레이터 및 센서 (구체적으로 기판) 의 팽창 계수와 동일한 차수의 팽창 계수를 갖는다. 또한, 낮은 탄성 모듈을 갖는 윈도우를 제공함으로써, 한편으로는 윈도우와 신틸레이터 사이, 다른 한편으로는 윈도우와 센서 (구체적으로 기판) 사이의 응력차를 제거할 수 있다. 따라서, 신틸레이터의 깨짐 및 센서 기판의 파손의 위험이 제거된다.

마지막으로, 특히 세슘 요오드의 경우에는, 균일하게 그의 표면 상태가 가장 미세한 바늘의 성장이 가능해야 한다. 이러한 바늘 미세도는 검출기 해상도에 있어서 질적 요인이다.

일반적으로, 입구 윈도우는 알루미늄으로 만들어진다. 검출될 방사선에 대한 알루미늄의 투명도는 뛰어나며, 그것의 광학적 특성은 우수하며, 습기에 대한 봉인은 완벽하므로, 처리 후에, 그 상에 신틸레이터를 증착하는데 만족할 만한 표면 상태를 얻을 수 있다. 그러나, 열 특성 및 내부식성이 만족스럽지 않아, 습기와 열등의 가장 최악의 상태에서는 검출기의 신뢰도를 보장할 수 없다. 그러한 방사선 검출기는 방사선 촬영의 상각 (amortization) 수명 또는 그들이 장착된 다른 장치와 일치하는 수명을 갖는 것이 바람직하며, 이 수명은 약 10 년이다.

본 발명은, 입구 윈도우가 알루미늄 윈도의 단점을 갖지 않는, 장수명 방사선 검출기를 제공한다. 본 발명에 따르면, 알루미늄 입구 윈도우는 티타늄 입구 윈도우로 교체하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다. 좀 더 상세히 설명하면, 본 발명에 따르면, 방사선 검출기는 습식 산화에 민감한 물질로 만들어지며, 방사선에 대한 감광 센서와 입구 윈도우 사이에 위치한 신틸레이터를 구비하며, 입구 윈도우는 티나튬계로 만들어진다.

그러한 윈도우는 상술한 조건들을 만족시키며, 그것의 비용도 적합하다.

입구 윈도우는 순수 또는 합금 티타늄으로 완전하게 제조되거나, 또는 방출될 방사선을 가능한 적게 흡수하는 유전층에 부착된 순수 또는 합금 티타늄으로 이루어진 층을 갖는다.

유전층은 유기 플라스틱, 유리, 세라믹 중에서 선택될 수도 있다.

폴리머 카테고리, 특히 폴리이미드 (polyimide) 로 만들어진 유기 세라믹이 매우 적합하다.

순수 또는 합금 티타늄 층은 유전층과 신틸레이터 사이에 위치된다.

신틸레이터측상 윈도우의 순수 또는 합금 티타늄 표면이 낮은 반사도를 갖는 경우, 해상도와 감도 사이의 조정을 달성할 수 있으며, 검출기의 성능을 전체적으로 향상시킬 수 있다. 이러한 낮은 반사도는 양극 산화 또는 화학적 산화에 의해 얻어질 수도 있다.

입구 윈도우는 감광 센서에 부착된 신틸레이터를 구비할 수도 있다. 또 다른 구성에서, 감광 센서는 입구 윈도우가 부착된 신틸레이터를 구비한다.

예를 들어, 신틸레이터는 세슘 요오드와 같은 알칼리 할로겐화물, 또는 란탄 산황화물과 같은 희토류 산황화물계에 속한다.

첨부된 도면과 상세한 설명을 참조하여, 본 발명을, 다른 특징과 장점에 대해 자세히 설명한다 :

- 도 1 은 본 발명에 따른 예시적인 방사선 검출기의 개략도이며 ;

- 도 2 내지 도 3 은 본 발명에 따른 다른 방사선 검출기의 개략도이다.

간결하게 하기 위해, 이들 도면에는 치수가 없다.

도 1 을 참조한다. 방사선 센서는 도면 부호 1 로 표시한다. 통상적으로, 방사선 센서는 감광 소자 (3) 를 지지하는 유리 타일인 기판 (2) 을 갖는다. 각각의 감광 소자 (3) 는 어드레스 될 수 있도록 행 컨덕터와 열 컨덕터 사이에 장착된다. 컨덕터는 단순화를 위해 도면에서 도시하지 않는다. 일반적으로, 감광 소자 (3) 와 컨덕터는 방습하기 위해 패시베이션 층 (4) 으로 피복된다.

예를 들어, 센서 (1) 은, 광학적으로 센서 (1) 와 연결되며 광학 접착제 (6)를 갖는 변환기 (5) 와 연동한다. 변환기 (5) 는, 바늘 구조로 나타내며 지지체 (8) 상에 증착된 신틸레이터 층 (7) 을 갖는다. 따라서, 지지체 (8) 는 신틸레이터 (7) 를 지지한다. 상술한 바와 같이, 지지체 (8) 는 알루미늄 대신에 티타늄을 사용한다. 이 지지체 (8) 는 X-선에 대하여 입구 윈도우로 기능한다. 신틸레이터 (7) 는 특히 습식 산화에 민감한 세슘 요오드와 같은 알칼리 할로겐화물에 속할 뿐만 아니라, 란탄 산황화물과 같이 안정하지 않은 부재인 희토류 산황화물계에 속한다.

알루미늄은 신틸레이터의 분해 부산물에 의해 열악한 내부식성을 가지기 때문에 완전히 만족스럽지 않다.

비용 문제에도 불구하고, 귀중한 금속으로 그것을 대체할 것을 제안한다. 그러나, 귀금속 (금, 은, 백금 등) 은 원자 번호가 매우 높기 때문에 (은 : 47번, 백금 : 78번, 금 : 79번) 만족스럽지 않으며, 그들은 많은 양의 입사 방사선 (X-선, 감마선) 을 흡수한다. 단일 물체에 의한 그러한 방사선의 흡수는 원자 번호의 세제곱 비율로 증가한다. 그러므로, 그들을 사용하기 위해, 방사선의 양과 에너지를 훨씬 많이 증가시키는 것이 필요하다.

Masson 에서 출판된 P.Pascal 의 광화학에 대한 논문인 "Traite de Chimie Minerale" 에서 나타낸 바와 같이, 티타늄은 25℃ 이상에서 순수 요오드에 의해 부식되는 것으로 알려져 있다.

발명자는, 세슘 요오드의 습식 분해는 적은 양이지만 요오드를 생성함에도 불구하고, 티타늄이 습한 공기에서 세슘 요오드의 분해로부터 발생하는 부식을 방지하는데 유용한 점을 인지하였다.

또한, 티타늄은 란탄 산황화물의 분해로부터 발생하는 부산물을 방지한다.

티타늄의 원자 번호 (22) 는 알루미늄의 원자 번호 (13) 보다 훨씬 크므로, 티타늄을 선택할 것을 제안하지 않는다. 그러나, 그것의 기계적 특성과 약 4.5 의 평균 밀도는 약 50 내지 100 마이크로미터의 두께를 채택함으로써 사용 가능하며, 그것은 검출되는 방사선의 흡수에 적합하다.

실제로, 순수 또는 합금 티타늄으로 이루어진 상술한 범위내인 약 50 센티미터 두께의 측길이를 갖는 지지체는 특별한 사전조치없이 다룰 수 있을 만큼 충분히 단단하다. 일반적으로 방사선 촬영에서, 그러한 두께를 갖는 경우, X-선 흡수는 허용 가능한 약 2 내지 5% 까지 증가한다. 일반적인 방사선 사진은 약 30KeV 내지 150KeV 사이의 에너지에 대응하며, 1 과 50 마이크로그레이 사이의 양에 대응한다.

광학적 특성에 있어서, 양극 산화 또는 화학적 산화에 의하여 티타늄 시트를 처리하는 경우, 회색 또는 심지어 색이 변색된 낮은 반사 표면이 얻어진다. 이 처리는 플루오르화수소/질소산으로 행해질 수 있다. 통상적으로, 30 내지 40% 와 심지어 25 내지 60% 의 확산 반사도는, 알루미늄으로 얻어지는 60 내지 80% 을 대신하여, 순수 티타늄으로 얻어질 수 있다.

지지체 (8) 는 순수 또는 합금 티타늄으로 제조될 수도 있으며, 예를 들어 TA6V 가 광범위하게 사용되는 티타늄 합금이다.

또한, 티타늄 또는 그것의 합금은 필수적인 열 및 탄성 특성과 필수적인 습기에 불투수성 특성을 가지며, 만족할 만한 표면 상태가 세슘 요오드의 성장동안 얻어질 수 있다.

검출 광자 효율 (DQE) 과 변조 전송 기능으로 알려진 X-선 검출기의 장점 요인은 알루미늄에 기초한 윈도우보다 티타늄에 기초한 윈도우로 증명한다.

도 1 에 나타낸 바와 같이, 티타늄계 지지체 (8) 상에 신틸레이터 (7) 를 증착하며 조립체를 센서 (1) 에 부착시키는 대신에, 센서 (1) 에 직접 신틸레이터 (7) 를 증착하며, X-선에 대한 입구 윈도우로 기능하는 티타늄계 시트 (9) 로 신틸레이터 (7) 을 피복하는 것이 가능하다. 이러한 변화는 도 2 에서 설명한다.

검출될 방사선의 흡수를 감소시키는 것과, 유기 플라스틱, 세라믹, 또는 유리와 같이 가능한 작은 방사선을 흡수하는 유전체와 순수 또는 합금 티타늄을 결합하는 것을 고려하는 것은 가능하다. 유전층 (82) 에 부착된 순수 또는 합금 티타늄 층 (81) 을 갖는 입구 윈도우 (80) 를 나타내는 도 3 을 참고할 수도 있다. 티타늄 층 (81) 은 신틸레이터와 동일한 측상에 있으며, 유전층 (82) 으로 피복된다.

어떤 유기체 플라스틱 (폴리머) 는 낮은 에너지를 갖는 X-선을 거의 흡수하지 않으며, 높은 온도에서 견디며, 양질의 기계적 탄성적 특성을 가지며, 쉽게 변형되는 장점을 갖는다. 그들의 단점은 습윤성이 부족한것인데, 그러한 조건은 티타늄에 의해 얻어진다.

또한, 가벼운 원소를 포함하는 유리 또는 세라믹은 X-선 흡수에 대해서 적합할 수도 있다.

당업자에게 알려진 스퍼터링, 진공 증발, 화학 증착, 전기분해 증착과 같은 방법들에 의해서, 신틸레이터상에 순수 또는 합금 티타늄 층 (81) 을 증착하는 것이 가능하다. 순수 또는 합금 티타늄 시트는 접착제 접착에 의해 유전층에 부착될 수 있다. 순수 또는 합금 티타늄 층은 수 마이크로미터의 두께를 갖는다.

도 1 에 나타낸 구조는 도 2 에 나타낸 구조보다 많은 장점을 갖는다.

도 1 에 나타낸 구조에서, 일방에서는 기판 (8) 상에 신틸레이터가 있으며, 타방에서는 센서 (1) 가 있는 2 개 소자의 각각의 제조를 허여함으로써, 개량된 제조 흐름의 스트림을 허여한다.

또한, 도 1 에 나타낸 지지체 (8) 의 비용은 도 2 에 나타낸 센서 (1) 의 비용보다 작다. 따라서, 이것은, 도 1 의 변환기 (5) 또는 도 2 의 센서 (1) 및 신틸레이터 (7) 중 어느 하나의 거부를 초래할 불완전한 신틸레이터 (7) 증착의 경우에서, 더 작은 손실을 초래한다.

마지막으로, 도 1 에 나타낸 구조는, 프랑스 특허 FR 2 758 654 와 FR 2 758 656 에서 개시된 것과 같은 수개가 결합된 소자 세트를 구비하는 감광 소자에 적용할 수 있다. 도 2 의 구조는, 도 1 의 지지체 (8) 또는 도 2 의 센서 (1) 상에 증착된 후 신틸레이터 (7) 를 실시하는데 필요한 300 ℃ 의 온도에서, 그러한 조립체의 열악한 부피의 안정성 때문에, 수개의 결합된 소자의 집합체를 구비하는 감광 조립체에 적용할 수 없다. 도 1 에 나타낸 지지체 (8) 의 경우에는 (또는 도 3 의 입구 윈도우 (80)), 이러한 온도에 양립한다.

Claims (14)

1. 방사선에 대한 입구 윈도우 (8, 80) 와 감광 센서 (1) 사이에 위치되며, 습식 산화에 민감한 물질로 제조된 신틸레이터를 구비하는 방사선 검출기로서,

   입구 윈도우 (8, 80) 는 티타늄 지지체이며, 신틸레이터 (7) 를 지지하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
2. 제 1 항에 있어서,

   입구 윈도우 (8) 는 순수 또는 합금 티타늄으로 형성된 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
3. 제 1 항에 있어서,

   입구 윈도우 (80) 는 검출될 방사선을 가능한 적게 흡수하는 유전층 (82) 에 부착된 순수 또는 합금 티타늄 층 (81) 으로 형성된 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
4. 제 3 항에 있어서,

   유전 층 (82) 은 유기 플라스틱, 유리 또는 세라믹으로 형성된 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
5. 제 4 항에 있어서,

   유기 플라스틱은 폴리이미드와 같은 폴리머 카테고리로 형성된 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
6. 제 3 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,

   순수 또는 합금 티타늄 층 (81) 은 유전층 (82) 과 신틸레이터 (7) 층 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,

   입구 윈도우 (8, 80) 는 약 50 내지 100 마이크로미터의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
8. 제 1 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,

   입력 윈도우 (8, 80) 는 신틸레이터 (7) 와 동일한 측상에 반사도가 낮은 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
9. 제 8 항에 있어서,

   반사도가 낮은 표면은 산화에 의해서 얻어지는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,

    반사도가 낮은 표면은 25 내지 60 사이의 반사도를 갖는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
11. 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서,

    입구 윈도우 (8, 80) 와 신틸레이터 (7) 는 감광 센서 (1) 에 부착되는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
12. 제 1 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서,

    신틸레이터는 세슘 요오드와 같은 알칼리 할로겐화물류 또는 란탄 산황화물과 같은 희소류 산황화물계에 속하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
13. 제 3 항 내지 제 12 항중 어느 한 항에 있어서,

    순수 또는 합금 티타늄 층은 유전층에 접착 결합되는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
14. 제 3 항 내지 제 12 항중 어느 한 항에 있어서,

    순수 또는 합금 티타늄 층은 유전층상에 스퍼터링, 증발 증착, 화학 증착, 전기분해 증착함으로써 증착되는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.