KR20030083612A - 방사선 검출기 - Google Patents

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KR20030083612A
KR20030083612A KR10-2003-0024743A KR20030024743A KR20030083612A KR 20030083612 A KR20030083612 A KR 20030083612A KR 20030024743 A KR20030024743 A KR 20030024743A KR 20030083612 A KR20030083612 A KR 20030083612A
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모로오카도시미츠
다나카게이이치
나가타아츠시
치노네가즈오
이시카와다츠지
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세이코 인스트루먼트 가부시키가이샤
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Abstract

검출 영역으로의 정확한 조사를 허용하고, 고 검출 효율을 가지는 방사선 검출기가 제공된다. 검출 영역을 조사하기 위한 방사선을 투과시키는 개구를 가지고, 방사선이 검출 영역 이외의 부분을 조사하는 것을 방지하기 위한 차폐판으로서의 기능을 가지는 콜리메이터가 에너지/전기 변환기(방사선 검출기)를 형성하는 동일한 기판 상에 설치된다. 방사선 검출기는 콜리메이터의 개구와 검출 영역의 정렬이 용이하여, 검출 영역과 콜리메이터의 개구가 근접하여 검출 효율이 증가되도록 구성된다.

Description

방사선 검출기{RADIATION DETECTOR}
본 발명은 전기 신호로서 방사선 에너지를 판독하는 방사선 검출기에 관한 것이며, 특히 고 에너지 분해능과 고 검출 효율을 가지는 실용성이 높은 방사선 검출기에 관한 것이다.
방사선 검출기는 가시광선, 적외선, 자외선, X-선, 감마선과 같은 방사선 에너지를 전기 신호들로 변환시키는 변환기이다. 방사선 측정은 고 에너지 분해능과 고 검출 효율을 요한다. 고 에너지 분해능은 특정 에너지를 가지는 방사선으로부터 획득된 신호들의 미소한 변화를 의미한다. 고 검출 효율은 방사선이 검출기의 검출 영역에 조사되어 신호로서 추출되는 높은 확률을 의미한다.
도 13은 종래 기술에 따른 방사선 검출기를 사용하는 방사선 측정 시스템을 도시한다. 도 13에서, 전체 기판이 방사선 검출기(21)로서 도시되어 있다. 방사선 검출기(21)는 배선(4)을 통하여 외부 구동 회로(3)에 접속되어 전기 신호들로서 방사선(1)의 에너지를 추출한다. 방사선 검출기(21)에는 검출 영역(22)이 제공되어, 방사선이 이 영역에 조사될 때 전기 신호들을 획득한다. 또한, 검출 영역(22) 이외의 부분으로의 방사선을 방지하기 위하여, 개구 직경(D)을 가지는 콜리메이터(23)가 제공된다. 콜리메이터(23)는 방사선 검출기(21)로부터 독립적인 지지부에 의하여 검출 영역(22)으로부터 거리(H)로 지지된다.
방사선 검출기에 의하여 획득된 신호 파형들은 방사선의 조사 위치에 의존한다. 콜리메이터는 검출 영역 이외의 부분으로의 조사를 차폐하여, 검출 영역 이외의 부분으로의 조사에 의한 전기 신호들의 변화를 제한하는 유효 부분이 된다. 그러나, 콜리메이터의 개구와 검출 영역 간의 위치 관계에 따라, 조사는 방사선(1A)으로서 콜리메이터에 의하여 차폐될 수도 있고, 또는 방사선(1B)으로서 검출 영역(22)으로부터 떨어질 수도 있다. 보다 많은 방사선을 검출 영역에 조사하기 위하여, 그리고 보다 높은 검출 효율을 획득하기 위하여, 상기 개구와 검출 영역 간의 거리와 상기 개구 직경에 의하여 결정되는 보다 큰 입체각이 요구된다. 또한, 개구와 검출 영역의 정렬 정확성과, 이들 간의 거리의 제어가 중요한 요소들이다.
방사선 측정은 고 에너지 분해능과 고 검출 효율을 요한다. 조사 영역을 좁히게 하기 위하여 검출 영역에 콜리메이터를 설치함으로써, 검출 영역으로의 정확한 조사가 달성된다. 그러나, 이 경우에서, 콜리메이터의 개구 직경과 개구와 검출 영역 간의 거리에 의하여 결정되는 입체각이 보다 작아져서, 고 검출 효율이 획득될 수 없다는 문제점을 유발한다.
또한, 콜리메이터의 개구와 검출 영역의 정렬 정확성 또한 검출 효율을 제한하는 요소이다. 외부 지지부에 의하여 지지되는 콜리메이터를 검출 영역과 정확히 정렬하여, 이들 사이의 거리를 제어하는 것은 어려우므로, 검출 효율이 향상되지 않았다.
본 발명에서, 검출 영역을 조사하기 위하여 방사선을 투과시키는 개구가 제공되고, 방사선이 검출 영역 이외의 부분을 조사하는 것을 방지하기 위한 차폐판인 콜리메이터가 그 상에 방사선 검출기를 형성하는 동일한 기판 상에 제공된다. 따라서, 콜리메이터의 개구와 검출 영역의 정렬이 보다 쉬워지고, 검출 효율이 검출 영역과 콜리메이터의 개구를 서로 보다 가깝게 배열함으로써 향상된다.
본 발명에 따른 방사선 검출기를 제조할 때, 다음을 포함하는 다양한 방법들이 적용될 수 있다.
(1) 기판과 콜리메이터의 개구 사이에 그 사이의 특정 거리를 유지하기 위하여, 접합에 의하여 이들을 고정시키는 스페이서가 제공된다.
(2) 에너지/전기 변환기는 Si 기판 상에 형성되고, 붕규산 유리가 스페이서용으로 사용되고, 다른 Si 기판이 콜리메이터로서 사용되고, 에너지/전기 변환기와 콜리메이터는 그 사이에 붕규산 유리의 스페이서를 샌드위칭하여, 온도 및 부하가 여기에 인가되고, 따라서 양전위가 Si 재료에 인가되는 애노드 접합에 의하여 직접 접합된다.
(3) 기판과 개구 간의 특정 거리를 유지하는 동공이 콜리메이터에 형성되고, 이들은 접합에 의하여 고정된다.
(4) 에너지/전기 변환기는 Si 기판 상에 형성되고, 붕규산 유리가 콜리메이터용으로 사용되고, 에너지/전기 변환기와 콜리메이터가 적층된 후, 온도와 부하가 이들에게 인가되고, 따라서 이들은 양전위가 에너지/전기 변환기에 인가되는 애노드 접합에 의하여 직접 접합된다.
(5) 주로 유리, 사파이어 등으로 제조되는 광 투과 재료가 콜리메이터용으로 사용된다.
(6) 콜리메이터는 검출되는 방사선의 상이한 흡수 계수(s)를 가지는 2 종류의 재료들의 2층 구조를 가지고, 보다 낮은 흡수 계수를 가지는 하나의 재료가 지지 부재로서 기판 상에 고정되고, 보다 높은 흡수 계수를 가지는 다른 하나의 재료에는 방사선을 투과시키는 개구가 형성된다. 콜리메이터는 기판 상에 고정되어 에너지/전기 변환기가 되고, 그 후 개구는 포커스된 이온 빔(FIB) 에칭에 의하여 형성된다. 에너지/전기 변환기는 히트 싱크로서 기능하는 기판 상에 형성되고, 방사선을 흡수하여, 상기 방사선을 열로 변환시킨 후, 그 온도의 변화를 측정하여 전기 신호로서 방사선을 추출시키는 초전도 전이단 센서(TES)이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 방사선 검출기를 사용하는 방사선 측정 시스템을 도시하는 블록도이다.
도 2는 제 1 실시예에 따른 방사선 검출기의 상면도이다.
도 3은 제 1 실시예에 따른 방사선 검출기를 제조하는 과정을 도시하는 도면이다.
도 4는 제 2 실시예에 따른 방사선 검출기를 사용한 방사선 측정 시스템을 도시하는 도면이다.
도 5는 제 2 실시예에 따른 방사선 검출기를 제조하는 과정을 도시하는 도면이다.
도 6은 제 3 실시예에 따른 방사선 검출기를 사용한 방사선 측정 시스템을 도시하는 도면이다.
도 7은 제 3 실시예에 따른 방사선 검출기를 제조하는 과정을 도시하는 도면이다.
도 8은 제 4 실시예에 따른 방사선 검출기를 제조하는 과정을 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 방사선 검출기를 사용한 방사선 측정시스템을 도시하는 블록도이다.
도 10a는 초전도 전이단 센서(TES)를 사용하는 방사선 검출기의 평면 구조도이다.
도 10b는 초전도 전이단 센서(TES)를 사용하는 방사선 검출기의 단면 구조도이다.
도 11은 초전도 전이단 센서(TES)의 온도-저항 특성을 도시하는 그래프이다.
도 12a는 제 6 실시예에 따른 방사선 검출기의 평면 구조도이다.
도 12b는 제 6 실시예에 따른 방사선 검출기의 단면 구조도이다.
도 13은 종래 기술에 따른 방사선 검출기를 사용하는 방사선 측정 시스템을 도시하는 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 방사선 3 : 외부 구동 회로
4 : 배선 10 : 기판
11, 21 : 방사선 검출기 12 : 검출 영역
13, 33 : 콜리메이터 14 : 전극
15 : 개구 16 : 스페이서
18 : 흡수체 19 : 레지스터
20 : 박막 멤브레인 40 : 콜드 헤드
본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 이하에 설명될 것이다.
제 1 실시예
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 방사선 검출기를 사용하는 방사선 측정 시스템을 도시한다. 방사선 검출기는 입사 방사선의 에너지를 전기 신호로 변환하는 에너지/전기 변환기이다. 도 1에서, 전체 기판(11)은 방사선 검출기로서 도시되어 있다. 방사선 검출기(11)는 배선(4)을 통하여 외부 구동 회로(3)에 접속되어, 전기 신호로서 방사선(1)의 에너지를 추출할 수 있다. 방사선 검출기(11)에는 검출 영역(12)이 제공되어, 방사선이 이 영역에 조사될 때 전기 신호를 획득한다. 방사선이 검출 영역(12) 이외의 부분을 조사하는 것을 방지하기 위하여, 개구 직경(D)을 가지는 콜리메이터(13)가 제공된다. 콜리메이터(13)는 기판(10) 상에 배열되고, 콜리메이터(13)와 방사선 검출기(11)는 그 사이에 스페이서(6)를 샌드위칭하여, 검출 영역(12)으로부터의 거리(H)를 유지한다.
도 2는 방사선 검출기의 상면도이다. 콜리메이터(13)의 개구(15)와 검출 영역(12) 간의 위치 관계에 대하여, 콜리메이터(13)의 개구 직경(D)은 검출 영역의 크기(S)보다 약간 작다.
도 3은 방사선 검출기를 제조하는 과정을 도시한다. 도 3a에, 독립적으로 설치된, 콜리메이터(13), 스페이서(16), 및 방사선 검출기를 구성하는 기판(11)이 도시되어 있다. 콜리메이터용 재료로서, 검출 대상인 방사선을 흡수하는 재료가 사용된다. 그 두께는 그 흡수 계수에 따라 조절된다. X-선 검출기에 대하여, Au, Pt, Pb, Cu, Al, Sn, Si 와 같은 금속 재료들이 사용된다. 주로 유리 또는 사파이어로 제조되는 광 투과 재료는 또한 콜리메이터용으로 사용될 수 있다. 스페이서용 재료로서, Si 와 같은 미소하고 균일한 두께에 대하여 처리가능한 재료가 사용된다.
도 3b는 콜리메이터(13)와 스페이서(16)가 접합되고, 스페이서(16)와 기판(11)이 접합되어, 콜리메이터와 일체화된 방사선 검출기가 형성된다. 에폭시 수지 또는 바니시와 같은 접착제가 접합용으로 사용된다. 또는, 방사선 검출기는 Si 기판 상에 형성되고, 붕규산 유리(PYREX 유리)가 스페이서용으로 사용되고, 다른 Si 기판이 콜리메이터용으로 사용되어, 애노드 접합에 의한 접합을 허용한다. 애노드 접합에서, 붕규산 유리의 스페이서는 Si 기판과 콜리메이터 사이에 샌드위칭되고, 온도와 부하가 여기에 인가되며, 이들은 부착제를 사용하지 않고 Si 재료에 양전위를 인가함으로써 직접 접합된다.
방사선 검출기와 콜리메이터는 일체화될 수 있고, Si 기판과 유리 기판이 사용될 수 있어서, 콜리메이터의 개구와 검출 영역을 서로 가깝게 배열하는 것이 가능하게 한다. 또한, 상기 개구와 검출 영역의 정렬이 더욱 쉬워지고, 따라서 개구 직경은 검출 영역의 크기에 더욱 가까워질 수 있다. 따라서, 콜리메이터의 개구 직경과 상기 개구와 검출 영역 간의 거리에 의하여 결정되는 입체각이 보다 커질 수 있어서, 고 검출 효율이 달성된다.
상기 개구와 상기 검출 영역의 정렬이 향상되므로, 방사선은 검출 영역을 정확하게 조사할 수 있어서, 획득된 신호의 변화가 감소될 수 있다. 따라서, 고 에너지 분해능이 획득될 수 있다.
또한, 콜리메이터의 재료로서 유리 또는 사파이어와 같은 광 투과 재료를 사용함으로써, 광 얼라인먼트 기구가 채용될 수 있어서, 또한 개구와 검출 영역의 정렬 정확성을 향상시킨다. 따라서, 보다 높은 에너지 분해능과 보다 높은 검출 효율을 가지는 방사선 검출기를 구현할 수 있다.
또한, 애노드 접합을 사용하는 제조 방법은 웨이퍼 상에 배열된 다수의 디바이스들과, 동일한 크기의 웨이퍼 상에 형성된 콜리메이터들을 접합시키어, 대량 생산성의 향상을 예측할 수 있다. 이 경우에서, 디바이스, 스페이서, 및 콜리메이터를 광학식 얼라이너에 의하여 정렬한 후 애노드 접합시키고 댄싱하는 배치 프로세스가 적용가능하다.
제 2 실시예
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 방사선 검출기를 사용하는 방사선 측정 시스템을 도시한다. 도 4에서, 전체 기판이 방사선 검출기(11)로서 도시되어 있다. 방사선 검출기(11)는 배선(4)을 통하여 외부 구동 회로(3)에 접속되어, 전기 신호로서 방사선(1)의 에너지를 추출할 수 있다. 방사선 검출기(11)에는 검출 영역(12)이 제공되고, 방사선이 이 영역을 조사할 때, 전기 신호가 획득된다. 또한, 검출 영역(12) 이외의 부분의 조사를 방지하기 위하여, 개구 직경(D)을 가지는 콜리메이터(13)가 기판에 직접 설치되어 제공된다.
도 5는 방사선 검출기를 제조하는 과정을 도시한다. 도 5a는 콜리메이터(13)와 방사선 검출기를 구성하는 기판(11)을 도시하고, 독립적으로 설치된다. 콜리메이터(13)에는, 콜리메이터가 검출 영역(12)으로부터 거리(H)를 유지하여 검출 영역(12)과의 접촉을 방지하도록 동공(A)이 미리 형성되어 있다. 콜리메이터의 재료로서, 검출의 대상인 방사선을 흡수하는 재료가 사용된다. 콜리메이터의 두께는 그 흡수 계수에 따라 조정된다. X-선 검출기의 경우, Au, Pt, Pb, Cu, Al, Sn 또는 Si와 같은 금속 재료가 사용된다. 또한, 주로 유리 또는 사파이어로부터 제조된 광 투과 재료가 사용될 수 있다.
도 5b는 콜리메이터(13)와 기판(11)이 접합되어 콜리메이터가 일체화된 방사선 검출기를 형성하는 것을 도시한다. 접합에 대하여, 에폭시 수지 또는 바니시와 같은 부착제가 사용된다. 또는, Si 기판 상에 방사선 검출기를 형성하고, 콜리메이터(13)용 붕규산 유리(PYREX 유리)를 사용함으로써, 애노드 접합에 의한 접합이 허용된다. 애노드 접합시, Si의 방사선 검출기와 콜리메이터는 서로 접촉하여 배열되고, 온도와 부하가 여기에 인가되고, 따라서 이들은 부착제를 사용하지 않고Si 재료에 양전위를 인가함으로써 직접 접합될 수 있다.
본 실시예에서, 제 1 실시예에서와 동일한 효과가 획득된다. 또한, 스페이서가 필요하지 않아서, 방사선 검출기의 제조를 용이하게 한다. 특히, 접합이 Si 기판과 붕규산 유리 기판의 적층이므로, 애노드 접합에 의한 접합이 쉽다. 또한, 콜리메이터와 검출 영역 간의 거리를 가깝게 할 수 있어서, 검출 효율의 보다 많은 향상이 기대된다.
제 3 실시예
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 방사선 검출기를 이용하는 방사선 측정 시스템을 도시한다. 도 6에서, 전체 기판이 방사선 검출기(11)로서 도시된다. 방사선 검출기(11)는 배선(4)을 통하여 외부 구동 회로(3)에 접속되어, 전기 신호로서 방사선(1)의 에너지를 추출할 수 있다. 방사선 검출기(11)에는 검출 영역(12)이 제공되고, 방사선이 이 영역을 조사할 때, 전기 신호가 획득된다. 또한, 방사선이 검출 영역(12) 이외의 부분을 조사하는 것을 방지하기 위하여, 개구 직경(D)를 가지는 콜리메이터(13)가, 콜리메이터(13)와 방사선 검출기(11)가 그 사이의 스페이서(16)를 샌드위칭하여 콜리메이터(13)와 검출 영역(12) 사이의 거리(H)를 유지하도록 제공된다. 콜리메이터(13)는 검출되는 방사선의 상이한 흡수 계수(s)를 가지는 2 종류의 재료들(13A, 13B)의 2층 구조를 가진다. 재료(13A)는 방사선을 차폐하는 차폐 부재이고, 재료(13B)는 방사선을 투과시키고, 상기 차폐 부재를 지지하는 지지 부재이다. 차폐 부재(13A)는 지지 부재(13B)의 흡수 계수보다 큰 흡수 계수를 가지는 것으로 고안된다. 차폐 부재(13A)에는 방사선을 투과시키는 개구가 형성되고, 따라서 대부분의 방사선은 개구 이외의 영역에서 흡수된다.
도 7은 본 실시예의 방사선 검출기를 제조하는 과정을 도시한다. 도 7a는 방사선을 투과하는 개구를 가지는 콜리메이터(13), 방사선 검출기를 구성하는 기판(11), 및 콜리메이터(13)와 검출 영역(12) 간의 거리(H)를 유지하는 스페이서(16)를 도시하고, 이들은 독립적으로 설치된다. X-선 검출의 경우, 차폐 부재(13A)에 대하여, Au, Pt, Pb, CU, Al, Sn 또는 Si 와 같은 X-선을 잘 흡수할 수 있는 금속 재료가 사용된다. 한편, 지지 부재(13B)에 대하여, 유리, 사파이어, 또는 폴리머 재료와 같은, 차폐 부재(13A)보다 방사선을 덜 흡수하는 재료가 사용된다. 지지 부재(13B)의 흡수 계수가 낮을수록, 지지 부재(13B)는 더 두꺼워 질 수 있고, 따라서 견고한 콜리메이터가 형성될 수 있다. 콜리메이터(13)를 제조하는 방법에 관하여, 차폐 부재(13A)와 지지 부재(13B)의 적층에 부가하여, 차폐 부재(13A)는 스퍼터링 또는 기상 증착과 같은 막 형성법에 의하여 지지 부재(13B) 상에 형성될 수 있다.
콜리메이터의 개구 형성에는, 마스크를 이용하여 개구에 차폐 부재(13A)를 구성하는 재료를 적층시키지 않는 방법이 있다. 또한, 2층 구조를 미리 형성하여, 차폐 부재(13A)를 구성하는 재료는 마스크를 이용하여, 스퍼터 에칭, 이온 빔 에칭, 또는 포커스된 이온 빔(FIB) 에칭에 의하여 제거될 수 있다.
미소한 균일 두께에 대하여 처리가능한 재료, 예컨대 Si는 스페이서용으로 사용된다.
도 7b는 스페이서(16)와 기판(11)을 접착한 후, 콜리메이터(13), 스페이서(16), 및 방사선 검출기를 도시한다. 에폭시 수지 또는 바니시와 같은 접착제는 접합용으로 사용된다. 또는, 방사선 검출기(11)는 Si 기판 상에 형성되고, 붕규산 유리(PYREX 유리)가 스페이서(16)용으로 사용되고, 다른 Si 기판이 콜리메이터(16)용으로 사용된다. 스페이서(16)는 Si 기판들 사이에 샌드위칭되고, 온도 및 부하에 여기에 인가되어, 이들은 양전위가 Si 재료에 인가되는 애노드 접합에 의하여 직접 접합된다.
큰 두께를 가지는 콜리메이터의 개구를 정확하게 형성하는 것은 어렵다. 그러나, 특정 레벨의 강도가 콜리메이터에 대하여 요구된다. 본 실시예에서, 고 투과성을 가지는 재료는 지지 부재(13B)를 형성하고, 그 위에 고 흡수성을 가지는 재료가 차폐 부재(13A)를 구성한다. 지지 부재(13B)의 두께는 보다 크게 제조될 수 있고, 차폐 부재(13B)의 두께는 더 작게 제조될 수 있다. 개구 형성에 대하여, 단지 보다 얇은 차폐 부재(13A)의 일부가 제거되어야 한다. 따라서, 개구의 용이한 형성을 허용하는 콜리메이터를 형성할 수 있다.
제 4 실시예
도 8은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 방사선 검출기를 제조하는 과정을 도시한다. 디바이스 구성이 제 3 실시예의 구성과 동일하나, 방사선 검출기의 제조 과정은 상이하다. 도 8a는 개구 형성전의 콜리메이터(33), 방사선 검출기를 구성하는 기판(11), 및 검출 영역(12)과 콜리메이터(13) 간의 거리(H)를 유지하는 스페이서(16)가 도시되어 있고, 이들은 독립적으로 설치된다. 콜리메이터(33)는 검출되는 상이한 방사선의 흡수 계수(s)를 가지는 재료(13A)와 재료(13B)의 상이한 2 종류의 2층 구조를 가진다.
도 8b는 콜리메이터(33)와 스페이서(16)의 접합, 및 스페이서(16)와 기판(11)의 접합의 접합 과정을 도시한다. 에폭시 수지 또는 바니시와 같은 부착제가 접합용으로 사용된다. 또는 방사선 검출기(11)가 Si 기판 상에 형성되고, 붕규산 유리(PYREX 유리)가 스페이서(16)용으로 사용되고, 다른 Si 기판이 콜리메이터(13)용으로 사용된다. 스페이서(16)는 Si 기판들 사이에 샌드위칭되고, 온도 및 부하가 여기에 인가되어, 이들은 양전위가 접착제를 사용하지 않고 Si 기판에 인가되는 애노드 접합에 의하여 직접 접합된다.
도 8c는 콜리메이터의 개구 형성의 과정을 도시한다. 개구는 훨씬 큰 흡수 계수를 가지는 차폐 부재(13A)의 일부를 제거함으로써 형성된다. 제거는 마스크를 이용하여, 스퍼터 에칭 또는 이온 빔 에칭과 같은 방법에 의하여 수행될 수 있다. 또한, 포커스된 이온 빔(FIB) 에칭에 의하여, 개구는 마스크 없이 형성될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 개구의 용이한 형성을 허용하는 견고한 콜리메이터가 형성될 수 있고, 부가하여 콜리메이터의 개구와 검출 영역의 정렬이 기판과 콜리메이터의 접합 후 수행되므로, 정렬 정확성이 향상된다. 따라서, 보다 높은 에너지 분해능과 보다 높은 검출 효율이 구현된다.
제 5 실시예
도 9는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 방사선 검출기를 사용하는 방사선 측정 시스템을 도시한다. 본 실시예에서, 초전도 전이단 센서(TES)가 방사선 검출기로서 사용된다. 도 10a는 초전도 전이단 센서의 상면 구조도이고, 도 10b는 그 단면 구조도이다. 도 9는 도 10a의 x-x' 선을 따른 초전도 전이단 센서의 단면도이고, 도 10b는 y-y' 선을 따른 단면도이다.
초전도 전이단 센서가 기판(10) 상에 배열되어, 방사선을 흡수하고, 에너지를 열로 변환시키며, 그 온도(Tt)를 측정하는 열적 변환기로서 기능하는 레지스터(19)가 박막 멤브레인(20) 상에 제공되었다. 레지스터(19)에는, 전극들(14)이 전류 또는 전압을 공급하고 그 저항값을 판독하기 위하여 접속된다. 박막 멤브레인(20)은 기판의 두께보다 얇은 멤브레인을 가지는 구조를 가지고, 레지스터(19)와 히트 싱크 간의 열적 컨덕턴스를 가지는 열 링크로서 기능한다. 일반적으로, Si는 기판에 대하여 사용되고, Si 옥사이드 또는 Si 니트라이드는 대략 1㎛의 두께를 가지는 얇은 멤브레인(20)용으로 사용된다.
초전도 전이단 센서의 검출 영역인 레지스터 이외의 부분으로의 조사를 방지하기 위하여, 개구 직경(D)을 가지는 콜리메이터(13)가 제공된다. 콜리메이터(13)는, 콜리메이터와 멤브레인이 그 사이에 스페이서(16)를 샌드위칭하여 콜리메이터(13)와 검출 영역(12) 간의 거리(H)를 유지하도록, 방사선 검출기(11)를 형성하는 기판 상에 설치된다. 콜리메이터(13)는 멤브레인으로부터 열적으로 절연되도록, 히트 싱크인 기판(10) 상에 지지된다.
레지스터(19)는 초전도체 자체이거나 초전도체와 정규 전도체를 가지는 2층 구조에 의하여 구성된다. 저항값이 Rt로 표시된 레지스터(19)는 온도(Tt)에 따라 초전도 상태, 정규 전도 상태, 및 중간 전이 상태를 가지고, 그 관계가 도 11에 도시된 저항-온도(R-T) 곡선에 의하여 표시된다. 레지스터는 온도(TC)에서 또는 그 보다 낮은 온도에서 초전도 상태로 바뀌고, 저항값이 영으로 된다.
초전도 전이단 센서는 레지스터가 초전도 상태로 바뀌는 온도(Tb)(<Tc)로 냉각된 콜드헤드(40) 상에 설치된다. 레지스터(19)에 공급된 전력에 의하여 생성된 열(줄 열)은 중간 전이 상태에서 레지스터의 온도를 유지한다. X-선이 동작점(OP)(동작 온도 TO)에서 레지스터를 조사하는 경우, 온도(Tt)는 상승하고, 저항값(Rt)은 변한다. 외부 구동 회로(3)는 저항값의 변화를 판독하고, 따라서 입사 방사선의 에너지가 획득된다.
레지스터의 열 확산은 위치 의존성이다. 그러므로, 방사선의 조사 위치에 따라, 획득된 전기 신호들의 파형들이 변한다. 일반적으로, 방사선 검출기에서, 에너지는 방사선에 의한 펄스의 파형의 피크값에 의하여 획득된다. 그러므로, 조사 위치를 고정시키거나, 조사 위치에서의 열 확산 공정을 동일하게 하는 것이 필수적이다. 예컨대, 레지스터의 중심에서의 열 확산과 그 에지에서의 열 확산이 서로 명백하게 상이하고, 따라서 상이한 파형들이 검출된다.
방사선 검출기가 콜리메이터와 일체화될 수 있고, 또한 Si와 유리 기판이 사용될 수 있으므로, 콜리메이터의 개구와 검출 영역을 가깝게 할 수 있다. 또한, 상기 개구와 검출 영역의 정렬의 수행이 보다 용이하고, 개구 직경은 검출 영역의 크기와 가깝게 될 수 있다. 따라서, 콜리메이터의 개구 직경과 상기 개구와 검출 영역 간의 거리에 의하여 결정된 입체각이 보다 커질 수 있어서, 고 검출 효율이획득된다.
개구와 검출 영역의 정렬의 정확성이 향상되므로, 방사선은 검출 영역을 정확하게 조사할 수 있고, 따라서 획득된 신호들의 변동을 제한한다. 초전도 전이 센서들의 낮은 백그라운드 노이즈 특성에 부가하여, 방사선 위치 의존성에 기인하는 검출 신호들의 변동을 제한할 수 있으므로, 상당히 높은 에너지 분해능과 SN을 가지는 방사선 검출기를 실행한다.
콜리메이터(13)는 히트 싱크인 기판(10) 상에 지지되어, 콜리메이터(13)가 흡수하는 열 에너지는 레지스터에 영향을 미치지 않으며, 히트 싱크로 신속하게 배출된다.
제 6 실시예
도 12a와 도 12b는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 방사선 검출기를 도시한다. 또한 본 실시예에서, 초전도 전이단 센서가 방사선 검출기용으로 사용된다. 초전도 전이단 센서에서, 때로는 흡수체(18)는 방사선 에너지의 흡수 확률을 증가시키기 위하여 레지스터(19) 상에 제공된다. 도 12a는 흡수체를 가지는 초전도 전이단 센서에 의하여 구성된 방사선 검출기의 평면 구조도이고, 도 12b는 그 단면 구조도이다. 흡수체(18)는 방사선을 흡수하고, 에너지를 열로 변환시키고, 열을 레지스터로 전달하는 기능을 가진다. 이 경우에서, 흡수체(18)는 검출 영역이다.
흡수의 확률이 작아도, 흡수체 이외의 부분, 예컨대 레지스터(19)의 본체가 조사되면, 흡수체(18)에 의하여 흡수된 신호들의 파형과 상이한 파형들을 가지는 신호들이 발생된다. 콜리메이터는 이들 신호들을 방지한다. 본 실시예에 따르면,보다 높은 검출 확률이 달성되고, 보다 높은 에너지 분해능과 보다 높은 검출 효율을 가지는 방사선 검출기가 실행될 수 있다.
본 발명은 상술된 바와 같이 구현되고, 후술한 바와 같은 효과를 가진다.
기판 상에 형성된 방사선 검출기를 포함하는 에너지/전기 변환기 및 외부 구동 회로로의 접속을 위한 전극들을 구비하는 방사선 검출기에서, 검출 영역을 조사하는 방사선을 투과시키기 위하여 개구가 형성된 차폐판인 콜리메이터가 동일한 기판 상에 설치되어, 방사선 검출기가 콜리메이터와 일체화된다. 또한, Si 및 유리 기판이 사용될 수 있다. 따라서, 콜리메이터의 개구와 검출 영역이 보다 가깝게 될 수 있다. 또한, 상기 개구와 검출 영역의 정렬이 보다 용이해져, 상기 개구 직경을 검출 영역의 크기에 가깝게 할 수 있다. 따라서, 콜리메이터의 개구 직경과 상기 개구와 검출 영역 간의 거리에 의하여 결정되는 입체각이 더 크게 될 수 있어서, 고 검출 효율을 달성한다.
상기 개구와 검출 영역의 정렬의 정확성이 향상되므로, 방사선은 검출 영역을 정확하게 조사할 수 있고, 따라서 획득된 신호들의 변화를 더 작게 할 수 있다. 따라서, 고 에너지 분해능이 획득될 수 있다.
콜리메이터의 재료용으로 유리 또는 사파이어와 같은 광 투과 재료를 사용함으로써, 광학식 얼라인먼트 기구가 상기 개구와 검출 영역의 정렬 정확성을 더욱 향상시키기 위하여 채용될 수 있다. 따라서, 보다 높은 에너지 분해능과 보다 높은 검출 효율을 가지는 방사선 검출기가 실행된다.
방사선 검출기는 Si 기판상에 형성되고, 붕규산 유리가 스페이서용으로 사용되고, 다른 Si 기판이 콜리메이터용으로 사용되고, 이로써 애노드 접합에 의한 접합을 허용한다. 애노드 접합을 사용하는 제조 방법은 웨이퍼 상에 배열된 다수의 디바이스와, 동일한 크기의 웨이퍼 상에 형성된 콜리메이터들의 접합을 허용하여, 대량 생산의 향상을 기대할 수 있다.
또한, 기판과 콜리메이터 간의 특정 거리를 유지하는 동공이 콜리메이터에 형성되어, 스페이서가 불필요하게 되어 제조가 보다 용이해진다. 특히, Si 기판과 붕규산 유리의 적층인 애노드 접합이 보다 용이해진다. 따라서, 콜리메이터와 검출 영역 간의 거리는 더욱 가까워질 수 있어서, 검출 효율의 보다 많은 증가를 기대할 수 있다.
콜리메이터는 검출되는 방사선의 상이한 흡수 계수(s)를 가지는 2종류의 재료들의 2층 구조를 가지고, 보다 낮은 흡수 계수를 가지는 재료가 지지 부재로서 기판 상에 고정되고, 보다 높은 흡수 계수를 가지는 재료에는 방사선을 투과시키는 개구가 형성된다. 따라서, 개구의 용이한 형성을 허용하는 견고한 콜리메이터가 형성될 수 있다. 부가하여, 콜리메이터의 개구와 검출 영역의 정렬이 기판과 콜리메이터의 접합 후에 실행되므로, 따라서 정렬 정확성이 향상될 수 있다. 따라서, 더욱 높은 에너지 분해능과 더욱 높은 검출 효율이 달성될 수 있다.
또한, 방사선 검출기와 콜리메이터의 접합후, 개구는 검출 영역과 정렬하여 형성될 수 있어서, 개구와 검출 영역의 정렬을 보다 용이하고 보다 정확하게 할 수 있다. 특히, 포커스된 이온 빔(FIB) 에칭은 마스크 없이 개구의 형성을 허용한다.
에너지/전기 변환기는 기판 상에 형성되어, 히트 싱크로서 기능하고 방사선을 흡수하여, 상기 방사선을 열로 변환시키고 온도 변화를 측정하여 전기 신호로서 방사선의 에너지를 추출하는 초전도 전이단 센서(TES)이다. 초전도 전이단 센서(TES)는 콜리메이터와 일체화되어, 개구와 검출 영역의 정렬 정확성이 향상되고, 이로써 방사선이 검출 영역을 정확하게 조사할 수 있어서 획득된 신호의 변동을 보다 적게 한다. 초전도 전이단 센서(TES)의 낮은 백그라운드 노이즈 특성에 부가하여, 방사선 위치 의존성에 의한 검출 신호의 변화가 제한될 수 있으므로, 상당히 높은 에너지 분해능과 SN을 가지는 방사선 검출기를 실현할 수 있다.
콜리메이터(15)는 히트 싱크인 기판 상에 지지되어, 콜리메이터(15)에 의하여 흡수된 열 에너지는 레지스터 상에 영향을 미치지 않고, 히트 싱크로 신속하게 배출된다.
흡수체를 초전도 전이단 센서(TES)에 부가함으로써, 고 검출 확률, 고 에너지 분해능, 및 고 검출 효율을 가지는 방사선 검출기가 구현될 수 있다.
방사선 검출기 상의 콜리메이터의 설치는 검출 영역을 보호하는 효과를 가지고, 기계적으로 약한 박막 멤브레인을 가지는 초전도 전이단 센서(TES)의 신뢰성 및 동작능력을 향상시키는 데 특히 효과적이다.

Claims (14)

  1. 입사 방사선을 검출하는 검출 영역;
    상기 방사선의 에너지를 전기 신호로 변환하는 에너지/전기 변환기;
    상기 에너지/전기 변환기를 상기 에너지/전기 변환기를 형성하는 기판 상에 형성된 외부 구동 회로에 접속시키는 전기 신호 전극들;
    상기 검출 영역을 조사하기 위하여 방사선을 투과시키는 개구가 제공되고, 방사선이 상기 검출 영역 이외의 부분을 조사하는 것을 방지하기 위한 차폐판으로서 기능하고, 상기 에너지/전기 변환기를 형성하는 기판 상에 일체로 형성되는 콜리메이터; 및
    상기 검출 영역과 상기 콜리메이터 간의 특정 거리를 유지하고, 상기 에너지/전기 변환기를 형성하는 기판 상에 일체로 형성되는 스페이서를 구비하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
  2. 입사 방사선을 검출하는 검출 영역;
    상기 방사선의 에너지를 변환시키는 에너지/전기 변환기;
    상기 에너지/전기 변환기를 상기 에너지/전기 변환기 상에 형성된 외부 구동 회로에 접속시키는 전기 신호 전극들; 및
    상기 검출 영역을 조사하기 위하여 방사선을 투과시키는 개구가 제공되고, 방사선이 상기 검출 영역 이외의 부분을 조사하는 것을 방지하기 위한 차폐판으로서 기능하고, 상기 검출 영역과 상기 개구 사이의 특정 거리를 유지하기 위한 동공이 형성되고, 상기 에너지/전기 변환기를 형성하는 기판 상에 일체로 형성되는 콜리메이터를 구비하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 콜리메이터의 재료는 주로 유리 또는 사파이어로 제조된 광 투과 재료인 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 콜리메이터의 재료는 주로 유리 또는 사파이어로 제조된 광 투과 재료인 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 방사선 검출기는, 에너지/전기 변환기가 Si 기판 상에 형성되고, 붕규산 유리가 상기 스페이서용으로 사용되고, Si가 콜리메이터용으로 사용되고, 상기 에너지/전기 변환기와 상기 콜리메이터가 그 사이에 상기 스페이서를 샌드위칭하고, 온도와 부하가 여기에 인가되어, Si 재료에 양전위를 인가하는 애노드 접합이 수행되어, 상기 에너지/전기 변환기, 상기 콜리메이터, 및 상기 스페이서를 접합시키는 공정에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 방사선 검출기는 에너지/전기 변환기가 Si 기판 상에 형성되고, 붕규산 유리가 상기 콜리메이터용으로 사용되고, 상기 에너지/전기변환기와 상기 콜리메이터가 적층되고, 온도와 부하가 여기에 인가되어, 양전위를 상기 에너지/전기 변환기에 인가하는 애노드 접합이 수행되어, 상기 에너지/전기 변환기와 상기 콜리메이터를 접합시키는 공정에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 콜리메이터는 검출되는 방사선의 상이한 흡수 계수를 가지는 2종류의 재료들로 구성된 2층 구조를 가지고, 보다 낮은 흡수 계수를 가지는 하나의 재료는 지지 부재로서 기판 상에 고정되고, 보다 높은 흡수 계수를 가지는 다른 하나의 재료는 방사선을 투과시키는 개구가 형성되는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 콜리메이터는 검출되는 방사선의 상이한 흡수 계수를 가지는 2종류의 재료들로 구성된 2층 구조를 가지고, 보다 낮은 흡수 계수를 가지는 하나의 재료는 지지 부재로서 기판 상에 고정되고, 보다 높은 흡수 계수를 가지는 다른 하나의 재료에는 방사선을 투과시키는 개구가 형성되는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 콜리메이터는 상기 기판 상에 고정되고, 그 후 포커스된 이온 빔(FIB) 에칭에 의하여 개구가 형성되는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 콜리메이터는 상기 기판 상에 고정되고, 그 후 포커스된 이온 빔(FIB) 에칭에 의하여 개구가 형성되는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 에너지/전기 변환기는 방사선을 흡수하여, 상기 방사선을 열로 변환시킨 후, 그 온도 변화를 측정함으로써 전기 신호로서 상기 방사선의 에너지를 추출하고, 히트 싱크인 기판 상에 형성되고, 상기 히트 싱크로의 상기 열의 배출을 제어하기 위한 박막 멤브레인, 상기 박막 멤브레인 상에 형성된 온도에 대하여 초전도 상태, 정규 전도 상태, 및 중간 전이 상태를 가지는 레지스터, 및 상기 외부 구동 회로로의 접속을 위한 전극들을 구비하는 초전도 전이단 센서인 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
  12. 제 2 항에 있어서, 상기 에너지/전기 변환기는 방사선을 흡수하여, 상기 방사선을 열로 변환시킨 후, 그 온도 변화를 측정함으로써 전기 신호로서 상기 방사선의 에너지를 추출하고, 히트 싱크인 기판 상에 형성되고, 상기 히트 싱크로의 상기 열의 배출을 제어하기 위한 박막 멤브레인, 상기 박막 멤브레인 상에 형성된 온도에 대하여 초전도 상태, 정규 전도 상태, 및 중간 전이 상태를 가지는 레지스터, 및 상기 외부 구동 회로로의 접속을 위한 전극들을 구비하는 초전도 전이단 센서인 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
  13. 제 11 항에 있어서, 흡수체가 상기 레지스터 상에 제공되는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
  14. 제 12 항에 있어서, 흡수체가 상기 레지스터 상에 제공되는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
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