JP5860590B2 - 放射線監視デバイス - Google Patents
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Description
図1は、複数の個別の検出器画素3によって形成される検出器画素配列2を含む放射線検出器1の概略上面図である。読み出しユニット4は、検出器画素配列2の側部に配置される。図2、3および4を参照すると、放射線検出器1は、次の構成要素を含む、即ち、
- センサ20。センサは、光子によって衝突されるとき電荷担体を生成する半導体材料で作られてもよい。シリコン、ヒ化ガリウム、テルル化カドミウム、テルル化カドミウム亜鉛またはヨウ化水銀が、センサ材料として使用されてもよい。センサ材料は、複数の検出器画素3の上に広がってもよい。
- センサ20の上に広がる上部電極22。上部電極は、炭素または銅で作られる、導電性材料の薄い層である。
- 複数の画素電極21。画素電極は、単一の検出器画素の上だけに広がる。電圧は、センサ20に衝突する光子によって生成される電荷を収集するために上部電極22と画素電極21との間に印加される。
- 検出画素3ごとに関連し、対応する画素電極21に接続される画素電子回路24。画素電子回路24は、検出器画素の占有面積内に置かれる。
- 検出器画素配列2の側部に配置される読み出しユニット4。
画素電子回路24および読み出しユニット4は、単一の特定用途向け集積回路(ASIC)25として実現される。検出器画素3の感知体積は、画素電極21の包囲面積とセンサ20の上側との間のセンサ20体積によって形成される。
図5および図6を参照して、画素電子回路が述べられる。センサ20内で光子または粒子の反応によって生成される、各検出器画素3内の画素電極21から来るアナログ信号は、画素電子回路24内の変換ユニット50に転送される。変換ユニット50は、後の本明細書で説明されるようにアナログ信号をデジタル信号に変換する。変換ユニット50では最初にアナログ処理ユニット62が、測定信号を処理する。例えば信号は、アナログ処理ユニット62によって増幅され、パルス整形される。アナログ処理ユニット62の出力は、変換ユニット50の弁別器63で調節可能しきい値と比較される。弁別器63のしきい値は、アナログ処理ユニット62の出力信号の雑音レベルより上に設定される。しきい値は、検出器画素3のセンサ20内のエネルギー蓄積Ethrに対応する。しきい値は、最大期待粒子エネルギーより下に設定される。各画素電子回路24は、補正ユニット64を含み、それは、異なる検出器画素3の弁別器63のしきい値の調節が行えるように、しきい値を修正することができる。補正ユニット64は、検出器画素配列2の周辺と信号接続している。検出器画素配列2の外部から各検出器画素3に与えられ、補正ユニット64に保存されるデジタル信号は、弁別器63のしきい値の位置を修正する電気信号、例えば電圧レベルを補正ユニット64で生成する。異なる検出器画素の異なる弁別器63のしきい値の調節は、補正ユニット64に送られ、その中に保存される高度な処理能力を持つ組のデジタル信号を選択することによって得られる。しきい値は、アナログ処理ユニット62の出力の雑音レベルを使用してまたは信号接続61もしくは67を通じて注入されるノルム信号を使用して調節されてもよい。弁別器63の出力信号の継続時間は、アナログ処理ユニット62の出力信号の強度が弁別器63のしきい値よりも高い間の時間と一定の関係を有する。例えば弁別器63の出力信号は、弁別器63の入力信号がしきい値よりも上である間と同じぐらい長い。変換ユニット50は、アナログ処理ユニット62の出力信号がしきい値よりも上である時間が、変換ユニット50の入力信号の強度と一定の関係を有する方法で設計され、実施される。したがって弁別器63出力信号の継続時間は、検出器画素3内のエネルギー蓄積EEventと一定の関係にある。
図6を参照すると、画素電極21内の粒子反応誘起信号と同様の形状を有するノルム信号は、信号接続61を通じて各検出器画素3のアナログ処理ユニット62の入力に注入されてもよくまたは信号接続67を通じて各検出器画素3の弁別器63の入力に注入されてもよい。ノルム信号は、周知の強度を有する。その強度は例えば、信号接続61が使用される場合、アナログ処理ユニット62への信号接続23を通じての検出器画素3のセンサ20内での粒子の反応後の最大電流値もしくは全電荷の流れ、または信号接続67が使用される場合、粒子反応後の画素電極21内の信号のアナログ処理ユニット62でのアナログ処理後の対応する値とすることができる。理想的にはノルム信号は、すべての検出器画素3に対して同一である。
各検出器画素3は、その画素電子回路24内に時間決定ユニット51を有する。各時間決定ユニット51は、信号接続55を通じてクロック信号を供給される。例えばクロック周波数100MHzが使用される。例えばクロックパルスは、検出器画素配列2の各列の上部で検出器画素配列2に注入され、クロックパルスは、列内で1つの検出器画素3から次の検出器画素3に転送される。高いエネルギー分解能を得るためには、高いクロック周波数が使用されてもよく、または弁別器63出力信号の継続時間は、長くなければならない。弁別器63の長い出力信号長の欠点は、最大処理可能計数率が低減されることである。高いクロック周波数が使用される場合、好ましくは、検出器は、列を通るそれらの転送中のクロックパルス端部の不鮮明化を避けるために少数の行を有する。
発明となるステップは、センサ20内での粒子の各反応後に各画素電子回路24で測定されるしきい値超え時間で「デジタル弁別」を行うことである。本発明者らに周知の従来技術のすべての検出器画素配列は、アナログ測定信号を異なる弁別器で異なるしきい値と比較することによってエネルギー蓄積スペクトルを導き出している。「デジタル弁別」の目的は、TEventとして測定される検出器画素3内のエネルギー蓄積をエネルギー間隔に割り当て、同時に測定段階中にその間隔内のエネルギー蓄積を持つイベント数を数えることである。
時間カウンタ70でまたはイベントカウンタ82で測定されたデータの転送は、いくつかの動作原理で行われてもよい。すべての動作原理の共通の特徴は、時間カウンタ70またはイベントカウンタ82のカウンタ値が、カウンタ値が完全に読み出しユニット4に転送される場合、ゼロに設定されるということである。
検出器画素配列2の読み出し周波数は、検出器1の電力消費に影響を及ぼす。低い読み出し周波数は、低い電力消費をもたらすが、高線量率の場合にはイベントカウンタ82の計数範囲は、2つの読み出し段階の間のすべてのイベントを数えるには十分でない可能性がある。それ故に、読み出し周波数が低すぎる場合、線量率に関する測定範囲は、制限されることになる。
オプションとしてイベントカウンタ82または時間カウンタ70が読み出されるような方法で検出器画素配列2を実現することが可能である。時間カウンタ70の読み出し原理は、上で述べられたイベントカウンタ82の読み出し原理と似ている。
高線量率では単一検出器画素3の計数率は、高い可能性がある。例えば、220μm辺長を持つ正方形領域検出器画素3および1000μm厚さを持つシリコン層から成るセンサ20の計数率は、1Sv/hの低光子エネルギーに対して100kHzよりも高い。そのような高計数率は、カウンタ82の容量を超える可能性がある。線量率における測定範囲を広げるために、検出器画素配列2は、異なる感知面積を持つ検出器画素3から構築できる。大感知面積検出器画素3内のイベントカウンタ82でのカウント数は、低線量率の線量を決定するために使用できる。小感知面積検出器画素3内のイベントカウンタ82でのカウント数は、高線量率の線量を決定するために使用できる。線量計で使用されるべき検出器画素3の感知面積の典型的な組合せは、220μm×220μmおよび55μm×55μmである。図12は、検出器画素配列2内に異なる感知検出器画素面積を実現するための第1の可能性を示す。検出器画素3がそれらの画素電極21間のある距離およびそれらの画素電極21のある面積を有する検出器画素配列2内の検出器画素3の第1の群131ならびに検出器画素3がそれらの画素電極21間の別の距離およびそれらの画素電極21の別の面積を有する検出器画素配列2内の検出器画素3の第2の群132を有することによって、異なる感知面積を持つ異なる種類の検出器画素3を実現する。図13は、検出器画素配列2内に異なる感知検出器画素面積を実現するための別の可能性を示す。これは、これらの圧縮検出器画素140内のセンサ20の底部にガードリングを使用することによって検出器画素の第1の群141内のいくつかの検出器画素140の感知センサ体積を圧縮することによって行われる。このガードリングは、これらの圧縮検出器画素140のセンサ20内のドリフト電界が通常の検出器画素と比較して制限されるように、画素電子回路を通じて専用電気接続によって定義済み電位に接続される。ガードリングの寸法は、検出器画素140の必要な感知面積に適合される。検出器画素3の第2の群142内では、画素は、非圧縮センサ体積を有し、より低い線量率を測定するように構成される。
この発明の特別な実施形態では検出器1は、時間の関数として線量およびX線管の加速電圧の両方を測定するための1つの単一装置で使用されてもよい。
環境温度の変化または検出器1での強い電気的活動は、検出器画素配列2内の温度を修正する。これは、弁別器63のしきい値の変化、補正ユニット(64)での補正電圧の変化またはアナログ処理ユニット62の特性の変化をもたらす。マイクロコントローラ(186)での測定線量値の表示を補正するために、温度依存信号を測定することは、道理にかなっている。
全検出器画素配列2を用いて測定されるエネルギー蓄積スペクトルNiは、それらのイベント計数ユニット52に与えられる同じエネルギー間隔を有するすべてのmmax個の検出器画素3の上述のエネルギー間隔で数えられるイベント数を合計することによって計算される、即ち、
2 検出器画素配列
3 検出器画素
4 読み出しユニット
20 センサ
21 画素電極
22 上部電極
23 画素電極への信号接続
24 画素電子回路
25 特定用途向け集積回路(ASIC)
50 変換ユニット
51 時間決定ユニット
52 イベント計数ユニット
55 信号接続
61 信号接続
62 アナログ処理ユニット
63 弁別器
64 補正ユニット
67 信号接続
70 時間カウンタ
80 切り換えユニット
82 イベントカウンタ
90 複写ユニット
91 比較ユニット
112 検出器画素の群
113 検出器画素の群
151 活動検出器画素
122 検出器画素配列の列
123 検出器画素配列の列
131 検出器画素の群
132 検出器画素の群
134 検出器画素
140 検出器画素
141 検出器画素の群
142 検出器画素の群
151 検出器画素
152 検出器画素
153 検出器画素
155 検出器画素配列の列
156 検出器画素配列の列
160 検出器画素配列の列
161 検出器画素配列の列
162 検出器画素配列の列
163 検出器画素配列の列
165 吸収体
166 吸収体
180 ディスプレイ
186 マイクロコントローラ
Claims (11)
- 検出器画素(3)の配列(2)とクロックパルス発生器とを含む、放射線の1つまたは複数の特性を測定するための放射線検出器(1)であって、
各検出器画素(3)は、
センサ(20)に衝突する前記放射線の光子または荷電粒子のイベントに応答して電気信号を生成する前記センサ(20)と、
前記電気信号を増幅し、整形し、整形パルスを生成するためのアナログ処理ユニット(62)を含む、前記電気信号を受け取り、処理するように構成された画素電子回路(24)であって、TOTカウントを数えるための時間決定ユニット(51)を含み、前記TOTカウントは、前記整形パルスがしきい値よりも上であるときの時間間隔中に生じるクロックパルス数である、画素電子回路(24)とを含み、
前記画素電子回路は、複数のイベントカウンタ(82)を含み、各イベントカウンタ(82)は、デジタルエネルギーしきい値によって定義された所定の範囲のTOTカウントを有するイベント数を数え、
前記検出器画素の配列には、少なくとも、第1のデジタルエネルギーしきい値のセットと、第2のデジタルエネルギーしきい値のセットとが使用され、前記第1のデジタルエネルギーしきい値のセットによって定義される個々の所定の範囲は、前記第2のデジタルエネルギーしきい値のセットによって定義される個々の所定の範囲と少なくとも部分的に異なることを特徴とする放射線検出器(1)。 - 切り換えユニット(80)をさらに含み、
前記切り換えユニットは、各イベントカウンタ(82)に対応するTOTカウント範囲を定義するデジタルエネルギーしきい値一式と、測定TOTカウントが前記TOTカウント範囲内またはそれより上であるときを検出するための手段と、測定TOTカウントが前記TOTカウント範囲内またはそれより上であるときに対応するイベントカウンタ(82)を増分するための手段と
を含むことを特徴とする、請求項1に記載の放射線検出器(1)。 - 複写ユニット(90)をさらに含み、
前記複写ユニットは、TOTカウント値を受け取るための手段と、前記TOTカウント値を複写する複数の出力ポートと、複数の比較ユニット(91)とを含み、
各比較ユニット(91)は、対応するイベントカウンタ(82)のTOTカウント範囲を定義するデジタルエネルギーしきい値を含み、かつ測定TOTカウントが前記TOTカウント範囲内またはそれより上であるときを検出するための手段と、測定TOTカウントが前記TOTカウント範囲内またはそれより上であるときに前記対応するイベントカウンタを増分するための手段とを含むことを特徴とする、請求項1に記載の放射線検出器(1)。 - 前記画素電子回路は、前記検出器画素(3)を較正するために前記アナログ処理ユニット(62)の入力において正規化電気信号を受け取るための手段を含むことを特徴とする、請求項1から3のいずれかに記載の放射線検出器(1)。
- 前記画素電子回路は、前記検出器画素(3)を較正するために前記アナログ処理ユニット(62)の出力において正規化整形パルスを受け取るための手段を含むことを特徴とする、請求項1から4のいずれかに記載の放射線検出器(1)。
- 前記配列(2)は、検出器画素(3)の列(122、123)と、読み出しユニット(4)と、列(122)内で蓄積されたカウントを、前記列内のカウントだけが無効にされながら、前記読み出しユニット(4)に転送するための手段とを含み、各列(122、123)は、引き続いて転送されることを特徴とする、請求項1から5のいずれかに記載の放射線検出器(1)。
- 検出器画素(3)の配列(2)と、前記配列(2)の前記検出器画素(3)の前記TOTカウントを読み出しユニット(4)に転送するための手段と、非ゼロのTOTカウントを有する隣接した画素(3)の群をグループ化するための手段と、グループを生成する前記放射線の光子または荷電粒子のエネルギーを得るために前記グループの検出器画素(3)のそれぞれ内の蓄積線量を合計するための手段とを含むことを特徴とする、請求項1から6のいずれかに記載の放射線検出器(1)。
- 前記衝突放射線の線量および/または線量率を決定するように構成されたマイクロコントローラを含む、請求項7に記載の放射線検出器(1)。
- 前記衝突放射線のスペクトルを決定するように、および/または前記放射線を生成する放射性同位体もしくは複数の放射性同位体を決定するように構成されたマイクロコントローラを含む、請求項7に記載の放射線検出器(1)。
- 第1の感知面積を有する検出器画素(3)の第1の群(131;141)と、第2の感知面積を有する検出器画素の第2の群(132;142)とをさらに含み、
前記第1の感知面積は、前記第2の感知面積よりも大きく、それによって前記第1の群は、低線量率の放射線を測定し、前記第2の群は、高線量率の放射線を測定することを特徴とする、請求項1から9のいずれかに記載の放射線検出器(1)。 - 前記第1の群(131;141)は、前記電気パルスを収集するための画素電極(21)有する画素を含み、ガード電極が前記画素電極(21)に隣接し、一定電位に接続され、それによって前記センサの感知面積は、制限されることを特徴とする、請求項10に記載の放射線検出器(1)。
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