JP6842327B2 - 放射線検出器及び放射線検出装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、放射線検出器及び放射線検出装置に関する。

光電変換層で変換された電荷を検出する光検出器が知られている。例えば、一対の電極層の間に光電変換層を配置し、光電変換層で変換された電荷を、電極を介して読出す構成が知られている。以下では、この構成単位を検出素子と呼称する。検出器の入射面を大きくするため、検出素子をアレイ状に敷き詰める構成が開示されている。信号量を増やさずにより大きな面積の検出器を実現するためには、検出素子面積を大きくする必要があるが、検出素子面積が大きくなると読み出し回路において高周波ノイズが増幅されやすくなり、信号に対するノイズ比が悪化するという問題があった。このため、従来技術ではノイズ量を抑えつつ検出面を大きくする事は困難であった。

特開２０１４−０５６０６７号公報 特許第５７５０３９４号公報

本発明の実施形態は、信号量の増加を抑制し、かつ高周波ノイズの小さい高感度な放射線検出器を提供する。

本発明の実施形態によれば放射線検出器は、第１方向に複数配置され、放射線を電気信号として光電変換する光電変換層と、光電変換層間に配置される導入体と、を具備し、導入体は、前記放射線を導入する部分を有し、この導入体の導入する部分と、第１方向に垂直な第２方向を含む面と、の間の鋭角が６０°以下である。

図１は、第１の実施形態に係る放射線検出器を示す模式図である。 図２は、図１のｐ−ｐ´を第１方向に沿って切断した断面図である。 図３は、放射線が、導入体２によって導入される導入経路である。 図４は、放射線検出器の特性を例示するグラフ図である。 図５は、放射線検出器の特性を例示するグラフ図である。 図６は、各検出素子１の受光面の形状である。 図７は、第２の実施形態に係る放射線検出器１０のｐ−ｐ´を第１方向に沿って切断した断面図である。 図８は、検出装置の一例を表す模式図である。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。同じ符号が付されているものは、互いに対応するものを示す。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比が異なって表される場合もある。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係る放射線検出器１０である。

図１に示すように、本実施形態に係る放射線検出器１０は、半導体検出素子１が所定の間隔を隔てて複数、２次元配置される。

半導体検出素子１は、第１の電極層５と、光電変換層４と、第２の電極層８と、基板３と、を含む。本実施の形態では、光電変換素子４は、第１の電極層５と第２の電極層８との間に配置されている。検出素子１は、基板３の受光面において正方形をしており、アレイ状に二次元配列している。受光面とは、放射線の入射方向に対してほぼ垂直な平面である。導入体２は、第１方向における検出素子１間に設けられている。

光電変換層４は放射線（例えば、β線）のエネルギーを電荷（電気信号ともいう）に変換する。光電変換層４は、例えば、アモルファスシリコンなどの無機材料や、ＣＩＧＳ（銅、インジウム、ガリウム、セレンの化合物）や、有機材料などを主成分とする。主成分とする、とは、７０％以上の含有率であること示す。また、光電変換層４として、パンクロ感光性の有機光電変換膜を用いてもよい。光電変換層４に有機光電変換膜を用いると、放射線検出器を自在に曲げることができる。

光電変換層４の構成材料は、上記に限定されない。なお、光電変換層４は、波長選択性を有していてもよい。波長選択性とは、光電変換対象の波長領域以外の波長の光を透過させることを示す。この場合、例えば、光電変換層４は、キナクリドンや、サブフタロシアニン等を含む構成としてもよい。なお、光電変換層４は、有機材料を主成分とすることが好ましい。

有機材料を主成分とする光電変換層４を用いると、有機材料を主成分としない場合に比べて、光電変換層４の抵抗率を高くすることが出来る。光電変換層４の抵抗率が高いほど、光電変換層４で発生した電荷が、光電変換層４における、他の検出素子１からの電荷が各検出素子１に混入することを抑制することができる。

また、光電変換層４は、ナノ粒子を含むことが好ましい。光電変換層４にナノ粒子を含むことにより、粒子密度や粒子径等の変化により入射した放射線の屈折率を部分々で制御することができる。そのため、放射線から検出素子１が取り出せるエネルギーを増やすことができる。ナノ粒子の材料は、例えば、酸化チタンである。

光電変換層４の厚みは限定されない。厚みとは、第１方向に交差する第２方向に一致する。なお、交差するとは、ほぼ直交していること意味する。光電変換層４の各々の厚みは、例えば、１ｎｍ以上１ｍｍ以下の範囲であり、１μｍ以上５００μｍ以下の範囲が好ましい。

次に、第１の電極層５及び第２の電極層８について説明する。

第１の電極層５及び第２の電極層８は、光電変換層４が入射した放射線から変換した電気信号を配線層７に出力する。電極層５及び電極層８は、導電性を有する材料で構成すればよい。電極層５及び８は、例えば、ＩＴＯ、グラフェン、ＺｎＯ、アルミニウム、金などで構成する。

電極層５及び８の厚みは限定されない。電極層５及び８の厚みは、例えば、３５ｎｍである。また、電極５と電極８とで、厚みが異なっていてもよい。

検出素子１間には導入体２が配置される。導入体２は、第２方向に突き出ており検出素子１に放射線を導入する。この導入体２が放射線を検出素子に導入する事により、受光面の面積を変えずに入射面積の大きい放射線検出器１０を実現出来る。

図２は、図１のｐ−ｐ´を第１方向に沿って切断した断面図である。

図２に示すように導入体２は配線層７上に設けられている。本明細書で、上とは、第２方向において放射線入射側を示している。配線層７は、導入体２は、各第１の電極層５から出力された電気信号を信号処理部１１に入力する。配線層７の材料は、例えば、ポリイミドが用いられる。信号処理部１１は、各第１の電極層５から出力された電気信号を用いて様々な処理を行う。信号処理部１１では、例えば放射線の検出エネルギーを特定して、画像データとして表示部１３に出力する事が行われる。

光電変換層４は、各第１の電極層５上に設けられ、その上面が放射線の入射する受光面となっている。

基板３の材料は、例えば、シリコンやガラスである。なお、基板３の構成材料は、シリコンに限定されない。

図２において、導入体２は、放射線入射側に頂点が来るように、第２方向に三角形状に突き出ており、放射線入射側の三角形の斜辺に放射線が入射したとき、反射して、検出素子１に導入する。導入体２の材料は、例えば、W,Pb,Ag,Au,Moや基板３と同一材料が用いられる。導入体２の作成方法については、例えば３Ｄプリンタを用いたり、インゴットからの削り出しで作成される。また、必ずしもアレイは一体で形成される必要はなく、例えば検出素子単位で作成し、後で検出素子と組み合わせても良い。

次に検出素子１間に入射した放射線のうち、検出素子１に導入できたものの割合である回収率と導入体２の第１方向の長さに対する第２方向の長さの比の関係を説明する。図３に示すように導入体２に入射する放射線は、反射して検出素子１に導入されるものと検出素子１に導入されないものがある。反射して検出素子１に導入される分だけ、本実施形態に係る放射線検出器１０は高感度になる。図４は、検出素子１間に入射した放射線のうち、検出素子１に導入できたものの割合である回収率と導入体２の第１方向の長さに対する第２方向の長さの比の関係を示した図である。例えば、図４に示したように、第１方向の長さに対する第２方向の長さの比が３の時、検出素子１間（導入体２）に入射した放射線の４５％を検出素子１に導入することができる。上記では、一例を示したが、導入体２は、第１方向の長さに対する第２方向の長さの比が０．５以上であることが好ましい。

次に、導入体２が、画素ピッチにおいて検出素子１間が占める割合と検出素子１間に入射した放射線のうち、検出素子１に導入できたものの割合である回収率の関係について図５を用いて説明する。画素ピッチとは、受光面において、検出素子１の面積と検出素子１間の面積（導入体２が設けられる場合は、導入体２の底面積）を足したものである。ここでは、図５は第１方向の長さに対する第２方向の長さの比が３で計算している。例えば、検出素子１の受光面が正方形かつ第１方向の長さが２ｍｍであり、検出素子１間の長さが２ｍｍの時、検出素子１間の受光面に占める割合は７５％を占め、検出素子１に対して３倍の面積を持つ。この時、検出素子１に入射する放射線量を１００としたとき、導入体２がない場合とある場合を考える。導入体２がない場合、検出可能な放射線量は、検出素子１に入射するだけであるので、放射線の検出量は１００である。一方で、導入体２がある場合、検出可能な放射線量は、検出素子１へ入射する放射線と導入体２によって検出素子１に導入される放射線の和となる。導入体２によって検出素子１に導入される放射線量は、面積比（ここでは、３）×入射放射線（ここでは、１００）×回収率（ここでは、０．２５）と示すことができ、７５と算出できる。したがって、検出量は、１００＋７５＝１７５となり、導入体２を設けることで、感度が１．７５倍になる。上記では、一例を示したが、画素ピッチに対する前記導入体２の第１方向の長さの比が０．０２５以上２．２以下であることが好ましい。

本実施形態に係る放射線検出器１０は、導入体２を備えることで、高周波ノイズの小さい高感度な放射線検出器１０を実現出来る。例えば信号処理部１１にチャージアンプ回路が含まれる場合、接続する半導体検出素子の容量に比例して高周波数領域のノイズが増幅されるという特徴がある。したがって導入体２により入射面積が拡大しても検出素子面積が変わらなければ、チャージアンプ回路を発生源とするノイズ増大を抑制する事が出来る。

さらに、図２のように導入体２の放射線を導入する部分（導入体２の形状である三角形の斜辺部分）と第２方向を含む面との間の鋭角θが６０°以下であってもよい。ここで、鋭角とは、0°より大きく90°より小さい角度のことである。

また、図１の例によらず、図６のように、各検出素子１の受光面の形状は、長方形（図６（ａ））や三角形（図６（ｂ））や六角形（図６（ｃ））であってもよい。形状は異なっていても、検出素子(１a、１b、１c)及び導入体(２a、２b、２c)の役割は図１と同じである。

図２の例によらず、隣接する第１及び第２の電極層の間には電極の信号を外部に取り出すための配線層７が設けられていてもよい。また、配線層７は基板に対して光電変換層４と逆側に配置されていてもよい。

（第２の実施形態）
図７は、第２の実施形態に係る放射線検出器１０のｐ−ｐ´を第１方向に沿って切断した断面図である。

第１の実施形態と異なる点のみを説明する。

本実施形態に係る放射線検出器１４は、第１の実施形態に係る放射線検出器１０に第２方向において、検出素子１上及び導入体２上に放射線を緩衝する緩衝層６をさらに具備する。

緩衝層６は、導入体２よりも低密度な素材で形成される。また、光吸収性の素材であることが好ましい。例えば、カーボンブラックや銀系ナノ粒子、及びそれらを含む有機コート、無機コート等である。形成方法としては、例えば蒸着や塗布による方法が挙げられる。緩衝層６の層厚は、特に１０μｍ以上であることが好ましい。

光電変換層４に入射した放射線は、エネルギーが高いほど光電変換層４を透過しやすく、光電変換層４で生成する信号量が小さいため、信号検出が困難となる。緩衝層６を備えることで、検出素子１が検出できない強いエネルギーの放射線を緩衝して、検出素子１が検出できる放射線のエネルギーまで緩和することができる。

（適応例）
図８は、放射線検出装置９の一例を示す模式図である。

本実施形態に係る放射線検出器１０は、放射線検出装置９に適用することができる。

放射線検出装置９は、放射線検出器１０と、信号処理部１１と、通信部１２と、表示部１３と、を備える。放射線検出器１０、通信部１２、および表示部１３と、信号処理部１１と、はデータや信号を授受可能に接続されている。

通信部１２は、ネットワークなどを介して外部装置と通信する。本実施の形態では、通信部１２は、信号処理部１１による特定結果を示す情報を、外部装置へ送信する。表示部１３は、各種画像を表示する。本実施の形態では、表示部１３は、信号処理部１１による判定結果を示す情報を、表示する。

なお、放射線検出装置は、表示部１３および通信部１２の何れか一方を備えた構成であってもよい。また、放射線検出装置を構成する各部は、１つの筐体に収められていてもよいし、複数の筐体に分割されて配置されていてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、説明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１・・検出素子、２・・導入体、３・・基板、４・・光電変換層、５・・第１の電極層、６・・緩衝層、７・・配線層、８・・第２の電極層、９・・放射線検出装置、１０・・放射線検出器、１１・・信号処理部、１２・・通信部、１３・・表示部

Claims (14)

1. 第１方向に複数配置され、放射線を電気信号として変換する変換層と、
   前記変換層間に配置され、前記放射線入射側に突き出た導入体と、を具備し、
   前記導入体は、基板と同一材料を含み、前記放射線を前記変換層に導入する部分を有し、この導入する部分と、前記第１方向に垂直な第２方向を含む面と、の間の鋭角が６０°以下である放射線検出器。
2. 前記導入体は、前記第１方向の長さに対する前記第２方向の長さの比が０．５以上である
   請求項１に記載の放射線検出器。
3. 前記導入体はW,Pb,Ag,Au,Moの少なくとも１つを含む請求項１または２に記載の放射線検出器。
4. 前記第２方向において、前記変換層上及び前記導入体上のうちの少なくとも一方に前
   記放射線を緩衝する緩衝層をさらに具備する請求項１乃至３のいずれか記載の放射線検出
   器。
5. 前記緩衝層は、前記導入体よりも低密度である請求項４に記載の放射線検出器。
6. 前記緩衝層は、光吸収性の素材を用いる請求項４または５に記載の放射線検出器。
7. 前記緩衝層は、１０μｍ以上の層厚である請求項４乃至６のいずれか記載の放射線検出器。
8. 前記変換層は、有機変換層を含む請求項１乃至７のいずれか記載の放射線検出器。
9. 前記有機変換層はナノ粒子を含む請求項８に記載の放射線検出器。
10. 第１の電極層と第２の電極層との間に前記変換層が設けられ、前記第１の電極層間に配置される配線層をさらに具備し、
    前記導入体は、前記配線層上に設けられる請求項１乃至９のいずれか記載の放射線検出器。
11. 前記放射線は、β線である請求項１乃至１０のいずれか記載の放射線検出器。
12. 前記導入体は、前記第１方向に沿って切断した断面が前記放射線入射側に突き出た三角形
    である請求項１乃至１１のいずれか記載の放射線検出器。
13. 前記導入する部分が前記三角形の斜辺である請求項１２に記載の放射線検出器。
14. 請求項１乃至１３のいずれか記載の放射線検出器と、
    前記放射線検出器とデータや信号の授受可能な信号処理部と、
    前記信号処理部による特定結果を示す情報を、外部装置へ送信する通信部と、
    前記信号処理部による判定結果を示す情報を、表示する表示部と、
    を具備する放射線検出装置。

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