JP7217528B2 - 処理装置、システム、ｘ線測定方法およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、フォトン・カウンティング型の半導体検出器による処理装置、システム、Ｘ線測定方法およびプログラムに関する。

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は、所定の時間に検出されたパルス信号の強度が閾値を超えた回数をパルス信号の個数として計数することにより、Ｘ線の強度を測定する。しかしながら、パルス信号の強度が閾値を超えている状態で次のパルス信号が発生すると、そのパルス信号を計数することができず、数え落としが生じる。Ｘ線の強度が強すぎる場合、数え落としが頻発し、その結果、測定されたＸ線の強度が、実際のＸ線の強度よりも低く見積もられてしまう。

このような数え落としの影響を減らす方法として、測定した計数値を補正する方法が検討されている（例えば特許文献１）。また、測定時に計数値が真のカウントに近くなるようにパルスを計数する方法も考えられる（例えば特許文献２）。

特許文献１は、放射線検出器１により出力されたアナログパルス信号が所定の条件を満たす場合にデジタルパルス信号を出力する波高弁別器３とシグナルチャンネル波高分析器４を備える放射線測定装置が開示されている。特許文献１記載の放射線測定装置は、第１のカウンタ５と第２のカウンタ６のそれぞれから出力されたデジタルパルス信号を計数し、計数値Ｍ、Ｐを出力し、演算器７は、計数値Ｍ、Ｐから得られる計数率ｍ、ｐに対して、メモリ８に格納された数え落とし補正テーブル８１、８２を参照して数え落とし補正および誤計数補正を行っている。補正テーブルは、実験的に発生させた擬似信号パルスでダブルパルスを近接させてパイルアップの分解時間ｔ１、および誤計数が発生する近接時間ｔ２を求めて、１次補正計数率ｎおよび２次補正計数率（ｎ－ｑ）を求めている。

特許文献２は、検出器アレイのセル内に調整可能な不感時間を備えた即時リトリガ能力を適用することによって改善された高率計数性能を備えた光子計数イメージングのための方法および装置が開示されている。すなわち、特許文献２記載の方法および装置は、信号パルスが最初に閾値を上回ったあと閾値を上回る限り、その信号パルスの閾値を上回っている時間に含まれる所定の幅の不感時間間隔の数を計数し、それを、その信号パルスの閾値を上回っている時間に到着した光子の数とみなすことで、数え落としの影響を低減している。

特開２０１２－０１３５６３号公報 特表２０１４－５２７１６２号公報

しかしながら、特許文献１の放射線測定装置は、補正テーブルが、実験的に発生させた擬似信号パルスでダブルパルスを近接させてパイルアップの分解時間ｔ１、および誤計数が発生する近接時間ｔ２を求めて補正しているため、３つ以上のパルスの近接が頻発する程度まで計数率が上昇したときに、補正の精度が十分でなくなる。また、特許文献２の方法は、計数率の上昇に対して不感時間が一定であるため、計数率の上昇に伴い、補正の精度が十分でなくなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来の方法でカバーできなかった高い計数率に対しても数え落としの影響を減殺できる処理装置、システム、Ｘ線測定方法およびプログラム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、本発明の処理装置は、フォトン・カウンティング型の半導体検出器により、入射Ｘ線のパルス信号をカウントして読み出された出力値を記憶する記憶部と、前記読み出された出力値に基づいて計数値を算出する算出部と、を備え、前記算出部は、露光に対するパルス検出率の増加に対し、前記パルス信号の見かけ上の時定数が単調減少するモデルを用いることを特徴としている。

このようなパルス検出率の増加に対しパルス信号の見かけ上の時定数が単調減少するモデルでは、どれだけ高い計数率であっても対応する見かけ上の時定数が得られる。その結果、従来の方法でカバーできなかった高い計数率に対しても数え落としの影響を減殺できる。

（２）また、本発明の処理装置において、前記パルス検出率は、前記露光に対し前記パルス信号が検出された合計時間と前記露光の合計時間との比に相当することを特徴としている。これにより、短い周期で短い単位時間で露光できる検出器を用いて容易にパルス検出率を算出できる。

（３）また、本発明の処理装置において、前記見かけ上の時定数は、前記パルス検出率がゼロである場合に本来の時定数であることを特徴としている。これにより、モデル上で露光に対するパルスの重複がない場合には数え落としへの影響がなく、モデルが現実に即したものとなる。

（４）また、本発明の処理装置において、前記見かけ上の時定数は、前記パルス検出率が１である場合に本来の時定数と１より小さい定数との積であることを特徴としている。これにより、モデル上は計測可能な最大の出力値に対しても計数を算出できる。

（５）また、本発明の処理装置において、前記記憶部は、前記パルス信号の時定数を記憶し、前記算出部は、前記モデルを用いる際に、前記記憶された時定数を読み出して利用することを特徴としている。これにより、計数値の算出の際に時定数を読み出し利用することができる。

（６）また、本発明のシステムは、前記半導体検出器と、上記（１）から（５）のいずれかに記載の処理装置と、を備えることを特徴としている。これにより、半導体検出器から得られる出力値を用いて処理装置で計数値を算出できる。

（７）また、本発明のシステムにおいて、前記半導体検出器が、前記パルス信号の時定数より短い時間で露光することを特徴としている。これにより、高い時間分解能で、物理現象を観察できる。また、一回の露光で３以上のパルスを検出することがなくなり、読み出しの負担が軽減される。また、出力値の読み出しは、２ビットのモードで十分となり、読み出し時間を短縮できる。

（８）また、本発明の処理装置において、前記計数値の算出では、前記パルス信号の時定数と前記露光の単位時間とを足した時間で前記パルス信号をカウントしたものとして、前記計数値を補正することを特徴としている。これにより、実質的な露光時間で検出された計数値を得ることができる。

（９）また、本発明のＸ線測定方法は、フォトン・カウンティング型の半導体検出器により、入射Ｘ線のパルス信号をカウントし出力値を読み出すステップと、前記読み出された出力値に基づいて計数値を算出するステップと、を含み、前記計数値の算出では、露光に対するパルス検出率の増加に対し、前記パルス信号の見かけ上の時定数が単調減少するモデルを用いることを特徴としている。これにより、高い計数率に対しても数え落としの影響を減殺できる。

（１０）また、本発明のプログラムは、フォトン・カウンティング型の半導体検出器により、入射Ｘ線のパルス信号をカウントし出力値を読み出す処理と、前記読み出された出力値に基づいて計数値を算出する処理と、をコンピュータに実行させ、前記計数値の算出処理では、露光に対するパルス検出率の増加に対し、前記パルス信号の見かけ上の時定数が単調減少するモデルを用いることを特徴としている。これにより、高い計数率に対しても数え落としの影響を減殺できる。

本発明によれば、従来の方法でカバーできなかった高い計数率に対しても数え落としの影響を減殺できる。

本発明のＸ線検出システムの構成の一例を示す概略図である。 実施形態に係るＸ線検出器の構成を示す概略図である。 実施形態に係る処理装置の機能的な構成を示すブロック図である。 本発明のＸ線測定方法における、パルスの入力に対する出力値のカウントタイミングを示す概略図である。 パルスが重なった場合のパルス高さを示すグラフである。 露光時間δｔと時定数τとの関係を示す概念図である。 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。 時定数の測定における蓄積リング中のフィリングパターンおよび露光開始位置を示す図である。 露光時間に対する各カウントのイベントの単位時間当たりの回数を表すグラフである。 Ｒｉｓｉｎｇ Ｅｄｇｅをカウントする方法を示す概略図である。 露光時間δｔ、時定数τ、および読み出し時間の関係を示す概念図である。 シミュレーションの結果を表すグラフである。 大型放射光施設での実験の結果を表すグラフである。 Ｘ線反射率法による実験の結果を表すグラフである。

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。

［実施形態］
（検出システムの構成）
図１は、Ｘ線検出システム１０の構成の一例を示す概略図である。図１に示すようにＸ線検出システム１０は、Ｘ線源２０、試料Ｓ、Ｘ線検出器１００および処理装置２００で構成されている。

Ｘ線源２０は、例えば、陰極であるフィラメントから放射された電子束を対陰極であるロータターゲットに衝突させてＸ線を発生させる。ロータターゲットの外周面には、例えば、ＭｏまたはＣｕのような金属が設けられている。Ｍｏターゲットに電子が衝突したとき、特性線であるＭｏＫα線（波長０．７１１Å）を含むＸ線が放射される。Ｃｕターゲットに電子が衝突したとき、特性線であるＣｕＫα線（波長１．５４２Å）を含むＸ線が放射される。Ｘ線源２０から放射されるＸ線は、いわゆるポイントフォーカスのＸ線ビームである。

試料Ｓは、試料支持装置により支持されている。Ｘ線検出器１００は、例えば試料Ｓで回折された回折線のようなＸ線を検出する。処理装置２００は、検出された出力値を処理し、計数値を算出する。Ｘ線検出器１００および処理装置２００の詳細については、後述する。なお、露光に対するパルス検出率の増加に対し、パルス信号の見かけ上の時定数が単調減少するモデルを用いた計数値の算出が、本発明において特徴的な工程である。以下の説明では、この工程を基本的に処理装置２００内で行うことを前提に説明しているが、Ｘ線検出器１００内で行うこともできる。

（Ｘ線検出器の構成）
図２は、Ｘ線検出器１００の構成を示す概略図である。Ｘ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。Ｘ線検出器１００は、Ｘ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。なお、Ｘ線検出器１００は、１次元検出器または０次元検出器であってもよい。

図２に示すように、Ｘ線検出器１００は、センサ１１０、読み出し回路１２０、メモリ１５０、転送回路１６０および制御回路１７０を備えている。なお、図２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、Ｘ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、ゲート１２５、検出回路１３０およびカウンタ１４０を備えている。

センサ１１０は、露光によりＸ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。

ゲート１２５は、ゲート開放時間の間だけパルスを検出回路１３０へ通過させる。本明細書では、ゲート１２５の開放時間を露光時間δｔという。ゲート１２５の開閉は、電子シャッターで行なう。露光時間δｔを短くすると時間分解能が上がり、より精度よく測れるため、露光時間δｔは短いほうがよい。例えば、露光時間δｔを後述するパルス信号の時定数τより短くすると、一回の露光で３以上のパルスを検出することがなくなり、読み出しの負担が軽減されるため好ましい。露光時間δｔはハードウェアの機能の限界により下限が定まるが、例えば、クロック周波数を高くすることや、ゲート制御の命令系をその他の制御とは別系統にして、１ビットで命令をすること、ＣＰＵの内部でゲート制御だけクロックをｎ倍（例えば１０倍）にすることなどで、下限を下げることができる。

検出回路１３０は、パルスが閾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１４０へ送出する。カウンタ１４０は、送出された電圧信号をパルスの個数として計数し出力値として出力することができる。メモリ１５０は、カウンタ１４０で計数された出力値をカウンタ１４０から読み出し記憶する。読み出しのタイミングは、基本的にゲート１２５を閉じた直後でよいが、待ち時間をおいて読み出すことも可能である。メモリ１５０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。また、メモリ１５０は、露光の合計時間または露光回数を記憶する。

なお、検出回路は１つのセンサに対して複数存在してもよい。複数の検出回路を備える場合、検出回路ごとにカウンタを備える。また、複数の検出回路を備える場合、パルスの判定に用いる閾値を、検出回路ごとに異なるものとすることもできる。

また、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ってもよい。複数のメモリを備える場合、１のメモリを読み出している間にも、ゲートを開放し、露光することができるため、デューティー比を高くすることができる。また、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。

転送回路１６０は、メモリ１５０に記憶された出力値および露光時間の合計または露光回数を処理装置２００へ転送する。制御回路１７０は、露光の合計時間または露光回数を、メモリ１５０に記憶させる。また、制御回路１７０は、ゲート１２５の開閉を制御し、出力値の読み出しおよび記憶を制御し、記憶された出力値および露光の合計時間または露光回数の処理装置２００への転送を制御する。

（処理装置の構成）
図３は、処理装置２００の構成を示すブロック図である。処理装置２００は、測定データ管理部２１０、記憶部２２０、算出部２３０、補正部２４０を備えており、Ｘ線検出器１００で検出されたＸ線の出力値、および、露光の合計時間または露光回数に基づいて計数値または計数率を算出する。

測定データ管理部２１０は、記憶部２２０、算出部２３０、および補正部２４０で扱われるデータを管理する。測定データ管理部２１０は、Ｘ線検出器１００のメモリ１５０に記憶された出力値、および、露光の合計時間または露光回数を、転送回路１６０を通じて受け取り、記憶部２２０に記憶させる。

記憶部２２０は、受け取った出力値、および、露光の合計時間または露光回数を記憶する。また、記憶部２２０は、出力値、および、露光の合計時間または露光回数に基づいて算出された計数値または計数率を記憶する。また、記憶部２２０は、補正部２４０で補正された露光の合計時間を記憶する。また、記憶部２２０は、パルス信号の時定数を記憶する。

時定数は、記憶部２２０から読み出され、計数値の算出や露光時間の設定に用いられる。時定数は、スレッショルド等の設定値によって値が変わるため、予めテーブルの形式などで記憶しておけば、いずれの処理にも適応できる。なお、Ｘ線検出器１００側にテーブルを記憶しておいて、読み出して使うこともできる。

算出部２３０は、出力値および露光時間の合計に基づいて計数値または計数率を算出する。このとき、露光に対するパルス検出率の増加に対し、パルス信号の見かけ上の時定数が単調減少するモデルを用いる。モデルの詳細は後述する。また、パルス検出率は、露光に対しパルス信号が検出された合計時間と露光の合計時間との比に相当する値とすることができる。相当する値とは、露光に対しパルス信号が検出された合計時間を、出力値に置き換えてもよいことをいい、露光の合計時間を、露光回数または補正された露光の合計時間に置き換えてもよいことをいう。

補正部２４０は、露光の合計時間を補正する。露光の合計時間の補正は、例えば、１回の露光時間を、パルス信号の時定数τと露光の単位時間（露光時間δｔ）とを足した時間として、露光の合計時間を算出するようにしてもよい。これにより、実質的な露光時間で検出された計数値を得ることができる。

処理装置２００は、例えばパーソナルコンピュータである。パーソナルコンピュータは、例えば、演算制御するためのＣＰＵ、データを記憶するためのメモリ、メモリ内の所定領域に記憶されたシステムソフト、およびメモリ内の他の所定領域に記憶されたアプリケーションプログラムソフト、等によって構成されている。

処理装置２００には、ユーザの入力を受け付ける入力部３００としてキーボード等が接続されている。また、処理装置２００には、ディスプレイやプリンタ等の出力部４００が接続されている。出力部４００は、処理装置２００からの指示に従って計数値等を出力する。

（Ｘ線測定方法）
次に、Ｘ線の検出から計数値の算出までのＸ線測定方法の概略を説明する。検出面に入ったＸ線がセンサにより検出されるとパルスが発生する。パルスは露光によりゲートが開放されている間に検出回路へ通過する。パルスは、検出回路においてそれぞれの閾値より高いか否かを判定され、高い場合には電圧信号としてカウンタへ送出される。パルスは、カウンタで計数される。カウンタの出力値は、メモリで読み出され、転送回路により処理装置に転送される。処理装置では、読み出された出力値に基づいて計数値が算出される。その際には、露光に対するパルス検出率の増加に対し、パルス信号の見かけ上の時定数が単調減少するモデルが用いられる。

（パルス信号の時定数）
パルス信号の時定数τとは、単一のパルス信号の強度が閾値を超えている時間をいう。フォトン・カウンティング型の半導体検出器の場合、ＲＯＩＣ回路に依存する。本発明では、本来のパルス信号の時定数τを、露光条件の設定に用いることができる。また、計数値の算出において使用する補正式にも用いることができる。なお、時定数の測定方法は、実施例として後述する。

(本発明のパルス信号のカウント方法)
図４は、本発明のＸ線測定方法における、パルスのカウントタイミングを示す概略図である。図４のｔ１からｔ１０は、ゲートが開放された露光時間δｔを示す。これら複数の露光時間δｔのそれぞれに対し、その間にパルスの強度が閾値を超えていた場合、カウントをプラス１する。これは、当初から閾値を超えていた場合も、露光時間δｔの間に閾値を超えた場合も同様にカウントをプラス１する。また、露光時間δｔの間に、閾値を超えていたものが一旦閾値を下回り、再度閾値を超えた場合は、カウントをプラス２する。それ以上の場合も同様である。図４の例では、ｔ３、ｔ６、ｔ７、ｔ１０はプラスされず、ｔ１、ｔ２、ｔ５、ｔ８、ｔ９はプラス１、ｔ４はプラス２で合計７カウントされることになる。なお、露光時間と露光時間の間の間隔は、等間隔でなくてもよい。

このカウント方法では、露光時間δtを時定数τよりも短く設定することが好ましい。露光時間δtを、時定数τよりも短くすると、露光時間δｔの間に、閾値を超えていたものが一旦閾値を下回り、再度閾値を超える事象は、１回以下になる。つまり、露光時間δtの間のカウントは２以下になる。また、露光時間δｔを十分に短くすると、パルスの強度の増減におけるＶ字の間隔を捉えられなくなるため、露光時間δｔの間に数えられるカウントは１以下になる。露光時間δｔを短くしていくことで、単位露光時間にカウントされるパルスの数が少なくなるため、誤計数が少なくなる。露光時間δｔをパルス信号の時定数τより短くすると、一回の露光で３以上のパルスを検出することがなくなるため、転送情報量を２ビット以下に設定することができる。そのため、読み出し時間の短縮ができる。

また、Ｘ線計数値を解析等に使用する場合には、統計変動の影響が無視できる程度の計数値が必要である。例えば、相対標準偏差１％を得るためには、１０，０００カウントの計数が必要である。露光時間δｔあたりのパルス信号のカウント回数が０，１，２のいずれかであるため、１０，０００～３０，０００カウントを目安に露光を繰り返して、露光の合計時間当たりのパルス信号のカウントが統計的に有意な値となるように露光回数を設定することが好ましい。

いずれのカウント方法においても、高計数領域、例えば１０Ｍｃｐｓ以上の領域では、少なからず数え落としの影響を受ける。後段の処理では、数え落としの影響を補正することにより、本来のパルスの数に近づけるための補正を行う。

上記の本発明のパルス信号のカウント方法でカウントした結果を出力値として使用するのが好ましいが、Ｒｉｓｉｎｇ Ｅｄｇｅをカウントする方法（後述）や検出器の回路上で時間トリガをかけ直す方法などで得られた結果を出力値としてもよい。

具体的には、パルス信号が検出されている合計時間を出力値として読み出し、読み出された出力値に基づいて本来のパルスの計数値を算出する。なお、パルス信号が検出されている合計時間（出力値）は、パルス信号が閾値を超えている時間を直接読み出して使用するか、パルス信号の合計のカウントに基づいて推定してもよい。計数値の算出では、露光に対するパルス検出率の増加に対し、パルス信号の見かけ上の時定数が単調減少するモデルを用いる。

（パルス信号の見かけ上の時定数が単調減少するモデルによる補正方法）
センサにＸ線が連続して到達すると、パルス信号が重なり、重なったパルス信号の高さが閾値を超えると、閾値を超えている時間が長くなる。しかし、閾値を超えている時間は、パルスの重なりの分、時定数τにパルスの個数をかけた値よりも短くなる。例えば、２つのパルス信号が重なった場合でも、閾値を超えている時間はτの２倍より短く、３つのパルス信号が重なった場合でもτの３倍より短い。

本明細書では、閾値を超えている時間をパルス信号１つ当たりの時間に換算した値をパルス信号の見かけ上の時定数τａという。パルス信号の個数と見かけ上の時定数τａの関係は、式（１）で表される。

図５は、パルスが重なった場合のパルス高さを示すグラフである。図５に示すように、パルスが検出されている時間（Ｔｕｐ）当たりに重なるパルス信号の個数（Ｎ）が増加すると、見かけ上の時定数τａは徐々に短くなる。

このような傾向は、パルス信号が重なる確率に関連する。そして、パルス検出率（計数率）が増加するとパルス信号の個数（Ｎ）が増加し、パルス信号が重なる確率も高くなる。つまり、いくつの信号が重なっていたかを区別しなくとも見かけ上の時定数τａを確率から算出することは可能である。１つのパルス信号当たりの時間（見かけ上の時定数τａ）は、パルス検出率（計数率）が増加するにつれて、時定数τよりも徐々に短くなる。すなわち、見かけ上の時定数τａは、時定数τと計数率の単調減少関数ｆとの積で表せる。その結果、閾値を超えている時間Ｔｕｐとパルス検出率（計数率）に対する見かけの時定数τａの関係から、真の計数値（Ｎ）を算出することができる。

（モデルの条件）
上記の計数値および計数率を算出するモデルは、以下の条件を有する必要がある。（１）パルス検出率の増加に対して、パルス信号の見かけ上の時定数が単調減少する。（２）パルス検出率が０のとき、パルス信号の見かけ上の時定数は、時定数τに一致する。（３）パルス検出率が１のとき、パルス信号の見かけ上の時定数は、時定数τより小さい。好ましくは、パルス検出率が１に近づくとき、パルス信号の見かけ上の時定数は０に近づく。（４）モデルによって作成される計数値を算出する式は、無次元量である。なお、計数値を露光の合計時間で割ったものが、計数率である。

（モデルの例）
モデルとして、以下の例のような計数値Ｎを算出する式（２）を用いることができる。Ｎは算出された計数値、τはパルス信号の時定数、Ｔｕｐは露光に対しパルス信号が検出された合計時間、Ｔｔоｔは露光の合計時間を表す。また、τ・ｆ（Ｔｕｐ，Ｔｔоｔ）はパルス信号の見かけ上の時定数を表す。ｆ（Ｔｕｐ，Ｔｔоｔ）は、Ｔｕｐが０のとき１になり、Ｔｕｐ／Ｔｔоｔが０より大きく１より小さい範囲で増加するとき単調減少する。ｆ（Ｔｕｐ，Ｔｔоｔ）は、Ｔｕｐ／Ｔｔоｔが１に近づくとき、０に近づくことが好ましいが、０より大きく１より小さい定数となってもよい。

式（１）に示す計数値Ｎを露光の合計時間Ｔｔｏｔで割ることで、式（３）に示す計数率ｎが得られる。引数Ｔｕｐ／Ｔｔｏｔの増加につれて関数値ｆ（Ｔｕｐ／Ｔｔｏｔ）が常に減少することを単調減少という。ｆ（Ｔｕｐ／Ｔｔｏｔ）は、そのような性質を持つ単調減少関数であればよい。ｆ（Ｔｕｐ／Ｔｔｏｔ）は、ｎ次関数や指数関数であってもよく関数の種類は問わない。

見かけの時定数τａ（＝τ・ｆ）は、時定数τとこの単調減少関数の積であるから、言い換えれば、パルス検出率（Ｔｕｐ/Ｔｔｏｔ）の増加につれて、見かけの時定数τａも単調減少することになる。

下記の実施例では、単調減少関数ｆ（Ｔｕｐ，Ｔｔｏｔ）として、以下の式（４）を採用した。この関数は、０＜ｋ≦1の範囲でｋを定めることによって、単調減少関数となる。例えば、実験やシミュレーションを行い、計数率の範囲やシステムによって、さらに最適な定数ｍを定めることで、理論的には計数率無限大まで補正を行うことができる。この場合の計数率ｎは、式（５）の通りである。

上記の補正式において、時定数τは検出回路やピクセルの設定値によって値が変わる。そのため、対応する検出器や測定条件によって、更新されることが好ましい。例えば、条件を変えて時定数τを測定し、ピクセルの設定値と対応するテーブル形式として記憶させた値を読み出して使用する。

実施形態に記載の検出器では、パルス信号が検出された時間すなわちパルス信号が閾値を超えている時間を直接読み出すことが難しいため、露光に対しパルス信号が検出された合計時間Ｔｕｐを推定して値を出力値とすることができる。

例えば、引用文献２記載の技術のように、回路上のハードウェアで時間トリガをかけ直し、計数されるカウントを真のカウントに近づける方法では、時定数τは一定であるため、時定数τに不感時間の回数をかけた値をＴｕｐと推定することができる。

本発明のカウント方法では、露光時間δｔにパルス信号のカウント数の合計をかけた値をＴｕｐとしている。露光の合計時間Ｔｔｏｔは、露光時間δｔに露光回数をかけた値となる。また、パルスの検出率（Ｔｕｐ／Ｔｔｏｔ）は、パルス信号のカウント数の合計と露光回数の比に相当する。

露光に対しパルス信号が検出された合計時間Ｔｕｐは、露光時間δｔとカウント数の積で表され、露光の合計時間Ｔｔｏｔは、露光時間δｔと露光回数（フレーム数）との積で表される。したがって、パルスの検出率は、Ｔｕｐ／Ｔｔｏｔ＝カウント数／露光回数である。このような理由から、パルス信号のカウント数の合計と露光回数を出力値として扱うことで扱う数値が簡素化され、処理の負担が減る。

（露光時間と時定数との関係）
なお、露光時間δｔが時定数τよりも短い場合、露光の合計時間Ｔｔｏｔは、露光時間δｔと時定数τを足した値に露光回数をかけた値を使用することが好ましい。図６は、露光時間δｔと時定数τとの関係を示す概念図である。露光時間δｔ内にカウントされる事象は、図６に示すように露光時間δｔに対し、時定数τの分だけ前に発生したパルスから、露光時間δｔの終了間際に発生したパルスまでである。そうすると、露光時間δｔ内にカウントされる事象は、（露光時間δｔ）＋（時定数τ）の間に発生した事象である。したがって、複数の撮影画像を積算して出力するときなどは、この効果を考慮して補正をする必要がある場合がある。

（まとめ）
以上のように、パルスが閾値を上向きに切ったタイミングでカウントするのではなく、露光を複数回繰り返し、多数のサンプリングの結果得られた出力値およびパルス検出率に基づいて、露光に対するパルス検出率の増加に対し、パルス信号の見かけ上の時定数が単調減少するモデルを用いて計数値を算出する。サンプリングでは、時定数τよりも短い露光時間δｔの間にパルスが閾値を超えていたか否かの判定を、統計的に有意な数になるまで行う。これにより、従来の方法補正でカバーできなかった高い計数率に対しても数え落としの影響を減殺できる。

［実施例］
（大型放射光施設での時定数τの測定）
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のトレインバンチを利用して、実施例のＸ線検出器の時定数τを測定した。Ｓｐｒｉｎｇ－８の放射光検出装置の一部としてＸ線検出器を組み込んで、以下の測定を行なった。

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７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８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７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８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。

今回の時定数τの測定では、Ｈモードバンチ構造のトレインバンチを利用した。Ｈモードバンチ構造による実験では、バンチが飛来しない間隔がある。図９に示すように、バンチが飛来する位置からスタートして測定すると、最初の４０ｎｓｅｃのゲートオープンより前にはＸ線が飛来しないため、これに基づいて時定数τが測れる。トレイン起点部から露光をし、その露光時間を４０ｎｓから４ｎｓ単位で８００ｎｓまで延ばし、それぞれ１００００回の検出を行い、イベントの単位時間当たりの回数を算出することで、ＲＯＩＣ内部の回路動作時間を確認した。

図１０のｐ１、ｐ２、ｐ３の曲線は、それぞれ１カウント、２カウント、３カウントのイベントの単位時間当たりの回数を表している。すなわち、４０ｎｓで１００００回測定しそのうちの何回が１カウントで、何回が２カウント、何回が３カウントかを数えて、単位時間当たりの回数を算出し、プロットした。次に４４ｎｓで同様の測定を繰り返した。

図１０に示されるように、徐々に露光時間を延ばすとｐ２の曲線が立ち上がり２カウントのイベントが出てきた。この測定では、時定数τより短い時間しか露光していないときは２カウント目が生じないため、２カウントが出始める位置が時定数τを表す。図１０によれば、２カウントのグラフが０に向かって落ち込んでいくところが約１００ｎｓなので、実施例のＸ線検出器の時定数τは約１００ｎｓと分かった。なお、時定数τの測定は、上記の方法に限られず、例えば、カウント・レートを変えて読み出したときのカウントから推定することもできる。

（実施例１）
本発明のＸ線測定方法は、Ｘ線反射率法で利用するのに適している。Ｘ線反射率法では、反射Ｘ線の強度が大きいところから小さいところまである。したがって、強度が大きいところでは本発明の方法を適用し、強度が小さいところでは従来の方法を適用することが好ましい。例えば、４０ｎｓｅｃ露光を１００回入れて測定し、それとは別に１ｍｓｅｃ露光１回を入れて測定すると、面内に強度の分布があっても、弱いところは１ｍｓｅｃ露光によりデータをとることができ、強いところは４０ｎｓｅｃ露光によりデータをとることができる。

高計数率のＸ線に対してアッテネータをいれて、例えば、１／１０にＸ線強度を減衰させて測定する方法がある。これに対し、本発明ではアッテネータを入れずに測ることができる。したがって、アッテネータの出し入れがない分、システム全体の機構が簡単になる。なお、上記のように切り替える場合、切り換える動作をソフトウェアで行うことが好ましい。

（実施例２）
本発明のＸ線測定方法は、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に付属する一般的なＸ線検出器から得られたデータを、本発明のＸ線測定方法、処理装置、またはプログラムを利用して処理する。

（その他の実施例）
上記の他、単結晶Ｘ線回折法のうち金属錯体試料による全反射、Ｘ線小角散乱法等は、測定すべきＸ線の強度が大きくなるため、本発明のＸ線測定方法の利用が好適である。

［シミュレーション］
本発明のＸ線測定方法とＲｉｓｉｎｇ Ｅｄｇｅをカウントする方法との比較を、計算機実験によりシミュレーションした。図１１は、Ｒｉｓｉｎｇ Ｅｄｇｅをカウントする方法を示す概略図である。この方法では、図１１に示すグラフ上の黒丸の位置、すなわちパルスが閾値を上向きに切ったタイミングでカウントし、これから単位時間あたりの観測計数率を求める。０Ｍｃｐｓより大きく２０Ｍｃｐｓ以下のいくつかの計数率に対し、入力される計数率ごとに計算機でランダムにパルスを発生させ、Ｒｉｓｉｎｇ Ｅｄｇｅをカウントする方法、出力値から得られる計数率に単純な数え落とし補正をする方法、および本発明のＸ線測定方法を使用して得られる計数率をそれぞれ計算した。出力値から得られる計数率に単純な数え落とし補正をする方法では、以下の式（６）を用いて計数率ｎを算出した。なお、Ｉは、測定により得られた計数率を表す。図１２は露光時間δｔ、時定数τおよび読み出し時間の関係を示す概念図である。

また、本発明のＸ線測定方法では、上記の式（４）を用いて計数率ｎを算出した。なお、露光時間δｔおよび時定数τは、上記実施例と同様とし、時定数τの影響を考慮して計数率ｎを補正した。図１３は、その結果を表すグラフである。

図１３に表されるように、Ｒｉｓｉｎｇ Ｅｄｇｅをカウントする方法は、入力されるパルスの計数率が２Ｍｃｐｓを超えると、得られる計数率とリニアとの乖離が徐々に大きくなり、６Ｍｃｐｓを超えると得られる計数率が減少した。これは、入力されるパルスの計数率が大きくなると、パルスの重なりが頻発し、パルスが閾値を上向きに切るという事象が生じ難くなるためである。Ｒｉｓｉｎｇ Ｅｄｇｅをカウントした結果に数え落とし補正をする方法は、得られる計数率が従来の方法よりも若干リニアに近くなっているが、補正の基とする値が従来の方法によりカウントされた値であるため、入力されるパルスの計数率が大きくなると、得られる計数率が減少する点に変わりはない。

これに対し、本発明のＸ線測定方法は、入力されるパルスの計数率が１２Ｍｃｐｓ程度まで、リニアとの乖離が大きくならなかった。また、１２Ｍｃｐｓを超えるとリニアとの乖離が多少大きくなったが、得られる計数率が減少することはなかった。本発明のＸ線測定方法は、モデルおよび式ごとに、信頼できる計数率の範囲は異なるが、理論上は無限大まで計算できる。

［実験］
（大型放射光施設での実験）
Ｓｐｒｉｎｇ－８のトレインバンチを使用した１０ｋｅＶのＸ線に対して、露光時間４０ｎｓと露光時間１６００ｎｓによるＴｈＳｃａｎを行ない、プロファイル形状の違いを確認した。ＴｈＳｃａｎとは、測定の際に設定する閾値（Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）を変化させながらＸ線強度を測定する方法である。光学系について同一露光条件下で、閾値に対する強度の変化を測定できる。

図１４は、その結果を表すグラフである。図１４に表されるように、明らかに異なるプロファイルが得られた。このグラフから、時定数以下の露光時間に設定して計数することによる有効性が確かめられた。なお、図は、露光時間４０ｎｓのときは、時定数分、実質的な露光時間が延びるので、Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ５ｋｅＶ時の露光時間延長分を考慮して、２．５で割った値のグラフである。露光時間延長分の考慮とは、露光の合計時間として露光時間と時定数の和を用いることを意味している。

（Ｘ線反射率法による実験）
Ｘ線反射率法による実験として、ガラス基板上の酸化亜鉛膜（ＺｎＯ）の反射Ｘ線を測定した。図１５は、その結果を表すグラフである。４０ｎｓ露光し、算出した結果を２５０００枚加算したグラフでは、Ｘ線検出器の時定数τが１００ｎｓであるため、実質的な露光時間の合計は、３．５ｍｓとなる。これに対し、１、２、３、４ｍｓ露光した方法では、ほぼ露光時間の補正は不要である。４０ｎｓ露光した場合は、実質的に３．５ｍｓ露光しているが、４ｍｓのグラフよりも計数率が高くなった。これにより、短時間の露光を繰り返すことにより、長時間の露光をしたときよりも数え落としの影響を減殺できることが分かった。

１０ Ｘ線検出システム
２０ Ｘ線源
Ｓ 試料
１００ Ｘ線検出器
１１０ センサ
１２０ 読み出し回路
１２５ ゲート
１３０ 検出回路
１４０ カウンタ
１５０ メモリ
１６０ 転送回路
１７０ 制御回路
２００ 処理装置
２１０ 測定データ管理部
２２０ 記憶部
２３０ 算出部
２４０ 補正部
３００ 入力部
４００ 出力部
ＳＢ１ シングルバンチ
ＴＢ１ トレインバンチ

Claims (10)

1. フォトン・カウンティング型の半導体検出器により、入射Ｘ線のパルス信号をカウントして読み出された出力値を記憶する記憶部と、
   前記読み出された出力値に基づいて計数値を算出する算出部と、を備え、
   前記算出部は、露光に対するパルス検出率の増加に対し、前記パルス信号の見かけ上の時定数が単調減少するモデルを用いることを特徴とする処理装置。
2. 前記パルス検出率は、前記露光に対し前記パルス信号が検出された合計時間と前記露光の合計時間との比に相当することを特徴とする請求項１記載の処理装置。
3. 前記見かけ上の時定数は、前記パルス検出率がゼロである場合に本来の時定数であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の処理装置。
4. 前記見かけ上の時定数は、前記パルス検出率が１である場合に本来の時定数と１より小さい定数との積であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の処理装置。
5. 前記記憶部は、前記パルス信号の時定数を記憶し、
   前記算出部は、前記モデルを用いる際に、前記記憶された時定数を読み出して利用することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の処理装置。
6. 前記半導体検出器と、
   請求項１から請求項５のいずれかに記載の処理装置と、を備えることを特徴とするシステム。
7. 前記半導体検出器が、前記パルス信号の時定数より短い時間で露光することを特徴とする請求項６記載のシステム。
8. 前記計数値の算出では、前記パルス信号の時定数と前記露光の単位時間とを足した時間で前記パルス信号をカウントしたものとして、前記計数値を補正することを特徴とする請求項７記載のシステム。
9. フォトン・カウンティング型の半導体検出器により、入射Ｘ線のパルス信号をカウントし出力値を読み出すステップと、
   前記読み出された出力値に基づいて計数値を算出するステップと、を含み、
   前記計数値の算出では、露光に対するパルス検出率の増加に対し、前記パルス信号の見かけ上の時定数が単調減少するモデルを用いることを特徴とするＸ線測定方法。
10. フォトン・カウンティング型の半導体検出器により、入射Ｘ線のパルス信号をカウントし出力値を読み出す処理と、
    前記読み出された出力値に基づいて計数値を算出する処理と、をコンピュータに実行させ、
    前記計数値の算出処理では、露光に対するパルス検出率の増加に対し、前記パルス信号の見かけ上の時定数が単調減少するモデルを用いることを特徴とするプログラム。

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