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技術 放射線撮像装置用のスイッチング/脱分極電源装置

出願人 オイアジャト,リミテッド
発明者 スパルチオチス,コンスタンチノス,イー.マンニスト,オリ
出願日 2003年12月11日 (17年2ヶ月経過) 出願番号 2004-560773
公開日 2006年4月20日 (14年9ヶ月経過) 公開番号 2006-513406
状態 拒絶査定
技術分野 放射線の測定 固体撮像素子 受光素子1(共通事項、放射線検出)
主要キーワード 内部電源装置 電流リミタ 低電圧電源装置 コンディショニング回路 低電圧電源回路 高電圧スイッチング回路 周囲電 ブリード回路
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重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2006年4月20日)のものです。
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図面 (10)

課題・解決手段

X線ガンマ線撮像カメラ用の高電圧スイッチング電源装置(10)は高電圧スイッチングおよび脱分極能力を与える。電源装置は高電圧分極スイッチングおよび画像検出器電荷ブリード回路(90)を含み、Cd−Te系検出器基板、特に検出器材料電荷蓄積撮像効率を低下するブロックされたコンタクトを有する基板を利用する高エネルギ放射線撮像カメラで特に有用である。

概要

背景

本発明は、撮像X線信号用のテルル化カドミウム(Cd−Te、Cd−Zn−Teも含む)系放射線検出器を有する、動態撮像カメラDIC)または走査カメラSCAN)に関する。撮像X線信号用のCd−Te系検出器は当業界で公知であり、高エネルギ放射線撮像には特に有用である。高エネルギ放射線撮像は、1.0KeV以上の範囲のX線およびガンマ線放射を含む。一般的に、これらの検出器は一つの面上にブロッキングコンタクトを、別の面上に画素コンタクトを有する。次に、画素コンタクトは電荷集積特定用途向け集積回路ASIC)にバンプ接合される。ブロッキングコンタクトは、検出器の暗電流または周囲電流を3分の1ないし10分の1に低減するように働く。低い暗電流は、入射X線(信号)に対する高い感度を意味する。

しかし、ブロッキングコンタクトを有するCd−Te検出器には問題が存在することがあり得る。そのようなコンタクト(例えばインジウム系ブロッキングコンタクト)は、数秒後の動作後つまり1ないし数百秒後に分極することがある。分極とは、検出器が信号を失い始め、画像が精細度または鮮明さを失ってぼやけることを意味する。分極は、Cd−Te検出器の材料バルク内部の漸進的電荷トラップのために発生する。以前は、分極効果のため、このX線撮像モードでCd−Te検出器材料を数秒を越えて使用することはできなかった。

したがって、Cd−Te系放射線検出器を利用する高エネルギX線撮像システムにおける電荷トラップの影響を防止または克服するための手段を持つことは、この分野で有用であろう。

概要

X線/ガンマ線撮像カメラ用の高電圧スイッチング電源装置(10)は高電圧スイッチングおよび脱分極能力を与える。電源装置は高電圧分極スイッチングおよび画像検出器電荷ブリード回路(90)を含み、Cd−Te系検出器基板、特に検出器材料の電荷蓄積は撮像効率を低下するブロックされたコンタクトを有する基板を利用する高エネルギ放射線撮像カメラで特に有用である。

目的

本脱分極HVスイッチング電源装置は、ブロッキングコンタクトの有無に関わらず、Cd−Te系放射線検出器を付勢するのに有用な高低両方の電圧を提供する

効果

実績

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請求項1

高エネルギ撮像カメラ内のテルル化カドミウム放射線検出器ユニットと、電荷流出手段を備えた脱分極スイッチング高電圧電源装置10であって、前記放射線検出器ユニットと電気的に接続された電源装置10と、を備えた高エネルギX線撮像システム

請求項2

前記脱分極電源装置10が、外部電源20に接続され、調整された電力を前記電源装置10の他の回路に伝達するための主動作電圧電力接続部22を提供する、外部電源コンディショニング回路18と、前記動作電力接続部22と電気的に接続され、前記スイッチング電源10の他の回路に必要な低い正および負電圧電力を提供する内部電源装置30と、前記動作電力接続部22と電気的に接続され、前記検出器ユニットを動作させるための低DC電圧を生成しかつ提供する低電圧電源回路50と、前記動作電力接続部22と電気的に接続され、高電圧スイッチ回路90に伝達するために高電圧バイアス出力72に高バイアス電圧を発生しかつ提供する高電圧電源装置70と、前記動作電力接続部22と電気的に接続され、高速オン/高速オフスイッチであり、信号入力94における適切な信号の存在に応答してHVスイッチ出力92に高DC電圧バイアスおよび低い反対極性のDCブリード電圧を交互に提供する高電圧スイッチ90であって、前記HVスイッチ出力92の低い反対極性のDCブリード電圧が前記検出器ユニットを脱分極するためのブリード手段を構成して成る高電圧スイッチ90と、を備えて成る、請求項1に記載の高エネルギ撮像ステム

請求項3

前記高電圧スイッチ90が、信号入力94における信号の存在に応答して、HVスイッチ出力92に高い正のDC電圧バイアスおよび低い負のDCブリード電圧を交互に提供して成る、請求項2に記載の高エネルギ撮像システム。

技術分野

0001

本発明は、2003年12月13日に出願された先行出願米国仮出願シリアルNo.60/433457の利益を主張し、それに対して本願は正規の米国国内特許出願である。
本発明は、X線およびガンマ線放射線のデジタル撮像の分野に関する。さらに詳しくは、本発明はデジタルX線およびガンマ線撮像装置用のスイッチング型電圧電源に関する。

背景技術

0002

本発明は、撮像X線信号用のテルル化カドミウム(Cd−Te、Cd−Zn−Teも含む)系放射線検出器を有する、動態撮像カメラDIC)または走査カメラSCAN)に関する。撮像X線信号用のCd−Te系検出器は当業界で公知であり、高エネルギ放射線撮像には特に有用である。高エネルギ放射線撮像は、1.0KeV以上の範囲のX線およびガンマ線放射を含む。一般的に、これらの検出器は一つの面上にブロッキングコンタクトを、別の面上に画素コンタクトを有する。次に、画素コンタクトは電荷集積特定用途向け集積回路ASIC)にバンプ接合される。ブロッキングコンタクトは、検出器の暗電流または周囲電流を3分の1ないし10分の1に低減するように働く。低い暗電流は、入射X線(信号)に対する高い感度を意味する。

0003

しかし、ブロッキングコンタクトを有するCd−Te検出器には問題が存在することがあり得る。そのようなコンタクト(例えばインジウム系ブロッキングコンタクト)は、数秒後の動作後つまり1ないし数百秒後に分極することがある。分極とは、検出器が信号を失い始め、画像が精細度または鮮明さを失ってぼやけることを意味する。分極は、Cd−Te検出器の材料バルク内部の漸進的電荷トラップのために発生する。以前は、分極効果のため、このX線撮像モードでCd−Te検出器材料を数秒を越えて使用することはできなかった。

0004

したがって、Cd−Te系放射線検出器を利用する高エネルギX線撮像システムにおける電荷トラップの影響を防止または克服するための手段を持つことは、この分野で有用であろう。

0005

テルル化カドミウム(Cd−Te)系DIC検出器は一般的に、適切に動作するために高電圧HVバイアス電位を必要とする。残念ながら、そのような検出器はすぐに電荷を蓄積し、分極状態になる。分極電荷はHVバイアス電位を弱め、カメラ撮像装置の動作および画像品質に悪影響を及ぼす。ひとたび分極状態になると、検出器ユニットは「リフレッシュ」動作、つまりトラップまたは蓄積された電荷が流出し、検出器ユニットが脱分極して装置の動作効率回復することが必要になる。

0006

本発明は、Cd−Te系検出器(CdZnTe系検出器も含む)を備えた高エネルギX線カメラ撮像装置用の高電圧(HV)スイッチング電源装置である。そのようなX線撮像カメラは一般的に、CMOS基板に結合され、電源装置と組み合わせてインタフェース信号処理ボードに装着される検出器基板を備える。カメラからの出力は一般的に、画像処理のためにコンピュータに伝達される。本発明の脱分極スイッチングHV電源装置は、そのようなX線撮像カメラ用の電源装置として意図されている。

0007

本HVスイッチング電源装置は、動態撮像カメラX線撮像システムおよび走査カメラ/センサ撮像システムにおけるCd−Te検出器(特にブロッキングコンタクトを有するもの)の使用を可能にする。HV電源装置は、X線撮像システムのCd−Te検出器にHVを供給するために使用される。HV電源装置のHV出力は、ユーザ定義間隔で切替え可能(オンオフ)である。例えば、数秒毎にスイッチング電源装置のHV出力は自動的に数ミリ秒間オフになり、ついで非常にすばやく再びオンになることを繰り返す。HV出力がオフになると、検出器にトラップされた電荷は流出することができ、それは検出器の分極を無効にし、あるいは防止する。これは電荷の蓄積およびブロッキングコンタクトを有するCd−Te検出器の分極を防止する。分極の防止は、Cd−Te型検出器DIC撮像装置の連続使用を可能にし、かつ、インライン撮像つまり非破壊試験または自動X線検査システムにそのような装置を使用することを可能にする。

0008

本脱分極HVスイッチング電源装置は、ブロッキングコンタクトの有無に関わらず、Cd−Te系放射線検出器を付勢するのに有用な高低両方の電圧を提供する。Cd−Te系放射線検出器の一般的に低および高電圧要件は、当業界で公知である。例えば、Cd−Te系検出器の低バイアス電圧要件は、検出器の内部回路を動作するためのDC+/−1.0Vないし+/−15.0V程度である。本HVスイッチング電源装置はまた、検出器を駆動するためにDC+80VないしDC+450Vの調整可能な高バイアス電圧をも提供する。

0009

本書で記載するように高電圧のオン/オフを切り替え本電源装置を使用することにより、CdTeまたはCdZnTe検出器を利用する多数の動態撮像用途が可能になる。出願人は、毎秒50フレーム、100fps、または400fpsでも動作するカメラをすでに開発した。これらのカメラは、(手動でHVをオフにし、待ち、次いで再びオンに切り替えることによって)検出器を手動でリフレッシュする必要なく、数時間にわたって、あるいは実際数日間にわたって円滑に動作する。X線撮像用途において円滑、安定、かつ中断なしの動作が必要不可欠である。そのようなDICまたはSCANカメラを使用できる用途例は、非破壊試験、インライン検査、自動X線検査歯科用パノラマ撮像コンピュータ断層撮影等を含むが、それらに限定されない。

0010

加えて、本発明はブロッキングコンタクトを備えたCdTeまたはCdZnTe系検出器に主に適していることを強調したが、それは、ブロッキングコンタクトを持たないが、白金(Pt)、金(Au)、または他の従来のコンタクトを装備したCdTeまたはCdZnTe検出器にも適用することができる。そのような従来のコンタクトでも、数分間または数時間後に分極を生じることがあり得、本書で記載するHV電源装置は、数時間または実際数日にわたる円滑かつ安定な動作に理想的である。
図面の簡単な記述
図1ないし5は本発明の脱分極/スイッチング電源装置および構成回路を示す配線図である。
図6は(立上りスロープ)は、本発明のHV電源装置の条件がCh1:HV_EN=5V、50μsec/div;Ch2:検出器電圧、100v/divである場合の、実際のCd−Te半導体検出器基板ランプアップおよびランプダウン波形を示す。
図7は(立下りスロープ)は、本発明のHV電源装置の条件がCh1:HV_EN=5V、50μsec/div;Ch2:検出器電圧、100v/divである場合の、実際のCd−Te半導体検出器基板のランプアップおよびランプダウン波形を示す。
図8は(立上りスロープ)は、Ch1:HV_ENおよびCh2=コンデンサ電圧、100μsec、100v/divである場合に、純粋容量負荷および電源装置の電流リミッタによって発生するフラットスロープを示す。
図9は(立下りスロープ)は、Ch1:HV_ENおよびCh2=コンデンサ電圧、100μsec、100v/divである場合に、純粋容量負荷および電源装置の電流リミッタによって発生するフラットスロープを示す。

発明を実施するための最良の形態

0011

ここで図面を参照すると、本発明の好適な実施形態の詳細がグラフおよび配線図で示されている。図面中の同様の要素は同様の番号で表わされ、類似した要素は異なる小文字添え字付きの同様の番号によって表わされる。

0012

図1は一般的に、本発明の本脱分極/スイッチング電源装置10を表わす。図1に示す好適な実施形態では、本発明は、医用級の外部電源装置(図示せず)からDC+24Vを外部より供給された。言うまでもなく、適切な供給電力代替的なそのような電源装置が、内部または外部のいずれかで本発明における実施用として、当業熟練者には周知であり、選択可能である。この実施形態では、本スイッチング電源装置の供給電力要件は、約10W程度であった。

0013

図1に示すように、本HVスイッチング電源装置10は、五つの主回路すなわち制御/コンディショニング回路18、内部電源装置30、低電圧電源装置50、高電圧電源装置70、および高電圧スイッチ90の組合せを備えた。コンディショニング制御回路18は、外部電源接続部20を有し、主電源オン/オフスイッチ24を含む。コンディショニング回路18は、外部電力を電源装置10の他の回路で使用するように適切に調整する。主動作電圧電力接続部22は、調整された電力を電源装置10の他の回路に伝達する。本HVスイッチング電源装置10は、当業熟練者によって達成可能であるように、電気的に遮蔽することが好ましい。好適な実施形態では、スイッチング電源装置は金属筐体(図示せず)に収容され、該筐体電磁干渉EMI)を減衰または除去するために、電源装置接地J2−1に接続された。一般的に、電源装置に利用されるコネクタは、静電放電ESD)から保護され、EMIに対しフィルタリングされ、DC電圧接続部は逆極性および電圧スパイクから保護される。さらに、高電圧イネーブル信号回路は、過電圧から保護され、プルダウン機能を有する。本発明でそのような保護を達成するノウハウは、当業熟練者には公知であり、実施可能である。通電導体用には遮蔽ケーブルを、バイアス電圧導体用には同軸ケーブルを利用することが好ましい。

0014

図2は、本HVスイッチング電源装置10に実施された内部電源回路(int_supply)30の好適な実施形態の配線図である。内部電源装置30は、本スイッチング電源装置10の他の回路に要求される低電圧電力を提供する。内部電源装置30は、DC+12V出力46を提供するように調整された線形レギュレータ(N5)32および線形レギュレータ回路34を備える。線形レギュレータ回路34の線形レギュレータ32としてLM317集積回路を利用した。内部電源装置30はまた、スイッチングレギュレータ(N1)38およびスイッチングレギュレータ回路40をも備える。スイッチングレギュレータ回路40は、HVスイッチング電源装置10の他の回路で要求される低負電圧(例えば図示した実施形態ではDC−5V)を負バイアス電圧出力42に提供する。スイッチングレギュレータ38として、バックブースト構成のナシナルLM2672集積回路260kHzスイッチングレギュレータを利用した。負バイアス電圧出力42用の最小ドレーンLED44によって提供した。

0015

図3は、本HVスイッチング電源装置10で実施される低DC電圧電源回路50の好適な実施形態の配線図である。電源回路50は、電源装置10に接続された検出器ユニットのような外部装置を動作させるための低DC電圧を提供する。例示的な好適な実施形態では、電源回路50は、検出器要素を動作させるためにそれぞれ+6.7Vおよび+5Vを提供する二つのスイッチングレギュレータ回路52および53を備えた。+6.7V出力(Vout1)58および+5V出力(Vout2)60をそれぞれ提供するために、スイッチングレギュレータ回路52および53でナショナルLM2672レギュレータ56を使用した。両スイッチングレギュレータ回路52および53のLM2672レギュレータ56をバック構成に配置した。この好適な実施形態では、低電圧電源装置50がターンオンしたことを識別しかつ示すために、+5Vスイッチングレギュレータ回路53は緑色SMDLED62を持ち、+6.7Vスイッチングレギュレータ回路52は黄色傾斜LED63を持った。

0016

図4は、本脱分極/スイッチング電源装置10の高電圧スイッチング電源回路(HV_supply)70の好適な実施形態の配線図である。HV電源回路70は、高電圧スイッチ回路90(図5参照)に高電圧バイアス出力72を提供する。図示した好適な実施形態では、HVスイッチング電源回路70は、約75kHzでブースト構成で動作する標準UC3842電流モードPWM制御装置76を使用した。電圧フィードバックループを使用して、高電圧バイアス出力72の電圧を所望のレベル(本実施形態では約+350V)に調整した。電流フィードバックはスイッチング電源回路70の短絡を防止し、かつ優れた過渡応答を達成して、HVバイアス立上り時間を改善した。

0017

HV電源回路70の電圧フィードバックループで利用される分圧過重であり、補償無しでは1−2Vppの脈動電圧を生じた。UC3842の発振器回路同期化された補償回路は、各電流パルス擬似ランプ(artificial ramp)を追加した。該補償は、電源装置がパルスを飛ばさずかつ電圧脈動を約200mVppに制限したことを確実にする。定電流負荷を使用して、出力電圧とは無関係に電源装置に約1.0mA電流ドレーンを提供した。

0018

図5は、本HV脱分極電源装置10で実施可能な高電圧スイッチング回路(HV_switch)90の好適な実施形態の配線図である。図5に示すように、HVスイッチング回路90は、その信号入力(HV_EN)94におけるアクティブな高電圧イネーブル信号の存在に応答して、そのHV電圧出力92に高バイアス電圧を提供する。

0019

しかし、信号入力94の高電圧イネーブル信号が非アクティブまたはディスエーブル状態である場合、HVスイッチング回路90はその電圧出力92にDV−5Vバイアスを提供する。加えて、信号入力94における高電圧イネーブル信号が非アクティブまたはディスエーブル状態になると、HV_スイッチ90のFETサブ回路が高電圧バイアス電圧を遮断する。高電圧バイアス電圧が遮断されると、HV電圧出力92のバイアス電圧は−5Vまで押し下げられ、テルル化カドミウム光電導体材料におけるバイアス電流の逆流を引き起こす。光電導体材料中のバイアス電流の逆流は、トラップされた電荷を流出させ、検出器ユニットを脱分極する。

0020

Q5FET100は、HVバイアスと直列に接続される。それはHVバイアスのプルアップを有し、結果的にHV−Vgsの出力が定常状態になる。ランプアップ中に、抵抗器102を流れる電流は電圧差を引き起こす。Q7トランジスタ104は、設定電流限度を越えると、FETゲート100を閉じる。この結果、HVバイアス電圧の三角波形が生じる。

0021

Q3FET106は、開いたときにQ5FETゲート100を−5Vに引き下げる。これはQ5FET100を閉じ、バイアス電圧を逆転させる。Q3FET106はQ5FET100と同様の電流リミタ回路を有し、結果的に線形ダウンスロープが得られる。Q3FET106の開閉により、バイアス電圧を制御することが可能になる。Q3FETゲート106の電圧は、信号入力94の高電圧イネーブル信号によって制御される。信号入力94の高電圧イネーブル信号がアクティブ(イネーブルまたは「ハイ(high)になった」)状態のとき、インジケータLED110が点灯する。

0022

高電圧スイッチング回路90は、図示した実施形態よりずっと高いスイッチング周波数で動作することができる。低高バイアス電圧過渡とHVバイアス電圧ランプの開始との間に約50μsecの初期遅延がある。該遅延は、プルアップ回路に使用される大きい抵抗器およびFETゲートのキャパシタンスによって引き起こされるようである。これらの構成部品の特性の変更により、遅延を低減することができた。本実施形態では、撮像システムが毎秒約50フレームで動作し、したがって動態撮像、つまり移動する被写体のX線撮影を可能にすることを意図した。

0023

HVバイアス電圧の立上りおよび立下り時間は、バイアス電圧電流リミタ図5参照)およびDIC検出器ユニットのキャパシタンスによって決定される。おおよその状態変化時間(t)は次式によって求められる。
t=(350V*C)/5mA
減衰/成長時間(t)の約6〜7%は電流制限されない。検出器のキャパシタンス(C)によって分かる負荷抵抗は不明であった。検出器と電源装置10の各組合せに対し、正確な結果を個別に測定することができた。HVバイアス電圧が定常状態の1%以内に安定したときに、近似結果を乗算して推計しなければならなかった。図6を参照されたい。

0024

図6〜9は、実際のCd−Te半導体検出器ユニットのランプアップおよびランプダウン波形を示す。試験対象ユニットは四個の1cm2を有した。DIC100は25cm2の面積を有した。立下りスロープはアンダシュートを示し、それはCd−Te検出器ユニットに起因するようである。アンダシュートの振幅は、HVスイッチ90の電源装置10電流リミッタによって制限される。図示した信号は、アンダシュートピークまでほぼ完全な5mA電流制限スロープである。

0025

立上り時間は約200μsecであり、立下り時間は約250μsecである。しかし、検出器は状態変化後、安定するまで数ミリ秒かかる。したがって、電源装置が高電圧をランプする能力は、脱分極プロセスにおける制限要素ではない。図は、純粋容量負荷および電源装置電流リミッタによって生じるフラットスロープを示す。Cd−Te検出器ユニットの立下りスロープによって示されたアンダシュートは、容量負荷では存在しない。

0026

上記の説明は多くの特質を含むが、これらは本発明の範囲に対する限定と解釈すべきではなく、むしろその一つまたは別の好適な実施形態の例証と解釈すべきである。多くの他の変形が可能であり、それは当業者には明白であろう。したがって、本発明の範囲は、実施形態のみによってではなく、添付の請求の範囲およびそれらの同等物の範囲によって決定すべきである。

図面の簡単な説明

0027

本発明の脱分極/スイッチング電源装置および構成回路を示す配線図である。
本発明の脱分極/スイッチング電源装置および構成回路を示す配線図である。
本発明の脱分極/スイッチング電源装置および構成回路を示す配線図である。
本発明の脱分極/スイッチング電源装置および構成回路を示す配線図である。
本発明の脱分極/スイッチング電源装置および構成回路を示す配線図である。
本発明のHV電源装置の条件がCh1:HV_EN=5V、50μsec/div;Ch2:検出器電圧、100v/divである場合の、実際のCd−Te半導体検出器基板のランプアップおよびランプダウン波形を示す。
本発明のHV電源装置の条件がCh1:HV_EN=5V、50μsec/div;Ch2:検出器電圧、100v/divである場合の、実際のCd−Te半導体検出器基板のランプアップおよびランプダウン波形を示す。
Ch1:HV_ENおよびCh2=コンデンサ電圧、100μsec、100v/divである場合に、純粋容量負荷および電源装置の電流リミッタによって発生するフラットスロープを示す。
Ch1:HV_ENおよびCh2=コンデンサ電圧、100μsec、100v/divである場合に、純粋容量負荷および電源装置の電流リミッタによって発生するフラットスロープを示す。

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