JP2009300295A - フォトンカウント検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のエネルギー帯毎にＸ線のフォトン数を検出することができ、かつ各エネルギー帯の最小フォトン数と最小計測間隔を満たすことができるフォトンカウント検出器を提供する。
【解決手段】フォトン５を放射する線源４に対向して隣接して配置され、線源から入射したフォトンを電流に変換する複数のフォトン検出器１２と、各フォトン検出器にそれぞれ設けられ、検出した電流を複数のエネルギー帯にそれぞれ弁別する複数のコンパレータ１６と、複数のフォトン検出器に設けられた同一エネルギー帯のコンパレータの出力を加算する加算器１６と、各エネルギー帯のフォトン数をそれぞれカウントする複数のカウンタ１８とを備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、線源からのフォトンをカウントするフォトンカウント検出器に関する。

税関や空港における手荷物検査等において、Ｘ線を被検査物に照射し、透過したＸ線の強度分布を画像化して内部の危険物（銃器等）を検出するＸ線検査装置が従来から広く用いられている。

上述したＸ線検査装置において、Ｘ線によるフォトン数を検出するために、フォトンカウント検出器が用いられる。フォトンカウント検出器には、例えばＣｄＴｅ（テルル化カドミウム）を用いた半導体光センサが用いられる。

図７は、半導体光センサの原理図である。
図７（Ａ）の構造図に示すように、半導体光センサは、ガラス基板の上に透明導電膜、ＣｄＳ層（ｎ形）、ＣｄＴｅ層（ｐ形）、及びカーボン電極が順に積層した構造であり、ＣｄＳ層とカーボン電極にＡｇ線が配線され、その間に発生する電流を計測するようになっている。
図７（Ｂ）のエンルギーバンド図において、図の左側（ＣｄＳ側）から光が入ってきたとき、ＣｄＴｅ層で光が吸収され、電子正孔対が生成され、正孔がｐ形へ、電子がｎ形へ移行し、これにより電流が発生する。

上述したフォトンカウント検出器は、例えば非特許文献１、特許文献１，２に開示されている。
また、放射線ラインセンサを用いて被検査物の材質を識別する手段は、例えば特許文献３に開示されている。

特許文献１の「放射線撮像装置」は、Ｘ線のフォトン数を正確に検出して形成した投影データを用いて画像再構成を行い画質向上を図ることを目的とする。
そのため、この発明の装置は、図８に示すように、Ｘ線検出器でＸ線量に応じて形成された電荷を、電流検出系５２で電流値として検出すると共に、パルス検出系５３で該電荷に対応する電荷パルスのカウント値として検出する。そして、演算切り換え部５４が、Ｘ線量が少ないときにはパルス検出系５３からのカウント値を選択し、これを現在のＸ線のフォトン数として出力し、Ｘ線量が多くなった際に、電流検出系５２からの電流値を選択し、これを現在のＸ線のフォトン数として出力するものである。

特許文献２の「放射線画像撮影装置」は、断層画像または３次元画像でも画質の低下を抑えて被曝線量の低減、長撮影時間による患者の動きによる画像のボケの低減、長時間撮影による患者の負担低減を目的とする。
そのため、この発明の装置は、図９に示すように、照射された放射線が被写体６３を透過する際のエッジ効果による位相コントラスト放射線画像を得る放射線画像検出器６４を備え、放射線画像検出器６４は、放射線検出素子が１次元または２次元のイメージセンサであり断層画像または３次元画像を生成する放射線画像撮影装置において、放射線画像検出器６４は対向する両面に電極６８，６１を有し、両面の電極６８，６１の間に放射線を電荷に変換する放射線変換層６７を有し、放射線変換層７がＣｄＴｅ単結晶またはＣｄＺｎＴｅ単結晶からなるものである。

特許文献３の「内容物識別装置および内容物識別方法」は、容器，袋あるいは機器の中に存在する内容物を簡便にかつ正確に表示してその識別を行うことを目的とする。
そのため、この発明の装置は、Ｘ線透視画像信号を作成する手段、中性子画像信号を作成する手段、これらの信号を基にＸ線透視画像の中に中性子透視画像を合成して表示する手段からなるものである。

浜松ホトニクス、「エネルギー弁別型６４ｃｈ ＣｄＴｅ放射線ラインセンサ」、［平成２０年２月５日検索］、インターネット＜ＵＲＬ： ｈｔｔｐ：／／ｊｐ．ｈａｍａｍａｔｓｕ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｘ−ｒａｙ＞

特開２０００−２３９６５号公報、「放射線撮像装置」 特開２００６−３４６２９０号公報、「放射線画像撮影装置」 特開平１１−６４２４８号公報、「内容物識別装置および内容物識別方法」

従来のフォトンカウント検出器は、図１に示すように、光（Ｘ線）を電流に変換する光検出器１、検出した電流（検出電流）を複数（この例で出力レベル１，２，３の３通り）のエネルギー帯に弁別するコンパレータ２、及び各エネルギー帯のフォトン数をカウントするカウンタ３で構成され、線源４（Ｘ線源、光源）からのフォトン５を光検出器１で検出し、検出した検出電流をコンパレータ２とカウンタ３で各エネルギー帯のイベント数（ｎ１，ｎ２，ｎ３）を計数（カウント）するようになっている。

従って、このフォトンカウント検出器を用いて、図２に示すように、ランダムに発生する各エネルギー帯のフォトン数を計数することにより、複数のエネルギー帯毎にＸ線のフォトン数を検出することができる。
図２の例では、レベル３：ｎ３＝１個、レベル２：ｎ２＝３個、レベル１：ｎ１＝６個のフォトンを検出することができる。

しかしフォトンカウント検出器において、統計精度を確保するため、フォトン数はある数量以上必要となる。すなわち、入射するＸ線のフォトン数が少ない場合には、ノイズの影響でＳ／Ｎ比（信号／ノイズ比）が低下するため、Ｓ／Ｎ比を確保するために、ある程度以上のフォトン数（例えば２００００カウント以上：以下、「最小カウント数」と呼ぶ）が必要であった。

一方、従来のフォトンカウント検出器のカウント能力には上限（例えば２Ｍｃｐｓ）があるので、イベント間隔が最小時間分解間隔（以下、「最小計測間隔」と呼ぶ）以下になると正確に計測できなくなる特性がある。

図２の例では、複数のエネルギー帯毎にＸ線のフォトン数を検出することができるが、レベル１〜３のエネルギー帯でフォトン数が少なく、Ｓ／Ｎ比を確保することができない。
そこで、Ｓ／Ｎ比を確保するために、図３に示すように、線源４（Ｘ線源、光源）からのフォトン数を増大させることが考えられる。
しかし、この場合でも、イベント間隔が最小計測間隔以下になると正確に計測できないため、最もフォトン数が多いエネルギー帯（この例でレベル１）の最小計測間隔で線源４からのフォトン数が制限されてしまう。

この場合、レベル１のイベント数は上述した最小カウント数と最小計測間隔を満たすことができるが、レベル２、３のイベント数は、カウント数を増大できず、上述した最小カウント数に達せず、Ｓ／Ｎ比が確保できない問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、複数のエネルギー帯毎にＸ線のフォトン数を検出することができ、かつ各エネルギー帯の最小フォトン数と最小計測間隔を満たすことができるフォトンカウント検出器を提供することにある。

本発明によれば、フォトンを放射する線源に対向して隣接して配置され、前記線源から入射したフォトンを電流に変換する複数のフォトン検出器と、
前記各フォトン検出器にそれぞれ設けられ、検出した電流を複数のエネルギー帯にそれぞれ弁別する複数のコンパレータと、
前記複数のフォトン検出器に設けられた同一エネルギー帯のコンパレータの出力を加算する加算器と、
前記各エネルギー帯のフォトン数をそれぞれカウントする複数のカウンタと、を備えたことを特徴とするフォトンカウント検出器が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記各カウンタによるそれぞれのエネルギー帯のカウント数が、最小フォトン数を超えるように設けられる。

また、前記各カウンタによるそれぞれのエネルギー帯のカウント間隔が、最小計測間隔を超えるように、前記線源が設定されている。

また、前記フォトン検出器を線状に並べた一次元アレイ検出器を隣接して複数備え、該複数の一次元アレイ検出器の対応するフォトン検出器に、前記加算器を設ける、ことが好ましい。

また、前記フォトン検出器を線状に並べた１又は複数の一次元アレイ検出器を備え、該一次元アレイ検出器内の隣接するフォトン検出器に、前記加算器を設ける、ことが好ましい。

上述した本発明の構成によれば、複数のフォトン検出器が、フォトンを放射する線源に対向して隣接して配置されるので、線源から入射したフォトンを複数の光検出器により別々に電流に変換することができる。
また、各フォトン検出器にそれぞれ設けられた複数のコンパレータが、複数のフォトン検出器で検出した電流をそれぞれ複数のエネルギー帯に弁別するので、複数のエネルギー帯それぞれに対して複数の出力を得ることができる。
さらに、複数のフォトン検出器に設けられた１又は複数の加算器により、同一エネルギー帯のコンパレータの出力を加算するので、同一エネルギー帯のカウント数を加算したフォトン検出器の数に比例して増大させることができる。
従って、線源（Ｘ線源、光源）からのフォトン数を増大させ、加算器により、同一エネルギー帯のカウント数を加算することにより、複数のエネルギー帯毎にＸ線のフォトン数を検出することができ、かつ各エネルギー帯の最小フォトン数と最小計測間隔を満たすことができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図４は、本発明によるフォトンカウント検出器の第１実施形態図である。
この図において、本発明のフォトンカウント検出器１０は、複数のフォトン検出器１２、複数のコンパレータ１４、１又は複数の加算器１６、及び複数のカウンタ１８を備える。

複数（この例では３台）のフォトン検出器１２は、フォトン５を放射する線源４に対向して隣接して配置され、線源４から入射したフォトン５を電流に変換する。

線源４は、Ｘ線源又は光源であり、フォトン５（光子）をランダムに放射する。この線源４からのフォトン数は、好ましくは任意に増大できるようになっている。
フォトン検出器１２は、例えばＣｄＴｅ（テルル化カドミウム）を用いた半導体光センサである。しかし、本発明は、フォトン５を電流に変換できる限りで、半導体光センサに限定されず、その他の半導体検出器や周知のシンチレーション計数管であってもよい。

複数（この例では３×２＝６台）のコンパレータ１４は、各フォトン検出器１２にそれぞれ設けられ、検出した電流を複数のエネルギー帯（この例では３段階）にそれぞれ弁別する。
すなわち、１つのフォトン検出器１２にこの例で３台づつ設けられたコンパレータ１４は、入射するフォトン５のエネルギーをこの例では３つのエネルギー帯（レベル１〜３）に区分してそれぞれのイベント数（ｎ１，ｎ２，ｎ３）を計数するようになっている。

１又は複数（この例では３台）の加算器１６は、複数（この例では２台）のフォトン検出器１２に設けられた同一エネルギー帯（レベル１〜３）のコンパレータ１６の出力を加算する。

複数（この例では３台）のカウンタ１８は、各エネルギー帯（レベル１〜３）に対応するコンパレータ１６から出力されるフォトン数をそれぞれカウントする。

上述した線源４は、各カウンタ１８によるそれぞれのエネルギー帯（レベル１〜３）のカウント間隔が、検出器のカウント能力で決まる最小計測間隔を超えるように設定する。
また加算器１６は、各カウンタ１８によるそれぞれのエネルギー帯（レベル１〜３）のカウント数が、最小フォトン数を超えるように設ける。

上述した本発明の第１実施形態の構成によれば、複数（２台）のフォトン検出器１２が、フォトン５を放射する線源４に対向して隣接して配置されるので、線源４から入射したフォトン５を複数の光検出器１２により別々に電流に変換することができる。
また、各フォトン検出器１２にそれぞれ設けられた複数（３×２＝６台）のコンパレータ１４が、複数（２台）のフォトン検出器１２で検出した電流をそれぞれ複数のエネルギー帯（レベル１〜３）に弁別するので、複数のエネルギー帯（レベル１〜３）それぞれに対して複数の出力ｎ１，ｎ２，ｎ３を得ることができる。
さらに、複数のフォトン検出器１２に設けられた３台の加算器１６により、同一エネルギー帯（レベル１〜３）のコンパレータ１４の出力を加算するので、同一エネルギー帯のカウント数ｎ１，ｎ２，ｎ３を加算したフォトン検出器の数に比例して増大させることができる。
従って、線源４（Ｘ線源、光源）からのフォトン数５を増大させ、加算器１６により、同一エネルギー帯のカウント数ｎ１，ｎ２，ｎ３を加算することにより、複数のエネルギー帯毎にＸ線のフォトン数を検出することができ、かつ各エネルギー帯の最小フォトン数と最小計測間隔を満たすことができる。

図５は、本発明によるフォトンカウント検出器の第２実施形態図である。
この例において、本発明のフォトンカウント検出器１０は、フォトン検出器１２を線状に並べた一次元アレイ検出器１３を隣接して複数（この例で２台）備える。
また、複数（この例で２台）の一次元アレイ検出器１３の対応するフォトン検出器１２に、加算器１６が設けられている。加算器１６は、この例では、各フォトン検出器１２に複数（この例では３台）設けられ、同一エネルギー帯（レベル１〜３）のコンパレータ１６の出力を加算する。なお、加算器１６は、各カウンタによるそれぞれのエネルギー帯のカウント数が、最小フォトン数を超える限りで、レベル１〜３のうちその一部のみに設けてもよい。
その他の構成は、第１実施形態と同様である。

以下、第２実施形態の作用を説明する。
第２実施形態のフォトンカウント検出器において、統計精度を確保するために必要なフォトン数（光子数）を２００００カウント、フォトンカウント検出器のカウント能力を２Ｍｃｐｓと仮定する。
図５の一次元アレイ検出器１３が１ｍｍの幅のライン型の検出器の場合、ベルトコンベアの速度が例えば２００ｍｍ／ｓだとすると、検出器１３の前を横切る時間は１／２００＝５ｍｓとなる。
この５ｍｍｓの間に検出器１３センサが取り込めるフォトン数は２Ｍｃｐｓ×５ｍｓ＝１００００カウントとなり、これでは、統計精度上必要なカウント数２００００カウントを満足できていない。
そこで、図５に示したように、一次元アレイ検出器１３を２列並列にして出力を結合すると、１００００カウント／１列×２列＝２００００カウントとなり、統計精度上必要なフォトン数を確保できる。

なお、一次元アレイ検出器１３で画像化を行なう場合、図５のように素子（フォトン検出器１２）を線状に並べた一次元アレイの形をとる。この場合、加算器１６は、各フォトン検出器１２に複数（この例では３台）設けられ、同一エネルギー帯（レベル１〜３）のコンパレータ１６の出力を加算する。

図６は、本発明によるフォトンカウント検出器の第３実施形態図である。
この例において、本発明のフォトンカウント検出器１０は、フォトン検出器１２を線状に並べた１又は複数（この例で１台）の一次元アレイ検出器１３を備える。
またこの１台の一次元アレイ検出器１３内の隣接するフォトン検出器１２に、加算器１６が設けられている。加算器１６は、この例では、同一の一次元アレイ検出器１３内の隣接するフォトン検出器１２に１台のみ設けられ、レベル１〜３のうち同一エネルギー帯（レベル３）のコンパレータ１６の出力を加算する。
なお、加算器１６は、各カウンタによるそれぞれのエネルギー帯のカウント数が、最小フォトン数を超える限りで、レベル１〜３のうち一部又は前部に設けてもよい。
その他の構成は、第１実施形態と同様である。

第２実施形態では並列数に比例して素子が増加しコストが増加する。
これに対し、第３実施形態では一次元アレイ検出器１３は一列のままでイベント数の少ないエネルギー帯（レベル３）の信号のみ同一アレイ内の隣接したセンサ素子を複数個並列に接続し出力し、イベント数の多いエネルギー帯（レベル２，３）はそのまま情報を出力する。
この場合、並列に並べたエネルギー帯の信号はアレイ方向では並列数だけ画像分解能の低下を引き起こすが、画素分解能の低下を容認できる用途（例えばある大きさ以上の隠匿物や欠陥の検出等）の場合は、コスト低減の効果が生かせる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

従来のフォトンカウント検出器の構成図である。 ランダムに発生するフォトンのエネルギー分布を示す模式図である。 線源（Ｘ線源、光源）からのフォトン数を増大させた場合の図２と同様な図である。 本発明によるフォトンカウント検出器の第１実施形態図である。 本発明によるフォトンカウント検出器の第２実施形態図である。 本発明によるフォトンカウント検出器の第３実施形態図である。 半導体光センサの原理図である。 特許文献１の装置の模式図である。 特許文献２の装置の模式図である。

符号の説明

４ 線源、５ フォトン（光子）、
１０ フォトンカウント検出器、
１２ フォトン検出器、１３ 一次元アレイ検出器、
１４ コンパレータ、１６ 加算器、１８ カウンタ

Claims (5)

1. フォトンを放射する線源に対向して隣接して配置され、前記線源から入射したフォトンを電流に変換する複数のフォトン検出器と、
   前記各フォトン検出器にそれぞれ設けられ、検出した電流を複数のエネルギー帯にそれぞれ弁別する複数のコンパレータと、
   前記複数のフォトン検出器に設けられた同一エネルギー帯のコンパレータの出力を加算する加算器と、
   前記各エネルギー帯のフォトン数をそれぞれカウントする複数のカウンタと、を備えたことを特徴とするフォトンカウント検出器。
2. 前記加算器は、前記各カウンタによるそれぞれのエネルギー帯のカウント数が、最小フォトン数を超えるように設けられる、ことを特徴とする請求項１に記載のフォトンカウント検出器。
3. 前記各カウンタによるそれぞれのエネルギー帯のカウント間隔が、最小計測間隔を超えるように、前記線源が設定されている、ことを特徴とする請求項１に記載のフォトンカウント検出器。
4. 前記フォトン検出器を線状に並べた一次元アレイ検出器を隣接して複数備え、該複数の一次元アレイ検出器の対応するフォトン検出器に、前記加算器を設ける、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のフォトンカウント検出器。
5. 前記フォトン検出器を線状に並べた１又は複数の一次元アレイ検出器を備え、該一次元アレイ検出器内の隣接するフォトン検出器に、前記加算器を設ける、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のフォトンカウント検出器。

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