CN106290433A - X射线数据处理装置及其方法以及程序 - Google Patents

X射线数据处理装置及其方法以及程序 Download PDF

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Abstract

本发明涉及X射线数据处理装置及其方法以及程序。提供一种不使用比较器等就能补正由像素阵列型的X射线检测器检测出的且受到电荷共享的影响的X射线强度的X射线数据处理装置。X射线数据处理装置根据由光子计数方式的像素阵列型的X射线检测器检测出的X射线的计数值来推定真值，其具备：管理部(210)，其接收并管理每个检测部分的检测值；有效面积率算出部(230)，其使用与检测部分相关的数据、和与射线源以及检测能量的阈值相关的数据来算出检测部分的受到电荷共享的影响的检测能力相对于原本的检测能力的比例，作为检测部分的有效面积率；和补正部(250)，其以算出的有效面积率来补正被管理的计数值，从而推定真值。

Description

X射线数据处理装置及其方法以及程序
技术领域
本发明涉及针对特定射线源的X射线强度从计数值来推定真值的X射线数据处理装置及其方法以及程序。
背景技术
在光子计数方式的像素阵列检测器中，由于一般使用单片的传感器，因此在传感器的内部，在像素间不存在明确的边界。一般仅形成在与读出芯片连接的一侧的读出焊盘部分被形成为像素状(参考专利文献1)。
由此，当载流子在相邻的像素的边界部分进行扩散时，会出现在这些像素间共有1光子份的电荷的电荷共享(charge share)这样的现象。以该电荷共享为原因，即使入射的X射线的强度恒定，在依赖于对各像素设定的阈值的情况下，计数有时会比原本应该的计数多，有时会比原本应该的计数少。
过去，或者在忽视电荷共享的影响的情况下进行测定，或者在通过将阈值设定为适当的值而使影响成为最小限度的情况下进行测定，但在这样的方法中，不能消除电荷共享的效应。另一方面，还进行了以下研究，将要消除电荷共享所带来的影响本身的电路安装在读出芯片的像素间(参考非专利文献1)。
专利文献
专利文献1：JP特开2012-242111号公报
专利文献2：JP特开2014-159973号公报
非专利文献
非专利文献1：H.-E.Nilsson，B.Norlin，Frojdh，L.Tlustos，“Charge sharingsuppression using pixel-to-pixel communication in photon counting X-rayimaging systems”，Nuclear Instruments&Methods in Physics Research，Availableonline 6 February，A576，2007，243-247
但是，安装要消除电荷共享所带来的影响的电路的方法需要分别在像素间对信号的波高进行比较。由此，通过安装比较器，会占据相应的面积，在比较器间用于进行比较的阈值会出现偏差。另外，在像素尺寸较小时，难以应对跨多个像素的电荷共享。
发明内容
本发明鉴于这样的状况而完成，目的在于，提供一种不使用比较器等就能够对由光子计数方式的像素阵列型的X射线检测器检测出的且受到电荷共享的影响的X射线的计数值进行补正的X射线数据处理装置。
(1)为了达成上述目的，本发明的X射线数据处理装置是根据由光子计数方式的像素阵列型的X射线检测器检测出的X射线的计数值来推定真值的X射线数据处理装置，其特征在于，具备：管理部，其接收并管理每个检测部分的计数值；有效面积率算出部，其使用与所述检测部分相关的数据、和与射线源以及检测能量的阈值相关的数据来算出所述检测部分的受到电荷共享的影响的检测能力相对于原本的检测能力的比例，作为所述检测部分的有效面积率；和补正部，其以所述算出的有效面积率来补正所述被管理的计数值，从而推定真值。由此，不使用比较器等就能够对由光子计数方式的像素阵列型的X射线检测器检测出的且受到电荷共享的影响的X射线的计数值进行补正。
(2)另外，本发明的X射线数据处理装置的特征在于，所述有效面积率算出部针对各射线源以及各检测能量的阈值来算出所述有效面积率，所述补正部将所述算出的有效面积率表示为联立方程式的系数，使用所述联立方程式，将针对各检测能量的阈值的计数值线性变换成针对各射线源的补正值。由此，在多波长的X射线入射到检测部分的情况下，也能减小具有波长依赖性的电荷共享的影响。
(3)另外，本发明的X射线数据处理装置的特征在于，与所述检测部分相关的数据是对应于所述检测部分而预先存储的表示所述检测部分的尺寸以及所述检测部分内的电荷的扩散的分布的数据。由此，能对应于检测部分的特性、形状来估计电荷共享的影响，算出有效面积率。
(4)另外，本发明的方法是根据由光子计数方式的像素阵列型的X 射线检测器检测出的X射线的计数值来推定真值的X射线数据处理的方法，其特征在于，包括：接收并管理每个检测部分的计数值的步骤；使用与所述检测部分相关的数据、和与射线源以及检测能量的阈值相关的数据来算出所述检测部分的受到电荷共享的影响的检测能力相对于原本的检测能力的比例，作为所述检测部分的有效面积率的步骤；和以所述算出的有效面积率来补正所述被管理的计数值，从而推定真值的步骤。由此，能补正电荷共享的影响。
另外，本发明的程序是根据由光子计数方式的像素阵列型的X射线检测器检测出的X射线的计数值来推定真值的X射线数据处理的程序，其特征在于，使计算机执行包括以下处理在内的一系列的处理：接收并管理每个检测部分的计数值的处理；使用与所述检测部分相关的数据、和与射线源以及检测能量的阈值相关的数据来算出所述检测部分的受到电荷共享的影响的检测能力相对于原本的检测能力的比例，作为所述检测部分的有效面积率的处理；和以所述算出的有效面积率来补正所述被管理的计数值，从而推定真值的处理。由此，能补正电荷共享的影响。
根据本发明，不使用比较器等就能够对由光子计数方式的像素阵列型的X射线检测器检测出的且受到电荷共享的影响的X射线的计数值进行补正。
附图说明
图1是表示本发明的X射线衍射***的构成的简要图。
图2是主要表示X射线检测器以及X射线数据处理装置的构成的框图。
图3A、图3B分别是表示未发生电荷共享的情况和发生了电荷共享的情况下的X射线的检测的示意图。
图4是主要表示X射线数据处理装置的构成的框图。
图5是表示ROIC的增益的偏差的曲线图。
图6是表示与像素尺寸以及阈值相应的电荷共享的影响的表。
图7是表示实际测量的X射线分布以及各射线源的有效面积率曲线的曲线图。
图8A、图8B是表示不进行补正的情况和使用有效面积率进行了补正的情况下的各自的图像的图。
图9是表示不进行使用有效面积率的补正的情况和进行了使用有效面积率的补正的情况下的强度分布的曲线图。
图10是表示在荧光X射线降低模式下测定出的X射线强度和以使用了有效面积率的补正将荧光X射线去除后的X射线强度的曲线图。
图11是表示将阈值分别设为5keV以及7keV测定出的图像(上段)、和使用有效面积率补正后的Cu光源图像以及Fe光源图像(下段)的图。
具体实施方式
接下来，参考附图来说明本发明的实施方式。为了使说明易于理解，在各附图中对同一构成要素标注同一参考编号，省略重复的说明。
(整体构成)
图1是表示X射线测定***10的构成的一例的简要图。如图1所示，X射线测定***10包括：X射线源20、样本S、X射线检测器100以及X射线数据处理装置200。
X射线源20例如使从作为阴极的灯丝辐射出的电子束碰撞到作为对阴极的转靶来产生X射线。从X射线源20辐射出的X射线是截面形状为圆形或矩形的点状的所谓点聚焦(point focus)的X射线束。
通过在转靶的外周面设置原子序数互不相同的多种金属(例如Mo以及Cu)，还能使X射线源20成为多波长的射线源。在电子碰撞Cu靶时，辐射包含作为特征射线的CuKα射线(波长)在内的X射线，在电子碰撞Mo靶时，辐射包含作为特征射线的MoKα射线(波长)在内的X射线。在从转靶出射的X射线中，相互不同的靶素材的特征X射线即CuKα射线以及MoKα射线混合存在。
样本S被样本支撑装置支撑。样本支撑装置按照样本S的特性以及测定的种类来确定。X射线检测器100检测因样本S而衍射的衍射X射线以及荧光X射线。X射线数据处理装置200对测定到的衍射X射线以及荧光X射线的X射线数据进行处理，并显示测定结果。X射线检测器100以及X射线数据处理装置200的详细情况在后面叙述。
(X射线检测器以及X射线数据处理装置的构成)
图2是主要表示X射线检测器100以及X射线数据处理装置200的构成的框图。X射线检测器100具有多个X射线受光用的像素110(检测部分)，例如是二维半导体检测器。多个像素110被二维阵列化，按照规则进行排列。另外，检测器并不限于二维半导体检测器，也可以是一维半导体检测器。
分类电路120与多个像素110各自连接，计数部130进一步与分类电路120各自连接。计数器读出电路150与各计数部130连接。
分类电路120按每个X射线波长将像素110的脉冲信号分类后输出。计数部130对由分类电路120按每个波长分类后的信号各自的个数进行计数。计数部130例如内置与分类数相同的数目的计数器电路，以使得能对由分类电路120分类出的数目的脉冲信号分别进行计数。计数器读出电路150的输出信号作为按照能量的阈值而分离的X射线数据经过通信线路被传送到X射线数据处理装置200。
X射线数据处理装置200例如是个人计算机。个人计算机例如具备：用于进行运算控制的CPU、用于存储数据的存储器、存储在存储器内的给定区域的***软件、以及存储在存储器内的其他给定区域的应用程序软件等。
在X射线数据处理装置200连接键盘等，作为受理用户的输入的输入部300。用户能经由输入部300进行测定结果的显示或补正的指示等。另外，输入部300受理与射线源以及检测能量的阈值相关的数据的输入。另外，在射线源中不仅包含向样本照射的照射X射线源，还包含荧光X射线源。另外，在X射线数据处理装置200连接显示器、打印机等输出部400。输出部400按照来自X射线数据处理装置200的指示来输出测定结果。
图3A、图3B分别是表示未发生电荷共享的情况和发生了电荷共享的情况下的X射线的检测的示意图。如图3A所示，在X射线仅入射到单一的像素110的情况下，不发生电荷共享，能进行正确的测定。但是，如图3B所示，在X射线检测器100的表面附近形成的电荷的云在到达电极之间发生扩散而出现电荷共享。由于跨2个像素110而发生的电荷共享，一 个像素110所检测出的峰值变低，在另一个像素110也检测出低峰值。
(X射线数据处理装置的构成)
图4是主要表示X射线数据处理装置200的构成的框图。X射线数据处理装置200具备管理部210、数据存储部220、有效面积率算出部230、补正部250，其根据X射线的计数值来推定真值。另外，X射线数据处理装置200既可以用在使多种光源的衍射X射线数据分离的情况，也可以用在从衍射X射线数据中分离荧光X射线的情况中。
管理部210接受并管理由X射线检测器100按每个像素检测出的计数值。例如，管理部210按照与像素110的地址(i，j)建立关联的方式来决定每个波长的衍射X射线强度，并存储该结果的数据。管理部210按照用户的指示例如使所存储的Cu射线源的衍射X射线像和Mo射线源的衍射X射线像双方的衍射像的数据显示于输出部400。既能显示任意一方的衍射像，也能同时显示双方的像。
数据存储部220存储与X射线检测器100的传感器的材质、结构以及像素相关的数据和与X射线源20以及检测能量的阈值相关的数据。与像素相关的数据是对应于像素而预先存储的表示像素的尺寸、形状以及传感器内的电荷的扩散的分布的数据。另外，与X射线源20以及检测能量的阈值相关的数据是表示使用X射线测定***10时的条件的数据，由用户来输入。由此，能对应于像素的特性或形状来估计电荷共享的影响，算出有效面积率。
有效面积率算出部230使用与像素相关的数据以及所输入的数据，来算出像素的受到电荷共享的影响的检测能力相对于原本的检测能力的比例，作为像素的有效面积率。特别地，对于多个射线源以及多个阈值，有效面积率算出部230针对各射线源以及各检测能量的阈值算出有效面积率。
补正部250以算出的有效面积率来补正被管理的计数值，从而推定真值。这样，能补正由光子计数方式的像素阵列型的X射线检测器检测出的且受到电荷共享的影响的X射线的计数值。具体来说，对于多个射线源以及多个阈值，补正部250将算出的有效面积率表示为联立方程式的系数，使用联立方程式，将针对各检测能量的阈值的计数值线性变换成针对各射 线源的补正值。由此，即使在多波长的X射线入射到像素的情况下，也能减小具有波长依赖性的电荷共享的影响。
(补正以及补正中使用的有效面积率的算出)
基于电荷共享的有效面积率存在对于阈值波长和入射X射线的波长的依赖性。使用该波长依赖性和借助多个阈值而测定出的计数值，对每个波长进行到达像素的X射线的计数的推定。
将不同的2个波长设为A、B，将不同的2个适当的阈值设为L、H。另外，将从波长A、B的光源到达各像素的X射线的真实的光子数分别设为IA、IB，将在阈值L、H下观测到的计数分别设为IL、IH。若将由阈值L和波长A决定的像素有效面积率表示为pLA那样，则能如以下的数式(1)那样得到观测到的计数与真实的光子数的关系。
在此，由于若将有效面积率所构成的矩阵设为P，来求其逆矩阵，则成为以下的数式(2)，所以能以在不区别波长A、B的信号的情况下观测到的计数为基础，独立地得到射线源A、B的计数。
半导体传感器内的电荷的扩散遵循正态分布，若假定其标准偏差为σ，将像素的一边的长度设为d，则有效面积率p能如下面的数式(3)那样近似(∵d＞＞σ)。
在此，λ是设为对象的X射线的波长，λTH是检测电路的阈值波长。 在d＞＞σ不成立的情况下，需要考虑像素的4个角所带来的效果。
上述的X射线测定***10能使用在多色光源的分离中。例如，能从根据高能量侧的阈值和低能量侧的阈值而分别分离的X射线的计数值IH以及IL，采用以下的数式(4)来求取Cu光源以及Mo光源的衍射X射线强度ICu以及IMo。
另外，上述的X射线测定***10还能应用在采用虚拟非均匀照射来重新作成温度补正后的均匀性补正表格中。
(实施例1)
使用上述的X射线测定***10来进行测定。X射线检测器20中所用的标准读出集成电路(ROIC)具有增益的偏差。例如，即使将阈值设定为6keV，实际检测出的能量也按每个像素而有偏差。图5是表示ROIC的增益的偏差的曲线图。在图5所示的示例中，增益具有平均值μ＝6.0keV、标准偏差σ＝0.2keV的分布。
在X射线的检测中，使用在表面具有如下像素的X射线检测器，该像素为一边100μm的矩形，传感器厚为320μm，载流子的扩散为σ＝5.0μm的高斯分布。电荷共享的影响的大小按照像素尺寸的大小而不同，有效面积率也不同。图6是表示与像素尺寸以及阈值相应的电荷共享的影响的表。若源于ROIC的性能而相对于设定值发生1keV程度的偏差，则X射线的计数值发生8％程度的偏差。
使用上述那样的X射线检测器来测定针对阈值的CuK的X射线强度，并算出针对阈值的Mo、Cu、Fe、Cr光源各自的X射线检测的有效面积率。图7是表示实际测量的X射线分布以及各射线源的有效面积率曲线的曲线图。在算出中，有效面积率曲线将噪声峰值的中心设为0keV来计算阈值。 另外，将FWHM24％(作为一例，在σ＝8.04keV下为830eV)的高斯分布与针对8.04keV的单色光计算出的有效面积-阈值曲线作卷积。其结果是，实际测量的CuK的X射线分布与Cu光源的X射线检测的有效面积率的曲线大致一致。
(实施例2)
说明使用有效面积率来对采用上述X射线测定***得到的实验数据进行补正的示例。设使用Cu光源如以下(5)这样来得到实验结果。
对于这样的实验结果，若仅进行单纯的基于有效面积率的补正，则如以下(6)那样使X射线的计数值被补正。
若上述的实验结果是对铁制的样本照射Cu光源的X射线而得到的，则能以反映因荧光X射线导致的降低份的方式如以下(7)那样计算源于Cu光源的X射线强度ICu以及荧光X射线的X射线强度IFe。
另外，若明确所入射的X射线是单色，则能得到背景和有效面积100％下的强度。
设为
(实施例3)
借助具备一边100μm的矩形的像素的X射线检测器的X射线测定***来进行实际检测出的X射线强度的基于有效面积率的补正。在与传感器并联连接的ROIC间的计数值的补正中采用进行了简单平均(simple average)的值。图8A是表示未补正的情况下的图像的图，图8B是表示使用有效面积率进行了补正的情况下的图像的图。在未补正的情况下，计数值整体上较小，另一方面，在进行了补正的情况下，计数值整体上变大。
图9是表示未进行使用有效面积率的补正的情况以及进行了使用有效面积率的补正的情况下的强度分布的曲线图。对于未补正的情况下的曲线来说，计数值整体上较小，像素间的计数值的偏差变大。另一方面，对于进行了补正的情况下的曲线来说，计数值整体上较大，像素间的计数值的偏差变小。
(实施例4)
在与上述实施例相同的条件下，拍摄利用Cu光源对铁制的粉末样本照射X射线时的衍射图。这时，首先为了降低Fe的荧光X射线而将阈值设定为7keV来进行拍摄(荧光降低模式)。接下来，将阈值分别设为5keV以及7keV来拍摄X射线图像。然后，对于拍摄到的图像求解将分别针对各阈值和Cu光源(8.04keV)以及Fe光源(6.4keV)确定的有效面积率用作系数的联立方程式，从而对图像进行补正，分离成源于各光源的图像(荧光分离模式)。
图10是表示在荧光X射线降低模式下测定出的X射线强度以及以使用了有效面积率的补正将荧光X射线分离后的X射线强度的曲线图。图10在x＝360～411的范围内将荧光降低模式的测定数据图像和荧光去除图像描绘为平均计数分布。荧光分离模式的曲线图相对于荧光降低模式的曲线图在SBR(Signal to Background Ratio：信号背景比)上能看到约3倍的 提高。
这样，作为相当于在将阈值设为4.1keV来拍摄的情况下得到的源于Cu光源的图像的图像，得到了分离后的源于Cu光源(8.04keV)的图像。另外，作为相当于在设为阈值3.3keV来拍摄的情况下得到的源于Fe光源的图像的图像，得到了源于Fe光源(6.4keV)的图像。
图11是表示将阈值分别设为5keV以及7keV而测定的图像(上段)、和使用有效面积率进行了补正的Cu光源图像以及Fe光源图像(下段)的图。可知，相比于阈值7keV的图像(上段左)，在使用有效面积率进行了补正的Cu光源图像(下段左)中，衍射线变得明确，能将荧光X射线作为背景来分离、去除。
符号说明：
10 X射线测定***
20 X射线源
100 X射线检测器
110 像素(检测部分)
120 分类电路
130 计数部
150 计数器读出电路
200 X射线数据处理装置
210 管理部
220 数据存储部
230 有效面积率算出部
250 补正部
300 输入部
400 输出部
S 样本。

Claims (4)

1.一种X射线数据处理装置，根据由光子计数方式的像素阵列型的X射线检测器检测出的X射线的计数值来推定真值，其特征在于，具备：
管理部，其接收并管理每个检测部分的计数值；
有效面积率算出部，其使用与所述检测部分相关的数据、和与射线源以及检测能量的阈值相关的数据来算出所述检测部分的受到电荷共享的影响的检测能力相对于原本的检测能力的比例，作为所述检测部分的有效面积率；和
补正部，其以算出的所述有效面积率来补正被管理的所述计数值，从而推定真值。
2.根据权利要求1所述的X射线数据处理装置，其特征在于，
所述有效面积率算出部针对各射线源以及各检测能量的阈值来算出所述有效面积率，
所述补正部将算出的所述有效面积率表示为联立方程式的系数，使用所述联立方程式，将针对各检测能量的阈值的计数值线性变换成针对各射线源的补正值。
3.根据权利要求1或2所述的X射线数据处理装置，其特征在于，
与所述检测部分相关的数据是对应于所述检测部分而预先存储的表示所述检测部分的尺寸以及所述检测部分内的电荷的扩散的分布的数据。
4.一种X射线数据处理的方法，根据由光子计数方式的像素阵列型的X射线检测器检测出的X射线的计数值来推定真值，其特征在于，包括：
接收并管理每个检测部分的计数值的步骤；
使用与所述检测部分相关的数据、和与射线源以及检测能量的阈值相关的数据来算出所述检测部分的受到电荷共享的影响的检测能力相对于原本的检测能力的比例，作为所述检测部分的有效面积率的步骤；和
以算出的所述有效面积率来补正被管理的所述计数值，从而推定真值的步骤。
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