JP3932857B2 - 放射線検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療分野、工業分野、さらには原子力分野などに用いられる直接変換タイプの放射線検出装置に係り、特に放射線感応型半導体膜の耐圧特性改善のための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
放射線（例えばＸ線）の検出装置には、放射線（例えばＸ線）がまず光に変換された後で変換光がさらに光電変換で電気信号へ変換される間接変換タイプの装置と、入射放射線が放射線感応型の半導体膜で直接電気信号に変換される直接変換タイプの装置とがある。
【０００３】
後者の直接変換タイプの装置は、放射線感応型の半導体膜の表面に形成された電圧印加電極に所定のバイアス電圧を印加するとともに、半導体膜の裏面に形成されたキャリア収集電極で放射線照射に伴って生成したキャリアを収集して放射線検出信号として取り出すことにより放射線の検出を行う構成となっている。
【０００４】
また、従来の直接変換タイプの放射線検出装置の中でも、アモルファス・セレンのような半導体厚膜を放射線感応型の半導体膜として用いる場合、アモルファス半導体は真空蒸着等の方法によって簡単に厚くて広い膜を形成できるので、大面積厚膜が必要な２次元アレイ型放射線検出装置を構成するのに適している。
【０００５】
従来の２次元アレイ方式の放射線検出装置は、図１１に示すように、電荷蓄積用のコンデンサＣａと通常時オフ（ＯＦＦ）状態の電荷読み出し用のスイッチ素子（例えば薄膜トランジスタ）８８とが縦・横式２次元マトリックス状配列で複数個形成された絶縁性の基板８６と、複数個の電荷蓄積用コンデンサＣａにそれぞれ電気的に接続されると共に複数個のキャリア収集電極８７を介して絶縁性の基板８６上に形成され、放射線が入射することにより電荷移動媒体（キャリア）が生成される半導体厚膜８１と、アモルファス半導体厚膜８１の表面に形成された電圧印加電極８２とから構成されている。なおキャリア収集電極８７毎に電荷蓄積用コンデンサＣａ及び電荷読み出し用のスイッチ素子８８がそれぞれ各1個ずつ設けられており、それぞれが、放射線検出ユニットである検出素子ＤＵを形成している。
【０００６】
ここで、電圧印加電極８２にバイアス電圧が印加された状態で、放射線が照射されると、アモルファス半導体厚膜８１で電荷が形成され、電荷蓄積用コンデンサＣａに蓄積されるが、蓄積された電荷は、スイッチ素子８８をオン（ＯＮ）状態とすることによって放射線検出信号として読み出される。
【０００７】
図１１の２次元アレイ構成の放射線検出装置を、例えばＸ線透視撮影装置の透過Ｘ線像の検出に用いた場合、放射線検出装置から出力される放射線検出信号に基づきＸ線透視画像が得られることになる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の放射線検出装置は、アモルファス半導体厚膜８１の表面に形成された電圧印加電極８２の端縁部で電界が集中して、この部分で絶縁破壊が起こりやすいという問題がある。この部分で起こる絶縁破壊のモードには2通りあり、１つは、電圧印加電極８２の端縁８２ａからアモルファス半導体厚膜８１の端縁８１ａの表面に沿って、読み出しライン８１０、ゲートライン８１１や接地ライン８１２が絶縁基板８６上でむき出しになっている部分８１０ａ、８１１ａ、８１２ａに至る間で絶縁破壊が起こる沿面放電のモードである。
【０００９】
もう１つの破壊モードは、電圧印加電極８２の端縁８２ａからアモルファス半導体厚膜８１の端縁８１ａ内部を貫通してキャリア収集電極８７ａに至る間で絶縁破壊が起こる貫通放電のモードである。
【００１０】
図１２は、電圧印加電極８２の端縁８２ａを拡大した図であり、電圧を印加した場合の電位分布が重ね書きして示されている。これは、電極端部近傍（電極表面から10μmまで）の電位分布を計算し、上部電極端部近傍での電場強度を予測したものである。同図から明らかなように、電極端部近傍で、電位変化が大きく電界が集中していることがわかる。そして、電圧印加電極８２の端縁８２ａに電界が集中する状態で高バイアスを印加し続けると、電圧印加電極端縁部で放電が生じ、かかる状態で、暗電流の取得を行なうと図１３（ｂ）に示されるような帯状または塊状の画像が得られる。ここで、図１３（ａ）は、電圧印加初期状態において検出装置から得られた画像であり、図１３（ｂ）は、電圧印加後１８時間後に検出装置から得られた画像を示している。これらの図において上部が灰色になっているのは、電極直下の暗電流によるものであり、図１３（ｂ）では、貫通放電の前段現象を示しており、放電による電流のため白くなっている。なお、これらのノイズは他の部分にも波及し、正常な動作が行われなくなる。さらに長時間高バイアスを印加し続けると、放電破壊が起こる確率が急激に上昇することとなる。
【００１１】
本発明は、このように電極端縁部への電界集中による問題を解決すべく創案されたものであり、放射線感応型半導体膜表面に形成した電圧印加電極端縁部の電界集中による貫通放電や沿面放電を阻止でき、安定した検出動作を長期保証できる放射線検出装置の提供を目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、電荷蓄積用のコンデンサと電荷読み出し用のスイッチ素子とが形成された絶縁性の基板と、前記絶縁性の基板上に形成され、前記電荷蓄積用コンデンサと電気的に接続されたキャリア収集電極と、前記キャリア収集電極上に形成され、放射線の入射により電荷移動媒体（キャリア）が生成される放射線感応型のアモルファス半導体厚膜と、前記アモルファス半導体厚膜の表面に形成された電圧印加電極からなり、放射線照射により前記アモルファス半導体厚膜で生成され、前記電荷蓄積用コンデンサに蓄積された電荷が、前記スイッチ素子を経由して放射線検出信号として読み出されるよう構成された放射線検出装置において、前記半導体厚膜上に形成された耐溶剤性かつキャリア選択性の高抵抗膜と、前記高抵抗膜と前記電圧印加電極の端縁部との間に形成された高耐圧の絶縁性物質とを有することを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、電荷蓄積用のコンデンサと電荷読み出し用のスイッチ素子とが形成された絶縁性の基板と、前記絶縁性の基板上に形成され、前記電荷蓄積用コンデンサと電気的に接続されたキャリア収集電極と、前記キャリア収集電極上に形成され、放射線の入射により電荷移動媒体（キャリア）が生成される放射線感応型の半導体厚膜と、前記半導体厚膜の表面に形成された電圧印加電極からなり、放射線照射により前記半導体厚膜で生成され、前記電荷蓄積用コンデンサに蓄積された電荷が、前記スイッチ素子を経由して放射線検出信号として読み出されるよう構成された放射線検出装置において、前記半導体厚膜と前記電圧印加電極の端縁部との間に形成された、その厚みを前記電極端縁部に向けて広くなるよう勾配をもたせ、前記電極端縁部内側に頂点を有する高耐圧の絶縁性物質とを有することを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の放射線検出装置において、キャリア収集電極を２次元マトリックス状に複数個形成し、各キャリア収集電極毎に電荷蓄積用のコンデンサおよび電荷読み出し用のスイッチ素子をそれぞれ設けることにより２次元アレイ構成としたことを特徴とする。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の放射線検出装置において、前記半導体厚膜は、アモルファス半導体厚膜であることを特徴とする。
【００１７】
次に、この発明に係る各放射線検出装置における作用を説明する。
この発明の放射線検出装置により放射線検出を行う場合、放射線感応型の半導体厚膜の表面側に形成された電圧印加電極にバイアス電圧を印加しておいて、検出対象の放射線を入射させる。そうすると、放射線の入射により半導体厚膜に生成した電荷移動媒体（キャリア）に相応してキャリア収集電極に電気的に接続された電荷蓄積コンデンサに電荷が蓄積されるとともに、電荷読み出し用のスイッチ素子のオン状態への移行に伴って蓄積電荷がスイッチ素子経由で放射線検出信号として読み出される。
【００１８】
そして、この発明の放射線検出装置の場合、半導体厚膜と電圧印加電極端縁部との間に、高耐圧の絶縁性物質が形成されているため、図１０の電界計算シミュレーションの結果からも推測されるように、電圧印加電極端縁部における電界集中が解消され、貫通放電の前段現象や、放電破壊が起こらなくなり、安定した検出動作が長期持続される。さらに、高耐圧の絶縁性物質を形成する前に、半導体厚膜上の少なくとも絶縁性物質を形成する部分との間に、耐溶剤性かつキャリア選択性の高抵抗膜が形成されているため、高耐圧の絶縁性物質の溶剤成分によって、半導体厚膜の表面が変質し、沿面放電が発生して耐圧が低下するというような現象は起こらない。また用途に適したキャリア選択性をもつ材料を適切に選べば、高抵抗膜の形成部分での感度低下や暗電流の増加等が抑えられる。
【００１９】
また、請求項２の放射線検出装置の場合、高耐圧の絶縁性物質の厚みに勾配をもたせ、内側に頂点を形成することによって、内側に限りなく薄く、外側が厚くなるように形成されているため、電圧印加電極端縁部の電界集中がさらに緩和され、さらに安定した検出動作が長期保証される。
【００２０】
請求項３の放射線検出装置の場合、２次元マトリックス状に複数個形成されている各キャリア収集電極毎に電荷蓄積用のコンデンサおよび電荷読み出し用のスイッチ素子がそれぞれ設けられていて、放射線検出ユニットがマトリックス状に並ぶ２次元アレイ構成となっており、各放射線検出ユニット毎に局所的な放射線検出が行われる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。図１は本発明の放射線検出装置の放射線センサ部の一実施形態の構成を示す概略断面図、図２は本発明の放射線検出装置の変形実施形態１を示す概略断面図、図３は本実施形態の放射線検出装置の変形実施形態２を示す概略断面図、図４は図１の実施形態の放射線検出装置の放射線センサ部の平面図、図５は図１の実施形態の放射線検出装置の全体構成を示すブロック図、図６は、高耐圧の絶縁性物質の形成方法を説明するための図、そして図７は本実施形態の放射線検出装置の放射線検出ユニットの検出動作を説明するための図である。
【００２３】
本実施形態の放射線検出装置は、図１に示すように、ＳｉＯ２層等からなるコンデンサＣａに蓄積された電荷を取り出すための通常時オフ（遮断）の電荷取り出し用のスイッチ素子８、例えば、トランジスタ（ＴＦＴ）とが形成されたガラス基板等の絶縁性の基板６と、電荷蓄積用コンデンサＣａと電気的に接続され、キャリア収集電極７を介して絶縁性の基板６上に形成された、放射線が入射することにより電荷移動媒体（キャリア）が生成されるアモルファス半導体厚膜１と、アモルファス半導体厚膜１の放射線入射側である表面に設けられた電圧印加電極２とを放射線センサ部として備えている。
【００２４】
また、本実施形態の放射線検出装置は、電圧印加電極２にバイアス電圧を印加するバイアス電圧供給部（電源部）Ｖｅを有し、電圧印加電極２にバイアス電圧が印加された状態で放射線が照射された場合、それに伴って生成したキャリアがキャリア収集電極７からコンデンサＣａに送り込まれて蓄積されるとともに、読み出しタイミングになった時にゲートライン１１からオン信号が送り込まれてスイッチ素子８がオン（接続）となって蓄積電荷が放射線検出信号として読み出しライン１０から読み出される構成になっている。以下、各部の構成を具体的に説明する。
【００２５】
本実施形態の放射線検出装置の場合、アモルファス半導体厚膜１は比抵抗１０9Ωｃｍ以上（好ましくは１０11Ωｃｍ以上）であって、膜厚み０．５ｍｍ前後〜１．５ｍｍ前後の高純度アモルファス・セレン（ａ−Ｓｅ）厚膜である。このａ−Ｓｅ厚膜は特に検出エリアの大面積化に対する適性に優れる。アモルファス半導体厚膜１は、もし薄いと放射線が素通りするようなかたちになって放射線を十分に吸収できなくなることから、０．５ｍｍ前後〜１．５ｍｍ前後の厚めの膜が用いられる。
【００２６】
電圧印加電極２およびキャリア収集電極７は、Ａｕ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｉｎ等の適当な金属やＩＴＯなどで形成される。もちろん、アモルファス半導体厚膜の材料や、電極の材料は上記に例示したものに限らない。
【００２７】
そして、本実施形態の放射線検出装置においては、特徴的な構成として、図１に示すように、端縁部２Ａにおけるアモルファス半導体厚膜１と電圧印加電極２の間に、高耐圧の絶縁性物質３であるシリコン樹脂が約１ｍｍの厚さで形成されている。高耐圧の絶縁性物質３の幅３Ａは、大きい程よい。なお、電圧印加電極２の大きさＬＡは、キャリア収集電極７への電界集中を避けるために、外周ダミー電極５を含めたキャリア収集電極領域の大きさＬＢより小さくする必要がある。逆にＬＡがＬＢより大きい場合は、外周ダミー電極５に電界が集中することになる。外周ダミー電極５は、電圧印加電極２の端縁部２Ａの直下に設置している電極であり、接地ライン１２に接続されている。なお、この外周ダミー電極５を、別段設けずに、キャリア収集電極７を電圧印加電極２の端縁部２Ａの直下に設けた場合であっても、特に差し支えはない。
【００２８】
また、図２に示す変形実施形態１では、アモルファス半導体厚膜１上の少なくとも高耐圧の絶縁性物質３を形成する部分との間に、耐溶剤性かつキャリア選択性の高抵抗膜４であるＳｂ２Ｓ３膜が約１μｍの厚さで形成されている。耐溶剤性かつキャリア選択性の高抵抗膜４の例として、Ｓｂ２Ｓ３膜を挙げたが、Ｓｂ２Ｓ３以外にも、ＣｄＳ、ＡｓＳｅ、ＳｅＴｅ、ＣｄＴｅ等の無機半導体膜や、キャリア移動材を添加したポリカーボネート等の有機膜材料が使用可能である。これらの膜厚は、キャリアの選択性、耐溶剤性、アモルファス半導体厚膜１との付着性によって異なるが、０．０５μｍから１０μｍの範囲で選択できる。なお、キャリア選択性の高抵抗膜は、一般に正バイアスで使用される場合はｎ型（正孔注入阻止型）の選択膜が、負バイアスで使用される場合はｐ型（電子注入阻止型）の選択膜が使用されるが、用途によってはこの限りではない。
【００２９】
さらに、図３に示す変形実施形態２では、高耐圧の絶縁性物質３であるシリコン樹脂は、その厚みに勾配をもたせ、外側の最も厚い部分で１ｍｍとし、内側では限りなく薄くなるように形成され先端部で頂点を形成している。この状態は、図１０の電界計算シミュレーションの結果を示すグラフのうち角度が最も小さい場合に相当し、電圧印加電極２の端縁部２Ａへの電界集中がさらに緩和されることとなる。なお、上述した変形実施形態２では、先端部で頂点を形成した構成を示したが、頂点を形成しない場合であっても良好な結果が得られるものと考えられる。
【００３０】
以上述べた、図１の実施形態と、図２の変形実施形態１、及び図３の変形実施形態２において、高耐圧の絶縁性物質３の例としてシリコン樹脂を挙げたが、樹脂中の溶剤成分とアモルファス半導体厚膜１との反応性が小さい材料であれば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂等も使用可能である。ただし、アモルファス半導体厚膜１にａ−Ｓｅを使用する場合は、ａ−Ｓｅが熱によって変性しやすいので、常温で硬化するタイプの樹脂を選択する必要がある。これらの絶縁性物質の形成厚は、必要とするバイアス電圧によって決まり、バイアス電圧が高ければ厚くすべきであることは言うまでもない。
【００３１】
さらに、本実施形態装置の放射線センサ部においては、図１、図４、及び図５に示すように、キャリア収集電極７は２次元マトリックス状に多数個形成されているとともに、各キャリア収集電極７毎に電荷蓄積用のコンデンサＣａおよび電荷読み出し用スイッチ素子８がそれぞれ各１個ずつ設けられていて、放射線検出ユニットである検出素子ＤＵがＸ，Ｙ方向に沿って多数配列（例えば１０２４×１０２４）された２次元アレイ構成のフラットパネル型放射線センサ（面センサ）となっている。なお、図４は、図１の放射線センサ部の平面図であり、図５は、その内部構成を模式的に示した図である。
【００３２】
すなわち、図５において、電圧印加電極２は全検出素子ＤＵの共通電極として全面に形成されているが、キャリア収集電極７は個別電極として２次元マトリックス状に各検出素子ＤＵ毎に分離形成されているとともに、キャリア収集電極７毎に電荷蓄積用コンデンサＣａおよび電荷読み出し用スイッチ素子８がそれぞれ１個ずつ接続されていて、各放射線検出ユニット毎に局所的な放射線検出が行える構成となっている結果、放射線強度の２次元分布測定が可能となる。
【００３３】
また、図１の実施形態の放射線センサ部では、図５に示すように、検出素子ＤＵのスイッチ素子８用薄膜トランジスタのゲートが横（Ｘ）方向のゲートライン１１に接続され、ソースが縦（Ｙ）方向の読出しライン１０に接続されている。読出しライン１０は電荷−電圧変換器群（プリアンプ群）１３を介してマルチプレクサ１５に接続されているとともに、ゲートライン１１はゲートドライバ１４に接続されている。なお、図１の実施形態では、１本の読出しライン１０に対して、電荷−電圧変換器１３が１個それぞれ接続されている。
【００３４】
そして、図１の実施形態の放射線検出装置の放射線センサ部の場合、マルチプレクサ１５およびゲートドライバ１４への信号取り出し用の走査信号が送り込まれることになる。放射線センサ部の検出素子ＤＵの特定は、Ｘ方向・Ｙ方向の配列に沿って各検出素子ＤＵへ順番に割り付けられているアドレス（例えば０〜１０２３）に基づいて行われるので、取り出し用の走査信号は、それぞれＸ方向アドレスまたはＹ方向アドレスを指定する信号となる。
【００３５】
Ｙ方向の走査信号に従ってゲートドライバ１４からＸ方向のゲートライン１１に対し取り出し用の電圧が印加されるのに伴い、各検出素子ＤＵが行単位で選択される。そして、Ｘ方向の走査信号に従ってマルチプレクサ１５が切替えられることにより、選択された行の検出素子ＤＵのコンデンサＣａに蓄積された電荷が、電荷−電圧変換器群１３…１３およびマルチプレクサ１５を順に経て外部に送り出されることになる。
【００３６】
図１の実施形態の放射線検出装置が、例えばＸ線透視撮影装置のＸ線検出器として用いられた場合、各検出素子ＤＵの検出信号がマルチプレクサ１５から画素信号として順に取り出された後、画像処理部ＤＴ部でノイズ処理等の必要な信号処理が行われてから画像処理部ＭＴで２次元画像（Ｘ線透視画像）として表示されることになる。
【００３７】
上記のことから、頭１の実施形態の放射線センサ部における検出信号の取り出し方式は、概ね通常のＴＶカメラなどの映像機器に類似の構成であると言える。図１の実施形態の場合、放射線センサ部に電荷−電圧変換器群１３およびマルチプレクサ１５やゲートドライバ１４さらには必要に応じてＡＤ変換器（図示省略）なども設置され、一段と集積化が図られた構成となっている。しかし、電荷−電圧変換器群１３およびマルチプレクサ１５やゲートドライバ１４あるいはＡＤ変換器などの全部または一部が別体設置である構成であってもかまわない。
【００３８】
以上、図１の実施形態を図４及び図５に示されるように、２次元構成とした場合を説明したが、図２及び図３の変形実施形態を同様に２次元構成として形成できることはいうまでもない。
【００３９】
次に、放射線センサ部を作成する方法について、図２に示される変形実施形態２の場合を例に説明する。まず、絶縁基板６の表面に、各種真空成膜法による薄膜形成技術やフォトリソグラフ法によるパターン化技術を利用して、スイッチ素子８用の薄膜トランジスタおよびコンデンサＣａ、及びキャリア収集電極７を形成する。次いで、アモルファス半導体厚膜１、キャリア選択性の高抵抗膜４、高耐圧の絶縁性物質３、及び電圧印加電極２を順に積層形成することで放射線センサ部が完成する。
【００４０】
ここで、高耐圧の絶縁性物質３として、シリコン樹脂を用いることができる。かかる場合、高耐圧・絶縁性のシリコン樹脂をアルコール系の溶剤を用いて粘度調整した材料を用いるが、これらは各種市販されているものを使用できる。絶縁性物質３の形成に際しては、アモルファス半導体厚膜１と高抵抗膜４が形成された絶縁性基板６における電圧印加電極２の端縁部２Ａに相当する所定の領域上を、圧縮空気等を用いてノズルの先からこれらの材料を射出しながら移動させることによって塗布した後、乾燥によってアルコール系の溶剤を飛ばして固着させる。この際、高耐圧の絶縁性物質３の厚さは、ノズルの断面形状や、ノズルとアモルファス半導体厚膜１との距離、圧縮空気の圧力、移動速度等によって、調節できる。移動は、ノズル側ではなく、基板側を移動することによっても可能である。
【００４１】
また、図６に示されるように先端を斜めに切断したノズルを用いることにより、図３に示された変形実施形態２にように高耐圧の絶縁性物質３の厚みに勾配をもたせ、内側が限りなく薄くした形態を容易に実現することが可能となる。
【００４２】
次に図１から図３に示した本実施形態の放射線検出装置による放射線検出動作を図７を参照しながら説明する。これらの実施形態によって放射線検出を行う場合、図７に示すように、アモルファス半導体厚膜１の表面側の電圧印加電極２にバイアス電圧が印加された状態で検出対象の放射線を入射させる。放射線の入射によって生成する電荷移動媒体（キャリア）である電子・正孔は、バイアス電圧によって電圧印加電極２とキャリア収集電極７に移動し、生成した数に相応してキャリア収集電極７側の電荷蓄積用コンデンサＣａに電荷が蓄積されるとともに、電荷読出し用スイッチ素子８のオン状態への移行に伴って蓄積電荷がスイッチ８経由で放射線検出信号として読み出された後、電荷−電圧変換器１３で電圧信号に変換される。
【００４３】
さらに、図１から図３の放射線検出装置の実施形態の場合、アモルファス半導体厚膜１と電圧印加電極２の端縁部２Ａの間に、高耐圧の絶縁性物質３が形成されているため、電圧印加電極端縁部２Ａへの電界集中がなくなり、貫通放電の前段現象や、放電破壊が起こらない。
【００４４】
しかも、アモルファス半導体厚膜１と電圧印加電極２の端縁部２Ａの間に、高耐圧の絶縁性物質３が形成された構造は、比較的耐環境性に劣るアモルファス半導体厚膜１の端縁部の保護膜としても機能する。
【００４５】
また、図２及び図３の実施形態では高耐圧の絶縁性物質３を形成する前に、アモルファス半導体厚膜１上の少なくとも絶縁性物質３を形成する部分との間に、耐溶剤性かつキャリア選択性の高抵抗膜４が形成されているため、高耐圧の絶縁性物質３の溶剤成分によって、アモルファス半導体厚膜１の表面が変質し、沿面放電が発生して耐圧が低下するというような現象は起こらない。
【００４６】
次に、本実施形態装置が、電極端縁部での貫通放電を防ぐ効果があることを検証するために電界計算を行なった。図１０にその結果を、図８、図９、及び図１２に計算モデルを示す。
【００４７】
図１０は、図１の実施形態に相当する場合で、電極端部に高耐圧の絶縁性物質を挿入して電極端を持ち上げた場合である。電極端部の絶縁性物質で持ち上げられた部分の幅は10mm，挿入した絶縁性物質は厚み1mm，比誘電率3.0としている。
【００４８】
図９は、変形実施形態２に相当する場合で、絶縁性物質の厚みに勾配をもたせ、内側が薄く、外側が厚くなるように形成した場合である。絶縁性物質の先端角は30,60度の２種類とした。
【００４９】
これに対して、図１２は、上述したように、従来例の絶縁性物質を挿入しない場合を示している。各々について、電極端部近傍（電極表面から10μmまで）の電位分布を計算し、上部電極端部近傍での電場強度を予測した。なお、図１２には、参考のために電圧を印加した場合の電位分布をも重ね書きして表示しており、既に述べたように、電極端部近傍で、電位変化が大きく電界が集中していることがわかる。
【００５０】
図１０は、図８、図９、及び図１２それぞれの場合における電界計算シミュレーションの結果を示している。なお、図１０において、横軸の「電極端部２Ａからの距離」とは、アモルファス半導体厚膜１面上の電極端部２Ａに対応する位置（アモルファス半導体厚膜表面）から深さ方向（下方向）の距離を示している。同図から明らかなように、絶縁性物質の先端角が鋭いほど（θが小さいほど）、深さ方向の電位降下が少なく、電界集中が少ないことがわかる。
【００５１】
この発明は、上述した通りであるが、上記の実施形態のみに限られるものではなく、例えば、下記のような実施形態を採用することも可能である。
（１）上記実施形態の場合、アモルファス半導体厚膜１が高純度ａ−Ｓｅ厚膜であったが、この発明におけるアモルファス半導体厚膜１は、結晶化阻止作用のあるＡｓまたはＴｅをドープしたａ−Ｓｅ厚膜や、Ｓｅ系化合物のアモルファス半導体厚膜であってもよい。また、アモルファス半導体厚膜に代えて、カドテル（ＣｄＴｅ）などの放射線感応膜を用いてもよい。
【００５２】
（２）また、上記実施の形態では、キャリア収集電極７とアモルファス半導体厚膜１の間には中間層を設けなかったが、Ｓｂ２Ｓ３膜やＳｅ系化合物膜等のキャリア選択性のある中間層を設けてもよい。
【００５３】
（３）さらに、上記実施の形態では、多数個の検出素子ＤＵが縦横に配列された２次元アレイ構成であったが、複数個の検出素子ＤＵが縦または横に１列だけ並んでいるラインセンサの構成の装置や、検出素子ＤＵが１個だけの構成の装置も、変形例としてあげられる。
【００５４】
（４）なお、本発明の放射線検出装置が検出対象とする放射線も、Ｘ線に限らずあらゆる放射線を対象とするものである。
【００５５】
【発明の効果】
請求項１に記載の放射線検出装置によれば、大面積化適性を有する放射線感応型半導体厚膜と電圧印加電極端縁部との間に、高耐圧の絶縁性物質を形成したため、電圧印加電極端縁部の電界集中がなくなり、貫通放電の前段現象や、放電破壊が起こらなくなり、安定した検出動作が長期持続される。
【００５６】
また、電圧印加電極端縁部に高耐圧の絶縁性物質が形成された構造は、比較的耐環境性に劣る半導体厚膜の保護膜としても機能するため、長期の信頼性を確保することができる。さらに、高耐圧の絶縁性物質を形成する前に、半導体厚膜上の少なくとも絶縁性物質を形成する部分との間に、耐溶剤性かつキャリア選択性の高抵抗膜を形成したため、高耐圧の硬化性合成樹脂の溶剤成分によって、半導体厚膜の表面が変質することを防ぐだけでなく、暗電流の増加を防ぐ効果があり、高いバイアス電圧をかけても暗電流の増加が少なく、高感度な検出特性を得ることができる。
【００５７】
請求項２の放射線検出装置によれば、高耐圧の絶縁性物質の厚みに勾配をもたせ、内側が限りなく薄く、外側が厚くなるように形成したため、電圧印加電極端縁部の電界集中がさらに緩和され、長期の信頼性を得ることができる。
【００５８】
請求項３の放射線検出装置によれば、２次元マトリックス状に多数個形成されている各キャリア収集電極毎に電荷蓄積用のコンデンサおよび電荷読み出し用のスイッチ素子がそれぞれ設けられていて、放射線検出ユニットがマトリックス状に並ぶ２次元アレイ構成となっており、各放射線検出ユニット毎に局所的な放射線検出が行えるので、高いバイアス電圧をかけて高精度な放射線強度の２次元分布測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である放射線センサ部の構成を示す概略断面図である。
【図２】本発明の変形実施形態である放射線センサ部の構成を示す概略断面図である。
【図３】本発明の変形実施形態である放射線センサ部の構成を示す概略断面図である。
【図４】本発明の一実施形態である放射線センサ部の平面図である。
【図５】本発明の一実施形態である放射線検出装置の全体構成を示すブロック図である。
【図６】本発明にかかる高耐圧の絶縁性物質を形成する方法を説明する図である。
【図７】本発明の一実施形態である放射線検出ユニットの検出動作状況を示す説明図である。
【図８】本発明の一実施形態である放射線検出ユニットの高耐圧の絶縁性物質の部分を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態である放射線検出ユニットの高耐圧の絶縁性物質の部分を示す図である。
【図１０】放射線検出装置の電界計算シミュレーションの結果を示すグラフである。
【図１１】従来の放射線検出装置の要部構成を示す概略断面図である。
【図１２】従来の放射線検出装置における電荷集中の状態を示す図である。
【図１３】従来の放射線検出装置において放電発生の状態を示す実験例である。
【符号の説明】
１ …アモルファス半導体厚膜
２ …電圧印加電極
３ …高耐圧の絶縁性物質
４ …耐溶剤性かつキャリア選択性の高抵抗膜
５ …外周ダミー電極
６ …絶縁性基板
７ …キャリア収集電極
８ …スイッチ素子
１０…読み出しライン
１１…ゲートライン
１２…接地ライン
１３…電荷−電圧変換器
１４…ゲートドライバ
１５…マルチプレクサ
Ｃａ…電荷蓄積用コンデンサ
Ｖｅ…バイアス電圧供給部
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療分野、工業分野、さらには原子力分野などに用いられる直接変換タイプの放射線検出装置に係り、特に放射線感応型半導体膜の耐圧特性改善のための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
放射線（例えばＸ線）の検出装置には、放射線（例えばＸ線）がまず光に変換された後で変換光がさらに光電変換で電気信号へ変換される間接変換タイプの装置と、入射放射線が放射線感応型の半導体膜で直接電気信号に変換される直接変換タイプの装置とがある。
【０００３】
後者の直接変換タイプの装置は、放射線感応型の半導体膜の表面に形成された電圧印加電極に所定のバイアス電圧を印加するとともに、半導体膜の裏面に形成されたキャリア収集電極で放射線照射に伴って生成したキャリアを収集して放射線検出信号として取り出すことにより放射線の検出を行う構成となっている。
【０００４】
また、従来の直接変換タイプの放射線検出装置の中でも、アモルファス・セレンのような半導体厚膜を放射線感応型の半導体膜として用いる場合、アモルファス半導体は真空蒸着等の方法によって簡単に厚くて広い膜を形成できるので、大面積厚膜が必要な２次元アレイ型放射線検出装置を構成するのに適している。
【０００５】
従来の２次元アレイ方式の放射線検出装置は、図１１に示すように、電荷蓄積用のコンデンサＣａと通常時オフ（ＯＦＦ）状態の電荷読み出し用のスイッチ素子（例えば薄膜トランジスタ）８８とが縦・横式２次元マトリックス状配列で複数個形成された絶縁性の基板８６と、複数個の電荷蓄積用コンデンサＣａにそれぞれ電気的に接続されると共に複数個のキャリア収集電極８７を介して絶縁性の基板８６上に形成され、放射線が入射することにより電荷移動媒体（キャリア）が生成される半導体厚膜８１と、アモルファス半導体厚膜８１の表面に形成された電圧印加電極８２とから構成されている。なおキャリア収集電極８７毎に電荷蓄積用コンデンサＣａ及び電荷読み出し用のスイッチ素子８８がそれぞれ各1個ずつ設けられており、それぞれが、放射線検出ユニットである検出素子ＤＵを形成している。
【０００６】
ここで、電圧印加電極８２にバイアス電圧が印加された状態で、放射線が照射されると、アモルファス半導体厚膜８１で電荷が形成され、電荷蓄積用コンデンサＣａに蓄積されるが、蓄積された電荷は、スイッチ素子８８をオン（ＯＮ）状態とすることによって放射線検出信号として読み出される。
【０００７】
図１１の２次元アレイ構成の放射線検出装置を、例えばＸ線透視撮影装置の透過Ｘ線像の検出に用いた場合、放射線検出装置から出力される放射線検出信号に基づきＸ線透視画像が得られることになる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の放射線検出装置は、アモルファス半導体厚膜８１の表面に形成された電圧印加電極８２の端縁部で電界が集中して、この部分で絶縁破壊が起こりやすいという問題がある。この部分で起こる絶縁破壊のモードには2通りあり、１つは、電圧印加電極８２の端縁８２ａからアモルファス半導体厚膜８１の端縁８１ａの表面に沿って、読み出しライン８１０、ゲートライン８１１や接地ライン８１２が絶縁基板８６上でむき出しになっている部分８１０ａ、８１１ａ、８１２ａに至る間で絶縁破壊が起こる沿面放電のモードである。
【０００９】
もう１つの破壊モードは、電圧印加電極８２の端縁８２ａからアモルファス半導体厚膜８１の端縁８１ａ内部を貫通してキャリア収集電極８７ａに至る間で絶縁破壊が起こる貫通放電のモードである。
【００１０】
図１２は、電圧印加電極８２の端縁８２ａを拡大した図であり、電圧を印加した場合の電位分布が重ね書きして示されている。これは、電極端部近傍（電極表面から10μmまで）の電位分布を計算し、上部電極端部近傍での電場強度を予測したものである。同図から明らかなように、電極端部近傍で、電位変化が大きく電界が集中していることがわかる。そして、電圧印加電極８２の端縁８２ａに電界が集中する状態で高バイアスを印加し続けると、電圧印加電極端縁部で放電が生じ、かかる状態で、暗電流の取得を行なうと図１３（ｂ）に示されるような帯状または塊状の画像が得られる。ここで、図１３（ａ）は、電圧印加初期状態において検出装置から得られた画像であり、図１３（ｂ）は、電圧印加後１８時間後に検出装置から得られた画像を示している。これらの図において上部が灰色になっているのは、電極直下の暗電流によるものであり、図１３（ｂ）では、貫通放電の前段現象を示しており、放電による電流のため白くなっている。なお、これらのノイズは他の部分にも波及し、正常な動作が行われなくなる。さらに長時間高バイアスを印加し続けると、放電破壊が起こる確率が急激に上昇することとなる。
【００１１】
本発明は、このように電極端縁部への電界集中による問題を解決すべく創案されたものであり、放射線感応型半導体膜表面に形成した電圧印加電極端縁部の電界集中による貫通放電や沿面放電を阻止でき、安定した検出動作を長期保証できる放射線検出装置の提供を目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、電荷蓄積用のコンデンサと電荷読み出し用のスイッチ素子とが形成された絶縁性の基板と、前記絶縁性の基板上に形成され、前記電荷蓄積用コンデンサと電気的に接続されたキャリア収集電極と、前記キャリア収集電極上に形成され、放射線の入射により電荷移動媒体（キャリア）が生成される放射線感応型のアモルファス半導体厚膜と、前記アモルファス半導体厚膜の表面に形成された電圧印加電極からなり、放射線照射により前記アモルファス半導体厚膜で生成され、前記電荷蓄積用コンデンサに蓄積された電荷が、前記スイッチ素子を経由して放射線検出信号として読み出されるよう構成された放射線検出装置において、前記半導体厚膜上に形成された耐溶剤性かつキャリア選択性の高抵抗膜と、前記高抵抗膜と前記電圧印加電極の端縁部との間に形成された高耐圧の絶縁性物質とを有することを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、電荷蓄積用のコンデンサと電荷読み出し用のスイッチ素子とが形成された絶縁性の基板と、前記絶縁性の基板上に形成され、前記電荷蓄積用コンデンサと電気的に接続されたキャリア収集電極と、前記キャリア収集電極上に形成され、放射線の入射により電荷移動媒体（キャリア）が生成される放射線感応型の半導体厚膜と、前記半導体厚膜の表面に形成された電圧印加電極からなり、放射線照射により前記半導体厚膜で生成され、前記電荷蓄積用コンデンサに蓄積された電荷が、前記スイッチ素子を経由して放射線検出信号として読み出されるよう構成された放射線検出装置において、前記半導体厚膜と前記電圧印加電極の端縁部との間に形成された、その厚みを前記電極端縁部に向けて広くなるよう勾配をもたせ、前記電極端縁部内側に頂点を有する高耐圧の絶縁性物質とを有することを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の放射線検出装置において、キャリア収集電極を２次元マトリックス状に複数個形成し、各キャリア収集電極毎に電荷蓄積用のコンデンサおよび電荷読み出し用のスイッチ素子をそれぞれ設けることにより２次元アレイ構成としたことを特徴とする。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の放射線検出装置において、前記半導体厚膜は、アモルファス半導体厚膜であることを特徴とする。
【００１７】
次に、この発明に係る各放射線検出装置における作用を説明する。
この発明の放射線検出装置により放射線検出を行う場合、放射線感応型の半導体厚膜の表面側に形成された電圧印加電極にバイアス電圧を印加しておいて、検出対象の放射線を入射させる。そうすると、放射線の入射により半導体厚膜に生成した電荷移動媒体（キャリア）に相応してキャリア収集電極に電気的に接続された電荷蓄積コンデンサに電荷が蓄積されるとともに、電荷読み出し用のスイッチ素子のオン状態への移行に伴って蓄積電荷がスイッチ素子経由で放射線検出信号として読み出される。
【００１８】
そして、この発明の放射線検出装置の場合、半導体厚膜と電圧印加電極端縁部との間に、高耐圧の絶縁性物質が形成されているため、図１０の電界計算シミュレーションの結果からも推測されるように、電圧印加電極端縁部における電界集中が解消され、貫通放電の前段現象や、放電破壊が起こらなくなり、安定した検出動作が長期持続される。さらに、高耐圧の絶縁性物質を形成する前に、半導体厚膜上の少なくとも絶縁性物質を形成する部分との間に、耐溶剤性かつキャリア選択性の高抵抗膜が形成されているため、高耐圧の絶縁性物質の溶剤成分によって、半導体厚膜の表面が変質し、沿面放電が発生して耐圧が低下するというような現象は起こらない。また用途に適したキャリア選択性をもつ材料を適切に選べば、高抵抗膜の形成部分での感度低下や暗電流の増加等が抑えられる。
【００１９】
また、請求項２の放射線検出装置の場合、高耐圧の絶縁性物質の厚みに勾配をもたせ、内側に頂点を形成することによって、内側に限りなく薄く、外側が厚くなるように形成されているため、電圧印加電極端縁部の電界集中がさらに緩和され、さらに安定した検出動作が長期保証される。
【００２０】
請求項３の放射線検出装置の場合、２次元マトリックス状に複数個形成されている各キャリア収集電極毎に電荷蓄積用のコンデンサおよび電荷読み出し用のスイッチ素子がそれぞれ設けられていて、放射線検出ユニットがマトリックス状に並ぶ２次元アレイ構成となっており、各放射線検出ユニット毎に局所的な放射線検出が行われる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。図１は本発明の放射線検出装置の放射線センサ部の一実施形態の構成を示す概略断面図、図２は本発明の放射線検出装置の変形実施形態１を示す概略断面図、図３は本実施形態の放射線検出装置の変形実施形態２を示す概略断面図、図４は図１の実施形態の放射線検出装置の放射線センサ部の平面図、図５は図１の実施形態の放射線検出装置の全体構成を示すブロック図、図６は、高耐圧の絶縁性物質の形成方法を説明するための図、そして図７は本実施形態の放射線検出装置の放射線検出ユニットの検出動作を説明するための図である。
【００２３】
本実施形態の放射線検出装置は、図１に示すように、ＳｉＯ２層等からなるコンデンサＣａに蓄積された電荷を取り出すための通常時オフ（遮断）の電荷取り出し用のスイッチ素子８、例えば、トランジスタ（ＴＦＴ）とが形成されたガラス基板等の絶縁性の基板６と、電荷蓄積用コンデンサＣａと電気的に接続され、キャリア収集電極７を介して絶縁性の基板６上に形成された、放射線が入射することにより電荷移動媒体（キャリア）が生成されるアモルファス半導体厚膜１と、アモルファス半導体厚膜１の放射線入射側である表面に設けられた電圧印加電極２とを放射線センサ部として備えている。
【００２４】
また、本実施形態の放射線検出装置は、電圧印加電極２にバイアス電圧を印加するバイアス電圧供給部（電源部）Ｖｅを有し、電圧印加電極２にバイアス電圧が印加された状態で放射線が照射された場合、それに伴って生成したキャリアがキャリア収集電極７からコンデンサＣａに送り込まれて蓄積されるとともに、読み出しタイミングになった時にゲートライン１１からオン信号が送り込まれてスイッチ素子８がオン（接続）となって蓄積電荷が放射線検出信号として読み出しライン１０から読み出される構成になっている。以下、各部の構成を具体的に説明する。
【００２５】
本実施形態の放射線検出装置の場合、アモルファス半導体厚膜１は比抵抗１０9Ωｃｍ以上（好ましくは１０11Ωｃｍ以上）であって、膜厚み０．５ｍｍ前後〜１．５ｍｍ前後の高純度アモルファス・セレン（ａ−Ｓｅ）厚膜である。このａ−Ｓｅ厚膜は特に検出エリアの大面積化に対する適性に優れる。アモルファス半導体厚膜１は、もし薄いと放射線が素通りするようなかたちになって放射線を十分に吸収できなくなることから、０．５ｍｍ前後〜１．５ｍｍ前後の厚めの膜が用いられる。
【００２６】
電圧印加電極２およびキャリア収集電極７は、Ａｕ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｉｎ等の適当な金属やＩＴＯなどで形成される。もちろん、アモルファス半導体厚膜の材料や、電極の材料は上記に例示したものに限らない。
【００２７】
そして、本実施形態の放射線検出装置においては、特徴的な構成として、図１に示すように、端縁部２Ａにおけるアモルファス半導体厚膜１と電圧印加電極２の間に、高耐圧の絶縁性物質３であるシリコン樹脂が約１ｍｍの厚さで形成されている。高耐圧の絶縁性物質３の幅３Ａは、大きい程よい。なお、電圧印加電極２の大きさＬＡは、キャリア収集電極７への電界集中を避けるために、外周ダミー電極５を含めたキャリア収集電極領域の大きさＬＢより小さくする必要がある。逆にＬＡがＬＢより大きい場合は、外周ダミー電極５に電界が集中することになる。外周ダミー電極５は、電圧印加電極２の端縁部２Ａの直下に設置している電極であり、接地ライン１２に接続されている。なお、この外周ダミー電極５を、別段設けずに、キャリア収集電極７を電圧印加電極２の端縁部２Ａの直下に設けた場合であっても、特に差し支えはない。
【００２８】
また、図２に示す変形実施形態１では、アモルファス半導体厚膜１上の少なくとも高耐圧の絶縁性物質３を形成する部分との間に、耐溶剤性かつキャリア選択性の高抵抗膜４であるＳｂ２Ｓ３膜が約１μｍの厚さで形成されている。耐溶剤性かつキャリア選択性の高抵抗膜４の例として、Ｓｂ２Ｓ３膜を挙げたが、Ｓｂ２Ｓ３以外にも、ＣｄＳ、ＡｓＳｅ、ＳｅＴｅ、ＣｄＴｅ等の無機半導体膜や、キャリア移動材を添加したポリカーボネート等の有機膜材料が使用可能である。これらの膜厚は、キャリアの選択性、耐溶剤性、アモルファス半導体厚膜１との付着性によって異なるが、０．０５μｍから１０μｍの範囲で選択できる。なお、キャリア選択性の高抵抗膜は、一般に正バイアスで使用される場合はｎ型（正孔注入阻止型）の選択膜が、負バイアスで使用される場合はｐ型（電子注入阻止型）の選択膜が使用されるが、用途によってはこの限りではない。
【００２９】
さらに、図３に示す変形実施形態２では、高耐圧の絶縁性物質３であるシリコン樹脂は、その厚みに勾配をもたせ、外側の最も厚い部分で１ｍｍとし、内側では限りなく薄くなるように形成され先端部で頂点を形成している。この状態は、図１０の電界計算シミュレーションの結果を示すグラフのうち角度が最も小さい場合に相当し、電圧印加電極２の端縁部２Ａへの電界集中がさらに緩和されることとなる。なお、上述した変形実施形態２では、先端部で頂点を形成した構成を示したが、頂点を形成しない場合であっても良好な結果が得られるものと考えられる。
【００３０】
以上述べた、図１の実施形態と、図２の変形実施形態１、及び図３の変形実施形態２において、高耐圧の絶縁性物質３の例としてシリコン樹脂を挙げたが、樹脂中の溶剤成分とアモルファス半導体厚膜１との反応性が小さい材料であれば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂等も使用可能である。ただし、アモルファス半導体厚膜１にａ−Ｓｅを使用する場合は、ａ−Ｓｅが熱によって変性しやすいので、常温で硬化するタイプの樹脂を選択する必要がある。これらの絶縁性物質の形成厚は、必要とするバイアス電圧によって決まり、バイアス電圧が高ければ厚くすべきであることは言うまでもない。
【００３１】
さらに、本実施形態装置の放射線センサ部においては、図１、図４、及び図５に示すように、キャリア収集電極７は２次元マトリックス状に多数個形成されているとともに、各キャリア収集電極７毎に電荷蓄積用のコンデンサＣａおよび電荷読み出し用スイッチ素子８がそれぞれ各１個ずつ設けられていて、放射線検出ユニットである検出素子ＤＵがＸ，Ｙ方向に沿って多数配列（例えば１０２４×１０２４）された２次元アレイ構成のフラットパネル型放射線センサ（面センサ）となっている。なお、図４は、図１の放射線センサ部の平面図であり、図５は、その内部構成を模式的に示した図である。
【００３２】
すなわち、図５において、電圧印加電極２は全検出素子ＤＵの共通電極として全面に形成されているが、キャリア収集電極７は個別電極として２次元マトリックス状に各検出素子ＤＵ毎に分離形成されているとともに、キャリア収集電極７毎に電荷蓄積用コンデンサＣａおよび電荷読み出し用スイッチ素子８がそれぞれ１個ずつ接続されていて、各放射線検出ユニット毎に局所的な放射線検出が行える構成となっている結果、放射線強度の２次元分布測定が可能となる。
【００３３】
また、図１の実施形態の放射線センサ部では、図５に示すように、検出素子ＤＵのスイッチ素子８用薄膜トランジスタのゲートが横（Ｘ）方向のゲートライン１１に接続され、ソースが縦（Ｙ）方向の読出しライン１０に接続されている。読出しライン１０は電荷−電圧変換器群（プリアンプ群）１３を介してマルチプレクサ１５に接続されているとともに、ゲートライン１１はゲートドライバ１４に接続されている。なお、図１の実施形態では、１本の読出しライン１０に対して、電荷−電圧変換器１３が１個それぞれ接続されている。
【００３４】
そして、図１の実施形態の放射線検出装置の放射線センサ部の場合、マルチプレクサ１５およびゲートドライバ１４への信号取り出し用の走査信号が送り込まれることになる。放射線センサ部の検出素子ＤＵの特定は、Ｘ方向・Ｙ方向の配列に沿って各検出素子ＤＵへ順番に割り付けられているアドレス（例えば０〜１０２３）に基づいて行われるので、取り出し用の走査信号は、それぞれＸ方向アドレスまたはＹ方向アドレスを指定する信号となる。
【００３５】
Ｙ方向の走査信号に従ってゲートドライバ１４からＸ方向のゲートライン１１に対し取り出し用の電圧が印加されるのに伴い、各検出素子ＤＵが行単位で選択される。そして、Ｘ方向の走査信号に従ってマルチプレクサ１５が切替えられることにより、選択された行の検出素子ＤＵのコンデンサＣａに蓄積された電荷が、電荷−電圧変換器群１３…１３およびマルチプレクサ１５を順に経て外部に送り出されることになる。
【００３６】
図１の実施形態の放射線検出装置が、例えばＸ線透視撮影装置のＸ線検出器として用いられた場合、各検出素子ＤＵの検出信号がマルチプレクサ１５から画素信号として順に取り出された後、画像処理部ＤＴ部でノイズ処理等の必要な信号処理が行われてから画像処理部ＭＴで２次元画像（Ｘ線透視画像）として表示されることになる。
【００３７】
上記のことから、頭１の実施形態の放射線センサ部における検出信号の取り出し方式は、概ね通常のＴＶカメラなどの映像機器に類似の構成であると言える。図１の実施形態の場合、放射線センサ部に電荷−電圧変換器群１３およびマルチプレクサ１５やゲートドライバ１４さらには必要に応じてＡＤ変換器（図示省略）なども設置され、一段と集積化が図られた構成となっている。しかし、電荷−電圧変換器群１３およびマルチプレクサ１５やゲートドライバ１４あるいはＡＤ変換器などの全部または一部が別体設置である構成であってもかまわない。
【００３８】
以上、図１の実施形態を図４及び図５に示されるように、２次元構成とした場合を説明したが、図２及び図３の変形実施形態を同様に２次元構成として形成できることはいうまでもない。
【００３９】
次に、放射線センサ部を作成する方法について、図２に示される変形実施形態２の場合を例に説明する。まず、絶縁基板６の表面に、各種真空成膜法による薄膜形成技術やフォトリソグラフ法によるパターン化技術を利用して、スイッチ素子８用の薄膜トランジスタおよびコンデンサＣａ、及びキャリア収集電極７を形成する。次いで、アモルファス半導体厚膜１、キャリア選択性の高抵抗膜４、高耐圧の絶縁性物質３、及び電圧印加電極２を順に積層形成することで放射線センサ部が完成する。
【００４０】
ここで、高耐圧の絶縁性物質３として、シリコン樹脂を用いることができる。かかる場合、高耐圧・絶縁性のシリコン樹脂をアルコール系の溶剤を用いて粘度調整した材料を用いるが、これらは各種市販されているものを使用できる。絶縁性物質３の形成に際しては、アモルファス半導体厚膜１と高抵抗膜４が形成された絶縁性基板６における電圧印加電極２の端縁部２Ａに相当する所定の領域上を、圧縮空気等を用いてノズルの先からこれらの材料を射出しながら移動させることによって塗布した後、乾燥によってアルコール系の溶剤を飛ばして固着させる。この際、高耐圧の絶縁性物質３の厚さは、ノズルの断面形状や、ノズルとアモルファス半導体厚膜１との距離、圧縮空気の圧力、移動速度等によって、調節できる。移動は、ノズル側ではなく、基板側を移動することによっても可能である。
【００４１】
また、図６に示されるように先端を斜めに切断したノズルを用いることにより、図３に示された変形実施形態２にように高耐圧の絶縁性物質３の厚みに勾配をもたせ、内側が限りなく薄くした形態を容易に実現することが可能となる。
【００４２】
次に図１から図３に示した本実施形態の放射線検出装置による放射線検出動作を図７を参照しながら説明する。これらの実施形態によって放射線検出を行う場合、図７に示すように、アモルファス半導体厚膜１の表面側の電圧印加電極２にバイアス電圧が印加された状態で検出対象の放射線を入射させる。放射線の入射によって生成する電荷移動媒体（キャリア）である電子・正孔は、バイアス電圧によって電圧印加電極２とキャリア収集電極７に移動し、生成した数に相応してキャリア収集電極７側の電荷蓄積用コンデンサＣａに電荷が蓄積されるとともに、電荷読出し用スイッチ素子８のオン状態への移行に伴って蓄積電荷がスイッチ８経由で放射線検出信号として読み出された後、電荷−電圧変換器１３で電圧信号に変換される。
【００４３】
さらに、図１から図３の放射線検出装置の実施形態の場合、アモルファス半導体厚膜１と電圧印加電極２の端縁部２Ａの間に、高耐圧の絶縁性物質３が形成されているため、電圧印加電極端縁部２Ａへの電界集中がなくなり、貫通放電の前段現象や、放電破壊が起こらない。
【００４４】
しかも、アモルファス半導体厚膜１と電圧印加電極２の端縁部２Ａの間に、高耐圧の絶縁性物質３が形成された構造は、比較的耐環境性に劣るアモルファス半導体厚膜１の端縁部の保護膜としても機能する。
【００４５】
また、図２及び図３の実施形態では高耐圧の絶縁性物質３を形成する前に、アモルファス半導体厚膜１上の少なくとも絶縁性物質３を形成する部分との間に、耐溶剤性かつキャリア選択性の高抵抗膜４が形成されているため、高耐圧の絶縁性物質３の溶剤成分によって、アモルファス半導体厚膜１の表面が変質し、沿面放電が発生して耐圧が低下するというような現象は起こらない。
【００４６】
次に、本実施形態装置が、電極端縁部での貫通放電を防ぐ効果があることを検証するために電界計算を行なった。図１０にその結果を、図８、図９、及び図１２に計算モデルを示す。
【００４７】
図１０は、図１の実施形態に相当する場合で、電極端部に高耐圧の絶縁性物質を挿入して電極端を持ち上げた場合である。電極端部の絶縁性物質で持ち上げられた部分の幅は10mm，挿入した絶縁性物質は厚み1mm，比誘電率3.0としている。
【００４８】
図９は、変形実施形態２に相当する場合で、絶縁性物質の厚みに勾配をもたせ、内側が薄く、外側が厚くなるように形成した場合である。絶縁性物質の先端角は30,60度の２種類とした。
【００４９】
これに対して、図１２は、上述したように、従来例の絶縁性物質を挿入しない場合を示している。各々について、電極端部近傍（電極表面から10μmまで）の電位分布を計算し、上部電極端部近傍での電場強度を予測した。なお、図１２には、参考のために電圧を印加した場合の電位分布をも重ね書きして表示しており、既に述べたように、電極端部近傍で、電位変化が大きく電界が集中していることがわかる。
【００５０】
図１０は、図８、図９、及び図１２それぞれの場合における電界計算シミュレーションの結果を示している。なお、図１０において、横軸の「電極端部２Ａからの距離」とは、アモルファス半導体厚膜１面上の電極端部２Ａに対応する位置（アモルファス半導体厚膜表面）から深さ方向（下方向）の距離を示している。同図から明らかなように、絶縁性物質の先端角が鋭いほど（θが小さいほど）、深さ方向の電位降下が少なく、電界集中が少ないことがわかる。
【００５１】
この発明は、上述した通りであるが、上記の実施形態のみに限られるものではなく、例えば、下記のような実施形態を採用することも可能である。
（１）上記実施形態の場合、アモルファス半導体厚膜１が高純度ａ−Ｓｅ厚膜であったが、この発明におけるアモルファス半導体厚膜１は、結晶化阻止作用のあるＡｓまたはＴｅをドープしたａ−Ｓｅ厚膜や、Ｓｅ系化合物のアモルファス半導体厚膜であってもよい。また、アモルファス半導体厚膜に代えて、カドテル（ＣｄＴｅ）などの放射線感応膜を用いてもよい。
【００５２】
（２）また、上記実施の形態では、キャリア収集電極７とアモルファス半導体厚膜１の間には中間層を設けなかったが、Ｓｂ２Ｓ３膜やＳｅ系化合物膜等のキャリア選択性のある中間層を設けてもよい。
【００５３】
（３）さらに、上記実施の形態では、多数個の検出素子ＤＵが縦横に配列された２次元アレイ構成であったが、複数個の検出素子ＤＵが縦または横に１列だけ並んでいるラインセンサの構成の装置や、検出素子ＤＵが１個だけの構成の装置も、変形例としてあげられる。
【００５４】
（４）なお、本発明の放射線検出装置が検出対象とする放射線も、Ｘ線に限らずあらゆる放射線を対象とするものである。
【００５５】
【発明の効果】
請求項１に記載の放射線検出装置によれば、大面積化適性を有する放射線感応型半導体厚膜と電圧印加電極端縁部との間に、高耐圧の絶縁性物質を形成したため、電圧印加電極端縁部の電界集中がなくなり、貫通放電の前段現象や、放電破壊が起こらなくなり、安定した検出動作が長期持続される。
【００５６】
また、電圧印加電極端縁部に高耐圧の絶縁性物質が形成された構造は、比較的耐環境性に劣る半導体厚膜の保護膜としても機能するため、長期の信頼性を確保することができる。さらに、高耐圧の絶縁性物質を形成する前に、半導体厚膜上の少なくとも絶縁性物質を形成する部分との間に、耐溶剤性かつキャリア選択性の高抵抗膜を形成したため、高耐圧の硬化性合成樹脂の溶剤成分によって、半導体厚膜の表面が変質することを防ぐだけでなく、暗電流の増加を防ぐ効果があり、高いバイアス電圧をかけても暗電流の増加が少なく、高感度な検出特性を得ることができる。
【００５７】
請求項２の放射線検出装置によれば、高耐圧の絶縁性物質の厚みに勾配をもたせ、内側が限りなく薄く、外側が厚くなるように形成したため、電圧印加電極端縁部の電界集中がさらに緩和され、長期の信頼性を得ることができる。
【００５８】
請求項３の放射線検出装置によれば、２次元マトリックス状に多数個形成されている各キャリア収集電極毎に電荷蓄積用のコンデンサおよび電荷読み出し用のスイッチ素子がそれぞれ設けられていて、放射線検出ユニットがマトリックス状に並ぶ２次元アレイ構成となっており、各放射線検出ユニット毎に局所的な放射線検出が行えるので、高いバイアス電圧をかけて高精度な放射線強度の２次元分布測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である放射線センサ部の構成を示す概略断面図である。
【図２】本発明の変形実施形態である放射線センサ部の構成を示す概略断面図である。
【図３】本発明の変形実施形態である放射線センサ部の構成を示す概略断面図である。
【図４】本発明の一実施形態である放射線センサ部の平面図である。
【図５】本発明の一実施形態である放射線検出装置の全体構成を示すブロック図である。
【図６】本発明にかかる高耐圧の絶縁性物質を形成する方法を説明する図である。
【図７】本発明の一実施形態である放射線検出ユニットの検出動作状況を示す説明図である。
【図８】本発明の一実施形態である放射線検出ユニットの高耐圧の絶縁性物質の部分を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態である放射線検出ユニットの高耐圧の絶縁性物質の部分を示す図である。
【図１０】放射線検出装置の電界計算シミュレーションの結果を示すグラフである。
【図１１】従来の放射線検出装置の要部構成を示す概略断面図である。
【図１２】従来の放射線検出装置における電荷集中の状態を示す図である。
【図１３】従来の放射線検出装置において放電発生の状態を示す実験例である。
【符号の説明】
１ …アモルファス半導体厚膜
２ …電圧印加電極
３ …高耐圧の絶縁性物質
４ …耐溶剤性かつキャリア選択性の高抵抗膜
５ …外周ダミー電極
６ …絶縁性基板
７ …キャリア収集電極
８ …スイッチ素子
１０…読み出しライン
１１…ゲートライン
１２…接地ライン
１３…電荷−電圧変換器
１４…ゲートドライバ
１５…マルチプレクサ
Ｃａ…電荷蓄積用コンデンサ
Ｖｅ…バイアス電圧供給部
Claims (4)
- 電荷蓄積用のコンデンサと電荷読み出し用のスイッチ素子とが形成された絶縁性の基板と、
前記絶縁性の基板上に形成され、前記電荷蓄積用コンデンサと電気的に接続されたキャリア収集電極と、
前記キャリア収集電極上に形成され、放射線の入射により電荷移動媒体（キャリア）が生成される放射線感応型の半導体厚膜と、
前記半導体厚膜の表面に形成された電圧印加電極からなり、放射線照射により前記半導体厚膜で生成され、前記電荷蓄積用コンデンサに蓄積された電荷が、前記スイッチ素子を経由して放射線検出信号として読み出されるよう構成された放射線検出装置において、
前記半導体厚膜上に形成された耐溶剤性かつキャリア選択性の高抵抗膜と、
前記高抵抗膜と前記電圧印加電極の端縁部との間に形成された高耐圧の絶縁性物質と
を有することを特徴とする放射線検出装置。 - 電荷蓄積用のコンデンサと電荷読み出し用のスイッチ素子とが形成された絶縁性の基板と、
前記絶縁性の基板上に形成され、前記電荷蓄積用コンデンサと電気的に接続されたキャリア収集電極と、
前記キャリア収集電極上に形成され、放射線の入射により電荷移動媒体（キャリア）が生成される放射線感応型の半導体厚膜と、
前記半導体厚膜の表面に形成された電圧印加電極からなり、放射線照射により前記半導体厚膜で生成され、前記電荷蓄積用コンデンサに蓄積された電荷が、前記スイッチ素子を経由して放射線検出信号として読み出されるよう構成された放射線検出装置において、
前記半導体厚膜と前記電圧印加電極の端縁部との間に形成された、その厚みを前記電極端縁部に向けて広くなるよう勾配をもたせ、前記電極端縁部内側に頂点を有する高耐圧の絶縁性物質と
を有することを特徴とする放射線検出装置。 - 請求項１または請求項２に記載の放射線検出装置において、キャリア収集電極を２次元マトリックス状に複数個形成し、各キャリア収集電極毎に電荷蓄積用のコンデンサおよび電荷読み出し用のスイッチ素子をそれぞれ設けることにより２次元アレイ構成としたことを特徴とする放射線検出装置。
- 請求項１から請求項３のいずれかに記載の放射線検出装置において、前記半導体厚膜は、アモルファス半導体厚膜であることを特徴とする放射線検出装置。
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