JP7088555B2 - 放射線検出器および放射線検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、放射線を検出し、検出データをフレームごとに外部へ転送する放射線検出器および放射線検出方法に関する。

従来、放射線測定に用いられるフォトンカウンティング型の半導体検出器が知られている（特許文献１参照）。特許文献１記載の放射線検出器は、例えば単結晶解析装置や製造ラインの検査装置に用いられ、パルスを計数可能に設けられた複数のカウンタを、外部機器から同期信号を受けたときに切り換え、連続的に放射線が入射する露光状態を維持可能にするものである。

そして、上記のような放射線検出器は、メモリを１つのみ搭載している（特許文献１の図１参照）。そのため、通常の測定時には、メモリの稼動時間によりフレームレートが決まり、メモリがＲＯＩＣから計数値を読み出す時間とメモリから計数値をＰＣへ転送する時間とを合計した時間が１周期となる。そして、露光が終わってから次の露光までの間隔、すなわち露光の最小間隔時間は、計数値の読み出し時間と転送時間との和から露光時間を引いた時間となる。

特許第６１８２７５８号公報

しかしながら、上記のような放射線検出器では、フレームレートがメモリの読み出しおよび転送の性能に依存し、その向上には限界がある。例えば、放射光施設で過渡的な現象を確認するための測定を行なった場合には、フレームレートが間に合わず、十分な結果が得られない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、露光、読み出しおよび転送の一連の動作を短縮でき、フレームレートを向上できる放射線検出器および放射線検出方法を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の放射線検出器は、放射線を検出し、検出データをフレームごとに外部へ転送する放射線検出器であって、露光により放射線の粒子が検出されたときにパルスを発生させるセンサと、前記発生したパルスを計数する複数のカウンタと、前記カウンタでなされた計数値を読み出し記憶する複数のメモリと、前記記憶された計数値を外部へ転送させる制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記複数のメモリのうち異なるメモリを用いて、前記計数値の読み出しおよび転送を重なる時間帯に行なうことを特徴としている。

このように、異なるメモリを用いて各フレームの計数値の読み出しおよび転送を重なる時間帯に行なうことで、露光、読み出しおよび転送の一連の動作を短縮でき、フレームレートを向上できる。

（２）また、本発明の放射線検出器は、前記複数のメモリのそれぞれが、互いに独立し、かつ、同一アドレスの書込みおよび読出しを同時にできないことを特徴としている。これにより、放射線検出器をコンパクトにすることができ、構成の費用も低減できる。

（３）また、本発明の放射線検出器は、前記複数のメモリが、３つ以上のメモリであることを特徴としている。これにより、転送時間が長くかかる場合であっても次々に読み出しを進めることができ、フレームレートが向上する。

（４）また、本発明の放射線検出器は、前記制御回路が、外部機器からトリガ信号を受けたタイミングで、前記複数のカウンタのうち前記パルスを計数するカウンタを切り換え、連続露光を行なうことを特徴としている。これにより、フレームレートを向上しつつ、連続露光を行なうことができる。

（５）また、本発明の放射線検出方法は、放射線を検出し、検出データをフレームごとに外部へ転送する放射線検出方法であって、露光により放射線の粒子が検出されたときにパルスを発生させるステップと、前記発生したパルスを複数設けられたカウンタで計数するステップと、前記カウンタで得られた計数値を複数のメモリで読み出し記憶するステップと、前記記憶された計数値を外部へ転送させるステップと、を含み、前記複数のメモリのうち異なるメモリを用いて、前記計数値の読み出しおよび転送を重なる時間帯に行なうことを特徴としている。これにより、露光、読み出しおよび転送の一連の動作を短縮でき、フレームレートを向上できる。

（６）また、本発明の放射線検出方法は、前記放射線は、加速された電子から発生する放射光であり、前記検出は、放射光検出装置により行なうことを特徴としている。これにより、例えば放射光施設のバンチ構造と検出器の動作の同期を取ることにより、バンチ構造を確認することが可能となる。

本発明によれば、露光、読み出しおよび転送の一連の動作を短縮でき、フレームレートを向上できる。

第１の実施形態に係る放射線検出器の構成を示す概略図である。 （ａ）～（ｃ）いずれも従来の放射線検出器の動作を示す概略図である。 （ａ）～（ｃ）いずれも第１の実施形態に係る放射線検出器の動作を示す概略図である。 （ａ）～（ｃ）いずれも第１の実施形態に係る放射線検出器の動作を示す概略図である。 第１の実施形態に係る放射線検出器の動作を示すフローチャートである。 （ａ）、（ｂ）それぞれ従来の放射線検出器および第１の実施形態に係る放射線検出器における各動作タイミングチャートである。 （ａ）、（ｂ）いずれもリングバッファを用いた放射線検出器の動作を示す概略図である。 （ａ）～（ｃ）いずれも第１の実施形態に係る放射線検出器の動作を示す概略図である。 （ａ）～（ｃ）いずれも第２の実施形態に係る放射線検出器の動作を示す概略図である。 第３の実施形態に係るＸ線分析装置の構成を示す平面図である。 第４の実施形態に係るＸ線分析装置の構成を示す側面図である。 第５の実施形態に係る放射線検出器の構成を示す概略図である。 （ａ）～（ｄ）いずれも第５実施形態に係る放射線検出器の動作を示す概略図である。 第５の実施形態に係る放射線検出器の動作のタイミングチャートである。 （ａ）、（ｂ）それぞれ従来の放射線検出器および第５の実施形態に係る放射線検出器における各動作タイミングチャートである。 （ａ）、（ｂ）それぞれ従来の検出器で測定した時間に対する散乱強度およびその自己相関関数を示すグラフである。 自己相関関数におけるＴが小さい領域を示すグラフである。 （ａ）、（ｂ）それぞれ本発明の検出器で測定した時間に対する散乱強度およびその自己相関関数を示すグラフである。 蓄積リング中のフィリングパターンの一例を示す図である。 時間に対して検出電流を示す図である。 フィリングパターンに対し２個のメモリを用いた場合に検出されたＸ線強度ピークを示す図である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

［第１の実施形態］
（放射線検出器の構成）
図１は、放射線検出器１００の構成を示す概略図である。放射線検出器１００は、フォトンカウンティング型の半導体検出器であり、２次元のデータバッファ機能を有する。放射線検出器１００は、放射線を検出し、検出データをフレームごとに外部へ転送する。後述の応用例のように、検出対象となる放射線は、Ｘ線である場合に機能を発揮しやすいが、これに限定されずα線、β線、γ線、中性子線等であってもよい。なお、放射線検出器１００は、１次元検出器であってもよい。

図１に示すように、放射線検出器１００は、センサ１１０、読み出し回路１２０、複数のメモリ１５０ａ、１５０ｂ、切り換え回路１２５、１５４、１５５、転送回路１６０および制御回路１７０を備えている。なお、図１では便宜上一つのセンサ１１０に対する構成を示しているが、放射線検出器１００は、基本的に複数のセンサを備えている。読み出し回路１２０は、パルスの読み出しの機能を有し、さらに複数の検出回路１３０ａ、１３０ｂおよび複数のカウンタ１４０ａ、１４０ｂを備えている。

センサ１１０は、露光により放射線の粒子が検出されたときにパルスを発生させる。センサ１１０は、受光面に入射するＸ線束の強度を、面情報として検出できる。検出回路１３０ａ、１３０ｂは、パルスがそれぞれの基準値より高いか否かを判定し、高い場合には電圧信号としてカウンタ１４０ａ、１４０ｂへ送出する。図１に示す例では、検出回路１３０ａの基準値の方が検出回路１３０ｂの基準値より低く設定されているが、高く設定されていてもよい。

カウンタ１４０ａ、１４０ｂは、パルスを計数することができる。メモリ１５０ａ、１５０ｂは、カウンタ１４０ａ、１４０ｂでなされた計数値をカウンタ１４０ａ、１４０ｂから読み出し記憶する。読み出しのタイミングは制御回路１７０による切り換えによる。基本的に直前に計数を終えたカウンタ１４０ａ、１４０ｂから読み出すが、待ち時間をおいて読み出すことも可能である。メモリ１５０ａ、１５０ｂは、読み出された整列していないデータを実空間配置へ変換し、後段へデータの転送を可能にする。

複数のメモリ１５０ａ、１５０ｂのそれぞれは、互いに独立し、かつ、同一アドレスに対する書込みおよび読出しを同時にできない。これにより、放射線検出器をコンパクトにすることができ、構成の費用も低減できる。また、データが書き換わっていないことの担保にもなる。メモリ１５０ａ、１５０ｂには、リングバッファやＱＤＲメモリは用いられない（詳細は後述）。

なお、メモリは１つのセンサに対して書き込み用に切り換え可能な複数のメモリがあればよい。複数のセンサを備える場合に、それぞれのセンサに対して独立に複数のメモリを設けてもよいが、複数のメモリは共用であってもよい。例えば、２つのセンサに対して２つのメモリのみを設け、各センサからの書き込みに対してその２つのメモリが切り換え可能に存在すれば十分である。

切り換え回路１２５、１５４は、計数値の読み出しのための切り換え動作を行なう。切り換え回路１５５は、計数値の転送のための切り換え動作を行なう。いずれも制御信号により動作する。

制御回路１７０は、切り換え回路１２５、１５４、１５５の接続を制御し、計数値の読み出しおよび記憶を制御し、記憶された計数値の外部への転送を制御する。制御回路１７０は、複数のメモリ１５０ａ、１５０ｂのうち異なるメモリを用いて、計数値の読み出しおよび転送を重なる時間帯に行なう。このようにして、異なるフレームの計数値の読み出しおよび転送を同時に行なう時間があることで、露光、読み出しおよび転送の一連の動作を短縮でき、フレームレートを向上できる。制御回路は、外部機器からトリガ信号を受けたタイミングで、複数のカウンタのうちパルスを計数するカウンタを切り換え、連続露光を行なってもよい（詳細は後述）。

（放射線検出器の動作）
（１）従来の動作
図２（ａ）～（ｃ）は、いずれも従来の放射線検出器８００の動作を示す概略図である。図２（ａ）～（ｃ）に示すように、従来の放射線検出器８００は、センサ８１０、読み出し回路８２０、切り換え回路８２５、メモリ８５０および転送回路８６０を備えている。読み出し回路８２０は、さらに検出回路８３０ａ、８３０ｂおよびカウンタ８４０ａ、８４０ｂを備えている。

放射線検出器８００は、１つのメモリ８５０しか有していないため、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、回路の切り換えによりカウンタ８４０ａ、８４０ｂからの計数値をそれぞれメモリ８５０で読み出す。このカウンタの切り換えにより、同時に撮影したフレームの計数値を一つのメモリ８５０で受け付けている。次に、図２（ｃ）に示すように、メモリ８５０から転送回路８６０へ計数値を転送する。そして、以上の動作を繰り返す。

このような場合には、メモリ８５０から１つのフレームの計数値を転送している間に、次のフレームの計数値をメモリ８５０へ読み出すことは不可能であり、読み出しと転送とを交互に行なう必要がある。

（２）本発明の動作
一方、放射線検出器１００は、２つのメモリ１５０ａ、１５０ｂを有しており、読み出しと転送とを同時に行なえる。図３（ａ）～（ｃ）、図４（ａ）～（ｃ）は、いずれも放射線検出器の一連の動作を示す概略図である。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、まずメモリ１５０ａはカウンタ１４０ａ、１４０ｂから計数値を読み出す。その際に、カウンタ１４０ａ、１４０ｂは切り換え回路１２５で切り換える。そして、図３（ｃ）に示すように、切り換え回路１５５を切り換え、メモリ１５０ａは転送回路１６０に計数値を転送する。同時に切り換え回路１５４を切り換え、カウンタ１４０ａからメモリ１５０ｂへの計数値の読み出しを可能にする。

次に、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、メモリ１５０ａは計数値を転送回路１６０へ転送しつつ、メモリ１５０ｂは新たなフレームの計数値をカウンタ１４０ａ、１４０ｂから読み出す。カウンタ１４０ａ、１４０ｂは切り換え回路１２５で切り換える。このとき、転送と読み出しを同時に行なえる。

そして、図４（ｃ）に示すように、切り換え回路１５４、１５５を切り換える。これにより、メモリ１５０ｂから転送回路１６０に計数値を転送する。同時にカウンタ１４０ａからメモリ１５０ａへの計数値の読み出しを可能にする。以上の動作を繰り返すことで、データの転送と読み出しを同時に行なえ、フレーム処理の効率化を図ることができる。

（フローチャート）
上記の放射線検出器１００の動作をフローチャートで説明する。図５は、放射線検出器１００の動作を示すフローチャートである。まず、シャッタを開けて、試料に対して放射線を照射する（ステップＳ１）。検出面に入った放射線の粒子がセンサ１１０により検出されるとパルスが発生する。そして、カウンタ１４０ａ、１４０ｂで放射線のパルスを計数し、計測を開始する（ステップＳ２）。メモリ１５０ａ、１５０ｂのいずれかで、計数を終了したカウンタ１４０ａ、１４０ｂから計数データの読み出しを開始する（ステップＳ３）。

次に、測定が終了したか否かで分岐し（ステップＳ４）、測定が終了していない場合には、図３（ｃ）に示すように、読み出したメモリ１５０ａが計数値を転送するとともに、カウンタ１４０ａ、１４０ｂが次のフレームの計数を開始する（ステップＳ５）。カウンタ１４０ａ、１４０ｂの計数が終了したら、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、計数を読み出したメモリ１５０ａが転送を続けながら、もう一方のメモリ１５０ｂがカウンタ１４０ａ、１４０ｂから計数を読み出し（ステップＳ６）、ステップＳ４に戻る。

ステップＳ４において、測定が終了した場合には、最後に計数値を読み出したメモリ１５０ｂが計数値を転送し（ステップＳ７）、一連の動作を終了する。なお、以上の動作は、例えば外部のＰＣで行なうことも可能であるが、放射線検出器１００内の回路により行なうことが好ましい。

（タイミングチャート）
このような動作を、タイミングチャートを用いて、従来の動作と比較して説明する。図６（ａ）は、従来の放射線検出器における各動作タイミングチャートである。図６（ａ）においては、縦軸が各種機能を表し、横軸が時間を表している（図１４（ａ）、（ｂ）についても同様）。

（１）従来の回路
従来の回路は、１つの放射線検出器に対してメモリを一つのみ備えている。図６（ａ）において、まず制御回路からの制御信号があると、シャッタを開けて露光し、カウンタにより計数する。露光時間ｅが終わり次第、カウンタ８４０ａ、８４０ｂで得られた計数値をメモリ８５０で読み出す。この際の読み出し時間はＲｔで表される。

「Ｅｘｐｏｓｕｒｅ」は、放射線への露光を表しており、「ｅ」は、各フレームの露光時間を表している。基本的に放射線への露光は、制御回路からの制御信号で行なう。図に示すように、「ｅ」の間、放射線のパルスを計数し、その時間が終わり次第、同時にメモリ８５０は計数値を読み出す。読み出しが終了したら、メモリ８５０内で計数値のデータを整列し、実空間配置へ変更する。このデータの整列の時間は、図中に表示しているものの、他の動作に比べて著しく短いため無視してよい。その後、メモリ８５０は、計数値を転送回路に送り、転送回路は、計数値を外部のＰＣ等に転送する。この転送時間は、図中のＴｔで表される。メモリ８５０が読み出しをしている間は、次のフレームの露光はできない。フレーム転送の一周期はＲｔ＋Ｔｔ、フレームレートは１／（Ｒｔ＋Ｔｔ）で表される。

（２）本発明の回路
図６（ｂ）は、放射線検出器１００における各動作のタイミングチャートである。放射線検出器１００は、２つのメモリ１５０ａ、１５０ｂを備えている。制御回路からの制御信号があると、シャッタを開けて露光し、カウンタ１４０ａ、１４０ｂにより計数する。

基本的に放射線のシャッタの開閉は、制御回路１７０からの制御信号で行なう。図に示すように、「ｅ」の間、放射線のパルスを計数し、その時間が終わり次第、同時にメモリ１５０ａは計数値を読み出す。この際の読み出し時間はＲｔで表される。読み出しが終了したら、メモリ内で計数値のデータを整列する。この時間は、図中に表示しているものの、他の動作に比べて著しく短く無視して考えてよい。その後、メモリは、計数値を転送回路に送り、転送回路は、計数値を外部のＰＣ等に転送する。この転送時間は、図中のＴｔで表される。

放射線検出器１００では、メモリ１５０ａが転送の動作で占められている時間、次のフレームの露光を進めることができる。すなわち、メモリ１５０ａが計数値の転送中に、メモリ１５０ｂが次のフレームを読み出すことが可能である。フレーム転送の一周期はＲｔまたはＴｔに短縮でき、フレームレートは１／（Ｒｔ）または１／（Ｔｔ）となる。露光の最小間隔時間についてもフレーム転送の一周期と同様である。

（リングバッファ利用の場合との相違）
リングバッファ（Ring Buffer）とは、概念的に環状に配置された１つのメモリ領域を指す。リングバッファには、リングバッファ上を時計回りに進む書き込みポインタと読み込みポインタがある。書き込みポインタ経由でリングバッファにデータを書き込むと、書き込みポインタが進む。読み込みポインタ経由でリングバッファからデータを読み込むと、読み込みポインタが進む。リングバッファに保存された情報は複数のバンクに分けて管理される。

このように構成されるリングバッファを利用して放射線検出器１００と同等の構成が可能かを考察する。図７（ａ）、（ｂ）は、いずれもリングバッファを用いた放射線検出器９００の動作を示す概略図である。放射線検出器９００は、読み出し回路９２０、メモリ９５０、インタフェース９６５を有している。メモリ９５０は、リングバッファであり、バンク９５０ａ、９５０ｂが設けられている。

図７（ａ）に示すように、１枚目のフレームをバンク９５０ａへ書き込むことは可能である。また、図７（ｂ）に示すように、２枚目の画像をバンク９５０ｂへ書き込むことも可能である。しかし、基本的にリングバッファへの書き込みと読み出しは同時にできない。したがって、メモリは同時に読み書きができず、バンク９５０ｂへの書き込みと同時にバンク９５０ａから１枚目のフレームをインタフェース９６５へ転送はできない。

これに対し、放射線検出器１００は、物理的に複数個の独立したメモリを用い、並列化している。図８（ａ）～（ｃ）は、いずれも放射線検出器１００の動作を示す概略図である。放射線検出器１００は、読み出し回路１２０、メモリ１５０ａ、１５０ｂ、インタフェース１６５を有するものとして簡略的に表されている。インタフェース１６５は、転送回路１６０と外部をつなぐ接続部を示している。

図８（ａ）～（ｃ）に示すように、放射線検出器１００は、１枚目の画像をメモリ１５０ａへ書き込み、２枚目の画像をメモリ１５０ｂへ書き込みつつ、メモリ１５０ａから１枚目の画像をインタフェース１６５へ転送する。そして、３枚目の画像はメモリ１５０ａへ書き込みつつ、メモリ１５０ｂから２枚目の画像をインタフェース１６５へ転送する。このように、放射線検出器１００では、１つのメモリにアクセスして書き込んでいるときでも違うメモリでは読み出しができる。

（ＱＤＲメモリ利用の場合との相違）
ＱＤＲ（Quad Data Rate、登録商標）メモリは、通信ネットワーク向け高速ＳＲＡＭとして開発された記憶保持動作が不要な随時書き込み読み出しメモリである。ＱＤＲメモリは、読み出しと書き込みが同時にできる。

メモリ１５０ａ、１５０ｂに代えてＱＤＲメモリを用いても同じ機能を実現できるが、ＱＤＲメモリを制御する特殊な回路、例えば書き込みと読み出しが同一アドレスにできないような排他回路等が必要になり、基本的には外付けのデバイスとしてしか入手できない。したがって、ＱＤＲメモリを用いる場合には、一定の基板面積およびバス幅が必要となる。例えばリガク製ＨｙＰｉｘ（登録商標）のようなコンパクトな放射線検出器の筐体には入らない。また、ＱＤＲメモリを用いると、書き込みにより必要な情報が書き換わる可能性があり、その点でも放射線検出器への利用は好ましくない。

［第２の実施形態］
上記の実施形態では、２つのメモリが設けられ、それらの間で計数の読み出しまたは転送をするメモリが切り換えられているが、３以上のメモリで切り換えてもよい。これにより、転送時間が長くかかる場合であっても次々に読み出しを進めることができ、フレームレートが向上する。その結果、転送時間に依存する可能性は低くなる。

図９（ａ）～（ｃ）は、いずれも４つのメモリを備える放射線検出器２００の動作を示す概略図である。放射線検出器２００は、読み出し回路１２０、メモリ２５０ａ～２５０ｄ、インタフェース１６５を有するものとして簡略的に表されている。

まず、１枚目のフレームをメモリ２５０ａへ書き込む。次に、２枚目のフレームをメモリ２５０ｂへ書き込みつつ、メモリ２５０ａから１枚目のフレームをインタフェース１６５へ転送する。３枚目のフレームをメモリ２５０ｃへ書き込みつつ、メモリ２５０ａから転送終了後にメモリ２５０ｂから２枚目のフレームをインタフェース１６５へ転送する。

このように、読み出し時間Ｒｔが転送時間Ｔｔに比べて短い場合には、読み出しが４つのメモリ２５０ａ～２５０ｄを２巡、３巡していずれ転送時間がネックになるときまではフレームレートを速くすることができる。その結果、フレームレートが転送時間に依存する可能性は低くなる。

［第３の実施形態］
（単結晶構造解析装置への応用）
上記のような放射線検出器をＸ線分析装置に組み込むことができる。図１０は、Ｘ線分析装置３００の構成を示す平面図である。Ｘ線分析装置３００は、回折Ｘ線像を撮影するための単結晶構造解析装置であり、Ｘ線源３１０、試料台３２０、アーム３３０、制御部３４０および放射線検出器１００を備えている。Ｘ線源３１０は、Ｘ線を試料Ｓ０に照射している。

試料台３２０およびアーム３３０は、連動しており、制御部３４０の制御により一定の速度で試料Ｓ０回りを回転させることができる。放射線検出器１００は、アーム３３０の端部に設けられており、アーム３３０とともに試料Ｓ０回りの移動が制御されている。

制御回路１７０により切り換え回路を制御し、複数のメモリ１５０ａ、１５０ｂのうち計数値を読み出すメモリと転送するメモリを切り換える。これにより、高い時間分解能で単結晶構造解析が可能になる。

［第４の実施形態］
（製造ラインへの応用）
図１１は、放射線検出器を用いたＸ線分析装置の構成を示す側面図である。Ｘ線分析装置４００は、Ｘ線による検査が可能な製造ラインであり、Ｘ線源４１０、ローラ４２０、ベルト４２５、制御部４４０および放射線検出器１００を備えている。Ｘ線源４１０は、シャッタレスであり、連続してＸ線を製品Ｓ１に照射している。

ローラ４２０の回転によりベルト４２５が動き、図中矢印の方向に製品Ｓ１が移動する。制御部４４０の制御によりベルト４２５は一定の速度で移動する。放射線検出器１００は、ベルト４２５および製品Ｓ１を挟んでＸ線源４１０の反対側に設けられており、ベルト４２５とともに製品Ｓ１の移動が制御されている。

Ｘ線分析装置４００は、上記のような放射線検出器１００を有することで、例えば、制御部４４０から移動速度に応じた制御信号を受けて製品Ｓ１の画像を撮影できる。その場合、フレームレートを大きくすることができるため、製品の移動速度を上げ、工程の処理効率を上げることができる。

［第５の実施形態］
（放射線検出器の構成）
上記の実施形態では、１つの検出回路に対して１つのカウンタが設けられているが、１つの検出回路に対して複数のカウンタが切り換え可能に設けられていてもよい。この場合には、カウンタを切り換えることで露光のデッドタイムをゼロにでき、連続露光が可能となる。図１２は、２つのカウンタを備える放射線検出器の構成を示す概略図である。

放射線検出器５００は、カウンタ５４１、５４２、切り換え回路５４４、５４５および制御回路５７０以外は、放射線検出器１００と同様に構成される。カウンタ５４１、５４２は、それぞれ同等の機能を有し、パルスを計数することができる。なお、図１２に示す例では、一つの検出回路１３０に対して２つのカウンタ５４１、５４２が設けられているが、３以上のカウンタが設けられていてもよい。

制御回路５７０は、外部機器７００から同期信号を受けたときに、一つの検出回路に対して複数のカウンタ５４１、５４２の中でパルスを計数するカウンタを切り換える。これにより、連続的に放射線が入射する露光状態を維持しデッドタイムを生じさせずに放射線を検出できる。制御回路５７０は、制御回路１７０と同様に、切り換え回路１５４、１５５の接続を制御し、計数値の読み出しおよび記憶、記憶された計数値の外部への転送を制御する。

外部機器７００からの同期信号としては、例えば、時間または位置を特定するトリガ信号を受けることができる。これにより、例えば外部機器の動作タイミング、ゴニオメータのアームの移動指示信号や所定時間ごとの信号または解析対象の位置に応じたカウンタ切り換えが可能になる。

（放射線検出器の動作）
図１３（ａ）～（ｄ）は、いずれも放射線検出器の動作を示す概略図である。なお、実際には図１２に示す構成と同様であるが、簡単のため単一の検出回路で表している。図１３（ａ）、（ｂ）に示すように、切り換え回路５４４の接続によりカウンタ５４２はパルスを計数し、すでにカウンタ５４１で計数された計数値は、切り換え回路５４５の接続によりメモリ１５０ａが読み出す。

次に、図１３（ｃ）に示すように、切り換え回路５４４、５４５、１５４、１５５の接続をいずれも切り換える。これにより、検出回路１３０に接続されたカウンタ５４１がパルスを計数し、すでにカウンタ５４２で計数された計数値は、メモリ１５０ｂが読み出す。同時に、メモリ１５０ａは読み出した計数値を転送する。

そして、図１３（ｄ）に示すように、切り換え回路５４４を切断し、切り換え回路５４５、１５４、１５５の接続をいずれも切り換える。これにより、カウンタ５４１で計数した計数値は、メモリ１５０ａが読み出す。一方、メモリ１５０ｂは読み出した計数値を転送する。このような動作を繰り返すことで、フレームレートを向上しつつ連続露光を行なうことができる。

（タイミングチャート）
図１４は、２つのカウンタ５４１、５４２を備える放射線検出器の動作のタイミングチャートである。図１４に示す共通制御信号は、放射線のシャッタの開閉の信号と外部機器からのトリガ信号を示している。図に示すように、シャッタは常に開いている状態を維持している。

図１３（ａ）～（ｄ）に示す例では、２つのカウンタを用いてそれらを交互に切り換え、デッドタイムなく連続露光して放射線を検出している。カウンタ５４１がトリガ信号の立ち上がりエッジで計数を開始している。また、カウンタ５４２は、最初は待機し、次のトリガ信号の立ち上がりエッジでカウンタの切り換えを行ない、計数を開始している。また、切り換えと同時に、計数を終えたカウンタ５４１の読み出しを開始している。以降、トリガ信号の立ち上がりエッジを利用して、交互にカウンタの切り換えおよび計数データの読み出しを行なうことができる。カウンタ５４１とカウンタ５４２の計数時間がデッドタイム無く連続している。

図１５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ従来の放射線検出器および放射線検出器５００における各動作タイミングチャートである。従来の放射線検出器に対して放射線検出器５００がメモリを切り換える点は、図６（ａ）、（ｂ）に示す例と同様である。また、いずれのタイミングチャートにおいてもカウンタの切り換えにより露光が途切れない。これにより、フレームレートを向上しつつ、連続露光を行なうことができるため、例えば後述のように従来は困難だった電子ビームのバンチ構造の観測が容易になる。

［第６の実施形態］
本発明の放射線検出器は、Ｘ線光子相関分光法（X-ray photon correlation spectroscopy (XPCS)）に用いるのに好適である。物質に位相の揃ったコヒーレントＸ線を入射すると、局所的な構造情報に対応した斑点状の散乱像(スペックルパターン）が現れる。測定中に平均的な構造は変わらなくとも、局所的な構造の変化や揺らぎが生じることでスペックルパターンは揺らぐ。このスペックルパターンを時分割測定することで、構造の時間変化に関する情報が得られる。Ｘ線光子相関分光法とは、このような原理で運動性を評価する手法である。

Ｘ線光子相関分光法では、自己相関関数を用いて散乱強度の時間揺らぎを解析し、試料中の電子密度分布の時間揺らぎを解析する。これにより、ナノメータースケールの構造揺らぎ(ダイナミクス)を生じる系において、不均一領域のサイズ分布や運動の平均速度に関する情報が得られる。

自己相関関数は、任意の時間（ｔ）における散乱強度Ｉ（ｔ）を基準とし、（Ｔ）時間後の散乱強度Ｉ（ｔ＋Ｔ）との相関を表している。強度は粒子の位置パターンに関係するので、異なる２つの時間における強度間に高い相関関係がある場合、その２測定間で粒子がそれほど離れた位置へ移動していないことを意味する。

Ｔが小さい時には粒子はあまり移動していないので、散乱光強度の変化は小さくなり相関は高くなる。Ｔが大きくなると粒子の位置は不確定になるので、散乱強度もランダムになり、相関は低くなる。このため、測定で得られる自己相関関数は指数関数的な減衰曲線になる。

図１６（ａ）、（ｂ）は、それぞれフレームレートの低い検出器で測定した時間に対する散乱強度およびその自己相関関数ｇ２を示すグラフである。また、図１７は、自己相関関数におけるＴが小さい領域を示すグラフである。Ｔが限りなく小さいときの自己相関関数値は測定が不可能なため、粒子があまり移動していないと推測できるが、フレームレートの早い検出器があれば、図１７に示すＴが小さい領域６００が実測可能となる。このようなＴが小さい領域はフレームレートが早ければ早いほど、自己相関関数の値として確認できる。

図１８（ａ）、（ｂ）は、それぞれフレームレートの高い検出器で測定した時間に対する散乱強度およびその自己相関関数ｇ２を示すグラフである。図１８（ａ）、（ｂ）に示すように、本発明の検出器によれば、フレームレートが向上することで、今まで実測できなかったＴの小さい領域が確認できることになる。

［第７の実施形態］
（大型放射光施設への応用）
本発明の放射線検出器は、電子を加速・貯蔵するための加速器群と発生した放射光を利用するための実験施設および各種付属施設を備えるＳｐｒｉｎｇ－８のような大型放射光施設で利用するのに適している。その場合には、大型放射光施設の放射光検出装置の一部として本発明の放射線検出器が組み込まれる。

例えば、Ｓｐｒｉｎｇ－８では、電子銃から発生した電子ビームを、線型加速器により１ＧｅＶまで加速した後、シンクロトロンに導入して８ＧｅＶまで加速する。この電子ビームを蓄積リングに導入し、８ＧｅＶのエネルギーを維持させながら、偏向電磁石や挿入光源により放射光を発生させる。発生した放射光は、ビームラインを通して、蓄積リング棟内外に設けられた実験ステーションに導かれる。なお、電子ビームは、基本的にリングの中に連続的に存在するのではなく、バンチと呼ばれる塊となって存在している。

図１９は、蓄積リング中のフィリングパターンの一例を示す図である。また、図２０は、時間に対してバンチの検出電流を示す図である。具体的にはＳｐｒｉｎｇ－８の２０１８Ａ（２０１８年前期）セベラルバンチ運転モード（Ｅモード）のフィリングパターンを示している。図１９に示すフィリングパターンには、点状の電子の塊であるシングルバンチＳＢ１と線状に電子の塊が連なったトレインバンチＴＢ１が現れている。この運転モードでのバンチの飛来間隔は１６５．２ｎｓｅｃであり、図２０に示すように、上記の時間間隔で台形状のトレインバンチとピーク状のシングルバンチが表れている。

本発明の放射線検出器では、露光の最小間隔時間を短縮できることから、放射光施設のバンチ構造と検出器の動作の同期を取ることにより、バンチ構造を確認することが可能となる。

［実験］
本発明の放射線検出器を用いてＳｐｒｉｎｇ－８の放射光を検出した。放射光の１周時間は４．７９０８μｓｅｃ、カウント率は約１００Ｍｃｐｓである。このようなバンチ運転モードに対し、１回の最少露光時間１１０ｎｓｅｃの放射線検出器、読み出し時間が９５．８１６μｓｅｃの読み出し回路（ＲＯＩＣ）および１または２個のメモリを備える放射線検出器でバンチを検出した。

その結果、１個のメモリの放射線検出器を用いた場合には、４０周（１９１．６３２ｕｓｅｃ）に５．２ｋｆｐｓのフレームレートで１回の露光を検出できた。一方、２個のメモリの放射線検出器を用いた場合には、２０周（９５．８１６ｕｓｅｃ）に１０．４ｋｆｐｓのフレームレートで１回の露光を検出できた。

図２１は、フィリングパターンに対し２個のメモリを用いた場合に検出されたＸ線強度ピークを示す図である。図２１に示すように、平坦なバンチ間のＸ線強度に対し、十分な精度でシングルバンチＳＢ１およびトレインバンチＴＢ１のＸ線強度ピークを撮影できた。

１００、２００、５００ 放射線検出器
１１０ センサ
１２０ 読み出し回路
１２５、１５４、１５５、５４４、５４５ 切り換え回路
１３０ａ、１３０ｂ、１３０ 検出回路
１４０、１４０ａ、１４０ｂ、５４１、５４２ カウンタ
１５０ａ、１５０ｂ、２５０ａ～２５０ｄ メモリ
１６０ 転送回路
１６５ インタフェース
１７０、５７０ 制御回路
Ｒｔ 読み出し時間
Ｔｔ 転送時間
３００、４００ Ｘ線分析装置
３１０、４１０ Ｘ線源
３２０ 試料台
３３０ アーム
３４０、４４０ 制御部
４２０ ローラ
４２５ ベルト
Ｓ０ 試料
Ｓ１ 製品
６００ Ｔが小さい領域
７００ 外部機器
ＳＢ１ シングルバンチ
ＴＢ１ トレインバンチ

Claims (5)

1. 放射線を検出し、検出データをフレームごとに外部へ転送する放射線検出器であって、
   露光により放射線の粒子が検出されたときにパルスを発生させるセンサと、
   前記発生したパルスを計数する複数のカウンタを備え、前記発生したパルスの読み出しの機能を有する読み出し回路と、
   前記読み出し回路には含まれず、前記カウンタでなされた計数値を１フレーム毎にそれぞれ読み出し記憶する複数のメモリと、
   前記記憶された１フレーム毎の計数値を外部へ転送させる制御回路と、を備え、
   前記制御回路は、前記計数値の読み出しおよび転送のそれぞれを行うメモリの切り換えを制御し、前記複数のメモリのうち異なるメモリを用いて、前記計数値の読み出しおよび転送を重なる時間帯に行ない、
   前記複数のメモリのそれぞれは、互いに独立し、かつ、同一アドレスの書込みおよび読出しを同時にできないことを特徴とする放射線検出器。
2. 前記複数のメモリは、３つ以上のメモリであることを特徴とする請求項１記載の放射線検出器。
3. 前記制御回路は、外部機器からトリガ信号を受けたタイミングで、前記複数のカウンタのうち前記パルスを計数するカウンタを切り換え、連続露光を行なうことを特徴とする請求項１または請求項２記載の放射線検出器。
4. 放射線を検出し、検出データをフレームごとに外部へ転送する放射線検出方法であって、
   露光により放射線の粒子が検出されたときにパルスを発生させるステップと、
   前記発生したパルスの読み出しの機能を有する読み出し回路が備える複数のカウンタで前記発生したパルスを計数するステップと、
   前記読み出し回路には含まれない複数のメモリで、前記カウンタで得られた計数値を１フレーム毎にそれぞれ読み出し記憶するステップと、
   前記記憶された１フレーム毎の計数値を外部へ転送させるステップと、を含み、
   前記転送のステップでは、前記計数値の読み出しおよび転送のそれぞれを行うメモリの切り換えを制御し、前記複数のメモリのうち異なるメモリを用いて、前記計数値の読み出しおよび転送を重なる時間帯に行ない、
   前記複数のメモリのそれぞれは、互いに独立し、かつ、同一アドレスの書込みおよび読出しを同時にできないことを特徴とする放射線検出方法。
5. 前記放射線は、加速された電子から発生する放射光であり、
   前記検出は、放射光検出装置により行なうことを特徴とする請求項４記載の放射線検出方法。

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