JP2005030806A - 放射線検出器及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】解像度特性を向上することが可能であるとともに、感度特性を向上することが可能な放射線検出器及びその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】放射線検出器は、画素単位の光電変換素子13が複数配列してなる光電変換基板11と、光電変換基板11上に配置され放射線により励起されて蛍光を発生する蛍光材料及び蛍光材料を結合するバインダを含むシンチレータ層39と、光電変換基板11上に形成されシンチレータ層39を画素単位に区画する隔壁部38と、を備えている。シンチレータ層39を構成するバインダは、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂、電子線硬化性樹脂、及び、二液性硬化樹脂の少なくとも1種によって構成されたことを特徴とする。
【選択図】 図2
【解決手段】放射線検出器は、画素単位の光電変換素子13が複数配列してなる光電変換基板11と、光電変換基板11上に配置され放射線により励起されて蛍光を発生する蛍光材料及び蛍光材料を結合するバインダを含むシンチレータ層39と、光電変換基板11上に形成されシンチレータ層39を画素単位に区画する隔壁部38と、を備えている。シンチレータ層39を構成するバインダは、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂、電子線硬化性樹脂、及び、二液性硬化樹脂の少なくとも1種によって構成されたことを特徴とする。
【選択図】 図2
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、放射線検出器及びその製造方法に係り、特に、放射線画像を検出する間接方式の放射線平面検出器及びこれを製造するための製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、新世代のX線診断用検出器としてアクティブマトリックス型のX線平面検出器が大きな注目を集めている。このX線平面検出器において、照射されたX線を検出することにより、X線撮影像またはリアルタイムのX線画像がデジタル信号として出力される。X線平面検出器は固体検出器であることから、画質性能や安定性の面でも極めて期待が大きい。このため、多くの大学やメーカが研究開発に取り組んでいる。
【0003】
実用化の最初の用途として、比較的大きなX線量で、静止画像を収集する人体の胸部・一般撮影用に開発され、近年商品化されている。より高い技術的なハードルをクリアして、透視線量下で毎秒30コマ以上のリアルタイム動画を実現させる必要のある循環器、消化器分野への応用に対しても近い将来に商品化が予想される。この動画用途に対しては、ノイズ(S/N:シグナル/ノイズ比)の改善や微小信号のリアルタイム処理技術等が重要な開発項目となっている。
【0004】
X線平面検出器には、大きく分けて直接方式と間接方式との2通りがある。 直接方式は、X線をa−Seなどの光導電膜を用いて直接信号電荷に変換し、変換した信号電荷を電荷蓄積用キャパシタに蓄積する方式である。この直接方式は、X線により発生した光導電電荷を高電界により直接に電荷蓄積用キャパシタに導くため、ほぼアクティブマトリックスの画素ピッチで規定される解像度特性が得られる。
【0005】
直接方式のX線平面検出器は、X線の吸収率を上げて信号強度を確保するために、例えばa−Seの光導電膜を1mm程度の厚膜で形成している。また、X線フォトン1個当りの光導電電荷生成率を上げるためと、生成した光導電電荷が膜中の欠陥準位にトラップされることなく収電電極に到達させるため、かつ、バイアス電界と直角方向への電荷の拡散を極力抑えるために、例えば10V/μmの強バイアス電界を印加して用いる。
【0006】
すなわち、この例では、光導電膜のa−Seに対し、10kVの高電圧を印加することになる。このため、直接方式は、解像度特性面からは間接方式に比較して有利であるが、動作電圧の低い薄膜トランジスタすなわちTFTを高電圧から保護する信頼性の確保や、暗電流と感度特性、熱的安定性などを兼ね備えた好適な光導電材料が見つからないなどの問題が生じている。
【0007】
一方の間接方式は、シンチレータ層によりX線を受けて一旦可視光に変換し、可視光をa−SiフォトダイオードやCCDにより信号電荷に変換して、電荷蓄積用キャパシタに導く方式であるため、直接方式で生じる耐高電圧の問題は生じない。また、シンチレータ材料や、フォトダイオードに付いても基本的な技術は確立している点で有利である。
【0008】
しかしながら、この間接方式は、シンチレータ層からの可視光がフォトダイオードに到達するまでの光学的な拡散及び散乱により、その分の解像度劣化を生じる。特に、感度特性を確保するために、シンチレータ層を厚膜にするほど、フォトダイオード等の光電変換素子に到達するまでの蛍光の広がりが大きく、解像度劣化が顕著となる。
【0009】
このような蛍光の広がりを抑えて解像度を確保する方法として、間接方式において、シンチレータ層をフォトダイオードとTFTのマトリックスに合わせて画素単位に形成し、画素間を光学的に分離する隔壁部を設けたX線検出器が提案されている。これにより、シンチレータ層内で発光した蛍光は、隔壁により横方向への散乱や拡散を抑制される。したがって、光学的なガイド効果により、蛍光をフォトダイオード等の光電変換素子に効率良く到達させることができ、解像度特性が改善される(例えば、特許文献1参照。)。
【0010】
【特許文献1】
特開平11−166976号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、シンチレータ層を隔壁部によって画素分離したX線検出器などの放射線検出器では、隔壁部に相当する部分が放射線感度に寄与しない。すなわち、放射線が隔壁部に照射されても蛍光が発光することはなく、このため、シンチレータ層から隔壁部に置き換えられた程度に応じて必然的にシンチレータ層の総発光量が低減する。したがって、1画素あたりの輝度が低下するため、放射線検出器としての感度が低下するといった問題を生ずる。
【0012】
また、シンチレータ層は、蛍光材料とバインダとして溶剤揮散性樹脂との混合物を塗布液とし、塗布液を塗布して成型することにより作製されている。溶剤揮散性樹脂は、一般的に熱や放射線に対する耐性が弱く、長時間使用することにより劣化してしまう。このため、シンチレータ層の感度低下、引いては放射線検出器としての感度の低下を招くといった問題を生ずる。
【0013】
この発明は、上述した問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、解像度特性を向上することが可能であるとともに、感度特性を向上することが可能な放射線検出器及びその製造方法を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
この発明の第1の様態による放射線検出器は、
画素単位の光電変換素子が配列してなる光電変換基板と、
前記光電変換基板上に配置され、放射線により励起されて蛍光を発生する蛍光材料及び蛍光材料を結合するバインダを含むシンチレータ層と、
前記光電変換基板上に形成され、前記シンチレータ層を画素単位に区画する隔壁部と、
を備え、
前記バインダは、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂、電子線硬化性樹脂、及び、二液性硬化樹脂の少なくとも1種によって構成されたことを特徴とする。
【0015】
この発明の第2の様態による放射線検出器の製造方法は、
画素単位の光電変換素子が配列してなる光電変換基板上にシンチレータ層を形成し、
前記シンチレータ層を画素単位に区画する隔壁部を形成する放射線検出器の製造方法であって、
前記シンチレータ層は、放射線により励起されて蛍光を発生する蛍光材料とこの蛍光材料を結合するためのモノマとの混合液を前記光電変換基板上に塗布して塗布膜を形成する工程と、
塗布膜に含まれるモノマを重合して蛍光材料を結合する工程と、を備えたことを特徴とする。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施の形態に係る放射線検出器及びその製造方法について図面を参照して説明する。なお、この発明においては、X線、γ線、その他の各種放射線の場合に適用可能であるが、以下の一実施の形態においては、放射線の中の代表的なX線の場合を例にとり説明する。したがって、実施の形態の「X線」を「放射線」に置き換えることにより、この発明が対象とする他の放射線にも適用可能である。
【0017】
図1に示すように、X線を検出してX線の強度分布に対応する電気信号を出力するX線検出器1は、複数の画素を有するアクティブマトリクス型の光電変換基板11を有している。この光電変換基板11は、ガラスなどの絶縁基板上に、行方向(例えば図中の横方向)及び列方向(例えば図中の縦方向)に所定のピッチLで2次元的にマトリクス状に配列された同じ構造の複数の画素12を有している。図1に示した例では、9個の画素(12a〜12i)が図示されている。
【0018】
各画素12(a〜i)は、入射した光強度に対応して信号電荷に変換する光電変換素子として機能するフォトダイオード13、スイッチング素子として機能する薄膜トランジスタ(以下TFTと称する)14、信号電荷を蓄積する電荷蓄積部として機能する蓄積キャパシタ15などによって構成されている。
【0019】
各TFT14は、ゲート電極G、ソース電極S、及び、ドレイン電極Dを有している。ドレイン電極Dは、例えばフォトダイオード13及び蓄積キャパシタ15と電気的に接続されている。
【0020】
光電変換基板11の外部には、制御回路16が設けられている。この制御回路16は、TFT14の動作状態、例えばオン/オフを制御する。すなわち、この制御回路16には、光電変換基板11上において、行方向に延びる複数の制御ライン17が接続されている。それぞれの制御ライン17は、同じ行の画素12を構成する各TFT14のゲート電極Gに接続されている。図1に示した例では、第1乃至第4の4個の制御ライン171乃至174が設けられている。例えば、第1の制御ライン171は、画素12a乃至12cを構成する各TFT14のゲート電極Gに接続されている。
【0021】
光電変換基板11上において、列方向には、複数のデータライン18が設けられている。それぞれのデータライン18は、同じ列の画素12を構成する各TFT14のソース電極Sに接続されている。図1に示した例では、第1乃至第4の4個のデータライン181乃至184が設けられている。例えば、第1のデータライン181は、画素12a、12d、12gを構成する各TFT14のソース電極Sに接続されている。
【0022】
それぞれのデータライン17は、対応する電荷増幅器19に接続されている。各電荷増幅器19は、例えば演算増幅器で構成され、その一方の入力端子a1にデータライン18が接続され、他方の入力端子a2は接地されている。一方の入力端子a1と出力端子bとの間にコンデンサCが接続され、積分機能を有する。また、コンデンサCに並列にスイッチSWが接続され、例えばスイッチSWを閉じてコンデンサCに残った電荷を放電する構成になっている。
【0023】
それぞれの電荷増幅器19は、並列に入力する複数の電気信号を直列信号に変換する並列/直列変換器またはマルチプレクサ20に接続されている。並列/直列変換器20は、アナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器またはデジタイザ21に接続されている。
【0024】
このような構成により、制御回路16は、同一の制御ライン17に接続された同じ行の複数のTFT14を同時にオン/オフ制御するための制御信号を出力する。制御回路16による制御に基づいてオン状態のTFT14は、画像電荷を画素12からデータライン18に転送する。これにより、画素12の電位がリセットされる。データライン18に転送された画像電荷は、電荷増幅器19にて増幅され、並列/直列変換器またはマルチプレクサ20にて複合化された後、アナログ−デジタル変換器またはデジタイザ21に送られる。
【0025】
次に、この実施の形態に係るX線検出器の画素の構造について図2を参照して説明する。なお、図2では、1つの画素部分12を抜き出して図示しており、図1に対応する部分には同じ参照符号を付して重複する説明は一部省略する。
【0026】
光電変換基板11は、ガラスなどの絶縁基板31上に形成されたフォトダイオード13、TFT14、及び蓄積キャパシタ15を備えている。
【0027】
TFT14は、3つの電気的接続、すなわちゲート電極G、ソース電極S、及び、ドレイン電極Dを備えている。ゲート電極Gは、絶縁基板31上に形成されている。このゲート電極Gは、絶縁膜32によって覆われている。また、このゲート電極Gは、同じ行に位置する他のTFT14のゲート電極Gとともに共通の制御ライン17に接続されている。例えば、TFT14をオン/オフする制御するためには、+10V及び−5Vが用いられる。
【0028】
ソース電極Sは、絶縁膜32上に形成された半絶縁膜33にコンタクトしている。このソース電極Sは、同じ列に位置する他のTFT14のソース電極Sとともに共通のデータライン18に接続されている。ドレイン電極Dは、半絶縁膜33にコンタクトしている。このドレイン電極Dは、フォトダイオード13及び蓄積キャパシタ15に接続されている。
【0029】
蓄積キャパシタ15は、絶縁基板31上に形成された下部電極34、絶縁膜32を介して下部電極34に対向して設けられた上部電極35などによって構成されている。上部電極35は、TFT14のドレイン電極Dと電気的に接続されている。
【0030】
TFT14及び蓄積キャパシタ15は、第1絶縁層361によって覆われている。この第1絶縁層361上には、フォトダイオード13が形成されている。フォトダイオード13の周囲の第1絶縁層361上には、第2絶縁層362が設けられている。この第2絶縁層362は、ほぼ矩形状のフォトダイオード13を囲むように枠状に形成されている。
【0031】
フォトダイオード13は、a−Siのpnダイオード構造、もしくはpinダイオード構造などで画素毎に形成される。このフォトダイオード13は、第1絶縁層361上に形成された第1電極131、第1電極131に対向して配置された第2電極132などによって構成されている。
【0032】
第1電極131は、第1絶縁層361の一部に形成されたスルーホール37を介してTFT14のドレイン電極D及び蓄積キャパシタ15の上部電極35に電気的に接続されている。第2電極132は、例えばスパッタリング法によってITOなどの透明導電膜を成膜することによって形成される。これら第1電極131と第2電極132との間には、バイアス電圧が印加される。
【0033】
なお、この実施の形態では、フォトダイオード13は、図1に示すように、蓄積キャパシタ15及びTFT14に重ならないエリアに形成されているが、受光面積を確保するために、TFT14及び蓄積キャパシタ15上に絶縁層を配して、これらを含む画素全域に収電電極を形成して、更にその上部にほぼ各画素の全面対応するフォトダイオードを形成するなどの構造も可能である。
【0034】
上述したような構造の光電変換基板11の上には、外部から入射したX線を可視光に変換する(すなわちX線により励起されて蛍光を発生する)シンチレータ層39が配置されている。また、この光電変換基板11上には、シンチレータ層39を画素単位に区画する隔壁部38が形成されている。
【0035】
すなわち、図2に示すように、シンチレータ層39は、光電変換基板11におけるフォトダイオード13上及び第2絶縁層362上に配置されている。このシンチレータ層39は、蛍光材料及びこの蛍光材料を結合するバインダを含んで構成されている。
【0036】
蛍光材料は、X線などの放射線によって励起されて蛍光を発生するものであり、ほぼ同等の平均粒径を有する蛍光体粒子、例えばGOS(Gd2O2S:Tb,PR+3,CE+3,F)などで構成されている。また、シンチレータ層39に適用可能な蛍光体として、Gd2O2S:Tbを母材とする他のX線用蛍光体、CsI:Tl、CsI:Na、CaWO4、LaOBr:Tm等のX線用蛍光体などでも構わない。
【0037】
バインダは、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂、電子線硬化性樹脂、及び、二液性硬化樹脂の少なくとも1種によって構成されている。すなわち、バインダは、上述したいずれかの樹脂であるエポキシ系、アクリル系、ウレタン系、又はシリコン系の樹脂材料によって構成されている。
【0038】
隔壁部38は、上方よりシンチレータ層39に入射したX線40がシンチレータ層39内で蛍光41に変換され、この蛍光41が隣接する画素12のフォトダイオード13のエリアに極力干渉しないように、画素12を分離する境界に沿って形成される。これにより、シンチレータ層39は、主にフォトダイオード13に重なるエリアが残り、画素分離される。
【0039】
この隔壁部38は、シンチレータ層39内で発生した蛍光41のうち、隣接する画素12に向かって外方に散乱された蛍光411をシンチレータ層39の内部に向けて反射する光反射性を有する反射材料によって形成されても良い。また、この隔壁部38は、画素12に入射したX線のうち、隣接する画素12に向かって外方に散乱された散乱X線を吸収するX線吸収体によって形成されても良い。
【0040】
次に、このX線検出器の製造方法について説明する。
【0041】
まず、画素単位のフォトダイオード13などが配列してなる光電変換基板11上に、例えば以下のような方法によりシンチレータ層39を形成する。
すなわち、光電変換基板11におけるフォトダイオード13及び第2絶縁層362の上に、蛍光材料とこの蛍光材料を結合するためのモノマとの混合液を塗布して塗布膜を形成する。モノマは、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂、電子線硬化性樹脂、及び、二液性硬化樹脂の少なくとも1種を構成するエポキシ系、アクリル系、ウレタン系、又はシリコン系の材料の中から適宜選択可能である。
【0042】
この実施の形態では、混合液は、蛍光材料として例えばGd2O2S:Tbの粉末を含有するとともに、バインダとして例えばエポキシ系熱硬化性樹脂のモノマを含有している。この混合液は、16Pa・sより小さい粘度に調整された状態で、ディスペンサ法やインクジェット法、スプレー法などの塗布法により、例えば400μmの膜厚でベタ膜状に塗布される。
【0043】
その後、塗布膜に含まれるモノマを重合してポリマとする事で蛍光材料を結合する。ここでは、塗布膜は、熱硬化性樹脂のモノマを含有しているため、塗布膜に対して熱エネルギを与えることでモノマを重合する。例えば、約150℃で180分間焼成することで、モノマを完全に重合し、塗布膜を硬化する。これにより、塗布膜に含まれる蛍光材料が結合され、膜の剥離やクラック等を生じない良好なシンチレータ層39が形成される。
【0044】
続いて、シンチレータ層39を画素単位に区画する隔壁部38は、例えば以下のような方法で形成する。
すなわち、シンチレータ層39における画素12間に、ダイシング法などにより溝部を形成する。この実施の形態では、溝部は、下地のフォトダイオード13及びTFT14に合わせて150μmのピッチで、約25μmの溝幅で形成し、シンチレータ層39を画素分離している。
【0045】
なお、この溝部は、ダイシング法に限らず、紫外領域の主波長を有するレーザビームを照射することによる光化学分解を用いたシンチレータ層の除去、赤外領域の主波長を有するレーザビームを照射することによる加熱分解を用いたシンチレータ層の除去などによって形成しても良いし、さらに、バインダ材料を化学的に溶解して溝部分をエッチング除去する方法などで形成しても良い。さらに、この溝部は、光電変換基板11の第2絶縁層362まで到達する深さに形成しても良いし、溝部と光電変換基板11との間にシンチレータ層39が残るような深さに形成しても良い。
【0046】
その後、この溝部の内部に、光反射性を有する反射材料を充填することにより、隔壁部38を形成する。この隔壁部38を構成する反射材料としては、高屈折特性を有する微粒子、例えばTiO2、またはX線発光蛍光体粒子、例えばGd2O2S:Tb、あるいは透明セラミックスの微粒子粉体などが用いられ、さらに、膜の平坦性が高いものであればメタル膜であってもよい。この反射材料は、樹脂バインダと混合して塗布される。
【0047】
光電変換基板11の外部に接続される制御回路16などは、光電変換基板11にワイヤボンディングで接続する集積回路として製造すればよい。電荷増幅器19、マルチプレクサ20、デジタイザ21などもまた、光電変換基板11にワイヤボンディングで接続される集積回路として製造すればよい。
【0048】
さらに、シンチレータ層39の湿気による変質などを防ぐために、X線検出器1の主要部を、例えばアルミニウムやプラスチックなどの外囲器で覆って、真空封止しても良いし、あるいは乾燥気体を封入するしても良い。
【0049】
上述したように、この実施の形態に係るX線検出器によれば、X線によって励起されて蛍光を発光するシンチレータ層を隔壁部により画素毎に分離している。このため、デバイスへの印加電圧が高々数十ボルトと低い利点を生かした信頼性の高い間接方式でありながら、蛍光の拡散が抑制され、隣接する画素のフォトダイオードに到達することを抑制できるため、直接方式並みの高解像度を有する平面検出器を提供することができる。
【0050】
次に、上述したX線検出器におけるシンチレータ層39の構成について、より詳細に説明する。上述した構造のX線検出器では、蛍光の拡散を防止するための隔壁部の存在により、その分のシンチレータ層の体積が減少するため、シンチレータ層の総発光量が低下し、1画素当たりの輝度が低下してしまい、感度の低下を招く。
【0051】
そこで、シンチレータ層を構成する蛍光材料とバインダとに着目して、1画素当たりの輝度を向上するための条件について検討する。
蛍光材料紛体とバインダとを混合して形成したシンチレータ層の輝度特性は、蛍光材料自体の発光効率に加えて、シンチレータ層内の実効的な蛍光透過率により大きく影響される。蛍光材料の発光効率は、材料固有のものであり、選択された材料によって決定される。つまり、蛍光材料の発光効率は、利用条件によって異なるものではなく、同一の材料を利用する限り発光効率は変わらない。
【0052】
一方、シンチレータ層の実効的な蛍光透過率は、利用条件によって異なり、実効的な蛍光透過率が大きいほど、フォトダイオードに到達する実効的な蛍光量が多くなり、輝度を向上することができる。このような蛍光透過率は、蛍光材料の自己吸収率及びバインダの蛍光吸収率が大きいほど、また蛍光発光点からフォトダイオードに到達するまでの間での気泡や溶媒の残留による欠陥が多いほど、低くなる。
【0053】
ここで、シンチレータ層として用いられる一般的な蛍光材料は、自己吸収率が十分に小さい材料が選択される。また、バインダとして用いられる材料も、蛍光材料によって発光された蛍光の主波長での吸収率が十分に小さいものが選択される。一方、作製後のシンチレータ層内の欠陥や溶媒の残留、及びシンチレータ層の熱やX線への耐性に関しては、蛍光材料の発光効率やバインダの塗布性などに重点をおいて材料選定されるために、一般には考慮され難い。
【0054】
シンチレータ層を、蛍光材料をバインダとして溶剤に分散した溶剤揮散性樹脂と混ぜて塗布液とし、平面状に成型した後に、溶剤を加熱除去することにより作製した場合、シンチレータ層内に気化した溶剤による気泡や気化し切れなかった溶剤の残留による欠陥が発生するおそれがある。このような欠陥が発生した場合、蛍光の光路が遮断されるために、シンチレータ層の実効的な蛍光透過率が低くなってしまう。また、シンチレータ層の経時的な特性は、バインダとして用いた溶剤揮散性樹脂の分子構造が一次元であるために、熱やX線への耐性が小さく、長期間の使用により劣化して、シンチレータ層の輝度の低下を招く。
【0055】
このため、上述した実施の形態のように、シンチレータ層を構成するバインダは、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂、電子線硬化性樹脂、または二液性硬化樹脂を用いて構成している。このような樹脂は、液状のモノマに外的な刺激(エネルギ)を与えて架橋反応を生じさせることで形成される。
【0056】
すなわち、熱硬化性樹脂は、モノマに熱エネルギを与えることによって形成される。紫外線硬化性樹脂は、モノマに紫外線波長の光エネルギを照射することによって形成される。電子線硬化性樹脂は、モノマに電子線を照射することによって形成される。二液性硬化樹脂は、所定の2種類すなわちモノマに硬化促進剤を混合することで形成される。
【0057】
このように、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂、電子線硬化性樹脂、または二液性硬化樹脂は、重合する前のモノマが溶剤としての溶媒を含有していないため、溶媒を除去するプロセスが不要となるだけでなく、上述したような溶媒を含有する樹脂に生じうる欠陥の発生を防止することができる。このため、欠陥の存在に起因した蛍光透過率の低減が抑制され、実効的な蛍光透過率を向上することができる。
【0058】
また、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂、電子線硬化性樹脂、または二液性硬化樹脂は、モノマの架橋反応によって形成されるため、分子構造が二次元化もしくは三次元化される。このため、シンチレータ層のバインダは、熱やX線に対する耐性が大きく、長期間の使用によっても劣化しにくいため、シンチレータ層の輝度の低下を抑制することができる。
【0059】
さらに、シンチレータ層の製造方法において、塗布液の粘度が小さい程、泡の喰い込みにより発生する気泡の欠陥が減少する。例えば、塗布液の粘度を16Pa・sより小さく設定することにより、塗布液を均一に塗布することができるとともに硬化した塗布膜内に残留する気泡が減少するため、均質な信頼性の高いシンチレータ層を形成することができ、しかも、実効的な蛍光透過率を向上することができる。
【0060】
したがって、隔壁部の存在による輝度低下を最低限に抑えてシンチレータ層の輝度特性を改善することができ、高い感度特性を確保することが可能となる。
【0061】
次に、具体的な試作による効果の検証を行った。
まず、本実施形態のX線検出器におけるシンチレータ層の輝度特性について比較評価した。すなわち、比較例では、蛍光材料として種々の粒径のGd2O2S:Tbと、バインダとして溶剤揮散性樹脂であるポリビニル系の樹脂(ポリビニルブチラール)とを用いてシンチレータ層を形成した。また、本実施形態では、蛍光材料として種々の粒径のGd2O2S:Tbと、バインダとして熱硬化性エポキシ系樹脂とを用いてシンチレータ層を形成した。
【0062】
測定結果を図3に示す。なお、1画素当たりの輝度(cd/m2)は、赤から緑の光線に感度を有するフォトダイオードや、光電子増倍管を使用したHG−H2(富士フィルム社製増感紙)との輝度を比較する方法で測定した。図3に示すように、比較例での1画素の輝度を「1」とした場合、本実施形態では1画素あたり約1.5倍の輝度が得られた。
【0063】
これは、蛍光材料から発光及び反射した蛍光がバインダを介してフォトダイオードに導かれるが、シンチレータ層内に気泡や溶媒の残留による欠陥が減少したことによるシンチレータ層の実効的な蛍光透過率が高くなったためである。つまり、本実施形態の構成によれば、フォトダイオードに到達する蛍光量が多くなり、輝度特性が改善されたことを確認できた。
【0064】
次に、本実施形態のX線検出器におけるシンチレータ層の耐熱特性及び耐X線特性について比較評価した。ここでも同様に、比較例では、バインダとして溶剤揮散性樹脂であるポリビニル系の樹脂(ポリビニルブチラール)を用いてシンチレータ層を形成し、本実施形態では、バインダとして熱硬化性エポキシ系樹脂を用いてシンチレータ層を形成した。
【0065】
耐熱特性の測定結果を図4に示す。ここでは、加熱する前、及び、光電変換基板11を約120℃で4時間加熱した後の輝度をそれぞれ上述した方法によって測定し、加熱前の輝度に対する加熱後の輝度の減衰率によって耐熱特性を比較評価した。図4に示すように、比較例での輝度の減衰率「11.9」に対して、本実施形態での輝度の減衰率は「6.03」と約1/2に抑えることができた。
【0066】
また、耐X線特性の測定結果を図5に示す。ここでは、X線を照射する前、及び、光電変換基板11に約2R/minの照射エネルギでX線を照射した後の輝度をそれぞれ上述した方法によって測定し、照射前の輝度に対する照射後の輝度の減衰率によって耐X線特性を比較評価した。図5に示すように、比較例での輝度の減衰率「9.30」に対して、本実施形態での輝度の減衰率は「6.93」に抑えることができた。
【0067】
これらの結果は、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂、電子線硬化性樹脂、又は二液性硬化樹脂を用いてシンチレータ層のバインダを構成したことにより、バインダの硬化後の分子構造が高次元化したためである。つまり、本実施形態の構成によれば、シンチレータ層の耐熱特性及び耐X線特性が改善されたことで、長期間の使用に際しても輝度の低下を抑制できることを確認できた。
【0068】
次に、本実施形態のX線検出器におけるシンチレータ層を形成するための塗布液の粘度に対する輝度特性について比較評価した。ここでは、比較例及び本実施形態では、バインダとして熱硬化性エポキシ系樹脂を用いてシンチレータ層を形成した。
【0069】
粘度に対する輝度特性の測定結果を図6に示す。ここでは、粘度が16.0Pa・sの塗布液によって形成したシンチレータ層の輝度と、粘度が5.17Pa・sの塗布液によって形成したシンチレータ層の輝度と、をそれぞれ上述した方法によって測定し、粘度に対する輝度特性を比較評価した。図6に示すように、比較例での輝度が「1.50」であったのに対して、本実施形態での輝度は「1.63」に向上することができた。
【0070】
これは、塗布液の粘度が小さい程、シンチレータ層内に気泡の欠陥が減少したことによるシンチレータ層の実効的な蛍光透過率が高くなったためである。つまり、本実施形態の構成によれば、塗布液の粘度を16Pa・sより小さくすることで、フォトダイオードに到達する蛍光量が多くなり、輝度特性が改善されたことを確認できた。
【0071】
以上説明したX線検出器によれば、シンチレータ層は、隔壁部によって画素単位に区画される。このため、隣接する画素のシンチレータ層への蛍光の散乱を抑制することができ、画素を完全に分離することができる。したがって、解像度特性を向上することができる。
【0072】
また、シンチレータ層内で発光した蛍光が隔壁部に到達した際、蛍光は、シンチレータ層の内部に向けて反射される。このため、画素毎の輝度を向上することができる。
【0073】
さらに、シンチレータ層を構成するバインダを溶剤を含有しない樹脂によって構成したことにより、溶剤を含有することに起因した欠陥の発生を抑制することができ、シンチレータ層の輝度特性を改善することができる。このため、隔壁部の存在による1画素当たりの輝度の低下を抑え、平面検出器としての感度特性を向上することができる。また、長期間にわたって良好な輝度特性を維持することができる。
【0074】
なお、この発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々な変形・変更が可能である。また、各実施の形態は可能な限り適宜組み合わせて実施されてもよく、その場合組み合わせによる効果が得られる。
【0075】
この発明のX線検出器は、縦横に複数の画素が配列された構成のものについて説明したが、縦横の画素の比率が異なる(例えば、一方の画素数が1個の場合など)一見すると線状に構成されたX線検出器に適用するこも可能である。この場合、スイッチング素子はTFTを使用しなくとも実施可能である。
【0076】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、解像度特性を向上することが可能であるとともに、感度特性を向上することが可能な放射線検出器及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、この発明の一実施の形態に係るX線検出器の回路構成を模式的に示す図である。
【図2】図2は、図1に示したX線検出器の1画素部分の構造を概略的に示す断面図である。
【図3】図3は、比較例及び本実施形態のX線検出器における輝度特性の測定結果を示す図である。
【図4】図4は、比較例及び本実施形態のX線検出器における耐熱特性の測定結果を示す図である。
【図5】図5は、比較例及び本実施形態のX線検出器における耐X線特性の測定結果を示す図である。
【図6】図6は、シンチレータ層を形成するための塗布液の粘度とシンチレータ層の輝度との関係の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
1…X線検出器、11…光電変換基板、12…画素、13…フォトダイオード、14…薄膜トランジスタ(TFT)、15…蓄積キャパシタ、16…制御回路、17…データライン、18…制御ライン、38…隔壁部、39…シンチレータ層、41…蛍光
【発明の属する技術分野】
この発明は、放射線検出器及びその製造方法に係り、特に、放射線画像を検出する間接方式の放射線平面検出器及びこれを製造するための製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、新世代のX線診断用検出器としてアクティブマトリックス型のX線平面検出器が大きな注目を集めている。このX線平面検出器において、照射されたX線を検出することにより、X線撮影像またはリアルタイムのX線画像がデジタル信号として出力される。X線平面検出器は固体検出器であることから、画質性能や安定性の面でも極めて期待が大きい。このため、多くの大学やメーカが研究開発に取り組んでいる。
【0003】
実用化の最初の用途として、比較的大きなX線量で、静止画像を収集する人体の胸部・一般撮影用に開発され、近年商品化されている。より高い技術的なハードルをクリアして、透視線量下で毎秒30コマ以上のリアルタイム動画を実現させる必要のある循環器、消化器分野への応用に対しても近い将来に商品化が予想される。この動画用途に対しては、ノイズ(S/N:シグナル/ノイズ比)の改善や微小信号のリアルタイム処理技術等が重要な開発項目となっている。
【0004】
X線平面検出器には、大きく分けて直接方式と間接方式との2通りがある。 直接方式は、X線をa−Seなどの光導電膜を用いて直接信号電荷に変換し、変換した信号電荷を電荷蓄積用キャパシタに蓄積する方式である。この直接方式は、X線により発生した光導電電荷を高電界により直接に電荷蓄積用キャパシタに導くため、ほぼアクティブマトリックスの画素ピッチで規定される解像度特性が得られる。
【0005】
直接方式のX線平面検出器は、X線の吸収率を上げて信号強度を確保するために、例えばa−Seの光導電膜を1mm程度の厚膜で形成している。また、X線フォトン1個当りの光導電電荷生成率を上げるためと、生成した光導電電荷が膜中の欠陥準位にトラップされることなく収電電極に到達させるため、かつ、バイアス電界と直角方向への電荷の拡散を極力抑えるために、例えば10V/μmの強バイアス電界を印加して用いる。
【0006】
すなわち、この例では、光導電膜のa−Seに対し、10kVの高電圧を印加することになる。このため、直接方式は、解像度特性面からは間接方式に比較して有利であるが、動作電圧の低い薄膜トランジスタすなわちTFTを高電圧から保護する信頼性の確保や、暗電流と感度特性、熱的安定性などを兼ね備えた好適な光導電材料が見つからないなどの問題が生じている。
【0007】
一方の間接方式は、シンチレータ層によりX線を受けて一旦可視光に変換し、可視光をa−SiフォトダイオードやCCDにより信号電荷に変換して、電荷蓄積用キャパシタに導く方式であるため、直接方式で生じる耐高電圧の問題は生じない。また、シンチレータ材料や、フォトダイオードに付いても基本的な技術は確立している点で有利である。
【0008】
しかしながら、この間接方式は、シンチレータ層からの可視光がフォトダイオードに到達するまでの光学的な拡散及び散乱により、その分の解像度劣化を生じる。特に、感度特性を確保するために、シンチレータ層を厚膜にするほど、フォトダイオード等の光電変換素子に到達するまでの蛍光の広がりが大きく、解像度劣化が顕著となる。
【0009】
このような蛍光の広がりを抑えて解像度を確保する方法として、間接方式において、シンチレータ層をフォトダイオードとTFTのマトリックスに合わせて画素単位に形成し、画素間を光学的に分離する隔壁部を設けたX線検出器が提案されている。これにより、シンチレータ層内で発光した蛍光は、隔壁により横方向への散乱や拡散を抑制される。したがって、光学的なガイド効果により、蛍光をフォトダイオード等の光電変換素子に効率良く到達させることができ、解像度特性が改善される(例えば、特許文献1参照。)。
【0010】
【特許文献1】
特開平11−166976号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、シンチレータ層を隔壁部によって画素分離したX線検出器などの放射線検出器では、隔壁部に相当する部分が放射線感度に寄与しない。すなわち、放射線が隔壁部に照射されても蛍光が発光することはなく、このため、シンチレータ層から隔壁部に置き換えられた程度に応じて必然的にシンチレータ層の総発光量が低減する。したがって、1画素あたりの輝度が低下するため、放射線検出器としての感度が低下するといった問題を生ずる。
【0012】
また、シンチレータ層は、蛍光材料とバインダとして溶剤揮散性樹脂との混合物を塗布液とし、塗布液を塗布して成型することにより作製されている。溶剤揮散性樹脂は、一般的に熱や放射線に対する耐性が弱く、長時間使用することにより劣化してしまう。このため、シンチレータ層の感度低下、引いては放射線検出器としての感度の低下を招くといった問題を生ずる。
【0013】
この発明は、上述した問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、解像度特性を向上することが可能であるとともに、感度特性を向上することが可能な放射線検出器及びその製造方法を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
この発明の第1の様態による放射線検出器は、
画素単位の光電変換素子が配列してなる光電変換基板と、
前記光電変換基板上に配置され、放射線により励起されて蛍光を発生する蛍光材料及び蛍光材料を結合するバインダを含むシンチレータ層と、
前記光電変換基板上に形成され、前記シンチレータ層を画素単位に区画する隔壁部と、
を備え、
前記バインダは、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂、電子線硬化性樹脂、及び、二液性硬化樹脂の少なくとも1種によって構成されたことを特徴とする。
【0015】
この発明の第2の様態による放射線検出器の製造方法は、
画素単位の光電変換素子が配列してなる光電変換基板上にシンチレータ層を形成し、
前記シンチレータ層を画素単位に区画する隔壁部を形成する放射線検出器の製造方法であって、
前記シンチレータ層は、放射線により励起されて蛍光を発生する蛍光材料とこの蛍光材料を結合するためのモノマとの混合液を前記光電変換基板上に塗布して塗布膜を形成する工程と、
塗布膜に含まれるモノマを重合して蛍光材料を結合する工程と、を備えたことを特徴とする。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施の形態に係る放射線検出器及びその製造方法について図面を参照して説明する。なお、この発明においては、X線、γ線、その他の各種放射線の場合に適用可能であるが、以下の一実施の形態においては、放射線の中の代表的なX線の場合を例にとり説明する。したがって、実施の形態の「X線」を「放射線」に置き換えることにより、この発明が対象とする他の放射線にも適用可能である。
【0017】
図1に示すように、X線を検出してX線の強度分布に対応する電気信号を出力するX線検出器1は、複数の画素を有するアクティブマトリクス型の光電変換基板11を有している。この光電変換基板11は、ガラスなどの絶縁基板上に、行方向(例えば図中の横方向)及び列方向(例えば図中の縦方向)に所定のピッチLで2次元的にマトリクス状に配列された同じ構造の複数の画素12を有している。図1に示した例では、9個の画素(12a〜12i)が図示されている。
【0018】
各画素12(a〜i)は、入射した光強度に対応して信号電荷に変換する光電変換素子として機能するフォトダイオード13、スイッチング素子として機能する薄膜トランジスタ(以下TFTと称する)14、信号電荷を蓄積する電荷蓄積部として機能する蓄積キャパシタ15などによって構成されている。
【0019】
各TFT14は、ゲート電極G、ソース電極S、及び、ドレイン電極Dを有している。ドレイン電極Dは、例えばフォトダイオード13及び蓄積キャパシタ15と電気的に接続されている。
【0020】
光電変換基板11の外部には、制御回路16が設けられている。この制御回路16は、TFT14の動作状態、例えばオン/オフを制御する。すなわち、この制御回路16には、光電変換基板11上において、行方向に延びる複数の制御ライン17が接続されている。それぞれの制御ライン17は、同じ行の画素12を構成する各TFT14のゲート電極Gに接続されている。図1に示した例では、第1乃至第4の4個の制御ライン171乃至174が設けられている。例えば、第1の制御ライン171は、画素12a乃至12cを構成する各TFT14のゲート電極Gに接続されている。
【0021】
光電変換基板11上において、列方向には、複数のデータライン18が設けられている。それぞれのデータライン18は、同じ列の画素12を構成する各TFT14のソース電極Sに接続されている。図1に示した例では、第1乃至第4の4個のデータライン181乃至184が設けられている。例えば、第1のデータライン181は、画素12a、12d、12gを構成する各TFT14のソース電極Sに接続されている。
【0022】
それぞれのデータライン17は、対応する電荷増幅器19に接続されている。各電荷増幅器19は、例えば演算増幅器で構成され、その一方の入力端子a1にデータライン18が接続され、他方の入力端子a2は接地されている。一方の入力端子a1と出力端子bとの間にコンデンサCが接続され、積分機能を有する。また、コンデンサCに並列にスイッチSWが接続され、例えばスイッチSWを閉じてコンデンサCに残った電荷を放電する構成になっている。
【0023】
それぞれの電荷増幅器19は、並列に入力する複数の電気信号を直列信号に変換する並列/直列変換器またはマルチプレクサ20に接続されている。並列/直列変換器20は、アナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器またはデジタイザ21に接続されている。
【0024】
このような構成により、制御回路16は、同一の制御ライン17に接続された同じ行の複数のTFT14を同時にオン/オフ制御するための制御信号を出力する。制御回路16による制御に基づいてオン状態のTFT14は、画像電荷を画素12からデータライン18に転送する。これにより、画素12の電位がリセットされる。データライン18に転送された画像電荷は、電荷増幅器19にて増幅され、並列/直列変換器またはマルチプレクサ20にて複合化された後、アナログ−デジタル変換器またはデジタイザ21に送られる。
【0025】
次に、この実施の形態に係るX線検出器の画素の構造について図2を参照して説明する。なお、図2では、1つの画素部分12を抜き出して図示しており、図1に対応する部分には同じ参照符号を付して重複する説明は一部省略する。
【0026】
光電変換基板11は、ガラスなどの絶縁基板31上に形成されたフォトダイオード13、TFT14、及び蓄積キャパシタ15を備えている。
【0027】
TFT14は、3つの電気的接続、すなわちゲート電極G、ソース電極S、及び、ドレイン電極Dを備えている。ゲート電極Gは、絶縁基板31上に形成されている。このゲート電極Gは、絶縁膜32によって覆われている。また、このゲート電極Gは、同じ行に位置する他のTFT14のゲート電極Gとともに共通の制御ライン17に接続されている。例えば、TFT14をオン/オフする制御するためには、+10V及び−5Vが用いられる。
【0028】
ソース電極Sは、絶縁膜32上に形成された半絶縁膜33にコンタクトしている。このソース電極Sは、同じ列に位置する他のTFT14のソース電極Sとともに共通のデータライン18に接続されている。ドレイン電極Dは、半絶縁膜33にコンタクトしている。このドレイン電極Dは、フォトダイオード13及び蓄積キャパシタ15に接続されている。
【0029】
蓄積キャパシタ15は、絶縁基板31上に形成された下部電極34、絶縁膜32を介して下部電極34に対向して設けられた上部電極35などによって構成されている。上部電極35は、TFT14のドレイン電極Dと電気的に接続されている。
【0030】
TFT14及び蓄積キャパシタ15は、第1絶縁層361によって覆われている。この第1絶縁層361上には、フォトダイオード13が形成されている。フォトダイオード13の周囲の第1絶縁層361上には、第2絶縁層362が設けられている。この第2絶縁層362は、ほぼ矩形状のフォトダイオード13を囲むように枠状に形成されている。
【0031】
フォトダイオード13は、a−Siのpnダイオード構造、もしくはpinダイオード構造などで画素毎に形成される。このフォトダイオード13は、第1絶縁層361上に形成された第1電極131、第1電極131に対向して配置された第2電極132などによって構成されている。
【0032】
第1電極131は、第1絶縁層361の一部に形成されたスルーホール37を介してTFT14のドレイン電極D及び蓄積キャパシタ15の上部電極35に電気的に接続されている。第2電極132は、例えばスパッタリング法によってITOなどの透明導電膜を成膜することによって形成される。これら第1電極131と第2電極132との間には、バイアス電圧が印加される。
【0033】
なお、この実施の形態では、フォトダイオード13は、図1に示すように、蓄積キャパシタ15及びTFT14に重ならないエリアに形成されているが、受光面積を確保するために、TFT14及び蓄積キャパシタ15上に絶縁層を配して、これらを含む画素全域に収電電極を形成して、更にその上部にほぼ各画素の全面対応するフォトダイオードを形成するなどの構造も可能である。
【0034】
上述したような構造の光電変換基板11の上には、外部から入射したX線を可視光に変換する(すなわちX線により励起されて蛍光を発生する)シンチレータ層39が配置されている。また、この光電変換基板11上には、シンチレータ層39を画素単位に区画する隔壁部38が形成されている。
【0035】
すなわち、図2に示すように、シンチレータ層39は、光電変換基板11におけるフォトダイオード13上及び第2絶縁層362上に配置されている。このシンチレータ層39は、蛍光材料及びこの蛍光材料を結合するバインダを含んで構成されている。
【0036】
蛍光材料は、X線などの放射線によって励起されて蛍光を発生するものであり、ほぼ同等の平均粒径を有する蛍光体粒子、例えばGOS(Gd2O2S:Tb,PR+3,CE+3,F)などで構成されている。また、シンチレータ層39に適用可能な蛍光体として、Gd2O2S:Tbを母材とする他のX線用蛍光体、CsI:Tl、CsI:Na、CaWO4、LaOBr:Tm等のX線用蛍光体などでも構わない。
【0037】
バインダは、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂、電子線硬化性樹脂、及び、二液性硬化樹脂の少なくとも1種によって構成されている。すなわち、バインダは、上述したいずれかの樹脂であるエポキシ系、アクリル系、ウレタン系、又はシリコン系の樹脂材料によって構成されている。
【0038】
隔壁部38は、上方よりシンチレータ層39に入射したX線40がシンチレータ層39内で蛍光41に変換され、この蛍光41が隣接する画素12のフォトダイオード13のエリアに極力干渉しないように、画素12を分離する境界に沿って形成される。これにより、シンチレータ層39は、主にフォトダイオード13に重なるエリアが残り、画素分離される。
【0039】
この隔壁部38は、シンチレータ層39内で発生した蛍光41のうち、隣接する画素12に向かって外方に散乱された蛍光411をシンチレータ層39の内部に向けて反射する光反射性を有する反射材料によって形成されても良い。また、この隔壁部38は、画素12に入射したX線のうち、隣接する画素12に向かって外方に散乱された散乱X線を吸収するX線吸収体によって形成されても良い。
【0040】
次に、このX線検出器の製造方法について説明する。
【0041】
まず、画素単位のフォトダイオード13などが配列してなる光電変換基板11上に、例えば以下のような方法によりシンチレータ層39を形成する。
すなわち、光電変換基板11におけるフォトダイオード13及び第2絶縁層362の上に、蛍光材料とこの蛍光材料を結合するためのモノマとの混合液を塗布して塗布膜を形成する。モノマは、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂、電子線硬化性樹脂、及び、二液性硬化樹脂の少なくとも1種を構成するエポキシ系、アクリル系、ウレタン系、又はシリコン系の材料の中から適宜選択可能である。
【0042】
この実施の形態では、混合液は、蛍光材料として例えばGd2O2S:Tbの粉末を含有するとともに、バインダとして例えばエポキシ系熱硬化性樹脂のモノマを含有している。この混合液は、16Pa・sより小さい粘度に調整された状態で、ディスペンサ法やインクジェット法、スプレー法などの塗布法により、例えば400μmの膜厚でベタ膜状に塗布される。
【0043】
その後、塗布膜に含まれるモノマを重合してポリマとする事で蛍光材料を結合する。ここでは、塗布膜は、熱硬化性樹脂のモノマを含有しているため、塗布膜に対して熱エネルギを与えることでモノマを重合する。例えば、約150℃で180分間焼成することで、モノマを完全に重合し、塗布膜を硬化する。これにより、塗布膜に含まれる蛍光材料が結合され、膜の剥離やクラック等を生じない良好なシンチレータ層39が形成される。
【0044】
続いて、シンチレータ層39を画素単位に区画する隔壁部38は、例えば以下のような方法で形成する。
すなわち、シンチレータ層39における画素12間に、ダイシング法などにより溝部を形成する。この実施の形態では、溝部は、下地のフォトダイオード13及びTFT14に合わせて150μmのピッチで、約25μmの溝幅で形成し、シンチレータ層39を画素分離している。
【0045】
なお、この溝部は、ダイシング法に限らず、紫外領域の主波長を有するレーザビームを照射することによる光化学分解を用いたシンチレータ層の除去、赤外領域の主波長を有するレーザビームを照射することによる加熱分解を用いたシンチレータ層の除去などによって形成しても良いし、さらに、バインダ材料を化学的に溶解して溝部分をエッチング除去する方法などで形成しても良い。さらに、この溝部は、光電変換基板11の第2絶縁層362まで到達する深さに形成しても良いし、溝部と光電変換基板11との間にシンチレータ層39が残るような深さに形成しても良い。
【0046】
その後、この溝部の内部に、光反射性を有する反射材料を充填することにより、隔壁部38を形成する。この隔壁部38を構成する反射材料としては、高屈折特性を有する微粒子、例えばTiO2、またはX線発光蛍光体粒子、例えばGd2O2S:Tb、あるいは透明セラミックスの微粒子粉体などが用いられ、さらに、膜の平坦性が高いものであればメタル膜であってもよい。この反射材料は、樹脂バインダと混合して塗布される。
【0047】
光電変換基板11の外部に接続される制御回路16などは、光電変換基板11にワイヤボンディングで接続する集積回路として製造すればよい。電荷増幅器19、マルチプレクサ20、デジタイザ21などもまた、光電変換基板11にワイヤボンディングで接続される集積回路として製造すればよい。
【0048】
さらに、シンチレータ層39の湿気による変質などを防ぐために、X線検出器1の主要部を、例えばアルミニウムやプラスチックなどの外囲器で覆って、真空封止しても良いし、あるいは乾燥気体を封入するしても良い。
【0049】
上述したように、この実施の形態に係るX線検出器によれば、X線によって励起されて蛍光を発光するシンチレータ層を隔壁部により画素毎に分離している。このため、デバイスへの印加電圧が高々数十ボルトと低い利点を生かした信頼性の高い間接方式でありながら、蛍光の拡散が抑制され、隣接する画素のフォトダイオードに到達することを抑制できるため、直接方式並みの高解像度を有する平面検出器を提供することができる。
【0050】
次に、上述したX線検出器におけるシンチレータ層39の構成について、より詳細に説明する。上述した構造のX線検出器では、蛍光の拡散を防止するための隔壁部の存在により、その分のシンチレータ層の体積が減少するため、シンチレータ層の総発光量が低下し、1画素当たりの輝度が低下してしまい、感度の低下を招く。
【0051】
そこで、シンチレータ層を構成する蛍光材料とバインダとに着目して、1画素当たりの輝度を向上するための条件について検討する。
蛍光材料紛体とバインダとを混合して形成したシンチレータ層の輝度特性は、蛍光材料自体の発光効率に加えて、シンチレータ層内の実効的な蛍光透過率により大きく影響される。蛍光材料の発光効率は、材料固有のものであり、選択された材料によって決定される。つまり、蛍光材料の発光効率は、利用条件によって異なるものではなく、同一の材料を利用する限り発光効率は変わらない。
【0052】
一方、シンチレータ層の実効的な蛍光透過率は、利用条件によって異なり、実効的な蛍光透過率が大きいほど、フォトダイオードに到達する実効的な蛍光量が多くなり、輝度を向上することができる。このような蛍光透過率は、蛍光材料の自己吸収率及びバインダの蛍光吸収率が大きいほど、また蛍光発光点からフォトダイオードに到達するまでの間での気泡や溶媒の残留による欠陥が多いほど、低くなる。
【0053】
ここで、シンチレータ層として用いられる一般的な蛍光材料は、自己吸収率が十分に小さい材料が選択される。また、バインダとして用いられる材料も、蛍光材料によって発光された蛍光の主波長での吸収率が十分に小さいものが選択される。一方、作製後のシンチレータ層内の欠陥や溶媒の残留、及びシンチレータ層の熱やX線への耐性に関しては、蛍光材料の発光効率やバインダの塗布性などに重点をおいて材料選定されるために、一般には考慮され難い。
【0054】
シンチレータ層を、蛍光材料をバインダとして溶剤に分散した溶剤揮散性樹脂と混ぜて塗布液とし、平面状に成型した後に、溶剤を加熱除去することにより作製した場合、シンチレータ層内に気化した溶剤による気泡や気化し切れなかった溶剤の残留による欠陥が発生するおそれがある。このような欠陥が発生した場合、蛍光の光路が遮断されるために、シンチレータ層の実効的な蛍光透過率が低くなってしまう。また、シンチレータ層の経時的な特性は、バインダとして用いた溶剤揮散性樹脂の分子構造が一次元であるために、熱やX線への耐性が小さく、長期間の使用により劣化して、シンチレータ層の輝度の低下を招く。
【0055】
このため、上述した実施の形態のように、シンチレータ層を構成するバインダは、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂、電子線硬化性樹脂、または二液性硬化樹脂を用いて構成している。このような樹脂は、液状のモノマに外的な刺激(エネルギ)を与えて架橋反応を生じさせることで形成される。
【0056】
すなわち、熱硬化性樹脂は、モノマに熱エネルギを与えることによって形成される。紫外線硬化性樹脂は、モノマに紫外線波長の光エネルギを照射することによって形成される。電子線硬化性樹脂は、モノマに電子線を照射することによって形成される。二液性硬化樹脂は、所定の2種類すなわちモノマに硬化促進剤を混合することで形成される。
【0057】
このように、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂、電子線硬化性樹脂、または二液性硬化樹脂は、重合する前のモノマが溶剤としての溶媒を含有していないため、溶媒を除去するプロセスが不要となるだけでなく、上述したような溶媒を含有する樹脂に生じうる欠陥の発生を防止することができる。このため、欠陥の存在に起因した蛍光透過率の低減が抑制され、実効的な蛍光透過率を向上することができる。
【0058】
また、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂、電子線硬化性樹脂、または二液性硬化樹脂は、モノマの架橋反応によって形成されるため、分子構造が二次元化もしくは三次元化される。このため、シンチレータ層のバインダは、熱やX線に対する耐性が大きく、長期間の使用によっても劣化しにくいため、シンチレータ層の輝度の低下を抑制することができる。
【0059】
さらに、シンチレータ層の製造方法において、塗布液の粘度が小さい程、泡の喰い込みにより発生する気泡の欠陥が減少する。例えば、塗布液の粘度を16Pa・sより小さく設定することにより、塗布液を均一に塗布することができるとともに硬化した塗布膜内に残留する気泡が減少するため、均質な信頼性の高いシンチレータ層を形成することができ、しかも、実効的な蛍光透過率を向上することができる。
【0060】
したがって、隔壁部の存在による輝度低下を最低限に抑えてシンチレータ層の輝度特性を改善することができ、高い感度特性を確保することが可能となる。
【0061】
次に、具体的な試作による効果の検証を行った。
まず、本実施形態のX線検出器におけるシンチレータ層の輝度特性について比較評価した。すなわち、比較例では、蛍光材料として種々の粒径のGd2O2S:Tbと、バインダとして溶剤揮散性樹脂であるポリビニル系の樹脂(ポリビニルブチラール)とを用いてシンチレータ層を形成した。また、本実施形態では、蛍光材料として種々の粒径のGd2O2S:Tbと、バインダとして熱硬化性エポキシ系樹脂とを用いてシンチレータ層を形成した。
【0062】
測定結果を図3に示す。なお、1画素当たりの輝度(cd/m2)は、赤から緑の光線に感度を有するフォトダイオードや、光電子増倍管を使用したHG−H2(富士フィルム社製増感紙)との輝度を比較する方法で測定した。図3に示すように、比較例での1画素の輝度を「1」とした場合、本実施形態では1画素あたり約1.5倍の輝度が得られた。
【0063】
これは、蛍光材料から発光及び反射した蛍光がバインダを介してフォトダイオードに導かれるが、シンチレータ層内に気泡や溶媒の残留による欠陥が減少したことによるシンチレータ層の実効的な蛍光透過率が高くなったためである。つまり、本実施形態の構成によれば、フォトダイオードに到達する蛍光量が多くなり、輝度特性が改善されたことを確認できた。
【0064】
次に、本実施形態のX線検出器におけるシンチレータ層の耐熱特性及び耐X線特性について比較評価した。ここでも同様に、比較例では、バインダとして溶剤揮散性樹脂であるポリビニル系の樹脂(ポリビニルブチラール)を用いてシンチレータ層を形成し、本実施形態では、バインダとして熱硬化性エポキシ系樹脂を用いてシンチレータ層を形成した。
【0065】
耐熱特性の測定結果を図4に示す。ここでは、加熱する前、及び、光電変換基板11を約120℃で4時間加熱した後の輝度をそれぞれ上述した方法によって測定し、加熱前の輝度に対する加熱後の輝度の減衰率によって耐熱特性を比較評価した。図4に示すように、比較例での輝度の減衰率「11.9」に対して、本実施形態での輝度の減衰率は「6.03」と約1/2に抑えることができた。
【0066】
また、耐X線特性の測定結果を図5に示す。ここでは、X線を照射する前、及び、光電変換基板11に約2R/minの照射エネルギでX線を照射した後の輝度をそれぞれ上述した方法によって測定し、照射前の輝度に対する照射後の輝度の減衰率によって耐X線特性を比較評価した。図5に示すように、比較例での輝度の減衰率「9.30」に対して、本実施形態での輝度の減衰率は「6.93」に抑えることができた。
【0067】
これらの結果は、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂、電子線硬化性樹脂、又は二液性硬化樹脂を用いてシンチレータ層のバインダを構成したことにより、バインダの硬化後の分子構造が高次元化したためである。つまり、本実施形態の構成によれば、シンチレータ層の耐熱特性及び耐X線特性が改善されたことで、長期間の使用に際しても輝度の低下を抑制できることを確認できた。
【0068】
次に、本実施形態のX線検出器におけるシンチレータ層を形成するための塗布液の粘度に対する輝度特性について比較評価した。ここでは、比較例及び本実施形態では、バインダとして熱硬化性エポキシ系樹脂を用いてシンチレータ層を形成した。
【0069】
粘度に対する輝度特性の測定結果を図6に示す。ここでは、粘度が16.0Pa・sの塗布液によって形成したシンチレータ層の輝度と、粘度が5.17Pa・sの塗布液によって形成したシンチレータ層の輝度と、をそれぞれ上述した方法によって測定し、粘度に対する輝度特性を比較評価した。図6に示すように、比較例での輝度が「1.50」であったのに対して、本実施形態での輝度は「1.63」に向上することができた。
【0070】
これは、塗布液の粘度が小さい程、シンチレータ層内に気泡の欠陥が減少したことによるシンチレータ層の実効的な蛍光透過率が高くなったためである。つまり、本実施形態の構成によれば、塗布液の粘度を16Pa・sより小さくすることで、フォトダイオードに到達する蛍光量が多くなり、輝度特性が改善されたことを確認できた。
【0071】
以上説明したX線検出器によれば、シンチレータ層は、隔壁部によって画素単位に区画される。このため、隣接する画素のシンチレータ層への蛍光の散乱を抑制することができ、画素を完全に分離することができる。したがって、解像度特性を向上することができる。
【0072】
また、シンチレータ層内で発光した蛍光が隔壁部に到達した際、蛍光は、シンチレータ層の内部に向けて反射される。このため、画素毎の輝度を向上することができる。
【0073】
さらに、シンチレータ層を構成するバインダを溶剤を含有しない樹脂によって構成したことにより、溶剤を含有することに起因した欠陥の発生を抑制することができ、シンチレータ層の輝度特性を改善することができる。このため、隔壁部の存在による1画素当たりの輝度の低下を抑え、平面検出器としての感度特性を向上することができる。また、長期間にわたって良好な輝度特性を維持することができる。
【0074】
なお、この発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々な変形・変更が可能である。また、各実施の形態は可能な限り適宜組み合わせて実施されてもよく、その場合組み合わせによる効果が得られる。
【0075】
この発明のX線検出器は、縦横に複数の画素が配列された構成のものについて説明したが、縦横の画素の比率が異なる(例えば、一方の画素数が1個の場合など)一見すると線状に構成されたX線検出器に適用するこも可能である。この場合、スイッチング素子はTFTを使用しなくとも実施可能である。
【0076】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、解像度特性を向上することが可能であるとともに、感度特性を向上することが可能な放射線検出器及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、この発明の一実施の形態に係るX線検出器の回路構成を模式的に示す図である。
【図2】図2は、図1に示したX線検出器の1画素部分の構造を概略的に示す断面図である。
【図3】図3は、比較例及び本実施形態のX線検出器における輝度特性の測定結果を示す図である。
【図4】図4は、比較例及び本実施形態のX線検出器における耐熱特性の測定結果を示す図である。
【図5】図5は、比較例及び本実施形態のX線検出器における耐X線特性の測定結果を示す図である。
【図6】図6は、シンチレータ層を形成するための塗布液の粘度とシンチレータ層の輝度との関係の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
1…X線検出器、11…光電変換基板、12…画素、13…フォトダイオード、14…薄膜トランジスタ(TFT)、15…蓄積キャパシタ、16…制御回路、17…データライン、18…制御ライン、38…隔壁部、39…シンチレータ層、41…蛍光
Claims (4)
- 画素単位の光電変換素子が配列してなる光電変換基板と、
前記光電変換基板上に配置され、放射線により励起されて蛍光を発生する蛍光材料及び蛍光材料を結合するバインダを含むシンチレータ層と、
前記光電変換基板上に形成され、前記シンチレータ層を画素単位に区画する隔壁部と、
を備え、
前記バインダは、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂、電子線硬化性樹脂、及び、二液性硬化樹脂の少なくとも1種によって構成されたことを特徴とする放射線検出器。 - 画素単位の光電変換素子が配列してなる光電変換基板上にシンチレータ層を形成し、
前記シンチレータ層を画素単位に区画する隔壁部を形成する放射線検出器の製造方法において、
前記シンチレータ層は、放射線により励起されて蛍光を発生する蛍光材料とこの蛍光材料を結合するためのモノマとの混合液を前記光電変換基板上に塗布して塗布膜を形成する工程と、
塗布膜に含まれるモノマを重合してポリマとする事で蛍光材料を結合する工程と、を備えたことを特徴とする放射線検出器の製造方法。 - 前記モノマは、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂、電子線硬化性樹脂、及び、二液性硬化樹脂の少なくとも1種を構成することを特徴とする請求項2に記載の放射線検出器の製造方法。
- 前記光電変換基板上に塗布される前記混合液の粘度は、16Pa・sより小さいことを特徴とする請求項2に記載の放射線検出器の製造方法。
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JP2003193789A JP2005030806A (ja) | 2003-07-08 | 2003-07-08 | 放射線検出器及びその製造方法 |
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CN109686811A (zh) * | 2018-06-12 | 2019-04-26 | 南京迪钛飞光电科技有限公司 | 一种光电平板探测器及其基板结构 |
WO2020189284A1 (ja) * | 2019-03-19 | 2020-09-24 | 三菱ケミカル株式会社 | 樹脂・蛍光体コンポジットシンチレータ、及びシンチレータアレイ |
-
2003
- 2003-07-08 JP JP2003193789A patent/JP2005030806A/ja active Pending
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