JP5716584B2 - X-ray detector - Google Patents
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Description
本発明は、X線分析装置等に用いられるX線検出器に関する。 The present invention relates to an X-ray detector used in an X-ray analyzer or the like.
図4は、従来のX線分析装置の構成図である。図4に示すX線分析装置は、X線センサ1、前置増幅器2、ケーブル4、差動増幅器5、AD変換器(ADC)6を有している。
FIG. 4 is a configuration diagram of a conventional X-ray analyzer. The X-ray analyzer shown in FIG. 4 includes an X-ray sensor 1, a
X線センサ1は、入射されたX線をX線変換層(半導体層)により電荷情報に変換し、変換された電荷情報を読み出すことでX線を検出する。前置増幅器2は、低ノイズ用のJFET(ジャンクションFET)21とフィードバックキャパシタ22とアンプ23とで構成され、X線センサ1からの微小なアナログ信号を増幅する。
The X-ray sensor 1 detects incident X-rays by converting incident X-rays into charge information by an X-ray conversion layer (semiconductor layer) and reading the converted charge information. The
増幅されたアナログ信号は、図5(a)に示すような階段波形となっており、図5(b)の拡大図に示すように、1ステップの波高値whが入射X線のエネルギーに相当する。弁別回路8は、前置増幅器2の出力が所定値を超えたときにトランジスタTr1をオンさせる。このため、JFET21のゲートがグランドGNDに接続されるので、階段波形は、最も低い値に戻る。
The amplified analog signal has a staircase waveform as shown in FIG. 5A. As shown in the enlarged view of FIG. 5B, the peak value wh of one step corresponds to the energy of the incident X-ray. To do. The
さらに、前置増幅器2からのアナログ信号は、ケーブル4、差動増幅器5を介してAD変換器6に送られ、AD変換器6によりディジタル信号に変換される。X線センサ1及び前置増幅器2(以下、X線検出部という)は、インピーダンスが高いため、放射ノイズの影響を受けやすい。また、ケーブル4は、アンテナとなるため、放射ノイズを拾い、前置増幅器2の内部雑音増加やアナログ信号波形の劣化となる。
Further, the analog signal from the
そこで、放射ノイズを低減する方法として、以下の2つの方法が開示されている。第1の方法は、X線検出部を図4に示すようにシールド部7により電気的にシールドする。一般的には、接地された金属製のシールド材でアンテナ部を密閉することにより、電気的なノイズを低減できる。また、特許文献1に記載されているように、シールド材にポリアミドと銀とを折り合わせた導電性繊維を用いることにより、よりシールド効果が上げることができる。 Then, the following two methods are disclosed as a method of reducing radiation noise. In the first method, the X-ray detection unit is electrically shielded by the shield unit 7 as shown in FIG. Generally, electrical noise can be reduced by sealing the antenna portion with a grounded metal shield material. Moreover, as described in Patent Document 1, the shielding effect can be further improved by using conductive fibers obtained by folding polyamide and silver as the shielding material.
また、特許文献2に記載されているように、パーマロイなどに代表される透磁性物質で形成された磁気シールドを用いることにより、磁気的なノイズを低減できる。
Further, as described in
第2の方法は、図4に示すように、ケーブル4に同軸ケーブルを用い、AD変換基板9の入力部を差動増幅器5で構成し、放射ノイズを低減することができる。
In the second method, as shown in FIG. 4, a coaxial cable is used as the cable 4 and the input portion of the AD conversion board 9 is configured by the
なお、その他の従来技術として、特許文献3が開示されている。 As another conventional technique, Patent Literature 3 is disclosed.
しかしながら、ケーブル4のGND線で発生した放射ノイズを拾うことで発生したノイズ電流は、図4に示すノイズ経路より前置増幅器2のSGND(シグナルグランド)に流れて、前置増幅器2の内部雑音になり、分解能が低下する。
However, the noise current generated by picking up the radiation noise generated in the GND line of the cable 4 flows to the SGND (signal ground) of the
また、SGND線と電源GND、もしくはFGND間でGNDループが形成され、外部変動磁場の影響によりノイズ電流が発生し、アナログ信号の波形が劣化する。このため、ノイズ電流の影響を軽減するために、信号ゲインを大きくする対策が考えられる。 In addition, a GND loop is formed between the SGND line and the power supply GND or FGND, a noise current is generated due to the influence of the externally varying magnetic field, and the analog signal waveform deteriorates. For this reason, in order to reduce the influence of the noise current, a measure for increasing the signal gain can be considered.
しかし、アナログ信号の振幅は、AD変換器6の最大入力定格によって制限されているが、AD変換器6の低消費電力化及び高速化によって最大入力定格はあまり大きくとれないため、アナログ信号の振幅値も大きくとれない。このため、X線取得効率が低下する。 However, although the amplitude of the analog signal is limited by the maximum input rating of the AD converter 6, the maximum input rating cannot be increased so much due to low power consumption and high speed of the AD converter 6. The value is not large. For this reason, X-ray acquisition efficiency falls.
本発明の課題は、放射ノイズ耐性と外部変動磁場に対する耐性とを向上することができるX線検出器を提供することにある。 The subject of this invention is providing the X-ray detector which can improve the radiation noise tolerance and the tolerance with respect to an external fluctuation magnetic field.
本発明に係るX線検出器は、上記課題を解決するために、X線を検出するX線センサと、前記X線センサで検出されたX線を増幅し且つ1ステップの波高値が入射X線のエネルギーに相当する階段波を出力する前置増幅器と、前記前置増幅器で増幅された信号をディジタル信号に変換するAD変換器と、前記AD変換器で変換されたディジタル信号を差動信号に変換して出力するディジタル処理回路とを備え、前記AD変換器と前記ディジタル処理回路とを前記前置増幅器の基板と同一基板に搭載し、前記AD変換器と前記ディジタル処理回路とからのノイズが前記前置増幅器に回り込まないように、前記前置増幅器の出力信号を差動増幅して差動増幅信号を出力する差動レシーバと、前記差動レシーバからの差動増幅信号の低域周波数を通過させる第1の低域フィルタと、前記ディジタル処理回路からの信号の低域周波数を通過させる第2の低域フィルタを設けたことを特徴とする。 In order to solve the above problems, an X-ray detector according to the present invention amplifies the X-ray detected by the X-ray sensor and the X-ray detected by the X-ray sensor, and the peak value of one step is incident X A preamplifier for outputting a staircase wave corresponding to the energy of the line; an AD converter for converting the signal amplified by the preamplifier into a digital signal; and a digital signal converted by the AD converter as a differential signal A digital processing circuit for converting to and outputting the signal, and the AD converter and the digital processing circuit are mounted on the same substrate as the substrate of the preamplifier, and noise from the AD converter and the digital processing circuit A differential receiver that differentially amplifies the output signal of the preamplifier and outputs a differential amplified signal, and a low frequency of the differential amplified signal from the differential receiver Through A first low-pass filter which is characterized in that a second low-pass filter which passes low frequency signals from the digital processing circuit.
本発明によれば、ディジタル処理回路を用い、出力信号の形式が差動型であるため、従来のケーブルにSGND線が不要となる。このため、前置増幅器に影響を及ぼすノイズ経路がなくなり、放射ノイズ耐性が向上する。また、X線検出器と外部の計測システムとの間に不要なGNDループがなくなり、外部変動磁場に対する耐性が向上する。また、AD変換器とディジタル処理回路とを前置増幅器の基板と同一基板に搭載し、前置増幅器の出力信号を差動増幅して差動増幅信号を出力する差動レシーバと、差動レシーバからの差動増幅信号の低域周波数を通過させる第1の低域フィルタと、ディジタル処理回路からの信号の低域周波数を通過させる第2の低域フィルタを設けたので、AD変換器とディジタル処理回路とからのノイズが前置増幅器に回り込まないようにすることができる。 According to the present invention, since a digital processing circuit is used and the output signal format is a differential type, the SGND line is not required for the conventional cable. For this reason, there is no noise path affecting the preamplifier, and the radiation noise resistance is improved. In addition, an unnecessary GND loop is eliminated between the X-ray detector and the external measurement system, and resistance to an externally varying magnetic field is improved. Also, a differential receiver for mounting an AD converter and a digital processing circuit on the same substrate as the preamplifier substrate, differentially amplifying the output signal of the preamplifier and outputting a differential amplified signal, and a differential receiver Since the first low-pass filter that passes the low-frequency of the differential amplification signal from the digital signal and the second low-pass filter that passes the low-frequency of the signal from the digital processing circuit are provided, the AD converter and the digital It is possible to prevent noise from the processing circuit from entering the preamplifier.
以下、本発明のX線検出器の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the X-ray detector of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、実施例1のX線検出器の構成図である。図1に示す実施例1のX線検出器は、例えば、エネルギー型蛍光X線分析装置に用いられ、X線センサ1、前置増幅器10、差動レシーバ11、LPF12、クロック発生器13、ディジタル処理回路14、フィルタ15A,15a〜15dを有している。
FIG. 1 is a configuration diagram of the X-ray detector according to the first embodiment. The X-ray detector of Example 1 shown in FIG. 1 is used in, for example, an energy-type fluorescent X-ray analyzer, and includes an X-ray sensor 1, a
X線センサ1は、X線を検出する。前置増幅器10は、低ノイズ用のJFET21とフィードバックキャパシタ22とアンプ23とで構成され、X線センサ1からの微小なアナログ信号を増幅し且つ1ステップの波高値が入射X線のエネルギーに相当する階段波を出力する。弁別回路8は、前置増幅器10の出力が所定値を超えたときにトランジスタTr1をオンさせる。
The X-ray sensor 1 detects X-rays. The
差動レシーバ11は、一方の入力端子が前置増幅器10の出力端子に接続され、他方の入力端子がSGNDに接続され、前置増幅器10の出力信号を差動増幅する。差動レシーバ11のSGNDはJFET21のソース端子のSGNDに接続されている。
The
LPF12は、低域周波数を通過させる低域フィルタであり、差動レシーバ11からの差動信号を低域フィルタリングする。クロック発生器13は、互いに180°位相が異なる差動クロック信号を発生し、該差動クロック信号をサンプリング用クロックとしてフィルタ15Aを介してAD変換器6に出力する。
The
AD変換器6は、LPF12を介する差動レシーバ11で差動増幅された信号をクロック発生器13からのサンプリングクロックでサンプリングすることにより、ディジタル信号に変換する。ディジタル処理回路14は、AD変換器6で変換されたディジタル信号を差動信号に変換してフィルタ15a〜15dを介してシリアル伝送する。
The AD converter 6 converts the signal differentially amplified by the
図2は、実施例1のX線検出器内のクロック発生器の構成図である。図2に示すクロック発生器13において、トランジスタQ1のゲートとトランジスタQ2のゲートとがダイオードを介して接続され、この接続点に入力端子IN1が接続され、トランジスタQ1のエミッタとトランジスタQ2のエミッタとが接続され、この接続点に出力端子CLK1が接続されている。(ダイオードがないとトランジスタがONOFF動作しないため)
トランジスタQ3のゲートとトランジスタQ4のゲートとがダイオードを介して接続され、この接続点に入力端子IN2が接続され、トランジスタQ3のエミッタとトランジスタQ4のエミッタとが接続され、この接続点に出力端子CLK2が接続されている。入力端子IN1と入力端子IN2とに交互にオン/オフ信号が入力されることにより、出力端子CLK1と出力端子CLK2とに互いに180°位相が異なる差動クロック信号が出力される。
FIG. 2 is a configuration diagram of a clock generator in the X-ray detector according to the first embodiment. In the
The gate of the transistor Q3 and the gate of the transistor Q4 are connected via a diode, the input terminal IN2 is connected to this connection point, the emitter of the transistor Q3 and the emitter of the transistor Q4 are connected, and the output terminal CLK2 is connected to this connection point. Is connected. When an on / off signal is alternately input to the input terminal IN1 and the input terminal IN2, differential clock signals having a phase difference of 180 ° are output to the output terminal CLK1 and the output terminal CLK2.
このように構成された実施例1のX線検出器によれば、X線センサ1で検出された微小信号は、前置増幅器10により増幅される。増幅された信号は、差動レシーバ11、LPF12を介してAD変換器6によりディジタル信号に変換される。変換されたディジタル信号は、ディジタル処理回路14により差動信号に変換されて外部にシリアル伝送される。
According to the X-ray detector of the first embodiment configured as described above, the minute signal detected by the X-ray sensor 1 is amplified by the
即ち、ディジタル処理回路14を用い、出力信号の形式が差動型であるため、従来のケーブル4にSGND線が不要となる。このため、前置増幅器10に影響を及ぼすノイズ経路がなくなり、放射ノイズ耐性が向上する。また、X線検出器と外部の計測システムとの間に不要なGNDループがなくなり、外部変動磁場に対する耐性が向上する。
That is, since the
また、弁別回路8、前置増幅器10、差動レシーバ11、LPF12、クロック発生器13、AD変換器6、ディジタル処理回路14及びフィルタ15A,15a〜15dをシールド部16によりシールドしているので、外部の放射ノイズの侵入を阻止することができる。
Since the
また、出力形式のディジタル化に伴い、AD変換器6、ディジタル処理回路14を前置増幅器10の基板と同一基板に搭載するため、AD変換器6及びディジタル処理回路14の各ノイズ源からノイズが前置増幅器10に回り込み、分解能などの性能が悪化するおそれがある。
Further, as the output format is digitized, the AD converter 6 and the
このため、各ノイズ源から前置増幅器10に回り込みを防止するために、実施例1では、差動レシーバ11、LPF12、クロック発生器13、フィルタ15a〜15dを設けている。
For this reason, in order to prevent sneaking from each noise source to the
差動レシーバ11は、AD変換器6と前置増幅器10との間のバッファとして機能し、AD変換器6で発生したノイズの前置増幅器10への逆流を防止し、また、コモンモードノイズを除去する。これにより、AD変換器6やディジタル処理回路14で発生したノイズがSGNDからJFET21経由で前置増幅器10の内部雑音となる影響を軽減することができる。
The
クロック発生器13は、差動クロック信号を出力する差動出力型を用いているので、AD変換器6で発生するノイズを低減することができる。また、AD変換器6の入力部にLPF12を設けているので、AD変換器6で発生するノイズの前置増幅器10への逆流を防止することができる。
また、ディジタル処理回路14の出力側にはコイルなどのフィルタ15a〜15dが設けられているので、出力信号線で発生する放射ノイズを低減することができる。これにより、前置増幅器10への放射ノイズの回り込みを抑制することができる。
Since the
Further, since the
さらに、X線検出器の波形整形時間τは、図5(b)に示す1ステップの波高値whの最小値から最大値までに要する時間よりも僅かに大きい時間であり、具体的には0.1μs以上である。この波形整形時間を網羅するためには、前置増幅器10から出力されるX線信号の帯域幅W=(2πτ)−1から1.6MHz以上となる。このため、差動レシーバ11の信号の利得Gと帯域幅Bとの積(GB積)は、1.6MHz以上のものを用いる。また、クロック発生器13のサンプリング用クロックとしての差動クロック信号は、ナイキストのサンプリング定理から3.2MHz以上の周波数を用いる。
Further, the waveform shaping time τ of the X-ray detector is a time slightly longer than the time required from the minimum value to the maximum value of the peak value wh of one step shown in FIG. .1 μs or more. In order to cover this waveform shaping time, the bandwidth of the X-ray signal output from the
本発明に係るX線検出器は、エネルギー分散型蛍光X線分析装置等に利用可能である。 The X-ray detector according to the present invention can be used for an energy dispersive X-ray fluorescence analyzer and the like.
1 X線センサ
2,10 前置増幅器
4 ケーブル
5 差動増幅器
6 AD変換器
7,16 シールド部
8 弁別回路
9 AD変換基板
11 差動レシーバ
12 LPF
13 クロック発生器
14 ディジタル処理回路
15A,15a〜15d フィルタ
18 グランド線
21 JFET
22 フィードバックキャパシタ
23 アンプ
1
4 Cable
5 Differential Amplifier 6
13
22
Claims (4)
前記X線センサで検出されたX線を増幅し且つ1ステップの波高値が入射X線のエネルギーに相当する階段波を出力する前置増幅器と、
前記前置増幅器で増幅された信号をディジタル信号に変換するAD変換器と、
前記AD変換器で変換されたディジタル信号を差動信号に変換して出力するディジタル処理回路と、
を備え、
前記AD変換器と前記ディジタル処理回路とを前記前置増幅器の基板と同一基板に搭載し、前記AD変換器と前記ディジタル処理回路とからのノイズが前記前置増幅器に回り込まないように、前記前置増幅器の出力信号を差動増幅して差動増幅信号を出力する差動レシーバと、前記差動レシーバからの差動増幅信号の低域周波数を通過させる第1の低域フィルタと、前記ディジタル処理回路からの信号の低域周波数を通過させる第2の低域フィルタを設けたことを特徴とするX線検出器。 An X-ray sensor for detecting X-rays;
A preamplifier for amplifying the X-ray detected by the X-ray sensor and outputting a step wave whose peak value in one step corresponds to the energy of the incident X-ray;
An AD converter for converting the signal amplified by the preamplifier into a digital signal;
A digital processing circuit for converting the digital signal converted by the AD converter into a differential signal and outputting the differential signal;
Equipped with a,
The AD converter and the digital processing circuit are mounted on the same substrate as the substrate of the preamplifier, so that noise from the AD converter and the digital processing circuit does not enter the preamplifier. A differential receiver that differentially amplifies the output signal of the preamplifier and outputs a differential amplified signal; a first low-pass filter that passes a low-frequency of the differential amplified signal from the differential receiver; and the digital An X-ray detector comprising a second low-pass filter that passes a low-frequency of a signal from a processing circuit .
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