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-ray イ メ ー ジ ン グ は human や objects を の internal structure more る means で picture hiroo く using さ れ て い る. 従 to の エ ネ ル ギ ー integral way で は through X-ray の エ ネ ル ギ ー intelligence は X-ray 検 extractor に て integrating さ れ う て lost. ま た, dark current も integrating さ れ る の で, こ の dark current を above す る た め に before turning な X-ray exposure を necessary と し, those 験 の line was revealed in が raised add す る. New た な X-ray イ メ ー ジ ン グ method と し て フ ォ ト ン カ ウ ン ト way が proposal さ れ て い る. The する information is obtained through the で で method by using X-ray photon を one-to-one <e:1> to measure the <s:1>, エネ, ギ and ギ information で. 従 っ て, X-ray イ メ ー ジ ン グ like は そ の エ ネ ル ギ ー intelligence か ら element マ ッ ピ ン グ が may と な る. ま た, wave high numerical の threshold numerical を え た X-ray パ ル ス signal の み を measuring す る の で dark current な ど の 雑 sound を remove で き, high SN ratio で の X-ray イ メ ー ジ ン グ が may と な る. Youdaoplaceholder0, the amount of X-rays exposed を is less than that of える とがで とがで また, and the amount of radiation exposed to the human body へ <s:1> is を less なくで る る る. This study で は Ann 価 で good processability で signal キ ャ リ ア の transportation に optimal れ た シ リ コ ン を フ ォ ト ン カ ウ ン ト way で の X-ray 検 out materials と し て using す る. In the p-type シリコ <e:1> substrate, the にPN bonding type フォトダ <s:1> and <s:1> <s:1> <s:1> に form する. Son こ の よ う な element structure を mining る こ と で dozens ボ ル ト degree low の バ イ ア ス electric 圧 に て 検 extractor を completely empty the で き る. ま た, セ ン サ ー substrate の side direction か ら X-ray を irradiation す る こ と で X-ray を sharper rate よ く 検 out す る こ と が で き る. Add え て, 検 extractor all が empty turn し て い る の で, photovoltaic generation し た signal キ ャ リ ア を high-speed 収 set す る こ と が で き る. Proposal シ リ コ ン X-ray セ ン サ ー を review 価 substrate と と も に try し, ア メ リ シ ウ ム 241 か ら release さ れ る 60 kev の 単 color gamma line し を exposure, 検 パ ル ス た を signal waveform. Youdaoplaceholder0, パ, パ, ス, ち stand on ち, が ス time, パ 12ns degree, であった. Generate charge キ ャ リ ア の conveying の equation お よ び loop シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ っ て, パ ル ス の stand on ち が り が 12 degree of ns で あ る こ と を theory に も card be し た.

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