JP2018141735A - 電荷検出回路及びそれを含む放射線検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な回路構成で時間的に変化する電荷信号の波高値を精度よく計測すること。【解決手段】電荷検出回路１２は、発生する電荷の量を時系列に検出する回路であって、キャパシタを含み、電荷の入力を受けてキャパシタに電荷を蓄積することにより、電荷を電圧信号に変換する前置増幅器１３と、電圧信号と所定の閾値電圧とを所定の時間間隔で比較することにより比較信号を生成するＡＤＣ１４と、ＡＤＣ１４によって所定の時間間隔で生成された比較信号の所定の状態の持続回数を計数して得た計数値を出力する計数器１５と、ＡＤＣ１４によって所定の時間間隔で生成された比較信号が所定の状態を示す際に、前置増幅器１３のキャパシタから所定量の電荷を順次引き抜く電荷注入回路１６とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、発生する電荷の量を時系列に検出する電荷検出回路及びそれを含む放射線検出装置に関する。

従来から、半導体検出器等の放射線検出器から出力される電流信号（電荷信号）を対象に、時間的に変化する電荷量を時系列に検出する検出回路の仕組みが検討されている。例えば、下記非特許文献１には、ＴｏＴ（Time over Threshold）法を採用した検出回路が提案されている。この検出回路は、検出器からの電流信号を増幅器で電圧信号に変換し、その電圧信号のパルスが閾値を超えた時間を計測し、その時間をパルスの波高値の計測結果として出力することができる。

T.Orita, H. Takahashi and K. Shimazoe， "Dynamic Time-over-Threshold Method for Multi-Channel APD Based Gamma-Ray Detectors"， 2012 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference Record (NSS/MIC)，２０１２年， ｐ．８２４−８２６

しかしながら、上述したＴｏＴ法を採用した検出回路では、電圧信号のパルスの時間幅を波高値に変換しているが、時間値と波高値との間の関係が線形でないため、得られる波高値の計測結果の精度が低くなりがちである。また、この検出回路では、電圧信号のパルス波形を整形するためのフィルタ回路等の整形回路が必要とされるため、回路構成が複雑となる傾向にある。

本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、簡易な回路構成で時間的に変化する電荷信号の波高値を精度よく計測することが可能な電荷検出回路及びそれを含む放射線検出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一形態にかかる電荷検出回路は、発生する電荷の量を時系列に検出する回路であって、キャパシタを含み、電荷の入力を受けてキャパシタに電荷を蓄積することにより、電荷を電圧信号に変換する増幅器と、電圧信号と所定の閾値電圧とを所定の時間間隔で比較することにより比較信号を生成する比較器と、比較器によって所定の時間間隔で生成された比較信号の所定の状態の持続回数を計数して得た計数値を出力する計数器と、比較器によって所定の時間間隔で生成された比較信号が所定の状態を示す際に、増幅器のキャパシタから所定量の電荷を順次引き抜く電荷引抜部と、を備える。

あるいは、本発明の他の形態にかかる放射線検出装置は、上記構成の電荷検出回路と、放射線の入射に応じて電荷を発生させ、電荷を電荷検出回路に入力する半導体検出器と、を備える。

上記形態の電荷検出回路によれば、増幅器において入力された電荷が蓄積されることにより電圧信号が生成され、比較器においてその電圧信号が周期的に閾値電圧と比較されることにより比較信号が生成され、電荷引抜部により比較信号が所定に状態を示す際に増幅器に蓄積された電荷から所定量の電荷が引き抜かれる。これにより、入力された電荷の信号が、その電荷の量に対応して時間軸方向に変換された連続する比較信号に変換されて出力される。このような構成の電荷検出回路によれば、電荷の信号の波高値を高精度に計数して出力することができ、電圧波形を整形するため整形回路が不要とされるため、回路構成が単純化される。その結果、簡易な回路構成で時間的に変化する電荷信号の波高値を精度よく計測することができる。あるいは、上記形態の放射線検出装置によれば、装置の小型化が容易で、高精度の放射線検出装置を実現することができる。

ここで、計数器は、電圧信号が所定の閾値電圧を超えたことを示す所定の状態の持続回数を計数し、電荷引抜部は、比較信号が、電圧信号が所定の閾値電圧を超えたことを示す所定の状態を示す際に、所定量の電荷を引き抜く、こととしてもよい。この場合、入力された電荷の信号の波高値が高精度に計測できるとともに、電荷引抜部の回路構成が単純化される。

また、電荷引抜部は、引き抜くための所定量の電荷を予め蓄積するためのキャパシタを有する、こととしてもよいし、所定量の電荷を引き抜くための定電流源を有する、こととしてもよい。この場合、電荷引抜部の回路構成が容易に単純化される。

本発明によれば、簡易な回路構成で時間的に変化する電荷信号の波高値を精度よく計測することができる。

実施形態にかかる放射線検出装置の概略構成を示すブロック図である。 図１の電荷検出回路の電荷引抜部の具体的な回路構成を示す図である。 図１の電荷検出回路の電荷引抜部の具体的な回路構成を示す図である。 図１の放射線検出装置において処理される各種信号の時間波形を示す図である。 比較例にかかる放射線検出装置の概略構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る電荷検出回路および放射線検出装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

まず、図１を参照して、本発明の放射線検出装置の一実施形態に係る放射線検出装置１０の機能および構成を説明する。図１に示す放射線検出装置１０は、時間的に変化する入射放射線の強度を検出するための装置である。この放射線検出装置１０は、１つの検出素子からなる半導体検出器１１と、その半導体検出器からの出力を処理する電荷検出回路１２とから構成されているが、入射放射線の強度の二次元分布を計測可能なように、２次元的に配列された複数の半導体検出器１１と、複数の半導体検出器１１のそれぞれに対応して設けられた複数の電荷検出回路１２とから構成されてもよい。このような２次元配列の回路構成は、半導体基板上に集積回路を形成することによって実現できる。

図１に示すように、放射線検出装置１０は、半導体検出器１１と、電荷検出回路１２とを含んで構成されている。この電荷検出回路１２は、半導体検出器１１に電気的に接続されて、半導体検出器１１から入射放射線の強度に応じて生成される電荷信号が入力される回路であり、前置増幅器（増幅器）１３、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）１４、計数器１５、及び電荷注入回路（電荷引抜部）１６を有している。以下、放射線検出装置１０の各構成要素の構成について説明する。

半導体検出器１１は、Ｘ線等の放射線の入射に伴い電子正孔対（電荷対）を生成して、入射放射線をそのエネルギー量に対応した電流信号（電荷信号）に変換する検出器である。このような検出器の例としては、Ｃｄ（Ｚｎ）Ｔｅ半導体検出器、Ｓｉ半導体検出器、Ｇｅ半導体検出器、ＧａＡｓ半導体検出器、ＧａＮ半導体検出器、ＴｌＢｒ半導体検出器等が挙げられる。

電荷検出回路１２の前置増幅器１３は、半導体検出器１１から電荷を電流信号として受けて、その電荷を蓄積することにより電圧信号に変換する回路部である。具体的には、前置増幅器１３は、キャパシタを含んでおり、キャパシタに電荷を蓄積することにより、そのキャパシタの両端の電圧を電圧信号として出力する。

電荷検出回路１２のＡＤＣ１４は、オーバーサンプリングの処理により、所定の時間間隔（例えば、１００ｎｓｅｃ間隔）で周期的に電圧信号を所定の閾値電圧と比較し、比較の結果生じた比較信号を出力する回路部である。すなわち、ＡＤＣ１４は、電圧信号と閾値電圧とを比較する比較器であり、電圧信号が閾値電圧を超えた際にはハイレベルの比較信号を出力し、電圧信号が閾値電圧以下の場合には、ローレベルの比較信号を出力する。つまり、このＡＤＣ１４は、１ビットのアナログ-デジタル（Ａ／Ｄ）変換器である。

電荷検出回路１２の電荷注入回路１６は、ＡＤＣ１４によって所定の時間間隔で周期的に生成された比較信号が所定の状態を示す際に、前置増幅器１３内のキャパシタから所定量の電荷を順次引き抜くための回路部である。この電荷注入回路１６は、ＡＤＣ１４から出力された比較信号がハイレベルの状態を示し、直前のＡＤＣ１４の動作において電圧信号が閾値電圧を超えていたことを示す際に、キャパシタに半導体検出器１１から供給された電荷に対して逆極性の電荷を供給することにより、そのキャパシタから所定量の電荷を引き抜く。電荷注入回路１６は、この電荷の引き抜き動作を、ＡＤＣ１４による周期的な比較動作に同期して行い、比較信号がローレベルになるまで、すなわち、比較信号によって直前のＡＤＣ１４の動作において電圧信号が閾値電圧以下となったことが示されるまで継続する。

電荷検出回路１２の計数器１５は、ＡＤＣ１４によって所定の時間間隔で周期的に生成された比較信号の所定の状態の持続回数を計数して、その結果得た計数信号を生成・出力する回路部である。すなわち、ＡＤＣ１４から出力された比較信号のハイレベルの状態の持続回数を、ＡＤＣ１４による周期的な比較動作に同期してカウント（計数）する。より具体的には、計数器１５は、ＡＤＣ１４の動作間隔である所定の時間間隔において、比較信号がハイレベルの状態を検出した際に、計数信号の計数値に１を加算する。そして、計数器１５は、計数値を示す信号を所定の時間間隔（例えば、１．６μｓｅｃ間隔）で出力することにより、電荷量の時間軸方向の分布を示すデジタル信号を出力する。計数器１５は、所定の時間間隔で計数値をリセットしながら計数信号を生成する。例えば、ＡＤＣ１４によるＡ／Ｄ変換の間隔が１００ｎｓｅｃ間隔であり、１．６μｓｅｃ間隔で計数値を出力する場合には、４ビットの計数信号を生成することができる。このような計数器１５としては、公知のフリップフロップ等のカウンタ回路を用いることができる。

図２は、上述した電荷検出回路１２の回路構成の例を示している。図２に示す構成においては、半導体検出器１１の一方の端子にバイアスが印加され、半導体検出器１１の他方の端子が前置増幅器１３の入力に接続される。また、前置増幅器１３は、差動増幅器１３ａとキャパシタ１３ｂによって構成され、差動増幅器１３ａの非反転入力がグラウンドに接続され、差動増幅器１３ａの反転入力が半導体検出器１１に接続され、差動増幅器１３ａの出力と反転入力の間にキャパシタ１３ｂが接続されている。このような構成によって、半導体検出器１１から入力された電荷がキャパシタ１３ｂに蓄積され、その電荷の量に対応する電圧信号が差動増幅器１３ａの出力に生成される。さらに、電荷注入回路１６は、スイッチトキャパシタ回路であり、直流電源１６ａ、キャパシタ１６ｂ、及びスイッチ素子１６ｃ〜１６ｆによって構成される。このような構成の電荷注入回路１６は、ＡＤＣ１４からの比較信号ＥＮと、ＡＤＣ１４による周期的な比較動作に同期したクロック信号ＣＬＯＣＫとを受け、クロック信号ＣＬＯＣＫに同期したタイミングにおいて比較信号ＥＮがハイレベルを示すときに、キャパシタ１６ｂに予め蓄積させておいた直流電源１６ａの電圧に対応した電荷量の電荷を、前置増幅器１３のキャパシタ１３ｂに供給する。このとき、キャパシタ１６ｂからキャパシタ１３ｂに供給される電荷は、半導体検出器１１からキャパシタ１３ｂに供給される電荷の極性に対して逆の極性の電荷となるように直流電源１６ａの極性が設定される。具体的には、直流電源１６ａの一端がグラウンドに接続され、直流電源１６ａの他端がスイッチ素子１６ｃを介してキャパシタ１６ｂの一端に接続され、キャパシタ１６ｂの他端がスイッチ素子１６ｆを介してキャパシタ１３ｂの半導体検出器１１側の端子に接続される。さらに、キャパシタ１６ｂの両端は、それぞれ、スイッチ素子１６ｄ，１６ｅを介してグラウンドに接続される。上記構成の電荷注入回路１６においては、スイッチ素子１６ｃ及びスイッチ素子１６ｅが閉じられ、スイッチ素子１６ｄ，１６ｆが開かれることにより、予めキャパシタ１６ｂに電荷が蓄積される。その後、クロック信号ＣＬＯＣＫに同期したタイミングにおいて、比較信号ＥＮがハイレベルを示す場合に、スイッチ素子１６ｃ及びスイッチ素子１６ｅが開かれ、スイッチ素子１６ｄ，１６ｆが閉じられることにより、キャパシタ１６ｂに蓄積された電荷が、キャパシタ１３ｂに供給される。

図３は、電荷検出回路１２の別の回路構成の例を示している。図３に示す構成においては、電荷注入回路１６Ａが、スイッチトカレント回路であり、定電流源１６ｇ及びスイッチ素子１６ｈによって構成される。このような構成の電荷注入回路１６Ａは、クロック信号ＣＬＯＣＫに同期したタイミングにおいて比較信号ＥＮがハイレベルを示すときに、定電流源１６ｇの電流値に対応した電荷量の電荷を、前置増幅器１３のキャパシタ１３ｂに供給する。このとき、定電流源１６ｇからキャパシタ１３ｂに供給される電荷は、半導体検出器１１からキャパシタ１３ｂに供給される電荷の極性に対して逆の極性の電荷となるように定電流源１６ｇの極性が設定される。具体的には、定電流源１６ｇの一端がグラウンドに接続され、定電流源１６ｇの他端がスイッチ素子１６ｈを介してキャパシタ１３ｂの半導体検出器１１側の端子に接続される。上記構成の電荷注入回路１６Ａにおいては、クロック信号ＣＬＯＣＫの一周期の期間において、比較信号ＥＮがハイレベルを示す場合に、スイッチ素子１６ｈが閉じられることにより、定電流源１６ｇの電流値とクロック信号ＣＬＯＣＫの周期の積で決まる電荷量の電荷が、キャパシタ１３ｂに供給される。

次に、上述した放射線検出装置１０の動作例について、比較例と比較しつつ説明する。

図５には、比較例にかかる放射線検出装置９１０の概略構成を示している。比較例にかかる放射線検出装置９１０は、ＴｏＴ法を採用した検出回路を備え、前置増幅器１３の後段に接続された波形整形回路９１５及びTime-to-Digital変換器（ＴＤＣ）９１４を有している。波形整形回路９１５は、前置増幅器１３から出力された電圧信号のノイズを低減するとともにその電圧信号を整形して出力するための回路であり、フィルタ回路及び増幅器を内蔵している。この波形整形回路９１５は、後段のＴＤＣ９１４によるＴ／Ｄ変換の精度を上げるために必要とされる。ＴＤＣ９１４は、波形整形回路９１５によって整形された電圧信号と所定の閾値電圧とを比較し、パルスが閾値電圧を超えている期間を計数し、その計数結果をデジタル値として出力する。このような放射線検出装置９１０においては、パルスの時間幅をパルスの波高値を表すものとしてカウントして出力しているが、波高値と時間幅とは線形関係に無いため、得られる波高値のデジタル値の精度が低くなる傾向にある。また、出力されるデジタル値の精度をある程度確保するためには波形整形回路が必須となる結果、回路規模が大きくなりがちである。さらには、出力されるデジタル値の分解能を上げるためにはＴＤＣ９１４における閾値数を増やす必要があり、ＴＤＣ９１４の回路規模が大きくなる傾向にある。

図４には、放射線検出装置１０及び放射線検出装置９１０において処理される各種信号の時間波形を示し、（ａ）には入力される電流信号のパルス波形、（ｂ）には放射線検出装置９１０における前置増幅器１３の出力電圧の波形、（ｃ）には放射線検出装置１０における電荷の引抜き動作後の前置増幅器１３の出力電圧の波形、（ｄ）には放射線検出装置１０におけるＡＤＣ１４に供給されるクロック信号ＣＬＯＣＫの波形、（ｅ）には放射線検出装置１０におけるＡＤＣ１４の出力電圧（比較信号）の波形が、それぞれ示されている。これらの時間波形に示されるように、入力される電流信号のパルスに応じたレベルを有する電圧信号が放射線検出装置１０の前置増幅器１３から出力されており、その電圧信号のレベルがクロック信号ＣＬＯＣＫに同期したタイミングで段階的に低下している。そして、放射線検出装置１０の前置増幅器１３から出力レベルが所定のレベルに低下するまで、放射線検出装置１０のＡＤＣ１４の出力電圧がハイレベルに維持されている。これに対して、（ｂ）の波形に示すように、比較例の放射線検出装置９１０の前置増幅器１３の出力電圧は、入力される電流信号のパルスに応じて一定電圧に維持されており、この出力電圧が後段の波形整形回路９１５及びＴＤＣ９１４によって処理されるようになっている。

以上説明した放射線検出装置１０によれば、前置増幅器１３において入力された電荷が蓄積されることにより電圧信号が生成され、ＡＤＣ１４においてその電圧信号が周期的に閾値電圧と比較されることにより比較信号が生成され、電荷注入回路１６により比較信号がハイレベル状態を示す際に前置増幅器１３に蓄積された電荷から所定量の電荷が引き抜かれる。これにより、入力された電荷の信号が、その電荷の量に対応して時間軸方向に変換された連続する比較信号に変換されて出力される。さらに、計数器１５によって比較信号のハイレベル状態の持続回数が計数されることによって、電荷量の時間軸方向の分布を示すデジタル信号を出力することができる。このような構成の放射線検出装置１０によれば、電流信号の波高値と比較信号のハイレベル状態に関する計数値とが線形関係にあるので、電流信号の波高値を高精度に計数して出力することができる。また、比較例の放射線検出装置９１０と比較して、電圧波形を整形するための整形回路が不要とされ、１ビットのＡ／Ｄ変換器ですむため、回路構成が単純化される。その結果、簡易な回路構成で時間的に変化する電荷信号の波高値を精度よく計測することができる。そして、装置の集積化が容易で、かつ、高精度の放射線検出装置を実現することができる。

さらに、電荷注入回路１６には、スイッチトキャパシタの構成、あるいは、スイッチトカレント回路の構成が採用されている。このように、デジタル信号を処理するのではなく電荷を直接引き抜くような構成とすることで、演算増幅器等の余計な回路が不要となり、電荷注入回路１６の回路構成が単純化され、放射線検出装置の集積化が容易とされる。

なお、本発明は、上述した実施形態の態様に限定されるものではない。本実施形態の電荷検出回路１２は、放射線検出の用途に限定されるものではなく、広く撮像素子用の検出回路として用いられてもよい。例えば、γ線、α線等の検出の用途であってもよい。

１０…放射線検出装置、１１…半導体検出器、１２…電荷検出回路、１３…前置増幅器（増幅器）、１３ｂ…キャパシタ、１４…ＡＤＣ（比較器）、１５…計数器、１６，１６Ａ…電荷注入回路（電荷引抜部）、１６ｂ…キャパシタ、１６ｇ…定電流源。

Claims (5)

1. 発生する電荷の量を時系列に検出する回路であって、
   キャパシタを含み、電荷の入力を受けて前記キャパシタに前記電荷を蓄積することにより、前記電荷を電圧信号に変換する増幅器と、
   前記電圧信号と所定の閾値電圧とを所定の時間間隔で比較することにより比較信号を生成する比較器と、
   前記比較器によって前記所定の時間間隔で生成された前記比較信号の所定の状態の持続回数を計数して得た計数値を出力する計数器と、
   前記比較器によって前記所定の時間間隔で生成された前記比較信号が前記所定の状態を示す際に、前記増幅器の前記キャパシタから所定量の電荷を順次引き抜く電荷引抜部と、
   を備える電荷検出回路。
2. 前記計数器は、前記電圧信号が前記所定の閾値電圧を超えたことを示す前記所定の状態の持続回数を計数し、
   前記電荷引抜部は、前記比較信号が、前記電圧信号が前記所定の閾値電圧を超えたことを示す前記所定の状態を示す際に、前記所定量の電荷を引き抜く、
   請求項１記載の電荷検出回路。
3. 前記電荷引抜部は、引き抜くための前記所定量の電荷を予め蓄積するためのキャパシタを有する、
   請求項１又は２記載の電荷検出回路。
4. 前記電荷引抜部は、前記所定量の電荷を引き抜くための定電流源を有する、
   請求項１又は２記載の電荷検出回路。
5. 請求項１記載の電荷検出回路と、
   放射線の入射に応じて電荷を発生させ、前記電荷を前記電荷検出回路に入力する半導体検出器と、
   を備える放射線検出装置。

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