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

开发结构独特的硅X射线探测器，用于具有超低辐射暴露和超高计数率的光子计数器

• 批准号: 21K04196
• 负责人: 有吉 哲也
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: Fukuoka Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K04196/
• 关键词: X線; シリコン; センサー; 光子; フォトダイオード; 半導体; X線センサー; 光子計測; フォトンカウンタ

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。提案シリコンX線センサーを評価基板とともに試作し、アメリシウム241から放出される60keVの単色γ線を照射し、検出パルス信号波形を得た。そのパルスの立ち上がり時間は12ns程度であった。生成電荷キャリアの輸送の方程式および回路シミュレーションによって、パルスの立ち上がり時間が12ns程度であることを理論的にも実証した。

X射线成像被广泛用于获得人体和物体内部结构的手段。在常规的能量积分方法中，透明X射线的能量信息被X射线检测器丢失并丢失。另外，由于也积累了黑电流，因此需要过多的X射线照射量以超过此黑电流，并且受试者的暴露剂量增加。已经提出了一种新的X射线成像方法。在此方法中，透明x射线光子是一一测量的，并获得了能量信息。因此，X射线成像雕像可以是从能量信息中映射的元素。此外，仅测量了超过波高阈值的X射线脉冲信号，因此可以去除诸如暗电流之类的噪声，并且可以以高SN比率X射线成像。另外，可以减少辐射X线，并可以减少对人体的暴露剂量。在这项研究中，信号载体的运输特性廉价，过度劳累且出色的硅被用作光子计数方法中的X射线探测器材料。 PN连接照片二极管是在沟槽形的PN硅底物中形成的。通过采用这样的元素结构，可以在几十个螺栓的低偏置电压下完全清空检测器。此外，可以通过从传感器底物的侧向照射x射线来有效地检测x -rays。另外，整个检测器都是空的，因此可以高速收集光生成的信号载体。提案硅X-射线传感器是用评估板原型的，从241 amelicium 241释放的60kev单色伽马射线辐射，并获得检测到的脉冲信号波形。脉搏的上升时间约为12 ns。从理论上讲，生成的电荷载体的方程和电路模拟表明脉冲上升时间约为12 ns。

项目成果

Response Properties of Silicon Trench Photodiodes to Single α- and γ-Ray in Pulse Mode

硅沟槽光电二极管在脉冲模式下对单α射线和γ射线的响应特性

• DOI: 10.1109/access.2022.3177624
• 发表时间: 2022
• 期刊: IEEE Access
• 影响因子: 3.9
• 作者: Toru Mizuki;Rikako Saito;Keisuke Hirata;Sheikh Mohamed Mohamed;Yoshikata Nakajima;Toru Maekawa;Ariyoshi Tetsuya
• 通讯作者: Ariyoshi Tetsuya