JP6637603B2 - 複合型中性子及びガンマ線検出器、並びにコインシデンス検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、中性子及びガンマ線の双方の検出器、及び共通の検出器における中性子及びガンマ線の検出を改善するための対応する方法に関する。

放射線検出器は、とりわけ、核エネルギー、物理研究、材料科学、放射線安全において、数多くの重要な用途を有する。しばしば関心のある２種類の放射線は、中性子及びガンマ線である。

これらの種類の放射線を検出する１つの方法は、典型的に結晶の形態のＣＬＹＣ（これはＣｓ_２ＬｉＹＣｌ_６：Ｃｅ^３＋である）と呼ばれるシンチレータ材料を使用する。他のシンチレータと同様に、ＣＬＹＣ結晶は、ガンマ線を捕捉するときに閃光を生成する。閃光は、更なる分析のために電気信号に変えられることができる。ＣＬＹＣ結晶はまた、結晶中のリチウム（Ｌｉ）原子との核反応を通じて中性子を捕捉するために使用されることができ、やはり、中性子−リチウム反応からのエネルギー粒子による閃光を生成する。残念ながら、これらの結晶は成長させるのが困難であり、それ故に非常に高価であり、また、中性子による閃光をガンマ線による閃光から区別することが困難であり得る。

これらの種類の放射線を検出する別の１つの方法は、テルル化カドミウム亜鉛（ＣｄＺｎＴｅ）（しばしばＣＺＴと略記される）の結晶中のカドミウム（Ｃｄ）による中性子の捕捉を当てにする。ＣＺＴはまた、ガンマ線放射の検出器にも使用されている。中性子−カドミウム反応は、ＣＺＴからの電子のパルスによって検出されることができるガンマ線を生成するが、感度が低く、電子のパルスが中性子によって引き起こされたのか、あるいはガンマ線によって引き起こされたのかを区別することが困難である。

本発明は、同一検出器にて中性子及びガンマ線の双方に対して感度があり、これら２種類の放射線を区別する能力を改善し、小型であり、比較的少ない電力のみを必要とし、且つ現行の放射線検出装置及び方法と比較して相対的に比較的安価であるような、複合型中性子及びガンマ線検出器及び方法を提供する。

より具体的には、本発明は、共通の検出器を用いてガンマ線イベント及び中性子イベントの双方を検出する方法を提供し、上記検出器は、ガラス板に隣接した半導体材料の層と、上記ガラス板の反対側に隣接したガドリニウム（Ｇｄ）変換器層と、上記ガラス板とは反対側で上記Ｇｄ変換器層と接触したシリコンＰＩＮ材料の層とを含んで、上記半導体層の一方側の半導体アノード、上記ガラス板に接続されたカソード、及び上記シリコンＰＩＮ層の上記半導体アノードとは反対側のＳｉ ＰＩＮアノード、を含む電極によって境界付けられたアセンブリを形成する。当該方法は、（１）上記半導体アノード及び上記Ｓｉ ＰＩＮアノードの各々において電気信号をモニタするステップ、及び（２）上記半導体アノードからの信号と上記Ｓｉ ＰＩＮアノードからの信号とを比較し、所定の基準に基づいてガンマ線イベントと中性子イベントとを区別するステップを含む。

当該方法は更に、上記半導体層及び上記シリコンＰＩＮ層の中に電界を確立するステップと、共通のガンマ線及び中性子検出器に、上記第１及び第２のアノード並びに上記カソードに接続されたコントローラを備えるステップとのうちの１つ以上を含むことができ、上記コントローラはプロセッサ及びメモリを含む。

本発明はまた、ガンマ線及び中性子の双方用の検出器を提供し、当該検出器は、（ａ）ガンマ線を捕捉するのに適した半導体材料を含む半導体層、（ｂ）上記半導体層と接触したガラス板、（ｃ）上記半導体層とは反対側で上記ガラス板と接触したガドリニウム（Ｇｄ）変換器層、（ｄ）上記ガラス板とは反対側で当該シリコンＰＩＮ層と接触した上記Ｇｄ変換器層に捕捉された中性子から放たれる電子を検出するための、好適厚さのシリコンＰＩＮ（ｐ型／真性／ｎ型）材料の層、（ｅ）上記ガラス板と電気的に接触したカソードコンタクト、（ｆ）上記半導体層と接触した第１のアノードコンタクト、（ｇ）上記シリコンＰＩＮ層と接触した第２のアノードコンタクト、及び（ｈ）上記第１及び第２のアノードコンタクトと電気的に接触するプロセッサを含む。上記プロセッサは、上記アノードコンタクト並びに上記カソードコンタクトと協働して、上記半導体層及び上記シリコンＰＩＮ層を横切る電界を確立するように構成され、且つ、中性子イベントによって生成された信号とガンマ線イベントによって生成された信号とを区別するように構成される。

上記半導体材料は、テルル化カドミウム亜鉛（ＣｄＺｎＴｅ）、高抵抗ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、及び高純度ゲルマニウム（ＨＰＧｅ）のうちの何れかを含み得る。

当該検出器は更に、上記第１及び第２のアノードコンタクトをそれぞれのプロセッサ内のそれぞれのコンタクトに接続するように上記第１及び第２のアノードコンタクトのそれぞれと電気的に接触したプリント回路基板（ＰＣＢ）を含み得る。複数の離間されて隣り合わされた検出器が、共通のＰＣＢを共有し得る。

上記第１及び第２のアノードコンタクトは、ピクセルのアレイへと分割され得る。上記半導体層は、テルル化カドミウム亜鉛（ＣｄＺｎＴｅ）を含み得るとともに、上記シリコンＰＩＮ層内のピクセルとアライメントされたピクセルへと分離され得る。

上記半導体層は０．３５ｃｍの厚さを有することができ、上記ガラス板は３００μｍ以上の厚さを有することができ、上記Ｇｄ層は５μｍの厚さを有することができ、上記シリコンＰｉｎ層は２８０μｍの厚さを有することができる。それに代えて、上記半導体層は、１．０ｃｍ又は１．５ｃｍ又は２．０ｃｍの厚さを有していてもよい。

本発明は更に、ガンマ線及び中性子の双方に対して共通の検出器とともに使用されるコントローラを提供し、上記検出器は、ガンマ線を捕捉するのに適した半導体材料を含む半導体層と、該半導体層と接触したガラス板と、上記半導体層とは反対側で上記ガラス板と接触したガドリニウム（Ｇｄ）変換器層と、当該シリコンＰＩＮ層と接触した上記Ｇｄ変換器層によって捕捉された中性子から放たれる電子を検出するための、好適厚さのシリコンＰＩＮ（ｐ型／真性／ｎ型）材料の層と、上記ガラス板と電気的に接触したカソードコンタクトと、上記半導体層と接触した第１のアノードコンタクトと、上記シリコンＰＩＮ層と接触した第２のアノードコンタクトとを含む。当該コントローラは、上記第１のアノード、上記第２のアノード、及び上記カソードと協働して、上記半導体層及び上記シリコンＰＩＮ層を横切る電界を確立するように構成されたプロセッサを含む。上記プロセッサは、上記第１及び第２のアノードの各々から受信する信号のコインシデンス検査の関数として、中性子イベントによって生成された信号とガンマ線イベントによって生成された信号との間で差異化するように構成される。

本発明はまた、ガンマ線及び中性子の双方用の検出器を提供し、当該検出器は、（ａ）電子を生成するガンマ線捕捉手段、（ｂ）電子を生成する中性子捕捉手段、（ｃ）上記ガンマ線捕捉手段によって生成された電子を上記中性子捕捉手段によって生成された電子から分離する手段、（ｄ）上記中性子捕捉手段及び上記ガンマ線捕捉手段を横切る電界を印加する手段、及び（ｅ）中性子イベントによって生成された信号とガンマ線イベントによって生成された信号とを区別する手段を含む。

上記ガンマ線捕捉手段は、ガンマ線を捕捉するのに適した半導体材料を有する半導体層を含み得る。

上記ガンマ線捕捉手段は、結晶化されたテルル化カドミウム亜鉛（ＣｄＺｎＴｅ）（ＣＺＴ）の層を含み得る。

電子を生成する上記中性子捕捉手段は、中性子を捕捉して電子を生成するガドリニウム（Ｇｄ）変換器層と、電子を検出するように上記Ｇｄ変換器層と接触した好適厚さのシリコンＰＩＮ（ｐ型／真性／ｎ型）材料の層とを含み得る。上記ガンマ線捕捉手段によって生成された電子を上記中性子捕捉手段によって生成された電子から分離する手段は、ガラス板を含み得る。

上記中性子捕捉手段及び上記ガンマ線捕捉手段を横切る電界を印加する手段（ｄ）は、（１）上記分離する手段と電気的に接触したカソードコンタクト、（２）上記ガンマ線捕捉手段と接触した第１のアノードコンタクト、（３）上記中性子捕捉手段と接触した第２のアノードコンタクト、及び（４）上記第１及び第２のアノードコンタクトと電気的に接触するプロセッサを含み得る。上記プロセッサは、上記第１及び第２のアノードコンタクト並びに上記カソードコンタクトと協働して、上記中性子捕捉手段及び上記ガンマ線捕捉手段を横切る電界を確立するように構成され得る。

上記中性子イベントによって生成された信号とガンマ線イベントによって生成された信号とを区別する手段は、上記中性子捕捉手段及び上記ガンマ線捕捉手段を横切る電界を確立する手段と電気的に接触するプロセッサを含み得る。該プロセッサは、中性子イベントによって生成された信号とガンマ線イベントによって生成された信号とを区別するように構成される。

本発明の以上の特徴及びその他の特徴が、以下にて、本発明の１つ以上の例示的な実施形態を詳細に説明する以下の説明及び添付の図面及び請求項にて、十分に記述されて特定的に指摘される。しかしながら、これらの実施形態は、本発明の原理が使用され得る様々なやり方のうちのほんの数例を示すものである。本発明の他の目的、利点及び特徴が、以下の本発明の詳細な説明が図面とともに検討されることで明らかになる。

本発明によって提供される複合型中性子及びガンマ線検出器の概略的な断面図である。 図１の検出器の上面図である。 検出器におけるガンマ線エネルギー分解能のグラフ表現である。 検出器におけるガンマ線エネルギー分解能のグラフ表現である。 検出器に受け取られた中性子による内部変換電子のエネルギースペクトルのグラフ表現である。 中性子イベントを例示する検出器の一部の概略的な断面図である。

上述のように、本発明は、熱中性子又はそれに近い中性子とガンマ線との双方を検出するために、２つの異なる検出材料におけるパルスに対してコインシデンス検査を使用する、複合型中性子及びガンマ線検出器及び方法を提供する。

この検出器は、２つの異なる検出器材料を共通構造内で組み合わせ、それらのうちの一方が、電子を生成するガンマ線捕捉手段を提供し、それらのうちの他方が、電子を生成する中性子捕捉手段を提供する。検出器は更に、ガンマ線捕捉手段及び中性子捕捉手段それぞれによって生成された電子を分離する手段を含む。検出器はまた、ガンマ線捕捉手段及び中性子捕捉手段の各々を横切る電界を確立する手段を含む。そして、検出器は、中性子イベントによって生成された信号とガンマ線イベントによって生成された信号とを区別する手段を含む。

例示的なガンマ線捕捉手段は、例えば米国ペンシルベニア州サクソンバーグのｅＶ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ社から入手可能なものであるテルル化カドミウム亜鉛（ＣｄＺｎＴｅ）（ＣＺＴとして参照される）などの、ガンマ線を捕捉するように構成された半導体材料の層を含む。例示的な中性子捕捉手段は、Ｇｄ変換器層として参照されるガドリニウム（Ｇｄ）の層を含む。Ｇｄ変換器層は、中性子が捕獲されるときに電子を生成し、そして、該電子が、好適厚さのシリコンＰＩＮ（ｐ型／真性／ｎ型）材料の層内で検出される。検出器はまた、これらの検出器材料の層に接続されたコントローラを含み、該コントローラは、ＣＺＴ層及びＳｉ ＰＩＮ層を横切る電界を確立する手段を提供するとともに、コインシデンス検査を用いてこれら２つの材料層内で生じたパルスをチェックし、パルスが中性子の結果であるのか又はガンマ線の結果であるのかを決定するために、生成された信号間での区別を行う。

続いて、図１から開始して図面を詳細に参照するに、ガンマ線及び中性子の双方を検出するための例示的な検出器１０が示されている。検出器１０は、共通の検出器アセンブリを形成する一連の層状要素を含むコンパクトな全固体構造を有する。図示の実施形態は２つの検出器アセンブリを含んでいるが、検出器１０は、１つのみの検出器アセンブリ又は任意の合理的な数の検出器アセンブリを有して機能し得る。これらの検出器アセンブリは相等しく、また、検出器１０又は検出器アセンブリのいずれへの参照も概して等価である。

各検出器１０は、更に後述するように、中性子によって生成された電子を検出するのに好適な厚さを持つ同じ領域のシリコン（Ｓｉ）ＰＩＮ（シリコンｐ型／真性／ｎ型）の層１４とアライメントされた、例えばテルル化カドミウム亜鉛（ＣｄＺｎＴｅ）（ＣＺＴ）の層などの、ガンマ線を捕捉するのに適した半導体材料の層１２を含んでいる。図示の実施形態は、ＣＺＴ層１２を参照して説明されるが、ＣＺＴの代わりに、高抵抗ガリウム砒素（ＧａＡｓ）及び高純度ゲルマニウム（ＨＰＧｅ）を含め、その他の半導体材料が使用されてもよい。ＣＺＴ層１２は、他の層と比較して相対的に厚い。ＣＺＴ層１２は、その比較的重い原子及び厚い構成のために、中性子捕捉に関連しないガンマ線と、中性子捕捉から生じるガンマ線とを含め、ガンマ線に対して感度を持つ。

ＣＺＴ層１２とは対照的に、Ｓｉ ＰＩＮ層１４は、その比較的軽い原子の組成及び薄い構成のために、ガンマ線に対して相対的に感度が低い。ＣＺＴ層１２と接触したガラス板１６又はその他の絶縁材料が、Ｓｉ ＰＩＮ層１４をＣＺＴ層１２からアイソレートするとともに隔離させる。ＣＺＴ層１２とＳｉ ＰＩＮ層１４とを離隔させるガラス板１６は概して、比較すると相対的に薄いが、ＣＺＴ層１２で生成された電子をＳｉ ＰＩＮ層１４で検出される電子から分離する手段を提供するのに十分な厚さを有する。ガラス板１６は、ＣＺＴ層１２とＳｉ ＰＩＮ層１４との間で電子が移動するのを防止する。

中性子捕捉手段は、ガドリニウム（Ｇｄ）変換器層（Ｇｄ層２０）を含んでいる。Ｇｄ層２０は、相対的に薄く、Ｇｄ層２０とＣＺＴ層１２とを離隔させるガラス板１６に隣接して置かれている。故に、Ｇｄ層２０は、Ｓｉ ＰＩＮ層１４及びガラス板１６との間で、ＣＺＴ層１２とは反対側のガラス板１６の片面と接触している。例示的なＧｄ層２０は、ガドリニウム−１５７（^１５７Ｇｄ）の５μｍ層である。Ｇｄ層２０は、高い効率で中性子を吸収し、その結果、エネルギーを持った電子及びガンマ線を放出する。電子は必然的に、ガンマ線よりも遥かに短い経路だけ進行する。Ｓｉ ＰＩＮ層１４は、隣接するＧｄ層２０内での中性子捕捉によって生じた内部変換電子に対して感度を有する。ガラス板１６は、Ｇｄ層２０内の電子がＣＺＴ層１２内で記録されることを防止し、それにより、ガンマ線の存在を指し示すイベントに対して、中性子捕捉を指し示すイベントを区別することが容易にされる。

上述の層１２、１４、１６、及び２０を含む各ＣＺＴ／Ｓｉ ＰＩＮアセンブリ２４は、例えば、図２に示すように、当該ＣＺＴ／Ｓｉ ＰＩＮアセンブリ２４を複数のピクセル領域又はピクセル２６へと分離するアノードコンタクトのアレイを有する。ＣＺＴ／Ｓｉ ＰＩＮアセンブリ２４は、ソフトウェア又はハードワイヤードとしてロジック命令がエンコードされた一対のコントローラ３０及び３２の間に挟まれている。各コントローラ３０及び３２は典型的に、少なくとも１つのプロセッサ又は中央演算処理装置（ＣＰＵ）を、オペレーティングシステム、アプリケーションソフトウェア、及び検出器１０においてイベントによって生成されたデータを格納するための付随メモリとともに有する。コントローラ３０又は３２は、アナログ−デジタル信号プロセッサ又はアナログ−デジタル変換器を含み得るとともに、よく知られた方法で入力装置及び出力装置に接続され得る。

多層プリント回路基板（ＰＣＢ）３４及び３６が、付随するコントローラ３０及び３２と協働して、ＣＺＴ／Ｓｉ ＰＩＮアセンブリ２４の各ピクセル領域２６をそれぞれのプロセッサ上のそれぞれのコンタクトに接続する。プロセッサは、ＣＺＴ１２及びＳｉ ＰＩＮ層１４を駆動する２つ以上のシリコンベース特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を含み得る。その目的で、ＣＺＴ層１２及びＳｉ ＰＩＮ層１４のそれぞれの外表面と電気的に接触して、第１及び第２のアノードコンタクトが、プロセッサ又はＰＣＢ３４及び３６に結合される。ＰＣＢ３４及び３６上のトレースが、これらアノードを、ＡＳＩＣ又はその他のプロセッサの対応する単位セルに接続する。プロセッサはまた、ガラス板１６に隣接してそれと電気的に接触したカソードコンタクトに結合されて電気的に接触している。故に、電極、アノード及びカソードは、それぞれのコントローラ３０及び３２内のプロセッサに接続される。コントローラ３０及び３２は、アノード及びカソードを介したＣＺＴ／Ｓｉ ＰＩＮアセンブリ２４への電界の印加を制御する。コントローラ３０及び３２によって制御されるものであるアノードコンタクトとカソードコンタクトとの間の電位差が、各検出材料（ＣＺＴ１２及びＳｉ ＰＩＮ層１４）の中に電界を確立する。コントローラ３０及び３２、より具体的には、関連するプロセッサはまた、アノード及びカソードで受け取られた電気信号を受信し、中性子イベントとガンマ線イベントとを識別してそれらを区別するためのコインシデンス基準を用いて分析する。言い換えると、各コントローラ３０及び３２のプロセッサは、第１及び第２のアノードの各々から受け取られた信号のコインシデンス検査の関数として、中性子イベントによって生成された信号とガンマ線イベントによって生成された信号とを区別するように構成される。

検出器１０は、主に撮像を意図したものではないが、ピクセル手法の利点は、以下を含む：
１）欠陥ピクセル２６をオフにすることができ、使用可能なＣＺＴ材料の歩留りが大いに高められ、コストが低減されること；
２）並列に動作する複数の独立した検出器１０の使用が、暗電流、キャパシタンス及びパルスパイルアップを抑制すること；
３）アライメントされたＣＺＴ／Ｓｉ ＰＩＮピクセル対がコインシデンス検査を容易にすること；及び
４）ＣＺＴ／Ｓｉ ＰＩＮアセンブリ２４が、ＣＺＴ層１２におけるガンマ線エネルギー分解能を向上させる深度補正計算を実行することができる既存のＡＳＩＣにトポロジー的に従うこと。ここに記載される例示的な実施形態においては、所望される最低限の効率を依然として満足しながら、２４２ピクセルのうちの１２ピクセル（最悪ケース）をオフにさせることができ、それにより、使用可能なＣＺＴ材料の歩留りが高められる。

例示的な一実施形態において、各ＣＺＴ層１２は、３ｃｍ×３ｃｍの正方形チップで形成されることができ、ピクセル２６に分離されたＡ＝１８ｃｍ^２の総感知領域を提供する。各ＣＺＴ／Ｓｉ ＰＩＮアセンブリ２４は、例えば、図２に例示されるような１１×１１アレイのアノードコンタクトを有して、チップ当たり１２１ピクセル（合計２４２ピクセル）を作り出し得る。この構成は、各ＣＺＴ／Ｓｉ ＰＩＮアセンブリ２４内に２４２個のピクセル２６を形成し、Ｓｉ ＰＩＮ層１４内の各ピクセル２６が、ＣＺＴ層１２内のピクセル２６とアライメントされる。各ピクセル２６が独立に中性子及びガンマ線を検出する。個々の欠陥ピクセルは、コントローラ３０及び３２を介してオフにされることができ、より高価であることが典型的なＣＺＴ材料について、使用可能なＣＺＴ材料の歩留りが有意に高められる。代表的なピクセルピッチは２．６ｍｍであり、（周囲の）外縁に０．７ｍｍの後退がある。

上述のように、中性子検出は、ガラス板１６上のガドリニウム変換器層（Ｇｄ層２０）を通じて達成される。代表的なＧｄ層２０は、約５μｍの厚さを有する。２５４０００バーン（１バーンは１０^−２８ｍ^２として定義される）断面の^１５７Ｇｄの場合、濃縮された元素Ｇｄの吸収率は７６８２ｃｍ^−１である。故に、５μｍのＧｄ層の厚さは、全ての衝突熱中性子のうちの９８％を捕捉すると期待される。Ｇｄ層２０の厚さを増加させることによって効率を高めることができるが、増加された厚さは、対応するコストの増加を伴う。

そして、上述のように、ガンマ線検出はＣＺＴ層１２により達成される．ｄ＝０．３５ｃｍの厚さの場合、ＣＺＴ層１２は６．３０ｃｍ^３の総体積を有する。ｗｗｗ．ａｐｒｅｎｄｔｅｃｈ．ｃｏｍ／ＯｖｅｒＶｉｅｗ．ｈｔｍｌを介して入手可能なＡｐｒｅｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社のＨａｒｍｏｎｅｘソフトウェアを用いると、厚さ０．３５ｃｍのＣＺＴ層１２内での１．１７ＭｅＶガンマ線の光電相互作用の断面積は約０．００２４５６ｃｍ^２／ｇである。５．８４５ｇ／ｃｍ^３の密度を所与とすると、ＣＺＴ層１２における吸収率は約０．０１４３６ｃｍ^−１である。この例は、０．３５ｃｍの厚さを有するＣＺＴ層１２を使用しているが、例えば１．０ｃｍ、又は１．５ｃｍ、又は２．０ｃｍへと厚さを増加させることによって、ガンマ線に対する感度を大いに向上させることができる。

検出器の設計を最適化する際には、Ｇｄ層２０の厚さ、Ｓｉ ＰＩＮ層１４の特性、ＣＺＴ層１２の厚さ、ガラス板１６の厚さ、バイアス電圧、コントローラ３０及び３２の動作条件、及びピクセルのコインシデンス基準を含め、複数のパラメータが調節され得る。ここに記載される例示的な例は、１つの構成に過ぎない。

次いで、共通の検出器１０を用いて中性子及びガンマ線を検出する方法の説明に移るに、検出器は、ガラス板１６に隣接する半導体材料（例えば、ＣＺＴなど）の層１２と、ガラス基板１７の反対側のシリコンＰＩＮ材料の層１４と、ガラス板１６とシリコンＰＩＮ層１４との間のＧｄ層２０とを含んでおり、半導体材料の一方側の半導体アノード又は第１のアノードと、ガラス板に接続されたカソードと、Ｓｉ ＰＩＮ層の半導体アノードとは反対側のＳｉ ＰＩＮアノード又は第２のアノードと、を含む電極によって境界付けられたサブアセンブリを形成している。この方法は、ＣＺＴ層１２又はＳｉ ＰＩＮ層１４において電子を検出し、ＣＺＴ層１２及びＳｉ ＰＩＮ層１４の双方で電子が略同時に、すなわち、コインシデント（同時発生的）に検出されたかを決定することを含む。従って、この方法は、コインシデンス検査を含むものとして参照され得る。より具体的には、この方法は、更に詳細に後述するように、（１）半導体アノード及びＳｉ ＰＩＮアノードの各々において電気信号をモニタするステップ、及び（２）半導体アノードからの信号とＳｉ ＰＩＮアノードからの信号とを比較し、所定の基準に基づいてガンマ線イベントと中性子イベントとを区別するステップを含む。この方法は更に、アノードコンタクトとカソードコンタクトとの間に電位差を生成することによって、ＣＺＴ層１２とＳｉ ＰＩＮ層１４の各々内に電界を確立することを含む。この方法はまた、共通のガンマ線及び中性子検出器に、アノード及びカソードに接続されたコントローラを備えるステップを含むことができ、該コントローラはプロセッサ及びメモリを含む。

光電効果を通じて、ガンマ線はそのエネルギーの全てをＣＺＴ層１２に付与して、比例した数の電子−正孔対を生成する。印加された電場内で、電子及び正孔はそれらそれぞれのアノードコンタクト及びカソードコンタクトに向かってドリフトし、理想的にはガンマ線エネルギーに比例する信号を生成する。しかしながら、トラッピング効果のために、電荷の全てが収集されるわけではない。この問題は、米国ニューヨーク州ロングアイランドのＢｒｏｏｋｈａｖｅｎ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ社で開発されたＨＰＬ２ ＡＳＩＣに実装されている３Ｄ位置センシング技術を用いて実質的に解決されており、それを例示的なコントローラ３０と３２とする。

個々のガンマイベントは各々、電荷が生成されたＣＺＴ層１２内での深さに従って振幅を補正される。図３Ａ及び３Ｂは、上述の３Ｄ技術を用いて、^１３７Ｃｓの６６２ｋｅＶピークが、半値全幅（ＦＷＨＭ）で２．２％から０．７２％まで、どのように尖鋭化されたかの一例を示している。１．１７ＭｅＶにて予期される幅の推定は、これをガンマ線エネルギーの比の平方根によってスケーリングすると、０．５４％のライン幅につながる。控えめにして、これを倍にすることで、１．１５％のライン幅を予測することができる。その他のガンマ線イベントの殆どはコンプトン散乱からなり、特に、周囲のガンマフィールドが多様なエネルギーが含んでいる場合に、幅広のバックグラウンドを作り出す。光電ガンマイベントは、合理的な統計を考えると、それらの細いラインにより、このバックグラウンドよりも上に突き出ることになる。

中性子は、Ｓｉ ＰＩＮ層１４内の内部変換電子を捕捉することによって検出される。中性子は、先ず、Ｇｄ層２０内で捕捉され、Ｓｉ ＰＩＮ層１４へと逃げ出る電子を生成する。^１５７Ｇｄによる中性子捕捉は、^１５７Ｇｄ（ｎ，γ＋ｅ⁻＋ｘ）^１５８Ｇｄによって表され、最終的な核^１５８Ｇｄが、ガンマ線、内部変換（ＩＣ）電子、及びＸ線が複雑に混ざり合ったものにて、７．９ＭｅＶのエネルギーを放出することによって基底状態に緩和する。典型的に、各中性子捕捉にて、３つよりも多いガンマ線が現れる。最も可能性のあるエネルギーは７９．５１ｋｅＶ及び１８１．９４ｋｅＶに生じ、他のものが０．６０６ＭｅＶと６．７５ＭｅＶとの間にある。これらは全て、Ｓｉ ＰＩＮ材料の小さい原子番号及びＳｉ ＰＩＮ層１４の比較的薄い（典型的に２８０μｍ）厚さのため、Ｓｉ ＰＩＮ層１４にて記録される可能性は低い。比較して、ＩＣ電子の目立ったエネルギーは、７９．５１ｋｅＶ、１８１．９４ｋｅＶ、２５５．６７ｋｅＶ、及び２７７．５５ｋｅＶであり、これらは全て、Ｓｉ ＰＩＮ層１４内で完全に停止するのに十分な小ささの投影飛程を有する。平均して、それらは、Ｓｉ ＰＩＮ層１４に入る前に、最小限のエネルギーを失うのみでＧｄ層２０から出て来ることになる。

図４は、Ｇｄ層２０内で中性子が捕捉されることによって生成されたＩＣ電子の実際のスペクトルである（オングストローム表記は熱中性子の運動エネルギーを表している）。ＩＣ電子のエネルギー分光法は、ＣＺＴ層１２内のガンマ線と同様にしてＳｉ ＰＩＮ層１４内で実行されることができるが、トラッピングを補正する必要はない。３．６ｅＶのＩＣ電子エネルギーごとに１つの電子−正孔対がＳｉ ＰＩＮ層１４内で生み出され、故に、各パルスは、パルス整形時間内に収集される暗電流電荷よりもはるかに大きくなる。

図５は、検出器１０における中性子の捕捉を例示している。ＣＺＴ層１２及びＳｉ ＰＩＮ層１４にかかるおおよそのカソード−アノードバイアスは、それぞれ、６００Ｖ及び２０Ｖである。

概して少なくとも３００μｍ厚のガラス層１６は、（１）Ｓｉ ＰＩＮカソードとＣＺＴカソードとの間の電位差を退けるように機能し、（２）Ｇｄ層２０のための基板を形成するように機能し、（３）Ｇｄ層２０によって放出されたＩＣ電子がＣＺＴ層１２に入ることを食い止めるように機能し、且つ（４）Ｓｉ ＰＩＮ層１４に入るＣＺＴ層１２からのコンプトン散乱電子の数を減少させるように機能する。さらに、より薄い（５μｍ）濃縮されたＧｄ層２０は、ガンマ線フィールドと相互作用がより少ないとともに、より容易なＩＣ電子の逃げ出しを可能にするので、より厚い天然のＧｄ層２０よりも有利である。濃縮されたＧｄ層２０はまた、天然の同位体混合物よりも単純なＩＣ電子スペクトルを放つ。

各イベントに対し、検出器１０は、（１）ＣＺＴ層１２におけるパルス振幅（存在する場合）、（２）Ｓｉ ＰＩＮ層１４におけるパルス振幅（存在する場合）、（３、４）ＣＺＴ層１２及びＳｉ ＰＩＮ層１４の信号のタイミング、及び（５、６）ＣＺＴアレイ及びＳｉ ＰＩＮアレイの中でのピクセル位置、という６ピースの情報を提供する。Ｓｉ ＰＩＮ層１４で実行される分光法は、中性子の運動エネルギーを明らかにするために行われるのではなく、ＩＣ電子を識別するために行われる。これらの量の解釈され方は、非常に高い信頼性で、イベントを中性子又はガンマ線に割り当てる前に最適化され得る。例えば、ＣＺＴ層１２のコインシデンスを持たずにＳｉ ＰＩＮ層１４内で発生したパルスは、そのエネルギーが既知のＩＣ電子スペクトルと適合する限り、中性子によって生成されたものである可能性が高い。Ｇｄ層２０からのガンマ線イベントを表すと想定されるＣＺＴ層１２内で、特に、近くのピクセル２６内で同時発生するイベントが、中性子イベントの確認となる。タイミングにより、振幅は無視されることができ、ＣＺＴ層１２内のＧｄ起源のガンマ線の光電捕捉又はコンプトン散乱の何れかが、中性子の確認を助けることが可能となる。

ガンマ検出では、Ｓｉ ＰＩＮ層１４における、特に、隣接するピクセル２６における同時発生信号が欠如した、ＣＺＴ層１２におけるパルスは、ガンマ線を指し示すものである可能性が高い。

従って、アノードがゼロボルトにあるとき、ガラス板１６は、２つのカソード間の電位差（示された負電圧）を退ける。内部変換電子は、Ｇｄ層２０から容易に逃げ出て、それらのエネルギーをＳｉ ＰＩＮ層１４に付与する。他の方向に放出される場合、ガラス板１６は、ＩＣ電子がＣＺＴ層１２にて記録されることを防止する。同一の中性子イベントからのガンマ線は、下方に放出される場合、ＣＺＴ層１２によって検出されることができる。ＣＺＴ−Ｓｉ ＰＩＮコインシデンス検査のため、ＣＺＴ層１２におけるガンマ線の光電吸収及びコンプトン散乱の双方を用いて、中性子イベントの存在を確認する助けとすることができる。

要約すると、本発明は、共通の検出器を用いてガンマ線イベント及び中性子イベントの双方を検出する方法を提供し、検出器は、ガラス板の一方側に隣接した半導体材料の層と、ガラス板とシリコンＰＩＮ材料の層との間の、ガラス板の反対側のＧｄ層とを含んでいて、半導体層の一方側の半導体アノード、ガラス板に接続されたカソード、及びシリコンＰＩＮ層の半導体アノードとは反対側のＳｉ ＰＩＮアノード、を含む電極によって境界付けられたアセンブリを形成する。当該方法は、（１）半導体アノード及びＳｉ ＰＩＮアノードの各々において電気信号をモニタするステップ、及び（２）半導体アノードからの信号とＳｉ ＰＩＮアノードからの信号とを比較し、所定の基準に基づいてガンマ線イベントと中性子イベントとを区別するステップを含む。

特定の好適実施形態に関して本発明を図示して説明してきたが、明らかなことには、本明細書及び添付の図面を読んで理解した当業者には、等価な代替及び変更が思い浮かぶことになる。特に、上述のコンポーネントによって実行される様々な機能に関して、そのようなコンポーネントを記述するために使用される用語（“手段”への参照を含む）は、特段の断りがない限り、ここに例示した本発明の実施形態においてその機能を果たす開示構造とは構造的に等価でないとしても、記述されるコンポーネントの指定機能を実行する（すなわち、機能的に等価な）如何なるコンポーネントにも対応することが意図される。また、本発明の或る特定の機構は、幾つかの実施形態のうちの１つに関してのみ開示されていることがあるが、そのような機構が、所与又は特定の用途に関して望ましくて有利であるように、他の実施形態の１つ以上の他の機構と組み合わされてもよい。

Claims (18)

1. ガンマ線及び中性子の双方用の検出器であって、
   ガンマ線を捕捉するのに適した半導体材料を含む半導体層と、
   前記半導体層と接触したガラス板と、
   中性子を捕捉するための、前記半導体層とは反対側で前記ガラス板と接触したガドリニウム（Ｇｄ）変換器層と、
   前記Ｇｄ変換器層に捕捉された中性子によって生成された電子を検出するように、前記ガラス板とは反対側で前記Ｇｄ変換器層と接触した、好適厚さのシリコンＰＩＮ（ｐ型／真性／ｎ型）材料の層と、
   前記ガラス板と電気的に接触したカソードコンタクトと、
   前記半導体層と接触した第１のアノードコンタクトと、
   前記シリコンＰＩＮ層と接触した第２のアノードコンタクトと、
   前記第１及び第２のアノードコンタクトと電気的に接触するプロセッサであって、前記第１及び第２のアノードコンタクト並びに前記カソードコンタクトと協働して、前記半導体層及び前記シリコンＰＩＮ層を横切る電界を確立するように構成され、且つ、中性子イベントによって生成された信号とガンマ線イベントによって生成された信号とを区別するように構成されたプロセッサと、
   を有する検出器。
2. 前記半導体材料は、テルル化カドミウム亜鉛（ＣｄＺｎＴｅ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、及びゲルマニウム（Ｇｅ）のうちの何れかを含む、請求項１に記載の検出器。
3. 前記第１及び第２のアノードコンタクトをそれぞれのプロセッサ内のそれぞれのコンタクトに接続するように前記第１及び第２のアノードコンタクトのそれぞれと電気的に接触したプリント回路基板（ＰＣＢ）、を更に有する請求項１又は２に記載の検出器。
4. 複数の検出器が共通のＰＣＢを共有して、複数の当該検出器が離間されて隣り合わされている、請求項３に記載の検出器。
5. 前記第１及び第２のアノードコンタクトは、ピクセルのアレイへと分割されている、請求項１乃至４の何れかに記載の検出器。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載の検出器のアレイ。
7. 前記半導体層は、テルル化カドミウム亜鉛（ＣｄＺｎＴｅ）を含むとともに、前記シリコンＰＩＮ層内のピクセルとアライメントされたピクセルへと分離されている、請求項１乃至５の何れかに記載の検出器。
8. 前記半導体層は０．３５ｃｍの厚さを有し、前記ガラス板は３００μｍ以上の厚さを有し、前記Ｇｄ変換器層は５μｍの厚さを有し、前記シリコンＰＩＮ層は２８０μｍの厚さを有する、請求項１、２、３、４、５又は７に記載の検出器。
9. 前記半導体層は、１．０ｃｍ又は１．５ｃｍ又は２．０ｃｍの厚さを有する、請求項１、２、３、４、５又は７に記載の検出器。
10. ガンマ線及び中性子の双方に対して共通の検出器とともに使用されるコントローラであって、前記検出器は、ガンマ線を捕捉するのに適した半導体材料を含む半導体層と、該半導体層と接触したガラス板と、中性子を捕捉するための、前記半導体層とは反対側で前記ガラス板と接触したガドリニウム（Ｇｄ）変換器層と、前記Ｇｄ変換器層に捕捉された中性子から生成された電子を検出するように、前記ガラス板とは反対側で前記Ｇｄ変換器層と接触した、好適厚さのシリコンＰＩＮ（ｐ型／真性／ｎ型）材料の層と、前記ガラス板と電気的に接触したカソードコンタクトと、前記半導体層と接触した第１のアノードコンタクトと、前記シリコンＰＩＮ層と接触した第２のアノードコンタクトとを含み、
    当該コントローラは、
    前記第１のアノードコンタクト、前記第２のアノードコンタクト、及び前記カソードコンタクトと協働して、前記半導体層及び前記シリコンＰＩＮ層を横切る電界を確立するように構成されたプロセッサ
    を有し、
    前記プロセッサは、前記第１及び第２のアノードコンタクトの各々から受信する信号のコインシデンス検査の関数として、中性子イベントによって生成された信号とガンマ線イベントによって生成された信号との間で差異化するように構成される、
    コントローラ。
11. 共通の検出器を用いてガンマ線イベント及び中性子イベントの双方を検出する方法であって、
    前記検出器は、ガラス板に隣接した半導体材料の層と、前記ガラス板の反対側に隣接したガドリニウム（Ｇｄ）変換器層と、前記ガラス板とは反対側で前記Ｇｄ変換器層と接触したシリコンＰＩＮ材料の層とを含んで、前記半導体材料の層の一方側の半導体アノードコンタクト、前記ガラス板に接続されたカソードコンタクト、及び前記シリコンＰＩＮ材料の層の前記半導体アノードコンタクトとは反対側のＳｉ ＰＩＮアノードコンタクト、を含む電極によって境界付けられたサブアセンブリを形成し、
    当該方法は、前記半導体アノードコンタクト及び前記Ｓｉ ＰＩＮアノードコンタクトの各々において電気信号をモニタするステップと、
    前記半導体アノードコンタクトからの信号と前記Ｓｉ ＰＩＮアノードコンタクトからの信号とを比較し、所定の基準に基づいてガンマ線イベントと中性子イベントとを区別するステップと
    を有する、方法。
12. 前記半導体材料の層及び前記シリコンＰＩＮ材料の層の中に電界を確立するステップを有する請求項１１に記載の方法。
13. 当該方法は、共通のガンマ線及び中性子検出器に、前記半導体アノードコンタクト及び前記Ｓｉ ＰＩＮアノードコンタクト並びに前記カソードコンタクトに接続されたコントローラを備えるステップを含み、前記コントローラはプロセッサ及びメモリを含む、請求項１１又は１２に記載の方法。
14. ガンマ線及び中性子の双方用の検出器であって、
    電子を生成するガンマ線捕捉手段と、
    電子を生成する中性子捕捉手段であり、中性子を捕捉して電子を生成するガドリニウム（Ｇｄ）変換器層と、電子を検出するように前記Ｇｄ変換器層と接触した好適厚さのシリコンＰＩＮ（ｐ型／真性／ｎ型）材料の層とを含む、中性子捕捉手段と、
    前記ガンマ線捕捉手段によって生成された電子を前記中性子捕捉手段によって生成された電子から分離する手段であり、ガラス板を含む、分離する手段と、
    前記中性子捕捉手段及び前記ガンマ線捕捉手段を横切る電界を確立する手段と、
    中性子イベントによって生成された信号とガンマ線イベントによって生成された信号とを区別する手段と、
    を有する検出器。
15. 前記ガンマ線捕捉手段は、ガンマ線を捕捉するのに適した半導体材料を有する半導体層を含む、請求項１４に記載の検出器。
16. 前記ガンマ線捕捉手段は、結晶化されたテルル化カドミウム亜鉛（ＣｄＺｎＴｅ）（ＣＺＴ）の層を含む、請求項１４又は１５に記載の検出器。
17. 前記中性子捕捉手段及び前記ガンマ線捕捉手段を横切る電界を確立する手段は、
    前記分離する手段と電気的に接触したカソードコンタクトと、
    前記ガンマ線捕捉手段と接触した第１のアノードコンタクトと、
    前記中性子捕捉手段と接触した第２のアノードコンタクトと、
    前記第１及び第２のアノードコンタクトと電気的に接触するプロセッサであって、前記第１及び第２のアノードコンタクト並びに前記カソードコンタクトと協働して、前記中性子捕捉手段及び前記ガンマ線捕捉手段を横切る電界を確立するように構成されたプロセッサと
    を含む、請求項１４乃至１６の何れかに記載の検出器。
18. 前記中性子イベントによって生成された信号とガンマ線イベントによって生成された信号とを区別する手段は、前記中性子捕捉手段及び前記ガンマ線捕捉手段を横切る電界を確立する手段と電気的に接触するプロセッサを含み、該プロセッサは、中性子イベントによって生成された信号とガンマ線イベントによって生成された信号とを区別するように構成されている、請求項１４乃至１６の何れかに記載の検出器。

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