(57)【要約】【課題】単純な構造でコストを大幅に削減すると共に、高精度に放射線の入射位置や放射線画像を得ることができる放射線位置検出器を提供する。【解決手段】放射線位置検出器１０は、直方体形状であって、互いに対向する一対の電極２ａ、２ｂを有し、放射線３の入射によって極性の異なる２種類の電荷キャリア４ａ、４ｂを生じる半導体検出素子１と、前記半導体検出素子に接続された電荷有感型プリアンプ５と、前記半導体検出素子に入射した放射線により生じた前記２種類の電荷キャリアによる前記電荷有感型プリアンプの出力波形の波高がピークとなるパルス立ち上がり時間を測定するパルス立ち上り時間測定手段７と、前記パルス立ち上がり時間から放射線の入射位置を算出する入射位置演算手段８とを備える。【選択図】　　　　図１
2004144607.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直方体形状であって、互いに対向する一対の電極を有し、放射線の入射によって極性の異なる２種類の電荷キャリアを生じる半導体検出素子と、
前記半導体検出素子に接続された電荷有感型プリアンプと、
前記半導体検出素子に入射した放射線により生じた前記２種類の電荷キャリアによる前記電荷有感型プリアンプの出力波形の波高がピークとなるパルス立ち上がり時間を測定するパルス立ち上り時間測定手段と、
前記パルス立ち上がり時間から放射線の入射位置を算出する入射位置演算手段と
を備えることを特徴とする放射線位置検出器。
【請求項２】
前記パルス立ち上がり時間測定手段は、
前記出力波形の波高の変化の立ち上りを検出する第１検出器と、
前記出力波形の波高の変化の終わりを検出する第２検出器と、
前記第１及び第２検出器によって検出された変化の立ち上りと終わりとの間の時間差を測定する時間差測定器と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の放射線位置検出器。
【請求項３】
直方体形状であって、互いに対向する一対の電極を有し、放射線の入射によって極性の異なる２種類の電荷キャリアを生じる半導体検出素子と、
前記半導体検出素子に接続された電荷有感型プリアンプと、
前記半導体検出素子に入射した放射線により生じた前記２種類の電荷キャリアによる前記電荷有感型プリアンプの出力波形を解析し、傾きが変化する時間を測定するパルス波形解析手段と、
前記パルスの傾きが変化する時間から放射線の入射位置を算出する入射位置演算手段と
を備えることを特徴とする放射線位置検出器。
【請求項４】
前記半導体検出素子は、極性の異なる２種類の電荷キャリアのうち、第１の極性の電荷キャリアの移動度が、第２の極性の電荷キャリアの移動度に比べて１０倍以上大きいことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の放射線位置検出器。
【請求項５】
前記半導体検出素子の互いに対向する一対の電極のうち一方の電極が複数の分割電極に分割されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の放射線位置検出器。
【請求項６】
前記半導体検出素子における互いに対向する一対の電極のうち一方が抵抗性電極であって、前記抵抗性電極の一端が接地されており、
前記抵抗性電極の他端に、第１電荷有感型前置増幅器を介して並列に接続されたパルス立ち上り時間測定手段と、出力波形の波高を測定する第１パルス波高測定手段と、
前記一対の電極のうち他方の電極に、第２電荷有感型前置増幅器を介して接続された第２パルス波高測定手段と、
前記第１及び第２パルス波高測定手段と接続されており、前記第１パルス波高測定手段の出力を前記第２パルス波高測定手段の出力で除算する波高除算手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の放射線位置検出器。
【請求項７】
互いに対向する一対の電極のうち、一方の電極は複数の分割電極に分割され、それぞれの前記分割電極は、外部抵抗を介して接続され、両端の前記分割電極のうち一端の前記分割電極が接地されており、
他端の前記分割電極に、第１電荷有感型前置増幅器を介して並列に接続されたパルス立ち上り時間測定手段と、出力波形の波高を測定する第１パルス波高測定手段と、
前記一対の電極の他方の電極に、第２電荷有感型前置増幅器を介して接続された第２パルス波高測定手段と、
前記第１及び第２パルス波高測定手段と接続された波高除算手段と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の放射線位置検出器。
【請求項８】
前記半導体検出素子は、
第１の互いに対向する一対の電極と、
前記一対の電極の対向方向と直交する方向で互いに対向する第２の一対の電極と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の放射線位置検出器。
【請求項９】
前記半導体検出素子は、該検出素子内の電位を調節する電位調整用電極を備えることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の放射線位置検出器。
【請求項１０】
前記半導体検出素子の出力波形の波高を測定するパルス波高測定手段をさらに備え、
入射した放射線のエネルギーごとに弁別して放射線入射位置を測定することを特徴とする請求項１に記載の放射線位置検出器。
【請求項１１】
直方体形状であって、第１の方向について互いに対向する一対の電極を有し、放射線の入射によって極性の異なる２種類の電荷キャリアを生じる半導体検出素子が、前記第１の方向と垂直な第２の方向に並列配置された複数の半導体検出素子と、
それぞれの前記半導体検出素子の前記一対の電極のうち一方の電極に接続されており、前記２種類の電荷キャリアによる出力波形の波高がピークとなるパルス立ち上り時間を測定するパルス立ち上り時間測定手段が、それぞれの前記半導体検出素子と個々に接続されている複数のパルス立ち上り時間測定手段と、
前記パルス立ち上り時間から放射線の入射位置を算出する入射位置演算手段とを備えることを特徴とする放射線位置検出器。
【請求項１２】
直方体形状であって、互いに対向する一対の電極を有し、放射線の入射によって極性の異なる２種類の電荷キャリアを生じる半導体検出素子を用いた放射線位置検出方法であって、
前記２種類の電荷キャリアによる出力波形の波高がピークとなるパルス立ち上り時間を測定し、該立ち上り時間から前記一対の電極の対向方向についての放射線の入射位置を測定することを特徴とする放射線位置検出方法。
【請求項１３】
直方体形状であって、互いに対向する一対の電極を有し、放射線の入射によって極性の異なる２種類の電荷キャリアを生じる半導体検出素子を用いた放射線位置検出方法であって、
前記一対の電極のうち一方が抵抗性電極であって、前記抵抗性電極の一端が接地されており、
前記抵抗性電極の他端からの出力を、前記一対の電極のうち他方の電極からの出力で除算して、電極面に平行な方向についての放射線の入射位置を測定し、
前記他方の電極又は前記抵抗性電極の他端からの出力波形の波高がピークとなる立ち上がり時間を測定し、該立ち上り時間から前記電極面に垂直な方向についての放射線の入射位置を測定し、
前記半導体検出素子への放射線の二次元的な入射位置の測定を行うことを特徴とする放射線位置検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線、γ線、α線及びβ線などの放射線の入射位置を高精度に測定できる放射線位置検出器、または放射線画像検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
放射線画像を得る技術として、Ｘ線フィルムが最も広く使われてきた。Ｘ線フィルムは医療の分野や非破壊検査などの工業分野で古くから広く用いられており、技術が蓄積され完成度も高く解像度も良い反面、フィルムの現像処理工程があるためリアルタイム画像が得られないことが最大の欠点である。また、Ｘ線フィルムは積分型の検出器であるため、入射放射線のエネルギーを区別することが不可能であり、エネルギー毎の画像が必要な分野には適用できない。
【０００３】
このＸ線フィルムの問題を解決するため、従来、オンライン・リアルタイムで放射線画像を得るフラットパネルディテクタ（例えば、特許文献１参照）がある。このフラットパネルディテクタでは、多数の放射線の検出素子を二次元方向に並べてゲートドライブ回路とアナログマルチプレクサを制御して放射線画像を得ている。また、目的とするエネルギーのみの画像をオンラインで得るガンマカメラ（例えば、特許文献２参照）がある。このガンマカメラでは、ファンビームコリメータやパラレルビームコリメータで放射線の入射方向を限定してシンチレータと二次元方向に並べられた多数の光検出器を用いて放射線画像を得ている。上記いずれの場合にも、放射線画像を得るため多数の放射線位置検出器を用いている。
【０００４】
さらに、多数の放射線位置検出器を用いる方法以外にも、単一のバルクで放射線入射位置を測定するシリコンドリフト検出器（例えば、非特許文献１参照）がある。この検出器は、薄いシリコン検出器の面に電極パターンを形成し、電極パターンにより素子内に電界をつくり、キャリアのドリフト（移動）時間を測定して放射線の入射位置を検出するものである。
【０００５】
【特許文献１】
特表平１１−５１０３１３号公報
【特許文献２】
特開２００１−３２４５６８号公報
【非特許文献１】
ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．５，ｐｐ１４９７−１５０４（１９９５）図１
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
個々の検出エリアが狭い多数の素子を用いて放射線画像を得ている場合には、検出エリアを広くしたり解像度を上げるには、さらに多くの素子が必要となり、素子数の増加に伴ってコストが増加する。また、素子の数が増えれば各素子の出力を処理する信号処理回路の数も増え、素子の実装や微細加工に関するコストもかかる。また、素子や処理回路の個数が多ければ部品点数が増えるため、必然的に故障率が上がる。また、多数の検出器素子を用いればそれぞれの特性にばらつきが生じるため、感度補正などの措置が必要になる。このように、多数の素子を用いた放射線画像検出器は莫大なコストがかかると共に、故障率の増加に対する対応が必要となる。
【０００７】
またシリコンドリフト検出器では、シリコン検出器の面に多数の電極を形成しなければならず、製造コストが高くなる。さらに、キャリアの移動時間を高精度に測定するためには素子内の電界が一定であることが必要になるが、キャリアの移動方向に対して側面から電界を制御するため、電界強度に歪みが生じやすく電界の制御、すなわちキャリアの移動時間の精度制御が困難になる。このようにシリコンドリフト検出器では、放射線の入射位置を高精度に測定するためのコスト増加や、精度制御が困難となる問題点がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、単純な構造でコストを大幅に削減すると共に、高精度に放射線の入射位置や放射線画像を得ることができる放射線位置検出器を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る放射線位置検出器は、直方体形状であって、互いに対向する一対の電極を有し、放射線の入射によって極性の異なる２種類の電荷キャリアを生じる半導体検出素子と、
前記半導体検出素子に接続された電荷有感型プリアンプと、
前記半導体検出素子に入射した放射線により生じた前記２種類の電荷キャリアによる前記電荷有感型プリアンプの出力波形の波高がピークとなるパルス立ち上がり時間を測定するパルス立ち上り時間測定手段と、
前記パルス立ち上がり時間から放射線の入射位置を算出する入射位置演算手段と
を備えることを特徴とする。
【００１０】
なお、パルス立ち上り時間測定手段に代えて、出力波形を解析し、該出力波形の傾きが変化する時間を測定するパルス波形解析手段を用いてもよい。
【００１１】
本発明に係る放射線位置検出方法は、直方体形状であって、互いに対向する一対の電極を有し、放射線の入射によって極性の異なる２種類の電荷キャリアを生じる半導体検出素子を用いた放射線位置検出方法であって、
前記２種類の電荷キャリアによる出力波形の波高がピークとなるパルス立ち上り時間を測定し、該立ち上り時間から前記一対の電極の対向方向についての放射線の入射位置を測定することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に係る放射線位置検出器について、添付図面を用いて説明する。なお、図面において、実質的に同一の部材には同一の符号を付している。
【００１３】
実施の形態１．
本発明に係る放射線位置検出器について図１から図４を用いて説明する。図１は、この放射線位置検出器１０の構成を示すブロック図である。この放射線位置検出器１０は、直方体状の半導体検出素子１と、該検出素子１の対向する一対の端面に形成された２つの電極２ａ、２ｂとの間に電位差を与える直流電源６と、該電極２ａと接続されている電荷有感型前置増幅器（電荷有感型プリアンプ）５と、該増幅器５と接続されているパルス立ち上がり時間測定手段７と、該パルス立ち上り時間測定手段７と接続されている入射位置演算手段８とを備える。半導体検出素子１は、例えば、シリコン等からなり、直方体状であり、一対の電極面２ａ、２ｂは、長手方向の端面に対向してそれぞれ形成されている。上記検出素子１の両端の電極のうち、一方の電極２ｂは接地されており、他方の電極２ａには直流電源６により電極２ｂに対して電位差が与えられている。そのため、この検出素子１の内部には、長手方向について一様な電界が生じている。
【００１４】
次に、この放射線位置検出器１０における放射線位置検出の動作機構について説明する。この半導体検出素子１の上面からＸ線、γ線、β線、α線などの電離放射線３が入射しエネルギーが付与されると、異なる２種類の電荷キャリアとして電子４ａと正孔４ｂのが一対として生成される。この電子４ａと正孔４ｂとは、半導体検出素子１の内部の電界によって、互いに反対方向の電極２ａ、２ｂに向って移動するので、半導体検出素子１内に電流が流れる。電極２ａに接続された電荷有感型前置増幅器５において、流れた電荷量が電圧に変換、増幅され、電圧パルスの出力波形がパルス立ち上り時間測定手段７に出力される。この電圧パルスの波形は、放射線により生成した電荷キャリアである電子４ａ及び正孔４ｂの挙動に大きく依存する。出力波形の立ち上がりは流れた電荷量の時間変化を示す。即ち、波高がピークとなるパルス立ち上がり時間は、放射線の入射により電荷が生成してから一方の電荷キャリアが電極に到達するまでの時間に対応する。さらに、パルス立ち上り時間測定手段７の出力は入射位置演算手段８に出力され、測定されたパルス立ち上り時間から放射線の入射位置が算出される。
【００１５】
図２の（ａ）は、この放射線位置検出器において、放射線が入射する位置Ａ、Ｂ、Ｃを対向する一対の電極間２ａ、２ｂについて示した概略図であり、（ｂ）は、（ａ）の放射線入射位置ごとの電圧パルスの出力波形を示すグラフである。グラフの横軸は時間であり、縦軸は電圧である。図２の（ｂ）の出力波形を示すグラフＡ、Ｂ、Ｃは、それぞれ入射位置Ａ、Ｂ、Ｃに対応するものである。またｔＡｅ、ｔＢｅ、ｔＣｅは、電荷キャリアが生成してから、電荷キャリアのうち電子４ａが電極２ａに到達するまでの時間であり、電荷キャリア生成位置がそれぞれＡ、Ｂ、Ｃに対応する。同様に、ｔＡｈ、ｔＢｈ、ｔＣｈはそれぞれキャリアが生成してから正孔４ｂが電極２ｂに到達するための時間を示す。このときの出力波形は、キャリアが生成してから電子４ａまたは正孔４ｂのいずれかが電極２ａ、２ｂに到達するまでの間は、電子４ａと正孔４ｂの両方の電荷が流れているため波形の傾きが急峻である。その後、一方のキャリアが電極に到達した後から他方のキャリアが電極に到達するまでの間は、他方のキャリアの電荷しか流れないため波形の傾きが緩やかになる。さらに、電子４ａと正孔４ｂの両方のキャリアが電極に到達した後は、全電荷が電極に到達し、もはや新たな電荷が流れないため、波高は電荷ｑ０に相当するピーク高さになり傾きはほぼゼロになる。その後、出力波形は電荷有感型前置増幅器５の減衰時定数にしたがって電圧が低下していく。なお、この減衰時定数は、通常、立ち上がり時間に比べて十分に長くしてある。よって図２からわかるように、出力波形の立ち上がり時間、すなわち波高がｑ０になるまでの時間は、放射線３の入射位置により異なることがわかる。また、その立ち上がり時間は、放射線の入射位置から、互いに対向する２つの電極２ａ、２ｂまでの距離のうちの長いほうを、キャリアの移動速度で割ったものになる。したがって、出力波形の立ち上がり時間をパルス立ち上がり時間測定器７で測定し、さらに、入射位置演算手段８によって、電荷キャリアの速度を用いて放射線の入射位置を算出することができる。また、測定する電圧パルスの計数率を測定することにより入射放射線の強度がわかるため、放射線の位置強度分布についても測定できる。なお、図２では、半導体検出素子１における電荷キャリアである電子４ａの速度ｖｅと正孔４ｂの速度ｖｈがほぼ同じ場合（ｖｅ≒ｖｈ）について示している。
【００１６】
図３は、パルス立ち上り時間測定手段７の好ましい内部構成を示すブロック図である。パルス立ち上がり時間測定手段７は、測定を高速に行うためにはアナログ式が望ましいが、高精度に測定するためにはノイズをいかに低減して測定するかが重要になる。通常、電荷有感型前置増幅器５からの出力波形には、ノイズが重畳しており、このノイズがタイミングを測定する上で障害となる。そこで、電荷有感型前置増幅器５からの出力を２つに分岐させている。一方を反転フィルタアンプ１２、すなわち目的とする信号の周波数付近のみを通過させるバンドパスフィルタを備えた反転アンプ１２によりノイズ成分を除去し、次いで、コンスタント・フラクション・ディスクリミネータ１６ａに入力し、立ち上がり開始のタイミング信号を得る。また、電荷有感型前置増幅器５からの出力のもう一方を微分アンプ１４に入力する。微分アンプ１４では波形を微分するので、電荷有感型増幅器５の出力波形の立ち上がりが完了する時点にゼロをクロスするバイポーラ信号を出力する。このバイポーラ信号をコンスタント・フラクション・ディスクリミネータ１６ｂに入力することにより、ゼロクロスのタイミングにおいてストップ信号を得る。なお、微分アンプ１４は反転アンプ１２と同様に、通常はフィルタリング機能も備えているため、ノイズが除去されたバイポーラパルスを出力し、結果として高精度なタイミング信号を得ることができる。そして、コンスタントフラクションディスクリミネータ１６ａ及び１６ｂは、それぞれスタートタイミング、ストップタイミングを出力するので、両者の時間差を時間差測定器１８で測定することにより、波高のピークとなるパルス立ち上がり時間を高速かつ高精度に測定することができる。
【００１７】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る放射線位置検出器について、図４を用いて説明する。図４は、この放射線位置検出器２０の構成を示すブロック図である。この放射線位置検出器２０は、実施の形態１に係る放射線位置検出器と比較すると、パルス立ち上がり時間測定手段に代えてパルス波形解析手段２２を備える点で相違する。半導体検出素子１からの出力パルスは、図２に示すように、出力波形に傾きの変化する変曲点ｔＡｅ、ｔＣｈ、ｔＢｅ、ｔＢｈ、ｔＣｅ、ｔＡｈを持つ。そこで、この出力波形を解析するパルス波形解析手段２２を用いて波形上での変曲点までの時間を求める。次いで、入射位置演算手段８によって、実施の形態１に係る放射線位置検出器における時間差測定の場合と同様にして、電荷キャリアの速度を用いて対向する一対の電極２ａ、２ｂ間における放射線の入射位置を算出することができる。この場合、２つの変曲点を示す場合には、いずれを用いるかあらかじめ定めておく。なお、このパルス波形解析手段２２は、微分回路などを用いたアナログ方式でも、波形をディジタルサンプリングして数値解析を行う方式でもよい。
【００１８】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る放射線位置検出器について、図５を用いて説明する。図５の（ａ）は、この放射線位置検出器の半導体検出素子１に入射する放射線３の位置を示す概略図であり、（ｂ）は、この放射線位置検出器による放射線位置検出時の出力波形を示すグラフである。この放射線位置検出器は、実施の形態１及び２に係る放射線位置検出器と比較すると、半導体検出素子１の電荷キャリア輸送特性が２種類の電荷キャリア（電子４ａ、正孔４ｂ）によって異なる点で相違する。即ち、一方の電荷キャリアの移動速度が他方の電荷キャリアの移動速度に比べて十分大きい場合である。例えば、半導体検出素子１として、電子４ａの移動速度ｖｅが正孔４ｂの移動速度ｖｈに比べて十分大きな（ｖｅ＞＞ｖｈ）テルル化カドミウム、テルル化亜鉛カドミウム、ヨウ化第二水銀等を用いることができる。なお、ここで移動速度が十分大きいとは、一方の電荷キャリアの移動速度が他方の電荷キャリアの移動速度の概ね１０倍以上の場合（ｖｅ＞１０×ｖｈ）をいう。
【００１９】
この半導体検出素子１では、放射線の入射により発生した電荷キャリアのうち、電子４ａは短時間に電極２ａまで到達するのに対し、正孔４ｂは長時間かかって電極２ｂまで到達するか、あるいは移動の途中で捕獲中心に捕獲され停止してしまう。その結果、生じる出力波形は図５に示したとおり、電子４ａと正孔４ｂが共に移動している間の傾きは大きいのに対して、正孔４ｂのみが移動している間の傾きは小さく実質的にゼロに近い。そのため、実質的に波高がピークとなる立ち上がり時間は電子の移動時間であるｔＡｅ、ｔＢｅ、ｔＣｅとなり、これらは放射線の入射位置に比例する。したがって、放射線３の入射位置がパルス立ち上がり時間に比例するので、データの処理が簡単になる。またこれらの出力波形の傾きは印加電圧の値にも依存するが、パルス立ち上がりが実質的に電子４ａの移動にほとんど依存するように、印加電圧を最適な値に調整することにより上記の目的を達成することができる。
【００２０】
実施の形態４．
本発明の実施の形態４に係る放射線位置検出器３０について、図６を用いて説明する。図６は、この放射線位置検出器３０の構成を示すブロック図である。この放射線位置検出器３０は、実施の形態１と比較すると、複数の半導体検出素子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを互いに平行に配列している点で相違する。また個々の半導体検出素子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは、それぞれ電荷有感型前置増幅器５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ及びパルス立ち上り時間測定手段７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄと並列に接続されている。さらに、各パルス立ち上り時間測定手段７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄは、一つの入射位置演算手段８に接続されており、その出力が一つのメモリ２４に格納される。なお、各半導体検出素子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄには、図１の場合と同様に直流電源により電圧が印加されているが、図６では省略している。また、図６中の矢印Ｘ、Ｙは二次元平面上の座標軸を示している。
【００２１】
次に、この放射線位置検出器３０における放射線位置検出の動作について説明する。この放射線位置検出３０では、複数の半導体検出素子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは長手方向がｘ軸方向に平行になるようにして、ｙ軸方向に並列に配列されている。一つの半導体検出素子１ａに放射線が入射すると、入射位置演算手段８でｘ軸方向についての放射線の入射位置を測定することができる。一方、ｙ軸方向に配列された複数の半導体検出素子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄのいずれで検出されたかによって、ｙ軸方向についての入射位置に関する情報を得ることができる。この出力はメモリ２４においてｙ軸方向の位置に関するメモリに格納される。このようにして、Ｘ軸方向とＹ軸方向に対応する二次元平面上の放射線入射位置を測定できるので、二次元放射線位置検出器や放射線画像検出器を提供できる。
【００２２】
実施の形態５．
本発明の実施の形態５に係る放射線位置検出器４０について、図７を用いて説明する。図７は、この放射線位置検出器４０の構成を示すブロック図である。この放射線位置検出器４０は、実施の形態１に係る放射線位置検出器と比較すると、対向する一対の電極のうち、接地されていない電極が複数の分割電極３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄに分割されており、それぞれの分割電極３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄは個別に電荷有感型前置増幅器５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ及びパルス立ち上がり時間測定手段７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄと接続されている点で相違している。また、この放射線位置検出器４０は、実施の形態４に係る放射線位置検出器と比較すると、ｘｙ平面にわたって一定面積を有する単一の半導体検出素子１が用いられ、一方の電極が複数の分割電極３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄに分割されている点で相違する。また、パルス立ち上がり時間測定手段７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄは、一つの入射位置演算手段８に接続され、算出された入射位置は一つのメモリ２４に格納される。なお、各分割電極３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄには、図１と同様にそれぞれ直流電源により電圧が印加されているが、図７において直流電源は図示していない。この場合において、各分割電極３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄに印加されている電圧の値は全て同じである。また、図７中の矢印Ｘ、Ｙは二次元平面上の座標軸を示している。
【００２３】
次に、この放射線位置検出器４０の放射線位置検出の動作について説明する。ｘｙ平面に一定面積を有する半導体検出素子３１に放射線が入射すると電子と正孔とが生成し、素子３１内に印加されている電界により互いに反対方向へ移動する。Ｘ軸方向の放射線の入射位置については、上記実施の形態１で述べたような方法で測定できる。また、Ｙ軸方向の放射線の入射位置については以下の方法で測定できる。この半導体検出素子３１は単一の素子であるが、一方の電極が複数の分割電極に分割されており、もう一方の電極は同一で接地電極３４になっている。それぞれの分割電極３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄと対向する電極３４とに挟まれた領域は、それぞれ一つの素子として動作しうる。そこで、実施の形態４の場合と同様にして、ｘ軸方向の入射位置だけでなくｙ軸方向の入射位置も測定することができる。この場合には、複数の素子を用いることなく、単一の素子３１を用いて二次元の放射線入射位置を測定することができる。
【００２４】
実施の形態６．
本発明の実施の形態６に係る放射線位置検出器５０について、図８を用いて説明する。図８は、この放射線位置検出器５０の構成を示すブロック図である。この放射線位置検出器５０は、実施の形態１に係る放射線位置検出器と比較すると、対向する一対の電極のうち、一方の電極を抵抗性電極４２としている点で相違する。この抵抗性電極４２のｙ軸方向の一端には、電荷有感型前置増幅器４４ａを介してパルス波高測定手段４５ａ及びパルス立ち上り時間測定手段４６が接続されている。また、抵抗性電極のｙ軸方向の他端は接地されている。さらに、該抵抗性電極４２と対向する他方の電極４３には電荷有感型前置増幅器４４ｂを介してパルス波高測定手段４５ｂが接続されている。さらに、２つのパルス波高測定手段４５ａ、４５ｂは、波高除算手段４７に接続されている。この波高除算手段４７の出力は入射位置演算手段２８ｂに入力される。また、パルス立ち上り時間測定手段４６の出力は入射位置演算手段２８ａに入力される。入射位置演算手段２８ａ、２８ｂの各出力はメモリ４８に入力される。なお、図８中の矢印Ｘ、Ｙは二次元平面上の座標軸を示している。また、入射した放射線による電荷キャリアへの付与エネルギーをＥとする。さらに、放射線３の入射位置のＹ座標について、抵抗性電極４２の電荷有感型前置増幅器４４ａに接続された方の一端からの距離をＩＹとする。
【００２５】
次に、この放射線位置検出器５０による放射線位置検出の動作について説明する。この放射線位置検出器５０では、半導体検出素子４１に放射線３が入射すると電子と正孔とが生成し、素子内に印加されている電界により互いに反対方向へ移動する。Ｘ軸方向の放射線入射位置については、上記実施の形態１で述べた方法で測定することができ、これについては電荷有感型前置増幅器４４ａの出力波形の波高がピークとなる立ち上がり時間を、パルス立ち上がり時間測定手段４６で測定し、入射位置演算手段２８ａによってｘ軸方向の放射線入射位置を得ることができる。一方、Ｙ軸方向の放射線入射位置については、以下のように測定することができる。この場合、抵抗性電極４２の一端が電荷有感型前置増幅器４４ａに接続され、他端が接地されているため、電荷有感型前置増幅器４４ａの出力波形の波高は距離ＩＹに比例すると共に、付与エネルギーＥにも比例する。一方、電極４３に接続された電荷有感型前置増幅器４４ｂの出力波形は付与エネルギーＥのみに比例した波高を有する。そこで、波高除算手段４７で波高測定手段４５ａの出力を波高測定手段４５ｂの出力で除算することにより、付与エネルギーに比例する部分を除去することができ、放射線の入射位置ＩＹに比例する部分のみを得ることができる。次いで、入射位置演算手段２８ｂによって、入射位置ＩＹに比例する部分からｙ軸方向の放射線入射位置を算出することができる。このｙ軸方向の入射位置と、パルス立ち上り時間測定手段４６から入射位置演算手段２８ａで算出されたｘ軸方向の入射位置とがメモリ４８に記録される。以上により、単一の半導体検出素子４１を用いて、二次元平面上の入射位置を測定することができ、二次元の放射線入射位置や二次元放射線画像を得ることができる。
【００２６】
実施の形態７．
本発明の実施の形態７に係る放射線位置検出器６０について、図９を用いて説明する。図９は、この放射線位置検出器６０の構成を示すブロック図である。この放射線位置検出器６０は、実施の形態６に係る放射線位置検出器と比較すると、回路部分では共通するが、半導体検出素子５１に設けられた電極構成について相違する。即ち、この放射線位置検出器６０では、抵抗性電極に代えてｙ軸方向について複数の分割された分割電極５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄを設けている点で相違する。また、この分割電極５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ同士が、それぞれ外部抵抗５４ａ、５４ｂ、５４ｃを介して接続されている点において相違する。さらに、分割電極５２ｄ側に電荷有感型前置増幅器４４ａが接続され、分割電極５２ａ側が接地されている。これにより分割電極５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ及び外部抵抗５４ａ、５４ｂ、５４ｃとは、実施の形態６における抵抗性電極と同様の役割を果たすことになる。なお、図９中の矢印Ｘ、Ｙは二次元平面上の座標軸を示している。また、放射線３による付与エネルギーをＥとする。さらに、放射線３の入射位置のＹ座標について、分割電極５２ｄの一端からの距離をＩＹとする。以上により、単一の半導体検出素子４１を用いて、二次元平面上の入射位置を測定することができ、二次元の放射線入射位置や二次元放射線画像を得ることができる。
【００２７】
実施の形態８．
本発明の実施の形態８に係る放射線位置検出器について、図１０から図１４を用いて説明する。図１０は、この放射線位置検出器の構成を示すブロック図である。この放射線位置検出器７０は、実施の形態１に係る放射線位置検出器と比較すると、ｘ軸方向で対向する一対の電極５３ａ、５３ｃに加えて、ｙ軸方向で対向する一対の電極５３ｂ、５３ｄを設けている点で相違する。また、ｘ軸方向で対向する電極のうち、一方の電極５３ａには、電荷有感型前置増幅器４４ａを介してパルス波形測定手段５５ａが接続されている。さらに、ｙ軸方向で対向する電極のうち、一方の電極５３ｂには、電荷有感型前置増幅器４４ｂを介してパルス波形測定手段５５ｂが接続されている。２つのパルス波形測定手段５５ａ、５５ｂは、それぞれ入射位置演算手段２８ａ、２８ｂに接続されている。また、入射位置演算手段２８ａ、２８ｂの出力は，メモリ４８に格納される。なお、電極５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄは、直流電源５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄにそれぞれ個別に接続されており、素子６１内には電界が印加されている。また、図１０中の矢印Ｘ、Ｙは二次元平面上の座標軸を示している。
【００２８】
次に、この放射線位置検出器７０による放射線位置検出の動作について、図１１を用いて説明する。図１１は、この半導体検出素子６１をｘｙ平面に垂直なｚ軸方向から見た概略平面図である。この検出素子６１に入射した放射線により位置５７に生成した電荷キャリアは、素子６１内の電界にしたがって移動する。例えば、電荷キャリアが電子の場合、ｘ軸方向の電界成分５８ａとｙ軸方向の電界成分５８ｂを有する電界ベクトル５８の方向に移動する。このとき、電荷有感型前置増幅器４４ａは、Ｘ軸方向の電界成分５８ａに相当する波形を出力する。一方、電荷有感型前置増幅器４４ｂは、Ｙ軸方向の電界成分５８ｂに相当する波形を出力する。出力波形の波高のピークとなる立ち上がり時間と立ち上がり部分の傾きから、ｘ軸方向及びｙ軸方向の入射位置を測定することができる。そこで、図１０に示すパルス波形測定手段５５ａによってＸ軸方向の入射位置を出力し、パルス波形測定手段５５ｂによってＹ軸方向の入射位置を出力する。メモリ４８には二次元平面における放射線入射位置、または放射線画像が格納される。なお、パルス波形測定手段は、微分回路を用いたアナログ方式でも、デジタルサンプリングをおこない数値的に解析する方式のいずれであってもよい。以上のように、この放射線位置検出器７０によれば、単一の半導体検出素子６１を用いて、放射線の二次元平面上の入射位置及び放射線画像を測定できる。
【００２９】
素子内にかかる電界、すなわち電気力線の方向や密度は、電荷キャリアが移動する方向と速度を決めるものであり、放射線の入射位置を測定する際の測定精度や位置分解能、測定画像の歪みを決める重要なパラメータとなる。高精度に測定するためには、素子内にかかる電界の方向と強度が一定であることが望ましい。
【００３０】
なお、半導体検出素子において、任意の箇所の電位を調整してもよい。例えば、図１２は、直方体形状の半導体検出素子の対角線にあたる一対の稜線部で電位を調整する場合（ｂ（ｖ）≒ｃ（ｖ））の概略平面図である。図１３は、直方体形状の検出素子の内部で複数箇所において電位を調整する場合（ｂ（ｖ）≒ｃ（ｖ）、ｄ（ｖ）≒ｅ（ｖ）≒ｆ（ｖ）、ｇ（ｖ）≒ｈ（ｖ））の概略平面図である。図１４は、直方体形状の検出素子の内部で一対の稜線部ａ及びｏを結ぶ対角線と垂直な複数枚の電位調整用電極６４を設けた場合の概略断面図である。このように検出素子の内部等に電位を調整する箇所や、電位調整用電極６４を設けることにより、検出素子内の電界を一様にすることができる。そこで、電荷キャリアの移動について高精度な測定が可能となり、入射位置を高精度に検出できる。また、データ処理が容易にできるので、回路構成をシンプルにできる。
【００３１】
実施の形態９．
本発明の実施の形態９に係る放射線位置検出器８０について、図１５を用いて説明する。図１５は、この放射線位置検出器８０の構成を示すブロック図である。この放射線位置検出器８０は、実施の形態８に係る放射線位置検出器と比較すると、半導体検出素子７１の中央に接地電極６６が設けられ、同一の中心を持ち相似形であって一辺の長さがそれぞれ異なる矩形形状の電位調整用電極６８が設けられている点で相違する。また、出力波形を測定する系統が各電極５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄごとに４系統設けられている点、および、パルス波形測定手段５５ａ、５５ｃの出力を比較する比較器６７ａ、パルス波形測定手段５５ｂ、５５ｄの出力を比較する比較器６７ｂが設けられている点においても相違する。さらに、比較器６７ａ、６７ｂの出力はそれぞれ入射位置演算手段２８ａ、２８ｂに接続されている。なお、図１５中の矢印Ｘ、Ｙは二次元平面上の座標軸を示している。
【００３２】
次に、この放射線位置検出器８０による放射線位置検出の動作について説明する。放射線が半導体検出素子７１に入射すると電荷キャリアが生成し、該電荷キャリアは該検出素子７１内に印加されている電界の方向に従って移動する。この場合において、検出素子７１の中心には接地電極６６が設けられていると共に、同一の中心を持つ相似形の矩形形状の電位調整用電極６８が設けられているので、中心の接地電極６６から周辺の各電極に向って電位が上がるように調節されている。そのため、生成した電荷キャリアのうち、例えば、電子は、生成位置が右辺の場合には電極５３ａに、上辺の場合には電極５３ｂに、左辺の場合には電極５３ｃに、下辺の場合には電極５３ｄに向ってそれぞれ移動する。このとき、電子が右辺の電極５３ａに移動する場合を考えると、電荷有感型前置増幅器４４ａの出力波形は、電子の生成位置、即ち、放射線の入射位置のＸ方向成分であるＸ１を反映するパルス立ち上り時間を有する。また、電荷有感型前置増幅器４４ｂからの出力波形は、放射線の入射位置のＹ方向成分であるＹ１を反映するパルス立ち上り時間を有する。電荷有感型前置増幅器４４ｃの出力波形は、放射線の入射位置のＸ方向成分であるＸ２を反映するパルス立ち上り時間を有する。電荷有感型前置増幅器４４ｄの出力波形は、放射線の入射位置のＹ方向成分であるＹ２を反映するパルス立ち上り時間を有する。この各電荷有感型前置増幅器の出力波形は、パルス波形測定手段５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄに入力され、波形測定される。このパルス波形測定手段５５ａ、５５ｃの出力は比較器６７ａによりＸ１とＸ２とが比較され、比較結果から入射位置演算手段２８ａによって、素子上のＸ座標が得られる。同様に、パルス波形測定手段５５ｂ、５５ｄの出力は、比較器６７ｂによりＹ１とＹ２とが比較され、比較結果から入射位置演算手段２８ｂによって、素子上のＹ座標が得られる。入射位置演算手段２８ａ、２８ｂの各出力はメモリ４８に格納される。以上の通り、電子の生成位置に応じて、そのＸ軸方向、Ｙ軸方向の位置がわかるため、単一の放射線位置検出素子７１を用いて、入射した放射線の二次元平面上の入射位置及び放射線画像を測定できる。
【００３３】
なお、ここでは直方体形状の半導体検出素子７１を用い、中心に接地電極を設け、４辺に電極を設けたが、直方体形状の場合に限られない。例えば、平面形状が多角形状の素子を用い、各辺に電極を設けてもよい。また、平面形状が円形状の素子を用いて複数の円弧状の電極を設けてもよい。
【００３４】
実施の形態１０．
本発明の実施の形態１０に係る放射線位置検出器について、図１６を用いて説明する。図１６は、この放射線位置検出器９０の構成を示すブロック図である。この放射線位置検出器９０は、実施の形態６に係る放射線位置検出器と比較すると、抵抗性電極４２を用いると共に、出力波形の波高を測定するパルス波高測定手段４５ａ、４５ｂを用いた回路構成を備える点で共通する。一方、パルス波高測定手段４５ｂとメモリ４８とが接続されており、パルス波高測定手段の出力をメモリ４８内に格納することができる点で相違する。即ち、この放射線位置検出器９０では、実施の形態６に係る放射線位置検出器と同様に、単一の半導体検出素子８１によって放射線の入射位置を２次元平面で測定できると共に、パルス波高測定手段４５ｂで得られるエネルギー値Ｅに比例する成分をメモリ４８に記録できる。これにより、得られた二次元の放射線入射位置に加えて、入射した放射線のエネルギーＥに関する情報も得ることができるので、エネルギー毎に弁別された放射線入射位置または放射線画像を得ることができる。
【００３５】
なお、このように入射した放射線をエネルギーごとに弁別し、所定のエネルギー範囲にある放射線の入射位置を測定することはこの放射線位置検出器９０の場合に限定されない。例えば、他の実施の形態１から９のいずれの放射線位置検出器において入射した放射線をエネルギーごとに弁別してもよい。また、エネルギー毎の放射線画像が得られれば、対象物から発する特定のエネルギーの放射線のみの画像を得ることができ、医療用の放射線画像検出器への応用が期待できる。さらに、対象物の元素組成に応じて放射線画像のコントラストを向上させることができ、逆に、得られた放射線画像のエネルギー分布を分析することによって対象物の元素組成を推定するなどの応用が期待できる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明に係る放射線位置検出器によれば、出力波形の波高のピークとなる立ち上がり時間を測定することにより、直方体形状の半導体検出素子の対向する一対の電極間の長手方向における放射線の入射位置を単一の検出素子で測定することができる。これにより、単純な構造でコストを低減させると共に、放射線入射位置を高精度で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る放射線位置検出器の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る放射線位置検出器の出力波形の一例を示すグラフである。
【図３】本発明の実施の形態１に係る放射線位置検出器を構成するパルス立ち上がり時間測定手段の内部構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る放射線位置検出器の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る放射線位置検出器の出力波形の一例を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態４に係る放射線位置検出器の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の実施の形態５に係る放射線位置検出器の構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の実施の形態６に係る放射線位置検出器の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の実施の形態７に係る放射線位置検出器の構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の実施の形態８に係る放射線位置検出器の構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明の実施の形態８に係る放射線位置検出器を構成する半導体検出素子の概略平面図である。
【図１２】本発明の実施の形態８に係る放射線位置検出器の半導体検出素子の電位調整の一例を示す概略図である。
【図１３】本発明の実施の形態８に係る放射線位置検出器における半導体検出素子の電位調整の一例を示す概略図である。
【図１４】本発明の実施の形態８に係る放射線位置検出器における半導体検出素子の電位調整の一例を示す図である。
【図１５】本発明の実施の形態９に係る放射線位置検出器の構成を示すブロック図である。
【図１６】本発明の実施の形態１０に係る放射線位置検出器の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ　半導体検出素子、２ａ、２ｂ　電極、３　放射線、４ａ　電荷キャリア（電子）、４ｂ　電荷キャリア（正孔）、５、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ　電荷有感型前置増幅器、６　直流電源、７、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ　パルス立ち上がり時間測定手段、８、２８ａ、２８ｂ　入射位置演算手段、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０　放射線位置検出器、１２　反転フィルタアンプ、１４：微分アンプ、１６ａ、１６ｂ　コンスタント・フラクション・ディスクリミネータ、１８　時間差測定器、２２　パルス波形解析手段、２４　メモリ、３１、４１、５１、６１、７１、８１　半導体検出素子、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ　分割電極、３４　電極、４２　抵抗性電極、４３　導電性電極、４４ａ、４４ｂ　電荷有感型前置増幅器、４５ａ、４５ｂ　パルス波高測定手段、４６　パルス立ち上がり時間測定手段、４７　波高除算手段、４８　メモリ、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ　分割電極、５３　導電性電極、５４ａ、５４ｂ、５４ｃ　電気抵抗、５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ　パルス波形測定手段、５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ　直流電源、５７放射線入射位置（電荷キャリア発生位置）、５８　進行方向、５８ａ　Ｘ成分、５８ｂ　Ｙ成分、６２　電気力線、６４、６８　電位調整用電極、６６　接地電極、６７ａ、６７ｂ　比較器
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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