(57)【要約】【目的】安定で、検出感度および信頼性が高く、しかも生産効率のよい電荷生成膜を有する放射線検出器およびその製造方法を提供する。【解決手段】この発明の放射線検出器１は、マトリクス状に配置された複数の画素を含む放射線−電荷変換基板１１上に、体積充填率が７４％以上となるよう圧縮された電荷生成層１２を有する。電荷生成層１２の圧縮には、等方圧加圧法が利用可能である。【選択図】    図１
2004186251.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電荷蓄積容量部とスイッチング素子部とを集電電極とを有する薄膜素子画素がマトリクス状に複数配列されている放射線−電荷変換基板と、この放射線−電荷変換基板上に所定厚さに形成され、入力放射線を電荷に変換する放射線−電荷変換膜と、からなる放射線検出器において、
前記放射線−電荷変換膜は、粒子状の電荷生成材料を含み、上記電荷生成材料が球形である場合の最密充填率よりも高い体積充填率、かつ所定の条件下における内部の空間の変動を許容可能な体積充填率の範囲で充填されていることを特徴とする放射線検出器。
【請求項２】
上記電荷生成材料は、粉体に形成され、粉体同士の少なくとも一部で結合が生じるまで加圧された圧縮材であることを特徴とする請求項１記載の放射線検出器。
【請求項３】
上記電荷生成材料の結晶配向がランダムであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の放射線検出器。
【請求項４】
上記電荷生成材料が重金属のハロゲン化物からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の放射線検出器。
【請求項５】
上記電荷生成材料がＰｂＩ２およびＨｇＩ２のいずれか１種以上を含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の放射線検出器。
【請求項６】
放射線検出器の製造方法において、
平面的に、かつマトリクス状に複数設けられた集電電極と、個々の集電電極に対応して設けられ、それぞれの集電電極により集電された電荷の蓄積や読み出しが可能な複数のスイッチング素子と、それぞれのスイッチング素子を通じて電荷を所定のタイミングで外部に転送可能な電気回路等が設けられた基板の一方の面に、入力放射線を電荷に変換する電荷生成材料の粉体を設置し、基板および粉体の両者に所定の圧力を加えて粉体同士の少なくとも一部で結合が生じるまで加圧することを特徴とする放射線検出器の製造方法。
【請求項７】
平面的に、かつマトリクス状に複数設けられた集電電極と、個々の集電電極に対応して設けられ、それぞれの集電電極により集電された電荷の蓄積や読み出しが可能な複数のスイッチング素子と、それぞれのスイッチング素子を通じて電荷を所定のタイミングで外部に転送可能な電気回路等が設けられた基板の一方の面に、放射線透過基板の一方の面に入力放射線を電荷に変換する電荷生成材料の粉体を設置し、前記放射線透過基板および粉体の両者に所定の圧力を加えて粉体同士の少なくとも一部で結合が生じるまで加圧することにより放射線−電荷変換膜を形成した放射線透過基板を配置することを特徴とする放射線検出器の製造方法。
【請求項８】
上記基板および粉体の両者に提供される圧力は、粉体が球形である場合の最密充填率よりも高い体積充填率を提供可能で、加圧中または加熱中若しくは環境の変化等に依存する体積充填率の変動を吸収可能な空間を提供できる圧力であることを特徴とする請求項６または７記載の放射線検出器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、放射線検出器に係り、例えば直接方式の放射線検出器に利用されるハロゲン化物放射線−電荷変換材料の安定化に関する。
【０００２】
【従来の技術】
新世代のＸ線検出器として、複数のＸ線検出素子を２次元に配置した平面検出器が注目されている。平面検出器は、固体検出器であり、画質性能や安定性の面でも極めて期待が高く、しかもリアルタイムでＸ線検出像が得られる。
【０００３】
平面検出器としては、比較的大きな線量で静止画像を収集する一般撮影用や、胸部撮影用が既にに開発され、商品化もされている。
【０００４】
一方、静止画像向けのＸ線量よりも少ない透視線量で、秒３０コマ以上の動画をリアルタイムで実現させる必要のある循環器や消化器分野への応用に対しても、近い将来商品化が予想される。
【０００５】
なお、動画用途に対してはもちろんであるが、静止画用途に対しても、Ｓ／Ｎの改善や、微小信号のリアルタイム処理技術等の開発が必要である。また、同様の原理でラインセンサーとして利用することもできる。
【０００６】
平面検出器は、大きく分けると直接方式および間接方式の２つがある。
【０００７】
直接方式は、ａ−Ｓｅ等のＸ線−電荷変換膜によりＸ線を直接電荷信号に変換し、電荷蓄積用のキャパシターに導く方式である。なお、直接方式では、信号電荷を直接、電荷蓄積用キャパシターに導くことから、概ね、個々のＸ線検出素子の画素ピッチで規定される解像度特性が得られる。
【０００８】
直接方式のＸ線検出器として、検出面に２次元に配列された画素毎に、画素部、電荷蓄積部、ＴＦＴ（読み出しスイッチ）およびツェナダイオードを設け、ツェナダイオードによりＴＦＴの入力側に入力される電圧がＴＦＴを破壊する電圧未満の所定電圧になった時点で電荷蓄積部に電荷を出力することによりＴＦＴの破壊を防止するＸ線検出器が既に提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
ところで、直接方式のＸ線検出器において入射Ｘ線を信号電荷に変換するために利用される電荷生成材料は、半導体の一種である。電荷生成材料は、医療用のＸ線検出器に適用する場合、人体を十分にカバーできる大きさ、例えば一辺が４０ｃｍほどの大きさが求められる。また、電荷生成材料は、例えばＴＦＴ回路基板等である信号電荷の蓄積や読み出しに用いられる電気回路が設けられた基板上に、均一な厚さの膜に形成されなければならない。なお、入射するＸ線を十分に検出するため、電荷生成材料による膜は、比重の大きな重金属を材料とした場合でも、数百μｍの厚さが必要とされる。
【００１０】
また、電荷生成材料による膜は、その結晶構造や組成によって特性が大きく変化する可能性があり、一般に単結晶の状態の特性が最良とされている。しかしながら、上述した大きさの単結晶材料を入手することは困難である。
【００１１】
このため、前に説明したように、電荷生成材料として、例えばａ−Ｓｅ（アモルファスセレン）を用いることが試みられている。しかしながら、電荷生成材料として、ａ−Ｓｅを用いる場合、１ｍｍ程度の厚膜が必要である。また、Ｘ線フォトン１個当りの電荷生成率を高め、生成された電荷を膜中の欠陥準位にトラップされることなく集電電極まで到達可能とし、膜の面方向（厚さ方向と直交する方向）に電荷が拡散することを抑止するために、例えば電荷変換膜の両端に、１０Ｖ／μｍ程度のバイアス電界が印加されなければならない。
【００１２】
他にも、Ｘ線−電荷変換材料として、ＰｂＩ２（沃化鉛）やＨｇＩ２（沃化水銀）等の重金属化合物を用いる方法が提案されている。Ｘ線光導電材料に、ＰｂＩ２やＨｇＩ２を用いる場合、ＴＦＴ回路基板上にＰｂＩ２やＨｇＩ２を真空蒸着により膜状に形成したり、電荷移動性のある樹脂溶液（バインダー）中に粉体を混合し、その溶液を回路基板上に塗布した後、乾燥する方法が一般的である。
【００１３】
【特許文献１】
特開平１０−１０２３７号公報（要約書、図１、段落［００３８］〜［００４８］）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ａ−Ｓｅは、Ｘ線を電荷に変換する検出感度（変換効率）が、十分とはいえず、しかも再結晶化温度が低く、半導体として不安定である。
【００１５】
また、ａ−Ｓｅは、原子番号からも明らかであるが、Ｘ線吸収率が低いので、上述の通り、１ｍｍ程度の膜厚が必要となる。このことは、蒸着法においては、材料効率や蒸着時間の点で非常にコストがかかる問題がある。
【００１６】
これに対して、ＰｂＩ２（沃化鉛）やＨｇＩ２（沃化水銀）等を用いるとしても、蒸着法においては、材料効率や蒸着時間の点で非常にコストがかかる問題がある。なお、ＰｂＩ２（沃化鉛）は、蒸着の場合、膜状とはならず、層状となることから、仮に蒸着時間等に関する問題が解決したとしても、実用性に乏しい。
【００１７】
また、バインダーに混合した溶液を塗布して乾燥する方法では、バインダーの影響により、Ｘ線−電荷変換材料独自の特性が十分に得られない問題がある。
【００１８】
この発明の目的は、安定で、検出感度および信頼性が高く、しかも生産効率のよい放射線−電荷変換膜を有する放射線検出器およびその製造方法を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上述した問題点に基づきなされたもので、電荷蓄積容量部とスイッチング素子部とを集電電極とを有する薄膜素子画素がマトリクス状に複数配列されている放射線−電荷変換基板と、この放射線−電荷変換基板上に所定厚さに形成され、入力放射線を電荷に変換する放射線−電荷変換膜と、からなる放射線検出器において、前記放射線−電荷変換膜は、粒子状の電荷生成材料を含み、上記電荷生成材料が球形である場合の最密充填率よりも高い体積充填率、かつ所定の条件下における内部の空間の変動を許容可能な体積充填率の範囲で充填されていることを特徴とする放射線検出器である。
【００２０】
また、この発明は、放射線検出器の製造方法において、平面的に、かつマトリクス状に複数設けられた集電電極と、個々の集電電極に対応して設けられ、それぞれの集電電極により集電された電荷の蓄積や読み出しが可能な複数のスイッチング素子と、それぞれのスイッチング素子を通じて電荷を所定のタイミングで外部に転送可能な電気回路等が設けられた基板の一方の面に、入力放射線を電荷に変換する電荷生成材料の粉体を設置し、基板および粉体の両者に所定の圧力を加えて粉体同士の少なくとも一部で結合が生じるまで加圧することを特徴とする放射線検出器の製造方法である。
【００２１】
さらに、この発明は、平面的に、かつマトリクス状に複数設けられた集電電極と、個々の集電電極に対応して設けられ、それぞれの集電電極により集電された電荷の蓄積や読み出しが可能な複数のスイッチング素子と、それぞれのスイッチング素子を通じて電荷を所定のタイミングで外部に転送可能な電気回路等が設けられた基板の一方の面に、放射線透過基板の一方の面に入力放射線を電荷に変換する電荷生成材料の粉体を設置し、前記放射線透過基板および粉体の両者に所定の圧力を加えて粉体同士の少なくとも一部で結合が生じるまで加圧することにより放射線−電荷変換膜を形成した放射線透過基板を配置することを特徴とする放射線検出器の製造方法である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明においてはＸ線，γ線，その他各種放射線の場合に適用可能であるが、以下の一実施の形態においては、放射線の中の代表的なＸ線の場合を例にとり説明する。
【００２３】
図１（ａ）に示すように、Ｘ線を検出してＸ線の強度に対応する電気信号を出力する平面Ｘ線検出器１は、複数の画素（Ｘ線−電荷変換素子すなわち電荷生成材料）がｍ行×ｎ列のマトリクス状に配列されたマトリクス電荷生成基板（以下、単に電荷生成基板と略称する）１１を有する。電荷生成基板１１の一方の面には、図１（ｂ）に拡大して示すように、入力されたＸ線を直接、信号電荷に変換することのできる電荷生成材料が所定の厚さに形成された電荷生成層１２が形成されている。なお、電荷生成材料としては、例えばＰｂＩ２（沃化鉛）やＨｇＩ２（沃化水銀）等の重金属のハロゲン化物が利用可能である。また、電荷生成層１２の厚さを、例えば３００μｍとし、個々の粒子の配向方向をランダムとしている。
【００２４】
電荷生成基板１１は、例えばＴＦＴ（薄膜トランジスタ）等に代表され、信号電荷の蓄積や読み出しが可能なスイッチング素子と信号電荷を所定のタイミングで外部に転送可能な電気回路等が設けられた基板である。
【００２５】
電荷生成基板１１に複数設けられている個々の画素は、詳述しない基材（支持体）と電荷生成層１２との間に、例えば電荷収集（画素）電極（集電電極）１３、電荷蓄積素子（コンデンサ）１４およびスイッチング素子としてのＴＦＴ１５を含む。なお、電荷生成層１２と画素電極１３とが相互に接触されている。また、電荷生成層１２の表面（Ｘ線入射側）には、電荷生成層１２を保護するとともに電荷生成層１２に所定のバイアス電圧を供給するための上部電極１６が一体的に形成されている。
【００２６】
図１に示した平面Ｘ線検出器１においては、詳述しない電源装置により、画素電極１３と上部電極１６との間に数百Ｖ程度のバイアス電圧が印加された状態で検査対象物を透過する方向からＸ線が照射されることで、検査対象物を透過したＸ線が上部電極１６に入射される。
【００２７】
検査対象部を通過したＸ線は、上部電極１６を通過して、電荷生成層１２に到達し、電荷生成層１２により入力Ｘ線の強度に対応した信号電荷に変換される。
【００２８】
詳細には、電荷生成層１２に入射したＸ線が電荷生成層１２に吸収されることで、そのエネルギーにより、信号電荷、例えば多くのｅｌｅｃｔｒｏｎ（エレクトロンすなわち電子）とｈｏｌｅ（ホールすなわち正孔）の対が発生する。なお、電荷生成層１２の粒子の配向方向をランダムとしたので、信号電荷が生起される際の結晶方向による特性の違いが平均化され、均一性が向上される。また、再現性も良好である。
【００２９】
信号電荷は、電荷生成層１２に印加されたバイアス電圧により定義される電界の影響により所定の方向に移動するので、電子または正孔の一方が画素電極１３に到達し、コンデンサ１４に蓄積される。
【００３０】
コンデンサ１４に蓄積された信号電荷は、例えば、走査制御回路１１１によりゲート線（制御ライン）１１２に、１行分のＴＦＴ１５を同時にオンさせるための制御信号が供給されることで、信号線（データライン）１１３に転送され、各データライン１１３に接続されている増幅器１１４に出力される。
【００３１】
個々の増幅器１１４で増幅（電流−電圧変換）された電荷生成層１２の出力は、例えば並列／直列変換器により複合化され、例えばアナログ−デジタル変換機１１６を通じて、１行分単位で、図示しない信号処理部あるいは図示しない画像メモリに供給される。
【００３２】
信号処理部または画像メモリに供給された出力は、詳述しないが、図示しない画像処理部で画像処理されて、例えばモニタ装置やプリンタ装置に出力される。
【００３３】
ところで、電荷生成層１２は、重金属のハロゲン化物を薄層とした膜状に形成されている。なお、既に説明した通り、ＰｂＩ２は、蒸着法で成膜した場合には膜状とはならずに、例えば雲母に見られるへき開のような構造を伴う層状となる場合が多く、粉体を圧縮することにより、擬似的に膜状としている。また、圧縮により、原材料粒子（粉末）同士の少なくとも一部で結合が生じることから、膜の安定度が高められる。
【００３４】
詳細には、電荷生成層１２は、例えばＰｂＩ２単体粉体を、電荷生成基板１１のＴＦＴ回路基板上に直接圧縮することで形成される。また、ＰｂＩ２粉体を圧縮する際、原材料（ＰｂＩ２）の融点未満に加熱することで、一層、原材料粒子（粉末）同士の結合の程度を高めることができる。なお、いずれの方法においても、圧縮対象であるＰｂＩ２粉体として、バインダー（結着剤）を含まない単独の粒子（原材料のみ）が用いられる。
【００３５】
また、電荷生成層１２は、上記電荷生成基板のＴＦＴ回路基板上に直接圧縮して形成する方法以外に、予め前記ＴＦＴ回路基板とは別体のＡｌ基板あるいはＢｅ基板等の放射線透過基板の一方の面に入力Ｘ線を電荷に変換する電荷生成材料の粉体を設置し、前記放射線透過基板および前記粉体の両者に所定の圧力を加えて粉体同士の少なくとも一部で結合が生じるまで加圧することにより電荷変換膜を形成したＸ線透過基板を準備し、前記ＴＦＴ回路基板上に電荷変換膜を形成したＸ線透過基板をＴＦＴ回路基板側に電荷変換膜として配置することで得ることも可能である。
【００３６】
この際には、前記ＴＦＴ回路基板と電荷変換膜との間には電荷の移動が妨げられない程度に樹脂などを介在させ、各基板同士を接着することが好ましい。
【００３７】
電荷生成基板１１およびＰｂＩ２に印加される圧力は、例えば０．６５ｔ／ｃｍ２である。この場合、圧縮されたＰｂＩ２の体積充填率は、概ね８５％となる。なお、立方体に球体を充填するモデルにおける最密充填率は、概ね７４％であるから、光電変換材料の粒子が球体であると仮定し、この数値（７４％）を概ねの目安とし、それ以上の体積充填率が得られた場合に、圧縮されたＰｂＩ２が膜状であると判定することとする。一方で、体積充填率が７４％よりも小さい場合には、電荷生成層１２は、膜状ではなく崩壊しやすい層状状態であると考えることができる。
【００３８】
ところで、体積充填率が１００％であれば、粒子間の隙間のない電荷生成膜が得られることになるが、体積充填率が１００％である場合、環境の変化や工程中の熱膨張により生じる応力を吸収することのできる空間がなくなることから、わずかな隙間が存在することが好ましい。従って、体積充填率の上限は、１００％未満とした。なお、光電変換材料を圧縮する場合、回路基板（ＴＦＴ）にも圧力が加えられるため、回路基板に影響を及ぼさない範囲で最大の効果が得られる体積充填率が得られる範囲で圧縮すればよい。前記各影響を考慮し、意図する効果を得ることができる好ましい体積充填率の範囲は、７４％以上であり、より好ましい体積充填率の範囲は、８０％以上である。
【００３９】
なお、体積充填率は、電荷生成層１２を所定の大きさに切り出して、その重量を計測することで、比重から容易に把握できる。すなわち、管理も容易である。
【００４０】
回路基板あるいはＸ線透過基板上にＰｂＩ２粉末を圧縮する方法としては、周知の加圧装置により、ＰｂＩ２粉末を載せた回路基板に直接圧力を加える方法が広く知られている。
【００４１】
例えば、所定の圧力で接触されている２本のローラ間に、ＰｂＩ２粉末が載置されている回路基板を通過させる方法や、回路基板全体を収容可能な金型を用い、回路基板上にＰｂＩ２粉末を載置した後、加圧する方法等がある。
【００４２】
なお、圧縮に必要な圧力は基板の面積に比例するので、面積の大きなＸ線検出器を作成するためには、ＣＩＰ（Ｃｏｌｄ  Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ（ａｌ）  Ｐｒｅｓｓｉｎｇ、すなわち冷間等方圧加圧法）と呼ばれ、装置内部に保持した水あるいは油の圧力を高めることにより、面積の大きな対象物の全面に均一な圧力を加えることが可能な加圧方法が有益である。また、ＣＩＰ以外にも、ＨＩＰ（Ｈｏｔ  Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ（ａｌ）  Ｐｒｅｓｓｉｎｇ、すなわち熱間等方圧加圧法）と呼ばれ、水または油に代えて、高圧ガスを用いる方法も利用可能である。このＨＩＰによれば、前に説明した加熱も同時に可能となる。
【００４３】
以上説明したように、本発明の平面Ｘ線検出器およびその製造方法によれば、光導電膜として、ＰｂＩ２に代表される重金属のハロゲン化物を圧縮して、崩壊しにくい膜状（圧縮体）としたので光導電膜の感度および安定性が向上される。また、必要原材料の量が低減され、生産効率も高められる。もちろん、光導電膜として、ＨｇＩ２を用いても同様の効果が得られる。
【００４４】
なお、上述した体積充填率が８５％で厚さが３００μｍの圧縮されたＰｂＩ２を光導電層１２とした場合、ＰｂＩ２は、ａ−Ｓｅに比較して、エレクトロン−ホール対を生成するために必要なＸ線エネルギーが１／１０〜１／５程度であること、および成膜に際してバインダー（結着剤）が必要がないことにより、検出感度が一桁近く向上されている。
【００４５】
さらに、光導電層の膜厚は、ａ−Ｓｅ（約１ｍｍ）の半分以下で、ａ−Ｓｅと同等のＸ線吸収量を確保できる。しかも、蒸着法により成膜した場合と比べて、材料効率（必要原材料量）は、数分の一から十数分の一に改善されている。
【００４６】
なお、この発明は、上記各実施の形態に限定されるものではなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々な変形・変更が可能である。また、各実施の形態は、可能な限り適宜組み合わせて実施されてもよく、その場合、組み合わせによる効果が得られる。
【００４７】
本発明の放射線検出器は、縦横に複数の画素が配列された構成のものについて説明したが、縦横の画素の比率が異なる（例えば、一方の画素数が１個の場合）等一見すると線状に構成されたＸ線検出器に適用することも可能である。この場合、スイッチング素子は、ＴＦＴを使用しなくとも実施可能である。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明によれば、感度および安定性が高い放射線光導電膜が得られる。これにより、入力放射線を効率よく電気信号に変換できる平面検出器が得られる。また、必要原材料の量が低減されるとともに、生産効率が向上される。なお、実質的な感度が向上されるので、検査対象物（検体）に照射しなければならない放射線量が低減可能となり、検体が人体である場合には被爆量を抑止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態が適用可能な平面検出器の一例を説明する概略図。
【符号の説明】
１  ・・・平面Ｘ線検出器、
１１  ・・・Ｘ線−電荷基板（マトリクス電荷生成基板）、
１２  ・・・電荷生成層、
１３  ・・・画素電極、
１４  ・・・コンデンサ（電荷蓄積素子）、
１５  ・・・ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）、
１６  ・・・上部電極。
【図１】
2004186251.tif 000003