JP3961052B2 - γフォトン検出場におけるスペクトル測定の補正のための方法およびデバイス - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体からなる検出器が使用されているγ線放射の検出場に関するものである。本発明は、また、γ線像のスペクトル測定に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
γ線放射の検出に対しては、多くのタイプの検出器が使用されてきている。最近３０年ほどにわたっては、γ線放射の検出技術は、固体半導体に基づく検出器を使用することを主に基本としてきた。
【０００３】
半導体をベースとする検出器は、シンチレータの場合における可視フォトンの放出のような中間ステップを経ることなく、材料中のγ線放射を直接的にエネルギーに変換する。これは、システム的に効率を低減させる結合の問題を克服する。半導体中において電子−ホール対を生成するのに必要なエネルギーは、気体中あるいはシンチレータ中におけるよりも、ずっと小さい（気体中における３０ｅＶおよび光増倍型シンチレータシステムにおける３００ｅＶに比較して、半導体中においては約４ｅＶ）。したがって、検出された各々のフォトンに対して生成される自由電荷の数がより多くなり、小さなノイズで、より良好なエネルギーの解像度が得られる。さらに、半導体材料の原子番号、および、半導体材料の高い密度により、気体検出器またはシンチレータの検出容積よりも、意義深く小さな検出容積を使用することができる。そして、小さな検出容積であっても、同じだけの量子検出効率を維持することができる。
【０００４】
Ｘ線放射あるいはγ線放射の検出器としてこれら半導体材料を使用するということは、２つの電気的接点が材料表面上に成膜されるべきであること、および、バイアス電圧がこれら接点の端子に印加されなければならないことを意味している。電荷担体、すなわち、γフォトンと材料との相互作用により生成された電子−ホール対は、電界の作用のもとに分離されることになる。つまり、電子は正電極に向けて移動し、ホールは負電極に向けて移動する。半導体材料内に存在する欠陥にトラップされることなく電極に向けて移動し得るこれら電荷担体の能力は、測定されたスペクトルのエネルギー解像度を左右する。この能力は、電荷担体輸送性とも称され、電子およびホールの移動度および寿命により測定される。
【０００５】
現在のところ、γ線検出器の性能は、半導体中にもともと存在する欠陥があることにより制限されている。この場合、半導体中にもともと存在する欠陥は、電荷担体の電極に向けての移動時において電荷担体をトラップすることにより、電荷担体の寿命を短くして、よって、検出器のエネルギー解像度を低下させる。これら半導体中にもともと存在する欠陥は、半導体材料の結晶発生時に対称的に出現する。これら欠陥の研究については非常に多くの文献があり、雰囲気温度で操作可能なすべての高抵抗半導体の結晶発生に関して、これら欠陥の除去を十分にうまく制御できないことが示されている。
【０００６】
ＣｄＴｅについての欠陥の研究は、Ｍ．Ｓａｍｉｍｉ氏他による”Structual defects in high resistivity Cadmium Telluride” と題する Nuclear Instru-ments and Methods in Physics Research A283, 1989, pages 243-248 において刊行された文献において与えられている。ＣｄＴｅの場合には、ホールの収集効率が悪いことが、γ線検出器の検出効率を、主に、悪くしている。
【０００７】
この課題を図示によりさらに詳細に説明するために、図１（ａ）には、それぞれ陽極および陰極をなす２つの電極６、４間において放射検出器として使用されている半導体材料２を備えるγ線放射検出器を示す。入射γ線８は、陰極を通過する。フォトンは、この材料の内部における異なる位置１０、１２、１４、１６において、半導体材料と相互作用することができる。
【０００８】
まず最初に、γフォトンの吸収により半導体内で生成された電荷担体（電子およびホール）が、検出器内において電界を誘起している分極電極に向けての移動時においてトラップされることがない理想的なケースについて説明する。この場合には、電荷担体の生成直後において、担体の移動が、キャパシタンスの端子において測定され得る電荷を誘起することになる。測定される全体の電荷は、２つの部分から構成される。つまり、１つは、電子に関連する高速部分であり、他は、ホールに関連するより低速の部分である。これらの違いは、移動度の違いに関連している。すなわち、電子の移動度は、約１０００ｃｍ² ／Ｖ／秒であり、ホールの移動度は、約１００ｃｍ² ／Ｖ／秒である。フォトンの半導体材料２内における相互作用の位置に依存して、図１（ｂ）に示すように、２つの部分の一方が支配的となる。この場合、曲線の数は、図１（ａ）に示す半導体材料２に対するフォトンの相互作用の位置に対応している。それでも、相互作用の位置にかかわらず、測定される電荷Ｑの総量は、常に同じ（Ｑ₀） であって、吸収されたγフォトンのエネルギーに比例する。これら複数の曲線における違いは、電荷Ｑ₀ を測定し得る時間のみである。
【０００９】
次に、ホールの輸送性が悪いものの電子の輸送性は良好なままである現実的なケースについて説明する。この場合には、ホールの収集効率が悪いことが、いかなる相互作用に対しても観測されるべき理論的電荷Ｑ₀ に到達すことを困難としており、ホール信号が支配的となる。図１（ｃ）における曲線１０’、１２’、１４’、１６’は、それぞれ相互作用の位置１０、１２、１４、１６に対応している。図１（ｃ）においては、正当なエネルギーＱ₀ において測定される数よりも観測数を少なくさせる信号減衰が見られる。結局、検出効率が低くなることになる。陰極の近傍で起こる相互作用（図１（ａ）の位置１０で起こるもので曲線１０’で示す）については、電子だけが信号に寄与する。電子の輸送性が優れていることから、観測信号に減衰はなく、理論電荷Ｑ₀ に到達する。陽極の近傍で起こる相互作用については、ホールだけが信号に寄与する。ホールの輸送性が悪いことから、信号が減衰し、理論電荷Ｑ₀ には遠く及ばない。
【００１０】
これは、原子核検出器にとって損失をもたらす。原子核検出器の目的は、最良の解像度でもって正当なエネルギーにおけるフォトンの最大数を検出することである。
【００１１】
電荷担体の移動時における電荷担体のトラップを補償するための方法としては、いくつかのものがある。
【００１２】
例えば、検出効率を最適化するために、照射された電極の極性を選択することができる。この場合、検出器は、検出器内部におけるホールの移動距離を最小化するために、負電極側から照射されることになる。よって、ホールのトラップを制限することができる。
【００１３】
他の方法は、検出器の幾何形状を、特別なものに選択することである。例えば、ホールの移動距離を制限する半球状構造とすることである。しかしながら、この方法は、実現が容易ではなく、困難かつ高価な技術ステップを有している。そして、この方法は、２次元イメージのためのデバイスの作製には使用することができない。
【００１４】
他の方法においては、担体のトラップを制限するような、材料に対するフォトンの相互作用が選択される。これは、照射される電極近傍における相互作用が選択されることを意味する。この場合の電極においては、電子の信号が支配的である。電子の輸送性がホールの輸送性よりも意義深く良好であることから、非常に良好なエネルギー解像度が得られる。うまくないことに、これは、検出の量子効率において不利がある。というのは、この選択は、照射された電極から離れたところで起こる相互作用を除去するからである。
【００１５】
また、ホールの輸送性の悪さを、各相互作用に対して集積された信号強度と立ち上がり時間との間に存在する関係を測定することによっても、補償することができる。この方法は、いくつかのＣｄＴｅ検出器に対してはこの関係が線形であり、その結果、低い強度および長い立ち上がり時間に対応している正当数は集められなかった”パルス”を補正し得ることを示している。これに関しては、Ｍ．Ｒｉｃｈｔｅｒ氏他による”Pulse processing for planar Cadmium Telluride detectors ”と題する Mat. Res. Soc. Symp. Proc., vol. 302, 1993, p. 195-203 において刊行された文献を参照することができる。我々の知る限りにおいては、これは、現在のところ、良好なエネルギー解像度および良好な量子検出効率を有するＣｄＴｅをベースとするγ線検出器を得るための唯一の方法である。うまくないことに、この方法は、すべてのタイプのＣｄＴｅ材料に対して適用することはできない（いくつかの結晶引上方法では、強度−立ち上がり時間の相関性を有していないことによる）。そして、すべてのＣｄＴｅ検出器に対して、いくつかの検出器の物理的性質が必要とされる。
【００１６】
最後の方法は、ホールの輸送性の悪さを、ガス検出において使用されるＦｒｉｓｃｈ格子に基づく検出構造を作製することにより補償することである。この方法においては、陰極（照射電極）のための固体表面とともに、陽極のためのストリップとして古典的コンタクト（無電解メッキによる金または白金）が成膜される。ストリップの半分は、互いに接続されており、同様に互いに接続された残りの半分のストリップの電位よりも低い電位に接続されている。これら２つの電位の各々は、陽極に向けての電子移動により生成された電荷が集積される電荷プリアンプに接続されている。これは、電子が陽極に到達するまでは、両方のプリアンプにおいて同じである。しかしながら、２つの陽極電位間の差により、各々のプリアンプに集積される電荷は、電子が陽極の近傍にあるときには、異なることになる。この幾何学的レイアウトにおいては、２つのプリアンプに集積された２つの信号間の差（＝有効信号）は、フォトンの相互作用の位置に無関係とすることができる。それは、この差は、電子が陽極の非常に近くに位置するときにのみ現れるからである。それでもなお、この方法は、画素ごとに２つのプリアンプを要するという欠点を有している。これにより、数千個の画素からなるγ線イメージ測定器を構成する場合には、電子機器の構成が非常に重装備となってしまう。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上述のすべての方法は、電界効果、形状的効果、あるいは、強度−立ち上がり時間の相関性の測定のいずれかにより、ホールのトラップを制限するという目的を有している。この場合、検出された信号は、ホールの電荷および電子の電荷の合計である。強度−立ち上がり時間の相関性の測定による場合には、相関性は、ホールのトラップ率に依存し、したがって、検出材料の質に依存する。そして、完全に一様な欠陥分布を備える半導体結晶を使用しなければならない。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、γ線のスペクトル解析のための半導体検出器により出力される信号の使用方法を提供するものであって、ホールの輸送性が悪いという問題を克服し得る方法を提供するものである。
【００１９】
さらに詳細には、本発明の目的は、γフォトンの半導体材料に対する相互作用に応じて半導体検出器により出力される信号の時間変化を代理する（ここで、『…を代理する』という用語は、『…を表す』という用語と同義である。以下同様。）信号またはデータセットを使用するための方法であって、前記検出器により出力される信号の電子成分、すなわち、信号全体のうちの一成分であって各γフォトンの前記半導体材料に対する相互作用に起因する電子の収集に対応する成分、の立ち上がり時間を代理する信号またはデータを作るものである。
【００２０】
この方法においては、信号が電子成分とホール成分の両方を含んでいても、ホールの輸送性に対して独立な情報を提供することができる。電子成分の立ち上がり時間を代理するデータまたは信号は、電子の移動度、検出器厚さ、および、検出器の電極端子間に印加される電圧のみに依存する。与えられた半導体に対して（例えば、ＣｄＴｅ製の半導体に対して）、これらのパラメータは、半導体結晶引上方法がある方法から他の方法に代わった場合でも、ほんのわずかしか変化しない。このようにして、電子の移動度がホールの移動度よりもずっと大きいという利点を活かすことができる。
【００２１】
ある特別の実施形態においては、検出された電荷全体、または、電荷全体のうちの電子の収集からくる一部、のいずれかを代理するデータまたは信号が作られる。
【００２２】
このようにして、検出により出力される信号の強度、または、検出器により出力される信号の電子成分の強度、のいずれかを代理するデータまたは信号を得ることができる。
【００２３】
同様に、本発明の他の目的は、各々が半導体検出器により出力される信号の時間変化を代理するものでありかつ各々が上記の方法において使用されているものである複数の信号または複数のデータセットを使用するための方法であって、第１に、立ち上がり時間を代理する第１のデータセットと、第２に、検出された電荷全体または電荷全体のうちの電子の収集に基づく一部のいずれかを代理する第２のデータセットと、の間の関係を確立するものである。
【００２４】
これは、信号全体のうちの電子成分の立ち上がり時間と、電荷全体または電子成分に関連する電荷のいずれかと、の間の相関性を確立するために使用される。
【００２５】
この関係または相関性から、電子の最大電荷、または、第１および第２のデータセットの少なくとも一部に対応する最大電荷、を代理する少なくとも１つのデータまたは信号を決定することができる。
【００２６】
よって、第１および第２のデータセットの少なくとも一部に対して、第１および第２のデータセットの対応する部分に関連した最大電荷、全体電荷、あるいは、電子電荷が識別される。システムが電荷を電圧という形態で検出することにより、最大電荷または最大電子電荷は、このシステムにおいては、電圧で出力される。この場合、最大電荷自身または最大電子電荷自身は、γ線放射場におけるエネルギーに対応する。したがって、第１および第２のデータセットの部分のすべてのデータ対（立ち上がり時間、電荷）は、最大電荷に関連する。ここで、最大電荷は、各フォトンの半導体に対する相互作用が、損失なくすなわち本質的にホールの損失なく起こっている場合には、既に検出されているべき電荷である。ホールの損失のために、最大電荷よりも小さめの電荷が、いくらかの分散をもって検出される。そして、結果は、最大電子電荷に対応するピークの低エネルギー側におけるエネルギースペクトルの分散に対応する。
【００２７】
本発明は、また、γ線スペクトロメトリーにおける信号を使用するための方法に関するものであって、
−測定されるべきγフォトンの半導体材料に対する相互作用に応じて半導体検出器により得られた信号の時間変化を代理する信号またはデータセットに基づいて、
−検出器により出力される信号の電子成分、すなわち、γフォトンの半導体材料に対する相互作用に起因する電子の収集に対応する信号成分、の立ち上がり時間を代理するデータまたは信号を作り、
−検出された電荷全体、あるいは、電荷全体のうちの電子の収集に起因する一部、のいずれかを代理するデータまたは信号を作り、
−最大電子電荷を、信号の電子成分の立ち上がり時間、および、検出された電荷全体あるいは電荷全体のうちの電子の収集に起因する一部における信号またはデータに対して、上記において確立された関係または相関性を使用して、決定するものである。
【００２８】
したがって、γフォトンの半導体に対する相互作用に応じて検出された各信号について、本方法は、システムが無損失で操作された場合に検出されることになる電荷である最大電荷と、前記信号とを関連させるために使用することができる。
【００２９】
測定の観点からは、まず最初に、信号のうちの電子成分の立ち上がり時間と、実際に測定される電荷と、の間の相関性が確立される。これに続いて、半導体とγフォトンとの相互作用に応じた信号が記録され、最後に、この信号が、電子成分の立ち上がり時間および対応する電荷を測定することにより処理される。これによって、既に決定された相関性を使用してこれら２つのパラメータから最大電荷が決定される。この最大電荷は、上述のように、システムが無損失で操作される場合に、実際に検出されるべきエネルギーに対応している。
【００３０】
最大電荷、この最大電荷に対応する立ち上がり時間、および、実際に測定された立ち上がり時間から測定電荷に対して補正をなすというステップを導入することも、また可能である。
【００３１】
本発明は、また、γフォトンの半導体材料に対する相互作用に応じて半導体検出器により出力される信号の時間変化を代理する信号またはデータセットを使用するためのデバイスに関するものであって、検出器により出力される信号全体のうちの電子成分、すなわち、各γフォトンの前記半導体材料に対する相互作用により発生する電子の収集に対応する信号成分、の立ち上がり時間を代理するデータまたは信号を作るための手段を具備している。
【００３２】
このデバイスにおいては、上述の操作方法を行うことができ、上記方法に関するすべての利点を得ることができる。
【００３３】
このデバイスは、また、検出された電荷全体、または、電荷全体のうち電子の収集に起因する一部、のいずれかを代理するデータまたは信号を作るための手段を具備する。
【００３４】
この場合、信号の電子成分の強度または信号全体の強度を代理するデータまたは信号を作るための手段を設けることができる。
【００３５】
本発明の他の目的は、各々がγフォトンの半導体材料に対する相互作用に応じて半導体検出器により出力される信号の時間変化を代理するものであるγ線スペクトロメトリーにおける複数のデータセットを使用するためのデバイスである。
【００３６】
また、このデバイスは、各データセットを使用するための上述と同様の手段と、第１に、立ち上がり時間を代理する第１のデータセットと、第２に、検出された電荷全体または電子の収集に基づく電荷を代理する第２のデータセットと、の間の関係または相関性を確立するための手段とを具備している。
【００３７】
また、電子の最大電荷、または、第１および第２のデータセットの少なくとも一部に対応する最大電荷、を代理する信号またはデータを作るための手段を具備することができる。
【００３８】
また、このようにして得られた最大電荷から、測定電荷を、この最大電荷および測定された立ち上がり時間を使用して、補正するための手段を設けることができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
いずれの形態においても、本発明の特徴点および利点は、以下の説明により明らかとなるであろう。説明は、添付図面を参照しつつ、本発明を何ら限定するものではない実施形態の例について行う。
【００４０】
図１（ａ）は、検出デバイスを示す図であって、γフォトンの半導体材料に対する相互作用の様々な位置が示されている。
図１（ｂ）は、理想的なケースについて、測定される電荷の時間変化に対応する信号が示されている。
図１（ｃ）は、現実的なケースについて、測定される電荷の時間変化が示されている。
図２（ａ）は、信号全体のうちの電子成分の時間変化を示しており、図２（ｂ）は、測定された立ち上がり時間と測定電荷との間の相関性を示している。
図３は、γフォトン検出器から出力されるパルスの処理システムを示している。
図４は、本発明を具体化した処理システムをさらに詳細に示している。
図５〜図８は、立ち上がり時間と測定強度との間の校正曲線を示している。
【００４１】
本発明の原理について、図２（ａ）および図２（ｂ）を参照して説明する。
【００４２】
まず最初に、測定電荷内に、電子信号のみがある場合について説明する。この場合には、信号全体は、信号の電子成分、すなわち各γフォトンの半導体材料に対する相互作用により生成する電子の収集の結果として得られる信号に対応する。この相互作用が半導体材料２内の異なる位置１０、１２、１４、１６（図１（ａ）に図示）で起こる限りにおいては、測定される最大電荷、言い換えれば電子成分の最大強度は、検出器２の容積内における相互作用位置１０、１２、１４、１６にのみ依存する。実際、半導体材料内における電子の輸送性は、電子の検出数に全く影響を与えないほど良好であることが考慮される。半導体材料内における各相互作用位置１０、１２、１４、１６に対して、信号が、電極４、６間において測定されるあるいは生成される。この場合、信号は、γフォトンの半導体材料に対する相互作用による電子によって捕獲された電荷の時間変化を表している。相互作用位置が陽極６に近づくにつれて、生成される信号の強度すなわち最大電荷は、信号の立ち上がり時間とともに減少する。ここで、立ち上がり時間を、例えば、最大強度の到達するまでに要する時間として定義することができる。この信号を処理および解析するための手段が設けられている。信号を代理するデータは、また、記録した後引き続き処理することもできる。
【００４３】
このようにして得られたデータ対（τ_m,i，Ｑ_m,i）（ｉ＝１０、１２、１４、１６）は、τ_m，Ｑ_m図表上においてプロットすることができる。これにより、立ち上がり時間に対する測定電荷強度を与える”２つのパラメータ”スペクトルが与えられる。そして、２つのパラメータ間の関係または相関を作ることができる。
【００４４】
概略的には、同じエネルギーを備えるフォトンについては、これらパラメータ間には、ほぼ直線的な相関性がある。エネルギーは、最大電荷とも称される最大測定電荷Ｑ₀ に対して、直接的に関連している。したがって、無損失で操作されているデバイスにより測定された負荷またはエネルギーに対応する最大電荷または最大エネルギーは、各相関曲線に対して割り当てることができる。相関曲線は、異なるエネルギーのγ線放射に対してプロットすることができる。これは、既に知られており、各曲線には、対応するエネルギーが付される。
【００４５】
相関性は、ホールの輸送性には依存しない。したがって、相関性は、使用されている半導体材料の質には依存しない。この直線的な相関の傾きは、電子の移動度、検出器の厚さ、および、検出器の電極端子に対する印加電圧にのみ依存する。与えられた半導体材料に対して、例えばＣｄＴｅに対して、これら３つのパラメータは、半導体結晶引上方法あるいは他の任意の引上方法が使用された場合でも、非常にわずかしか変化しない。
【００４６】
強度−立ち上がり時間の相関性のこの体系的な観測は、上記文献においてＲｉｃｈｔｅｒ氏により使用された計算的手法においては得られていない。この計算的手法においては、ホール信号を使用しており、ホール信号は、いくつかの引上方法により得られた結晶の場合には存在しない。しかも、ホール信号が存在する場合であっても、ホール信号は、特にホール寿命のような非常に変化しやすくしたがって再現性に乏しいパラメータに依存する。ホールの寿命は、インゴットの引上中心軸に沿ってかなり変化する。このように再現性が欠落していることにより、検出器の予備的な選択が必要となる。そして、このことは、材料および装置の両面において、重装備となり、操作が高価なものとなってしまう。
【００４７】
電子信号の強度と立ち上がり時間との間の相関性に関する知見は、検出器内で引き続いて起こるすべての相互作用に起因して得られるデータの補正に際しても使用することができる。このタイプの相互作用の後には、半導体端子における電荷の変化を時間の関数として再現する信号またはデータセットが得られる。信号の立ち上がり時間、すなわち、立ち上がり時間を代理する信号またはデータが作られる。検出電荷Ｑ_ｍ すなわち信号強度を代理する信号またはデータも、また、作られる。Ｑ，τ平面内にプロットされた曲線のネットワークは、対応する電子成分の最大電荷Ｑ_０ を決定するために使用される。ここで、最大電荷Ｑ_０ は、相互作用を引き起こしたγフォトンのエネルギーに直接的に関連している。実際に測定された最大電荷Ｑ_ｍ は、陰極近傍で相互作用が起こる場合に測定される最大電荷Ｑ_０ と同じではないにしても、この最大電荷Ｑ_０ は、Ｑ，τ相関曲線を使用して決定することができる。
【００４８】
曲線のネットワークの代わりに、相関に関するすべてのデータ（曲線、エネルギー）は、例えば従来より使用されているコンピュータのような蓄積手段に蓄積することができる。この場合、（Ｑ_m，τ_m）測定結果は、例えば、この目的のために特別にプログラムされた従来のコンピュータを使用することにより、コンピュータにより、曲線として与えられ、またエネルギー条件が付される。また、例えば、グラフィックの形態で、データ表示手段を設けることもできる。
【００４９】
この場合、使用されている電子機器またはコンピュータのいずれかにより、補正を作ることができる。したがって、いかなる場合においても、原理としては、信号の立ち上がり時間および強度を測定し、測定された電荷と立ち上がり時間との間の関係または相関の知見を使用して測定されるべき最大強度を得ることである。
【００５０】
ここで、確立された相関性が直線的である場合には、補正により得られた電荷Ｑ_c は、次式で与えられる。
Ｑ_c ＝Ｑ_mτ₀／τ_m
ここで、Ｑ_m は測定電荷であり、τ_m は電子成分について測定された立ち上がり時間であり、τ₀ は以前に決められた関係または相関性を有する測定対（τ_m ，Ｑ_m ）の比較後に得られた最大電荷Ｑ₀ に関連する立ち上がり時間である。
【００５１】
上記においては、電子信号の存在のみが考慮されている半導体材料のケースについて説明した。しかしながら、上記方法は、たとえ非常に小さいものであっても、ホール信号が存在する半導体材料に対しても適用可能である。この場合には、信号は、第１に、電子の収集に対応する電子成分と、第２に、ホールの収集に対応するホール成分とを備えている。電子成分は、例えば、通常の区別化またはフィルタリングにより、孤立化または識別することができる。この場合には、上記ケースと同等となり、電子信号のみが存在するのと同等となる。電子信号の測定された信号強度Ｑ_m 、および、測定された立ち上がり時間τ_m は、識別され、そしてこれらの結果は、相関性と比較される。
【００５２】
信号雑音比をさらに向上させるために、また、全体信号（電子成分＋ホール成分）の強度、および、電子成分の立ち上がり時間を測定し、そして、これらのデータを、全体信号の強度と、全体信号のうちの電子成分の立ち上がり時間との間において既に確立された相関性と比較することもできる。この場合には、相関性は、もはや直線的ではない。しかしながら、既述のように、信号／雑音比が向上する。よって、陰極の近傍において相互作用が起こった場合に測定されるべき最大全体電荷が得られる。
【００５３】
図３は、γ線スペクトル解析において得られた信号を使用するためのシステムを概略的に示す図であって、本発明を具体化し得るものである。図において、符号３０は、実験用照射ベンチを全体的に示している。すなわち、半導体結晶、および、γフォトンの半導体材料に対する相互作用に応じて信号を検出するよう配置された電極（陰極および陽極）を全体的に示している。符号３２は、電気信号を読み込んで、増幅して、そして成形し得るよう構成されたアセンブリ全体を示している。電気信号の成形時には、検出器の出力時点において得られた信号全体から電子成分を孤立化させるために、信号全体のフィルタリングを行うことができる。手段３４は、入力信号の最大強度あるいはピークを検出するための手段である。信号の電子成分が手段３４への入力として与えられる場合には、電子成分の最大負荷Ｑ_m が検出されたときに、手段３４は、出力信号を作ることになる。この最大電荷および／または対応するデータを代理する信号は、出力３６において作ることができる。さらに、選択された信号すなわち電子成分の立ち上がり時間を測定するために、デバイス３８が、また、設けられる。この測定デバイスは、まず立ち上がり開始しきい値を検出するための手段４０により、そしてピークを検出するための手段３４により、制御される。これら２つの手段３４、４０により出力されるパルスは、時間間隔を決定する。手段３８は、出力信号、つまり決定された時間間隔を代理するデータを作る。手段４０は、パルスまたは信号を、手段４２に対しても伝達する。手段４２は、測定シーケンスを初期化し、シーケンスの最後においてピーク検出器３４をゼロにリセットし、新たなシーケンスに備える。
【００５４】
このデバイスの１つの代替可能な形態においては、信号全体（電子成分＋ホール成分）におけるピークを検出するための手段４４を設けることができる。この場合、このピーク検出手段４４は、出力４６において、例えば、信号全体の最大強度を代理するような電圧といったデータを作ることになる。
【００５５】
図４に示す図は、本発明の方法を具体化したデータ処理システムをさらに詳細に示している。図において、符号５０は、例えばＣｄＴｅ製検出器のような半導体製検出器５２に向けてγフォトンを供給する放射源を示している。他の検出器、特に、半導体をベースとするようなＩＶタイプ（Ｓｉ、Ｇｅ等）、ＩＩ−ＶＩタイプ（ＺｎＳ等）、ＩＩＩ−Ｖタイプ（ＧａＡｓ、ＩｎＰ等）、あるいはＩＩ−ＶＩＩタイプ（ＨｇＩ₂ 等）を、本発明の範囲内において使用することができる。
【００５６】
検出器のバイアスを選択するための手段５４を、設けることもできる。
【００５７】
電荷は、検出器５２をなす半導体材料に対するγフォトンの相互作用に応じて収集することができる。収集された電荷に対応する信号は、例えば、ｅＶ ５０９３型プリアンプのような負荷プリアンプ５６を介して出力することにより利用される。
【００５８】
負荷プリアンプ５６からの出力信号は、ゲインを１〜３倍にわたって調節し得る読取プリアンプ５８へと伝達される。信号極性を調節し得る手段を設けることもできる。手段６０は、増幅器とローパスフィルタの組合せである。ローパスフィルタは、すべてのＤＣ成分の通過を阻止する。
【００５９】
増幅されかつフィルタリングされた信号は、その後、ハイパスフィルタ６２に対して入力される。このフィルタは、遅い信号、すなわちホールに基づく遅い信号成分の通過を阻止する。したがって、出力は、信号全体のうちの電子成分に対応する信号である。
【００６０】
ハイパスフィルタ６２についての時定数は、ホールの収集時間に比べて非常に短く、かつ、電子の収集時間に比べてより長くまたは同等であるように選択される。
【００６１】
電子成分のみの時間変化を代理する信号が、したがって、ピーク検出器６４に対して伝達される。ピーク検出器６４の出力側には、信号ピークに向けての立ち上がりを識別する立ち上がり識別器６６が接続されている。立ち上がり識別器においては、例えば、２Ｎ２８９４型のトランジスタのようなトランジスタが設けられているとともに、このトランジスタは、信号のピークレベルまでキャパシタを負荷としている。トランジスタがキャパシタを負荷としていることを示すコレクタ抵抗の端子電圧が観測される。信号ピークの通過後には、負荷が停止され、コレクタの電位降下がキャンセルされる。
【００６２】
識別器６６からの出力時点において得られた信号は、信号全体のうちの電子成分の立ち上がり時間ｔ_１ の終端を決定し得る手段６８に対して伝達される。識別器６６のトランジスタのコレクタ電圧は、比較器に印加されている。引き続く負荷時においては、すなわち電子成分の立ち上がり時においては、約２ミリアンペアの電流が、積分器７０に対する入力として供給される。積分器の積分能力は、同時に、ハイパスフィルタ６２に対して一定であるように選択されている。論理信号は、積分フェイズを制御する。積分器の後段に設けられた増幅器アダプタ７２は、電子収集時間、すなわち電子成分の立ち上がり時間の良好な近似をなす電子移動時間に比例する信号または電圧を出力する。
【００６３】
識別器６６の出力信号、あるいは、予備増幅およびフィルタリングのなされた信号であって手段６０または６２から取られた信号は、信号立ち上がり開始しきい値を検出するために、手段７４をトリガーする。これは、予備増幅およびフィルタリングのなされた信号を低しきい値と比較することによりなされる。この低しきい値を超えたときには、積分シーケンスをトリガーしかつシーケンスの終わりに積分器７０をリセットするという出力信号が、手段７４から手段７６へと伝達される。同様に、手段７６は、シーケンスの終了時に、ピーク検出器７６に対してリセット信号を伝達する。手段７６の後段に設けられたアダプタ７８は、同期化信号Ｓ_y を生成する。
【００６４】
ピーク検出器８０は、増幅器−ローパスフィルタアセンブリ６０の出力側から信号を取り込む。このピーク検出器８０は、検出器６４と同様に構成することができる。これら検出器６４、８０の各出力側において、アダプタ６５、８１は、信号全体のうちの電子成分の、あるいは、信号全体自体（電子成分＋ホール成分）の、強度すなわち電荷を代理する信号を得ることができる。
【００６５】
図５〜図８は、ＣｄＴｅ検出器の場合に得られる信号について、電子成分の強度と、立ち上がり時間との関係を示している。最大強度は、各直線または曲線として与えられている。さらに、信号強度がγフォトンのエネルギーに比例することにより、各曲線は、γフォトンのエネルギーにより構成することができる。
【００６６】
図５に示す結果は、０．５μｓのフィルター定数（フィルター６２）の場合に得られたものである。図６、図７、および、図８においては、この時定数は、それぞれ、０．２μｓ、０．１μｓ、および、０．０５μｓとされている。フィルター定数が０．１μｓ以下である場合には、得られた曲線のいくつかは、回路が長時間（０．４μｓ以上）にわたって測定できないことにより、直線とはなっていない。すべての場合において、得られたエネルギーの数値は、近似値（±５％）である。しかしながら、これら相関直線の確立後においては、半導体検出器に出力側において得られた信号を処理することができることは明らかである。すなわち、信号は、電子成分を孤立化させるためにフィルタリングされ、そして、最大強度および電子成分の立ち上がり時間が測定される。これら２つのパラメータは、対応する強度−時間曲線上にプロットされ、そして、半導体材料と相互作用して信号全体を引き起こすγフォトンのエネルギーが決定される。
【００６７】
したがって、得られたスペクトルを補正することができる。すなわち、半導体材料の内部における任意位置において半導体材料と相互作用を起こしたγフォトンは、γフォトンの半導体内での軌跡に独立に、独自のエネルギーを有することになる。この過程の後に、全体測定電荷、すなわち信号として実際に測定された最大全体強度は、上記の相関的方法を使用して得られた測定結果よりも、より小さなエネルギーの測定結果を作り出すことになる。よって、スペクトル中における対応ピークは、低エネルギー側に広がることになる。
【００６８】
ここで、上述のＲｉｃｈｔｅｒ氏による補正方法と、本発明の方法とを比較する。これら方法は、２つの異なる引上方法すなわちＴＨＭ（Traveling Heater Method）およびＨＰＢＭ（High Pressure Bridgeman Method）を使用して引き上げられたＣｄＴｅ材料に対して適用される。
【００６９】
Ｒｉｃｈｔｅｒ法の場合には、信号全体の立ち上がり時間をグラフの横軸として、また、信号全体（電荷全体）の強度をグラフの縦軸として、プロットがなされる。本発明の方法においては、信号全体のうちの電子成分の立ち上がり時間が横軸とされ、同じ電子成分の強度が縦軸とされて、プロットがなされる。すべての場合において、ポイントの集まりが得られる。すなわち、本発明の方法により得られたポイントは、２つのパラメータ（立ち上がり時間および電荷）に対して直線関係を示す。これに対して、Ｒｉｃｈｔｅｒ法においては、ＴＨＭにより得られた材料については、この直線関係がもっとぼやけており、また、ＨＰＢＭにより得られた材料については、この直線関係が存在しない。
【００７０】
電子信号成分を使用して検出効率の悪さを補償することは、多くの応用に対して可能性があり、特に、原子力診断に可能性がある。半導体をベースとするγ線カメラ（１００％の検出効率、非常に高いエネルギー解像度）を作るに際しての物理的基準は、非常に厳しいものであり、既に公知の補正方法は、これら基準を満足することはできない。要求される検出効率の高さを満たすには、公知の補正方法を有効に適用し得ない厚い検出器（約５〜６ｍｍのＣｄＴｅ）を使用する必要がある。
【００７１】
本発明の場合、直線関係が確率的現象（例えば、ホールトラッピング）ではなく既知でありかつ一定であるパラメータ（電子移動度、検出器厚さ、バイアス電圧）にのみ依存する限りにおいては、このようなことはない。本発明の場合には、厚い検出器の使用は不利とはならない。逆に、電子的な観点からは、測定の一層容易な、より長い立ち上がり時間を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１（ａ）は検出デバイスを示す図であり、図１（ｂ）は理想的なケースについて測定される電荷の時間変化に対応する信号を示す図であり、そして、図１（ｃ）は現実的なケースについて測定される電荷の時間変化が示されている。
【図２】 図２（ａ）は信号全体のうちの電子成分の時間変化を示しており、図２（ｂ）は測定された立ち上がり時間と測定電荷との間の相関性を示している。
【図３】 γフォトン検出器から出力されるパルスの処理システムを示している。
【図４】 本発明を具体化した処理システムをさらに詳細に示している。
【図５】 立ち上がり時間と測定強度との間の校正曲線を示している。
【図６】 立ち上がり時間と測定強度との間の校正曲線を示している。
【図７】 立ち上がり時間と測定強度との間の校正曲線を示している。
【図８】 立ち上がり時間と測定強度との間の校正曲線を示している。
【符号の説明】
２ 半導体材料
８ γフォトン
５２ 半導体検出器
３８、６８、７０、７２ 検出器により出力される信号全体のうちの電子成分の立ち上がり時間を代理するデータまたは信号を作るための手段
３４、３６、６４、６５、８０、８１ 検出された電荷全体、または、電荷全体のうちの電子の収集に起因する一部、のいずれかを代理するデータまたは信号を作るための手段

Claims (14)

1. γフォトン（８）の半導体材料（２）に対する相互作用に応じて半導体検出器（５２）により出力される信号の時間変化を表す信号またはデータセットを使用するための方法であって、
   前記検出器により出力される信号の電子成分、すなわち、信号全体のうちの一成分であって各γフォトンの前記半導体材料に対する相互作用に起因する収集電子に対応する成分、の立ち上がり時間を表す信号またはデータを作ることを特徴とする方法。
2. さらに、検出された電荷全体、または、電荷全体のうちの収集電子に起因する一部、のいずれかを表すデータまたは信号を作ることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記検出器により出力される信号の強度、または、前記検出器により出力される信号の電子成分の強度、のいずれかを表すデータまたは信号を作ることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. 各々が半導体検出器により出力される信号の時間変化を表すものでありかつ各々が請求項１または２記載の方法において使用されているものである多数の信号または多数のデータセットを使用するための方法であって、
   第１に、電子成分の立ち上がり時間を表す第１のデータセットと、第２に、検出された電荷全体または電荷全体のうちの収集電子に基づく一部のいずれかを表す第２のデータセットと、の間の関係または相関性を確立することを特徴とする方法。
5. 検出された電荷全体のうちの電子成分、または、前記第１および第２のデータセットの少なくとも一部に対応する測定可能最大値、を表すデータまたは信号を決定するまたは作ることを特徴とする請求項４記載の方法。
6. γ線スペクトロメトリーにおける信号を使用するための方法であって、
   −測定されるべきγフォトンの半導体材料に対する相互作用に応じて半導体検出器により得られた信号の時間変化を表す信号またはデータセットに基づいて、
   −前記検出器により出力される信号の電子成分、すなわち、γフォトンの前記半導体材料に対する相互作用に起因する収集電子に対応する信号成分、の立ち上がり時間を表すデータまたは信号を作り、
   −測定電荷を表すデータまたは信号を作り、ここで、前記測定電荷を、検出された電荷全体、あるいは、電荷全体のうちの収集電子に起因する一部、のいずれかとし、
   −測定可能最大値を、
   前記信号の前記電子成分の前記立ち上がり時間、および、検出された前記電荷全体あるいは前記電荷全体のうちの収集電子に起因する前記一部における信号またはデータに対して、
   請求項４または５において確立された関係または相関性を使用して、決定することを特徴とする方法。
7. 前記測定電荷は、
   −測定可能最大値、
   −該測定可能最大値に対応する立ち上がり時間、
   −および、実際に測定された立ち上がり時間、に基づいて補正されることを特徴とする請求項６記載の方法。
8. γフォトン（８）の半導体材料（２）に対する相互作用に応じて半導体検出器（５２）により出力される信号の時間変化を表す信号またはデータセットを使用するためのデバイスであって、
   前記検出器により出力される信号全体のうちの電子成分、すなわち、各γフォトンの前記半導体材料に対する相互作用に起因する収集電子に対応する信号成分、の立ち上がり時間を表すデータまたは信号を作るための手段（３８、６８、７０、７２）を具備することを特徴とするデバイス。
9. さらに、検出された電荷全体、または、電荷全体のうち収集電子に起因する一部、のいずれかを表すデータまたは信号を作るための手段を具備することを特徴とする請求項８記載のデバイス。
10. 前記検出器により出力される前記信号に関し、その信号の電子成分の強度またはその信号全体の強度を表すデータまたは信号を作るための手段を具備することを特徴とする請求項８または９記載のデバイス。
11. 各々がγフォトンの半導体材料に対する相互作用に応じて半導体検出器により出力される信号の時間変化を表すものである複数の信号または複数のデータセットを使用するためのデバイスであって、
    各信号またはデータセットを使用するための請求項８または９記載のデバイスと、
    第１に、電子成分の立ち上がり時間を表す第１のデータセットと、第２に、検出された電荷全体または収集電子に基づく電荷を表す第２のデータセットと、の間の関係または相関性を確立するための手段とを具備することを特徴とするデバイス。
12. さらに、検出された電荷全体のうちの電子成分、または、前記第１および第２のデータセットの少なくとも一部に対応する測定可能最大値、を表す信号またはデータを作るための手段を具備することを特徴とする請求項１１記載のデバイス。
13. 測定されるべきγフォトンの半導体材料に対する相互作用に応じて半導体検出器により得られた信号の時間変化を表す信号またはデータセットを使用するためのデバイスであって、
    −前記検出器により出力される信号の電子成分、すなわち、γフォトンの前記半導体材料に対する相互作用に起因する収集電子に対応する信号成分、の立ち上がり時間を表すデータまたは信号を作るための手段（３８、６８、７０、７２）と、
    −測定電荷を、検出された電荷全体、あるいは、電荷全体のうちの収集電子に起因する一部、のいずれかとして規定した場合に、前記測定電荷を表すデータまたは信号を作るための手段（３４、３６、６４、６５、８０、８１）と、
    −測定可能最大値を、
    前記信号の前記電子成分の前記立ち上がり時間、および、検出された前記電荷全体あるいは前記電荷全体のうちの収集電子に起因する前記一部における信号またはデータに対して、
    請求項１１記載のデバイスを使用して得られた関係または相関性を使用して、決定するための手段とを具備することを特徴とするデバイス。
14. さらに、前記測定電荷を、最大電荷、該最大電荷に対応する立ち上がり時間、および、実際に測定された立ち上がり時間、に基づいて補正するための手段を具備することを特徴とする請求項１３記載のデバイス。

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