JP2016505827A - 光子計数ｘ線検出器 - Google Patents

Abstract

本発明は、ハイフラックス条件下であっても分極を効果的に抑圧する光子計数Ｘ線検出器及び検出方法に関する。提案する検出器は、入射Ｘ線フォトンに応答して電子−正孔対を生成する光子計数半導体素子（１０）と、入射Ｘ線ラジエーションに面する半導体素子（１０）の第１の面（１０ａ）上に配設されたカソード電極（１１ａ，１１ｂ；２１ａ，２１ｂ；３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ａｃ，３１ｄ；４１ａ，４１ｂ；５１ａ，５１ｂ）であり、２つのインターディジテイト型カソードエレメント（１１ａ，１１ｂ；２１ａ，２１ｂ；３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ａｃ，３１ｄ；４１ａ，４１ｂ；１ａ，５１ｂ）を有するカソード電極と、第１の面（１０ａ）とは反対側の半導体素子（１０）の第２の面（１０ｂ）上に配設された画素化されたアノード電極（１２）と、カソード電極とアノード電極との間にバイアス電圧を印加するとともに、カソードエレメント（１１ａ，１１ｂ；２１ａ，２１ｂ；３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ａｃ，３１ｄ；４１ａ，４１ｂ；５１ａ，５１ｂ）間にインジェクション電圧を一時的に印加する電源（１３）と、画素化されたアノード電極（１２）から電気信号を読み出すリードアウトユニット（１４）とを有する。

Description

本発明は、光子計数Ｘ線検出器、光子計数Ｘ線検出器ユニット、及び光子計数Ｘ線検出方法に関する。

光子計数（フォトンカウンティング）Ｘ線検出器（直接変換Ｘ線検出器とも呼ばれる）は、技術的に広く知られており、例えば、ＣＴ（コンピュータ断層撮影）スキャナで広く使用されている。テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）及びテルル化カドミウム亜鉛（ＣＺＴ）は、天文物理学及び医療の用途の（高流束；ハイフラックス）Ｘ線検出器の製造によく適したワイドバンドギャップ半導体材料である（例えば、非特許文献１参照）。これらのタイプの検出器は、ソリッドステート核医学システム及びスペクトルＣＴのような用途で非常に重要である。これらの用途は、単光子Ｘ線計数に基づく。検出器の性能は、大きくは、結晶の品質（単結晶性、組成、ドーピング濃度、欠陥密度）と、検出器上に電極を形成するのに使用される材料及びプロセス（使用される金属の半導体に対するバリアハイト、コンタクト抵抗、シート抵抗、密着性など）とによって決定される。また、機械的処理及び表面処理（ダイシング、研削、研磨及び洗浄）、そして最終的にはパッシベーションも、最終性能に大きな影響を有する。

ＣｄＴｅ及びＣＺＴ検出器の性能はしばしば、内部電界の局所的な構築を生じさせて印加バイアス電圧に反作用するものである検出器バルク材料の帯電によって決定的に阻害される。この効果は、検出器の分極として知られている。分極は特に、高流束のＸ線曝露条件の下で発生し、スペクトルＣＴ光子計数の性能を強く制限する。

特許文献１は、追加のインジェクタ電極を有した、半導体ボディの両側に第１及び第２の動作電極を有するダイオード状（サンドウィッチ状）構造を有する直接変換型放射線検出器を開示している。インジェクタ電極は、半導体ボディ内の帯電されたトラップを補償する電荷キャリアを注入するものである。斯くして生成される二次的な暗電流は、測定目的で使用される電極を介して流れず（あるいは、最小限しか流れず）、故に、測定信号に影響を及ぼさない。インジェクタ電極の下の好適なドーピングがインジェクション（注入）を容易にしている。

米国特許第５８２１５３９号明細書

Stefano Del Sordo，Leonardo Abbene，Ezio Caroli，Anna Maria Mancini，Andrea Zappettini及びPietro Ubertini、「Progress in the Development of CdTe and CdZnTe Semiconductor Radiation Detectors for Astrophysical and Medical Applications」、Sensors 2009，9，3491-3526

本発明の１つの目的は、高流束条件下での分極の抑圧を可能にする光子計数Ｘ線検出器、光子計数Ｘ線検出器ユニット、及び光子計数Ｘ線検出方法を提供することである。

本発明の第１の態様において、光子計数Ｘ線検出器が提示され、当該光子計数Ｘ線検出器は、
入射Ｘ線フォトンに応答して電子−正孔対を生成する光子計数半導体素子と、
入射Ｘ線ラジエーションに面する半導体素子の第１の面の上に配設されたカソード電極であり、２つのインターディジテイト型カソードエレメントを有するカソード電極と、
第１の面とは反対側の半導体素子の第２の面の上に配設された、画素化されたアノード電極と、
カソード電極とアノード電極との間にバイアス電圧を印加するとともに、カソードエレメント間にインジェクション電圧を一時的に印加する電源と、
画素化されたアノード電極から電気信号を読み出すリードアウトユニットと
を有する。

本発明の更なる一態様において、光子計数Ｘ線検出器ユニットが提示され、当該光子計数Ｘ線検出器ユニットは、
入射Ｘ線フォトンに応答して電子−正孔対を生成する光子計数半導体素子と、
入射Ｘ線ラジエーションに面する半導体素子の第１の面の上に配設されたカソード電極であり、２つのインターディジテイト型カソードエレメントを有するカソード電極と、
第１の面とは反対側の半導体素子の第２の面の上に配設された、画素化されたアノード電極であり、該画素化されたアノード電極から電気信号を読み出すリードアウトユニットに結合されるように構成された画素化されたアノード電極と
を有し、
カソード電極は、カソード電極とアノード電極との間にバイアス電圧を印加するとともにカソードエレメント間にインジェクション電圧を一時的に印加する電源、に結合されるように構成される。

本発明のより更なる一態様において、光子計数Ｘ線検出方法が提供され、当該光子計数Ｘ線検出方法は、
光子計数Ｘ線検出器ユニットを入射Ｘ線ラジエーションに曝し、入射Ｘ線フォトンに応答して電子−正孔対の生成をもたらすステップであり、光子計数Ｘ線検出器ユニットは、
入射Ｘ線フォトンに応答して電子−正孔対を生成する光子計数半導体素子と、
入射Ｘ線ラジエーションに面する半導体素子の第１の面の上に配設されたカソード電極であり、２つのインターディジテイト型カソードエレメントを有するカソード電極と、
第１の面とは反対側の半導体素子の第２の面の上に配設された、画素化されたアノード電極と
を有する、ステップと、
カソード電極とアノード電極との間にバイアス電圧を印加するステップと、
カソードエレメント間にインジェクション電圧を一時的に印加するステップと、
画素化されたアノード電極から電気信号を読み出すステップと
を有する。

本発明の好適実施形態が従属請求項にて規定される。理解されるべきことには、特許請求に係る検出方法及び検出器ユニットは、特許請求に係る検出器及び従属請求項に規定されるものと同様及び／又は同一の実施形態を有する。

高流束条件下での検出器の分極を抑圧するため、本発明によれば、電子の一時的な注入、及びそれによる、分極を生じさせる正孔トラップの中和、を可能にするカソード電極の特別な構成が提案される。特に、提案されるカソード電極は、２つの互いにかみ合わされたインターディジテイト型のカソードエレメントを有し、これらのカソードエレメントに、短い期間の間、インジェクション電圧（例えば、間欠的な電圧パルス、又は連続的な（パルス的）電圧波信号）が印加される。このインジェクション電圧は、電子が一時的に光子計数半導体素子に注入されるという効果を有する。これらの電子は、カソード電極とアノード電極との間の印加バイアス電圧によりアノード電極の方に移動し、故に、分極を引き起こした光子計数半導体素子内の占有された正孔トラップを中和することができる。

一実施形態において、検出器は更に、電源によるインジェクション電圧の印加を制御する制御ユニットを有する。故に、特には間欠的な電圧パルスであるインジェクション電圧の様々なパラメータを、分極抑圧を最適に達成するように制御することができる。

従って、一実施形態において、制御ユニットは、パルスの時間、形状、デューティサイクル、繰り返し周波数、及び／又は特には間欠的な電圧パルスである一時的に印加されるインジェクション電圧の電圧振幅（又はその他のパラメータ）を制御するように構成され、すなわち、分極抑圧に影響を有するとともに、検出器のレイアウトや寸法、電極のパターン、印加電圧などのような、その他のパラメータにも依存し得る１つ以上のパラメータを制御するように構成される。

また、制御ユニットは好ましくは、カソード電極からアノード電極まで移動する電子の飛行時間式ドリフト時間測定に基づいて、パルスの時間、形状、デューティサイクル、繰り返し周波数、及び／又は一時的に印加されるインジェクション電圧の電圧振幅を制御するように構成される。飛行時間式ドリフト時間測定は、カソード電極からアノード電極まで電子がドリフトするのに必要とされる時間を指し示し、分極抑圧の実効性を指し示すインジケーションを与える。

更なる他の一実施形態によれば、制御ユニットは、インジェクション電圧の印加中に画素化アノード電極から電気信号が読み出されないよう、一時的に印加されるインジェクション電圧の電源による印加と、画素化アノード電極からの電気信号の読み出しとを同期化するように、電源及びリードアウトユニットを制御するよう構成される。故に、注入された電子は計数されず、計数結果は改ざんされない。

インターディジテイト型カソードエレメントの構成に利用可能な数多くのレイアウトが存在する。好適な一構成において、２つのインターディジテイト型カソードエレメントは各々、複数の平行な電極ストライプを有し、２つのインターディジテイト型カソードエレメントの電極ストライプが平行に交互配列される。これは、半導体素子内への良好な電子注入を提供する。他のレイアウトは、例えば、魚の骨状若しくは渦巻き状の構造、又は以上の構造の組み合わせに基づく。好ましくは、インターディジテイト型カソードエレメントはアノード電極に対してアライメントされ、それにより、サンプル間の均一性、すなわち、画素毎の注入電子の均一性が向上され得る。

特にはいっそう高い局所電界によるものである更なる改善が、電極ストライプが当該電極ストライプに沿って配置された尖った先端を有する一実施形態によって達成される。好ましくは、これらの先端は電極ストライプに沿って規則的な間隔で配置され、且つ／或いは、隣接し合う電極ストライプの先端が互いに対向配置され、それにより、電子の注入が更に改善される。

有利な一実施形態において、電源は、２つのインターディジテイト型カソードエレメント間に結合された一次コイルと、二次コイルと、を有する誘導ユニットと、一次コイルにバイアス電圧を印加するＤＣ電圧源と、一時的に印加されるインジェクション電圧を一次コイルにわたって生成するよう、特には電流パルスである間欠信号を二次コイルに印加する電流源とを有する。これは、必要な電圧をカソードエレメント及びアノードに印加する単純な手法を提供する。このセットアップにより、アノード電極とカソード電極との間の平均主磁場を一定に保つことが概して容易である。代わりに別々の電圧源を適用することも可能であるが、アノード電極とカソード電極との間の平均主磁場が一定であることを保証する手段を必要とし得る。

好ましくは、電源は、カソードエレメント間に交互の極性で、インジェクション電圧を一時的に印加するように構成される。これにより、半導体素子内の局所的な分極が回避される。

他の一実施形態において、電源は、所定の最大時間の後にインジェクション電圧を印加するように構成される。故に、この最大時間の後に、それまでに形成されている全ての正孔トラップを中和すべく電子を注入することによって、半導体材料のリセットが行われる。

好ましくは、カソード電極は複数のカソードエレメントを有し、２つのカソードエレメントがそれぞれインターディジテイト配置され、電源は、複数対のインターディジテイト型カソードエレメントに選択的に、インジェクション電圧を一時的に印加するように構成される。故に、検出器の複数の異なる部分への電子の注入を、それら異なる部分をカバーするインターディジテイト型カソードエレメントの対に印加されるインジェクション電圧を制御することによって、それら異なる部分に対して個々に制御することができる。

さらには、一実施形態において、リードアウトユニットは、一時的に印加されるインジェクション電圧のパラメータに応じて、特に、一時的に印加されるインジェクション電圧のタイミング及び継続時間に応じて、読み出した電気信号を補正するように構成される。故に、得られる光子計数結果の精度が高められる。更なる他の一実施形態において、分極を読んで、必要なときにのみ電圧パルスを与えるフィードバックループが設けられる。

本発明のこれら及びその他の態様が、以下に記載される実施形態を参照して明らかになる。
本発明に従った光子計数Ｘ線検出器の第１の実施形態を示す模式図である。 本発明に従ったカソード電極の第１の実施形態を示す上面図である。 本発明に従った光子計数Ｘ線検出器の第２の実施形態を示す模式図である。 本発明に従ったカソード電極の第２の実施形態を示す上面図である。 本発明に従ったカソード電極の第３の実施形態を示す上面図である。 本発明に従ったカソード電極の第３の実施形態を示す上面図である。 本発明に従ったカソード電極の第４の実施形態を示す上面図である。 本発明に従ったカソード電極の第５の実施形態を示す上面図である。 本発明に従った光子計数方法を示すフローチャートである。

図１は、本発明に従った第１の実施形態に係る光子計数Ｘ線検出器１の模式図を示している。これは、入射Ｘ線フォトン２に応答して電子−正孔対を生成する光子計数（フォトンカウンティング）半導体素子１０と、入射Ｘ線ラジエーション（放射線）２に面する半導体素子１０の第１の面１０ａの上に配設されたカソード電極１１と、第１の面１０ａとは反対側の半導体素子１０の第２の面１０ｂの上に配設された、画素化されたアノード電極１２とを有している。

図２に示すカソード電極１１の上面図にて明瞭に示されるように、カソード電極１１は、互いにかみ合わされたインターディジテイト型のカソードエレメント１１ａ、１１ｂを有している。インターディジテイト型カソードエレメント１１ａ、１１ｂは各々、平行に交互配列された複数の平行な電極ストライプ１１ｃ、１１ｄを有している。

半導体素子１０、カソード電極１１、及びアノード電極１２は、斯くして、電圧及び／又は電流信号を提供するための、及び信号を読み出すための、様々な電子装置とともに使用され得る光子計数Ｘ線検出器ユニット３を形成する。

光子計数Ｘ線検出器１は更に、カソード電極１１とアノード電極１２との間にバイアス（ＤＣ）電圧を印加するとともに一時的にカソードエレメント１１ａ、１１ｂ間にインジェクション（注入）電圧を印加する電源１３を有している。さらには、画素化されたアノード電極１２から電気信号を読み出すリードアウトユニット１４が設けられている。

以下の説明においては、インジェクション電圧の一例として、間欠的（一時的）な電圧パルスを考えることとする。実際には、代わりに電圧波信号が、一時的に印加されるインジェクション電圧として使用されてもよい。

図３に示す好適な一実施形態に係るＸ線検出器１’において、半導体素子１０は、ＣｄＺｎＴｅ検出器結晶（ＣＺＴ検出器結晶とも呼ぶ）を有する。カソード側のインターディジテイト型電極パターン１１とアノード側の画素化電極パターン１２との双方で、ＣｄＺｎＴｅに対して高い電位障壁を有して阻止性のコンタクトを生じさせる金属が好ましく選択される。例えば、ｎ型ＣＺＴには白金が、そしてｐ型ＣＺＴ（及びＣｄＴｅ）にはインジウム又はアルミニウムが、阻止性（ショットキー）コンタクトとして使用される。

この実施形態において、電力ユニットは、２つのインターディジテイト型カソードエレメント１１ａ、１１ｂ間に結合された一次コイル１３１と、二次コイル１３２と、を有した誘導（インダクション）ユニット１３０を有している。ＤＣ電圧源１３３が、一次コイル１３１にバイアス電圧を与えるために設けられ、電流源１３４が、一次コイル１３１に間欠的な電圧パルスを生成するように二次コイル１３２に間欠的な電流パルスを与えるために設けられる。故に、カソード電極１１は、誘導コイル１３１を介して、−０．１ｋＶから−１０ｋＶの範囲内、例えば−１ｋＶ、のバイアス電圧に接続され、アノード電極１２のアノード画素はリードアウト（読出し）チップ１４に接続される。斯くして、検出器結晶１０にわたって、１００−５００Ｖ／ｍｍ程度、好ましくは２００−４００Ｖ／ｍｍ、例えば３００Ｖ／ｍｍの電界が作り出される。

一般に、光子計数Ｘ線検出器においては、吸収されたＸ線フォトンが半導体素子１０内に電子−正孔対の雲を生成する。電界の存在により、電子は、アノード電極１２に向かって移動して、リードアウトユニット１４によって収集される。斯くして、各入射フォトンのエネルギー、位置、及びタイミングが記録される。生成された正孔は、カソード電極１１に向かって移動する。正孔は、電子よりも遥かに低い移動度を有し、正孔トラップに容易に捕獲され得る。これが検出器の分極を引き起こすものであり、これは特に、高流束Ｘ線曝露条件下で発生する。分極は、光子計数法の完全なる失敗につながり得る。

分極を抑圧するには、捕獲された正孔を中和しなければならない。これは、本発明によれば、カソード電極１１での電子の一時的な注入によって達成される。通常動作条件下で、カソードコンタクトは阻止性であり、非常に有利なことである低い暗電流レベルをもたらす。電子の一時的な注入は、カソードエレメント１１ａ、１１ｂ間の短い電圧パルスによって起こされ、これは例えば、図３に示す第２の実施形態に係るＸ線検出器１’の二次コイル１３２への短い電流パルスによって引き起こされる。この電流パルスは、インターディジテイト型カソード電極１１の２つの隣接ストライプ１１ｃ、１１ｄ（レグとも呼ぶ）間に高い電圧差（電界）を誘起し、それにより、阻止性コンタクトが使用されていても、半導体素子１０内に電子が移動させられることになる。電子が半導体素子１０に押し入れられると、電子は、印加バイアス電圧によりアノード電極１２に向かってドリフトし、故に、半導体素子１０内の占有された正孔トラップ（又は、より正確には、捕獲された正孔）を中和することができる。

場合により、電圧源１３４による（又は、一般的に、電源１３による）間欠的な電圧（分極抑圧）パルスの印加を制御するために、図３に示すように、制御ユニット１５が付加的に設けられる。故に、特に、パルスの時間、形状、デューティサイクル、繰り返し周波数、及び／又は電源によって印加される間欠的な電圧パルスの電圧振幅（又は、印加されるインジェクション電圧のその他のパラメータ）が、分極の抑圧を最適化するように制御され得る。好ましくは、これらのパラメータのうちの１つ以上が、所与のＸ線被曝線量を考慮にいれて制御される。

また、制御ユニット１５の使用により、リードアウトユニット１４を分極抑圧パルスと同期化させることができる。故に、注入された電子が計数されないように取り計らわれる。この制御ユニットの別の一利点は、高いアノード−カソード間ＤＣ電圧が、この短いパルス時間の間に僅かにしか変化されないことである。主電界は殆ど乱されない。

分極抑圧の有効性又は半導体素子１０の分極の程度は、電子がカソード電極１１からアノード電極１２まで移動するのに必要な時間を指し示す飛行時間（ドリフト時間）測定から得ることができる。

使用するカソードパターンのパターンレイアウト（すなわち、カソードエレメント１１ａ、１１ｂのレイアウト）及び材料について、並びに電子を注入するために一時的な高電界を生成する手法については、数多くのバリエーションが可能である。パターンレイアウトの１つの変形例を、他の一実施形態に係るカソード電極２１の上面図を示す図４に描写する。このカソード電極２１は、２つのカソードエレメント２１ａ、２１ｂを有しており、カソードパターンのインターディジテイト構造の直線状のレグ２１ｃ、２１ｄに沿って、規則的な間隔で、尖った先端２１ｅが添えられている。これは、電子の注入を支援するいっそう高い局所電界を生じさせる。

好ましくは、一実施形態において、局所的な（横方向の）分極及びエレクトロマイグレーションを回避するため、正電圧パルスと負電圧パルスとが交互にインターディジテイト型カソードエレメント１１ａ、１１ｂに印加される。

電圧パルスのタイミングは好適に制御される。電圧パルスがたったのおよそ１００ピコ秒（ｐｓｅｃ）から１ナノ秒（ｎｓｅｃ）（又は、最大で１０ｎｓｅｃ）の長さであるとき、多数の電子が注入されることができ、電子はその後、‘標準’電界条件下で減速され、その結果、捕獲された正孔と再結合する時間を有する。これにより、検出器の長い‘デッド’タイムが回避される。

一実施形態において、最大時間が定められ、該最大時間の後に、‘リセット’電圧パルスがカソードエレメント１１ａ、１１ｂに与えられる。この時間は照射条件（すなわち、入射放射線）に依存し得る。例えば、ルックアップテーブルを用いて、例えばＸ線束に応じて、リセットの時間を定めることができる。このルックアップテーブルは、制御ユニット１５に格納されることができ、あるいは、制御ユニット１５によってアクセスされることができる別個のストレージユニット（図示せず）に格納され得る。

他の一実施形態に係るカソード電極３１を図５に示す。この実施形態において、カソード電極３１は、複数のカソードエレメント３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄを有しており、２つのカソードエレメントがそれぞれインターディジテイト配置されている。例えば、カソードエレメント３１ａ、３１ｂが交互にかみ合わされるとともに、カソードエレメント３１ｃ、３１ｄが交互にかみ合わされる。電源１３は、インターディジテイト型カソードエレメント３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄのこれらのペアに選択的に間欠電圧パルスを与えるように構成される。故に、電圧パルスの印加の制御を、例えば相異なる検出器モジュール（各々が例えば一対のカソードエレメントを有する）といった検出器の相異なる部分で、相異なるように行うことができる。これを用いることで、高流束領域で信号の一部をリセットフェーズ中に失わせながら、低流束領域で、そこでの最大の信号を狙って、リセットを回避するようにし得る。

本発明による検出器で使用されることが可能なカソードエレメントの配置、パターン及び数には更なるバリエーションが存在する。例えば、図５に示した実施形態の一変形例において、カソードエレメント３１ａと３１ｃとが、共通のカソードエレメントへと結合される。これも、ペア３１ａｃ、３１ｂとペア３１ａｃ、３１ｄとに別々に電圧パルスを与えることを可能にする（３１ａｃは、カソードエレメント３１ａ及び３１ｃからなる共通カソードエレメントを表す）。このようなカソード電極３１’を図７に示す。

カソードパターンの更なる実施形態を図８及び９に示す。図８に示す実施形態において、カソード電極４１は、フィッシュボーン状（魚の骨状）構造として形成されたカソードエレメント４１ａ及び４１ｂを有している。図９に示す実施形態において、カソード電極５１は、スパイラル状（渦巻き状）構造として形成されたカソードエレメント５１ａ及び５１ｂを有している。

概して、カソードエレメントは、画素毎の注入電子の均一性を達成するために、アノード電極に対してアライメントされることが好ましい。

他の一実施形態において、リードアウトユニット１４は、印加された間欠電圧パルスのパラメータに応じて、特に、印加された間欠電圧パルスのタイミング及び継続時間に応じて、読み出した電気信号を補正するように構成される。斯くして、計数結果の精度が高められる。これは、例えば、読出し信号（信号高さ、注入された追加の電荷に起因するオフセット、非線形性など）に対する複数の異なる間欠電圧パルス（繰り返し周波数、振幅など）の影響を格納するルックアップテーブルの使用によって実装され得る。

更なる他の一実施形態において、カソード電極のインターディジテイト型カソードエレメントのレグ（又はストライプ）は、異なる材料から成っていてもよい。一方のカソードエレメントが、阻止性のコンタクトを生み出す高障壁メタル（例えば、Ｐｔ）から成り、他方のカソードエレメントが、オーミックコンタクトを生み出す低障壁メタル（例えば、Ｉｎ）から成っていてもよい。半注入性（例えば、Ｃｒ、Ａｇ）も可能であり、その場合、少なめの電子が注入される。光子計数中には、阻止性コンタクトのおかげで低い暗電流をもたらす高障壁カソード電極のみが接続される。“リセット”期間中には、低障壁カソード電極も接続されて、分極を抑圧する電子の一時的な注入を生じさせる。低障壁レグをオン・オフ切り換えするために高速スイッチが使用される。

本発明に従った光子計数Ｘ線検出方法の一実施形態を、図９にフローチャートとして示す。この方法は以下のステップを有する。第１のステップＳ１にて、（例えば、検出ユニット３として図１に示したような）光子計数Ｘ線検出器ユニットが入射Ｘ線ラジエーションに曝され、入射Ｘ線フォトンに応答して電子−正孔対の生成がもたらされる。第２のステップＳ２にて、カソード電極とアノード電極との間にバイアス電圧が印加される。第３のステップＳ３にて、カソードエレメント間に間欠的に電圧パルスが印加される。第４のステップＳ４にて、画素化されたアノード電極から電気信号が読み出される。

本発明による検出器、検出器ユニット、及び検出方法を用いることで、高流束条件下での分極の抑圧を信頼性高く且つ効果的に得ることができ、光子計数結果の精度を高めることができる。

図面及び以上の記載にて本発明を詳細に図示して説明してきたが、これらの図示及び説明は、限定的なものではなく、例示的あるいは典型的なものとみなされるべきであり、本発明は、開示の実施形態に限定されるものではない。開示の実施形態へのその他の変形が、図面、本開示及び添付の請求項の検討から、請求項に係る発明を実施する当業者によって理解されて実現され得る。

請求項において、用語“有する”はその他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞“ａ”又は“ａｎ”は複数であることを排除するものではない。単一の要素又はその他のユニットが、請求項に記載される複数のアイテムの機能を果たしてもよい。特定の複数の手段が相互に異なる従属項に記載されているという単なる事実は、それらの手段の組合せが有利に使用され得ないということを指し示すものではない。

請求項中の如何なる参照符号も、範囲を限定するものとして解されるべきでない。

本発明の第１の態様において、光子計数Ｘ線検出器ユニットが提示され、当該光子計数Ｘ線検出器ユニットは、
入射Ｘ線フォトンに応答して電子−正孔対を生成する光子計数半導体素子と、
入射Ｘ線ラジエーションに面する半導体素子の第１の面の上に配設されたカソード電極であり、２つのインターディジテイト型カソードエレメントを有するカソード電極と、
第１の面とは反対側の半導体素子の第２の面の上に配設された、画素化されたアノード電極であり、該画素化されたアノード電極から電気信号を読み出すリードアウトユニットに結合されるように構成された画素化されたアノード電極と
を有し、
当該光子計数Ｘ線検出器ユニットは、アノード電極とカソード電極との間の印加バイアス電圧に応答して、カソード電極からアノード電極に向けて電荷キャリアをドリフトさせるよう構成され、且つカソードエレメント間に一時的に印加されるインジェクション電圧に応答して、カソードエレメント間に一時的に電荷キャリアを注入するように構成される。

本発明の更なる一態様において、光子計数Ｘ線検出器が提示され、当該光子計数Ｘ線検出器は、
ここに開示される光子計数Ｘ線検出器ユニットと、
カソード電極とアノード電極との間にバイアス電圧を印加するとともに、カソードエレメント間にインジェクション電圧を一時的に印加する電源と、
画素化されたアノード電極から電気信号を読み出すリードアウトユニットと
を有する。

本発明のこれら及びその他の態様が、以下に記載される実施形態を参照して明らかになる。
本発明に従った光子計数Ｘ線検出器の第１の実施形態を示す模式図である。 本発明に従ったカソード電極の第１の実施形態を示す上面図である。 本発明に従った光子計数Ｘ線検出器の第２の実施形態を示す模式図である。 本発明に従ったカソード電極の第２の実施形態を示す上面図である。 本発明に従ったカソード電極の第３の実施形態を示す上面図である。 本発明に従ったカソード電極の第４の実施形態を示す上面図である。 本発明に従ったカソード電極の第５の実施形態を示す上面図である。 本発明に従ったカソード電極の第６の実施形態を示す上面図である。 本発明に従った光子計数方法を示すフローチャートである。

本発明による検出器で使用されることが可能なカソードエレメントの配置、パターン及び数には更なるバリエーションが存在する。例えば、図５に示した実施形態の一変形例において、カソードエレメント３１ａと３１ｃとが、共通のカソードエレメントへと結合される。これも、ペア３１ａｃ、３１ｂとペア３１ａｃ、３１ｄとに別々に電圧パルスを与えることを可能にする（３１ａｃは、カソードエレメント３１ａ及び３１ｃからなる共通カソードエレメントを表す）。このようなカソード電極３１’を図６に示す。

カソードパターンの更なる実施形態を図７及び８に示す。図７に示す実施形態において、カソード電極４１は、フィッシュボーン状（魚の骨状）構造として形成されたカソードエレメント４１ａ及び４１ｂを有している。図８に示す実施形態において、カソード電極５１は、スパイラル状（渦巻き状）構造として形成されたカソードエレメント５１ａ及び５１ｂを有している。

Claims (16)

1. 入射Ｘ線フォトンに応答して電子−正孔対を生成する光子計数半導体素子と、
   入射Ｘ線ラジエーションに面する前記半導体素子の第１の面の上に配設されたカソード電極であり、２つのインターディジテイト型カソードエレメントを有するカソード電極と、
   前記第１の面とは反対側の前記半導体素子の第２の面の上に配設された、画素化されたアノード電極と、
   前記カソード電極と前記アノード電極との間にバイアス電圧を印加するとともに、前記カソードエレメント間にインジェクション電圧を一時的に印加する電源と、
   前記画素化されたアノード電極から電気信号を読み出すリードアウトユニットと、
   を有する光子計数Ｘ線検出器。
2. 前記電源は、前記カソードエレメント間に、間欠的な電圧パルス又は連続的な電圧波信号を一時的に印加するように構成される、請求項１に記載の光子計数Ｘ線検出器。
3. 前記電源による前記一時的に印加されるインジェクション電圧の印加を制御し、特に、パルスの時間、形状、デューティサイクル、繰り返し周波数、及び／又はインジェクション電圧として印加される間欠的な電圧パルスの電圧振幅を制御する制御ユニット、
   を更に有する請求項１に記載の光子計数Ｘ線検出器。
4. 前記制御ユニットは、前記カソード電極から前記アノード電極まで移動する電子の飛行時間式ドリフト時間測定に基づいて、パルスの時間、形状、デューティサイクル、繰り返し周波数、及び／又は前記一時的に印加されるインジェクション電圧の電圧振幅を制御するように構成される、請求項２又は３に記載の光子計数Ｘ線検出器。
5. 前記制御ユニットは、前記一時的に印加されるインジェクション電圧の印加中に前記画素化されたアノード電極から電気信号が読み出されないよう、前記電源による前記一時的に印加されるインジェクション電圧の印加と、前記画素化されたアノード電極からの前記電気信号の読み出しとを同期化するように、前記電源及び前記リードアウトユニットを制御するよう構成される、請求項２又は３に記載の光子計数Ｘ線検出器。
6. 前記２つのインターディジテイト型カソードエレメントは各々、複数の平行な電極ストライプを有し、前記２つのインターディジテイト型カソードエレメントの前記電極ストライプは平行に交互配列されている、請求項１に記載の光子計数Ｘ線検出器。
7. 前記電極ストライプは、前記電極ストライプに沿って配置された尖った先端を有する、請求項６に記載の光子計数Ｘ線検出器。
8. 前記先端は、前記電極ストライプに沿って規則的な間隔で配置されている、請求項７に記載の光子計数Ｘ線検出器。
9. 隣接し合う電極ストライプの前記先端が、互いに対向配置されている、請求項７に記載の光子計数Ｘ線検出器。
10. 前記電源は、
    前記２つのインターディジテイト型カソードエレメント間に結合された一次コイルと、二次コイルと、を有する誘導ユニットと、
    前記一次コイルに前記バイアス電圧を印加するＤＣ電圧源と、
    前記一時的に印加されるインジェクション電圧を前記一次コイルにわたって生成するよう、特には電流パルスである間欠的な電流信号を前記二次コイルに一時的に印加する電流源と
    を有する、請求項１に記載の光子計数Ｘ線検出器。
11. 前記電源は、前記カソードエレメント間に交互の極性で、前記インジェクション電圧を一時的に印加するように構成される、請求項１に記載の光子計数Ｘ線検出器。
12. 前記電源は、所定の最大時間の後にインジェクション電圧を印加するように構成される、請求項１に記載の光子計数Ｘ線検出器。
13. 前記カソード電極は複数のカソードエレメントを有し、２つのカソードエレメントがそれぞれインターディジテイト配置され、
    前記電源は、複数対のインターディジテイト型カソードエレメントに選択的に、インジェクション電圧を一時的に印加するように構成される、
    請求項１に記載の光子計数Ｘ線検出器。
14. 前記リードアウトユニットは、前記一時的に印加されるインジェクション電圧のパラメータに応じて、特に、前記一時的に印加されるインジェクション電圧のタイミング及び継続時間に応じて、読み出した電気信号を補正するように構成される、請求項１に記載の光子計数Ｘ線検出器。
15. 入射Ｘ線フォトンに応答して電子−正孔対を生成する光子計数半導体素子と、
    入射Ｘ線ラジエーションに面する前記半導体素子の第１の面の上に配設されたカソード電極であり、２つのインターディジテイト型カソードエレメントを有するカソード電極と、
    前記第１の面とは反対側の前記半導体素子の第２の面の上に配設された、画素化されたアノード電極であり、該画素化されたアノード電極から電気信号を読み出すリードアウトユニットに結合されるように構成された画素化されたアノード電極と、
    を有し、
    前記カソード電極は、前記カソード電極と前記アノード電極との間にバイアス電圧を印加するとともに前記カソードエレメント間にインジェクション電圧を一時的に印加する電源、に結合されるように構成される、
    光子計数Ｘ線検出器ユニット。
16. 光子計数Ｘ線検出器ユニットを入射Ｘ線ラジエーションに曝し、入射Ｘ線フォトンに応答して電子−正孔対の生成をもたらすステップであり、前記光子計数Ｘ線検出器ユニットは、
    入射Ｘ線フォトンに応答して電子−正孔対を生成する光子計数半導体素子と、
    入射Ｘ線ラジエーションに面する前記半導体素子の第１の面の上に配設されたカソード電極であり、２つのインターディジテイト型カソードエレメントを有するカソード電極と、
    前記第１の面とは反対側の前記半導体素子の第２の面の上に配設された、画素化されたアノード電極と
    を有する、ステップと、
    前記カソード電極と前記アノード電極との間にバイアス電圧を印加するステップと、
    前記カソードエレメント間にインジェクション電圧を一時的に印加するステップと、
    前記画素化されたアノード電極から電気信号を読み出すステップと、
    を有する光子計数Ｘ線検出方法。

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