Ｘ線撮像装置
【課題】Ｘ線イメージングにおける解像度を改善する技術を提供すること。
【解決手段】Ｘ線撮像装置１は、スピン固定層１１と、非磁性中間層１２と、スピンフリー層１３とが積層されたスピン注入磁化反転素子６を画素として備え、２次元アレイ上に設けられた複数の画素と、上部電極９と、下部電極８とを有して、スピンフリー層１３側から単色円偏光Ｘ線ビームを受光する受光画素部２と、磁化反転させるスピン注入磁化反転素子６を選択すると共に、受光画素部２の受光面に亘って画素を走査する画素選択手段と、上部電極９および下部電極８を介してスピン注入磁化反転素子６に流れる電流の方向とその大きさを制御して、スピンフリー層１３にスピン注入することで、スピンフリー層１３の磁化方向を反転させる磁化反転電流注入手段と、選択されたスピン注入磁化反転素子６がＸ線を吸収することによって発生する電流の値を検出する信号電流検出処理部４とを備える。
【解決手段】Ｘ線撮像装置１は、スピン固定層１１と、非磁性中間層１２と、スピンフリー層１３とが積層されたスピン注入磁化反転素子６を画素として備え、２次元アレイ上に設けられた複数の画素と、上部電極９と、下部電極８とを有して、スピンフリー層１３側から単色円偏光Ｘ線ビームを受光する受光画素部２と、磁化反転させるスピン注入磁化反転素子６を選択すると共に、受光画素部２の受光面に亘って画素を走査する画素選択手段と、上部電極９および下部電極８を介してスピン注入磁化反転素子６に流れる電流の方向とその大きさを制御して、スピンフリー層１３にスピン注入することで、スピンフリー層１３の磁化方向を反転させる磁化反転電流注入手段と、選択されたスピン注入磁化反転素子６がＸ線を吸収することによって発生する電流の値を検出する信号電流検出処理部４とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線撮像装置に関し、特に、画素として磁化反転素子を備えたＸ線撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のＸ線イメージング法は、１）フィルムによる感光、２）光電変換膜における光励起キャリアの生成、３）輝尽性蛍光体のＸ線による励起と読み出し光による発光の利用（イメージングプレート:ＩＰ）の３つの方法に大別できる。なお、Ｘ線検出手段として、感光性フィルム、イメージングプレート、複数の光電変換素子で構成されるＸ線検出センサのいずれかを備えるＸ線画像撮影装置が、例えば特許文献１に記載されている。
【０００３】
１）の方法であるフィルムでは、Ｘ線に感度をもつ銀塩結晶粒を塗布した膜の感光作用を利用する方法でこれまで最も多用されてきている。フィルムには、現像プロセスが必要であるので、このＸ線イメージング法では、動的な観察はできないし、特に医療においては多量のＸ線フィルムデータの保存が必要になる。
【０００４】
２）の方法では、Ｘ線ＣＣＤ（あるいはＣＭＯＳ）、Ｘ線撮像管、Ｘ線フラットパネルディテクタなどが実用化されている。Ｘ線ＣＣＤやＸ線撮像管は、シリコンフォトダイオードでＸ線を直接吸収させて通常の可視光ＣＣＤと同様の機構で動作させる方式と、Ｘ線を一旦可視光に変換してからシリコンフォトダイオードや可視光撮像管の光電変換膜に可視光像を入射させる方式がある。このうち、ＣＣＤでは、ゲート絶縁膜や界面近傍にＸ線が入射して雑音を発生しないようにＸ線遮蔽を施すなどの工夫が必要である。
【０００５】
また、Ｘ線撮像管では、光電変換膜に酸化鉛（ＰｂＯ）を用いるものと、非晶質セレン（Ｓｅ）を用いるものとがある。通常の可視光の撮像管ではフェースプレートにガラス板を用いるのに対して、Ｘ線用ではＸ線に透過なベリリウム（Ｂｅ）のフェースプレートを用いる。Ｘ線撮像管の基本動作は、可視光用撮像管と同じであるが、ＳｅでもＸ線エネルギーによっては吸収が充分ではないので、光電変換膜はできるだけ厚い方が高感度である。
【０００６】
また、Ｘ線フラットパネルディテクタは、ガラス板面上に撮像管の光電変換膜としての非晶質Ｓｅから成る各画素と、画素信号の読み出し用として画素毎に設けたシリコンＴＦＴ（Thin Film Transistor）とを備えた構造である。Ｘ線フラットパネルディテクタによるＸ線イメージング法は、非晶質Ｓｅ撮像管の電子銃による読み出しをＴＦＴアレイで行うもので固体における画素選択機構と撮像管光電変換機能を合わせたようなものである。
【０００７】
３）の方法のイメージングプレート（ＩＰ）では、輝尽性蛍光体が、ある波長範囲の光（Ｘ線など）を受けると電子をＦセンターに捕獲し、次に、第１の波長より長い波長の光（市販の装置ではＨｅ−Ｎｅレーザ６３３［ｎｍ］の光）で輝尽性蛍光体を刺激すると、捕獲された電子が伝導体に励起され正孔と再結合し、特定の波長で発光するという現象を利用する。ここで、輝尽性発光体としては、例えばＢａＦＢｒ：Ｅｕ2+（蛍光体）などがある。この材料を用いると、ほぼ可視光領域の光刺激により、３９０［ｎｍ］付近で発光する。また、大画面にできるという特徴がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−７３７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前記の種々のＸ線イメージング法にはそれぞれ長所および短所があるので、使用目的によって選択される。ここで、先ほどの３つのイメージング法を説明の都合上、便宜的に２つのグループに分ける。まず、第1のグループとして、前記の２）の方法で例示した従来のＸ線ＣＣＤ（あるいはＣＭＯＳ）やＸ線撮像管の短所は、イメージングの視野が精々１インチ（＝２５．４［ｍｍ］）φ程度に限られることである。しかし、これらについては、以下の長所がある。すなわち、解像度は、直接撮像するＸ線ＣＣＤでは２〜３［μｍ］、一旦可視光に変換するタイプでは１０数［μｍ］程度、Ｘ線撮像管では〜１０［μｍ］程度である。また、感度については、Ｘ線撮像管では、内部量子効率が１以上になる高感度化が達成されている。Ｘ線ＣＣＤでも量子効率は１に近づいている。さらに、ＣＣＤも撮像管も可視光用の応用であるので、テレビレートでのイメージングができる特長がある。
【００１０】
一方、第２のグループとして、前記の１）の方法で例示したＸ線フィルム、前記の３）の方法で例示したＩＰ、前記の２）の方法で例示したＸ線フラットパネルディテクタの長所は、イメージングの視野が、十数インチ程度にまで大きくとることができるという点である。しかし、これらについては、以下の短所がある。すなわち、解像限界は、現状では５０［μｍ］程度であり、ＣＣＤや撮像管などの撮像素子に比べるとかなり低い。また、Ｘ線フィルムでは現像プロセスが必要である。また、ＩＰでは、第２の読み出し光で画面を走査して発光させるので、テレビレートの時間解像度は得られない。ただし、ＩＰの感度は、従来から使用されてきたＸ線フィルムと比較すると２桁程度高い。また、Ｘ線フィルムでは計測可能強度範囲がおおよそ３桁程度であるが、ＩＰは５桁の範囲で線量と比例している。
【００１１】
以上のような相補的な特性から、現状では、第1のグループのＸ線ＣＣＤやＸ線撮像管は、結晶欠陥や固体の構造解析など主として科学計測用に用いられている場合が多い。
また、第２のグループとしてのＸ線フィルム、ＩＰ、Ｘ線フラットパネルディテクタなどは主として大画面性のために医療用に用いられる場合が多い。
【００１２】
また、第１および第２のグループのように単純に区分できない方法として、Ｘ線像を大画面の蛍光体膜で可視光に変換し、そこで得られる大画面の可視光像を可視光用の撮像管や固体撮像素子で再撮像して両者の特性を合体した方法も開発されている。
【００１３】
しかし、例えば乳がんのＸ線画像検診などにおいては、極力微細な石灰化領域を検出することが治癒率改善に必須であり、前記したイメージング法は解像度の点でいずれも不充分である。また構造解析などの科学計測のＸ線イメージングでもサブミクロンの解像度が要望されている。
【００１４】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、Ｘ線イメージングにおける解像度を改善する技術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】
【００１５】
本発明は、前記目的を達成するために創案されたものであり、まず、請求項１に記載のＸ線撮像装置は、磁化方向が固定された磁化固定強磁性層と、磁化方向が反転可能な磁化反転強磁性層と、前記磁化固定強磁性層と磁化反転強磁性層との中間に配置された非磁性中間層とを含む３層以上が積層された磁化反転素子を画素として備え、前記画素に磁化反転強磁性層側から入射する単色円偏光Ｘ線ビームを撮影するＸ線撮像装置であって、受光画素部と、素子選択走査手段と、電流制御手段と、電流検出手段とを備えることとした。
【００１６】
かかる構成によれば、Ｘ線撮像装置は、受光画素部に、２次元アレイ状に設けられた前記複数の磁化反転素子と、前記磁化反転素子のＸ線入射側に配置された上部電極と、前記磁化反転素子のＸ線入射方向の反対側に配置された下部電極とを有して前記単色円偏光Ｘ線ビームを受光する。そして、Ｘ線撮像装置は、素子選択走査手段によって、前記磁化反転素子に対応した上部電極および下部電極の組み合わせを選択することにより、前記選択された組み合わせの上部電極および下部電極に挟まれて配置された磁化反転素子を、磁化方向を反転させる磁化反転素子として選択すると共に、前記受光画素部の受光面に亘って前記複数の磁化反転素子を走査する。そして、Ｘ線撮像装置は、電流制御手段によって、前記選択された磁化反転素子に対応した上部電極および下部電極を介して当該磁化反転素子に対して電流源から流す電流の方向とその大きさを制御して、当該磁化反転素子の磁化固定強磁性層から磁化反転強磁性層へスピン偏極電子を注入することで、前記磁化反転強磁性層の磁化方向を反転させる。つまり、受光画素部に設けられた磁化反転素子は、スピン注入磁化反転素子であって、電流制御手段が制御する電流は、磁化を反転させる電流、すなわち、スピン注入電流である。ここで、スピン注入電流は、パルス電流でも直流電流でもよい。そして、Ｘ線撮像装置は、電流検出手段によって、前記選択された磁化反転素子がＸ線を吸収することによって発生する電流の値を検出する。このように、スピン注入によって磁化反転素子を磁化反転させる構造とすることによって、Ｘ線イメージングにおける解像度を改善することができる。
【００１７】
また、前記目的を達成するために、請求項２に記載のＸ線撮像装置は、磁化方向が反転可能な磁化反転強磁性層を含む１層以上が積層された磁化反転素子を画素として備え、前記画素に磁化反転強磁性層側から入射する単色円偏光Ｘ線ビームを撮影するＸ線撮像装置であって、受光画素部と、素子選択走査手段と、磁場制御手段と、電流検出手段とを備えることとした。
【００１８】
かかる構成によれば、Ｘ線撮像装置は、受光画素部に、２次元アレイ状に設けられた前記複数の磁化反転素子と、前記２次元アレイの行方向に設けられた複数の磁化反転素子から上部絶縁層を介してＸ線入射側に配置されて各行に沿って行毎に設けられた複数の上部電極と、前記行方向に直交する列方向に設けられた複数の磁化反転素子から下部絶縁層を介してＸ線入射方向と反対側に配置されて各列に沿って列毎に設けられた複数の下部電極とを有して前記単色円偏光Ｘ線ビームを受光する。そして、Ｘ線撮像装置は、素子選択走査手段によって、前記上部電極と前記下部電極との組み合わせを選択することにより、前記選択された上部電極と下部電極とが対向して交差する領域にある磁化反転素子を、磁化方向を反転させる磁化反転素子として選択すると共に、前記受光画素部の受光面に亘って前記複数の磁化反転素子を走査する。そして、Ｘ線撮像装置は、磁場制御手段によって、前記選択された磁化反転素子を挟んで交差する上部電極および下部電極に対して電流源から流す電流の方向とその大きさをそれぞれ制御することで、前記選択された磁化反転素子に加える磁場の方向とその大きさを制御して、当該磁化反転素子の磁化反転強磁性層の磁化方向を反転させる。つまり、受光画素部に設けられた磁化反転素子は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory）のように、外部磁場により磁化反転する素子であって、磁場制御手段が制御する電流は、外部磁場を誘導する電流、すなわち、磁場反転電流である。この磁場反転電流により誘導された外部磁場により、磁化反転強磁性層の磁化方向が反転する。ここで、磁場反転電流は、パルス電流でも直流電流でもよい。そして、Ｘ線撮像装置は、前記選択された磁化反転素子がＸ線を吸収することによって発生する電流の値を検出する。このように、電流に誘導される磁場によって磁化反転素子を磁化反転させる構造とすることによって、Ｘ線イメージングにおける解像度を改善することができる。
【００１９】
請求項１または請求項２に記載のＸ線撮像装置では、偏光Ｘ線が、磁化反転素子の磁化反転強磁性層の構成原子の内殻電子を励起する際、磁化方向と入射Ｘ線の偏光極性の相違によってＸ線吸収率が異なることを利用して、所定の磁化反転強磁性層のみ磁化方向を反転させて、反転前後のドレイン電流差を検出することにより所定の画素のみの入射Ｘ線吸収強度を得ることができる。また、Ｘ線吸収率の相違は、磁化反転強磁性層を構成する原子の内殻電子の励起において、入射偏光Ｘ線の極性、磁化反転強磁性層の磁化方向、および内殻電子が励起される原子に依存して、電気双極子遷移の遷移則と３ｄ空準位状態で決まる。ここで、磁化反転する磁化反転素子を順次選択することは、通常の可視光用の固体撮像素子の画素走査に対応する。
【００２０】
また、請求項３に記載のＸ線撮像装置は、請求項１に記載のＸ線撮像装置において、前記上部電極が、それぞれが前記２次元アレイの行方向の電極線として設けられ、前記下部電極が、それぞれが前記２次元アレイの列方向の電極線として設けられていることとした。
【００２１】
かかる構成によれば、Ｘ線撮像装置は、素子選択走査手段が、相互に直交配置された行方向の電極と列方向の電極との間に電圧を印加することで、磁化方向を反転させることができる。
【００２２】
また、請求項４に記載のＸ線撮像装置は、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のＸ線撮像装置において、前記受光画素部の上部電極が、アルミニウム（Ａｌ）、ベリリウム（Ｂｅ）、銅（Ｃｕ）、グラファイト（Ｃ）およびダイアモンド（Ｃ）から構成される群から選択された少なくとも１つの材料から形成されていることとした。
【００２３】
かかる構成によれば、Ｘ線撮像装置は、Ｘ線の透過性が高いアルミニウム（Ａｌ）、ベリリウム（Ｂｅ）、銅（Ｃｕ）、グラファイト（Ｃ）およびダイアモンド（Ｃ）から構成される群から選択された少なくとも１つの材料で上部電極が形成されているので、受光画素部に入射するＸ線が、上部電極にほとんど吸収されることなく、磁化反転素子に入射することが可能となる。
【００２４】
また、請求項５に記載のＸ線撮像装置は、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のＸ線撮像装置において、前記受光画素部には、前記複数の磁化反転素子間を電気的かつ磁気的に絶縁する絶縁部材が介挿されていることとした。
【００２５】
かかる構成によれば、Ｘ線撮像装置は、受光画素部において、隣り合う磁化反転素子が相互に電気的かつ磁気的に絶縁されているので、各磁化反転素子を独立に磁化反転させることができる。ここで、磁化反転した磁化反転素子に入射する単色円偏光Ｘ線ビームの吸収率と、磁化反転していない磁化反転素子に入射する単色円偏光Ｘ線ビームの吸収率とは異なる。つまり、磁化反転素子の組み合わせとして、互いに異なる吸収率で単色円偏光Ｘ線を吸収する組み合わせを選択することができる。
【００２６】
また、請求項６に記載のＸ線撮像装置は、請求項２または請求項３に記載のＸ線撮像装置において、前記素子選択走査手段が、前記下部電極と前記電流源との間の導通状態と、電気的切断状態との２状態を切り替える下部電極選択部と、前記上部電極の接地状態と、前記上部電極と前記電流源との間の導通状態と、電気的切断状態との３状態を切り替える上部電極選択部とを備え、前記磁化反転素子がＸ線を吸収する際には、前記上部電極および下部電極をそれぞれ電気的切断状態に切り替え、前記電流検出手段が電流の値を検出する際には、前記選択された磁化反転素子の上部電極を接地状態に切り替え、前記電流検出手段が、前記選択された磁化反転素子がＸ線を吸収する際に外部に放出した負電荷に対応して内部に蓄積された正電荷を中和するドレイン電流の値を検出することとした。
【００２７】
かかる構成によれば、Ｘ線撮像装置は、Ｘ線の吸収時には、二次電子やオージェ電子等の負電荷を放出するときに磁化反転素子の磁化反転強磁性層に生じる正電荷を、当該磁化反転強磁性層に蓄積保持することができる。また、選択された磁化反転素子の上部電極を接地した状態に切り替えたときには、内部に蓄積された正電荷を中和するドレイン電流を検出することができる。したがって、磁化反転素子を高速に選択走査すれば、画素信号電流を高速で読み出すことが可能になる。
【００２８】
また、請求項７に記載のＸ線撮像装置は、請求項６に記載のＸ線撮像装置において、記憶手段と、差分信号検出手段とをさらに備えることとした。
【００２９】
かかる構成によれば、Ｘ線撮像装置は、記憶手段に、前記素子選択走査手段で選択された磁化反転素子の磁化反転前後に前記電流検出手段によってそれぞれ検出された電流値を記憶する。そして、Ｘ線撮像装置は、差分信号検出手段によって、前記選択された磁化反転素子の磁化反転前後にそれぞれ記憶された電流値の差分を映像信号として検出する。ここで、記憶された電流値の差分は、磁化反転強磁性層の磁化反転前の磁化方向と単色円偏光Ｘ線ビームの入射方向とが成す角度で決まる第１のＸ線吸収率と、当該磁化反転強磁性層の磁化反転後の磁化方向と単色円偏光Ｘ線ビームの入射方向とが成す角度で決まる第２のＸ線吸収率との差分に対応する。そのため、電流検出手段が当該画素におけるＸ線吸収量を検出することは、記憶された電流値の差分を映像信号として検出することに対応する。また、Ｘ線撮像装置は、上部電極の電極列と下部電極の電極列とが直交配置されているので、このＸ線吸収率差を用いることにより、選択された磁化反転素子に対応して検出されるＸ線吸収量において、選択された磁化反転素子以外の領域からの影響を取り除くことができる。つまり、当該画素において検出した映像信号は、当該画素以外におけるＸ線吸収の影響を排除したＸ線吸収率を反映した映像信号となる。
【００３０】
また、請求項８に記載のＸ線撮像装置は、請求項７に記載のＸ線撮像装置において、前記単色円偏光Ｘ線ビームを前記受光画素部の近傍に導くビームラインを有した入射Ｘ線制御手段をさらに備え、前記入射Ｘ線制御手段が、放射光源と、二結晶モノクロメータと、移相器と、波長選択手段と、極性選択手段とをさらに備えることとした。
【００３１】
かかる構成によれば、Ｘ線撮像装置は、放射光源によって、直線偏光Ｘ線ビームを放射する。そして、Ｘ線撮像装置は、二結晶モノクロメータによって、前記ビームラインにおいて、前記放射された直線偏光Ｘ線ビームから所定のエネルギーを有する単色直線偏光Ｘ線ビームを形成する。そして、Ｘ線撮像装置は、移相器によって、前記ビームラインにおいて、前記単色直線偏光Ｘ線ビームから、所定の円偏光の極性を有する前記単色円偏光Ｘ線ビームを形成する。そして、Ｘ線撮像装置は、波長選択手段によって、前記所定のエネルギーに対応したＸ線の波長を選択して設定する。そして、Ｘ線撮像装置は、極性選択手段によって、所定のＸ線の回折角度に対応した円偏光の極性を選択して設定する。そして、この波長選択手段は、前記所定のエネルギーを、前記磁化反転素子の磁化反転強磁性層の材料の構成原子の内殻電子束縛エネルギーに設定することした。これによれば、偏光Ｘ線ビームのエネルギーを、磁化反転素子の磁化反転強磁性層の材料の構成原子の内殻電子束縛エネルギーに選んだので、磁化反転強磁性層の磁化反転前後のＸ線吸収率差を大きくとることができる。
【００３２】
また、請求項９に記載のＸ線撮像装置は、請求項８に記載のＸ線撮像装置において、前記極性選択手段が、前記素子選択走査手段で選択された磁化反転素子の磁化反転強磁性層の磁化反転前に、前記所定のＸ線の回折角度として、当該選択された磁化反転強磁性層の磁化方向と前記単色円偏光Ｘ線ビームの入射方向とが成す角度を設定することとした。
【００３３】
かかる構成によれば、Ｘ線撮像装置は、入射Ｘ線制御手段の極性選択手段によって、磁化反転強磁性層の磁化反転前に、回折角度として、磁化反転強磁性層の磁化方向と単色円偏光Ｘ線ビームの入射方向とが成す角度を設定する。Ｘ線の円偏光の選択した一方の極性においては、磁化反転強磁性層の磁化反転前後の磁化方向がＸ線の入射方向と成す角度で、Ｘ線吸収率の差が決まる。ここで、他方の極性を選択した際には、回折角度として、一方の極性で設定された角度において符号を反転した同じ大きさの角度を設定することもできる。つまり、磁化反転素子の磁化反転強磁性層の磁化反転前後のＸ線の極性を回折角度の符号を変更して可変できる。そのため、磁化反転強磁性層の磁化反転前後のＸ線吸収率差を大きくとるための極性と磁化反転との組み合わせを柔軟に設定することができる。
【００３４】
また、請求項１０に記載のＸ線撮像装置は、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のＸ線撮像装置において、前記受光画素部の上部電極が、前記磁化反転強磁性層の表面の一部を露出させるように設けられていることとした。
【００３５】
かかる構成によれば、Ｘ線撮像装置は、受光画素部の上部電極に、磁化反転強磁性層の表面の露出部分を設けたことにより、入射Ｘ線の吸収効率と、オージェ電子等の二次電子の放出効率とを向上させると共に、Ｘ線が電極に入射することで電極に生成される正電荷による雑音を低減できる。
【００３６】
また、請求項１１に記載のＸ線撮像装置は、請求項３に記載のＸ線撮像装置であって、前記受光画素部において、前記上部電極が、前記磁化反転強磁性層の表面の一部を露出させるように設けられ、かつ、前記上部電極と前記磁化反転素子との間に絶縁層を備えることとした。
【００３７】
かかる構成によれば、Ｘ線撮像装置は、受光画素部の上部電極に、磁化反転強磁性層の表面の露出部分を設けたことにより、入射Ｘ線の吸収効率と、オージェ電子等の二次電子の放出効率とを向上させると共に、Ｘ線が電極に入射することで電極に生成される正電荷による雑音を低減できる。また、Ｘ線の吸収量を見積もるための電流の検出において、上部電極に繋がる全ての磁化反転素子に蓄積される正電荷の寄与を極力抑えることができる。
【００３８】
また、請求項１２に記載のＸ線撮像装置は、請求項１ないし請求項１１のいずれか一項に記載のＸ線撮像装置であって、前記素子選択走査手段が、前記受光画素部の受光面において隣接した複数の磁化反転素子により連結される領域を１まとめに選択し、前記電流制御手段が、前記選択された複数の磁化反転素子の磁化反転強磁性層の磁化方向を同時に反転させ、前記電流検出手段が、前記同時に反転させる複数の磁化反転素子がＸ線を吸収することによって発生するそれぞれの電流の合計値を前記連結される領域の１まとめの信号電流として検出することとした。
【００３９】
かかる構成によれば、Ｘ線撮像装置は、複数の磁化反転素子により連結される領域を１まとめに同時に走査すると、磁化反転素子を１つずつ走査するときと比べて１フレームの走査時間を短縮することができるので、高速に走査を行うことができる。
【００４０】
また、請求項１３に記載のＸ線撮像装置は、請求項１ないし請求項１２のいずれか一項に記載のＸ線撮像装置であって、前記Ｘ線撮像装置の構成のうち少なくとも前記受光画素部が容器に密閉され、前記容器が、前記受光画素部の受光面に対応した位置に、前記単色円偏光Ｘ線ビームを透過する窓を備え、前記容器が真空環境とされているか、または、前記容器に所定のガスが充満していることとした。
【００４１】
かかる構成によれば、Ｘ線撮像装置は、少なくとも受光画素部が窓付きの容器に密閉され、容器が真空環境とされているか、または、容器に所定のガスが充満しているので、Ｘ線がスピンフリー層に入射する際に、オージェ電子や二次電子の放出を容易にすることができる。したがって、選択された磁化反転素子がＸ線を吸収することによって発生する電流の値を検出し易くなる。そのため、磁化反転前後のＸ線吸収率差を検出し易くなる。
【００４２】
ここで、窓はＸ線透過率の高いベリリウムなどから構成されることが好ましい。また、容器にガスを充填する場合には、Ｘ線吸収率の低いヘリウムなどの気体であることが好ましい。また、例えば、軟Ｘ線撮像の場合には、少なくともＸ線撮像装置の受光画素部が容器に密閉される。これにより、軟Ｘ線が大気中の酸素や窒素による吸収で大きく減衰することを防止できる。なお、軟Ｘ線撮像の場合には、Ｘ線の光路および被写体も、真空の密閉環境か、または、所定のガスが充満した密閉環境に置かれる。さらに、例えば、硬Ｘ線撮像の場合には、Ｘ線撮像装置は受光画素部だけを容器に密閉すれば良い。硬Ｘ線撮像の場合には、単色円偏光Ｘ線ビームを形成後には、受光画素部以外のＸ線撮像装置の各部を大気中に暴露することができる。
【発明の効果】
【００４３】
請求項１に記載の発明によれば、Ｘ線撮像装置は、スピン注入により磁化反転素子の磁化反転強磁性層の磁化方向を反転させて、反転前後のドレイン電流差を検出することにより所定の画素のみの入射Ｘ線吸収強度を得ることができる。このように、スピン注入によって磁化反転素子を磁化反転させる構造とすることによって、Ｘ線イメージングにおける解像度を改善することができる。
【００４４】
請求項２に記載の発明によれば、Ｘ線撮像装置は、電流により発生させる磁場により磁化反転素子の磁化反転強磁性層の磁化方向を反転させて、反転前後のドレイン電流差を検出することにより所定の画素のみの入射Ｘ線吸収強度を得ることができる。このように、電流磁場によって磁化反転素子を磁化反転させる構造とすることによって、Ｘ線イメージングにおける解像度を改善することができる。
【００４５】
請求項３に記載の発明によれば、Ｘ線撮像装置は、素子選択走査手段によって、相互に直交配置された行方向の電極と列方向の電極との間に電圧を印加することで、磁化方向を高速に反転させることができる。
請求項４に記載の発明によれば、Ｘ線撮像装置は、受光画素部に入射するＸ線が、上部電極にほとんど吸収されることなく、磁化反転素子に入射することが可能となる。
請求項５に記載の発明によれば、Ｘ線撮像装置は、各磁化反転素子を独立に磁化反転させることができるので、選択された磁化反転素子が吸収したフォトン数を見積もることができる。
【００４６】
請求項６に記載の発明によれば、Ｘ線撮像装置は、磁化反転素子のＸ線吸収時と、ドレイン電流検出時に配線を切り替えることで、磁化反転素子が吸収したフォトン数を見積もることができる。
請求項７に記載の発明によれば、Ｘ線撮像装置は、磁化反転素子の磁化反転前後にドレイン電流を検出するので、検出した電流は、当該画素のＸ線吸収率を反映した映像信号となる。
【００４７】
請求項８に記載の発明によれば、Ｘ線撮像装置は、入射する偏光Ｘ線ビームのエネルギーを、磁化反転強磁性層の材料の構成原子の内殻電子束縛エネルギーに選んだので、Ｘ線検出感度が向上する。
請求項９に記載の発明によれば、Ｘ線撮像装置は、磁化反転前後のＸ線吸収率差を大きくとるので、Ｘ線検出感度が向上する。
請求項１０または請求項１１に記載の発明によれば、Ｘ線撮像装置は、上部電極に露出部分があるので、Ｘ線検出感度が向上する。
請求項１２に記載の発明によれば、Ｘ線撮像装置は、高速に走査を行うことができる。
請求項１３に記載の発明によれば、Ｘ線撮像装置は、磁化反転素子がＸ線を吸収することによって発生する電流の値を検出し易くなる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明のＸ線撮像装置の構成を模式的に示す概念図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るＸ線撮像装置の受光画素部の上面を模式的に示す概念図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るＸ線撮像装置が備える入射Ｘ線制御手段を模式的に示す概念図である。
【図４】図３に示したＸ線撮像装置の受光画素部の断面を模式的に示す概念図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係るＸ線撮像装置によるＸ線検出原理を示す図であって、（ａ）はＸ線照射時、（ｂ）は、Ｘ線検出時をそれぞれ示している。
【図６】本発明の第１実施形態に係るＸ線撮像装置において選択した画素から画素信号を検出する原理を示す図であって、（ａ）は磁化反転前、（ｂ）は、磁化反転後をそれぞれ示している。
【図７】本発明の第１実施形態に係るＸ線撮像装置の駆動タイミングの一例を示す図であって、（ａ）は画素配列、（ｂ）は磁化反転パルス、（ｃ）はドレイン検出パルスをそれぞれ示している。
【図８】本発明の第２実施形態に係るＸ線撮像装置の受光画素部を模式的に示す概念図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は下部電極の長手方向の直線上における断面図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係るＸ線撮像装置の受光画素部を模式的に示す概念図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は下部電極の長手方向の直線上における断面図である。
【図１０】本発明の第４実施形態に係るＸ線撮像装置の受光画素部の断面を模式的に示す概念図である。
【図１１】本発明の第５実施形態に係るＸ線撮像装置の受光画素部の断面を模式的に示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
図面を参照して本発明のＸ線撮像装置を実施するための形態（以下「実施形態」という）について詳細に説明する。以下では、まず、本発明のＸ線撮像装置の概要を説明し、次に、第１〜第６実施形態に係るＸ線撮像装置を順次説明することとする。
【００５０】
［Ｘ線撮像装置の概要］
図１に示すＸ線撮像装置１は、スピン注入型の磁化反転素子（以下、スピン注入磁化反転素子という）を画素として備え、画素に入射する画像情報を有するＸ線ビームを撮影するものであり、受光画素部２と、画素選択走査機構３と、信号電流検出処理部４とを備えている。なお、図１では、受光画素部２の入射面を上に向けた状態の断面を示した。
【００５１】
受光画素部２は、Ｘ線ビームを受光するものであり、基板５と、スピン注入磁化反転素子６と、絶縁部材７と、下部電極８と、上部電極９とを備えている。スピン注入磁化反転素子６は、基板５側から、下部電極８を介して、スピン固定層１１と、非磁性中間層１２と、スピンフリー層１３とをこの順番に備えて断面柱状に形成されている。ここでは、上部電極９が、スピン注入磁化反転素子６のＸ線入射側に配置され、下部電極８が、その反対側に配置されているものとした。つまり、Ｘ線ビームは、上部電極９を介してスピンフリー層１３側から入射する。
【００５２】
スピン固定層（磁化固定強磁性層）１１は、磁化方向が固定された強磁性層である。ここでは、一例として、スピン固定層１１の磁化方向は、予め上向きに揃えられているものとした。スピンフリー層（磁化反転強磁性層）１３は、磁化方向が反転可能な強磁性層である。ここでは、一例として、スピンフリー層１３の磁化方向が上向きのものと、下向きのものとを示した。なお、スピン注入磁化反転素子６は、これら３層以外にスピン固定層１１の磁化の固定強化のために他の層を備えていてもよい。
【００５３】
この例では、スピン注入磁化反転素子６は、紙面に沿った水平方向に８個設けられているが、その個数はこの限りではない。また、スピン注入磁化反転素子６は、紙面に垂直な方向にも同様に並べられているものとする。つまり、画素としてのスピン注入磁化反転素子６は、２次元アレイ状に設けられている。また、スピン注入磁化反転素子６間には、隣り合ったスピン注入磁化反転素子６間を電気的かつ磁気的に絶縁するための絶縁部材７が介挿されている。
【００５４】
ここでは、上部電極９は、それぞれが２次元アレイの行方向の電極線として設けられている。つまり、２次元アレイの行方向に設けられた複数のスピン注入磁化反転素子６の上部電極９は、１つの電極線を形成している。
同様に、下部電極８は、それぞれが２次元アレイの列方向の電極線として設けられている。つまり、２次元アレイの列方向に設けられた複数のスピン注入磁化反転素子６の下部電極８は、１つの電極線を形成している。
図１では、紙面に垂直な方向を２次元アレイの行方向、紙面に沿った水平方向を２次元アレイの列方向とした。なお、上部電極９および下部電極８は、スピン注入磁化反転素子６毎に個別に設けることも可能である。
【００５５】
画素選択走査機構３は、受光画素部２の受光面に亘って画素を走査するものである。画素選択走査機構３は、スピン注入磁化反転素子６のスピンフリー層１３の磁化方向を反転させる個別の画素も選択する。
【００５６】
信号電流検出処理部４は、選択された画素がＸ線を吸収することによって発生する電流の値を検出するものである。この信号電流検出処理部４は、スピン注入磁化反転素子６のスピンフリー層１３のＸ線吸収量を、選択された画素で発生する電流の値として検出し、出力映像信号を得る。つまり、図１に示すＸ線撮像装置１は、スピン注入磁化反転素子６を、撮像素子における画素と見做し、Ｘ線光子がスピンフリー層１３に吸収される際に起こるスピンフリー層１３の電気的変化を、映像信号として検出する。
【００５７】
（第１実施形態）
ここでは、“Ｘ線撮像装置の各部の詳細”、“Ｘ線検出基本原理”、“画素選択原理”、動作としての“画素走査と磁化反転の関係の具体例”の各章について説明する。
［Ｘ線撮像装置の各部の詳細］
Ｘ線撮像装置１の受光画素部２と、画素選択走査機構３と、信号電流検出処理部４の詳細について説明する。以下、画素選択走査機構３、信号電流検出処理部４、後記する入射Ｘ線制御手段１００および受光画素部２の順序で説明する。
【００５８】
画素選択走査機構３と、信号電流検出処理部４の構成例を図２に示す。ここでは、上面から視た受光画素部２を示す。説明の都合上、図２では、受光画素部２は、一例として、３本の下部電極８、３本の上部電極９、３×３の９個の画素２０ａ〜２０ｉを有しているものとしたが、電極や画素の個数はこの限りではない。なお、図２では、上下方向をアレイの行方向、左右方向をアレイの列方向として表示した。また、画素を特に区別しない場合、画素２０と表記する。
【００５９】
［画素選択走査機構］
画素選択走査機構（素子選択走査手段）３は、図２に示すように、下部電極選択部３１と、上部電極選択部３２と、磁化反転電流注入手段３３と、画素選択手段３４とを備えている。
【００６０】
下部電極選択部３１は、下部電極８とスピン注入電流の電流源との間の導通状態と、電気的切断状態との２状態を切り替えるものである。
本実施形態では、下部電極選択部３１は、画素選択手段３４からの指令信号でオン／オフを切り替えるスイッチＳＷ１〜ＳＷ３を備えている。
スイッチＳＷ１は、画素２０ａ，２０ｄ，２０ｇと、磁化反転電流注入手段３３との間のオン／オフを切り替えるものである。
スイッチＳＷ２は、画素２０ｂ，２０ｅ，２０ｈと、磁化反転電流注入手段３３との間のオン／オフを切り替えるものである。
スイッチＳＷ３は、画素２０ｃ，２０ｆ，２０ｉと、磁化反転電流注入手段３３との間のオン／オフを切り替えるものである。
【００６１】
上部電極選択部３２は、上部電極９の接地状態と、上部電極９とスピン注入電流の電流源との間の導通状態と、電気的切断状態との３状態を切り替えるものである。
本実施形態では、上部電極選択部３２は、画素選択手段３４からの指令信号でオン／オフを切り替えるスイッチＳＷ４〜ＳＷ６を備えている。
スイッチＳＷ４は、画素２０ａ，２０ｂ，２０ｃと、磁化反転電流注入手段３３との間の導通（ＯＮ１）、信号電流検出処理部４の画素信号検出手段４１との導通（ＯＮ２：接地）、オフの３状態を切り替えるものである。
スイッチＳＷ５は、画素２０ｄ，２０ｅ，２０ｆと、磁化反転電流注入手段３３との間の導通（ＯＮ１）、画素信号検出手段４１との導通（ＯＮ２：接地）、オフの３状態を切り替えるものである。
スイッチＳＷ６は、画素２０ｇ，２０ｈ，２０ｉと、磁化反転電流注入手段３３との間の導通（ＯＮ１）、画素信号検出手段４１との導通（ＯＮ２：接地）、オフの３状態を切り替えるものである。
【００６２】
つまり、下部電極選択部３１のスイッチＳＷ１〜ＳＷ３のいずれかと、上部電極選択部３２のスイッチＳＷ４〜ＳＷ６のいずれかとの組み合わせである９つの組み合わせに対応して、９つの画素２０のいずれか（いずれかのスピン注入磁化反転素子６）が選択されることとなる。なお、スイッチは電極や画素の個数に応じて必要な個数だけ設けられる。
【００６３】
磁化反転電流注入手段（電流制御手段）３３は、電流源を有し、この電流源から、選択された画素（スピン注入磁化反転素子６）に対応した上部電極９および下部電極８を介してスピン注入磁化反転素子６に流れる電流（スピン注入電流）の方向とその大きさを制御して、スピン注入磁化反転素子６のスピン固定層１１からスピンフリー層１３へスピン偏極電子を注入することで、スピンフリー層１３の磁化方向を反転させるものである。すなわち、磁化反転電流注入手段３３は、スピン注入磁化反転素子６に磁化反転スピン電流（スピン注入電流）を注入するものである。本実施形態では、磁化反転スピン電流は、パルス電流（磁化反転パルス）であるものとする。なお、パルス電流の代わりに直流電流を用いてもよい。
【００６４】
画素選択手段３４は、画素に対応した上部電極９および下部電極８の組み合わせを選択することにより、選択された組み合わせの上部電極９および下部電極８に挟まれて配置されたスピン注入磁化反転素子６を、スピンフリー層１３の磁化方向を反転させる素子として選択すると共に、受光画素部２の受光面に亘って画素を走査するものである。なお、スピンフリー層１３の磁化方向を反転させることを、スピン注入磁化反転素子６を磁化反転させるともいう。
【００６５】
本実施形態では、画素選択手段３４は、スピン注入磁化反転素子６がＸ線を吸収する際には、上部電極９および下部電極８をそれぞれ接地させないように保持することとした。また、画素選択手段３４は、信号電流検出処理部４で電流の値を検出する際には、選択された画素（スピン注入磁化反転素子６）の上部電極９を接地させるように切り替えることとした。
【００６６】
［信号電流検出処理部］
信号電流検出処理部４は、図２に示すように、画素信号検出手段４１と、フレームメモリ４２と、差分信号検出手段４３とを備えている。
画素信号検出手段（電流検出手段）４１は、選択されたスピン注入磁化反転素子６がＸ線を吸収する際に外部に放出した負電荷に対応して内部に蓄積された正電荷を中和するドレイン電流の値を検出するものである。すなわち、画素信号検出手段４１は、ドレイン電流を画素電流として検出する。
【００６７】
本実施形態では、画素信号検出手段４１は、選択されたスピン注入磁化反転素子６の上部電極９を接地することで、そのスピンフリー層１３を接地して電界を加える。そのための画素信号検出手段４１の構成は、Ｘ線磁気円二色性（ＸＭＣＤ：X-ray Magnetic Circular Dichroism）を測定する公知の機器を用いることができる。なお、Ｘ線磁気円二色性（ＸＭＣＤ）とは、磁性体のＸ線吸収確率が円偏光Ｘ線の極性に応じて異なることである。
【００６８】
フレームメモリ（記憶手段）４２は、選択されたスピン注入磁化反転素子６で検出された電流値を記憶するものである。本実施形態では、フレームメモリ４２は、選択されたスピン注入磁化反転素子６の磁化反転前後にそれぞれ検出された電流値を記憶することとした。
【００６９】
差分信号検出手段４３は、選択されたスピン注入磁化反転素子６の磁化反転前後にそれぞれ記憶された電流値の差分を映像信号として検出するものである。この差分信号検出手段４３で検出された映像信号は、例えば、液晶ディスプレイ等の表示装置Ｄに表示される。
【００７０】
なお、フレームメモリ４２および差分信号検出手段４３、あるいは、画素選択手段３４は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を備えた一般的なパーソナルコンピュータ、および、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）に記憶されＲＡＭに展開されるプログラムにより実現することができる。
【００７１】
［入射Ｘ線制御手段］
本発明のＸ線撮像装置は、図２に例示した構成で使用できることは勿論であるが、以下では、受光画素部２に入射するＸ線ビームを制御する構成も備えるものとして説明する。図３に示すＸ線撮像装置１は、このような構成として、入射Ｘ線制御手段１００を備えている。
【００７２】
Ｘ線撮像装置１の入射Ｘ線制御手段１００は、受光画素部２に入射する入射Ｘ線（Ｘ線ビーム）のエネルギーを制御すると共に、入射Ｘ線の偏光を制御するものである。この入射Ｘ線制御手段１００は、例えば、市販の卓上型放射光源や、超小型電子蓄積リングを有した産業用小型Ｘ線源と、数ｍ程度のビームラインと、ミラー等の光学系とを用いて構築することができる。
【００７３】
なお、Ｘ線撮像装置１が入射Ｘ線制御手段１００を備えない場合には、放射光施設を、入射Ｘ線制御手段１００として利用することができる。ここで、放射光施設とは、例えば、大型放射光施設（SPring-8）や高エネルギー加速器研究機構のPhoton Factory（ＰＦ）を示す。入射Ｘ線制御手段１００に含まれる１つ１つの構成は、放射光施設の設備と同様なものなので、以下では簡単に説明する。
【００７４】
入射Ｘ線制御手段１００は、図３に示すように、シンクロトロン放射光源１０１と、ビームライン１０２と、二結晶モノクロメータ１０３と、移相器１０４と、波長選択機構１０５と、極性選択機構１０６とを備えている。
【００７５】
シンクロトロン放射光源（結晶シンクロトロン放射光源）１０１は、直線偏光白色Ｘ線ビームＢ１を放射するものである。
ビームライン１０２は、単色円偏光Ｘ線ビームＢ３を被写体Ｏの近傍に導く。
二結晶モノクロメータ１０３は、ビームライン１０２において、放射された直線偏光白色Ｘ線ビームＢ１から所定のエネルギーを有する単色直線偏光Ｘ線ビームＢ２を形成するものである。二結晶モノクロメータ１０３は、例えば２枚のＳｉ結晶で構成される。
移相器（Phase retarder）１０４は、ビームライン１０２において、単色直線偏光Ｘ線ビームＢ２から、所定の円偏光の極性を有する単色円偏光Ｘ線ビームＢ３を形成するものである。この移相器１０４では、入射角を調節することにより、入射する単色直線偏光Ｘ線ビームＢ２の位相を９０度遅らせるか、早めるかで円偏光の極性の正負（右回りか左回り）を決定する。
【００７６】
図３では、単色円偏光Ｘ線ビームＢ３が、被写体Ｏを透過したＸ線ビームＢ４として受光画素部２に入射するものとして表した。被写体Ｏは特に限定されず、また、Ｘ線撮像装置１の用途も特に限定されるものではない。例えば、物体表面の構造や、界面の構造を調べる際に利用したり、物体の内部映像を取得するために利用したりすることが可能である。ここで、受光画素部２に入射するＸ線ビームＢ４は、図３に示すような被写体Ｏを透過したＸ線ビームに限定されず、被写体Ｏで回折したＸ線ビームや、被写体Ｏで反射したＸ線ビームであってもよい。また、被写体Ｏがない状態で、移相器１０４で形成された単色円偏光Ｘ線ビームＢ３を受光画素部２に入射してもよい。このように被写体Ｏがない場合には、ビームライン１０２は単色円偏光Ｘ線ビームＢ３を受光画素部２の近傍に導き、Ｘ線撮像装置１は、Ｘ線ビーム（光源）を撮像することとなる。以下では、被写体Ｏの有無に関わらず、様々なケースで受光画素部２に入射するＸ線ビームをすべてＸ線ビームＢ４と表記する。
【００７７】
波長選択機構（波長選択手段）１０５は、所定のＸ線エネルギーに対応したＸ線の波長を選択して二結晶モノクロメータ１０３に設定するものである。
本実施形態のＸ線撮像装置１では、この所定のＸ線エネルギーを、スピン注入磁化反転素子６のスピンフリー層１３の材料の構成原子の内殻電子束縛エネルギーに設定した。
【００７８】
極性選択機構（極性選択手段）１０６は、所定のＸ線の回折角度に対応した円偏光の極性を選択して移相器１０４に設定するものである。
本実施形態のＸ線撮像装置１では、極性選択機構１０６は、受光画素部２において画素選択手段３４で選択された画素のスピンフリー層１３の磁化反転前（例えば、図１において下向きの磁化方向（矢印）を有するとする）に、所定のＸ線の回折角度として、当該選択されたスピンフリー層１３の磁化方向と単色円偏光Ｘ線ビームＢ４の入射方向とが成す角度を設定することとした。例えば、磁化方向と入射方向とが平行となるように設定することができる。ここで、スピンフリー層１３の磁化反転を行うと（図１において上向きの磁化方向（矢印）を有する）、磁化反転前に設定された前記角度において当該選択されたスピンフリー層１３の磁化方向と単色円偏光Ｘ線ビームＢ４の入射方向とは反平行になる。すなわち、極性選択機構１０６において、所定のＸ線の回折角度で所定の極性を選択しておけば、スピン注入磁化反転素子６の反転前後で、Ｘ線吸収率の大きな差を得ることができる。
【００７９】
本実施形態では、極性選択機構１０６で選択した円偏光の一方の極性を有した単色円偏光Ｘ線ビームＢ４を画素（スピン注入磁化反転素子６）に照射し、そのスピンフリー層１３の磁化方向を反転しないときと、反転したときとで、Ｘ線吸収率差を得る。これは、Ｘ線の入射方向と磁化方向が平行か反平行かが幾何学的には最も大きな磁気円二色性を与えるからである。逆に、磁化方向を一定にしておいて、極性選択機構１０６側で円偏光の極性を交互に変化させることも考えられる。しかし、この場合には、以下の不都合がある。すなわち、第1に、極性選択機構１０６の極性の変換には１秒程度の時間がかかるため、実時間撮像には不充分である。第２に、この方式では画素を選択しにくい。
【００８０】
図３では、受光画素部２の入射面を左に向けた状態の断面を概念的に示した。また、図３では、図２に示した下部電極選択部３１および上部電極選択部３２を省略した。この受光画素部２に配設されたスピン注入磁化反転素子６の断面を図４に示した。なお、図４では、受光画素部２のスピン注入磁化反転素子６は、紙面に沿った垂直方向に１８個設けられているが、その個数はこの限りではない。
【００８１】
図３に示すように、受光画素部２は、基板５上に、磁化反転素子アレイ２１と、ＸＹ電極アレイ２２とを備えている。
磁化反転素子アレイ（画素群）２１は、画素としての複数のスピン注入磁化反転素子６を、互いに直交するＸ軸方向およびＹ軸方向に沿ってマトリックス状に配設し、絶縁部材７を介設したものである。この磁化反転素子アレイ２１によって、Ｘ線ビームＢ４の空間強度分布をＸ線画像として検出する。
【００８２】
ＸＹ電極アレイ２２は、磁化反転素子アレイ２１を間に挟む下部電極アレイ２２Ｘおよび上部電極アレイ２２Ｙを備えている。
下部電極アレイ２２Ｘは、アレイの列方向（Ｘ軸方向：図３および図４では紙面に垂直な方向）に延設された複数の下部電極８である。
上部電極アレイ２２Ｙは、アレイの行方向（Ｙ軸方向：図３および図４では紙面に沿った垂直方向）に延設された複数の上部電極９である。
【００８３】
受光画素部２がこのように構成されているので、図２に示した画素選択手段３４によって、所定のＸ軸方向の電極線（下部電極８）と、Ｙ軸方向の電極線（上部電極９）とを選ぶことにより、それらの交叉により挟まれたスピン注入磁化反転素子６の磁化反転を磁化反転電流注入手段３３（図２参照）によって行うことができる。
【００８４】
［受光画素部］
次に、受光画素部２の詳細について図４を参照して説明する。
基板５としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）、酸化シリコン（ＳｉＯ2）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ガラス等が用いられる。また、絶縁部材７は、例えば、ＳｉＯ2等から構成される。
【００８５】
＜スピン固定層＞
スピン固定層１１は、強磁性材料からなり、磁化方向が固定されている層である。強磁性材料としては、金属系ハーフメタルなどスピン分極率の高い材料を用いることが好ましい。例えば、Ｃｏ2ＭｎＡｌ、Ｃｏ2ＭｎＳｉ、Ｃｏ2Ｃｒ0.6Ｆｅ0.4Ａｌ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＴｂＦｅＣｏ、ＭｎＳｂなどの大きなスピン偏極率を有する材料が挙げられる。また、酸化物系ハーフメタルとしては、Ｌａ0.7Ｓｒ0.3ＭｎＯ3、Ｓｒ2Ｆｅ（Ｗ0.4Ｍｏ0.6）Ｏ6、Ｓｒ2ＦｅＲｅＯ6、ＣｒＯ2、Ｆｅ3Ｏ4などが挙げられる。これらの中でも、強磁性材料として、スピン分極率が高いことが好ましい。さらに、スピン固定層１１は、これらの材料の組成の異なる層やＩｒＭｎなどのスピン固着層と組み合わせた２〜３層構造であってもよい。このスピン固定層１１の膜厚は、数〜数十［ｎｍ］程度である。このスピン固定層１１は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法やスパッタ法などによって、下部電極８の上に形成される。
【００８６】
＜非磁性中間層＞
非磁性中間層１２は、例えば、Ｃｕ等で形成することができる。この非磁性中間層１２の膜厚は、偏極スピン電子がトンネルできる厚さ（２〜３［ｎｍ］）とすることが好ましい。この非磁性中間層１２は、ＭＢＥ法やスパッタ法などによって、スピン固定層１１の上に形成することができる。
【００８７】
＜スピンフリー層＞
スピンフリー層１３は、強磁性材料から構成され、偏極スピン電子の注入により磁化方向が反転して、反転した場合と反転しない場合とで入射偏光Ｘ線の吸収率差を与える層である。強磁性材料は、Ｘ線ビームが受光画素部２に対して垂直に入射する場合を想定して、このスピンフリー層１３の磁化方向は図１に示すように画素受光面に垂直となるような材料とすることが望ましい。例えば、ＧｄＦｅ、ＦｅＰｔ、ＰｔＣｏなどが挙げられる。スピン注入磁化反転に要する電流を低減できる点では、低飽和磁化および低ダンピング定数でスピン歳差運動の緩和時間が大きく、スピン流が大きくなるような特性を持つ材料が好ましい。このスピンフリー層１３の膜厚は、典型的には、数［ｎｍ］〜数十［ｎｍ］程度である。このスピンフリー層１３は、非磁性中間層１２の上にＭＢＥ法やスパッタ法などによって形成することができる。
【００８８】
後記するように、Ｘ線撮像装置１においては、磁化反転によるスピンフリー層１３のＸ線吸収率の変調振幅が大きいことが高感度撮像に望ましい。スピンフリー層１３のＸ線吸収率は、入射Ｘ線制御手段１００によって入射Ｘ線のエネルギーと円偏光の極性が決まれば、単色円偏光Ｘ線ビームＢ４の磁化反転素子アレイ２１に対する入射方向とスピンフリー層１３の磁化の方向との相対角度、スピンフリー層１３の厚さと構成元素、などに左右される。Ｘ線のエネルギーを、スピンフリー層１３を構成する強磁性材料元素の磁気円二色性（ＭＣＤ）を示す内殻励起エネルギーに相当するように選び、そのスピンフリー層１３の磁化の方向が、Ｘ線入射方向と平行か反平行になるようにするとＸ線に対する吸収係数の比が最も大きくなるので、最も大きい強度変調振幅が得られる。
【００８９】
このような高感度撮像の観点から、図４に示すスピンフリー層１３に適した材料として、ＦｅＮｉ、ＰｔＣｏなどの強磁性体が挙げられる。このうちのＦｅＮｉの磁気円二色性を示す内殻励起エネルギー（Ｌ2準位）は、Ｆｅ：０．７２１［ｋｅＶ］，Ｎｉ：０．８７１［ｋｅＶ］であるので、撮像に用いるＸ線のエネルギーとして０．８７１［ｋｅＶ］を選ぶことにより、ＦｅとＮｉの両元素の磁化反転に対する最大の吸収率比を利用することができる。すなわち、ＦｅＮｉは、軟Ｘ線撮像装置用のスピンフリー層１３の典型的材料と言える。ここで、０．８７１［ｋｅＶ］は、軟Ｘ線のエネルギー領域である。
【００９０】
一方、ＰｔＣｏの磁気円二色性を示す内殻励起エネルギー（Ｌ2準位）は、Ｐｔ：１３．３［ｋｅＶ］，Ｃｏ：０．７９３［ｋｅＶ］であるので、Ｘ線のエネルギーとして１３．３［ｋｅＶ］に選ぶことにより、主としてＰｔの磁化反転に対応する吸収率比を利用することができる。すなわち、ＰｔＣｏは、硬Ｘ線撮像装置用のスピンフリー層１３の典型的材料と言える。ここで、１３．３［ｋｅＶ］は、硬Ｘ線のエネルギー領域である。なお、本実施形態では、一例として、ＰｔＣｏをスピンフリー層１３の材料として用いることとする。
【００９１】
＜下部電極＞
下部電極８は、上部電極９と共に、スピンフリー層１３に偏極スピン電子を注入するためのスピン注入用電極を構成する。図４に示すように、磁化反転電流注入手段３３によって、下部電極８と上部電極９との間に、下部電極８を負に、上部電極９（透明）を正にするように電圧を印加することによって、スピンフリー層１３にスピン偏極電子が注入される。また、スピン注入による磁化反転後、正負逆方向に電圧を印加すれば、スピンフリー層１３の磁化方向はスピン注入前の状態に戻る。
【００９２】
この下部電極８は、基板５の上に、ＴａやＣｒなどの金属材料をスパッタ法などで堆積し、リソグラフィー法などで所望のサイズの電極母線に加工して形成することができる。
また、基板５としてＳｉやＭｇＯを用いる場合には、電極材料をエピタキシャル成長させて形成することもできる。
【００９３】
＜上部電極＞
上部電極９は、アルミニウム（Ａｌ）、ベリリウム（Ｂｅ）、銅（Ｃｕ）、グラファイト（Ｃ）およびダイアモンド（Ｃ）から構成される群から選択された少なくとも１つの材料から形成されている。これらの材料は、Ｘ線の透過性が高い。すなわち、Ｘ線吸収率が小さい材料である。このように入射Ｘ線に対して吸収率の小さい材料を用いて上部電極９を形成したので、Ｘ線ビームＢ４は、上部電極９に吸収されずに透過して、スピンフリー層１３に効率よく入射する。特に、ベリリウムはＸ線透過性に優れ、従来、Ｘ線源、ビームライン、検出器用の窓として用いられているので好ましい。
【００９４】
［Ｘ線検出基本原理］
第１実施形態のＸ線撮像装置１によるＸ線検出基本原理について図５を参照して説明する。図５では、上部電極９を左側、下部電極８を右側にそれぞれ配置した断面のスピン注入磁化反転素子としての画素２０ｄ，２０ｅ，２０ｆをスイッチＳＷ１〜ＳＷ３と共に示している。すなわち、図５においては、画素２０ｄ，２０ｅ，２０ｆの左側からＸ線ビーム（単色円偏光Ｘ線ビーム）Ｂ４が入射する。ここで、画素２０ｄ，２０ｅ，２０ｆと、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３との対応関係は、図２の平面視の概念図に一致している。
【００９５】
図５（ａ）に示すように、下部電極８側の各スイッチＳＷ１〜ＳＷ３は、オフ状態となっている。また、図示は省略しているが、上部電極９側の各スイッチ（ＳＷ４〜ＳＷ６）もオフ状態となっている。つまり、各画素２０ｄ，２０ｅ，２０ｆにおいて、上部電極９および下部電極８は接地されていない。また、各画素２０ｄ，２０ｅ，２０ｆにおいて、スピン固定層１１の磁化方向は、予め上向き（図５では左向き）に揃えられて固定されているものとした。また、スピンフリー層１３の磁化方向が下向き（図５では右向き）に予め揃えられていて反転可能であるものとした。この図５では、右向きがＸ線の偏光極性に対して吸収率が大きくなる方向であるものとする。なお、スピンフリー層１３の磁化方向はこの限りではない。また、図５（ａ）では、一例として、画素２０ｅが選択されるものとする。
【００９６】
このような前提で、図５において左側からＸ線ビーム（単色円偏光Ｘ線ビーム）Ｂ４が、下向き（図５では右向き）に磁化されたスピンフリー層１３に入射する。スピンフリー層１３が、この層を構成する元素の内殻電子束縛エネルギー以上のエネルギーを有するＸ線光子を吸収すると、その吸収に対応して、負電荷である二次電子５０１、オージェ電子５０２、蛍光Ｘ線５０３等を放出する。ここでは、上部電極９と下部電極８が接地されていないものとしたので、外部に放出された電子（負電荷）に対応して、スピンフリー層１３には正電荷５０４が蓄積される。なお、電子放出の脱出深さから、非磁性中間層１２やスピン固定層１１での正電荷５０４の蓄積はほとんどないと考えられる。また、図５（ａ）では、一例として、画素２０ｅに正電荷５０４が蓄積された状態を示した。
【００９７】
次に、選択された画素２０ｅの電流を検出するために、図２に示す画素選択手段３４は上部電極選択部３２のＳＷ５に対して、画素２０ｅと画素信号検出手段４１との導通（ＯＮ２：接地）を指示する。すると、図５（ｂ）のように、スピンフリー層１３を接地して、これに電界を加え、画素２０ｅの上部電極９が接地される。この接地されたＹ軸方向の電極線（上部電極９）を通して、画素２０ｅのスピンフリー層１３に蓄積された正電荷５０４を中和するようにドレイン電流ＩDが流れ、信号電流が画素信号として得られる。このドレイン電流ＩDは、画素２０ｅのスピンフリー層１３が吸収するＸ線光子に比例すると考えられるので、Ｘ線光子の吸収量を、画素信号として検出することができる。
【００９８】
ところが、Ｙ軸方向の電極線（上部電極９）を通して得られるドレイン電流ＩDは、選択した走査（アドレス）中の画素２０ｅのスピンフリー層１３で生成される正電荷５０４を中和する電流だけを含むものではない。この画素２０ｅに繋がる上部電極９自身に生成される正電荷を中和する電流や、この上部電極９に接続される列（２次元アレイの列）全部の画素（ここでは画素２０ｄ，２０ｆ）に蓄積されている正電荷をそれぞれ中和する電流も含まれる。したがって、得られたドレイン電流ＩDは、前記した正電荷を中和する電流がすべて加わった総電流として検出される。そのため、得られたドレイン電流ＩDのうち、走査中の画素２０ｅのみのドレイン電流ＩDへの寄与を見積もる必要がある。
【００９９】
このため、本実施形態では、ドレイン電流検出に際し、走査中の画素２０ｅのスピンフリー層１３のＸ線吸収率だけに変調を加えて、その結果生ずるドレイン電流の変調成分のみを検出することとした。これにより、得られたドレイン電流ＩDのうち、走査中の画素２０ｅ以外からのドレイン電流への寄与を除去して、走査中の画素２０ｅのみのドレイン電流ＩDへの寄与を見積もることができる。
【０１００】
一般に、円偏光Ｘ線が入射する磁性体の磁化方向と、入射する円偏光Ｘ線の極性と、円偏光Ｘ線の入射方向と、磁性体において内殻電子を励起する元素とによって、磁性体のＸ線吸収率が変わる。
本実施形態のＸ線撮像装置１で用いるスピンフリー層１３の材料である強磁性体の単色円偏光Ｘ線の吸収率は、入射する円偏光Ｘ線の極性（偏光軸が右回りか左まわりか）と入射方向が決まれば、強磁性体の磁化方向とＸ線入射方向の相対角度によって変わる。Ｘ線吸収率の変化量は、強磁性体の磁化方向がＸ線の入射方向に対して平行なときのＸ線吸収率と、反平行なときのＸ線吸収率との差分をとったときに、最も大きくなる。本実施形態では、Ｘ線吸収率の変調方法として、このようにＸ線磁気円二色性を応用した。
【０１０１】
例えば、図５においては、Ｘ線ビーム（単色円偏光Ｘ線ビーム）Ｂ４がＹ軸方向の電極線（上部電極９）を通してスピンフリー層１３の表面から垂直に入射する（図５において左側から入射する）。このため、スピンフリー層１３の磁化方向がＸ線ビームＢ４の入射方向（図５において右向き）に平行（図５において右向き）なときに吸収するＸ線量と、反平行（図５において左向き）なときに吸収するＸ線量との差分が最も大きいＸ線吸収率差を示すことになる。
【０１０２】
従って、本実施形態では、図５に示す例で走査中の画素２０ｅのドレイン電流検出にあたり、画素２０ｅのスピンフリー層１３の磁化方向（画素２０ｅの磁化方向）がＸ線の入射方向に平行な場合と反平行な場合のドレイン電流をそれぞれ測定し、それぞれの測定値の差を、ドレイン電流の差として検出する。このときに検出したドレイン電流の差は、走査中の画素２０ｅのＸ線吸収係数変化に基づくものである。そのため、検出したドレイン電流の差においては、画素２０ｅに繋がる上部電極９や、この上部電極９に接続される他の画素２０ｄ，２０ｆから流れる電流はキャンセルされる。これは、画素２０ｅに繋がる上部電極９や、この上部電極９に接続される他の画素２０ｄ，２０ｆからドレイン電流への寄与分の電流は、画素２０ｅの磁化方向が平行な場合も反平行な場合もそれぞれのドレイン電流へ含まれるけれども、画素２０ｅの磁化方向が平行な場合も反平行な場合も同じだからである。したがって、それぞれのドレイン電流の差分をとれば、走査中の画素２０ｅのＸ線吸収に比例した映像信号が得られる。第１実施形態のＸ線撮像装置１では、磁化方向反転によるＸ線の吸収率の変調を、個々のスピン注入磁化反転素子６毎のスピン注入磁化反転で行うこととした。
【０１０３】
［画素選択原理］
第１実施形態に係るＸ線撮像装置１による画素選択原理について図６を参照して説明する。図６（ａ）および図６（ｂ）は、図５（ｂ）で示した状態と同様な状態を示している。ただし、スイッチＳＷ２がオン状態である点と、各画素２０ｄ，２０ｅ，２０ｆからドレイン電流が流れている点が図５（ｂ）と異なる。また、図６（ａ）は第１フレーム、図６（ｂ）は第２フレームをそれぞれ示している。ここでは、一例として、画素２０ｅを選択することとする。
【０１０４】
第１フレームには、次の３つの段階の処理がある。
（１−１）まず、受光画素部２の全画素（図６では画素２０ｄ，２０ｅ，２０ｆ）のスピンフリー層１３をＸ線入射方向と同じ向き（Ｘ線の吸収率が大きくなる方向）に磁化する。
（１−２）そして、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ３，ＳＷ４〜ＳＷ６をオフ状態とした上で、受光画素部２にＸ線ビームＢ４を照射する（図５（ａ）参照）。このとき、全画素のスピンフリー層１３は、Ｘ線を吸収し、これに伴って正電荷５０４を蓄積する。
（１−３）さらに、上部電極９側のスイッチＳＷ５をオン状態（ＯＮ２：接地）に切り替え、画素２０ｅの上部電極９を接地する。そして、画素信号検出手段４１は、画素２０ｅの上部電極９およびこの上部電極９に繋がる各画素（図６では画素２０ｄ，２０ｅ，２０ｆ）から流れるドレイン電流ＩD1を検出する。この検出されたドレイン電流ＩD1は、第１フレームのドレイン電流としてフレームメモリ４２（図２参照）に記憶される。
【０１０５】
次の第２フレームには、次の３つの段階の処理がある。
（２−１）画素２０ｅのスピンフリー層１３の磁化方向を逆向きに反転するために、まず、図６（ｂ）に示すように、スイッチＳＷ２をオン状態とする。さらに、スイッチＳＷ５は、画素２０ｄ，２０ｅ，２０ｆと、磁化反転電流注入手段３３との間の導通（ＯＮ１）状態に切り替えられる。これで、下部電極８と上部電極９との交差する領域の画素２０ｅが選択される。そして、図２に示す磁化反転電流注入手段３３によって、下部電極８と上部電極９との間に、下部電極８を負に、上部電極９を正にするように電圧を印加することによって、スピンフリー層１３にスピン偏極電子が注入される。画素２０ｅのスピンフリー層１３の磁化方向が反転したことを、図６（ｂ）において符号６０１で示す。
【０１０６】
（２−２）そして、第１フレームと同様に、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ３，ＳＷ４〜ＳＷ６をオフ状態とした上で、受光画素部２にＸ線ビームＢ４を照射する。ただし、画素２０ｅのスピンフリー層１３の磁化方向が反転しているので、第１フレームのときと比較して、Ｘ線の偏光極性に対してＸ線の吸収が小さくなっている。つまり、第２フレームにて画素２０ｅに蓄積される正電荷５０４の量は、第１フレームにて画素２０ｅに蓄積される正電荷５０４の量よりも少ない。言い換えると、第２フレームでは、画素２０ｅに蓄積される正電荷５０４の量が、画素２０ｄ，２０ｆに蓄積される正電荷５０４の量よりも減少する。
【０１０７】
（２−３）さらに、第１フレームと同様に、上部電極９側のスイッチＳＷ５をオン状態（ＯＮ２：接地）に切り替え、画素２０ｅの上部電極９を接地する。そして、画素信号検出手段４１は、このとき流れるドレイン電流ＩD2を検出し、第２フレームのドレイン電流としてフレームメモリ４２（図２参照）に格納する。ただし、画素２０ｅのスピンフリー層１３の磁化方向が反転しているので、ドレイン電流ＩD2の値はドレイン電流ＩD1の値よりも小さい。
【０１０８】
ここで、ドレイン電流ＩD1とドレイン電流ＩD2との差は、上部電極９や他の画素２０ｄ，２０ｆにそれぞれ蓄積される正電荷５０４の寄与を相殺できて画素２０ｅのスピンフリー層１３に蓄積された正電荷５０４にのみ対応したものとなる。すなわち、この電流差は、画素２０ｅに吸収されたＸ線のフォトン数に比例するので、選択した画素２０ｅに対応した出力映像信号が得られる。
【０１０９】
なお、第２フレームの後の第３フレームで、画素２０ｅに対して、正負逆方向に電圧を印加すれば、スピンフリー層１３の磁化方向はスピン注入前の状態に戻る。このことを図６（ａ）においてスイッチＳＷ２のオン状態で表した。
【０１１０】
［画素走査と磁化反転の関係の具体例］
第１実施形態に係るＸ線撮像装置１において、画素２０（スピン注入磁化反転素子６）走査と磁化反転との関係の具体例について図７を参照して説明する。図７（ａ）、図７（ｂ）および図７（ｃ）は、全体で、画素２０（スピン注入磁化反転素子６）走査と磁化反転との関係を示すタイミングチャートになっている。まず、個別の図面を参照して説明する。
【０１１１】
図７（ａ）は、上面から視た受光画素部２の画素ブロックを時系列で表したものである示す。この画素ブロックは、２×２の４画素（２０ａ，２０ｄ，２０ｂ，２０ｅ）から成る。画素２０ａ，２０ｄ，２０ｂ，２０ｅの配列は、図２の平面視の概念図に一致している。図７（ａ）に示す時間ｔ03は、図７（ｃ）に示す第1フレームに対応している。図７（ａ）に示す時間ｔ13，ｔ23，ｔ33，ｔ43は、図７（ｃ）に示す第２フレームに対応している。図７（ａ）に示す時間ｔ53，ｔ63，ｔ73，ｔ83は、図７（ｃ）に示す第３フレームに対応している。
【０１１２】
以下では、各画素を識別するために次の画素番号（またはアドレス番号）を用いる。画素２０ａの画素番号を“１”、画素２０ｄの画素番号を“２”、画素２０ｂの画素番号を“３”、画素２０ｅの画素番号を“４”とする。そして、図７（ａ）において各画素を示す矩形の内部に画素番号を記載した。さらに、その画素番号に正負の符号を付した。ここで、（−）符号は、磁化方向が入射Ｘ線の吸収の大きい方向であることを示し、（＋）符号は、磁化方向が入射Ｘ線の吸収の小さい方向であることを示すものと仮定した。
【０１１３】
図７（ｂ）は、図４に示す磁化反転電流注入手段３３がＸＹ電極アレイ２２を通して画素２０（スピン注入磁化反転素子６）に与える磁化反転パルス（磁化反転スピン電流）のタイミングチャートを示す。図７（ｂ）に示す時間ｔ12，ｔ22，ｔ32，ｔ42は、図７（ａ）に示す時間ｔ13，ｔ23，ｔ33，ｔ43のそれぞれの直前を示し、図７（ｃ）に示す第２フレームに対応している。図７（ｂ）に示す時間ｔ52，ｔ62，ｔ72，ｔ82は、図７（ａ）に示す時間ｔ53，ｔ63，ｔ73，ｔ83のそれぞれの直前を示し、図７（ｃ）に示す第３フレームに対応している。
【０１１４】
図７（ｂ）において、第２フレームの時間ｔ12，ｔ22，ｔ32，ｔ42の各パルスの上方の負号付きの数字は、磁化方向を反転させるスピン注入磁化反転素子６の画素番号および反転後の磁化方向が入射Ｘ線の吸収の大きい方向であることを示す。
また、図７（ｂ）において、第３フレームの時間ｔ52，ｔ62，ｔ72，ｔ82の各パルスの下方の正符号付きの数字は、磁化方向を反転させるスピン注入磁化反転素子６の画素番号および反転後の磁化方向が入射Ｘ線の吸収の小さい方向であることを示す。
【０１１５】
なお、磁化方向が入射Ｘ線の吸収の大きい方向である場合、スピン注入磁化反転素子６に対して、例えば、下部電極８を正に、上部電極９を負にするように電圧を印加し、磁化反転パルスのピーク値が正であるものとした。一方、磁化方向が入射Ｘ線の吸収の小さい方向である場合、スピン注入磁化反転素子６に対して、例えば、下部電極８を負に、上部電極９を正にするように電圧を印加し、磁化反転パルスのピーク値が負であるものとした。
【０１１６】
図７（ｃ）は、図２に示す画素選択手段３４が上部電極選択部３２のスイッチＳＷ４〜ＳＷ６に与えるドレイン電流検出パルスのタイミングチャートを示す。このドレイン電流検出パルスは、選択された画素２０（スピン注入磁化反転素子６）の上部電極９を選択する上部電極選択部３２（図２参照）のスイッチＳＷ４〜ＳＷ６に対して、ＸＹ電極アレイ２２を通して、画素２０と画素信号検出手段４１との導通状態（ＯＮ２：接地）に切り替える指示として、上部電極選択部３２のスイッチＳＷ４〜ＳＷ６に与えるものである。図７（ｃ）に示す時間ｔ11，ｔ21，ｔ31，ｔ41は、図７（ｂ）に示す時間ｔ12，ｔ22，ｔ32，ｔ42のそれぞれの直前を示し、第２フレームに対応している。図７（ｃ）に示す時間ｔ51，ｔ61，ｔ71，ｔ81は、図７（ｂ）に示す時間ｔ52，ｔ62，ｔ72，ｔ82のそれぞれの直前を示し、第３フレームに対応している。なお、図７（ｃ）において、各パルスの上方の符号付きの数字の意味は、図７（ｂ）に示す符号付きの数字と同じである。
【０１１７】
続いて、各フレームの各パルス毎の処理を、時系列にしたがって、図７（ｃ）、図７（ｂ）、図７（ａ）の順番で参照しながら説明する。
＜前提＞
前提として、図７（ｃ）に示す第２フレームの時間ｔ11以前の第１フレームの最後では、図７（ａ）に示す時間ｔ03において、画素ブロックの全画素の磁化方向が入射Ｘ線の吸収の大きい方向であるものとする。つまり、この例では、全画素が（＋）極性になっている時点から処理を開始する。
【０１１８】
＜第２フレーム＞
第２フレームでは、第１フレームの期間に画素ブロックに蓄積された全正電荷を、画素ごとに順次読み出す。具体的には、時間ｔ11のパルス期間では、（＋）極性である画素番号“１”の画素２０ａ（以下、この状態を単に「＋１」と表記する）の画素信号だけを読みとる。また、時間ｔ21のパルス期間では、（＋）極性である画素番号“２”の画素２０ｄ（以下、この状態を単に「＋２」と表記する）の画素信号だけを読みとる。また、時間ｔ31のパルス期間では、（＋）極性である画素番号“３”の画素２０ｂ（以下、この状態を単に「＋３」と表記する）の画素信号だけを読みとる。さらに、時間ｔ41のパルス期間では、（＋）極性である画素番号“４”の画素２０ｅ（以下、この状態を単に「＋４」と表記する）の画素信号だけを読みとる。このような動作を行うために、より詳細には、次のように処理を行う。
【０１１９】
≪画素番号“１”≫
第２フレームのスタートである時間ｔ11では、第１フレームの期間に蓄積された「＋１」の画素信号を読みとるために、図２に示す画素選択手段３４が、「＋１」に対応したドレイン電流検出パルスを、図２に示すスイッチＳＷ４に印加する。すると、スイッチＳＷ４がＯＮ２（接地）の状態となって、画素番号“１”の画素２０ａの上部電極９が接地される。したがって、画素信号検出手段４１が、第１フレームの期間に蓄積された「＋１」の画素信号を検出し、フレームメモリ４２に格納する。なお、画素（スピンフリー層）に蓄積されていた画素信号を読み出すと、画素に蓄積されていた正電荷はリセットされる。
【０１２０】
時間ｔ11の直後、図７（ｂ）に示す時間ｔ12において、磁化反転電流注入手段３３は、画素番号“１”の画素２０ａを、（−）極性（以下、この状態を単に「−１」と表記する）にするための磁化反転パルスを画素２０ａ（スピン注入磁化反転素子６）に印加する。
これにより、時間ｔ12の直後、図７（ａ）に示す時間ｔ13において、画素ブロックのうち、画素番号“１”の画素２０ａだけ、磁化が反転した「−１」の状態に変換される。
【０１２１】
≪画素番号“２”≫
図７（ｃ）に示す時間ｔ21では、第１フレームの期間に蓄積された「＋２」の画素信号を読みとるために、図２に示す画素選択手段３４が、「＋２」に対応したドレイン電流検出パルスを、図２に示すスイッチＳＷ５に印加する。すると、スイッチＳＷ５がＯＮ２（接地）の状態となって、画素番号“２”の画素２０ｄの上部電極９が接地される。したがって、画素信号検出手段４１が、第１フレームの期間に蓄積された「＋２」の画素信号を検出し、フレームメモリ４２に格納する。
【０１２２】
時間ｔ21の直後、図７（ｂ）に示す時間ｔ22において、磁化反転電流注入手段３３は、画素番号“２”の画素２０ｄを、（−）極性（以下、この状態を単に「−２」と表記する）にするための磁化反転パルスを画素２０ｄ（スピン注入磁化反転素子６）に印加する。
【０１２３】
これにより、時間ｔ22の直後、図７（ａ）に示す時間ｔ23において、画素ブロックのうち、画素番号“２”の画素２０ｄも磁化が反転した「−２」の状態に変換される。同様に、画素番号“３”の画素２０ｂについても処理され、図７（ａ）に示す時間ｔ33において、画素ブロックのうち、画素番号“３”の画素２０ｂも磁化が反転した「−３」の状態に変換される。また、同様に、画素番号“４”の画素２０ｅについても処理され、図７（ａ）に示す時間ｔ43において、画素ブロックのうち、画素番号“４”の画素２０ｅも磁化が反転した「−４」の状態に変換される。これにより、第２フレームの処理がすべて終了したときには、画素ブロックの全画素の磁化方向が入射Ｘ線の吸収の小さい方向となる。つまり、この例では、全画素が（−）極性になっている時点から第３フレームの処理を開始することとなる。
【０１２４】
＜第３フレーム＞
≪画素番号“１”≫
第３フレームのスタートである時間ｔ51では、第２フレームの期間に蓄積された「−１」の画素信号を読みとるために、図２に示す画素選択手段３４が、「−１」に対応したドレイン電流検出パルスを、図２に示すスイッチＳＷ４に印加する。すると、スイッチＳＷ４がＯＮ２（接地）の状態となって、画素番号“１”の画素２０ａの上部電極９が接地される。したがって、画素信号検出手段４１が、第２フレームの期間に蓄積された「−１」の画素信号を検出し、フレームメモリ４２に格納する。そして、この際に、図２に示す差分信号検出手段４３が、フレームメモリ４２に既に蓄積されている第1フレームの期間に蓄積された「＋１」の画素信号と、第２フレームの期間に蓄積された「−１」の画素信号との差分を検出し、画素番号“１”の画素２０ａの映像信号を得る。
【０１２５】
時間ｔ51の直後、図７（ｂ）に示す時間ｔ52において、磁化反転電流注入手段３３は、画素番号“１”の画素２０ａを、「＋１」にするための磁化反転パルスを画素２０ａ（スピン注入磁化反転素子６）に印加する。これにより、時間ｔ52の直後、図７（ａ）に示す時間ｔ53において、画素ブロックのうち、画素番号“１”の画素２０ａだけ、磁化方向が反転して「＋１」の状態に戻される。
【０１２６】
≪画素番号“２”≫
図７（ｃ）に示す時間ｔ61では、第２フレームの期間に蓄積された「−２」の画素信号を読みとるために、図２に示す画素選択手段３４が、「−２」に対応したドレイン電流検出パルスを、図２に示すスイッチＳＷ５に印加する。すると、スイッチＳＷ５がＯＮ２（接地）の状態となって、画素番号“２”の画素２０ｄの上部電極９が接地される。したがって、画素信号検出手段４１が、第２フレームの期間に蓄積された「−２」の画素信号を検出し、フレームメモリ４２に格納する。そして、この際に、図２に示す差分信号検出手段４３が、フレームメモリ４２に既に蓄積されている第1フレームの期間に蓄積された「＋２」の画素信号と、第２フレームの期間に蓄積された「−２」の画素信号との差分を検出し、画素番号“２”の画素２０ｄの映像信号を得る。
【０１２７】
時間ｔ61の直後、図７（ｂ）に示す時間ｔ62において、磁化反転電流注入手段３３は、画素番号“２”の画素２０ｄを、「＋２」にするための磁化反転パルスを画素２０ｄ（スピン注入磁化反転素子６）に印加する。これにより、時間ｔ62の直後、図７（ａ）に示す時間ｔ63において、画素ブロックのうち、画素番号“２”の画素２０ｄも磁化が反転し、「＋２」の状態に戻される。同様に、画素番号“３”の画素２０ｂについても処理される。また、画素番号“４”の画素２０ｅについても同様に処理され、図７（ａ）に示す時間ｔ83において、画素ブロックのうち、画素番号“４”の画素２０ｅも磁化方向が「＋４」の状態に戻される。これにより、第３フレームの処理がすべて終了したときには、画素ブロックの全画素の磁化方向は、図７（ａ）に示す時間ｔ03時点の画素ブロックの状態に戻る。
【０１２８】
ここで、検出されたドレイン電流差として、「＋１」と「−１」との差、「＋２」と「−２」の差、というように順にドレイン電流差を求めてゆけば、直前のフレームに各画素２０（スピン注入磁化反転素子６）に蓄積された正電荷量、すなわち対応する各画素２０のＸ線吸収量を見積もることができる。
【０１２９】
これにより、Ｘ線撮像装置１は、Ｘ線ビームが形成する画像（強度の濃淡分布など）を２次元的に、ほぼリアルタイムで検出することができる。なお、磁化反転は、数ナノ秒で実現できる。ＮＴＳＣ方式の伝送フレーム数は、３０フレーム／秒であり、１フレームの期間は３３［ｍｓ］である。Ｘ線撮像装置１によれば、この３３［ｍｓ］の間に、数十フレームをとることが可能である。一方、ＣＣＤ撮像素子では、現状では、最も高精細な素子で画素サイズは１．３×１．３［μｍ2］程度で、サブミクロンサイズは実現できておらず、しかも、このような高速駆動をすることができない。例えば、通常、ＣＣＤで行われる高速度撮影は、精々６倍速程度である。さらなる高速化においては、電荷転送用ＣＣＤをメモリとして活用して、このメモリにフレーム毎の画素信号を蓄積する方式がある。この方式において、撮影スピードと撮影時間はこのメモリの数で決まるが、電荷転送用ＣＣＤの連続的な使用はできない。そのため、実時間撮像はできない。
【０１３０】
ここで、ドレイン電流検出パルスを、「−１」、「−２」、「−３」、「−４」、「＋１」、「＋２」、「＋３」、「＋４」の各画素信号に対応して、この順番に画素を走査して各スイッチに印加するものとして説明したが、走査順はこれに限定されるものではなく、ランダムに走査してもよい。
【０１３１】
第１実施形態のＸ線撮像装置１によれば、画素選択と走査、および、画素におけるＸ線吸収を、それぞれ、スピン注入磁化反転素子６の選択と磁化反転によって行うので、走査画素の解像度を任意に可変できる。そのため、微細加工技術の限界までの解像度を実現することができる。この微細加工として、例えば電子ビームリングラフィーなどを用いれば、画素ピッチとして数ナノメートルまで達成できる可能性がある。
また、Ｘ線撮像装置１において、感度は、画素が吸収するＸ線フォトンの積分、すなわち画素走査の時間によって調節できる。また、受光画素部２の画面サイズは、所定のニーズに対応して可変できる。
また、Ｘ線撮像装置１は、高速駆動ができるので、フレームレートを大きくすることによって低残像でダイナミックレンジを大きくとることができる。
さらに、Ｘ線撮像装置１は、２次元フォトンカウンターとしても機能する。
【０１３２】
（第１実施形態の変形例）
第１実施形態のＸ線撮像装置１において、画素選択走査機構（素子選択走査手段）３は、受光画素部２の１つのスピン注入磁化反転素子６を１つの画素として選択するものとしたが、受光画素部２の受光面において隣接した複数のスピン注入磁化反転素子６により連結される領域を１まとめに選択することも可能である。この場合、磁化反転電流注入手段３３は、選択された複数のスピン注入磁化反転素子６のスピンフリー層１３の磁化方向を同時に反転させる。また、画素信号検出手段４１は、これら同時に反転させる複数のスピン注入磁化反転素子６がＸ線を吸収することによって発生するそれぞれの電流の合計値を連結される領域の１まとめの信号電流として検出する。
【０１３３】
例えば、図７（ａ）に示した画素ブロックを纏めて１つの画素としてドレイン電流を検出すれば、解像度は図７（ａ）の１／２に低下するが、感度はおよそ４倍増大できる。ここで、複数のスピン注入磁化反転素子６により連結される領域（纏めた１つの画素）は、当初の画素の２×２の領域に限定されるものではなく、例えば、一般式でＭ×Ｎ（Ｍ，Ｎは整数、Ｍ＝Ｎも含む）で表すことができる領域でもよい。
【０１３４】
また、この連結される領域（纏めた１つの画素）は、必ずしも矩形である必要もない。さらに、受光面において、この連結される領域（纏めた１つの画素）を同じ単位で繰り返す必要もない。このように、ドレイン電流を検出すべき画素サイズを任意に選ぶことにより、検出するＸ線画像精細度を画面上で局部的に可変することができる。つまり、この場合、局所的ズームなどに利用することができる。また、前記した電子ビームリングラフィーなどの微細加工技術の進展により、ナノメートルオーダーの超高精細画素や超多画素となっても、上記のように、Ｘ線画像の空間周波数分布に応じて画素の纏め方を任意に設定できるとすれば、フレームメモリ４２の大容量化を抑制したり、差分信号検出手段４３の演算処理などの負担を抑制したりすることができる。
【０１３５】
また、このように、複数のスピン注入磁化反転素子６を１つの画素として同時に走査すると、１フレームの走査時間を短縮できるので、高速に走査を行うことができる。
【０１３６】
（第２実施形態）
第２実施形態のＸ線撮像装置は、受光画素部の電極の構造が異なる点を除いて、第１実施形態のＸ線撮像装置１と同様なので、同じ構成には同じ符号を付して説明を適宜省略する。図８（ａ）および図８（ｂ）に示す受光画素部２Ａは、上部電極９が、スピンフリー層１３の表面の一部を露出させるように設けられている。ところで、第１実施形態では、図１および図２に示す上部電極９（Ｙ軸方向の電極線）は、スピン注入磁化反転素子６のスピンフリー層１３の表面全体を覆うように設けていた。一方、第２実施形態では、図８に示す上部電極９は、スピンフリー層１３の両端の縁のみに堆積し、スピンフリー層１３を表面に極力露出させたものである。なお、第２実施形態において、上部電極９は、スピンフリー層１３表面の一部のみを覆っていればよく、上部電極９が覆う領域は、図８に示す範囲に限定されるものではない。
【０１３７】
受光画素部２Ａにおいてスピンフリー層１３の表面を露出させる構成としたことにより、Ｘ線ビームが受光画素部２Ａに入射するときに、スピンフリー層１３へのＸ線吸収が増加し、スピンフリー層１３からの二次電子５０１やオージェ電子５０２の放出を容易にすることができる。ところで、第１実施形態のＸ線撮像装置１では、スピンフリー層１３にＸ線が吸収されることにより二次電子５０１やオージェ電子５０２などが放出される結果としてスピンフリー層１３に蓄積される正電荷５０４を中和する電流を検出してＸ線の吸収量を見積もるという原理を用いている。これは、第２実施形態でも同様である。したがって、第２実施形態のＸ線撮像装置は、受光画素部２Ａのような電極構造としたことにより、感度が向上する。
【０１３８】
また、第１実施形態では、スピンフリー層１３の材料の一例としてＰｔＣｏを挙げたので、１３．３［ｋｅＶ］の硬Ｘ線を用いることで、エネルギーの高いＸ線ビームがＡｌやＢｅ製の上部電極９に吸収されずに透過できるものとして説明した。一方、図８（ａ）および図８（ｂ）に示す受光画素部２Ａは、上部電極９が、スピンフリー層１３の表面の一部を露出させるように設けられているので、ＡｌやＢｅ製の上部電極９自体を透過できないような相対的にエネルギーの低いＸ線ビームを用いたとしても、このＸ線ビームは露出部分からスピンフリー層１３に入射できる。したがって、スピンフリー層１３をＦｅＮｉなどの材料で形成し、０．７８１［ｋｅＶ］などの軟Ｘ線を用いるＸ線撮像が可能となる。
【０１３９】
（第３実施形態）
第３実施形態のＸ線撮像装置は、受光画素部においてスピン注入磁化反転素子と電極との間を絶縁した点を除いて、第２実施形態のＸ線撮像装置と同様なものである。図９（ａ）および図９（ｂ）に示す受光画素部２Ｂは、上部電極９が、スピンフリー層１３の表面の一部を露出させるように設けられ、かつ、上部電極９とスピンフリー層１３との間に上部絶縁層１５を備えている。また、下部電極８とスピン固定層１１との間に下部絶縁層１４を備えている。なお、平面図である図８（ａ）と図９（ａ）は同じものである。
【０１４０】
下部絶縁層１４および上部絶縁層１５の厚さは、１フレームの期間に、ドレイン電流を検出しようとする画素の電極に隣接する画素に蓄積される正電荷を中和する電流が、検出しようとするドレイン電流に流れ込まない程度に薄く、また、スピン注入のための電圧の大幅な増大を招かない程度に薄く設定することが望ましい。
【０１４１】
第３実施形態のＸ線撮像装置は、受光画素部２Ｂにおいて、上部電極９とスピンフリー層１３との間に薄い上部絶縁層１５を設けたので、ドレイン電流の検出において、上部電極９（Ｙ軸方向の電極線）に繋がる全ての画素（スピン注入磁化反転素子６）に蓄積される正電荷の寄与を極力抑えることができる。
【０１４２】
したがって、第３実施形態のＸ線撮像装置は、受光画素部２Ｂのような電極構造としたことにより、第２実施形態よりもさらに感度が向上する。使用目的において感度が充分である場合、ドレイン電流の変調成分のみを検出する構成とすることなく、図５（ｂ）に示した簡易な方法でドレイン電流を検出するようにしてもよい。なお、下部電極８とスピン固定層１１との間にも薄い下部絶縁層１４を設けたが、下部絶縁層１４を備えない構成としてもよい。
【０１４３】
（第４実施形態）
第４実施形態のＸ線撮像装置は、受光画素部の磁化反転素子を磁化反転させる手段としてスピン注入ではなく外部磁場を用いたものである。したがって、図１に示したＸ線撮像装置１と同様な構成には同じ符号を付して説明を適宜省略する。図１０に示すＸ線撮像装置１Ｃは、受光画素部２Ｃと、画素選択走査機構３Ｃとを備えている。このＸ線撮像装置１Ｃは、信号電流検出処理部４（図１参照）も備えているが、図１０では、画素信号検出手段４１だけ表示した。また、画素選択走査機構３Ｃは、下部電極選択部３１と、上部電極選択部３２と、画素選択手段３４とを備えているが、図１０では、磁場発生用電流供給手段３３Ｃだけを表示した。
【０１４４】
受光画素部２Ｃには、下部電極８と上部電極９との間に、画素としてスピンフリー強磁性層（磁化反転素子）１６が断面柱状に形成されている。これは、図１に示したスピン注入磁化反転素子６のスピンフリー層１３と同様なものである。ここでは、一例として、スピンフリー強磁性層１６の磁化方向が上向きのものと、下向きのものとを示した。また、この例では、スピンフリー強磁性層１６は、紙面に沿った水平方向に５個設けられているが、その個数はこの限りではない。また、スピンフリー強磁性層１６は、紙面に垂直な方向にも同様に並べられているものとする。つまり、画素としてのスピンフリー強磁性層１６は、２次元アレイ状に設けられている。
【０１４５】
上部電極９は、スピンフリー強磁性層１６の２次元アレイの各行に沿って行毎に設けられている。また、下部電極８は、スピンフリー強磁性層１６の２次元アレイの各列に沿って列毎に設けられている。なお、スピンフリー強磁性層１６以外にスピン固定層１１の磁化の固定強化のために他の層を備えていてもよい。また、隣り合ったスピンフリー強磁性層１６間を電気的かつ磁気的に絶縁するための絶縁部材を介挿してもよい。
【０１４６】
画素選択走査機構３Ｃは、上部電極９と下部電極８との組み合わせを選択することにより、選択された上部電極９と下部電極８とが対向して交差する領域にあるスピンフリー強磁性層１６を、磁化方向を反転させる磁化反転素子として選択すると共に、受光画素部２Ｃの受光面に亘って複数の画素を走査するものである。
この画素選択走査機構３Ｃは、既に製品化された磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の公知技術として、ワード線とビット線に電流を流し、発生した磁場によって、選択したフリー層（記録層）の磁化を反転する技術を用いたものである。つまり、受光画素部２Ｃの上部電極９と下部電極８は、ＭＲＡＭにおけるワード線とビット線の役割を果たしている。このため、受光画素部２Ｃにおいて、スピンフリー強磁性層１６と下部電極８との間には下部絶縁層１４が設けられている。また、スピンフリー強磁性層１６と上部電極９との間には上部絶縁層１５が設けられている。
【０１４７】
第４実施形態のＸ線撮像装置１Ｃは、第1ないし第３実施形態のＸ線撮像装置とは磁化反転の原理が異なるので、図１０に示す下部絶縁層１４および上部絶縁層１５は必須の構成である。また、下部絶縁層１４および上部絶縁層１５の膜厚を設定する際には、スピン注入電圧を考慮する必要はなく、ドレイン電流の検出に適した膜厚とすればよい。下部絶縁層１４および上部絶縁層１５の膜厚は、例えば、１〜２［ｎｍ］とすることができる。なお、磁化反転の原理は異なるが、磁場発生用電流供給手段３３Ｃと画素選択機構３４との関係は、図１に示した磁化反転電流注入手段３３と画素選択機構３４との関係と同様であって、磁場発生用電流供給手段３３Ｃは、図１に示した磁化反転電流注入手段３３と同様に電流源を有しているので、同様な符号を付した。
【０１４８】
画素選択走査機構３Ｃの磁場発生用電流供給手段（磁場制御手段）３３Ｃは、選択された画素（スピンフリー強磁性層１６）を挟んで交差する上部電極９および下部電極８に対して電流源から流す電流（磁場反転電流ＩINV）の方向とその大きさを制御することで、選択されたスピンフリー強磁性層１６に加える磁場の方向とその大きさを制御して、スピンフリー強磁性層１６の磁化方向を反転させるものである。第４実施形態では、磁場反転電流ＩINVは、パルス電流であるものとする。なお、パルス電流の代わりに直流電流を用いてもよい。また、図１０では、磁場発生用電流供給手段３３Ｃは、図１０において左端の上部電極９の紙面に垂直な方向の両端部に接続されている状態を示しているが、選択された画素に対応して他の上部電極９に対しても同様に接続される。
【０１４９】
画素信号検出手段４１は、選択されたスピンフリー強磁性層１６がＸ線を吸収することによって発生する電流の値を検出する。なお、図１０では、画素信号検出手段４１は、図１０において右端の上部電極９に接続されている状態を示しているが、選択された画素に対応して他の上部電極９に対しても同様に接続される。
【０１５０】
（第５実施形態）
図１１に示すように、第５実施形態のＸ線撮像装置１Ｄは、第１実施形態に係るＸ線撮像装置１の受光画素部２を真空容器５１に密閉したものである。したがって、同様な構成には同じ符号を付して説明を適宜省略する。第５実施形態では、第１実施形態と同様に、一例としてＰｔＣｏを材料としてスピンフリー層１３を形成した。また、これに対応して、１３．３［ｋｅＶ］の硬Ｘ線による画像を検出する。このように、硬Ｘ線撮像の場合には、単色円偏光Ｘ線ビームＢ４（図３参照）を形成した後に、Ｘ線撮像装置１Ｄの真空容器５１の外部の構成を大気中に暴露できる。
【０１５１】
真空容器５１は、受光画素部２の受光面に対応した位置に、Ｘ線ビームを透過するＸ線透過窓５２を備えている。このＸ線透過窓５２は、例えば、ベリリウム等のＸ線吸収率が小さい材料で形成されている。これにより、Ｘ線がスピンフリー層１３に損失少なく入射できる。また、真空容器５１内は、真空環境とされている。さらに密閉前に、およそ１０8［Ｐａ］程度以上の超高真空環境下で、希ガスによるスパッタリングなどでスピンフリー層１３の表面を洗浄しておくことが好ましい。なお、スピンフリー層１３表面からオージェ電子や二次電子が放出されやすいように、真空容器５１は接地電位に対して正電位となるように保持されている。この理由により、Ｘ線透過窓５２はベリリウムなどの伝導体材料で作製し、Ｘ線透過窓５２とスピンフリー層１３との間の距離は短い方が好ましい。
【０１５２】
第５実施形態のＸ線撮像装置１ＤによるＸ線検出基本原理も、第１実施形態と同様であり、Ｘ線がスピンフリー層１３に入射する際には、二次電子５０１やオージェ電子５０２が放出される。第５実施形態では、このときの二次電子５０１やオージェ電子５０２の放出を容易にするために、受光画素部２を密閉した真空容器５１内を真空環境とした。
【０１５３】
（第５実施形態の変形例）
第５実施形態のＸ線撮像装置１Ｄにおいて、真空容器５１内を真空環境としたが、真空とすることなく、受光画素部２のみ、ヘリウム等のＸ線吸収の小さいガスで充満した容器に設置してもよい。図示は省略するが、このように構成しても、Ｘ線がスピンフリー層１３に入射する際に二次電子５０１やオージェ電子５０２の放出を容易にすることができる。
【０１５４】
（第６実施形態）
第６実施形態のＸ線撮像装置は、一例としてＦｅＮｉを材料としてスピンフリー層１３を形成した点を除いて、図１１に示したＸ線撮像装置１Ｄと同様な構成である。したがって、同様な構成には同じ符号を付して図面および説明を適宜省略し、第６実施形態のＸ線撮像装置を形式的にＸ線撮像装置１Ｅと呼ぶ。Ｘ線撮像装置１Ｅでは、ＦｅＮｉに対応して、０．７８１［ｋｅＶ］の軟Ｘ線による画像を検出する。軟Ｘ線撮像の場合には、Ｘ線撮像装置１Ｅの受光画素部２を真空容器５１にて真空環境とするだけではなく、Ｘ線の光路（ビームライン１０２：図３参照）や被写体Ｏ（図３参照）も真空環境下に設置する。このようにすることで、軟Ｘ線が大気中の酸素や窒素による吸収で大きく減衰することを防止することができる。また、Ｘ線撮像装置１の受光画素部２を真空環境に設置したので、Ｘ線がスピンフリー層１３に入射する際に二次電子５０１やオージェ電子５０２の放出を容易にすることができる。なお、軟Ｘ線撮像を行うＸ線撮像装置１Ｅでは、少なくとも受光画素部２が真空環境下に設置される必要がある。この構成の変形例として、Ｘ線撮像装置１Ｅの画素選択機構３または信号電流検出処理部４、あるいはＸ線撮像装置１Ｅの全体を真空環境下に設置するようにしてもよい。
【０１５５】
また、Ｘ線撮像装置１Ｅにおいて、真空容器５１を真空環境としたが、真空とすることなく、Ｘ線撮像装置１Ｅの少なくとも受光画素部２を、ヘリウム等のＸ線吸収の小さいガスで充満した容器に設置してもよい。なお、この場合、被写体Ｏ（図３参照）も、環境の空気をヘリウム等のＸ線吸収の小さいガスで置換した環境に設置してもよい。このように構成しても、Ｘ線がスピンフリー層１３に入射する際に二次電子５０１やオージェ電子５０２の放出を容易にすることができる。
【０１５６】
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その趣旨を変えない範囲でさまざまに実施することができる。例えば、本発明のＸ線撮像装置は、被写体のＸ線透過強度分布を様々な角度から検出しようとする場合にも利用できる。本発明のＸ線撮像装置をＣＴ（Computed Tomography）用の２次元Ｘ線検出器として用いた場合、高分解能特性の効果がある。
【符号の説明】
【０１５７】
１，１Ｃ，１Ｄ Ｘ線撮像装置
２（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ） 受光画素部
３，３Ｃ 画素選択走査機構（素子選択走査手段）
４ 信号電流検出処理部
５ 基板
６ スピン注入磁化反転素子
７ 絶縁部材
８ 下部電極
９ 上部電極
１１ スピン固定層（磁化固定強磁性層）
１２ 非磁性中間層
１３ スピンフリー層（磁化反転強磁性層）
１４ 下部絶縁層
１５ 上部絶縁層
１６ スピンフリー強磁性層（磁化反転素子）
２０（２０ａ〜２０ｉ） 画素
２１ 磁化反転素子アレイ（画素群）
２２ ＸＹ電極アレイ
２２Ｘ 下部電極アレイ
２２Ｙ 上部電極アレイ
３１ 下部電極選択部
３２ 上部電極選択部
３３ 磁化反転電流注入手段（電流制御手段）
３３Ｃ 磁場発生用電流供給手段（磁場制御手段）
３４ 画素選択手段
４１ 画素信号検出手段（電流検出手段）
４２ フレームメモリ（記憶手段）
４３ 差分信号検出手段
１００ 入射Ｘ線制御手段
１０１ シンクロトロン放射光源
１０２ ビームライン
１０３ 二結晶モノクロメータ
１０５ 波長選択機構（波長選択手段）
１０４ 移相器
１０６ 極性選択機構（極性選択手段）
ＳＷ１〜ＳＷ３，ＳＷ４〜ＳＷ６ スイッチ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線撮像装置に関し、特に、画素として磁化反転素子を備えたＸ線撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のＸ線イメージング法は、１）フィルムによる感光、２）光電変換膜における光励起キャリアの生成、３）輝尽性蛍光体のＸ線による励起と読み出し光による発光の利用（イメージングプレート:ＩＰ）の３つの方法に大別できる。なお、Ｘ線検出手段として、感光性フィルム、イメージングプレート、複数の光電変換素子で構成されるＸ線検出センサのいずれかを備えるＸ線画像撮影装置が、例えば特許文献１に記載されている。
【０００３】
１）の方法であるフィルムでは、Ｘ線に感度をもつ銀塩結晶粒を塗布した膜の感光作用を利用する方法でこれまで最も多用されてきている。フィルムには、現像プロセスが必要であるので、このＸ線イメージング法では、動的な観察はできないし、特に医療においては多量のＸ線フィルムデータの保存が必要になる。
【０００４】
２）の方法では、Ｘ線ＣＣＤ（あるいはＣＭＯＳ）、Ｘ線撮像管、Ｘ線フラットパネルディテクタなどが実用化されている。Ｘ線ＣＣＤやＸ線撮像管は、シリコンフォトダイオードでＸ線を直接吸収させて通常の可視光ＣＣＤと同様の機構で動作させる方式と、Ｘ線を一旦可視光に変換してからシリコンフォトダイオードや可視光撮像管の光電変換膜に可視光像を入射させる方式がある。このうち、ＣＣＤでは、ゲート絶縁膜や界面近傍にＸ線が入射して雑音を発生しないようにＸ線遮蔽を施すなどの工夫が必要である。
【０００５】
また、Ｘ線撮像管では、光電変換膜に酸化鉛（ＰｂＯ）を用いるものと、非晶質セレン（Ｓｅ）を用いるものとがある。通常の可視光の撮像管ではフェースプレートにガラス板を用いるのに対して、Ｘ線用ではＸ線に透過なベリリウム（Ｂｅ）のフェースプレートを用いる。Ｘ線撮像管の基本動作は、可視光用撮像管と同じであるが、ＳｅでもＸ線エネルギーによっては吸収が充分ではないので、光電変換膜はできるだけ厚い方が高感度である。
【０００６】
また、Ｘ線フラットパネルディテクタは、ガラス板面上に撮像管の光電変換膜としての非晶質Ｓｅから成る各画素と、画素信号の読み出し用として画素毎に設けたシリコンＴＦＴ（Thin Film Transistor）とを備えた構造である。Ｘ線フラットパネルディテクタによるＸ線イメージング法は、非晶質Ｓｅ撮像管の電子銃による読み出しをＴＦＴアレイで行うもので固体における画素選択機構と撮像管光電変換機能を合わせたようなものである。
【０００７】
３）の方法のイメージングプレート（ＩＰ）では、輝尽性蛍光体が、ある波長範囲の光（Ｘ線など）を受けると電子をＦセンターに捕獲し、次に、第１の波長より長い波長の光（市販の装置ではＨｅ−Ｎｅレーザ６３３［ｎｍ］の光）で輝尽性蛍光体を刺激すると、捕獲された電子が伝導体に励起され正孔と再結合し、特定の波長で発光するという現象を利用する。ここで、輝尽性発光体としては、例えばＢａＦＢｒ：Ｅｕ2+（蛍光体）などがある。この材料を用いると、ほぼ可視光領域の光刺激により、３９０［ｎｍ］付近で発光する。また、大画面にできるという特徴がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−７３７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前記の種々のＸ線イメージング法にはそれぞれ長所および短所があるので、使用目的によって選択される。ここで、先ほどの３つのイメージング法を説明の都合上、便宜的に２つのグループに分ける。まず、第1のグループとして、前記の２）の方法で例示した従来のＸ線ＣＣＤ（あるいはＣＭＯＳ）やＸ線撮像管の短所は、イメージングの視野が精々１インチ（＝２５．４［ｍｍ］）φ程度に限られることである。しかし、これらについては、以下の長所がある。すなわち、解像度は、直接撮像するＸ線ＣＣＤでは２〜３［μｍ］、一旦可視光に変換するタイプでは１０数［μｍ］程度、Ｘ線撮像管では〜１０［μｍ］程度である。また、感度については、Ｘ線撮像管では、内部量子効率が１以上になる高感度化が達成されている。Ｘ線ＣＣＤでも量子効率は１に近づいている。さらに、ＣＣＤも撮像管も可視光用の応用であるので、テレビレートでのイメージングができる特長がある。
【００１０】
一方、第２のグループとして、前記の１）の方法で例示したＸ線フィルム、前記の３）の方法で例示したＩＰ、前記の２）の方法で例示したＸ線フラットパネルディテクタの長所は、イメージングの視野が、十数インチ程度にまで大きくとることができるという点である。しかし、これらについては、以下の短所がある。すなわち、解像限界は、現状では５０［μｍ］程度であり、ＣＣＤや撮像管などの撮像素子に比べるとかなり低い。また、Ｘ線フィルムでは現像プロセスが必要である。また、ＩＰでは、第２の読み出し光で画面を走査して発光させるので、テレビレートの時間解像度は得られない。ただし、ＩＰの感度は、従来から使用されてきたＸ線フィルムと比較すると２桁程度高い。また、Ｘ線フィルムでは計測可能強度範囲がおおよそ３桁程度であるが、ＩＰは５桁の範囲で線量と比例している。
【００１１】
以上のような相補的な特性から、現状では、第1のグループのＸ線ＣＣＤやＸ線撮像管は、結晶欠陥や固体の構造解析など主として科学計測用に用いられている場合が多い。
また、第２のグループとしてのＸ線フィルム、ＩＰ、Ｘ線フラットパネルディテクタなどは主として大画面性のために医療用に用いられる場合が多い。
【００１２】
また、第１および第２のグループのように単純に区分できない方法として、Ｘ線像を大画面の蛍光体膜で可視光に変換し、そこで得られる大画面の可視光像を可視光用の撮像管や固体撮像素子で再撮像して両者の特性を合体した方法も開発されている。
【００１３】
しかし、例えば乳がんのＸ線画像検診などにおいては、極力微細な石灰化領域を検出することが治癒率改善に必須であり、前記したイメージング法は解像度の点でいずれも不充分である。また構造解析などの科学計測のＸ線イメージングでもサブミクロンの解像度が要望されている。
【００１４】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、Ｘ線イメージングにおける解像度を改善する技術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】
【００１５】
本発明は、前記目的を達成するために創案されたものであり、まず、請求項１に記載のＸ線撮像装置は、磁化方向が固定された磁化固定強磁性層と、磁化方向が反転可能な磁化反転強磁性層と、前記磁化固定強磁性層と磁化反転強磁性層との中間に配置された非磁性中間層とを含む３層以上が積層された磁化反転素子を画素として備え、前記画素に磁化反転強磁性層側から入射する単色円偏光Ｘ線ビームを撮影するＸ線撮像装置であって、受光画素部と、素子選択走査手段と、電流制御手段と、電流検出手段とを備えることとした。
【００１６】
かかる構成によれば、Ｘ線撮像装置は、受光画素部に、２次元アレイ状に設けられた前記複数の磁化反転素子と、前記磁化反転素子のＸ線入射側に配置された上部電極と、前記磁化反転素子のＸ線入射方向の反対側に配置された下部電極とを有して前記単色円偏光Ｘ線ビームを受光する。そして、Ｘ線撮像装置は、素子選択走査手段によって、前記磁化反転素子に対応した上部電極および下部電極の組み合わせを選択することにより、前記選択された組み合わせの上部電極および下部電極に挟まれて配置された磁化反転素子を、磁化方向を反転させる磁化反転素子として選択すると共に、前記受光画素部の受光面に亘って前記複数の磁化反転素子を走査する。そして、Ｘ線撮像装置は、電流制御手段によって、前記選択された磁化反転素子に対応した上部電極および下部電極を介して当該磁化反転素子に対して電流源から流す電流の方向とその大きさを制御して、当該磁化反転素子の磁化固定強磁性層から磁化反転強磁性層へスピン偏極電子を注入することで、前記磁化反転強磁性層の磁化方向を反転させる。つまり、受光画素部に設けられた磁化反転素子は、スピン注入磁化反転素子であって、電流制御手段が制御する電流は、磁化を反転させる電流、すなわち、スピン注入電流である。ここで、スピン注入電流は、パルス電流でも直流電流でもよい。そして、Ｘ線撮像装置は、電流検出手段によって、前記選択された磁化反転素子がＸ線を吸収することによって発生する電流の値を検出する。このように、スピン注入によって磁化反転素子を磁化反転させる構造とすることによって、Ｘ線イメージングにおける解像度を改善することができる。
【００１７】
また、前記目的を達成するために、請求項２に記載のＸ線撮像装置は、磁化方向が反転可能な磁化反転強磁性層を含む１層以上が積層された磁化反転素子を画素として備え、前記画素に磁化反転強磁性層側から入射する単色円偏光Ｘ線ビームを撮影するＸ線撮像装置であって、受光画素部と、素子選択走査手段と、磁場制御手段と、電流検出手段とを備えることとした。
【００１８】
かかる構成によれば、Ｘ線撮像装置は、受光画素部に、２次元アレイ状に設けられた前記複数の磁化反転素子と、前記２次元アレイの行方向に設けられた複数の磁化反転素子から上部絶縁層を介してＸ線入射側に配置されて各行に沿って行毎に設けられた複数の上部電極と、前記行方向に直交する列方向に設けられた複数の磁化反転素子から下部絶縁層を介してＸ線入射方向と反対側に配置されて各列に沿って列毎に設けられた複数の下部電極とを有して前記単色円偏光Ｘ線ビームを受光する。そして、Ｘ線撮像装置は、素子選択走査手段によって、前記上部電極と前記下部電極との組み合わせを選択することにより、前記選択された上部電極と下部電極とが対向して交差する領域にある磁化反転素子を、磁化方向を反転させる磁化反転素子として選択すると共に、前記受光画素部の受光面に亘って前記複数の磁化反転素子を走査する。そして、Ｘ線撮像装置は、磁場制御手段によって、前記選択された磁化反転素子を挟んで交差する上部電極および下部電極に対して電流源から流す電流の方向とその大きさをそれぞれ制御することで、前記選択された磁化反転素子に加える磁場の方向とその大きさを制御して、当該磁化反転素子の磁化反転強磁性層の磁化方向を反転させる。つまり、受光画素部に設けられた磁化反転素子は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory）のように、外部磁場により磁化反転する素子であって、磁場制御手段が制御する電流は、外部磁場を誘導する電流、すなわち、磁場反転電流である。この磁場反転電流により誘導された外部磁場により、磁化反転強磁性層の磁化方向が反転する。ここで、磁場反転電流は、パルス電流でも直流電流でもよい。そして、Ｘ線撮像装置は、前記選択された磁化反転素子がＸ線を吸収することによって発生する電流の値を検出する。このように、電流に誘導される磁場によって磁化反転素子を磁化反転させる構造とすることによって、Ｘ線イメージングにおける解像度を改善することができる。
【００１９】
請求項１または請求項２に記載のＸ線撮像装置では、偏光Ｘ線が、磁化反転素子の磁化反転強磁性層の構成原子の内殻電子を励起する際、磁化方向と入射Ｘ線の偏光極性の相違によってＸ線吸収率が異なることを利用して、所定の磁化反転強磁性層のみ磁化方向を反転させて、反転前後のドレイン電流差を検出することにより所定の画素のみの入射Ｘ線吸収強度を得ることができる。また、Ｘ線吸収率の相違は、磁化反転強磁性層を構成する原子の内殻電子の励起において、入射偏光Ｘ線の極性、磁化反転強磁性層の磁化方向、および内殻電子が励起される原子に依存して、電気双極子遷移の遷移則と３ｄ空準位状態で決まる。ここで、磁化反転する磁化反転素子を順次選択することは、通常の可視光用の固体撮像素子の画素走査に対応する。
【００２０】
また、請求項３に記載のＸ線撮像装置は、請求項１に記載のＸ線撮像装置において、前記上部電極が、それぞれが前記２次元アレイの行方向の電極線として設けられ、前記下部電極が、それぞれが前記２次元アレイの列方向の電極線として設けられていることとした。
【００２１】
かかる構成によれば、Ｘ線撮像装置は、素子選択走査手段が、相互に直交配置された行方向の電極と列方向の電極との間に電圧を印加することで、磁化方向を反転させることができる。
【００２２】
また、請求項４に記載のＸ線撮像装置は、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のＸ線撮像装置において、前記受光画素部の上部電極が、アルミニウム（Ａｌ）、ベリリウム（Ｂｅ）、銅（Ｃｕ）、グラファイト（Ｃ）およびダイアモンド（Ｃ）から構成される群から選択された少なくとも１つの材料から形成されていることとした。
【００２３】
かかる構成によれば、Ｘ線撮像装置は、Ｘ線の透過性が高いアルミニウム（Ａｌ）、ベリリウム（Ｂｅ）、銅（Ｃｕ）、グラファイト（Ｃ）およびダイアモンド（Ｃ）から構成される群から選択された少なくとも１つの材料で上部電極が形成されているので、受光画素部に入射するＸ線が、上部電極にほとんど吸収されることなく、磁化反転素子に入射することが可能となる。
【００２４】
また、請求項５に記載のＸ線撮像装置は、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のＸ線撮像装置において、前記受光画素部には、前記複数の磁化反転素子間を電気的かつ磁気的に絶縁する絶縁部材が介挿されていることとした。
【００２５】
かかる構成によれば、Ｘ線撮像装置は、受光画素部において、隣り合う磁化反転素子が相互に電気的かつ磁気的に絶縁されているので、各磁化反転素子を独立に磁化反転させることができる。ここで、磁化反転した磁化反転素子に入射する単色円偏光Ｘ線ビームの吸収率と、磁化反転していない磁化反転素子に入射する単色円偏光Ｘ線ビームの吸収率とは異なる。つまり、磁化反転素子の組み合わせとして、互いに異なる吸収率で単色円偏光Ｘ線を吸収する組み合わせを選択することができる。
【００２６】
また、請求項６に記載のＸ線撮像装置は、請求項２または請求項３に記載のＸ線撮像装置において、前記素子選択走査手段が、前記下部電極と前記電流源との間の導通状態と、電気的切断状態との２状態を切り替える下部電極選択部と、前記上部電極の接地状態と、前記上部電極と前記電流源との間の導通状態と、電気的切断状態との３状態を切り替える上部電極選択部とを備え、前記磁化反転素子がＸ線を吸収する際には、前記上部電極および下部電極をそれぞれ電気的切断状態に切り替え、前記電流検出手段が電流の値を検出する際には、前記選択された磁化反転素子の上部電極を接地状態に切り替え、前記電流検出手段が、前記選択された磁化反転素子がＸ線を吸収する際に外部に放出した負電荷に対応して内部に蓄積された正電荷を中和するドレイン電流の値を検出することとした。
【００２７】
かかる構成によれば、Ｘ線撮像装置は、Ｘ線の吸収時には、二次電子やオージェ電子等の負電荷を放出するときに磁化反転素子の磁化反転強磁性層に生じる正電荷を、当該磁化反転強磁性層に蓄積保持することができる。また、選択された磁化反転素子の上部電極を接地した状態に切り替えたときには、内部に蓄積された正電荷を中和するドレイン電流を検出することができる。したがって、磁化反転素子を高速に選択走査すれば、画素信号電流を高速で読み出すことが可能になる。
【００２８】
また、請求項７に記載のＸ線撮像装置は、請求項６に記載のＸ線撮像装置において、記憶手段と、差分信号検出手段とをさらに備えることとした。
【００２９】
かかる構成によれば、Ｘ線撮像装置は、記憶手段に、前記素子選択走査手段で選択された磁化反転素子の磁化反転前後に前記電流検出手段によってそれぞれ検出された電流値を記憶する。そして、Ｘ線撮像装置は、差分信号検出手段によって、前記選択された磁化反転素子の磁化反転前後にそれぞれ記憶された電流値の差分を映像信号として検出する。ここで、記憶された電流値の差分は、磁化反転強磁性層の磁化反転前の磁化方向と単色円偏光Ｘ線ビームの入射方向とが成す角度で決まる第１のＸ線吸収率と、当該磁化反転強磁性層の磁化反転後の磁化方向と単色円偏光Ｘ線ビームの入射方向とが成す角度で決まる第２のＸ線吸収率との差分に対応する。そのため、電流検出手段が当該画素におけるＸ線吸収量を検出することは、記憶された電流値の差分を映像信号として検出することに対応する。また、Ｘ線撮像装置は、上部電極の電極列と下部電極の電極列とが直交配置されているので、このＸ線吸収率差を用いることにより、選択された磁化反転素子に対応して検出されるＸ線吸収量において、選択された磁化反転素子以外の領域からの影響を取り除くことができる。つまり、当該画素において検出した映像信号は、当該画素以外におけるＸ線吸収の影響を排除したＸ線吸収率を反映した映像信号となる。
【００３０】
また、請求項８に記載のＸ線撮像装置は、請求項７に記載のＸ線撮像装置において、前記単色円偏光Ｘ線ビームを前記受光画素部の近傍に導くビームラインを有した入射Ｘ線制御手段をさらに備え、前記入射Ｘ線制御手段が、放射光源と、二結晶モノクロメータと、移相器と、波長選択手段と、極性選択手段とをさらに備えることとした。
【００３１】
かかる構成によれば、Ｘ線撮像装置は、放射光源によって、直線偏光Ｘ線ビームを放射する。そして、Ｘ線撮像装置は、二結晶モノクロメータによって、前記ビームラインにおいて、前記放射された直線偏光Ｘ線ビームから所定のエネルギーを有する単色直線偏光Ｘ線ビームを形成する。そして、Ｘ線撮像装置は、移相器によって、前記ビームラインにおいて、前記単色直線偏光Ｘ線ビームから、所定の円偏光の極性を有する前記単色円偏光Ｘ線ビームを形成する。そして、Ｘ線撮像装置は、波長選択手段によって、前記所定のエネルギーに対応したＸ線の波長を選択して設定する。そして、Ｘ線撮像装置は、極性選択手段によって、所定のＸ線の回折角度に対応した円偏光の極性を選択して設定する。そして、この波長選択手段は、前記所定のエネルギーを、前記磁化反転素子の磁化反転強磁性層の材料の構成原子の内殻電子束縛エネルギーに設定することした。これによれば、偏光Ｘ線ビームのエネルギーを、磁化反転素子の磁化反転強磁性層の材料の構成原子の内殻電子束縛エネルギーに選んだので、磁化反転強磁性層の磁化反転前後のＸ線吸収率差を大きくとることができる。
【００３２】
また、請求項９に記載のＸ線撮像装置は、請求項８に記載のＸ線撮像装置において、前記極性選択手段が、前記素子選択走査手段で選択された磁化反転素子の磁化反転強磁性層の磁化反転前に、前記所定のＸ線の回折角度として、当該選択された磁化反転強磁性層の磁化方向と前記単色円偏光Ｘ線ビームの入射方向とが成す角度を設定することとした。
【００３３】
かかる構成によれば、Ｘ線撮像装置は、入射Ｘ線制御手段の極性選択手段によって、磁化反転強磁性層の磁化反転前に、回折角度として、磁化反転強磁性層の磁化方向と単色円偏光Ｘ線ビームの入射方向とが成す角度を設定する。Ｘ線の円偏光の選択した一方の極性においては、磁化反転強磁性層の磁化反転前後の磁化方向がＸ線の入射方向と成す角度で、Ｘ線吸収率の差が決まる。ここで、他方の極性を選択した際には、回折角度として、一方の極性で設定された角度において符号を反転した同じ大きさの角度を設定することもできる。つまり、磁化反転素子の磁化反転強磁性層の磁化反転前後のＸ線の極性を回折角度の符号を変更して可変できる。そのため、磁化反転強磁性層の磁化反転前後のＸ線吸収率差を大きくとるための極性と磁化反転との組み合わせを柔軟に設定することができる。
【００３４】
また、請求項１０に記載のＸ線撮像装置は、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のＸ線撮像装置において、前記受光画素部の上部電極が、前記磁化反転強磁性層の表面の一部を露出させるように設けられていることとした。
【００３５】
かかる構成によれば、Ｘ線撮像装置は、受光画素部の上部電極に、磁化反転強磁性層の表面の露出部分を設けたことにより、入射Ｘ線の吸収効率と、オージェ電子等の二次電子の放出効率とを向上させると共に、Ｘ線が電極に入射することで電極に生成される正電荷による雑音を低減できる。
【００３６】
また、請求項１１に記載のＸ線撮像装置は、請求項３に記載のＸ線撮像装置であって、前記受光画素部において、前記上部電極が、前記磁化反転強磁性層の表面の一部を露出させるように設けられ、かつ、前記上部電極と前記磁化反転素子との間に絶縁層を備えることとした。
【００３７】
かかる構成によれば、Ｘ線撮像装置は、受光画素部の上部電極に、磁化反転強磁性層の表面の露出部分を設けたことにより、入射Ｘ線の吸収効率と、オージェ電子等の二次電子の放出効率とを向上させると共に、Ｘ線が電極に入射することで電極に生成される正電荷による雑音を低減できる。また、Ｘ線の吸収量を見積もるための電流の検出において、上部電極に繋がる全ての磁化反転素子に蓄積される正電荷の寄与を極力抑えることができる。
【００３８】
また、請求項１２に記載のＸ線撮像装置は、請求項１ないし請求項１１のいずれか一項に記載のＸ線撮像装置であって、前記素子選択走査手段が、前記受光画素部の受光面において隣接した複数の磁化反転素子により連結される領域を１まとめに選択し、前記電流制御手段が、前記選択された複数の磁化反転素子の磁化反転強磁性層の磁化方向を同時に反転させ、前記電流検出手段が、前記同時に反転させる複数の磁化反転素子がＸ線を吸収することによって発生するそれぞれの電流の合計値を前記連結される領域の１まとめの信号電流として検出することとした。
【００３９】
かかる構成によれば、Ｘ線撮像装置は、複数の磁化反転素子により連結される領域を１まとめに同時に走査すると、磁化反転素子を１つずつ走査するときと比べて１フレームの走査時間を短縮することができるので、高速に走査を行うことができる。
【００４０】
また、請求項１３に記載のＸ線撮像装置は、請求項１ないし請求項１２のいずれか一項に記載のＸ線撮像装置であって、前記Ｘ線撮像装置の構成のうち少なくとも前記受光画素部が容器に密閉され、前記容器が、前記受光画素部の受光面に対応した位置に、前記単色円偏光Ｘ線ビームを透過する窓を備え、前記容器が真空環境とされているか、または、前記容器に所定のガスが充満していることとした。
【００４１】
かかる構成によれば、Ｘ線撮像装置は、少なくとも受光画素部が窓付きの容器に密閉され、容器が真空環境とされているか、または、容器に所定のガスが充満しているので、Ｘ線がスピンフリー層に入射する際に、オージェ電子や二次電子の放出を容易にすることができる。したがって、選択された磁化反転素子がＸ線を吸収することによって発生する電流の値を検出し易くなる。そのため、磁化反転前後のＸ線吸収率差を検出し易くなる。
【００４２】
ここで、窓はＸ線透過率の高いベリリウムなどから構成されることが好ましい。また、容器にガスを充填する場合には、Ｘ線吸収率の低いヘリウムなどの気体であることが好ましい。また、例えば、軟Ｘ線撮像の場合には、少なくともＸ線撮像装置の受光画素部が容器に密閉される。これにより、軟Ｘ線が大気中の酸素や窒素による吸収で大きく減衰することを防止できる。なお、軟Ｘ線撮像の場合には、Ｘ線の光路および被写体も、真空の密閉環境か、または、所定のガスが充満した密閉環境に置かれる。さらに、例えば、硬Ｘ線撮像の場合には、Ｘ線撮像装置は受光画素部だけを容器に密閉すれば良い。硬Ｘ線撮像の場合には、単色円偏光Ｘ線ビームを形成後には、受光画素部以外のＸ線撮像装置の各部を大気中に暴露することができる。
【発明の効果】
【００４３】
請求項１に記載の発明によれば、Ｘ線撮像装置は、スピン注入により磁化反転素子の磁化反転強磁性層の磁化方向を反転させて、反転前後のドレイン電流差を検出することにより所定の画素のみの入射Ｘ線吸収強度を得ることができる。このように、スピン注入によって磁化反転素子を磁化反転させる構造とすることによって、Ｘ線イメージングにおける解像度を改善することができる。
【００４４】
請求項２に記載の発明によれば、Ｘ線撮像装置は、電流により発生させる磁場により磁化反転素子の磁化反転強磁性層の磁化方向を反転させて、反転前後のドレイン電流差を検出することにより所定の画素のみの入射Ｘ線吸収強度を得ることができる。このように、電流磁場によって磁化反転素子を磁化反転させる構造とすることによって、Ｘ線イメージングにおける解像度を改善することができる。
【００４５】
請求項３に記載の発明によれば、Ｘ線撮像装置は、素子選択走査手段によって、相互に直交配置された行方向の電極と列方向の電極との間に電圧を印加することで、磁化方向を高速に反転させることができる。
請求項４に記載の発明によれば、Ｘ線撮像装置は、受光画素部に入射するＸ線が、上部電極にほとんど吸収されることなく、磁化反転素子に入射することが可能となる。
請求項５に記載の発明によれば、Ｘ線撮像装置は、各磁化反転素子を独立に磁化反転させることができるので、選択された磁化反転素子が吸収したフォトン数を見積もることができる。
【００４６】
請求項６に記載の発明によれば、Ｘ線撮像装置は、磁化反転素子のＸ線吸収時と、ドレイン電流検出時に配線を切り替えることで、磁化反転素子が吸収したフォトン数を見積もることができる。
請求項７に記載の発明によれば、Ｘ線撮像装置は、磁化反転素子の磁化反転前後にドレイン電流を検出するので、検出した電流は、当該画素のＸ線吸収率を反映した映像信号となる。
【００４７】
請求項８に記載の発明によれば、Ｘ線撮像装置は、入射する偏光Ｘ線ビームのエネルギーを、磁化反転強磁性層の材料の構成原子の内殻電子束縛エネルギーに選んだので、Ｘ線検出感度が向上する。
請求項９に記載の発明によれば、Ｘ線撮像装置は、磁化反転前後のＸ線吸収率差を大きくとるので、Ｘ線検出感度が向上する。
請求項１０または請求項１１に記載の発明によれば、Ｘ線撮像装置は、上部電極に露出部分があるので、Ｘ線検出感度が向上する。
請求項１２に記載の発明によれば、Ｘ線撮像装置は、高速に走査を行うことができる。
請求項１３に記載の発明によれば、Ｘ線撮像装置は、磁化反転素子がＸ線を吸収することによって発生する電流の値を検出し易くなる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明のＸ線撮像装置の構成を模式的に示す概念図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るＸ線撮像装置の受光画素部の上面を模式的に示す概念図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るＸ線撮像装置が備える入射Ｘ線制御手段を模式的に示す概念図である。
【図４】図３に示したＸ線撮像装置の受光画素部の断面を模式的に示す概念図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係るＸ線撮像装置によるＸ線検出原理を示す図であって、（ａ）はＸ線照射時、（ｂ）は、Ｘ線検出時をそれぞれ示している。
【図６】本発明の第１実施形態に係るＸ線撮像装置において選択した画素から画素信号を検出する原理を示す図であって、（ａ）は磁化反転前、（ｂ）は、磁化反転後をそれぞれ示している。
【図７】本発明の第１実施形態に係るＸ線撮像装置の駆動タイミングの一例を示す図であって、（ａ）は画素配列、（ｂ）は磁化反転パルス、（ｃ）はドレイン検出パルスをそれぞれ示している。
【図８】本発明の第２実施形態に係るＸ線撮像装置の受光画素部を模式的に示す概念図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は下部電極の長手方向の直線上における断面図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係るＸ線撮像装置の受光画素部を模式的に示す概念図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は下部電極の長手方向の直線上における断面図である。
【図１０】本発明の第４実施形態に係るＸ線撮像装置の受光画素部の断面を模式的に示す概念図である。
【図１１】本発明の第５実施形態に係るＸ線撮像装置の受光画素部の断面を模式的に示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
図面を参照して本発明のＸ線撮像装置を実施するための形態（以下「実施形態」という）について詳細に説明する。以下では、まず、本発明のＸ線撮像装置の概要を説明し、次に、第１〜第６実施形態に係るＸ線撮像装置を順次説明することとする。
【００５０】
［Ｘ線撮像装置の概要］
図１に示すＸ線撮像装置１は、スピン注入型の磁化反転素子（以下、スピン注入磁化反転素子という）を画素として備え、画素に入射する画像情報を有するＸ線ビームを撮影するものであり、受光画素部２と、画素選択走査機構３と、信号電流検出処理部４とを備えている。なお、図１では、受光画素部２の入射面を上に向けた状態の断面を示した。
【００５１】
受光画素部２は、Ｘ線ビームを受光するものであり、基板５と、スピン注入磁化反転素子６と、絶縁部材７と、下部電極８と、上部電極９とを備えている。スピン注入磁化反転素子６は、基板５側から、下部電極８を介して、スピン固定層１１と、非磁性中間層１２と、スピンフリー層１３とをこの順番に備えて断面柱状に形成されている。ここでは、上部電極９が、スピン注入磁化反転素子６のＸ線入射側に配置され、下部電極８が、その反対側に配置されているものとした。つまり、Ｘ線ビームは、上部電極９を介してスピンフリー層１３側から入射する。
【００５２】
スピン固定層（磁化固定強磁性層）１１は、磁化方向が固定された強磁性層である。ここでは、一例として、スピン固定層１１の磁化方向は、予め上向きに揃えられているものとした。スピンフリー層（磁化反転強磁性層）１３は、磁化方向が反転可能な強磁性層である。ここでは、一例として、スピンフリー層１３の磁化方向が上向きのものと、下向きのものとを示した。なお、スピン注入磁化反転素子６は、これら３層以外にスピン固定層１１の磁化の固定強化のために他の層を備えていてもよい。
【００５３】
この例では、スピン注入磁化反転素子６は、紙面に沿った水平方向に８個設けられているが、その個数はこの限りではない。また、スピン注入磁化反転素子６は、紙面に垂直な方向にも同様に並べられているものとする。つまり、画素としてのスピン注入磁化反転素子６は、２次元アレイ状に設けられている。また、スピン注入磁化反転素子６間には、隣り合ったスピン注入磁化反転素子６間を電気的かつ磁気的に絶縁するための絶縁部材７が介挿されている。
【００５４】
ここでは、上部電極９は、それぞれが２次元アレイの行方向の電極線として設けられている。つまり、２次元アレイの行方向に設けられた複数のスピン注入磁化反転素子６の上部電極９は、１つの電極線を形成している。
同様に、下部電極８は、それぞれが２次元アレイの列方向の電極線として設けられている。つまり、２次元アレイの列方向に設けられた複数のスピン注入磁化反転素子６の下部電極８は、１つの電極線を形成している。
図１では、紙面に垂直な方向を２次元アレイの行方向、紙面に沿った水平方向を２次元アレイの列方向とした。なお、上部電極９および下部電極８は、スピン注入磁化反転素子６毎に個別に設けることも可能である。
【００５５】
画素選択走査機構３は、受光画素部２の受光面に亘って画素を走査するものである。画素選択走査機構３は、スピン注入磁化反転素子６のスピンフリー層１３の磁化方向を反転させる個別の画素も選択する。
【００５６】
信号電流検出処理部４は、選択された画素がＸ線を吸収することによって発生する電流の値を検出するものである。この信号電流検出処理部４は、スピン注入磁化反転素子６のスピンフリー層１３のＸ線吸収量を、選択された画素で発生する電流の値として検出し、出力映像信号を得る。つまり、図１に示すＸ線撮像装置１は、スピン注入磁化反転素子６を、撮像素子における画素と見做し、Ｘ線光子がスピンフリー層１３に吸収される際に起こるスピンフリー層１３の電気的変化を、映像信号として検出する。
【００５７】
（第１実施形態）
ここでは、“Ｘ線撮像装置の各部の詳細”、“Ｘ線検出基本原理”、“画素選択原理”、動作としての“画素走査と磁化反転の関係の具体例”の各章について説明する。
［Ｘ線撮像装置の各部の詳細］
Ｘ線撮像装置１の受光画素部２と、画素選択走査機構３と、信号電流検出処理部４の詳細について説明する。以下、画素選択走査機構３、信号電流検出処理部４、後記する入射Ｘ線制御手段１００および受光画素部２の順序で説明する。
【００５８】
画素選択走査機構３と、信号電流検出処理部４の構成例を図２に示す。ここでは、上面から視た受光画素部２を示す。説明の都合上、図２では、受光画素部２は、一例として、３本の下部電極８、３本の上部電極９、３×３の９個の画素２０ａ〜２０ｉを有しているものとしたが、電極や画素の個数はこの限りではない。なお、図２では、上下方向をアレイの行方向、左右方向をアレイの列方向として表示した。また、画素を特に区別しない場合、画素２０と表記する。
【００５９】
［画素選択走査機構］
画素選択走査機構（素子選択走査手段）３は、図２に示すように、下部電極選択部３１と、上部電極選択部３２と、磁化反転電流注入手段３３と、画素選択手段３４とを備えている。
【００６０】
下部電極選択部３１は、下部電極８とスピン注入電流の電流源との間の導通状態と、電気的切断状態との２状態を切り替えるものである。
本実施形態では、下部電極選択部３１は、画素選択手段３４からの指令信号でオン／オフを切り替えるスイッチＳＷ１〜ＳＷ３を備えている。
スイッチＳＷ１は、画素２０ａ，２０ｄ，２０ｇと、磁化反転電流注入手段３３との間のオン／オフを切り替えるものである。
スイッチＳＷ２は、画素２０ｂ，２０ｅ，２０ｈと、磁化反転電流注入手段３３との間のオン／オフを切り替えるものである。
スイッチＳＷ３は、画素２０ｃ，２０ｆ，２０ｉと、磁化反転電流注入手段３３との間のオン／オフを切り替えるものである。
【００６１】
上部電極選択部３２は、上部電極９の接地状態と、上部電極９とスピン注入電流の電流源との間の導通状態と、電気的切断状態との３状態を切り替えるものである。
本実施形態では、上部電極選択部３２は、画素選択手段３４からの指令信号でオン／オフを切り替えるスイッチＳＷ４〜ＳＷ６を備えている。
スイッチＳＷ４は、画素２０ａ，２０ｂ，２０ｃと、磁化反転電流注入手段３３との間の導通（ＯＮ１）、信号電流検出処理部４の画素信号検出手段４１との導通（ＯＮ２：接地）、オフの３状態を切り替えるものである。
スイッチＳＷ５は、画素２０ｄ，２０ｅ，２０ｆと、磁化反転電流注入手段３３との間の導通（ＯＮ１）、画素信号検出手段４１との導通（ＯＮ２：接地）、オフの３状態を切り替えるものである。
スイッチＳＷ６は、画素２０ｇ，２０ｈ，２０ｉと、磁化反転電流注入手段３３との間の導通（ＯＮ１）、画素信号検出手段４１との導通（ＯＮ２：接地）、オフの３状態を切り替えるものである。
【００６２】
つまり、下部電極選択部３１のスイッチＳＷ１〜ＳＷ３のいずれかと、上部電極選択部３２のスイッチＳＷ４〜ＳＷ６のいずれかとの組み合わせである９つの組み合わせに対応して、９つの画素２０のいずれか（いずれかのスピン注入磁化反転素子６）が選択されることとなる。なお、スイッチは電極や画素の個数に応じて必要な個数だけ設けられる。
【００６３】
磁化反転電流注入手段（電流制御手段）３３は、電流源を有し、この電流源から、選択された画素（スピン注入磁化反転素子６）に対応した上部電極９および下部電極８を介してスピン注入磁化反転素子６に流れる電流（スピン注入電流）の方向とその大きさを制御して、スピン注入磁化反転素子６のスピン固定層１１からスピンフリー層１３へスピン偏極電子を注入することで、スピンフリー層１３の磁化方向を反転させるものである。すなわち、磁化反転電流注入手段３３は、スピン注入磁化反転素子６に磁化反転スピン電流（スピン注入電流）を注入するものである。本実施形態では、磁化反転スピン電流は、パルス電流（磁化反転パルス）であるものとする。なお、パルス電流の代わりに直流電流を用いてもよい。
【００６４】
画素選択手段３４は、画素に対応した上部電極９および下部電極８の組み合わせを選択することにより、選択された組み合わせの上部電極９および下部電極８に挟まれて配置されたスピン注入磁化反転素子６を、スピンフリー層１３の磁化方向を反転させる素子として選択すると共に、受光画素部２の受光面に亘って画素を走査するものである。なお、スピンフリー層１３の磁化方向を反転させることを、スピン注入磁化反転素子６を磁化反転させるともいう。
【００６５】
本実施形態では、画素選択手段３４は、スピン注入磁化反転素子６がＸ線を吸収する際には、上部電極９および下部電極８をそれぞれ接地させないように保持することとした。また、画素選択手段３４は、信号電流検出処理部４で電流の値を検出する際には、選択された画素（スピン注入磁化反転素子６）の上部電極９を接地させるように切り替えることとした。
【００６６】
［信号電流検出処理部］
信号電流検出処理部４は、図２に示すように、画素信号検出手段４１と、フレームメモリ４２と、差分信号検出手段４３とを備えている。
画素信号検出手段（電流検出手段）４１は、選択されたスピン注入磁化反転素子６がＸ線を吸収する際に外部に放出した負電荷に対応して内部に蓄積された正電荷を中和するドレイン電流の値を検出するものである。すなわち、画素信号検出手段４１は、ドレイン電流を画素電流として検出する。
【００６７】
本実施形態では、画素信号検出手段４１は、選択されたスピン注入磁化反転素子６の上部電極９を接地することで、そのスピンフリー層１３を接地して電界を加える。そのための画素信号検出手段４１の構成は、Ｘ線磁気円二色性（ＸＭＣＤ：X-ray Magnetic Circular Dichroism）を測定する公知の機器を用いることができる。なお、Ｘ線磁気円二色性（ＸＭＣＤ）とは、磁性体のＸ線吸収確率が円偏光Ｘ線の極性に応じて異なることである。
【００６８】
フレームメモリ（記憶手段）４２は、選択されたスピン注入磁化反転素子６で検出された電流値を記憶するものである。本実施形態では、フレームメモリ４２は、選択されたスピン注入磁化反転素子６の磁化反転前後にそれぞれ検出された電流値を記憶することとした。
【００６９】
差分信号検出手段４３は、選択されたスピン注入磁化反転素子６の磁化反転前後にそれぞれ記憶された電流値の差分を映像信号として検出するものである。この差分信号検出手段４３で検出された映像信号は、例えば、液晶ディスプレイ等の表示装置Ｄに表示される。
【００７０】
なお、フレームメモリ４２および差分信号検出手段４３、あるいは、画素選択手段３４は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を備えた一般的なパーソナルコンピュータ、および、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）に記憶されＲＡＭに展開されるプログラムにより実現することができる。
【００７１】
［入射Ｘ線制御手段］
本発明のＸ線撮像装置は、図２に例示した構成で使用できることは勿論であるが、以下では、受光画素部２に入射するＸ線ビームを制御する構成も備えるものとして説明する。図３に示すＸ線撮像装置１は、このような構成として、入射Ｘ線制御手段１００を備えている。
【００７２】
Ｘ線撮像装置１の入射Ｘ線制御手段１００は、受光画素部２に入射する入射Ｘ線（Ｘ線ビーム）のエネルギーを制御すると共に、入射Ｘ線の偏光を制御するものである。この入射Ｘ線制御手段１００は、例えば、市販の卓上型放射光源や、超小型電子蓄積リングを有した産業用小型Ｘ線源と、数ｍ程度のビームラインと、ミラー等の光学系とを用いて構築することができる。
【００７３】
なお、Ｘ線撮像装置１が入射Ｘ線制御手段１００を備えない場合には、放射光施設を、入射Ｘ線制御手段１００として利用することができる。ここで、放射光施設とは、例えば、大型放射光施設（SPring-8）や高エネルギー加速器研究機構のPhoton Factory（ＰＦ）を示す。入射Ｘ線制御手段１００に含まれる１つ１つの構成は、放射光施設の設備と同様なものなので、以下では簡単に説明する。
【００７４】
入射Ｘ線制御手段１００は、図３に示すように、シンクロトロン放射光源１０１と、ビームライン１０２と、二結晶モノクロメータ１０３と、移相器１０４と、波長選択機構１０５と、極性選択機構１０６とを備えている。
【００７５】
シンクロトロン放射光源（結晶シンクロトロン放射光源）１０１は、直線偏光白色Ｘ線ビームＢ１を放射するものである。
ビームライン１０２は、単色円偏光Ｘ線ビームＢ３を被写体Ｏの近傍に導く。
二結晶モノクロメータ１０３は、ビームライン１０２において、放射された直線偏光白色Ｘ線ビームＢ１から所定のエネルギーを有する単色直線偏光Ｘ線ビームＢ２を形成するものである。二結晶モノクロメータ１０３は、例えば２枚のＳｉ結晶で構成される。
移相器（Phase retarder）１０４は、ビームライン１０２において、単色直線偏光Ｘ線ビームＢ２から、所定の円偏光の極性を有する単色円偏光Ｘ線ビームＢ３を形成するものである。この移相器１０４では、入射角を調節することにより、入射する単色直線偏光Ｘ線ビームＢ２の位相を９０度遅らせるか、早めるかで円偏光の極性の正負（右回りか左回り）を決定する。
【００７６】
図３では、単色円偏光Ｘ線ビームＢ３が、被写体Ｏを透過したＸ線ビームＢ４として受光画素部２に入射するものとして表した。被写体Ｏは特に限定されず、また、Ｘ線撮像装置１の用途も特に限定されるものではない。例えば、物体表面の構造や、界面の構造を調べる際に利用したり、物体の内部映像を取得するために利用したりすることが可能である。ここで、受光画素部２に入射するＸ線ビームＢ４は、図３に示すような被写体Ｏを透過したＸ線ビームに限定されず、被写体Ｏで回折したＸ線ビームや、被写体Ｏで反射したＸ線ビームであってもよい。また、被写体Ｏがない状態で、移相器１０４で形成された単色円偏光Ｘ線ビームＢ３を受光画素部２に入射してもよい。このように被写体Ｏがない場合には、ビームライン１０２は単色円偏光Ｘ線ビームＢ３を受光画素部２の近傍に導き、Ｘ線撮像装置１は、Ｘ線ビーム（光源）を撮像することとなる。以下では、被写体Ｏの有無に関わらず、様々なケースで受光画素部２に入射するＸ線ビームをすべてＸ線ビームＢ４と表記する。
【００７７】
波長選択機構（波長選択手段）１０５は、所定のＸ線エネルギーに対応したＸ線の波長を選択して二結晶モノクロメータ１０３に設定するものである。
本実施形態のＸ線撮像装置１では、この所定のＸ線エネルギーを、スピン注入磁化反転素子６のスピンフリー層１３の材料の構成原子の内殻電子束縛エネルギーに設定した。
【００７８】
極性選択機構（極性選択手段）１０６は、所定のＸ線の回折角度に対応した円偏光の極性を選択して移相器１０４に設定するものである。
本実施形態のＸ線撮像装置１では、極性選択機構１０６は、受光画素部２において画素選択手段３４で選択された画素のスピンフリー層１３の磁化反転前（例えば、図１において下向きの磁化方向（矢印）を有するとする）に、所定のＸ線の回折角度として、当該選択されたスピンフリー層１３の磁化方向と単色円偏光Ｘ線ビームＢ４の入射方向とが成す角度を設定することとした。例えば、磁化方向と入射方向とが平行となるように設定することができる。ここで、スピンフリー層１３の磁化反転を行うと（図１において上向きの磁化方向（矢印）を有する）、磁化反転前に設定された前記角度において当該選択されたスピンフリー層１３の磁化方向と単色円偏光Ｘ線ビームＢ４の入射方向とは反平行になる。すなわち、極性選択機構１０６において、所定のＸ線の回折角度で所定の極性を選択しておけば、スピン注入磁化反転素子６の反転前後で、Ｘ線吸収率の大きな差を得ることができる。
【００７９】
本実施形態では、極性選択機構１０６で選択した円偏光の一方の極性を有した単色円偏光Ｘ線ビームＢ４を画素（スピン注入磁化反転素子６）に照射し、そのスピンフリー層１３の磁化方向を反転しないときと、反転したときとで、Ｘ線吸収率差を得る。これは、Ｘ線の入射方向と磁化方向が平行か反平行かが幾何学的には最も大きな磁気円二色性を与えるからである。逆に、磁化方向を一定にしておいて、極性選択機構１０６側で円偏光の極性を交互に変化させることも考えられる。しかし、この場合には、以下の不都合がある。すなわち、第1に、極性選択機構１０６の極性の変換には１秒程度の時間がかかるため、実時間撮像には不充分である。第２に、この方式では画素を選択しにくい。
【００８０】
図３では、受光画素部２の入射面を左に向けた状態の断面を概念的に示した。また、図３では、図２に示した下部電極選択部３１および上部電極選択部３２を省略した。この受光画素部２に配設されたスピン注入磁化反転素子６の断面を図４に示した。なお、図４では、受光画素部２のスピン注入磁化反転素子６は、紙面に沿った垂直方向に１８個設けられているが、その個数はこの限りではない。
【００８１】
図３に示すように、受光画素部２は、基板５上に、磁化反転素子アレイ２１と、ＸＹ電極アレイ２２とを備えている。
磁化反転素子アレイ（画素群）２１は、画素としての複数のスピン注入磁化反転素子６を、互いに直交するＸ軸方向およびＹ軸方向に沿ってマトリックス状に配設し、絶縁部材７を介設したものである。この磁化反転素子アレイ２１によって、Ｘ線ビームＢ４の空間強度分布をＸ線画像として検出する。
【００８２】
ＸＹ電極アレイ２２は、磁化反転素子アレイ２１を間に挟む下部電極アレイ２２Ｘおよび上部電極アレイ２２Ｙを備えている。
下部電極アレイ２２Ｘは、アレイの列方向（Ｘ軸方向：図３および図４では紙面に垂直な方向）に延設された複数の下部電極８である。
上部電極アレイ２２Ｙは、アレイの行方向（Ｙ軸方向：図３および図４では紙面に沿った垂直方向）に延設された複数の上部電極９である。
【００８３】
受光画素部２がこのように構成されているので、図２に示した画素選択手段３４によって、所定のＸ軸方向の電極線（下部電極８）と、Ｙ軸方向の電極線（上部電極９）とを選ぶことにより、それらの交叉により挟まれたスピン注入磁化反転素子６の磁化反転を磁化反転電流注入手段３３（図２参照）によって行うことができる。
【００８４】
［受光画素部］
次に、受光画素部２の詳細について図４を参照して説明する。
基板５としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）、酸化シリコン（ＳｉＯ2）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ガラス等が用いられる。また、絶縁部材７は、例えば、ＳｉＯ2等から構成される。
【００８５】
＜スピン固定層＞
スピン固定層１１は、強磁性材料からなり、磁化方向が固定されている層である。強磁性材料としては、金属系ハーフメタルなどスピン分極率の高い材料を用いることが好ましい。例えば、Ｃｏ2ＭｎＡｌ、Ｃｏ2ＭｎＳｉ、Ｃｏ2Ｃｒ0.6Ｆｅ0.4Ａｌ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＴｂＦｅＣｏ、ＭｎＳｂなどの大きなスピン偏極率を有する材料が挙げられる。また、酸化物系ハーフメタルとしては、Ｌａ0.7Ｓｒ0.3ＭｎＯ3、Ｓｒ2Ｆｅ（Ｗ0.4Ｍｏ0.6）Ｏ6、Ｓｒ2ＦｅＲｅＯ6、ＣｒＯ2、Ｆｅ3Ｏ4などが挙げられる。これらの中でも、強磁性材料として、スピン分極率が高いことが好ましい。さらに、スピン固定層１１は、これらの材料の組成の異なる層やＩｒＭｎなどのスピン固着層と組み合わせた２〜３層構造であってもよい。このスピン固定層１１の膜厚は、数〜数十［ｎｍ］程度である。このスピン固定層１１は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法やスパッタ法などによって、下部電極８の上に形成される。
【００８６】
＜非磁性中間層＞
非磁性中間層１２は、例えば、Ｃｕ等で形成することができる。この非磁性中間層１２の膜厚は、偏極スピン電子がトンネルできる厚さ（２〜３［ｎｍ］）とすることが好ましい。この非磁性中間層１２は、ＭＢＥ法やスパッタ法などによって、スピン固定層１１の上に形成することができる。
【００８７】
＜スピンフリー層＞
スピンフリー層１３は、強磁性材料から構成され、偏極スピン電子の注入により磁化方向が反転して、反転した場合と反転しない場合とで入射偏光Ｘ線の吸収率差を与える層である。強磁性材料は、Ｘ線ビームが受光画素部２に対して垂直に入射する場合を想定して、このスピンフリー層１３の磁化方向は図１に示すように画素受光面に垂直となるような材料とすることが望ましい。例えば、ＧｄＦｅ、ＦｅＰｔ、ＰｔＣｏなどが挙げられる。スピン注入磁化反転に要する電流を低減できる点では、低飽和磁化および低ダンピング定数でスピン歳差運動の緩和時間が大きく、スピン流が大きくなるような特性を持つ材料が好ましい。このスピンフリー層１３の膜厚は、典型的には、数［ｎｍ］〜数十［ｎｍ］程度である。このスピンフリー層１３は、非磁性中間層１２の上にＭＢＥ法やスパッタ法などによって形成することができる。
【００８８】
後記するように、Ｘ線撮像装置１においては、磁化反転によるスピンフリー層１３のＸ線吸収率の変調振幅が大きいことが高感度撮像に望ましい。スピンフリー層１３のＸ線吸収率は、入射Ｘ線制御手段１００によって入射Ｘ線のエネルギーと円偏光の極性が決まれば、単色円偏光Ｘ線ビームＢ４の磁化反転素子アレイ２１に対する入射方向とスピンフリー層１３の磁化の方向との相対角度、スピンフリー層１３の厚さと構成元素、などに左右される。Ｘ線のエネルギーを、スピンフリー層１３を構成する強磁性材料元素の磁気円二色性（ＭＣＤ）を示す内殻励起エネルギーに相当するように選び、そのスピンフリー層１３の磁化の方向が、Ｘ線入射方向と平行か反平行になるようにするとＸ線に対する吸収係数の比が最も大きくなるので、最も大きい強度変調振幅が得られる。
【００８９】
このような高感度撮像の観点から、図４に示すスピンフリー層１３に適した材料として、ＦｅＮｉ、ＰｔＣｏなどの強磁性体が挙げられる。このうちのＦｅＮｉの磁気円二色性を示す内殻励起エネルギー（Ｌ2準位）は、Ｆｅ：０．７２１［ｋｅＶ］，Ｎｉ：０．８７１［ｋｅＶ］であるので、撮像に用いるＸ線のエネルギーとして０．８７１［ｋｅＶ］を選ぶことにより、ＦｅとＮｉの両元素の磁化反転に対する最大の吸収率比を利用することができる。すなわち、ＦｅＮｉは、軟Ｘ線撮像装置用のスピンフリー層１３の典型的材料と言える。ここで、０．８７１［ｋｅＶ］は、軟Ｘ線のエネルギー領域である。
【００９０】
一方、ＰｔＣｏの磁気円二色性を示す内殻励起エネルギー（Ｌ2準位）は、Ｐｔ：１３．３［ｋｅＶ］，Ｃｏ：０．７９３［ｋｅＶ］であるので、Ｘ線のエネルギーとして１３．３［ｋｅＶ］に選ぶことにより、主としてＰｔの磁化反転に対応する吸収率比を利用することができる。すなわち、ＰｔＣｏは、硬Ｘ線撮像装置用のスピンフリー層１３の典型的材料と言える。ここで、１３．３［ｋｅＶ］は、硬Ｘ線のエネルギー領域である。なお、本実施形態では、一例として、ＰｔＣｏをスピンフリー層１３の材料として用いることとする。
【００９１】
＜下部電極＞
下部電極８は、上部電極９と共に、スピンフリー層１３に偏極スピン電子を注入するためのスピン注入用電極を構成する。図４に示すように、磁化反転電流注入手段３３によって、下部電極８と上部電極９との間に、下部電極８を負に、上部電極９（透明）を正にするように電圧を印加することによって、スピンフリー層１３にスピン偏極電子が注入される。また、スピン注入による磁化反転後、正負逆方向に電圧を印加すれば、スピンフリー層１３の磁化方向はスピン注入前の状態に戻る。
【００９２】
この下部電極８は、基板５の上に、ＴａやＣｒなどの金属材料をスパッタ法などで堆積し、リソグラフィー法などで所望のサイズの電極母線に加工して形成することができる。
また、基板５としてＳｉやＭｇＯを用いる場合には、電極材料をエピタキシャル成長させて形成することもできる。
【００９３】
＜上部電極＞
上部電極９は、アルミニウム（Ａｌ）、ベリリウム（Ｂｅ）、銅（Ｃｕ）、グラファイト（Ｃ）およびダイアモンド（Ｃ）から構成される群から選択された少なくとも１つの材料から形成されている。これらの材料は、Ｘ線の透過性が高い。すなわち、Ｘ線吸収率が小さい材料である。このように入射Ｘ線に対して吸収率の小さい材料を用いて上部電極９を形成したので、Ｘ線ビームＢ４は、上部電極９に吸収されずに透過して、スピンフリー層１３に効率よく入射する。特に、ベリリウムはＸ線透過性に優れ、従来、Ｘ線源、ビームライン、検出器用の窓として用いられているので好ましい。
【００９４】
［Ｘ線検出基本原理］
第１実施形態のＸ線撮像装置１によるＸ線検出基本原理について図５を参照して説明する。図５では、上部電極９を左側、下部電極８を右側にそれぞれ配置した断面のスピン注入磁化反転素子としての画素２０ｄ，２０ｅ，２０ｆをスイッチＳＷ１〜ＳＷ３と共に示している。すなわち、図５においては、画素２０ｄ，２０ｅ，２０ｆの左側からＸ線ビーム（単色円偏光Ｘ線ビーム）Ｂ４が入射する。ここで、画素２０ｄ，２０ｅ，２０ｆと、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３との対応関係は、図２の平面視の概念図に一致している。
【００９５】
図５（ａ）に示すように、下部電極８側の各スイッチＳＷ１〜ＳＷ３は、オフ状態となっている。また、図示は省略しているが、上部電極９側の各スイッチ（ＳＷ４〜ＳＷ６）もオフ状態となっている。つまり、各画素２０ｄ，２０ｅ，２０ｆにおいて、上部電極９および下部電極８は接地されていない。また、各画素２０ｄ，２０ｅ，２０ｆにおいて、スピン固定層１１の磁化方向は、予め上向き（図５では左向き）に揃えられて固定されているものとした。また、スピンフリー層１３の磁化方向が下向き（図５では右向き）に予め揃えられていて反転可能であるものとした。この図５では、右向きがＸ線の偏光極性に対して吸収率が大きくなる方向であるものとする。なお、スピンフリー層１３の磁化方向はこの限りではない。また、図５（ａ）では、一例として、画素２０ｅが選択されるものとする。
【００９６】
このような前提で、図５において左側からＸ線ビーム（単色円偏光Ｘ線ビーム）Ｂ４が、下向き（図５では右向き）に磁化されたスピンフリー層１３に入射する。スピンフリー層１３が、この層を構成する元素の内殻電子束縛エネルギー以上のエネルギーを有するＸ線光子を吸収すると、その吸収に対応して、負電荷である二次電子５０１、オージェ電子５０２、蛍光Ｘ線５０３等を放出する。ここでは、上部電極９と下部電極８が接地されていないものとしたので、外部に放出された電子（負電荷）に対応して、スピンフリー層１３には正電荷５０４が蓄積される。なお、電子放出の脱出深さから、非磁性中間層１２やスピン固定層１１での正電荷５０４の蓄積はほとんどないと考えられる。また、図５（ａ）では、一例として、画素２０ｅに正電荷５０４が蓄積された状態を示した。
【００９７】
次に、選択された画素２０ｅの電流を検出するために、図２に示す画素選択手段３４は上部電極選択部３２のＳＷ５に対して、画素２０ｅと画素信号検出手段４１との導通（ＯＮ２：接地）を指示する。すると、図５（ｂ）のように、スピンフリー層１３を接地して、これに電界を加え、画素２０ｅの上部電極９が接地される。この接地されたＹ軸方向の電極線（上部電極９）を通して、画素２０ｅのスピンフリー層１３に蓄積された正電荷５０４を中和するようにドレイン電流ＩDが流れ、信号電流が画素信号として得られる。このドレイン電流ＩDは、画素２０ｅのスピンフリー層１３が吸収するＸ線光子に比例すると考えられるので、Ｘ線光子の吸収量を、画素信号として検出することができる。
【００９８】
ところが、Ｙ軸方向の電極線（上部電極９）を通して得られるドレイン電流ＩDは、選択した走査（アドレス）中の画素２０ｅのスピンフリー層１３で生成される正電荷５０４を中和する電流だけを含むものではない。この画素２０ｅに繋がる上部電極９自身に生成される正電荷を中和する電流や、この上部電極９に接続される列（２次元アレイの列）全部の画素（ここでは画素２０ｄ，２０ｆ）に蓄積されている正電荷をそれぞれ中和する電流も含まれる。したがって、得られたドレイン電流ＩDは、前記した正電荷を中和する電流がすべて加わった総電流として検出される。そのため、得られたドレイン電流ＩDのうち、走査中の画素２０ｅのみのドレイン電流ＩDへの寄与を見積もる必要がある。
【００９９】
このため、本実施形態では、ドレイン電流検出に際し、走査中の画素２０ｅのスピンフリー層１３のＸ線吸収率だけに変調を加えて、その結果生ずるドレイン電流の変調成分のみを検出することとした。これにより、得られたドレイン電流ＩDのうち、走査中の画素２０ｅ以外からのドレイン電流への寄与を除去して、走査中の画素２０ｅのみのドレイン電流ＩDへの寄与を見積もることができる。
【０１００】
一般に、円偏光Ｘ線が入射する磁性体の磁化方向と、入射する円偏光Ｘ線の極性と、円偏光Ｘ線の入射方向と、磁性体において内殻電子を励起する元素とによって、磁性体のＸ線吸収率が変わる。
本実施形態のＸ線撮像装置１で用いるスピンフリー層１３の材料である強磁性体の単色円偏光Ｘ線の吸収率は、入射する円偏光Ｘ線の極性（偏光軸が右回りか左まわりか）と入射方向が決まれば、強磁性体の磁化方向とＸ線入射方向の相対角度によって変わる。Ｘ線吸収率の変化量は、強磁性体の磁化方向がＸ線の入射方向に対して平行なときのＸ線吸収率と、反平行なときのＸ線吸収率との差分をとったときに、最も大きくなる。本実施形態では、Ｘ線吸収率の変調方法として、このようにＸ線磁気円二色性を応用した。
【０１０１】
例えば、図５においては、Ｘ線ビーム（単色円偏光Ｘ線ビーム）Ｂ４がＹ軸方向の電極線（上部電極９）を通してスピンフリー層１３の表面から垂直に入射する（図５において左側から入射する）。このため、スピンフリー層１３の磁化方向がＸ線ビームＢ４の入射方向（図５において右向き）に平行（図５において右向き）なときに吸収するＸ線量と、反平行（図５において左向き）なときに吸収するＸ線量との差分が最も大きいＸ線吸収率差を示すことになる。
【０１０２】
従って、本実施形態では、図５に示す例で走査中の画素２０ｅのドレイン電流検出にあたり、画素２０ｅのスピンフリー層１３の磁化方向（画素２０ｅの磁化方向）がＸ線の入射方向に平行な場合と反平行な場合のドレイン電流をそれぞれ測定し、それぞれの測定値の差を、ドレイン電流の差として検出する。このときに検出したドレイン電流の差は、走査中の画素２０ｅのＸ線吸収係数変化に基づくものである。そのため、検出したドレイン電流の差においては、画素２０ｅに繋がる上部電極９や、この上部電極９に接続される他の画素２０ｄ，２０ｆから流れる電流はキャンセルされる。これは、画素２０ｅに繋がる上部電極９や、この上部電極９に接続される他の画素２０ｄ，２０ｆからドレイン電流への寄与分の電流は、画素２０ｅの磁化方向が平行な場合も反平行な場合もそれぞれのドレイン電流へ含まれるけれども、画素２０ｅの磁化方向が平行な場合も反平行な場合も同じだからである。したがって、それぞれのドレイン電流の差分をとれば、走査中の画素２０ｅのＸ線吸収に比例した映像信号が得られる。第１実施形態のＸ線撮像装置１では、磁化方向反転によるＸ線の吸収率の変調を、個々のスピン注入磁化反転素子６毎のスピン注入磁化反転で行うこととした。
【０１０３】
［画素選択原理］
第１実施形態に係るＸ線撮像装置１による画素選択原理について図６を参照して説明する。図６（ａ）および図６（ｂ）は、図５（ｂ）で示した状態と同様な状態を示している。ただし、スイッチＳＷ２がオン状態である点と、各画素２０ｄ，２０ｅ，２０ｆからドレイン電流が流れている点が図５（ｂ）と異なる。また、図６（ａ）は第１フレーム、図６（ｂ）は第２フレームをそれぞれ示している。ここでは、一例として、画素２０ｅを選択することとする。
【０１０４】
第１フレームには、次の３つの段階の処理がある。
（１−１）まず、受光画素部２の全画素（図６では画素２０ｄ，２０ｅ，２０ｆ）のスピンフリー層１３をＸ線入射方向と同じ向き（Ｘ線の吸収率が大きくなる方向）に磁化する。
（１−２）そして、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ３，ＳＷ４〜ＳＷ６をオフ状態とした上で、受光画素部２にＸ線ビームＢ４を照射する（図５（ａ）参照）。このとき、全画素のスピンフリー層１３は、Ｘ線を吸収し、これに伴って正電荷５０４を蓄積する。
（１−３）さらに、上部電極９側のスイッチＳＷ５をオン状態（ＯＮ２：接地）に切り替え、画素２０ｅの上部電極９を接地する。そして、画素信号検出手段４１は、画素２０ｅの上部電極９およびこの上部電極９に繋がる各画素（図６では画素２０ｄ，２０ｅ，２０ｆ）から流れるドレイン電流ＩD1を検出する。この検出されたドレイン電流ＩD1は、第１フレームのドレイン電流としてフレームメモリ４２（図２参照）に記憶される。
【０１０５】
次の第２フレームには、次の３つの段階の処理がある。
（２−１）画素２０ｅのスピンフリー層１３の磁化方向を逆向きに反転するために、まず、図６（ｂ）に示すように、スイッチＳＷ２をオン状態とする。さらに、スイッチＳＷ５は、画素２０ｄ，２０ｅ，２０ｆと、磁化反転電流注入手段３３との間の導通（ＯＮ１）状態に切り替えられる。これで、下部電極８と上部電極９との交差する領域の画素２０ｅが選択される。そして、図２に示す磁化反転電流注入手段３３によって、下部電極８と上部電極９との間に、下部電極８を負に、上部電極９を正にするように電圧を印加することによって、スピンフリー層１３にスピン偏極電子が注入される。画素２０ｅのスピンフリー層１３の磁化方向が反転したことを、図６（ｂ）において符号６０１で示す。
【０１０６】
（２−２）そして、第１フレームと同様に、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ３，ＳＷ４〜ＳＷ６をオフ状態とした上で、受光画素部２にＸ線ビームＢ４を照射する。ただし、画素２０ｅのスピンフリー層１３の磁化方向が反転しているので、第１フレームのときと比較して、Ｘ線の偏光極性に対してＸ線の吸収が小さくなっている。つまり、第２フレームにて画素２０ｅに蓄積される正電荷５０４の量は、第１フレームにて画素２０ｅに蓄積される正電荷５０４の量よりも少ない。言い換えると、第２フレームでは、画素２０ｅに蓄積される正電荷５０４の量が、画素２０ｄ，２０ｆに蓄積される正電荷５０４の量よりも減少する。
【０１０７】
（２−３）さらに、第１フレームと同様に、上部電極９側のスイッチＳＷ５をオン状態（ＯＮ２：接地）に切り替え、画素２０ｅの上部電極９を接地する。そして、画素信号検出手段４１は、このとき流れるドレイン電流ＩD2を検出し、第２フレームのドレイン電流としてフレームメモリ４２（図２参照）に格納する。ただし、画素２０ｅのスピンフリー層１３の磁化方向が反転しているので、ドレイン電流ＩD2の値はドレイン電流ＩD1の値よりも小さい。
【０１０８】
ここで、ドレイン電流ＩD1とドレイン電流ＩD2との差は、上部電極９や他の画素２０ｄ，２０ｆにそれぞれ蓄積される正電荷５０４の寄与を相殺できて画素２０ｅのスピンフリー層１３に蓄積された正電荷５０４にのみ対応したものとなる。すなわち、この電流差は、画素２０ｅに吸収されたＸ線のフォトン数に比例するので、選択した画素２０ｅに対応した出力映像信号が得られる。
【０１０９】
なお、第２フレームの後の第３フレームで、画素２０ｅに対して、正負逆方向に電圧を印加すれば、スピンフリー層１３の磁化方向はスピン注入前の状態に戻る。このことを図６（ａ）においてスイッチＳＷ２のオン状態で表した。
【０１１０】
［画素走査と磁化反転の関係の具体例］
第１実施形態に係るＸ線撮像装置１において、画素２０（スピン注入磁化反転素子６）走査と磁化反転との関係の具体例について図７を参照して説明する。図７（ａ）、図７（ｂ）および図７（ｃ）は、全体で、画素２０（スピン注入磁化反転素子６）走査と磁化反転との関係を示すタイミングチャートになっている。まず、個別の図面を参照して説明する。
【０１１１】
図７（ａ）は、上面から視た受光画素部２の画素ブロックを時系列で表したものである示す。この画素ブロックは、２×２の４画素（２０ａ，２０ｄ，２０ｂ，２０ｅ）から成る。画素２０ａ，２０ｄ，２０ｂ，２０ｅの配列は、図２の平面視の概念図に一致している。図７（ａ）に示す時間ｔ03は、図７（ｃ）に示す第1フレームに対応している。図７（ａ）に示す時間ｔ13，ｔ23，ｔ33，ｔ43は、図７（ｃ）に示す第２フレームに対応している。図７（ａ）に示す時間ｔ53，ｔ63，ｔ73，ｔ83は、図７（ｃ）に示す第３フレームに対応している。
【０１１２】
以下では、各画素を識別するために次の画素番号（またはアドレス番号）を用いる。画素２０ａの画素番号を“１”、画素２０ｄの画素番号を“２”、画素２０ｂの画素番号を“３”、画素２０ｅの画素番号を“４”とする。そして、図７（ａ）において各画素を示す矩形の内部に画素番号を記載した。さらに、その画素番号に正負の符号を付した。ここで、（−）符号は、磁化方向が入射Ｘ線の吸収の大きい方向であることを示し、（＋）符号は、磁化方向が入射Ｘ線の吸収の小さい方向であることを示すものと仮定した。
【０１１３】
図７（ｂ）は、図４に示す磁化反転電流注入手段３３がＸＹ電極アレイ２２を通して画素２０（スピン注入磁化反転素子６）に与える磁化反転パルス（磁化反転スピン電流）のタイミングチャートを示す。図７（ｂ）に示す時間ｔ12，ｔ22，ｔ32，ｔ42は、図７（ａ）に示す時間ｔ13，ｔ23，ｔ33，ｔ43のそれぞれの直前を示し、図７（ｃ）に示す第２フレームに対応している。図７（ｂ）に示す時間ｔ52，ｔ62，ｔ72，ｔ82は、図７（ａ）に示す時間ｔ53，ｔ63，ｔ73，ｔ83のそれぞれの直前を示し、図７（ｃ）に示す第３フレームに対応している。
【０１１４】
図７（ｂ）において、第２フレームの時間ｔ12，ｔ22，ｔ32，ｔ42の各パルスの上方の負号付きの数字は、磁化方向を反転させるスピン注入磁化反転素子６の画素番号および反転後の磁化方向が入射Ｘ線の吸収の大きい方向であることを示す。
また、図７（ｂ）において、第３フレームの時間ｔ52，ｔ62，ｔ72，ｔ82の各パルスの下方の正符号付きの数字は、磁化方向を反転させるスピン注入磁化反転素子６の画素番号および反転後の磁化方向が入射Ｘ線の吸収の小さい方向であることを示す。
【０１１５】
なお、磁化方向が入射Ｘ線の吸収の大きい方向である場合、スピン注入磁化反転素子６に対して、例えば、下部電極８を正に、上部電極９を負にするように電圧を印加し、磁化反転パルスのピーク値が正であるものとした。一方、磁化方向が入射Ｘ線の吸収の小さい方向である場合、スピン注入磁化反転素子６に対して、例えば、下部電極８を負に、上部電極９を正にするように電圧を印加し、磁化反転パルスのピーク値が負であるものとした。
【０１１６】
図７（ｃ）は、図２に示す画素選択手段３４が上部電極選択部３２のスイッチＳＷ４〜ＳＷ６に与えるドレイン電流検出パルスのタイミングチャートを示す。このドレイン電流検出パルスは、選択された画素２０（スピン注入磁化反転素子６）の上部電極９を選択する上部電極選択部３２（図２参照）のスイッチＳＷ４〜ＳＷ６に対して、ＸＹ電極アレイ２２を通して、画素２０と画素信号検出手段４１との導通状態（ＯＮ２：接地）に切り替える指示として、上部電極選択部３２のスイッチＳＷ４〜ＳＷ６に与えるものである。図７（ｃ）に示す時間ｔ11，ｔ21，ｔ31，ｔ41は、図７（ｂ）に示す時間ｔ12，ｔ22，ｔ32，ｔ42のそれぞれの直前を示し、第２フレームに対応している。図７（ｃ）に示す時間ｔ51，ｔ61，ｔ71，ｔ81は、図７（ｂ）に示す時間ｔ52，ｔ62，ｔ72，ｔ82のそれぞれの直前を示し、第３フレームに対応している。なお、図７（ｃ）において、各パルスの上方の符号付きの数字の意味は、図７（ｂ）に示す符号付きの数字と同じである。
【０１１７】
続いて、各フレームの各パルス毎の処理を、時系列にしたがって、図７（ｃ）、図７（ｂ）、図７（ａ）の順番で参照しながら説明する。
＜前提＞
前提として、図７（ｃ）に示す第２フレームの時間ｔ11以前の第１フレームの最後では、図７（ａ）に示す時間ｔ03において、画素ブロックの全画素の磁化方向が入射Ｘ線の吸収の大きい方向であるものとする。つまり、この例では、全画素が（＋）極性になっている時点から処理を開始する。
【０１１８】
＜第２フレーム＞
第２フレームでは、第１フレームの期間に画素ブロックに蓄積された全正電荷を、画素ごとに順次読み出す。具体的には、時間ｔ11のパルス期間では、（＋）極性である画素番号“１”の画素２０ａ（以下、この状態を単に「＋１」と表記する）の画素信号だけを読みとる。また、時間ｔ21のパルス期間では、（＋）極性である画素番号“２”の画素２０ｄ（以下、この状態を単に「＋２」と表記する）の画素信号だけを読みとる。また、時間ｔ31のパルス期間では、（＋）極性である画素番号“３”の画素２０ｂ（以下、この状態を単に「＋３」と表記する）の画素信号だけを読みとる。さらに、時間ｔ41のパルス期間では、（＋）極性である画素番号“４”の画素２０ｅ（以下、この状態を単に「＋４」と表記する）の画素信号だけを読みとる。このような動作を行うために、より詳細には、次のように処理を行う。
【０１１９】
≪画素番号“１”≫
第２フレームのスタートである時間ｔ11では、第１フレームの期間に蓄積された「＋１」の画素信号を読みとるために、図２に示す画素選択手段３４が、「＋１」に対応したドレイン電流検出パルスを、図２に示すスイッチＳＷ４に印加する。すると、スイッチＳＷ４がＯＮ２（接地）の状態となって、画素番号“１”の画素２０ａの上部電極９が接地される。したがって、画素信号検出手段４１が、第１フレームの期間に蓄積された「＋１」の画素信号を検出し、フレームメモリ４２に格納する。なお、画素（スピンフリー層）に蓄積されていた画素信号を読み出すと、画素に蓄積されていた正電荷はリセットされる。
【０１２０】
時間ｔ11の直後、図７（ｂ）に示す時間ｔ12において、磁化反転電流注入手段３３は、画素番号“１”の画素２０ａを、（−）極性（以下、この状態を単に「−１」と表記する）にするための磁化反転パルスを画素２０ａ（スピン注入磁化反転素子６）に印加する。
これにより、時間ｔ12の直後、図７（ａ）に示す時間ｔ13において、画素ブロックのうち、画素番号“１”の画素２０ａだけ、磁化が反転した「−１」の状態に変換される。
【０１２１】
≪画素番号“２”≫
図７（ｃ）に示す時間ｔ21では、第１フレームの期間に蓄積された「＋２」の画素信号を読みとるために、図２に示す画素選択手段３４が、「＋２」に対応したドレイン電流検出パルスを、図２に示すスイッチＳＷ５に印加する。すると、スイッチＳＷ５がＯＮ２（接地）の状態となって、画素番号“２”の画素２０ｄの上部電極９が接地される。したがって、画素信号検出手段４１が、第１フレームの期間に蓄積された「＋２」の画素信号を検出し、フレームメモリ４２に格納する。
【０１２２】
時間ｔ21の直後、図７（ｂ）に示す時間ｔ22において、磁化反転電流注入手段３３は、画素番号“２”の画素２０ｄを、（−）極性（以下、この状態を単に「−２」と表記する）にするための磁化反転パルスを画素２０ｄ（スピン注入磁化反転素子６）に印加する。
【０１２３】
これにより、時間ｔ22の直後、図７（ａ）に示す時間ｔ23において、画素ブロックのうち、画素番号“２”の画素２０ｄも磁化が反転した「−２」の状態に変換される。同様に、画素番号“３”の画素２０ｂについても処理され、図７（ａ）に示す時間ｔ33において、画素ブロックのうち、画素番号“３”の画素２０ｂも磁化が反転した「−３」の状態に変換される。また、同様に、画素番号“４”の画素２０ｅについても処理され、図７（ａ）に示す時間ｔ43において、画素ブロックのうち、画素番号“４”の画素２０ｅも磁化が反転した「−４」の状態に変換される。これにより、第２フレームの処理がすべて終了したときには、画素ブロックの全画素の磁化方向が入射Ｘ線の吸収の小さい方向となる。つまり、この例では、全画素が（−）極性になっている時点から第３フレームの処理を開始することとなる。
【０１２４】
＜第３フレーム＞
≪画素番号“１”≫
第３フレームのスタートである時間ｔ51では、第２フレームの期間に蓄積された「−１」の画素信号を読みとるために、図２に示す画素選択手段３４が、「−１」に対応したドレイン電流検出パルスを、図２に示すスイッチＳＷ４に印加する。すると、スイッチＳＷ４がＯＮ２（接地）の状態となって、画素番号“１”の画素２０ａの上部電極９が接地される。したがって、画素信号検出手段４１が、第２フレームの期間に蓄積された「−１」の画素信号を検出し、フレームメモリ４２に格納する。そして、この際に、図２に示す差分信号検出手段４３が、フレームメモリ４２に既に蓄積されている第1フレームの期間に蓄積された「＋１」の画素信号と、第２フレームの期間に蓄積された「−１」の画素信号との差分を検出し、画素番号“１”の画素２０ａの映像信号を得る。
【０１２５】
時間ｔ51の直後、図７（ｂ）に示す時間ｔ52において、磁化反転電流注入手段３３は、画素番号“１”の画素２０ａを、「＋１」にするための磁化反転パルスを画素２０ａ（スピン注入磁化反転素子６）に印加する。これにより、時間ｔ52の直後、図７（ａ）に示す時間ｔ53において、画素ブロックのうち、画素番号“１”の画素２０ａだけ、磁化方向が反転して「＋１」の状態に戻される。
【０１２６】
≪画素番号“２”≫
図７（ｃ）に示す時間ｔ61では、第２フレームの期間に蓄積された「−２」の画素信号を読みとるために、図２に示す画素選択手段３４が、「−２」に対応したドレイン電流検出パルスを、図２に示すスイッチＳＷ５に印加する。すると、スイッチＳＷ５がＯＮ２（接地）の状態となって、画素番号“２”の画素２０ｄの上部電極９が接地される。したがって、画素信号検出手段４１が、第２フレームの期間に蓄積された「−２」の画素信号を検出し、フレームメモリ４２に格納する。そして、この際に、図２に示す差分信号検出手段４３が、フレームメモリ４２に既に蓄積されている第1フレームの期間に蓄積された「＋２」の画素信号と、第２フレームの期間に蓄積された「−２」の画素信号との差分を検出し、画素番号“２”の画素２０ｄの映像信号を得る。
【０１２７】
時間ｔ61の直後、図７（ｂ）に示す時間ｔ62において、磁化反転電流注入手段３３は、画素番号“２”の画素２０ｄを、「＋２」にするための磁化反転パルスを画素２０ｄ（スピン注入磁化反転素子６）に印加する。これにより、時間ｔ62の直後、図７（ａ）に示す時間ｔ63において、画素ブロックのうち、画素番号“２”の画素２０ｄも磁化が反転し、「＋２」の状態に戻される。同様に、画素番号“３”の画素２０ｂについても処理される。また、画素番号“４”の画素２０ｅについても同様に処理され、図７（ａ）に示す時間ｔ83において、画素ブロックのうち、画素番号“４”の画素２０ｅも磁化方向が「＋４」の状態に戻される。これにより、第３フレームの処理がすべて終了したときには、画素ブロックの全画素の磁化方向は、図７（ａ）に示す時間ｔ03時点の画素ブロックの状態に戻る。
【０１２８】
ここで、検出されたドレイン電流差として、「＋１」と「−１」との差、「＋２」と「−２」の差、というように順にドレイン電流差を求めてゆけば、直前のフレームに各画素２０（スピン注入磁化反転素子６）に蓄積された正電荷量、すなわち対応する各画素２０のＸ線吸収量を見積もることができる。
【０１２９】
これにより、Ｘ線撮像装置１は、Ｘ線ビームが形成する画像（強度の濃淡分布など）を２次元的に、ほぼリアルタイムで検出することができる。なお、磁化反転は、数ナノ秒で実現できる。ＮＴＳＣ方式の伝送フレーム数は、３０フレーム／秒であり、１フレームの期間は３３［ｍｓ］である。Ｘ線撮像装置１によれば、この３３［ｍｓ］の間に、数十フレームをとることが可能である。一方、ＣＣＤ撮像素子では、現状では、最も高精細な素子で画素サイズは１．３×１．３［μｍ2］程度で、サブミクロンサイズは実現できておらず、しかも、このような高速駆動をすることができない。例えば、通常、ＣＣＤで行われる高速度撮影は、精々６倍速程度である。さらなる高速化においては、電荷転送用ＣＣＤをメモリとして活用して、このメモリにフレーム毎の画素信号を蓄積する方式がある。この方式において、撮影スピードと撮影時間はこのメモリの数で決まるが、電荷転送用ＣＣＤの連続的な使用はできない。そのため、実時間撮像はできない。
【０１３０】
ここで、ドレイン電流検出パルスを、「−１」、「−２」、「−３」、「−４」、「＋１」、「＋２」、「＋３」、「＋４」の各画素信号に対応して、この順番に画素を走査して各スイッチに印加するものとして説明したが、走査順はこれに限定されるものではなく、ランダムに走査してもよい。
【０１３１】
第１実施形態のＸ線撮像装置１によれば、画素選択と走査、および、画素におけるＸ線吸収を、それぞれ、スピン注入磁化反転素子６の選択と磁化反転によって行うので、走査画素の解像度を任意に可変できる。そのため、微細加工技術の限界までの解像度を実現することができる。この微細加工として、例えば電子ビームリングラフィーなどを用いれば、画素ピッチとして数ナノメートルまで達成できる可能性がある。
また、Ｘ線撮像装置１において、感度は、画素が吸収するＸ線フォトンの積分、すなわち画素走査の時間によって調節できる。また、受光画素部２の画面サイズは、所定のニーズに対応して可変できる。
また、Ｘ線撮像装置１は、高速駆動ができるので、フレームレートを大きくすることによって低残像でダイナミックレンジを大きくとることができる。
さらに、Ｘ線撮像装置１は、２次元フォトンカウンターとしても機能する。
【０１３２】
（第１実施形態の変形例）
第１実施形態のＸ線撮像装置１において、画素選択走査機構（素子選択走査手段）３は、受光画素部２の１つのスピン注入磁化反転素子６を１つの画素として選択するものとしたが、受光画素部２の受光面において隣接した複数のスピン注入磁化反転素子６により連結される領域を１まとめに選択することも可能である。この場合、磁化反転電流注入手段３３は、選択された複数のスピン注入磁化反転素子６のスピンフリー層１３の磁化方向を同時に反転させる。また、画素信号検出手段４１は、これら同時に反転させる複数のスピン注入磁化反転素子６がＸ線を吸収することによって発生するそれぞれの電流の合計値を連結される領域の１まとめの信号電流として検出する。
【０１３３】
例えば、図７（ａ）に示した画素ブロックを纏めて１つの画素としてドレイン電流を検出すれば、解像度は図７（ａ）の１／２に低下するが、感度はおよそ４倍増大できる。ここで、複数のスピン注入磁化反転素子６により連結される領域（纏めた１つの画素）は、当初の画素の２×２の領域に限定されるものではなく、例えば、一般式でＭ×Ｎ（Ｍ，Ｎは整数、Ｍ＝Ｎも含む）で表すことができる領域でもよい。
【０１３４】
また、この連結される領域（纏めた１つの画素）は、必ずしも矩形である必要もない。さらに、受光面において、この連結される領域（纏めた１つの画素）を同じ単位で繰り返す必要もない。このように、ドレイン電流を検出すべき画素サイズを任意に選ぶことにより、検出するＸ線画像精細度を画面上で局部的に可変することができる。つまり、この場合、局所的ズームなどに利用することができる。また、前記した電子ビームリングラフィーなどの微細加工技術の進展により、ナノメートルオーダーの超高精細画素や超多画素となっても、上記のように、Ｘ線画像の空間周波数分布に応じて画素の纏め方を任意に設定できるとすれば、フレームメモリ４２の大容量化を抑制したり、差分信号検出手段４３の演算処理などの負担を抑制したりすることができる。
【０１３５】
また、このように、複数のスピン注入磁化反転素子６を１つの画素として同時に走査すると、１フレームの走査時間を短縮できるので、高速に走査を行うことができる。
【０１３６】
（第２実施形態）
第２実施形態のＸ線撮像装置は、受光画素部の電極の構造が異なる点を除いて、第１実施形態のＸ線撮像装置１と同様なので、同じ構成には同じ符号を付して説明を適宜省略する。図８（ａ）および図８（ｂ）に示す受光画素部２Ａは、上部電極９が、スピンフリー層１３の表面の一部を露出させるように設けられている。ところで、第１実施形態では、図１および図２に示す上部電極９（Ｙ軸方向の電極線）は、スピン注入磁化反転素子６のスピンフリー層１３の表面全体を覆うように設けていた。一方、第２実施形態では、図８に示す上部電極９は、スピンフリー層１３の両端の縁のみに堆積し、スピンフリー層１３を表面に極力露出させたものである。なお、第２実施形態において、上部電極９は、スピンフリー層１３表面の一部のみを覆っていればよく、上部電極９が覆う領域は、図８に示す範囲に限定されるものではない。
【０１３７】
受光画素部２Ａにおいてスピンフリー層１３の表面を露出させる構成としたことにより、Ｘ線ビームが受光画素部２Ａに入射するときに、スピンフリー層１３へのＸ線吸収が増加し、スピンフリー層１３からの二次電子５０１やオージェ電子５０２の放出を容易にすることができる。ところで、第１実施形態のＸ線撮像装置１では、スピンフリー層１３にＸ線が吸収されることにより二次電子５０１やオージェ電子５０２などが放出される結果としてスピンフリー層１３に蓄積される正電荷５０４を中和する電流を検出してＸ線の吸収量を見積もるという原理を用いている。これは、第２実施形態でも同様である。したがって、第２実施形態のＸ線撮像装置は、受光画素部２Ａのような電極構造としたことにより、感度が向上する。
【０１３８】
また、第１実施形態では、スピンフリー層１３の材料の一例としてＰｔＣｏを挙げたので、１３．３［ｋｅＶ］の硬Ｘ線を用いることで、エネルギーの高いＸ線ビームがＡｌやＢｅ製の上部電極９に吸収されずに透過できるものとして説明した。一方、図８（ａ）および図８（ｂ）に示す受光画素部２Ａは、上部電極９が、スピンフリー層１３の表面の一部を露出させるように設けられているので、ＡｌやＢｅ製の上部電極９自体を透過できないような相対的にエネルギーの低いＸ線ビームを用いたとしても、このＸ線ビームは露出部分からスピンフリー層１３に入射できる。したがって、スピンフリー層１３をＦｅＮｉなどの材料で形成し、０．７８１［ｋｅＶ］などの軟Ｘ線を用いるＸ線撮像が可能となる。
【０１３９】
（第３実施形態）
第３実施形態のＸ線撮像装置は、受光画素部においてスピン注入磁化反転素子と電極との間を絶縁した点を除いて、第２実施形態のＸ線撮像装置と同様なものである。図９（ａ）および図９（ｂ）に示す受光画素部２Ｂは、上部電極９が、スピンフリー層１３の表面の一部を露出させるように設けられ、かつ、上部電極９とスピンフリー層１３との間に上部絶縁層１５を備えている。また、下部電極８とスピン固定層１１との間に下部絶縁層１４を備えている。なお、平面図である図８（ａ）と図９（ａ）は同じものである。
【０１４０】
下部絶縁層１４および上部絶縁層１５の厚さは、１フレームの期間に、ドレイン電流を検出しようとする画素の電極に隣接する画素に蓄積される正電荷を中和する電流が、検出しようとするドレイン電流に流れ込まない程度に薄く、また、スピン注入のための電圧の大幅な増大を招かない程度に薄く設定することが望ましい。
【０１４１】
第３実施形態のＸ線撮像装置は、受光画素部２Ｂにおいて、上部電極９とスピンフリー層１３との間に薄い上部絶縁層１５を設けたので、ドレイン電流の検出において、上部電極９（Ｙ軸方向の電極線）に繋がる全ての画素（スピン注入磁化反転素子６）に蓄積される正電荷の寄与を極力抑えることができる。
【０１４２】
したがって、第３実施形態のＸ線撮像装置は、受光画素部２Ｂのような電極構造としたことにより、第２実施形態よりもさらに感度が向上する。使用目的において感度が充分である場合、ドレイン電流の変調成分のみを検出する構成とすることなく、図５（ｂ）に示した簡易な方法でドレイン電流を検出するようにしてもよい。なお、下部電極８とスピン固定層１１との間にも薄い下部絶縁層１４を設けたが、下部絶縁層１４を備えない構成としてもよい。
【０１４３】
（第４実施形態）
第４実施形態のＸ線撮像装置は、受光画素部の磁化反転素子を磁化反転させる手段としてスピン注入ではなく外部磁場を用いたものである。したがって、図１に示したＸ線撮像装置１と同様な構成には同じ符号を付して説明を適宜省略する。図１０に示すＸ線撮像装置１Ｃは、受光画素部２Ｃと、画素選択走査機構３Ｃとを備えている。このＸ線撮像装置１Ｃは、信号電流検出処理部４（図１参照）も備えているが、図１０では、画素信号検出手段４１だけ表示した。また、画素選択走査機構３Ｃは、下部電極選択部３１と、上部電極選択部３２と、画素選択手段３４とを備えているが、図１０では、磁場発生用電流供給手段３３Ｃだけを表示した。
【０１４４】
受光画素部２Ｃには、下部電極８と上部電極９との間に、画素としてスピンフリー強磁性層（磁化反転素子）１６が断面柱状に形成されている。これは、図１に示したスピン注入磁化反転素子６のスピンフリー層１３と同様なものである。ここでは、一例として、スピンフリー強磁性層１６の磁化方向が上向きのものと、下向きのものとを示した。また、この例では、スピンフリー強磁性層１６は、紙面に沿った水平方向に５個設けられているが、その個数はこの限りではない。また、スピンフリー強磁性層１６は、紙面に垂直な方向にも同様に並べられているものとする。つまり、画素としてのスピンフリー強磁性層１６は、２次元アレイ状に設けられている。
【０１４５】
上部電極９は、スピンフリー強磁性層１６の２次元アレイの各行に沿って行毎に設けられている。また、下部電極８は、スピンフリー強磁性層１６の２次元アレイの各列に沿って列毎に設けられている。なお、スピンフリー強磁性層１６以外にスピン固定層１１の磁化の固定強化のために他の層を備えていてもよい。また、隣り合ったスピンフリー強磁性層１６間を電気的かつ磁気的に絶縁するための絶縁部材を介挿してもよい。
【０１４６】
画素選択走査機構３Ｃは、上部電極９と下部電極８との組み合わせを選択することにより、選択された上部電極９と下部電極８とが対向して交差する領域にあるスピンフリー強磁性層１６を、磁化方向を反転させる磁化反転素子として選択すると共に、受光画素部２Ｃの受光面に亘って複数の画素を走査するものである。
この画素選択走査機構３Ｃは、既に製品化された磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の公知技術として、ワード線とビット線に電流を流し、発生した磁場によって、選択したフリー層（記録層）の磁化を反転する技術を用いたものである。つまり、受光画素部２Ｃの上部電極９と下部電極８は、ＭＲＡＭにおけるワード線とビット線の役割を果たしている。このため、受光画素部２Ｃにおいて、スピンフリー強磁性層１６と下部電極８との間には下部絶縁層１４が設けられている。また、スピンフリー強磁性層１６と上部電極９との間には上部絶縁層１５が設けられている。
【０１４７】
第４実施形態のＸ線撮像装置１Ｃは、第1ないし第３実施形態のＸ線撮像装置とは磁化反転の原理が異なるので、図１０に示す下部絶縁層１４および上部絶縁層１５は必須の構成である。また、下部絶縁層１４および上部絶縁層１５の膜厚を設定する際には、スピン注入電圧を考慮する必要はなく、ドレイン電流の検出に適した膜厚とすればよい。下部絶縁層１４および上部絶縁層１５の膜厚は、例えば、１〜２［ｎｍ］とすることができる。なお、磁化反転の原理は異なるが、磁場発生用電流供給手段３３Ｃと画素選択機構３４との関係は、図１に示した磁化反転電流注入手段３３と画素選択機構３４との関係と同様であって、磁場発生用電流供給手段３３Ｃは、図１に示した磁化反転電流注入手段３３と同様に電流源を有しているので、同様な符号を付した。
【０１４８】
画素選択走査機構３Ｃの磁場発生用電流供給手段（磁場制御手段）３３Ｃは、選択された画素（スピンフリー強磁性層１６）を挟んで交差する上部電極９および下部電極８に対して電流源から流す電流（磁場反転電流ＩINV）の方向とその大きさを制御することで、選択されたスピンフリー強磁性層１６に加える磁場の方向とその大きさを制御して、スピンフリー強磁性層１６の磁化方向を反転させるものである。第４実施形態では、磁場反転電流ＩINVは、パルス電流であるものとする。なお、パルス電流の代わりに直流電流を用いてもよい。また、図１０では、磁場発生用電流供給手段３３Ｃは、図１０において左端の上部電極９の紙面に垂直な方向の両端部に接続されている状態を示しているが、選択された画素に対応して他の上部電極９に対しても同様に接続される。
【０１４９】
画素信号検出手段４１は、選択されたスピンフリー強磁性層１６がＸ線を吸収することによって発生する電流の値を検出する。なお、図１０では、画素信号検出手段４１は、図１０において右端の上部電極９に接続されている状態を示しているが、選択された画素に対応して他の上部電極９に対しても同様に接続される。
【０１５０】
（第５実施形態）
図１１に示すように、第５実施形態のＸ線撮像装置１Ｄは、第１実施形態に係るＸ線撮像装置１の受光画素部２を真空容器５１に密閉したものである。したがって、同様な構成には同じ符号を付して説明を適宜省略する。第５実施形態では、第１実施形態と同様に、一例としてＰｔＣｏを材料としてスピンフリー層１３を形成した。また、これに対応して、１３．３［ｋｅＶ］の硬Ｘ線による画像を検出する。このように、硬Ｘ線撮像の場合には、単色円偏光Ｘ線ビームＢ４（図３参照）を形成した後に、Ｘ線撮像装置１Ｄの真空容器５１の外部の構成を大気中に暴露できる。
【０１５１】
真空容器５１は、受光画素部２の受光面に対応した位置に、Ｘ線ビームを透過するＸ線透過窓５２を備えている。このＸ線透過窓５２は、例えば、ベリリウム等のＸ線吸収率が小さい材料で形成されている。これにより、Ｘ線がスピンフリー層１３に損失少なく入射できる。また、真空容器５１内は、真空環境とされている。さらに密閉前に、およそ１０8［Ｐａ］程度以上の超高真空環境下で、希ガスによるスパッタリングなどでスピンフリー層１３の表面を洗浄しておくことが好ましい。なお、スピンフリー層１３表面からオージェ電子や二次電子が放出されやすいように、真空容器５１は接地電位に対して正電位となるように保持されている。この理由により、Ｘ線透過窓５２はベリリウムなどの伝導体材料で作製し、Ｘ線透過窓５２とスピンフリー層１３との間の距離は短い方が好ましい。
【０１５２】
第５実施形態のＸ線撮像装置１ＤによるＸ線検出基本原理も、第１実施形態と同様であり、Ｘ線がスピンフリー層１３に入射する際には、二次電子５０１やオージェ電子５０２が放出される。第５実施形態では、このときの二次電子５０１やオージェ電子５０２の放出を容易にするために、受光画素部２を密閉した真空容器５１内を真空環境とした。
【０１５３】
（第５実施形態の変形例）
第５実施形態のＸ線撮像装置１Ｄにおいて、真空容器５１内を真空環境としたが、真空とすることなく、受光画素部２のみ、ヘリウム等のＸ線吸収の小さいガスで充満した容器に設置してもよい。図示は省略するが、このように構成しても、Ｘ線がスピンフリー層１３に入射する際に二次電子５０１やオージェ電子５０２の放出を容易にすることができる。
【０１５４】
（第６実施形態）
第６実施形態のＸ線撮像装置は、一例としてＦｅＮｉを材料としてスピンフリー層１３を形成した点を除いて、図１１に示したＸ線撮像装置１Ｄと同様な構成である。したがって、同様な構成には同じ符号を付して図面および説明を適宜省略し、第６実施形態のＸ線撮像装置を形式的にＸ線撮像装置１Ｅと呼ぶ。Ｘ線撮像装置１Ｅでは、ＦｅＮｉに対応して、０．７８１［ｋｅＶ］の軟Ｘ線による画像を検出する。軟Ｘ線撮像の場合には、Ｘ線撮像装置１Ｅの受光画素部２を真空容器５１にて真空環境とするだけではなく、Ｘ線の光路（ビームライン１０２：図３参照）や被写体Ｏ（図３参照）も真空環境下に設置する。このようにすることで、軟Ｘ線が大気中の酸素や窒素による吸収で大きく減衰することを防止することができる。また、Ｘ線撮像装置１の受光画素部２を真空環境に設置したので、Ｘ線がスピンフリー層１３に入射する際に二次電子５０１やオージェ電子５０２の放出を容易にすることができる。なお、軟Ｘ線撮像を行うＸ線撮像装置１Ｅでは、少なくとも受光画素部２が真空環境下に設置される必要がある。この構成の変形例として、Ｘ線撮像装置１Ｅの画素選択機構３または信号電流検出処理部４、あるいはＸ線撮像装置１Ｅの全体を真空環境下に設置するようにしてもよい。
【０１５５】
また、Ｘ線撮像装置１Ｅにおいて、真空容器５１を真空環境としたが、真空とすることなく、Ｘ線撮像装置１Ｅの少なくとも受光画素部２を、ヘリウム等のＸ線吸収の小さいガスで充満した容器に設置してもよい。なお、この場合、被写体Ｏ（図３参照）も、環境の空気をヘリウム等のＸ線吸収の小さいガスで置換した環境に設置してもよい。このように構成しても、Ｘ線がスピンフリー層１３に入射する際に二次電子５０１やオージェ電子５０２の放出を容易にすることができる。
【０１５６】
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その趣旨を変えない範囲でさまざまに実施することができる。例えば、本発明のＸ線撮像装置は、被写体のＸ線透過強度分布を様々な角度から検出しようとする場合にも利用できる。本発明のＸ線撮像装置をＣＴ（Computed Tomography）用の２次元Ｘ線検出器として用いた場合、高分解能特性の効果がある。
【符号の説明】
【０１５７】
１，１Ｃ，１Ｄ Ｘ線撮像装置
２（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ） 受光画素部
３，３Ｃ 画素選択走査機構（素子選択走査手段）
４ 信号電流検出処理部
５ 基板
６ スピン注入磁化反転素子
７ 絶縁部材
８ 下部電極
９ 上部電極
１１ スピン固定層（磁化固定強磁性層）
１２ 非磁性中間層
１３ スピンフリー層（磁化反転強磁性層）
１４ 下部絶縁層
１５ 上部絶縁層
１６ スピンフリー強磁性層（磁化反転素子）
２０（２０ａ〜２０ｉ） 画素
２１ 磁化反転素子アレイ（画素群）
２２ ＸＹ電極アレイ
２２Ｘ 下部電極アレイ
２２Ｙ 上部電極アレイ
３１ 下部電極選択部
３２ 上部電極選択部
３３ 磁化反転電流注入手段（電流制御手段）
３３Ｃ 磁場発生用電流供給手段（磁場制御手段）
３４ 画素選択手段
４１ 画素信号検出手段（電流検出手段）
４２ フレームメモリ（記憶手段）
４３ 差分信号検出手段
１００ 入射Ｘ線制御手段
１０１ シンクロトロン放射光源
１０２ ビームライン
１０３ 二結晶モノクロメータ
１０５ 波長選択機構（波長選択手段）
１０４ 移相器
１０６ 極性選択機構（極性選択手段）
ＳＷ１〜ＳＷ３，ＳＷ４〜ＳＷ６ スイッチ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が固定された磁化固定強磁性層と、磁化方向が反転可能な磁化反転強磁性層と、前記磁化固定強磁性層と磁化反転強磁性層との中間に配置された非磁性中間層とを含む３層以上が積層された磁化反転素子を画素として備え、前記画素に磁化反転強磁性層側から入射する単色円偏光Ｘ線ビームを撮影するＸ線撮像装置であって、
２次元アレイ状に設けられた前記複数の磁化反転素子と、前記磁化反転素子のＸ線入射側に配置された上部電極と、前記磁化反転素子のＸ線入射方向の反対側に配置された下部電極とを有して前記単色円偏光Ｘ線ビームを受光する受光画素部と、
前記磁化反転素子に対応した上部電極および下部電極の組み合わせを選択することにより、前記選択された組み合わせの上部電極および下部電極に挟まれて配置された磁化反転素子を、磁化方向を反転させる磁化反転素子として選択すると共に、前記受光画素部の受光面に亘って前記複数の磁化反転素子を走査する素子選択走査手段と、
前記選択された磁化反転素子に対応した上部電極および下部電極を介して当該磁化反転素子に対して電流源から流す電流の方向とその大きさを制御して、当該磁化反転素子の磁化固定強磁性層から磁化反転強磁性層へスピン偏極電子を注入することで、前記磁化反転強磁性層の磁化方向を反転させる電流制御手段と、
前記選択された磁化反転素子がＸ線を吸収することによって発生する電流の値を検出する電流検出手段と、
を備えることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項２】
磁化方向が反転可能な磁化反転強磁性層を含む１層以上が積層された磁化反転素子を画素として備え、前記画素に磁化反転強磁性層側から入射する単色円偏光Ｘ線ビームを撮影するＸ線撮像装置であって、
２次元アレイ状に設けられた前記複数の磁化反転素子と、前記２次元アレイの行方向に設けられた複数の磁化反転素子から上部絶縁層を介してＸ線入射側に配置されて各行に沿って行毎に設けられた複数の上部電極と、前記行方向に直交する列方向に設けられた複数の磁化反転素子から下部絶縁層を介してＸ線入射方向と反対側に配置されて各列に沿って列毎に設けられた複数の下部電極とを有して前記単色円偏光Ｘ線ビームを受光する受光画素部と、
前記上部電極と前記下部電極との組み合わせを選択することにより、前記選択された上部電極と下部電極とが対向して交差する領域にある磁化反転素子を、磁化方向を反転させる磁化反転素子として選択すると共に、前記受光画素部の受光面に亘って前記複数の磁化反転素子を走査する素子選択走査手段と、
前記選択された磁化反転素子を挟んで交差する上部電極および下部電極に対して電流源から流す電流の方向とその大きさをそれぞれ制御することで、前記選択された磁化反転素子に加える磁場の方向とその大きさを制御して、当該磁化反転素子の磁化反転強磁性層の磁化方向を反転させる磁場制御手段と、
前記選択された磁化反転素子がＸ線を吸収することによって発生する電流の値を検出する電流検出手段と、
を備えることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項３】
前記上部電極は、それぞれが前記２次元アレイの行方向の電極線として設けられ、
前記下部電極は、それぞれが前記２次元アレイの列方向の電極線として設けられていることを特徴とする請求項１に記載のＸ線撮像装置。
【請求項４】
前記受光画素部の上部電極は、
アルミニウム（Ａｌ）、ベリリウム（Ｂｅ）、銅（Ｃｕ）、グラファイト（Ｃ）およびダイアモンド（Ｃ）から構成される群から選択された少なくとも１つの材料から形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のＸ線撮像装置。
【請求項５】
前記受光画素部には、前記複数の磁化反転素子間を電気的かつ磁気的に絶縁する絶縁部材が介挿されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のＸ線撮像装置。
【請求項６】
前記素子選択走査手段は、
前記下部電極と前記電流源との間の導通状態と、電気的切断状態との２状態を切り替える下部電極選択部と、
前記上部電極の接地状態と、前記上部電極と前記電流源との間の導通状態と、電気的切断状態との３状態を切り替える上部電極選択部とを備え、
前記磁化反転素子がＸ線を吸収する際には、前記上部電極および下部電極をそれぞれ電気的切断状態に切り替え、
前記電流検出手段が電流の値を検出する際には、前記選択された磁化反転素子の上部電極を接地状態に切り替え、
前記電流検出手段は、
前記選択された磁化反転素子がＸ線を吸収する際に外部に放出した負電荷に対応して内部に蓄積された正電荷を中和するドレイン電流の値を検出することを特徴とする請求項２または請求項３に記載のＸ線撮像装置。
【請求項７】
前記素子選択走査手段で選択された磁化反転素子の磁化反転前後に前記電流検出手段によってそれぞれ検出された電流値を記憶する記憶手段と、
前記選択された磁化反転素子の磁化反転前後にそれぞれ記憶された電流値の差分を映像信号として検出する差分信号検出手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載のＸ線撮像装置。
【請求項８】
前記単色円偏光Ｘ線ビームを前記受光画素部の近傍に導くビームラインを有した入射Ｘ線制御手段をさらに備え、
前記入射Ｘ線制御手段は、
直線偏光Ｘ線ビームを放射する放射光源と、
前記ビームラインにおいて、前記放射された直線偏光Ｘ線ビームから所定のエネルギーを有する単色直線偏光Ｘ線ビームを形成する二結晶モノクロメータと、
前記ビームラインにおいて、前記単色直線偏光Ｘ線ビームから、所定の円偏光の極性を有する前記単色円偏光Ｘ線ビームを形成する移相器と、
前記所定のエネルギーに対応したＸ線の波長を選択して設定する波長選択手段と、
所定のＸ線の回折角度に対応した円偏光の極性を選択して設定する極性選択手段とを備え、
前記波長選択手段は、前記所定のエネルギーを、前記磁化反転素子の磁化反転強磁性層の材料の構成原子の内殻電子束縛エネルギーに設定したことを特徴とする請求項７に記載のＸ線撮像装置。
【請求項９】
前記極性選択手段は、
前記素子選択走査手段で選択された磁化反転素子の磁化反転強磁性層の磁化反転前に、前記所定のＸ線の回折角度として、当該選択された磁化反転強磁性層の磁化方向と前記単色円偏光Ｘ線ビームの入射方向とが成す角度を設定することを特徴とする請求項８に記載のＸ線撮像装置。
【請求項１０】
前記受光画素部の上部電極は、前記磁化反転強磁性層の表面の一部を露出させるように設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のＸ線撮像装置。
【請求項１１】
前記受光画素部において、
前記上部電極は、前記磁化反転強磁性層の表面の一部を露出させるように設けられ、かつ、前記上部電極と前記磁化反転素子との間に絶縁層を備えることを特徴とする請求項３に記載のＸ線撮像装置。
【請求項１２】
前記素子選択走査手段は、前記受光画素部の受光面において隣接した複数の磁化反転素子により連結される領域を１まとめに選択し、
前記電流制御手段は、前記選択された複数の磁化反転素子の磁化反転強磁性層の磁化方向を同時に反転させ、
前記電流検出手段は、前記同時に反転させる複数の磁化反転素子がＸ線を吸収することによって発生するそれぞれの電流の合計値を前記連結される領域の１まとめの信号電流として検出することを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか一項に記載のＸ線撮像装置。
【請求項１３】
前記Ｘ線撮像装置の構成のうち少なくとも前記受光画素部が容器に密閉され、
前記容器は、前記受光画素部の受光面に対応した位置に、前記単色円偏光Ｘ線ビームを透過する窓を備え、
前記容器が真空環境とされているか、または、前記容器に所定のガスが充満していることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか一項に記載のＸ線撮像装置。
【請求項１】
磁化方向が固定された磁化固定強磁性層と、磁化方向が反転可能な磁化反転強磁性層と、前記磁化固定強磁性層と磁化反転強磁性層との中間に配置された非磁性中間層とを含む３層以上が積層された磁化反転素子を画素として備え、前記画素に磁化反転強磁性層側から入射する単色円偏光Ｘ線ビームを撮影するＸ線撮像装置であって、
２次元アレイ状に設けられた前記複数の磁化反転素子と、前記磁化反転素子のＸ線入射側に配置された上部電極と、前記磁化反転素子のＸ線入射方向の反対側に配置された下部電極とを有して前記単色円偏光Ｘ線ビームを受光する受光画素部と、
前記磁化反転素子に対応した上部電極および下部電極の組み合わせを選択することにより、前記選択された組み合わせの上部電極および下部電極に挟まれて配置された磁化反転素子を、磁化方向を反転させる磁化反転素子として選択すると共に、前記受光画素部の受光面に亘って前記複数の磁化反転素子を走査する素子選択走査手段と、
前記選択された磁化反転素子に対応した上部電極および下部電極を介して当該磁化反転素子に対して電流源から流す電流の方向とその大きさを制御して、当該磁化反転素子の磁化固定強磁性層から磁化反転強磁性層へスピン偏極電子を注入することで、前記磁化反転強磁性層の磁化方向を反転させる電流制御手段と、
前記選択された磁化反転素子がＸ線を吸収することによって発生する電流の値を検出する電流検出手段と、
を備えることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項２】
磁化方向が反転可能な磁化反転強磁性層を含む１層以上が積層された磁化反転素子を画素として備え、前記画素に磁化反転強磁性層側から入射する単色円偏光Ｘ線ビームを撮影するＸ線撮像装置であって、
２次元アレイ状に設けられた前記複数の磁化反転素子と、前記２次元アレイの行方向に設けられた複数の磁化反転素子から上部絶縁層を介してＸ線入射側に配置されて各行に沿って行毎に設けられた複数の上部電極と、前記行方向に直交する列方向に設けられた複数の磁化反転素子から下部絶縁層を介してＸ線入射方向と反対側に配置されて各列に沿って列毎に設けられた複数の下部電極とを有して前記単色円偏光Ｘ線ビームを受光する受光画素部と、
前記上部電極と前記下部電極との組み合わせを選択することにより、前記選択された上部電極と下部電極とが対向して交差する領域にある磁化反転素子を、磁化方向を反転させる磁化反転素子として選択すると共に、前記受光画素部の受光面に亘って前記複数の磁化反転素子を走査する素子選択走査手段と、
前記選択された磁化反転素子を挟んで交差する上部電極および下部電極に対して電流源から流す電流の方向とその大きさをそれぞれ制御することで、前記選択された磁化反転素子に加える磁場の方向とその大きさを制御して、当該磁化反転素子の磁化反転強磁性層の磁化方向を反転させる磁場制御手段と、
前記選択された磁化反転素子がＸ線を吸収することによって発生する電流の値を検出する電流検出手段と、
を備えることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項３】
前記上部電極は、それぞれが前記２次元アレイの行方向の電極線として設けられ、
前記下部電極は、それぞれが前記２次元アレイの列方向の電極線として設けられていることを特徴とする請求項１に記載のＸ線撮像装置。
【請求項４】
前記受光画素部の上部電極は、
アルミニウム（Ａｌ）、ベリリウム（Ｂｅ）、銅（Ｃｕ）、グラファイト（Ｃ）およびダイアモンド（Ｃ）から構成される群から選択された少なくとも１つの材料から形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のＸ線撮像装置。
【請求項５】
前記受光画素部には、前記複数の磁化反転素子間を電気的かつ磁気的に絶縁する絶縁部材が介挿されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のＸ線撮像装置。
【請求項６】
前記素子選択走査手段は、
前記下部電極と前記電流源との間の導通状態と、電気的切断状態との２状態を切り替える下部電極選択部と、
前記上部電極の接地状態と、前記上部電極と前記電流源との間の導通状態と、電気的切断状態との３状態を切り替える上部電極選択部とを備え、
前記磁化反転素子がＸ線を吸収する際には、前記上部電極および下部電極をそれぞれ電気的切断状態に切り替え、
前記電流検出手段が電流の値を検出する際には、前記選択された磁化反転素子の上部電極を接地状態に切り替え、
前記電流検出手段は、
前記選択された磁化反転素子がＸ線を吸収する際に外部に放出した負電荷に対応して内部に蓄積された正電荷を中和するドレイン電流の値を検出することを特徴とする請求項２または請求項３に記載のＸ線撮像装置。
【請求項７】
前記素子選択走査手段で選択された磁化反転素子の磁化反転前後に前記電流検出手段によってそれぞれ検出された電流値を記憶する記憶手段と、
前記選択された磁化反転素子の磁化反転前後にそれぞれ記憶された電流値の差分を映像信号として検出する差分信号検出手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載のＸ線撮像装置。
【請求項８】
前記単色円偏光Ｘ線ビームを前記受光画素部の近傍に導くビームラインを有した入射Ｘ線制御手段をさらに備え、
前記入射Ｘ線制御手段は、
直線偏光Ｘ線ビームを放射する放射光源と、
前記ビームラインにおいて、前記放射された直線偏光Ｘ線ビームから所定のエネルギーを有する単色直線偏光Ｘ線ビームを形成する二結晶モノクロメータと、
前記ビームラインにおいて、前記単色直線偏光Ｘ線ビームから、所定の円偏光の極性を有する前記単色円偏光Ｘ線ビームを形成する移相器と、
前記所定のエネルギーに対応したＸ線の波長を選択して設定する波長選択手段と、
所定のＸ線の回折角度に対応した円偏光の極性を選択して設定する極性選択手段とを備え、
前記波長選択手段は、前記所定のエネルギーを、前記磁化反転素子の磁化反転強磁性層の材料の構成原子の内殻電子束縛エネルギーに設定したことを特徴とする請求項７に記載のＸ線撮像装置。
【請求項９】
前記極性選択手段は、
前記素子選択走査手段で選択された磁化反転素子の磁化反転強磁性層の磁化反転前に、前記所定のＸ線の回折角度として、当該選択された磁化反転強磁性層の磁化方向と前記単色円偏光Ｘ線ビームの入射方向とが成す角度を設定することを特徴とする請求項８に記載のＸ線撮像装置。
【請求項１０】
前記受光画素部の上部電極は、前記磁化反転強磁性層の表面の一部を露出させるように設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のＸ線撮像装置。
【請求項１１】
前記受光画素部において、
前記上部電極は、前記磁化反転強磁性層の表面の一部を露出させるように設けられ、かつ、前記上部電極と前記磁化反転素子との間に絶縁層を備えることを特徴とする請求項３に記載のＸ線撮像装置。
【請求項１２】
前記素子選択走査手段は、前記受光画素部の受光面において隣接した複数の磁化反転素子により連結される領域を１まとめに選択し、
前記電流制御手段は、前記選択された複数の磁化反転素子の磁化反転強磁性層の磁化方向を同時に反転させ、
前記電流検出手段は、前記同時に反転させる複数の磁化反転素子がＸ線を吸収することによって発生するそれぞれの電流の合計値を前記連結される領域の１まとめの信号電流として検出することを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか一項に記載のＸ線撮像装置。
【請求項１３】
前記Ｘ線撮像装置の構成のうち少なくとも前記受光画素部が容器に密閉され、
前記容器は、前記受光画素部の受光面に対応した位置に、前記単色円偏光Ｘ線ビームを透過する窓を備え、
前記容器が真空環境とされているか、または、前記容器に所定のガスが充満していることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか一項に記載のＸ線撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−２７８６８２（Ｐ２０１０−２７８６８２Ａ）
【公開日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２８２９０（Ｐ２００９−１２８２９０）
【出願日】平成２１年５月２７日（２００９．５．２７）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月２７日（２００９．５．２７）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
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