JP2010510484A - 感光層上に複数の電極を有する放射線検出器 - Google Patents

Abstract

本発明は放射線検出器(200)-特にX線検出器-に関する。当該放射線検出器は、入射光子(X)を電気信号に変換する少なくとも1層の感光層(212)を有する。電極(213)の2次元アレイが前記感光層(212)の前面に設けられている一方で、前記感光層(212)の背面は対向電極(211)を有する。前記電極(213)のサイズは、該電極の計数負荷に適応するように放射線の方向(y)に変化して良い。しかも前記放射線の方向(y)に対する前記電極(213)の位置は、前記の検出された光子(X)のエネルギーに関する情報を与える。

Description

本発明は、表面上に設けられた複数の電極によって光子を電気信号に変換する感光層を有する放射線検出器に関する。しかも本発明は、X線検出器、及び当該放射線検出器を有するイメージングシステムに関する。

特許文献1は、前面と背面に電極が備えられた、感光層-たとえばCdZnTe(CZT)結晶-の積層体を有する放射線検出器について開示している。一の特別な設計では、電極は平行ストライプの形態をとり、前面及び背面上に設けられたそのストライプは互いに垂直である。放射線は、ある感光層に対して平行でかつ他の感光層に対して直交する前記検出器に衝突して良い。

特許文献2は、入射X線光子を電荷に変換するブロックを有するX線検出器について開示している。前記ブロックは、前面に第1電極のアレイを有し、かつ背面には対向電極を有する。第1電極の信号は一時的に集積され、かつ入射光子のエネルギーは変換用ブロック内での相互作用深さから決定される。しかも第1電極は放射線の方向で増大する高さを有する。

特許文献3は、複数のPINダイオードを有する放射線検出器について開示している。そのダイオードは、入射放射線の相互作用深さからその入射放射線のエネルギーを決定するため、その入射放射線の方向に連続的に配置されていて良い。

特許文献4は、入射放射線を電荷に変換する半導体結晶を有する放射線検出器であって、前記電荷を収集するための電極が前記半導体結晶面上に備えられている放射線検出器について開示している。

特許文献5は、第1変換材料のシートを有する放射線検出器であって、入射放射線は、隣接する半導体シートをイオン化することの可能な粒子に変換される放射線検出器について開示している。

米国特許出願第2006/0033029号明細書 仏国特許第2705791号明細書 米国特許第5821540号明細書 国際公開第2000/17670号パンフレット 仏国特許第2792418号明細書

バレット(Barrett)他、Physical Review Letters誌、第75巻、pp.156-159、1995年 エスキン(Eskin)他、Journal of Applied Physics誌、第85巻、pp.647-659、1999年 ボロトニコフ(A.E.Bolotnikov)他、Nuclear Instruments and Method in Physical Research A誌、第A432巻、pp.326-331、1999年

この状況に基づき、本発明の目的は、製造が容易であってかつ計数検出器での使用に特に適した代替検出器を設計することである。

この目的は、請求項1に記載の放射線検出器、請求項12に記載のX線検出器、及び請求項13に記載のイメージングシステムによって実現される。好適実施例は従属請求項に開示されている。

本発明による放射線検出器は、如何なる分野の用途においても、電磁波放射線-特にX線又はγ線-を定量的及び/又は定性的に検出する役割を果たすことができる。当該放射線検出器は以下の構成部品を有する。
a) 検出されるべき前記放射線の光子が入り込んで通過し、前記光子は平均としては所与の放射線の方向に沿って進行する、放射線アパーチャ。前記放射線アパーチャはシャッター内の開口部のような物理的なものであっても良いし、又は前記放射線アパーチャは単純に幾何学的領域を表すものであっても良い。
b) 前記放射線アパーチャを通り抜ける光子を電気信号に変換する感光層であって、前記放射線の方向に対して平行な前面及び該前面に対向する背面に対して平行な感光層。しかも前記前面と前記背面とは互いに平行であることが好ましい。前記感光層は典型的には一片であり、単結晶構造又は多結晶構造である。前記材料はたとえば、CZT、セレン、又はPbOからなる群から選ばれて良い。入射光子によって生成される前記電気信号は電気信号-特に電子正孔対-である。
c) 前記感光層の前面に設けられた個別的にアドレス指定可能な電極の2次元アレイ。前記電極のうちの少なくとも2つはそれぞれ異なる形状を有する。定義により、「2次元アレイ」を構成する前記電極は2つの垂直な方向に存在して、一の方向に存在する電極は他の方向に存在する電極の後方に位置する。従って前記アレイは（任意の）四辺形の隅部に配置された少なくとも4つの電極を有する。しかも「形状」という語は、定義により形態とサイズの両方を含む。よってそれぞれサイズの異なる2つの2次元電極はそれぞれ異なる形状を有しているとも考えられる。典型的には前記電極は、たとえば長方形、多角形、又は円のような規則的な形状を有し、かつマトリックスパターンのような規則的なパターンで配置されている。前記電極が「個別的にアドレス指定可能」であるとは、各電極は他の電極とは独立してある電位に固定され、かつ電気信号（たとえば前記電極に到達する電荷）が各電極から独立してサンプリングされる、ことを意味する。最後に「前面」及び「背面」という語は前記感光層の2つの対向する面に対して任意に与えられるので、前記電極アレイが前記前面に設けられているという要件は一般性を制限するものではないことに留意して欲しい。
d) 前記感光層の背面に設けられた少なくとも1つの対向電極。その名前が示すように、前記対向電極は通常、前記感光層上の電極とは反対側の電源端子と接続する。多くの用途において、前記対向電極は、たとえば入射放射線によって生成される正孔を収集する陰極として機能する一方で、前記アレイの電極は前記正孔に関連する電子を収集する陽極として機能する。前記対向電極は典型的には実質的に前記感光層の背面全体を覆う。とはいえ前記背面上に対向電極の1次元又は2次元アレイが存在することは可能である。

前述の放射線検出器は、光子を計数する用途に非常に良く適するという利点を有する。前記感光層の全体積は、（少なくとも）前記前面上に存在する前記電極アレイ中の電極の数と同数の感光性副領域に機能的に分割される。よってこれらの電極のうちの各々が対処しなければならない計数率は、前記電極のサイズを適応するように小さくすることによって、十分に制御可能な値に制限することが可能である。さらに他の利点は、前記アレイの電極と前記対向電極との間の距離を短い値に保つことができることである。その理由は、前記光子は前記距離に対して垂直に進行するので、前記距離を非常に短くすることによって、前記光子が失われるのを防ぐことができるからである。前記電極間の距離を短くする能力は、光子をほとんど失わないような高速の応答、及びほとんどアーティファクトがない状態を実現することができるという利点を有する。これにより、測定結果は顕著に改善される。

当該放射線検出器の別な発展型によると、前記感光層の前面上に設けられた少なくとも2つの電極はそれぞれ異なる高さを有する。定義により、前記高さは前記放射線の方向で測定される。特に前記高さは放射線の方向において電極同士で異なっていて良い。このようにして、前記感光層中の感光性の前記副領域のサイズは、前記放射線の方向に沿った光子変換の条件に対して最適となるように備えられて良い。前記サイズは関連する電極によって定義される。

上記手法の特別な実施例では、前記感光層の前面に設けられた前記電極の高さは前記放射線の方向において増大する。係る増大は、入射ビーム内での光子数が、吸収及び変換によって放射線の方向において徐々に減少すること、並びに、従って光路の始点に位置する電極は、放射線の方向においてはるか後方に位置する電極-後方に位置するため大きくなりうる-よりも高い計数率に対処しなければならない、ということの原因となる。

本発明の別な好適実施例では、前記感光層の前面及び/又は背面上に設けられた少なくとも1つの電極は信号処理ユニットと接続する。その信号処理ユニットは、前記電極によって検知される前記信号を増幅する少なくとも1つの増幅器、関連する所定の閾値未満の電気パルスを抑制する少なくとも1つの弁別器、及び/又は前記電極によって検知される電気パルス数を計数する少なくとも1つのパルスカウンタを有する。パルスカウンタによって、前記の関連する電極の感光性の副領域内で変換された光子数を決定することができる。様々な閾値を有する一組の弁別器は、変換される光子のエネルギーがある特定のエネルギーウインドウ内に存在するか否かを判断するのに用いることが可能であるので、スペクトル分解測定を可能にする。前記前面上に設けられた全電極は、対応する増幅器、弁別器、及び/又はカウンタのうちの少なくとも1つと接続することが好ましい。

前記感光層の前面又は背面上に設けられた少なくとも1つの電極は、任意で評価モジュールと接続して良い。前記評価モジュールは、前記電極の位置を前記の検出された光子のエネルギーと関連づけるように備えられている。この手法は、前記感光層中で光子が変換される局所的な可能性は前記光子のエネルギーに依存するので、高エネルギー光子は一般的には、低エネルギー光子よりも、変換されるまでに前記感光層内をさらに深く進行する、という事実を利用している。前面上の全電極は評価モジュールに接続していることが好ましい。しかし相互作用の深さによって与えられるエネルギー情報は、評価モジュールによって実行される他の（より正確で基本的(primary)な）エネルギー決定方法を確認又は支援することにのみ用いられることが好ましいということに留意して欲しい。よって生成された電気信号のパルス高さは通常、様々な閾値を有する複数の弁別器からなる1組の弁別器によって区別される。この1組の弁別器は電極アレイを構成する各電極に関連づけられることで、吸収した光子のエネルギーに関する1次情報を供する。

感光層の前面に電極を接触して、その電極を適切な信号処理電子機器に接続するのには様々な可能性が存在する。好適実施例では、コンタクトラインが感光層の前面に設けられる。ここでこれらのコンタクトラインは、感光層の一の特定端部-以降では「接続端部」と呼ぶ-から複数の電極のうちの1つにまで延びる。この場合、信号路を形成する目的で、場所をとってしまう新たな層を2つの感光層間に設ける必要はない。接続端は、放射線アパーチャの隣に位置する感光層端部に対向するように設けられていることが好ましい。その理由は、コンタクトラインとそれに関連する電子機器にはこの場合、入射放射線が入り込まないからである。

前述した手法のさらに他の発展型では、前面の電極は、接続端からの距離の増大と共に増大する幅-定義により接続端に対して平行に測定される-を有する。よって電極は前面の空間を占める。その空間は、接続端を始点とするコンタクトラインがそれに関連する電子機器に到達するときに終端するので、連続的に利用可能となる。

放射線検出器の上記説明及びそれに関連する好適実施例が感光層数について何も前提していない（つまり感光層が1層しかない設計も可能である）が、放射線検出器は複数の感光層を有し、その複数の感光層は必要な特性を有する関連の電極を備えていることが好ましい。ここで前記感光層は、前面から背面へ向かう方向から見て、一の層が他の層の後方となるように積層されている。係る感光層の積層体及び関連電極によって、基本となる用途の要件を満たす任意の大きさの感光部体積が構成されて良い。

感光層の積層体を有する上記設計は、前面又は背面に対向する少なくとも2つの感光層を有することが好ましい。積層体全体の全感光層は、前面又は背面に対向する2つの隣接する層からなる対を構成するように配置されることが好ましい。この設計は、隣接する感光層間で電極を共有できる（対向電極はたとえば、2つの隣接して対向する感光層の背面間に設けられて良い）という利点を有する。

積層された感光層を有する設計を有する他の発展型によると、（各異なる感光層に関連する電極を絶縁するための）絶縁層、半導体層、光子吸収層、及び/又は電極と接続するラインを有する層は、2つの隣接する感光層間に設けられて良い。散乱防止グリッド又は同様の素子が存在する場合には、上述の層は、感光領域のロスを最小限に抑制するために、散乱防止グリッド又は同様の素子と位置合わせされていることが好ましい。たとえばCMOS層のような半導体層が、電極との接触、及び複数の閾値に基づくパルス高さ測定用の信号処理回路の提供に用いられて良い。そのような信号処理回路とはたとえば、増幅器、弁別器、及び/又はカウンタである。コンタクトラインを有する層は、複数の電極への各独立したアクセスを供するのに用いられて良い。そのとき、感光層の前面又は背面内での信号路を形成するための空間は必要とされない。

上述の実施例では、光子吸収層は特に、隣接する画素間でのクロストークの原因となる蛍光光子を吸収するのに用いられて良い。従って光子吸収層は、放射線アパーチャを介して層へ衝突する1次光子によって隣接する感光層内に生成される蛍光光子を良く吸収する。これはたとえば、吸収剤のK端が蛍光光子エネルギーよりもわずかに低い場合に実現される。その吸収層に適した材料の例には、Ag、Pd、Mo、及びZrが含まれる。

本発明はさらにX線に対する感受性を有する上述の放射線検出器に関する。しかも本発明は、上述の放射線検出器を有する可視化システムに関する。前記可視化システムは特に、CT（コンピュータ断層診断）、PET（陽子放射断層診断）、SPECT（単一光子放射コンピュータ断層診断）、又は核による可視化装置であって良い。

y方向に様々なサイズを有する電極を備えた本発明による単一層X線検出器の概略的斜視図を表している。 本発明による多層X線検出器の概略的斜視図を表している。 層間に中間基板を有する本発明による多層X線検出器の概略的側面図を表している。 蛍光光子を吸収する中間層が備えられた本発明による多層X線検出器の概略的側面図を表している。 本発明によるX線検出器の前面に設けられた電極の信号路が好適に形成された状態を図示している。

本発明のこれら及び他の態様は後述する（複数の）実施例によって明らかにされる。これらの実施例は添付された図面の助けを借りることで説明される。

同様の参照番号すなわち100の桁の数値が異なる番号は、複数の図中において、同一又は類似の部品を表すものとする。

以降では、本発明は、X線検出器-特にCTスキャナのような医療用可視化システムに用いることのできるX線検出器-を例にとって説明される。しかし、本発明はこの用途に限定されるわけではなく、放射線検出が必要とされる如何なる分野においても利点が得られるように用いることができることに留意して欲しい。

X線の検出は依然として重点的に研究されている分野である。この点において多くの労力が、より高速の応答時間の検出器、より高い空間分解能を有する検出器、及び特にエネルギー分解の単一光子変換事象の検出を可能にする検出器の開発に集中している。

平坦な検出器が備えられたコンピュータ断層診断(CT)及びX線可視化において現在用いられている基本的な考え方は、フォトダイオード上に接合されたシンチレータ材料（CsI、CWO、又はGOSのような）である。そのシンチレータはX線を光子に変換する（間接的変換）。その光子は接合層を通り抜けて、フォトダイオード中で電気信号に変換される。ほとんどの用途（たとえばCT又は平坦検出器のような）においては、この考え方は、不十分な空間分解能だけでなく、遅い応答時間、残光の問題といった課題を有する。

これとは対照的に、直接変換材料（CZT、セレン、又はPbOのような）は、X線が直接電子正孔対に変換されるという考え方を供する。直接的に変換された荷電キャリアの雲は、kV/cmのオーダーの電場が存在する状態で、変換材料の表面上の電極へ移動する。そのときに発生する電気パルスが検出されて計数されて良い。ここでパルス高さは光子のエネルギーの検出を可能にする。

直接変換検出器の可能な設定では、1つの電極が変換材料の表面（典型的にはX線光子が入射する表面）を覆う一方で、対向する表面は複数の電極からなる「画素」のアレイによって覆われる。理想的には、画素のピッチは、意図した用途の要求に従って選ばれ、かつ入射X線光子によって生じる電離シャワーによって生成される電荷雲のサイズを考慮する。典型的にはピッチは50-500μmの範囲である。

直接変換型検出器の最大計数率は複数の効果-たとえば電子の平均ドリフト長-に依存する。電極の距離はこの点において重要なパラメータであり、かつ可能な限り小さくなければならない。しかし放射線の方向における変換材料のある特定の高さは、光子の十分な阻止能を得るため、及び検出可能な量子効率を実現するために必要とされる。たとえば医療用途に用いられるCZT検出器は、少なくとも2mmの高さを有することが期待される。この高さは、X線光子によって生成される電荷雲よりもはるかに大きい。生成された荷電キャリアは電極までの長い距離を移動しなければならない。このため、（荷電キャリアの捕獲及び再結合による信号の損失に起因する）検出可能な量子効率の顕著な低下だけでなく、検出器の応答時間も顕著に低下する。

しかも荷電キャリアが材料内部での局在した捕獲状態を満たす可能性は-変換材料に依存して-ある程度存在する。捕獲状態は、材料の結晶構造内部の局所的な乱れである。この局所的な乱れがある特定時間キャリアを「束縛」し、その後解放する。その結果所謂「残光」効果が生じる。残光は、長い時間スケール（通常はミリ秒から秒の時間領域）では履歴に依存する信号を発生させる。この信号は、高いダイナミック信号範囲を処理し、かつ高フレーム速度の投影像を得る大抵の用途-特にCT-において非常に望ましくない。

前述したように、コンピュータ断層診断においては、エネルギー分解イメージングへ向かおうという要求がある。係るエネルギー分解は、計数検出器と直接変換材料を併用することによって実現可能である。ある特定数の閾値を設定することによって、いくつの光子がある特定のエネルギーウインドウ内にあるのかを、係る検出器を用いて計数することが可能である。しかし計数検出器に基づくスペクトルCT読み取り電子機器の制限因子は、電子機器が処理しなければならない非常に高い計数率である。典型的にはこのような非常に高い計数率を処理する一の方法は画素サイズを減少させることである。

直接変換材料において観測される他の重要な効果は所謂K蛍光である。これは、入射X線光子がたとえばCZT材料と相互作用することで、エネルギーの小さな他の光子が生成される現象である。この蛍光光子はCZTを通り抜けて、他所で別な事象を発生させる。蛍光光子が異なる陽極付近であるCZT内のある位置に到達する場合、検出器の応答は通常悪化すると考えられる。1つの光子ではなく、エネルギーの小さな2つの光子が記録される。この問題は、大きな検出器セルによって解決可能である。その理由は大きな検出器セルは、蛍光光子が逃れる可能性を減少させるからである。しかし計数率の問題はそれとは反対のことを要求する。なぜなら、小さなセルが計数すべき光子数は少なく、かつ計数の全負荷はより小さなセルに分担できるからである。

本発明は上述の問題を解決する直接変換型検出器の設計を供する。この設計は、直接変換器上に電極を設ける新たな方法を有する。その新たな方法により、計数機能は最適となるように利用され、かつ材料の光子の吸収深さを考慮することによって良好なエネルギー分解が可能となる。

図1は、上述の手法の第1実施形態によるX線検出器100を図示している。簡明を期すため、検出器100は一般的に複数の層を有する（図2参照）が、単一層の検出器100が図示されている。X線検出器100は以下の構成部品を有する。
1. CZTのような変換材料からなる感光層112であって、X線光子が電気信号として電子正孔対に変換される感光層112。前記感光層112は典型的には前面Fと背面Bを有する薄い直方体スライスの形状である。
2. 前記感光層の前面Fに設けられた個別的にアドレス指定可能な電極（典型的には陽極として機能する）の2次元アレイ。図示された例では、電極113は4行（x方向）及び4列（y方向）のマトリックスに配置されている。行に属する電極同士は同一のサイズを有するが、各列に属する電極の高さdyは上から下へ向かって（つまり放射線の方向yに）減少する。一般的には、電極113のサイズdx及びdyは、妥当な計数率及びエネルギー分離を供するように、任意に設定されて良い。測定結果が示すように、放射線アパーチャの表面に近づけば近づくほど、観測可能な計数率を高くすることができる。このことは、感光層112の上部で電極サイズdyが小さくなることによって考慮されている。電極113の実際のサイズは、必要な最大計数率及び必要なスペクトル分解能に従って考えられて良い。

電極113が素子の空間分解能を決定するので、電極113は以降では「画素」と呼ばれることもある。
3. 前記感光層の背面Bに設けられた少なくとも1つの対向電極。前記対向電極は陰極として機能する。
4. 図では長方形開口部によって単純に表されている放射線アパーチャ101であって、X放射線Xは当該放射線アパーチャ101を介して前記素子へ入り込み、かつ感光層112を平均としての放射線の方向yに伝播する、放射線アパーチャ101。通常の検出器設計の多くとは対照的に、放射線Xは、前面F上の電極113と背面B上の対向電極111の間に発生する電場とは垂直な方向に伝播する。

説明した幾何学構造の利点は荷電キャリアのドリフト長がかなり短いことである。荷電キャリアは、変換材料のブロック全体を垂直方向（y方向）に進行する代わりに、層の表面FとBとの間を水平方向（z方向）に進行する。よってドリフト長は、10〜20である因子Gだけ減少することが可能である。このことは以下の利点があることを示唆する。その利点とは、
- 良好な応答時間（電極での荷電キャリアが速くなるので、因子Gだけ応答が速くなる）、
- 残光の減少（トラップが減少するので、因子Gだけ減少する）、
- 検出可能な量子効率の改善（電子-正孔再結合とトラップによる捕獲による信号損失が減少するため）、
- 空間分解能の増大（伝播方向の閉じこめ及び電荷拡散が小さくなるため）、
- 電場強度を一定に保ちながら、電極間の電圧を因子Gだけ減少させることが可能なこと、である。

図1に図示された設計の他の利点は、放射線の方向yに電極113の構造を形成することに関する。測定結果が示しているように、入射光子Xの吸収は、光子エネルギー及び光子が感光性材料内を進行する深さyに顕著に依存する。特に、高いエネルギーを有する光子は材料中を非常に深く進む一方で、低エネルギー光子は材料の表面付近で相互作用する。従って光子Xが感光層112内で変換/検出されるy方向の位置は、光子のエネルギーに関する明示的な情報を含む。

図1に図示された放射線検出器100の典型的なサイズは以下の通りである。
- 感光層112の高さDyは約3mmである。これはX線ビーム方向での十分な阻止能を有するのに必要な値である。
- 感光層112の厚さDzは約0.1mmから0.5mmである。これは以下の3つの効果の妥協である。その3つの効果とは、(i)厚さDzは検出器セルの計数率の負荷を減少させるために可能な限り小さくすべきであること、(ii)厚さDzは蛍光問題を緩和するために可能な限り大きくすべきであること、及び(iii)厚さDzは全体の製造労力やコストを減少させるために可能な限り大きくすべきであること、である。
- 感光層112の長さDxは、x方向での検出器サイズの必要なサイズと、変換材料のサブモジュールの製造問題とのバランスをとらなければならない。検出器はこの方向に、より小さなサブモジュールへさらに分割されて良い。
- 前面の電極113の長さdxは約0.1mm〜0.3mmである。これは、計数率の分担（小さな電極にとって必要）と蛍光問題（大きな電極にとって必要）との間の妥協である。
- 前面の電極113の高さdyが上から下へ変化する。ここで最も上に位置する電極は、高計数率のために可能な限り高くなければならないが、蛍光問題にあまり困らないように小さすぎてもいけない。下に位置する電極は大きくなって良い。その理由は、吸収確率はy方向で急速に減少し、かつ計数率も同様に減少するからである。y方向には3〜4の電極数が好ましい。

図2は多層放射線検出器200を図示している。多層放射線検出器200は、図1に図示された型の単層放射線検出器を複数有し、一の層は他の層の後方に積層されている。個々の感光層212の前面に設けられた全電極213は、ライン221を介して、増幅器222（典型的には成型器を有するプリアンプ）及び弁別器ユニット223と接続する。全チャネル（つまり全電極213）は典型的には同一組の閾値レベルを有する。その閾値レベルは、ノイズレベル（CTについては約20keV〜30keV）（よりも上）の閾値の組で始まる。検出された光子についてのスペクトル情報は関連する電気パルスの評価によって得られる。つまりパルス高さは、複数の所与の閾値について、弁別器ユニット223内で決定/区別される（この粗い決定は、パルス高さが落ち込む複数の範囲を評価するだけである）。しかも光子エネルギーについての追加情報は本質的には、特定の計数を供した電極213のy方向での位置によって与えられる。全体のスペクトル情報は評価モジュール224によって評価される。たとえこの手法において相互作用深さが追加の入力としてしか用いられないとしても、相互作用深さは検出器の設計を（たとえばノイズを抑制するため1つの電極につき1つの閾値のみを用いるように）単純化する唯一のエネルギー関連情報として用いられても良いことに留意して欲しい。

図2に似た多層構造では、感光領域（x-z平面）のある特定の機能が失われる。電極層には空間が必要とされるためである。しかし電極層の厚さ（典型的には約5μm）は変換材料の厚さDz（典型的には約50μmよりも厚い）と比較して薄いので、失われる領域は相対的に小さく、上で列挙した有利な効果によって上回る補償がなされる。

検出器200が複数の薄い層で構成されるという事実は、多結晶の直接変換材料を用いる際には有利となりうる。多結晶の直接変換材料は、単結晶の直接変換材料よりも、（たとえば蒸着によって）単純で安価に製造することが可能である。その薄い層は多結晶材料中での荷電キャリアの低い移動度を補償することができる。それにより検出素子は十分に短い応答時間を実現する。他の方法では、多結晶材料で十分に短い応答時間を実現するのは不可能である。

直接変換材料の薄いスライス212の背面は陰極211によって完全に覆われる。その陰極は正孔を収集する。標準的な直接変換材料については一般的に、その正孔は、電子よりも低い移動度を有し、かつ電子よりも短い寿命を有する。スライスの前面では、陽極213のマトリックスパターンは、空間分解した状態で高速移動する電子を収集する。変換材料の厚さは陽極213のピッチに相当し、典型的にはたとえば100μmのオーダーである。-それに加えて-小さな画素効果（非特許文献1及び非特許文献2参照）を利用するため、陽極のピッチを小さくしたままスライスをより厚くする（たとえば陽極ピッチの4〜10倍）のが有利になると考えられる。

図2の多層検出器200では、2つのスライスからなる対が背面と背面とを1つにするように設けられている。係る2つのスライスからなる二重層の各々は薄い絶縁ホイル214によって隣接する二重層から隔離される。このように対をなすスライスの幾何学構造においては、電位が同一である複数の電極が容量効果を防止しながら近接して設けられる。隣接説する二重層の陰極211の絶縁ホイルは必要ない。

提案された検出器の設計の利点は、陽極の大きさについての同様の妥協（計数率と蛍光）がされ、かつ同一の変換材料の高さ（3mm）である検出器に関連して論じることが可能である。従来の設計は、1/(0.3mm)のセル密度、及び約2.5mmの電子の平均ドリフト長を有する。長いドリフト長は、検出器の上部での吸収確率ははるかに高いこと、及び陽極への残りの平均経路は長いことに起因する。本願で提案された設計は、4つの陽極をy方向に設けることができる場合には、4/(0.5mm)のセル密度を有する。平均ドリフト長はわずか0.25mmに過ぎない（変換材料の厚さの半分である）。提案された設計は、小さなセル及び電子のドリフト長よりも一桁短いドリフト長を2.4倍高い計数率分担に供する。

図3は図2の多層検出器と同様の多層検出器300の側面を図示している。多層検出器300は複数の感光層312を有する。前記複数の感光層312の前面には（それぞれ異なるサイズの）電極313のアレイが備えられ、かつ背面は単一の電極311によって覆われている。ここで隣接する感光層の前面/背面は互いに対向している。図2とは対照的に、2つの隣接する感光層の前面の間には絶縁層は存在しないが基板314（典型的にはシリコンのような半導体、セラミックス、プリント回路基板、又は同様の素子）が存在する。基板314はCZTモジュール312を有し、かつ読み取り及び評価電子機器（図示されていない）によって前面電極313と接続する。

図4は、多層X線検出器400の別な実施例の概略的側面を図示している。多層X線検出器400はこれまでに説明してきた実施例と組み合わせられることが望ましく、かつ背面が共通電極411で覆われ、かつ前面が陰極413のアレイで覆われた感光層412の積層体を有する。検出器400は隣接するスライス間でのクロストーク問題に対する解決策を供する。蛍光光子を媒介として生じるクロストークは、画素幅が約100-300μm未満のセンサのスペクトル性能を制限してしまう。硬X線の検出にとって不可欠な感光層の高Z材料については、蛍光は、1次相互作用過程に服する原子にとって最も起こりうる脱励起過程である。よって隣接する画素のクロストークは、CT用X線検出器にとって固有である。スペクトルCT検出器の設計は、（約1×1mm²サイズの）画素を副画素に分割することを特徴とするので、隣接する画素間でのクロストークはより問題となる。副画素の大きさはCT用X線検出器内において可能な限り小さく選ばれなければならないので、測定は、最小画素サイズをさらに小さくするように、つまりクロストーク問題に対処するように行われなければならない。

検出器400は、電極平面に対して平行な追加の吸収層414を挿入することによって、上述の問題を解決する。この吸収層414の材料は、感光層412の材料-たとえばCd(Zn)Teベースの検出器の場合であればCd又はTe-からの蛍光光子を抑制するように最適化される。完全に実現するのには複数の選択肢が存在する。

吸収層414は共通電極411と直接接触するように設けられて良い。究極の場合では、吸収層は厚くされた電極層であって良い。ただしこの場合、さらなる測定は厚い電極のリフトオフを防止するように行われなければならない。
- 絶縁層（図4には図示されていない）は吸収層414と共通電極411の間に設けられる。この絶縁層はたとえば吸収金属層の酸化表面であって良い。
- 最後の選択肢は画素を構成する電極の層に近接した吸収層によって実装されて良い。

蛍光光子を十分に抑制するには、吸収材料のK端は蛍光光子エネルギーよりもわずかに低くなければならない。CdTe型の検出器（Z=48及びZ=50）の場合については、吸収層414に適した材料はたとえば、Ag、Pd、Mo、Zrである。たとえば厚さが100μmのモリブデンは、24keVの光子（KαCd）を93%吸収し、かつ28keVの光子（KαTe）を85%吸収する。

高い幾何学的な検出可能量子効率を維持するため、吸収層414は特別の位置に設けられることが好ましい。たとえば吸収層414を、検出器400の前方に設けられた散乱防止グリッド(ASG)のラメラ415によって画定される面のように、面内に設けるのは有利である。ASGのラメラ415には陰がかけてある。これは感光性ではない検出領域を明確にしている。従ってこれらの感光性ではない領域に吸収層414の端部を設けることが提案される。なぜなら新たな層は活性検出容積を増大させないからである。当然のこととして、たとえば電極411,413又は任意の絶縁層のような他の感光性でない構成部品についても、ASGラメラ415に対して同じように位置合わせされることが好ましいだろう。ASGのラメラ415は、X線が入り込むことのできるアパーチャ401を画定することにさらに留意して欲しい。

感光層の前面に設けられた各独立した電極の接続には増幅器、弁別器、及び他の（計数）電子機器を介した、効率的な電子機器接続及び信号読み取りのための様々な信号経路形成法が可能である。たとえば以下のようなものが考えられる。
- 各電極へのたとえばCMOSベースの電子機器又は他のフロントエンド電子機器の直接結合。CMOS電子機器は相対的にかさばるので、CT用途には適していない。その理由は、CMOS電子機器はある特定の厚さを有する層を必要とし、そのような層の厚さは幾何学的な検出可能量子効率の高い損失を招くからである。ここでの主な制限は相互接続の態様である。なぜなら結合バンプは相当量の空間を必要とするからである。しかし他の接続手法もより適していると考えられる。従って直接結合は基本的には大きな画素サイズを有する用途-たとえば鞄の検査-での解決法である。
- インターポーザーとしてCMOS基板を用いる代わりに、画素間のギャップをはるかに薄くする信号路形成層(routing layer)が用いられて良い。信号路形成層はまた両面が用いられて良い。それにより同一のインターポーザーで2つの画素を相互接続することが可能となる。鞄の検査のような特別な用途はこの手法によって有利となりうる。

接続問題に対する優れた解決策は、図5の設計によるインターポーザー層を用いない信号路形成法である。基本的な考え方は、x方向の前面電極のサイズを減少させることである。その前面電極のサイズは、最も上に位置する画素行aに属する上部電極513aの最大幅dx_aから始まる。これにより、下部である画素行dに属する下部電極513dの下に設けられる他の信号処理電子機器への垂直であるy方向への信号路形成構造が可能となる。電極513a、513b、513c、513dの具体的な位置及び分布は、図5に図示された典型的位置及び分布とは当然異なっていて良い。絶縁層（図示されていない）は一般的には必要とされ、特に陽極又は陰極が互いに対向していない場合に必要とされることに留意して欲しい。

図1〜4に図示されているように、他の実施例は、y方向の大きさが非対称である電極513についてさらに検討して良い。この手法は、直接変換が電場に依拠していることに起因した検出器の電荷収集効率の損失を起こすことなく可能である。ここで隣接する画素間のギャップは、性能の観点からは、ギャップのサイズが最大で約100μmであれば無視して良い（これについてはたとえば非特許文献3で論じられている）。CZTアレイの表面がほとんど理想的な誘電性であるとすると（つまりわずかには伝導性）、小さな画素でかつ大きなギャップについては、電気力線は依然として画素で終端するが、より曲げられる。よって電荷は、画素サイズ外の領域からでさえも、画素で効率的に収集される。

本発明は、高速応答と低残光が重要となる各種のX線検出器-特にコンピュータ断層診断(CT)用検出器-に用いることが可能である。本発明は、全ての利点と共にスペクトルの追加情報を供しながら、CTのような高強度での単一光子計数検出の可能性を開く。X線検出及びCTに加えて、他の多くの用途は、エネルギー分解の提案された計数電子機器による利益を享受できる。

Claims (13)

1. 平均的な放射線の方向に沿って進行する光子が入り込む際に通り抜ける放射線アパーチャ；
   前記放射線アパーチャを通り抜ける光子を電気信号に変換する感光層であって、前記放射線の方向に対して平行な前面及び背面を有する感光層；
   前記感光層の前面に設けられた個別的にアドレス指定可能な電極の2次元アレイであって、前記電極のうちの少なくとも2つはそれぞれ異なる形状を有する、2次元アレイ；
   前記感光層の背面に設けられた少なくとも1つの対向電極；
   を有する放射線検出器。
2. 前記前面上の少なくとも2つの電極がそれぞれ異なる高さを有し、
   該高さは前記放射線の方向で測定される、
   ことを特徴とする、請求項1に記載の放射線検出器。
3. 前記高さは前記放射線の方向に増大する、ことを特徴とする、請求項2に記載の放射線検出器。
4. 少なくとも1つの電極が、増幅器、弁別器、及び/又はパルスカウンタのうちの少なくとも1つを有する信号処理回路と接続する、ことを特徴とする、請求項1に記載の放射線検出器。
5. 少なくとも1つの電極が、前記電極の位置を前記の検出された光子のエネルギーと関連づける評価モジュールと接続する、ことを特徴とする、請求項1に記載の放射線検出器。
6. 接続ラインが前記前面上に設けられ、
   該接続ラインの各々は、前記感光層の一の接続端から一の電極へ延びる、
   ことを特徴とする、請求項1に記載の放射線検出器。
7. 前記電極が前記接続端に対して平行な方向で測定された幅を有し、
   該幅は前記接続端から離れるに従って増大する、
   ことを特徴とする、請求項6に記載の放射線検出器。
8. 複数の前記感光層を有する放射線検出器であって、
   前記複数の感光層は、前記前面から前記背面へ向かう方向に、一の感光層が他の感光層の後方に位置するように積層される、
   ことを特徴とする、請求項1に記載の放射線検出器。
9. 前記前面又は背面に対向する少なくとも2つの隣接する感光層を有する、ことを特徴とする、請求項8に記載の放射線検出器。
10. 絶縁層、半導体層、光子吸収層、及び/又は前記電極へ接続するラインを有する層が、前記隣接する感光層間に設けられる、ことを特徴とする、請求項8に記載の放射線検出器。
11. 前記光子吸収層が感光層内に生成される蛍光光子を非常に良く吸収する、ことを特徴とする、請求項10に記載の放射線検出器。
12. 請求項1に記載の放射線検出器を有するX線検出器。
13. 請求項1に記載の放射線検出器を有する、特にX線、CT、PET、SPECT、又は核の可視化デバイスである、可視化システム。

Images