(57)【要約】【課題】既存のＡＳＩＣを用いて安価に広いエネルギー範囲のＸ線検出に対応できる減衰回路を提供する。【解決手段】Ｘ線分析による検出信号を減衰する減衰回路３０であって、入射Ｘ線を検出する多チャンネル型の半導体検出器１０と入射Ｘ線の検出信号を増幅する増幅用集積回路（ＡＳＩＣ）５０との間に接続され、各チャンネルに１個ずつ設けられた複数の第１コンデンサを備える。これにより、既存のＡＳＩＣ５０を用いて安価に広いエネルギー範囲のＸ線検出に対応できる。その結果、異なる用途に対して、ＡＳＩＣ５０を設計し直して莫大な費用を浪費することがなくなる。また、使い慣れたＡＳＩＣ５０を使うことによって、開発期間を短縮できる。また、半導体検出器１０および第１コンデンサを接続する接続点とグランドとの間に接続された第２コンデンサを備えることが好ましい。【選択図】図１
2012013515.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線分析による検出信号を減衰する減衰回路であって、
入射Ｘ線を検出する多チャンネル型の半導体検出器と前記入射Ｘ線の検出信号を増幅する増幅用集積回路との間に接続され、各チャンネルに１個ずつ設けられた複数の第１コンデンサを備えることを特徴とする減衰回路。
【請求項２】
前記半導体検出器および前記第１コンデンサを接続する接続点とグランドとの間に接続され、前記接続点ごとに１個ずつ設けられた複数の第２コンデンサを備えることを特徴とする請求項１記載の減衰回路。
【請求項３】
前記複数の第１または第２コンデンサは可変コンデンサであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の減衰回路。
【請求項４】
Ｘ線分析による検出信号を減衰する減衰回路であって、
入射Ｘ線を検出する多チャンネル型の半導体検出器と前記入射Ｘ線の検出信号を増幅する増幅用集積回路との間に接続され、各チャンネルに１個ずつ設けられた複数の第１抵抗器を備えることを特徴とする減衰回路。
【請求項５】
前記半導体検出器および前記第１抵抗器を接続する接続点とグランドとの間に接続され、前記接続点ごとに１個ずつ設けられた複数の第２抵抗器を備えることを特徴とする請求項４記載の減衰回路。
【請求項６】
前記複数の第１または第２抵抗器は可変抵抗器であることを特徴とする請求項４または請求項５記載の減衰回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線分析による多チャンネルの検出信号を減衰する減衰回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線分析には０次元検出器であるシンチレーション検出器が用いられるのが最も一般的であるが、近年、半導体検出器が普及している。そして、半導体検出器には、０次元、１次元、２次元検出器があり、このうち本発明は１次元、２次元検出器に関するものである。１ピクセルは非常に小さく構成されており、たとえば４０×８０ｍｍ角で４８７×１９５ピクセルの検出器も存在する。そして、ピクセルごとに検出したＸ線の情報は非常に微弱であるので、検出後に増幅・成型・ノイズ処理などさまざまな信号処理加工を施す必要がある。そのため、検出器の後段に１列のピクセルの積算値の出力ごと、もしくは１ピクセルごとに増幅から信号取出しまで行う回路が接続される。
【０００３】
上記のように、１ピクセルごとに増幅から信号取出しまで行う集積回路（ＩＣ）は、目的に応じてあらかじめ増幅器や演算器などの機能単位ですでに回路構成が決まっており、従来これに個別の抵抗やコンデンサ、トランジスタを1つずつ組み立てる事は、効率が悪く、コストとサイズがかさばり、故障の原因にもなるため、既成のＩＣで目的を達成できない場合、ＡＳＩＣを用いる（たとえば非特許文献１、２参照）。
【０００４】
一方、Ｘ線装置は、透過・回折・蛍光・ＣＴなどさまざまな分野で利用され、目的に応じてさまざまなＸ線管球（Ｘ線波長）が利用される。波長が変わるとエネルギーが異なるため、電離作用に大きく影響する等、物質との相互作用に大きな違いが生じる。たとえばＸ線回折法では、解析目的に応じて、測定に使用するＸ線の波長（エネルギーに対応）を選択するのが通常である。ターゲットとしてはＣｕ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｖ、Ｗ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ等が挙げられ、試料の種類、分析目的によって使い分けられている。Ｘ線を発生させるターゲットの種類によりＸ線のエネルギーが異なると、波高が違うことになり、たとえば増幅するための集積回路にはさまざまな波高の信号が入力される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Robert Szczygiel，Pawel Grybos，Member,IEEE，Piotr Maj，A.Tsukiyama，Kazuyuki Matsushita，and Takeyoshi Taguchi， “RG64-High Count Rate Low Noise Multichannel ASIC With Energy Window Selection and Continuous Readout Mode”，IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE，APRIL 2009、（VOL.56，NO.2），P.487-495
【非特許文献２】R.Szczygiel，P.Grybos，P.Maj，A.Tsukiyama，K.Matsushita，T.Taguchi，“Low-noise multichannel ASIC for high count rate X-ray diffractometry applications”，Computer Physics Communications，1 August 2009，(VOL.607，issue 1），P.229-232
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、ＡＳＩＣが計数できるＸ線光子に比例するパルス信号の波高値には上限があり、その上限を超えた場合、そのＡＳＩＣでは計数できないため、それに対応したＡＳＩＣが別途に必要になる。そして、ＡＳＩＣは検出部と接合されているため、結局、検出器そのものを交換する必要が生じる。
【０００７】
これに対し、増幅器のフィードバック抵抗を変える方法も考えられるが、ＡＳＩＣではフィードバック回路は固定、または、可変範囲が狭く、用途に応じてその設計を変更する必要が生じる。また、複数のＡＳＩＣを用意するとなるとＡＳＩＣの設計・製造に多額の費用がかかる。このように処理可能なエネルギー範囲を変更するには、ＡＳＩＣ自体を設計し直し、再度、製作しなければならず、コスト面で現実的でない。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、既存のＡＳＩＣを用いて安価に広範なＸ線波長に対応できる減衰回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）上記の目的を達成するため、本発明に係る減衰回路は、Ｘ線分析による検出信号を減衰する減衰回路であって、入射Ｘ線を検出する多チャンネル型の半導体検出器と前記入射Ｘ線の検出信号を増幅する増幅用集積回路との間に接続され、各チャンネルに１個ずつ設けられた複数の第１コンデンサを備えることを特徴としている。
【００１０】
これにより、既存のＡＳＩＣを用いて安価に広いエネルギー範囲のＸ線検出に対応できる。異なる用途に対して、ＡＳＩＣを設計し直して莫大な費用を浪費することがなくなる。また、使い慣れたＡＳＩＣを使うことによって、開発期間を短縮できる。
【００１１】
（２）また、本発明に係る減衰回路は、前記半導体検出器および前記第１コンデンサを接続する接続点とグランドとの間に接続され、前記接続点ごとに１個ずつ設けられた複数の第２コンデンサを備えることを特徴としている。これにより、減衰回路の機能を安定させることができる。また、信号の減衰率を調整することができる。
【００１２】
（３）また、本発明に係る減衰回路は、前記複数の第１または第２コンデンサは可変コンデンサであることを特徴としている。これにより、検出されるＸ線のエネルギーに応じて減衰率を変えることができ、一つの減衰回路で状況に応じた対応が可能になる。
【００１３】
（４）また、本発明に係る減衰回路は、Ｘ線分析による検出信号を減衰する減衰回路であって、入射Ｘ線を検出する多チャンネル型の半導体検出器と前記入射Ｘ線の検出信号を増幅する増幅用集積回路との間に接続され、各チャンネルに１個ずつ設けられた複数の第１抵抗器を備えることを特徴としている。
【００１４】
これにより、既存のＡＳＩＣを用いて安価に広いエネルギー範囲のＸ線検出に対応できる。その結果、異なる用途に対して、ＡＳＩＣを設計し直して費用を浪費することがなくなる。また、使い慣れたＡＳＩＣを使うことによって、開発期間を短縮できる。
【００１５】
（５）また、本発明に係る減衰回路は、前記半導体検出器および前記第１抵抗器を接続する接続点とグランドとの間に接続され、前記接続点ごとに１個ずつ設けられた複数の第２抵抗器を備えることを特徴としている。これにより、減衰回路の機能を安定させることができる。また、信号の減衰率を調整することができる。
【００１６】
（６）また、本発明に係る減衰回路は、前記複数の第１または第２抵抗器は可変抵抗器であることを特徴としている。これにより、検出されるＸ線のエネルギーに応じて減衰率を変えることができ、一つの減衰回路で状況に応じた対応が可能になる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、既存のＡＳＩＣを用いて安価に広いエネルギー範囲のＸ線検出に対応できる。その結果、異なる用途に対して、ＡＳＩＣを設計し直して費用を浪費せずに済む。また、使い慣れたＡＳＩＣを使うことによって、開発期間を短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】Ｘ線検出モジュールの構成を示す斜視図である。
【図２】Ｘ線検出モジュールの機能的構成を示すブロック図である。
【図３】第１の実施形態に係る減衰回路の一部を示す回路図である。
【図４】ＡＳＩＣ（増幅用集積回路）の一部を示す回路図である。
【図５】第２の実施形態に係る減衰回路の一部を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００２０】
［第１の実施形態］
（Ｘ線検出モジュールの構成）
図１は、Ｘ線検出モジュール１００の構成を示す斜視図である。図１に示すように、Ｘ線検出モジュール１００は半導体検出器１０、減衰回路３０、ＡＳＩＣ（増幅用集積回路）５０を備えている。
【００２１】
多チャンネル型の半導体検出器１０は、半導体ストリップ１１−１〜ｎを有している。各半導体ストリップ１１−１〜ｎは、ｐ層、空乏層、ｎ層から構成されており、Ｘ線が入射した際に空乏層内に生成される電子・ホール対を測定することによりＸ線を検出する。半導体ストリップ１１−１〜ｎを構成する素材には、ＳｉやＧｅが挙げられる。半導体ストリップ１１−１〜ｎの総数ｎは、設計に基づいて決められる。たとえば半導体検出器１０としてストリップ間隔１００μｍ程度の１２８ストリップの検出器を用いることができる。半導体検出器１０は、多チャンネルで検出信号を出力し、読み出しの効率が高い。そして、その出力段の信号処理回路も多チャンネルで構成される必要がある。
【００２２】
減衰回路３０は、半導体検出器１０とＡＳＩＣ５０との間で電気的に接続されている回路である。半導体検出器１０に対応して多チャンネルで構成され、ワイヤボンディングにより電気的に接続されている。減衰回路３０は、半導体素子として構成されていることが好ましい。なお、ノイズ源にならないように減衰回路３０をグランド接続したケースで覆ってもよい。減衰回路３０の構成の詳細については後述する。
【００２３】
ＡＳＩＣ５０は、複数機能の回路を１つにまとめた増幅用集積回路であり、半導体検出器１０で検出された信号を適正な大きさに増幅し出力する。たとえば８ｋｅＶ程度のエネルギーのＣｕ線源を用いる場合には、数μＶを０．１〜１Ｖ程度に増幅するように設計されている。これを検出器にそのまま接続し、たとえば１７ｋｅＶ程度のＭｏ線源でＸ線分析を行ったときには信号の波高が上限値を超え、信号を検出できない場合があるが、適当な減衰回路３０を用いることで信号の検出が可能になる。ＡＳＩＣ５０の構成の詳細については後述する。
【００２４】
図２は、Ｘ線検出モジュール１００の機能的構成を示すブロック図である。半導体ストリップ１１−１〜ｎから出力された検出信号は、減衰回路３０に入力される。減衰回路３０には、チャンネルごとに減衰器３１−１〜ｎが設けられており、各チャンネルの信号を所定の割合で減衰する。どの程度減衰するかは、検出対象のＸ線とＡＳＩＣ５０の設計された用途に応じて予め設計される。たとえば、Ｍｏ線源を用いたＸ線分析に、Ｃｕ線源向けに設計されたＡＳＩＣ５０を用いる場合には、Ｍｏ線源によるＸ線の高いエネルギーをＣｕ線源によるＸ線程度に低減できるように、減衰回路３０を設計する。
【００２５】
ＡＳＩＣ５０は、増幅部５１および計数部５７により構成されている。増幅部５１は、ｎ本のチャンネルについて、ポール・ゼロ補償回路を伴う電荷増幅器５２−１〜ｎ、整形器５３−１〜ｎ、補正デジタルアナログ変換器５４−１〜ｎ、弁別器Ａ５５−１〜ｎおよび弁別器Ｂ５６−１〜ｎを備えている。また、計数部５７は、各チャンネルについて、ＲＡＭを伴うカウンタＡ５８−１〜ｎおよびＲＡＭを伴うカウンタＢ５９−１〜ｎを備えている。
【００２６】
電荷増幅器５２−１〜ｎは、半導体検出器１０で入射Ｘ線により発生した電荷信号を増幅し、ポール・ゼロ補償回路は、入力パルスの時定数を補償する。整形器５３−１〜ｎは、各チャンネルについて、増幅、時定数補償された信号を整形する。補正デジタルアナログ変換器５４−１〜ｎは、各チャンネルについて、整形されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。弁別器Ａ５５−１〜ｎは、入力されたデジタル信号を所定の上限値で弁別する。また、弁別器Ｂ５６−１〜ｎは、弁別器Ａ５５−１〜ｎで弁別された信号を下限値で弁別する。このようにして、所定の上限、下限のエネルギー値に対応して弁別された信号が計数部５７へ出力される。これにより、意図せず検出された宇宙線やノイズをカットし所定範囲内のエネルギーの信号を出力できる。その一方で、所定範囲を超えた高い波高の信号が入力された場合にはカウントされない。
【００２７】
ＲＡＭを伴うカウンタＡ５８−１〜ｎおよびＲＡＭを伴うカウンタＢ５９−１〜ｎは、上記の上限値および下限値で弁別された信号を計数し、それぞれＲＡＭに記憶する。
【００２８】
（減衰回路の構成）
次に、減衰回路のｉ番目のチャンネルに対応する部分を説明する。図３は、コンデンサで構成された減衰回路の一部３１−ｉを示す回路図である。第１コンデンサＣｃ−ｉは、半導体検出器１０の半導体ストリップ１１−ｉとＡＳＩＣ５０の増幅器５２−ｉとの間で、ｉ番目のチャンネルにそれぞれ接続されている。また、第２コンデンサＣａ−ｉは、半導体検出器１０および第１コンデンサＣｃ−ｉを接続する各接続点とグランドとの間にそれぞれ接続されている。なお、第１コンデンサＣｃ−ｉで安定して十分に信号を減衰できる場合には、必ずしも第２コンデンサＣａ−ｉを設ける必要はない。
【００２９】
このようにＡＳＩＣ５０の入力段に、半導体ストリップ１１−ｉの寄生容量と同程度のあまり大きくない容量のコンデンサＣｃ−ｉを直列に取り付ける。寄生容量が不安定なときはそれが無視できる程度の大きさのコンデンサＣａ−ｉを寄生容量と並列に取付け、これに加えて信号線に直列にコンデンサＣｃ−ｉを取り付ける。なお、シミュレーションによればコンデンサを使った方が抵抗を使うよりもノイズの増加を防ぐことができると考えられる。このような回路構成により、入射Ｘ線の検出信号の減衰が可能になる。その結果、低いエネルギーのＸ線検出を想定して設計されたＡＳＩＣ５０を用いて安価に高いエネルギーのＸ線を用いたＸ線分析が可能になる。
【００３０】
減衰回路３０のインピーダンス値は、分析対象のＸ線源、ＡＳＩＣ５０の検出可能範囲、信号の周波数に応じて決定される。すなわち、信号の減衰率から決まるインピーダンスＸｃおよび周波数ｆを利用してＣ＝１／２πｆＸｃの式でコンデンサの容量値Ｃを決定できる。また、これに応じて寄生容量Ｃｉ（図示せず）、第１コンデンサＣｃ−ｉ、第２コンデンサＣａ−ｉの各容量値をＣｉ、Ｃｃ−ｉおよびＣａ−ｉで表したときのＣｉ（またはＣａ−ｉ）／Ｃｃ−ｉの比率を調整する。
【００３１】
第１コンデンサＣｃ−ｉまたは第２コンデンサＣａ−ｉは、可変コンデンサであってもよい。その場合には、抵抗値を変更することで適正な減衰を行うように減衰回路３０を設計することが可能になる。なお、第１コンデンサＣｃ−ｉおよび第２コンデンサＣａ−ｉの組は、半導体集積回路として形成されていることが好ましい。これにより、減衰回路３０をコンパクトにすることができ、半導体検出器１０とＡＳＩＣ５０との間に設置しやすくなる。
【００３２】
（ＡＳＩＣの回路構成）
図４は、ＡＳＩＣ５０の一部を示す回路図である。ＡＳＩＣ５０を構成するｉ番目のチャンネルの回路は、たとえば図４に示すようにポール・ゼロ補償回路を伴う電荷増幅器５２−ｉ、整形器５３−ｉ、補正デジタルアナログ変換器５４−ｉ、弁別器Ａ５５−ｉ、弁別器Ｂ５６−ｉ、ＲＡＭを伴うカウンタＡ５８−ｉおよびＲＡＭを伴うカウンタＢ５９−ｉで構成できる。
【００３３】
［第２の実施形態］
上記の実施形態では、減衰回路３０がコンデンサで構成されているが、抵抗器で構成されていてもよい。図５は、減衰回路の一部３１−ｉを示す回路図である。第１抵抗器Ｒｃ−ｉは、半導体検出器１０の半導体ストリップ１１−ｉとＡＳＩＣ５０の増幅器５２−ｉとの間で、ｉ番目のチャンネルにそれぞれ接続されている。また、第２抵抗器Ｒａ−ｉは、半導体検出器１０および第１抵抗器Ｒｃ−ｉを接続する各接続点とグランドとの間にそれぞれ接続されている。なお、第１抵抗器Ｒｃ−ｉで安定して十分に信号を減衰できる場合には、必ずしも第２抵抗器Ｒａ−ｉを設ける必要はない。
【００３４】
このような回路構成により、検出された信号の減衰が可能になる。その結果、低いエネルギーのＸ線検出用に設計されたＡＳＩＣ５０を用いて安価に高いエネルギーのＸ線を用いたＸ線分析が可能になる。
【００３５】
減衰回路のインピーダンス値は、分析対象のＸ線源、ＡＳＩＣ５０の検出可能範囲および信号の周波数に応じて決まる。そして、これに応じて第１抵抗器Ｒｃ−ｉおよび第２抵抗器Ｒａ−ｉの各抵抗値をＲａ−ｉ、Ｒｃ−ｉと表したときのＲａ−ｉ／Ｒｃ−ｉの比率を変える。第１抵抗器Ｒｃ−ｉまたは第２抵抗器Ｒａ−ｉは、可変抵抗器であってもよい。その場合には、抵抗値を変更することで適正な減衰を行うように減衰回路３０を設計することが可能になる。なお、第１抵抗器Ｒｃ−ｉおよび第２抵抗器Ｒａ−ｉの組は、半導体集積回路として形成されていることが好ましい。これにより、減衰回路３０をコンパクトにすることができ、半導体検出器１０とＡＳＩＣ５０との間に容易に設置することができる。
【００３６】
なお、抵抗器Ｒｃ−ｉ、Ｒａ−ｉまたはコンデンサＣｃ−ｉ、Ｃａ−ｉをスイッチのＯＮ／ＯＦＦにより選択可能な構成としてもよい。これにより、抵抗器Ｒｃ−ｉ、Ｒａ−ｉまたはコンデンサＣｃ−ｉ、Ｃａ−ｉのうちいずれか効果の高い方を選ぶことが可能になる。
【符号の説明】
【００３７】
１０  半導体検出器
１１−１〜ｎ  半導体ストリップ
３０  減衰回路
３１−１〜ｎ  減衰器
５１  増幅部
５２−１〜ｎ  電荷増幅器
５３−１〜ｎ  整形器
５４−１〜ｎ  補正デジタルアナログ変換器
５５−１〜ｎ  弁別器Ａ
５６−１〜ｎ  弁別器Ｂ
５７  計数部
５８−１〜ｎ  カウンタＡ
５９−１〜ｎ  カウンタＢ
１００  Ｘ線検出モジュール
Ｃｃ−１〜ｎ  第１コンデンサ
Ｃａ−１〜ｎ  第２コンデンサ
Ｒｃ−１〜ｎ  第１抵抗器
Ｒａ−１〜ｎ  第２抵抗器
【図１】
2012013515.tif 000003
【図２】
2012013515.tif 000004
【図３】
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【図４】
2012013515.tif 000006
【図５】
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