(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体放射線検出素子及び前記半導体放射線検出素子を冷却する電子冷却素子をパッケージ内に収容してなる放射線検出器において、
前記半導体放射線検出素子と前記電子冷却素子との間に接地電位の導電体を配置しており、
前記電子冷却素子の高温部は、前記パッケージに接触しており、
前記電子冷却素子の低温部は、前記導電体に熱的に接続されており、
前記導電体は、前記半導体放射線検出素子の周囲を囲む内側パッケージ本体を構成し、内側パッケージ本体は前記パッケージから離間して前記パッケージの内側に位置している、
ことを特徴とする放射線検出器。
【請求項２】
前記内側パッケージ本体は、内側窓材と、前記内側窓材によって封止された開口とを有しており、
前記内側窓材には、前記半導体放射線検出素子の上面側電極が固定され、前記半導体放射線検出素子の下面側電極と前記内側パッケージ本体とは離間している、
ことを特徴とする請求項１に記載の放射線検出器。
【請求項３】
前記半導体放射線検出素子が、ＣｄＴｅ又はＣｄＺｎＴｅからなることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出器。
【請求項４】
前記半導体放射線検出素子と前記導電体との間に絶縁体を設けることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線やガンマ線等の放射線を測定する放射線検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体放射線検出素子であるＣｄＴｅを用いた放射線検出器は、特開平４−６１１７３号公報に記載されている。Ｘ線やガンマ線等の放射線は０．１ｋｅＶ以上（少なくとも２０ｋｅＶ以上）のエネルギーを有しており、このような放射線にＣｄＴｅは感度を有する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、医療機器や精密測定技術においては、更に高精度の放射線検出が要求されている。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、高精度の放射線検出を行うことが可能な放射線検出器を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る放射線検出器は、半導体放射線検出素子及び半導体放射線検出素子を冷却する電子冷却素子をパッケージ内に収容してなる放射線検出器において、半導体放射線検出素子と電子冷却素子との間に接地電位の導電体を配置しており、電子冷却素子の高温部は、パッケージに接触しており、電子冷却素子の低温部は、導電体に熱的に接続されており、導電体は、半導体放射線検出素子の周囲を囲む内側パッケージ本体を構成し、内側パッケージ本体はパッケージから離間してパッケージの内側に位置していることを特徴とする。
また、内側パッケージ本体は、内側窓材と、内側窓材によって封止された開口とを有しており、内側窓材には、半導体放射線検出素子の上面側電極が固定され、半導体放射線検出素子の下面側電極と内側パッケージ本体とは離間していることが好ましい。
【０００５】
半導体放射線検出素子は電子冷却素子によって冷却されることにより、その信号雑音比が向上するが、電子冷却素子自体はノイズを発生し、このノイズが空中を伝播して半導体放射線検出素子からの出力信号に重畳する。そこで、半導体放射線検出素子と電子冷却素子との間に接地電位の導電体を配置すると、この導電体がノイズシールドとして機能し、著しく信号雑音比が向上する。
【０００６】
電子冷却素子の高温部はパッケージに接触していることが好ましい。この場合、パッケージの少なくとも一部分はヒートシンクとして機能し、効率的に高温部の熱を外部へ放熱する。
【０００７】
半導体放射線検出素子は、ＣｄＴｅ又はＣｄＺｎＴｅからなることが好ましい。
【０００８】
更に、半導体放射線検出素子と導電体との間に絶縁体を設けると、半導体放射線検出素子が導電体の電位の影響を受けにくくなると同時に、絶縁体の厚みの分だけ半導体放射線検出素子を放射線源に近づけることができる。放射線強度は距離の二乗に反比例するので、この近接によって検出感度を向上させることができる。
【０００９】
また、導電体は半導体放射線検出素子の周囲を囲んでいることを特徴とする。この場合、半導体放射線検出素子内に進入するノイズを更に低減させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に係る放射線検出器について説明する。同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係る放射線検出器の斜視図、図２は図１に示した放射線検出器のＩＩ−ＩＩ矢印断面図である。
【００１２】
この放射線検出器は、パッケージ本体１内に配置された半導体放射線検出器２を備えている。パッケージ本体１及びこれの開口を封止する窓材３はパッケージを構成している。パッケージ内には結露を防止するためのドライ窒素等の不活性ガスが充填されているが、内部を真空にして更に冷却効率を向上させてもよい。
【００１３】
半導体放射線検出器２はペルチェ素子からなる電子冷却素子４によって冷却される。すなわち、パッケージ内には電子冷却素子４が配置されており、その高温部はパッケージ内の底面に接触し、これに対向する低温部は、接地電位の導電体５及び絶縁体６を介して半導体放射線検出素子２に熱的に接続されている。なお導電体５及び絶縁体６の形状は共に平板状であるが、これらは必要に応じて適宜変形することができる。
【００１４】
図２を参照すると、パッケージ本体１は円筒形状の金属キャップ１ｃの底面側開口をステム板１ｓで封止してなる。また、複数のリードピン（ピンコネクタ）７ａ〜７ｇがステム板１ｓを貫通しており、各機能素子にボンディングワイヤ１０ａ〜１０ｇを介して接続されている。リードピン７ａは導電体５に電気的に接続されると同時に、パッケージ本体１内の底面に接続され、接地電位が与えられる。リードピン７ｂは絶縁体６上に形成されたパターン配線８に電気的に接続されており、パターン配線８は半導体放射線検出素子２の下面側電極２ｋに導電性樹脂等を介して接触し、電気的に接続されている。リードピン７ｃは、半導体放射線検出素子２の上面側電極２ｊに電気的に接続されている。
【００１５】
したがって、これらのリードピン７ｂ，７ｃを介して、電極２ｋ，２ｊ間に挟まれた半導体基板２ｓにバイアス電圧を印加することができ、また、これへの放射線の入射に応じて出力電流を取り出すことができる。
【００１６】
リードピン７ｄ及び７ｅは、電子冷却素子４を構成するｐｎ接合のｐ型半導体及びｎ型半導体にそれぞれ接続されており、リードピン７ｄ及び７ｅを介して電子冷却素子４に電流を供給し、これを冷却することができる。
【００１７】
リードピン７ｆ及び７ｇは、絶縁体６の側面に固定された温度計測用抵抗体（サーミスタ）９の両端に接続されており、リードピン７ｆ及び７ｇ間の電流又は電圧を計測することにより、温度計測を行うことができる。なお、電子冷却素子４は、この計測された温度に基づいて、温度が所望値になるように温度制御される。
【００１８】
以上、説明したように、上記実施の形態に係る放射線検出器は、半導体放射線検出素子２及び半導体放射線検出素子２を冷却する電子冷却素子４をパッケージ内に収容してなる放射線検出器において、半導体放射線検出素子２と電子冷却素子４との間に接地電位の導電体５を配置したことを特徴とする。
【００１９】
半導体基板２ｓにバイアスが与えられた状態で、窓材３にＸ線やガンマ線等の放射線が照射されると、窓材３はＸ線等の放射線透過性の材料であるベリリウムからなるので、放射線は窓材３を介して半導体基板２ｓに入射する。放射線の入射に応じて半導体基板２ｓ内で発生した正孔及び電子は内部電界に従って電極２ｊ及び２ｋにそれぞれ進行し、放射線検出電流として端子７ｃと端子７ｂとの間を流れる。なお、窓材３はアモルファスカーボンに置換することもでき、また、放射線検出電流を増幅する増幅器をパッケージ内部に配置してもよい。
【００２０】
半導体放射線検出素子２は電子冷却素子４によって冷却されることにより、その信号雑音比が向上するが、電子冷却素子４自体はノイズを発生し、このノイズが空中を伝播して半導体放射線検出素子２からの出力信号に重畳する。半導体放射線検出素子２と電子冷却素子４との間に接地電位の導電体５を配置すると、この導電体５がノイズを吸収するノイズシールドとして機能し、著しく信号雑音比が向上する。導電体５の厚みに特に制限はないが、本例では厚さ０．２５ｍｍの銅板を用いることとした。銅板のサイズは電子冷却素子４の通電部を十分カバーできる大きさであればよい。
【００２１】
また、電子冷却素子４の高温部はパッケージに接触しているので、パッケージの少なくとも一部分はヒートシンクとして機能し、効率的に高温部の熱を外部へ放熱する。また、導電体５とパッケージとは電気的に接続されているので、パッケージは接地電位を有することとなり、外部に対してのノイズシールドとしても機能している。
【００２２】
半導体放射線検出素子２を構成する半導体基板２ｓは、２×２×０．５ｍｍサイズのＣｄＴｅ又はＣｄＺｎＴｅからなり、これらの結晶はＸ線やガンマ線等の放射線、０．１ｋｅＶ以上（少なくとも２０ｋｅｖ以上）のエネルギーの放射線を効果的に検出することができる。なお、半導体基板２ｓとしては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＨｇＩ2、ＰｂＩ2等を用いることもできる。また、窓材３の材料としては、ＣｄＴｅ又はＣｄＺｎＴｅに放射線の透過帯域が対応するように、厚さ０．３ｍｍのベリリウムを用いた。
【００２３】
半導体放射線検出素子２の上下面側電極２ｊ，２ｋは、それぞれ負電極としてのＰｔ、正電極としてのＩｎからなり、これらと半導体基板２ｓとの間はショットキー接触を構成している。なお、ＣｄＴｅにおいては、特にホールの移動度が電子に比して遅いため、ホールの収集効率に鑑みて、本例では、放射線入射側電極、すなわち、上面側電極２ｊを負電位とした。なお、下面側電極２ｋを正電位とする場合は、上面側電極２ｊは接地電位とすることもできる。
【００２４】
半導体放射線検出素子２と導電体５との間には絶縁体６が設けられているので、半導体放射線検出素子２が導電体５の電位の影響を受けにくくなると同時に、絶縁体６の厚みの分だけ半導体放射線検出素子２を窓材３方向、すなわち放射線源に近づけることができる。放射線強度は距離の二乗に反比例するので、この近接によって検出感度を向上させることができる。絶縁体６としては厚さ０．５ｍｍのセラミック基板を用い、パターン配線８は印刷法によって形成された金を用いた。
【００２５】
（第２実施形態）
図３は、第２実施形態に係る放射線検出器を模式的に示す断面図である。本例では、正電極としての下面側電極２ｋを、直接、導電体５に固定している。したがって、下面側電極２ｋは接地電位を有しており、上記移動度の観点から上面側電極２ｊは負電位を有することとなる。
【００２６】
（第３実施形態）
図４は、第３実施形態に係る放射線検出器を模式的に示す断面図である。本例では、窓材３の内側に半導体放射線検出素子支持用の内側窓材３’を設け、これに半導体放射線検出素子２の上面側電極２ｊを固定し、内側窓材３’が開口を封止するような内側パッケージ本体５を電子冷却素子４上に配置したものである。すなわち、導電体５は半導体放射線検出素子２の周囲を囲んでいるので、半導体放射線検出素子２内に進入するノイズを更に低減させることができる。なお、内側パッケージ本体５及び内側窓材３’は内部に密閉空間を提供するが、必要に応じて外側のパッケージとの気圧調整のための孔をこれに設けてもよい。内側パッケージ本体５は上記導電体５と同一の機能を有しており、接地電位を有する。また、下面側電極２ｋは正電位を有する。
【００２７】
更に、上記構造を有することにより、導電体５の高さの分だけ半導体放射線検出素子２を窓材３、すなわち放射線源に近づけることができ、検出感度を更に向上させることができる。
【００２８】
（第４実施形態）
図５は、第４実施形態に係る放射線検出器を模式的に示す断面図である。本例は、図２における導電体５を図４における内側パッケージ本体５に置換したものである。なお、内側パッケージ本体５の放射線入射側開口部は内側窓材３’によって封止されている。本放射線検出器は、この構造を有することにより、ノイズに対する耐性を大幅に向上させることができる。
【００２９】
上記第１乃至第４実施形態に係る放射線検出器を試作し、その特性評価を行った。放射性同位元素アメニシウム２４１（Ａｍ２４１）の放射線スペクトルをそれぞれの検出器によって測定した。アメニシウム２４１のメインピークは５９．５ｋｅＶであるので、検出されたスペクトルのこのエネルギーにおける半値幅（ＦＷＨＭ）を評価することによって信号雑音比に関する特性向上効果について検証した。すなわち、ＦＷＨＭが狭いほど信号雑音比は向上しており、検出精度は向上しているものと考えることができる。
【００３０】
電子冷却素子４の温度は−２０℃に設定した。半導体放射線検出素子２の両端には３００Ｖの電圧を印加した。放射線検出素子からの出力される放射線検出電流は、プリアンプ、メインアンプによって増倍した後、波高弁別器（ＭＣＡ）に入力し、アメニシウム２４１のスペクトルを得た。なお、窓材３はベリリウム、半導体放射線検出素子２はＣｄＴｅを用いた。測定結果を図６乃至図１０に示す。
【００３１】
図６は第１実施形態の放射線検出器によって得られたスペクトルを示す。ＦＷＨＭは２．２ｋｅＶである。なお、比較例として導電体５及び絶縁体６を用いない場合のスペクトルを図１０に示す。このスペクトルのＦＷＨＭは３．２ｋｅＶである。
【００３２】
図７は第２実施形態の放射線検出器によって得られたスペクトルを示すグラフである。このスペクトルのＦＷＨＭは２．４ｋｅＶである。
【００３３】
図８は第３実施形態の放射線検出器によって得られたスペクトルを示すグラフである。このスペクトルのＦＷＨＭは１．９ｋｅＶである。
【００３４】
図９は第４実施形態の放射線検出器によって得られたスペクトルを示すグラフである。このスペクトルのＦＷＨＭは２．０ｋｅＶである。
【００３５】
以上、説明したように、導電体５を用いることにより、放射線検出器の特性を大幅に向上させることができた（図７）。また、絶縁体６を更に用いた場合にはその特性を更に向上させることができた（図６）。また、導電体５が半導体放射線検出素子を囲っている場合には、その特性を更に向上させることができた（図８、図９）。
【００３６】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明に係る放射線検出器によれば、導電体を用いることにより、高精度の放射線検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る放射線検出器の斜視図。
【図２】図１に示した放射線検出器のＩＩ−ＩＩ矢印断面図。
【図３】第２実施形態に係る放射線検出器を模式的に示す断面図。
【図４】第３実施形態に係る放射線検出器を模式的に示す断面図
【図５】第４実施形態に係る放射線検出器を模式的に示す断面図
【図６】第１実施形態の放射線検出器によって得られたスペクトルを示すグラフ。
【図７】第２実施形態の放射線検出器によって得られたスペクトルを示すグラフ。
【図８】第３実施形態の放射線検出器によって得られたスペクトルを示すグラフ。
【図９】第４実施形態の放射線検出器によって得られたスペクトルを示すグラフ。
【図１０】導電体５を用いない場合のスペクトルを示すグラフ。
【符号の説明】
２…半導体放射線検出素子。４…電子冷却素子、５…導電体。
【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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