KR20170131461A

KR20170131461A - 다중에너지 검출기

Info

Publication number: KR20170131461A
Application number: KR1020177027210A
Authority: KR
Inventors: 에드워드 제임스 몰튼
Original assignee: 라피스캔 시스템스, 인코포레이티드
Priority date: 2015-03-04
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2017-11-29
Anticipated expiration: 2036-03-02
Also published as: MX379792B; WO2016141043A1; EP3265851A4; JP6738823B2; GB2553942A; MX2017011342A; CN107533144B; US10578752B2; JP2018512578A; CN107533144A; HK1246860A1; US20190353803A1; US20160259067A1; EP3265851B1; EP3265851A1; US10156642B2; KR102477399B1; PL3265851T3; GB201715864D0

Abstract

본 발명은 개선된 다중에너지 방사선 검출기에 관한 것이다. 한 실시형태에서, 검출매체에 의하여 발생된 신호가 신호수집포인트에서 직접 디지털 형태로 변환된다. 이는 감지장치와 신호처리장치를 동일한 실리콘기판에 집적하여 시스템의 구성요소의 수를 줄임으로써 전력집약적인 고대역폭 증폭기와 아날로그-디지털 변환기를 필요로 하지 않도록 한다. 한 실시형태에서, 단일광자 애벌란시 다이오드(SPAD)가 직접 임계값 검출기에 결합되어 본질적인 저전력 저잡음형의 검출기를 얻을 수 있다.

Description

다중에너지 검출기

본 발명은 방사에너지 이미징 시스템에 관한 것으로, 특히 은폐된 물품을 검출하고 관심대상의 물질을 식별하기 위하여 다중에너지를 이용하는 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 2015년 3월 4일자 출원한 미국가특허출원 제62/128,293호 "다중에너지 검출기"를 우선권주장하여 출원한 것이다.

X-선 이미징은 의료이미징, 보안검색 및 산업용 비파괴시험을 포함하여 여러 분야에서 널리 활용되고 있다. 다음의 내용은 비록 동일한 방식이 X-선 검사분야에 적용될 수 있지만 보안검색에 초점을 맞추고 있다.

방사선촬영 이미지는 피검사 물체를 투과하거나 이로부터 산란된 방사선의 검출에 의하여 생성된다. 제공된 물질의 밀도, 원자번호 및 총량이 방사선의 감쇠량을 결정하며, 이에 따라 생성되는 방사선촬영 이미지의 특성과 형태를 결정한다. X-선 또는 감마선 광자가 여러 X-선 경로를 이동할 때 이들의 평균흡수량을 측정하는 것에 부가하여, 물질의 특성에 관한 정보를 유도해 내는 것이 가능하다. 산란 X-선의 강도는 X-선을 산란시키는 물질의 원자번호(Z)에 관련이 있다. 일반적으로, 원자번호가 25 이하인 경우, X-선 후방산란, 즉, X-선 반사율의 강도는 원자번호가 증가할 수록 감소한다. 다른 한편으로, 높은 원자번호(Z>70)의 물질은 X-선 스펙트럼의 로우 엔드와 하이 엔드에서 감쇠율이 높은 것이 특징이다. 따라서, X- 이미지는 주로 물체내의 여러 물질(화물내의 물질과 같은 물질)의 원자번호의 변화에 의하여 조절된다.

여러 물질의 원자번호에 따른 이미지조절의 결과로서, 통상적으로 X-선 이미징시스템은 암부영역(dark areas)를 갖는 이미지를 생성한다. 이들 암부영역이 위험물질을 표시한다 하여도, 이들은 위험물질의 정확한 특성에 관한 정보를 거의 제공하지 않는다. 또한, 통상적인 X-선 시스템에 의하여 생성된 방사선사진은 물체가 중첩되어 이미지를 혼란스럽게 하므로 이해하기 어려울 때가 많다. 따라서, 숙달된 작업자는 각 이미지를 연구하고 해석하여 위험물과 같은 관심의 대상체가 존재하는지의 여부에 관한 의견을 제시할 수 있어야 한다. 작업자의 피로와 부주의는 교통량이 많은 수송지역 및 공항 등지에서 다량의 이러한 방사선사진을 해석해야만 할 때 검출성능을 저하시킬 수 있다. 비록 자동화 시스템이라 하여도, 시스템이 대량처리를 위하여 작동될 때, 오경보수를 낮게 유지하여야 한다는 묵시적인 요구조건을 준수하기 어렵다.

X-선 이미지 영상에서 보다 유용한 정보와 선명도를 얻는 한 가지 방법은 이중 에너지 시스템을 사용하여 컨테이너 또는 수하물내에 수용되어 있는 물질의 유효 원자번호를 측정하는 것이다. 여기에서, X-선 빔은 크게 두 가지 카테고리로 구분되는바, 이는 저에너지 및 고에너지 X-선으로 구분된다. 이는 때때로 저에너지 X-선에 우선적으로 반응하는 제1의 얇은 X-선 검출기를 통하여 X-선 빔을 통과시킴으로써 달성된다. 이와 같이 필터링된 빔은 스펙트럼의 고에너지부분 쪽으로 가중되는 필터링된 빔에 반응하는 제2 검출기로 통과된다. 그리고 유효 원자번호가 고에너지와 저에너지 신호 사이에 차이를 취하여 결정된다. 이는 특히 검사대상의 물체의 선형 감쇠계수의 급격한 변화가 저에너지와 고에너지 스펙트럼 영역 사이의 우수한 대조를 산출하는 60kV ~ 450kV 범위의 X-선 에너지 빔에 효과적이다.

다른 기술로서는 이미징 픽셀당 하나의 X-선 검출기를 이용하는 것이 있으나 시간의 함수로서 소스로부터 투사되는 빔의 품질이 변화한다. 전형적으로 이러한 기술은 고에너지 검사시스템(예를 들어, 4MV 및 6MV 빔)에서 이용된다. 유효 원자번호가 스펙트럼의 고에너지부분으로부터 생성되므로, 이중에너지 적층형 검출기 방식에서 가능하였던 것과 같이 매우 두꺼운 물체의 영역에서 정보를 제공하는 것이 가능하다.

다른 접근방법은 X-선 빔이 서로 다른 임의로 분산된 순간에 검출기 물질과 상호작용하는 다수의 각 X-선 광자를 포함한다는 것을 인식하는 것이다. 상호작용하는 각 X-선 광자를 개별적으로 검출하고 처리함으로써 상호작용하는 모든 X-선의 에너지 스펙트럼을 구축할 수 있으며, 이러한 스펙트럼은 일반적으로 2 내지 적어도 4개의 에너지 빈(energy bin)의 많은 에너지 빈을 포함한다. 이러한 스펙트럼의 형태를 분석하여 검사하에 있는 물체의 유효 원자번호를 결정할 수 있다. 일반적으로 알려진 검출시스템은 이러한 방사선 스펙트럼을 생성하기 위하여 신틸레이터와 반도체 물질을 이용한다.

이러한 스펙트럼 감지시스템은 일반적으로 검출기 요소, 아날로그신호처리회로, 아날로그-디지털 변환기, 디지털신호처리회로 및 디지털 데이터 획득회로 등을 포함하는 여러 구성요소와 조합되어 있으므로 구입하는데 많은 경비가 소요된다. 이들 회로는 설계된 계수율, 전형적으로 1억 카운트/초/평방밀리미터의 계수율을 얻기 위하여 고대역폭이어야 하는 경향이 있어 전력소비가 크고 많은 공간을 차지한다. 또한, 이 시스템은 제조수율이 떨어지고, 주위온도, 특히 검출물질의 온도에 따른 누설전류변화에 의한 주위온도의 변화에 민감하다.

따라서, 전력소모가 적고 적은 공간을 차지하는 개선된 다중에너지 검출기가 필요하다. 비용을 줄이고 제조수율을 향상시킬 뿐만 아니라 온도변화를 완화시킬 수 있는 검출기에 대한 필요성이 더욱 부각되고 있다.

본 발명은 다이렉트-디지털 센서(direct to digital sensor)로서 작용하는 개선된 다중에너지 방사선 검출기를 기술한다. 한 실시형태에서, 저가의 센서가 검출매체에 의하여 생성된 신호가 신호수집포인트에서 직접적으로 디지털 형태로 변환되는 것으로 기술된다. 이는 시스템내 다수의 구성요소를 줄이기 위하여 동일한 실리콘기판에 감지장치와 신호처리장치를 집적함으로써 전력소비가 큰 고대역폭 증폭기와 아날로그-디지털 변환기를 필요로 하지 않도록 한다. 이는 비용을 줄이고 제조수율을 개선하며, 또한 본질적인 디지털검출방법이므로 온도변화에 대한 완화가 이루어질 수 있도록 한다.

한 실시형태에서, 다이렉트-디지털 센서가 광학적인 광자를 검출할 때, 이는 이에 상응하는 디지털 펄스를 발생한다. 한 실시형태에서, 단일광자 애벌란시 다이오드(SPAD, single photon avalanche diode)가 본질적으로 소비전력이 낮고 저소음의 검출기를 제공하는 다이렉트-디지털 센서를 얻기 위하여 임계값 검출기에 직접 결합된다.

일부 실시형태에서, 본 발명은 입사 방사선을 다수의 광학 광자로 변환시킬 수 있게 된 신틸레이터 물질, 픽셀회로 어레이와, 상기 픽셀회로 어레이에서 각 픽셀회로로부터의 디지털 펄스를 처리하고 상기 디지털 펄스를 입사 방사선의 에너지 프로파일(energy profile)로 변환시키기 위한 처리전자회로를 포함하고, 각 픽셀회로는 임계값 검출기에 결합되는 단일광자 애벌란시 다이오드(SPAD)와 SPAD에 전기통신하는 임계값 검출기를 포함하며, 각 SPAD는 신틸레이터 물질에 광학적으로 결합되고 하나 이상의 광학 광자를 검출하는 것에 응답하여 전류를 발생할 수 있게 되어 있고, 임계값 검출기는 상기 전류에 응답하여 디지털 펄스를 발생할 수 있도록 구성된 입사 방사선의 검출을 위한 다중에너지 검출기를 기술한다.

선택적으로, 상기 각 픽셀회로는 액티브 퀀치회로(active quench circuit)를 더 포함하고, 액티브 퀀치회로는 상기 SPAD를 리셋트시킬 수 있도록 구성되어 있다.

선택적으로, 신틸레이터 물질은 LYSO 크리스탈이다.

선택적으로, 상기 픽셀회로 어레이와 상기 처리전자회로는 단일 CMOS 기판상에 구성된다.

선택적으로, 상기 처리전자회로는 픽셀 카운트(pixel count)를 발생할 수 있도록 구성된 어큐뮬레이터를 포함하고 상기 픽셀 카운트는 래칭 레지스터(latching register)에 전달된다. 선택적으로, 상기 래칭 레지스터는 상기 어큐뮬레이터로부터 상기 픽셀 카운트를 수신하여 상기 픽셀 카운트를 저장하고 상기 픽셀 카운트를 디지털 버퍼로 보낼 수 있게 구성되어 있다. 선택적으로, 상기 디지털 버퍼는 상기 래칭 레지스터로부터 상기 픽셀 카운트를 수신하여 상기 픽셀 카운트를 버퍼링하고 상기 버퍼링된 픽셀 카운트를 디지털 펄스 프로세서로 보낼 수 있도록 구성되어 있다. 선택적으로, 상기 디지털 펄스 프로세서는 상기 디지털 버퍼로부터 상기 버퍼링된 픽셀 카운트를 수신하여 특정에너지값을 탐색하고 상기 에너지값을 레인지 시프터로 보낼 수 있도록 구성되어 있다. 선택적으로, 상기 레인지 시프터는 상기 디지털 펄스 프로세서로부터 상기 에너지값을 수신하여 상기 에너지값을 스케일링하고 상기 스케일링된 에너지값을 히스토그래머로 보낼 수 있도록 구성되어 있다. 선택적으로, 상기 히스토그래머는 상기 레인지 레지스터로부터 상기 스케일링된 에너지값을 수신하여 에너지 스펙트럼 데이터를 생성토록 상기 스케일링된 에너지값의 히스토그램을 발생하고 상기 에너지 스펙트럼 데이터를 직렬변환기로 보낼 수 있도록 구성되어 있다. 선택적으로, 상기 직렬변환기는 상기 히스토그래머로부터 상기 에너지 스펙트럼 데이터를 수신하고 상기 에너지 스펙트럼 데이터를 신호분석 및 디스플레이를 위한 외부장치로 보낼 수 있게 되어 있다. 선택적으로, 상기 디지털 펄스 프로세서는 X-선 펄스와 이에 관련된 펄스높이를 탐색하기 위하여 시간시컨스데이터를 조사함으로써 특정 에너지값을 탐색할 수 있게 구성되어 있으며, 여기에서 펄스높이는 대응하는 에너지 레벨을 나타낸다.

일부 실시형태에서, 다중에너지 검출기는 상기 픽셀회로 어레이와 상기 처리전자회로의 구동을 위하여 사용되는 클록을 더 포함한다. 선택적으로, 클록의 주파수는 상기 다중에너지 검출기의 이득을 변화시키도록 변화된다. 선택적으로, 클록의 주파수는 100 MHz ~ 500 MHz의 범위이다.

일부 실시형태에서, 본 발명은 단일광자 애벌란시 다이오드(SPAD)를 포함하는 입사 광자를 검출하기 위한 센서를 기술하고 있는바, 단일광자 애벌란시 다이오드는 이러한 SPAD에 의한 과학 광자의 검출시에 신호를 발생하기 위한 임계값 검출기에 결합되고, SPAD는 단일 광자가 충분히 이온화되어 측정가능한 애벌란시 전류를 트리거할 수 있도록 하는 솔리드 스테이트 광검출기로써 구성된다.

선택적으로 SPAD는 대응하는 전류를 발생함으로써 광자를 검출하기 위하여 신틸레이터 물질과 결합된다. 선택적으로, 신틸레이터 물질은 Lu_1.8Y_0.2SiO₅(Ce)(LYSO), 루테튬 옥시오르소실리케이트(LSO), 가돌리늄 옥시오르소실리케이트(GSO) 및 란타넘 브로마이드(LaBr) 중의 하나이다.

선택적으로, 센서는 한쌍의 플립 플롭 래치를 더 포함하고, 여기에서 임계값 검출기에 의하여 발생된 신호는 대응하는 디지털 펄스를 얻기 위하여 한쌍의 플립 플롭 래치에 공급된다.

선택적으로, 임계값 검출기는 SPAD로부터 전하주입의 결과로써 상태가 변경되도록 구성된다.

선택적으로, 센서는 SPAD와 결합된 액티브 퀀치회로를 더 포함하고, 액트브 퀀치회로는 광자의 검출후에 SPAD를 리셋트시키도록 구성되어 있다.

선택적으로, SPAD, 신틸레이터 물질, 임계값 검출기 및 액티브 퀀치회로는 모두 단일 CMOC 기판상에서 제작된다.

본 발명의 앞서 실시형태와 다른 실시형태들은 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 다중에너지 검색시스템의 개략구성도.
도 2는 본 발명의 한 실시형태에 따라서, 각 광학 광자 검색요소에 대한 예시적인 구성요소를 보인 블록다이아그램.
도 3은 본 발명의 한 실시형태에 따라서, 함께 4-비트 2진출력을 제공하는 16 픽셀을 수용하는 서브-픽셀을 보인 설명도.
도 4는 본 발명의 한 실시형태에 따라서, 16 서브-픽셀을 포함하는 메인 픽셀 어레이 시스템을 보인 설명도.
도 5는 본 발명의 한 실시형태에 따라서, 포토센서를 위한 디지털판독체인을 보인 설명도.
도 6a는 시간당 작동되는 SPAD의 수를 보인 시간도메인좌표를 보인 설명도.
도 6b는 간단한 DPP 분석후 에너지 스펙트럼의 예시적인 히스토그램을 보인 설명도.
도 7a는 본 발명의 한 실시형태에 따라서, 센서 칩의 예시적인 실시형태를 보인 설명도.
도 7b는 센서 칩의 다른 예시적인 실시형태를 보인 설명도.
도 8은 본 발명의 한 실시형태에 따라서, 상호작용하는 X-선 당 검출되는 광학 광자의 총수와 입사 X-선의 에너지 사이의 관계를 설명하는 그래프.

본 발명은 다이렉트-디지털 센서로서 작용하는 개선된 다중에너지 방사선 검출기를 기술한다. 한 실시형태에서, 검출매체에 의하여 발생된 신호가 신호수집포인트에서 직접 디지털 형태로 변환되는 저가의 센서가 기술된다. 이는 시스템의 구성요소의 수를 줄이기 위하여 감지장치와 신호처리장치를 동일한 실리콘 기판상에 집적함으로써 전력이 집약적인 고대역폭 증폭기와 아날로그-디지털 변환기를 필요로 하지 않는다. 이는 또한 비용을 줄이고 제조수율을 개선하며, 본질적으로 디지털 검출방법이므로 온도변화에 대한 영향을 완화시킨다.

한 실시형태에서, 다이렉트-디지털 센서가 광학 광자를 검출할 때, 이는 이에 상응하는 디지털 펄스를 발생한다. 한 실시형태에서, 단일광자 애벌란시 다이오드(SPAD)가 입계값 검출기에 직접 결합되어 다이렉트-디지털 센서를 구성한다.

본 발명에서는 다수의 실시형태가 기술된다. 다음의 내용은 당업자가 실시할 수 있을 정도로 설명되는 것이다. 본문에 사용된 용어는 어느 특정 실시형태를 일반적으로 배제하는 것으로 해석되거나 본문에 사용된 용어의 의미를 벗어나 청구범위를 제한하는데 사용되어서는 아니 된다.

본문에 정의된 일반적인 원리는 본 발명의 기술사상이나 범위를 벗어남이 없이 다른 실시형태 및 응용예에 적용될 수 있는 것이다. 또한, 사용되는 용어 및 어구는 예시적인 실시형태를 설명하기 위한 것이지 제한하려는 것으로 간주되어서는 안된다. 따라서, 본 발명은 본문에 개시된 원리 및 특징과 일치하는 다수의 다른 실시형태, 수정실시형태 및 이들에 준하는 실시형태를 포함하는 가장 넓은 범위를 포함하는 것에 따른다. 본 발명의 내용을 명료하게 하기 위하여, 당해 기술분야에서 공지된 기술내용에 관한 세부사항은 본 발명의 내용을 불필요하게 모호하게 하지 않도록 상세하게 기술하지는 않았다.

도 1은 다중에너지 검색시스템을 개략적으로 보인 것이다. 도 1에서, 검사대상인 화물(101)이 X-선 소스(102)에 의하여 발생된 X-선의 팬빔(fan-beam)을 통하여 이동한다. 한 실시형태에서, X-선은 10 keV ~ 450 keV 범위의 에너지를 가지고 발생된다. 이러한 실시형태에서, 팬빔을 통하여 화물(101)을 이동시키는데 컨베이어(105)가 사용된다. 그러나, 다중에너지 검색시스템은 컨베이어를 사용하지 않는 시스템에도 사용될 수 있을 것이다. 화물에 의하여 감쇠된 X-선은 검출기 어레이(103)라고 불리는 픽셀형의 선형 검출기 어레이 세그먼트로 구성되는 일련의 X-선 검출기 요소측으로 진행한다. 한 실시형태에서, 여러 개의 이러한 세그먼트가 정렬되어 세스먼트 사이의 중첩부분이 최소화된 상태로 팬빔의 전 길이에 걸쳐 커버된다. 한 실시형태에서, 각 세그먼트는 길이가 50 mm ~ 200 mm 사이이다. 검출기 어레이는 기밀하게 구성되어 습기로부터 검출기를 보호할 수 있는 하나 이상의 검출기 하우징(104)내에 고정된다.

검출기 요소는 X-선 광자가 검출기 물질과 상호작용할 때 각 X-선 광자의 에너지를 검출할 수 있게 되어 있다. 이와 같은 경우, 예를 들어 Lu_1.8Y_0.2SiO₅(Ce)(LYSO), 루테튬 옥시오르소실리케이트(LSO), 가돌리늄 옥시오르소실리케이트(GSO), 란타넘 브로마이드(LaBr) 및 기타 고속감쇠시간의 고광출력 물질과 같은 신틸레이터, 또는 CdTe 나 CdZnTe 와 같은 실온반도체 등의 여러 검출기물질이 사용될 수 있다. 검출된 X-선의 에너지는 X-선 상호작용중에 검출기 물질에서 생성된 시그널 캐리어(signal carriers)의 수를 결정한다. 당업자라면 시그널 캐리어가 신틸레이터의 경우 광학 광자이고 반도체의 경우 전자임을 이해할 수 있을 것이다. 또한 인가된 X-선 에너지가 크면 클수록 시그널 캐리어가 많이 생성됨을 이해할 수 있을 것이다. 각 X-선 상호작용에 의하여 생성된 시그널 캐리어의 수를 카운트하고 특정시간 동안(일반적으로 1 ~ 100 ms)에 도달한 각 X-선에 대한 이러한 카운트값을 히스토그램으로 나타냄으로서 X-선 에너지 스펙트럼을 얻는다. 에너지 스펙트럼은 검사대상인 화물의 물질의 에너지 함수로서 소스발광스펙트럼과 X-선 감쇠계수에 특징이 있다. X-스펙트럼은 스캔 사이에 실질적으로 변하지 않으므로 검출된 신호는 그 물질 만의 특징이다.

에너지 스펙트럼의 각 영역에 존재하는 흡수된 X-선 에너지의 일부를 분석함으로써, 검사대상 물질의 특징을 발생할 수 있다. 이러한 분석은 스펙트럼의 고에너지부분에서의 카운트와 스펙트럼의 저에너지부분에서의 카운트 사이의 비율을 얻을 수 있는바, 이러한 비율이 크면 클수록 검사대상 물질의 원자번호가 커진다. 보다 정교한 알고리즘은 다중에너지영역과 분석에서 고려되는 검출된 광자의 수를 증가시킬 수 있는 평균영역까지 확장되어 신호대잡음비를 개선한다.

물질의 원자번호가 이미지 데이터로부터 결정되었을 때, 이러한 결과는 폭발물, 마약 또는 지폐와 같은 위험물의 존재를 결정하기 위하여 분류기를 통하여 보내진다. 이와 같은 방법으로 위험물에 대한 자동검출능력이 개발될 수 있다. 원자번호의 측정정밀도가 개선되어 위험물 검출시스템의 성능이 더 좋아진다.

당업자라면 이러한 자동화 검출시스템이 폭발물, 무기 및 기타 다른 위험물과 위험물장치의 존부를 위하여 사람을 검색하는 기술과 같은 다른 보안검색기술과 유리하게 결합될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 이들 독립된 검색시스템으로부터의 결과들이 조합되어 예를 들어 가방안의 폭발물이나 주머니속의 폭발장치 등을 포함하는 모든 위험물에 관한 추가정보를 제공하는 종합적인 위험물 검색결과를 발생한다.

스펙트럼 검출기는 이미 통상적인 접근방식에 사용되어 왔으며, 이에 의하여 반도체물질에 의하여 직접적으로 검출되거나 또는 포토다이오드나 실리콘 포토멀티플라이어와 같은 광검출장치에 결합된 신틸레이터에 의하여 간접적으로 검출된 신호가 전하감응증폭기, 정형증폭기, 아날로그-디지털 변환기, 디지털 히스토그래밍 유닛 및 데이터획득시스템에 공급된다. 이들은 일반적으로 높은 대역폭, 고출력증폭기 및 신속형 아날로그-디지털 변환기를 필요로 하는 고가의 구성요소들이다. 더욱이, 반도체장치(검출기 물질 자체, 바이어스형 포토다이오드 또는 실리콘 포토멀티플라이어)는 암전류 및/또는 이득에서 변화가 크고 이들은 기본적으로 아날로그 프론트 엔드 회로의 성능에 영향을 준다. 따라서, 전형적으로 일정한 이득과 검출기 작동 포인트를 유지하기 위하여 검출기 회로의 온도를 모니터하고 온도에 따라서 검출기 바이어스 전압을 조절하는 것이 필요하다. 특히, 불안정포인트에 근접하여 작동하는 실리콘 포도멀티플라이어의 경우에 있어서, 각 장치에 바이어스 전압을 제공하여야 하는데 이는 비용이 많이들고 공간을 많이 차지하는 방식이다.

공지된 검출기시스템의 한계를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 검출매체에 의하여 생성된 신호가 신호수집포인트에서 직접 디지털 형태로 변환되는 저가의 "다이렉트-디지털" 센서를 제공한다. 도 2는 본 발명의 한 실시형태에 따라서 각 광학 광자 감지요소를 위하여 요구된 구성요소를 보이고 있다. 도 2에서, 센서 칩(200)은 임계값 검출기(202)에 직접 결합된 단일광자 애벌란시 다이오드(SPAD)를포함한다. 단일광자 애벌란시 다이오드는 단일광자가 측정가능한 애벌란시 전류를 트리거하도록 충분히 이온화될 수 있도록 하는 솔리드 스테이트 포토다이오드이다. SPAD(201)는 광학적으로 감지요소(200)에 결합된 LYSO와 같은 신틸레이터 물질(도시하지 않았음)에서 X-선 상호작용으로 발생되는 광학 광자를 검출한다. SPAD(201)가 광자를 검출할 때, 임계값 검출기(202)가 활성화된다. 임계값 검출기의 출력은 한쌍의 플립 플롭 또는 래치(204, 205)에 공급되며, 이들은 두개의 안정상태를 가지고 상태정보를 저장할 수 있는 회로이다. 상응하는 디지털 펄스(210)가 발생된다. 상호작용하는 광학 광자 마다 하나의 디지털 펄스가 생성되므로, 이러한 장치를 다이렉트-디지털 센서라 한다. 한 실시형태에서, 임계값 검출기(202)는 SPAD(201)으로부터 전하주입의 결과로서 상태가 변화하는 단일의 전계효과트랜지스터(FET)이다. 이는 SPAD를 활성화시키거나 활성화시키지 않는 2진 이벤트에 응답하므로, 온도변화에 크게 반응하지 않는 초저가의 아날로그 프론트 엔드이다. 2진 이벤트는 그 원인이 광학 광자에 의한 것이며 SPAD가 임계값 이득 이상에 도달하는 한 SPAD에 의하여 얼마나 많은 이득이 발생되는가 하는 것에는 관계가 없다.

상호작용하는 X-선은 신틸레이터 물질에 인가된 에너지에 따라 10 ~ 100 개의 광학 광자를 발생할 것이며 이들의 일부가 검출기의 활성영역에 도달함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 검출기내에 SPAD 어레이가 존재하는 경우, 활성화되는 SPAD의 수가 많으면 많을 수록 검출기에 인가되는 에너지는 커질 것이다.

더욱이, SPAD가 신속하게 리셋트되어 작동상태로 복귀될 수 있을수록 검출기 시스템의 직선성이 양호하게 될 것이다. 검출기의 양호한 직선성은 인가된 X-선 에너지가 보다 정확히 분해될 수 있음을 의미한다. SPAD의 신속한 리셋트와 보다 양호한 직선성을 얻기 위하여, 한 실시형태에서, 본 발명 시스템은 액티브 퀀치회로(active quench circuit)(203)를 이용한다. SPAD가 활성화되었을 때, 단지 수 나노초 이내에 액티브 퀀치회로를 이용하여 이를 적극적으로 리셋트시킬 수 있다. 이득요소리셋트의 결핍은 실리콘 포토멀티플라이어를 기반으로 하는 알려진 검출기의 근본적인 문제이고 스펙트럼 이미징에서 이들 검출기의 심각한 비직선성을 초래한다.

한 실시형태에서, 모든 신호처리전자회로는 직접 하나의 센서칩에 통합구성된다. 한 실시형태에서, SPAD와 디지털전자회로는 동일한 CMOS 기판상에 제조된다. 다른 통상적인 검출기는 하나의 공정을 이용하여 제조되어야 하는 포토다이오드와 같은 감응검출수단(예를 들어, p-i-n 층)과 제2공정을 이용하여 제조되어야 하는 전자회로(예를 들어, CMOS)를 필요로 한다. 이는 검출기의 패키지가 어렵고 잡음이 심하며 많은 비용이 소요되도록 한다.

도 2의 센서에서 다이렉트-디지털기구는 여러 가지 이점을 갖는다. 이러한 센서는 본질적으로 저전력의 장치이고 상당한 전력을 소비하는 잡음성의 프론트 엔드 아날로그 증폭기를 이용하지 않는다. 이는 그렇지 않으면 전력관리와 픽셀사이의 균일성이 심각한 한계가 되는 다중픽셀형 장치를 위한 이상적인 센서가 되도록 한다. 또한 센서는 예측가능하고 결정적인 효과를 갖는 광자검출과 관련된 것 이상으로 잡음을 방생하지 않으므로 센서는 본질적으로 무잡음형이다. 전자회로의 잡음이 적다는 것은 에너지한계가 매우 낮고 다중에너지 이미지의 낮은 콘트라스트 특징을 분해하기에 양호함을 의미한다.

한 실시형태에서, "픽셀회로" 또는 "픽셀"로 알려진 각 16개 광학 광자 감지요소의 어레이는 서브-어레이를 구성하도록 사용된다. 다중 서브-픽셀을 구성하도록 사용된다. 도 3은 함께 4-비트 2진 출력을 제공하는 16개 픽셀을 포함하는 서브-픽셀을 보이고 있다. 도 3에서, 포토 센서 서브-픽셀(300)은 16개의 픽셀(301)을 포함하고, 이는 함께 4-비트 2진 출력을 제공한다. 4-비트 2진 출력은 엔코더(302)에 의하여 제공되고 이에 4-비트 출력신호(303)를 얻기 위하여 각 16개 픽셀(A~F)(301)로부터의 출력이 공급된다. 서브-픽셀 센서(300)는 16개 픽셀(301)를 포함하므로 센서(300)가 어느 한 순간에 16개까지의 광학 광자를 검출할 수 있다.

한 실시형태에서, 대형 어레이가 도 3에서 보인 16개 서브-픽셀 어레이(300)를 이용하여 구성된다. 도 4는 다시 더 16개 서브-픽셀(401)로 이루어진 메인 픽셀 어레이 시스템(400)을 보이고 있다. 각 서브-픽셀(401)은 16개 픽셀 회로를 포함한다(도 3에서 보인 바와 같이). 이와 같이 어레이(400)에는 256개 픽셀/센서요소가 있다. 한 실시형태에서, 8-비트 어큐뮬레이터(402)가 서브-픽셀(401)에 결합되고 모든 서브-픽셀(401)의 각 픽셀요소를 작동시키는데 사용되는 동일한 클록(403)에 의하여 구동된다. 시스템(400)은 또한 클록(403)에 의하여 구동되는 래칭 레지스터(404)를 더 포함한다. 어큐뮬레이터(402)는 클록 사이클 마다 모든 서브-픽셀(401)의 출력(406)을 합산한다. 어큐뮬레이터(408)의 출력은 래칭 레지스터(404)에 저장되고, 이는 픽셀 카운트(410)를 제공하며, 이는 클록주기 마다 해당 픽셀에서 검출된 광학 광자의 수이다. 한 실시형태에서, 전형적인 클록주파수는 100 MHz ~ 500 MHz의 범위이다. 픽셀 클록주파수는 검출시스템의 이득을 변화시키는데 효과적으로 이용될 수 있는바, 픽셀 클록이 빠르면 빠를수록 시스템의 전체 이득이 낮아지고 정확히 검출될 수 있는 X-선 광자의 최대에너지는 높아진다. 이와 같이, 시스템(400)은 출력이 클록주기당 픽셀마다 검출된 광학 광자의 수인 고속 아날로그-디지털 변환기로써 작용한다. 픽셀 어레이, 어큐뮬레이터 및 래치는 함께 정확한 스펙트럽 이미징의 관점에서 중요한 정량적 결과를 만들어내는 초저전력의 저잡음 장치를 구성한다.

한 실시형태에서, 도 4의 회로는 디지털 펄스 프로세서(DPP)에 연결되어 디지털판독체인을 형성한다. 도 5는 한 실시형태에 따른 디지털판독체인(500)을 보인 것이다. 도 5에서, 센서 어레이(501)로부터의 출력이 8-비트 어큐뮬레이터(502)에 공급되어 한번의 클록사이클 마다 어레이에서 모든 픽셀의 출력을 합산한다. 어큐뮬레이터로부터의 픽셀 카운트는 래칭 레지스터(503)에 저장되고, 이후 디지털 버퍼(504)에서 버퍼링되어 어큐뮬레이터/래치와 디지털 펄스 프로세서(DPP)(505) 사이에 정확한 동기화가 이루어질 수 있도록 한다. DPP(505)는 타임 시컨스 데이터를 조사하여 X-선 펄스와 해당 에너지 레벨을 나타내는 이에 관련된 펄스 높이를 탐색한다. 한 실시형태에서, DPP는 전형적으로 먼저 최소에너지임계값(저에너지 판별기 임계값) 이상에서의 전환을 탐색하고 이어서 클록주기 마다 디지털 버퍼(504)의 출력에서 포지티브 기울기로부터 네거티브 기울기로의 전환을 탐색한다. 기울기가 포지티브로부터 네거티브로 변화하는 싯점에서 디지털 버퍼의 값은 상호작용하는 X-선에 의하여 검출기에 인가된 에너지에 비례하고 그 다음의 레인지 시프터(506)에 전달된 값이다.

클록주파수는 신틸레이터 물질에 의하여 방출되는 광펄스의 지속시간에 비하여 빠르게 선택되어야 한다. 예를 들어, 광학감쇠시간이 전형적으로 40 ns인 LYSO와 같은 고속 신틸레이터의 경우, 200 MHz(5 ns 주기)의 클록속도는 펄스당 8-10 샘플을 제공하며 이로부터 상호작용하는 X-선 에너지를 결정한다.

펄스높이(에너지)가 DPP(505)에 의하여 결정되었을 때, 에너지는 레인지 시프터(506)를 이용하여 대략적으로 스케일링된다. 이는 이미징 시스템의 특수조건, 검출알고리즘과 관련된 데이터흐름을 취급하는 데이터획득시스템의 역량에 따라서 임의의 해상도로에너지 스펙트럼이 생성될 수 있도록 한다. 이후에, 히스토그래머(507)가 스케일링된 펄스높이(에너지)의 히스토그램을 생성하여 많은 상호작용하는 X-선으로부터 에너지스펙트럼을 생성하도록 하며, X-선의 수는 검사대상인 대상물의 X-선 감쇠와 전체 샘플링시간에 의하여 결정된다. 한 실시형태에서, 샘플링시간은 0.1 ms ~ 100 ms의 범위이다. 레인지 시프터(506)는 사용자로 하여금 단일의 통합신호로부터 정연하게 간격을 둔 잠재적인 수 백개의 에너지 "빈(bins)"까지 시스템의 에너지해상도를 조절할 수 있도록 한다. 당업자는 보다 많은 에너지 빈의 사용으로 시스템의 보다 양호한 에너지해상도를 얻을 수 있으나, 각 빈에 존재하는 데이터의 통계적 정확성을 악화시키는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 실질적인 이미징 시스템을 얻기 위하여, 한 실시형태에서는 에너지해상도와 통계적인 잡음 사이의 절충안으로서 0-200 keV의 범위에서 8개 또는 16개의 에너지 빈이 선택된다. 끝으로, 히스토그래머로부터의 데이터는 이후의 신호분석과 이미지 디스플레이를 위하여 컴퓨터와 같은 외부장치로 전달될 수 있도록 직렬변환기(serializer)(508)를 통하여 전달된다.

도 6a 및 도 6b는 LYSO 신틸레이터에서 상호작용하는 100 keV 소스로부터의 X-선에 대한 예시적인 양적데이터를 보이고 있다. 도 6a는 시간주기당 활성화된 SPAD의 수를 보인 시간영역그래프이다. 도 6a에서, 그래프(605)의 수직축(601)은 수평축(602)으로 보인 시간주기당 활성화된 SPAD(도 2 참조)의 수를 보인 것이다. 펄스(604)는 200 MHz 클록에 해당하는 5 나노초(ns)의 샘플링주기에서 활성화된 SPAD의 수를 나타낸다.

도 6b는 DPP 분석 이후에 얻은 예시적으로 히스토그램으로 보인 에너지 스펙트럼을 나타낸 것이다. 그래프(620)는 포지티브 기울기로의 전환시에 펄스높이의 시작기점을 포함하는 펄스높이분석 알고리즘을 이용하고 네거티브 기울기로의 전환시에 펄스높이의 상부점을 측정함으로써 얻는다. 수평축(610)은 0 ~ 250 keV 범위의 에너지 빈을 나타내는 반면에, 수직축(615)은 스펙트럼 주파수를 나타낸다. 그래프(620)로부터 알 수 있는 바와 같이, 펄스높이분석은 합리적인 에너지해상도를 보인다. 당업자는 발전된 DPP 분석방법이 해상도를 더 개선하기 위하여 에너지 스펙트럼과 함께 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 한 실시형태에서, 계산적으로 효율적인 DPP 방법은 피크의 높이에 대하여 스케일링된 알려진 검출기 펄스형상의 템플릿 매칭에 기초한다. 이와 같이 스케일링된 템플릿은 각 싯점에서 실제의 스펙트럼과 상관되고 강한 상관포인트는 상호작용하는 펄스에 해당한다.

이미 언급된 바와 같이, 한 실시형태에서, SPAD와 모든 신호처리장치는 단일 센서칩에 직접 집적되고 동일한 CMOS 기판상에 제조될 수 있다. 도 7a는 SPAD 어레이와 이에 대응하는 신호처리장치를 포함하는 센서칩의 예시적인 실시형태를 보이고 있다. 도 7a에서, 센서(700)는 픽셀회로 검출기어레이(도 2, 도 3 및 도 4 참조)와, 주문형 집적회로(ASIC)(702)로서 구성되는 도 5에서 보인 바와 같은 대응하는 신호처리전자장치 구성요소를 포함한다. 한 실시형태에서, ASIC(702)는 FR4 기판(704)상에 와이어 본드로 접착된다. 한 실시형태에서, 알루미나 세라믹 기판이 사용될 수 있다. 다른 실시형태에서, ASIC(702)는 실리콘관통전극(TSV)를 통하여 기판(704)에 연결되거나 잘 알려진 방법으로 칩온보드(CoB)(703)에 의하여 연결될 수 있다. 또한, 신틸레이터 크리스탈(701)이 픽셀 검출기 어레이(702)의 감응전면에 부착된다. 여러 실시형태에서, Lu₁ _. ₈Y₀ _. ₂SiO₅(Ce)(LYSO), 루테튬 옥시오르소실리케이트(LSO), 가돌리늄 옥시오르소실리케이트(GSO) 및 란타넘 브로마이드(LaBr)와 같은 신틸레이터 물질이 픽셀 검출기 어레이(702)에 결합될 수 있다.

도 7b는 두개의 커넥터(711, 721)를 갖는 센서칩(710)을 보인 것으로, 이들은 온-오프 보드에 직렬데이터를 전송하는데 사용되고 실제 어레이 길이에 대한 데이지 체인 솔루션(daisy-chained solution)을 제공하는데 사용될 수 있다. 도 7b는 또한 두개의 병렬 검출기요소(731, 741)를 보인 것이다. 이 실시형태에서, 검사대상의 대상물은 프로젝션당 하나의 픽셀에 해당하는 속도로 샘플링되고 선단엣지픽셀로부터의 데이터가 다음 프로젝션에서 후단엣지픽셀로부터의 데이터와 합산된다. 이는 단일 픽셀 레벨에서 검출된 이미지의 공간해상도를 유지하지만 신호대잡음비의 근본적인 향상을 가져오고 궁극적인 침투성능을 향상시킨다. 직사각형 픽셀, 오프셋 선형어레이, 가변높이의 크리스탈을 갖는 어레이로부터 선택될 수 있음이 당업자에게는 명백한 것이다. 한 실시형태에서, 수평어레이의 길이는 약 650 mm 이고 그 수직높이는 약 450 mm 이며, 픽셀의 수는 1375 이다. 한 실시형태에서, 픽셀 크기는 약 0.8 mm x 0.8 mm x 2.0 mm 이며, 검출기 어레이는 5 MHx/㎟ 까지의 X-선 카운트를 보인다.

상기 실시형태는 본 발명 시스템의 많은 응용예를 설명하기 위한 것일 뿐이다. 본 발명의 일부 실시형태만이 설명되었지만, 본 발명은 그 기술사상이나 범위를 벗어나지 않고 많은 다른 특정 실시형태로 구현될 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명의 실시형태들은 예시적인 것으로 간주되어야 하고 제한적이지 않으며, 명세서는 첨부된 청구범위의 범위내에서 수정 될 수 있다.

101: 화물, 102: X-선 소스, 103: 검출기 어레이, 104: 검출기 하우징, 105: 컨베이어, 200: 센서칩, 201: 단일광자 애벌란시 다이오드, 202: 임계값 검출기, 203: 액티브 퀀치회로, 204. 205: 플립 플롭 또는 래치, 210: 디지털 펄스, 300: 포토센서 서브픽셀, 301: 픽셀, 302: 엔코더, 303: 4-비트 출력신호, 400: 메인 픽셀 어레이 시스템, 401: 서브픽셀, 402: 8-비트 어큐뮬레이터, 403: 클록, 404: 래칭 레지스터, 406: 출력, 408: 어큐뮬레이터 출력, 410: 픽셀 카운트, 500: 디지털판독체인, 501: 센서 어레이, 502: 8-비트 어큐뮬레이터, 503: 래칭 레지스터, 504: 디지털 버퍼, 505: 디지털 펄스 프로세서(DPP), 506: 레인지 시프터, 507: 히스토그래머, 508: 직렬변환기, 601: 수직축, 602: 수평축, 604: 펄스, 605: 그래프, 615: 수직축, 620: 그래프, 700: 센서, 701: 신틸레이터 크리스탈, 702: 주문형 집적회로, 703: 칩온보드, 704: 기판, 710: 센서칩, 711, 721: 커넥터, 731, 741: 검출기요소.

Claims

입사 방사선의 검출을 위한 다중에너지 검출기에 있어서, 상기 다중에너지 검출기가
입사 방사선을 다수의 광학 광자로 변환시킬 수 있게 된 신틸레이터 물질,
픽셀회로 어레이와,
상기 픽셀회로 어레이에서 각 픽셀회로로부터의 디지털 펄스를 처리하고 상기 디지털 펄스를 입사 방사선의 에너지 프로파일로 변환시키기 위한 처리전자회로를 포함하고,
각 픽셀회로는 임계값 검출기에 결합되는 단일광자 애벌란시 다이오드(SPAD)와 SPAD에 전기통신하는 임계값 검출기를 포함하며,
각 SPAD는 신틸레이터 물질에 광학적으로 결합되고 하나 이상의 광학 광자를 검출하는 것에 응답하여 전류를 발생할 수 있게 되어 있고, 임계값 검출기는 상기 전류에 응답하여 디지털 펄스를 발생할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 다중에너지 검출기.
제1항에 있어서, 상기 각 픽셀회로이 액티브 퀀치회로를 더 포함하고, 액티브 퀀치회로는 상기 SPAD를 리셋트시킬 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 다중에너지 검출기.
제1항에 있어서, 신틸레이터 물질이 LYSO 크리스탈임을 특징으로 하는 다중에너지 검출기.
제1항에 있어서, 상기 픽셀회로 어레이와 상기 처리전자회로가 단일 CMOS 기판상에 구성됨을 특징으로 하는 다중에너지 검출기.
제1항에 있어서, 상기 처리전자회로가 픽셀 카운트를 발생할 수 있도록 구성된 어큐뮬레이터를 포함하고 상기 픽셀 카운트는 래칭 레지스터에 전달됨을 특징으로 하는 다중에너지 검출기.
제5항에 있어서, 상기 래칭 레지스터가 상기 어큐뮬레이터로부터 상기 픽셀 카운트를 수신하여 상기 픽셀 카운트를 저장하고 상기 픽셀 카운트를 디지털 버퍼로 보내도록 구성됨을 특징으로 하는 다중에너지 검출기.
제6항에 있어서, 상기 디지털 버퍼가 상기 래칭 레지스터로부터 상기 픽셀 카운트를 수신하여 상기 픽셀 카운트를 버퍼링하고 상기 버퍼링된 픽셀 카운트를 디지털 펄스 프로세서로 보내도록 구성됨을 특징으로 하는 다중에너지 검출기.
제7항에 있어서, 상기 디지털 펄스 프로세서가 상기 디지털 버퍼로부터 상기 버퍼링된 픽셀 카운트를 수신하여 특정에너지값을 탐색하고 상기 에너지값을 레인지 시프터로 보내도록 구성됨을 특징으로 하는 다중에너지 검출기.
제8항에 있어서, 상기 레인지 시프터가 상기 디지털 펄스 프로세서로부터 상기 에너지값을 수신하여 상기 에너지값을 스케일링하고 상기 스케일링된 에너지값을 히스토그래머로 보내도록 구성됨을 특징으로 하는 다중에너지 검출기.
제9항에 있어서, 상기 히스토그래머가 상기 레인지 레지스터로부터 상기 스케일링된 에너지값을 수신하여 에너지 스펙트럼 데이터를 생성토록 상기 스케일링된 에너지값의 히스토그램을 발생하고 상기 에너지 스펙트럼 데이터를 직렬변환기로 보내도록 구성됨을 특징으로 하는 다중에너지 검출기.
제10항에 있어서, 상기 직렬변환기가 상기 히스토그래머로부터 상기 에너지 스펙트럼 데이터를 수신하고 상기 에너지 스펙트럼 데이터를 신호분석 및 디스플레이를 위한 외부장치로 보내도록 구성됨을 특징으로 하는 다중에너지 검출기.
제8항에 있어서, 상기 디지털 펄스 프로세서가 X-선 펄스와 이에 관련된 펄스높이를 탐색하기 위하여 시간시컨스데이터를 조사함으로써 특정 에너지값을 탐색할 수 있게 구성되어 있으며, 펄스높이는 대응하는 에너지 레벨을 나타냄을 특징으로 하는 다중에너지 검출기.
제1항에 있어서, 상기 픽셀회로 어레이와 상기 처리전자회로의 구동을 위하여 사용되는 클록을 더 포함함을 특징으로 하는 다중에너지 검출기.
제13항에 있어서, 클록의 주파수가 상기 다중에너지 검출기의 이득을 변화시키도록 변화됨을 특징으로 하는 다중에너지 검출기.
제14항에 있어서, 클록의 주파수가 100 MHz ~ 500 MHz의 범위임을 특징으로 하는 다중에너지 검출기.
입사 광자를 검출하기 위한 센서에 있어서, 이 센서가 단일광자 애벌란시 다이오드(SPAD)를 포함하고, 이는 임계값 검출기에 결합되어 이러한 SPAD에 의한 광학 광자의 검출시에 신호를 발생할 수 있도록 되어 있으며, SPAD는 단일 광자가 충분히 이온화되어 측정가능한 애벌란시 전류를 트리거할 수 있도록 하는 솔리드 스테이트 광검출기로써 구성됨을 특징으로 하는 입사 광자를 검출하기 위한 센서.
제16항에 있어서, SPAD가 대응하는 전류를 발생함으로써 광자를 검출하기 위하여 신틸레이터 물질과 결합됨을 특징으로 하는 센서.
제17항에 있어서, 신틸레이터 물질이 Lu₁ _. ₈Y₀ _. ₂SiO₅(Ce)(LYSO), 루테튬 옥시오르소실리케이트(LSO), 가돌리늄 옥시오르소실리케이트(GSO) 및 란타넘 브로마이드(LaBr) 중의 하나임을 특징으로 하는 센서.
제16항에 있어서, 한쌍의 플립 플롭 래치를 더 포함하고, 임계값 검출기에 의하여 발생된 신호가 대응하는 디지털 펄스를 얻기 위하여 한쌍의 플립 플롭 래치에 공급됨을 특징으로 하는 센서.
제16항에 있어서, 임계값 검출기가 SPAD로부터 전하주입의 결과로써 상태가 변경되도록 구성됨을 특징으로 하는 센서.
제16항에 있어서, SPAD와 결합된 액티브 퀀치회로를 더 포함하고, 액트브 퀀치회로가 광자의 검출후에 SPAD를 리셋트시키도록 구성됨을 특징으로 하는 센서.
제17항에 있어서, 상기 SPAD, 신틸레이터 물질, 임계값 검출기 및 액티브 퀀치회로가 모두 단일 CMOC 기판상에 제작됨을 특징으로 하는 센서.