(57)【要約】  本発明は、特にスペクトルCTスキャナ用の放射線検出器のためのコンバータ・エレメント100に関する。当該コンバータ・エレメント100は、入射した放射線 X によって発生した電気信号の広がりに影響を及ぼす中間の分離壁135によって、互いから少なくとも部分的に分離されている少なくとも2個の変換セル131を有する。変換セル131は、特にCdTe及び/又はCdZnTeの結晶から構成される。前記結晶は、予備成形された分離壁の間で、例えば蒸着によって好ましくは成長する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射線検出器用のコンバータ・エレメントであって、
入射した電磁放射線を電気信号へと変換するための変換材料から成る、少なくとも2個の変換セルと、
前記少なくとも2個の変換セルの間にあり、同セルに物質的に結合された少なくとも1つの分離壁と、
を有するコンバータ・エレメント。
【請求項２】
前記変換材料が、CdTe、CdZnTe、Si、及び/又はGaAsを含むことを特徴とする、請求項１に記載のコンバータ・エレメント。
【請求項３】
前記変換セルが、約0.01 mm2乃至約1 mm2の基本的な面積を有し、及び/又は1 mm未満の厚さを有する、実質的に円筒状又は立方体の形をもつことを特徴とする、請求項１に記載のコンバータ・エレメント。
【請求項４】
少なくとも1個の前記変換セルが、前記分離壁によって隣接している変換セルから完全に分離されていることを特徴とする、請求項１に記載のコンバータ・エレメント。
【請求項５】
2個の前記変換セルが、部分的に互いに直接接触していることを特徴とする、請求項１に記載のコンバータ・エレメント。
【請求項６】
前記コンバータ・エレメントが、前記変換セル間に前記分離壁を備えた複数の当該変換セルの一次元構造又は二次元構造を有することを特徴とする、請求項１に記載のコンバータ・エレメント。
【請求項７】
前記分離壁が電気的に絶縁性であることを特徴とする、請求項１に記載のコンバータ・エレメント。
【請求項８】
前記分離壁の材料が、特に酸化した表面を備えたSiのような半導体、又はセラミック材料を有することを特徴とする、請求項１に記載のコンバータ・エレメント。
【請求項９】
前記変換セルが、第1の側にある第1の電極に個々に接続していることを特徴とする、請求項１に記載のコンバータ・エレメント。
【請求項１０】
前記変換セルが、第2の側にある共通の第2の電極に接続していることを特徴とする、請求項１に記載のコンバータ・エレメント。
【請求項１１】
請求項１に記載のコンバータ・エレメントを有する、放射線検出器。
【請求項１２】
請求項１１に記載の放射線検出器を有する撮像システム、特にスペクトルCTスキャナ。
【請求項１３】
放射線検出器用のコンバータ・エレメントを製造するための方法であって、
−    シード材を提供するステップと、
−    少なくとも1つの予備成形された分離壁を当該シード材上に提供するステップと、
−    電磁放射線を電気信号へと変換できる変換材料の結晶を前記シード材上で、前記分離壁が少なくとも部分的に埋め込まれるよう成長させるステップと、
を含む、方法。
【請求項１４】
前記変換材料の結晶が、前記シード材上で蒸着によって成長することを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記分離壁の当初の材料が、少なくとも部分的に結晶成長の後に取り除かれ、好ましくは少なくとも部分的に別の材料と置き換えられることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射線検出器用のコンバータ・エレメントと、斯様なコンバータ・エレメントを有する放射線検出器と、斯様な放射線検出器を有する撮像システムとに関し、斯様なコンバータ・エレメントを製造する方法に関する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
米国特許公開公報US 2007/03006 A1は、入射したX線光子が計数（カウント）され、エネルギに応じて分類されるスペクトルCT（コンピュータ断層撮影）スキャナ用のX線検出器を開示している。当該検出器は、入射したX線光子を吸収する変換材料と、結果として生じた電気信号の検出用の電極とを有する。高いカウント率に対処するために画素の有効寸法を減じるよう、1つの陽極のアレイが変換材料の結晶ブロックに設けられている。しかしながら、この検出器の問題は、入射したX線光子によって発生する電荷雲が異なる画素にわたって広がることがあり、したがって、空間分解能及び/又はスペクトル分解能を悪化させることである。
【０００３】
この状況に基づいて、特にスペクトルCT用の放射線検出器に関連して、放射線検出の精度を改善するための手段を提供することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この目的は請求項１に記載のコンバータ・エレメントと、請求項１１に記載の放射線検出器と、請求項１２に記載の撮像システムと、請求項１３に記載の方法とにより実現される。好ましい実施例が、従属請求項において開示されている。
【０００５】
本発明の第1の態様によれば、本発明は以下のコンポーネントa)、同b)を有する放射線検出器用のコンバータ・エレメントに関する。即ち、
a）    第1のコンポーネントは以下で「変換セル」と呼ばれ、入射した電磁放射線を電気信号へと変換するための変換材料から構成された少なくとも2個のユニットである。放射線検出器において「変換セル」は，同セルの信号が前記検出器に入射した放射線から生成された画像の1つの画素（「ピクセル」）に対応するよう、通常、機能するであろう。検出された電磁放射線は、特にX線又はガンマ線を有し、放射線の光子によって発生した電気信号は、通常、変換材料中を移動する電荷雲（例えば電子正孔の対）に対応することであろう。
b）    第2のコンポーネントは、上述した複数の変換セルの間に配置され、同セルと物質的に結合された、少なくとも1つの「分離壁」である。通常、用語「物質的に結合された」は、「物質間で接合された」、「溶融された」、又は「材料間で嵌合した」と同義であり、分子レベルでの2つの材料間の接合を意味する。斯様な材料の結合は、例えば接着、半田付け、溶接、又は1つの物質上での他の物質の結晶成長、若しくは1つの物質の周囲での他の物質の結晶成長により実現されることができる。好ましくは分離壁の材料は、変換セルへと直接物質的に（即ち、接着剤のような中間材料なしで）結合される。
【０００６】
分離壁は通常、シート又は平板のように形成されるのであるが、原則としてどのような形状及び寸法を有してもよいことに留意されたい。複数の斯様な平板が、概念的には同平板も（より複雑に形づくられた）1つの分離壁と考えられるものの、この場合慣例により、異なる「分離壁」として数えられることであろう。
【０００７】
従来技術（例えば米国特許公開公報US 2007/03006 A1）で知られているスペクトルCT用のコンバータ・エレメントでは、配置された電極アレイによって複数のセルへと機能的に再分割されたユニークな変換材料のブロックが提供されている。しかしながら、入射した光子によって発生した電荷雲は、斯様なブロック中を自由に広がることが出来、したがって、発生したセルとは別のセルの画素電極に達してしまう。これに対して本発明では、電気信号の広がりが本発明のコンバータ・エレメント内の2個の変換セルの間にある分離壁によって制御されることができる。分離壁を適切に設計すると、たとえ前記セルが小さな体積のみをもっているにしても、電荷雲が発生した変換セルに対して当該電荷雲を制限することが、とりわけ可能である。このように、コンバータ・エレメントの精度及び空間分解能/スペクトル分解能の相当な改善が実現されることができる。
【０００８】
変換セル用に使われる変換材料は、特にカドミウム・テルル（CdTe）及び/又はカドミウム・亜鉛・テルル（CdZnTe、「CZT」）を有し、これらの材料は、例えば光子のカウントに基づくスペクトルCTのアプリケーションに適するようにする好ましい変換特性を有する。一方、これらの変換材料は非常にもろく、当該材料の機械的な加工を困難にさせ、例えば小片の切断を妨げる。変換セルと分離壁との間の物質結合に起因して、本発明のコンバータ・エレメントは斯様なもろい変換材料にさえ安定した構造を提供する。変換セル用の他の考え得る直接の変換材料は、例えばシリコン（Si）及びガリウム砒素（GaAs）である。
【０００９】
概して変換セルは、どのような形状及びサイズを有してもよい。しかしながら好ましい実施例では、当該変換セルは（長手方向の軸に直交する向きに測定して）約0.01x0.01 mm2から1x1 mm2、好ましくは約0.05x0.05mm2から約0.3x0.3mm2の面積を有する実質的に円筒状又は立方体の形をもつことであろう。別の好ましい実施例では、変換セルは約1mm未満、好ましくは約0.05mm未満の厚さを有する、幾分平坦なジオメトリをもっている。
【００１０】
これらの寸法を備えた変換セルが、例えばスペクトルCTの放射線検出器に適している。上述した脆い変換材料から構成される場合、斯様な小さな変換セルは切断又は鋸引きでは殆ど製造されることができない。
【００１１】
コンバータ・エレメントの内の少なくとも1個の変換セルが、隣接した変換セルから1つ以上の分離壁によって完全に分離される。この場合、前記変換セル中で発生した電気信号に対して分離壁の影響が最大となり、この影響は画素ボリューム全体にわたって延在する。
【００１２】
コンバータ・エレメントの別の実施例では、分離壁へと物質的に結合された2個の変換セルが、更にお互いに直接接触していてもよい。複数の変換セルの斯様な直接接触は、例えば変換セルの物質融合を介して、更なる機械的な安定度を好都合にも提供する。
【００１３】
これまでの説明は、1枚の分離壁により分離されたちょうど2個の変換セルを備えたコンバータ・エレメントを含んでいる。しかしながら好ましい実施例においてコンバータ・エレメントは、セル間に複数の分離壁を有する複数の（2個より多くの）変換セルを有するであろうし、したがって一次元の構成又は二次元の構成を確立する。
【００１４】
分離壁は電気伝導性があってもよく、例えば金属材料を含んでいる。しかしながら好ましい実施例では、分離壁は電気的に絶縁性である。これは、壁が、隣接した変換セルへの電荷の移行を防止すると同時に、検出のための前記電荷を電荷が発生した変換セル内に保存するという長所がある。特に電気的な絶縁材（例えば材料の酸化物）で覆われている場合、分離壁用に特に適する材料はセラミック材料及びSiのような半導体を含む。
【００１５】
変換セル内で発生した電気信号の検出及び評価を可能にするために、コンバータ・エレメントは、変換セルに当該セルの第1の側で個々に接続されている第1の電極を有する。当該第1の電極は、変換セル内で導電帯にリフトされた電子が集められ且つ検出される陽極として特に動作する。
【００１６】
変換セル内に明確な電界を生成するために、コンバータ・エレメントは、全ての変換セルが当該セルの第2の側へと共通に接続された第2の電極を好都合にも具備している。この第2の電極は、通常、陰極として動作する。
【００１７】
本発明は更に、上で説明されたタイプのコンバータ・エレメントと、追加のコンポーネントとを有する放射線検出器に関する。追加のコンポーネントは例えば、コンバータ・エレメントで発生した電気信号を検出し、処理し、及び評価するための読取り回路である。
【００１８】
更にまた本発明は、上で説明したタイプの放射線検出器と、追加のコンポーネント、例えばデータ処理ユニット及び放射線源とを有する撮像システム、例えばスペクトルCTスキャナに関する。
【００１９】
最後に、本発明は放射線検出器用のコンバータ・エレメント、特に上で説明したタイプのコンバータ・エレメントを製造する方法に関する。当該方法は、
a）    種(シード）材であって、下記の変換材料の結晶が当該シード材上で成長できるよう選択されたシード材を提供するステップと、
b）    第1の材料によって少なくとも1つの予め形成された分離壁をシード材上に提供するステップと、
c）    分離壁が変換材料内に少なくとも部分的に埋め込まれるよう、変換材料の結晶をシード材上で成長させるステップと、
を含み、当該変換材料は、電磁放射線を電気信号へと変換するよう適応されている。結晶成長は、例えば変換材料の溶融から、又は物理的な蒸着(PVD)によって分離壁の内側で行われる。
【００２０】
本方法は、上記で説明されたタイプのコンバータ・エレメントを作ることを可能にする。これ故、当該方法の詳細、長所、及び改善に関する詳細情報のための先行説明がなされよう。
【００２１】
変換材料の結晶をシード材上で成長させるための種々異なる方法がある。好ましい実施例によれば結晶成長は、変換材料のシード材上への蒸着により実現される。
【００２２】
予備成形された分離壁が構築される第1の材料は、オプションで一時的なプレースホルダであるに過ぎない。この場合、変換材料の結晶が成長した後に、予備成形された分離壁の第1の材料が少なくとも部分的に取り除かれることが好ましい。この場合、結果として生じたギャップは空隙のままにされるか、又は、取り除かれた第1の材料が、最終的に分離壁（の一部）になる第2の材料と少なくとも部分的に置き換えられる。分離壁の第2の材料は、例えば結晶成長の従前のプロセスを継続しない材料のことがある。
【００２３】
本発明のこれらの態様及び他の態様が、これ以降説明されている実施例から明らかになり、当該実施例を引用して解明されることであろう。これらの実施例は、添付の図面の助けを借りて例の態様にて説明されることであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による撮像システムの例として、CTシステムを概観的に例示する。
【図２】変換セルを完全に囲んでいる分離壁を備えた、本発明によるコンバータ・エレメントの第1の実施例を示す。
【図３】部分的に変換材料へと延在する分離壁を備えた、本発明によるコンバータ・エレメントの第2の実施例を示す。
【図４】本発明によるコンバータ・エレメントを製造する装置を概観的に例示する。
【図５】シード材上に予備成形された分離壁を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図において、同じ参照番号又は100の整数倍だけ異なっている参照番号は、同一のコンポーネント又は類似のコンポーネントを指す。
【００２６】
以下の説明は、図1に概観的に示されたスペクトルCT（コンピュータ断層撮影）スキャナ1000の例を引用するであろうが、本発明はこのアプリケーションに限定されるものではない。スペクトルCTスキャナ 1000はガントリ Gを有し、当該ガントリの中央にあるテーブルに横たわっている患者Pの周りを回転できるようX線源 1200及びX線検出器 1100がお互いに反対側に取り付けられている。検出器1100及び放射線源1200は、コントロールユニット1300、例えば入力手段（キーボード）及び出力手段（モニタ）を備えたワークステーションへと接続されている。
【００２７】
X線源により生成され、スキャンした対象物を通過する多染性のX線ビームに含まれるスペクトル情報が、新たな、診断にとって重要な情報を提供するために使用されるので、スペクトルCTには診断に役立つ高い可能性がある。スペクトルCT撮像システムを可能にする技術が検出器であり、当該検出器はスキャンした対象物の背後にある検出器に当たる光子の流れ及び光子のエネルギースペクトルに関する十分に正確な評価を提供できる。画像を再構築するために、検出器は直射ビームにも晒されるので、直射ビームによる照射を受けた検出器画素の光子のカウント率は莫大であり、ほぼ109光子/mm2秒、即ち1000 Mcpsである。従来のハードウェアでは検出器の画素は、約10 Mcpsのカウント率で飽和する。
【００２８】
これらの高いカウント率を扱う方法は、検出器のセンサ部分を下位構築することであり、センサとX線光子とが相互作用して電荷パルスを生成し、当該パルスが読取り電子回路によって更に評価される。ビーム方向に対して垂直な面内でお互いに隣に位置する（例えば300μm x 300μmの面積をもつ）小さな変換セルへと二次元的に下位構築することが考慮されることができ、同様に、ビームの方向に積み重ねられた複数の異なるセンサ層へと三次元的に下位構築することが考慮されることができる。この方法では、センサ層にある各々のサブピクセルは、エネルギごとにサブチャンネルを備えた、自前のエネルギ変換読取り電子回路のチャンネルを有する。
【００２９】
（ビームの方向に測定した）所与の検出器の厚さに対して、より小さな画素は、いわゆる「小画素効果」に起因して、通常よりも良好なスペクトル応答をもたらす。しかしながら、電荷の共有は隣接した画素間の優位なクロストーク現象となり、これがスペクトル特性を低下させるので、画素化の際の下限を設定してしまう。これは、変換材料容積内でのX線の相互作用が電子雲を発生させるという事実に起因する（説明を簡単にするため、ここでは電子孔は考慮されない）。当該電子雲は、陽極と共通の陰極との間の電位よって確立される電界の力線に沿って（前記電界の反対方向に）ドリフトする。当該電子雲は有限の寸法をもち、陽極へ向かってドリフトするにつれて、（拡散工程及びクーロン反発力を介して）拡大する。最終的に電荷のいくつかは隣接した画素へとドリフトしてゆき、全体の電荷を複数の画素へと分散させる。これは、本来の光子エネルギを推測することを困難にする。
【００３０】
これらの課題に対処するために、本願明細書においては画素間に分離材料（例えば絶縁体）を含むことが提案されており、この場合電荷共有の影響を著しく最小化する。しかしながら、CdTe及びCdZnTeがスペクトルCT用の最も有望な直接的な変換材料の一つであり、これらは非常にもろい材料であるので、画素を構築することは簡単な作業ではない。
【００３１】
これに関して一つの考え得る作業は、結晶を（一次元又は二次元の）画素構造内にすでに閉じ込めて成長させることである。文献（Pelliciari、B、等による「CdTe用の新たな成長法−広い面積へ向けての現状打破」、Journal of Crystal Growth誌  275（2005）pp．99−105：  Mullins J.T.、等による「大きな直径をもつCdTe塊のGaAsのウェーハ状のシード板上での結晶成長」、Journal of Crystal Growth誌  310（2008）pp．2058-2061：  Mullins J.T.、等による「カドミウム・テルル化合物及びカドミウム・亜鉛・テルル化合物の結晶塊の、ガリウム砒素化合物のシード上での気相成長」、Journal of Electronic Material誌 37（2008）、1460−1464）に記載されている結晶成長法が、予め規定された構造内で結晶を成長させるメカニズムに適応されることができる。
【００３２】
図2は、分離壁135によって互いに分離された立方体の形の変換セル131の二次元アレイとして構築された変換ブロック130を有するコンバータ・エレメント100の第1の実施例を例示する。図示されたコンバータ・エレメント100のサイズは通常1.5x1.5x3 mm3であり、放射線検出器はxy-平面に二次元で配置された多数の斯様なエレメントを有する（斯様な大きな検出器は、通常、ウェーハとして作られた連続デバイスである）。変換セル131は、同セルの前側に、個々にアドレス指定可能な陽極120を担持しており、検出信号を読み出し且つ処理するために前記陽極と接触する電子回路は、説明を簡単にするため示されていない。変換ブロック130の後ろ側には、全ての変換セル131の後ろ側を覆う共通の陰極110が置かれている。
【００３３】
X線の光子が電荷雲（電子正孔の対）を変換材料、例えば図2の左上の変換セル131の導電帯内部に発生させた場合、分離壁135によって、この雲の広がりは当該雲が発生したまさしくその変換セルに限定される。この態様で、コンバータ・エレメント100の空間分解能及びスペクトル分解能が有意に改善されることができ、と同時に、生じた最大カウント率が対処されることができるよう、有効画素のサイズを減じることができる。
【００３４】
図2はx-方向に沿ったX線光子の入射を示しているのであるが、当該検出器は光子が入射するいかなる他の方向に対しても、特にx、y、ｚの正の方向又は負の方向に沿って垂直な入射方向に対しても使用することができる点に留意されたい。
【００３５】
図3は、変換ブロック230、共通の陰極210、及び個々の陽極220を有するコンバータ・エレメント200の代替の実施例を示す。前述の実施例とは対照的に、分離壁235は、部分的に変換ブロック230の方へと（x-方向に）延在しているに過ぎない。これ故変換セル231は、共通の陰極に近い後ろ側で互いに接触（即ち溶融）している。
【００３６】
本発明はまた、予め規定された画素構造内に埋め込まれた、例えばCd(Zn)Teの結晶を成長させる方法も含んでいる。
【００３７】
図4は、多管の物理的輸送法（MTPVT、上記Mullins等の論文を参照）でGaAsのシード・ウェーハ8から結晶（この場合CdTe又はCdZnTe）を成長させることによって、本発明によるコンバータ・エレメント300を製造するための対応する装置1を示す。
【００３８】
装置1は真空環境に晒されており、それぞれZnTe及びCdTeで満たされた2本のパイプ5、同7を有する。当該パイプ5、同7がクロス部材3を介して接続されている中央のパイプ9では、コンバータ・エレメント300が、台6の上に置かれたシード材8上で成長する。クロス部材及びパイプは、ヒータ2、同4により加熱されることがある。
【００３９】
図5に更なる詳細を示すように、製造工程の始めに、予めピクセル化された分離壁の構造部335が、シード・ウェーハ8上に蒸着される。当該予め規定された構造部は一次元の壁又は二次元の壁から構成され、図5は、変換セル用の孔331を有する二次元のグリッドの例を示す。蒸着プロセスの間、変換材料は、これらの孔内で成長する。
【００４０】
結晶成長の後、結果として生じたインゴットを所望の検出器ジオメトリへと切り出すために、後処理ステップが必要である。研削及び研磨が、例えば図2又は図3によるコンバータ・エレメントを仕上げるために用いられることがある。
【００４１】
予め規定された分離壁の構造部は、基本的に、結晶成長プロセスの温度サイクルに耐えるどのような材料でも作られることが出来る。適切な材料の例は（好ましくは酸化した壁を伴う）Si、又はセラミックである。
【００４２】
代替の実施例では、図5の予備成形された分離壁335は、結晶成長の間、最終的な分離壁に対するプレースホルダとして用いられる前駆体材料から構成されることができる。変換材料が成長した後、この前駆体材料は例えばエッチングにより除去されることができる。結果として生じた空隙には、結晶の機械的な仕様/化学的な仕様と互換性をもつ他の何らかの材料が最終的な分離壁を構成するために、次に蒸着されることができる。
【００４３】
説明された放射線検出器の1個のピクセルの構造は、電荷共有に起因する性能低下を回避すると共に、小さなピクセルがもつ全ての利点を取り入れることができる。上で説明されたタイプのコンバータ・エレメントを有する放射線検出器は、スペクトルCT用のダイレクト・コンバータで用いられた場合、特に利点となる。しかしながら、予め規定されたピクセル構造から利益を得る他のどのようなアプリケーション又はどのような材料も、本発明を利用することができよう。
【００４４】
最後に、本願明細書においては、用語「有する」が他のエレメント又は他のステップを除外することはなく、「a」又は「an」が複数を除外することはなく、単一のプロセッサ又は他のユニットが複数の手段の機能を満たしてもよいことが指摘される。本発明は、何れの新規な特性機能にも帰属し、何れの特性機能の組合せにも帰属する。更に、請求項中の引用符号は、範囲を限定するものとして解釈されてはならない。
【図１】
2012508375.tif 000003
【図２】
2012508375.tif 000004
【図３】
2012508375.tif 000005
【図４】
2012508375.tif 000006
【図５】
2012508375.tif 000007
【国際調査報告】
2012508375.tif 000008
2012508375.tif 000009
2012508375.tif 000010
2012508375.tif 000011
2012508375.tif 000012