説明

減衰回路

【課題】既存のASICを用いて安価に広いエネルギー範囲のX線検出に対応できる減衰回路を提供する。
【解決手段】X線分析による検出信号を減衰する減衰回路30であって、入射X線を検出する多チャンネル型の半導体検出器10と入射X線の検出信号を増幅する増幅用集積回路(ASIC)50との間に接続され、各チャンネルに1個ずつ設けられた複数の第1コンデンサを備える。これにより、既存のASIC50を用いて安価に広いエネルギー範囲のX線検出に対応できる。その結果、異なる用途に対して、ASIC50を設計し直して莫大な費用を浪費することがなくなる。また、使い慣れたASIC50を使うことによって、開発期間を短縮できる。また、半導体検出器10および第1コンデンサを接続する接続点とグランドとの間に接続された第2コンデンサを備えることが好ましい。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、X線分析による多チャンネルの検出信号を減衰する減衰回路に関する。
【背景技術】
【0002】
X線分析には0次元検出器であるシンチレーション検出器が用いられるのが最も一般的であるが、近年、半導体検出器が普及している。そして、半導体検出器には、0次元、1次元、2次元検出器があり、このうち本発明は1次元、2次元検出器に関するものである。1ピクセルは非常に小さく構成されており、たとえば40×80mm角で487×195ピクセルの検出器も存在する。そして、ピクセルごとに検出したX線の情報は非常に微弱であるので、検出後に増幅・成型・ノイズ処理などさまざまな信号処理加工を施す必要がある。そのため、検出器の後段に1列のピクセルの積算値の出力ごと、もしくは1ピクセルごとに増幅から信号取出しまで行う回路が接続される。
【0003】
上記のように、1ピクセルごとに増幅から信号取出しまで行う集積回路(IC)は、目的に応じてあらかじめ増幅器や演算器などの機能単位ですでに回路構成が決まっており、従来これに個別の抵抗やコンデンサ、トランジスタを1つずつ組み立てる事は、効率が悪く、コストとサイズがかさばり、故障の原因にもなるため、既成のICで目的を達成できない場合、ASICを用いる(たとえば非特許文献1、2参照)。
【0004】
一方、X線装置は、透過・回折・蛍光・CTなどさまざまな分野で利用され、目的に応じてさまざまなX線管球(X線波長)が利用される。波長が変わるとエネルギーが異なるため、電離作用に大きく影響する等、物質との相互作用に大きな違いが生じる。たとえばX線回折法では、解析目的に応じて、測定に使用するX線の波長(エネルギーに対応)を選択するのが通常である。ターゲットとしてはCu、Cr、Co、Mo、Fe、V、W、Ni、Ag、Au等が挙げられ、試料の種類、分析目的によって使い分けられている。X線を発生させるターゲットの種類によりX線のエネルギーが異なると、波高が違うことになり、たとえば増幅するための集積回路にはさまざまな波高の信号が入力される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】Robert Szczygiel,Pawel Grybos,Member,IEEE,Piotr Maj,A.Tsukiyama,Kazuyuki Matsushita,and Takeyoshi Taguchi, “RG64-High Count Rate Low Noise Multichannel ASIC With Energy Window Selection and Continuous Readout Mode”,IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE,APRIL 2009、(VOL.56,NO.2),P.487-495
【非特許文献2】R.Szczygiel,P.Grybos,P.Maj,A.Tsukiyama,K.Matsushita,T.Taguchi,“Low-noise multichannel ASIC for high count rate X-ray diffractometry applications”,Computer Physics Communications,1 August 2009,(VOL.607,issue 1),P.229-232
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかし、ASICが計数できるX線光子に比例するパルス信号の波高値には上限があり、その上限を超えた場合、そのASICでは計数できないため、それに対応したASICが別途に必要になる。そして、ASICは検出部と接合されているため、結局、検出器そのものを交換する必要が生じる。
【0007】
これに対し、増幅器のフィードバック抵抗を変える方法も考えられるが、ASICではフィードバック回路は固定、または、可変範囲が狭く、用途に応じてその設計を変更する必要が生じる。また、複数のASICを用意するとなるとASICの設計・製造に多額の費用がかかる。このように処理可能なエネルギー範囲を変更するには、ASIC自体を設計し直し、再度、製作しなければならず、コスト面で現実的でない。
【0008】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、既存のASICを用いて安価に広範なX線波長に対応できる減衰回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
(1)上記の目的を達成するため、本発明に係る減衰回路は、X線分析による検出信号を減衰する減衰回路であって、入射X線を検出する多チャンネル型の半導体検出器と前記入射X線の検出信号を増幅する増幅用集積回路との間に接続され、各チャンネルに1個ずつ設けられた複数の第1コンデンサを備えることを特徴としている。
【0010】
これにより、既存のASICを用いて安価に広いエネルギー範囲のX線検出に対応できる。異なる用途に対して、ASICを設計し直して莫大な費用を浪費することがなくなる。また、使い慣れたASICを使うことによって、開発期間を短縮できる。
【0011】
(2)また、本発明に係る減衰回路は、前記半導体検出器および前記第1コンデンサを接続する接続点とグランドとの間に接続され、前記接続点ごとに1個ずつ設けられた複数の第2コンデンサを備えることを特徴としている。これにより、減衰回路の機能を安定させることができる。また、信号の減衰率を調整することができる。
【0012】
(3)また、本発明に係る減衰回路は、前記複数の第1または第2コンデンサは可変コンデンサであることを特徴としている。これにより、検出されるX線のエネルギーに応じて減衰率を変えることができ、一つの減衰回路で状況に応じた対応が可能になる。
【0013】
(4)また、本発明に係る減衰回路は、X線分析による検出信号を減衰する減衰回路であって、入射X線を検出する多チャンネル型の半導体検出器と前記入射X線の検出信号を増幅する増幅用集積回路との間に接続され、各チャンネルに1個ずつ設けられた複数の第1抵抗器を備えることを特徴としている。
【0014】
これにより、既存のASICを用いて安価に広いエネルギー範囲のX線検出に対応できる。その結果、異なる用途に対して、ASICを設計し直して費用を浪費することがなくなる。また、使い慣れたASICを使うことによって、開発期間を短縮できる。
【0015】
(5)また、本発明に係る減衰回路は、前記半導体検出器および前記第1抵抗器を接続する接続点とグランドとの間に接続され、前記接続点ごとに1個ずつ設けられた複数の第2抵抗器を備えることを特徴としている。これにより、減衰回路の機能を安定させることができる。また、信号の減衰率を調整することができる。
【0016】
(6)また、本発明に係る減衰回路は、前記複数の第1または第2抵抗器は可変抵抗器であることを特徴としている。これにより、検出されるX線のエネルギーに応じて減衰率を変えることができ、一つの減衰回路で状況に応じた対応が可能になる。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、既存のASICを用いて安価に広いエネルギー範囲のX線検出に対応できる。その結果、異なる用途に対して、ASICを設計し直して費用を浪費せずに済む。また、使い慣れたASICを使うことによって、開発期間を短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】X線検出モジュールの構成を示す斜視図である。
【図2】X線検出モジュールの機能的構成を示すブロック図である。
【図3】第1の実施形態に係る減衰回路の一部を示す回路図である。
【図4】ASIC(増幅用集積回路)の一部を示す回路図である。
【図5】第2の実施形態に係る減衰回路の一部を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
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。
【0020】
[第1の実施形態]
(X線検出モジュールの構成)
図1は、X線検出モジュール100の構成を示す斜視図である。図1に示すように、X線検出モジュール100は半導体検出器10、減衰回路30、ASIC(増幅用集積回路)50を備えている。
【0021】
多チャンネル型の半導体検出器10は、半導体ストリップ11−1〜nを有している。各半導体ストリップ11−1〜nは、p層、空乏層、n層から構成されており、X線が入射した際に空乏層内に生成される電子・ホール対を測定することによりX線を検出する。半導体ストリップ11−1〜nを構成する素材には、SiやGeが挙げられる。半導体ストリップ11−1〜nの総数nは、設計に基づいて決められる。たとえば半導体検出器10としてストリップ間隔100μm程度の128ストリップの検出器を用いることができる。半導体検出器10は、多チャンネルで検出信号を出力し、読み出しの効率が高い。そして、その出力段の信号処理回路も多チャンネルで構成される必要がある。
【0022】
減衰回路30は、半導体検出器10とASIC50との間で電気的に接続されている回路である。半導体検出器10に対応して多チャンネルで構成され、ワイヤボンディングにより電気的に接続されている。減衰回路30は、半導体素子として構成されていることが好ましい。なお、ノイズ源にならないように減衰回路30をグランド接続したケースで覆ってもよい。減衰回路30の構成の詳細については後述する。
【0023】
ASIC50は、複数機能の回路を1つにまとめた増幅用集積回路であり、半導体検出器10で検出された信号を適正な大きさに増幅し出力する。たとえば8keV程度のエネルギーのCu線源を用いる場合には、数μVを0.1〜1V程度に増幅するように設計されている。これを検出器にそのまま接続し、たとえば17keV程度のMo線源でX線分析を行ったときには信号の波高が上限値を超え、信号を検出できない場合があるが、適当な減衰回路30を用いることで信号の検出が可能になる。ASIC50の構成の詳細については後述する。
【0024】
図2は、X線検出モジュール100の機能的構成を示すブロック図である。半導体ストリップ11−1〜nから出力された検出信号は、減衰回路30に入力される。減衰回路30には、チャンネルごとに減衰器31−1〜nが設けられており、各チャンネルの信号を所定の割合で減衰する。どの程度減衰するかは、検出対象のX線とASIC50の設計された用途に応じて予め設計される。たとえば、Mo線源を用いたX線分析に、Cu線源向けに設計されたASIC50を用いる場合には、Mo線源によるX線の高いエネルギーをCu線源によるX線程度に低減できるように、減衰回路30を設計する。
【0025】
ASIC50は、増幅部51および計数部57により構成されている。増幅部51は、n本のチャンネルについて、ポール・ゼロ補償回路を伴う電荷増幅器52−1〜n、整形器53−1〜n、補正デジタルアナログ変換器54−1〜n、弁別器A55−1〜nおよび弁別器B56−1〜nを備えている。また、計数部57は、各チャンネルについて、RAMを伴うカウンタA58−1〜nおよびRAMを伴うカウンタB59−1〜nを備えている。
【0026】
電荷増幅器52−1〜nは、半導体検出器10で入射X線により発生した電荷信号を増幅し、ポール・ゼロ補償回路は、入力パルスの時定数を補償する。整形器53−1〜nは、各チャンネルについて、増幅、時定数補償された信号を整形する。補正デジタルアナログ変換器54−1〜nは、各チャンネルについて、整形されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。弁別器A55−1〜nは、入力されたデジタル信号を所定の上限値で弁別する。また、弁別器B56−1〜nは、弁別器A55−1〜nで弁別された信号を下限値で弁別する。このようにして、所定の上限、下限のエネルギー値に対応して弁別された信号が計数部57へ出力される。これにより、意図せず検出された宇宙線やノイズをカットし所定範囲内のエネルギーの信号を出力できる。その一方で、所定範囲を超えた高い波高の信号が入力された場合にはカウントされない。
【0027】
RAMを伴うカウンタA58−1〜nおよびRAMを伴うカウンタB59−1〜nは、上記の上限値および下限値で弁別された信号を計数し、それぞれRAMに記憶する。
【0028】
(減衰回路の構成)
次に、減衰回路のi番目のチャンネルに対応する部分を説明する。図3は、コンデンサで構成された減衰回路の一部31−iを示す回路図である。第1コンデンサCc−iは、半導体検出器10の半導体ストリップ11−iとASIC50の増幅器52−iとの間で、i番目のチャンネルにそれぞれ接続されている。また、第2コンデンサCa−iは、半導体検出器10および第1コンデンサCc−iを接続する各接続点とグランドとの間にそれぞれ接続されている。なお、第1コンデンサCc−iで安定して十分に信号を減衰できる場合には、必ずしも第2コンデンサCa−iを設ける必要はない。
【0029】
このようにASIC50の入力段に、半導体ストリップ11−iの寄生容量と同程度のあまり大きくない容量のコンデンサCc−iを直列に取り付ける。寄生容量が不安定なときはそれが無視できる程度の大きさのコンデンサCa−iを寄生容量と並列に取付け、これに加えて信号線に直列にコンデンサCc−iを取り付ける。なお、シミュレーションによればコンデンサを使った方が抵抗を使うよりもノイズの増加を防ぐことができると考えられる。このような回路構成により、入射X線の検出信号の減衰が可能になる。その結果、低いエネルギーのX線検出を想定して設計されたASIC50を用いて安価に高いエネルギーのX線を用いたX線分析が可能になる。
【0030】
減衰回路30のインピーダンス値は、分析対象のX線源、ASIC50の検出可能範囲、信号の周波数に応じて決定される。すなわち、信号の減衰率から決まるインピーダンスXcおよび周波数fを利用してC=1/2πfXcの式でコンデンサの容量値Cを決定できる。また、これに応じて寄生容量Ci(図示せず)、第1コンデンサCc−i、第2コンデンサCa−iの各容量値をCi、Cc−iおよびCa−iで表したときのCi(またはCa−i)/Cc−iの比率を調整する。
【0031】
第1コンデンサCc−iまたは第2コンデンサCa−iは、可変コンデンサであってもよい。その場合には、抵抗値を変更することで適正な減衰を行うように減衰回路30を設計することが可能になる。なお、第1コンデンサCc−iおよび第2コンデンサCa−iの組は、半導体集積回路として形成されていることが好ましい。これにより、減衰回路30をコンパクトにすることができ、半導体検出器10とASIC50との間に設置しやすくなる。
【0032】
(ASICの回路構成)
図4は、ASIC50の一部を示す回路図である。ASIC50を構成するi番目のチャンネルの回路は、たとえば図4に示すようにポール・ゼロ補償回路を伴う電荷増幅器52−i、整形器53−i、補正デジタルアナログ変換器54−i、弁別器A55−i、弁別器B56−i、RAMを伴うカウンタA58−iおよびRAMを伴うカウンタB59−iで構成できる。
【0033】
[第2の実施形態]
上記の実施形態では、減衰回路30がコンデンサで構成されているが、抵抗器で構成されていてもよい。図5は、減衰回路の一部31−iを示す回路図である。第1抵抗器Rc−iは、半導体検出器10の半導体ストリップ11−iとASIC50の増幅器52−iとの間で、i番目のチャンネルにそれぞれ接続されている。また、第2抵抗器Ra−iは、半導体検出器10および第1抵抗器Rc−iを接続する各接続点とグランドとの間にそれぞれ接続されている。なお、第1抵抗器Rc−iで安定して十分に信号を減衰できる場合には、必ずしも第2抵抗器Ra−iを設ける必要はない。
【0034】
このような回路構成により、検出された信号の減衰が可能になる。その結果、低いエネルギーのX線検出用に設計されたASIC50を用いて安価に高いエネルギーのX線を用いたX線分析が可能になる。
【0035】
減衰回路のインピーダンス値は、分析対象のX線源、ASIC50の検出可能範囲および信号の周波数に応じて決まる。そして、これに応じて第1抵抗器Rc−iおよび第2抵抗器Ra−iの各抵抗値をRa−i、Rc−iと表したときのRa−i/Rc−iの比率を変える。第1抵抗器Rc−iまたは第2抵抗器Ra−iは、可変抵抗器であってもよい。その場合には、抵抗値を変更することで適正な減衰を行うように減衰回路30を設計することが可能になる。なお、第1抵抗器Rc−iおよび第2抵抗器Ra−iの組は、半導体集積回路として形成されていることが好ましい。これにより、減衰回路30をコンパクトにすることができ、半導体検出器10とASIC50との間に容易に設置することができる。
【0036】
なお、抵抗器Rc−i、Ra−iまたはコンデンサCc−i、Ca−iをスイッチのON/OFFにより選択可能な構成としてもよい。これにより、抵抗器Rc−i、Ra−iまたはコンデンサCc−i、Ca−iのうちいずれか効果の高い方を選ぶことが可能になる。
【符号の説明】
【0037】
10 半導体検出器
11−1〜n 半導体ストリップ
30 減衰回路
31−1〜n 減衰器
51 増幅部
52−1〜n 電荷増幅器
53−1〜n 整形器
54−1〜n 補正デジタルアナログ変換器
55−1〜n 弁別器A
56−1〜n 弁別器B
57 計数部
58−1〜n カウンタA
59−1〜n カウンタB
100 X線検出モジュール
Cc−1〜n 第1コンデンサ
Ca−1〜n 第2コンデンサ
Rc−1〜n 第1抵抗器
Ra−1〜n 第2抵抗器

【特許請求の範囲】
【請求項1】
X線分析による検出信号を減衰する減衰回路であって、
入射X線を検出する多チャンネル型の半導体検出器と前記入射X線の検出信号を増幅する増幅用集積回路との間に接続され、各チャンネルに1個ずつ設けられた複数の第1コンデンサを備えることを特徴とする減衰回路。
【請求項2】
前記半導体検出器および前記第1コンデンサを接続する接続点とグランドとの間に接続され、前記接続点ごとに1個ずつ設けられた複数の第2コンデンサを備えることを特徴とする請求項1記載の減衰回路。
【請求項3】
前記複数の第1または第2コンデンサは可変コンデンサであることを特徴とする請求項1または請求項2記載の減衰回路。
【請求項4】
X線分析による検出信号を減衰する減衰回路であって、
入射X線を検出する多チャンネル型の半導体検出器と前記入射X線の検出信号を増幅する増幅用集積回路との間に接続され、各チャンネルに1個ずつ設けられた複数の第1抵抗器を備えることを特徴とする減衰回路。
【請求項5】
前記半導体検出器および前記第1抵抗器を接続する接続点とグランドとの間に接続され、前記接続点ごとに1個ずつ設けられた複数の第2抵抗器を備えることを特徴とする請求項4記載の減衰回路。
【請求項6】
前記複数の第1または第2抵抗器は可変抵抗器であることを特徴とする請求項4または請求項5記載の減衰回路。


【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2012−13515(P2012−13515A)
【公開日】平成24年1月19日(2012.1.19)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−149720(P2010−149720)
【出願日】平成22年6月30日(2010.6.30)
【出願人】(000250339)株式会社リガク (206)
【Fターム(参考)】