特開 2022-182171 検出器およびＸ線回折装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022182171

(43)【公開日】2022-12-08

(54)【発明の名称】検出器およびＸ線回折装置

(51)【国際特許分類】

   G01T 1/24 20060101AFI20221201BHJP

   G01T 1/36 20060101ALI20221201BHJP

   G01N 23/207 20180101ALI20221201BHJP

   G01N 23/20008 20180101ALI20221201BHJP

【ＦＩ】

G01T1/24

G01T1/36 D

G01N23/207

G01N23/20008

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021089560

(22)【出願日】2021-05-27

(71)【出願人】

【識別番号】000250339

【氏名又は名称】株式会社リガク

(74)【代理人】

【識別番号】100114258

【弁理士】

【氏名又は名称】福地 武雄

(74)【代理人】

【識別番号】100125391

【弁理士】

【氏名又は名称】白川 洋一

(74)【代理人】

【識別番号】100208605

【弁理士】

【氏名又は名称】早川 龍一

(72)【発明者】

【氏名】松下 一之

(72)【発明者】

【氏名】栗林 勝

(72)【発明者】

【氏名】三楠 聰

(72)【発明者】

【氏名】中江 保一

【テーマコード（参考）】

2G001

2G188

【Ｆターム（参考）】

2G001AA01

2G001BA18

2G001CA01

2G001DA01

2G001DA03

2G001DA08

2G001DA09

2G001DA10

2G188AA27

2G188BB02

2G188BB15

2G188CC28

2G188CC32

2G188DD05

2G188DD30

(57)【要約】

【課題】簡易に製造でき、チャージシェアリングの発生を低減することで高計数領域でのエネルギー分解能の低下を抑制できる検出器およびＸ線回折装置を提供する。
【解決手段】検出部１１０と読み出し回路１２０を備える検出器１００であって、検出部１１０が、Ｘ線が入射する検出面上で入射Ｘ線を遮蔽する遮蔽体１１１と、検出面全体に所定の電圧を印加するバイアス供給層１１２と、検出面を通過した入射Ｘ線を電荷に変換する半導体層１１３と、半導体層内の区画される領域毎に設けられ、各々が区画される領域毎に変換された電荷が集められて発生した電流を流す複数の読み出し電極１１８と、を備え、読み出し電極１１８の各々は、互いに隙間を設けて配列されており、遮蔽体１１１は、バイアス供給層１１２のＸ線入射側であって隙間に対応する位置に形成されている。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

検出部と読み出し回路を備える検出器であって、
前記検出部は、
Ｘ線が入射する検出面上で入射Ｘ線を遮蔽する遮蔽体と、
前記検出面全体に所定の電圧を印加するバイアス供給層と、
前記検出面を通過した入射Ｘ線を電荷に変換する半導体層と、
前記半導体層内の区画される領域毎に設けられ、各々が前記区画される領域毎に前記変換された電荷が集められて発生した電流を流す複数の読み出し電極と、を備え、
前記読み出し電極の各々は、互いに隙間を設けて配列されており、
前記遮蔽体は、前記バイアス供給層のＸ線入射側であって前記隙間に対向する位置に形成されていることを特徴とする検出器。

【請求項2】

前記遮蔽体は、１０ｋｅＶ以下のエネルギーのＸ線を前記遮蔽体に入射させたときに入射Ｘ線の８０％以上を遮蔽することを特徴とする請求項１記載の検出器。

【請求項3】

前記遮蔽体は、Ｗ、ＴａおよびＡｕのいずれかの元素からなる金属または前記元素を含む合金もしくは化合物で形成され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。

【請求項4】

前記各区画される領域上の前記バイアス供給層が露出した領域は、互いに同一形状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。

【請求項5】

前記遮蔽体は、隣り合う前記読み出し電極間の中央位置を中心として対称に形成されてい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。

【請求項6】

前記遮蔽体は、前記区画される領域の境界を覆って幅３０μｍ以上５０μｍ以下に形成された層であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の検出器。

【請求項7】

前記遮蔽体は、物理的に接続されることで前記バイアス供給層上に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の検出器。

【請求項8】

請求項１から請求項７のいずれかに記載の検出器を備えることを特徴とするＸ線回折装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、フォトンカウンティング方式の検出器およびＸ線回折装置に関する。

【背景技術】

【0002】

フォトンカウンティング方式の半導体検出器は、検出素子である半導体層に入射したＸ線の光子（フォトン）を個々に計数することができる。検出素子は、一般的にモノシリックであり、バイアス電圧を印加した状態で、その内部にＸ線が入射すると電荷（チャージ）を発生させる。発生した電荷は、電荷の発生箇所に近接する検出領域毎に検出される。

【0003】

検出領域は、隣接する検出領域と一定サイズの隙間が設けられて、等間隔に配列されている。そのため、この隙間部分は、検出境界領域となる。半導体層中の検出境界領域付近にＸ線が入射すると、入射Ｘ線により発生した電荷が分割されて隣接する検出領域に流れ、複数の電極に分かれて計数されてしまうことがある。このように電荷が分かれる現象は、チャージシェアリングと呼ばれ、Ｘ線のエネルギー計測に影響を及ぼす。

【0004】

図１３（ａ）、（ｂ）は、それぞれチャージシェアリングが発生する場合およびしない場合の検出器における電荷の検出動作を模式的に示す図である。図１３（ａ）に示すように、Ｘ線が単一の検出領域９１０上に入射する場合には、電荷はひとつの検出領域のみに集まり、正確な測定が可能である。しかし、図１３（ｂ）に示すように検出境界領域または検出境界領域の近傍に入射した場合、発生した電荷の雲は検出領域に到達するまでの間に拡がって、一部は隣接する検出領域に達する。つまりチャージシェアリングが発生する。２つの検出領域９１２、９１３にわたって生じたチャージシェアリングにより、２つの検出領域にわたって、Ｘ線が検出されることになる。

【0005】

上記のようなチャージシェアリングの発生を低減する方法として、検出素子を溝により分離し、分離された素子ごとに電極を形成する方法が知られている（特許文献１、２）。ただし、この方法では、検出素子の形成に緻密な工程を要する。一方、チャージシェアリングの発生を許容し、回路構成やデータ処理によりチャージシェアリングの影響を取り除く方法も知られている（非特許文献１、特許文献３）。例えば、特許文献３記載の方法では、隣り合う電極によって同時に観測された放射線は、電荷が分かれているものと見なし、除去している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１２－２４２１１１号公報

【特許文献2】特許第４１０７６１６号公報

【特許文献3】特開２０１４－１５９９７３号公報

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】P. Wiacek, W. Dabrowski, J. Fink, T. Fiutowski, H.-G. Krane, F. Loyer, A. Schwamberger, K. Swientek and C. Venanzi, “Position sensitive and energy dispersive x-ray detector based on silicon strip detector technology”, Journal of Instrumentation, Volume 10, April 2015

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、特許文献３記載の方法で高計数領域の測定を行った場合、パルスが頻発するため、同時に各々の検出領域に入射したＸ線の信号か、１箇所に入射したＸ線から発生した電荷が分割した信号かの判別が難しくなる。その結果、それぞれの事象を区別して信号の処理を行うことができず、高計数領域での検出器のエネルギー分解能が低下する。

【0009】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、チャージシェアリングの発生を低減するとともに高計数領域でのエネルギー分解能の低下を抑制できる検出器およびＸ線回折装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

（１）上記の目的を達成するため、本発明の検出器は、検出部と読み出し回路を備える検出器であって、前記検出部が、Ｘ線が入射する検出面上で入射Ｘ線を遮蔽する遮蔽体と、前記検出面全体に所定の電圧を印加するバイアス供給層と、前記検出面を通過した入射Ｘ線を電荷に変換する半導体層と、前記半導体層内の区画される領域毎に設けられ、各々が前記区画される領域毎に前記変換された電荷が集められて発生した電流を流す複数の読み出し電極と、を備え、前記読み出し電極の各々は、互いに隙間を設けて配列されており、前記遮蔽体は、前記バイアス供給層のＸ線入射側であって前記隙間に対向する位置に形成されていることを特徴としている。

【0011】

このように遮蔽体は、バイアス供給層上に直接形成されており、例えば半導体プロセスを応用して製造できる。また、遮蔽体が各検出領域を区画する検出境界領域への入射Ｘ線を遮蔽することで、チャージシェアリングの発生を低減し、高計数領域でもエネルギー分解能を維持できる。また、遮蔽体をバイアス供給層と同電位にすることで、遮蔽体の帯電の影響を排除できる。

【0012】

（２）また、本発明の検出器は、前記遮蔽体が、１０ｋｅＶ以下のエネルギーのＸ線を前記遮蔽体に入射させたときに入射Ｘ線の８０％以上を遮蔽することを特徴としている。これにより、検出境界領域にＸ線が入射するのを抑制できる。なお、遮蔽できるＸ線量は遮蔽体の厚さと材料によって決まる。エネルギー分解能の低下の８０％以上を抑制できることで、実用上の影響を問題にならない計数誤差の範囲に収めることができる。

【0013】

（３）また、本発明の検出器は、前記遮蔽体が、Ｗ、ＴａおよびＡｕのいずれかの元素からなる金属または前記元素を含む合金もしくは化合物で形成されていることを特徴としている。これにより、Ｘ線の透過率の低い材料で遮蔽体が形成されているため、各検出領域を区画する領域で入射Ｘ線を高い効率で遮蔽できる。

【0014】

（４）また、本発明の検出器は、前記各区画される領域上の前記バイアス供給層が露出した領域が、互いに同一形状であることを特徴としている。これにより、検出器の製造が容易になるとともに、計数の処理を単純化できる。

【0015】

（５）また、本発明の検出器は、前記遮蔽体が、隣り合う前記読み出し電極間の中央位置を中心として対称に形成されていることを特徴としている。これにより、遮蔽の効果が検出面全体にわたって一様になる。

【0016】

（６）また、本発明の検出器は、前記遮蔽体が、前記区画される領域の境界を覆って幅３０μｍ以上５０μｍ以下に形成された層であることを特徴としている。これにより、計数率への影響を抑えながら、効率的にチャージシェアリングの発生を低減できる。

【0017】

（７）また、本発明の検出器は、前記遮蔽体が、物理的に接続されることで前記バイアス供給層上に設けられていることを特徴としている。このように遮蔽体と検出部本体とが別体で構成され、物理的に接続されていることで、Ｘ線源に応じて簡易に遮蔽体を交換することが可能となる。

【0018】

（８）また、本発明のＸ線回折装置は、上記（１）～（７）記載の検出器を備えることを特徴としている。これにより、特にＸ線回折測定に適したＸ線によるチャージシェアリングの発生を低減でき、エネルギー分解能の低下を抑制できる。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、チャージシェアリングの発生を低減するとともに高計数領域でのエネルギー分解能の低下を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明のＸ線測定システムの構成の一例を示す概略図である。

【図2】本発明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。

【図3】本発明の検出器の構成を示す斜視図である。

【図4】（ａ）、（ｂ）それぞれ本発明の検出部を示す側断面図および検出表面側の拡大側断面図である。

【図5】（ａ）、（ｂ）それぞれ１次元検出器における遮蔽体のレイアウト例を模式的に示す平面図および斜視図である。

【図6】（ａ）、（ｂ）それぞれ２次元検出器における遮蔽体のレイアウト例を模式的に示す平面図および斜視図である。

【図7】照射位置ごとに検出した、波高に対する積算のＸ線強度を示すグラフである。

【図8】照射位置ごとに検出した、波高に対する積算のＸ線強度の微分値を示すグラフである。

【図9】エネルギー閾値の設定幅ごとに、照射位置に対する各ストリップ／ピクセルのＸ線強度を検出した結果を示すグラフである。

【図10】図９のストリップ／ピクセル別のＸ線強度を合算したグラフである。

【図11】シミュレーションを行う検出器のモデルを示す概略図である。

【図12】（ａ）、（ｂ）それぞれ遮蔽体の幅ごとに、エネルギー閾値に対し算出された強度を示すグラフおよび遮蔽体の幅に対するＰＢＲ値である。

【図13】（ａ）、（ｂ）それぞれチャージシェアリングが発生する場合およびしない場合の検出器における電荷（チャージ）の検出動作を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

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。

【0022】

［実施形態］
（Ｘ線測定システムの構成）
図１は、Ｘ線測定システム１０の構成の一例を示す概略図である。図１に示すようにＸ線測定システム１０は、Ｘ線回折装置２０およびデータ処理装置３０で構成されている。Ｘ線回折装置２０は、Ｘ線源５０および検出器１００を備えており、試料ＳにＸ線を照射し、回折されたＸ線を検出器１００で検出する。

【0023】

Ｘ線源５０は、例えば、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。Ｘ線源５０から放射されるＸ線は、断面形状が円形のポイントフォーカスまたは矩形のラインフォーカスのＸ線ビームである。

【0024】

ロータターゲットの外周面には、例えば、ＣｕまたはＭｏの金属が設けられている。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。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。

【0025】

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を検出する。Ｘ線回折装置２０に検出器１００が搭載されることにより、Ｘ線回折測定において検出したＸ線によるチャージシェアリングの発生を低減でき、特に高計数領域におけるエネルギー分解能の低下の影響を抑制できる。データ処理装置３０は、検出器１００で取得した計数データを処理し、検出結果を出力する。検出器１００の詳細については、後述する。

【0026】

データ処理装置３０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を備えており、メモリ内には、システムソフトおよびアプリケーションプログラムソフト等が記憶されている。

【0027】

データ処理装置３０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３０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３０からの指示に従って測定結果を出力する。

【0028】

（検出器の構成）

【0029】

図２は、検出器１００およびデータ処理装置３０の機能的な構成を示すブロック図である。また、図３は、検出器１００の構成を示す斜視図である。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ストリップアレイ型の１次元半導体検出器である。ただし、１次元半導体検出器に限らず、ピクセルアレイ型の２次元半導体検出器であってもよい。検出器１００は、検出部１１０、読み出しＩＣ（読み出し回路）１２０、メモリ、転送回路を備えている。

【0030】

検出部１１０は、複数の検出領域１１０ａを有しており、各検出領域１１０ａは、半導体層内において検出領域１１０ａによって区画される領域に入射したＸ線を検出する。検出部１１０の複数の検出領域１１０ａは、１次元または２次元的に、一律の形状で原則規則的に配列されている。ただし、一部の検出領域１１０ａは形状や位置が不規則であってもよい。

【0031】

２次元検出器の場合、各検出領域１１０ａ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く、検出面全面で同一であることが好ましい。また、矩形は正方形であることが好ましい。検出領域１１０ａは、検出部側の読み出し電極１１８を含んだｐ層領域として定義される。検出領域１１０ａは、領域の形状に応じて、ストリップ、ピクセルと呼ばれる。

【0032】

検出部１１０のＸ線が入射する面の反対側の面には、検出部側の読み出し電極１１８が形成されている。読み出し電極１１８の各々は、互いに隙間を設けて配列されている。

【0033】

読み出しＩＣ１２０は、検出領域１１０ａで検出した電荷信号をＩＣ側の読み出し電極１２１および増幅器１２２（後述の図４（ａ）参照）を介してパルス信号に変換して計数する。計数回路１２３と計数回路によってカウントされたパルス信号の計数値を読み出すカウンタ読み出し回路１２５を有する。

【0034】

計数回路１２３は、検出領域１１０ａ毎に割り当てられており、検出領域１１０ａ毎にＸ線から変換された電荷によって発生した電流を、パルス信号に変えて計数する。読み出しＩＣにも、読み出し電極が形成されており、検出部側の読み出し電極と接続部１３０を介して接続される。接続部１３０は、例えば、Ａｕ線のワイヤボンディングや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できる。

【0035】

計数回路１２３は、分別回路１２３ａおよびカウンタ部１２３ｂから構成されている。分別回路１２３ａは、複数の検出領域１１０ａの個々に接続されており、さらにはカウンタ部１２３ｂが、分別回路１２３ａ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１２３ｂに接続されている。

【0036】

分別回路１２３ａは、複数の検出領域１１０ａの個々に接続されており、検出領域１１０ａのパルス信号を設定されたエネルギー閾値で分別して出力する。カウンタ部１２３ｂは、分別回路１２３ａによって設定されたエネルギー閾値の信号の個数を計数する。通常は閾値を固定して測定するが、エネルギー閾値を一定時間ごとに一定値変更していけば、Ｘ線波長ごとに分別された個数のデータを取得することもできる。

【0037】

なお、カウンタ部１２３ｂは、例えば、分別回路１２３ａによって分別されたパルス信号をカウントできるように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ＩＣ１２０ごとにカウンタ部１２３ｂ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Ｘ線検出データである。

【0038】

カウンタ読み出し回路１２５は、エネルギー閾値により分別されたデータを取得する。Ｘ線検出データは、検出領域１１０ａの位置と関連付けられて、１フレーム毎に検出器１００内部のメモリに蓄積される。Ｘ線検出データは、転送命令があったときには転送回路を介して検出器１００外へ出力され、通信線を通してデータ処理装置３０に伝送される。

【0039】

（検出部）
図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ検出部１１０を示す側断面図および検出表面側の拡大側断面図である。図４（ａ）に示すように、検出部１１０は、遮蔽体１１１、バイアス供給層１１２、半導体層１１３、絶縁層１１７および複数の検出部側の読み出し電極１１８を備えている。半導体層１１３は、ｎ層１１４、空乏層１１５およびｐ層１１６を備えている。また、バイアス供給層１１２、半導体層１１３、絶縁層１１７および複数の検出部側の読み出し電極１１８は、検出部本体を構成する。

【0040】

検出領域１１０ａは、ｐ層１１６、絶縁層１１７の一部、検出部側の読み出し電極１１８で構成され、ストリップまたはピクセルを形成する。検出領域１１０ａにより区画される領域１１０ｂは、半導体層１１３内の領域であって、発生した電荷を、それぞれ対応する検出領域１１０ａに流す。また、検出境界領域１１０ｃは、半導体層１１３内において区画される領域１１０ｂの間の領域であり、その内部で発生した電荷は電荷の広がり方によって、分割した後、隣接する両側の検出領域のいずれかによって検出される。いずれも図中の太枠を参照できる。なお、領域１１０ｂは便宜的に定義されており、領域１１０ｂの内外が物理的に区画されているわけではない（故にチャージシェリングが発生する）。

【0041】

遮蔽体１１１は、Ｘ線の透過を妨げる材料により一定幅を有する線としてＸ線が入射する検出面側の検出境界領域上に形成されている。遮蔽体１１１は、バイアス供給層１１２のＸ線入射側であって隙間に対向する位置に形成されている。例えば検出領域が１次元の線形である場合には、遮蔽体１１１は、線状のストリップが連なる縞模様状として形成される。検出領域が２次元の矩形であれば、遮蔽体１１１は格子状である。このように形成されることで、遮蔽体１１１は、半導体層１１３内の検出境界領域へＸ線が入射するのを防ぐことができる。また、検出領域が２次元の矩形であっても、遮蔽体１１１を線状にすることを妨げるものではない。

【0042】

各検出領域１１０ａは、半導体層１１３内に形成され、検出領域１１０ａ毎に半導体層１１３内でＸ線から変換された電荷が読み出し電極１１８に集められる。読み出し電極１１８の各々は、電荷の移動により発生した電流を流す。２つの検出領域に電荷が分かれる領域は電極境界のごく一部分である。あらかじめその部分を遮蔽することによって、チャージシェアリングの発生を低減できる。また、高計数領域では、エネルギー分解能の低下を抑制することできる。遮蔽体１１１の詳細は後述する。

【0043】

バイアス供給層１１２は、Ａｌ等の金属で形成され、検出面全体に所定の電圧を印加するために用いられる。遮蔽体１１１は、バイアス供給層１１２上に直接形成することが好ましい。直接形成する場合は、半導体プロセスなどを用いて製造できる。また、遮蔽体１１１がバイアス供給層１１２と同電位になるため、遮蔽体の帯電の影響も排除できる。

【0044】

半導体層１１３は、バイアス供給層１１２とｎ層を通過した入射Ｘ線を電荷に変換する。ｎ層１１４は、ｎ型半導体で構成されている。ｎ型半導体は、Ｓｉのような４価の原子による金属に不純物としてＰ，Ａｓ，Ｓｂ等の５価の原子を加えて形成され、余った自由電子がキャリアとして存在している。

【0045】

空乏層１１５は、電子および正孔がほとんど存在しない層であり、例えばＳｉで形成される。ｐ層１１６は、検出領域ごとに区画され、ｐ型半導体で構成されている。ｐ型半導体は、Ｓｉのような４価の原子による金属に不純物としてＧａ，Ｂ，Ｉｎ等の３価の原子を加えて形成され、電子が不足してできた正孔がキャリアとして存在している。

【0046】

絶縁層１１７は、例えばＳｉＯ_２のような絶縁体で形成される。複数の読み出し電極１１８は、例えばＡｌで形成され、検出領域ごとに区画されたｐ層１１６に対応する位置に配置される。複数の読み出し電極１１８は、各々が検出領域毎に変換された電荷が集められて発生した電流を流す。

【0047】

なお、上記の例では、半導体層１１３が、Ｘ線の入射側からｎ層１１４、空乏層１１５およびｐ層１１６の順で構成されているが、ｎ層とｐ層とを入れ替えた構成であってもよい。

【0048】

（遮蔽体）
遮蔽体１１１は、材料や幅Ｗおよび厚みＴの設計に応じてＸ線の遮蔽機能が異なる。図４（ｂ）に示すように、遮蔽体１１１の幅Ｗおよび厚みＴは製造時に任意に制御できる。遮蔽体１１１は、１０ＫｅＶ以下のエネルギーのＸ線を８０％以上遮蔽する厚みＴとすることが好ましい。これにより、検出境界領域に入射するＸ線のうち８０％を低減することができる。これにより、チャージシェアリングが発生する確率を、実用上問題にならない程度まで低減することができる。

【0049】

物体に入射する前のＸ線の強さをＩ_０、遮蔽体の厚さをＴ、遮蔽体の質量吸収係数をμ、遮蔽体を透過した後のＸ線の強さをＩとすると次式が成立する。
I = I₀ e^-μT

【0050】

例えば、Ｃｕの特性Ｘ線に対して遮蔽体の材質に対応する質量吸収係数を設定し、Ｘ線を入射させた後に検出されるＸ線Ｉが、入射Ｘ線Ｉ_０の８０％となる厚さＴを設計値として計算から見積もることができる。なお、一般的に、Ｘ線回折測定においては、Ｃｕの特性Ｘ線を利用することが多いため、Ｃｕの特性Ｘ線を９５％以上または９９％以上を遮蔽することがさらに好ましい。

【0051】

遮蔽体１１１は、無機材料で形成され、金属原子で構成される金属または化合物であることが好ましい。特に、Ｗ、ＴａおよびＡｕのいずれかの元素からなる金属またはこれらの元素を含む合金もしくは化合物で形成されていることが好ましい。これらは含まれる元素の原子番号が大きく安定した物質として存在するため、Ｘ線の透過率が低い。このような材料で遮蔽体が形成されているため、検出境界領域１１０ｃに入射するＸ線を高い効率で遮蔽できる。

【0052】

遮蔽体１１１は、検出部１１０の一部として一体で形成されていることが好ましいが、検出部本体とは別体として形成され、バイアス供給層１１２上に物理的に接続されていてもよい。これにより、Ｘ線源に応じて簡易に遮蔽体を交換することが可能となる。

【0053】

遮蔽体１１１は、検出境界領域を覆って形成され、厚さ１０μｍ以上、幅３０μｍ以上５０μｍ以下に形成された線状の層であることが好ましい。例えば、厚さ５０μｍのＷのホイルであれば、Ｃｕの特性Ｘ線は１０^－７しか透過しない。厚さ１０μｍであっても９９％の遮蔽が可能である。これにより、効率的にチャージシェアリングの発生を低減できる。遮蔽体１１１の設計に関する検証は後述する。

【0054】

なお、回路構成により隣り合う電極で同時に検出した信号をチャージシェアリングの発生とみなしてカウントしない方法では、Ｘ線の強度が大きくなると誤計測が増加する。同時に検出した信号が異なるＸ線によるのか単一のＸ線からチャージが分かれたのか判別できなくなるからである。しかし、検出器１００は、境界部分へのＸ線の入射を低減するため、Ｘ線の強度が増加しても誤計測が生じることはなく、エネルギー分解能の低下は最低限に抑えられる。その結果、高計数領域のＸ線を受光する場合でもエネルギー分解能の低下を抑制できる。

【0055】

上記の同時検出除去の方法では、Ｘ線の強度が大きいと、大幅に計数率が低下する現象が生じる。この方法では、バックグラウンドを除去するために閾値を限界に近い値に設定することから、エネルギー分解能の低下に伴い閾値から外れる放射線が増えるためである。しかし、検出器１００であれば、エネルギー分解能の低下が抑えられるため、計数率の低下もある程度抑えられる。

【0056】

（検出器に応じたレイアウト）
検出器１００は、２次元検出器および１次元検出器のいずれであってもよい。図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ１次元検出器における遮蔽体のレイアウト例を模式的に示す平面図および斜視図である。図５（ａ）、（ｂ）に示す検出器１００の例では、同じサイズの長方形のストリップが１次元的に配列している。

【0057】

隣り合うストリップの中心間の中央位置（中心間距離を１／２に分ける位置）をストリップ（検出領域）の境界線（破線）として、遮蔽体１１１はその境界線の直上の位置を基準として、左右対称に１／２×ｗの幅になるように設けられている。すなわち、遮蔽体１１１は、隣り合う読み出し電極１１８間の中央位置（電極の中心間の中央位置）を中心として対称に形成されている。このようにして、遮蔽の効果が検出面全体にわたって一様になる。

【0058】

遮蔽体１１１の設けられていない領域ではバイアス供給層１１２が露出しており、この領域に入ったＸ線が検出される。この領域は、各検出領域上のバイアス供給層が露出した領域である。

【0059】

図６（ａ）、（ｂ）は、それぞれ２次元検出器における遮蔽体のレイアウト例を模式的に示す平面図および斜視図である。図６（ａ）、（ｂ）に示す検出器１００の例では、同じサイズの正方形のピクセルが２次元的に配列している。

【0060】

隣り合うピクセルの中心間の中央位置（中心間距離を１／２に分ける位置）をピクセル（検出領域）の境界線（破線）として、遮蔽体１１１はその境界線の直上の位置を基準として、左右対称に１／２×ｗの幅になるように設けられている。すなわち、遮蔽体１１１は、隣り合う読み出し電極１１８間の中央位置（電極の中心間の中央位置）を中心として対称に形成されている。このようにして、遮蔽の効果が検出面全体にわたって一様になる。

【0061】

遮蔽体１１１の設けられていない領域ではバイアス供給層１１２が露出しており、この領域に入ったＸ線が検出される。この領域は、各検出領域上のバイアス供給層が露出した領域である。なお、読み出しＩＣの境目においては、読み出しＩＣ間の距離を考慮して、遮蔽部材の幅を変えてもよい。

【0062】

図５（ａ）、（ｂ）および図６（ａ）、（ｂ）に示すように、バイアス供給層が露出した領域は、各検出領域上に位置し、互いに同一形状であることが好ましい。すなわち検出領域を区画しない位置においても遮蔽体１１１が設けられ、露出領域が一定であることが好ましい。これにより、同じレイアウトを繰り返す遮蔽体１１１を形成すればよくなり、検出器１００の製造が容易になる。また、検出領域の形状が一律であるため、計数の処理を単純化できる。

【0063】

（検出器の製造方法）
上記のように構成される検出器１００の製造方法を説明する。検出部１１０のうち遮蔽体１１１以外の検出部材は、通常の半導体検出器の製造方法により形成できる。遮蔽体１１１を設ける工程は、少なくともバイアス供給層１１２による検出面が形成されてから行われ、検出部１１０のうち遮蔽体１１１以外の検出部材の準備後に行うことが好ましい。

【0064】

検出部材の検出面のうち露出する領域をマスクし、その上にＣＶＤでＷ、ＴａおよびＡｕのような遮蔽体１１１の材料を積層する。積層の厚みは、処理時間等により調整できる。積層工程の後、マスクを除去することで遮蔽体１１１を形成できる。このようなＣＶＤによる方法は、設計通りに正確に遮蔽体１１１を形成できる点で優れている。上記のように遮蔽体１１１は、半導体プロセスを応用して製造できる。

【0065】

なお、あらかじめ遮蔽体１１１となる材料の箔を形成しておき、導電性接着剤で所定位置に接着する方法でも遮蔽体１１１の形成が可能である。検出部１１０と遮蔽体１１１とを別体で構成することによって、直接形成するよりも遮蔽体１１１を簡易に交換できる。特に、Ｘ線源の種類等によって交換が必要な場合には、遮蔽体１１１の部分のみを交換するだけでよいため、このような設計は有効である。

【0066】

［実験］
好適に遮蔽体を設計するために、１００μｍのストリップ幅を有する１次元検出器を用いて実験を行なった。所定の波高にピークを有する１０μｍのスポットサイズのＸ線を上記の１次元検出器上でストリップを横断する方向に一定間隔で位置を変えて照射し、測定データを検証した。第１および第２の実験については、放射光施設で１２ｋｅＶのＸ線源を用いた。

【0067】

（第１の実験）
まず、特定のストリップを横断する方向に沿って２０μｍステップの位置Ｐ０～Ｐ７でＸ線強度を検出した。特定のストリップに対し、位置Ｐ０、Ｐ７は外、位置Ｐ１、Ｐ６は外との境界、位置Ｐ２、Ｐ５は境界に近い位置、位置Ｐ３、Ｐ４は中央領域にあることを示している。

【0068】

図７は、照射位置ごとに検出した、波高に対する積算のＸ線強度を示すグラフである。横軸は、受光したＸ線の波高を示しており、位置Ｐ３、Ｐ４のグラフを参照すると５０付近にピークがあることが分かる。なお、横軸は、検出器内のＡＤコンバータのｂｉｔ単位を示している。位置Ｐ３、Ｐ４のグラフでは、チャージシェアリングが無いため、ピークのある横軸の５０付近からバックグラウンドを示す２０付近までフラットである。また、位置Ｐ０、Ｐ７はＸ線を受光しないため、２０付近までフラットである。一方、位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ５、Ｐ６でのＸ線検出では、チャージシェアリングを生じており、横軸の５０から２０までグラフが傾斜している。

【0069】

図８は、照射位置ごとに検出した、波高に対する積算のＸ線強度の微分値を示すグラフである。位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ５、Ｐ６のグラフの破線で囲う部分に表れたＸ線強度データは、チャージシェアリングにより波高が低下したことを示している。

【0070】

（第２の実験）
次に、エネルギー閾値の設定幅の下限を所定間隔で変えながら、１０μｍステップで照射位置に対する各ストリップのＸ線強度を検出した。図９は、エネルギー閾値の設定幅ごとに、照射位置に対する各ストリップのＸ線強度を検出した結果を示すグラフである。なお、横軸は、検出器内のＡＤコンバータのｂｉｔ単位を示している。エネルギー閾値の上限を７０で固定し、下限を２５から４５まで５ずつ変化させて測定しており、図９では、各下限Ｌ２５～Ｌ４５に対するＸ線強度を示している。図９に示すように、照射位置が境界に近づくにつれて各ストリップで検出されるＸ線強度は徐々に低下する。特に、下限Ｌ２５のグラフでは、照射位置が境界を超えて隣のストリップの領域に入ってもＸ線強度が検出されている。これはチャージシェリングの影響によるものと考えられる。

【0071】

図１０は、図９のストリップ別のＸ線強度を合算したグラフである。この場合のグラフは位置によらずＸ線強度が一定であることが理想であるが、下限Ｌ２５のグラフでは各境界付近に山が生じており、隣り合うストリップで二重にＸ線がカウントされていることが分かる。また、下限３０～４５のグラフでは各境界付近に谷が生じており、隣り合うストリップのいずれでもカウントされていない数え落しがなされていることが分かる。

【0072】

［シミュレーション］
モンテカルロシミュレーションによる遮蔽体の幅に対するＸ線プロファイルのプロットを行なった。図１１は、シミュレーションを行う検出器のモデルを示す概略図である。図１１に示すモデルにおいて、検出器５００は、幅ｄのストリップに対し幅ｗで設けられた遮蔽体５１１を備えている。なお、ストリップの幅ｄは、７５μｍに固定して計算した。

【0073】

上記のモデルに対し、ストリップの両端から５０μｍの範囲に入射したＸ線がストリップにどのように検出されるかをシミュレートした。シミュレーションでは入射Ｘ線としてＦｅおよびＣｕのＫα、Ｋβ線を用いた。Ｘ線が電荷を生成したのち、読み出し電極面で検出される際の電荷雲の広がりは，ＣｕＫαでＦＷＨＭが２０μｍである２次元ガウシアンを用いて推定した。遮蔽体の幅ｗは、０から５０μｍまで５μｍ刻みで変化させた。

【0074】

読み出しＩＣのエネルギー分解能はＦＷＨＭの４％としてシミュレーションを行った。エネルギープロファイルの性能評価基準として、ＣｕＫαのテールに乗るＦｅＫβのＰＢＲ（Peak-to-Background Ratio）を用いた。これは、遮蔽体による低エネルギー側のテーリング除去がピーク分離に対して持つ効果を評価するためである。

【0075】

このようにして、検出器５００にランダムにＸ線の光子が入射したとして、入射位置に対して電荷の拡がりを考慮した場合に、対象としているストリップの読み出し電極に入るチャージ量を算出し、算出されたチャージ量を基にＸ線プロファイルを算出した。

【0076】

遮蔽体を設けると、遮蔽体がカバーする位置に入射したＸ線は遮蔽体に吸収されるので、吸収された光子は無視した（遮蔽体のＸ線透過率０％）。図１２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ遮蔽体の幅ごとに、エネルギー閾値に対し算出された強度を示すグラフおよび遮蔽体の幅に対するＰＢＲ値である。図１２（ａ）は、一定量のＸ線を入射させたときに遮蔽体の幅に応じたＸ線プロファイルの変化を示している。違いが分かり易いように遮蔽体の幅を０から５０μｍまで１０μｍ刻みで変えてＷ０～Ｗ５０で表し、それぞれのＸ線プロファイルを示している。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）を元に算出された遮蔽体の幅に対するＰＢＲ値を示している。

【0077】

図１２（ｂ）に示すように、ＰＢＲを指標としたピーク分離能の評価結果から十分な効果が見込める遮蔽体の幅は３０μｍ以上である。３０μｍより幅の広い遮蔽体を使用した場合、ＰＢＲは僅かながら向上するが、開口率が低下する。そのため十分な効果が見込める範囲で、可能な限り狭い遮蔽体を使用することが望ましい。

【符号の説明】

【0078】

１０ Ｘ線測定システム
２０ Ｘ線回折装置
３０ データ処理装置
５０ Ｘ線源
１００ 検出器
１１０ 検出部
１１０ａ 検出領域
１１０ｂ 区画される領域
１１０ｃ 検出境界領域
１１１ 遮蔽体
１１２ バイアス供給層
１１３ 半導体層
１１４ ｎ層
１１５ 空乏層
１１６ ｐ層
１１７ 絶縁層
１１８ 検出部側の読み出し電極
１２０ 読み出しＩＣ
１２１ ＩＣ側の読み出し電極
１２２ 増幅器
１２３ 計数回路
１２３ａ 分別回路
１２３ｂ カウンタ部
１２５ カウンタ読み出し回路
１３０ 接続部
５００ 検出器
５１１ 遮蔽体
Ｓ 試料

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】