JP6058310B2 - 電子機器に対する放射線防護を備える直接変換ｘ線検出器及びｘ線検出器の配置 - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線放射線を電荷キャリアに直接変換する、少なくとも一つのＸ線センサーを有する、Ｘ線検出器と、複数のそのようなＸ線検出器の配列とに関する。

入射するＸ線放射線を可視光及び／または紫外光に変換するシンチレーターを一般的に含むＸ線放射線の画像検出器が、従来技術で知られている。そして、この光は、光電子倍増管または半導体検出器（例えば、CCD光検出器）により検出され、例えば、接続されたコンピュータシステムにおける、さらなる処理に利用可能である。この解決策は、一方では、専門的であり、従って、市場において、様々なバリエーションがある。これに関しては、例えば特許文献１を参照されたい。

シンチレーター原理の欠点は、一方では、限られた空間解像度であるが、これは、無機シンチレーター（例えば、硫化亜鉛基またはヨウ化ナトリウム基）が、いわゆる活性化中心で可視光または紫外光のみを放射し、この光が、続いて、シンチレーターで散乱し、これが、例えば、CCDセンサーの一ピクセルとその隣のピクセルとの間に高いクロストークをもたらす。また、シンチレーターは、残光の特性を有し、従って、そのようなセンサーの動的特性及びイメージシーケンス速度は、悪影響を受ける。さらなる欠点が、シンチレーターの特有の特性及び化学的組成から生じる。従って、単結晶としての複雑な製造が、例えば十分な光の透過率を保証するために要求される。概して、環境影響（例えば湿度）に対して感度が高く、耐用年数が限られる。これらの特有な特性は、シンチレーターに基づくＸ線検出器の非常に高い価格にも反映されている。

さらに、直接変換Ｘ線検出器が、従来技術で知られている（例えば、特許文献２参照）。これらにおいては、電子とホールの対が、Ｘ線光子により、Ｘ線検出器のＸ線センサーの半導体材料において直接生じ、続いて、該電子とホールの対が、適用される電界（例えば50から40ボルトの例えば適用電圧に相当）により、分離され、運搬され得る。これにより、強度がエネルギーと入射するＸ線放射線の強度とに比例する、小さい電流が生じる。

本発明は、このような直接変換Ｘ線検出器に関する。

そのような直接変換Ｘ線センサーでは、もともと非常に小さい信号電圧または信号電流しか発生しないため、Ｘ線センサー（直接変換を行う半導体材料を含むＸ線検出器の構成要素）の下流に接続される信号処理電子回路（以下の本発明の枠内では、信号評価電子回路とも呼ばれる）は、混信及び／または雑音電圧の結合を最小にするために、Ｘ線センサーにできるだけ近く配置される必要がある。このような電子回路は、しばしば、例えば、必要に応じて本発明の枠内においても、シリコンベースの専用設計された固有の集積回路（以下、ASICとも呼ばれる）として実現される。しかしながら、このような電子回路は、一般に、Ｘ線放射線またはガンマ線放射線等の高エネルギー放射線による直接放射に対して、放射線に非常に敏感であり、これは、短い放射時間後に、不可逆なパラメータ変化、または、集積回路のアクティブ構造の破壊をもたらし得る。

信号評価電子回路の破壊を含むそのような問題を回避するために、放射線に敏感な電子回路をＸ線検出器の画像コンポーネントのハウジング形状の外側に配置することが知られている（特許文献３）。しかしながら、この解決策は、直接変換Ｘ線センサーでは、非常に困難であるか、または実用的ではない。これは、上述したように、電子回路は、直接変換検出器のＸ線センサーの近くに配置されるべきであるからである。

従って、従来技術を発端として、本発明の目的は、Ｘ線を電荷キャリアに直接変換する、少なくとも一つのＸ線センサーを有する、Ｘ線検出器を提供することであり、Ｘ線センサーに接続される信号評価電子回路が、Ｘ線センサーにできるだけ近く配置され、にもかかわらず、高エネルギーのＸ線放射線から十分に防護される。さらに、本発明の目的は、特に上述した目的と併せて、エネルギー選択的な直接変換Ｘ線検出器を提供することである。併せて（単独でも）、さらに、本発明の目的は、検出器の設計に用いられる異なる材料の温度適応の改善が実現される、直接変換Ｘ線検出器を提供することである。

この目的は、請求項１から６に記載のＸ線検出器と、請求項１３に記載の配置とにより、達成される。ここで、本発明によるＸ線検出器の有利な実施形態または配置は、各従属請求項から生じる。

本発明は、まず、以下に概要が説明され、続いて、個々の実施形態を参照して詳細が説明される。ここで、個々の実施形態において、互いに組み合わされて示される個々の特徴及び／または個々のアセンブリは、本発明の枠内の実施形態で特に示される構造において実現される必要はなく、むしろ他の構造で実現されてもよい。示される構成要素及び／または特徴のそれぞれは、特に、他の構成要素及び／または特徴と異なる方法で組み合わされてもよく、省略されてもよい。一実施形態において示される個々の特徴それぞれは、特に、単独の特徴として、すなわち、示される対応実施形態の他の個々の特徴を備えることなく、実現されてもよく、それ自体が既知の従来技術に亘る利点をもたらしてもよい。

以下において、本発明の枠内で、構成要素（例えばＸ線センサー）が他の構成要素（例えばセンサーキャリア）上に配置される、または、他の二つの構成要素の間に配置される（例えばＸ線センサーと基質との間のＸ線センサー）と記載されている場合、これは、他に記載がなければ、複数の構成要素が互いに強固に接続されていることを示している。しかしながら、このことは、この接続が、例えば、互いに並ぶ二つの構成要素が互いに直接隣接する必要がないように、二つの構成要素の間の薄い導電性接着層によって実現されることを排除するものではない。

本発明による（第一の）Ｘ線検出器は、Ｘ線放射線を電荷キャリアに直接変換するＸ線センサーを含む（以降において、複数のＸ線センサーが存在する場合は、これらのＸ線センサーも第一のＸ線センサーと呼ぶ）。信号評価電子回路が、Ｘ線センサーから信号を得て、得られた信号を処理するために、この（第一の）Ｘ線センサーに、電気的に接続される。この信号評価電子回路は、特に、一つ以上の集積回路を含んでもよい（回路は、例えばASICとして形成可能である）。信号評価電子回路を防護するために、用いるＸ線スペクトルのＸ線光子（40から300keVの間の最大エネルギー）を容易に吸収するＸ線スペクトル材料が、さらに備えられる。この吸収体は、例えば、ZrO₂セラミック材料から（例えば、鉛からも）形成可能である。さらに、Ｘ線吸収体に対してＸ線センサーを配置可能なように形成され配置される、（少なくとも）一つのセンサーキャリアが、備えられる。

本発明によれば、Ｘ線放射線の入射方向で見た場合、信号評価電子回路は、一方では、Ｘ線吸収体の後方で、このＸ線吸収体のＸ線放射線の影の中に配置される（ここで、Ｘ線放射線の影は、Ｘ線放射線の入射方向に垂直な平面におけるＸ線吸収体の最大断面積の平行投影により、Ｘ線放射線の入射方向において生じる空間領域である）。他方では、Ｘ線センサーは、Ｘ線センサーが、（Ｘ線放射線の入射方向で見た場合）少なくとも部分的にＸ線吸収体の後方に配置されるように、センサーキャリアにより、（例えばその上への配置により）配置される。しかしながら、信号評価電子回路とは異なり、Ｘ線センサーは、センサーキャリアを用いた適切な位置調整により、Ｘ線吸収体のＸ線放射線の影の外側に配置される。

このＸ線検出器の有利な第一の実施形態（これは、以降に紹介される本発明のＸ線検出器のバリエーションにも適用される）では、（第一の）センサーキャリアは、Ｘ線放射線の入射方向で観て、Ｘ線吸収体と信号評価電子回路との間に配置可能である。しかしながら、この入射方向で見た場合、まずＸ線吸収体、続いて評価電子回路、最後にセンサーキャリア（Ｘ線センサーがこれにより支持される）を配置することも、一般に同様に考えられる。これは、この構成が、上述した一例のように、Ｘ線センサーを、信号評価電子回路に非常に近く配置可能とするためである。

さらなる有利な実施形態のバリエーションでは、本発明の（第一の）Ｘ線検出器は、特に回路基板として形成される基板を有する。Ｘ線吸収体、（少なくとも一つの）センサーキャリア及び信号評価電子回路は、この基板の上に共に配置される。Ｘ線放射線の入射方向で見た場合、この配置は、Ｘ線吸収体、（一つ以上の）センサーキャリア、及び信号評価装置の順で行われることが好ましい。しかしながら、上述したように、信号評価装置、Ｘ線吸収体、少なくとも一つのセンサーキャリアの順で隣接してもよい。

さらに、Ｘ線放射線の入射方向に垂直に、及び、基板平面に垂直に見た場合に、基板とＸ線センサーとの間に配置されるセンサーキャリアの材料は、一方では、基板の材料の熱膨張係数と、他方では、Ｘ線センサーの熱膨張係数との間にある熱膨張係数を有する（熱膨張係数は、基板の熱膨張係数と、Ｘ線センサーの熱膨張係数との丁度中間にあることが好ましい）。このようにして、Ｘ線センサーの熱膨張係数は、基板の熱膨張係数に適応可能であり、これは、特に、基板としてのセラミックキャリア上に配置されるＸ線センサーとしてのGaAs等の脆性材料に（その結果、異なる熱膨張係数を有する双方の材料に）有利である。これは、GaAsが、上述した熱適応のない説明構成おいて、Ｘ線検出器の動作で生じる温度変化により、ストレスクラックが生じ得る脆性材料であるためである。

（第一の）センサーキャリアは、センサーキャリアがＸ線吸収体のＸ線放射線の影の中に適合する、すなわち、この影の中に完全に配置されるように、Ｘ線放射線の入射方向に垂直に、及び、基板平面に垂直に見た場合、Ｘ線吸収体と同じ熱膨張係数を有することが有利である。

さらなる特に好ましいバリエーションでは、本発明による（第一の）Ｘ線検出器は、エネルギー選択的直接変換Ｘ線検出器（あるいは、以降において、Ｘ線直列センサーと呼ばれる）として形成される。この目的のために、検出器は、Ｘ線放射線を電荷キャリアに直接変換するとともに、信号取得及び信号評価のために、信号評価電子回路に電気的に接続される、さらなる、第二のＸ線センサーを含む。また、この第二のＸ線センサーを上述したＸ線吸収体に対して位置調整するために形成され配置される、さらなるセンサーキャリア（第二のセンサーキャリア）が備えられる。この第二のセンサーキャリアは、第一のセンサーキャリアに対して上述したように、その材料に熱膨張係数に関して、第二のＸ線センサーの熱膨張係数が基板の熱膨張係数に適応されるように、設けられることが好ましい。

第二のＸ線センサーは、Ｘ線放射線の入射方向で観て、第一のＸ線センサーの後方に配置され、第二のセンサーキャリアにより（例えば、第二のセンサーキャリアが第二のＸ線センサーの下に配置される）、Ｘ線吸収体の後方で、そのＸ線放射線の影の外側に配置される。第一のセンサー及び第一のセンサーキャリアに対する完全に類似する方法で、第二のセンサーキャリアは、第二のセンサーキャリアが完全にＸ線吸収体のＸ線放射線の影の中に配置され、第二のセンサーキャリアにより支持される第二のＸ線センサーを完全にＸ線吸収体のＸ線放射線の影の外側に持ち上げるように、Ｘ線放射線の入射方向に垂直に、及び、基板平面に垂直に見た場合に、Ｘ線吸収体（及び随意で第一のＸ線センサー）と同じ熱膨張係数を有してもよい。

さらなる有利なバリエーションでは、第一及び／または第二のセンサーキャリア（好ましくは双方のセンサーキャリア）は、導電性で、及び、第一の及び／または第二のＸ線センサーの選択的な電圧供給のために設けられる。例えば、セラミックの基板とGaAsのＸ線センサーとの間に配置されるセンサーキャリアは、導電性の構成要素を含むAl₂O₃を含んでもよい（しかしながら、電圧供給は、これに代わり、または、これと組み合わせて、センサーキャリアとＸ線センサーとの間に導入される、薄い導電性接着層を用いて実現されてもよい）。

本発明による（第二の）Ｘ線検出器は、以下の構造を有する。このＸ線検出器は、基板、特に、回路基板と、基板の第一の面に配置される、第一及び第二のＸ線センサー（双方が、それぞれ、Ｘ線放射線を、電荷キャリアに直接変換する）と、（信号取得と信号評価のために）二つのＸ線センサーに電気的に接続され、好ましくは集積回路として設けられる、（基板の第一の面とは反対側に位置する第二の面に配置され、好ましくは二つのＸ線センサーの反対側に位置する領域に配置される）信号評価電子回路と、信号評価電子回路の防護のために形成され、Ｘ線放射線の入射方向で見た場合に、信号評価電子回路の前方において、基板の第二の面に配置される、Ｘ線吸収体と、を含む。このＸ線吸収体は、信号評価装置がこのＸ線吸収体のＸ線放射線の影の中に配置されるように、配置される。

この（第二の）Ｘ線センサーの有利な実施形態のバリエーションは、少なくとも一つのＸ線センサーと、信号評価電子回路との間に、基板を通じて繋がる導電性経路に基づく、（センサー信号を信号評価電子回路に伝達するための）電気的接続を有する。

本発明による第一または第二のＸ線検出器の有利な実施形態のバリエーションは、以下のように実現される。

検出器の二つのＸ線センサーは、入射するＸ線放射線の異なるスペクトル部位を吸収するために設けることができる。ここで、（入射する放射線に対向する）第一のＸ線センサーは、低エネルギーの放射線部位を吸収するために設けられることが好ましい。このＸ線センサーは、この目的のために、シリコンから形成されてもよく、または、シリコンを含んでもよい。そして、（入射するＸ線放射線から離れ、随意でＸ線放射線の影の中に配置される）第二のＸ線センサーは、第一のＸ線センサーに比べてより高いエネルギーの入射Ｘ線放射線部位を吸収するために設けられることが好ましい。第二のＸ線センサーは、この目的のために、GaAsを含んでもよく、またはGaAsから成ってもよい。従って、二つのＸ線センサーの二つの半導体材料の原子数または平均原子数は、異なることが有利である。

本発明による第一または第二のＸ線検出器のさらなる有利なバリエーションでは、好ましくはスリット形状の開口部が備えられる、さらなるビーム停止部が備えられる。このビーム停止部は、本発明によるＸ線検出器の構成要素を収容するために設けられる、ハウジングのハウジング部位であってもよい。ここで、このビーム停止部（または対応するハウジング部位）は、Ｘ線センサーがビーム停止部またはハウジングの（ビームを吸収する）壁のＸ線放射線の影の中には配置されずに、開口部の後方に配置されるように、Ｘ線放射線の入射方向において、第一の（または二つの）Ｘ線センサーの前方に、また好ましくはＸ線吸収体の前方に、配置および配向される。

さらなる有利なバリエーションでは、上述した本発明によるＸ線検出器は、一次元ライン検出器として形成される。この目的のために、Ｘ線センサーは、Ｘ線放射線の入射方向に垂直な方向及び基板平面で見た場合に、Ｘ線放射線の空間分解検出のために設けられる、複数の個別のピクセルを有する。そして、個別のピクセルは、それらにより生じるセンサー信号の伝達及び評価のために、例えばボンドワイヤー及び／またはフリップフロップ接点を介して、それぞれ信号評価電子回路に接続される。

そのようなラインセンサー構造の二つのＸ線センサーを備える（エネルギー選択的な）場合、Ｘ線放射線の入射方向で見た場合に、一方では、第一のＸ線センサーのピクセルと、他方では、第二のＸ線センサーのピクセルとが、以下のように配置されることが有利である。この入射方向に平行に投影される第一のＸ線センサーのピクセルの断面が、第二のＸ線センサーのピクセルの断面に正確に投影される。この場合、同一の空間情報が、二つのラインセンサーで取得可能である。そして、上述したこれらのラインセンサー構造は、二次元で空間解像を行うＸ線検出器の配置の形成に用いられてもよい。個々のラインセンサーは、基板平面が互いに平行となるように積み重ねられ、第一の、または、第一及び第二のＸ線センサーの個々のラインセンサー構造が、Ｘ線放射線の入射方向に垂直で見た場合の平面において、一つまたは二つの二次元エリアセンサー構造を形成する。

（エネルギー選択的な）二つのＸ線センサーが実現される、さらなる有利な実施形態では、二つのＸ線センサーは、互いに完全に独立して、それぞれ必要な電圧が供給されてもよい。特に、センサー双方に異なる高電圧が必要な場合、電荷分離のための高電圧源を、各Ｘ線センサーに対して別々に設けることが有利である。さらに、単一の高電圧源、または二つの高電圧源は、生じ得る半導体の高電圧アバランシェ降伏をいち早く認識し、この場合、高電圧をいち早く切るために、精度の高い電流モニター機能を備えてもよい。

本発明によれば、従って、Ｘ線センサーの下流に配置され、Ｘ線に敏感な電子回路の放射線防護が、直線形状のＸ線センサーで確実に成され得る。このことは、特に、信号評価電子回路に関係するが、Ｘ線吸収体の放射線の影に配置される、多数の他の受動的な（より放射線に敏感な）構成要素にも関連する。（一般にハウジングの一部を形成する、スリット形状の開口部を備える上述した開口部は、この目的には不十分である。ハウジングの最大重量等の設計制約に因り、開口部は、敏感な電子回路の放射線防護を単独で確実に成すように厚く設けることはできない。）

Ｘ線センサーの後方のＸ線放射線が、熱膨張係数に関して適合された形状のセンサーキャリアと併せた、付加的なＸ線吸収体の有利な実現により、特に最小に低減可能である（従って、Ｘ線放射線からの敏感な構成要素の十分な防護が確実になされる）だけでなく、Ｘ線検出器の個々の構成要素、特に、Ｘ線センサーの、支持基板への最適な温度適応も、実現可能である。

本発明によれば、Ｘ線光子がまず低吸収半導体を通過し、続いて高吸収半導体を通過するように、同じ厚みの、低吸収半導体Ｘ線センサー（例えば、Siから作られる）と、高吸収半導体Ｘ線センサー（例えば、GaAsから作られる）とが、基板または相互接続デバイス上に、互いに並べられる。

ここで、二つのＸ線センサーは、ライン検出器または面検出器のどちらかを作ることができるように、ピクセル電極として機能する、幾何学的に同じ電極構造が備えられてもよい。ここで、隣り合って配置される二つのエネルギー選択的Ｘ線センサーのピクセル構造は、（例えば、信号評価電子回路の下流に接続されるコンピュータシステムでの画像処理に対して）同じ空間情報を取得するために、互いに平行に配置されてもよい。

二つのエネルギー選択的Ｘ線センサーは、別々の構成要素として実現されてもよく、（例えば対応する成形材料により）同一の構成要素に一体化されてもよい。それらには、それぞれ、それ自体の高電圧源が備えられ、個々の半導体タイプに最適な電荷分離を達成する。Ｘ線センサー双方は、例えば相互接続デバイスに取り付けられる、ワイヤーボンディング、または、フリップフロップボンディング等の、電子回路の構造及び接続技術の従来のプロセスで、（別々の構成要素として、または、一つの構成要素に一体化されて）作られてもよい。

Ｘ線センサー（または、二つのエネルギー選択的Ｘ線センサーそれぞれ）が、ラインセンサーまたはエリアセンサーとして設けられる場合、幾何学的配置は、複数の個々のピクセルが、最小の位置的誤差で、互いに隣り合って配置されるように行われてもよい。こうして、ピクセル数が多い、例えば、1ライン1024ピクセル、または、1エリア1024×1024ピクセルのラインまたはエリアセンサーが可能である。

本発明は、複数の実施形態を参照して、以下に説明される。

本発明で用いられる、直接変換の基本原理を示す。 本発明による異なる二つのＸ線センサーを備えたエネルギー選択的Ｘ線検出器の基本原理を示す。 単一のＸ線センサーを備える本発明による第一のＸ線検出器を示す。 二つの異なるＸ線センサーを備える本発明による第二のＸ線検出器を示す。 二つの異なるＸ線センサーを備える本発明による第二のＸ線検出器を示す。 二つの異なるＸ線センサーを備える本発明による第二のＸ線検出器を示す。 二つの異なるＸ線センサーを備える本発明によるさらなるＸ線検出器を示す。 二つの異なるＸ線センサーを備える本発明によるさらなるＸ線検出器を示す。 二つの異なるＸ線センサーを備える本発明によるさらなるＸ線検出器を示す。 本発明によるＸ線検出器のライン構造の図を示す。 本発明によるＸ線検出器のプロトタイプのデザインの図を示す。

図１は、本発明によるＸ線検出器またはＸ線センサーで用いられる直接変換の基本原理を示す。Ｘ線光子は、Ｘ線センサー材料において、適用されるDC電圧V_biasの電界により分離され、電極に運搬され得る、電子−正孔の対を生じる。ここで、Ｘ線光子の空間分解検出を可能とする、複数の個別ピクセル電極の形態の電極の構造を、図の右側で確認することができる。電荷の運搬により、（小さい）電流（従って、60keVのＸ線光子は、GaAsにおいて、例えば平均で略10⁵の電子−正孔対を生じる）が生じ、その強度は、入射するＸ線放射線のエネルギーおよび強度に比例する。干渉する電気的効果（個々のピクセルの個々のボンドワイヤー間の容量結合等）を防ぐため、上述したように、Ｘ線センサーと、下流の、増幅および評価を行う、信号評価電子回路との間に、できるだけ短いライン経路の存在が必要である。

Ｘ線光子の吸収で、Ｘ線センサーの半導体の原子の数に因り、主たる効果として異なる効果が生じる。原子の数が少ない半導体（例えばシリコン）ではその結果、Ｘ線光子の散乱とコンプトン電子の発生とをもたらす、コンプトン効果が中心となる。原子の数が多い半導体（例えばGaAs）では、これに対して、フォト効果が中心となる。Ｘ線光子の吸収の結果として、半導体の電子殻の殻からの電子の放出がもたらされる。

図２は、二つの異なる（エネルギー選択的）Ｘ線センサーを備える本発明によるＸ線検出器の基本原理を示す。低吸収半導体検出器（例えばシリコン）が、高吸収半導体検出器（例えばガリウムヒ素）と組み合わされる場合、この直列検出器または直列センサーは、Ｘ線放射線の検出に対して、コンプトン効果とフォト効果の双方を利用し、したがって、実質的に、より高い総合強度を達成する。

Ｘ線検出器の二つの部品（すなわち二つのＸ線センサー）が、電荷キャリアの排出のために、それら自体の高電圧源がそれらにそれぞれ割り当てられるように設けられる場合、二つのＸ線サンサーのそれぞれに対して、最適な動作点を設定することができる。
（図２における参照番号の意味は、以降の実施形態を参照。）

図３は、単一のＸ線センサーを備える本発明の第一のＸ線検出器を、Ｘ線放射線Ｒの入射方向Ｅと基板表面に垂直な方向とにおける平面での断面で示す。ここで（及び以下の図または実施形態においても）、ｙ方向は、デカルト座標系ｘ、ｙ、ｚにおけるＸ線放射線Ｒの入射方向Ｅを規定する。基板表面は、ｙ−ｚ平面に相当する。Ｘ線センサー１、６（以下を参照）の個別のピクセルは、ここでは（図４ａから４ｃまたは５ａから５ｃにも）示されていないが、図６を参照してわかるように、ｚ方向に延びる。従って、図３（図４及び図５の実施形態と、図６及び図７のプロトタイプも同様）は、一次元空間分解ライン構造としての、本発明によるＸ線検出器またはそのＸ線センサーの一実施形態を示す。図３に示すライン構造を、各基板表面が互いに平行となるように、基板表面に垂直な方向（ｘ方向）に複数積み重ねることにより、対応する二次元空間分解エリアセンサーを作ることができる。

図３に示す実施形態及び図４及び図５に示すさらなる実施形態では、特に明記しない限りは、同一の参照番号は、同一の構成要素または発明の特徴を指す。

図３に示す一次元ライン検出器は、回路基板として、セラミックのキャリア５を有する。ここでは信号評価電子回路２を形成する、複数の各ASICが、ここでは上側に配される基板表面に接着されている。非導電性ZrO₂セラミックから作られ、その長手方向の軸がｚ方向に配向される、平行六面体形状のＸ線吸収体３が、基板５の上面に同様に接着されている。さらに、Al₂O₃から作られ、同様にその長手方向の軸がｚ方向に配向される、同様の平行六面体形状のセンサーキャリア４が、基板５の上面に接着されている。

Ｘ線吸収体３、センサーキャリア４、及び信号評価電子回路２は、Ｘ線放射線Ｒの入射方向Ｅ、すなわちｙ方向に並んでいる。一方ではＸ線吸収体３の大きさまたは高さと、他方ではセンサーキャリア４の大きさまたは高さとは、基板平面に垂直な方向（すなわちｘ方向）で見た場合に同じであり、ここでは、例えば、信号評価電子回路２の対応する大きさまたは高さの2倍の大きさである。従って、信号処理電子回路２は、ｚ方向において、完全に、または全長に亘って、Ｘ線吸収体３の後方（及びセンサーキャリア４の後方）で、Ｘ線吸収体３のＸ線放射線の影Ｓの中に配置され、従って、Ｘ線放射線から完全に防護される。ここで、Ｘ線吸収体３（ビーム停止部１３の後方、以下参照）は、ｙ方向において、Ｘ線吸収体に未だ入射するＸ線放射線エネルギーの少なくとも70%を吸収する大きさを有し、高エネルギーＸ線放射線Ｒから評価電子回路２を防護する。放射方向Ｅで見た場合に、さらなる電子コンポーネント２０が、評価電子回路２の後方に配置され、同様に吸収体３の放射線の影Ｓの中に配置される（従って、同様にＸ線放射線Ｒから防護される）。帯状のZrO₂吸収体３の寸法は、ここでは、例えば（ｘ、ｙ及びｚ方向において）、1.4mm×3.0mm×102.8mmになる。

ここでは吸収体３のすぐ後ろに直接形成される、すなわち、放射方向Ｅにおいて中間スペースがない、センサーキャリア４は、その上面に、GaAsから作られる接着されたＸ線センサー１を備える。Ｘ線センサー１のｙ方向及びｚ方向における大きさは、ここでは、それぞれセンサーキャリア４の対応する大きさに一致する。エレメント３及び４のｘの大きさが同じであるため、Ｘ線センサー１は、Ｘ線吸収体３の放射線の影Ｓの上方に直接配置され、すなわち、入射するＸ線放射線Ｒに対して見た場合に、Ｘ線吸収体により遮られない。

Ｘ線検出器の構成要素を囲み、基板平面と入射方向Ｅとに垂直に配置される、ハウジング（ここでは完全には示されない）のハウジング部位１３が、放射方向Ｅにおいて、Ｘ線吸収体３の前方（従って、さらなるエレメント１、４、２、５、及び２０の前方）に備えられる。ハウジング部位１３は、ここでは、同様の放射線吸収材料の薄い壁１５（例えば、薄い鉛でコーティングされたステンレス鋼）から形成されている。ｘ方向で見た場合、Ｘ線センサー１の高さにおいて、ハウジング部位１３は、（ｘ方向においてＸ線センサーと同じ大きさまたはスリット幅を備える）ｚ方向に延びるスリット形状の壁１５の途切れ（開口部１４）を有する。従って、Ｘ線放射線Ｒは、ｘ−ｚ平面におけるＸ線センサーの全断面表面に亘り、ｙ方向において障害なくＸ線センサーに入射可能である。その一方、Ｘ線センサー１の外側のｘの高さ位置に配置される、図示されるＸ線検出器の全構成要素は、ビーム停止部１３の壁１５のＸ線放射線の影ＳＢの中に配置され、例えば、エレメント２及び２０も、この壁１５により、ある種の（たとえ十分でなくても）放射線防護を既に受けている。

図３に示すように、Ｘ線センサー１とその信号評価電子回路２との間には、ボンドワイヤー１７により形成される、信号取得用の電気的接続がある。入射方向Ｅで見た場合に、信号評価電子回路２は、上述した構造様態に因り、Ｘ線センサー１またはセンサーキャリア４の後方に直接、実際には、センサーキャリアの隣に配置されてもよいので（ここでは不図示）、有利な、非常に短い、電気的接続１７用の配線経路が、本発明によりもたらされる。入射するＸ線放射線Ｒは、開口部１３により、空間的に制限される。評価電子回路２及び下流の電子コンポーネント２０をＸ線光子の入射から防護するため、ボンドワイヤー１７により評価電子回路２に接続されるＸ線センサー１は、センサーキャリア４の上に配置される。

ここで、センサーキャリア４の材料（ここではAl₂O₃）は、Ｘ線センサー１（ここではGaAs）の材料の熱膨張係数と、基板５の材料（ここでは基板セラミック材料）の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する。これにより、温度変化による（エレメント１と５との間の）歪み及び変形が、最小となる。セラミックのキャリア４は、Ｘ線吸収体３に比べて同じ高さを有するので、一方では、Ｘ線光子が制限なくセンサー１に到達し、他方では、センサーの後方に到達するＸ線光子の数は、低減されて最小になる。

図４は、二つの異なるＸ線センサー１、６（直列ラインセンサー）を有する、本発明によるＸ線検出器の、本発明によるさらなる実施形態を、図３に対応する断面図（図４ａ）、下方からの基板５の平面図（図４ｂ）、及び上方からの基板の平面図、すなわち、Ｘ線センサー１、６及び信号評価電子回路２の平面図を（図４ｃ）示す。ここで、この構造は、概して図３に示す本発明によるＸ線検出器に従い、以下には、差異のみが説明される（従って、図４ａと図３とにおける同一の参照番号は、同一の構成要素を指す）。

図４のＸ線検出器は、さらなる第二のセンサーキャリア７を、上述した（第一の）センサーキャリア４と信号評価電子回路２との間の基板の上面に有する。該第二のセンサーキャリアは、エレメント３、４と平行に並び、第一のセンサーキャリア４と同じ寸法で形成されている。従って、エレメント３、４及び７は、ｘ方向において、同じ高さを有し、第一のセンサーキャリア４、第二のセンサーキャリア７、及び信号評価電子回路２は、放射方向Ｅで見た場合、狭い空隙によってわずかに分離された状態で、それぞれ隣り合って、Ｘ線吸収体３のＸ線放射線の影Ｓの中に配置されている。（ここでは参照番号２０ａを有する、評価電子回路２の後方のさらなる電子コンポーネントが、放射方向Ｅで見た場合、放射線の影Ｓの中に配置されている。）

少なくとも1mmの大きさを有する空隙２５は、高電圧分離のために、一方では、エレメント１と６との間に、他方では、エレメント４と７との間に、（二つのセンサー１及び６が、それぞれの半導体タイプSi及びGaAsに対する最適な電荷分離に達するために、異なる高電圧で動作可能であるように、以下参照）備えられている。

第二のＸ線センサーキャリア６は、第二のセンサーキャリア７の上面に（ｘ方向で見た場合に、第一のＸ線センサー１と同じ高さで、同一の幾何学的構造及び配向で）形成されている。従って、第一のＸ線センサー１で吸収されず、スリット１４を通じて入射するＸ線光子は、第二のセンサー６で吸収可能である。本ケースでは、第一のＸ線センサー１は、シリコンから作られ、第二のＸ線センサー６は、GaAsから作られている。

第一のセンサーキャリア４は、ここでは、例えば導電性の構造化ガラスから作られている。この第一のセンサーキャリア４と、信号評価電子回路２との間に配置される第二のキャリアセンサー７は、導電性の構造化Al₂O₃から作られている。

従って、センサーキャリア４、７双方は、それぞれのセンサー１、６の熱膨張係数を、基板５の熱膨張係数に適応させる。

二つのＸ線センサー１、６は、それぞれセンサーキャリア４、７の上面に、導電性接着剤により、それぞれ固定されている。従って、Ｘ線センサー１、６への高電圧の供給は、ここでは（図３においても）、基板５の上面に導かれ、二つのセンサーキャリア４、７及び対応する接着剤層を介してセンサー１、６に接続される、高電圧電極（不図示）を用いて行われる。

図４ａ及び図４ｃに示すように、センサー１及び６の各ピクセル１６ａ及び１６ｂ（図１、２及び６参照）は、ボンドワイヤー１７により、信号評価電子回路２（または各ASIC２ａ、２ｂ、．．．）に、導電的に接続される。ボンドワイヤー２３は、ASIC２ａ、２ｂ、．．．を、検出器のさらなる電子モジュールに接続する。さらなる電子コンポーネント２０ｂが、基板５の下面において、ここではこの下面に同様に配置されるさらなるＸ線吸収体２２の後方に配置され、吸収体３の高さで入射方向Ｅで見た場合に、さらなるＸ線吸収体２２（吸収体３と同様に、ZrO₂から形成される）のＸ線放射線の影の中に配置される。さらなるコンポーネント２０ｂ、コンポーネント２０ａ、及び評価電子回路２は、上面から基板５を通じてその下面に繋がる導電性経路（不図示）により、互いに接続される。

参照番号２１は、ここでは、スリット１４を通じたＸ線放射線Ｒの入射平面を指す（従って、基板平面に平行に配置される）。図４に示すＸ線センサー１、６は、電気的接続技術に関しては、ボンドワイヤー１７のみにより設けられる。

図４に示すＸ線検出器は、特に二つのＸ線センサー１と６（またはそれぞれのピクセル１６ａと１６ｂ）との間の空間が小さいことに因り、二つのＸ線センサー１及び６が、事実上同じ空間情報を検出する、という利点を有する。

半導体SiまたはGaAsの安定化のために必要な安定化層（例えばSiNから作られる）は、図３及び図４には示されていない（続く図５にも不図示）。

従って、図４は、本発明による直列ラインセンサーの第一の実現バリエーションを示す。Ｘ線放射線Ｒは、放射平面２１を規定する、センサーヘッドハウジング（壁１５）におけるスリット開口部１４を通過する。センサーヘッドハウジングは、収容する電子回路２、２０ａ及び２０ｂに、ある種の放射線防護を既に提供しているが、設計上の理由（ハウジングの寸法、厚み及び重量）により、特に信号評価電子回路２のより長い耐用年数を保証するには、不十分である。従って、高吸収材料（ここでは、非導電性として酸化ジルコニウム、設計が導電性材料を許容する場合、タングステンまたは鉛が用いられてもよい）の二つの吸収体３、２２が、電子エレメント２、２０ａ、２０ｂの防護のために、Ｘ線源とビーム径路における電子回路との間にあるように、相互接続デバイス５の上に配置される。

しかしながら、Ｘ線放射線が実際のセンサーエレメント１及び６に到達可能とするために、これらのエレメント１、６は、特有のセンサーキャリア４、７上に取り付けられ、このことは、センサー１及び６が、吸収体３の放射線の影の中にないことを保証する。従って、センサーキャリア４及び７は、本検出器において、三つの機能を有する。一方では、それらは、センサー材料の熱膨張係数を、基板（例えば、有機回路基板材料または無機酸化アルミニウム）の熱膨張係数に適合させる機能を果たす。他方では、これらは、高電圧供給のために、基板とセンサーとの間の導電性接続の機能を果たす。さらに、吸収体３及びスリット１４に対するセンサー１、６の正確な位置調整の機能を果たす。

Ｘ線センサー１、６の各ピクセル電極１６ａ、１６ｂの増幅電子回路２への接続は、ワイヤーボンド１７を通じて行われる。

図５ａから図５ｃは、二つの異なるエネルギー選択的Ｘ線センサー１及び６を有する、本発明によるさらなる直列Ｘ線検出器を示す。ここでも、同一の参照番号（図３および図４と比較した場合）は、異なる位置にある場合でも、同一の構成要素を指す。

二つのＸ線センサー１及び６は、図５に示すＸ線検出器において、（ｘ方向で見た場合）ハウジング壁１５における空隙１４の高さで、Ｘ線放射平面２１に配置されている（また、以下に示す差異を除いて、図４に示すケースと同様に形成され、配置される）。Ｘ線検出器の他の全ての構成要素は、少なくとも部分的に、壁１５のＸ線放射線の影ＳＢの中に配置され、電子部品８、２０ｂは、基板５の下面１０に配置されるＸ線吸収体３のＸ線放射線の影Ｓの中にも配置され、または、電子部品２０ａは、基板５の上面９で、放射方向Ｅで見た場合に二つのＸ線センサー１及び６の後方に配置され、その他の点ではＸ線吸収体３と同様に形成される、さらなるＸ線吸収体２４の放射線の影の中にある。

従って、放射方向Ｅで見た場合、第一のＸ線センサー１、第二のＸ線センサー６、電子部品２０ａを防護するＸ線吸収体２４、及び電子部品２０ａは、基板５の上面９に並んで固定されている。放射方向Ｅで見た場合、Ｘ線吸収体３が、まず、放射方向Ｅで見た場合、ハウジング開口部１３に対向する側の基板５の下面１０に配置され、Ｘ線放射線の影Ｓの中で見た場合、信号評価電子回路８及びさらなる電子部品２０ｂが、その後方で、この順に配置されている。ここで、信号評価電子回路８は、ｙまたはＥ方向で見た場合、二つのＸ線センサー１及び６の高さで下面１０に、すなわち、これら二つのセンサーの反対側の下面１０の領域１１に配置されている。

図３及び図４に示す実施形態とは対照的に、本ケースでは、電子的接続は、以下のように構成されている。二つのセンサー１及び６には、フリップフロップ接点１８により、基板５の上面９に形成される対応する導電性トラック（不図示）が直接備えられている。これらの導電性トラックは、基板５を適切に貫通し、基板５の上面９と下面１０との間に形成される、導電性モールド加工貫通孔（経路１２）を介して、基板５の下面１０に接続される。そして、下面１０に存在する経路１２は、Ｘ線放射線の影Ｓ内において、ボンドワイヤー１７を介して、信号評価電子回路８に通じる。

図５ｂに示すように、評価電子回路８は、ここでは、複数の各ASIC８ａから８ｈを含み、各ASICは、（図５ａの）対応するセンサー１、６の32ピクセル１６ａ、１６ｂに接続される。

従って、エネルギー選択的で、放射線防護機能が一体化された、本発明による直列Ｘ線検出器を実現した図５に示すバリエーションは、ASIC８ａ、８ｂ．．．とは反対側の基板表面に取り付けられる二つのセンサー１及び６を示す。従って、これらの集積回路８ａ．．．は、スリット１４を通じた直接のビーム径路から既に移動されている。また、放射線吸収体３が、増幅電子回路８の前方に配置されている。上面では、放射方向Ｅで見た場合に、後方のセンサー６とさらなる電子部品２０ａとの間に配置される、Ｘ線吸収体２４が、さらなる電子部品を防護する。

センサー１、６のピクセル電極１６ａ、１６ｂの、回路８ａ、８ｂ．．．の対応する入力への接続は、センサー側のフリップフロップ接点１８と、下面または回路側の対応するワイヤーボンド接続１７により（経路１２を介した接続によって）行われる。従って、基板５を通じたセンサー信号の増幅電子回路８への伝達は、基板を通じた対応する孔による導電性経路１２により、行われる。この場合、高電圧の供給は、センサー１、６と、基板５の上面９に印刷された対応する供給ライン（不図示）との間のワイヤーボンド接続２５により、行われる。

さらに、図６は、本発明によるＸ線検出器の第一のＸ線センサー１のピクセル構造１６ａの（詳細）写真を示す。32個の各ピクセル１６ａが、信号評価電子回路２（または８）のASICと関連している。

図７は、対応するＸ線検出器の平面図を示し、それぞれが32チャネルを有する各ASIC２、（第一の）Ｘ線センサー１及びＸ線吸収体３が観察可能である。

DE 197 11 927 A1 DE 10 2009 008 702 A1 DE 10 2007 010 639 A1

Claims (10)

1. Ｘ線放射線（Ｒ）を電荷キャリアに直接変換する第一のＸ線センサー（１）と、
   前記第一のＸ線センサー（１）に電気的に接続（１７）され、集積回路として設計される、信号評価電子回路（２）と、
   前記信号評価電子回路（２）を防護するために設けられるＸ線吸収体（３）と、
   前記Ｘ線吸収体（３）に対して前記第一のＸ線センサー（１）を位置調整するために設けられ配置される、第一のセンサーキャリア（４）と、
   前記Ｘ線放射線（Ｒ）を電荷キャリアに直接変換するとともに、前記信号評価電子回路（２）に同様に電気的に接続される（１７）、第二のＸ線センサー（６）と、
   前記Ｘ線吸収体（３）に対して前記第二のＸ線センサー（６）を位置調整するために設けられる、第二のセンサーキャリア（７）と、
   を含むＸ線検出器であって、
   前記Ｘ線放射線（Ｒ）の入射方向（Ｅ）で見た場合に、前記信号評価電子回路（２）が、前記Ｘ線吸収体（３）の後方で、そのＸ線放射線の影（Ｓ）の中に配置されるとともに、前記第一のＸ線センサー（１）が、前記Ｘ線吸収体（３）と前記信号評価電子回路（２）との間に配置される前記第一のセンサーキャリア（４）により、少なくとも部分的に前記Ｘ線吸収体（３）の後方で、その前記Ｘ線放射線の影（Ｓ）の外側に配置されるとともに、
   前記Ｘ線放射線（Ｒ）の前記入射方向（Ｅ）で見た場合に、前記第二のＸ線センサー（６）が、前記第一のＸ線センサー（１）の後方に配置されるとともに、前記第一のセンサーキャリア（４）と前記信号評価電子回路（２）との間に配置される前記第二のセンサーキャリア（７）により、前記Ｘ線吸収体（３）の後方で、その前記Ｘ線放射線の影（Ｓ）の外側に配置される、Ｘ線検出器。
2. 前記Ｘ線吸収体（３）と、前記第一のセンサーキャリア（４）と、前記信号評価電子回路（２）とが、基板（５）、特に回路基板に共に配置され、前記Ｘ線放射線（Ｒ）の前記入射方向（Ｅ）で見た場合に、その順番で配置され、
   前記入射方向（Ｅ）に垂直な、及び前記基板（５）の平面（ｙ、ｚ）に垂直な方向（ｘ）で見た場合に、前記基板（５）と前記第一のＸ線センサー（１）との間に配置される、前記第一のセンサーキャリア（４）の材料が、前記基板（５）の材料の熱膨張係数と、前記第一のＸ線センサー（１）の材料の熱膨張係数の間にある熱膨張係数を有し、及び／または、前記第一のＸ線センサー（１）の熱膨張係数を前記基板（５）の熱膨張係数に適合させ、
   及び／または、
   前記Ｘ線放射線（Ｒ）の前記入射方向（Ｅ）に垂直に、及び前記基板（５）の平面（ｙ、ｚ）に垂直に見た場合に、前記第一のセンサーキャリア（４）が前記Ｘ線吸収体（３）と同一の寸法を有し、及び／または、完全に前記Ｘ線吸収体（３）の前記Ｘ線放射線の影（Ｓ）の中に位置すること、
   を特徴とする請求項１に記載のＸ線検出器。
3. 前記Ｘ線吸収体（３）と、前記第一のセンサーキャリア（４）と、前記信号評価電子回路（２）とが、基板（５）、特に回路基板上において、前記Ｘ線放射線（Ｒ）の前記入射方向（Ｅ）で見た場合に、その順番で配置され、
   前記Ｘ線放射線（Ｒ）の前記入射方向（Ｅ）に垂直に、及び前記基板（５）の平面（ｙ、ｚ）に垂直に見た場合に、前記第二のセンサーキャリア（７）が前記Ｘ線吸収体（３）と同一の寸法を有し、及び／または、前記第一のセンサーキャリア（４）及び／または前記第二のセンサーキャリア（７）が、完全に前記Ｘ線吸収体（３）の前記Ｘ線放射線の影（Ｓ）の中に配置され、
   及び／または、
   前記入射方向（Ｅ）に垂直な、及び前記基板（５）の平面（ｙ、ｚ）に垂直な方向（ｘ）で見た場合に、前記基板（５）と前記第二のＸ線センサー（６）との間に配置される、前記第二のセンサーキャリア（７）の材料が、前記基板（５）の材料の熱膨張係数と、前記第二のＸ線センサー（６）の材料の熱膨張係数の間にある熱膨張係数を有し、及び／または、前記第二のＸ線センサー（６）の熱膨張係数を前記基板（５）の熱膨張係数に適合させること、
   を特徴とする請求項１に記載のＸ線検出器。
4. 前記第一のセンサーキャリア（４）及び／または前記第二のセンサーキャリア（７）が、導電性で、及び、前記第一のＸ線センサー（１）及び／または前記第二のＸ線センサー（６）の電圧供給のために設けられること、
   を特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のＸ線検出器。
5. 前記二つのＸ線センサー（１、６）が、前記Ｘ線放射線（Ｒ）の異なるスペクトル部分を吸収するように構成され、前記第一のＸ線センサー（１）が、前記Ｘ線放射線（Ｒ）の低エネルギー部分を吸収し、前記第二のＸ線センサー（６）が、前記Ｘ線放射線の高エネルギー部分を吸収するように設けられ、及び／または、異なる原子数の半導体材料を含み、
   及び／または、
   前記二つのＸ線センサー（１、６）の一方が、Siを含み、前記二つのＸ線センサー（１、６）の他方が、GaAsを含むこと、
   を特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のＸ線検出器。
6. スリット形状の開口部（１４）を備えるビーム停止部（１３）であって、
   前述したエレメント（１）から（１２）を収容するために形成され、
   前記Ｘ線放射線（Ｒ）の前記入射方向（Ｅ）で見た場合に、
   前記第一のＸ線センサー（１）の前方、または、前記第一のＸ線センサー（１）及び前記第二のＸ線センサー（６）の前方に配置され、
   前記第一のＸ線センサー（１）、または、前記第一のＸ線センサー（１）及び前記第二のＸ線センサー（６）が、前記ビーム停止部（１３）の壁（１５）の前記Ｘ線放射線の影（ＳＢ）の中には配置されずに、前記開口部（１４）の後方に配置されるように、位置合わせされるビーム停止部（１３）として設けられるハウジングの一部であるビーム停止部、
   を特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のＸ線検出器。
7. 前記Ｘ線吸収体（３）と、前記第一のセンサーキャリア（４）と、前記信号評価電子回路（２）とが、基板（５）、特に回路基板上において、前記Ｘ線放射線（Ｒ）の前記入射方向（Ｅ）で見た場合に、その順番で配置され、
   前記第一のＸ線センサー（１）、及び／または、前記第二のＸ線センサー（６）が、前記Ｘ線放射線（Ｒ）の前記入射方向（Ｅ）に垂直な方向（ｚ）、及び、前記基板（５）の平面（ｙ、ｚ）で見た場合に、前記Ｘ線放射線（Ｒ）の空間分解検出のための、複数の個々のピクセル（ラインセンサー構造１６ａ、１６ｂ）を有し、
   該個々のピクセルは、センサー信号を前記信号評価電子回路（２）に伝達するために、ボンドワイヤー（１７）及び／またはフリップフロップ接点（１８）を介して前記信号評価電子回路（２）に電気的に接続されること、
   を特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のＸ線検出器。
8. Ｘ線センサー（１、６）双方が、ラインセンサー構造（１６ａ、１６ｂ）を有し、前記Ｘ線放射線（Ｒ）の前記入射方向（Ｅ）で見た場合に、前記入射方向（Ｅ）に平行に投影される前記第一のＸ線センサー（１）のピクセル（１６ａ）が、前記第二のＸ線センサー（６）のピクセル（１６ｂ）にちょうど重なるように、並んで配置され、同じ空間情報が、前記二つのＸ線センサー（１、６）で得られること
   を特徴とする請求項７に記載のＸ線検出器。
9. 前記第一のＸ線センサー（１）及び前記第二のＸ線センサー（６）が、別々に、及び互いに独立して、電圧を供給可能であること、
   を特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のＸ線検出器。
10. Ｘ線センサー（１、６）双方が、ラインセンサー構造（１６ａ、１６ｂ）を有し、
    複数のＸ線検出器が、それらの基板面が平行であるように互いに積み重ねられ、平面（ｘ、ｚ）におけるそれらの第一のＸ線センサー（１）、または、第一のＸ線センサー（１）及び第二のＸ線センサー（６）の前記ラインセンサー構造（１６ａ、１６ｂ）が、前記Ｘ線放射線（Ｒ）の前記入射方向（Ｅ）に垂直で見た場合に、二次元ピクセル配列の形態の二次元エリアセンサー構造を形成すること、
    を特徴とする、請求項８または９により形成される複数のＸ線検出器の配置。