(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光検出部が設けられた支持体上に針状結晶を備えるシンチレータ層が配置されており、該シンチレータ層の上にシンチレーション光を反射する光反射層が保護層を介して光学的に結合して配置されており、該光反射層が反射面側にテーパー角を有する複数の突起物を有し、前記突起物の形状が角錐台或いは円錐台であり、前記光反射層の反射面から見た際に、平坦な部分が占める面積(S1)とテーパー面の占める面積(S2)の比が(S1/S2)≦0.1であることを特徴とする放射線センサー。
【請求項２】
前記テーパー角が45°〜50°の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の放射線センサー。
【請求項３】
前記突起物を陥没部とした請求項１または２に記載の放射線センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は放射線を検出するセンサー、特にフラットパネルディテクタと呼ばれる放射線センサーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
被写体に放射線を照射し、透過した放射線を検出することで像を得る放射線撮影において、検出した放射線を電気信号に変換して像を得るデジタルラジオグラフィ（DR）が普及している。一般にDRでは、二次元状に配列した画素と、画素上に配置されたシンチレータ層から構成されるフラットパネルディテクタ（FPD）が使用されている。FPDの基本的な動作原理は放射線によるシンチレータの発光（シンチレーション光）を各画素内に設けられたアモルファスシリコンや多結晶シリコンから成る光検出部で検出して電気信号に変換し、各画素の電気信号を処理することで画像化するというものである。FPDのシンチレータ層としてはガドリニウムの酸硫化物にテルビウムを発光中心として添加したGd2O2S:Tb、ヨウ化セシウムにタリウムを添加したCsI:Tlなどが一般的に知られている。特にCsI:Tlを用いたFPDでは真空蒸着によって一本ずつが独立した針状結晶のCsI:Tlを成長させているため、針状結晶内でのライトガイド効果により所謂クロストークが抑制されるため、高い位置分解能が得られる利点を有している。
【０００３】
このような針状結晶のシンチレータを用いた放射線センサーとして、例えば特許文献1には光検出部の上に針状結晶シンチレータ層、保護層、光反射層、保護層を順次積層した構成の放射線センサーが開示されている。特許文献1では、シンチレータ層上の保護層は潮解性のあるシンチレータ層を湿気から保護するために配置され、光反射層はシンチレータ層から保護層に向かって導波するシンチレーション光を反射して光検出部側に戻すことで感度を上げるために配置される。また光反射層上の保護層は、例えばアルミなどの光反射層が腐食されるのを抑制するために配置される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特登録3405706号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、真空蒸着によって形成された針状結晶から成るシンチレータ層には、針状結晶の異常成長や蒸着源の突沸によるスプラッシュと呼ばれる高さ数十μm以上の突起状の欠陥が存在する。従って上記特許文献1においてシンチレータ層上の保護層がスプラッシュの高さに対して十分な厚みを有していない場合、スプラッシュによる斜影効果により光反射層がスプラッシュの周囲には形成されず、光反射層に欠陥が生じるという問題が発生する。これを回避するためにシンチレータ層上の保護層を厚く形成した場合、シンチレータ層上面と光反射層の距離が離れてシンチレーション光の保護層内での光路長が長くなり、結果としてクロストークが増してしまうという別の問題が発生する。
【０００６】
本発明は上記の課題を鑑みて、シンチレータ層上面と光反射層の距離が離れた場合においてもクロストークの増加を抑制することが可能な放射線センサーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための手段は、複数の光検出部が設けられた支持体上に針状結晶からなるシンチレータ層が配置されており、該シンチレータ層の上にシンチレーション光を反射する光反射層が保護層を介して光学的に結合して配置されており、該光反射層の反射面側にテーパー角を有する複数の突起物が配置されていることを特徴とする放射線センサーである。
【０００８】
更に前記テーパー角が45°〜50°の範囲であることを特徴とする放射線センサーである。
【０００９】
更に前記突起物が底面の一辺が2μm〜10μmの四角錘形状であることを特徴とする放射線センサーである。
【００１０】
更に前記突起物の形状が角錐或いは円錐であることを特徴とする放射線センサーである。
【００１１】
更に前記突起物の形状が角錐台或いは円錐台であり、前記光反射層の反射面から見た際に、平坦な部分が占める面積(S1)とテーパー面の占める面積(S2)の比が(S1/S2)≦0.1であることを特徴とする放射線センサーである。
【００１２】
更に前記突起物が前記光反射層の反射面側に正方状或いは三角格子状に配列しており、前記光反射層の反射面から見た際に、平坦な反射面が占める面積(S3)とテーパー面の占める面積(S2)の比が(S3/S2)≦0.2であることを特徴とする放射線センサーである。
【００１３】
更に前記突起物の代わりに陥没部を配置したことを特徴とする放射線センサーである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、光反射層を全面にわたって欠陥無く配置するためにシンチレータ層上面と光反射層の距離が離れた場合においてもクロストークの増加を抑制することが可能な放射線センサーを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明による放射線センサーの一例を示す断面模式図
【図２】シンチレーション光の伝播を模式的に示した図
【図３】幾何光学的な計算に用いた放射線センサーのモデル図
【図４】シンチレーション光の伝播を模式的に示した図
【図５】シンチレーション光の伝播を模式的に示した図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に本発明の好ましい実施の形態について述べる。
【００１７】
図１は本発明による放射線センサーの一例を示す断面模式図である。図１では画素毎の光検出部1を複数有した支持体2上に針状結晶CsI:Tlから成るシンチレータ層3が配置され、更に反射面側の表面に複数の突起物5を有した光反射層6が保護層4を介して光学的に結合して配置されている。ここで突起物5はテーパー角を有する形状であり、保護層4はシンチレータ層3に存在するスプラッシュの高さに対して十分な厚み（数十μm以上）を有しているものとする。尚、図１では本発明を簡潔に説明するため、シンチレータ層3に存在するスプラッシュは記載していない。保護層4にはCsI:Tlの潮解を防止する有機系の膜、光反射層6には放射線を十分透過すると同時にシンチレーション光に対する反射率が高い金属膜を用いる。勿論光反射層6の上に更に保護層などを設けても良い。
【００１８】
図１の放射線センサーに放射線7が入射するとシンチレータ層3のCsI:Tlが励起されてシンチレーション光が発生する。図２はシンチレーション光の伝播を模式的に示した図である。シンチレーション光は等方的に発生するが、そのうち-z方向の成分を有し全反射臨界角以上でCsI:Tl針状結晶8の界面に入射する光線は、針状結晶内で全反射を繰り返して光検出部が設けられた支持体2に向かって伝播する（図２(a)の光線A）。このため、発光地点から光検出部に到達するまでにx方向への位置ずれが少なく、クロストークが少ない光線の軌跡となる。ここで全反射臨界角は、CsI:Tl針状結晶8と針状結晶間の隙間の媒質との屈折率差で決まり、CsI:Tlの屈折率を1.78、隙間の媒質の屈折率を1.00とすると、34°となる。
【００１９】
一方、+z方向の成分を有した光線については、CsI:Tl針状結晶8の上面と保護層4の界面で屈折して保護層4内を伝播し、光反射層6の反射面に設けたテーパー角を有する突起物5で反射した後に支持体2に向かって伝播する（図２(a)の光線B）。この際、保護層4から光反射層6に向かって伝播することで+x方向への位置ずれが発生するが、突起物5のテーパー面で反射することで-x方向への成分を有した伝播となり、結果として発光地点から光検出部に到達するまでに生じるx方向への位置ずれが抑制される。一方で光反射層に突起物がなく平坦な場合、光反射層6で反射した後も光線は+x方向への成分を有した伝播となるため、発光地点から光検出部に到達するまでに生じるx方向への位置ずれが大きくなり、クロストークが大きい光線の軌跡となってしまう（図２(b)の光線B）。ここでテーパー角とは図２(a)に記載のように、突起物5をx-z平面から見た際に突起物のテーパー面と光反射層6との間の角度のことを意味する。
【００２０】
以上のように光反射層6に設けたテーパー角を有した突起物5により保護層4内を伝播する光線のクロストークを抑制する効果が期待できる。
【００２１】
ここでCsI:Tl針状結晶8と保護層4の界面で光線が全反射をして、保護層4内を光線が伝播しないことも有り得るが、このような軌跡の光線は次のような理由から少ないものと考えられる。一般的にCsI:Tl針状結晶8を一本ずつ独立して成長させるには、CsI:Tlの(200)面が支持体2に対して平行な状態で成長させることが好ましく、この結果CsI:Tl針状結晶8の上面は(110)面がファセット面となり図２のように先鋭な形状となる。幾何光学に基づくと、このような先鋭な形状ではCsI:Tl針状結晶8内で全反射を繰り返して伝播してきた光線が保護層4との界面で全反射されることは少なくなる。更に保護層4として使用されるポリパラキシリレンなどの有機膜は屈折率が1.5〜1.7程度とCsI:Tlとの屈折率差が小さいことからも、CsI:Tl針状結晶8と保護層4の界面で光線が全反射されることは少なく、多くの光線が界面で屈折して保護層4内に透過すると考えられる。従って光反射層6に設けたテーパー角を有した突起物5により保護層4内を伝播する光線のクロストークを抑制することで、光検出部に入射するシンチレーション光全体の面内方向の広がりが低減することになる。
【００２２】
表１は光反射層に設けた突起物の大きさによる光検出部に入射する光束の変化について、幾何光学に基づいた計算を行った結果である。ここでは図３のようなモデルを仮定して、光検出部1直上のCsI:Tl針状結晶8のみから光線を等方的に発生させた場合について、光検出部1に入射する光線量の計算を行った。光検出部1の大きさは100μm四方、突起物5の形状はテーパー角45°の正四角錘、CsI:Tl針状結晶8は直径5.8μm、高さ500μmの円柱の先端に高さ2.9μmの円錐を組み合わせた形状、保護層4の屈折率は1.5、厚みは50μmとしている。またCsI:Tl針状結晶8は6μm周期で三角格子状に配列しており、突起物5は光反射層6の全面に隙間無く正方状に配列しているとした。
【００２３】
【表１】
0005645584.tif 000002
【００２４】
表１より光反射層に突起物を設けることにより光検出部へ入射する光線量が増加していることが確認できる。即ち発光領域直下に到達する光線量が増加して、シンチレーション光のクロストークが抑制されていることを意味している。また表１において、突起物の大きさとは四角錘底面の一辺の長さを表している。突起物の大きさが10μm以下では概ね光検出部へ入射する光線量は一定であるが、10μmよりも大きくなると光線量が減少する傾向が始まり、最終的には突起物を設けない場合と同程度の光線量となる。突起物の大きさが2μm以下では突起物の高さがサブミクロン以下となり、光の波長に近い領域となってしまうことから、突起物の大きさの下限値としては2μm以上であることが好ましい。
【００２５】
次に表１の突起物の大きさ5.8μmの場合に関して、テーパー角を変化させた場合についての計算を行った結果、表2に示すように光反射層に設ける突起物のテーパー角としては45°〜50°の範囲が好ましいことが確認できた。
【００２６】
【表２】
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【００２７】
突起物の形状を四角錘から円錐などの形状に変更して同様の計算を行った場合も、概ね表１、表２と同様の傾向が得られることから、入射光線量は突起物の大きさとテーパー面の角度で左右されると考えられる。
【００２８】
また図４のように突起物5が角錐台や円錐台といった先端が平坦な形状の場合、光線が突起物5のテーパー面で反射せずに突起物5の上面で反射すると+x方向へのクロストークが大きな軌跡となってしまう（図４の光線B）ため好ましくはない。実際に計算を行ったところ、角錐台や円錐台では入射光線量が角錐や円錐よりも減少する傾向があることが確認できた。しかし図４の光反射層6をx-y平面から見た際に平坦な部分が占める面積(S1)とテーパー面の占める面積(S2)の比(S1/S2)が0.1以下であれば影響は比較的少なく、角錐や円錐の場合と同程度の入射光線量が得られることも確認できた。
【００２９】
また光反射層における突起物の配列に関しても、平坦な部分における光線の反射を少なくするという観点から突起物を高密度に配列させることが好ましく、具体的には正方配列や三角格子配列とすることが好ましい。更に突起物の周期に関しても、突起物を高密度で配列するためには短い方周期であることが好ましい。具体的には図５のように突起物の間に隙間が空いて光反射層6の平坦な部分が露出しているよりも、図２(a)のように突起物が隙間無く配列されている方が好ましい。表1の突起物の大きさ5.8μmの場合に関して、突起物の周期を変化させて同様の計算を行ったところ、図５の光反射層6をx-y平面から見た際に光反射層6の平坦な面が露出している部分が占める面積(S3)とテーパー面の占める面積(S2)の比(S3/S2)が0.2以下であれば影響は比較的少なく、突起物が隙間なく配列されている場合と同程度の入射光線量が得られることが確認できた。
【００３０】
また、光反射層に設ける突起物を陥没部としてもよい。即ち光反射層表面にテーパー角を設けた陥没部を配列させることで、陥没部のテーパー面で光線が反射するため、突起物を配列した場合と同様の効果が得られる。
【実施例１】
【００３１】
本実施例では図3に示す放射線センサーを作製した。
【００３２】
アモルファスシリコンから成る光検出部1が２次元的にアレイ化された支持体2上に真空蒸着によりCsI:Tlを500μmの厚みで配置し、更にCVDで保護層4となるポリパラキシリレンを50μm配置した。CsI:Tlの蒸着に際しては、Tlの含有量が1mol％前後になるようにCsIとTlIの蒸着レートを制御して行った。表面に突起物5が配置された光反射層6はドライエッチングにより作製した。ここではテーパー角を持つようにエッチング条件を調整することでシリコン基板上にテーパー角45°の正四角錐の突起物をほぼ隙間無く正方配列で形成し、さらに形成した突起物の表面を覆うように反射率の高いアルミを300nmスパッタリングにより成膜した。本実施例では突起物として、底面の一辺が5μm、高さが2.5μmのもの（サンプルA）、一辺が10μm、高さが5μmのもの（サンプルB）、底面の一辺が30μm、高さが15μmのもの（サンプルC）を用意した。これらの光反射層6を保護層4に密着させて放射線センサーとした。また比較のため、突起物を設けない平坦な光反射層（サンプルD）も用意して、同様に保護層4に密着させて放射線センサーとした。
【００３３】
上記４種類の放射線センサーに対してX線を照射し、テストチャートを撮影することで分解能を確認したところ、サンプルA及びBの光反射層を用いたものが最も分解能が高く、サンプルC、サンプルDの順で分解能が低下していることが確認できた。
【実施例２】
【００３４】
本実施例では実施例１において光反射層に設ける突起物のテーパー角を変化させた放射線センサーを作製した。
【００３５】
ドライエッチングの条件を調整することで突起物のテーパー角として、35°（サンプルE）、45°（サンプルF）、55°（サンプルG）の３種類のものを用意した。突起物の底面の一辺はいずれも10μmであり、テーパー角によってそれぞれ高さが異なっている。実施例１と同様にテストチャートの撮影を行ったところ、サンプルFの光反射層を用いたものが最も分解能が高く、サンプルG、サンプルEの順で分解能が低下していることが確認できた。
【実施例３】
【００３６】
本実施例では実施例１において光反射層に設ける突起物の形状を変化させた放射線センサーを作製した。
【００３７】
実施例１で作製したサンプルBについて、突起物を設けた光反射層の表面を研磨することで突起物の形状を図４のように正四角錐台とした。研磨量を調整することで、正四角錘台上面の一辺が3μm（サンプルH）、7μm（サンプルI）の2種類を用意し、実施例１と同様にして放射線センサーを作製した。これらの場合、光反射層6をx-y平面から見た際に平坦な部分が占める面積(S1)とテーパー面の占める面積(S2)の比(S1/S2)は、それぞれ0.1、1.0となる。
【００３８】
実施例１と同様に分解能の確認を行ったところ、サンプルHの光反射層を用いたものではサンプルBと差が殆どない一方で、サンプルIについては分解能が低下していることが確認できた。
【実施例４】
【００３９】
本実施例では実施例1において光反射層に設ける突起物の周期を変化させた放射線センサーを作製した。
【００４０】
実施例１で作製したサンプルBについて、図５のように光反射層6に配列した突起物5の周期を11μm（サンプルJ）、13μm（サンプルK）と変化させた２種類を用意し、実施例１と同様にして放射線センサーを作製した。これらの場合、x-y平面から見た際に光反射層6の平坦な面が露出している部分が占める面積(S3)とテーパー面の占める面積(S2)の比(S3/S2)は、それぞれ0.2、0.7となる。
【００４１】
実施例１と同様に分解能の確認を行ったところ、サンプルJの光反射層を用いたものではサンプルBと差が殆どない一方で、サンプルKについては分解能が低下していることが確認できた。
【符号の説明】
【００４２】
1 光検出部
2 支持体
3 シンチレータ層
4 保護層
5 突起物
6 光反射膜
7 放射線
8 CsI:Tl針状結晶
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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