JP2004239722A - 放射線検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】解像度及び機械的強度を向上することが可能であるとともに、画素の輝度ムラを改善する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。
【解決手段】放射線検出器は、画素単位の光電変換素子１３が複数配列してなる光電変換基板１１と、光電変換基板１１上に配置されたシンチレータ層３９と、光電変換基板１１上に形成されシンチレータ層３９を画素単位に区画する区画部３８と、を備えている。シンチレータ層３９は、光電変換基板１１上の第１シンチレータ層３９１と、第１シンチレータ層３９１上の第２シンチレータ層３９２と、を含み、光電変換基板１１と区画部３８との間には、第１シンチレータ層３９１が配置されたことを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

【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、特に、放射線画像を検出する間接方式の放射線検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
新世代のＸ線診断用検出器としてアクティブマトリックス型の平面検出器が大きな注目を集めている。この平面検出器において、照射されたＸ線を検出することにより、Ｘ線撮影像またはリアルタイムのＸ線画像がデジタル信号として出力される。固体検出器であることから、画質性能や安定性の面でも極めて期待が大きい。このため、多くの大学やメーカが研究開発に取り組んいる。
【０００３】
実用化の最初の用途として、比較的大きなＸ線量で、静止画像を収集する胸部・一般撮影用に開発され、近年商品化されている。より高い技術的なハードルをクリアして、透視線量下で秒３０コマ以上のリアルタイム動画を実現させる必要のある循環器、消化器分野への応用に対しても近い将来に商品化が予想される。この動画用途に対しては、Ｓ／Ｎの改善や微小信号のリアルタイム処理技術等が重要な開発項目となっている。
【０００４】
平面検出器には、大きく分けて直接方式と間接方式との２通りがある。
【０００５】
直接方式は、Ｘ線をａ−Ｓｅなどの光導電膜を用いて直接信号電荷に変換し、変換した信号電荷を電荷蓄積用キャパシタに蓄積する方式である。この直接方式は、Ｘ線により発生した光導電電荷を高電界により直接に電荷蓄積用キャパシタに導くため、ほぼアクティブマトリックスの画素ピッチで規定される解像度特性が得られる。
【０００６】
一方の間接方式は、シンチレータ層によりＸ線を受けて一旦可視光に変換し、可視光をａ−ＳｉフォトダイオードやＣＣＤにより信号電荷に変換して、電荷蓄積用キャパシタに導く方式である。この間接方式は、シンチレータ層からの可視光がフォトダイオードに到達するまでの光学的な拡散及び散乱により、その分の解像度劣化を生じる。
【０００７】
しかしながら、この間接方式において、隔壁によりシンチレータ層を画素毎に分離することにより、シンチレータ層内で発光した蛍光は、隔壁により横方向への散乱や拡散を抑制される。したがって、光学的なガイド効果により、蛍光をフォトダイオード等の光電変換素子に効率良く到達させることができ、解像度特性が改善される（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
また、シンチレータ材料やフォトダーオードについての技術は確立しており、直接方式と比較して安定して作成することが可能である。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−１６６９７６号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述した画素分離型シンチレータの製造方法は、例えば光電変換素子が複数配列してなる光電変換基板上にシンチレータ層を形成する。その後、このシンチレータ層に溝を加工して画素分離を施す。その後、光反射材を溝内部に充填させることにより隔壁を形成する。
【００１１】
解像度特性上、溝は光電変換基板に達する深さに形成し、シンチレータ層を完全に画素分離することが好ましい。
【００１２】
このような構造の場合、シンチレータ層の機械的強度δは、シンチレータ層とフォトダイオードを保護する絶縁層との接触面積Ｓ_Ｆと、これらの間の接着強度γ_Ｆとの積（δ＝Ｓ_Ｆ×γ_Ｆ）に依存する。しかしながら、接触面積Ｓ_Ｆは非常に小さく、かつ接着強度γ_Ｆも異物質間の接着強度であるために非常に弱い。このため、シンチレータ層の機械的強度δは、非常に弱く、横倒れやシンチレータ層の飛び（いわゆるチップ飛び）の発生確率が高くなる。
【００１３】
また、完全に画素分離を施すと、画素毎の輝度は、各光電変換素子上に形成されたシンチレータ層の体積、及び、シンチレータ層を構成する蛍光体粒子の充填密度に大きく依存する。例えば、シンチレータ層の体積が各画素においてわずかに異なることによって、各画素での輝度の差が発生する。この現象は、画像の輝度ムラに対して大きな要因となる。
【００１４】
この発明は、上述した問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、解像度及び機械的強度を向上することが可能であるとともに、画素の輝度ムラを改善することが可能な放射線検出器を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明の第１の様態による放射線検出器は、
画素単位の光電変換素子が複数配列してなる光電変換基板と、
前記光電変換基板上に配置されたシンチレータ層と、
前記光電変換基板上に形成され、前記シンチレータ層を画素単位に区画する区画部と、
を備え、
前記シンチレータ層は、前記光電変換基板上の第１シンチレータ層と、前記第１シンチレータ層上の第２シンチレータ層と、を含み、
前記光電変換基板と前記区画部との間には、前記第１シンチレータ層が配置されたことを特徴とする。
【００１６】
この発明の第２の様態による放射線検出器は、
画素単位の光電変換素子が複数配列してなる光電変換基板と、
前記光電変換基板上に配置されたシンチレータ層と、
前記光電変換基板上に形成され、前記シンチレータ層を画素単位に区画する区画部と、
を備え、
前記シンチレータ層は、前記光電変換基板上に配置され第１平均粒径Ｄ１を有する蛍光体粒子によって構成された第１シンチレータ層と、前記第１シンチレータ層上に配置され前記第１平均粒径Ｄ１より大きな第２平均粒径Ｄ２を有する蛍光体粒子によって構成された第２シンチレータ層と、を含み、
前記光電変換基板と前記区画部との間には、少なくとも前記第１シンチレータ層が配置されたことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施の形態に係る放射線検出器について図面を参照して説明する。
【００１８】
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。したがって、実施の形態の「Ｘ線」を「放射線」に置き換えることにより、本発明が対象とする他の放射線にも適用可能である。
【００１９】
図１に示すように、Ｘ線を検出してＸ線の強度分布に対応する電気信号を出力するＸ線検出器１は、複数の画素を有するアクティブマトリクス型の光電変換基板１１を有している。この光電変換基板１１は、ガラスなどの絶縁基板上に、行方向（例えば図中の横方向）及び列方向（例えば図中の縦方向）に所定のピッチＬで２次元的にマトリクス状に配列された同じ構造の複数の画素１２を有している。図１に示した例では、９個の画素単位（１２ａ〜１２ｉ）が図示されている。
【００２０】
各画素１２（ａ〜ｉ）は、入射した光強度に対応して信号電荷に変換する光電変換素子として機能するフォトダイオード１３、スイッチング素子として機能する薄膜トランジスタ（以下ＴＦＴと称する）１４、信号電荷を蓄積する電荷蓄積部として機能する蓄積キャパシタ１５などによって構成されている。
【００２１】
各ＴＦＴ１４は、ゲート電極Ｇ、ソース電極Ｓ、及び、ドレイン電極Ｄを有している。ドレイン電極Ｄは、例えばフォトダイオード１３及び蓄積キャパシタ１５と電気的に接続されている。
【００２２】
光電変換基板１１の外部には、制御回路１６が設けられている。この制御回路１６は、ＴＦＴ１４の動作状態、例えばオン／オフを制御する。また、この制御回路１６には、行方向に延びる複数の制御ライン１７が接続されている。図１に示した例では、第１乃至第４の４個の制御ライン１７１乃至１７４が設けられている。それぞれの制御ライン１７は、同じ行の画素１２を構成する各ＴＦＴ１４のゲート電極Ｇに接続されている。例えば、第１の制御ライン１７１は、画素１２ａ乃至１２ｃを構成する各ＴＦＴ１４のゲート電極Ｇに接続されている。
【００２３】
列方向には、複数のデータライン１８が設けられている。図１に示した例では、第１乃至第４の４個のデータライン１８１乃至１８４が設けられている。それぞれのデータライン１８は、同じ列の画素１２を構成する各ＴＦＴ１４のソース電極Ｓに接続されている。例えば、第１のデータライン１８１は、画素１２ａ、１２ｄ、１２ｇを構成する各ＴＦＴ１４のソース電極Ｓに接続されている。
【００２４】
それぞれのデータライン１７は、対応する電荷増幅器１９に接続されている。各電荷増幅器１９は、例えば演算増幅器で構成され、その一方の入力端子ａ１にデータライン１８が接続され、他方の入力端子ａ２は接地されている。一方の入力端子ａ１と出力端子ｂとの間にコンデンサＣが接続され、積分機能を有する。また、コンデンサＣに並列にスイッチＳが接続され、例えばスイッチＳを閉じてコンデンサＣに残った電荷を放電する構成になっている。
【００２５】
それぞれの電荷増幅器１９は、並列に入力する複数の電気信号を直列信号に変換する並列／直列変換器２０に接続されている。並列／直列変換器２０は、アナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器２１に接続されている。
【００２６】
（第１実施形態）
次に、第１実施形態に係るＸ線検出器の画素単位の構造について図２を参照して説明する。なお、図２では、１つの画素部分を抜き出して図示しており、図１に対応する部分には同じ参照符号を付して重複する説明は一部省略する。
【００２７】
光電変換基板１１は、ガラスなどの絶縁基板３１上に形成されたＴＦＴ１４及び蓄積キャパシタ１５を備えている。
【００２８】
ＴＦＴ１４は、３つの電気的接続、すなわちゲート電極Ｇ、ソース電極Ｓ、及び、ドレイン電極Ｄを備えている。ゲート電極Ｇは、絶縁基板３１上に形成されている。このゲート電極Ｇは、絶縁膜３２によって覆われている。また、このゲート電極Ｇは、同じ行に位置する他のＴＦＴ１４のゲート電極Ｇとともに共通の制御ライン１７に接続されている。
【００２９】
ソース電極Ｓは、絶縁膜３２上に形成された半絶縁膜３３にコンタクトしている。このソース電極Ｓは、このソース電極Ｓは、同じ列に位置する他のＴＦＴ１４のソース電極Ｓとともに共通のデータライン１８に接続されている。ドレイン電極Ｄは、半絶縁膜３３にコンタクトしている。このドレイン電極Ｄは、フォトダイオード１３及び蓄積キャパシタ１５に接続されている。
【００３０】
蓄積キャパシタ１５は、絶縁基板３１上に形成された下部電極３４、絶縁膜３２を介して下部電極３４に対向して設けられた上部電極３５などによって構成されている。上部電極３５は、ＴＦＴ１４のドレイン電極Ｄと電気的に接続されている。
【００３１】
ＴＦＴ１４及び蓄積キャパシタ１５の上方には、第１絶縁層３６１が設けられている。この第１絶縁層３６１上には、フォトダイオード１３が形成されている。フォトダイオード１３の周囲の第１絶縁層３６１上には、第２絶縁層３６２が設けられている。この第２絶縁層３６２は、ほぼ矩形状のフォトダイオード１３を囲むように枠状に形成されている。
【００３２】
フォトダイオード１３は、ａ−ＳｉのｐｎダイオードやＰＩＮダイオードなどで形成される。このフォトダイオード１３は、第１絶縁層３６１上に形成された第１電極１３１、第１電極１３１に対向して配置された第２電極１３２などによって構成されている。
【００３３】
第１電極１３１は、第１絶縁層３６１の一部に形成されたスルーホール３７を介してＴＦＴ１４のドレイン電極Ｄに接続されている。第２電極１３２は、例えばスパッタリング法によってＩＴＯなどの透明導電膜を成膜することによって形成される。これら第１電極１３１と第２電極１３２との間には、バイアス電圧が印加される。
【００３４】
上述したような構造の光電変換基板１１の上には、外部から入射したＸ線を可視光に変換するシンチレータ層３９が配置されている。また、この光電変換基板１１上には、シンチレータ層３９を画素単位に区画する区画部３８が形成されている。この区画部３８は、例えば隔壁部または溝部によって構成されている。
【００３５】
すなわち、図２に示すように、シンチレータ層３９は、光電変換基板１１におけるフォトダイオード１３上及び第２絶縁層３６２上に配置されている。このシンチレータ層３９は、ほぼ同等の平均粒径を有する蛍光体粒子、例えばＧＯＳ（Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂ，ＰＲ^＋３，ＣＥ^＋３，Ｆ）によって構成されている。シンチレータ層３９を構成する蛍光体粒子の粒径は、例えばシンチレータ層３９の断面を走査型電子顕微鏡によって撮影することによって確認される。
【００３６】
このシンチレータ層３９は、例えば以下のような方法で形成される。まず、マトリクス状に配置された複数のフォトダイオード１３などを有する光電変換基板１１上に、液状のシンチレータ材料を塗布して、シンチレータ含有塗膜層を形成する。このシンチレータ材料は、Ｘ線を吸収して発光する蛍光体粒子として例えばＧｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂの粉末を樹脂バインダと有機溶剤とを用いて形成される。このシンチレータ材料は、ディスペンサやインクジェット、スプレー等を用いた塗布法で塗布される。
【００３７】
その後、６０〜１５０℃で加熱する乾燥工程を通して有機溶剤を除去し、シンチレータ含有塗膜層を硬化させる。これにより、膜の剥離やクラック等を生じない良好なシンチレータ層３９が形成される。
【００３８】
区画部３８は、上方よりシンチレータ層３９に入射したＸ線４０がシンチレータ層３９内で蛍光４１に変換され、この蛍光４１が隣接する画素１２のフォトダイオード１３のエリアに干渉しないように、画素１２を分離する境界に沿って形成される。
【００３９】
この区画部３８は、例えば以下のような方法で形成される。まず、シンチレータ層３９に溝部を形成する。その後、この溝部の内部に、高屈折特性を有する光反射材として例えばＴｉＯ_２、またはＸ線発光蛍光体粒子として例えばＧｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂを充填することにより、隔壁部を形成する。なお、隔壁部を形成せずに溝部のみであっても区画部３８としての機能を有する。
【００４０】
上述した溝部は、ダイサーや、ＹＡＧ３次高調波の紫外線レーザを用いることによって形成することができる。この溝部は、光電変換基板１１に達することなく、シンチレータ層３９の一部が残るような深さに形成される。すなわち、光電変換基板１１と区画部３８との間にシンチレータ層３９が存在している。
【００４１】
なお、この第１実施形態では、説明の便宜上、光電変換基板１１と区画部３８との間に存在するシンチレータ層３９を第１シンチレータ層３９１とする。すなわち、シンチレータ層３９は、光電変換基板１１上に配置された第１シンチレータ層３９１と、この第１シンチレータ層３９１の上に配置された第２シンチレータ層３９２とを含むものとする。当然、第１シンチレータ層３９１は、第２シンチレータ層３９２とほぼ同等の平均粒径を有する蛍光体粒子によって構成されている。
【００４２】
図２に示した第１シンチレータ層３９１は、隣接する画素１２の第１シンチレータ層３９１と繋がった一体構造を有している。すなわち、第１シンチレータ層３９１は、区画部３８によって画素単位に区画されることはなく、光電変換基板１１と区画部３８との間に配置される。一方、第２シンチレータ層３９２は、区画部３８によって画素単位に区画される。
【００４３】
第１シンチレータ層３９１の平均膜厚Ｔ１は、第１シンチレータ層３９１を構成する蛍光体粒子の平均粒径Ｄ１以上とすることが望ましい。これにより、シンチレータ層３９の機械的強度を向上することが可能となる。
【００４４】
すなわち、シンチレータ層３９の機械的強度δは、シンチレータ層３９とフォトダイオード１３を保護する第２絶縁層３６２との接触面積Ｓ_Ｆと、これらの間の接着強度γ_Ｆとの積（δ＝Ｓ_Ｆ×γ_Ｆ）に依存する。区画部３８が光電変換基板１１に達する完全画素分離を施した場合、接触面積Ｓ_Ｆは非常に小さく、かつ接着強度γ_Ｆも非常に弱い。このため、機械的強度δは、非常に弱く、シンチレータ層３９の横倒れやシンチレータの飛び（いわゆるチップ飛び）の発生確率が高くなる。
【００４５】
しかしながら、上述した第１実施形態のように、区画部３８が光電変換基板１１に達することなく、区画部３８の下部に第１シンチレータ層３９１を配置することにより、隣接する画素１２のシンチレータ層３９同士を第１シンチレータ層３９１を介して繋げることができ、画素単位のシンチレータ層３９における機械的強度δを向上させることが可能である。
【００４６】
つまり、図２に示した構造での機械的強度δは、シンチレータ層３９とフォトダイオード１３を保護する第２絶縁層３６２との接触面積Ｓ_Ｆと、これらの間の接着強度γ_Ｆとの積だけではなく、フォトダイオード１３上のシンチレータ層３９と区画部３８の下部に位置するシンチレータ層３９との接触面積Ｓ_Ｓと、これらの間の接着強度γ_Ｓとの積にも依存する（δ＝Ｓ_Ｆ×γ_Ｆ＋Ｓ_Ｓ×γ_Ｓ）。
【００４７】
同種類の材料で形成されたシンチレータ層同士の接着強度γ_Ｓは、非常に強い。このため、シンチレータ層同士の接触面積Ｓ_Ｓが小さい場合でも、すなわち区画部３８の下部にわずかでもシンチレータ層３９が存在すれば、シンチレータ層３９の機械的強度δは顕著に向上することになる。
【００４８】
また、区画部３８の下部に位置するシンチレータ層３９の平均膜厚Ｔが厚くなるほど、シンチレータ層同士の接触面積Ｓ_Ｓが大きくなるため、機械的強度δは向上する。
【００４９】
さらに、第１シンチレータ層３９１を通して隣接する画素１２のシンチレータ層３９同士で連続性を持たせることにより、局部的な剥がれや画素１２の横倒れを隣接画素で補強し合って抑制することができる。このため、チップ飛びの発生確率を格段に低減することができる。
【００５０】
図３には、第１シンチレータ層３９１の平均膜厚Ｔ１と、チップ飛び個数との関係の一例が示されている。なお、このとき、シンチレータ層３９を構成する蛍光体粒子の平均粒径Ｄ１は、４０μｍである。また、チップ飛びの個数は、１ｃｍ角内に位置する画素１２においてチップ飛びを発生した画素の個数に対応する。
【００５１】
図３に示した結果から明らかなように、区画部３８の下部に位置する第１シンチレータ層３９１の平均膜厚Ｔ１が大きいほど、チップ飛びの個数を著しく低減することが可能となる。また、図３に示した例では、第１シンチレータ層３９１の平均膜厚Ｔ１を蛍光体粒子の平均粒径Ｄ１（この例では４０μｍ）以上にすることで、チップ飛びの個数を顕著に低減することができる。
【００５２】
逆に、第１シンチレータ層３９１の平均膜厚Ｔ１を、第１シンチレータ層３９１を構成する蛍光体粒子の粒径Ｄ１より小さくした場合、第１シンチレータ層３９１を構成する蛍光体粒子に溝部を形成することになる。この場合、蛍光体粒子にクラックが発生する確率が非常に高い。蛍光体粒子にクラックが生じると、隣接する画素１２間でシンチレータ層３９の連続性が失われ、シンチレータ層３９の機械的強度δが非常に弱くなる。このため、チップ飛びの個数を十分に低減することができない。
【００５３】
したがって、第１シンチレータ層３９１の平均膜厚Ｔ１は、第１シンチレータ層３９１を構成する蛍光体粒子の粒径Ｄ１以上にすることが好ましい。
【００５４】
また、図２に示したような構造によって、画素分離された第２シンチレータ層３９２を光ガイド効果によって進行する蛍光４１が、隣接する画素１２のシンチレータ層３９同士に連続性を持つ第１シンチレータ層３９１に到達した際、蛍光１４は散乱され、一部の蛍光１４は隣接する画素のフォトダイオード１３に到達する。
【００５５】
この効果により、隣接する画素１２同士の輝度が平均化され、画像の輝度ムラが改善される。例えば、各画素１２における蛍光体粒子の充填密度の差により輝度特性の低い画素１２と高い画素１２とが隣接している場合に、第１シンチレータ層３９１を通して高輝度の画素側から低輝度の画素側に拡散する蛍光量は、その逆方向の蛍光量より上回ることは明らかである。隣接画素がラインセンサのように１次元的に配列した場合でも、平面検出器のように２次元的に配列した場合でも同様な効果が期待される。
【００５６】
このように、第１シンチレータ層３９１を通して隣接画素１２が光学的に繋がっている場合には、直近の画素１２間で輝度を補い合う効果を有する。このため、輝度ムラを抑える効果が発揮される。この効果も、第１シンチレータ層３９１の平均膜厚Ｔ１が厚いほど大きい。
【００５７】
一方、第１シンチレータ層３９１の平均膜厚Ｔが１１０μｍ以下であることが望ましい。これにより、Ｘ線平面検出器としての解像度を向上することが可能となる。
【００５８】
図４には、第１シンチレータ層３９１の平均膜厚Ｔ１と、その解像度特性ＣＴＦとの関係の一例が示されている。図４に示したように、区画部３８の下部に位置する第１シンチレータ層３９１の平均膜厚Ｔ１が大きいほど、解像度特性の劣化を招くことになる。
【００５９】
すなわち、シンチレータ層３９で発生した蛍光４１は、平均膜厚Ｔ１が大きいほど第１シンチレータ層３９１を介して隣接する画素１２のシンチレータ層３９に拡散する。このため、所定画素１２のフォトダイオード１３に、隣接する画素１２の蛍光が過剰に到達することになり、解像度特性が劣化する。
【００６０】
Ｘ線平面検出器の解像度特性として、Ｘ線診断用検出器に使用されてきたイメージ管（Ｉ．Ｉ）の入力面以上の特性が要求される。イメージ管の入力面の解像度特性ＣＴＦは、２ｌｐ／ｍｍで３５％以上である。図４に示した結果を参照すると、解像度特性ＣＴＦが３５％以上であるためには、第１シンチレータ層３９１の平均膜厚Ｔは、１１０μｍ以下とすることが望ましい。これにより、良好な解像度を得ることが可能となる。
【００６１】
以上説明したように、第１実施形態に係るＸ線検出器によれば、シンチレータ層３９は、隔壁部または溝部による区画部３８によって画素単位に区画される。このシンチレータ層３９は、光電変換基板１１と区画部３８との間に配置される第１シンチレータ層３９１と、この第１シンチレータ層３９１の上に配置され実質的に第１シンチレータ層３９１と同一材料で構成された第２シンチレータ層３９２とを含む。
【００６２】
第１シンチレータ層３９１は、隣接する画素に共通の一体構造である。このため、シンチレータ層３９と絶縁層３６２との接触面積を拡大することができ、シンチレータ層３９の機械的強度を向上することができる。また、第２シンチレータ層３９２は、区画部３８によって画素単位に区画されている。このため、シンチレータ層３９を区画することによって画素を分離することができ、解像度を向上することができる。
【００６３】
また、第１シンチレータ層３９１の平均膜厚Ｔ１は、第１シンチレータ層３９１を構成する蛍光体粒子の粒径Ｄ１以上としている。これにより、画素分離されたシンチレータ層３９の機械的強度を向上することができるとともに、画像の輝度ムラを改善することが可能となる。
【００６４】
さらに、第１シンチレータ層３９１の平均膜厚Ｔ１は、１１０μｍ以下としている。これにより、シンチレータ層３９を区画部３８によって画素分離することができ（特に第２シンチレータ層３９２を区画部３８によって画素単位に区画することができ）、解像度を向上することができる。
【００６５】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係るＸ線検出器の画素単位の構造について図５を参照して説明する。なお、図５では、１つの画素部分を抜き出して図示しており、図１及び図２に対応する部分には同じ参照符号を付して重複する説明は一部省略する。
【００６６】
間接方式のＸ線検出器での解像度は、シンチレータ層によりＸ線を受けて蛍光に変換し、フォトダイオードに到達させるまでの蛍光の効率に影響する。蛍光をフォトダイオードまで効率良く導くためには、シンチレータ層の同一体積に占める蛍光体粒子とその周囲のバインダなどとの界面の割合は極力小さいことが望ましい。つまり、蛍光体粒子の粒径が大きい程望ましい。
【００６７】
しかしながら、比較的大きな粒径を有する蛍光体粒子によってシンチレータ層を構成した場合、区画部の下部に位置するシンチレータ層も蛍光を効率よく導くため、隣接する画素のフォトダイオードに他の画素の蛍光が侵入してしまうおそれがあり、解像度が劣化するおそれがある。
【００６８】
そこで、この第２実施形態は、シンチレータ層で発生した蛍光を効率良くフォトダイオードに導くとともに、解像度を向上することが可能なＸ線検出器を提供するものである。
【００６９】
すなわち、図５に示すように、第２実施形態に係るＸ線検出器は、光電変換基板上１１に配置されたシンチレータ層３９と、光電変換基板１１上に形成されシンチレータ層３９を画素単位に区画する区画部３８と、を備えている。このシンチレータ層３９は、光電変換基板１１におけるフォトダイオード１３上及び第２絶縁層３６２上に配置されている。
【００７０】
また、シンチレータ層３９は、光電変換基板１１上に配置され第１平均粒径Ｄ１を有する蛍光体粒子によって構成された第１シンチレータ層３９１と、第１シンチレータ層３９１上に配置され第１平均粒径Ｄ１より大きな第２平均粒径Ｄ２を有する蛍光体粒子によって構成された第２シンチレータ層３９２と、を含んでいる。
【００７１】
このシンチレータ層３９は、例えば以下のような方法で形成される。まず、マトリクス状に配置された複数のフォトダイオード１３などを有する光電変換基板１１上に、液状の第１シンチレータ材料を塗布して、第１シンチレータ含有塗膜層を形成する。この第１シンチレータ材料は、Ｘ線を吸収して発光する第１平均粒径Ｄ１を有する蛍光体粒子として例えばＧｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂの粉末を樹脂バインダと有機溶剤とを用いて形成される。
【００７２】
その後、６０〜１５０℃で加熱する乾燥工程を通して有機溶剤を除去し、第１シンチレータ含有塗膜層を硬化させる。これにより、膜の剥離やクラック等を生じない良好な第１シンチレータ層３９１が形成される。
【００７３】
続いて、第１シンチレータ層３９１上に、液状の第２シンチレータ材料を塗布して、第２シンチレータ含有塗膜層を形成する。この第２シンチレータ材料は、Ｘ線を吸収して発光する第１平均粒径Ｄ１より大きな第２平均粒径Ｄ２を有する蛍光体粒子として例えばＧｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂの粉末を樹脂バインダと有機溶剤とを用いて形成される。
【００７４】
これらの第１及び第２シンチレータ材料は、ディスペンサやインクジェット、スプレー等を用いた塗布法で塗布される。
【００７５】
その後、６０〜１５０℃で加熱する乾燥工程を通して有機溶剤を除去し、第２シンチレータ含有塗膜層を硬化させる。これにより、膜の剥離やクラック等を生じない良好な第２シンチレータ層３９２が形成される。
【００７６】
区画部３８は、上方よりシンチレータ層３９に入射したＸ線４０がシンチレータ層３９内で蛍光４１に変換され、この蛍光４１が隣接する画素１２のフォトダイオード１３のエリアに干渉しないように、画素１２を分離する境界に沿って形成される。
【００７７】
この区画部３８は、上述した第１実施形態と同様の方法で形成される。溝部及びこの溝部に形成された隔壁部からなる区画部３８は、光電変換基板１１に達することなく、シンチレータ層３９の一部が残るような深さに形成される。すなわち、光電変換基板１１と区画部３８との間にシンチレータ層３９が存在している。光電変換基板１１と区画部３８との間には、少なくとも第１シンチレータ層３９１が配置されている。
【００７８】
図５に示した第１シンチレータ層３９１は、隣接する画素１２の第１シンチレータ層３９１と繋がった一体構造を有している。すなわち、第１シンチレータ層３９１は、区画部３８によって画素単位に区画されることはなく、光電変換基板１１と区画部３８との間に配置される。
【００７９】
一方、第２シンチレータ層３９２のほとんどの部分は、区画部３８によって画素単位に区画される。第２シンチレータ層３９２は、比較的平均粒径の大きな蛍光体粒子によって構成されているため、Ｘ線の入射によって発生した蛍光４１を効率よくフォトダイオード１３に向けて縦方向（下方）に導くことができる。また、この第２シンチレータ層３９２の大部分は、区画部３８によって区画されているため、第２シンチレータ層３９２内で発生した蛍光４１の隣接する画素への横方向への散乱や拡散を抑止することができる。
【００８０】
シンチレータ層３９内で発生した蛍光１４は、蛍光体粒子とその周辺のバインダとの界面での屈折により散乱・減衰されてしまう。蛍光１４の減衰を抑え、蛍光１４を効率よくフォトダイオードに導くためには、シンチレータ層３９の同一体積に占める蛍光体粒子とその周囲のバインダなどとの界面の割合を極力小さくする、つまり蛍光体粒子の平均粒径が大きい程望ましい。
【００８１】
しかしながら、区画部３８の下部に位置するシンチレータ層３９を比較的大粒径の蛍光体粒子で構成した場合、ここでも蛍光４１は大して減衰されずに拡散され、隣接する画素１２のフォトダイオード１３に他の画素１２の蛍光が達してしまい、解像度の劣化を招くおそれがある。
【００８２】
したがって、区画部３８の下部に位置するシンチレータ層３９及びフォトダイオード１３に接するシンチレータ層３９では、発光した蛍光４１の拡散を抑える必要がある。つまり、区画部３８の下部に位置するシンチレータ層３９及びフォトダイオード１３に接するシンチレータ層３９においては、蛍光体粒子とその周辺のバインダとの界面の割合を極力大きくする、つまり蛍光体粒子の平均粒径が小さい程望ましい。
【００８３】
図６には、シンチレータ層３９を構成する蛍光体粒子の平均粒径と、その解像度特性ＣＴＦとの関係の一例が示されている。ここでは、シンチレータ層３９は、１００μｍの膜厚を有し、ほぼ均一な粒径の蛍光体粒子によって構成している。図６に示した結果から明らかなように、シンチレータ層３９を構成する蛍光体粒子の平均粒径が小さいほど解像度特性ＣＴＦを向上することができる。
【００８４】
そこで、図５に示すように、シンチレータ層３９は、平均粒径の異なる２層構造を有している。Ｘ線入射側に位置する第２シンチレータ層３９２は、比較的大粒径の平均粒径Ｄ２を有する蛍光体粒子によって構成されている。フォトダイオード１３上に位置する第１シンチレータ層３９１は、比較的小粒径の平均粒径Ｄ１を有する蛍光体粒子によって構成されている。
【００８５】
すなわち、第１シンチレータ層３９１を構成する蛍光体粒子の平均粒径Ｄ１と、第２シンチレータ層３９２を構成する蛍光体粒子の平均粒径Ｄ２との関係は、Ｄ１＜Ｄ２とし、Ｄ２とＤ１との差分が大きいほど望ましい。
【００８６】
これにより、第２シンチレータ層３９２は、Ｘ線が入射することによって発生した蛍光４１の減衰を抑制するとともに下方に向けて効率よく蛍光４１を導くことができる。また、第１シンチレータ層３９１は、第２シンチレータ層３９２において発生した蛍光４１をフォトダイオード１３に導くとともに隣接画素１２への拡散を抑制することができ、解像度の低下を抑制することができる。
【００８７】
なお、第１シンチレータ層３９１の平均膜厚Ｔ１は、光電変換基板１１と区画部３８との間隔ｔ２以下であることが望ましい。すなわち、フォトダイオード１３に接する第１シンチレータ層３９１の平均膜厚Ｔ１が厚すぎると、第１シンチレータ層３９１の第１平均粒子径Ｄ１が比較的小さいために第１シンチレータ層３９１自体が反射膜として作用してしまい、第２シンチレータ層３９２で発光した蛍光４１を反射する効果を有する。
【００８８】
したがって、これらの２層のシンチレータ層３９１及び３９２の境界における反射による影響を少なくするためには、第１シンチレータ層３９１の平均膜厚Ｔ１をできるだけ薄くする必要があり、光電変換基板１１と区画部３８との間のシンチレータ層３９の膜厚Ｔ２以下にする必要がある。
【００８９】
区画部３８は、２層のシンチレータ層３９１及び３９２の境界に達する深さまで形成することが望ましい（すなわち、Ｔ１＝Ｔ２）。このような構造は、蛍光４１を効率よく拡散する第２シンチレータ層３９２を区画部３８によって完全に画素分離することを可能とするとともに、画素分離されていない第１シンチレータ層３９１における蛍光４１の拡散を抑制することを可能とするものである。これにより、Ｘ線検出器としての解像度特性を向上させることができる。
【００９０】
区画部３８が２層のシンチレータ層３９１及び３９２の境界に達していない場合（Ｔ１＜Ｔ２）でも、Ｔ１＝Ｔ２の場合ほどではないが、上述した効果によりＸ線検出器の解像度特性を向上させることができる。
【００９１】
一方で、第１シンチレータ層３９１を構成する蛍光体粒子の第１平均粒径をＤ１、第１シンチレータ層３９１の平均膜厚をＴ１、第１シンチレータ層３９１内における蛍光体粒子の平均充填率をＦ１としたとき、
Ｄ１≧Ｔ１・Ｆ１／１０
の関係にあることが望ましい。
【００９２】
すなわち、図７には、シンチレータ層を構成する蛍光体粒子の厚さ方向の層数と、シンチレータ層を透過する蛍光の透過率との関係の一例が示されている。図７に示した結果から明らかなように、シンチレータ層の上部から下部まで１０％以上の蛍光が到達するためには、蛍光体粒子１０層以下の膜厚が望ましく、つまりシンチレータ層内における蛍光体粒子の平均充填密度Ｆ１、実効膜厚Ｔ１・Ｆ１により、
Ｔ１・Ｆ１／Ｄ１≦１０
の関係になることが望ましい。
【００９３】
以上説明したように、第２実施形態に係るＸ線検出器によれば、シンチレータ層３９を２層構造とし、光電変換素子基板１１上に第１平均粒径Ｄ１を有する蛍光体粒子によって構成した第１シンチレータ層３９１を配置し、この第１シンチレータ層３９１上に第１平均粒径Ｄ１よりも大きな第２平均粒径Ｄ２を有する蛍光体粒子によって構成した第２シンチレータ層３９２を配置している。
【００９４】
これにより、第２シンチレータ層３９２によって発光した蛍光４１の減衰が抑制され、効率よく縦方向に導くことができる。また、第２シンチレータ層３９２から第１シンチレータ層３９１に導かれた蛍光４１の拡散が抑制され、解像度の低下を防止することができる。
【００９５】
また、第１シンチレータ層３９１の平均膜厚Ｔ１は、光電変換基板１１と区画部３８との間の間隔Ｔ２以下としている。これにより、第２シンチレータ層３９２は、区画部３８によって画素分離されるため、解像度を向上することができる。
【００９６】
さらに、第１シンチレータ層３９１を構成する蛍光体粒子の第１平均粒径をＤ１、第１シンチレータ層３９１の平均膜厚をＴ１、第１シンチレータ層３９１内における蛍光体粒子の平均充填率をＦ１としたとき、
Ｄ１≧Ｔ１・Ｆ１／１０
の関係としている。これにより、シンチレータ層からフォトダイオード１３に到達する蛍光の透過率を十分に確保することができる。
【００９７】
なお、上述した実施の形態において、Ｘ線４０は、図８に示すように、シンチレータ層３９の中心部分から上面に距離をおいて設置されたＸ線源５１によって、放射状に放射される。このため、シンチレータ層３９を画素分離する区画部３８は、Ｘ線源５１から放射された通常のＸ線（直進波）の進行方向と平行になるように形成されることが望ましい。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、解像度及び機械的強度を向上することが可能であるとともに、画素の輝度ムラを改善することが可能な放射線検出器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の一実施の形態に係るＸ線検出器の回路構成を模式的に示す図である。
【図２】図２は、第１実施形態に係るＸ線検出器の１画素部分の構造を概略的に示す断面図である。
【図３】図３は、第１シンチレータ層の平均膜厚と、チップ飛び個数との関係の一例を示す図である。
【図４】図４は、第１シンチレータ層の平均膜厚と、その解像度特性との関係の一例を示す図である。
【図５】図５は、第２実施形態に係るＸ線検出器の１画素部分の構造を概略的に示す断面図である。
【図６】図６は、シンチレータ層を構成する蛍光体粒子の平均粒径と、その解像度特性との関係の一例を示す図である。
【図７】図７は、シンチレータ層を構成する蛍光体粒子の厚さ方向の層数と、シンチレータ層を透過する蛍光の透過率との関係の一例を示す図である。
【図８】図８は、放射されるＸ線の進行方向と平行に形成した区画部の構造を説明するための図である。
【符号の説明】
１…Ｘ線検出器、１１…光電変換基板、１２…画素、１３…フォトダイオード、１４…薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、１５…蓄積キャパシタ、３８…区画部（溝部または隔壁部）、３９…シンチレータ層、３９１…第１シンチレータ層、３９２…第２シンチレータ層、４１…蛍光

Claims (8)

1. 画素単位の光電変換素子が複数配列してなる光電変換基板と、
   前記光電変換基板上に配置されたシンチレータ層と、
   前記光電変換基板上に形成され、前記シンチレータ層を画素単位に区画する区画部と、
   を備え、
   前記シンチレータ層は、前記光電変換基板上の第１シンチレータ層と、前記第１シンチレータ層上の第２シンチレータ層と、を含み、
   前記光電変換基板と前記区画部との間には、前記第１シンチレータ層が配置されたことを特徴とする放射線検出器。
2. 画素単位の光電変換素子が複数配列してなる光電変換基板と、
   前記光電変換基板上に配置されたシンチレータ層と、
   前記光電変換基板上に形成され、前記シンチレータ層を画素単位に区画する区画部と、
   を備え、
   前記シンチレータ層は、前記光電変換基板上に配置され第１平均粒径Ｄ１を有する蛍光体粒子によって構成された第１シンチレータ層と、前記第１シンチレータ層上に配置され前記第１平均粒径Ｄ１より大きな第２平均粒径Ｄ２を有する蛍光体粒子によって構成された第２シンチレータ層と、を含み、
   前記光電変換基板と前記区画部との間には、少なくとも前記第１シンチレータ層が配置されたことを特徴とする放射線検出器。
3. 前記第１シンチレータ層は、前記第２シンチレータ層とほぼ同等の平均粒径を有する蛍光体粒子によって構成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれか１項に記載の放射線検出器。
4. 前記第１シンチレータ層の平均膜厚Ｔ１と、前記第１シンチレータ層を構成する蛍光体粒子の平均粒径Ｄ１との関係がＴ１≧Ｄ１であることを特徴とする請求項１請求項１乃至請求項３いずれか１項に記載の放射線検出器。
5. 前記第１シンチレータ層の平均膜厚Ｔ１は、前記光電変換基板と前記区画部との間の間隔Ｔ２以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項４いずれか１項に記載の放射線検出器。
6. 前記第１シンチレータ層を構成する蛍光体粒子の第１平均粒径をＤ１、前記第１シンチレータ層の平均膜厚をＴ１、前記第１シンチレータ層内における蛍光体粒子の平均充填率をＦ１としたとき、
   Ｄ１≧Ｔ１・Ｆ１／１０
   の関係にあることを特徴とする請求項１乃至請求項５に記載の放射線検出器。
7. 前記区画部は、隔壁部であることを特徴とする請求項１乃至請求項６いずれか１項に記載の放射線検出器。
8. 前記区画部は、溝部であることを特徴とする請求項１乃至請求項６いずれか１項に記載の放射線検出器。

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