JP2017512984A - 光子放射を検出するための、特に高フラックス放射に適用されるツール - Google Patents

Abstract

本発明は、放射を検出するツールに関し、イオン化放射と相互作用可能な半導体検出器材料（１０）と、イオン化放射との相互作用の影響下において検出器材料で生成された電荷担体を収集するための電極（１００）と、収集された電荷の量に依存する波形を有する電気パルスを成形する成形回路（１１）と、形成されたパルスの数を計数する計数回路（１５、１６、１７、２２）であって、カウンタ、および、インクリメントエレメント、を含む、計数回路（１５、１６、１７、２２）と、を備え、形成された各パルスのパルス継続時間ｔを測定するための継続時間測定エレメント（１７）と、形成された各パルスの最大振幅Ｈを決定するためのピーク検出エレメント（１５）と、前記比較パラメータを確定するために、前記最大振幅Ｈと前記パルス継続時間（ｆ）とを結合するための結合ユニット（１６）と、を備えることを特徴とする。好ましくは、比較パラメータはパルスの測定された最大振幅と対応するパルス継続時間との積（Ｈ×ｔ）であり、計数閾値は予め設定された固定値を有する。

Description

本発明は、光子放射を検出するためのツールに関する。このような検出ツールは、特に放射線またはＸ線スキャナにおける医用画像生成、天体画像生成、核産業、および、産業検査の分野で特に用いられる。

知られている検出ツールは、検出器、コリメータ、および、処理のための情報技術手段、によって本質的に構成される。

コリメータは、検出器に到達する光子を選択することを可能にする。コリメータはセプタによって区切られたチャンネルによって形成される。

検出器は、例えば光ダイオードアレイなどの光検出器と関連している、ヨウ化セシウム、ヨウ化ソジウム、臭化ランタン（ＬａＢｒ３）、またはゲルマン酸ビスマス（ＢＧＯ）などのシンチレータ材料を含み得る。代替的に、検出器は、カソードおよびアノードによって分極されることが可能な、例えばＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅなどの少なくとも１つの半導体検出器材料を含んでおり、これらの電極は一般的に半導体材料のブロックの２つの対向する側に設置される。これは半導体検出器として参照される。

光子が半導体材料を通って半導体材料と相互作用したら、光子エネルギーの全てまたは一部は半導体材料内の電荷担体（電子正孔対）に移される。検出器は分極されているので、電荷担体は（アノードを含む）電極へ移動する。電荷担体は電気信号を生成するために電極に収集される。次いでこの電気信号が処理されるが、これは、相互作用が生じた際に光子によって蓄積されたエネルギーに振幅が比例する一連のパルスである。検出器の性質によれば、信号は、単にアノード（これが最も多い事例）に収集されるか、単にカソードに収集されるか、または両電極に収集される。半導体検出器は通常、複数の物理ピクセルを含み、各物理ピクセルは電極によって電荷を収集するための回路に対応する。

この発明は特にＸ線スキャナのような高フラックスＸ線放射に適用される。

半導体検出器を用いる検出ツールでは、積分モード、分光モード、および、光子カウントモード、の３つの動作モードが知られている。

積分モードでは、積分タイプの電子装置が典型的には数百μｓの所定の期間において各電極から流れる電流を測定する。この電流は、暗電流と、当該期間の入射放射によって生成される電流の一部と、先行する期間に生成される電流の一部と合計であり、後者は信号のスミアと呼ばれる。積分モードは、暗電流および信号のスミアによって妨げられるが、放射線においてよく適用される。Ｘ線スキャナにおいては、数十年の入射フラックスの急速な変化によって信号のスミアは禁止されており、積分モードは機能することができない。

分光モードにおいて、各電極から出力される電流は電荷プリ増幅器によって増幅され、１μｓのオーダーの時定数にて成形される。この電荷の測定は入射光子のエネルギーを表している。分光モードは入射光子のエネルギーの測定を正確にするが、光子の入射ストリームが１０^９ｐｈｏｔｏｎ／秒・ｍｍ^２より大きいＸ線スキャナ用途では十分な速さではない。

光子カウントモードでは、各電極から出力された電流が電流プリ増幅器によって増幅され、カウント閾値として参照される閾値と比較される。このカウント閾値は、無視される（ｒｅｊｅｃｔｅｄ）ことになる低い増幅相互作用を、考慮される重要な増幅相互作用から識別することを可能にする。典型的には、カウント閾値は２５ｋｅＶのエネルギーに相当し、より大きいエネルギーを放出する相互作用のみが考慮され、カウントされる。

Ｘ線スキャナ用途の信号のパルスの典型的な継続時間は５−１５ｎｓである。もし観察されたパルス振幅がカウント閾値よりも大きければ、カウンタがインクリメントされる。光子のカウントモードは、検出器のカウントレートが特に１Ｍカウント／ｓ／ｍｍ^２より大きい高フラックスと相性がよい。そのようなカウントレートにおいては、各相互作用によって蓄積されたエネルギーの正確な測定を行うことに疑いの余地はない。普通の装置は単に、検出器によって生成された各パルスの振幅、すなわち最大レベルの測定を行うのみである。

しかしながら、そのようなカウントレートにおいては、摂動が検出器に影響し、検出器の応答の安定性に影響を与える。したがって、検出器において放出された同じエネルギーではパルスの形状がドリフトし、パルスは高さがより低く、より長いものになる。単なる振幅閾値はその限界に達することが理解される。実際のところ、同じエネルギーを放射する相互作用が、エネルギー分解能の劣化をもたらす、最大振幅が異なるパルスを生じさせ得る。

例えば検出器が強い一定の入射フラックスにさらされていると、計数されるパルスの数すなわち予め設定された振幅閾値を超えるパルスの数が減少することが観察される。

このようなドリフトは、特に、画像を再構成する際に電極の他方に対する千分のいくつか（ａ ｆｅｗ ｐｅｒ ｔｈｏｕｓａｎｄ）の小さな変動がアーチファクトを生じるＸ線スキャナの場合では、重大なものとして示され得る。

欧州特許出願公開第２０７１７２２号明細書

本発明は高フラックスの入射光子に適用される放射検出装置、すなわち光子計数モードにおいて特に高速計数レートでより信頼性があり、各光子を高速に計数することが可能なツールを提供することを対象としている。

信頼性という用語に関して言うと、本発明の目的は、例えば１％未満の小さなドリフトを有する検出ツールを提供することである。

そのため、本発明は、放射を検出するためのツールを提供し、ツールは：
イオン化放射と相互作用するよう構成された検出器材料と
（ここで検出器材料はシンチレータ材料、または、好ましくは半導体材料であることに留意されたい）、
イオン化放射との相互作用の影響下において検出器材料で生成された電荷担体を収集する電極と
（ここで「電荷担体」という表現は、例外的に、半導体検出器材料の場合において生成される電子正孔対だけではなく、シンチレータ検出器材料の場合において生成される光子も含んでいる（よって「電極」という用語は光ダイオードを示している）ことに留意されたい）、
収集された電荷の量に依存する波形を有する電気パルスを成形するための成形回路と、
形成されたパルスの数を計数する計数回路であって、カウンタ、および、比較パラメータが計数閾値を超えたらカウンタをインクリメントするインクリメントエレメント、を含む、計数回路と、を備える。

もちろん、簡単に説明するために、ツールは１つの電極を有するものとして定義され記述されるが、しかしながら通常では、ツールは配列された複数多数の電極（ピクセル）を含み、電極と関連して定義される特性はマトリックスの各電極に対して見出される。

本発明による放射検出装置は：
− 形成された各パルスのパルス継続時間を測定するための継続時間測定エレメントと、
− 形成された各パルスの最大振幅を決定するためのピーク検出エレメントと、
− 比較パラメータを決定するために、前記最大振幅と前記パルス継続時間とを結合するよう構成された結合ユニットと、
− パルス継続時間と前記最大振幅にしたがって前記比較パラメータを決定するよう構成されたエレメントと、
を備えることを特徴とする。

したがって本発明は、単に最大パルス振幅にしたがって計数が実行されるのではなく、形成されたパルスの最大振幅とパルスの時間的な波形の追加情報との両方にしたがって計数が実行される点で、知られている計数モードとは異なる。

この追加の時間的情報を使用することで、上述したドリフトを補償することが可能となる。実際のところ、本発明者は、半導体検出器の場合においてそのようなドリフトが少なくとも部分的に以下の現象によって説明されることを立証した。高フラックスによって生成された空間電荷はアノードに近い電界を非常にわずかに変化させるので、時間的応答を変形させる。光子によって運ばれる同じエネルギーに対して、パルスは低速になり振幅は小さくなる。計数の対象となる光子のエネルギースペクトルは連続するので、振幅が閾値に近くなるパルスの一部は計数閾値を下回り、そのため考慮されなくなる。

言い換えると、本発明は、検出された２つのパルス間の非常に短い不感時間を維持しながら、パルスの振幅に基づくパルス計数ではなく、形成されたパルスの積分（検出器材料と相互作用した光子に対して形成され、相互作用した際に光子によって運ばれるエネルギーを表すパルスの積分）に可能な限り近い比較パラメータに基づくパルス計数で構成されている。

本発明の特に簡単で効率的な実施形態では、計数回路は、各パルスに対して、パルスの測定された最大振幅Ｈと、対応するパルス継続時間ｔとを乗算する乗算エレメントを含み、比較パラメータは乗算エレメントから出力される積（Ｈ×ｔ）となり、計数閾値は予め設定された固定値を有し、すなわち、少なくとも同じ検出動作の間には同じ値にとどまる。

この予め設定された固定値は、計数レートすなわち単位時間あたりに計数されるパルスの数の変化にしたがって、実験に基づいて調整され得る。

本発明者は、上述の乗算エレメントからの積Ｈ×ｔが、測定におけるドリフトを１％未満に十分に減少させるパルス積分の近似を提供することを立証した。

さらに、いくつかの実施形態は、パルス継続時間を測定することが可能である。第１実施形態によれば、測定されたパルス継続時間は、パルスが検出閾値を超えた時刻と、その同じ閾値より下に戻った時刻との間で経過した時間に対応する。検出閾値は、特にある振幅に対応し得るものであり、この振幅とは、形成された信号がそれに及ばない場合に同信号は単に検出器ノイズに対応しており、形成された信号がそれを超える場合に同信号は半導体材料における相互作用の存在を表しているとみなされ得るようなものである。第１実施形態を実行するために、測定エレメントは、固定周波数のクロック、または、直流電流源から供給されたキャパシタンス、から選択される。

第２実施形態によれば、測定されたパルス継続時間は、上位の段落で定義された、パルスが検出閾値を超えた時刻と、パルスが最大レベルに達した時刻（信号が反転を示す時間）と、の間で経過した時間に対応する。言い換えると、パルス継続時間は信号増加の時間に対応する。この第２実施形態は入射フラックスが非常に高いときに有利である。実際のところ、この実施形態は、最大レベルへの立ち上がりに相当するパルスの第１の部分のみを考慮に入れ、この第１の部分はスミア現象を被りにくい。この第２実施形態を実行するために、測定エレメントは上記で参照したのと同様であってもよい。

上記の２つの実施形態におけるパルス継続時間に対する測定ダイナミクスは、２０ｐｓの時間分解能とともに２０ｎｓになり得る。

成形回路は、下流側に遅延ライン回路が設置された電荷プリアンプを備えていてもよく、遅延ライン回路によって供給された信号から電荷プリアンプによって供給された信号を減算することによってパルスは成形される。このような成形回路は出願ＥＰ２０７１７２２に記載されている。そこでは、計数レートが増加すると、特に遅延ラインによって生じた遅延によって、性能が低下することが記載されている。

好ましくは成形回路は電流プリアンプを備える。一般的に、パルスの積分を正確に決定しようとすると、特に分光分析の用途では、この種のプリアンプはノイズが多いと考えられるため使用されない。しかしながら、電流プリアンプは、各パルスの積分の簡単な推定が目的に沿うから、本発明による検出ツールによく適合する。さらに、この種のプリアンプは、電極によって生成されるパルスの大きさと同じオーダーの、典型的には５−１５ｎｓ幅の短いパルスを生成するから、高フラックスによく適合する。

本発明は、上記および下記に記載された全てのまたは一部の特徴の結合によって特徴付けられる検出ツールに及ぶ。

本発明の他の詳細および利益は、添付の図面を参照する、好ましい実施形態に関連して非限定の例示として提供される下記の説明を読むことによって明らかになる。

図１は、本発明による検出ツールの成形および計数回路の図である。 図２は、図１の検出ツールにおいて光子の相互作用のために形成されるパルスの図である。 図３は、比較パラメータとしてパルスの振幅のみを使用する従来の計数モードによる従来技術の動作の検出ツールにおいて、時間に対する計数されたピークの数の変化の図である。 図４は、パルス継続時間によって乗算された最大振幅の積Ｈ×ｔを比較パラメータとして使用する本発明による計数モードの動作を行う、図１のような本発明にしたがった検出ツールにおいて、時間に対する計数されたピークの数の変化の図である。 図５は、信号のパルスの最大振幅を測定する知られている測定エレメントの図である。

図１は、本発明による検出ツールの実施形態を示し、検出器１０と、成形回路と、計数回路と、を備える。成形回路は、検出器１０の各電極１００からの出力において、例えば並列に搭載されたオペアンプ１２および抵抗１３によって形成された電流／電圧変換器１１を備える。この電流／電圧変換器１１は、電流プリアンプを構成する。この電流／電圧変換器１１の出力において得られた（図２に図示された）信号１は、各光子の検出器材料との相互作用のためにパルスとして表現される。このパルスは一般的に対称ではない。パルスの振幅は、エネルギーによって変動するが、しかし、同じエネルギーであっても、検出ツールに影響を及ぼす上述のドリフトのために計数レートにしたがって変動する。成形回路および計数回路は次に、信号１の各パルスの最大振幅Ｈを測定可能なピーク検出エレメント１５を備える。任意選択で、ピーク検出エレメントは、後者が例えばガウシアン波形に近い波形を有するようにするために、パルスの波形を補正する補正回路を含む。ピーク検出エレメント１５は、図５に図示されている。最大振幅Ｈが得られたら、モジュール１５は最大振幅と等しい信号を送る。図５のスイッチは、パルスの振幅がその最大を達成した後にキャパシタンスを供給するために閉じられる。

測定された値Ｈは乗算エレメント（または”乗算器”）１６に入力される。これと並行して、電流／電圧変換器から出力された信号１は比較器１８に入力される。比較器１８では、信号１の（立ち上がり）パルスが検出閾値Ｈｓを超えた時刻と、（立ち下がり）パルスが検出閾値Ｈｓより下に戻った時刻との間で経過した、パルス継続時間として参照される継続時間ｔを測定するために、信号１の振幅が、検出閾値として参照される閾値Ｈｓと比較される。この継続時間の測定は継続時間測定エレメント１７によって行われる。測定値ｔは乗算エレメント１６に入力される。

乗算エレメント１６からの出力において、電位は積Ｈ×ｔに依存する。パルスの振幅が検出閾値Ｈｓより下に戻った場合、スイッチは開になる。したがって、キャパシタＣのターミナルにおける電位差は、Ｈ×ｔに依存し、ｔはパルスの継続時間である。下流においてカウント回路はカウンタ２２を備える。このカウンタは、積Ｈ×ｔが計数閾値として参照される閾値を超えるパルスのみを考慮する。

図３は、比較パラメータとしてパルス振幅のみを使用する従来の計数モードによる従来技術の動作の検出ツールにおいて、時間に対する計数されたピークの数の変化を示す。２．５％のドリフトが観測される。

図４は、比較パラメータとして振幅およびパルス継続時間の積Ｈ×ｔを使用した、図１のような本発明による検出ツールにおいて、時間に対する計数されたピークの数の変化を示す。０．７％のドリフトが観測される。

本発明は、添付された特許請求の範囲内であるならば、図示された実施形態に対する様々な変形を対象とする。

Claims (7)

1. 放射を検出するための検出装置であって、
   イオン化放射と相互作用するよう構成された検出器材料（１０）と、
   イオン化放射との相互作用の影響下において検出器材料（１０）で生成された電荷担体を収集するための電極（１００）と、
   各相互作用について、収集された電荷の量に依存する波形を有する電気パルスを成形するための成形回路（１１）と、
   形成されたパルスの数を計数するための計数回路（１５，１６，１７，２２）であって、カウンタ、および、比較パラメータが計数閾値を超えたらカウンタをインクリメントするインクリメントエレメント、を含む、計数回路（１５，１６，１７，２２）と、を備え、
   形成された各パルスのパルス継続時間（ｔ）を測定するための継続時間測定エレメント（１７）と、
   形成された各パルスの最大振幅（Ｈ）を決定するためのピーク検出エレメント（１５）と、
   前記比較パラメータを確定するために、前記最大振幅Ｈと前記パルス継続時間（ｔ）とを結合するための結合ユニット（１６）と、
   を備えることを特徴とする、検出装置。
2. 結合エレメント（１６）が、乗算を行うための乗算エレメントであり、各パルスに対して、パルスの測定された最大振幅（Ｈ）と対応するパルス継続時間（ｔ）とを乗算し、比較パラメータが、乗算エレメントから出力される積（Ｈ×ｔ）であることを特徴とする、請求項１に記載の検出装置。
3. 測定されたパルス継続時間（ｔ）が、パルスが検出閾値（Ｈｓ）を超えた時刻と、検出閾値より下に戻った時刻との間で経過した時間に対応することを特徴とする、請求項１または２に記載の検出ツール。
4. 継続時間測定エレメントが、固定周波数のクロック、および、直流電流源によって供給されたキャパシタンス、から選択されることを特徴とする、請求項３に記載の検出ツール。
5. 測定されたパルス継続時間が、パルスが振幅閾値（Ｈｓ）を超えた時刻と、パルスが最大振幅（Ｈ）に達した時刻との間で経過した時間に対応することを特徴とする、請求項１または２に記載の検出ツール。
6. 成形回路が、電荷プリアンプ（１１）とともに遅延ライン（１４）を含むことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の検出ツール。
7. 成形回路が電流プリアンプを含むことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の検出ツール。

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