JP5901523B2 - 単一光子分解能のための積算形読み出しチップを有するｘ線検出器 - Google Patents

Description

本発明は、単一光子分解のための電荷積算形読み出しチップを有するＸ線検出器に関する。

積算形読み出しユニットチップを有するＸ線検出器は、シンクロトロンにおけるＸ線アプリケーション用の検出器において、または材料化学の分野における実験設備（実験室設置形回折計）、結晶学、非破壊検査および医学アプリケーションに使用される。これらのアプリケーションではふつう、１keVないし２００keVの大きなエネルギ範囲がカバーされる。半導体光検出器層に依存して、光子吸収によって形成されるフリーロードも適切かつ決定可能な制限内に分布し得る。

ふつう上記の検出器は、Ｘ線感知層（シリコーンセンサ）および読み出しチップからなるハイブリッド検出器である。２次元検出器（ピクセル検出器）の場合、上記のセンサの各ピクセルは（バンプボンディングまたはフリップチップボンディング）により、読み出しユニットチップにおける相応のピクセルに直接接続される。したがってピクセルサイズは、上記の読み出しユニットチップのピクセルサイズによって制限されるのである。したがって読み出しチップにおけるピクセル当たりの電子コンポーネントの数は大きく制限されるのである。

例えばヨーロッパ特許出願EP 1 581 971 Aから公知の従来技術によれば、上記の読み出しユニットチップには、（１次元または２次元の）独立して動作するｎ個のチャネルが含まれている。各チャネルは、チャージ感知プリアンプ、利得段、比較器およびカウンタを有する。各チャネルは、他のチャネルとは無関係に単一光子を計数することができる。１つの画像には２つのフェーズが必要である。すなわち、１）取得モード（ここでは上記のカウンタによって到来する光子が計数される）および２）読み出しモード（ここでは計数が禁止され、チャネル当たりのカウンタに対する数が読み出される）。

上記の利得段の後の信号は、入力する電荷に比例するパルス高さを有するガウス状のパルスである。このパルス高さが比較器の閾値を上回る場合、上記のチャネルのカウンタは、パルス高さとは無関係に１つだけ増分される。
これらのＸ線検出器によれば、現在の最大の問題は、
i） 高速のフレームレートに対し、上記の読み出し時間（むだ時間）は、極めて重大であり、またこのフレームレートを制限する。目下のところこのフレームレートにより、多くの測定値が制限される。しかしながら小さなピクセルサイズのため、チャネル当たり２つ以上のカウンタまたは１つの中間的なメモリの設置を実現できない。
ii） 到来する光子レートが高い場合（５００KHzないし３MHz）、上記のアナログ信号は、積み重なりはじめ、この信号は、上記の比較器閾値を下回らないようになり、これによって計数値が失われる。したがって測定されるレートを補正しなければならない（レート補正）。３MHzを上回ると今日実現されている単一光子計数システムは基本的にもはや使用可能でない。それは上記の信号はつねに上記の比較器閾値を上回っているからである。この場合にこのチャネルは飽和しているのである。
iii） チャネル間の境界領域に入る光子に対し、上記の電荷はチャネル間で共有される。これにより、利得およびチャネルの有効閾値における変動に起因して計数レートが変動する。またこれによって上記のピクセルサイズが制限される。それは、ピクセルサイズが小さければ、上記の電荷はつねに共有されて単一光子の計数はもはやできないからである。
iv） ポンプおよび試料測定に対してサンプルが励起（ポンピング）され、つぎに選択可能な時間の後、短い期間だけ上記の計数が許可される（プローブ）。つぎにこれは、統計の集計に必要なだけ繰り返されて、その後はじめて読み出される。上記の条件が一定でない場合、（少なくとも）２回の同時測定（ふつうポンピングによる測定およびポンピングが行われない測定）を行う必要がある。これは目下のところ可能ではない。それは上記の計数値は、１つの内部カウンタにしか累積できないからである。

したがって本発明の目的は、このＸ線検出器により、アナログ信号の重なりによって係数値が失われることなく、またはカウンタ読み出しに必要な時間サイクルに起因する読み出し電子回路の遅れ時間による係数値が失われることなく、高い周波数で到来する入射光子を計数できるＸ線検出器を提供することである。

この目的は、本発明により、つぎを有するＸ線検出器によって解決される。すなわち、
ａ） 光電感度性材料の層
ｂ） 上記の光電感度性材料の層に配置されたＮ×Ｍ個のフォトダイオード検出器のアレイ。ここで各フォトダイオード検出器は、バイアス電位インタフェースとダイオード出力インタフェースとを有しており、各フォトダイオード検出器の上記のバイアス電位インタフェースは、バイアス電位に接続される。
ｃ） 高利得かつ低ノイズ読み出しユニットセルのＮ×Ｍ個のアレイおよびフォトダイオード検出器毎の１つの読み出しユニットセル。
ｄ） 各読み出しユニットセルは
ｄ１） 上記のダイオード出力インタフェースに接続された入力インタフェース、積算キャパシタを有する高利得電荷電圧増幅手段、
ｄ２） 上記の積算キャパシタに並列接続された第１スイッチ
ｄ３） 第２スイッチと第３スイッチとの間に配置されたサンプル／ホールドキャパシタとを有しており、このサンプル／ホールドキャパシタは、第２スイッチを介して高利得電圧増幅手段に接続することができ、また第３スイッチを介して単一の出力線に接続可能である。
ｅ） 行選択および列選択回路を含むマルチプレクシング手段。この手段により、各読み出しセルユニットにアクセスすることができる。すなわち、上記のサンプル／ホールドキャパシタに実際に記憶されているアナログ信号を読み出すために、上記のマルチプレクシング手段を制御するデータ処理手段にアクセスすることができる。

したがってこの新しいＸ線検出器の基本的なアイデアは、従来公知の単一光子計数システムの代わりに電荷積算形システムを使用することである。この電荷積算形システムの達成可能な低ノイズにより、この電荷積算形システムを単一光子計数分解でもって使用することができる。この電荷積算形システムでは、電荷は積算キャパシタにまとめられ、従来技術による単一光子計数システムのようにパルスが形成されることはない。上記の電荷積算段の出力側（プリアンプ出力側）における電圧は、上記の入力電荷に比例する。上記の収集の終わりに積算信号は、切り換えられてホールドキャパシタに記憶され、これによって上記のプリアンプをリセットすることができ、またこのホールドキャパシタに記憶されている電荷信号の後続の読み出しとは無関係に新たな収集期間を開始することができる。

本発明の１つの好ましい実施形態では、高利得電圧増幅手段は、単一光子入射によって形成される信号に比べて小さいノイズ信号を有するように選択することができる。したがって上記の増幅手段を正しく選択することは、上記の単一光子分解アプローチの精度を高めること役に立つ。

適当な収集インターバル内での入射光子の計数レートについて、考えられ得る広い範囲のアプリケーションの固有の計数要求を満足するため、上記のサンプル／ホールドキャパシタ（Ｃ_S）および積算キャパシタ（Ｃ_fb）は有利には、収集インターバル当たり０ないし１０００個の入射光子のダイナミックレンジをカバーするように選択することができる。ふつう上記の収集インターバルは、２０nsから任意の所望の値までの値をとり得る。

検出器読み出し中のこの検出器のむだ時間は、どのアプリケーションにとっても重要なパラメタである。したがって上記のスイッチは連続モードを可能にするように操作される。すなわち、上記のサンプル／ホールドキャパシタに記憶されている出力信号を読み出す間に入力電荷の積算が並列に行われるのである。この実施形態は、上記のスイッチングに対して時間をほとんど消費せず、したがって入射光子の連続的な収集が可能になるのである。

多くのアプリケーションにおいて、入射光子が吸収される正確な位置を決定することは重要な問題である。これまでは、上記の３次元的な解像度は、その読み出しユニットセルと共に有限のスペースを要するフォトダイオード検出器のサイズによって制限されていた。したがって本発明の別の好ましい実施形態では、上記のデータ処理手段が、隣接するフォトダイオード検出器の間にある境界領域において吸収される光子の位置を補間できるようにする。ここでこの補間は、隣接するフォトダイオード検出器に対して同時に発生する分割電圧信号によって起動される。隣接する各フォトダイオード検出器におけるこの分割電圧信号は、１つのフォトダイオード検出器内で吸収される入射光子の電圧信号よりも小さい。

本発明の別の有利な実施形態では、信頼性のある光子エネルギ分解が行われ、ここで単一入射光子に対する上記の積算電圧は、この光子のエネルギを表すものであり、また上記の積算された電圧と、光子エネルギとの間の依存性は、有利には一次関数である多項式関数によって求めることができる。

上記の検出器アプリケーションにおけるアクションの自由度を高めるため、上記のデータ処理手段は、窓判別を含むことができ、ここではあらかじめ定めた窓内に出力信号を有するチャネルのカウンタだけが増分される。

アプリケーションによっては、種々異なる収集インターバルの計数値を別のカウンタに割り当てるのが有効なことがある。このため、上記のデータ処理手段は、読み出しユニットセル毎の出力信号を少なくとも２つのカウンタに交互にスイッチングすることの可能なカウンタマルチプレクサを有することができる。この結果、チャネル毎の少なくとも２つのカウンタのうちの１つのカウンタは、ポンピングされたサンプル状態に対する入射光子を計数するために確保され、上記の少なくとも２つのカウンタのうちの別の１つのカウンタは、ポンピングされていないサンプル状態に対する入射光子を計数するために確保されるのである。

本発明の別の好ましい実施形態は、残りの従属請求項に記載されている。

以下では、添付の図面を参照して本発明の好適な実施形態をさらに詳細に説明する。

フォトダイオード検出器設計の概略図である。 フォトダイオード検出器のアレイを含む検出器モジュールの部分概略図である。 読み出しユニットセル内で使用される電荷積算プリアンプの概略図である。 単一光子計測システム（従来技術、上側のグラフ）および電荷積算形システム（本発明のシステム、下側のグラフ）におけるプリアンプの後のアナログ信号の経過を示す線図である。

図１には、ドーピングされた半導体ｐ⁺，ｎ^-，ｎ⁺⁺に侵入する部分４を有するフォトダイオード検出器２のアーキテクチャが略示されている。最も一般的に使用される材料はケイ素結晶であるが、ゲルマニウム、ガリウム、砒化物またはテルル化物も使用される。

ドーピングされた半導体ｐ⁺，ｎ^-，ｎ⁺⁺に侵入する部分４に入る前には１００eVから数KeVの範囲のエネルギを有する入射光子６は、場合によって設けられるカバー層（例えばアルミニウム）８を通過し、そのエネルギにしたがって、または電子正孔対を形成するのに必要なエネルギにしたがって、ｘ線吸収の後、相応する数の電子正孔対１０を生じさせる。図において電子正孔対のこの数は、例示的に３つの電子正孔対１０によって示されており、ここではこれらの電子正孔対１０は、バイアス電位１２の発生源によって形成される電場によって分けられる。

図２は、ｎ行ｍ列のアレイに配置された多数のフォトダイオード検出器２を有する２次元ピクセル検出器１４の概略図を示している。フォトダイオード検出器２は、約２００μｍの長さｌおよび幅ｗと、約３００μｍの高さとを有する。これらのフォトダイオード検出器２の面の下には、相応する個数の読み出しユニットセルＲＯを有する読み出しチップ１６が配置されており、これにより、相応するフォトダイオード検出器２において形成される電子正孔対１０の電荷が集められる。フォトダイオード検出器２のダイオード出力インタフェースと、読み出しユニットセルＲＯの入力インタフェースＩＮとの間の電気的な接続は、例えばインジウムバンプ２４を使用するバンプポンディングによって行われる。

読み出しユニットセルＲＯに実現される新しいアイデアは、単一光子計数システムの代わりに電荷積算形システムを使用することである。この電荷積算形システムによって達成可能な低ノイズにより、この電荷積算形システムを単一光子計数分解に使用することができる。

読み出しユニットセルＲＯにおいて、殊にその電荷積算形システム（図３を参照されたい）において電荷は、プリアンプＰＡによって増幅されて積算キャパシタＣ_fbにおいて積算される。従来技術による単一光子計数システムにおいて行われるようにパルスが形成されることはない。上記の電荷積算段の出力側ＯＵＴにおける電圧は、上記の入力電荷に比例する（図４の下側のグラフを参照されたい）。上記の収集の終わりに上記の信号は、第２スイッチＳ２を切り換えることによってホールドキャパシタＣ_Sに記憶され、またプリアンプＰＡは、第１スイッチＳ１を切り換えることによってリセットされる。読み出しのため、各チャネルのホールドキャパシタＣ_Sは、第３スイッチＳ３を切り換えることによって連続してマルチプレクシング手段ＭＭ（信号出力部）に接続され、ホールドキャパシタＣ_Sの出力信号は、データ処理手段ＤＰＭの外部ＡＤＣによってサンプリングされる。

上記の入力側に接続されている検出器ダイオード２において光子６によって形成される全電荷は、電荷積算プリアンプＰＡによって光子の到着時間とは無関係に積算されるため、単一光子計数システムの場合のようにパイルアップないしは重なり合うという作用は発生しない。出力側ＯＵＴにおける信号は、光子６によって形成される全電荷、すなわち光子の総数に相応する。

プリアンプＰＡは、単一光子６によって形成される信号に比べて電子雑音が小さくなるように設計することができる。これにより、上記のアナログ出力信号を光子の個数に変換することができる。このようなシステムのダイナミックレンジは、１００ないし１０００個の光子のオーダとすることができる。このことが意味するのは、出力信号ＯＵＴにおいて０，１，２，…，１０００個の光子をはっきりと区別できることである。

（例えば現在の単一光子計数システムのようなチャネル当たりの約３MHzの）計数レート制限は、単一光子計数分解を有する電荷積算形システムによって克服することができ、ここでは出力信号は、光子の個数（０ないし１０００）に変換され、またチャネル毎に外部カウンタに加算することができる。収集時間が１μｓの場合、このようなシステムにより、計数レートの能力がチャネル当たり１０００MHzに拡張される。これは、今日のシンクロトロン源において要求される計数レートをふつう上回ることになる。

上記のシステムは連続モードを有しているため、つぎの収集を実行している間に上記のデータを読み出すことができる。チャネル毎に１つ（またはいくつかの）外部カウンタをハードウェアまたはソフトウェアで実現することができる。このカウンタにおいて光子の個数は、（殊に連続モードにおいて）いくつかの収集に対して計数することができ、これによって収集時間を１μｓから所望の任意の値まで増大させることができる。

上記のレートの能力を拡張するという機能に加え、このようなシステムは、チャネル当たりの１光子の最大値を有する光子レートにおいてつぎのような能力を有する。すなわち、
・ 隣接するフォトダイオード検出器２間の境界領域において吸収される光子６に対し、電荷は、光子６の位置にしたがって２つのフォトダイオード検出器２間で分けられる。これにより、光子６の位置を補間することができ、これにより、ピクセルサイズによって得られる空間分解能よりもはるかに高く、空間分解能を増大させることができる。

・ 測定される信号の高さは、光子のエネルギに線形に依存するため、測定されるこの信号の高さの分布は、チャネル当たりの光子のエネルギスペクトルの測定値に相応する。

・ 窓弁別は、上記の光検出器ダイオード（チャネル）用のデータ処理手段ＤＰＭにおいて外部カウンタを増分するだけで実現することができ、ただし測定されるこの信号は、所定の窓内にある（エネルギ窓）信号である。これは、Ｘ線管との組み合わせにおいて殊に有効であり、ここでは上記の光子は、単色ではなく、また高エネルギ光子からの背景は、エネルギ窓内の光子を計数するだけで大きく低減することができる。

・ （例えばポンピングおよび試料測定に対して）チャネル当たりに複数のカウンタを設けることが望ましいため、チャネル当たりの複数のカウンタを（例えば、ＦＰＧＡとして、またはデータ処理手段ＤＰＭ内のソフトウェアとして）外部に設けることができる。これにより、例えば２つのカウンタにおいて、上記のサンプルのポンピングされた状態と、ポンピングされていない状態とに対してそれぞれを測定することができ、これにより、今日の単一光子計数システムのポンピングおよび試料測定に対する制限を克服することができる。

Claims (14)

1. Ｘ線検出器（１４）において、
   ａ） 光電感度性材料の層（４）と、
   ｂ） 前記光電感度性材料の層（４）に配置されたＮ×Ｍ個のフォトダイオード検出器（２）のアレイと、
   を有しており、各フォトダイオード検出器（２）は、バイアス電位インタフェース（１２）とダイオード出力インタフェースとを有しており、各フォトダイオード検出器（２）の前記バイアス電位インタフェース（１２）は、バイアス電位（Ｖ_bias）に接続されており、
   前記Ｘ線検出器（１４）はさらに、
   ｃ） Ｎ×Ｍ個の複数の読み出しユニットセル（ＲＯ）のアレイを有しており、１つの読み出しユニットセル（ＲＯ）は、各フォトダイオード検出器（２）に対応し、
   ｄ） 各読み出しユニットセル（ＲＯ）は、
   ｄ１） 前記ダイオード出力インタフェースに接続された入力インタフェース（ＩＮ）および単一光子計数分解を有する積算キャパシタ（Ｃ_fb）を有する電圧増幅手段（ＰＡ）と、
   ｄ２） 前記積算キャパシタ（Ｃ_fb）に並列接続された第１スイッチ（Ｓ１）と、
   ｄ３） 第２スイッチ（Ｓ２）と第３スイッチ（Ｓ３）との間に配置されたサンプル／ホールドキャパシタ（Ｃ_S）と、
   を有しており、前記サンプル／ホールドキャパシタ（Ｃ_S）は、前記第２スイッチ（Ｓ２）を介して前記電圧増幅手段（ＰＡ）の出力側（ＯＵＴ）に接続され、または、前記第３スイッチ（Ｓ３）を介して信号出力線（ＳＯ）に接続され、
   前記Ｘ線検出器（１４）はさらに、
   ｅ） 行選択および列選択回路を含むマルチプレクシング手段（ＭＭ）を有しており、前記行選択および列選択回路により、各読み出しユニットセル（ＲＯ）にアクセスして、前記サンプル／ホールドキャパシタ（Ｃ_S）に実際に記憶されているアナログ信号を、前記マルチプレクシング手段（ＭＭ）を制御するデータ処理手段（ＤＰＭ）に読み出すことを特徴とする、
   Ｘ線検出器（１４）。
2. 前記データ処理手段（ＤＰＭ）をさらに含む、
   請求項１に記載のＸ線検出器（１４）。
3. 前記電圧増幅手段（ＰＡ）は、単一光子入射によって形成される信号に比べて、小さいノイズ信号を有するように選択される、
   請求項１または２に記載のＸ線検出器（１４）。
4. 前記サンプル／ホールドキャパシタ（Ｃ_S）および前記積算キャパシタ（Ｃ_fb）は、収集インターバル当たり０ないし１０００個の光子のダイナミックレンジをカバーするように選択される、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載のＸ線検出器（１４）。
5. 前記収集インターバルは、２０ｎｓから任意の所望の値までをカバーしている、
   請求項４に記載のＸ線検出器（１４）。
6. − 前記サンプル／ホールドキャパシタ（Ｃ_S）に記憶された出力信号の読み出しと、
   − 前記電圧増幅手段（ＰＡ）の出力電圧の積算と、
   が並行して行われて連続モードが可能となるように前記第１スイッチ（Ｓ１）、前記第２スイッチ（Ｓ２）および前記第３スイッチ（Ｓ３）を操作する、
   請求項１から５までのいずれか１項に記載のＸ線検出器（１４）。
7. 前記データ処理手段（ＤＰＭ）により、チャネル当たりの出力電圧が光子の個数に変換され、
   前記データ処理手段（ＤＰＭ）は、チャネル毎に光子の個数を記憶可能な少なくとも１つのレジスタ、記憶セル、または、ソフトウェア、ファームウェアもしくはハードウェアのいずれかで実現されるカウンタを有している、
   請求項２から６までのいずれか１項に記載のＸ線検出器（１４）。
8. 前記データ処理手段（ＤＰＭ）は、読み出しユニットセル（ＲＯ）毎の光子の個数を任意のカウンタに加算することのできるデータマルチプレクサを有する、
   請求項２から６までのいずれか１項に記載のＸ線検出器（１４）。
9. チャネル毎の前記少なくとも２つのカウンタのうちの１つのカウンタは、サンプルが励起された状態の入射光子を計数するために用いられ、
   前記少なくとも２つのカウンタのうちの別の１つのカウンタは、サンプルが励起されていない状態の入射光子を計数するために用いられる、
   請求項８に記載のＸ線検出器（１４）。
10. 前記データ処理手段（ＤＰＭ）により、隣接するフォトダイオード検出器（２）における電荷分布に起因して、隣接するフォトダイオード検出器（２）の間にある境界領域において吸収される光子（６）の位置が補間され、
    前記補間は、隣接するフォトダイオード検出器（２）に対する同時の分割電圧信号によって起動され、
    前記分割電圧信号は、１つのフォトダイオード検出器（２）内で吸収される入射光子（６）の電圧信号よりも小さい、
    請求項２から９までのいずれか１項に記載のＸ線検出器（１４）。
11. 前記データ処理手段（ＤＰＭ）は、補間位置毎に、光子の個数を記憶可能な少なくとも１つのレジスタ、記憶セル、または、カウンタを有している、
    請求項２から１０までのいずれか１項に記載のＸ線検出器（１４）。
12. 単一入射光子（６）に対する前記積算電圧は、前記光子（６）のエネルギを表し、
    前記積算電圧と前記光子エネルギとの間の依存性は、多項式関数、有利には一次関数によって求められ、
    前記データ処理手段（ＤＰＭ）は、チャネル当たりの光子のエネルギスペクトルを測定できる、
    請求項２から１１までのいずれか１項に記載のＸ線検出器（１４）。
13. 前記データ処理手段（ＤＰＭ）は、読み出しユニットセル（ＲＯ）毎に、ソフトウェア、ファームウェアもしくはハードウェアのいずれかで実現される複数のレジスタ、カウンタ、または、記憶セルを有しており、
    前記データ処理手段（ＤＰＭ）は、読み出しユニットセル（ＲＯ）毎に、前記エネルギスペクトルを記憶および／または形成できる、
    請求項１２に記載のＸ線検出器（１４）。
14. 前記データ処理手段（ＤＰＭ）には、ハードウェア、ソフトウェアまたはファームウェアのいずれかによって実現される窓弁別器が含まれており、
    あらかじめ定めた窓内に出力信号（ＳＯ）を有するチャネルのカウンタだけが増分される、
    請求項２から１３までのいずれか１項に記載のＸ線検出器（１４）。

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