JP4641211B2 - 放射線検出器および放射線検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、放射線検出器および放射線検査装置に関し、特に、被検体内にある放射性同位元素からのガンマ線を検出する放射線検出器および放射線検査装置に関する。

被検体の精密情報が得られる装置としてポジトロン断層撮影（ＰＥＴ）装置がある。ＰＥＴ装置を用いた診断方法は、まず、ポジトロン（陽電子）核種で標識された検査用薬剤を、注射や吸入等により被検体の体内に導入する。体内に導入された検査用薬剤は、検査用薬剤に応じた機能を有する特定の部位に蓄積される。例えば、糖類の検査用薬剤を用いた場合、ガン細胞等の新陳代謝の盛んな部位に選択的に蓄積される。このとき、検査用薬剤のポジトロン核種から陽電子が放出され、放出された陽電子と周囲の電子とが結合して消滅する際に２つのガンマ線が互いに約１８０度の方向に放出される。そこで、この２つのガンマ線を被検体の周りに配置したガンマ線検出器により同時検出し、コンピュータ等で処理することにより被検体における放射性同位元素の分布画像データを取得する。精密診断装置として用いられるＣＴスキャン（コンピュータ断層撮影）装置が体内の病変等の構造情報が得られるのに対し、ＰＥＴ装置は、被検体の体内の機能情報が得られるため、様々な難病の病理解明が可能である。

ＰＥＴ装置では、ポジトロン核種から互いに約１８０度の方向に放出される２つのガンマ線を、被検体を挟む一対のガンマ線検出器が同時に検出した場合に有効なデータと判定される。同時刻に入射したガンマ線が一つしか検出されない場合は無効なデータとして廃棄される。

ところで、従来はガンマ線検出器としてシンチレータとフォトマルチプライアを用いていた（例えば特許文献１参照。）。シンチレータとフォトマルチプライアを組み合わせたセルは、ガンマ線の入射方向に対して直交する入射面が４ｍｍ角程度の大きさがある。ＰＥＴ装置のガンマ線検出器の空間分解能は、入射面が小さいほど向上する。空間分解能は、ガンマ線を発生した２つのポジトロン核種が近接して被検体に存在する場合、２つのポジトロン核種を別々なものとして検出できる最小距離をいう。空間分解能が向上するほど、ポジトロン核種の存在する位置をより精確かつ精密に同定でき、その結果被検体の機能情報がより正確に得られる。

しかし、フォトマルチプライアをこれよりも小型化することは困難であるためセルの小型化には限界があった。したがって、このようなガンマ線検出器の場合、空間分解能の向上には限界があった。

そこで、シンチレータとフォトマルチプライアの組み合わせよりも小型化が可能な半導体検出素子が用いられるようになってきた（例えば特許文献２参照。）。半導体検出素子は、ＣｄＴｅ等の半導体結晶体の対向する２つの面に一対のバイアス印加電極と信号取出し電極を設けたものである。半導体結晶体に入射したガンマ線により電子正孔対が発生し、バイアス電界により誘導されて信号取出し電極から電荷あるいは電圧として信号が取出される。

半導体検出素子は、半導体結晶体を針状の細い直方体に切出してその側面に電極を設け、その端面をガンマ線の入射面とすることで、小型化を図れる。このような半導体検出素子を用いることでガンマ線検出器の空間分解能が大幅に向上することが期待される。
特開平８−５７４６号公報 特開平１１−３４４５６８号公報

しかしながら、半導体検出素子を回路基板に搭載し、多数の回路基板をその厚さ方向に積層して配置する場合、厚さ方向に隣接する半導体検出素子間の間隙はガンマ線を検出できない領域、いわゆるデッドスペースとなる。この間隙が大きい場合、入射するガンマ線のうち検出できないガンマ線の割合が増加する。すなわち、検出効率（入射するガンマ線に対する検出可能なガンマ線の割合）が低下する。特に半導体検出素子を小型化した場合、半導体検出素子の数が多くなるほど、ガンマ線の入射面の面積に対して、隣接する半導体検出素子間の間隙の面積の総計の割合は増大し易い。そうすると検出効率が大幅に低下するという問題が生じる。また、ガンマ線検出器の空間分解能が低下するという問題を生じる。

この間隔を低減するため、回路基板の厚さを低減したり、上下の回路基板との距離を狭める手法が考えられる。しかし、回路基板の強度や、上下の回路基板との電気的な接触を回避するため、これらの手法では限界がある。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、空間分解能を向上すると共に検出効率を向上可能な放射線検出器および放射線検査装置を提供することである。

本発明の一観点によれば、略第１の方向から入射するガンマ線を検出する放射線検出器であって、複数の第１の配線基板と、各々の前記第１の配線基板に、前記第１の方向と直交する第２の方向に積層するように設けられると共に、該第１の配線基板に電気的に接続された第１の半導体検出素子と、第２の半導体検出素子と、を備え、前記複数の第１の配線基板は、前記第２の方向に積層され、各々の前記第１の配線基板に設けられた前記第１の半導体検出素子は、前記第２の方向に互いに離隔して配置され、前記第２の半導体検出素子は、前記第２の方向に隣接する２つの前記第１の半導体検出素子間を通過するガンマ線が入射可能な位置に配置されてなることを特徴とする放射線検出器が提供される。

本発明によれば、複数の第１の半導体検出素子は、ガンマ線が入射する第１の方向と直交する第２の方向に互いに離隔して配置されている。第２の半導体検出素子は、隣接する２つの第１の半導体検出素子の間を通過したガンマ線が入射する位置に配置されている。したがって、第１および第２の半導体検出素子が、第２の方向に沿って密に配置される。その結果、ガンマ線が入射する仮想的な面の総面積に対して、第１および第２の半導体検出素子のガンマ線の入射面の総計の面積の割合（入射面の有効率）が増加する。したがって、放射線検出器に入射するガンマ線に対して検出可能なガンマ線の割合、すなわち放射線検出器の検出効率が増加する。また、第２の方向において、第１および第２の半導体検出素子が密に配列されるので、放射線検出器の空間分解能が向上する。

また、複数の第２の配線基板を備え、前記第２の半導体検出素子は、各々の前記第２の配線基板に、前記第２の方向に積層するように設けられると共に、該第２の配線基板に電気的に接続され、前記複数の第１の配線基板と、前記複数の第２の配線基板とは、前記第２の方向に交互に積層され、各々の前記第１の配線基板に設けられた前記第１の半導体検出素子と、各々の前記第２の配線基板に設けられた前記第２の半導体検出素子とは、前記第２の方向に離隔して交互に配置され、前記第１の半導体検出素子は、前記第１の方向において、前記第２の半導体検出素子よりもガンマ線が入射する側に配置され、前記第２の半導体検出素子は、前記第２の方向において、隣接する２つの第１の半導体検出素子間の間隙に相当する位置に配置されてなる構成にしてもよい。このようにすることで、第２の方向に隣接する２つの第１の半導体検出素子の間を通過したガンマ線が第２の半導体検出素子に入射するので、放射線検出器の検出効率が増加する。

また、前記第１の配線基板は、前記第２の方向に隣接する第２の半導体検出素子と接触を回避する形状で設けられてもよい。このようにすることで、第２の半導体素子の上面に設けられる電極と配線基板の電気的な短絡を防止できると共に、第１および第２の半導体検出素子を第２の方向に沿って密に配置できる。

前記第１の半導体検出素子および第２の半導体検出素子は、各々の前記第１の配線基板に、前記第２の方向に積層するように設けられると共に、該第１の配線基板に電気的に接続され、前記第１の半導体検出素子が、前記第２の半導体検出素子よりも前記第１の方向においてガンマ線が入射する側に配置され、前記第２の半導体検出素子が、前記第２の方向における前記第１の半導体検出素子の幅と略同等の前記第２の方向における幅を有する凸部上に設けられてなる構成にしてもよい。このようにすることで、ガンマ線が入射する第１の方向から視て、第１の半導体検出素子および第２の半導体検出素子の各々の入射面が露出するようになる。これは、配線基板に一個の半導体検出素子を設け、この検出基板を第２の方向に単に複数配置した場合よりも、入射面の有効率が増加する。したがって、放射線検出器は検出効率が増加すると共に空間分解能が向上する。

前記第１の半導体検出素子および第２の半導体検出素子は、一の端面をガンマ線が入射する入射面とする板状の半導体結晶体と、前記第２の方向に直交する第１の主面および第２の主面の各々に設けられた第１の電極部および第２の電極部と、を有し、前記第１の電極部は、前記第１の主面を略覆うように形成された金属膜からなり、前記第２の電極部は、前記第２の主面に入射面に沿って略等間隔で配列された複数の電極からなり、該電極から検出信号が取出される構成としてもよい。

このような構成とすることで、小型化した個々の半導体結晶体にそれぞれ電極を設けそれらを配列する場合よりも、板状の半導体結晶体の面に複数の電極を形成した方が密に電極を形成できる。電極の間隔が一個の半導体検出素子の間隔に相当するので、半導体検出素子の一単位を小型化できる。その結果、放射線検出器の空間分解能をいっそう向上できる。また、本発明の放射線検出器は、個々の半導体結晶体に電極を設けそれらを配列する場合よりも、半導体結晶体に与える損傷を抑制でき、半導体検出素子のＳ／Ｎ比や高周波特性の劣化を防止できる。

前記第１の半導体検出素子および第２の半導体検出素子は、第２の電極部側を前記第１の配線基板、あるいは前記第２の配線基板上に接合部を介して接合され、前記接合部は、低温はんだバンプ、導電ペースト、および異方性導電フィルムからなる群のうちいずれかからなる構成としてもよい。接合部に低温はんだバンプや、導電ペースト、異方性導電フィルムを用いることで、半導体検出素子に与える応力や熱による悪影響、例えばいわゆる分極現象が生じ易くなるのを抑制できる。したがって、半導体検出素子のＳ／Ｎ比や高周波特性の劣化を防止できる。

本発明のその他の観点によれば、放射性同位元素を含む被検体の周囲に該被検体を囲むように配置され、該放射性同位元素から発生するガンマ線を検出する、上記のいずれかの放射線検出器を有する検出手段と、前記検出手段から取得した検出データに基づいて前記放射性同位元素の被検体内における分布情報を取得する情報処理手段と、を備える放射線検査装置が提供される。

本発明によれば、優れた空間分解能および検出効率を有する放射線検査装置を提供できる。

本発明によれば、空間分解能を向上すると共に検出効率を向上可能な放射線検出器および放射線検査装置を提供できる。

以下図面を参照しつつ実施の形態を説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るＰＥＴ装置の構成を示すブロック図である。図１を参照するに、ＰＥＴ装置１０は、被検体Ｓの周囲に配置され、ガンマ線を検出する検出器１１と、検出器１１からの検出データを処理し、得られた被検体Ｓの体内のポジトロン核種ＲＩの位置の画像データを再生成する情報処理部１５と、画像データを表示等する表示部１６と、被検体Ｓや検出器１１の移動等の制御を行う制御部１７と、情報処理部１５や制御部１７に指示を送る端末や画像データを出力するプリンタ等からなる入力部１８等から構成される。

検出器１１は、予め被検体Ｓにポジトロン核種ＲＩで標識化された検査用薬剤を導入し、被検体Ｓから放出されるガンマ線γ_a、γ_bを検出する。検出器１１は半導体検出素子２１と検出回路１３とが設けられた複数の検出基板１４からなる。半導体検出素子２１は被検体Ｓに面するように配置され、ポジトロン核種ＲＩからの陽電子の消滅の際に同時に発生する２つのガンマ線γ_a、γ_bを検出する。２つのガンマ線γ_a、γ_bは、互いに略１８０度をなして放出されるので、被検体Ｓを挟んで対向する検出器１１の半導体検出素子２１に入射する。ガンマ線γ_a、γ_bが入射した２つの半導体検出素子２１の各々は、ガンマ線γ_a、γ_bの入射により生じる電気信号（検出信号）を検出回路１３に送出する。

検出回路１３は、検出信号から、ガンマ線γ_a、γ_bが検出素子に入射した時刻（入射時刻）を決定し、入射時刻と、ガンマ線γ_a、γ_bを検出した半導体検出素子２１の番号等（検出データ）を情報処理部１５に送出する。

情報処理部１５では、検出データに基づいてコインシデンス検出および画像再生成アルゴリズムによる画像データの再生成を行う。コインシデンス検出は、入射時刻が略一致する２つ以上の検出データがある場合、それらの検出データを有効と判定し、コインシデンス情報とする。また、コインシデンス検出は、ガンマ線入射時刻が一致しない検出データを無効と判定し破棄する。そして、コインシデンス情報と、コインシデンス情報に含まれる検出素子番号等と、これに対応する検出素子の位置情報等から所定の画像再生成アルゴリズム（例えば、期待値最大化（Ｅｘｐｅｃｔａｔｉｏｎ Ｍａｘｉｍｉｚａｔｉｏｎ）法）に基づいて画像データを再生成する。表示部１６は、入出力部１８の要求に応じて再生成された画像データを表示する。

以上の構成および動作により、ＰＥＴ装置１０は、被検体Ｓの体内に選択的に位置するポジトロン核種ＲＩからのガンマ線を検出し、ポジトロン核種ＲＩの分布状態の画像データを再生成する。本実施の形態に係るＰＥＴ装置１０は、検出器１１に主な特徴がある。以下、検出器１１を詳しく説明する。

図２は、第１の実施の形態に係るＰＥＴ装置の検出器の配置を模式的に示す図である。

図２を参照するに、ＰＥＴ装置の検出器１１₁〜１１₈は、被検体Ｓの周囲に３６０度にわたって配置される。各々の検出器１１₁〜１１₈には、被検体Ｓ側に半導体検出素子２１が設けられている。検出器１１₁〜１１₈をこのように配置して、被検体Ｓから同時に放射される２つのガンマ線を検出する。ここで、被検体Ｓの体軸方向をＺ軸方向（Ｚおよび−Ｚ方向）とする。検出器１１₁〜１１₈は、Ｘ−Ｙ平面に沿って配置される。検出器１１は、被検体Ｓと相対的にＺ軸方向に移動可能としてもよい。なお、図２において８個の検出器１１₁〜１１₈、および一つの検出器１１₁〜１１₈に６個の検出基板１４が格納されているがこれらの数は一例過ぎず、検出器および検出基板の数は適宜選択される。

図３は、検出器を構成する第１例の半導体検出素子の斜視図である。図３は、図２に示す検出器１１₁に設けられた半導体検出素子を例として示している。図３のＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸は、図２に示すものと同様の方向とする。

図３を参照するに、第１例の半導体検出素子２１は、薄板状の半導体結晶体２２と、厚さ方向（Ｘ軸方向）に直交する面の各々に形成された電極２３、２４₁〜２４₆からなる。半導体結晶体２２は、その材料としては、例えば、エネルギーが５１１ｋｅＶのガンマ線に有感なテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、Ｃｄ_1-xＺｎ_xＴｅ（ＣＺＴ）、臭化タリウム（ＴｌＢｒ）などが挙げられる。ＣｄＴｅは漏れ電流を低減する点でＣｌ（塩素）をドープしたものでもよい。半導体結晶体２２は、例えば、厚さ（Ｘ軸方向）が約０．５ｍｍ、奥行き（Ｙ軸方向）が約１０ｍｍ、幅（Ｚ軸方向）が約１０ｍｍ程度の寸法を有する。半導体結晶体２２は幅が長いほど、ガンマ線の入射面の面積が広がるので好ましいが、製造容易性等の製造上の都合により５ｍｍ〜３０ｍｍの範囲に設定されることが好ましい。

電極２３は、半導体結晶体２２の厚さ方向（Ｘ軸方向）に直交する一つの面を略覆う金属膜からなる。半導体結晶体２２がＣｄＴｅからなる場合で、正極のバイアス電圧Ｖbを印加する設定のときは、電極２３をＩｎとする。これにより電極２３とＣｄＴｅとの間にショットキー接合を形成する。バイアス電圧Ｖbは、直流電圧で例えば６０Ｖ〜１０００Ｖに設定する。

電極２４₁〜２４₆は、電極２３が設けられた面と対向する面に設けられる。電極２４₁〜２４₆は、ストライプ状であり、厚さ（Ｘ軸方向）が約１ｍｍ、奥行き（Ｙ軸方向）が半導体結晶体２２のＹ軸方向の長さと略同等の長さ、幅（Ｚ軸方向）が約０．３ｍｍの幅を有する。また、電極２４₁〜２４₆のＺ軸方向の間隔Ｌ1は、約０．５ｍｍ程度に設定される。間隔Ｌ1は、小さいほど、ガンマ線の検出位置精度が向上し、その結果検出器の空間分解能が向上するが、０．２５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲に設定されることが好ましい。

また、電極２４₁〜２４₆はガンマ線の入射により生じた検出信号を取出すための電極である。各々の電極２４₁〜２４₆は、各電極２４毎に設けられた検出回路（図２に示す検出回路１３）に接続される。このように電極２４₁〜２４₆をＺ軸方向に配置することで、半導体結晶体２２の入射面２１ａ（半導体結晶体２２のＸ−Ｚ面に平行な面）に入射したガンマ線のＺ軸方向の位置が特定される。すなわち、半導体結晶体２２中に入射したガンマ線γ_bは光電変換によりそのエネルギーに応じた数の電子正孔対（電荷）を形成する。そして、半導体結晶体２２には、電極２４に対して電極２３が正電圧となるようにバイアス電圧Ｖｂが印加されている。このバイアス電圧Ｖbよる電界によって、電子は電極２３に移動し、正孔は入射位置にもっとも近接した電極２４₁〜２４₆のいずれかに移動し検出信号として取出される。例えば、図３に示すように、ガンマ線γ_bが電極２４₂付近に入射した場合は、電極２４₂から検出信号が取出される。検出信号は検出回路に送出され、ガンマ線γ_bの入射時刻と共に、電極２４₂が位置情報として検出データになる。なお、ガンマ線γ_bが、例えば電極２４₂と電極２４₃との間付近の入射面２１ａに入射した場合は、電極２４₂および電極２４₃の両方に検出信号が現れる。この場合は、図１に示す情報処理部１５により、電極２４₂と電極２４₃との間に入射したもの、あるいは、電極２４₂および電極２４₃のうち、検出信号の出力値が高い方の電極に入射したものとして処理される。

次に、図３を参照しつつ第１例の半導体検出素子２１の形成方法を説明する。最初に、半導体の結晶成長法であるブリッジマン法や、移動加熱法を用いて、半導体結晶を形成し、所定の結晶方位に切出して半導体結晶体２２を得る。

次いで、電極２３、２４₁〜２４₆は、真空蒸着法またはスパッタ法により、ＰｔあるいはＩｎ材の蒸着源またはスパッタターゲットを用いて、半導体結晶体２２の各々の面に蒸着する。次いで、電極２４は、フォトリソグラフィ法およびエッチングによりストライプ状にパターニングする。以上により第１例の半導体検出素子２１が形成される。

第１例の半導体検出素子２１は、板状の半導体結晶体２２の表面に複数の電極２４₁〜２４₆を設け、入射面２１ａから入射したガンマ線が発生した電子正孔対に起因する検出信号は、入射位置に近接した電極から取出される。半導体検出素子２１は、電極間隔と電極幅を狭めるほど、Ｚ方向の検出位置精度が向上する。

一方、本発明によらず、半導体結晶体を細かく切出して針状の直方体として、その直方体に一対の電極を設け、これらを配列した半導体検出素子も考えられる。しかし、このような直方体の半導体結晶体を配列する際に、半導体結晶体間の接着層等が必要となるため、ガンマ線に不感なデッドスペースが増加しまう。

したがって、第１例の半導体検出素子２１は、半導体結晶体を小型化しその
各々の半導体結晶体に一対の電極を設ける場合よりも、半導体検出素子２１の一単位を小型化できる。その結果、このような半導体素子を備える検出器の空間分解能を向上できる。

また、第１例の半導体検出素子２１の電極２３、２４₁〜２４₆の形成方法は、半導体結晶体２２の表面に与える損傷等の悪影響を低減できるため、ＣｄＴｅのような衝撃により歪みが入り易い半導体結晶体２２に特に好ましい。

なお、第１例の半導体検出素子２２の代わりに、次に説明する第２例の半導体検出素子のように構成してもよい。

図４は、第２例の半導体検出素子の斜視図である。第２例の半導体検出素子は、正電圧のバイアスを印加する電極側から検出信号を取出す場合である。図４のＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸は、図３に示すものと同様の方向とする。

図４を参照するに、第２例の半導体検出素子２６は、薄板状の半導体結晶体２７と、厚さ方向（Ｘ軸方向）に直交する面の各々に形成された電極２３₁〜２３₆、２４からなる。半導体結晶体２７は、図３に示す半導体結晶体２２と同様の材料からなる。

半導体結晶体２７は、電極２３₁〜２３₆側の面には、Ｙ軸方向に沿って凹部２７ａが形成されている。隣接する凹部２７ａと凹部２７ａとの間の半導体結晶体２７の表面（凸部の表面）には電極２３₁〜２３₆が形成されている。Ｚ軸方向の電極２３₁〜２３₆の間隔Ｌ₂は約０．５ｍｍ程度に設定される。間隔Ｌ₂は小さいほどガンマ線の検出位置精度が向上し、その結果検出器の空間分解能が向上するが、０．２５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲に設定されることが好ましい。

また、半導体結晶体２７は、図３に示す半導体結晶２２とほぼ同じ大きさを有する。凹部２７ａが設けられている部分の厚さ（凹部２７ａの底面から対向する面までの距離）は、０．２ｍｍ〜０．９ｍｍの範囲に設定することが好ましい。

電極２３₁〜２３₆はＩｎからなり、正電圧のバイアス電圧Ｖbが抵抗を介して接続されると共に、各電極毎に設けられた検出回路に接続される。

電極２４は、半導体結晶体２２の一面を略覆うように設けられた、例えばＰｔからなる金属膜である。電極２４は接地されるかあるいは負電圧電源と電気的に接続される。

第２例の半導体検出素子２６は、第１例の半導体検出素子と同様の機能を有する。さらに、第２例の半導体検出素子２６は、電極２３₁〜２３₆間に凹部２７ａを設けることで、ガンマ線の入射により発生した電子を第１例の半導体検出素子の正孔の場合よりも一つの電極に集中させることができる。したがって、第２例の半導体検出素子２６は、第１例の半導体検出素子の場合よりも検出信号がより大きな電荷量あるいは出力電圧を有するようになる。したがって、検出信号のＳ／Ｎ比が向上し、例えば入射時刻がより精確に決定できるようになる。

図４を参照しつつ第２例の半導体検出素子の形成方法を説明する。最初に、上述した方法と同様にして半導体結晶体２７を得る。次いで、半導体結晶体２７の一方の面にレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィ法によりＹ軸方向に沿ってレジスト膜にストライプ状に開口部を設ける。次いで、レジスト膜およびその開口部を覆うように、真空蒸着法またはスパッタ法により、Ｉｎ材の蒸着源またはスパッタターゲットを用いてＩｎ膜を形成する。次いで、レジスト膜をその上に形成されたＩｎ膜と共に除去する。このようにして、ストライプ状のＩｎからなる電極２３₁〜２３₆が形成される。

次いで、隣接する電極２３₁〜２３₆間の半導体結晶体２７をＲＩＥ法等により選択的にエッチングして凹部２７ａを形成する。なお、半導体結晶体２７の他方の面には真空蒸着法またはスパッタ法によりＰｔ膜をベタに形成し、電極２４とする。以上により第２例の半導体検出素子２７が形成される。

第２例の半導体検出素子は、第１例の半導体素子と同様の効果、すなわち、半導体検出素子２６の一単位の小型化を図れる。さらに、第２例の半導体検出素子は、第１例の半導体素子よりも検出信号のＳ／Ｎ比を向上できる。

なお、図３に示す電極２４₁〜２４₆および図４に示す電極２３₁〜２３₆では、電極が６本の場合を示しているが、６本に限定されず、２本〜５本でもよく、７本以上、例えば１０本あるいは２０本でもよい。

図５は検出器の要部断面図、図６は、検出器の要部をガンマ線の入射側から視た図である。図５および図６は、図２における検出器１１₁を一例として示している。Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸は、図２と同様の方向に設定している。すなわち、被検体からのガンマ線はＹ方向に向かって入射する。

図５および図６を参照するに、検出器１１は、半導体検出素子２１−１が設けられた第１検出基板１４ａと、半導体検出素子２１−２が設けられた第２検出基板１４ｂとがＸ軸方向に交互に積層されて構成される。

第１検出基板１４ａは、半導体検出素子２１−１と第１配線基板３３等からなる。半導体検出素子２１−１は、上述した第１例の半導体検出素子である。第１配線基板３３は、例えば、可撓性の配線基板、例えば、ポリイミド等の樹脂基板と、電極パッド３６、３７や配線層（不図示）からなる。

半導体検出素子２１−１は、第１配線基板３３の先端部３３ａ上に入射面２１ａを−Ｙ方向に向けて設けられている。半導体検出素子２１−１の基部側には屈曲部３３ｂが設けられる。屈曲部３３ｂは、その下側にある第２検出基板１４ｂの半導体検出素子２１−２の電極２３に接触しないように設けられたものである。屈曲部３３ｂは、半導体検出素子２１−２の電極２３を避ける形状であれば、その形状は制限されない。第１配線基板３３は、可撓性を有するので容易に屈曲部３３ｂを設けることができる。なお、第１配線基板３３は、屈曲部３３ｂを予め成型等で形成する場合は、可撓性の配線基板を用いなくてもよい。

第２検出基板１４ｂは、半導体検出素子２１−２と第２配線基板３４等からなる。半導体検出素子２１−２は上述した第１例の半導体検出素子である。第２配線基板３４は、特に限定されないが、例えば、単板のセラミック基板や、多層セラミック基板、多層プリント配線板（例えば、ガラス布エポキシ樹脂積層板やガラス布ポリイミド樹脂積層板）からなる。第２配線基板３４は、半導体検出素子の半導体結晶体がＣｄＴｅの場合で、半導体検出素子を加熱して接合するときは、ＡｌＮからなる単板あるいは多層基板が好ましい。これにより、ＣｄＴｅとＡｌＮとの熱膨張係数が同程度のため、接合後にＣｄＴｅに第２配線基板３４から印加される応力を低減できる。

また、半導体検出素子２１−２は、第２配線基板３４の先端部３４ａ上に入射面２１ａを−Ｙ方向に向けて設けられている。

なお、第１検出基板３３および第２検出基板３４の基部には、図示が省略されているが、検出回路が搭載された半導体チップが設けられる。半導体チップには、半導体検出素子２１−１、２１−２の信号取出しの電極２４₁〜２４₆の数と少なくとも同数の検出回路が搭載される。半導体チップは、半導体検出素子２１−１、２１−２と第１配線基板３３あるいは第２配線基板３４に設けられた配線層（不図示）を介して電気的に接続される。

第１検出基板１４ａの半導体検出素子２１−１は、第２検出基板１４ｂの半導体検出素子２１−２よりもガンマ線が入射する側（−Ｙ方向）に設けられる。半導体検出素子２１−１および半導体検出素子２１−２の入射面２１ａ間の距離は適宜選択されるが、半導体検出素子２１−１の奥行き（Ｙ軸方向の長さ）よりも長く設定することが好ましい。これにより、後ほど詳述する屈曲部３３ｂを設け、半導体検出素子２１−２および第２配線基板３４を配置するスペースを確保して、Ｘ軸方向に半導体検出素子２１−１および半導体検出素子２１−２を密に配置できる。

なお、半導体検出素子２１−１と半導体検出素子２１−２とを離隔することにより、ガンマ線を半導体検出素子２１−１で検出する場合と半導体検出素子２１−２で検出する場合とで、ガンマ線の入射時刻に時間差が生じる。この時間差は図１に示す情報処理部等１５で補正すればよい。

また、図６に示すように、検出器１１は、半導体検出素子２１−１、２１−２の各々の入射面２１ａが、γ線が入射する側に露出するように配置される。さらに、第１検出基板１４ａの半導体検出素子２１−１の上面とその上方の第１検出基板１４ａの下面との距離が、半導体結晶体２２の厚さ程度に開口することが好ましい。これにより、第１配線基板３３が入射するガンマ線を遮断することなく、半導体検出素子２１−２の入射面２１ａの全体を有効に用いることができる。

例えば、第１配線基板３３の厚さを０．５ｍｍ、半導体検出素子２１−１、２１−２の半導体結晶体２２の厚さを０．５ｍｍ、半導体検出素子の電極２３、２４₁〜２４₆の厚さを０．１ｍｍ、接合部３５の厚さを０．１ｍｍとすると、ガンマ線が入射する入射面の有効率｛（半導体検出素子２１−１、２１−２の入射面２１ａの面積の総計）／（ガンマ線の入射面の面積）｝は、０．５×２／（０．５×２＋０．５＋０．１×２＋０．１）×１００＝５６（％）となる。これは、例えば第１検出基板１４ａのみあるいは第２検出基板１４ｂのみを用いて積層した場合よりも入射面の有効率を増加できることは明らかである。したがって、検出器１１は、Ｘ軸方向に半導体検出素子２１−１、２１−２が密に配置されているので、空間分解能が向上する。なお、Ｚ軸方向は１００％として計算した。

なお、図５に示すように、電極２３にバイアス電圧を印加するため、第２検出基板３４の半導体検出素子２１−２の上面と第１配線基板３３との下面とは数百μｍ程度の距離を離隔することが好ましい。なお、このように離隔しても、第１配線板３３の屈曲部３３ｂの段差量により調整できるので、半導体検出素子２１−１、２１−２のＸ軸方向の配置には影響がなく、入射面の有効率は低下しない。

図７は、半導体検出素子の接合の様子を示す平面図である。図５および図６と共に図７を参照するに、半導体検出素子２１−１、２１−２は、電極２４₁〜２４₆側が第１配線基板３３あるいは第２配線基板３４に接合される。第１配線基板３３および第２配線基板３４の表面には電極パッド３６が設けられている。電極２４₁〜２４₆と電極パッド３６とは接合部３５を介して接合される。接合部３５は、特に制限されないが、低温はんだバンプ、導電ペースト、および異方性導電フィルムのいずれかを用いることが好ましい。これらの材料を用いることにより、接合の際に半導体結晶体２２に与える応力や熱による悪影響を抑制できる。

低温はんだバンプは、バンプに用いられる低融点はんだとして、Ｐｂ−Ｓｎ共晶はんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ等が挙げられる。導電ペーストは、金属微粉末と樹脂とを混練したものであり、乾燥・硬化により、接着作用と導電性を発現する。導電ペーストとしては、Ａｇエポキシペーストが挙げられる。

また、異方性導電フィルムは、電極２４₁〜２４₆と電極パッド３６との間に挟み込んで使用する。異方性導電フィルムは、異方性導電フィルムは樹脂製のフィルム内に導電性フィラーが均一あるいは配向性をもって分散されており、加圧、あるいは加圧および加熱により接着作用と導電性を同時に発現する。導電性は挟んだ方向に発現する。

接合部３５の材料は半導体結晶体２２に与える応力や熱の悪影響をより抑制でき、半導体検出素子２１−１、２１−２のＳ／Ｎ比や高周波特性の劣化を防止できる点で導電ペーストおよび異方性導電フィルムが特に好ましい。

また、電極２３は、図５に示すように、第１配線基板３３あるいは第２配線基板３４に設けられた電極パッド３７に導電線３８を用いてワイヤボンディングや導電性ペースト等により電気的に接続される。

なお、電極２４₁〜２４₆側を上にして、電極２３を第１配線基板３３あるいは第２配線基板３４に接続してもよい。この場合は、電極２４₁〜２４₆の各々と電極パッド３７とがワイヤボンディングにより電気的に接続される。この場合も、電極２３と第１配線基板３３あるいは第２配線基板３４との接合部は、上述した理由と同様の理由により低温はんだバンプ、導電ペースト、および異方性導電フィルムのいずれかを用いることが好ましい。

なお、図５〜図７では第１例の半導体検出素子を用いた例を挙げたが、第１例の半導体検出素子の代わりに第２例の半導体検出素子を用いてもよい。この場合、半導体検出素子は、図４に示す電極２３₁〜２３₆側と第１配線基板３３あるいは第２配線基板３４とを接合することが好ましい。

本実施の形態によれば、検出器１１は、第１検出基板１４ａと第２検出基板１４ｂとを交互に積層し、第１検出基板１４ａにはその下側の第２検出基板１４ｂの半導体検出素子２１−２の上面との接触を回避するための屈曲部３３ｂが設けられている。そして、半導体検出素子２１−２は、第１検出基板１４ａの半導体検出素子２１−１よりもガンマ線が入射するＹ方向の奥に配置されている。このように配置することで、半導体検出素子２１−１、２１−２の入射面２１ａを、ガンマ線を遮断することなく密に配置できる。したがって、入射面の有効率が向上する。その結果、検出器１１は、空間分解能が向上すると共に、ガンマ線の検出効率が向上する。

また、検出器１１は、第１例の半導体検出素子２１、あるいは第２例の半導体検出素子を備えている。これらの半導体検出素子２１、２６は、半導体結晶体２２の一方の面に形成した複数の電極により、半導体検出素子２１の一単位を小型化できる。その結果、検出器１１の空間分解能を向上できる。

また、検出器１１は、半導体検出素子２１、２６と配線基板３３、３４との接合部３５に、低温はんだバンプ、導電ペースト、および異方性導電フィルムのいずれかを用いることで、半導体結晶体２２に与える応力や熱の悪影響をより抑制でき、半導体検出素子２１−１、２１−２のＳ／Ｎ比や高周波特性の劣化を防止できる。

（第２の実施の形態）
次に本発明の第２の実施の形態に係るＰＥＴ装置について説明する。第２の実施の形態に係るＰＥＴ装置は、検出器以外は第１の実施の形態に係るＰＥＴ装置と同様の構成を有する。

第２の実施の形態に係るＰＥＴ装置は、図１〜図４および図７に示した第１の実施の形態に係るＰＥＴ装置、検出器、および半導体検出素子の構成を有する。したがって、これらの点についてはその説明を省略する。

図８は、本発明の第２の実施の形態に係るＰＥＴ装置の検出器の要部断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。なお、図８中の配線基板は、図６〜図８における第２配線基板３４と同様の材料からなるので、符号３４を付している。

図８を参照するに、検出器４０は、２つの半導体検出素子が設けられた検出基板１４ｃが交互にＸ軸方向に積層されて構成される。検出基板１４ｃは、半導体検出素子２１−１、２１−２と配線基板３４等からなる。半導体検出素子２１−１、２１−２は、上述した第１例の半導体検出素子である。

検出基板１４ｃは、第２配線基板の先端部３４ａ上に半導体検出素子２１−１が設けられている。さらに、検出基板１４ｃは、半導体検出素子２１−１の基部側に凸部４２が設けられ、その上に半導体検出素子２１−２が設けられる。凸部４２は、半導体検出素子２１−１の高さと略同等の高さに設定される。

このように半導体検出素子２１−２を先端部３４ａ側の半導体検出素子２１−１に対してＸ軸方向にずらして配置することで、図６に示した第１の実施の形態の検出器１１と同様に、ガンマ線が入射する入射面の有効率を向上できる。凸部４２は、第２配線基板３４と同様の材料を用いればよい。

なお、半導体検出素子２１−１、２１−２と配線基板３４あるいは凸部４２との接合および電気的な接続方法は第１の実施の形態と同様である。

本実施の形態によれば、配線基板３４に２つの半導体検出素子２１−１、２１−２を設け、半導体検出素子２１−２は半導体検出素子２１−１よりもガンマ線が入射するＹ方向の奥に配置され、半導体検出素子２１−１の高さと略同等の高さの凸部４２上に設けられる。このように配置することで、半導体検出素子２１−１、２１−２の入射面２１ａを、ガンマ線を遮断することなく密に配置できる。したがって、検出器４０は、第１の実施の形態と同様の効果を有し、入射面の有効率が向上し、検出器の空間分解能および検出効率が向上する。

なお、図８では第１例の半導体検出素子を用いた例を挙げたが、第１例の半導体検出素子の代わりに第２例の半導体検出素子を用いてもよい。この場合、半導体検出素子は、図４に示す電極２３₁〜２３₆側と配線基板とを接合することが好ましい。

また、図８に示す凸部４２の代わりに、半導体検出素子２１−１と半導体検出素子２１−２との間の配線基板３４に図５に示す屈曲部３３ｂと同様の屈曲部を設け、配線基板３４を凸部４２と同等の高さとなる形状としてもよい。このようにすることで、検出器４０と同様の効果を有すると共に、凸部４２を省略できる。

以上本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

例えば、上述した第１および第２の実施の形態では、ＰＥＴ装置を例に説明したが、本発明の検出回路は、ＳＰＥＣＴ（単一光子放射形コンピュータ断層撮影）装置に適用できる。

本発明の第１の実施の形態に係るＰＥＴ装置の構成を示すブロック図である。 第１の実施の形態に係るＰＥＴ装置の検出器の配置を模式的に示す図である。 検出器を構成する第１例の半導体検出素子の斜視図である。 第２例の半導体検出素子の斜視図である。 検出器の要部断面図である。 検出器の要部をガンマ線の入射側から視た図である。 半導体検出素子の接合の様子を示す平面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るＰＥＴ装置の検出器の要部断面図である。

符号の説明

１０ ＰＥＴ装置
１１ 検出器
１３ 検出回路
１４、１４ｃ 検出基板
１４ａ 第１検出基板
１４ｂ 第２検出基板
１５ 情報処理部
１６ 表示部
１７ 制御部
１８ 入出力部
２１、２１−１、２１−２、２６ 半導体検出素子
２２、２７ 半導体結晶体
２７ａ 凹部
２３、２３₁〜２３₆、２４、２４₁〜２４₆ 電極
３３ 第１配線基板
３４ 第２配線基板
３５ 接合部
３６、３７ 電極パッド
４２ 凸部
Ｖb バイアス電圧

Claims (11)

1. 略第１の方向から入射するガンマ線を検出する放射線検出器であって、
   複数の第１の配線基板と、
   各々の前記第１の配線基板に、前記第１の方向と直交する第２の方向に積層するように設けられると共に、該第１の配線基板に電気的に接続された第１の半導体検出素子と、
   第２の半導体検出素子と、
   を備え、
   前記複数の第１の配線基板は、前記第２の方向に積層され、
   各々の前記第１の配線基板に設けられた前記第１の半導体検出素子は、前記第２の方向に互いに離隔して配置され、
   前記第２の半導体検出素子は、前記第２の方向に隣接する２つの前記第１の半導体検出素子間を通過するガンマ線が入射可能な位置に配置されてなることを特徴とする放射線検出器。
2. 複数の第２の配線基板を備え、
   前記第２の半導体検出素子は、各々の前記第２の配線基板に、前記第２の方向に積層するように設けられると共に、該第２の配線基板に電気的に接続され、
   前記複数の第１の配線基板と、前記複数の第２の配線基板とは、前記第２の方向に交互に積層され、
   各々の前記第１の配線基板に設けられた前記第１の半導体検出素子と、各々の前記第２の配線基板に設けられた前記第２の半導体検出素子とは、前記第２の方向に離隔して交互に配置され、
   前記第１の半導体検出素子は、前記第１の方向において、前記第２の半導体検出素子よりもガンマ線が入射する側に配置され、
   前記第２の半導体検出素子は、前記第２の方向において、隣接する２つの第１の半導体検出素子間の間隙に相当する位置に配置されてなることを特徴とする請求項１記載の放射線検出器。
3. 前記第１の配線基板は、前記第２の方向に隣接する第２の半導体検出素子と接触を回避する形状で設けられてなることを特徴とする請求項２記載の放射線検出器。
4. 前記第１の半導体検出素子および第２の半導体検出素子は、前記第１の半導体検出素子の前記第１の方向に沿った長さよりも大きな距離を前記第１の方向に互いに離隔して配置されてなることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の放射線検出器。
5. 前記第１の配線基板は、前記第２の配線基板よりも可撓性を有することを特徴とする請求項１または２記載の放射線検出器。
6. 前記第１の半導体検出素子および第２の半導体検出素子は、各々の前記第１の配線基板に、前記第２の方向に積層するように設けられると共に、該第１の配線基板に電気的に接続され、
   前記第１の半導体検出素子が、前記第２の半導体検出素子よりも前記第１の方向においてガンマ線が入射する側に配置され、
   前記第２の半導体検出素子が、前記第２の方向における前記第１の半導体検出素子の幅と略同等の前記第２の方向における幅を有する凸部上に設けられてなることを特徴とする請求項１記載の放射線検出器。
7. 前記第１の半導体検出素子および第２の半導体検出素子は、一の端面をガンマ線が入射する入射面とする板状の半導体結晶体と、前記第２の方向に直交する第１の主面および第２の主面の各々に設けられた第１の電極部および第２の電極部と、を有し、
   前記第１の電極部は、前記第１の主面を略覆うように形成された金属膜からなり、
   前記第２の電極部は、前記第２の主面に入射面に沿って略等間隔で配列された複数の電極からなり、該電極から検出信号が取出されることを特徴とする請求項１〜６のうち、いずれか一項記載の放射線検出器。
8. 前記第２の主面は略平坦であることを特徴とする請求項７記載の放射線検出器。
9. 前記第２の主面に、入射面に沿って略等間隔に複数の凹部が形成され、隣接する凹部間に前記電極が設けられてなることを特徴とする請求項７記載の放射線検出器。
10. 前記第１の半導体検出素子および第２の半導体検出素子は、第２の電極部側を前記第１の配線基板、あるいは前記第２の配線基板上に接合部を介して接合され、
    前記接合部は、低温はんだバンプ、導電ペースト、および異方性導電フィルムからなる群のうちいずれかからなることを特徴とする請求項７または８記載の放射線検出器。
11. 放射性同位元素を含む被検体の周囲に該被検体を囲むように配置され、該放射性同位元素から発生するガンマ線を検出する、請求項１〜９のうちいずれか一項記載の放射線検出器を有する検出手段と、
    前記検出手段から取得した検出データに基づいて前記放射性同位元素の被検体内における分布情報を取得する情報処理手段と、を備える放射線検査装置。

Images