ドリフトタイプ放射線検出器および検出装置の変換係数の率依存変化を補正するための方法と回路配置。
【課題】電荷−電圧変換係数の率依存変化を補正するドリフトタイプ放射線検出器を提供する。
【解決手段】ドリフトタイプ放射線検出器(３０１)の電荷−電圧変換係数の率依存変化を補正するために、前記ドリフトタイプ放射線検出器に作用する瞬時光子衝突率の変化を検出する。前記ドリフトタイプ放射線検出器(３０１)の集積アンプ(３０２)を通って流れるドレイン電流は、前記瞬時光子衝突率で検出された変化に比例する量で変更される(９０２、９０３)。
【解決手段】ドリフトタイプ放射線検出器(３０１)の電荷−電圧変換係数の率依存変化を補正するために、前記ドリフトタイプ放射線検出器に作用する瞬時光子衝突率の変化を検出する。前記ドリフトタイプ放射線検出器(３０１)の集積アンプ(３０２)を通って流れるドレイン電流は、前記瞬時光子衝突率で検出された変化に比例する量で変更される(９０２、９０３)。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般的に電磁放射線を検出するための半導体検出器の技術に関する。特に、この発明は、例えばＸ線検出に使用されるドリフトタイプ検出器で、光子カウント率の割合としてピーク位置のシフトを補正する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば画像用や分光学用のＸ線検出装置に用いられる半導体検出器として、ＰＩＮ検出器がある。それに用いられる検出素子は、逆バイアスが印加されたＰＩＮダイオードであり、一方の電極がＦＥＴ(電界効果トランジスタ)のゲート電極に接続されている。ＰＩＮダイオードに衝突したＸ線の光子は光電効果を引き起こし、半導体材料中の空乏層領域に多数の自由電子と正孔を生成する。ＰＩＮダイオードに印加される逆バイアスにより、移動電荷キャリアが電極に引き寄せられ、それにより電極の電位が変化する。ＦＥＴに接続される積分器は、ＰＩＮダイオードの電極電位の変化を、帰還コンデンサにかかる電圧の変化に変換する。
【０００３】
ドリフト検出器はより進化した検出器タイプで、その検出器タイプは、例えば、刊行物、Ｃ．Ｆｉｏｒｉｎｉ，Ｐ．Ｌｅｃｈｎｅｒ“集積されたフロントエンド用ＪＦＥＴのゲート−ドレイン間電流による半導体検出器の連続した電荷の回復”ＩＥＥＥ原子物理学会報、１９９９年６月Ｖｏｌ．４６，Ｎｏ.３，ｐｐ．７６１〜７６４（C.
Fiorini, P. Lechner: “Continuous Charge Restoration in Semiconductor Detectors
by Means of the Gate-to-Drain Current of the Integrated Front-End JFET”, IEEE
Trans. on Nucl. Sci., vol. 46, No. 3, June 1999, pp. 761-764.）に詳細に記載されている。ドリフトタイプ検出器の固体半導体検出素子は、大部分が共通してシリコンで作られている。そのため、これらの検出器はよくＳＤＤ(シリコンドリフト検出器)と言われている。一部を切り欠かれた例として図１に示されたＳＤＤは、いわゆるドリフト輪１０１を構成するフィールド電極配置およびダイオード成分に統合されたアンプを持っているという点で、通常のシリコンをベースとしたＰＩＮダイオード検出器とは異なる。アンプは最も代表的なＦＥＴ(電界効果トランジスタ)であり、ソース電極、ゲート電極およびドレイン電極が、図１に１０２、１０３および１０４としてそれぞれに現れている。検出器ダイオードのアノード電極およびカソード電極は、図１に１０５および１０６としてそれぞれ図示されている。
【０００４】
図２は、図１によるＳＤＤの電気的な動作原理を図式的に示す。回路図の一部に示される楕円状の破線は、検出器チップの中に直接位置する。検出器に衝突するＸ線光子は、自由電荷キャリアの群を発生させ、その群の大きさ−そして、相応して、それが含む総電荷−は、光子の入射エネルギーに依存する。検出器の内部電界は、自由電荷キャリアを陽極および陰極に向けてドリフトさせる。アノードＡに到達する電子によって代表される電荷は、電流パルスｉｑとみなすことができる。検出器容量は、電流パルスを集め、そしてそれらを蓄積電圧として積分する積分器として動作する。前述の検出器容量は、主に陽極容量Ｃａからなるが、ＦＥＴの浮遊容量についても考慮する必要がある。最後に、図２のＣｄｇおよびＣｇｓについて述べる。回路配置はＦＥＴをソースフォロワ(ゲート−ソース間電圧Ｖｇｓは一定のままであることを意味する)として動作させるので、ドレイン−ゲート間容量Ｃｄｇだけが、検出器容量Ｃｄｅｔに真に寄与する。
Ｃｄｅｔ＝Ｃａ＋Ｃｄｇ （１）
一つのＸ線光子が衝突の結果として陽極に集められる電荷をｑ０と仮定すると、電位Ｖｓの変化ΔＶｓを下式のように表することができる。
ΔＶｓ＝ｑ０／Ｃｄｅｔ＝ｑ０／(Ｃａ＋Ｃｄｇ) （２）
また、検出器の電荷−電圧変換係数は、(Ｃａ＋Ｃｄｇ)−１であるといった別の言葉で表現できる。
【０００５】
検出器は、なんらかの電荷中和化メカニズムがないと、集められた電荷が陽極に蓄えられたとしてもすぐ飽和するだろう。連続動作は、いわゆる衝撃イオン化の結果としてＦＥＴのチャネルに発生し、蓄積電荷を中和するように作用する漏れ電流ＩＬによって可能になる。漏れ電流ＩＬの発生に関する様々なメカニズムの解説が、イー・イラッド：“ドレインフィードバック−低雑音低温プリアンプの新たなフィードバック技術”、ＩＥＥＥ原子物理学会報，ＮＳ−１９，Ｎｏ.１，１９７２，ｐｐ．４０３〜４１１（E. Elad: ”Drain Feedback – a Novel Feedback Technique
for Low-Noise Cryogenic Preamplifiers”, IEEE Trans. on
Nucl. Sci., NS-19, No. 1, 1972, pp. 403-411.）の刊行物に見い出される。漏れ電流ＩＬの流れを制御する主要な係数であるイオン化率は、ＦＥＴのドレイン−ゲート接合間の電圧Ｖｄｇに強く依存する。漏れ電流ＩＬの値は、ＳＤＤ中のＦＥＴのドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓに少なくとも部分的に依存すると推定することができる。
【０００６】
Ｘ線の持続的な照射の下で、陽極に繰り返し発生される放射線誘導電流パルスは、漏れ電流ＩＬが放射線誘導電流に等しくなるという定常状態条件に到達するまでの間、陽極電位を負方向に引き込む。既述したように、Ｖｇｓは回路のソースフォロワ特性により一定であり、陽極電位の変化は、Ｖｄｓの変化として直接的に観測できる。既に述べた検出器を利用する検出装置は、図１、２を参照すると、Ｖｓで記号表示された電位の変化を測定するように構成された電位感受性測定配置(図２には示してない)からなる。ＦＥＴを通る全電流と比較した漏れ電流ＩＬの相対的な大きさは無視できるので、たとえ、文字通りには、より適切な記号表示はＩｓであるとしても、ＦＥＴのソース電極から固定負電位に引き込まれる定電流をＩｄとして記号表示することが通例となっている。
【０００７】
従来のＳＤＤベースの検出装置の問題は、ピーク位置の率依存シフトである。Ｘ
線光子が検出器に衝突する率が増加すると電圧Ｖｄｓも増加する。このことは、それ自体問題ではないだろうが、検出器容量が一定ではなく、検出チップ内の電圧に依存するので問題となる。検出器容量Ｃｄｅｔの変化は、検出器の電荷−電圧変換係数の変化を意味する。測定されたＸ線スペクトルにおいて、ある一定のエネルギーの放射を表すピークは、Ｘ線光子がより遅い率で届くか、より速い率で届くかどうかに依存しながら異なった位置にシフトするだろう。シフトが上方であるか下方であるかは、容量ＣａとＣｄｇとの関連性の相互の順序に依存する。なぜならば、これらは、光子衝突率について反対方向の依存性を有するからである。
【０００８】
電荷−電圧変換係数の変化は、基本的には電圧Ｖｄｇの変化の結果であるので、当該技術に熟練した人は、瞬時光子衝突率の関数として、ドレイン電位Ｖｄを変えることによって、それを補正するように考えるだろう。図３は、このアプローチに従った可能な解決法を示す。ドリフトタイプ検出器チップ３０１は、ＦＥＴ３０２を含み、そのソース電極は、プリアンプ結合３０３を通る信号出力に接続されている。また、ＦＥＴを通して定電流を引き込むように構成された電流発生器３０４が存在する。既述したように、この電流は基本的にはドレイン電流と同じものであるので、電流発生器３０４によって引き込まれる電流をドレイン電流Ｉｄとして記号表示することは、この接続がＦＥＴのソース電極に接続されているにもかかわらず従来通りである。
【０００９】
差動アンプ３０５は、ＦＥＴ３０２のドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓを測定し、それに比例した出力電圧を与えるように接続されている。制御アンプ３０６は、差動アンプ３０５の出力電圧を固定参照電圧Ｖｒｅｆと比較し、比較結果を可変電圧源３０８によって生成された電圧の変化に使用するように構成されている。制御アンプ３０６の増幅率および極性は、Ｖｄに結果として起こる変化が電荷−電圧変換係数の率誘導変化を補正するように慎重に調整される。電荷−電圧変換係数の変化は非線形であるので、制御アンプ３０６と可変電圧源３０８との間に線形化回路３０７が必要とされる。
【００１０】
図３の回路は、主に振動に対する脆弱性に関係する問題を含んでいる。最も重要な部分は差動アンプ３０５であり、その入力信号は制御ループの動作周波数と上手にバランスがとられなければならない。電荷−電圧変換係数の非線形動作が複雑であるため、線形化回路３０７も実現することが困難であることが証明できるかもしれない。また、その回路は、光子衝突率の変化に反応するのも幾分遅いかもしれない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
この発明の目的は、ドリフトタイプ放射線検出器の電荷−電圧変換係数の率依存変化を補正することにある。特に、その発明の目的は、導入が容易であり、動作が実現可能であるような方法で、そのような補正を実現することにある。さらに、この発明の目的は、前述から生じるピーク位置の率依存シフトを補正するために構成される検出装置を提供することにある。
【００１２】
発明の目的は、ドレイン電流を瞬時光子（衝突）率の関数として変化することによって達成される。
【００１３】
この発明に係る回路配置は、回路配置を指向する独立請求項の特徴部に列挙される特徴によって特徴付けられる。
【００１４】
この発明は検出装置にも適用され、検出装置を指向する独立請求項の特徴部に列挙される特徴によって特徴付けられる。
【００１５】
加えて、この発明は、ドリフトタイプ放射線検出器で、電荷−電圧変換係数の率依存変化を補正するための方法に適用する。この方法は、方法を指向する独立請求項の特徴部に列挙される特徴によって特徴付けられる。
【００１６】
ドリフトタイプ検出器で、電荷を中和する役割を果たす漏れ電流は、ドレイン電流の線形関数であることが示される。この発明によれば、可変電流発生器 (カレントソースまたはカレントシンク、より一般的には、制御信号に応答して所定の大きさの電流を流させるように構成された制御回路構成部品)
は、光子衝突率の関数として、または検出チップ中のＦＥＴのドレイン−ソース間電圧(それ自体、光子衝突率の関数である)の関数として、ドレイン電流を制御可能に変化させるために使用される。
【００１７】
この発明の性質として考えられている新たな特徴は、添付請求項で特に詳しく説明されている。しかしながら、この発明それ自体、その構成およびその動作方法に関して、その追加目的および利点とともに、添付図面を参照することにより、以下の特定の実施例からよく理解できるであろう。
【００１８】
この特許出願に示される発明の典型的な実施例は、添付請求項の適用に限定を設けるように解釈すべきではない。動詞“ｔｏ ｃｏｍｐｒｉｓｅ”は、この特許出願では、挙げられていない特徴の存在を排除すべきではない。従属請求項で挙げられた特徴は、明示されていない限りは、相互に自由に組み合わせ可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
既述したイー・イラッドの科学刊行物から、漏れ電流ＩＬを下式のように記述することができる。
【００２０】
【数１】
【００２１】
ここで、αおよびβは、材料および温度依存定数である。この数式は、２通りで説明される。初めに、これはＩＬとＶｄｓとの間の複雑な非線形関係についての前言、すなわち、図３で試みたように、Ｖｄｓの値を調整することによって、申し分のない結果を達成することが困難であることを確認する。次に、数式(３)は、ＩＬとＩｄとの間の依存性が、たとえ線形だとしても、もっと単純であることを示す。このようにＩｄに同等の変形を引き起こすことで、ＩＬの純粋な変形依存率を補正することは可能であり、結果として、Ｖｄｓは前記ＩＬの変形依存率なしで値を仮定できると推論できるかもしれない。
【００２２】
図４は、ドリフトタイプ検知器チップ３０１が、放射線を検出するのによく使用される配置を図式的に例示する。ドリフトタイプ検出器チップ３０１上のＦＥＴ３０２は、第一電位Ｖ１に接続するドレインを有する。ＦＥＴ３０２のソースは、可変電流発生器４０１を通して第二電位Ｖ２に接続される。ＦＥＴ３０２のソースからは、測定回路構成４００への接続があり、測定回路構成４００は、アンプ、パルス整形回路およびマルチチャンネルアナライザから構成される(図４では、分けて示してない)。この発明の実施例によれば、図４の配置は、光子が検出器チップ３０１に衝突する瞬時（光子衝突）率を表す情報を収集するように構成された回路素子４０２を含む。そのような情報に基づいて、回路素子４０２は、光子衝突率の瞬時値を表す出力信号を生成する。加えて、図４の配置は、Ｉｄ値が中和電流ＩＬの値の変化に依存する推定率に相当する量によって変化するように、出力信号を受け取り、可変電流発生器４０１を調整するように構成された回路素子４０３を含む。
【００２３】
回路素子４０２および４０３は、アナログ技術もしくはディジタル技術、またはその両方を使用して実装することができる。特にアナログエレクトロニクスに対する典型的な特徴は、部品もしくは回路素子が多数の機能を持つことができること、および回路配置をよく定義された分離された機能ブロックに明確に分けることができないことである。従って、回路素子４０２と４０３との区分は、むしろ実際的な実施で満たされるべき厳密な要求ではなく、単にこの発明のある実施例の動作を理解するための実例補助として考えられる。
【００２４】
図４で説明される原理は、選択された源泉が瞬時光子衝突率を表す正確な最新情報を伝えることができる限りにおいて、回路素子４０２によって収集された情報の源泉選択は制限されない。どのような種類の固定電位もしくは変動電位が使用されるかに依存して、そのような情報は、矢印４１１に従ってＦＥＴ３０２のドレイン側から、矢印４１２に従ってＦＥＴ３０２のソース側から、および／または、矢印４１３に従って測定回路構成４００からさえ、利用することができる。以下、主として中間の選択肢についてより詳細に記述する。
【００２５】
図５は、ＳＤＤチップ３０１が放射線検出に使用される回路配置を示す簡単化された回路図である。ＳＤＤチップ３０１のＦＥＴ３０２は、固定ドレイン電圧Ｖｄを伝えるように構成された固定電圧源５０１に接続されたドレインを有する。ＦＥＴ３０２のソースは、プリアンプ５０２の入力側に接続されており、プリアンプ５０２の出力側は、さらに先の測定および記憶回路構成に接続されることを意図する信号出力を構成する。ＦＥＴ３０２のソースは、差動アンプ５０３の一方の入力側に同様に接続され、差動アンプ５０３の他方の入力側は、固定参照電圧Ｖｒｅｆに接続されている。差動アンプ５０３の出力側は、線形化回路５０４に接続され、線形化回路５０４からは可変電流発生器４０１の制御入力への接続がある。前記可変電流発生器４０１は、ＦＥＴ３０２のソースからグラウンドに、制御可能な大きさの電流を引き込むように構成されている。
【００２６】
Ｖｄの値は一定なので、ＦＥＴ３０２のＶｄｓの全ての変化は、ソース電位に直接現れ、そのソース電位を差動アンプ５０３は（固定）参照（電圧）Ｖｒｅｆと比較する。このＶｒｅｆの値は、ＳＤＤチップ３０１におけるある所定の光子衝突率で、ある望ましいわずかなドレイン電流Ｉｄを発生するように選択されている。低い光子衝突率はドレイン電流Ｉｄを減少させ、高い光子衝突率はドレイン電流Ｉｄを増加させ、減少と増加との相対的な量は基本的に差動アンプ５０３の増幅率にのみ依存する。
【００２７】
厳密に言えば、ＳＤＤチップ３０１の電荷−電圧変換係数は、ＦＥＴ３０２のゲート電圧が一定であり続ける限りは一定のままである。しかしながら、Ｉｄの変化は、ＦＥＴ３０２のゲート−ソース間電圧Ｖｇｓの変化も含み、そのことは、差動アンプ５０３によってモニタされたソース電位は、厳密に言うとＦＥＴ３０２のドレイン−ゲート間電圧Ｖｄｇ、および、その結果である電荷−電圧変換係数の正確な指標ではないことを意味する。線形化回路５０４の役割は、ソース電位とＦＥＴ３０２のドレイン−ゲート間電圧Ｖｄｇとの間に、前記わずかな食い違いから生じる変形を中和することである。また、差動アンプ５０３の微調整も前記変形を取り除くのに役立っている。
【００２８】
シミュレーションおよび測定では、図４および図５の制御原理が、図３の制御原理のものよりも、少なくとも、より良い安定性を達成し、光子衝突率における変化にも早く反応し、そして、線形性に関してより簡単な構造での使用を可能にする点で優れていることを示している。
【００２９】
図６は、図５による回路配置の典型的な詳細な実施を例示している。ＳＤＤチップ３０１におけるＦＥＴＪ１のドレインは、抵抗Ｒ１を通して固定電圧＋１２Ｖに接続されている。さらに、ＦＥＴＪ１のドレインからコンデンサＣ１を通してグラウンドへのＡＣ減衰結合がある。ＦＥＴＪ１のソースから信号出力までの接続は、アンプＪ２とそれに関連付けられたコンデンサＣ２およびＣ３から成る慣用のプリアンプの配置を経由する。ＦＥＴＪ１のソースから他のＦＥＴＪ３のドレインへ行く可変電流の経路は、ＦＥＴＪ３のソースから抵抗Ｒ４を通してＮＰＮトランジスタＪ５のコレクタに続き、そしてＮＰＮトランジスタＪ５のエミッタから抵抗Ｒ７を通して固定電圧−１５Ｖにまで延びている。ＦＥＴＪ３のゲートはグラウンドに接続されていて、ＮＰＮトランジスタＪ５のコレクタからも、コンデンサＣ６を通してグラウンドに接続されている。
【００３０】
モニタしている差動アンプＪ４は、ＦＥＴＪ１のソース電位のサンプルを、抵抗Ｒ２を通してその負入力側で受け取る。差動アンプＪ４を調整するために、負入力側と出力側との間に並列に接続されている抵抗Ｒ３およびコンデンサＣ４がある。（固定）参照電圧Ｖｒｅｆは、差動アンプＪ４の正入力側に接続されている。ＡＣ減衰コンデンサＣ５は、差動アンプＪ４の正入力側をグラウンドに接続している。
【００３１】
差動アンプの出力側は、抵抗Ｒ５およびＲ６を通してＮＰＮトランジスタＪ５のベースに接続されている。ＮＰＮトランジスタＪ５のベースは、抵抗Ｒ９を通してグラウンドに、そしてダイオードＤ１のアノードにも接続されており、ダイオードＤ１のカソードから抵抗Ｒ８を通して固定電圧−１５Ｖへの接続がある。抵抗Ｒ５とＲ６との間の接続点は、ダイオードＤ２のアノードと接続され、ダイオードＤ２のカソードは、抵抗Ｒ１１を通してグラウンドに接続され、また抵抗Ｒ１０を通して固定電圧−１５Ｖに接続されている。
【００３２】
図６に現れる部品の典型的な値は、Ｒ１＝２００Ω、Ｒ２＝１ＭΩ、Ｒ３＝１０ＭΩ、Ｒ４＝Ｒ１１＝２４ｋΩ、Ｒ５＝１．８ｋΩ、Ｒ６＝３１ｋΩ、Ｒ７＝１ｋΩ、Ｒ８＝５１０ｋΩ、Ｒ９＝４５ｋΩ、Ｒ１０＝６５ｋΩ、Ｃ１＝Ｃ６＝１００ｎＦ、Ｃ４＝３３ｎＦ、Ｃ５＝３．３μＦ、Ｊ３＝ＢＦ８６１Ｂ、Ｊ４＝ＬＦ３５６、Ｊ５＝２Ｎ３９０４、Ｄ１＝Ｄ２＝１Ｎ４１４８である。
【００３３】
図７は、Ｘ線スペクトルを測定するための検出装置を例示する。これは、ＳＤＤ検出器チップ３０１を含み、その出力側は、ＳＤＤ検出器チップ３０１の集積されたＦＥＴを通して引き込まれるドレイン電流の値を制御可能に変化させるように構成されたプリアンプ７０１および補正回路７０２に接続されている。ＳＤＤ検出器チップ３０１，プリアンプ７０１および補正回路７０２の接続は、例えば、図６を参照して既に述べたものに類似している。プリアンプ７０１の出力側は、測定チャネルおよびタイミングチャネルを構成する線形アンプ７０３に接続されており、測定チャネルおよびタイミングチャネルは、それぞれが自身の信号出力を生成している。これらの信号出力は、マルチチャネルアナライザ７０４に接続されている。検出装置は、プラットフォーム機能部７０５も含んでおり、プラットフォーム機能部７０５は、動作電圧を生成して分配し、また他の種類のサポート機能を検出装置の他の機能ブロックに供給するように構成されている。図の明瞭さを保つために、図７では、ＳＤＤチップ３０１へのドレイン電圧への供給だけが明示的に示されている。
【００３４】
選択的な細部として、検出装置は、ＳＤＤチップ３０１に供給されるドレイン電圧の電荷中和効果を制御可能に変えることにより、線形アンプ中のタイミングチャネルの出力信号に応答するように構成された回路７０６を含む。前記回路７０６は、例えば、同時係属米国特許出願Ｎｏ．１０／８８１４２０に詳細に説明された種類のものである。しかしながら、前記同時係属米国特許出願に開示された配置も、スペクトルピークの位置の率依存シフトに反対に作用し、それを本発明と結合することは、補正回路の若干の冗長化を導くかもしれないことに注意すべきである。
【００３５】
図７に示される種類の実験的な構成は、ドイツのＰＮｓｅｎｓｏｒ有限責任会社による、ＳＤＤチップモデルＳＤ３−０５−１３８を使用することで、回路７０６無しで製作されたことがあった。ＳＤＤチップは、その製造業者からの標準的な取扱説明書によれば、バイアスがかけられていた。検出温度は−２０℃、ドレイン電圧＋１２Ｖ、ゼロの光子衝突率で２００μＡオーダのドレイン電流、６３０００ｃｐｓ(一秒あたりのカウント数)の光子衝突率で３５０μＡオーダのドレイン電流、そして放射源はＦｅ−５５であった。Ｃａｎｂｅｒｒａ２０２０型の線形アンプとＴｅｎｎｅｌｅｃ
ＰＣＡ−２型のマルチチャネルアナライザとが使用された。図８ａおよび８ｂは、ある測定結果を図示している。図８ａのグラフ８０１は、補正回路のスイッチがＯＦＦされ、ドレイン電流は必然的に一定であった時、マルチチャネルアナライザのチャネルで観測されたピーク位置を図示する。グラフ８０２は、補正回路を使用した時の観測されたピーク位置を図示する。図８ｂのグラフ８１１は、グラフ８０２と同じものをより詳細なスケールで図示したものである。補正回路が使用されてなければ、数百ｃｐｓオーダから６３０００ｃｐｓまでの光子衝突率の変化により、およそ２０数チャネルくらいのピーク位置のシフトを引き起こすが、補正回路に切り替えると、一つのチャネルの半分以内でピーク位置を維持することが可能であり、光子衝突率がテストされた範囲の大部分にわたり、ちょうど本質的に一定であることが容易に理解できる。
【００３６】
図９は状態図の形式で実施例に係る方法を例示する。測定状態９０１は、光子衝突率が変化せず、ＳＤＤ検出チップに関する電荷−電圧変換係数が安定な状態にあり、従って、光子エネルギーとマルチチャネルアナライザのチャネル番号との間の通信を一定にするのに対応している。もし、増加する光子衝突率についての情報が得られれば、ＳＤＤチップ中のＦＥＴを通して引き込まれるドレイン電流もまた、増加する光子衝突率によって引き起こされた漏れ電流の増加に、出来るだけ接近させた相対的な量を状態９０２で増加させる。これに対して、減少する光子衝突率についての情報が得られれば、ドレイン電流は状態９０３により減少される。
【００３７】
上述した発明の典型的な実施例は、添付請求項の範囲から逸脱することなく、様々な方法で変形することができる。例えば、これまでに説明されている全ての実施例が、ＳＤＤチップの出力側から補正回路に直接接続することを示唆しているとしても、プリアンプの後から入力信号を受け取るために補正回路を接続することも可能であることが証明できる。これは、別の方法で、補正回路の入力信号によって引き起こされた追加インピーダンスが、ＳＤＤチップの出力信号に現れる問題を回避するのに役立つ。この追加インピーダンスは、通常、プリアンプのみの入力インピーダンスに釣り合うように注意深く設計される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】ＳＤＤチップの公知の構造を示す図。
【図２】図１のＳＤＤチップの電気的作用を示す図。
【図３】電荷−電圧変換係数における率依存変化を補正する方法を示す図。
【図４】ドレイン電流を制御可能に変化する原理を示す図。
【図５】図４の原理をより詳細に実施例を示す図。
【図６】発明の実施例に係る回路配置を示す図。
【図７】発明に係る検出装置を示す図。
【図８】ａおよびｂは、図７による検出装置で得られる測定結果を示す図。
【図９】状態図の形式での発明の実施による方法を示す図。
【符号の説明】
【００３９】
３０１ ＳＤＤ検出器チップ
３０２ ＦＥＴ
３０３,５０２,７０１ プリアンプ
３０４ 電流発生器
３０５,５０３ 差動アンプ
３０６ 制御アンプ
３０７,５０４ 線形化回路
３０８ 可変電圧源
４００ 測定回路構成
４０１ 可変電流発生器
４０２,４０３ 回路素子
４１１,４１２,４１３ 矢印
５０１ 固定電圧源
７０２ 補正回路
７０３ 線形アンプ
７０４ マルチチャネルアナライザ
７０６ 回路
８０１ 補正回路未使用で、観測されたピーク位置
８０２ 補正回路使用で、観測されたピーク位置
８１１ ８０２のグラフを詳細化
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般的に電磁放射線を検出するための半導体検出器の技術に関する。特に、この発明は、例えばＸ線検出に使用されるドリフトタイプ検出器で、光子カウント率の割合としてピーク位置のシフトを補正する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば画像用や分光学用のＸ線検出装置に用いられる半導体検出器として、ＰＩＮ検出器がある。それに用いられる検出素子は、逆バイアスが印加されたＰＩＮダイオードであり、一方の電極がＦＥＴ(電界効果トランジスタ)のゲート電極に接続されている。ＰＩＮダイオードに衝突したＸ線の光子は光電効果を引き起こし、半導体材料中の空乏層領域に多数の自由電子と正孔を生成する。ＰＩＮダイオードに印加される逆バイアスにより、移動電荷キャリアが電極に引き寄せられ、それにより電極の電位が変化する。ＦＥＴに接続される積分器は、ＰＩＮダイオードの電極電位の変化を、帰還コンデンサにかかる電圧の変化に変換する。
【０００３】
ドリフト検出器はより進化した検出器タイプで、その検出器タイプは、例えば、刊行物、Ｃ．Ｆｉｏｒｉｎｉ，Ｐ．Ｌｅｃｈｎｅｒ“集積されたフロントエンド用ＪＦＥＴのゲート−ドレイン間電流による半導体検出器の連続した電荷の回復”ＩＥＥＥ原子物理学会報、１９９９年６月Ｖｏｌ．４６，Ｎｏ.３，ｐｐ．７６１〜７６４（C.
Fiorini, P. Lechner: “Continuous Charge Restoration in Semiconductor Detectors
by Means of the Gate-to-Drain Current of the Integrated Front-End JFET”, IEEE
Trans. on Nucl. Sci., vol. 46, No. 3, June 1999, pp. 761-764.）に詳細に記載されている。ドリフトタイプ検出器の固体半導体検出素子は、大部分が共通してシリコンで作られている。そのため、これらの検出器はよくＳＤＤ(シリコンドリフト検出器)と言われている。一部を切り欠かれた例として図１に示されたＳＤＤは、いわゆるドリフト輪１０１を構成するフィールド電極配置およびダイオード成分に統合されたアンプを持っているという点で、通常のシリコンをベースとしたＰＩＮダイオード検出器とは異なる。アンプは最も代表的なＦＥＴ(電界効果トランジスタ)であり、ソース電極、ゲート電極およびドレイン電極が、図１に１０２、１０３および１０４としてそれぞれに現れている。検出器ダイオードのアノード電極およびカソード電極は、図１に１０５および１０６としてそれぞれ図示されている。
【０００４】
図２は、図１によるＳＤＤの電気的な動作原理を図式的に示す。回路図の一部に示される楕円状の破線は、検出器チップの中に直接位置する。検出器に衝突するＸ線光子は、自由電荷キャリアの群を発生させ、その群の大きさ−そして、相応して、それが含む総電荷−は、光子の入射エネルギーに依存する。検出器の内部電界は、自由電荷キャリアを陽極および陰極に向けてドリフトさせる。アノードＡに到達する電子によって代表される電荷は、電流パルスｉｑとみなすことができる。検出器容量は、電流パルスを集め、そしてそれらを蓄積電圧として積分する積分器として動作する。前述の検出器容量は、主に陽極容量Ｃａからなるが、ＦＥＴの浮遊容量についても考慮する必要がある。最後に、図２のＣｄｇおよびＣｇｓについて述べる。回路配置はＦＥＴをソースフォロワ(ゲート−ソース間電圧Ｖｇｓは一定のままであることを意味する)として動作させるので、ドレイン−ゲート間容量Ｃｄｇだけが、検出器容量Ｃｄｅｔに真に寄与する。
Ｃｄｅｔ＝Ｃａ＋Ｃｄｇ （１）
一つのＸ線光子が衝突の結果として陽極に集められる電荷をｑ０と仮定すると、電位Ｖｓの変化ΔＶｓを下式のように表することができる。
ΔＶｓ＝ｑ０／Ｃｄｅｔ＝ｑ０／(Ｃａ＋Ｃｄｇ) （２）
また、検出器の電荷−電圧変換係数は、(Ｃａ＋Ｃｄｇ)−１であるといった別の言葉で表現できる。
【０００５】
検出器は、なんらかの電荷中和化メカニズムがないと、集められた電荷が陽極に蓄えられたとしてもすぐ飽和するだろう。連続動作は、いわゆる衝撃イオン化の結果としてＦＥＴのチャネルに発生し、蓄積電荷を中和するように作用する漏れ電流ＩＬによって可能になる。漏れ電流ＩＬの発生に関する様々なメカニズムの解説が、イー・イラッド：“ドレインフィードバック−低雑音低温プリアンプの新たなフィードバック技術”、ＩＥＥＥ原子物理学会報，ＮＳ−１９，Ｎｏ.１，１９７２，ｐｐ．４０３〜４１１（E. Elad: ”Drain Feedback – a Novel Feedback Technique
for Low-Noise Cryogenic Preamplifiers”, IEEE Trans. on
Nucl. Sci., NS-19, No. 1, 1972, pp. 403-411.）の刊行物に見い出される。漏れ電流ＩＬの流れを制御する主要な係数であるイオン化率は、ＦＥＴのドレイン−ゲート接合間の電圧Ｖｄｇに強く依存する。漏れ電流ＩＬの値は、ＳＤＤ中のＦＥＴのドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓに少なくとも部分的に依存すると推定することができる。
【０００６】
Ｘ線の持続的な照射の下で、陽極に繰り返し発生される放射線誘導電流パルスは、漏れ電流ＩＬが放射線誘導電流に等しくなるという定常状態条件に到達するまでの間、陽極電位を負方向に引き込む。既述したように、Ｖｇｓは回路のソースフォロワ特性により一定であり、陽極電位の変化は、Ｖｄｓの変化として直接的に観測できる。既に述べた検出器を利用する検出装置は、図１、２を参照すると、Ｖｓで記号表示された電位の変化を測定するように構成された電位感受性測定配置(図２には示してない)からなる。ＦＥＴを通る全電流と比較した漏れ電流ＩＬの相対的な大きさは無視できるので、たとえ、文字通りには、より適切な記号表示はＩｓであるとしても、ＦＥＴのソース電極から固定負電位に引き込まれる定電流をＩｄとして記号表示することが通例となっている。
【０００７】
従来のＳＤＤベースの検出装置の問題は、ピーク位置の率依存シフトである。Ｘ
線光子が検出器に衝突する率が増加すると電圧Ｖｄｓも増加する。このことは、それ自体問題ではないだろうが、検出器容量が一定ではなく、検出チップ内の電圧に依存するので問題となる。検出器容量Ｃｄｅｔの変化は、検出器の電荷−電圧変換係数の変化を意味する。測定されたＸ線スペクトルにおいて、ある一定のエネルギーの放射を表すピークは、Ｘ線光子がより遅い率で届くか、より速い率で届くかどうかに依存しながら異なった位置にシフトするだろう。シフトが上方であるか下方であるかは、容量ＣａとＣｄｇとの関連性の相互の順序に依存する。なぜならば、これらは、光子衝突率について反対方向の依存性を有するからである。
【０００８】
電荷−電圧変換係数の変化は、基本的には電圧Ｖｄｇの変化の結果であるので、当該技術に熟練した人は、瞬時光子衝突率の関数として、ドレイン電位Ｖｄを変えることによって、それを補正するように考えるだろう。図３は、このアプローチに従った可能な解決法を示す。ドリフトタイプ検出器チップ３０１は、ＦＥＴ３０２を含み、そのソース電極は、プリアンプ結合３０３を通る信号出力に接続されている。また、ＦＥＴを通して定電流を引き込むように構成された電流発生器３０４が存在する。既述したように、この電流は基本的にはドレイン電流と同じものであるので、電流発生器３０４によって引き込まれる電流をドレイン電流Ｉｄとして記号表示することは、この接続がＦＥＴのソース電極に接続されているにもかかわらず従来通りである。
【０００９】
差動アンプ３０５は、ＦＥＴ３０２のドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓを測定し、それに比例した出力電圧を与えるように接続されている。制御アンプ３０６は、差動アンプ３０５の出力電圧を固定参照電圧Ｖｒｅｆと比較し、比較結果を可変電圧源３０８によって生成された電圧の変化に使用するように構成されている。制御アンプ３０６の増幅率および極性は、Ｖｄに結果として起こる変化が電荷−電圧変換係数の率誘導変化を補正するように慎重に調整される。電荷−電圧変換係数の変化は非線形であるので、制御アンプ３０６と可変電圧源３０８との間に線形化回路３０７が必要とされる。
【００１０】
図３の回路は、主に振動に対する脆弱性に関係する問題を含んでいる。最も重要な部分は差動アンプ３０５であり、その入力信号は制御ループの動作周波数と上手にバランスがとられなければならない。電荷−電圧変換係数の非線形動作が複雑であるため、線形化回路３０７も実現することが困難であることが証明できるかもしれない。また、その回路は、光子衝突率の変化に反応するのも幾分遅いかもしれない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
この発明の目的は、ドリフトタイプ放射線検出器の電荷−電圧変換係数の率依存変化を補正することにある。特に、その発明の目的は、導入が容易であり、動作が実現可能であるような方法で、そのような補正を実現することにある。さらに、この発明の目的は、前述から生じるピーク位置の率依存シフトを補正するために構成される検出装置を提供することにある。
【００１２】
発明の目的は、ドレイン電流を瞬時光子（衝突）率の関数として変化することによって達成される。
【００１３】
この発明に係る回路配置は、回路配置を指向する独立請求項の特徴部に列挙される特徴によって特徴付けられる。
【００１４】
この発明は検出装置にも適用され、検出装置を指向する独立請求項の特徴部に列挙される特徴によって特徴付けられる。
【００１５】
加えて、この発明は、ドリフトタイプ放射線検出器で、電荷−電圧変換係数の率依存変化を補正するための方法に適用する。この方法は、方法を指向する独立請求項の特徴部に列挙される特徴によって特徴付けられる。
【００１６】
ドリフトタイプ検出器で、電荷を中和する役割を果たす漏れ電流は、ドレイン電流の線形関数であることが示される。この発明によれば、可変電流発生器 (カレントソースまたはカレントシンク、より一般的には、制御信号に応答して所定の大きさの電流を流させるように構成された制御回路構成部品)
は、光子衝突率の関数として、または検出チップ中のＦＥＴのドレイン−ソース間電圧(それ自体、光子衝突率の関数である)の関数として、ドレイン電流を制御可能に変化させるために使用される。
【００１７】
この発明の性質として考えられている新たな特徴は、添付請求項で特に詳しく説明されている。しかしながら、この発明それ自体、その構成およびその動作方法に関して、その追加目的および利点とともに、添付図面を参照することにより、以下の特定の実施例からよく理解できるであろう。
【００１８】
この特許出願に示される発明の典型的な実施例は、添付請求項の適用に限定を設けるように解釈すべきではない。動詞“ｔｏ ｃｏｍｐｒｉｓｅ”は、この特許出願では、挙げられていない特徴の存在を排除すべきではない。従属請求項で挙げられた特徴は、明示されていない限りは、相互に自由に組み合わせ可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
既述したイー・イラッドの科学刊行物から、漏れ電流ＩＬを下式のように記述することができる。
【００２０】
【数１】
【００２１】
ここで、αおよびβは、材料および温度依存定数である。この数式は、２通りで説明される。初めに、これはＩＬとＶｄｓとの間の複雑な非線形関係についての前言、すなわち、図３で試みたように、Ｖｄｓの値を調整することによって、申し分のない結果を達成することが困難であることを確認する。次に、数式(３)は、ＩＬとＩｄとの間の依存性が、たとえ線形だとしても、もっと単純であることを示す。このようにＩｄに同等の変形を引き起こすことで、ＩＬの純粋な変形依存率を補正することは可能であり、結果として、Ｖｄｓは前記ＩＬの変形依存率なしで値を仮定できると推論できるかもしれない。
【００２２】
図４は、ドリフトタイプ検知器チップ３０１が、放射線を検出するのによく使用される配置を図式的に例示する。ドリフトタイプ検出器チップ３０１上のＦＥＴ３０２は、第一電位Ｖ１に接続するドレインを有する。ＦＥＴ３０２のソースは、可変電流発生器４０１を通して第二電位Ｖ２に接続される。ＦＥＴ３０２のソースからは、測定回路構成４００への接続があり、測定回路構成４００は、アンプ、パルス整形回路およびマルチチャンネルアナライザから構成される(図４では、分けて示してない)。この発明の実施例によれば、図４の配置は、光子が検出器チップ３０１に衝突する瞬時（光子衝突）率を表す情報を収集するように構成された回路素子４０２を含む。そのような情報に基づいて、回路素子４０２は、光子衝突率の瞬時値を表す出力信号を生成する。加えて、図４の配置は、Ｉｄ値が中和電流ＩＬの値の変化に依存する推定率に相当する量によって変化するように、出力信号を受け取り、可変電流発生器４０１を調整するように構成された回路素子４０３を含む。
【００２３】
回路素子４０２および４０３は、アナログ技術もしくはディジタル技術、またはその両方を使用して実装することができる。特にアナログエレクトロニクスに対する典型的な特徴は、部品もしくは回路素子が多数の機能を持つことができること、および回路配置をよく定義された分離された機能ブロックに明確に分けることができないことである。従って、回路素子４０２と４０３との区分は、むしろ実際的な実施で満たされるべき厳密な要求ではなく、単にこの発明のある実施例の動作を理解するための実例補助として考えられる。
【００２４】
図４で説明される原理は、選択された源泉が瞬時光子衝突率を表す正確な最新情報を伝えることができる限りにおいて、回路素子４０２によって収集された情報の源泉選択は制限されない。どのような種類の固定電位もしくは変動電位が使用されるかに依存して、そのような情報は、矢印４１１に従ってＦＥＴ３０２のドレイン側から、矢印４１２に従ってＦＥＴ３０２のソース側から、および／または、矢印４１３に従って測定回路構成４００からさえ、利用することができる。以下、主として中間の選択肢についてより詳細に記述する。
【００２５】
図５は、ＳＤＤチップ３０１が放射線検出に使用される回路配置を示す簡単化された回路図である。ＳＤＤチップ３０１のＦＥＴ３０２は、固定ドレイン電圧Ｖｄを伝えるように構成された固定電圧源５０１に接続されたドレインを有する。ＦＥＴ３０２のソースは、プリアンプ５０２の入力側に接続されており、プリアンプ５０２の出力側は、さらに先の測定および記憶回路構成に接続されることを意図する信号出力を構成する。ＦＥＴ３０２のソースは、差動アンプ５０３の一方の入力側に同様に接続され、差動アンプ５０３の他方の入力側は、固定参照電圧Ｖｒｅｆに接続されている。差動アンプ５０３の出力側は、線形化回路５０４に接続され、線形化回路５０４からは可変電流発生器４０１の制御入力への接続がある。前記可変電流発生器４０１は、ＦＥＴ３０２のソースからグラウンドに、制御可能な大きさの電流を引き込むように構成されている。
【００２６】
Ｖｄの値は一定なので、ＦＥＴ３０２のＶｄｓの全ての変化は、ソース電位に直接現れ、そのソース電位を差動アンプ５０３は（固定）参照（電圧）Ｖｒｅｆと比較する。このＶｒｅｆの値は、ＳＤＤチップ３０１におけるある所定の光子衝突率で、ある望ましいわずかなドレイン電流Ｉｄを発生するように選択されている。低い光子衝突率はドレイン電流Ｉｄを減少させ、高い光子衝突率はドレイン電流Ｉｄを増加させ、減少と増加との相対的な量は基本的に差動アンプ５０３の増幅率にのみ依存する。
【００２７】
厳密に言えば、ＳＤＤチップ３０１の電荷−電圧変換係数は、ＦＥＴ３０２のゲート電圧が一定であり続ける限りは一定のままである。しかしながら、Ｉｄの変化は、ＦＥＴ３０２のゲート−ソース間電圧Ｖｇｓの変化も含み、そのことは、差動アンプ５０３によってモニタされたソース電位は、厳密に言うとＦＥＴ３０２のドレイン−ゲート間電圧Ｖｄｇ、および、その結果である電荷−電圧変換係数の正確な指標ではないことを意味する。線形化回路５０４の役割は、ソース電位とＦＥＴ３０２のドレイン−ゲート間電圧Ｖｄｇとの間に、前記わずかな食い違いから生じる変形を中和することである。また、差動アンプ５０３の微調整も前記変形を取り除くのに役立っている。
【００２８】
シミュレーションおよび測定では、図４および図５の制御原理が、図３の制御原理のものよりも、少なくとも、より良い安定性を達成し、光子衝突率における変化にも早く反応し、そして、線形性に関してより簡単な構造での使用を可能にする点で優れていることを示している。
【００２９】
図６は、図５による回路配置の典型的な詳細な実施を例示している。ＳＤＤチップ３０１におけるＦＥＴＪ１のドレインは、抵抗Ｒ１を通して固定電圧＋１２Ｖに接続されている。さらに、ＦＥＴＪ１のドレインからコンデンサＣ１を通してグラウンドへのＡＣ減衰結合がある。ＦＥＴＪ１のソースから信号出力までの接続は、アンプＪ２とそれに関連付けられたコンデンサＣ２およびＣ３から成る慣用のプリアンプの配置を経由する。ＦＥＴＪ１のソースから他のＦＥＴＪ３のドレインへ行く可変電流の経路は、ＦＥＴＪ３のソースから抵抗Ｒ４を通してＮＰＮトランジスタＪ５のコレクタに続き、そしてＮＰＮトランジスタＪ５のエミッタから抵抗Ｒ７を通して固定電圧−１５Ｖにまで延びている。ＦＥＴＪ３のゲートはグラウンドに接続されていて、ＮＰＮトランジスタＪ５のコレクタからも、コンデンサＣ６を通してグラウンドに接続されている。
【００３０】
モニタしている差動アンプＪ４は、ＦＥＴＪ１のソース電位のサンプルを、抵抗Ｒ２を通してその負入力側で受け取る。差動アンプＪ４を調整するために、負入力側と出力側との間に並列に接続されている抵抗Ｒ３およびコンデンサＣ４がある。（固定）参照電圧Ｖｒｅｆは、差動アンプＪ４の正入力側に接続されている。ＡＣ減衰コンデンサＣ５は、差動アンプＪ４の正入力側をグラウンドに接続している。
【００３１】
差動アンプの出力側は、抵抗Ｒ５およびＲ６を通してＮＰＮトランジスタＪ５のベースに接続されている。ＮＰＮトランジスタＪ５のベースは、抵抗Ｒ９を通してグラウンドに、そしてダイオードＤ１のアノードにも接続されており、ダイオードＤ１のカソードから抵抗Ｒ８を通して固定電圧−１５Ｖへの接続がある。抵抗Ｒ５とＲ６との間の接続点は、ダイオードＤ２のアノードと接続され、ダイオードＤ２のカソードは、抵抗Ｒ１１を通してグラウンドに接続され、また抵抗Ｒ１０を通して固定電圧−１５Ｖに接続されている。
【００３２】
図６に現れる部品の典型的な値は、Ｒ１＝２００Ω、Ｒ２＝１ＭΩ、Ｒ３＝１０ＭΩ、Ｒ４＝Ｒ１１＝２４ｋΩ、Ｒ５＝１．８ｋΩ、Ｒ６＝３１ｋΩ、Ｒ７＝１ｋΩ、Ｒ８＝５１０ｋΩ、Ｒ９＝４５ｋΩ、Ｒ１０＝６５ｋΩ、Ｃ１＝Ｃ６＝１００ｎＦ、Ｃ４＝３３ｎＦ、Ｃ５＝３．３μＦ、Ｊ３＝ＢＦ８６１Ｂ、Ｊ４＝ＬＦ３５６、Ｊ５＝２Ｎ３９０４、Ｄ１＝Ｄ２＝１Ｎ４１４８である。
【００３３】
図７は、Ｘ線スペクトルを測定するための検出装置を例示する。これは、ＳＤＤ検出器チップ３０１を含み、その出力側は、ＳＤＤ検出器チップ３０１の集積されたＦＥＴを通して引き込まれるドレイン電流の値を制御可能に変化させるように構成されたプリアンプ７０１および補正回路７０２に接続されている。ＳＤＤ検出器チップ３０１，プリアンプ７０１および補正回路７０２の接続は、例えば、図６を参照して既に述べたものに類似している。プリアンプ７０１の出力側は、測定チャネルおよびタイミングチャネルを構成する線形アンプ７０３に接続されており、測定チャネルおよびタイミングチャネルは、それぞれが自身の信号出力を生成している。これらの信号出力は、マルチチャネルアナライザ７０４に接続されている。検出装置は、プラットフォーム機能部７０５も含んでおり、プラットフォーム機能部７０５は、動作電圧を生成して分配し、また他の種類のサポート機能を検出装置の他の機能ブロックに供給するように構成されている。図の明瞭さを保つために、図７では、ＳＤＤチップ３０１へのドレイン電圧への供給だけが明示的に示されている。
【００３４】
選択的な細部として、検出装置は、ＳＤＤチップ３０１に供給されるドレイン電圧の電荷中和効果を制御可能に変えることにより、線形アンプ中のタイミングチャネルの出力信号に応答するように構成された回路７０６を含む。前記回路７０６は、例えば、同時係属米国特許出願Ｎｏ．１０／８８１４２０に詳細に説明された種類のものである。しかしながら、前記同時係属米国特許出願に開示された配置も、スペクトルピークの位置の率依存シフトに反対に作用し、それを本発明と結合することは、補正回路の若干の冗長化を導くかもしれないことに注意すべきである。
【００３５】
図７に示される種類の実験的な構成は、ドイツのＰＮｓｅｎｓｏｒ有限責任会社による、ＳＤＤチップモデルＳＤ３−０５−１３８を使用することで、回路７０６無しで製作されたことがあった。ＳＤＤチップは、その製造業者からの標準的な取扱説明書によれば、バイアスがかけられていた。検出温度は−２０℃、ドレイン電圧＋１２Ｖ、ゼロの光子衝突率で２００μＡオーダのドレイン電流、６３０００ｃｐｓ(一秒あたりのカウント数)の光子衝突率で３５０μＡオーダのドレイン電流、そして放射源はＦｅ−５５であった。Ｃａｎｂｅｒｒａ２０２０型の線形アンプとＴｅｎｎｅｌｅｃ
ＰＣＡ−２型のマルチチャネルアナライザとが使用された。図８ａおよび８ｂは、ある測定結果を図示している。図８ａのグラフ８０１は、補正回路のスイッチがＯＦＦされ、ドレイン電流は必然的に一定であった時、マルチチャネルアナライザのチャネルで観測されたピーク位置を図示する。グラフ８０２は、補正回路を使用した時の観測されたピーク位置を図示する。図８ｂのグラフ８１１は、グラフ８０２と同じものをより詳細なスケールで図示したものである。補正回路が使用されてなければ、数百ｃｐｓオーダから６３０００ｃｐｓまでの光子衝突率の変化により、およそ２０数チャネルくらいのピーク位置のシフトを引き起こすが、補正回路に切り替えると、一つのチャネルの半分以内でピーク位置を維持することが可能であり、光子衝突率がテストされた範囲の大部分にわたり、ちょうど本質的に一定であることが容易に理解できる。
【００３６】
図９は状態図の形式で実施例に係る方法を例示する。測定状態９０１は、光子衝突率が変化せず、ＳＤＤ検出チップに関する電荷−電圧変換係数が安定な状態にあり、従って、光子エネルギーとマルチチャネルアナライザのチャネル番号との間の通信を一定にするのに対応している。もし、増加する光子衝突率についての情報が得られれば、ＳＤＤチップ中のＦＥＴを通して引き込まれるドレイン電流もまた、増加する光子衝突率によって引き起こされた漏れ電流の増加に、出来るだけ接近させた相対的な量を状態９０２で増加させる。これに対して、減少する光子衝突率についての情報が得られれば、ドレイン電流は状態９０３により減少される。
【００３７】
上述した発明の典型的な実施例は、添付請求項の範囲から逸脱することなく、様々な方法で変形することができる。例えば、これまでに説明されている全ての実施例が、ＳＤＤチップの出力側から補正回路に直接接続することを示唆しているとしても、プリアンプの後から入力信号を受け取るために補正回路を接続することも可能であることが証明できる。これは、別の方法で、補正回路の入力信号によって引き起こされた追加インピーダンスが、ＳＤＤチップの出力信号に現れる問題を回避するのに役立つ。この追加インピーダンスは、通常、プリアンプのみの入力インピーダンスに釣り合うように注意深く設計される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】ＳＤＤチップの公知の構造を示す図。
【図２】図１のＳＤＤチップの電気的作用を示す図。
【図３】電荷−電圧変換係数における率依存変化を補正する方法を示す図。
【図４】ドレイン電流を制御可能に変化する原理を示す図。
【図５】図４の原理をより詳細に実施例を示す図。
【図６】発明の実施例に係る回路配置を示す図。
【図７】発明に係る検出装置を示す図。
【図８】ａおよびｂは、図７による検出装置で得られる測定結果を示す図。
【図９】状態図の形式での発明の実施による方法を示す図。
【符号の説明】
【００３９】
３０１ ＳＤＤ検出器チップ
３０２ ＦＥＴ
３０３,５０２,７０１ プリアンプ
３０４ 電流発生器
３０５,５０３ 差動アンプ
３０６ 制御アンプ
３０７,５０４ 線形化回路
３０８ 可変電圧源
４００ 測定回路構成
４０１ 可変電流発生器
４０２,４０３ 回路素子
４１１,４１２,４１３ 矢印
５０１ 固定電圧源
７０２ 補正回路
７０３ 線形アンプ
７０４ マルチチャネルアナライザ
７０６ 回路
８０１ 補正回路未使用で、観測されたピーク位置
８０２ 補正回路使用で、観測されたピーク位置
８１１ ８０２のグラフを詳細化
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドリフトタイプ放射線検出器(３０１)の電荷−電圧変換係数の率依存変化を補正するための回路配置であって、
前記ドリフトタイプ放射線検出器(３０１)に作用する瞬時光子衝突率についての情報を収集する情報収集回路(４０２)と、
前記情報収集回路の出力に接続され、前記瞬時光子衝突率を示す制御信号を生成する制御信号生成回路(４０３)と、
ドレイン電流の制御可能な大きさが前記制御信号の値に依存するように、制御可能な大きさのドレイン電流を前記ドリフトタイプ放射線検出器(３０１)の集積アンプ(３０２)を通って流れさせることによって、前記制御信号に応答する可変電流発生器(４０１)と、
を含むことを特徴とする回路配置。
【請求項２】
前記情報収集回路(４０２)は、前記集積アンプ(３０２)のドレイン−ソース間電圧をモニタすることを特徴とする請求項１記載の回路配置。
【請求項３】
前記集積アンプの電界効果トランジスタ(３０２)のドレイン電極は固定電位(５０１)に接続され、前記情報収集回路(４０２)は、前記電界効果トランジスタ(３０２)のソース電位と参照電位とを比較すると共に、前記出力に出力信号を送るコンパレータ(５０３)を含み、前記出力信号の大きさは、前記ソース電位と前記参照電位との間の絶対差に比例することを特徴とする請求項２記載の回路配置。
【請求項４】
前記コンパレータ(５０３)の前記出力信号と、前記可変電流発生器(４０１)の間に、線形化回路(５０４)を含むことを特徴とする請求項３記載の回路配置。
【請求項５】
集積アンプ(３０２)を備えるドリフトタイプ放射線検出器(３０１)を含み、Ｘ線スペクトルを測定するための検出装置において、
前記集積アンプ(３０２)を通してドレイン電流を流れさせる電流発生器(４０１)と、
前記ドリフトタイプ放射線検出器(３０１)に作用する瞬時光子衝突率を示す出力を生成する、率依存情報収集回路要素(４０２，５０３)と、
前記率依存情報収集回路要素(４０２，５０３)から前記電流発生器(４０１)への接続と、を備え、
前記電流発生器(４０１)は、制御可能であり、かつ前記ドレイン電流の大きさを制御可能に変化させることによって前記接続を通して受ける制御信号に応答することを特徴とする検出装置。
【請求項６】
前記集積アンプ(３０２)から得られるソース電位を受けて増幅するように接続されるプリアンプ(７０１)を含み、前記率依存情報収集回路要素(４０２，５０３)は、前記ドリフトタイプ放射線検出器に作用する瞬時光子衝突率を示す情報として、前記ソース電位を受けるように接続されることを特徴とする請求項５記載の検出装置。
【請求項７】
前記プリアンプ(７０１)の信号出力に接続される、線形アンプ(７０３)とマルチチャンネルアナライザ(７０４)との直列接続を含み、前記率依存情報収集回路要素、前記電流発生器および前記率依存情報収集回路要素から前記電流発生器への前記接続がともに、前記マルチチャンネルアナライザでのピーク位置の率依存シフトを補正することを特徴とする請求項６記載の検出装置。
【請求項８】
前記集積アンプは、ドレイン電極、ソース電極およびゲート電極を含む電界効果トランジスタ(３０２)であり、前記定電流源(４０１)は、前記電界効果トランジスタ(３０２)のソース電極と固定電位との間に接続されることを特徴とする請求項５記載の検出装置。
【請求項９】
前記率依存情報収集回路要素(４０２，５０３)は、前記電界効果トランジスタ(３０２)のソース電極に接続される第１の入力電位と、参照電位に接続される第２の入力電位とを備え、前記率依存情報収集回路要素(４０２，５０３)は、前記電界効果トランジスタ(３０２)のソース電極と前記参照電位との電位差を測定し、前記電位差は、前記ドリフトタイプ放射線検出器に作用する瞬時光子衝突率を示す前記情報を構成することを特徴とする請求項８記載の検出装置。
【請求項１０】
ドリフトタイプ放射線検出器(３０１)の電荷−電圧変換係数の率依存変化を補正する方法において、
前記ドリフトタイプ放射線検出器(３０１)に作用する瞬時光子衝突率の変化を検出し、
前記瞬時光子衝突率の検出された変化に比例する量によって、前記ドリフトタイプ放射線検出器(３０１)の集積アンプ(３０２)を通って流れるドレイン電流を変化させる(９０２、９０３)ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記光子衝突率の変化を検出することが、前記集積アンプ(３０２)のソース電位の変化を検出することを含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１】
ドリフトタイプ放射線検出器(３０１)の電荷−電圧変換係数の率依存変化を補正するための回路配置であって、
前記ドリフトタイプ放射線検出器(３０１)に作用する瞬時光子衝突率についての情報を収集する情報収集回路(４０２)と、
前記情報収集回路の出力に接続され、前記瞬時光子衝突率を示す制御信号を生成する制御信号生成回路(４０３)と、
ドレイン電流の制御可能な大きさが前記制御信号の値に依存するように、制御可能な大きさのドレイン電流を前記ドリフトタイプ放射線検出器(３０１)の集積アンプ(３０２)を通って流れさせることによって、前記制御信号に応答する可変電流発生器(４０１)と、
を含むことを特徴とする回路配置。
【請求項２】
前記情報収集回路(４０２)は、前記集積アンプ(３０２)のドレイン−ソース間電圧をモニタすることを特徴とする請求項１記載の回路配置。
【請求項３】
前記集積アンプの電界効果トランジスタ(３０２)のドレイン電極は固定電位(５０１)に接続され、前記情報収集回路(４０２)は、前記電界効果トランジスタ(３０２)のソース電位と参照電位とを比較すると共に、前記出力に出力信号を送るコンパレータ(５０３)を含み、前記出力信号の大きさは、前記ソース電位と前記参照電位との間の絶対差に比例することを特徴とする請求項２記載の回路配置。
【請求項４】
前記コンパレータ(５０３)の前記出力信号と、前記可変電流発生器(４０１)の間に、線形化回路(５０４)を含むことを特徴とする請求項３記載の回路配置。
【請求項５】
集積アンプ(３０２)を備えるドリフトタイプ放射線検出器(３０１)を含み、Ｘ線スペクトルを測定するための検出装置において、
前記集積アンプ(３０２)を通してドレイン電流を流れさせる電流発生器(４０１)と、
前記ドリフトタイプ放射線検出器(３０１)に作用する瞬時光子衝突率を示す出力を生成する、率依存情報収集回路要素(４０２，５０３)と、
前記率依存情報収集回路要素(４０２，５０３)から前記電流発生器(４０１)への接続と、を備え、
前記電流発生器(４０１)は、制御可能であり、かつ前記ドレイン電流の大きさを制御可能に変化させることによって前記接続を通して受ける制御信号に応答することを特徴とする検出装置。
【請求項６】
前記集積アンプ(３０２)から得られるソース電位を受けて増幅するように接続されるプリアンプ(７０１)を含み、前記率依存情報収集回路要素(４０２，５０３)は、前記ドリフトタイプ放射線検出器に作用する瞬時光子衝突率を示す情報として、前記ソース電位を受けるように接続されることを特徴とする請求項５記載の検出装置。
【請求項７】
前記プリアンプ(７０１)の信号出力に接続される、線形アンプ(７０３)とマルチチャンネルアナライザ(７０４)との直列接続を含み、前記率依存情報収集回路要素、前記電流発生器および前記率依存情報収集回路要素から前記電流発生器への前記接続がともに、前記マルチチャンネルアナライザでのピーク位置の率依存シフトを補正することを特徴とする請求項６記載の検出装置。
【請求項８】
前記集積アンプは、ドレイン電極、ソース電極およびゲート電極を含む電界効果トランジスタ(３０２)であり、前記定電流源(４０１)は、前記電界効果トランジスタ(３０２)のソース電極と固定電位との間に接続されることを特徴とする請求項５記載の検出装置。
【請求項９】
前記率依存情報収集回路要素(４０２，５０３)は、前記電界効果トランジスタ(３０２)のソース電極に接続される第１の入力電位と、参照電位に接続される第２の入力電位とを備え、前記率依存情報収集回路要素(４０２，５０３)は、前記電界効果トランジスタ(３０２)のソース電極と前記参照電位との電位差を測定し、前記電位差は、前記ドリフトタイプ放射線検出器に作用する瞬時光子衝突率を示す前記情報を構成することを特徴とする請求項８記載の検出装置。
【請求項１０】
ドリフトタイプ放射線検出器(３０１)の電荷−電圧変換係数の率依存変化を補正する方法において、
前記ドリフトタイプ放射線検出器(３０１)に作用する瞬時光子衝突率の変化を検出し、
前記瞬時光子衝突率の検出された変化に比例する量によって、前記ドリフトタイプ放射線検出器(３０１)の集積アンプ(３０２)を通って流れるドレイン電流を変化させる(９０２、９０３)ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記光子衝突率の変化を検出することが、前記集積アンプ(３０２)のソース電位の変化を検出することを含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８ａ】
【図８ｂ】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８ａ】
【図８ｂ】
【図９】
【公開番号】特開２００６−１１９１４１（Ｐ２００６−１１９１４１Ａ）
【公開日】平成１８年５月１１日（２００６．５．１１）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００５−３０７５７２（Ｐ２００５−３０７５７２）
【出願日】平成１７年１０月２１日（２００５．１０．２１）
【出願人】（５０５３９４３０１）
【氏名又は名称原語表記】ＯＸＦＯＲＤ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ ＡＮＡＬＹＴＩＣＡＬ ＯＹ
【住所又は居所原語表記】Ｎｉｈｔｉｓｉｌｌａｎｋｕｊａ ５， ＦＩ ― ０２６３０ ＥＳＰＯＯ， Ｆｉｎｌａｎｄ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年５月１１日（２００６．５．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３０７５７２（Ｐ２００５−３０７５７２）
【出願日】平成１７年１０月２１日（２００５．１０．２１）
【出願人】（５０５３９４３０１）
【氏名又は名称原語表記】ＯＸＦＯＲＤ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ ＡＮＡＬＹＴＩＣＡＬ ＯＹ
【住所又は居所原語表記】Ｎｉｈｔｉｓｉｌｌａｎｋｕｊａ ５， ＦＩ ― ０２６３０ ＥＳＰＯＯ， Ｆｉｎｌａｎｄ
【Ｆターム（参考）】
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