(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速器から出射されて被試験体を透過したパルス状のＸ線を検出する半導体Ｘ線センサの出力信号を処理する工業用Ｘ線ＣＴ装置に用いるＸ線センサ信号処理回路において、
一端が前記半導体Ｘ線センサに接続され他端が接地された第１の抵抗と、前記半導体Ｘ線センサと前記第１の抵抗の接続点に一端が接続された第１のコンデンサとを備え、前記第１のコンデンサの他端に反転入力が接続されたＯＰアンプと、前記ＯＰアンプに並列に接続された第２の抵抗及び第２のコンデンサとを有する積分器を設け、前記半導体Ｘ線センサの出力信号の直流成分である暗電流が該第１のコンデンサを通して前記積分器に流れずに該第１の抵抗へ流れるよう構成され、該暗電流を除く該半導体Ｘ線センサのパルス状Ｘ線により生じる電荷は該第１のコンデンサを通過し第２のコンデンサに蓄積され、パルス状Ｘ線の照射後に前記半導体Ｘ線センサ及び第１のコンデンサのバイアス状態を定常状態に復帰するよう構成したことを特徴とするＸ線センサ信号処理回路。
【請求項２】
請求項１に記載したＸ線センサ信号処理回路において、
パルス状Ｘ線により前記半導体Ｘ線センサに生じる電荷と、前記第２のコンデンサに蓄積される電荷とが等しいことを特徴とするＸ線センサ信号処理回路。
【請求項３】
加速器から出射されて被試験体を透過したパルス状のＸ線を検出する半導体Ｘ線センサの出力信号を処理する工業用Ｘ線ＣＴ装置に用いるＸ線センサ信号処理方法において、
一端が前記半導体Ｘ線センサに接続され他端が接地された第１の抵抗と、前記半導体Ｘ線センサと前記第１の抵抗の接続点に一端が接続された第１のコンデンサとを備え、前記第１のコンデンサの他端に反転入力が接続されたＯＰアンプと、前記ＯＰアンプに並列に接続された第２の抵抗及び第２のコンデンサとを有する積分器を設け、前記半導体Ｘ線センサの出力信号の直流成分である暗電流が該第１のコンデンサを通して前記積分器に流れずに該第１の抵抗へ流れ、該暗電流を除く該半導体Ｘ線センサのパルス状Ｘ線により生じる電荷は該第１のコンデンサを通過し第２のコンデンサに蓄積され、パルス状Ｘ線の照射後に前記半導体Ｘ線センサ及び第１のコンデンサのバイアス状態を定常状態に復帰することを特徴とするＸ線センサ信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線センサ信号処理回路及びＸ線センサ信号処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、金属製部品や装置の内部欠陥などを非破壊で検査するために、高エネルギー（１ＭｅＶ以上）のＸ線パルスを用いた工業用のＸ線ＣＴ装置が開発されており、また、より大きな被試験体を高解像度で検査するために更なる研究開発が進められている。
【０００３】
Ｘ線ＣＴ装置については「H.Miyai, et al.“A High Energy X-Ray Computed Tomography Using Silicon Semiconductor Detectors”，1996 Nuclear ScienceSymposium Conference Record, Vol.2, p816-p821, Nov.2-9 1996, Anaheim, CA, USA (1997)」（以下、第１従来技術という）に記載されている。この第１従来技術に示された、Ｘ線センサの出力信号を処理する信号処理回路について図９を用いて説明する。
【０００４】
図９に示す信号処理回路１において、半導体センサ（Ｘ線センサ）２１〜２ｎは初段回路９０〜９ｎに接続されている。Ｘ線ＣＴ装置用の半導体センサは、高エネルギーのＸ線パルスを効率よく検出するために短冊形で寸法が大きく（例えば、３×４０×０.４mm)、必然的に数十ｎＡレベルの大きな暗電流を生じる。初段回路９０において、コンデンサ１１４は、電圧増幅器が暗電流による直流電圧を増幅しないように、半導体センサ２１を交流結合するためのものである。Ｘ線が半導体センサ２１に入射すると、センサ内部に電荷が発生するため、抵抗113に電流が流れる。そのときに発生する電圧変化を２段の電圧増幅器９２，９１で増幅し、サンプルホールドアンプ９４でホールドして後段の装置に出力する。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５８−１５８４７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図１０（ａ）は第１従来技術の半導体センサ２１の出力を、図１０（ｂ）は第１従来技術のサンプルホールドアンプ９４の出力をそれぞれ示す。Ｘ線パルスはパルス幅Ｔｗで出力されるので、被試験体が無いか又は透過した被試験体の厚さが薄い場合、図１０（ａ）に示すように、Ｘ線センサの出力はＸ線パルスの線量に比例した方形波の出力１０１（実線）となる。従って、サンプルホールドアンプ９４の出力は図１０（ｂ）に示すように、最初の立ち上がり部分を除いて単位時間当たりの平均フォトン数に比例した出力１０３が得られる。
【０００７】
一方、Ｘ線パルスが厚い被試験体を透過した場合、Ｘ線パルスは被試験体で減衰されて半導体センサ２１に入射するため、被試験体が設置されていない場合と比べて、入射するフォトン数は最小で４桁程度小さくなる。図１０（ａ）の出力１０２は、被試験体が厚く、入射フォトン数が少ない場合の半導体センサ２１の出力例を示す。図１０（ａ）に示されるように、半導体センサ２１の出力は一定の値にはならず、フォトンが入射した時にのみ出力波高が高くなるような波形とになる。この場合、図１０（ｂ）に出力１０４として示されるように、サンプルホールドアンプ９４の出力も一定にはならず、ホールドした値が必ずしも単位時間当たりの平均フォトン数に比例した電圧にはならない。このように、第１従来技術には、入射フォトン数が少ない場合に単位時間当たりの平均フォトン数に比例した電圧が得られないという問題点がある。
【０００８】
入射フォトン数が少ない場合でも平均フォトン数に比例した電圧を得るための技術については、特開昭５８−１５８４７号公報（以下、第２従来技術という）に記載されている。この第２従来技術は、医療用のＸ線断層撮影装置において、Ｘ線センサの出力信号からコンデンサによって直流成分を除去し、その結果得られる揺らぎ成分を２乗平均することによって平均フォトン数に比例した電圧を得ることを記載している。この手法は、２乗平均電圧法、或いはキャンベル法と呼ばれている。
【０００９】
そこで、この第２従来技術を第１従来技術に適用した場合を想定する。一般的に、第１従来技術が対象としている工業用のＸ線ＣＴ装置は、第２従来技術が対象としている医療用のＸ線断層撮影装置と比較して、使用するＸ線パルスのパルス幅が小さく（５μｓ程度）設定されるが、このようにパルス幅の小さいパルスはコンデンサでは除去することができない。従って、第１従来技術が対象としている工業用Ｘ線ＣＴ装置に第２従来技術を適用したとしても、コンデンサによって揺らぎ成分だけを取り出すことはできない。２乗平均電圧法は、揺らぎ成分だけを取り出さなければ、平均フォトン数に比例した電圧を正確に求めることができないため、上述のように第１従来技術に第２従来技術を適用したとしても、平均フォトン数に比例した電圧を正確に求めることができない。
【００１０】
本発明の目的は、Ｘ線センサ信号処理回路のハード構成を簡単化し、且つ、Ｘ線センサにおいて発生する暗電流を除去し、かつ入射フォトン数が少ない場合でもＸ線の平均フォトン数に比例した正確な値を求めることができるＸ線センサ信号処理回路及びＸ線センサ信号処理方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴は、加速器から出射されて被試験体を透過したパルス状のＸ線を検出する半導体Ｘ線センサの出力信号を処理する工業用Ｘ線ＣＴ装置に用いるＸ線センサ信号処理回路において、一端が前記半導体Ｘ線センサに接続され他端が接地された第１の抵抗と、前記半導体Ｘ線センサと前記第１の抵抗の接続点に一端が接続された第１のコンデンサとを備え、前記第１のコンデンサの他端に反転入力が接続されたＯＰアンプと、前記ＯＰアンプに並列に接続された第２の抵抗及び第２のコンデンサとを有する積分器を設け、前記半導体Ｘ線センサの出力信号の直流成分である暗電流が該第１のコンデンサを通して前記積分器に流れずに該第１の抵抗に流れるよう構成され、該暗電流を除く該半導体Ｘ線センサのパルス状Ｘ線により生じる電荷は該第１のコンデンサを通過し第２のコンデンサに蓄積され、パルス状Ｘ線の照射後に前記半導体Ｘ線センサ及び第１のコンデンサのバイアス状態を定常状態に復帰するよう構成したことにある。
【００１２】
本発明によれば、Ｘ線センサ信号処理回路のハード構成を簡単化し、且つ、Ｘ線センサにおいて発生する暗電流を除去し、かつ入射フォトン数が少ない場合でもＸ線の平均フォトン数に比例した正確な値を求めることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。
【００１４】
（実施例１）
本発明の好適な一実施例であるＸ線センサ信号処理回路を図１に示す。また、図１のＸ線センサ信号処理回路を用いたＸ線ＣＴ装置を図２に示す。
【００１５】
はじめに、図２を用いてＸ線ＣＴ装置による被破壊検査について説明する。なお、図２（ａ）は側面から見たＸ線ＣＴ装置を示し、図２（ｂ）は上方から見たＸ線ＣＴ装置を示す。図２（ａ）において、まずＣＴ制御装置９が加速器４に対してＸ線パルス出射指令を出力する。また、ＣＴ制御装置９は、Ｘ線パルス出射指令を出力するのと同時に、信号処理回路（Ｘ線センサ信号処理回路）１に対してＸ線パルス出射開始信号を出力する。加速器４はＸ線パルス出射指令が入力されると、ライナック４１によってイオンビームを加速して出射し、そのイオンビームをターゲット４２に照射することにより扇状（放射状）で高エネルギー（１ＭｅＶ以上）のＸ線を発生させる。発生させたＸ線は、コリメータ４３を通して加速器４から出射される。なお、Ｘ線はパルス幅５μｓの短いパルスで加速器４から出射されるが、Ｘ線のエネルギー及びパルス幅の制御は、ターゲット４２に照射するイオンビームのエネルギー及びパルス幅をライナック４１により制御することで行われる。
【００１６】
加速器４から出射されたＸ線パルスは、スキャナ６上に配置された被試験体５に照射され、被試験体５を透過する。図示しないが、スキャナ６にはＣＴ制御装置９より制御信号が入力されており、スキャナ６はその制御信号に応じて回転や上下動を行う。スキャナ６の回転・上下動によって、被試験体５には任意の箇所に対して様々な方向からＸ線パルスが複数回照射される。被試験体５を透過したＸ線パルスは、コリメータ７を通り、一列に並べられた半導体センサ（Ｘ線センサ）２１〜２ｎに入射される。半導体センサ２１〜２ｎにおいて、ｐｎ接合部の空乏層にＸ線が入射すると多数の電子・正孔ペアが生じ、電流が流れる。信号処理回路１は、半導体センサ２１〜２ｎに生じた電流に応じたセンサ出力データを出力する。信号処理回路１の動作については後述する。
【００１７】
データ送受信回路３は、信号処理回路１から出力されたセンサ出力データを入力し、そのセンサ出力データをＣＴ制御装置９に出力する。なお、データ送受信回路３とＣＴ制御装置９との間には遮蔽壁８があるため、両者間のデータの伝送は遮蔽壁８を貫通するケーブルを介して行われる。なお、加速器４及びスキャナ６とＣＴ制御装置９の間のデータ伝送も同様である。ＣＴ制御装置９は、入力されたセンサ出力データを用いて被試験体５の断面の透視画像を再構成し、表示装置１０に表示させる。
【００１８】
以上のようにして、被試験体５の断面の透視画像が得られる。
【００１９】
次に、図１を用いて信号処理回路１について説明する。図１において、半導体センサ２１〜２ｎは、各々初段回路１１１〜１１ｎに接続される。なお、初段回路１１２（図示しない）〜１１ｎは初段回路１１１と同じ構成であるので、ここでは初段回路１１１についてのみ説明する。
【００２０】
初段回路１１１において、半導体センサ２１の一端には、半導体センサ２１に逆バイアスをかける向きでバイアス電源１１８が接続され、他端には抵抗１１９が接続される。なお、抵抗１１９の他端は接地されている。また、半導体センサ２１と抵抗１１９の接続部にはコンデンサ１１４が接続される。コンデンサ114の他端は、ＯＰアンプ１１５の反転入力に接続され、ＯＰアンプ１１５には並列に抵抗１１６及びコンデンサ１１７が接続される。ＯＰアンプ１１５，抵抗116及びコンデンサ１１７は積分回路を構成している。以下、ＯＰアンプ１１５，抵抗１１６及びコンデンサ１１７をまとめて積分器という。初段回路１１１は以上のように構成される。
【００２１】
従来の技術で述べたように、半導体センサ２１では数十ｎＡ程度の暗電流が発生する。しかし、この暗電流は直流成分であるため、コンデンサ１１４を通して積分器側に流れ込むことはなく、抵抗１１９の方へ流れる。初段回路１１１ではこのようにして暗電流が除去される。
【００２２】
半導体センサ２１がＸ線パルスを検出した場合、Ｘ線パルスはパルス幅が５
μｓとなっているので、半導体センサ２１の出力電流の周波数帯域は数十ｋＨｚ以上となり、そのため、その出力電流はコンデンサ１１４を通過して積分器側に流れ込む。ＯＰアンプ１１５の反転入力はイマジナリショートであるので、出力電流は抵抗１１６にはほとんど流れずにコンデンサ１１７に流れ込み、コンデンサ１１７において電荷が蓄積される。半導体センサ２１におけるＸ線パルスの検出が終わると、半導体センサ２１からの出力電流は直流成分の暗電流のみとなるので、コンデンサ１１７に蓄積された電荷が、抵抗１１６とコンデンサ１１７で決まる時定数に従って放電（減衰）していく。なお、抵抗１１６の抵抗値Ｒ及びコンデンサ１１７のキャパシタンスＣの決定方法、つまり時定数の決定方法については後述する。
【００２３】
図３（ａ）は半導体センサ２１の出力電流波形を示し、図３（ｂ）はＯＰアンプ１１４，抵抗１１５及びコンデンサ１１６からなる積分器の出力電圧波形を示す。図３（ａ）において、出力波形３１（実線）は、被試験体５を透過しなかったＸ線パルスが入射した場合の半導体センサ２１の出力波形を示し、一方の出力波形３２は、被試験体５の厚い部分を透過したために半導体センサ２１に入射するＸ線パルスの入射フォトン数が数個程度まで低下した場合の半導体センサ２１の出力波形を示す。従来の技術で説明したように、Ｘ線パルスが被試験体５を透過しなかった場合には、半導体センサ２１の出力波形はＸ線パルスの線量に比例した方形波となり、Ｘ線パルスが被試験体５の厚い部分を透過した場合には、フォトンが入射した時にのみ出力波高が高くなるような出力波形になる。
【００２４】
これに対する積分器出力は、図３（ｂ）に示すように、Ｘ線パルスが被試験体５を透過しなかった場合には、半導体センサ２１から電流が出力されている間ほぼ直線的に増加し、その後、徐々に放電していく（出力３３：実線）。一方、Ｘ線パルスが被試験体５の厚い部分を透過した場合には、半導体センサ２１の出力が積分され、入射したフォトン数に比例した電圧が得られる。つまり、Ｘ線パルスが被試験体５の厚い部分を透過した場合に半導体センサ２１の出力波形が時間と共に変化したとしても、本実施例では積分器を用いた積分値を求めるため、入射したフォトン数に比例した電圧を得ることができる。
【００２５】
このように本実施例の初段回路１１１によれば、Ｘ線パルスが被試験体５を透過したか否かにかかわらず、Ｘ線の平均フォトン数に比例した電圧を正確に求めることができる。また、本実施例において積分器は、第１従来技術のサンプルホールドアンプの役割を兼ねているため、本実施例ではサンプルホールドアンプを設ける必要がない。更に、本実施例では、Ｘ線パルスにより生じる電荷は全てコンデンサ１１７に蓄積されるため、Ｘ線パルス照射終了後に半導体センサ２１やコンデンサ１１４のバイアス状態は即座に定常状態に復帰する。よって、リセットスイッチを設ける必要がない。このように本実施例の初段回路１１１によれば、ハード構成を簡単化することができる。なお、前述したように、初段回路112〜１１ｎについても初段回路１１１と同様である。
【００２６】
初段回路１１１〜１１ｎの出力端（積分器の出力端）は、マルチプレクサ１３のスイッチ１３１〜１３ｎに各々接続される。制御回路１２は、Ｘ線パルスの照射開始から１０μｓ後にスイッチ１３１に対して「閉」指令を出力する。なお、制御回路１２には、ＣＴ制御装置９から出力されたＸ線パルス出射開始信号がデータ送受信回路３及びバス１７を介して入力されるので、制御回路１２はＸ線パルス出射開始信号が入力されたときに照射が開始されたとして、その１０μｓ後に「閉」指令を出力する。「閉」指令を受けたスイッチ１３１は閉じられ、初段回路１１１の出力信号はＡＤコンバータ１４に出力される。制御回路１２は、スイッチ１３１〜１３ｎが５μｓおきに順番に閉じるように「開」指令及び「閉」指令を出力する。
【００２７】
次に、制御回路１２は、ＡＤコンバータ１４に対してＡＤ変換指令を出力する。ＡＤ変換指令が入力されたＡＤコンバータ１４は、初段回路１１１の出力信号をディジタルの出力信号にＡＤ変換する。ＡＤ変換により得られた出力信号は、制御回路１２により、バス１７を介してメモリ１５に記憶される。なお、メモリ１５には、予め半導体センサ２１〜２ｎ（初段回路１１１〜１１ｎ）の各々に対応した格納領域が設けられており、上記出力信号は半導体センサ２１に対応した格納領域に記憶される。
【００２８】
続いて、制御回路１２は、Ｘ線パルスの照射開始から１５μｓ後、すなわちスイッチ１３１に対して「閉」指令を出力してから５μｓ後に、スイッチ１３１に対して「開」指令を出力すると共にスイッチ１３２に対して「閉」指令を出力する。「開」指令を受けたスイッチ１３１は開き、「閉」指令を受けたスイッチ
１３２は閉じる。スイッチ１３２が閉じられたことにより、初段回路１１２の出力信号がＡＤコンバータ１４に出力される。次に、制御回路１２は、ＡＤコンバータ１４に対してＡＤ変換指令を出力し、ＡＤコンバータ１４は初段回路１１２の出力信号をディジタルの出力信号にＡＤ変換する。ＡＤ変換により得られた出力信号は、制御回路１２によりバス１７を介してメモリ１５の半導体センサ２２に対応する格納領域に記憶される。
【００２９】
以下、初段回路１１３〜１１ｎに対しても初段回路１１１，１１２と同様の処理が行われる。
【００３０】
ここで、初段回路１１１〜１１ｎの出力信号は、Ｘ線パルスの照射が終了してから一定時間経過した時点での出力信号であり、Ｘ線パルス照射終了直後の出力信号よりも小さな値となる。つまり、初段回路１１１〜１１ｎの各積分器の出力電圧は、前述のように、抵抗１１６の抵抗値Ｒとコンデンサ１１７のキャパシタンスＣとの積で決まる時定数で減衰するため、時間と共にその値が小さくなっていく。そこで、本実施例では、メモリ１５に記憶された出力信号を補正してＸ線パルス照射終了直後の出力信号を求める。
【００３１】
Ｘ線パルス照射終了直後の出力信号値Ｖ０は（数１）で表わされる。
【００３２】
【数１】
Ｖ０＝Ｖ（ｔ）×exp(ｔ／τ）                              …（数１）
ここで、ｔ：Ｘ線パルス照射終了直後からの時間、Ｖ（ｔ）：時間ｔにおける出力信号値、τ：時定数である。初段回路１１１の場合、Ｘ線パルス照射終了直後から出力信号を測定するまでの時間は５μｓであるため、ｔ＝５μｓとなる。なお、前述のようにスイッチ１３１〜１３ｎは５μｓ毎に閉じられるので、初段回路１１２の場合はｔ＝１０μｓ、初段回路１１３の場合はｔ＝１５μｓ，…、というように、各初段回路１１１〜１１ｎに対するｔは予め求めることができる。また、時定数τも、抵抗１１６の抵抗値Ｒとコンデンサ１１７のキャパシタンスＣとの乗算により予め求められる。よって（数１）に基づいてＸ線パルス照射終了直後の出力信号値Ｖ０を求めることが可能である。
【００３３】
本実施例では、exp(ｔ／τ）のｔ及びτに値を代入し、それを半導体センサ
２１〜２ｂ（初段回路１１１〜１１ｎ）用の補正係数として補正係数メモリ１６に予め記憶しておく。メモリ１５の半導体センサ２１〜２ｎに対する格納領域に記憶された各出力信号は、制御回路１２により予め補正係数メモリ１６に記憶しておいた各補正係数を用いてＸ線パルス照射終了直後の出力信号値Ｖ０に補正され（出力信号に補正係数を乗算する）、メモリ１５の半導体センサ２１〜２ｎに対応する各格納領域に上書きされる。メモリ１５に記憶された出力信号は、ＣＴ制御装置９からの要求に応じて、センサ出力データとしてデータ送受信回路３へ出力される。
【００３４】
以上説明した処理が、Ｘ線パルスの一回の照射毎に繰り返される。ここで、初段回路１１１〜１１ｎの出力信号、すなわち積分回路の出力信号は、初段回路
１１ｎの出力信号がＡＤコンバータ１４によりＡＤ変換されるまでは保持されていなければならないが、次のＸ線パルスの照射までには０になっていなければならない。よって、抵抗１１５及びコンデンサ１１６によって決まる積分器の時定数を適切な値に設定しておく必要がある。
【００３５】
以下、本実施例における抵抗１１５の抵抗値Ｒ及びコンデンサ１１６のキャパシタンスＣの決定方法を説明する。抵抗１１５の抵抗値Ｒ及びコンデンサ１１６のキャパシタンスＣを決定する際に考慮しなければならない事項は次の５点である。
【００３６】
（１）半導体センサ２１〜２ｎが発生する最大電荷量：Ｑmax〔Ｃ〕
（２）測定に必要なダイナミックレンジ：ｍ〔桁〕
（３）ＡＤコンバータ１４の入力レンジ（最大入力電圧）：Ｖfs〔Ｖ〕
（４）必要分解能：ｎ〔bit〕
（５）Ｘ線パルスの繰返し周期：Ｔｐ〔ｓ〕
Ｘ線パルスが被試験体５を透過しない場合に半導体センサ２１〜２ｎの出力はＱmax になるが、その際に初段回路１１１〜１１ｂの出力電圧はＡＤコンバータ１４の入力レンジＶfsを超えてはいけない。また、次のＸ線パルスが入射するまでの時間Ｔｐ（本実施例では５ｍｓに設定）には初段回路１１１〜１１ｎの出力信号は必要分解能ｎに対応する電圧以下まで減衰していなければいけない。
【００３７】
積分器の最大出力Ｖmaxは、（数２）で定まる。
【００３８】
【数２】
Ｖmax＝Ｑmax／Ｃ                                          …（数２）
このＶmax がＡＤコンバータ１４の入力レンジＶfsを超えては計測ができないので、Ｖmax≦Ｖfsが成り立たなければならない。
【００３９】
従って、（数２）より、（数３）が導き出される。
【００４０】
【数３】
Ｃ≧Ｑmax／Ｖfs                                           …（数３）
また、Ｖmax よりｍ桁小さい値を測定できるだけのＡＤコンバータ１４の分解能が必要であるから、簡単のためＡＤコンバータ１４によるディジタル変換を行うまでの信号の減衰を無視すると、（数４）が成り立たなければならない。
【００４１】
【数４】
Ｖmax×１０-m＝Ｑmax／Ｃ×１０-m＞Ｖfs／２n               …（数４）
一方、積分器の出力は時定数τ＝Ｒ×Ｃで減衰するので、積分器の最大出力
Ｖmax は、時刻ｔにおいて（数５）で示すように減衰する。
【００４２】
【数５】
Ｖ（ｔ）＝Ｖmax×exp(−ｔ／τ）                           …（数５）
測定分解能がｎ〔bit〕 必要な場合には、次のＸ線パルスが入射するまでの時間ＴｐにはＶ（ｔ）が要求される分解能に対応する電圧以下に減衰していなければいけないので、（数６）が満たされなければならない。
【００４３】
【数６】
Ｖ（Ｔｐ）＝Ｖmax×exp(−Ｔｐ／τ）≦Ｖmax／２n           …（数６）
したがって、時定数τは（数７）となる。
【００４４】
【数７】
τ＝Ｒ×Ｃ≦Ｔｐ／（ｎ＋ｌｎ２）                          …（数７）
また、（数３），（数４）と（数７）の関係から、Ｃは（数８）となる。
【００４５】
【数８】
Ｑmax／Ｖfs≦Ｃ≦min｛（Ｑmax×１０-m×２n）／Ｖfs，Ｔｐ
／（Ｒ（ｎ＋ｌｎ２））｝                                …（数８）
なお関数ｍｉｎは、因数のどちらか小さい方を選択するという意味である。本実施例では適用対象が工業用のＸ線ＣＴ装置であるので、Ｘ線パルスの周期Ｔｐは加速器のトリガーを制御することにより一定にできる。一般的な１０〔Ｖ〕フルレンジ（Ｖfs＝１０〔Ｖ〕）のＡＤコンバータを用いて１４ビット分機能（ｎ＝１４）の精度を必要とする場合、本実施例ではセンサの最大電荷量は１５０〔ｐＣ〕程度(Ｑmax＝１５０〔ｐＣ〕）であるから、抵抗値Ｒを１０〔ＭΩ〕とすると、（数８）から１５〔ｐＦ〕＜Ｃ＜３４〔ｐＦ〕の範囲にＣを設定すればよいことがわかる。このように、抵抗１１６の抵抗値Ｒを決定すれば、（数８）を用いてコンデンサ１１７のキャパシタンスＣの適切な値を計算により求めることができる。
【００４６】
図４は、制御回路１２の動作を示すフローチャートである。制御回路１２は、データ送受信回路３からのＸ線パルス出射開始信号が入力されたか否かを判定し、入力された場合にはステップ４０２へ進み、入力されていない場合には入力されるまでステップ４０１の判定を繰り返す（ステップ４０１）。Ｘ線パルス出射開始信号が入力されると、一定の遅延時間（本実施例では１０μｓ）を経て（ステップ４０２）、半導体センサ２１〜２ｎの出力信号の処理を開始する。
【００４７】
まず、出力信号の処理を行う半導体センサの番号を示すｉを１に設定する（ステップ４０３）。次に、マルチプレクサ１３のスイッチ１３ｉに対して「閉」指令を出力し（ステップ４０４）、ＡＤコンバータ１４にはＡＤ変換指令を出す（ステップ４０５）。ＡＤコンバータ１４によるＡＤ変換が終了したらそのデータをメモリ１５に格納し（ステップ４０６）、マルチプレクサ１３のスイッチ１３ｉに対して「開」指令を出力する(ステップ４０７)。続いて、ｉ＝ｎか否かを（全ての半導体センサ２１〜２ｎについて測定を行ったかを）判断し（ステップ４０８）、ｉ＝ｎならばステップ４０９へ進み、ｉ≠ｎならばステップ４１０へ進む。ステップ４１０では、ｉ＝ｉ＋１を演算し、ステップ４０４へ戻る。
【００４８】
このようにして半導体センサ２１〜２ｎの各々の出力信号をＡＤ変換してメモリ１５に記憶したら、次にメモリ１５に記憶された出力信号を補正係数メモリ１６に格納されている補正係数により補正し、再びメモリ１５に上書きする（ステップ４０９）。そして、データ送受信回路３からのデータ送信要求信号を受信したか否かを判定し(ステップ４１１)、受信したと判定した時点でメモリ１５に記憶した補正済みの出力信号をデータ送受信回路３に送信する(ステップ４１２)。データの送信が終了したら再びステップ４０１に戻る。制御回路１２のこのような処理によって、半導体センサ２１〜２ｎの出力信号の処理が行われる。
【００４９】
なお、本実施例では、ステップ４０８とステップ４１１の間にステップ４０９のデータの補正を行っているが、ステップ４０６とステップ４０７の間に行うこともできる。つまり、１つの半導体センサの出力信号を処理するたびに補正を行うことも可能である。しかしながら、データの補正を行う間にも積分器の出力は減衰していくので、本実施例のように、全ての半導体センサ２１〜２ｎの出力信号をメモリに記憶してから一度に補正を行った方が精度の良い測定ができる。
【００５０】
以上説明したように、本実施例によれば、半導体センサ２１〜２ｎの出力電流から直流成分を除去するコンデンサ１１４を備えることにより、半導体センサ２１〜２ｎにおいて発生する暗電流を除去することができる。また、ＯＰアンプ１１５，抵抗１１６及びコンデンサ１１７からなる積分器を備えることにより、入射フォトン数が少ない場合でも積分器によって積分することで、Ｘ線の平均フォトン数に比例した値を正確に求めることができる。
【００５１】
また、本実施例では、新たに補正係数メモリ１６が設けられているが、メモリ１５と補正係数メモリ１６は１チップで十分収められるので、補正係数メモリ１６の追加によるハードウェアの増加はない。従って、本実施例と第１従来技術のハードウェア量を比較すると、第１従来技術では半導体センサ１個あたりにＯＰアンプ２個とサンプルホールドアンプ１個の計３個のＩＣが必要とされるのに対し、本実施例では半導体センサ１個あたりにＯＰアンプ１個のＩＣがあればよく、ＩＣの数が３分の１となる。半導体センサ数が多いことを考えると、本実施例は第１従来技術に比べて信号処理回路のハードウェア量を全体で半減させることができる。このように本実施例によれば、信号処理回路のハードウェア量を低減し、製作コストを低減することができる。
【００５２】
なお、以上説明した本実施例の信号処理回路１を複数の回路基板に分け、各回路基板で並列処理を行うことによって、処理時間を短縮することも可能である。図８は、５つの信号処理回路１ａ〜１ｅを使用する場合の構成を示す。なお、信号処理回路１ａ〜１ｅは、それぞれ別々の回路基板である。また、図に示すように、バス１７は各信号処理回路１ａ〜１ｅに共通で設けられる。この場合、データ送受信回路３へのデータ送信をのぞいて、各信号処理回路１ａ〜１ｅは並列して動作することが出来るので、信号処理が速く、すなわち初段回路の出力信号が減衰する前に精度の良い測定が行える。なお、データ送受信回路３へのデータ送信はデータ送受信回路３からの要求に基づいてなされるため、混信することはない。また、信号処理回路に予めアドレスさえ割り振っておけば、回路基板数は幾つでも増すことができる。
【００５３】
以上説明した本実施例では、５μｓ毎に各初段回路１１１〜１１ｎの出力信号を処理しているが、ＡＤコンバータ１４におけるＡＤ変換に要する時間を短くすることができれば、処理の間隔を短くしてもよい。また、制御回路２９は、ディジタル回路を組み合わせて作製してもよいが、１チップマイクロコンピュータを利用することもできる。なお、初段回路１１１〜１１ｎにおいて、各電子回路への電源供給回路は図示していないが、各電子回路に電源供給回路が接続されていることは言うまでもない。
【００５４】
（実施例２）
本発明の他の実施例である信号処理回路について図５を用いて以下に説明する。本実施例では、ＡＤコンバータの中にサンプルホールド回路やマルチプレクサが組み込まれたデータ収集用ＩＣを用いる点で実施例１と異なる。以下、実施例１と異なる箇所について説明する。
【００５５】
図に示すように、データ収集用ＩＣ５０は、サンプルホールド回路５１〜５ｎ，マルチプレクサ用のスイッチ１３１〜１３ｎ，ＡＤコンバータ１４及びメモリ１５を備えている。初段回路１１１〜１１ｎから出力された出力信号は、データ収集用ＩＣのサンプルホールド回路５１〜５ｎに入力され、直ちにホールドされる。ホールドされた出力信号は、スイッチ１３１〜１３ｎを介してＡＤコンバータ１４に入力されてＡＤ変換された後、メモリ１５に記憶される。なお、スイッチ１３１〜１３ｎ，ＡＤコンバータ１４及びメモリ１５の制御方法は実施例１と同様である。
【００５６】
本実施例でも、実施例１と同様に、コンデンサ１１４により半導体センサ２１〜２ｎにおいて発生する暗電流を除去することができ、また、入射フォトン数が少ない場合でも積分器により積分することでＸ線の平均フォトン数に比例した値を正確に求めることができる。また、サンプルホールド回路５１〜５ｎによりＸ線照射直後の出力信号がホールドされるため、実施例１で説明したような出力信号の補正は必要なく、よって補正係数メモリ１６が不要となる。なお、サンプルホールド回路５１〜５ｎは、初段回路１１１〜１１ｎ側に設けても良い。
【００５７】
（実施例３）
本発明の他の実施例である信号処理回路について図６を用いて以下に説明する。本実施例は、データ収集用ＩＣの中に対数変換回路を付加した点で実施例２と異なる。以下、実施例２と異なる箇所について説明する。
【００５８】
データ収集用ＩＣ６０において、サンプルホールド回路５１〜５ｎでホールドされた出力信号は、各々対数変換回路６１〜６ｎに入力される。各対数変換回路６１〜６ｎは、それぞれ入力された出力信号を対数値に変換して出力する。ＣＴ制御装置９において、透視画像を再構成する計算で必要とされるデータは対数値のデータである。従って、信号処理回路１において予め対数変換を行うことによって、ＣＴ制御装置９では対数変換を行う必要が無くなり、ＣＴ制御装置９における演算を簡単化することができる。なお、本実施例では対数変換を行うための対数変換回路６１〜６ｎを設けたが、制御回路１２によりデータ送信前にソフト的に演算してもよい。
【００５９】
（実施例４）
本発明の他の実施例である信号処理回路について図７を用いて以下に説明する。なお、本実施例については主に実施例１と異なる箇所を説明する。
【００６０】
図７の初段回路７０において、半導体センサ２１と抵抗１１９との接続点には、スイッチ７１とスイッチ７２が並列に接続されている。スイッチ７１の他端には更にスイッチ７３が接続され、スイッチ７１とスイッチ７３の接続点には他端が接地されたコンデンサ７４が接続される。一方、スイッチ７２の他端にも更にスイッチ７５が接続され、スイッチ７２とスイッチ７５の接続点には他端が接地されたコンデンサ７６が接続される。
【００６１】
この初段回路７０の動作について説明する。Ｘ線パルスの照射が開始される前は、スイッチ７１及びスイッチ７２は両方とも閉じられており、スイッチ７３及びスイッチ７５は開かれている。そしてＸ線パルスの照射が開始されると同時に、スイッチ７１が開かれる。一方のスイッチ７２はＸ線パルスの照射中も閉じられたままであり、スイッチ７３及びスイッチ７５はＸ線パルスの照射中も開かれたままである。Ｘ線パルスの照射中にスイッチ７２が閉じられていることにより、コンデンサ７６にはＸ線の入射により半導体センサ２１に発生した電流と暗電流による電荷が蓄積（積分）される。Ｘ線パルスの照射が終了すると、スイッチ７１が閉じられる。Ｘ線の照射が終了した後、スイッチ７１が閉じられることによって、コンデンサ７４には暗電流による電荷が蓄積（積分）される。なお、本実施例では、抵抗１１９の抵抗値を１〔ＭΩ〕と大きくとり、コンデンサ７４，７６のキャパシタンスを半導体センサ２１の容量１００〔ｐＦ〕と同じにすることによって、Ｘ線パルスにより生じた電流が抵抗１１９に流れるのを防ぎ、半導体センサ２１とコンデンサ７６に均等に流れるようにしている。
【００６２】
次に、スイッチ７３及び７５が閉じられることによって、コンデンサ７４及び７６に蓄積された電荷に応じた電流がスイッチ７３及び７５を介して後段の回路に流れる。スイッチ７３には、ＯＰアンプ８１，抵抗８２及びコンデンサ８３からなる増幅器が接続され、スイッチ７５には、ＯＰアンプ８４，抵抗８５及びコンデンサ８６からなる増幅器が接続される。両増幅器は、各々の入力信号を同じ増幅率で増幅し、減算器８７に出力する。減算器８７は、入力された２つの増幅器の出力信号の減算を行い、その結果をサンプルホールド回路８８に出力する。すなわち、減算器８７は、Ｘ線の入射により半導体センサ２１に発生した電流と暗電流に対応した電圧と、暗電流に対応した電圧との差を求める。よって、減算器８７の出力は、Ｘ線の入射により半導体センサ２１に発生した電流に対応した電圧となる。サンプルホールド回路８８は、入力された減算器８７の出力信号をホールドし、ＡＤコンバータ１４に出力する。ＡＤコンバータ１４は、入力された出力信号をＡＤ変換する。
【００６３】
本実施例によれば、Ｘ線の入射により半導体センサ２１〜２ｎに発生した電流と暗電流に対応した電圧と、暗電流に対応した電圧との差を求める減算器８７により、半導体センサ２１〜２ｎにおいて発生する暗電流に対応する電圧を除去し、Ｘ線の入射により発生した電流に対応した電圧を正確に求めることができる。これは、入射フォトン数が多いか少ないかにかかわらない。
【００６４】
なお、本実施例のスイッチ７１，コンデンサ７４，スイッチ７３、及びＯＰアンプ８１を用いた増幅回路は省略することができる。その場合には、被試験体の測定を開始する前に、Ｘ線を照射しない状態で暗電流に応じた電圧を測定し、メモリ１５に記憶しておく。被試験体の測定時は、記憶しておいた暗電流に応じた電圧を測定値から差し引くことにより、Ｘ線の入射により発生した電流に対応した電圧を正確に求めることができる。
【００６５】
以上説明した各実施例では、暗電流を除去するためにコンデンサを用いていたが、直流成分を除去するフィルタであれば、コンデンサに限らず適用可能である。また、各実施例は高エネルギーのＸ線パルスを用いるＸ線ＣＴ装置を対象としているためにＸ線センサとして半導体センサを用いたが、センサとしてシンチレータ光や蛍光を測定するためのフォトダイオード等を適用することもできる。更に、Ｘ線をパルス状に出力し、それを計測する装置であれば、Ｘ線ＣＴ装置に限らず各実施例の信号処理回路を適用することができる。
【００６６】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｘ線センサ信号処理回路のハード構成を簡単化し、Ｘ線センサにおいて発生する暗電流を除去することができ、また、入射フォトン数が少ない場合でも平均フォトン数に比例した値を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な一実施例である信号処理回路の構成図である。
【図２】本発明の好適な一実施例であるＸ線ＣＴ装置の構成図である。
【図３】図１の半導体センサ２１の出力電流波形、及び積分器の出力電圧波形を示す図である。
【図４】図１の制御回路１２の動作を示すフローチャートである。
【図５】本発明の他の実施例である信号処理回路の構成図である。
【図６】本発明の他の実施例である信号処理回路の構成図である。
【図７】本発明の他の実施例である信号処理回路の構成図である。
【図８】図１の実施例において、５つの信号処理回路１ａ〜１ｅを用いた場合の構成図である。
【図９】第１従来技術の信号処理回路の構成図である。
【図１０】図９の半導体センサ２１の出力電流波形、及び図９のサンプルホールドアンプ９４の出力電圧波形を示す図である。
【符号の説明】
１…信号処理回路、３…データ送受信回路、４…加速器、５…被試験体、６…スキャナ、７…コリメータ、８…遮蔽壁、９…ＣＴ制御装置、１０…表示装置、１２…制御回路、１４…ＡＤコンバータ、１５…メモリ、１６…補正係数メモリ、１７…バス、２１〜２ｎ…半導体センサ、１１１〜１１ｎ…初段回路、１３１〜１３ｎ…スイッチ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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