Development of a uniquely structured silicon X-ray detector for photon counters with ultra-low radiation exposure and ultra-high counting rate

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K04196
• Research Institution: Fukuoka Institute of Technology
• Principal Investigator: 有吉 哲也 福岡工業大学, 情報工学部, 准教授 (60432738)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: X線センサー / 光子計測 / フォトダイオード

Outline of Annual Research Achievements

X線イメージングは人体や物体の内部構造を得る手段で幅広く利用されている。従来のエネルギー積分方式では透過X線のエネルギー情報はX線検出器にて積算されて失う。また、暗電流も積算されるので、この暗電流を凌駕するために過剰なX線照射量を必要とし、被験者の被曝線量が増加する。新たなX線イメージング法としてフォトンカウント方式が提案されている。この方式では透過X線光子を一つ一つ計測し、エネルギー情報も取得する。従って、X線イメージング像はそのエネルギー情報から元素マッピングが可能となる。また、波高値の閾値を超えたX線パルス信号のみを計測するので暗電流などの雑音を除去でき、高SN比でのX線イメージングが可能となる。また、照射X線量を抑えることができ、人体への被曝線量を少なくできる。
本研究では安価で良加工性で信号キャリアの輸送特性に優れたシリコンをフォトンカウント方式でのX線検出器材料として利用する。P型シリコン基板中にPN接合型フォトダイオードをトレンチ状に形成する。このような素子構造を採ることで数十ボルト程度の低バイアス電圧にて検出器を完全空乏化できる。また、センサー基板の側面方向からX線を照射することでX線を効率よく検出することができる。加えて、検出器全体が空乏化しているので、光電生成した信号キャリアを高速収集することができる。
提案したトレンチ状フォトダイオードをシリコン基板中に作製した。また、専用の信号処理回路を組み込んだプリント基板を製作し、試作シリコンX線検出器と組み合わせた。試作X線検出器にアメリシウム241から放出される60keVの単色γ線光子を照射し、検出パルス信号の観測を試みた。その結果、15ns程度の立ち上がり時間を有するγ線検出パルス信号の観測に成功した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

深さ300μm、幅15μm、長さ20cm、ピッチ幅166.6μmのトレンチ状フォトダイオードを厚さ550μm、比抵抗1500±500Ωcmのシリコン基板中に形成した。ダイオードとしての電流電圧特性を確認することができ、X線検出器として動作可能であると見込んだ。
事前にエネルギーがMeV級と高く、初期の放射線センサーの動作確認で用いられるアルファ線を試作センサーに照射した。アルファ線検出用の簡単な信号処理回路を組み、印加バイアス電圧20Vの下、アルファ線検出パルス及びエネルギースペクトルを得ることに成功した。よって提案検出器がパルスモードでの放射線計測に有効であることを確認した。
フォトンカウント方式X線イメージングで人体を撮像するときのX線は管電圧80kV程度のエネルギー帯である。試作検出器を用いてこのエネルギー帯でのX線検知を評価するために、アメリシウム241から放射される60keVの単色γ線光子を用いた。また、光電生成した信号電荷を効率よくパルス信号に変換するために、25fFの帰還容量を組み込んだ電荷増幅器（プリアンプ）をプリント基板上に作製した。この方式では検出器容量に依存せずに帰還容量でパルスを得ることができる。ゲインは40V/pCとなる。電荷増幅器のオペアンプとして、スルーレートが+1500V/μs、-1000V/μs、供給電源が±2.5V、利得帯域幅積が4GHzのLTC6268-10を用いた。計算上、60keVのγ線を波高値107mVのパルス信号に変換できる。実際にプリント基板に組み込んだ試作検出器に60keVのγ線を照射すると、波高値104mVのパルス信号を観測した。また、パルスの立ち上がり時間は15ns程度であった。線源と試作検出器の幾何学的配置から線源が検出器に貼る立体角を計算し、検出器に入射するγ線の97.5%を検出できることも実証した。

Strategy for Future Research Activity

現状での60keVのγ線に対する検出効率97.5%は理論的に解明できた。フォトダイオードをトレンチ状に形成したことや数十ボルトの低いバイアス電圧で検出器内を完全空乏化できる点や検出器の側面方向からγ線を照射することによる効果である。このほか、光電変換電荷の収集時間に比例するγ線検出パルス信号の立ち上がり時間は15ns程度であり、高速でγ線光子を検出でき、フォトンカウント方式のX線イメージングに応用できる期待を示した。今後はこの信号立ち上がり時間を理論的に解明し、立ち上がり時間の理論限界を突き止める必要がある。
検出器内部で光電生成した信号電荷は検出器内部に存在する電界によって電極へ輸送され、信号処理される。その電荷輸送モデルはShockley-Ramoの式から記述される。提案の、トレンチ状PN接合フォトダイオード構造にこの式を適用し、X線の入射位置に対するX線検出パルス信号の波高依存性および立ち上がり時間依存性を解明していく。具体的には光電変換電荷と内部電界によるパルス電流をモデル化し、フォトダイオードの電流源として回路シミュレータLTspiceに読み込ませ、X線検出パルス信号の立ち上がり及び波高値を理論的に解明し、既に得られている実験値と比較する。
この他、現状では入手できていないが、10fFのコンデンサを帰還容量として電荷増幅器を再設計していく。ゲインは100V/pCに改善でき、SN比の向上を図る。また、強磁性体材料によるノイズ遮蔽体を作り、現状では多いノイズの抑制を図る。この他、画素間に細い溝を形成し、とある画素で光電生成した信号電荷が隣接画素へ漏れ出ることを防ぎ、画素間電荷共有現象によるイメージのぼやけを抑制するような検出器構造を検討する。

Causes of Carryover

2021年度に本科研費事業以外に民間財団助成金にも採択され、研究助成金を受領した。その結果として、この民間財団助成金で研究機器類購入や論文の英文校正などに充てた。加えて当方は2021年度に別大学へ異動し、それに伴って本科研費事業の独立基盤形成支援を受け、別途研究基盤整備経費Ⅰ・Ⅱを受領し、関数発生器やワークステーションなどの研究遂行および新研究室立ち上げに必要な機器類の整備に充てた。また、参加予定していた国際学会（2021年12月開催のIEDM＠米国サンフランシスコ）や国内学会（2021年9月開催のSSDMのオンライン化）について、新型コロナウイルス蔓延の影響で現地に行くことを中止し、出張旅費を使わなかった。以上のような多様な理由により、本事業での支出が大きく抑えられ、次年度繰越額957,279円が生じた。
使用計画として、信号処理回路搭載のプリント基板試作費用として15万円、提案X線センサーの試作費用として50万円、2022年9月の日本国内開催予定の国際学会SSDMの学会参加経費として10万円、オープンアクセスの海外学術論文の英文校正料として5万円、同投稿料として15万円の、合計約95万円の利用を見込む。