JP2013503325A - 単一光子分解のための積算形読み出しチップを有するx線検出器 - Google Patents
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Abstract
Description
これらのX線検出器によれば、現在の最大の問題は、
i) 高速のフレームレートに対し、上記の読み出し時間(むだ時間)は、極めて重大であり、またこのフレームレートを制限する。目下のところこのフレームレートにより、多くの測定値が制限される。しかしながら小さなピクセルサイズのため、チャネル当たり2つ以上のカウンタまたは1つの中間的なメモリの設置を実現できない。
ii) 到来する光子レートが高い場合(500KHzないし3MHz)、上記のアナログ信号は、積み重なりはじめ、この信号は、上記の比較器閾値を下回らないようになり、これによって計数値が失われる。したがって測定されるレートを補正しなければならない(レート補正)。3MHzを上回ると今日実現されている単一光子計数システムは基本的にもはや使用可能でない。それは上記の信号はつねに上記の比較器閾値を上回っているからである。この場合にこのチャネルは飽和しているのである。
iii) チャネル間の境界領域に入る光子に対し、上記の電荷はチャネル間で共有される。これにより、利得およびチャネルの有効閾値における変動に起因して計数レートが変動する。またこれによって上記のピクセルサイズが制限される。それは、ピクセルサイズが小さければ、上記の電荷はつねに共有されて単一光子の計数はもはやできないからである。
iv) ポンプおよび試料測定に対してサンプルが励起(ポンピング)され、つぎに選択可能な時間の後、短い期間だけ上記の計数が許可される(プローブ)。つぎにこれは、統計の集計に必要なだけ繰り返されて、その後はじめて読み出される。上記の条件が一定でない場合、(少なくとも)2回の同時測定(ふつうポンピングによる測定およびポンピングが行われない測定)を行う必要がある。これは目下のところ可能ではない。それは上記の計数値は、1つの内部カウンタにしか累積できないからである。
a) 光電感度性材料の層
b) 上記の光電感度性材料の層に配置されたN×M個のフォトダイオード検出器のアレイ。ここで各フォトダイオード検出器は、バイアス電位インタフェースとダイオード出力インタフェースとを有しており、各フォトダイオード検出器の上記のバイアス電位インタフェースは、バイアス電位に接続される。
c) 高利得かつ低ノイズ読み出しユニットセルのN×M個のアレイおよびフォトダイオード検出器毎の1つの読み出しユニットセル。
d) 各読み出しユニットセルは
d1) 上記のダイオード出力インタフェースに接続された入力インタフェース、積算キャパシタを有する高利得電荷電圧増幅手段、
d2) 上記の積算キャパシタに並列接続された第1スイッチ
d3) 第2スイッチと第3スイッチとの間に配置されたサンプル/ホールドキャパシタとを有しており、このサンプル/ホールドキャパシタは、第2スイッチを介して高利得電圧増幅手段に接続することができ、また第3スイッチを介して単一の出力線に接続可能である。
e) 行選択および列選択回路を含むマルチプレクシング手段。この手段により、各読み出しセルユニットにアクセスすることができる。すなわち、上記のサンプル/ホールドキャパシタに実際に記憶されているアナログ信号を読み出すために、上記のマルチプレクシング手段を制御するデータ処理手段にアクセスすることができる。
・ 隣接するフォトダイオード検出器2間の境界領域において吸収される光子6に対し、電荷は、光子6の位置にしたがって2つのフォトダイオード検出器2間で分けられる。これにより、光子6の位置を補間することができ、これにより、ピクセルサイズによって得られる空間分解能よりもはるかに高く、空間分解能を増大させることができる。
Claims (13)
- X線検出器(14)において、
a) 光電感度性材料の層(4)と、
b) 該光電感度性材料の層(4)に配置されたN×M個のフォトダイオード検出器(2)のアレイとを有しており、各フォトダイオード検出器(2)は、バイアス電位インタフェース(12)とダイオード出力インタフェースとを有しており、各フォトダイオード検出器(2)の上記のバイアス電位インタフェース(12)は、バイアス電位(Vbias)に接続されており、
前記X線検出器(4)はさらに、
c) N×M個の高利得かつ低ノイズの複数の読み出しユニットセル(RO)のアレイを有しており、各フォトダイオード検出器(2)は1つの読み出しユニットセル(RO)を有しており、
d) 各読み出しユニットセル(RO)は、
d1) 前記ダイオード出力インタフェースに接続された入力インタフェース(IN)および積算キャパシタ(Cfb)を有する高利得電圧増幅手段(PA)と、
d2) 前記積算キャパシタ(Cfb)に並列接続された第1スイッチ(S1)と、
d3) 第2スイッチ(S2)と第3スイッチ(S3)との間に配置されたサンプル/ホールドキャパシタ(CS)とを有しており、ただし該サンプル/ホールドキャパシタ(CS)は、前記第2スイッチ(S2)を介して前記高利得電圧増幅手段(PA)に接続可能であり、かつ第3スイッチ(S3)を介して単一出力線(SO)に接続可能であり、
前記読み出しユニットセルはさらに
e) 行選択および列選択回路を含むマルチプレクシング手段(MM)を有しており、該行選択および列選択回路により、各読み出しセルユニット(RO)にアクセスすることができ、すなわち、前記サンプル/ホールドキャパシタ(CS)に実際に記憶されているアナログ信号を読み出すため、前記マルチプレクシング手段(MM)を制御するデータ処理手段(DPM)にアクセスすることを特徴とする
X線検出器(14)。 - 請求項1に記載されているX線検出器において、
前記高利得電圧増幅手段(PA)は、単一光子入射によって形成される信号に比べて、小さいノイズ信号を有するように選択されることを特徴とする
X線検出器。 - 請求項1または2に記載のX線検出器において、
前記サンプル/ホールドキャパシタ(CS)および前記積算キャパシタ(Cfb)は、収集インターバル当たり0ないし1000個の光子のダイナミックレンジをカバーするように選択されることを特徴とする
X線検出器。 - 請求項3に記載のX線検出器において、
前記収集インターバルは、20nsから任意の所望の値までをカバーしていることを特徴とする、
X線検出器。 - 請求項1から4までのいずれか1項に記載のX線検出器において、
前記複数のスイッチ(S1ないしS3)は、連続モードを可能とするように操作され、
当該連続モードの間に前記サンプル/ホールドキャパシタ(CS)に記憶された出力信号の読み出しと、前記高利得電圧増幅手段(PA)の出力電圧の積算とが並行して行われることを特徴とする
X線検出器。 - 請求項1から5までのいずれか1項に記載のX線検出器において、
前記データ処理手段(DPM)により、チャネル当たりの出力電圧が光子の個数に変換され、
該データ処理手段(DPM)は、チャネル毎に光子の個数を記憶可能な少なくとも1つのレジスタ、記憶セル、またはソフトウェア、ファームウェアまたはハードウェアのいずれかで実現されるカウンタを有していることを特徴とする
X線検出器。 - 請求項1から6までのいずれか1項に記載のX線検出器において、
前記データ処理手段(DPM)は、読み出しユニットセル毎の光子の個数を任意のカウンタ(レジスタまたは記憶セル)に加算することのできるデータマルチプレクサを有することを特徴とする
X線検出器。 - 請求項7に記載のX線検出器において、
チャネル毎の前記少なくとも2つのカウンタのうちの1つのカウンタは、ポンピングされたサンプル状態に対する入射光子を計数するために確保されており、
前記少なくとも2つのカウンタのうちの別の1つのカウンタは、ポンピングされていないサンプル状態に対する入射光子を計数するために確保されていることを特徴とする
X線検出器。 - 請求項1から8までのいずれか1項に記載のX線検出器において、
前記データ処理手段(DPM)により、隣接するフォトダイオード検出器(2)における電荷分布に起因して、隣接するフォトダイオード検出器(2)の間にある境界領域において吸収される光子(6)の位置が補間され、
当該補間は、隣接するフォトダイオード検出器(2)に対する同時の分割電圧信号によって起動され、
当該分割電圧信号は、1つのフォトダイオード検出器(2)内で吸収される入射光子(6)の電圧信号よりも小さいことを特徴とする
X線検出器。 - 請求項1から9までのいずれか1項に記載のX線検出器において、
該データ処理手段(DPM)は補間位置毎に、光子の個数を記憶可能な少なくとも1つのレジスタ、記憶セル、または(ソフトウェア、ファームウェアまたはハードウェアのいずれかで実現される)カウンタを有していることを特徴とする
X線検出器。 - 請求項1から10までのいずれか1項に記載のX線検出器において、
単一入射光子(6)に対する前記積算電圧は、前記光子(6)のエネルギを表し、
前記積算電圧と、前記光子エネルギとの間の依存性は、多項式関数、有利には一次関数によって求められ、
DPMは、チャネル当たりの光子のエネルギスペクトルを測定できることを特徴とする
X線検出器。 - 請求項1から11までのいずれか1項に記載のX線検出器において、
前記データ処理手段(DPM)は、読み出しユニットセル毎に、ソフトウェア、ファームウェアまたはハードウェアのいずれかで実現される複数のレジスタ、カウンタまたは記憶セルを有しており、
前記データ処理手段は読み出しユニット毎に、請求項11に記載されたエネルギスペクトルを記憶および/または形成できることを特徴とする
X線検出器。 - 請求項1から12までのいずれか1項に記載のX線検出器において、
前記データ処理手段(DPM)には、ハードウェア、ソフトウェアまたはファームウェアのいずれかによって実現される窓弁別器が含まれており、
あらかじめ定めた窓内に出力信号(SO)を有するチャネルのカウンタだけがインクリメントされることを特徴とする
X線検出器。
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