JPH0462033B2

JPH0462033B2 -

Info

Publication number: JPH0462033B2
Application number: JP58183282A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Kumazawa; Juichiro Nishina
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1983-09-30
Filing date: 1983-09-30
Publication date: 1992-10-02
Also published as: JPS6073484A

Description

【発明の詳細な説明】 (イ) 産業上の利用分野この発明は、半導体放射線位置検出装置の改良
に関するもので、この半導体放射線位置検出装置
は、たとえば核医学診断（RIイメージング）で
通常使用されているシンチレーシヨンカメラのよ
うに特定のエネルギの放射線の２次元的位置を検
出することによつて特定のRI核種の分布を得る
のに有用であり、あるいは他に理工学の分野等で
使用される。

(ロ) 従来技術従来の２次元的な半導体放射線位置検出装置
は、たとえば検出画素がｎ×ｎの場合その１つ１
つに画素にプリアンプを設けてはｎが大きいと非
常に高価で複雑となるため、直交短冊型電極方式
（Checker−Board Type）のように表裏２面か
ら信号を取り出すことによりプリアンプ数を減少
させる。たとえば、「L.Kaufman等著、IEEE
Transaction on Nuclear Science，vol.NS−
25，No.1，1978」に示されるような方式では、
表側の各行の裏側の各列に対してそれぞれプリア
ンプを接続することにより、プリアンプ数を一般
に2n個としている。さらに特開昭53−4389号公
報に示されるような電荷分割型位置検出方式を採
用すれば、プリアンプ数をたとえば４個まで減少
させることができる。しかし、半導体放射線検出
器の表裏２面に直交するよう配置された短冊状の
陽極と陰極との両方から信号を取り出すよう構成
しているため、検出器の製作・組立が複雑である
という欠点がある。しかも放射線入射側の電極か
らも信号を取り出すため、不均一な放射線散乱が
生じ易く、またコリメータと密着し難い等の欠点
もある。さらに、一方の電極からは直流結合で信
号を取り出せるが他方の電極からは交流結合で信
号を取り出さざるを得ず、雑音が増加し、抵抗電
荷分割方式等の場合交流結合側に関する位置方向
の空間分解能が劣るという欠点を持つている。

また、従来では半導体放射線検出器としてGe
等が用いられているが、これは低温冷却が必要で
製作・組立が複雑となり、維持費も高価なものに
なつて、しかもコリメータとの密着も難しく、移
動や回転等を行なうことが困難であるなどの点が
ある。これに対してCdTeやHgI₂等の常温用化合
物半導体放射線検出器を用いれば低温冷却は不要
となるが、他面、電荷（特に正孔）の収集特性が
悪いためGe等に比べてエネルギ分解能が低いと
いう欠点がある。

(ハ) 目的この発明は、製作・組立が容易でプリアンプ数
が少なく安価・小型化可能で、しかも常温使用が
可能で、さらに不均一な放射線散乱を減少させコ
リメータとの密着もできその結果システムとして
の空間分解能を向上させることができ、かつ電荷
収集特性の不完全性に起因する固有の空間分解能
の劣化をも改善することのできる半導体放射線位
置検出装置を提供することを目的とする。

(ニ) 構成この発明による半導体放射線位置検出装置で
は、常温用化合物半導体よりなる放射線検出素子
の放射線入射側の１面に等電位電極を設け、他の
面に２次元座標系の１方向に配列された少なくと
も２個の信号取り出し電極を設けて構成される検
出部を２次元座標系の他の方向に独立に配列して
いる。そして、この検出部の各々では、各信号取
り出し電極が直列接続されたインピーダンス群の
各接続点に接続されるとともに、その直列接続さ
れたインピーダンス群の両端が１対のプリアンプ
に直流結合され、これら１対のプリアンプの各出
力が対称加算された信号がエネルギ信号とされ、
１対のプリアンプの各出力が非対称に加算された
信号が上記エネルギ信号に比例する信号で除算規
格化されており、１つ１つの検出部内での位置つ
まり上記２次元座標系の１方向の位置を表わす信
号を得る。上記２次元座標系の他の方法の位置は
上記１次元位置検出系のいずれから信号が生じた
かによつて知る。さらに上記のエネルギ信号があ
らかじめ定められたエネルギ範囲に入つているか
否かの判別を行なう波高分析器を備える。

(ホ) 実施例第１図Ａ，Ｂおよび第２図は第１の実施例を示
し、これらの図では説明の簡単化のため検出素子
が４×４のマトリクス状に配置されているものと
している。検出素子３はたとえばCdTeやHgI₂等
の高原子番号の常温用放射線検出化合物半導体の
単結晶よりなり、絶縁板１の上に等電位電極２を
介して４×４のマトリクス状に配列されており、
ガンマ線などの測定すべき放射線は図示していな
いコリメータを通してこの絶縁板１の方向から入
射される。この等電位電極２はこの実施例の場合
陰極で、負バイアスが印加されて近似的に等電位
にされている。各検出素子３は、この陰極２に対
向する側に信号取り出し電極（この実施例では陽
極）４１１〜４４４をそれぞれ有する。第１行に
配列されている陽極４１１〜４１４の各々は抵抗
群５１の所定の位置に接続され、抵抗群５１の両
端は１対のプリアンプ６１ａ，６１ｂに接続され
る。この実施例の場合この接続はともに直流結合
である。陽極４１１〜４１４に生じた電荷がこの
抵抗群５１によつて分割されてプリアンプ６１
ａ，６１ｂの各々に入力されるため、プリアンプ
６１ａ，６１ｂの各出力Ｖ１ａ，Ｖ１ｂは、陽極
４１１〜４１４のそれぞれに対応するどの検出素
子３に放射線が入射したかというＸ方向の位置情
報を含む。第１図Ａでは省略しているが、他の第
２行、第３行、第４行の陽極４２１〜４２４、４
３１〜４３４、４４１〜４４４も、第１図Ｂに示
すように、それぞれの行に対応する抵抗群５２〜
５４の各々を通して対応する１対のプリアンプ６
２ａ，６２ｂ，…，６４ａ，６４ｂに接続され、
これらのプリアンプから出力Ｖ２ａ，Ｖ２ｂ，
…，Ｖ４ａ，Ｖ４ｂを得るよう構成されている。

プリアンプ出力Ｖ１ａ，Ｖ１ｂ，…，Ｖ４ａ，
Ｖ４ｂの各々は、対応する演算・整形増幅回路７
１〜７４のそれぞれに入力される。第１行の演
算・整数増幅回路７１について説明する。まず、
Ｖ１ａとＶ１ｂとが非対称加算回路８により非対
称に加算（減算およびＶ１ａとＶ１ｂのどちらか
一方のみを使用することも含む）され、この非対
称加算回路８の出力は波形整形増幅器１０でたと
えばガウスフイルタ等による波形整形と増幅とを
受けた後、サンプルホールド回路１３にタイミン
グ信号Ａ１のタイミングで取り込まれ、保持され
る。その出力信号Ｘ１は、ゲート信号Ｃ１によつ
て開閉されるアナログスイツチ１５を通つてサン
プルホールド回路１８にタイミング信号Ｅによつ
て定まるタイミングで取り込まれ、保持される。
また、Ｖ１ａとＶ１ｂとは対称加算回路９で対称
に加算され、この対称加算回路９の出力は、上記
と同様に、波形整形増幅器１１でたとえばガウス
フイルタ等による波形整数と増幅とを受けた後、
サンプルホールド回路１４にタイミング信号Ｂ１
のタイミングで取り込まれ、保持される。その出
力信号ｚ１は、ゲート信号Ｄ１によつて開閉され
るアナログスイツチ１６を通つてサンプルホール
ド回路１９にタイミング信号Ｆによつて定まるタ
イミングで取り込まれ、保持される。さらに、波
形整形増幅器１１からは微分パルス出力が生じる
ようになつており、この微分パルス出力がデイス
クリミネータおよびパルス発生回路１２に入力さ
れ、微分パルス出力の波高があるレベル以上のと
きにパルス信号Ｔ１が発生する。

他の行の演算・整形増幅回路７２〜７４につい
ても同様で、信号Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１に対応
する信号Ai，Bi，Ci，Di（ｉは行を示す添字で、
この場合２〜４）でそれぞれ制御されて、出力Ｔ
１，ｘ１，ｚ１に対応する各出力Ti，xi，ziがそ
れぞれ得られる。

タイミング制御回路１７は、パルス信号Ｔ１〜
Ｔ４の各々に応じて、対応する信号Ａ１〜Ａ４、
Ｂ１〜Ｂ４、Ｃ１〜Ｃ４、Ｄ１〜Ｄ４および信号
Ｅ，Ｆと後述の信号Ｈ，H′のそれぞれを適切な
タイミングで出力するよう構成されており、ま
た、アナログスイツチのゲート信号Ｃ１〜Ｃ４、
Ｄ１〜Ｄ４のタイミングを調整して、異なる行に
同時に放射線入射事象が発生しても数え落しが少
なくなるように工夫されている。

信号ｘ１〜ｘ４のいずれか１つ、およびこれと
対応する行の信号ｚ１〜ｚ４の１つが、アナログ
スイツチによつて選択されてサンプルホールド回
路１８，１９にそれぞれ入力され、これらから出
力ｘ，ｚが得られる。出力ｚは入射した放射線の
エネルギに対応する信号で、除算回路２０に送ら
れるとともにサンプルホールド回路２２に送ら
れ、タイミング信号Ｈによつて定まるタイミング
でこのサンプルホールド回路２２に取り込まれ、
保持され、エネルギ信号Ｚが得られる。また、こ
の出力ｚは波高分析器２３に送られ、この波高分
析器２３において、出力ｚの波高が核種に応じて
あらかじめ定められた単数または複数のエネルギ
範囲に入つているか否かの判別がなされ、入つて
いる場合にアンブランク信号と判別信号Ｇとが発
生する。この判別信号Ｇはタイミング回路１７に
入力され、他のタイミング信号との時間調節が行
なわれる。除算回路２０は、出力ｘを出力ｚで割
り出した量に比例する信号を出力し、この出力が
タイミング信号Ｈによつてサンプルホールド回路
２１に取り込まれ、保持されて、位置信号Ｘが得
られる。

前述のパルス信号Ｔ１〜Ｔ４はエンコーダ２４
にも送られ、このエンコーダ２４から各行に対応
するコード信号が得られ、このコード信号がレジ
スタおよび制御回路２５を通つてラツチ回路７に
タイミング信号H′によつて取り込まれ、保持さ
れ、さらにＤ／Ａ変換器２８を通して位置信号Ｙ
が得られる。このときラツチ回路２７においてコ
ード信号の下位ビツトに乱数発生器（たとえばカ
ウンタ等で構成される）２６の出力が付加され、
これにより画像が滑らかになるように企画されて
いる。なお、レジスタおよび制御回路２５は、位
置信号Ｙが位置信号Ｘと常に同一事象に関して対
応するように制御されたレジスタ（たとえば
FIFOメモリ等により構成される）を含み、タイ
ミング制御回路１７の各信号によつて制御され
る。

位置信号Ｘ，Ｙおよびアンブランク信号は、適
当なドライバ回路を通つて、図示しない表示装置
（たとえばCRT）に入力されたり、またはデジタ
ル化されてメモリマトリクスに蓄積されたりし
て、２次元のイメージが得られる。

以上の構成において、Ｘ方向位置に対応する信
号ｘを各事象毎にそのエネルギに対応する信号ｚ
で割り算を行なつて規格化しているのでつぎのよ
うな問題が解決されている。一般に電荷分割方式
位置検出器では、空間分解能がエネルギ分解能に
比例する傾向があり、また常温用化合物半導体放
射線検出器は、電荷収集の不完全性に起因してエ
ネルギ分解能が低温保持Geの検出器に比べて一
般に劣るという問題を持つ。

一般に、判導体検出器のエネルギ分解能△Ｅ
は、 △Ｅ＝√（△）²＋（△）²＋（△）² で表わされる。ここで△Enは検出器−プリアン
プ系の回路雑音（漏れ電流等を含む）、△Ecは電
荷収集の不完全性に基づく項、△Efは半導体内
で発生する電荷数の統計誤差（Fano効果を含む）
に基づく項であり、通常は△Ef≪△En，△Ecで
ある。さらにGe検出器では△Ec≪△Enである
が、化合物半導体検出器の場合は有感層の厚さと
バイアスの条件により異なり、数十keV以上のγ
線を検出する用途では△Ec＞〜△Enの場合が多く、
その結果Ge検出器に比べてエネルギ分解能が劣
る。

ここで、本発明者は上記のような規格化を行な
うことにより、△Ecに基づく空間分解能の劣化
を解消できることを発見したのである。

なお、△Enに基づく空間分解能の劣化は、規
格化を行つても改善されないことは自明である。
したがつて特開昭53−4389号公報の中で記載され
ている割算による規格化とは性質を異にする。す
なわち、前記公報においては、その第38頁右下欄
の記述にも示されるように多重スペクトルや多核
種の測定時にその規格化がとくに有効性を示し、
通常の単一エネルギ測定の場合には各事象ごとに
エネルギ信号で割算を行なう必要はなく、測定す
るエネルギ値に応じて一信号の増幅度を調節（減
衰）させるだけで十分である。これに対して上記
の本発明の構成では単一エネルギ測定時にも各事
象ごとにエネルギ信号による割算を行うことが不
可欠である。また、電荷分解方式でＸ方向に位置
検出する１次元放射線位置検出系をＹ方向に並列
的に配列して２次元的な位置検出を行なうように
しているため、各検出画素毎にプリアンプを設け
るのに比べて少ないプリアンプ数で、陽極または
陰極のいずれか一方の側からのみ信号を取り出す
構成が可能となる。そのため、交流結合で信号取
り出しをしないように選択でき、交流結合による
雑音増加を避けることができるとともに、放射線
入射側に等電位電極を配置し信号取り出し用の電
極を配置しないようにすることができる。

これらにより、低温冷却が不要となり、また、
放射線入射側電極から信号を取り出出さないた
め、入射側電極による不均一な放射線の散乱が改
善されるとともに入射側電極とコリメータとの密
着が可能となり、システムとしての分解能が向上
する。その結果シンチレーシヨンカメラに比較し
てエネルギ分解能および空間分解能の高いRIイ
メージング装置が得られる。

なお、上記は１つの実施例を示すものであり、
構成的に種々の変更が可能である。すなわち、た
とえば、第２図で波形整形回路１０，１１のフイ
ルタは同一のものを使用してもあるいは異なるも
のをそれぞれ使用してもよく、後続の回路および
そのタイミングが信号ｘの系と信号ｚの系とで一
部異なる構成にしてもよい。また、上記では除算
回路２０を１つとしたが、各演算・整形増幅回路
のそれぞれにつき設けてもよいし、複数のグルー
プに分けて、各グループごとに１つずつ設けても
よい。また、サンプルホールド回路１８，１９の
出力をＡ／Ｄ変換してそれ以降の回路をデジタル
演算する構成とすることもできる。

また、上記では説明の便宜のため、４×４のマ
トリクスの場合について説明したが、他の多数の
配列の場合も同様に適用できることはもちろんで
ある。

さらに第１図では検出素子３の各々に信号取り
出し電極４１１〜４４４を１つずつ設けるように
しているが、たとえば第３図Ａ，Ｂに示すよう
に、１つの検出素子３に複数の信号取り出し電極
４を設けるようにしてもよい。また、上記実施例
では、電荷分解方式の１次元位置検出系が第１図
Ｂに示すようにＸ方向に１個形成されているだけ
であるが、たとえば第４図に示すようにＸ方向に
複数個形成するようにしてもよい。

電荷分割のための手段として上記実施例では抵
抗群５１を用いているが、コンデンサなどの他の
インピーダンスを用いて構成することが可能であ
る。

検出素子および信号取り出し電極の配列につい
ても、上記実施例のような通常のマトリクス以外
の配列が可能であり、座標系もＸ−Ｙ直交座標系
以外のものを使用できる。

また、CdTeやHgI₂等は一般に正孔の方が電子
に比べて易動度μと平均寿命τとの積が小さいた
め、正孔の収集特性が悪いので、通常は上記のよ
うに放射線入射側に配される等電位電極２を陰極
とするが、負バイアスのみでなく正バイアスをこ
の等電位電極２に与えるようにしてもよい。

さらに、HgI₂では正孔の捕獲による偏極効果
が問題となるが、その改善策として、時々、一時
的に等電位電極２に加えるバイアスを逆転させれ
ばよく、このような手段を付加することは容易で
ある。

第５図のように、検出素子３を斜めに配列し、
放射線を等電位電極２に対して垂直でない方向か
ら入射させるよう構成して、検出素子３の厚さに
関連する検出効率と電荷収集特性との関係の改善
を図るようにすることもできる。第１図または第
３図Ａ，Ｂのような検出素子３の２次元配列を層
状に何層にも重ね合わせて３次元配列とし、検出
効率と電荷収集特性との関係を改善することも可
能である。

また、上に述べた２次元位置検出装置をたとえ
ばリング状に配列する等により、複数のスライス
層を有するEmission Computed Tomograph装
置を構成することも可能である。

(ヘ) 効果この発明によれば、放射線入射側に等電位電極
が設けられ、信号取り出し電極は放射線入射側で
ない面にのみ形成されているのので、製作・組立
が容易で小型化可能であり、さらに不均一な放射
線の散乱が改善され、しかもコリメータとの密着
も可能となるためシステムしての分解能が向上
し、また、直流結合で信号取り出しができ交流結
合による場合の雑音増加（したがつてエネルギ分
解能および空間分解能の低下）を改善できる。さ
らに、２次元座標系の１方向での位置検出は電荷
分割方式を採用しているためプリアンプ数を少な
くでき、安価とすることができる。また、常温用
化合物半導体を放射線検出素子として用いている
ため、常温での使用が可能となり、移動や回転な
どが容易となるなど使用に便利で、しかも維持費
もかからない。そして、常温用化合物半導体を用
いた場合に生じる電荷収集の不完全性に対して
は、電荷分解方式で得られる１方向の位置信号を
各事象毎に実時間でエネルギ信号によつて除算す
ることにより規格化して対処しているため、電荷
収集の不完全性に起因する空間分解能の低下を防
ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ，Ｂおよび第２図はこの発明の一実施
例を示すもので、第１図Ａは空間的配列関係を示
す模式図、第１図Ｂは信号取り出し電極とプリア
ンプとの接続関係を示す結線図、第２図は信号系
のブロツク図、第３図Ａ，Ｂは空間的配列関係の
他の例をそれぞれ示す模式図、第４図は信号取り
出し電極とプリアンプとの接続関係の他の例を示
す結線図、第５図は空間的配列関係のさらに別の
例を示す模式図である。１…絶縁板、２…等電位電極、３…検出素子、
４，４１１〜４４４…信号取り出し電極、５１〜
５４…，５ｎ，５１′〜５４′，…，５n′…抵抗
群、６１ａ〜６４ａ，…，６na，６１a′〜６４
a′，…，６na′，６１ｂ〜６４ｂ，…，６nb，６
１b′〜６４b′，…，６nb′…プリアンプ、７１〜
７４…演算・整形増幅回路、８…非対称加算回
路、９…対称加算回路、１０，１１…波形整形増
幅器、１２…パルス発生回路、１３，１４，１
８，１９，２１，２２…サンプルホールド回路、
１５，１６…アナログスイツチ、１７…タイミン
グ制御回路、２０…除算回路、２３…波高分析
器、２４…エンコーダ、２５…レジスタおよび制
御回路、２６…乱数発生器、２７…ラツチ回路、
２８…Ｄ／Ａ変換器。

Claims

【特許請求の範囲】

１２次元座標系の１方向に連続または孤立して
常温用化合物半導体からなる放射線検出素子を配
列し、この素子の放射線入射側１面に近似的に等
電位に保たれる等電位電極を配置するとともにこ
の素子の他の面に上記方向に並ぶ少なくとも２個
以上の信号取り出し電極を設けてなる放射線１次
元位置検出部を上記２次元座標系の他の方向に互
いに独立に配列し、さらにこれら放射線１次元位
置検出部の各々について、それぞれの信号取り出
し電極を直列接続されたインピーダンス群の各線
続点に接続するとともに、その直列接続されたイ
ンピーダンス群の両端を１対のプリアンプに直流
結合し、これら１対のプリアンプの各出力を対称
加算した信号をエネルギ信号とし、１対のプリア
ンプの各出力を非対称に加算した信号を上記エネ
ルギ信号に比例する信号で除算規格化して上記２
次元座標系の１方向の位置信号を得る１次元位置
検出系を形成し、上記２次元座標系の他の方向の
位置信号は上記１次元位置検出系のいずれから信
号が生じたかによつて得るようにし、且つ上記の
エネルギ信号があらかじめ定められたエネルギ範
囲に入つているか否かの判別を行なう波高分析器
を備えることを特徴とする半導体放射線位置検出
装置。