WO2017094771A1 - 放射線検出素子及び放射線検出装置 - Google Patents

放射線検出素子及び放射線検出装置 Download PDF

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WO2017094771A1
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electrode
radiation detection
pitch
cathode
anode electrode
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本村　知久
浩平 太田
達 谷森
淳史 高田
泰斗 竹村
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大日本印刷株式会社
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/18—Measuring radiation intensity with counting-tube arrangements, e.g. with Geiger counters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
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    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/29—Measurement performed on radiation beams, e.g. position or section of the beam; Measurement of spatial distribution of radiation
    • G01T1/2914—Measurement of spatial distribution of radiation
    • G01T1/2921—Static instruments for imaging the distribution of radioactivity in one or two dimensions; Radio-isotope cameras
    • G01T1/2935—Static instruments for imaging the distribution of radioactivity in one or two dimensions; Radio-isotope cameras using ionisation detectors
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    • G01T5/00—Recording of movements or tracks of particles; Processing or analysis of such tracks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J47/00—Tubes for determining the presence, intensity, density or energy of radiation or particles
    • H01J47/06—Proportional counter tubes

Definitions

  • the present invention relates to a radiation detection element and a radiation detection apparatus.
  • the present invention relates to the structure of a pixel electrode constituting a radiation detection element.
  • a radiation detection apparatus using gas amplification by a pixel-type electrode has a feature that a large area and real-time imaging can be performed in a detection region, particularly image imaging, in which radiation detection by a conventional detection apparatus is insufficient.
  • Patent Document 1 For the structure of a radiation detection apparatus using gas amplification by a pixel-type electrode, for example, Patent Document 1 can be referred to.
  • an object of the present invention is to improve the resolution of a radiation detection element without lowering the gas amplification factor. It is another object of the present invention to provide a radiation detection apparatus with improved resolution without reducing the gas amplification factor.
  • a plurality of pixel electrodes having a first electrode having an opening disposed on the first surface of the insulating member and a second electrode disposed on the opening of the first electrode are provided.
  • the plurality of pixel electrodes are arranged in the row direction and the column direction, the pixel electrode pitch is 380 ⁇ m or less in the row direction and the column direction, and the area ratio of the first electrode to the second electrode is 14.5: 1 to 154.
  • a radiation detection element is provided that is in the range of 6: 1.
  • the pixel electrode may have a pitch of 300 ⁇ m or less and an area ratio of the first electrode to the second electrode in the range of 15.9: 1 to 69.1: 1.
  • the pixel electrode may have a pitch of 200 ⁇ m and an area ratio of the first electrode to the second electrode in the range of 14.5: 1 to 21.7: 1.
  • a plurality of pixel electrodes having a first electrode having an opening disposed on the first surface of the insulating member and a second electrode disposed on the opening of the first electrode are provided.
  • the plurality of pixel electrodes are arranged in the row direction and the column direction.
  • the pixel electrode pitch is 380 ⁇ m or less
  • P is the pixel electrode pitch
  • C is the distance between the first electrodes
  • R is The radius of the second electrode, G, satisfies 200 ( ⁇ m) ⁇ P ⁇ 380 ( ⁇ m), 10 ( ⁇ m) ⁇ C, and 30 ( ⁇ m) ⁇ R when the distance between the first electrode and the second electrode is set.
  • the area ratio of the first electrode to the second electrode is in the range of 14.5: 1 to [(PC) P- (R + G) 2 ⁇ 3.14] / (3.14 ⁇ R 2 ): 1.
  • a radiation detecting element is provided.
  • the radiation detection apparatus which concerns on one Embodiment of this invention may be provided with the said radiation detection element.
  • the radiation detection apparatus may have a resolution of 95 ⁇ m or less and a gas amplification factor of 2000 or more.
  • FIG. 5 is a potential distribution diagram in the case where the potential distribution of the cross section around the pixel electrode is obtained by simulation, and the pixel electrode pitch is 280 ⁇ m.
  • FIG. 7 is a potential distribution diagram in the case where the potential distribution of the cross section around the pixel electrode is obtained by simulation, and the pixel electrode pitch is 310 ⁇ m.
  • FIG. 6 is a potential distribution diagram in the case where the potential distribution of the cross section around the pixel electrode is obtained by simulation, and the pixel electrode pitch is 360 ⁇ m.
  • FIG. 6 is a potential distribution diagram in the case where the potential distribution of the cross section around the pixel electrode is obtained by simulation, and the pixel electrode pitch is 400 ⁇ m. It is a graph which shows the relationship between the gas gain in simulation 2, and the pitch of a pixel electrode. It is a top view which shows an example of the radiation detection apparatus using the radiation detection element which concerns on Example 1 of this invention.
  • FIG. 2 It is a top view which shows an example of the radiation detection apparatus using the radiation detection element which concerns on Example 2 of this invention. It is a top view which shows an example of the radiation detection apparatus using the radiation detection element which concerns on the comparative example 1.
  • FIG. It is sectional drawing which shows an example of the radiation detection apparatus using the radiation detection element which concerns on the comparative example 1. It is a top view which shows an example of the radiation detection apparatus using the radiation detection element which concerns on the comparative example 2.
  • FIG. It is sectional drawing which shows an example of the radiation detection apparatus using the radiation detection element which concerns on the comparative example 2. It is a graph which shows the ratio of the area of a cathode electrode with respect to the area of an anode electrode, and the pitch of a pixel electrode. It is a graph which shows the ratio of the area of a cathode electrode with respect to the area of an anode electrode, and the pitch of a pixel electrode.
  • the radiation detection element and the radiation detection apparatus of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
  • the radiation detection element and the radiation detection apparatus of the present invention are not limited to the following embodiments, and can be implemented with various modifications. In all the embodiments, the same components are described with the same reference numerals.
  • the dimensional ratio in the drawing may be different from the actual ratio for convenience of explanation, or a part of the configuration may be omitted from the drawing.
  • the radiation detection element 10 includes an insulating member 102, a cathode electrode 104, an anode electrode 106, an anode electrode pattern 108, and a substrate 130.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view showing the radiation detection element 10 according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2B is a plan view showing the radiation detection element 10 according to one embodiment of the present invention.
  • 2B shows a plan view of the radiation detection element 10
  • FIG. 2A shows a cross-sectional view taken along the line A-A 'of FIG. 2B.
  • a plurality of cathode electrodes 104 are arranged on the first surface of the insulating member 102.
  • the cathode electrode 104 has a plurality of openings 105. Since the cathode electrode 104 is formed in a strip shape, it is also referred to as a cathode strip electrode.
  • the anode electrode pattern 108 is disposed on the second surface opposite to the first surface of the insulating member 102.
  • the insulating member 102 includes a through hole in the opening 105 of the cathode electrode 104, and the anode electrode 106 is disposed so as to be exposed on the first surface through the through hole.
  • the anode electrode 106 penetrates the insulating member 102 from the first surface of the insulating member 102 to the second surface on the opposite side, and is connected to the anode electrode pattern 108.
  • the anode electrode 106 is connected to the anode electrode pattern 108 disposed on the substrate 130 made of an insulating member and is disposed so as to penetrate the insulating member 102.
  • the anode electrode 106 has a shape in which the tip is exposed in each of the openings 105, but has a shape in which the tip is not exposed in each of the openings 105 (the tip is the insulating member 102. Or a shape in which the tip is located inside the insulating member 102).
  • the direction in which the cathode electrode 104 extends is substantially perpendicular to the direction in which the anode electrode pattern 108 to which the anode electrode 106 is connected.
  • the pixel electrode 1 is defined as a minimum repeating unit of pixel electrodes including the cathode electrode 104, the opening 105, the anode electrode 106, and the insulating member 102.
  • the pixel electrode 1 is approximately square.
  • the pitch of the cathode electrodes 104 and the pitch of the anode electrodes 106 are also P.
  • FIG. 1 six pixel electrodes 1 are shown for one radiation detection element 10, but the present invention is not limited to this. It is only necessary to have a plurality of pixel electrodes 1.
  • the pixel electrodes 1 included in the radiation detection element 10 according to the present embodiment are arranged in the row direction and the column direction, and the pitch in the row direction and the column direction is 380 ⁇ m or less, preferably 300 ⁇ m or less, more preferably 200 ⁇ m. .
  • the pitch in the row direction and the column direction of the anode electrode 106 on the first surface is 380 ⁇ m or less, preferably 300 ⁇ m or less, more preferably 200 ⁇ m.
  • the area ratio of the cathode electrode 104 and the anode electrode 106 on the first surface is in the range of 14.5: 1 to 154.6: 1.
  • the range is from 14.5: 1 to [(PC) P- (R + G) 2 ⁇ 3.14] / (3.14 ⁇ R 2 ): 1.
  • P is the pitch of the pixel electrodes
  • C is the distance between the cathode electrodes 104
  • R is the radius of the anode electrode 106
  • G is the distance between the cathode electrode 104 and the anode electrode 106
  • the radiation detection element 10 is further provided with a lead wiring 124 on the substrate surface, and the anode electrode 106 is connected to the lead wiring 124 via the anode electrode pattern 108 and the interlayer connection portion 126. That is, the anode electrode 106, the anode electrode pattern 108, the interlayer connection 126, and the lead wiring 124 are one conductor, and the lead wiring 124 functions as a connection terminal for the anode electrode 106. In the present embodiment, the anode electrode 106, the anode electrode pattern 108, the interlayer connection portion 126, and the lead wiring 124 are separately provided and are electrically connected. It is not necessarily limited and may be integrally formed. Since the anode electrode pattern 108 is formed in a strip shape, it is also referred to as an anode strip pattern.
  • the discharge can be performed even if a high voltage is applied and electric lines of force are concentrated on the anode electrode 106. Does not occur.
  • the material of the insulating member 102 and the substrate 130 according to an embodiment of the present invention is polyimide, the material is not limited to this as long as it is an insulating material.
  • the material of the cathode electrode 104, the anode electrode 106, the anode electrode pattern 108, the interlayer connection portion 126, and the lead wiring 124 according to the present embodiment is copper. However, the material is not limited to this as long as the material is conductive.
  • the radiation detection element 10 has a configuration as described above, and thus a plurality of pixel electrodes 1 including the anode electrode 106 and a part of the cathode electrode 104 are arranged.
  • the anode electrode 106 has a configuration arranged in a matrix.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a radiation detection apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the radiation detection apparatus 100 includes a drift electrode 110, a radiation detection element 10, and a chamber 111.
  • the drift electrode 110 and the radiation detection element 10 are arranged to face each other vertically with a certain space.
  • the cathode electrode 104 may be referred to as a first electrode
  • the anode electrode 106 may be referred to as a second electrode
  • the drift electrode 110 may be referred to as a third electrode.
  • the configuration of the radiation detection apparatus 100 is arranged in a chamber 111 sealed with a mixed gas of a rare gas such as argon or xenon and a molecular gas such as ethane or methane.
  • the radiation detection device 100 detects radiation incident between the pixel electrode 1 and the drift electrode 110 by the radiation detection element 10.
  • An electric field is formed by applying a voltage between each cathode electrode 104 and anode electrode 106.
  • the cathode electrode 104 is connected to the ground (GND), and a voltage is also applied between the drift electrode 110 and the cathode electrode 104 to form an electric field.
  • the electrons generated by the interaction with the gas in which the incident radiation exists forms an electron cloud, and the anode electrode It is drawn toward the pixel electrode 1 composed of 106 and the cathode electrode 104.
  • the attracted electrons collide with gas atoms and ionize the gas atoms.
  • Electrons ionized by gas amplification multiply like an avalanche, and the group of electrons collected by the anode electrode 106 reaches a level where it can be read out as an electrical signal. Then, this electric signal can be read out from the lead wiring 124 which is a connection terminal through the anode electrode pattern 108.
  • the pitch of the pixel electrodes 1 included in the radiation detection element 10 according to this embodiment is 380 ⁇ m or less, preferably 300 ⁇ m or less, and more preferably 200 ⁇ m.
  • the pitch of the anode electrodes 106 on the first surface is 380 ⁇ m or less, preferably 300 ⁇ m or less, more preferably 200 ⁇ m.
  • the area ratio of the cathode electrode 104 and the anode electrode 106 on the first surface is in the range of 14.5: 1 to 154.6: 1.
  • the range is from 14.5: 1 to [(PC) P- (R + G) 2 ⁇ 3.14] / (3.14 ⁇ R 2 ): 1.
  • P is the pitch of the pixel electrodes
  • C is the distance between the cathode electrodes 104
  • R is the radius of the anode electrode 106
  • G is the distance between the cathode electrode 104 and the anode electrode 106
  • the radiation detection apparatus 100 having the radiation detection element 10 having such conditions can improve resolution and suppress a decrease in gas gain. Further, since the voltage can be suppressed, the possibility of discharge can be avoided.
  • the radiation detection apparatus having the radiation detection element according to the present invention described above will be described in more detail.
  • the pitch of the pixel electrode and the area ratio of the anode electrode to the cathode electrode were examined.
  • the pitch of the cathode electrode and the pitch of the anode electrode were reduced without changing the opening diameter of the cathode electrode and the diameter of the anode electrode.
  • the parameters used in the simulation at this time are as follows.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the gas amplification factor and each electrode pitch in the simulation 1.
  • the voltage between the anode electrode and the cathode electrode was fixed at 460 V, and the pitch of each electrode was reduced from 600 ⁇ m to 280 ⁇ m.
  • the electrode pitch is 600 ⁇ m to 400 ⁇ m
  • the gas amplification factor gradually decreases
  • the electrode pitch is less than 400 ⁇ m
  • the reduction of the gas amplification factor becomes remarkable.
  • 5A to 5D show results of simulating the potential distribution around the pixel electrode when the pixel electrode pitch is 280, 310, 360, and 400 ⁇ m under the same conditions as described above.
  • the range of 0.45 to 450 V is divided into 20 parts and indicated by equipotential lines, and the numbers 1 to 20 are given to the areas partitioned by the equipotential lines. In this case, the smaller the number attached, the higher the potential.
  • the high potential regions 4 to 6 on the first surface (y> 0) of the pixel electrode also spread on the cathode electrode. That is, as the area of the cathode electrode becomes smaller, the potential difference between the anode electrode and the cathode electrode becomes smaller. As a result, the potential difference between the electrodes is reduced, which supports the hypothesis that electrons are not focused on one anode electrode but dispersed.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the gas amplification factor and each electrode pitch in the simulation 2.
  • the voltage between the anode electrode and the cathode electrode was fixed at 460 V, and the pitch of each electrode, the opening diameter of the cathode electrode, and the diameter of the anode electrode were reduced.
  • the area ratio of the anode electrode and the cathode electrode was fixed, it was found that the gas amplification factor increased as the electrode pitch decreased.
  • FIG. 7 is a plan view showing an example of a radiation detection apparatus 400 using the radiation detection element 40 according to the first embodiment of the present invention.
  • the radiation detection element 40 according to the first embodiment of the present invention has a configuration of the pixel electrode 1 in order to improve the resolution of the radiation detection element (FIG. 9A, comparison example 1) according to a comparative example described later. Reduced.
  • the pitch of the cathode electrode 104 and the pitch of the anode electrode 106 are reduced from 400 ⁇ m to 300 ⁇ m.
  • the width, pitch, and the like of the cathode electrode 104 and the anode electrode 106 in such a radiation detection element are as follows. Width of cathode electrode: 262.5 ⁇ m Opening diameter of cathode electrode: 187.5 ⁇ m
  • the resolution of the radiation detection apparatus 400 provided with such a radiation detection element 40 could be improved from 100 ⁇ m to 75 ⁇ m.
  • the gas amplification factor was 2000, and the decrease in gas amplification factor seen in Comparative Example 2 could be suppressed. Further, since the voltage could be suppressed, the possibility of discharge could be avoided.
  • FIG. 8 is a plan view showing an example of a radiation detection apparatus 500 using the radiation detection element 50 according to the second embodiment of the present invention.
  • the configuration of the pixel electrode 1 is further reduced in order to further improve the resolution of the radiation detection element according to the first embodiment (FIG. 7).
  • the pitch of the cathode electrode and the pitch of the anode electrode are reduced from 300 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • the width and pitch of the cathode electrode and the anode electrode in such a radiation detection element are as follows. Width of cathode electrode: 190 ⁇ m Cathode electrode opening diameter: 170 ⁇ m Cathode electrode pitch (P): 200 ⁇ m Anode radius (R): 15 ⁇ m Anode electrode pitch (P): 200 ⁇ m in row and column directions Spacing between cathode electrodes (C): 10 ⁇ m Distance between cathode electrode and anode electrode (G): 70 ⁇ m
  • the resolution of the radiation detection apparatus 500 including such a radiation detection element 50 could be further improved from 75 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • the gas amplification factor becomes 1347, but by increasing the voltage to 475 V, the gas amplification factor can be made 2000, and the decrease in the gas amplification factor seen in Comparative Example 2 described later can be reduced. I was able to suppress it.
  • 475 V was applied, no discharge occurred in a situation where the distance between the cathode electrode 104 and the anode electrode 106 was 70 ⁇ m. Therefore, it was found that this interval has a withstand voltage with respect to 475V.
  • FIG. 9A is a plan view showing an example of a radiation detection apparatus 200 using the radiation detection element 20 of Comparative Example 1.
  • FIG. 9B is a cross-sectional view showing an example of a radiation detection apparatus 200 using the radiation detection element 20 of Comparative Example 1.
  • the radiation detection element 20 according to the comparative example 1 includes an insulating member 902, a cathode electrode 904, an anode electrode 906, an anode electrode pattern 908, and a substrate 930.
  • the pixel electrode 9 is a minimum repeating unit of the pixel electrode including the cathode electrode 904, the opening 905, the anode electrode 906, and the insulating member 902.
  • the pixel electrode 9 is approximately square.
  • the pitch of the cathode electrodes 904 and the pitch of the anode electrodes 906 are also P.
  • the width, pitch, and the like of the cathode electrode 904 and the anode electrode 906 in the radiation detection element according to Comparative Example 1 are as follows.
  • the configuration of the radiation detection element of Comparative Example 1 is as follows. Width of cathode electrode: 350 ⁇ m Cathode electrode opening diameter: 250 ⁇ m Cathode electrode pitch (P): 400 ⁇ m Anode radius (R): 30 ⁇ m Anode electrode pitch (P): 400 ⁇ m in row and column directions Spacing between cathode electrodes (C): 50 ⁇ m Distance between cathode electrode and anode electrode (G): 95 ⁇ m
  • the resolution is 100 ⁇ m
  • the gas amplification factor is 2000 when a voltage of 460 V is applied to the anode electrode.
  • a method of arranging the pixel electrodes 9 with a small pitch is employed.
  • the distance between the cathode electrode 904 and the anode electrode 906 is reduced, the possibility of discharge increases. For this reason, a method of avoiding the possibility of discharge and improving the resolution is taken. That is, the pitch of the cathode electrode and the pitch of the anode electrode are reduced without changing the opening diameter of the cathode electrode 904 and the diameter of the anode electrode 906.
  • the pitch of the cathode electrode and the pitch of the anode electrode are reduced from 400 ⁇ m to 300 ⁇ m.
  • the width and pitch of the cathode electrode and the anode electrode in such a radiation detection element are as follows.
  • FIG. 10A is a plan view showing an example of a radiation detection apparatus 300 using the radiation detection element 30 of Comparative Example 2 with improved resolution.
  • FIG. 10B is a cross-sectional view showing an example of a radiation detection apparatus 300 using the radiation detection element 30 of Comparative Example 2 with improved resolution.
  • the resolution is 75 ⁇ m
  • the gas amplification factor is 834 when a voltage of 460 V is applied to the anode electrode.
  • the resolution was improved, but the gas amplification factor was approximately halved. This is consistent with the simulation results. This is a particularly serious problem in medical applications where ⁇ rays are detected that require a high gas amplification factor.
  • the area of the cathode electrode is reduced with respect to the area of the anode electrode, so that electrons are not focused on one anode electrode, but adjacent anodes. It was considered that the gas amplification factor was lowered due to dispersion to the electrodes.
  • Example 3 As shown in Table 2, the width and pitch of the cathode and anode electrodes in the radiation detection element according to Example 3 of the present invention are as follows. Width of cathode electrode: 190 ⁇ m Cathode electrode opening diameter: 175 ⁇ m Cathode electrode pitch (P): 200 ⁇ m Anode radius (R): 17.5 ⁇ m Anode electrode pitch (P): 200 ⁇ m in row and column directions Spacing between cathode electrodes (C): 10 ⁇ m Distance between cathode electrode and anode electrode (G): 70 ⁇ m
  • the resolution of the radiation detection apparatus provided with such a radiation detection element was 50 ⁇ m, and when a voltage of 460 V was applied to the anode electrode, the gas amplification factor was 902.2. However, by setting the voltage to 482 V, the gas gain could be 2000, and the decrease in gas gain as in Comparative Example 2 could be suppressed. Although 482 V was applied, a sufficient withstand voltage was obtained when the distance between the cathode electrode 104 and the anode electrode was 70 ⁇ m.
  • the width and pitch of the cathode electrode and the anode electrode in the radiation detection element according to Comparative Example 3 are as follows. Width of cathode electrode: 190 ⁇ m Cathode electrode opening diameter: 180 ⁇ m Cathode electrode pitch (P): 200 ⁇ m Anode radius (R): 20 ⁇ m Anode electrode pitch (P): 200 ⁇ m in row and column directions Spacing between cathode electrodes (C): 10 ⁇ m Distance between cathode electrode and anode electrode (G): 70 ⁇ m
  • the resolution of the radiation detection apparatus provided with such a radiation detection element is 50 ⁇ m, but the gas amplification factor was 621.8 when a voltage of 460 V was applied to the anode electrode.
  • the voltage was raised to 484 V, discharge occurred, so that the gas amplification factor could only be 1500, and the gas amplification factor 2000 necessary to detect gamma rays could not be ensured.
  • the widths, pitches, and the like of the cathode and anode electrodes in the radiation detection element according to Example 4 of the present invention are as follows. Width of cathode electrode: 290 ⁇ m Cathode electrode opening diameter: 176 ⁇ m Cathode electrode pitch (P): 300 ⁇ m Anode radius (R): 17 ⁇ m Anode electrode pitch (P): 300 ⁇ m in the row and column directions Spacing between cathode electrodes (C): 10 ⁇ m Distance between cathode electrode and anode electrode (G): 71 ⁇ m
  • the resolution of the radiation detection apparatus including such a radiation detection element is 75 ⁇ m, but the gas amplification factor was 2000 when a voltage of 448 V was applied to the anode electrode. It was possible to suppress the decrease in gas amplification factor seen in Comparative Example 2. Further, since the voltage could be suppressed, the possibility of discharge could be avoided.
  • Example 5 As shown in Table 3, the widths, pitches, and the like of the cathode and anode electrodes in the radiation detection element according to Example 5 of the present invention are as follows. Width of cathode electrode: 258 ⁇ m Cathode electrode opening diameter: 225 ⁇ m Cathode electrode pitch (P): 300 ⁇ m Anode radius (R): 27.5 ⁇ m Anode electrode pitch (P): 300 ⁇ m in the row and column directions Spacing between cathode electrodes (C): 42 ⁇ m Distance between cathode electrode and anode electrode (G): 85 ⁇ m
  • the resolution of the radiation detection apparatus including such a radiation detection element is 75 ⁇ m, but the gas amplification factor was 2000 when a voltage of 480 V was applied to the anode electrode. It was possible to suppress the decrease in gas amplification factor seen in Comparative Example 2.
  • the resolution of the radiation detection apparatus provided with such a radiation detection element is 75 ⁇ m, but when a voltage of 457 V is applied to the anode electrode, discharge frequently occurs and measurement is impossible.
  • the widths, pitches, and the like of the cathode electrode and the anode electrode in the radiation detection element according to Comparative Example 5 are as follows. Width of cathode electrode: 250 ⁇ m Cathode electrode opening diameter: 205 ⁇ m Cathode electrode pitch (P): 300 ⁇ m Radius (R) of anode electrode: 32.5 ⁇ m Anode electrode pitch (P): 300 ⁇ m in the row and column directions Spacing between cathode electrodes (C): 50 ⁇ m Distance between cathode electrode and anode electrode (G): 70 ⁇ m
  • the resolution of the radiation detection apparatus provided with such a radiation detection element was 75 ⁇ m, but when a voltage of 483 V was applied to the anode electrode, discharge occurred frequently and measurement was not possible. It was found that there was no breakdown voltage with respect to 483 V when the distance between the cathode electrode 104 and the anode electrode 106 was 70 ⁇ m.
  • the widths, pitches, and the like of the cathode and anode electrodes in the radiation detection element according to Example 6 of the present invention are as follows. Width of cathode electrode: 370 ⁇ m Cathode electrode opening diameter: 200 ⁇ m Cathode electrode pitch (P): 380 ⁇ m Anode radius (R): 15 ⁇ m Anode electrode pitch (P): 380 ⁇ m in the row and column directions Spacing between cathode electrodes (C): 10 ⁇ m Distance between cathode electrode and anode electrode (G): 85 ⁇ m
  • the resolution of the radiation detection apparatus including such a radiation detection element was 95 ⁇ m, and the gas amplification factor was 2000 when a voltage of 411 V was applied to the anode electrode.
  • Example 7 As shown in Table 4, the widths, pitches, and the like of the cathode and anode electrodes in the radiation detection element according to Example 7 of the present invention are as follows. Width of cathode electrode: 330 ⁇ m Cathode electrode opening diameter: 250 ⁇ m Cathode electrode pitch (P): 380 ⁇ m Anode radius (R): 30 ⁇ m Anode electrode pitch (P): 380 ⁇ m in the row and column directions Spacing between cathode electrodes (C): 50 ⁇ m Distance between cathode electrode and anode electrode (G): 95 ⁇ m
  • the resolution of the radiation detection apparatus provided with such a radiation detection element was 95 ⁇ m, and the gas amplification factor was 2000 when a voltage of 461 V was applied to the anode electrode.
  • Example 8 As shown in Table 4, the widths, pitches, and the like of the cathode electrode and the anode electrode in the radiation detection element according to Example 8 of the present invention are as follows. Width of cathode electrode: 310 ⁇ m Cathode electrode opening diameter: 270 ⁇ m Cathode electrode pitch (P): 380 ⁇ m Anode radius (R): 35 ⁇ m Anode electrode pitch (P): 380 ⁇ m in the row and column directions Spacing between cathode electrodes (C): 70 ⁇ m Distance between cathode electrode and anode electrode (G): 100 ⁇ m
  • the resolution of the radiation detection apparatus provided with such a radiation detection element was 95 ⁇ m, and the gas amplification factor was 2000 when a voltage of 480 V was applied to the anode electrode.
  • the width and pitch of the cathode electrode and the anode electrode in the radiation detection element according to Comparative Example 6 are as follows. Width of cathode electrode: 370 ⁇ m Cathode electrode opening diameter: 130 ⁇ m Cathode electrode pitch (P): 380 ⁇ m Anode radius (R): 15 ⁇ m Anode electrode pitch (P): 380 ⁇ m in the row and column directions Spacing between cathode electrodes (C): 10 ⁇ m Distance between cathode electrode and anode electrode (G): 50 ⁇ m
  • the resolution of the radiation detection apparatus provided with such a radiation detection element was 95 ⁇ m, and when a voltage of 404 V was applied to the anode electrode, discharge occurred frequently.
  • the resolution of the radiation detection apparatus provided with such a radiation detection element was 95 ⁇ m, and when a voltage of 516 V was applied to the anode electrode, many discharges occurred.
  • FIG. 11 shows a relationship of the ratio S of the area of the cathode electrode 104 to the area of the anode electrode 106 with respect to the pitch of the pixel electrode.
  • the range that can be measured with a gas amplification factor of 2000 is a triangular region surrounded by three lines.
  • the area ratio between the cathode electrode 104 and the anode electrode 106 on the first surface is 14.5: 1 to [(PC) P- (R + G) 2 ⁇ 3.14] / (3.14 ⁇ R 2 ): 1.
  • the radiation detection apparatus using the radiation detection element of the present invention according to the present embodiment satisfying the range can provide a radiation detection apparatus with improved resolution without decreasing the gas amplification factor.
  • P is the pitch of the pixel electrodes
  • C is the distance between the cathode electrodes 104
  • R is the radius of the anode electrode 106
  • G is the distance between the cathode electrode 104 and the anode electrode 106

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Abstract

ガス増幅率が低下することなく、分解能を向上させた放射線検出装置を提供することを目的とする。本発明の一実施形態によると、絶縁部材の第１面に配置された開口部を有する第１電極と、第１電極の開口部に配置された第２電極と、を有するピクセル電極を複数備え、複数のピクセル電極は行方向及び列方向に配列され、行方向及び列方向において、ピクセル電極のピッチが３８０μｍ以下であり、第１電極と第２電極の面積比率が１４．５：１から１５４．６：１の範囲であることを特徴とする放射線検出素子を提供する。

Description

放射線検出素子及び放射線検出装置
本発明は、放射線検出素子及び放射線検出装置に関する。特に、放射線検出素子を構成するピクセル電極の構造に関する。
ピクセル型電極によるガス増幅を用いた放射線検出器の研究が進められている。ピクセル型電極によるガス増幅を用いた放射線検出装置は、従来の検出装置による放射線検出では不十分であった検出領域、特に、画像イメージングにおいて、大面積かつリアルタイムイメージングができるという特徴がある。
ピクセル型電極によるガス増幅を用いた放射線検出装置の構造に関しては、例えば、特許文献１を参照することができる。
特許第３３５４５５１号公報
従来のピクセル型電極による放射線検出装置においては、分解能を改善するためにピクセル電極のピッチを小さく配置すると、ガス増幅率が低下することが問題となっていた。
そこで本発明は、放射線検出素子において、ガス増幅率が低下することなく、分解能を向上させることを目的の一つとする。また、本発明は、ガス増幅率が低下することなく、分解能を向上させた放射線検出装置を提供することを目的の一つとする。
本発明の一実施形態によると、絶縁部材の第１面に配置された開口部を有する第１電極と、第１電極の開口部に配置された第２電極と、を有するピクセル電極を複数備え、複数のピクセル電極は行方向及び列方向に配列され、行方向及び列方向において、ピクセル電極のピッチが３８０μｍ以下であり、第１電極と第２電極の面積比率が１４．５：１から１５４．６：１の範囲であることを特徴とする放射線検出素子が提供される。
ピクセル電極は、ピッチが３００μｍ以下で、第１電極と第２電極の面積比率が１５．９：１から６９．１：１の範囲であってもよい。
ピクセル電極は、ピッチが２００μｍで、第１電極と第２電極の面積比率が１４．５：１から２１．７：１の範囲であってもよい。
本発明の一実施形態によると、絶縁部材の第１面に配置された開口部を有する第１電極と、第１電極の開口部に配置された第２電極と、を有するピクセル電極を複数備え、複数のピクセル電極は行方向及び列方向に配列され、行方向及び列方向において、ピクセル電極のピッチが３８０μｍ以下であり、Ｐはピクセル電極のピッチ、Ｃは第１電極同士の間隔、Ｒは第２電極の半径、Ｇは第１電極と第２電極との間隔としたときに、２００（μｍ）≦Ｐ≦３８０（μｍ）、１０（μｍ）≦Ｃ、３０（μｍ）≦Ｒを満たし、第１電極と第２電極の面積比率が１４．５：１から[（Ｐ－Ｃ）Ｐ-(Ｒ＋Ｇ)2×３．１４]／（３．１４×Ｒ2）：１の範囲であることを特徴とする放射線検出素子が提供される。
本発明の一実施形態に係る放射線検出装置は、前記放射線検出素子を備えてもよい。
放射線検出装置は、分解能が９５μｍ以下であって、ガス増幅率２０００以上であってもよい。
本発明の一実施形態によると、ガス増幅率が低下することなく、分解能を向上させた放射線検出装置を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る放射線検出素子を備える放射線検出装置の一例を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る放射線検出素子を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る放射線検出素子を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る放射線検出装置の放射線検出原理を示す模式図である。 シミュレーション１におけるガス増幅率とピクセル電極のピッチの関係を示すグラフである。 ピクセル電極周辺の断面の電位分布をシミュレーションにより求めた結果を示し、ピクセル電極のピッチが２８０μｍの場合の電位分布図である。 ピクセル電極周辺の断面の電位分布をシミュレーションにより求めた結果を示し、ピクセル電極のピッチが３１０μｍの場合の電位分布図である。 ピクセル電極周辺の断面の電位分布をシミュレーションにより求めた結果を示し、ピクセル電極のピッチが３６０μｍの場合の電位分布図である。 ピクセル電極周辺の断面の電位分布をシミュレーションにより求めた結果を示し、ピクセル電極のピッチが４００μｍの場合の電位分布図である。 シミュレーション２におけるガス増幅率とピクセル電極のピッチの関係を示すグラフである。 本発明の実施例１に係る放射線検出素子を用いた放射線検出装置の一例を示す平面図である。 本発明の実施例２に係る放射線検出素子を用いた放射線検出装置の一例を示す平面図である。 比較例１に係る放射線検出素子を用いた放射線検出装置の一例を示す平面図である。 比較例１に係る放射線検出素子を用いた放射線検出装置の一例を示す断面図である。 比較例２に係る放射線検出素子を用いた放射線検出装置の一例を示す平面図である。 比較例２に係る放射線検出素子を用いた放射線検出装置の一例を示す断面図である。 アノード電極の面積に対するカソード電極の面積の比と、ピクセル電極のピッチの関係を示すグラフである。 アノード電極の面積に対するカソード電極の面積の比と、ピクセル電極のピッチの関係を示すグラフである。
以下、図面を参照して、本発明の放射線検出素子及び放射線検出装置について詳細に説明する。なお、本発明の放射線検出素子及び放射線検出装置は以下の実施形態に限定されることはなく、種々の変形を行ない実施することが可能である。全ての実施形態においては、同じ構成要素には同一符号を付して説明する。また、図面の寸法比率は説明の都合上、実際の比率とは異なったり、構成の一部が図面から省略されたりする場合がある。
［放射線検出装置の概要］
図１、図２Ａおよび図２Ｂを用いて、本発明の一実施形態に係る放射線検出素子１０及び放射線検出装置１００の構造の概要を説明する。
本発明の一実施形態に係る放射線検出素子１０は、絶縁部材１０２、カソード電極１０４、アノード電極１０６、アノード電極パターン１０８及び基板１３０を有している。
図２Ａは本発明の一実施形態に係る放射線検出素子１０を示す断面図である。図２Ｂは本発明の一実施形態に係る放射線検出素子１０を示す平面図である。図２Ｂには、放射線検出素子１０の平面図を示し、図２Ａには図２ＢのＡ－Ａ’線における断面図を示している。図２に示すように、カソード電極１０４は、絶縁部材１０２の第１面に複数配置されている。カソード電極１０４は、複数の開口部１０５を有している。カソード電極１０４は、ストリップ状に形成されているので、カソードストリップ電極ともいう。
図２Ａおよび図２Ｂに示すように、本実施形態においては、アノード電極パターン１０８は、絶縁部材１０２の第１面の反対側の第２面に配置される。絶縁部材１０２はカソード電極１０４の開口部１０５に貫通孔を備え、アノード電極１０６が貫通孔を介して第１面に露出するよう配置される。アノード電極１０６は、絶縁部材１０２の第１面から反対側の第２面まで絶縁部材１０２を貫通し、アノード電極パターン１０８と接続する。言い換えると、アノード電極１０６は、絶縁部材からなる基板１３０の上に配置されたアノード電極パターン１０８と接続し、絶縁部材１０２を貫通するように配置される。本実施形態においては、アノード電極１０６は、開口部１０５のそれぞれにおいて先端が露出している形状を有しているが、開口部１０５のそれぞれにおいて先端が露出しないような形状（先端が絶縁部材１０２の上面と概略一致する形状、又は先端が絶縁部材１０２の内部に位置する形状を含む。）でもよい。本実施形態においては、カソード電極１０４が延在する方向と、アノード電極１０６が接続するアノード電極パターン１０８が延在する方向とは概略垂直である。
ここで、カソード電極１０４、開口部１０５、アノード電極１０６、絶縁部材１０２を含むピクセル電極の最小繰り返し単位をピクセル電極１とする。ピクセル電極１は概略正方形である。ピクセル電極の一辺の長さをＰとすると、カソード電極１０４のピッチ及びアノード電極１０６のピッチもＰとなる。図１では１個の放射線検出素子１０に６個のピクセル電極１を示したが、これに限定されない。複数のピクセル電極１を有すればよい。
本実施形態に係る放射線検出素子１０が有するピクセル電極１は行方向及び列方向に配列され、行方向及び列方向におけるピッチは３８０μｍ以下であり、好ましくは３００μｍ以下であり、より好ましくは２００μｍである。言い換えると、本実施形態に係る放射線検出素子１０は、第１面におけるアノード電極１０６の行方向及び列方向におけるピッチが３８０μｍ以下であり、好ましくは３００μｍ以下であり、より好ましくは２００μｍである。これにより、本実施形態に係る放射線検出装置１００の分解能は向上する。
本実施形態に係る放射線検出素子１０が有するピクセル電極１は、第１面におけるカソード電極１０４とアノード電極１０６の面積比率が１４．５：１から１５４．６：１の範囲である。好ましくは１４．５：１から[（Ｐ－Ｃ）Ｐ-(Ｒ＋Ｇ)2×３．１４]／（３．１４×Ｒ2）：１の範囲である。ただし、Ｐはピクセル電極のピッチ、Ｃはカソード電極１０４同士の間隔、Ｒはアノード電極１０６の半径、Ｇはカソード電極１０４とアノード電極１０６との間隔としたときに、２００（μｍ）≦Ｐ≦３８０（μｍ）、１０（μｍ）≦Ｃ、３０（μｍ）≦Ｒを満たす。これにより、各電極間での電位差を維持することができ、本実施形態に係る放射線検出装置１００のガス増幅率の低下を抑制することができる。
通常、アノード電極とカソード電極との間隔を単純に狭くすると放電が発生しやすくなる。しかし、本実施形態では、低い電圧でもガス増幅を維持できるようになることから放電の可能性も回避できる。
放射線検出素子１０はさらに基板表面にはリード配線１２４が設けられており、アノード電極１０６はアノード電極パターン１０８と層間接続部１２６を介して、このリード配線１２４に接続される。すなわちアノード電極１０６、アノード電極パターン１０８、層間接続部１２６、およびリード配線１２４は、一つの導電体であり、リード配線１２４はアノード電極１０６の接続端子として機能する。なお、本実施形態においては、アノード電極１０６、アノード電極パターン１０８、層間接続部１２６、およびリード配線１２４は別に設けられ、それぞれが電気的に接続されている形態について説明しているが、これに限定されるわけではなく、一体形成されていてもよい。アノード電極パターン１０８は、ストリップ状に形成されているので、アノードストリップパターンともいう。
複数のカソード電極１０４と、複数のアノード電極１０６の、絶縁部材１０２の第１面での高さが均一であれば、高電圧を印加して電気力線をアノード電極１０６に集中させても放電が発生しない。
本発明の一実施形態に係る絶縁部材１０２および基板１３０の材料はポリイミドであるが、絶縁性を備えた材料ならこれに限定しない。本実施形態に係る、カソード電極１０４、アノード電極１０６、アノード電極パターン１０８、層間接続部１２６、およびリード配線１２４の材料は銅であるが、導電性を備えた金属材料ならこれに限定しない。
本発明の一実施形態に係る放射線検出素子１０は、上述したような構成をとることにより、アノード電極１０６とカソード電極１０４の一部とを含むピクセル電極１が複数配置されていることになる。放射線検出素子１０において、アノード電極１０６はマトリクス状に配置された構成を有する。
図１は、本発明の一実施形態に係る放射線検出装置１００の一例を示す概略構成図である。図１に示すように、本実施形態に係る放射線検出装置１００は、ドリフト電極１１０と、放射線検出素子１０及びチャンバー１１１を備えている。ドリフト電極１１０と、放射線検出素子１０は、一定のスペースを介して上下に向かい合って配置される。カソード電極１０４を第１電極、アノード電極１０６を第２電極、ドリフト電極１１０を第３電極という場合がある。
図１で示すように放射線検出装置１００の構成は、アルゴンやキセノンなどの希ガスとエタン、メタンなどの分子性気体の混合ガスで封入されたチャンバー１１１内に配置する。放射線検出装置１００は、ピクセル電極１とドリフト電極１１０の間に入射した放射線を、放射線検出素子１０によって検出する。
［放射線検出の原理］
図３を用いて、本発明の一実施形態に係る放射線検出装置の動作原理を説明する。それぞれのカソード電極１０４とアノード電極１０６の間に電圧を印加することで、電場が形成される。カソード電極１０４はグランド（ＧＮＤ）に接続されており、ドリフト電極１１０とカソード電極１０４との間にも電圧が印加され、電場が形成される。
放射線が入射した時、ドリフト電極１１０とカソード電極１０４との間に発生させた電場の影響により、入射する放射線が存在する気体との相互作用により発生させた電子は電子雲を形成し、アノード電極１０６とカソード電極１０４からなるピクセル電極１の方向へ引き寄せられる。このとき、引き寄せられた電子は気体原子と衝突し、気体原子を電離する。ガス増幅により電離した電子は雪崩的に増殖し、アノード電極１０６で収集される電子群は、電気信号として読み出すことができる程度にまで達する。そして、この電気信号をアノード電極パターン１０８を通して接続端子であるリード配線１２４から外部に読み出すことができる。一方、カソード電極１０４には電子群に誘導された正電荷が生じ、ここから得られる電気信号をカソード電極の接続端子１０４ａから外部に読みだすことができる。これらの電気信号を時系列に計測することにより、荷電粒子の飛跡を測定することができる。
本実施形態に係る放射線検出素子１０が有するピクセル電極１のピッチは３８０μｍ以下であり、好ましくは３００μｍ以下であり、より好ましくは２００μｍである。言い換えると、本実施形態に係る放射線検出素子１０は、第１面におけるアノード電極１０６のピッチが３８０μｍ以下であり、好ましくは３００μｍ以下であり、より好ましくは２００μｍである。これにより、本実施形態に係る放射線検出装置１００の分解能は向上する。
本実施形態に係る放射線検出素子１０が有するピクセル電極１は、第１面におけるカソード電極１０４とアノード電極１０６の面積比率が１４．５：１から１５４．６：１の範囲である。好ましくは１４．５：１から[（Ｐ－Ｃ）Ｐ-(Ｒ＋Ｇ)2×３．１４]／（３．１４×Ｒ2）：１の範囲である。ただし、Ｐはピクセル電極のピッチ、Ｃはカソード電極１０４同士の間隔、Ｒはアノード電極１０６の半径、Ｇはカソード電極１０４とアノード電極１０６との間隔としたときに、２００（μｍ）≦Ｐ≦３８０（μｍ）、１０（μｍ）≦Ｃ、３０（μｍ）≦Ｒを満たす。これにより、各電極間での電位差を維持することができ、本実施形態に係る放射線検出装置１００のガス増幅率の低下を抑制することができる。
このような条件を備える放射線検出素子１０を有する放射線検出装置１００は、分解能が向上し、ガス増幅率の低下を抑制することができる。さらに、電圧を抑えることができることから、放電の可能性も回避できる。
なお、本発明は上記の実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
上述した本発明に係る放射線検出素子を有する放射線検出装置について、より詳細に説明する。
本願発明の一実施形態に係る放射線検出素子の分解能を改善し、且つガス増幅率を維持するために、ピクセル電極のピッチ及びアノード電極とカソード電極の面積比率を検討した。
［シミュレーション１］
シミュレータＧａｒｆｉｅｌｄ++を用いてガス増幅のシミュレーションを行った。
まず、カソード電極の開口径及びアノード電極の直径を変化させずに、カソード電極のピッチ及びアノード電極のピッチを縮小させた。このときのシミュレーションで用いたパラメータは、次の通りである。
固定値
アノード電極の半径（Ｒ）：３０μｍ
カソード電極の開口径：２５０μｍ
カソード電極同士の間隔（Ｃ）：１０μｍ
変数
カソード電極及びアノード電極のピッチ（Ｐ）：２８０～６００μｍ
図４はシミュレーション１におけるガス増幅率と各電極ピッチの関係を示すグラフである。ここでアノード電極とカソード電極間の電圧は４６０Ｖに固定して、各電極のピッチを６００μｍから２８０μｍまで小さくした。図４に示すように、各電極ピッチが６００μｍ～４００μｍでは徐々にガス増幅率が低下し、４００μｍ未満ではこのガス増幅率の低下が顕著になることがわかった。
ガス増幅率が低下する一因として、アノード電極の面積に対してカソード電極の面積が減ることにより、電子が１つのアノード電極に集束せず、隣接するアノード電極へ分散するため、ガス増幅率が低下することが考えられた。これを検証するため、シミュレータＥｌｍｅｒを用いて電場計算を行った。
図５Ａ～図５Ｄは、前述と同じ条件でピクセル電極のピッチが２８０、３１０、３６０、４００μｍの場合における、ピクセル電極周辺の電位分布をシミュレートした結果を示す。図５Ａ～図５Ｄは、ピクセル電極を断面図で示し、ｘ＝０にアノード電極の中心を、ｙ＝０に絶縁部材の第１面を配置している。すなわち、図中ｙ＝０に位置する２つのブランク（白四角）には、カソード電極（開口端から隣接する開口端までで、カソード電極同士の間隔を含む）が位置する。シミュレーションにより求められた電位分布は、０．４５～４５０Ｖの範囲を２０分割して等電位線で示すと共に、等電位線で区画された領域に１～２０の数字を付してある。この場合、付された数字が小さいほど電位が高くなることを意味する。図５Ａ～図５Ｄに示すように、各電極ピッチが小さくなるにつれて、ピクセル電極の第１面上（ｙ＞０）において高電位側の領域４～６が、カソード電極上にも広がっている。すなわち、カソード電極の面積が小さくなるにつれて、アノード電極とカソード電極間での電位差が小さくなる結果となっている。各電極間での電位差が小さくなることで、電子が１つのアノード電極に集束せず分散してしまうという仮説を裏付ける結果となっている。
［シミュレーション２］
上記結果から、各電極ピッチが４００μｍ未満の時には、アノード電極径、カソード電極開口径、カソード電極幅の寸法仕様の変更が必要なことがわかった。このため次に、カソード電極の開口径及びアノード電極の直径も、各電極間のピッチと連動して縮小させたシミュレーションを行った。すなわちアノード電極とカソード電極の面積比率を固定して各電極のピッチを縮小した。このときのシミュレーションで用いたパラメータは、次の通りである。
固定値
カソード電極同士の間隔（Ｃ）：１０μｍ
変数
アノード電極の半径（Ｒ）：２１～３０μｍ
カソード電極の開口径：１７５～２５０μｍ
カソード電極及びアノード電極のピッチ（Ｐ）：２８０～４００μｍ
図６は、シミュレーション２におけるガス増幅率と各電極ピッチの関係を示すグラフである。ここでアノード電極とカソード電極間の電圧は４６０Ｖに固定して、各電極のピッチ、カソード電極の開口径及びアノード電極の直径を小さくした。図６に示すように、アノード電極とカソード電極の面積比率を固定すると、各電極ピッチが小さくなるほど、ガス増幅率は増加することが分かった。
実動作においては、アノード電極とカソード電極間の距離が小さくなるにつれて放電が生じやすくなる。しかしながらガス増幅率を改善することによって、印加する電圧を抑えることが可能となる。
［実施例１］
図７は、本発明の実施例１に係る放射線検出素子４０を用いた放射線検出装置４００の一例を示す平面図である。
図７に示すように、本発明の実施例１に係る放射線検出素子４０は、後述する比較例に係る放射線検出素子（図９Ａ、比較例１）の分解能を改善するため、ピクセル電極１の構成を縮小した。
例えば、カソード電極１０４のピッチ及びアノード電極１０６のピッチを４００μｍから３００μｍに縮小する。このような放射線検出素子におけるカソード電極１０４およびアノード電極１０６の幅、ピッチ等は、次の通りである。
カソード電極の幅：２６２．５μｍ
カソード電極の開口径：１８７．５μｍ
カソード電極のピッチ（Ｐ）：３００μｍ
アノード電極の半径（Ｒ）：２２．５μｍ
アノード電極のピッチ（Ｐ）：行方向及び列方向に３００μｍ
カソード電極同士の間隔（Ｃ）：３７．５μｍ
カソード電極とアノード電極との間隔（Ｇ）：７１μｍ
表１に示すように、このような放射線検出素子４０を備える放射線検出装置４００の分解能は、１００μｍから７５μｍに改善することができた。アノード電極に４４０Ｖの電圧をかけた時、ガス増幅率は２０００であり、比較例２でみられたガス増幅率の低下を抑制することができた。さらに、電圧を抑えることができたことから、放電の可能性も回避できた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
［実施例２］
図８は、本発明の実施例２に係る放射線検出素子５０を用いた放射線検出装置５００の一例を示す平面図である。
図８に示すように、本発明の実施例２に係る放射線検出素子５０は、実施例１の放射線検出素子（図７）の分解能をより改善するため、ピクセル電極１の構成をさらに縮小した。
例えば、カソード電極のピッチ及びアノード電極のピッチを３００μｍから２００μｍに縮小する。このような放射線検出素子におけるカソード電極およびアノード電極の幅、ピッチ等は、次の通りである。
カソード電極の幅：１９０μｍ
カソード電極の開口径：１７０μｍ
カソード電極のピッチ（Ｐ）：２００μｍ
アノード電極の半径（Ｒ）：１５μｍ
アノード電極のピッチ（Ｐ）：行方向及び列方向に２００μｍ
カソード電極同士の間隔（Ｃ）：１０μｍ
カソード電極とアノード電極との間隔（Ｇ）：７０μｍ
表１に示すように、このような放射線検出素子５０を備える放射線検出装置５００の分解能は、７５μｍから５０μｍにさらに改善することができた。アノード電極に４６０Ｖの電圧をかけた時、ガス増幅率は１３４７となるが、電圧を４７５Ｖに上げることでガス増幅率を２０００にでき、後述する比較例２でみられたガス増幅率の低下を抑制することができた。４７５Ｖを印加したが、カソード電極１０４とアノード電極１０６との間隔が７０μｍである状況では放電は生じなかった。よって、この間隔は４７５Ｖに対して耐圧があることがわかった。
［比較例１］
図９Ａは比較例１の放射線検出素子２０を用いた放射線検出装置２００の一例を示す平面図である。図９Ｂは比較例１の放射線検出素子２０を用いた放射線検出装置２００の一例を示す断面図である。
比較例１に係る放射線検出素子２０は、絶縁部材９０２、カソード電極９０４、アノード電極９０６、アノード電極パターン９０８及び基板９３０を有している。
ここで、カソード電極９０４、開口部９０５、アノード電極９０６、絶縁部材９０２を含むピクセル電極の最小繰り返し単位をピクセル電極９とする。ピクセル電極９は概略正方形である。ピクセル電極の一辺の長さをＰとすると、カソード電極９０４のピッチ及びアノード電極９０６のピッチもＰとなる。
比較例１に係る放射線検出素子におけるカソード電極９０４およびアノード電極９０６の幅、ピッチ等は次の通りである。
比較例１の放射線検出素子の構成は、以下の通りである。
カソード電極の幅：３５０μｍ
カソード電極の開口径：２５０μｍ
カソード電極のピッチ（Ｐ）：４００μｍ
アノード電極の半径（Ｒ）：３０μｍ
アノード電極のピッチ（Ｐ）：行方向及び列方向に４００μｍ
カソード電極同士の間隔（Ｃ）：５０μｍ
カソード電極とアノード電極との間隔（Ｇ）：９５μｍ
表１に示すように、比較例１の放射線検出素子２０を備える放射線検出装置２００において、分解能は１００μｍであり、アノード電極に４６０Ｖの電圧をかけた時、ガス増幅率は２０００である。
放射線検出装置の分解能を改善するためには、一般的に、ピクセル電極９のピッチを小さく配列する方法がとられる。しかしながら、カソード電極９０４とアノード電極９０６との間隔が小さくなると、放電する可能性が高くなってしまう。このため、放電の可能性を回避し、かつ分解能を改善する方法がとられる。すなわち、カソード電極９０４の開口径及びアノード電極９０６の直径を変化させずに、カソード電極のピッチ及びアノード電極のピッチを縮小する。
例えば、カソード電極のピッチ及びアノード電極のピッチを４００μｍから３００μｍに縮小する。このような放射線検出素子におけるカソード電極およびアノード電極の幅、ピッチ等は、次の通りである。
［比較例２］
比較例２の放射線検出素子の構成は、以下の通りである。
カソード電極の幅：２９０μｍ
カソード電極の開口径：２５０μｍ
カソード電極のピッチ（Ｐ）：３００μｍ
アノード電極の半径（Ｒ）：３０μｍ
アノード電極のピッチ（Ｐ）：行方向及び列方向に３００μｍ
カソード電極同士の間隔（Ｃ）：１０μｍ
カソード電極とアノード電極との間隔（Ｇ）：９５μｍ
図１０Ａは分解能を改善した比較例２の放射線検出素子３０を用いた放射線検出装置３００の一例を示す平面図である。図１０Ｂは分解能を改善した比較例２の放射線検出素子３０を用いた放射線検出装置３００の一例を示す断面図である。
表１に示すように、このような放射線検出素子３０を備える放射線検出装置３００において、分解能は７５μｍであり、アノード電極に４６０Ｖの電圧をかけた時、ガス増幅率は８３４である。比較例１と比べると、分解能は改善するが、ガス増幅率はおよそ半減してしまうことが分かった。これはシミュレーションの結果と一致する。高いガス増幅率が必要とされるγ線を検出する医療用途において、特に大きな課題となった。
図９Ｂ及び図１０Ｂに示すように、ガス増幅率が低下する一因として、アノード電極の面積に対してカソード電極の面積が減ることにより、電子が１つのアノード電極に集束せず、隣接するアノード電極へ分散するため、ガス増幅率が低下することが考えられた。
［実施例３］
表２に示すように、本発明の実施例３に係る放射線検出素子におけるカソード電極およびアノード電極の幅、ピッチ等は、次の通りである。
カソード電極の幅：１９０μｍ
カソード電極の開口径：１７５μｍ
カソード電極のピッチ（Ｐ）：２００μｍ
アノード電極の半径（Ｒ）：１７．５μｍ
アノード電極のピッチ（Ｐ）：行方向及び列方向に２００μｍ
カソード電極同士の間隔（Ｃ）：１０μｍ
カソード電極とアノード電極との間隔（Ｇ）：７０μｍ
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
このような放射線検出素子を備える放射線検出装置の分解能は５０μｍであり、アノード電極に４６０Ｖの電圧をかけた時、ガス増幅率は９０２．２であった。しかし、電圧を４８２Ｖにすることでガス増幅率を２０００にでき、比較例２のようなガス増幅率の低下を抑えることができた。４８２Ｖを印加したが、カソード電極１０４とアノード電極１０６との間隔７０μｍは十分な耐圧があった。
［比較例３］
表２に示すように、比較例３に係る放射線検出素子におけるカソード電極およびアノード電極の幅、ピッチ等は、次の通りである。
カソード電極の幅：１９０μｍ
カソード電極の開口径：１８０μｍ
カソード電極のピッチ（Ｐ）：２００μｍ
アノード電極の半径（Ｒ）：２０μｍ
アノード電極のピッチ（Ｐ）：行方向及び列方向に２００μｍ
カソード電極同士の間隔（Ｃ）：１０μｍ
カソード電極とアノード電極との間隔（Ｇ）：７０μｍ
このような放射線検出素子を備える放射線検出装置の分解能は５０μｍであるが、アノード電極に４６０Ｖの電圧をかけた時、ガス増幅率は６２１．８であった。電圧を４８４Ｖに上げたところで、放電が生じたため、ガス増幅率を１５００にしかできず、ガンマ線を検出するのに必要なガス増幅率２０００を確保することができなかった。
［実施例４］
表３に示すように、本発明の実施例４に係る放射線検出素子におけるカソード電極およびアノード電極の幅、ピッチ等は、次の通りである。
カソード電極の幅：２９０μｍ
カソード電極の開口径：１７６μｍ
カソード電極のピッチ（Ｐ）：３００μｍ
アノード電極の半径（Ｒ）：１７μｍ
アノード電極のピッチ（Ｐ）：行方向及び列方向に３００μｍ
カソード電極同士の間隔（Ｃ）：１０μｍ
カソード電極とアノード電極との間隔（Ｇ）：７１μｍ
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
このような放射線検出素子を備える放射線検出装置の分解能は７５μｍであるが、アノード電極に４４８Ｖの電圧をかけた時、ガス増幅率は２０００であった。比較例２でみられたガス増幅率の低下を抑制することができた。さらに、電圧を抑えることができたことから、放電の可能性も回避できた。
［実施例５］
表３に示すように、本発明の実施例５に係る放射線検出素子におけるカソード電極およびアノード電極の幅、ピッチ等は、次の通りである。
カソード電極の幅：２５８μｍ
カソード電極の開口径：２２５μｍ
カソード電極のピッチ（Ｐ）：３００μｍ
アノード電極の半径（Ｒ）：２７．５μｍ
アノード電極のピッチ（Ｐ）：行方向及び列方向に３００μｍ
カソード電極同士の間隔（Ｃ）：４２μｍ
カソード電極とアノード電極との間隔（Ｇ）：８５μｍ
このような放射線検出素子を備える放射線検出装置の分解能は７５μｍであるが、アノード電極に４８０Ｖの電圧をかけた時、ガス増幅率は２０００であった。比較例２でみられたガス増幅率の低下を抑制することができた。
［比較例４］
表３に示すように、比較例４に係る放射線検出素子におけるカソード電極およびアノード電極の幅、ピッチ等は、次の通りである。
カソード電極の幅：２９０μｍ
カソード電極の開口径：１３０μｍ
カソード電極のピッチ（Ｐ）：３００μｍ
アノード電極の半径（Ｒ）：１５μｍ
アノード電極のピッチ（Ｐ）：行方向及び列方向に３００μｍ
カソード電極同士の間隔（Ｃ）：１０μｍ
カソード電極とアノード電極との間隔（Ｇ）：５０μｍ
このような放射線検出素子を備える放射線検出装置の分解能は７５μｍであるが、アノード電極に４５７Ｖの電圧をかけた時、放電が多発し、計測ができなくなった。
［比較例５］
表３に示すように、比較例５に係る放射線検出素子におけるカソード電極およびアノード電極の幅、ピッチ等は、次の通りである。
カソード電極の幅：２５０μｍ
カソード電極の開口径：２０５μｍ
カソード電極のピッチ（Ｐ）：３００μｍ
アノード電極の半径（Ｒ）：３２．５μｍ
アノード電極のピッチ（Ｐ）：行方向及び列方向に３００μｍ
カソード電極同士の間隔（Ｃ）：５０μｍ
カソード電極とアノード電極との間隔（Ｇ）：７０μｍ
このような放射線検出素子を備える放射線検出装置の分解能は７５μｍだが、アノード電極に４８３Ｖの電圧をかけた時、放電が多発し計測ができなかった。カソード電極１０４とアノード電極１０６との間隔は７０μｍでは４８３Ｖに対して耐圧がないことがわかった。
［実施例６］
表４に示すように、本発明の実施例６に係る放射線検出素子におけるカソード電極およびアノード電極の幅、ピッチ等は、次の通りである。
カソード電極の幅：３７０μｍ
カソード電極の開口径：２００μｍ
カソード電極のピッチ（Ｐ）：３８０μｍ
アノード電極の半径（Ｒ）：１５μｍ
アノード電極のピッチ（Ｐ）：行方向及び列方向に３８０μｍ
カソード電極同士の間隔（Ｃ）：１０μｍ
カソード電極とアノード電極との間隔（Ｇ）：８５μｍ
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
このような放射線検出素子を備える放射線検出装置の分解能は９５μｍであり、アノード電極に４１１Ｖの電圧をかけた時、ガス増幅率は２０００であった。
［実施例７］
表４に示すように、本発明の実施例７に係る放射線検出素子におけるカソード電極およびアノード電極の幅、ピッチ等は、次の通りである。
カソード電極の幅：３３０μｍ
カソード電極の開口径：２５０μｍ
カソード電極のピッチ（Ｐ）：３８０μｍ
アノード電極の半径（Ｒ）：３０μｍ
アノード電極のピッチ（Ｐ）：行方向及び列方向に３８０μｍ
カソード電極同士の間隔（Ｃ）：５０μｍ
カソード電極とアノード電極との間隔（Ｇ）：９５μｍ
このような放射線検出素子を備える放射線検出装置の分解能は９５μｍであり、アノード電極に４６１Ｖの電圧をかけた時、ガス増幅率は２０００であった。
［実施例８］
表４に示すように、本発明の実施例８に係る放射線検出素子におけるカソード電極およびアノード電極の幅、ピッチ等は、次の通りである。
カソード電極の幅：３１０μｍ
カソード電極の開口径：２７０μｍ
カソード電極のピッチ（Ｐ）：３８０μｍ
アノード電極の半径（Ｒ）：３５μｍ
アノード電極のピッチ（Ｐ）：行方向及び列方向に３８０μｍ
カソード電極同士の間隔（Ｃ）：７０μｍ
カソード電極とアノード電極との間隔（Ｇ）：１００μｍ
このような放射線検出素子を備える放射線検出装置の分解能は９５μｍであり、アノード電極に４８０Ｖの電圧をかけた時、ガス増幅率は２０００であった。
［比較例６］
表４に示すように、比較例６に係る放射線検出素子におけるカソード電極およびアノード電極の幅、ピッチ等は、次の通りである。
カソード電極の幅：３７０μｍ
カソード電極の開口径：１３０μｍ
カソード電極のピッチ（Ｐ）：３８０μｍ
アノード電極の半径（Ｒ）：１５μｍ
アノード電極のピッチ（Ｐ）：行方向及び列方向に３８０μｍ
カソード電極同士の間隔（Ｃ）：１０μｍ
カソード電極とアノード電極との間隔（Ｇ）：５０μｍ
このような放射線検出素子を備える放射線検出装置の分解能は９５μｍであり、アノード電極に４０４Ｖの電圧をかけた時、放電が多発した。
［比較例７］
表４に示すように、比較例７に係る放射線検出素子におけるカソード電極およびアノード電極の幅、ピッチ等は、次の通りである。
カソード電極の幅：３１０μｍ
カソード電極の開口径：２６０μｍ
カソード電極のピッチ（Ｐ）：３８０μｍ
アノード電極の半径（Ｒ）：６０μｍ
アノード電極のピッチ（Ｐ）：行方向及び列方向に３８０μｍ
カソード電極同士の間隔（Ｃ）：７０μｍ
カソード電極とアノード電極との間隔（Ｇ）：７０μｍ
このような放射線検出素子を備える放射線検出装置の分解能は９５μｍであり、アノード電極に５１６Ｖの電圧をかけた時、放電が多発した。
以上の構造とすることにより、図１１にピクセル電極のピッチに対するアノード電極１０６の面積に対するカソード電極１０４の面積の比Ｓの関係を示す。１５４．６＜Ｓでは放電が多発し、Ｓ＜１４．５ではゲインが２０００に達しなくなる。図１１の結果より、アノード電極１０６の面積に対するカソード電極１０４の面積の比Ｓが１４．５以上、１５４．６以下の範囲を満たす本実施形態に係る本発明の放射線検出素子を用いた放射線検出装置は、ガス増幅率が低下することなく、分解能を向上させた放射線検出装置を提供することが可能となる。
図１２ではさらに詳細を説明する。上記の比較例の結果を四角で、実施例の結果を丸で図中にプロットすると、ガス増幅率が２０００で計測ができる範囲は、３つの線で囲まれた三角の領域であることがわかる。第１面におけるカソード電極１０４とアノード電極１０６の面積比率が１４．５：１から[（Ｐ－Ｃ）Ｐ-(Ｒ＋Ｇ)2×３．１４]／（３．１４×Ｒ2）：１の範囲を満たす本実施形態に係る本発明の放射線検出素子を用いた放射線検出装置は、ガス増幅率が低下することなく、分解能を向上させた放射線検出装置を提供することが可能となる。ただし、Ｐはピクセル電極のピッチ、Ｃはカソード電極１０４同士の間隔、Ｒはアノード電極１０６の半径、Ｇはカソード電極１０４とアノード電極１０６との間隔としたときに、２００（μｍ）≦Ｐ≦３８０（μｍ）、１０（μｍ）≦Ｃ、３０（μｍ）≦Ｒである。
１：ピクセル電極
１０、２０、３０、４０、５０：放射線検出素子
１００、２００、３００、４００、５００：放射線検出装置
１０２：絶縁部材
１０４：カソード電極
１０４ａ：カソード電極１０４の接続端子
１０５：開口部
１０６：アノード電極（＝１２４：リード配線＋１２６：層間接続部＋１０８：アノード電極パターン）
１０６ａ：アノード電極１０６の接続端子
１０８：アノード電極パターン
１１０：ドリフト電極
１１１：チャンバー
１２４：リード配線（＝１０６ａ：アノード電極１０６の接続端子）
１２６：層間接続部
１３０：基板

Claims (6)

  1. 絶縁部材の第１面に配置された、開口部を有する第１電極と、
    前記第１電極の前記開口部に配置された第２電極と、を有するピクセル電極を複数備え、複数の前記ピクセル電極は、行方向及び列方向に配列され、
    前記行方向及び列方向において、前記ピクセル電極のピッチが３８０μｍ以下であり、
    前記第１電極と前記第２電極の面積比率が１４．５：１から１５４．６：１の範囲であることを特徴とする放射線検出素子。
  2. 前記ピクセル電極のピッチが３００μｍ以下で、前記第１電極と前記第２電極の面積比率が１５．９：１から６９．１：１の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出素子。
  3. 前記ピクセル電極のピッチが２００μｍで、前記第１電極と前記第２電極の面積比率が１４．５：１から２１．７：１の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出素子。
  4. 絶縁部材の第１面に配置された、開口部を有する第１電極と、
    前記第１電極の前記開口部に配置された第２電極と、を有するピクセル電極を複数備え、複数の前記ピクセル電極は、行方向及び列方向に配列され、
    前記行方向及び列方向において、前記ピクセル電極のピッチが３８０μｍ以下であり、
    Ｐはピクセル電極のピッチ、Ｃは第１電極同士の間隔、Ｒは第２電極の半径、Ｇは第１電極と第２電極との間隔としたときに、２００（μｍ）≦Ｐ≦３８０（μｍ）、１０（μｍ）≦Ｃ、３０（μｍ）≦Ｒを満たし、
    前記第１電極と前記第２電極の面積比率が１４．５：１から[（Ｐ－Ｃ）Ｐ-(Ｒ＋Ｇ)2×３．１４]／（３．１４×Ｒ2）：１の範囲であることを特徴とする放射線検出素子。
  5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載された前記放射線検出素子を備える放射線検出装置。
  6. 分解能が９５μｍ以下であって、ガス増幅率２０００以上であることを特徴とする請求項５に記載の放射線検出装置。
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