新たな高速１光子検出器の開発とフォトンカウンティングX線イメージングへの応用

新型高速单光子探测器的研制及其在光子计数X射线成像中的应用

• 批准号: 18J14099
• 负责人: 小山 晃広
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-04-25 至 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18J14099/
• 关键词: 三次元集積; SOI; SiPM

本研究は、フォトンカウンティングCTへ応用を目指した、高感度光センサSilicon Photomultiplier(SiPM)の開発及びパルス計数型の高速信号処理回路の三次元集積化を目的としたものである。必要となる計数率特性がピクセルサイズの微細化とともに向上する点を踏まえ、半導体集積回路製造技術の一つであるSilicon on Insulator (SOI)プロセスの利用によってSiPMと処理回路を三次元的に集積させた新たなフォトンカウンティングCT用デバイスの開発に挑戦した。半導体プロセス・デバイスシミュレータである Technology Computer Aided Design (TCAD) を用いた検討の後、実際に 250 μm 角の SiPM を SOI プロセスで試作し、一般的なSiPMの動作性能である100000程度の増幅ゲイン、及び高速性として十分な 16 ns 程度の信号回復時間と300 ps 以下の時間分解能をもって単一光子弁別が可能であるSiPMの開発に成功した。そこでSOIプロセスの利点である高速性を活かした計数型回路を設計し、SiPM上に集積させた4.45 mm角のプロトタイプチップを試作し、短パルスレーザー光を用いた照射試験により250 μm 角のピクセルあたり 500 ns 以下の不感時間特性のもとに計数可能であることを確認した。これはフォトンカウンティングCTへの応用で要求される入射 X 線強度 3 M cps/mm^2 程度を数え落とし10 %以下で十分検出可能な高速性である。以上より本研究はSOI技術を用いたSiPMと回路の三次元集積の有用性を示すものであり、フォトンカウンティングCT のみならず様々な応用が期待される成果である。

This paper aims at the development of high sensitivity Silicon Photomultiplier(SiPM) and the three-dimensional integration of high speed signal processing circuit of multi-channel optical system. The required count rate characteristics are: Silicon on Insulator (SOI), silicon on insulator (SOI) and silicon on insulator (SOI). Technology Computer Aided Design (TCAD) was used to investigate and test the SOI performance of SiPM with an angle of 250 μm, and the performance of ordinary SiPM was increased to about 100000 degrees. And the high speed of the signal recovery time of less than 16 ns and the time resolution energy of less than 300 ps make it possible to develop SiPM successfully. The design of the counting circuit with high speed performance and low sensitivity characteristics is confirmed by the test of the concentration on the SiPM at an angle of 4.45 mm and the test of the non-sensitivity time characteristics at an angle of 250 μm and below 500 ns. The application of this kind of CT requires that the incident X-ray intensity of 3M cps/mm^2 should be less than 10%, which makes it possible to achieve high speed. The above research shows the usefulness of SOI technology in the application of SiPM and three-dimensional integration of circuits.

项目成果

Silicon on Insulator Silicon Photomultiplier (SOI-SiPM) Array for Use in Photon counting CT

用于光子计数 CT 的绝缘体上硅硅光电倍增管 (SOI-SiPM) 阵列

• 发表时间: 2019
• 作者: Tomoki Emmei;Hiroshi Fujimoto;Akihiro Koyama
• 通讯作者: Akihiro Koyama

A 250-μm pitch 36-channel silicon photo multiplier array prototype using silicon on insulator technology

采用绝缘体上硅技术的 250μm 节距 36 通道硅光电倍增器阵列原型

• DOI: 10.1016/j.nima.2018.07.074
• 发表时间: 2019
• 期刊: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment
• 作者: A. Koyama;R. Hamasaki;K. Shimazoe;H. Takahashi;T. Takeshita;I. Kurachi;T. Miyoshi;I. Nakamura;S. Kishimoto;Y. Arai
• 通讯作者: Y. Arai