JP6877772B2 - 検出器 - Google Patents

Description

本発明は、放射線を検出する２次元ハイブリッドピクセルアレイ型の検出器に関する。

フォトンカウンティング方式の２次元ハイブリッドピクセルアレイ検出器においては、検出面に複数のピクセルが配置され、その背後にピクセルで検出された計数値を読み出す読み出しチップが配置される。読み出しチップは検出面より小さいため、検出面の背面には複数の読み出しチップがタイリングされるのが一般的である。

複数の読み出しチップをタイリングするためには、互いの読み出しチップ間に空隙を設ける必要がある。従来、チップ間の空隙に対しては、他の位置のピクセルとは異なり、空隙に合わせたピクセルが形成される。図８は、従来の検出部９１０および読み出しチップ９２０を示す背面図である。検出部９１０には、一律の形状のピクセル９１５が原則規則的に配置されているが、読み出しチップ９２０の縁間の付近では、ピクセル９１５の形状や位置が不規則であり、大きいピクセル９１５が配置されている。

図９は、従来のピクセル９１５と計数回路９２１の配置を示す背面図である。ピクセル９１５と計数回路９２１は同じ設定ピッチで配置されており、ピクセル９１５に対して割り当てられた計数回路９２１の領域全体が、ピクセル９１５に重複している。読み出しチップ９２０の縁の間付近には大きいピクセル９１５が配置されているため、検出信号の位置情報が喪失し、計数回路での数え落としも生じうる。図１０は、従来の検出データ画像を示す図である。図１０に示すように検出データ画像には、読み出しチップの縁間が他の領域とは異なる明度で表示される。このように読み出しチップの縁間の付近で他の領域とは検出条件が異なってしまい、生の計数値を補正する必要が生じる。

補正では、計数値は、空隙が無かったときに規則的に配置される仮想ピクセルの計数値に変換する方法が知られている。その際にはピクセルの面積比に応じた分配で計数値が補正される（例えば、非特許文献１，２参照）。

P. Kraft, A. Bergamaschi, Ch. Broennimann, R. Dinapoli, E. F. Eikenberry, B. Henrich, I. Johnson, A. Mozzanica, C. M. Schleputza P. R. Willmotta and B. Schmitta, "Performance of single-photon-counting PILATUS detector modules", Journal of Synchrotron Radiation, (2009). 16, 368-375 Marten Jan Bosma, "On the Cutting Edge of Semiconductor Sensors" , Institute for High Energy Physics, 21-12-2012

しかしながら、上記のように補正するとしても、隣接する読み出しチップの縁に重なる位置のピクセルを他の位置のピクセルよりも大面積とすると、そのピクセルで検出された放射線の強度を補正する際に位置情報が失われる。また、サイズの大きいピクセルを設けた場合には、回路の応答性が不十分な場合に数え落としが生じる。また、タイリングにおいて読み出しチップの間隔の狭さにより、実装時に縁の接触が生じ不良発生率が上昇する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、計数回路の設計により隣接する読み出しチップの縁付近で特殊形状のピクセルでなくても十分に接続を確保できる検出器を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の検出器は、放射線を検出する２次元ハイブリッドピクセルアレイ型の検出器であって、各ピクセルで領域内に入射した放射線を検出する検出部と、前記ピクセル毎に接続された計数回路を含む複数の読み出しチップと、を備え、検出面上の一定方向に沿って、前記ピクセルより前記計数回路の方が、設定ピッチが小さく、前記ピクセルと前記ピクセルに対応する計数回路の互いに占める領域が少なくとも部分的に重複し、前記重複する領域内で前記接続がなされていることを特徴としている。

このように、検出面上の一定方向に沿ってピクセルの設定ピッチより計数回路の設定ピッチの方が小さいため、隣接する読み出しチップの縁付近で特殊形状のピクセルでなくても十分に接続を確保できる。その結果、読み出しチップの縁に関わらずピクセルの形状および配置を設計でき、同一形状のピクセルを全面に配置できる。

また、従来は隣接する読み出しチップの縁付近において失われていた位置情報を正しく得ることができ、データの補正が不要になる。読み出しチップ間の位置にサイズの大きいピクセルを設けた場合には、回路の応答性が十分でないため数え落としが生じるが、ピクセルサイズを小さくでき、数え落としを防止できる。隣接する読み出しチップの縁の距離を大きくとることができるため、実装が容易になる。

（２）また、本発明の検出器は、前記複数の読み出しチップにおいて、隣の読み出しチップの縁に対向する自読み出しチップの縁に最も近い計数回路と前記ピクセルとの接続位置が前記縁側の領域にあることを特徴としている。これにより、ピクセルの設定ピッチより計数回路の設定ピッチを小さくしつつ互いの接続をすることができる。そして、隣接する読み出しチップの縁付近にピクセル配置のスペースを確保でき、他の領域のピクセルと同一形状のピクセルを配置できる。

（３）また、本発明の検出器は、前記読み出しチップにおいて、前記ピクセルと前記計数回路との接続位置が線対称または点対称に分布していることを特徴としている。これにより、ピクセルとそのピクセルに対応する計数回路との接続が容易になり、一定規格の接続で検出器を製造できる。

（４）また、本発明の検出器は、前記ピクセルの形状は、矩形であることを特徴としている。これにより、ピクセルサイズの調整や接続部分の配置等の設計やそれらを満たす検出器の製造が容易になる。

（５）また、本発明の検出器は、隣り合う前記読み出しチップの縁間の距離は、３０μｍ以上であることを特徴としている。これにより、隣り合う読み出しチップ同士を配置する際に求められる精度が緩和されるとともに、縁が接触することによる不具合を防止できる。

（６）また、本発明の検出器は、前記計数回路から端子側への接続は、バイア構造であることを特徴としている。これにより、複数の読み出しチップが設けられた検出モジュールの端部にリード線が不要になり、検出モジュール間を狭くした構成が可能になる。その結果、検出モジュールをつないで広い範囲を検出できる検出器を構成できる。

本発明によれば、計数回路の設計により隣接する読み出しチップの縁付近で特殊形状のピクセルでなくても十分に接続を確保できる。

第１の実施形態の検出システムの構成の一例を示す概略図である。 第１の実施形態の検出器およびデータ処理装置の機能的な構成を示すブロック図である。 第１の実施形態の（ａ）検出部および読み出しチップを示す背面図、（ｂ）検出部および読み出しチップを示す側断面図である。 第１の実施形態におけるピクセルと計数回路の配置例を示す背面図である。 第１の実施形態における読み出しチップ全体にわたって計数回路および接続部の配置例を示す背面図である。 読み出しチップ１２０内のバイア構造を示す側断面図である。 第２の実施形態における読み出しチップ全体にわたって計数回路および接続部の配置例を示す背面図である。 従来の検出部および読み出しチップを示す背面図である。 従来のピクセルと計数回路の対応関係を示す背面図である。 従来の検出データ画像を示す図である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

［第１の実施形態］
（検出システムの構成）
図１は、検出システム１０の構成の一例を示す概略図である。図１に示すように検出システム１０は、放射線源２０、試料Ｓ、検出器１００およびデータ処理装置５００で構成されている。

放射線源２０は、例えば、Ｘ線源であり、陰極であるフィラメントから放射された電子束を対陰極であるロータターゲットに衝突させてＸ線を発生させる。放射線源２０から放射されるＸ線は、いわゆるポイントフォーカスのＸ線ビームである。なお、放射線源２０は、α線、β線、γ線または中性子線の線源であってもよい。

ロータターゲットの外周面には、例えば、ＭｏまたはＣｕのような金属が設けられている。Ｍｏターゲットに電子が衝突したとき、特性線であるＭｏＫα線（波長０．７１１Å）を含むＸ線が放射される。Ｃｕターゲットに電子が衝突したとき、特性線であるＣｕＫα線（波長１．５４２Å）を含むＸ線が放射される。

試料Ｓは、試料支持装置により支持されている。検出器１００は、例えば試料Ｓで回折された回折線または蛍光Ｘ線のような放射線を検出する。データ処理装置５００は、検出された計数値を処理し、検出結果を出力する。検出器１００およびデータ処理装置５００の詳細については、後述する。

（検出器およびデータ処理装置の構成）
図２は、検出器１００およびデータ処理装置５００の機能的な構成を示すブロック図である。検出器１００は、例えばＸ線を検出するフォトンカウンティング方式のハイブリッドピクセルアレイ型の２次元半導体検出器である。ただし、２次元半導体検出器に限らず、１次元半導体検出器であってもよい。検出器１００は、単一の検出モジュール１０５で構成されていてもよいが、複数の検出モジュール１０５を備えていることが好ましい。検出モジュール１０５は、検出部１１０、読み出しチップ１２０を備えている。

検出部１１０は、複数の放射線受光用のピクセル１１５を有しており、各ピクセル１１５で領域内に入射した放射線を検出する。検出部１１０では、複数のピクセル１１５により検出面が形成されており、検出面全面に読み出しチップ１２０がタイリングされている。読み出しチップ１２０内にはピクセル１１５毎に割り当てられた計数回路１２１が設けられている。各ピクセル１１５の形状は、後述する計数回路１２１の配置により検出面全面で同一にすることができる。

各ピクセル１１５の形状は、三角形、六角形等の多角形であってもよいが、矩形であることが好ましい。これにより、ピクセルサイズの調整や接続部分の配置等の設計やそれらを満たす検出器の製造が容易になる。また、矩形は正方形であることが好ましい。

読み出しチップ１２０は、計数回路１２１およびカウンタ読み出し回路１２５を有する。計数回路１２１は、ピクセル１１５毎に割り当てられており、ピクセル１１５と割り当てられた計数回路１２１とはそれぞれ接続部１３０を介して電気的に接続されている。

計数回路１２１は、分別回路１２１ａおよびカウンタ部１２１ｂから構成されている。分別回路１２１ａは、複数のピクセル１１５の個々に接続されており、さらにはカウンタ部１２１ｂが、分別回路１２１ａの個々に接続されている。カウンタ読み出し回路１２５は、複数のカウンタ部１２１ｂに接続されている。

分別回路１２１ａは、ピクセル１１５のパルス信号を放射線波長ごとに分別して出力する。カウンタ部１２１ｂは、分別回路１２１ａによって波長毎に分別された信号のそれぞれの個数を計数する。カウンタ部１２１ｂは、例えば、分別回路１２１ａによって分別された数のパルス信号をそれぞれカウントできるように分別数と同じ数のカウンタ回路を内蔵する。カウンタ読み出し回路１２５は、読み出しチップ１２０ごとに各カウンタ部１２１ｂでカウントされたデータを読み出す。カウンタ読み出し回路１２５の出力信号は、エネルギーの閾値により分離された放射線検出データであり、データ処理装置５００に通信線を通して伝送される。

データ処理装置５００は、例えばパーソナルコンピュータである。パーソナルコンピュータは、例えば、演算制御するためのＣＰＵ、データを記憶するためのメモリ、メモリ内の所定領域に記憶されたシステムソフト、およびメモリ内の他の所定領域に記憶されたアプリケーションプログラムソフト等によって構成されている。

データ処理装置５００には、ユーザの入力を受け付ける入力部としてキーボード等が接続されている。また、データ処理装置５００には、ディスプレイやプリンタ等の出力部が接続されている。出力部は、データ処理装置５００からの指示に従って測定結果を出力する。

（検出部と読み出しチップ）
図３（ａ）は、検出部および読み出しチップを示す背面図である。図３（ａ）に示すように、検出部１１０の複数のピクセル１１５は、２次元的にアレイ化されており、一律の形状で原則規則的に配列されている。ただし、一部のピクセル１１５は形状や位置が不規則であってもよい。図３（ａ）に示す例では、検出部１１０に対して、矩形板状の読み出しチップ１２０がタイリングされており、隣り合う読み出しチップ１２０の互いの縁間にはわずかな空隙１２２が設けられている。

なお、図３（ａ）は、計数回路１２１および接続部１３０を省いて単純化して図示されている。また、検出モジュール１０５を背面（受光面の逆側）から見た図であるため、拡大図において、読み出しチップ１２０に隠れたピクセル１１５を破線で表している。

図３（ｂ）は、図３（ａ）の一定方向３ｂから見た検出部１１０および読み出しチップ１２０を示す側断面図である。図３（ｂ）に示すように、検出部１１０と読み出しチップ１２０とは、例えばバンプボンディングによる接続部１３０で接続されている。

隣り合う読み出しチップ１２０の縁間の空隙１２２の距離は、十分に大きくとることができ３０μｍ以上であることが好ましい。これにより、隣り合う読み出しチップ１２０同士を配置する際に求められる精度が緩和されるとともに、縁が接触することによる不具合を防止できる。

（ピクセルと計数回路）
図４は、ピクセル１１５と計数回路１２１の配置例を示す背面図である。図４に示すように、各ピクセル１１５に対して、読み出しチップ１２０内の計数回路１２１が設けられ、ピクセル１１５と計数回路１２１とが接続部１３０により接続されている。ピクセル１１５で放射線を検出したときの信号は接続部１３０で接続された固別に割り当てられた計数回路１２１に入り、計数される。

ピクセル１１５より計数回路１２１の方が、サイズ（ｘ、ｙ方向の長さ）は小さい。なお、図面では、分かりやすいようにピクセルを角の鋭い正方形で表し、計数回路を角丸の正方形で表しているが、実際にはこのような形状に限定されるものではない（以下同様）。

読み出しチップ１２０内の、隣の読み出しチップ１２０の縁に対向する縁に最も近い計数回路１２１において、ピクセル１１５と計数回路１２１との接続部１３０の位置が、計数回路１２１が占める領域のうち縁側の領域にあることが好ましい。例えば、計数回路１２１−１において、接続部１３０−１は、読み出しチップ１２０の隅側１／４の領域に入っている。

このような配置により、ピクセル１１５の設定ピッチより計数回路１２１の設定ピッチを小さくしつつ互いの接続をすることができる。そして、隣接する読み出しチップ１２０の縁付近で小さいピクセルでも十分に接続を確保でき、他の領域のピクセル１１５と同一形状のピクセル１１５を配置できる。なお、読み出しチップ１２０内の四隅の計数回路１２１の接続部１３０が縁側の領域にあることが効果的である。

また、図４に示す例では、検出面上のｘ、ｙ方向に沿って、ピクセル１１５より計数回路１２１の方が、設定ピッチが小さい。すなわち、ピクセル１１５の中心の配置間隔より計数回路の中心の配置間隔の方が小さくなっている。平均で、ピクセル１１５の設定ピッチより計数回路１２１の設定ピッチの方が必ず小さくなっており、各配置すべてでもピクセル１１５の設定ピッチより計数回路１２１の設定ピッチの方が小さいことが好ましい。

そして、ピクセル１１５の占める領域の一部とそのピクセル１１５に対応する計数回路１２１の占める領域の一部は、互いに厚み方向に重複している。重複する領域内に設けられた接続部１３０によりピクセル１１５と計数回路１２１とが接続されている。接続部１３０は、ワイヤなしで微細な球状の半田バンプによるバンプボンディングで形成されることが好ましく、その場合にはピクセル１１５と計数回路１２１とを短距離でコンパクトに接続できる。

その結果、読み出しチップ１２０の縁付近において補正なしで位置情報を正しく得ることができる。また、計数時の数え落としを防止でき、隣接する読み出しチップ１２０の縁間の距離を大きくとることができるため、互いの接触を回避しやすくなり実装が容易になる。

図５は、読み出しチップ１２０全体にわたって計数回路１２１および接続部１３０の配置例を示す背面図である。読み出しチップ１２０内に設けられた計数回路１２１は、ピクセル１１５よりｘ、ｙ方向の一辺が小さく、設定ピッチも小さい。そして、ピクセル１１５とそのピクセル１１５に割り当てられた計数回路１２１との重複領域上に接続部１３０が設けられている。

上記のような配置の結果、読み出しチップ１２０では、ピクセル１１５と計数回路１２１との接続部１３０の位置が検出面の中央付近の一点（直線Ｌ１と直線Ｌ２の交点）から外側に向かって分散して（間隔が広がりながら）分布している。このような配置が好ましく、その場合、計数回路１２１に対しては、接続部１３０の配置が読み出しチップ１２０の縁側に偏っていることになる。

このような接続部１３０の配置により、ピクセル１１５の設定ピッチより計数回路１２１の設定ピッチを小さくしつつ、バンプボンディングにより互いの接続を確実にとることができる。なお、上記の例を異なる視点で表すと、従来例に比べて複数の計数回路１２１が全体的に中央に寄せられた配置で設計されている。

また、読み出しチップ１２０では、ピクセル１１５と計数回路１２１との接続部１３０の位置がｘ方向に垂直な直線Ｌ１およびｙ方向に垂直な直線Ｌ２に対して対称である。このように、ピクセル１１５と計数回路１２１との接続部１３０の位置が線対称または点対称であることが好ましい。これにより、一定規格の接続で検出モジュールを製造できる。

図６は、読み出しチップ１２０内のバイア構造１２７を示す側断面図である。図６に示す例では、カウンタ読み出し回路１２５からデータ処理装置５００につながる通信線の端子までの信号線の一部分が、読み出し用パッド１２６およびバイア構造１２７で接続されている。読み出し用パッド１２６からワイヤボンディングで信号線を取り出すこともできるが、図６に示すようにバイア構造１２７を用いることにより、読み出しチップ１２０の裏面への接続が嵩張らず単純になる。このように複数の読み出しチップ１２０が設けられた検出モジュール１０５の端部にワイヤボンディングによるリード線を設ける必要がなくなり、検出モジュール１０５同士の間を狭くしたほとんど継ぎ目のない構成が可能になる。その結果、検出モジュール１０５をつないで広い範囲を検出できる検出器を構成できる。

また、図６に示すように、各ピクセル１１５の設置間隔より計数回路１２１の設置間隔が小さいため、読み出しチップ１２０の最外周の計数回路１２１より外側にピクセル１１５が設けられている。その外側のピクセル１１５に重なる位置（計数回路１２１の集合の外周部）にカウンタ読み出し回路１２５および読み出し用パッド１２６を配置できるため、検出面に垂直な方向から見た時に読み出しチップ１２０全体を検出部１１０の縁より内側に収めることができる。

［第２の実施形態］
上記の実施形態では、接続部１３０が規則的に配置されているが、必ずしも規則的に配置されている必要はない。図７は、読み出しチップ２２０全体にわたって計数回路２２１および接続部２３０の配置例を示す背面図である。図５に示す配置例に比べると図７に示す配置例では、ピクセル２１５と計数回路２２１のサイズの差が小さい。そのため、互いの重複領域を十分広く確保できるため、接続部２３０の配置の自由度が大きくなる。したがって、図７に示すように接続部２３０の不規則な配置も可能になる。

１０ 検出システム
２０ 放射線源
Ｓ 試料
１００ 検出器
１０５ 検出モジュール
１１０ 検出部
１１５、２１５ ピクセル
１２０、２２０ 読み出しチップ
１２１ａ 分別回路
１２１ｂ カウンタ部
１２１、１２１−１、２２１ 計数回路
１２２ 空隙
１２５ カウンタ読み出し回路
１２６ 読み出し用パッド
１２７ バイア構造
１３０、１３０−１、２３０ 接続部
５００ データ処理装置

Claims (5)

1. 放射線を検出する２次元ハイブリッドピクセルアレイ型の検出器であって、
   検出領域を区画する各ピクセルで領域内に入射した放射線を検出する検出部と、
   前記ピクセル毎に割り当てられ、対応する前記ピクセルにバンプボンディングのみで接続された計数回路を含む複数の読み出しチップと、を備え、
   検出面上の一定方向に沿って、前記ピクセルより前記計数回路の方が、設定ピッチが小さく、
   前記ピクセルと前記ピクセルに対応する計数回路の互いに占める領域のいずれもが少なくとも部分的に重複し、
   前記重複する領域内で互いに対応する前記ピクセルと前記計数回路との接続がなされており、
   前記検出部に用いられるすべてのピクセルが、一律の形状で規則的に配列され、
   前記複数の読み出しチップの対向する縁に対し最も近い前記計数回路は、前記縁寄りの位置で前記ピクセルと電気的に接続し、前記縁に対し最も近い前記計数回路が割り当てられた前記ピクセルは、前記縁を有する読み出しチップの中央寄りの位置で前記計数回路と電気的に接続していることを特徴とする検出器。
2. 隣り合う前記読み出しチップの縁間の距離は、３０μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の検出器。
3. 前記読み出しチップにおいて、前記ピクセルと前記計数回路との接続位置が線対称または点対称に分布していることを特徴とする請求項１または請求項２記載の検出器。
4. 前記ピクセルの形状は、矩形であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の検出器。
5. 前記計数回路から計数信号の送信先である端子側への接続は、バイア構造であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の検出器。

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