JP2004317300A - 放射線平面検出器及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】検出器としての信頼性及び解像度特性を向上することが可能な放射線平面検出器及びその製造方法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上に配置され放射線により励起されて蛍光を発生するシンチレータ層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隔壁部３８と、を備えている。シンチレータ層３９は、単位体積あたりに充填された蛍光体粒子の密度が７５％以上のセラミックシンチレータまたはＣａＦ_２、ＢａＦ_２、ＣａＷＯ_４、Ｂｉ４Ｇｅ_３Ｏ_１２、ＮａＩ、ＣｓＩ、Ｇｄ_２ＳｉＯ_５、Ｌｕ_２ＳｉＯ_５の少なくとも１種の単結晶によって構成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、放射線平面検出器及びその製造方法に係り、特に、放射線画像を検出する間接方式の放射線平面検出器及びこれを製造するための製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、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Ｘ線平面検出器が大きな注目を集めている。このＸ線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。Ｘ線平面検出器は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でいる。
【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人体の胸部・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、透視線量下で毎秒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、ノイズ（Ｓ／Ｎ：シグナル／ノイズ比）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】
Ｘ線平面検出器には、大きく分けて直接方式と間接方式との２通りがある。
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。
【０００５】
直接方式のＸ線平面検出器は、Ｘ線の吸収率を上げて信号強度を確保するために、例えばａ−Ｓｅの光導電膜を１ｍｍ程度の厚膜で形成している。また、Ｘ線フォトン１個当りの光導電電荷生成率を上げるためと、生成した光導電電荷が膜中の欠陥準位にトラップされることなく収電電極に到達させるため、かつ、バイアス電界と直角方向への電荷の拡散を極力抑えるために、例えば１０Ｖ／μｍの強バイアス電界を印加して用いる。
【０００６】
すなわち、この例では、光導電膜のａ−Ｓｅに対し、１０ｋＶの高電圧を印加することになる。このため、直接方式は、解像度特性面からは間接方式に比較して有利であるが、動作電圧の低い薄膜トランジスタすなわちＴＦＴを高電圧から保護する信頼性の確保や、暗電流と感度特性、熱的安定性などを兼ね備えた好適な光導電材料が見つからないなどの問題が生じている。
【０００７】
一方の間接方式は、シンチレータ層によりＸ線を受けて一旦蛍光に変換し、蛍光を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ため、直接方式で生じる耐高電圧の問題は生じない。また、シンチレータ材料や、フォトダイオードについても基本的な技術は確立している点で有利である。
【０００８】
しかしながら、この間接方式は、シンチレータ層からの蛍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。特に、感度特性を確保するために、シンチレータ層を厚膜にするほど、フォトダイオード等の光電変換素子に到達するまでの蛍光の広がりが大きく、解像度劣化が顕著となる。
【０００９】
このような蛍光の広がりを抑えて解像度を確保する方法として、間接方式において、例えば、Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓなどの蛍光体粒子をバインダ樹脂で結着させて形成したシンチレータ層をフォトダイオードとＴＦＴのマトリックスに合わせて画素単位に設け、画素間を光学的に分離する隔壁部を設けたＸ線検出器が提案されている。これにより、シンチレータ層内で発光した蛍光は、隔壁部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。）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平１１−１６６９７６号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このようなＸ線平面検出器の画像においては、偶発的な輝点がしばしば発生する。これは、シンチレータ層を透過する透過Ｘ線によるＸ線量子ノイズに起因しており、特に蛍光体粒子を含むシンチレータ層を備えたＸ線平面検出器で頻繁に発生する。
【００１２】
すなわち、シンチレータ層に蛍光体粒子が含まれる場合、透過Ｘ線量を減少させるためには、蛍光体粒子の充填密度（すなわち単位体積あたりに充填された蛍光体粒子の密度）を上げることが要求される。しかしながら、蛍光体粒子をバインダ樹脂で結合してシンチレータ層を形成した場合、球状の蛍光体粒子を仮定すると、蛍光体粒子を最密充填した場合でもその充填密度は最大で７４％が限界となる。
【００１３】
また、透過Ｘ線量を減少させるためには、シンチレータ層の膜厚を厚くすることが要求される。しかしながら、膜厚を厚くすることによって透過Ｘ線量を減少させられるが、膜厚が厚くなるに伴って蛍光の光学的な拡散や散乱の発生確率が高くなり、解像度劣化が顕著となる。
【００１４】
このように、蛍光体粒子をバインダ樹脂で結合してシンチレータ層は、Ｘ線の利用効率が低い。このため、Ｘ線平面検出器での透過Ｘ線量が高くなってしまい、輝点の発生といった信頼性に関わる課題を有している。また、透過Ｘ線量を低減するために、シンチレータ層の膜厚を厚くした場合には、解像度の劣化といった課題を生ずる。
【００１５】
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、検出器としての信頼性及び解像度特性を向上することが可能な放射線平面検出器及びその製造方法を提供することにある。
【００１６】
【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平面検出器は、
画素単位の光電変換素子が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、放射線により励起されて蛍光を発生するシンチレータ層と、を備え、
前記シンチレータ層は、単位体積あたりに充填された蛍光体粒子の密度が７５％以上のセラミックシンチレータによって形成されたことを特徴とする。
【００１７】
この発明の第２の様態による放射線平面検出器は、
画素単位の光電変換素子が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、放射線により励起されて蛍光を発生するシンチレータ層と、を備え、
前記シンチレータ層は、ＣａＦ_２、ＢａＦ_２、ＣａＷＯ_４、Ｂｉ４Ｇｅ_３Ｏ_１２、ＮａＩ、ＣｓＩ、Ｇｄ_２ＳｉＯ_５、Ｌｕ_２ＳｉＯ_５の少なくとも１種の単結晶で形成されたことを特徴とする。
【００１８】
この発明の第３の様態による放射線平面検出器の製造方法は、
放射線により励起されて蛍光を発生する、単位体積あたりに充填された蛍光体粒子の密度が７５％以上のセラミックシンチレータ体を用意し、
画素単位の光電変換素子が配列してなる光電変換基板上に、前記セラミックシンチレータ体を設けてシンチレータ層を形成することを特徴とする。
【００１９】
この発明の第４の様態による放射線平面検出器の製造方法は、
放射線により励起されて蛍光を発生する、ＣａＦ_２、ＢａＦ_２、ＣａＷＯ_４、Ｂｉ４Ｇｅ_３Ｏ_１２、ＮａＩ、ＣｓＩ、Ｇｄ_２ＳｉＯ_５、Ｌｕ_２ＳｉＯ_５の少なくとも１種の単結晶で形成されたセラミックシンチレータ体を用意し、
画素単位の光電変換素子が配列してなる光電変換基板上に、前記セラミックシンチレータ体を設けてシンチレータ層を形成することを特徴とする。
【００２０】
【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平面検出器及びその製造方法について図面を参照して説明する。なお、この発明においては、Ｘ線、γ線、その他の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、この発明が対象とする他の放射線にも適用可能である。
【００２１】
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（１２ａ〜１２ｉ）が図示されている。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。すなわち、この制御回路１６には、光電変換基板１１上において、行方向に延びる複数の制御ライン１７が接続されている。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。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。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。
【００２５】
光電変換基板１１上において、列方向には、複数のデータライン１８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。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。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。
【００２６】
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ＳＷが接続され、例えばスイッチＳＷ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。
【００２７】
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／直列変換器またはマルチプレクサ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−デジタル変換器またはデジタイザ２１に接続されている。
【００２８】
このような構成により、制御回路１６は、同一の制御ライン１７に接続された同じ行の複数のＴＦＴ１４を同時にオン／オフ制御するための制御信号を出力する。制御回路１６による制御に基づいてオン状態のＴＦＴ１４は、画像電荷を画素１２からデータライン１８に転送する。これにより、画素１２の電位がリセットされる。データライン１８に転送された画像電荷は、電荷増幅器１９にて増幅され、並列／直列変換器またはマルチプレクサ２０にて複合化された後、アナログ−デジタル変換器またはデジタイザ２１に送られる。
【００２９】
次に、この実施の形態に係るＸ線検出器の画素の構造について図２を参照して説明する。なお、図２では、１つの画素部分１２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。
【００３０】
光電変換基板１１は、ガラスなどの絶縁基板３１上に形成されたフォトダイオード１３、ＴＦＴ１４、及び蓄積キャパシタ１５を備えている。
【００３１】
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。例えば、ＴＦＴ１４をオン／オフする制御するためには、＋１０Ｖ及び−５Ｖが用いられる。
【００３２】
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、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。
【００３３】
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。
【００３４】
ＴＦＴ１４及び蓄積キャパシタ１５は、第１絶縁層３６１によって覆われている。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。
【００３５】
フォトダイオード１３は、ａ−Ｓｉのｐｎダイオード構造、もしくはｐｉｎダイオード構造などで画素毎に形成される。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。
【００３６】
第１電極１３１は、第１絶縁層３６１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及び蓄積キャパシタ１５の上部電極３５に電気的に接続されている。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。
【００３７】
なお、この実施の形態では、フォトダイオード１３は、図２に示すように、蓄積キャパシタ１５及びＴＦＴ１４に重ならないエリアに形成されているが、受光面積を確保するために、ＴＦＴ１４及び蓄積キャパシタ１５上に絶縁層を配して、これらを含む画素全域に収電電極を形成して、更にその上部にほぼ各画素の全面対応するフォトダイオードを形成するなどの構造も可能である。
【００３８】
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（すなわちＸ線により励起されて蛍光を発生する）シンチレータ層３９が配置されている。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。
【００３９】
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溝部または隔壁部３８が形成されている。この溝部または隔壁部３８は、上方よりシンチレータ層３９に入射したＸ線４０によってシンチレータ層３９内で変換された蛍光４１が隣接する画素１２のフォトダイオード１３のエリアに極力干渉しないように、画素１２を分離する境界に沿って形成される。これにより、シンチレータ層３９は、主にフォトダイオード１３に重なるエリアが残り、画素分離される。
【００４０】
隔壁部３８は、シンチレータ層３９内で発生した蛍光４１のうち、隣接する画素１２に向かって外方に散乱された蛍光４１１をシンチレータ層３９の内部に向けて反射する光反射性を有する反射材料によって形成されても良い。また、隔壁部３８は、画素１２に入射したＸ線のうち、隣接する画素１２に向かって外方に散乱された散乱Ｘ線を吸収するＸ線吸収体によって形成されても良い。
【００４１】
（第１実施形態）
第１実施形態に係るＸ線検出器では、Ｘ線などの放射線によって励起されて蛍光を発生するシンチレータ層３９は、セラミックシンチレータによって形成されている。
【００４２】
すなわち、シンチレータ層が平均粒径６〜１０μｍの蛍光体粒子をバインダ樹脂で結着した膜によって構成した場合、内部で発生した蛍光と蛍光体粒子との衝突回数が増加することにより、蛍光の隣接するフォトダイオードへの入射を抑制することで解像度を向上することができるが、蛍光が減衰し、輝度の劣化を生じる。したがって、高解像度を維持しつつ輝度を向上するためには、蛍光に対する透過率が高い材料であるセラミックシンチレータによってシンチレータ層を構成することが望ましい。
【００４３】
このセラミックシンチレータとしては、例えばＧｄ_２Ｏ_２Ｓセラミックシンチレータや、Ｌｕ_２Ｏ_２Ｓセラミックシンチレータなどを使用することが好ましい。また、セラミックシンチレータは、Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂ，ＰＲ^＋３，ＣＥ^＋３，Ｆなどで構成されてもよいし、Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂを母材とする他のＸ線用蛍光体、Ｒｅ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂ，Ｐｒ^＋３，Ｃｅ^＋３，Ｅｕ（Ｒｅは希土類元素）、ＣｓＩ：Ｔｌ、ＣｓＩ：Ｎａ、ＣａＷＯ_４、ＬａＯＢｒ：Ｔｍ等のＸ線用蛍光体などでも構わない。
【００４４】
このような高透明度のセラミックシンチレータを用いることにより、シンチレータ層の内部で発生した蛍光がフォトダイオードに到達するまでの減衰を緩和し、輝度を向上することができる。
【００４５】
また、セラミックシンチレータを使用した場合、シンチレータ層の内部で放射状に発生した蛍光が隣接するフォトダイオードに到達して解像度の低下が起こり得るが、シンチレータ層にフォトダイオードのエリアに干渉しないように溝部を形成することによって画素分離され、蛍光が隣接するフォトダイオードへの入射を抑制することができるため、解像度の劣化を防止することができる。
【００４６】
さらに、溝部に隔壁部を形成することにより、蛍光は光ガイド効果により隣接するフォトダイオードに入射することなく各画素のフォトダイオードに到達するため、高解像度を維持することができる。したがって、高輝度かつ高解像度のシンチレータを得られることができる。
【００４７】
次に、この第１実施形態に係るＸ線検出器の製造方法について説明する。
まず、図３の（ａ）に示すように、セラミックシンチレータ体５０を用意する。セラミックシンチレータ体５０は、薄い板状に形成されており、例えば、蛍光体粒子の粉末を所定容器に入れ、所定圧力に加圧しつつ所定温度に加熱することによって製造される。
【００４８】
続いて、図３の（ｂ）に示すように、画素単位のフォトダイオード１３などが配列してなる光電変換基板１１上に、セラミックシンチレータ体５０を設けてシンチレータ層３９を形成する。セラミックシンチレータ体５０は、例えば樹脂などの接着剤によって光電変換基板１１上に貼り合わせられる。ここで用いる接着剤は、セラミックシンチレータ体５０と光電変換基板１１上のフォトダイオード１３との間に介在されることから、これらセラミックシンチレータ体５０及びフォトダイオード１３と同様に蛍光に対する屈折率が高い材料であることが望ましい。
【００４９】
続いて、シンチレータ層３９を画素分離する。すなわち、図３の（ｃ）に示すように、シンチレータ層３９を画素単位に区画する溝部６０を形成する。この溝部６０は、フォトダイオード１３の周縁に沿って形成される。この実施の形態では、溝部６０は、下地のフォトダイオード１３及びＴＦＴ１４に合わせて１５０μｍのピッチで、約２５μｍの溝幅で形成し、シンチレータ層３９を画素分離している。
【００５０】
溝部６０は、５０μｍ以下の幅を有する溝または５０μｍ以下の直径を有する穴の機械的な微細加工が可能な精密加工装置を用いて形成される。精密加工装置としては、ダイサーや微細ドリルなどが挙げられる。ダイサーなど精密加工装置は、位置合わせ技術が確立しており、数μｍのオーダの位置合わせが可能であるため、画素１２間をフォトダイオード１３のエリアに干渉しないように溝部６０を形成することが可能である。
【００５１】
なお、この溝部６０は、光電変換基板１１の第２絶縁層３６２まで到達する深さに形成しても良いし、溝部６０と光電変換基板１１との間にシンチレータ層３９が残るような深さに形成しても良い。
【００５２】
続いて、図３の（ｄ）に示すように、シンチレータ層３９を画素単位に区画する隔壁部３８を形成する。すなわち、隔壁部３８は、先に形成した溝部６０に形成される。この隔壁部３８は、溝部６０の内部に、光反射性を有する反射材料を充填することによって形成される。この隔壁部３８を構成する反射材料としては、高屈折特性を有する微粒子、例えばＴｉＯ_２、またはＸ線発光蛍光体粒子、例えばＧｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂ、あるいは透明セラミックスの微粒子粉体などが用いられ、さらに、膜の平坦性が高いものであればメタル膜であってもよい。
【００５３】
光電変換基板１１の外部に接続される制御回路１６などは、光電変換基板１１にワイヤボンディングで接続する集積回路として製造すればよい。電荷増幅器１９、マルチプレクサ２０、デジタイザ２１などもまた、光電変換基板１１にワイヤボンディングで接続される集積回路として製造すればよい。
【００５４】
さらに、シンチレータ層３９の湿気による変質などを防ぐために、Ｘ線検出器１の主要部を、例えばアルミニウムやプラスチックなどの外囲器で覆って、真空封止しても良いし、あるいは乾燥気体を封入するしても良い。
【００５５】
上述した製造方法によれば、セラミックシンチレータ層３９は、微細加工が可能な精密加工装置を用いて形成される。フォトダイオード１３の画素１２間の幅は、画素ピッチ１５０μｍの光電変換基板１１においては５０μｍ程度であり、画素ピッチの約１／３程度である。したがって、フォトダイオード１３のエリアに干渉せずに画素１２の周囲に溝部６０を精度良く形成するためには、画素ピッチが２００μｍの光電変換基板１１では６５μｍ以下、画素ピッチが１５０μｍの光電変換基板１１では５０μｍ以下の幅を有する溝または直径を有する穴の微細加工が可能な装置を必要とする。特にダイサーは、２０〜３０μｍ幅、深さ５００〜６００μｍの溝を良好に形成することが可能である。したがって、ダイサーを使用すれば、フォトダイオード画素間が２０〜３０μｍの光電変換基板１１上に形成したシンチレータ層３９にフォトダイオード１３のエリアに干渉しないように画素１２間に溝部６０を格子状に形成することができる。
【００５６】
このように、セラミックシンチレータ体５０を光電変換基板１１上に貼り付けた後に、ダイサーでシンチレータ層３９へ溝部６０を形成する手法は、微細な画素ピッチへの位置合わせを施すという高精度な組み立て技術及び位置合わせ技術は必要としない。このため、６０〜２００μｍと非常に細かい画素ピッチを持つ平面検出器の製造方法として極めて有効である。
【００５７】
つまり、上述した製造方法によれば、画素分離型シンチレータ層を用いた場合のＸ線平面検出器において、シンチレータ層に蛍光体のセラミックシンチレータを用いることにより、高輝度かつ高解像度のＸ線平面検出器を提供することができる。また、高度な位置合わせ技術及び組み立て技術を必要とすることなく、製造工程が簡略化され、製造コストを低減できるだけでなく、製造効率を向上することができる。
【００５８】
また、溝部の内部に反射材料を充填することにより、セラミックシンチレータで構成された画素分離シンチレータが完成するため、従来の製造方法のような組み立て技術は不要となる。また、このような製造方法は、画素ピッチの更なる微細化を可能とし、平面検出器以外にＣＴを含む放射線検出器においても、画素ピッチを細密化する際に上記と同様の効果が得られ、容易く高解像度化が可能となる。
【００５９】
（第２実施形態）
第２実施形態に係るＸ線検出器では、Ｘ線などの放射線によって励起されて蛍光を発生するシンチレータ層３９は、単位体積あたりに充填された蛍光体粒子の密度が７５％以上のセラミックシンチレータによって形成されている。このセラミックシンチレータは、元素の周期律表における希土類（３Ａ族）元素の少なくとも一種と、酸素族（６Ｂ族）元素（Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅなど）の少なくとも一種とを含む材料によって構成されている。また、シンチレータ層３９は、ＣａＦ_２、ＢａＦ_２、ＣａＷＯ_４、Ｂｉ４Ｇｅ_３Ｏ_１２、ＮａＩ、ＣｓＩ、Ｇｄ_２ＳｉＯ_５、Ｌｕ_２ＳｉＯ_５の少なくとも１種の単結晶で形成されても良い。なお、蛍光体粒子の充填密度は、アルキメデス法、または、体積と重量を実測し、材料の比重を用いて測定した。
【００６０】
すなわち、光電変換基板に入射する透過Ｘ線量は、シンチレータ層のＸ線透過率に依存する。したがって、Ｘ線平面検出器の画像における透過Ｘ線によるＸ線量子ノイズの発生を抑制するためには、シンチレータ層のＸ線透過率を減少させなければならない。シンチレータ層のＸ線透過率は以下の式で表される。
【００６１】
Ｔ＝１００×ｅｘｐ（−γ×ｔ×Ｆ） （％）
ここで、Ｔはシンチレータ層のＸ線透過率、γはシンチレータ層に使用される材料自体のＸ線源弱係数、ｔはシンチレータ層の膜厚、Ｆはシンチレータ層内の蛍光体粒子の充填密度（すなわち単位体積あたりに充填された蛍光体粒子の密度）である。
【００６２】
つまり、シンチレータ層のＸ線透過率は、膜厚を厚くするほど、また、蛍光体粒子の充填密度を高くするほど指数関数的に減少することとなる。したがって、Ｘ線平面検出器における量子ノイズを減少させるためには、シンチレータ層を構成する蛍光体粒子の充填密度を高密度化すること及び厚膜化することが挙げられる。
【００６３】
まず、蛍光体粒子の高密度化について検討する。蛍光体粒子をバインダ樹脂で結合してシンチレータ層を形成した場合、同一半径を有する球状の蛍光体粒子を仮定すると、蛍光体粒子を最密充填した場合でもその充填密度は最大で７４％が限界となる。したがって、シンチレータ層のＸ線透過率をさらに減少させるためには、シンチレータ層を構成する蛍光体粒子の充填密度をさらに高密度化する、つまり７５％以上の充填密度とすることが重要となる。
【００６４】
このため、この実施形態では、シンチレータ層は、蛍光体セラミックシンチレータ、または、蛍光体単結晶によって形成されている。このような構成のシンチレータ層は、蛍光体粒子を７５％以上の高充填密度で作成可能である。これにより、シンチレータ層によるＸ線の利用効率を向上することができ、シンチレータ層を透過する透過Ｘ線量を減少させることができる。したがって、透過Ｘ線によるＸ線量子ノイズに起因した輝点の発生を抑制することができ、検出器としての信頼性を向上することができる。
【００６５】
続いて、シンチレータ層の厚膜化について検討する。シンチレータ層の膜厚が２００μｍ以下に薄く形成した場合、透過Ｘ線量が大きく、Ｘ線量子ノイズが発生してしまう。したがって、シンチレータ層のＸ線透過率をさらに減少させるためには、シンチレータ層の膜厚を２００μｍより厚くすることが重要となる。しかしながら、膜厚が厚くなるにともなってシンチレータ層内で発生した蛍光の光学的な拡散や散乱の発生確率が高くなり、解像度劣化を引き起こす。
【００６６】
このため、この実施形態では、シンチレータ層は、蛍光体セラミックシンチレータ、または、蛍光体単結晶の厚さを２００μｍより厚く、望ましくは５００乃至６００μｍ程度の膜厚に形成している。これにより、シンチレータ層を透過する透過Ｘ線量を減少させることができる。したがって、透過Ｘ線によるＸ線量子ノイズに起因した輝点の発生を抑制することができ、検出器としての信頼性を向上することができる。また、シンチレータ層の厚膜化によって付随する解像度の劣化も、溝部や隔壁部によってシンチレータ層を画素分離することで抑制できる。
【００６７】
ここで、シンチレータ層を構成する蛍光体粒子の高密度化及びシンチレータ層の厚膜化によるＸ線透過率の低減効果について説明する。
図４には、シンチレータ層の膜厚が２００μｍの場合及び６００μｍの場合それぞれについて、シンチレータ層を構成する蛍光体粒子の充填密度に対するＸ線透過率のシミュレーション結果が示されている。蛍光体粒子としては、一般的に用いられるＧｄ_２Ｏ_２Ｓを使用し、Ｘ線エネルギは５０ｋｅＶとして計算した。この結果から明らかなように、蛍光体粒子の充填密度が高密度化になるに連れ、Ｘ線透過率が減少することを確認できた。また、シンチレータ層を厚膜化することにより、Ｘ線透過率が減少することを確認できた。
【００６８】
次に、この第２実施形態に係るＸ線検出器の製造方法について説明するが、実質的に上述した第１実施形態と同一であるので、重複する説明は省略する。
まず、Ｘ線などの放射線により励起されて蛍光を発生する、単位体積あたりに充填された蛍光体粒子の密度が７５％以上のセラミックシンチレータ体５０、または、ＣａＦ_２、ＢａＦ_２、ＣａＷＯ_４、Ｂｉ４Ｇｅ_３Ｏ_１２、ＮａＩ、ＣｓＩ、Ｇｄ_２ＳｉＯ_５、Ｌｕ_２ＳｉＯ_５の少なくとも１種の単結晶で形成されたセラミックシンチレータ体５０を用意する。
【００６９】
続いて、画素単位のフォトダイオード１３などが配列してなる光電変換基板１１上に、セラミックシンチレータ体５０を設けてシンチレータ層３９を形成する。続いて、シンチレータ層３９を画素分離する。まず、シンチレータ層３９を画素単位に区画する溝部６０を形成する。さらに、溝部６０に光反射性を有する反射材料を充填することによって隔壁部３８を形成する。
【００７０】
以下同様の製造方法によりＸ線検出器が製造される。
このような製造方法によれば、透過Ｘ線に起因する偶発的なＸ線量子ノイズの発生を抑制することができ、信頼性の高いＸ線平面検出器を提供することができる。また、セラミックまたは単結晶シンチレータ層を厚膜化し、かつシンチレータ層を各画素単位に分離した構造を持たすことにより、さらにＸ線量子ノイズを低減し、かつ比較的高い解像度を持つＸ線平面検出器を提供することができる。さらに、透過Ｘ線を低減することができたため、被験者のＸ線被曝線量を低減することができる。
【００７１】
次に、具体的な試作による効果の検証を行った。
まず、第１実施形態の効果を確認するために、以下のＸ線検出器サンプルの輝度及び解像度特性として２ｌｐ／ｍｍのＣＴＦ特性を比較評価した。なお、１画素当たりの輝度（ｃｄ／ｍ^２）は、赤から緑の光線に感度を有するフォトダイオードや、光電子増倍管を使用したＨＧ−Ｈ２（富士フィルム社製増感紙）との輝度を比較する方法で測定した。
【００７２】
（比較例１）平均粒径１０μｍのＧｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂ蛍光体粒子をバインダ樹脂で結着させた膜からなるシンチレータ層を備え、シンチレータ層の膜厚が２００μｍであって画素分離なしのサンプル。
（比較例２）平均粒径１０μｍのＧｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂ蛍光体粒子をバインダ樹脂で結着させた膜からなるシンチレータ層を備え、シンチレータ層の膜厚が５００μｍであって画素ピッチ１５０μｍで画素分離型のサンプル。
（比較例３）平均粒径４０μｍのＧｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂ蛍光体粒子をバインダ樹脂で結着させた膜からなるシンチレータ層を備え、シンチレータ層の膜厚が５００μｍであって画素ピッチ１５０μｍで画素分離型のサンプル。
（実施例１）Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂ蛍光体のセラミックシンチレータ体からなるシンチレータ層を備え、シンチレータ層の膜厚が５００μｍであって画素ピッチ１５０μｍで画素分離型のサンプル。
【００７３】
測定結果を図５に示す。図５に示すように、比較例１での１画素の輝度を「１」とした場合、比較例２及び３では１画素あたりの輝度が「１」程度で同等であったのに対して、実施例１では１画素あたり約１．５倍の輝度が得られた。また、ＣＴＦ特性については、全ての例で４５％前後とほぼ同等であって、実施例１のようにセラミックシンチレータ体でシンチレータ層を構成した場合であっても、画素分離することにより著しいＣＴＦ特性の低下は確認されなかった。
【００７４】
また、第２実施形態の効果を確認するために、以下のＸ線検出器サンプルのＸ線透過率及び解像度特性として２ｌｐ／ｍｍのＣＴＦ特性を比較評価した。なお、Ｘ線透過率は、線量計を用いて測定した。
【００７５】
（比較例）平均粒径１０μｍのＧｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂ蛍光体粒子をバインダ樹脂で結着させた膜からなるシンチレータ層を備え、シンチレータ層の膜厚が２００μｍであって画素分離なしのサンプル。
（実施例１）Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂ蛍光体のセラミックシンチレータ体からなるシンチレータ層を備え、シンチレータ層の膜厚が２００μｍであって画素分離なしのサンプル。
（実施例２）Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂ蛍光体のセラミックシンチレータ体からなるシンチレータ層を備え、シンチレータ層の膜厚が２００μｍであって画素ピッチ１５０μｍで画素分離型のサンプル。
（実施例３）Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂ蛍光体のセラミックシンチレータ体からなるシンチレータ層を備え、シンチレータ層の膜厚が６００μｍであって画素分離なしのサンプル。
（実施例４）Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂ蛍光体のセラミックシンチレータ体からなるシンチレータ層を備え、シンチレータ層の膜厚が６００μｍであって画素ピッチ１５０μｍで画素分離型のサンプル。
（実施例５）ＣａＷＯ_４単結晶からなるシンチレータ層を備え、シンチレータ層の膜厚が６００μｍであって画素ピッチ１５０μｍで画素分離型のサンプル。
【００７６】
測定結果を図６に示す。図６に示すように、比較例でのＸ線透過率が７９％であったのに対して、比較例と同等の膜厚のセラミックシンチレータ体でシンチレータ層を構成した実施例１及び２でのＸ線透過率を比較例より１０％程度低減することができた。また、比較例の３倍の膜厚を有するセラミックシンチレータ体でシンチレータ層を構成した実施例３及び４でのＸ線透過率は、比較例より半分以下に低減することができた。さらに、単結晶でシンチレータ層を構成した実施例５でのＸ線透過率は、５％程度と極めて低く抑えることができた。
【００７７】
また、ＣＴＦ特性については、セラミックシンチレータ体や単結晶でシンチレータ層を構成した場合であっても、画素分離を施すことにより著しいＣＴＦ特性の低下は確認されなかった。
【００７８】
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。
【００７９】
この発明のＸ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個の場合など）一見すると線状に構成されたＸ線検出器に適用するこも可能である。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。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、検出器としての信頼性及び解像度特性を向上することが可能な放射線平面検出器及びその製造方法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、図１に示した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の（ａ）乃至（ｄ）は、図２に示した構造のＸ線検出器の製造方法を説明するための図である。
【図４】図４は、シンチレータ層の厚膜化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対するＸ線透過率の低減効果を説明するための図である。
【図５】図５は、比較例及び実施例のＸ線検出器サンプルにおける輝度及び解像度特性の測定結果を示す図である。
【図６】図６は、比較例及び実施例のＸ線検出器サンプルにおけるＸ線透過率及び解像度特性の測定結果を示す図である。
【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、１６…制御回路、１７…データライン、１８…制御ライン、３８…隔壁部、３９…シンチレータ層、４１…蛍光、５０…セラミックシンチレータ体、６０…溝部

Claims (10)

1. 画素単位の光電変換素子が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、放射線により励起されて蛍光を発生するシンチレータ層と、を備え、
   前記シンチレータ層は、単位体積あたりに充填された蛍光体粒子の密度が７５％以上のセラミックシンチレータによって形成されたことを特徴とする放射線平面検出器。
2. 前記セラミックシンチレータを構成する材料が、元素の周期律表における希土類元素の少なくとも一種と、酸素族元素の少なくとも一種とを含むことを特徴とする請求項１に記載の放射線平面検出器。
3. 画素単位の光電変換素子が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、放射線により励起されて蛍光を発生するシンチレータ層と、を備え、
   前記シンチレータ層は、ＣａＦ_２、ＢａＦ_２、ＣａＷＯ_４、Ｂｉ４Ｇｅ_３Ｏ_１２、ＮａＩ、ＣｓＩ、Ｇｄ_２ＳｉＯ_５、Ｌｕ_２ＳｉＯ_５の少なくとも１種の単結晶で形成されたことを特徴とする放射線平面検出器。
4. 前記光電変換素子の周縁に沿って形成され、前記シンチレータ層を画素単位に区画する溝部を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の放射線平面検出器。
5. 前記光電変換素子の周縁に沿って形成され、前記シンチレータ層を画素単位に区画する隔壁部を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の放射線平面検出器。
6. 放射線により励起されて蛍光を発生する、単位体積あたりに充填された蛍光体粒子の密度が７５％以上のセラミックシンチレータ体を用意し、
   画素単位の光電変換素子が配列してなる光電変換基板上に、前記セラミックシンチレータ体を設けてシンチレータ層を形成することを特徴とする放射線平面検出器の製造方法。
7. 前記セラミックシンチレータ体を構成する材料が、元素の周期律表における希土類元素の少なくとも一種と、酸素族元素の少なくとも一種とを含むことを特徴とする請求項６に記載の放射線平面検出器の製造方法。
8. 放射線により励起されて蛍光を発生する、ＣａＦ_２、ＢａＦ_２、ＣａＷＯ_４、Ｂｉ４Ｇｅ_３Ｏ_１２、ＮａＩ、ＣｓＩ、Ｇｄ_２ＳｉＯ_５、Ｌｕ_２ＳｉＯ_５の少なくとも１種の単結晶で形成されたセラミックシンチレータ体を用意し、
   画素単位の光電変換素子が配列してなる光電変換基板上に、前記セラミックシンチレータ体を設けてシンチレータ層を形成することを特徴とする放射線平面検出器の製造方法。
9. 前記光電変換素子の周縁に沿って形成され、前記シンチレータ層を画素単位に区画する溝部を形成することを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の放射線平面検出器の製造方法。
10. 前記溝部に隔壁部を形成することを特徴とする請求項９に記載の放射線平面検出器の製造方法。

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