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| タイトル： | 公開特許公報(A)_半導体放射線検出器及び産業用Ｘ線ＣＴ装置 |
| 出願番号： | 2007112480 |
| 年次： | 2008 |
| IPC分類： | G01N 23/04,G01T 1/24 |
特許情報キャッシュ
上村 博 額賀 淳 JP 2008268038 公開特許公報(A) 20081106 2007112480 20070423 半導体放射線検出器及び産業用Ｘ線ＣＴ装置 株式会社日立製作所 000005108 井上 学 100100310 上村 博 額賀 淳 G01N 23/04 20060101AFI20081010BHJP G01T 1/24 20060101ALI20081010BHJP JPG01N23/04G01T1/24 5 1 ＯＬ 10 2G001 2G088 2G001AA01 2G001BA11 2G001CA01 2G001DA01 2G001DA08 2G001GA01 2G001HA14 2G001NA17 2G001NA18 2G001PA12 2G001QA01 2G001SA02 2G088EE29 2G088FF02 2G088GG21 2G088JJ04 2G088JJ09 2G088JJ23 2G088JJ29 2G088JJ37 本発明は、半導体放射線検出器及び産業用Ｘ線ＣＴ装置に関する。 非特許文献１には、放射線の入射方向と略平行な面に電極を形成した半導体結晶を用いた半導体放射線検出器を開示する。この検出器は、Ｓｉ結晶の相対する２面のうちの１面にバイアス用電極を、他の面に信号取り出し用電極を形成した半導体結晶を有する。そして、半導体結晶は、ヘビイメタル製ベース板の上面に設けられたフレキシブル基板(FPC)に接着され、半導体放射線検出器を構成する。この検出器は、産業用Ｘ線ＣＴ装置に使用されている。 また、特許文献１に記載されているように、産業用Ｘ線ＣＴ装置の性能向上を目的として、Ｓｉよりも密度が大きな化合物半導体ＣｄＴｅを用いて、産業用Ｘ線ＣＴ装置の検出器を製作することも試みられている。特開２００５−２７４１６９号公報H.Miyai, et. Al.：“A High Energy X-Ray Computed Tomography Using Silicon Semiconductor Detectors,”1996 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record, Vol.2, pp816-820, Anaheim, CA, USA (1996) 産業用Ｘ線ＣＴ装置に用いるＸ線発生装置（加速器）から発生するＸ線の最大エネルギーは、撮影対象により異なり、１２ＭｅＶから１ＭｅＶと広範囲にわたる。Ｘ線のエネルギーが低い場合、ベース板による放射線遮蔽効果は低くても良い。そのため、ベース板を薄くでき、検出器の配列ピッチを狭くできる。そして、Ｘ線ＣＴ装置の画像分解能を向上できる。しかし、ベース板はセンサホルダに固定する役割も有する。そのため、ベース板を薄くすると、センサホルダへの組み込み時などにベース板がたわむため、半導体結晶に応力がかかり、検出器の性能が劣化する可能性があった。 本発明では、組み立て強度を保持したまま、厚さを薄くした半導体放射線検出器を実現することを目的とする。 本発明は、フレキシブル基板と、該フレキシブル基板に相対する遮蔽板と、一対の前記フレキシブル基板と前記遮蔽板の間に、半導体結晶と、該半導体結晶の側面側に設けられたベース板を備えることを特徴とする。 本発明によれば、組み立て強度を保持したまま、厚さを薄くした半導体放射線検出器を実現できる。 半導体放射線検出器を用いた産業用Ｘ線ＣＴ装置は、物体の内部形状を観察，計測するために、非常に有用な非破壊検査装置である。このため、最近では自動車会社を中心に、開発品の形状計測や、鋳造品の巣の分布計測などに活用されるようになってきた。大型鋳造品などの断層像を撮影するためには、透過力の高い高エネルギーＸ線を出射する加速器をＸ線源に用いたＸ線ＣＴ装置が開発されている。非特許文献１には、電子線形加速器をＸ線源とし、短冊形のＳｉ結晶を半導体放射線検出器に用いた産業用Ｘ線ＣＴ装置が示されている。このＸ線ＣＴ装置は、被試験体をＸ線ファンビームに対して垂直な軸周りに１回転させて断層像を撮影する、いわゆる第３世代方式のＣＴ装置である。 図７は第３世代方式のＣＴ装置である産業用Ｘ線ＣＴ装置の構成を示す。産業用Ｘ線ＣＴ装置１３は、Ｘ線ファンビーム２を出力する電子線形加速器１（Ｘ線源）と、被試験体１４を設置するスキャナ３，被試験体１４を透過してきたＸ線を検出する半導体放射線検出器４−１から４−５１２と、半導体放射線検出器４のＳ／Ｎ比を向上させるために、隣接する検出器への散乱Ｘ線の入射を抑えるコリメータ７，半導体放射線検出器４の出力信号を増幅し、デジタル信号に変換する信号処理装置１０、および信号処理装置１０からのデジタルデータを収集すると共に装置全体を制御する制御装置６，画像の再構成を行う画像再構成装置１１，画像再構成により作成された画像やその他の情報を表示する表示装置８，制御装置６からの制御指令により電子線形加速器１，スキャナ３、及び信号処理装置１０の動作を制御するコントローラ９を備える。本図の産業用Ｘ線ＣＴ装置１３は、被試験体を回転させて１断面を撮影する第３世代のＸ線ＣＴ装置を示す。スキャナ３は回転機能のほかに、被試験体１４の各高さの断面撮影を行うために上下に動作する機能を持つ。 電子線形加速器１は、制御用ケーブル１６によりコントローラ９に接続され、該コントローラ９によりＸ線ファンビーム２の発生・停止が制御される。スキャナ３も同様に制御ケーブル１５で該コントローラ９に接続され、スキャナの回転・上下位置の調整が行われる。 半導体放射線検出器４は、後述のＳｉ結晶やＣｄＴｅ結晶が使われ、ファンビーム２の発生点を見込むように一列に配置される。半導体放射線検出器４はセンサホルダ５に固定されている。コリメータ７の細い穴は、ファンビーム２の発生点と半導体放射線検出器４との直線上に位置する。そして、各検出器は、コリメータ７の穴を通って入射するＸ線を検出する。 図７では５１２個の検出器が設置されており、検出器数が多いほど撮影解像度が向上する。スキャナ３の回転と同期して一定角度ごとに、電子線形加速器１が被試験体１４にＸ線パルスを出射する。Ｘ線検出器４は、被試験体１４を透過してきたＸ線を検出する。半導体放射線検出器４から出力されたＸ線量に対応する信号は、信号処理装置１０で増幅され、デジタル信号に変換される。その後、信号ケーブル１７を介して制御装置６を経由して、画像再構成装置７に送られ、ＣＴ画像の再構成に用いられる。 ここで、比較例として、半導体放射線検出器の構造を説明する。 シリコン（Ｓｉ）結晶を用いた半導体放射線検出器では、１から１０ＭｅＶの高エネルギーＸ線において、２０％程度の検出効率が得られる。なお、検出器サイズやＸ線エネルギーにより検出効率が異なる。現在、シリコン結晶を用いた半導体放射線検出器が高エネルギーＣＴ装置に使用されている。 図６は、半導体放射線検出器４の構造を示し、比較例の構造を示す立面図（図６の上側に示す図）と平面図（図６の下側に示す図）である。Ｘ線は本図に示すように、本図左方からＳｉ結晶５０に入射する。なお、図６の立面図において、Ｓｉ結晶５０にＸ線が入射する面を、半導体放射線検出器の前側とする。また、ベース板５４に対して、フレキシブル基板５３を接着した面（Ｓｉ結晶５０が見える面）を、半導体放射線検出器の上側と定義する。 Ｓｉ結晶５０はフレキシブル基板５３に接着されており、Ｓｉ結晶の大きさは縦３mm×横４０mm×高さ０.４mmである。 ベース板５４はタングステン合金製で、半導体放射線検出器をセンサホルダに固定すると同時に、隣接する半導体放射線検出器から入射して散乱するＸ線や反挑電子を遮蔽して、クロストーク電流の発生を防止する役割を担う。このため、ベース板５４には、密度の大きい金属材料を使用する必要がある。 短冊状の半導体放射線検出器の厚さは、ベース板，フレキシブル基板，Ｓｉ結晶、及びそれらを接着する接着剤の厚さで決定される。そのため、半導体放射線検出器の厚さは、ベース板５４の厚さ（０.５mm）＋フレキシブル基板５３の厚さ（０.１mm）＋Ｓｉ結晶５０の厚さ（０.４mm）となり、接着剤の厚さを含めると、１.２mmとなる。また、半導体放射線検出器の配列ピッチは約１.３mmとなっている。 Ｓｉ結晶５０の上下面には、電極５１と電極５２が蒸着されて、シリコン半導体センサを構成している。フレキシブル基板５３側の電極５２とプリント配線端子５７は、導電性接着剤により接着部５８で接続される。上方の電極５１は、Ｓｉ結晶５０の内部周辺で下方の電極６１と導通しており、電極６１が接着部５９でプリント配線端子５６に接続される。Ｓｉ結晶５０の側面は、ダイシングによりＳｉウェハから切り出されたダイシング面となっている。ダイシング面は電極面と比較すると、微視的な凹凸が多いため、湿気等の外気に不安定なことが予想される。そこで、シリコン樹脂保護膜６４を塗布し、外気を遮断する構造になっている。 本図左には、Ａ−Ａ′面での断面構造を示す。本検出器のＳｉ結晶は、ｎ型半導体で電極５２近傍６３がｐ型にドープされたｐｎダイオード構造となっている。同時に、Ｓｉ結晶の周辺部６２はｎ+ にドープされている。そのため、前述のように電極５１と電極６１は導通でき、本検出器ではフレキシブル基板５３側から２つの電極の配線を引き出すことができる。Ｓｉ結晶５０のダイシング面は、周辺部６２により表面の電極５１と導電位に保持されている。電極５１と５２の間には、通常３０から５０Ｖ程度のバイアス電圧をかける。 図８は、半導体放射線検出器４をセンサホルダ５に設置する際の構造を示す。本図ではセンサホルダ５と、半導体放射線検出器４−１，４−２，４−３の位置関係を示している。各検出器は、センサホルダ５の上下に設けられたスリットに、検出器のベース板５４を差込んで固定する。そして、コリメータ７の穴１２と、Ｓｉ結晶５０の前方側の側面（即ち、縦３mm×高さ０.４mm の面積）を一致させるように、検出器を設置する。本図では、半導体放射線検出器４−１のＳｉ結晶が、センサホルダ５の前側にあるコリメータ７の穴１２−１に一致するように設置されている。半導体放射線検出器４−２，４−３のＳｉ結晶も、それぞれ穴１２−２，１２−３に一致するように設置される。検出器を設置することのできる最小ピッチは、検出器の厚さで制限される。 産業用Ｘ線ＣＴ装置のＸ線発生装置（電子線形加速器）から発生するＸ線の最大エネルギーは、撮影対象により異なり１２ＭｅＶから１ＭｅＶと広範囲にわたる。Ｘ線のエネルギーが低い場合には、ベース板による放射線遮蔽効果は小さくてすむ。そのため、ベース板を薄くでき、検出器の配列ピッチを狭くでき、その結果、ＣＴ装置の画像分解能を向上できる。しかし、ベース板はセンサホルダへの固定機能を兼ねている。そのため、ベース板を薄くするとセンサホルダへの組み込み時などにたわむため、半導体結晶に応力がかかって検出器の性能が劣化する可能性がある。このため、組立強度を保持するには、ベース板の厚さを０.５mmとする必要があった。 また、Ｓｉ結晶５０の厚さは、強度の観点から０.４ ミリより薄くすることは困難である。このため、図６の構造では、検出器の厚さを１.２mm 以下にすることは困難であった。 一方、産業用に良く用いられる１ＭｅＶのＣＴ装置では、隣接する検出器にＸ線が入射し、内部でコンプトン散乱した場合の反跳電子の最大エネルギーは約１ＭｅＶである。ヘビイメタルでの１ＭｅＶの電子飛程は０.３mm 程度である。したがって、放射線を遮蔽するために必要な遮蔽板の厚さは、０.３ミリ 程度あればよい。また隣接検出器へのクロストークが少し増加することを許せば、０.１から０.２mmも許容できる。そのため、ベース板を薄くすれば、検出器の配列ピッチを小さくでき、Ｘ線ＣＴ画像の高分解能化を実現できる。 そこで、本発明は、ベース板の厚さをセンサホルダへの組み立て強度を保持しうる厚さとして、放射線を遮蔽する遮蔽板を、ベース板と別に設けている。 図１は、本発明に係る半導体放射線検出器の構造図を示す。本実施例では、Ｓｉ結晶及びＳｉ結晶を接着するフレキシブル基板を確実に保持するとともに、Ｓｉ結晶を収納するベース板を設けている。また、隣接する放射線検出器から流入する放射線を遮蔽するために、別に遮蔽板を設けている。 Ｓｉ結晶２０は、比較例と同様にフレキシブル基板２１に接着されている。Ｓｉ結晶の両面には比較例と同様の電極を有するが、本図ではその表示を省略してある。フレキシブル基板２１には配線パターン２５と２７が配線され、その端には検出器のバイアス電圧供給と信号電流取り出しのために、外部への接続端子２６と２８を備える。なお、フレキシブル基板の厚さは０.１mmである。 フレキシブル基板２１は、図２に示す形状のベース板２２に貼り付けられている。比較例との違いは、ベース板の上側にフレキシブル基板を貼り付ける（即ち、ベース板の上側にＳｉ結晶を載せる）のではなく、ベース板２２の切れ込み部分（凹部）にＳｉ結晶２０を格納するように、ベース板２２の下側にフレキシブル基板２１を取り付けることである。ベース板２２は、コの字状に製作されている。ベース板２２の厚さは、比較例と同じ０.５mm である。フレキシブル基板２１とベース板２２の接着面は、Ｓｉ結晶２０とフレキシブル基板２１の接着面と同一になる。このため、フレキシブル基板２１上の配線パターン２５と２７は、ベース板２２と絶縁されるように構成されている。また、Ｓｉ結晶２０の周囲には、比較例と同様に、シリコン樹脂２４を塗布することにより保護されている。 図１の左側には、Ｘ線入射方向から半導体放射線検出器４０４を見た図が記載されている。半導体結晶は、フレキシブル基板と遮蔽板の間に挟まれるように配置されているとともに、半導体結晶の側面側にベース板が配置されている。 放射線の遮蔽板２３はヘビイメタル製であり、フレキシブル基板２１に相対する位置に設けられている。ベース板２２の厚さが０.５mm、Ｓｉ結晶の厚さが０.４mmのため、遮蔽板２３とＳｉ結晶２０が接触する恐れはない。ベース板はさらに薄くしても良いが、Ｓｉ結晶の厚みよりは厚くする必要がある。 図１において、放射線を遮蔽する役割は遮蔽板２３が担う。そのため、ベース板２２は高価なヘビイメタル製を使用する必要は無く、形状を精度良く製作でき、強度のある材料（例えば、ステンレス，黄銅などの金属や、エンジニアリングプラスチック，セラミックなど）を使用できる。本実施例ではステンレススチールを使用している。 遮蔽板２３の厚さは、Ｘ線のエネルギーや必要とする分解能に応じて自由に変更できる。半導体放射線検出器の機械的強度は、ベース板２２により確保されるからである。本実施例では、遮蔽板２３の厚さは、０.２mm とした。したがって、半導体放射線検出器の厚さは、フレキシブル基板２１の厚さ（０.１mm）＋ベース板２２の厚さ（０.５mm）＋遮蔽板２３の厚さ（０.２mm）となり、実施例では０.８mmとなる。 このように、Ｓｉ結晶２０は、一対のフレキシブル基板２１と遮蔽板２３の間に設けられると共に、ベース板２２がＳｉ結晶２０の側面側に位置するように、ベース板２２の切れ込み部にＳｉ結晶２０を収納する。そのため、Ｓｉ結晶の厚み分だけ、半導体放射線検出器の厚さを薄く出来る。また、ベース板が半導体結晶とフレキシブル基板を保持するとともに、半導体放射線検出器の強度を確保する。そして、遮蔽板をベース板に貼り付ける構造としたので、遮蔽板の厚さを自由に変更でき、半導体放射線検出器を薄くできる効果がある。 図３は本実施例に係る半導体放射線検出器を使用した産業用Ｘ線ＣＴ装置の一例の構成を示す図である。図７と比較すると、本実施例に示す半導体放射線検出器４０４を使用する点が異なる。半導体放射線検出器４０４以外の構成は、図７と同様である。 図４は、半導体放射線検出器４０４をセンサホルダ５に設置した構造を示す。本図ではセンサホルダ５と、半導体放射線検出器４０４−１，４０４−２，４０４−３との位置関係を示している。なお、図４では、複数個の検出器のうち、３個を代表して示す。 各検出器は、センサホルダ５の上下に設けられたスリットに、ベース板２２を差込み、固定する。そして、コリメータの穴４２０とＳｉ結晶の前方側面を一致させて、検出器を設置する。本図では、半導体放射線検出器４０４−１のＳｉ結晶２０が、センサホルダの前側にあるコリメータ７の穴４２０−１に一致するように設置されている。その他の半導体放射線検出器４０４−２，４０４−３も、それぞれ穴４２０−２，４２０−３に一致するように設置される。 検出器を設置できる最小ピッチは、検出器の厚さで制限される。しかし、本実施例では、遮蔽板２３の厚さを検出器本体（ベース板の厚さとフレキシブル基板の厚さを合わせた厚み）寸法を変更することなく、自由に変更できる。このため、ＣＴ装置の仕様に応じて、柔軟に検出器の厚さ，ピッチを変更することができる。特に、隣接する検出器間のピッチを狭めた高分解能の産業用Ｘ線ＣＴ装置を実現することができる。 なお、断層像の密度分解能を更に向上するためには、検出器自体の検出効率（感度）が高い方が望ましい。そのため、密度がシリコンの２倍以上大きいＣｄＴｅであれば、検出効率も約２倍向上できると考えられる。 ＣｄＴｅ結晶に設けられる電極は、ＣｄＴｅ結晶の上下に２つの電極が蒸着されている。Ｓｉ結晶と異なり、結晶内部にプロセスによる配線ができないためである。そのため、ＣｄＴｅ結晶では、上下の電極から信号線をボンディングで直接引き出す必要がある。そのほかの構造は、Ｓｉを用いた半導体放射線検出器と同様である。 図５は、他の実施例に係る半導体放射線検出器４０４の構造図を示す。本実施例では、フレキシブル基板２１を、図１のフレキシブル基板に比べて約２倍の長さとしている。そして、ベース板２２の下部（図５における下方向）に接着した後、残りの部分を折り曲げて、ベース板２２の上部に貼り付ける構造としている。この構造により、Ｓｉ結晶２０の上下を挟む２つのフレキシブル基板は、１枚のフレキシブル基板によって構成されている。なお、フレキシブル基板２１を同じ長さの２枚に分割して、ベース板２２の上下に設置しても良い。 Ｓｉ結晶２０はベース板２２とフレキシブル基板２１に囲まれ、外気とは遮断される。ベース板２２は、実施例１と同様にステンレススチールを用いている。したがって、実施例１においてＳｉ結晶の周囲に塗布していたシリコン樹脂は、不要になる。遮蔽板２３は、ベース板２２の下方に接着される。もちろん、実施例１と同様に、遮蔽板２３をベース板の上方に設置してもよい。 また、遮蔽板２３の厚さを半分とし、Ｓｉ結晶２０の上方側，下方側、各々に分割して設置することもできる。両側に設置すれば、半導体放射線検出器の外周側が、遮蔽板とベース板で囲まれることになる。そのため、Ｘ線が入射するＳｉ結晶の前方側を除いて、金属で蓋うことができ、検出器の取り扱いが容易になる。 本実施例によれば、実施例１と同様に、ベース板が半導体結晶とフレキシブル基板を保持するとともに、検出器の組立強度を確保する。また、遮蔽板をフレキシブル基板に貼り付ける構造としたので、遮蔽板の厚さを自由に変更でき、検出器を薄くできる効果がある。 実施例２の構成は、ＣｄＴｅ結晶でも同様に使用することができる。また、本実施例の半導体放射線検出器は、実施例１の検出器と同様に、産業用高エネルギーＸ線ＣＴ装置に適用できる。 さらに、ＮａＩなどの、Ｘ線入射により蛍光を発するシンチレータを短冊状にし、後方または側面に蛍光を受光するフォトダイオードを接着したＸ線検出器でも、適用可能である。シンチレータとフォトダイオードをフレキシブル基板に設置すれば、実施例１，２と同様の構造を適用できる。 本発明は産業用Ｘ線ＣＴ装置のＸ線検出部に利用でき、鋳造製品などの鋳巣検査や３次元形状データ取得，密度分布測定などに活用できる。本発明の一実施例の構成を示す図である。本発明の一実施例のベース板の形状を示す図である。本発明の一実施例を使用した産業用Ｘ線ＣＴ装置の構成図である。産業用Ｘ線ＣＴ装置のセンサホルダに、本発明の半導体検出器を設置したときの図である。本発明の実施例２の構成を示す図である。比較例に係る半導体放射線検出器の構成を示す図である。第３世代方式のＣＴ装置の構造を有する産業用Ｘ線ＣＴ装置の構成図である。産業用Ｘ線ＣＴ装置のセンサホルダに、比較例に係る半導体放射線検出器を設置したときの図である。符号の説明２０ Ｓｉ結晶２１ フレキシブル基板２２ ベース板２３ 遮蔽板２４ シリコン樹脂２５，２７ 配線パターン２６，２８ 接続端子 産業用Ｘ線ＣＴ装置に用いる半導体放射線検出器であって、 フレキシブル基板と、該フレキシブル基板に相対する遮蔽板と、一対の前記フレキシブル基板と前記遮蔽板の間に、半導体結晶と、該半導体結晶の側面側に設けられたベース板を備えることを特徴とする半導体放射線検出器。 産業用Ｘ線ＣＴ装置に用いる半導体放射線検出器であって、 第１のフレキシブル基板と、該第１のフレキシブル基板に相対する第２のフレキシブル基板と、一対の前記フレキシブル基板の間に、半導体結晶と、該半導体結晶の側面側に設けられたベース板を備えることを特徴とする半導体放射線検出器。 請求項２記載の半導体放射線検出器であって、 前記第１のフレキシブル基板と前記第２のフレキシブル基板が、１枚のフレキシブル基板によって構成されていることを特徴とする半導体放射線検出器。 請求項１乃至３記載の半導体放射線検出器であって、前記半導体結晶は、Ｓｉ結晶またはＣｄＴｅ結晶を用いることを特徴とする半導体放射線検出器。 請求項１乃至３記載の半導体放射線検出器を、Ｘ線検出器として使用することを特徴とする産業用Ｘ線ＣＴ装置。 【課題】 本発明では、組み立て強度を保持したまま、厚さを薄くした半導体放射線検出器を実現することを目的とする。【解決手段】 本発明は、フレキシブル基板と、該フレキシブル基板に相対する遮蔽板と、一対の前記フレキシブル基板と前記遮蔽板の間に、半導体結晶と、該半導体結晶の側面側に設けられたベース板を備えることを特徴とする。【効果】 本発明によれば、組み立て強度を保持したまま、厚さを薄くした半導体放射線検出器を実現できる。【選択図】図１