JP2003294844A - Ｘ線センサ信号処理回路及びｘ線ｃｔ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、Ｘ線センサとしてＣｄＴｅセ
ンサを用いた場合でも、Ｘ線センサで発生する分極効果
による感度低下を確実に抑制し、常に一定感度でＸ線量
を測定できるＸ線センサ信号処理回路及びこれを用いた
Ｘ線ＣＴ装置を提供することにある。 【解決手段】本発明では、加速器から出射されて被試験
体を透過したパルス状のＸ線を検出するＸ線センサの出
力信号を処理するＸ線センサ信号処理回路が、前記加速
器からＸ線が出射されてから次のＸ線が出射されるまで
の間に、前記Ｘ線センサのバイアス電圧を少なくとも一
度ゼロにする機能を有するバイアス電圧調整回路を備え
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非破壊検査を行う
ためのＸ線センサの出力信号を処理するＸ線センサ信号
処理回路及びそれを用いたＸ線ＣＴ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、金属製部品や装置の内部欠陥など
を非破壊で検査したいという要求により、１ＭｅＶ以上
のＸ線を用いた工業用Ｘ線ＣＴ装置が開発されている。
また、被試験体（被検体）はより大きく、解像度はより
良くというニーズがあり、更なる研究開発が進んでい
る。

【０００３】Ｘ線ＣＴ装置に関する第１従来例は、H.Mi
yai, et al.：“A High Energy X−Ray Computed Tomog
raphy Using Silicon Semiconductor Detectors”，199
6Nuclear Science Symposium Conference Record，Vol.
2，pp816−821，Nov.2−91996，Anaheim，CA，USA（199
7）に記載されている。本従来例では、Ｘ線を検出する
ためのＸ線センサに短冊形のシリコン半導体検出器を用
いて高感度化を達成し、またそれを高密度に並べること
により高分解能を実現している。

【０００４】Ｘ線ＣＴ装置では、Ｘ線センサを５００か
ら１０００個アレイ状に並べるため、その信号を増幅し
てデジタル値に変換する信号処理回路は、非常に多数の
回路を必要とする。また、Ｘ線センサからの出力電流の
ダイナミックレンジは４桁以上あるので、より簡単な構
成で精度良い測定のできる回路構成が求められる。この
ような回路は、第２従来例である特開２０００−２５８
５４２号公報に記載されている。

【０００５】第２従来例に記載されているＸ線センサの
出力信号を処理する信号処理回路について、図６を用い
て説明する。図６に示す信号処理回路１では、半導体セ
ンサ（Ｘ線センサ）２１〜２ｎは、初段回路２０１〜２
０ｎに接続されている。Ｘ線ＣＴ装置用の半導体センサ
は、高エネルギーのＸ線パルスを効率よく検出するため
に、短冊形で寸法が大きく（例えば、第１従来例では３
×４０×０.４mm）、必然的に数十ｎＡレベルの大きな
暗電流を生じる。

【０００６】初段回路２０１において、バイアス電源２
０８は半導体センサ２１に逆バイアス電圧を供給するた
めのものである。コンデンサ２０４は、電流電圧変換増
幅器が暗電流による直流電圧を増幅しないように、半導
体センサ２１を交流結合するためのものである。ＯＰア
ンプ２０５，コンデンサ２０７，抵抗２０６で電流電圧
変換増幅器を構成している。

【０００７】Ｘ線が半導体センサ２１に入射すると、セ
ンサ内部に電荷が発生してコンデンサ２０７に電流が積
分され、電流が電圧に変換されて初段回路２０１から出
力される。抵抗２０６は蓄積した電荷を次のＸ線パルス
がセンサに入射する前に放電するためのものである。Ａ
Ｄコンバータ１３内のサンプルホールドアンプ１４１〜
１４ｎは、Ｘ線パルスと同期してホールドされ、後段で
ＡＤ変換される。

【０００８】テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）は、シリ
コンの３倍をこえる有効原子番号を有し、密度が高いた
め、Ｘ線ＣＴ装置で利用される高エネルギーのＸ線セン
サに使用すると、シリコン半導体の約２倍の感度が得ら
れる。また、放射線照射によるリーク電流の増加も少な
く、Ｓ／Ｎ比上も有利である。信号処理回路も基本的に
図６の回路を使用することができる。ＣｄＴｅセンサ
は、以前から小型の放射線検出器として注目されてお
り、Ｘ線ＣＴ装置に使用すれば、より鮮明な画像を得ら
れることが期待できる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】第２従来例のＸ線セン
サにＣｄＴｅセンサを使用すれば、上記のように高感度
が期待できるが、ＣｄＴｅセンサには分極効果による感
度低下が知られている。この分極効果は、P.Siffert，
J.Berger, et.al.：“Polarization in CadmiumTelluri
de Nuclear Radiation Detectors”，IEEE Transaction
on NuclearScience，Vol.NS−23，No.1，pp159−170
（1976）(第３従来例）に記載されている。

【００１０】第３従来例によれば、ＣｄＴｅセンサは、
分極により測定開始後急速に感度が低下する。例えば、
第３従来例のFig.３では、ＣｄＴｅセンサのカウントレ
ート（感度に相当）が、最初の１００秒は時定数１６秒
で、その後は時定数１.２４時間と減少している。ま
た、放射線がセンサに入射していなくてもバイアス電圧
を印加しているだけで感度が低下すること（第３従来例
のFig.６）、Ｘ線の線量率が大きいと感度の低下が大き
いこと（第３従来例のFig.７）も記載されている。

【００１１】さらに、第３従来例には、ＣｄＴｅセンサ
の分極効果を低減する方法が記載されているが、現在で
もＣｄＴｅセンサの分極問題は解決されていない。第３
従来例には、分極効果低減方法の一案として、時々セン
サに供給されているバイアス電源を切ることが記載され
ているが、バイアス電源を印加するとすぐに感度低下が
発生し始める。このため、適当に電源を切るだけでは、
実際の測定時の分極効果によるＣｄＴｅセンサの感度低
下量を確実に抑制することはできず、感度低下量を補正
することもできないという問題があった。

【００１２】本発明の目的は、Ｘ線センサとしてＣｄＴ
ｅセンサを用いた場合でも、Ｘ線センサで発生する分極
効果による感度低下を確実に抑制し、常に一定感度でＸ
線量を測定できるＸ線センサ信号処理回路及びこれを用
いたＸ線ＣＴ装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、加速器
から出射されて被試験体を透過したパルス状のＸ線を検
出するＸ線センサの出力信号を処理するＸ線センサ信号
処理回路が、前記加速器からＸ線が出射されてから次の
Ｘ線が出射されるまでの間に、前記Ｘ線センサのバイア
ス電圧を少なくとも一度ゼロにする機能を有するバイア
ス電圧調整回路を備えることである。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
例を説明する。図１は本発明によるＸ線センサ信号処理
回路の一実施例の概略構成図である。図２は、図１のＸ
線センサ信号処理回路を用いたＸ線ＣＴ装置の概略構成
図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は部分上面図である。

【００１５】以下、図２のＸ線ＣＴ装置による非破壊検
査方法について説明する。初めに、ＣＴ制御装置９は、
加速器４に対してＸ線パルスの出射指令信号を出力する
と同時に、信号処理回路（Ｘ線センサ信号処理回路）１
に対してＸ線パルスの出射開始信号を出力する。加速器
４は、Ｘ線パルスの出射指令信号を入力すると、ライナ
ック４１によりイオンビームを加速して出射し、そのイ
オンビームをターゲット４２に照射することにより扇状
（放射状）で高エネルギー（１ＭｅＶ以上）のＸ線を発
生させる。

【００１６】発生したＸ線は、パルス幅５μｓの短いパ
ルス状のＸ線として加速器４から出射される。このＸ線
のエネルギー及びパルス幅は、ライナック４１でターゲ
ット４２に照射するイオンビームのエネルギー及びパル
ス幅を制御することによって制御される。

【００１７】加速器４から出射されたＸ線パルス（パル
ス状のＸ線）は、スキャナ６上に配置された被試験体
（被検体）５に照射され、被試験体５を透過する。図示
しないが、スキャナ６は、ＣＴ制御装置９からの制御信
号を入力し、この制御信号に従って被試験体５を回転及
び／又は上下動させる。スキャナ６の回転及び上下動に
よって、被試験体５の任意の箇所に対して、様々な方向
からＸ線パルスが複数回照射される。

【００１８】本実施例では第３世代方式と呼ばれる撮像
方式を用いており、被試験体を180度または３６０度回
転させながらセンサ出力データを測定することにより、
１枚の断面の透視画像を再構成する。

【００１９】被試験体５を透過したＸ線パルスは、コリ
メータ７を通り、一列に並べられた半導体センサ（Ｘ線
センサ）２１〜２ｎに入射する。半導体センサ２１〜２
ｎにＸ線が入射すると、センサ内に多数の電子と正孔の
ペアが生じ、電流が流れる。信号処理回路１は、半導体
センサ２１〜２ｎに生じた電流に応じたセンサ出力デー
タ（信号）を出力する。信号処理回路１の動作について
は後述する。

【００２０】データ送受信回路３は、信号処理回路１か
ら入力したセンサ出力データをＣＴ制御装置９に出力す
る。データ送受信回路３とＣＴ制御装置９との間には遮
蔽壁８があるため、両装置間のデータの伝送は遮蔽壁８
を貫通するケーブルを通して行われる。加速器４及びス
キャナ６とＣＴ制御装置９との間のデータ伝送も同様で
ある。ＣＴ制御装置９は、入力したセンサ出力データを
用いて被試験体５の断面の透視画像を再構成し、表示装
置１０に表示させる。以上のようにして、被試験体５の
断面の透視画像が得られる。

【００２１】次に、図１を用いて信号処理回路１を説明
する。半導体センサ２１〜２ｎは、それぞれ初段回路１
１１〜１１ｎに接続される。初段回路１１１〜１１ｎは
同じ構成であるので、ここでは初段回路１１１について
のみ説明する。半導体センサ２１〜２ｎはＣｄＴｅセン
サを用いる。

【００２２】初段回路１１１において、半導体センサ２
１の一端には、半導体センサ２１に逆バイアスを印加す
る向きにバイアス電圧が印加される。バイアス電圧はバ
イアス電圧調整回路１９から供給され、初段回路１１１
〜１１ｎまで共通に使用される。半導体センサ２１の他
端は、抵抗１１９を通して接地されている。抵抗119
は、１０ＭΩ等の高抵抗である。

【００２３】半導体センサ２１と抵抗１１９の接続部に
はコンデンサ１１４の一端が接続される。コンデンサ１
１４の他端はＯＰアンプ１１５の反転入力に接続され、
ＯＰアンプ１１５に並列に抵抗１１６及びコンデンサ１
１７が接続される。ＯＰアンプ１１５，抵抗１１６及び
コンデンサ１１７は積分回路を構成している。以下、Ｏ
Ｐアンプ１１５，抵抗１１６及びコンデンサ１１７をま
とめて積分器という。初段回路１１１は以上のように構
成される。

【００２４】初段回路１１１〜１１ｎの出力端（積分器
の出力端）はＡＤコンバータ１３のサンプルホールドア
ンプ１４１〜１４ｎに接続され、各サンプルホールドア
ンプはスイッチ１５１〜１５ｎに各々接続される。

【００２５】ＡＤコンバータ１３は、制御回路１２から
のホールド指令信号により、サンプルホールドアンプ１
４１〜１４ｎを同時にホールドモードにし、スイッチ１
５１〜１５ｎを順次閉にして内蔵のＡＤ変換回路１６で
電圧をデジタル値に変換し、内蔵メモリ１７に書き込
む。また、ＡＤコンバータ１３は、制御回路１２からの
サンプル指令信号により、サンプルホールドアンプ１４
１〜１４ｎをサンプルモード（入力電圧に対して出力が
追従するモード）に復帰させる。

【００２６】バイアス電圧調整回路１９は、制御回路１
９１，ＤＡコンバータ１９２、並びに、抵抗１９３，１
９４及びＯＰアンプ１９５からなる電圧増幅回路から構
成される。制御回路１９１は、制御回路１２からの指令
信号により、半導体センサに供給するバイアス電圧に対
応するデジタル値をＤＡコンバータ１９２に出力する。
ＤＡコンバータ１９２はこのデジタル値をアナログ電圧
に変換し、電圧増幅回路により半導体センサのバイアス
に必要な高電圧を出力する。本実施例では、Ｘ線測定時
には−５０Ｖの電圧を出力する。

【００２７】次に、信号処理回路１及び制御回路１２の
動作を図３及び図４を用いて説明する。図３は、図１の
制御回路１２の動作を示すフローチャートである。

【００２８】制御回路１２には、ＣＴ制御装置９から出
力されたＸ線パルス出射開始信号がデータ送受信回路３
及びバス１８を介して入力される。制御回路１２は、Ｘ
線パルス出射開始信号が入力されたときにＸ線パルスの
照射が開始されたと判断し（ステップ４０１）、その１
０μｓ後に「信号ホールド・ＡＤ変換」指令信号をＡＤ
コンバータ１３に出力する（ステップ４０２，４０
３）。「信号ホールド・ＡＤ変換」指令信号を受けたＡ
Ｄコンバータ１３は、前述したように自動的に各センサ
の信号を測定する。

【００２９】次に、制御回路１２は、バイアス電圧調整
回路１９に「バイアス電圧０」指令信号を出力する（ス
テップ４０４）。バイアス電圧調整回路１９は、この指
令信号を受信すると、バイアス電圧を測定時の−５０Ｖ
から徐々に０Ｖに変化させ、一定時間バイアス電圧０Ｖ
状態を保持した後、徐々に−５０Ｖに戻す。制御回路１
２は、一定時間の後（ステップ４０５）、「信号サンプ
ル」指令信号をＡＤコンバータ１３に出力する（ステッ
プ４０６）。これにより、ＡＤコンバータ１３内のサン
プルホールドアンプ１４１〜１４ｎはサンプル状態に戻
り、次のＸ線パルス入射による測定に備える。

【００３０】図４は、Ｘ線パルス出力波形（Ｘ線出
力），バイアス電圧調整回路１９の出力波形(バイアス
電圧Ｖｂ），初段回路１１１の出力波形(初段回路出力
電圧Ｖout)、及びＡＤコンバータ１３中のサンプルホー
ルドアンプ１４１の出力波形（Ｓ／Ｈ出力）の時間変化
を示す図である。初段回路出力電圧Ｖout は、半導体セ
ンサ２１から出力された電流が初段回路１１１で電圧に
変換された出力である。即ち、初段回路１１１は、半導
体センサ２１から出力された電流を電圧に変換する電流
／電圧変換回路として機能する。

【００３１】本実施例では、Ｘ線ＣＴ装置のＸ線パルス
繰り返し周期Ｔｐは５ミリ秒である。これに比べて、発
生するＸ線パルス幅Ｔｗは５マイクロ秒と非常に短か
く、規則的に出力される。従って、ＣｄＴｅ半導体セン
サに供給するバイアス電圧Ｖｂは、Ｘ線パルスが半導体
センサに入射し、発生した電荷が電流として初段回路に
流入する時間だけ、半導体センサに印加されていればよ
い。

【００３２】図４に示すように、Ｘ線パルスが出力され
る前から、バイアス電圧Ｖｂは半導体センサに印加され
ている。Ｘ線パルスが半導体センサに入射すると、初段
回路１１１は半導体センサの出力電流を積分し、出力電
圧（出力信号）Ｖout を出力する。Ｖout が負の電圧で
あるのは反転増幅回路のためである。Ｘ線パルスがなく
なると、Ｖout は所定の放電時定数で減衰する。

【００３３】前述したようにＳ／Ｈ出力のホールドはＴ
ｓ＝１０マイクロ秒で行われる。初段回路１１１の出力
信号は、サンプルホールドアンプ１４１で保持（ホール
ド）された後に、ＡＤコンバータ１３の内部でＡＤ変換
される。このため、半導体センサのバイアス電圧を変化
させて初段回路１１１の出力信号が変動しても、測定に
は影響を及ぼさない。

【００３４】ＣｄＴｅセンサにバイアス電圧を印加した
ままにしておくと、分極が発生して感度が低下する。こ
のため、本実施例ではＸ線パルスが半導体センサに入射
し、初段回路出力信号のホールドが完了した後に、半導
体センサのバイアス電圧を０にする過程を設けている。

【００３５】具体的には、図４に示すように、制御回路
１２は、時間（時刻）Ｔ１において「バイアス電圧０」
指令信号をバイアス電圧調整回路１９に出力する。この
指令に応じて、バイアス電圧調整回路１９は、自動的に
時間Ｔ２までに徐々にバイアス電圧Ｖｂを０とし、所定
時間（Ｔ３−Ｔ２）０Ｖを保持した後、時間Ｔ４までに
元の−５０Ｖにバイアス電圧Ｖｂを回復させる。即ち、
バイアス電圧調整回路１９は、次のＸ線パルスが出射さ
れる（半導体センサに入射する）前に、バイアス電圧を
元に戻す。

【００３６】この場合、制御回路１２が、Ｘ線パルス出
力からＴ４までの時間が一定になるように制御する。こ
うして、制御回路１２は、ＣｄＴｅセンサのバイアス電
圧がオン（時間Ｔ４）になってから次のＸ線パルス発生
までの時間を一定に制御する。従って、ＣｄＴｅセンサ
にバイアス電圧印加による分極現象が発生しても、その
影響は常に一定となり、半導体センサの感度も一定に保
持される。

【００３７】なお、以上説明した本実施例の信号処理回
路１を複数の回路基板に分け、各回路基板で並列処理を
行うことによって、処理時間を短縮することも可能であ
る。図５は、５つの信号処理回路１ａ〜１ｅを使用する
場合の構成例を示す。信号処理回路１ａ〜１ｅは、それ
ぞれ別々の回路基板である。図５に示すように、バス１
８は信号処理回路１ａ〜１ｅに共通で設けられる。

【００３８】この場合、データ送受信回路３へのデータ
送信を除いて、各信号処理回路１ａ〜１ｅは並列（並
行）して動作することができるので、信号処理がより速
くなる。この場合、データ送受信回路３からの要求に基
づいてデータ送受信回路３へのデータ送信を実行するこ
とにより、信号処理回路１ａ〜１ｅ間の混信を防止でき
る。また、各信号処理回路に予め対応するアドレスを割
り振っておくことにより、回路基板数は幾つでも増すこ
とができる。

【００３９】また、図１の実施例では、Ｘ線パルスに同
期してＸ線センサのバイアス電圧をゼロにしているが、
これに限らない。例えば、Ｘ線センサの感度低下が小さ
い場合には、断面の透視画像を１枚撮影する毎に（また
は所定枚数撮影する毎に）、Ｘ線センサのバイアス電圧
をゼロにするように制御しても良い。このような制御
は、図２のスキャナ６の回転や上下移動に同期させて、
図１のバイアス電圧調整回路への「バイアス電圧０」指
令信号を出力することで容易に実現できる。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、Ｘ線センサとしてＣｄ
Ｔｅセンサを用いた場合でも、Ｘ線センサで発生する分
極効果による感度低下を確実に抑制し、常に一定感度で
Ｘ線量を測定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適な一実施例である信号処理回路の
構成図である。

【図２】本発明の好適な一実施例であるＸ線ＣＴ装置の
構成図である。

【図３】図１の制御回路１２の動作を示すフローチャー
トである。

【図４】図１のＸ線出力，バイアス電圧Ｖｂ，初段回路
出力電圧Ｖout 、及びＳ／Ｈ出力の時間変化を示す図で
ある。

【図５】図１の実施例で５つの信号処理回路１ａ〜１ｅ
を用いた場合の構成図である。

【図６】第２従来技術の信号処理回路の構成図である。

【符号の説明】

１…信号処理回路、３…データ送受信回路、４…加速
器、５…被試験体、６…スキャナ、７…コリメータ、８
…遮蔽壁、９…ＣＴ制御装置、１０…表示装置、１２…
制御回路、１３…ＡＤコンバータ、１８…バス、２１〜
２ｎ…半導体センサ、１１１〜１１ｎ…初段回路、１４
１〜１４ｎ…サンプルホールドアンプ、１５１〜１５ｎ
…スイッチ、１９…バイアス電圧調整回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G001 AA01 BA11 CA01 DA01 GA01 HA09 HA13 HA14 JA06 KA01 KA03 LA02 2G088 EE02 FF02 GG21 KK40

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】加速器から出射されて被試験体を透過した
   パルス状のＸ線を検出するＸ線センサの出力信号を処理
   するＸ線センサ信号処理回路において、 前記加速器からＸ線が出射されてから次のＸ線が出射さ
   れるまでの間に、前記Ｘ線センサのバイアス電圧を少な
   くとも一度ゼロにする機能を有するバイアス電圧調整回
   路を備えることを特徴とするＸ線センサ信号処理回路。
2. 【請求項２】請求項１において、前記Ｘ線センサは半導
   体センサであり、該半導体センサから出力された電流を
   電圧に変換する電流／電圧変換回路を備え、前記バイア
   ス電圧調整回路は、前記電流／電圧変換回路の出力信号
   がホールドされた後に、前記バイアス電圧をゼロにする
   ことを特徴とするＸ線センサ信号処理回路。
3. 【請求項３】請求項１又は２において、前記バイアス電
   圧調整回路は、前記バイアス電圧を一度ゼロにした後で
   次のＸ線が出射される前に、前記バイアス電圧を元に戻
   すことを特徴とするＸ線センサ信号処理回路。
4. 【請求項４】パルス状のＸ線を出射する加速器と、前記
   加速器から出射されたＸ線が照射される被試験体を回転
   或いは上下動させるスキャナと、前記被試験体に照射さ
   れて前記被試験体を透過したＸ線を検出する複数のＸ線
   センサと、前記複数のＸ線センサの出力信号を処理する
   Ｘ線センサ信号処理回路と、前記Ｘ線センサ信号処理回
   路によって処理された前記Ｘ線センサの出力信号に基づ
   いて前記被試験体の断面の透視画像を再構成するＣＴ制
   御装置とを有するＸ線ＣＴ装置において、 前記Ｘ線センサ信号処理回路は、前記加速器からＸ線が
   出射されてから次のＸ線が出射されるまでの間に、前記
   Ｘ線センサのバイアス電圧を少なくとも一度ゼロにする
   機能を有するバイアス電圧調整回路を備えたことを特徴
   とするＸ線ＣＴ装置。
5. 【請求項５】請求項４において、前記Ｘ線センサは半導
   体センサであり、前記Ｘ線センサ信号処理回路は前記半
   導体センサから出力された電流を電圧に変換する電流／
   電圧変換回路を備え、前記バイアス電圧調整回路は、前
   記電流／電圧変換回路の出力信号がホールドされた後
   に、前記バイアス電圧をゼロにすることを特徴とするＸ
   線ＣＴ装置。
6. 【請求項６】請求項４又は５において、前記バイアス電
   圧調整回路は、前記バイアス電圧を一度ゼロにした後で
   次のＸ線が出射される前に、前記バイアス電圧を元に戻
   すことを特徴とするＸ線ＣＴ装置。