JP2016500808A - 直接変換光子計数検出器 - Google Patents

Abstract

本発明は、直接変換材料層及びピクセル化された電極を有するピクセル化された直接変換光子計数検出器を開示する。個別の電極ピクセルは、３つのセグメントにセグメント化され、セグメントのうちの１つが、他の２つのセグメントよりも高い電気的な斥力を与える電位値で作動される。前記他の２つのセグメントは、個々の電極ピクセルセグメントの各々に近づく電子又は正孔のカウントを示す信号を生成するように及び生成された信号を互いに減算するように構成される電気回路に接続される。

Description

本発明は、概して、直接変換光子計数検出器、並びに直接変換光子計数検出器によりフォトンを検出するためのイメージングシステム及び方法に関する。

直接変換光子計数検出器は、例えば宇宙物理学における単一光子検出、又は例えばコンピュータトモグラフィ（ＣＴ）、ポジトロンエミッショントモグラフィー（ＰＥＴ）、シングルフォトンエミッションコンピュータトモグラフィ（ＳＰＥＣＴ）等の医用イメージングにおいて良く知られた技術である。直接変換光子計数検出器は、J.D. Eskin et.al, Journal of Applied Physics, volume 85, Number 2, page 647-659, 15 January 1999に開示されている。

直接変換光子計数検出器は、通常は単結晶半導体である直接変換材料の層で構成される。到来する放射線（例えばＸ線、γ線）は、直接変換材料によって吸収され、光−電気相互作用により、移動可能な電子−正孔ペアが直接変換材料において生成される。直接変換材料は、一方の側の検出器カソードと反対側の検出器アノードとの間に配置されるので、生成された電子は、課される電界に沿って検出器アノードに向かって移動し、生成された正孔は、反対方向へ検出器カソードに向かって移動する。近付く電子は、検出器カソードに局所的な電荷を誘起する。検出器アノードは、一連の又はグリッドの電極ピクセルに細分されることができる。電極ピクセルの各々が、十分に小さい領域を有し、個別に読み出されるとき、各々の電極ピクセルに影響を与えた電子のカウントを表す値が、ピクセル当たりの誘起される電荷に基づいて、決定されることができる。

電極ピクセル領域が小さいほど、検出可能なパルス幅が狭くなり、検出可能な光子束のレートがより高くなる。しかしながら、最も重要なこととして、電荷共有による隣接する電極ピクセルの間のクロストークの理由で、電極ピクセル領域を低減することには制限がある。なお相対的に大きいピクセル領域に関してより狭いパルスを得るために、個別の電極ピクセルは、通常、より小さくセグメント化され、電極ピクセル領域の可能な限り小さい部分が、電子又は正孔を収集するために供される。この領域は、一般に収集電極と名付けられている。収集電極は信号増幅器に接続され、収集電極によって収集された到来する電子又は正孔の量の値が、増幅信号から生成される。残りの電極ピクセル領域は、収集電極の方へ到来する電子又は正孔を方向付けるために供される。これは、通常、収集電極と残りの電極ピクセル領域との間により高い電位差を印加することによって達成される（例えば、収集電極は接地電位であり、残りの電極ピクセル領域は負電位を有する）。検出可能なパルス幅は、より小さくセグメント化されないピクセル領域が信号生成のために使用される構成と比較して、強く低減される。

残りの電極ピクセル領域が、収集電極の方へ電子又は正孔を向ける（ステアする）ためにのみ供される場合、それは、当分野において一般にステアリング電極と称される。代替の構成は、いわゆる同一平面グリッドである。この構成では、更に電流パルスが、残りの電極ピクセル領域になお接近する到来電子又は正孔の量について誘起され、かかる残りの電極ピクセル領域は、ステアリング電極と同様に、電子又は正孔が収集電極の方へ向けられるように、斥力を与える電位下で動作される。斥力を与える電極は、この場合、当分野において非収集電極と名付けられる。ステアリング電極を有する構成とは異なり、収集電極及び非収集電極は、信号増幅器に接続される。収集電極及び非収集電極からの増幅信号は、任意に重み付けされた形で互いに減算される。近付く到来電子又は正孔は、目標とされる電極ピクセルから最初ははるかに離れており、等しい信号量が、収集電極及び非収集電極に容量的に誘起される。到来電子が収集電極に近づく場合を除き、信号減算による結果として、信号は互いを相殺する。到来電子が収集電極に近づくとき、電子又は正孔が収集電極によってのみ収集される場合、誘起される信号は、互いに大きく異なることになり、相対的に短いパルス幅が、信号を減算することの結果として、生成されることができる。

ステアリング電極及び同一平面グリッド構成は、パルス幅を低減することができるが、パルス幅を一層低減するニーズがある。電荷が収集電極の近くでトラップされて検出器に極性を与えることは、これらの構成に固有であり、電界を歪める結果をもたらす。この効果は、特にステアリング電極構成の性能を制限する。効果の深刻さは、同一平面グリッドの場合は相対的に低い。なぜなら、電荷が、通常、この構成においてはより大きい領域にわたって分散されるからである。しかしながら、良好な動作を確実にするためには、近接する収集電極と非収集電極との間の相対的に大きい電位差（少なくとも数十ボルトも）が必要であり、同一平面グリッドは、設計し、製造し、動作させるのが技術的に非常に難しく、信号を減算する一方で収集電極と非収集電極との間の電位差を克服するための妥協がなされなければならない。

本発明による実施形態は、検出器カソード、検出器アノード、及び直接変換材料層を有する直接変換光子計数検出器に向けられる。直接変換材料層は、前記検出器カソードと前記検出器アノードとの間に位置付けられる。検出器アノード及び／又は検出器カソードは、電子又は正孔の存在を検出するように適応される複数の電極ピクセルを有する。電極ピクセルの少なくとも１つは、少なくとも第１の電極ピクセルセグメント、第２の電極ピクセルセグメント、及び第３の電極ピクセルセグメントにセグメント化される。第３の電極ピクセルセグメントの電位は、第１の電極ピクセルセグメントの電位より及び第２の電極ピクセルセグメントの電位よりも大きい電気的な斥力を与える値である。検出器は、第１の電気信号を生成する第１の電極セグメント及び第２の電気信号を生成する第２の電極セグメントにそれぞれ電気的に結合される電子回路を更に有する。電子回路は、第２の電気信号を第１の電気信号から減算するように構成される信号減算器を有する。

本発明による別の実施形態は、本発明による直接変換光子計数検出器を有するイメージング装置に向けられる。

本発明による他の実施形態は、本発明による直接変換光子計数検出器により光子を検出する方法に向けられる。

本発明による他の見地及び実施形態は、以下の詳細な説明を読み理解することにより当業者によって理解される。多くの付加の利点及び利便は、好適な実施形態の以下の詳細な説明を読むことにより当業者に明らかになる。

従来技術による検出器を有するイメージング装置、特にコンピュータトモグラフィ装置のかなり簡略化された例示を示す図。 従来技術による光子計数検出器の概略断面図。 従来技術による直接変換光子計数検出器の概略的な電極ピクセル構成を示す上面図。 従来技術による直接変換光子計数検出器の電極ピクセルのグリッドを示す上面図。 従来技術による直接変換光子計数検出器の概略的な代替の電極ピクセル構成を示す上面図。 従来技術による直接変換光子計数検出器の電極ピクセルのグリッドを示す上面図。 図５ｂ−図５ｎと共に、本発明による直接変換光子計数検出器の電極ピクセル構成のさまざまな概略実施形態及び本発明の実施形態による直接変換光子計数検出器の電極ピクセルのグリッドの実施形態を示す上面図。 図５ｂ−図５ｎと共に、本発明による直接変換光子計数検出器の電極ピクセル構成のさまざまな概略実施形態及び本発明の実施形態による直接変換光子計数検出器の電極ピクセルのグリッドの実施形態を示す上面図。 図５ａ、図５ｂ、図５ｄ−図５ｎと共に、本発明による直接変換光子計数検出器の電極ピクセル構成のさまざまな概略実施形態及び本発明の実施形態による直接変換光子計数検出器の電極ピクセルのグリッドの実施形態を示す上面図。 図５ａ−図５ｃ、図５ｅ−図５ｎと共に、本発明による直接変換光子計数検出器の電極ピクセル構成のさまざまな概略実施形態及び本発明の実施形態による直接変換光子計数検出器の電極ピクセルのグリッドの実施形態を示す上面図。 図５ａ−図５ｄ、図５ｆ−図５ｎと共に、本発明による直接変換光子計数検出器の電極ピクセル構成のさまざまな概略実施形態及び本発明の実施形態による直接変換光子計数検出器の電極ピクセルのグリッドの実施形態を示す上面図。 図５ａ−図５ｅ、図５ｇ−図５ｎと共に、本発明による直接変換光子計数検出器の電極ピクセル構成のさまざまな概略実施形態及び本発明の実施形態による直接変換光子計数検出器の電極ピクセルのグリッドの実施形態を示す上面図。 図５ａ−図５ｆ、図５ｈ−図５ｎと共に、本発明による直接変換光子計数検出器の電極ピクセル構成のさまざまな概略実施形態及び本発明の実施形態による直接変換光子計数検出器の電極ピクセルのグリッドの実施形態を示す上面図。 図５ａ−図５ｇ、図５ｉ−図５ｎと共に、本発明による直接変換光子計数検出器の電極ピクセル構成のさまざまな概略実施形態及び本発明の実施形態による直接変換光子計数検出器の電極ピクセルのグリッドの実施形態を示す上面図。 図５ａ−図５ｈ、図５ｊ−図５ｎと共に、本発明による直接変換光子計数検出器の電極ピクセル構成のさまざまな概略実施形態及び本発明の実施形態による直接変換光子計数検出器の電極ピクセルのグリッドの実施形態を示す上面図。 図５ａ−図５ｉ、図５ｋ−図５ｎと共に、本発明による直接変換光子計数検出器の電極ピクセル構成のさまざまな概略実施形態及び本発明の実施形態による直接変換光子計数検出器の電極ピクセルのグリッドの実施形態を示す上面図。 図５ａ−図５ｊ、図５ｌ−図５ｎと共に、本発明による直接変換光子計数検出器の電極ピクセル構成のさまざまな概略実施形態及び本発明の実施形態による直接変換光子計数検出器の電極ピクセルのグリッドの実施形態を示す上面図。 図５ａ−図５ｋ、図５ｍ、図５ｎと共に、本発明による直接変換光子計数検出器の電極ピクセル構成のさまざまな概略実施形態及び本発明の実施形態による直接変換光子計数検出器の電極ピクセルのグリッドの実施形態を示す上面図。 図５ａ−図５ｌ、図５ｎと共に、本発明による直接変換光子計数検出器の電極ピクセル構成のさまざまな概略実施形態及び本発明の実施形態による直接変換光子計数検出器の電極ピクセルのグリッドの実施形態を示す上面図。 図５ａ−図５ｍと共に、本発明による直接変換光子計数検出器の電極ピクセル構成のさまざまな概略実施形態及び本発明の実施形態による直接変換光子計数検出器の電極ピクセルのグリッドの実施形態を示す上面図。 本発明の一実施形態による電極ピクセルの斜視図と可能性がある後処理手段の選択を示す概略図。 本発明の一実施形態による直接変換光子計数検出器内の電界のシミュレートされた表現を示す図。 本発明の一実施形態による直接変換光子計数検出器の電極ピクセルの一実施例によりシミュレートされた電流密度分布を示す図。 本発明の一実施形態による直接変換光子計数検出器により光子を検出する方法のフローチャート。

本発明は、さまざまなコンポーネント及びコンポーネントの取り合わせ、並びにさまざまなプロセス処理及びプロセス処理の取り合わせの形をとりうる。図面は、好適な実施形態を示すためにだけあり、本発明を制限するものとして解釈されるべきでない。よりよく視覚化するために、特定のフィーチャが省かれることができ、又は寸法は一定の縮尺でないことがある。

直接変換光子計数検出器、並びに直接変換光子計数検出器により光子を検出するイメージングシステム及び方法が開示される。

直接変換光子計数検出は、主に宇宙物理学、医用イメージング及び非医用イメージング（例えば荷物のスキャニング）において使用される技法である。本発明の実施形態は、医用イメージングに関連して、特にコンピュータトモグラフィのＸ線放射線検出に関連して記述され図示されているが、当業者であれば、他のエネルギーレベル（例えばγ線放射線）で光子を検出するために如何にして直接変換光子計数検出器を適応させるかということを含めて、記述された実施形態を如何にして他のタイプのイメージングに適応させるかが分かるであろう。

以下に記述される実施形態及び例示は、電子収集が使用される例について記述される。本発明は、更に正孔収集の例をカバーする。これを達成するために、同じ実施形態及び例示が電極の極性を変えることによって適応されることができることが当業者には分かるであろう。正孔収集は実際には当分野では珍しく、直接光子計数検出器のほぼ大部分は電子収集を使用する。

例示のＣＴイメージングシステム１が、図１に大幅に簡略化された態様で図示されている。

ＣＴイメージングシステム１は、Ｘ線源４及び検出器５を収容するガントリ２を有し、検出器５は、本発明による直接変換光子計数検出器でありうる。Ｘ線源１から放出されるＸ線は、検査領域６を横切って検出器５に向かう。例えば患者の身体は、可動ベンチ３上で検査領域６を通って移動されることができる。ガントリ２は、すべての所望の角度から身体をスキャンすることが可能であるように、検査領域６の周りを３６０度回転可能である。Ｘ線は、身体のそれぞれ異なる部分によってそれぞれ異なる量で減衰される。検出器５は、データ処理及び表示ユニット（図示せず）に、特定面積当たりの検出Ｘ線のデータを送信する。

実際のＣＴシステムが、より多くの代替の形態を含むとともに、図１に示されない機能又は任意のフィーチャを付加的に含むことができることが当業者には分かるであろう。

図２は、直接変換光子計数検出器５の概略断面図を示す。

直接変換光子計数検出器５の大部分は、直接変換材料層５１によって形成される。直接変換材料層５１は、単結晶半導体材料で構成されることができ、単結晶半導体材料は、固有の材料であり又は充分な欠乏をもつｐ−ｉ−ｎ構造を有する。ＣｄｘＺｎ１−ｘＴｅ（一般にＣＺＴと略記されるテルル化カドミウム亜鉛）が、本発明の実施形態における適切な半導体材料である。直接変換層５１は、検出器カソード５２と検出器アノード５３との間に配置される。検出器カソードは、負のバイアス電位に保たれ、検出器アノードは、より小さい斥力を与える電位（通常は引き寄せる正電位）に保たれる。検出器カソード５２は、連続する層を直接変換材料層５１上に形成し、概して、直接変換光子計数検出器によって検出されることができるエネルギーレベルの光子に対し透過性をもつ。検出器アノード５３は、直接変換層５１の他方の側にあり、検出器ピクセルのグリッドの上に形成される。

光子ｘが検出器カソード５２を通過し、直接変換材料層５１に入り込むと、光子は、多数の電子−正孔ペアを生成するように直接変換材料と相互作用する。正に帯電した正孔は、強く負に帯電された検出器カソード５２に向かってドリフトし、負に帯電した電子は、より正に帯電された検出器アノード５３に向かってドリフトする。電子が検出器アノード５３に近づくと、信号が各々の検出器ピクセルから誘起され、各信号は、特定の電極ピクセルに近づいた電子のカウントを示す。生成された信号は、更に処理ユニット（図示せず）によって処理され、最終的に、ユーザに対し、文字の情報として又は検査された身体（の一部）の再構成された画像として表示ユニット（図示せず）上に表示される。

検出器アノード５３は相対的により小さい電極ピクセルのグリッドから作られるので、パルス幅が、いわゆる小さいピクセル効果によって低減され、これは、単一極性の電荷の検知を可能にする。到来パルスの大部分は、電荷（すなわち電子）によって誘起され、電荷は、検出器ピクセル周辺の小さいボリュームを横切り、かかるボリュームは、その空間的寸法が検出器ピクセルサイズに対応する。従って、平均パルス幅は、検出器ピクセルサイズを低減することによって低減されることができ、ゆえに、検出可能な最大光子束レートを増大させる。しかしながら、検出器ピクセルサイズ低減の本来の制限は、通常、有限の電荷クラウドサイズ及びＸ線クロストーク効果によって決定される；事実、エネルギー分解能は、近傍のピクセル同士の間の電荷共有により破壊される。

図３ａ及び図４ａは、従来技術において使用される個別の電極ピクセル３００、４００の構成の例を示す。図３ｂ及び図４ｂは、電極ピクセル３００及び電極ピクセル４００の例示の３×３電極グリッドを示す。実際の電極グリッドは、通常、より多くの電極ピクセルを含む。

図３ａは、いわゆるステアリング電極ピクセル構成の例を示す。電極ピクセル３００は、第１の電極ピクセルセグメント３１０（ここで収集電極３１０と呼ばれる）及び第２の電極ピクセルセグメント３２０（ここでステアリング電極と呼ばれる）に更にセグメント化される。収集電極３１０は、可能な限り小さく作られ、通常は電気的にグラウンド電位に設定される。ステアリング電極３２０は、収集電極３１０を囲み、電子を直接に収集電極３１０の方へ向けてガイドするように負に帯電され、収集電極から、電子信号が取得される。収集電極３１０は、完全な電極ピクセル３００領域より大幅に小さいので、パルス幅が大幅に低減される。

図４ａは、いわゆる同一平面グリッド電極ピクセル構成の例を示す。電極ピクセル４００は、収集電極４１０である第１の電極ピクセルセグメント４１０、及びこの構成において非収集電極４３０と称される第２の電極ピクセルセグメント４３０に更にセグメント化され、非収集電極４３０は、収集電極４１０によって分割されるピクセルの２つの別個のセクションに分けられる。図４ｂに見られるように、非収集電極４３０及び収集電極４１０は、完全な電極グリッド内に交互するラインの同一平面グリッドを形成する。ステアリング電極構成と同様に、電子は非収集電極４３０によって収集されることが回避される必要がある。この理由で、非収集電極４３０は、到来電子が収集電極４１０に向けてガイドされるように、収集電極４１０に対して（負に）帯電される。ステアリング電極とは異なり、電子カウントを表現する電子信号が、収集電極４１０及び非収集電極４３０について取得される。収集電極４１０及び非収集電極４３０は両方とも、通常、例えば電流増幅器のような信号増幅器に接続される。収集電極４１０及び非収集電極４３０からの（増幅された）信号は、任意に（例えば非収集電極及び収集電極の間の領域比率に対応する係数によって）重み付けされ、互いに減算される。直接変換材料層から近づく電子が、電極ピクセル４００からはるか遠くにある限り、信号のほぼ等しい量が、収集電極４１０及び非収集電極４３０に容量的に誘起される。信号減算のため、電子が収集電極４１０に近づくときまで、信号は互いに相殺される。電子が収集電極４１０に近づくと、収集電極４１０及び非収集電極４３０の信号は互いに大きく異なるようになり、相対的に短いパルス幅を結果的に生じさせる。

従来技術の電極ピクセル構成において、電極の近くの電荷とラッピングは、局所的な分極による問題をもたらすことがありうる。蓄積された空間電荷の量が、特定の制限より大きく増大する場合、電界が乱される。その結果、直接変換光子計数検出器は、例えば変更されるベースライン電流及び大きく変更されるパルス幅のようないくつかの不利な効果に苦しみ、パルス幅の変更は、パルス幅がエレクトロニクスによって使用されるパルス成形時間を超えるようになる場合、装置故障をもたらしうる。

トラップされる電荷の量は、電流密度にほぼ比例するので、ステアリング電極装置は、分極に特に感受性をもつ。収集電極の小さい領域のため、非常に高い電流密度が発生し、すなわち、収集電極の近くの電荷トラッピングは、非常に感受性の高いボリュームに局所的な分極を引き起こす。

電流がより大きい領域にわたって分布されるので、同一平面グリッド設計は、局所的な分極に対する感受性がいくらか低い。しかしながら、収集電極及び非収集電極から信号が減算される必要があるときには、非収集グリッドのパルスは、前記電圧差でオフセットでなければならず、これは、増大されるノイズ、費用、及び複雑さを生じさせる。

図５ａ乃至図５ｍは、本発明の直接変換光子計数検出器の実施形態の単一電極ピクセル構成の概略図を示す。雑然とした図を回避するために、電極ピクセルのサブセグメントの番号付けは、図５ａ及び図５ｂについてのみ示されている。異なる電極サブセグメントを識別するために、各々の電極サブセグメントは、ドットパターン（ドットは、単に説明的な理由のためにあり、電極サブセグメント上の実際のドットを表現しない）によって示される。図５ｃ乃至図５ｑの各々について、収集電極５１０は、最も低いドット密度によって表され、ステアリング電極５２０は、最も高いドット密度によって表され、非収集電極５３０は、中間のドット密度によって表される。

本発明の実施形態の直接変換光子計数検出器の電極ピクセルは、従来技術のステアリング電極構成又は同一平面グリッド構成の２つのセグメントとは異なり、３つのセグメントにセグメント化される。第１の電極ピクセルセグメントは、収集電極５１０であり、収集電極５１０は、２又はそれ以上のサブセグメントに更にセグメント化されてもよい。第２の電極セグメントは、非収集電極５３０であり、非収集電極５３０は、互いに空間的に隔てられうる２又はそれ以上のサブセグメントに細分されることができる。第３の電極サブセグメントは、ステアリング電極５２０であり、ステアリング電極５２０は、互いに空間的に隔てられうる２又はそれ以上のサブセグメントに細分されることができる。

図５ａは、収集電極５１０が、電極ピクセル５００の１つの側から対向する側まで延在する細長いストリップであり、非収集電極５３０は、収集電極５１０の両方の長い辺の各々に沿って隣り合って平行に位置する２つの細長いストリップにセグメント化され、同様に、ステアリング電極５２０は、非収集電極５２０の両方の長い辺の各々に沿って隣り合って平行に位置する２つの別個の細長いストリップにセグメント化される構成を示す。この構成において、非収集電極５３０は、常に、収集電極５１０とステアリング電極５２０との間に位置付けられる。図５ｐは、この構成を有する電極ピクセル５００の例示の３×３電極グリッドを示す。すべてのセグメントは、複数の電極ピクセル５００にまたがるストリップとして製造されることができ、これは、製造をより便利にするだけでなく、電荷が大面積にわたって拡散されるので、低減された分極効果をもたらす。図５ｂは、本発明の一実施例によれば直接変換光子計数検出器の電極ピクセルの代替の構成を示す。この構成において、収集電極５１０は、非収集電極５３０によって完全に囲まれており、非収集電極５３０は、ステアリング電極５３０によって完全に囲まれている。ここでも、非収集電極５２０は、常に収集電極５１０とステアリング電極５２０との間にある。図５ｑは、この構成を有する電極ピクセル５００の例示の３×３電極グリッドを示す。分極効果は、電荷がより大きい領域にわたって分散されることができるという点で、図５ｂの構成よりも図５ａの構成の場合におそらく最も低減されるが、図５ｂの構成は、ステアリング電極１３０がすべての電極ピクセルにわたって延在し、１つの連続する電極として製造されることができるので、一層低減された検出可能なパルス幅を有することができ、より多くの製造の利益を有することができる。ここに表示される構成は、可能性のある実施形態の例である。図５ｃ乃至図５ｅに示されるように、特定の製造又は設計目的のために、電極ピクセル５００及びセグメント５１０、５２０、５２０は異なる態様で形作られることができる。他の変形例は、図５ｆ及び５ｇに示されるように異なる大きさにセグメント化されるものであり、図５ｇに示されるようにセグメントの代替位置をもつものであり、又は図５ｈに示されるように、複数の収集電極５１０が非収集電極５３０によってステアリング電極５２０から隔てられるものでありえ、又は例えば図５ｉに示されるように図５ａ及び図５ｃに示される構成の間の多少ハイブリッドな変形例であってもよい。図５ｊは、収集電極５１０及び非収集電極５２０の個々の領域がほぼ同じでない構成を示す。付加の方策（例えば重み付け又は信号補正）が、前記領域がほぼ同じである構成と同じ結果を達成するために必要である。図５ｋ及び５ｍは共に、収集電極５１０がステアリング電極５２０から空間的に隔てられている構成を示す。ステアリング電極５２０が、非収集電極５３０によって収集電極５１０から十分に空間的に隔てられている場合、収集電極５１０と非収集電極５３０との間のオフセット電流のみが考慮されればよい。更に、収集電極５１０がステアリング電極５２０と直接隣り合う場合は、収集電極５１０とステアリング電極５２０との間のオフセット電流が考慮されるべきである。図５ｎは、他のピクセル延長パターンを形成するために使用されることができる図５ａの変形例を示す。上述の実施形態に基づいて、当業者であれば、本発明を考慮して明らかな代替の構成を導き出すことが可能である。図５ｐ及び図５ｑに見られるように、各々の電極ピクセルのステアリング電極５２０は、近傍の電極ピクセルのステアリング電極５２０と隣接している。このため、ステアリング電極５２０は、少なくとも２つの近傍の電極ピクセルにまたがって延在する「連続する」ステアリング電極として製造されることができ、１つの電圧源と接触されることができる。従って、図５ｍ及び図５ｎにおいて個別の電極ピクセルを隔てるラインは、電極ピクセルの間の単なる「仮想境界」を示すことができ、各々の電極ピクセルが実際に完全に別個のエンティティであること（代替として、この場合もありうる）を必ずしも示さない。実際に図５ｎに示される構成のステアリング電極５２０は、すべての電極ピクセルにわたって延在する１つの連続する電極である。

ステアリング電極５３０は、収集電極５１０及び非収集電極５２０より低い電位、好適には負の電位で作動され、収集電極５１０及び非収集電極５２０は両方とも、好適には、近似的に同じである電位で（収集電極５１０と非収集電極５３０との間の電位差は１０％より高くなるべきでない）動作され、最も好適にはグラウンド電位で又はその付近で動作される。この理由で、直接変換光子計数検出器の電極ピクセルは、同一平面グリッド構成を有する既知の直接変換光子計数検出器の電極ピクセルと比較して、設計し、製造し及び作動するのが技術的に難しくはない。ステアリング電極５２０の電位と収集電極５１０及び非収集電極の電位との間の差は、十分に高いものであるべきであり（好適には、最も一般的な電極ピクセルサイズの場合１００乃至２００ボルトの間であるが、約１００ミクロンの非常に小さい電極ピクセルサイズの場合５乃至１０ボルトの間の低い値にまで低減されることができる）、それにより、到来電子がステアリング電極５２０によって収集電極５１０に向けてガイドされるように電界が形成され、非収集電極５３０に近づく電子は全くなく又はほとんどない。好適には、ステアリング電極は、−５０ボルトと−５００ボルトの間の範囲の一般的な電位を印加する単一の高電圧源によって接触される。効果的な電子及び正孔輸送を確実にするために、検出器カソードと第３の電極ピクセルセグメントとの間の電位差は、好適には、直接変換層のミリメートル厚さ当たり１００−５００ボルトの間であるべきであり、より好適には直接変換層のミリメートル厚さ当たり約３００ボルトである。到来電子カウントを表現する信号は、収集電極５１０及び非収集電極５３０の両方から生成される。両方の信号は、通常、例えば電流増幅器のような信号増幅器（図５ａ−図５ｑに示されない）によって増幅される。最も正確な電子カウントを得るために、収集電極５１０の全体の領域は、非収集電極の全体の領域とほぼ等しいもの（好適には、少なくとも互いの１０％の範囲内であるが、最も好適には可能な限り小さい差）であるべきである。この条件は、電子が検出器電極から遠く離れているとき、収集電極５１０及び非収集電極５２０上に誘起される電荷はほぼ同じであり、それにより収集グリッド及び非収集グリッドによって生成される信号の差がゼロになることを確実にする。しかしながら、（例えば設計又は製造の理由により）他の領域比率をもつ実施形態を使用することが必要でありえ又は好ましいことがある。これを可能にするために、収集電極及び非収集電極から個々の信号は、遠く離れた電子の場合の減算後の信号差がゼロに近づくように、重み付けされることができ又は適応されたゲインによって個別に増幅されることができる。

図６は、図５ａと同様の構成を有する電極ピクセルの斜視図を示す。電極ピクセル５００は、電気回路６１０、６１１、６２０、６３０に接続され、収集電極５１０及び非収集電極５３０から誘起される信号は、個々の電流増幅器６１０、６１１によって増幅され、減算器６２０において互いに減算され、プロセッサ６３０によって更に処理される。処理された信号は、ユーザに対し、表示ユニット６４０上に画像として又は文字の情報として表示されることができる。

図５ａに示される構成の２つの隣接する検出器ピクセル上のＸ線放射線の詳細なシミュレーションが、５００ミクロンの検出器ピクセルピッチ及び−９００ボルトの検出器カソード電圧をもつ３ｍｍのＣＺＴ検出器について実施された。各々の検出器ピクセル内で、収集電極５１０は、１５０ミクロンの幅を有し、非収集電極である両方のサブセグメント５３０の各々は、７５ミクロンの幅を有する。収集電極５１０及び非収集電極５３０は、ゼロ電位に設定される。ステアリング電極５２０は、２００ミクロンの幅を有し、−２００ボルトの電位に設定される。５００ミクロン×５００ミクロンのピクセル領域の各々が、１００ｋｅＶの光子によって均一に照射された。直接変換層５１の中の電界がそれに応じて計算された；電界の２Ｄベクトル電界プロットが、図７に示される。図は、直接変換層（少なくとも２００ミクロンの高さにおける）の範囲内に生成される自由電子が収集電極５１０に向かってガイドされるように、ステアリング電極５２０が電界ライン（電界の局所的方向を指す矢印によって図示される）を曲げていることを示す。自由電子がステアリング電極より上の約１５０ミクロンの高さのところの相対的に小さいボリュームに生成されることを除いて、非収集電極５１０は、通常、ステアリング電極５２０からの斥力のため電子が到達しない。

シミュレーションにおいて、電子は、直接変換層内の電荷ドリフト及び拡散をモデル化するモンテカルロシミュレーションによって追跡された。アノード面におけるシミュレートされた電流密度は、図８に示され、図８は、１つの電極ピクセル５００について、実際に大部分の電子が収集電極５１０によって収集されることを示す。更に、電子は、近傍ピクセルの収集電極５１０によって収集されることができ、これは、幾つかの電子がピクセル境界の非常に近くに生成されることによる。これらの場合、拡大する電子クラウドは分けられることができ、クラウドの一部は、近傍のピクセルの収集電極５１０に向けてガイドされることができる。ステアリング電極５３０上又は非収集電極５２０上の検出イベントはまれにしか観察されず、そのような検出イベントは、電子及び正孔が、ステアリング電極５２０又は非収集電極５３０に非常に近い直接変換層の光子によって生成される場合に起こりうる。

シミュレーションの付加の結果として、−５０ボルトと−２００ボルトの間の異なるステアリング電圧について検出されたパルス幅及びそれに対応してシミュレートされたパルス高さスペクトル（およそ１０ナノ秒で２シグマパルス成形時間）のヒストグラムが算出された。所与のパラメータについて、２ナノ秒乃至４ナノ秒の間の非常に短いパルス幅が観察された。−２００ボルトのステアリング電極電圧のパルス高さスペクトルは、かなり顕著なフォトピークを示す。しかしながら、より低い絶対ステアリング電圧の場合、フォトピークは、検出される計数イベント全体に関して低下する。より詳しい解析は、より低いステアリング電圧では、斥力が十分に強くなく、これは、電子が非収集電極によっても収集されるようにすることを示している。

本発明の直接変換光子計数検出器の電極ピクセルは、高度にセグメント化されるので、好適なピクセルサイズが１ｍｍ又はそれより小さ場合、電極ピクセル当たりの収集電極及び非収集電極は非常に制限される。ステアリング電極と非収集電極との間の表面電流を低減するために、両方の間の間隙は５０ミクロンであることが好ましい。収集電極と非収集電極との間には、より小さい間隙が可能である。なぜなら、両方とも同じ電位にあるからである。非収集電極は、最小サイズ（例えば５０ミクロン）を有しなければない。なぜなら、さもなければボンディングが問題になるからである。それゆえ、５００ミクロンは、相当な検出器ピクセルサイズである。従来技術による電極設計にまさる、特にステアリング電極構成にまさる重要な利点は、より高いカウントレートを支援する助けとなる低減されたパルス持続時間と、アノード当たりの低減された電流密度である。

図９は、本発明による直接変換光子計数検出器により光子を検出する方法のフローチャートを示す。

検出器カソード（９１０）に負の電位を印加し及び検出器アノード（９１１）の各ピクセルセグメントに電位に印加することによって、電界が直接変換層にわたって印加され、ここで、第３の電極ピクセルセグメントの電位は、第１の電極ピクセルセグメントの電位及び第２の電極ピクセルセグメントの電位より低い。検出器アノードに向けた電子輸送の十分なスピード及び量を確実にするために、検出器カソードの電位と第３の電極ピクセルセグメントの電位の間の電位差は、十分に高いものであるべきである（好適には少なくとも３００ボルト）。直接変換材料は光子によって照射されて、電子及び正孔を生成し（９２０）、電子及び正孔は、それぞれ検出器アノード及びカソードの方へドリフトする。電子は、第３の電極ピクセルセグメントによって、電極ピクセルの第１の電極ピクセルセグメントの方へガイドされる。第１の電極ピクセルセグメントに近づいた光子のカウントを示す第１の電流のような第１の信号が生成される（９３０）。第２の電極ピクセルセグメントに近づいた光子のカウントを示す第２の電流のような第２の信号が生成される（９３１）。第１及び第２の信号は、例えば電流増幅器（９４０、９４１）のような信号増幅器によってそれぞれ増幅される。補正された信号は、第２の信号を第１の信号から減算する（９５０）ことによって生成される。補正された信号は、画像データを生成するために、例えば画像又は定量的なデータへと更に処理される（９６０）。処理された画像データは、画像として又は文字の情報（９７０）としてユーザに表示されることができ、又は解析スタディのような他の目的のために使用される。

本発明は、指定された実施形態を参照して記述されたが、本発明がここに示される特定の形式に制限されることを意図しない。むしろ、本発明の範囲は、添付の請求項によってのみ制限される。請求項において、「含む、有する（comprising）」という動詞及びその活用形の使用は、他の構成要素又はステップの存在を除外しない。個別の特徴がそれぞれ異なる請求項に含まれることができるが、これらは可能性として有利に組み合わせられることができ、異なる請求項における包含は、特徴の組み合わせが実現可能でない及び／又は有利でないことを示さない。更に、単数形の言及は、複数性を除外しない。更に、請求項における参照符号は、本発明の範囲を制限するものとして解釈されない。

Claims (15)

1. 直接変換光子計数検出器であって、
   検出器カソードと、
   検出器アノードと、
   前記前記検出器カソードと前記検出器アノードとの間に位置する直接変換材料層と、を有し、
   前記検出器アノード及び／又は前記検出器カソードは、電子又は正孔の存在を検出するように構成される複数の電極ピクセルを有し、
   前記電極ピクセルのうち少なくとも１つが、少なくとも第１の電極ピクセルセグメント、第２の電極ピクセルセグメント、及び第３の電極ピクセルセグメントにセグメント化され、
   前記第３の電極ピクセルセグメントの電位が、前記第１の電極ピクセルセグメントの電位より及び前記第２の電極ピクセルセグメントの電位より大きい電気的な斥力を与える値であり、
   前記検出器は、第１の電気信号及び第２の電気信号を生成るるために前記第１の電極ピクセルセグメント及び前記第２の電極ピクセルセグメントにそれぞれ電気的に結合される電子回路を有し、前記電子回路が、前記第２の電気信号を前記第１の電気信号から減算する信号減算器を有する、検出器。
2. 前記電子回路が、少なくとも１つの電気信号増幅器を有する、請求項１に記載の検出器。
3. 前記第１の電極ピクセルセグメントが、少なくとも前記第２の電極ピクセルセグメントによって、前記第３の電極ピクセルセグメントから空間的に隔てられている、請求項１に記載の検出器。
4. 前記第１の電極ピクセルセグメント、前記第２の電極ピクセルセグメント、又は前記第３の電極ピクセルセグメントのうち少なくとも１つが、少なくとも２つの電極ピクセルサブセグメントにセグメント化される、請求項１に記載の検出器。
5. 前記第３の電極ピクセルセグメントが、少なくとも２つの近傍の電極ピクセルにわたって連続的に延在する、請求項１に記載の検出器。
6. 前記第２の電極ピクセルセグメントが前記第１の電極ピクセルセグメントを囲み、前記第３の電極ピクセルセグメントが前記第２の電極ピクセルセグメントを囲む、請求項１に記載の検出器。
7. 前記第１の電極ピクセルセグメントが、前記電極ピクセルの１つの側から電極ピクセルの対向する側まで延在する、請求項１に記載の検出器。
8. 前記第１の電極ピクセルセグメントによってカバーされる領域は、前記第２の電極ピクセルセグメントによってカバーされる領域全体にほぼ等しい、請求項１に記載の検出器。
9. 前記第２の電極ピクセルセグメントが少なくとも５０ミクロンの幅を有する、請求項１に記載の検出器。
10. 前記第１の電極ピクセルセグメントの電位が、前記第２の電極ピクセルの電位にほぼ一致し、好適には、第１の電極ピクセルセグメントの電位及び第２の電極ピクセルの電位が、グラウンド電位である、請求項１に記載の検出器。
11. 前記第１の電極ピクセルセグメントの電位と前記第３の電極ピクセルセグメントの電位の間の電位差が、１００乃至２００ボルトである、請求項１に記載の検出器。
12. 前記検出器カソードの電位と前記第３の電極ピクセルセグメントの電位の間の電位差が、前記直接変換層のミリメートル厚さ当たり１００乃至５００ボルトである、請求項１に記載の検出器。
13. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の検出器を有するイメージングシステム又はコンピュータトモグラフィシステム。
14. 直接変換光子計数検出器により光子を検出する方法であって、前記検出器が、検出器カソードと、検出器アノードと、前記前記検出器カソードと前記検出器アノードとの間に位置する直接変換材料層と、を有し、前記検出器アノード及び／又は前記検出器カソードが、電子又は正孔の存在を検出するように構成される複数の電極ピクセルを有し、前記電極ピクセルのうち少なくとも１つが、少なくとも第１の電極ピクセルセグメント、第２の電極ピクセルセグメント、及び第３の電極ピクセルセグメントにセグメント化され、前記検出器が、前記第１の電極ピクセルセグメント及び前記第２の電極ピクセルセグメントに電気的に結合される電子回路を有し、前記電子回路が、第２の電気信号を第１の電気信号から減算するように構成される信号減算器を有し、前記方法が、
    前記検出器カソード、及び前記電極ピクセルセグメントの各々に電位を印加するステップであって、前記第３の電極ピクセルセグメントが、前記第１の電極ピクセルセグメント及び前記第２の電極ピクセルセグメントより高い電気的な斥力を与える電位で作動される、ステップと、
    電子及び正孔を生成するように前記直接変換材料層を光子で照射するステップと、
    前記第１の電極ピクセルセグメントに近づいた電子又は正孔のカウントを示す第１の電気信号を生成するステップと、
    前記第２の電極ピクセルセグメントに近づいた電子又は正孔のカウントを示す第２の電気信号を生成するステップと、
    前記第２の電気信号を前記第１の電気信号から減算することによって、補正された信号を生成するステップと、
    検出データを生成するように前記補正された信号を処理するステップと、
    を含む方法。
15. 前記第１の電気信号及び前記第２の電気信号を増幅するステップを更に含む、請求項１４に記載の方法。

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