JP2007121189A - ピーク検出回路および放射線測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ピーク間隔が狭くとも、効率よく被測定信号のピーク値を測定することができるピーク検出回路および放射線測定装置を実現することにある。
【解決手段】被測定信号のピーク値を検出するピーク検出回路に改良を加えたものである。本回路は、被測定信号の振幅がしきい値を超えたことを検出するしきい値検出回路と、被測定信号をサンプリングしてデジタルデータを出力するＡＤ変換器と、しきい値検出回路がしきい値を超えたことを検出してから所定の時間の間にＡＤ変換器によってサンプリングされたデジタルデータのなかから最大値を検出する最大値検出回路とを設けたことを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定信号に含まれるパルス信号等のピーク値を検出するピーク検出回路および放射線測定装置に関し、詳しくは、ピーク間隔が狭くとも、効率よく被測定信号のピーク値を測定することができるピーク検出回路および放射線測定装置に関するものである。

ピーク検出回路は、パルス信号などの波形解析を行なう測定装置などの入力部に用いられる。例えば、放射線研究分野等において用いられるマルチチャネルアナライザ（以下、ＭＣＡと略す）の入力部に用いられたりする。

図３は、測定すべき試料からの放射線のエネルギーを測定し、放射線源の種類等を同定する従来の放射線測定装置の構成を示した図である（例えば、特許文献１、２参照）。図３において、試料１０から出力される放射線が検出器１１に入力される。そして、検出器１１が、放射線のエネルギーに対応した、すなわち放射線源それぞれに固有の電荷量を検出し、検出した電荷量を出力する。さらに、前置増幅器（例えば、チャージアンプ）１２が、検出器１１からの電荷量を、この電荷量に比例した電圧値に変換する。さらに、波形整形増幅器１３が、前置増幅器１２からの信号を、幅の狭いパルス信号（一般的には、信号幅ＦＷＨＭ（full width half maximum）＝〜１［μｓ］のガウス形状）に変換する。従って、波形整形増幅器１３からのパルス信号のピーク値（波高値）と検出器１１からの電荷量は比例している。

そして、ＭＣＡ１４が、波形整形増幅器１３から入力されるパルス信号を測定することにより、試料の放射線源（核種）の種類等を同定する。すなわち、パルス信号の波高ピーク値（電圧値）に試料の放射線のエネルギー等の情報が含まれるからである。

図４は、ＭＣＡ１４等の測定装置の入力部に用いられるピーク検出回路の従来の構成を示した図である（例えば、特許文献３参照）。図４において、入力端子２１に入力される入力信号Ｖｉは、ピークホールド回路２２でそのピーク値がホールドされる。そして、ピークホールド回路２２からのピークホールド信号Ｖｏが、ＡＤ変換器２３に加えられてディジタルデータに変換される。さらに、ＡＤ変換器２３の出力データはメモリ２４に書き込まれる。そして、ピーク検出回路の後段の解析回路（図示せず）が、メモリ２４から出力データを読み出し、上述の解析（放射線源の種類等を同定）を行なう。

次に、ピークホールド回路の詳細を説明をする。演算増幅器ＩＣ１の非反転入力端子は、入力端子２１に接続されて入力信号Ｖｉが加えられ、その出力端子にはダイオードＤ１のアノードが接続されている。また、算増幅器ＩＣ１の反転入力端子には、ダイオードＤ１のカソードが接続されるとともにコンデンサＣを介してアースに接続されている。そして、これら演算増幅器ＩＣ１の反転入力端子とダイオードＤ１のカソード及びコンデンサＣの接続点には演算増幅器ＩＣ２の非反転入力端子が接続されている。なお、演算増幅器ＩＣ２の反転入力端子はその出力端子に接続され、出力端子からピークホールド信号Ｖｏが出力される。スイッチＳＷは、コンデンサＣと並列に設けられ、コンデンサＣを放電させる。

このような装置の動作を説明する。
ここで、図５は、入力信号Ｖｉとピークホールド信号Ｖｏの関係を図示した図であり、横軸は時間であり、縦軸は振幅である。パルス信号が２個入力される例で説明する。図５（ａ）は、パルス信号の間隔が十分に離れている場合であり、（ｂ）は、パルス信号の間隔が狭い場合であり、（ｃ）は、パルス信号が（ｂ）よりもさらに近接している場合である。

入力信号Ｖｉによって、コンデンサＣに充電が行なわれるが、入力信号Ｖｉの電圧が充電電圧より下がったとしても、ダイオードＤ１が、放電を阻止するので、結果的に入力信号Ｖｉの最大値に比例した充電電圧がコンデンサＣにホールドされる。そして、図示しないしきい値検出回路が、入力信号Ｖｉの電圧を監視し、しきい値を超えると、所定時間Δｔ時間経過後にＡＤ変換器２３にタイミング信号を出力する。

さらに、ＡＤ変換器２３が、タイミング信号のタイミングに基づき、ピークホールド信号ＶｏをＡＤ変換した出力データをメモリ２４に格納する。なお、しきい値検出回路が、所定時間Δｔが経過し、さらにＡＤ変換器２３のＡＤ変換が終了した時間経過した後、放電用のスイッチＳＷの接続をＯＮしてコンデンサを放電し、放電後、スイッチＳＷをオフする。

特許第２５７７３８６号 特許第２６４５１９６号 特開平５−２６４６１０号公報

このように、ピークホールド回路２２がホールドした電圧を、ＡＤ変換器２３がＡＤ変換するので、高速なＡＤ変換が必要とされない。

しかしながら、入力信号Ｖｉのパルス幅（言い換えると信号幅）の他に、ピークホールドに要する時間（充電時間）、ＡＤ変換後に次のピーク信号の入力に備えるための放電時間が必要となる。

例えば、図５（ａ）に示すように、パルス信号が十分に離れている場合、１個目のパルス信号の放電が完了した後に次のパルス信号が入力されるので、２個目のパルス信号のピーク値も正確に測定することができる。

しかし、図５（ｂ）に示すように、パルス信号間が近いと、１個目のパルス信号の放電が完了する前に、２個目のパルス信号がしきい値を越えるため、しきい値検出回路が、放電の終了に関係なくスイッチＳＷをオフするので、次のパルス信号の充電が開始される。そのため、２個目のパルス信号のピーク値に誤差が生じてしまう

また、図５（ｃ）に示すように、１個目のパルス信号のＡＤ変換が終了する前に、２個目のパルス信号がしきい値を超えると、１個目、２個目共に、パルス信号のピーク値に誤差が生じてしまう。

このような問題に対処するため、従来は、パルス信号の間隔が狭い場合は、先のパルス信号の放電が終了するまでは、次のパルス信号が入力端子Ｖｉに入力されないようにする回路を別に設け、入力を禁止する構成をとっていた。すなわち、効率よくパルス信号を測定することが困難であるという問題があった。

例えば上述のような放射線の測定を行なう場合、試料から放射される放射線の信号間隔が十分にある（信号頻度が小さい）場合には問題ないが、信号頻度が高くなると放射される放射線全てを測定することができず、測定効率が低下してしまうという問題があった。

そこで本発明の目的は、ピーク間隔が狭くとも、効率よく被測定信号のピーク値を測定することができるピーク検出回路および放射線測定装置を実現することにある。

請求項１記載の発明は、
被測定信号のピーク値を検出するピーク検出回路において、
前記被測定信号の振幅がしきい値を超えたことを検出するしきい値検出回路と、
前記被測定信号をサンプリングしてデジタルデータを出力するＡＤ変換器と、
前記しきい値検出回路がしきい値を超えたことを検出してから所定の時間の間に前記ＡＤ変換器によってサンプリングされたデジタルデータのなかから最大値を検出する最大値検出回路と
を設けたことを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
最大値検出回路は、
前記ＡＤ変換器からのデジタルデータと他方のデジタルデータとを比較するデジタル比較回路と、
前記ＡＤ変換器からデジタルデータが入力され、出力データを前記他方のデジタルデータとして前記デジタル比較回路に出力するデータ保持回路と、
このデータ保持回路の出力データを、前記デジタル比較回路の比較結果に基づいて、前記ＡＤ変換器からのデジタルデータに更新させる制御信号出力回路と
を有することを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、
試料から出力される放射線の測定を行なう放射線測定装置において、
試料からの放射線を検出する検出器と、
この検出器からの信号を、検出された物理量の大きさに対応するピーク値を持つパルス形状の被測定信号に変換する信号変換手段と、
この信号変換手段からの被測定信号のピーク値を検出する請求項１または２記載のピーク検出回路と
を設けたことを特徴とするものである。

本発明によれば、以下のような効果がある。
請求項１、２によれば、しきい値検出回路が、被測定信号の振幅がしきい値を超えたことを検出し、最大値検出回路が、しきい値検出回路が検出してから所定の時間内にＡＤ変換器によってサンプリングされたデジタルデータのなかから最大値を検出するので、ピーク間隔が狭くとも、効率よく被測定信号のピーク値を検出し、測定することができる。
請求項３によれば、放射線測定装置に請求項１または２に示すピーク検出回路を用いるので、試料から出力される放射線の信号頻度が高く、事象の間隔が狭くとも、出力される放射線のほぼ全てを測定することができる。これにより、効率よく測定を行なうことができる。

以下図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
［第１の実施例］
図１は、本発明の第１の実施例を示した構成図である。ここで、図３と同一のものには同一符号を付し、説明を省略する。図１において、ピークホールド回路２２、ＡＤ変換器２３の代わりに、バッファ３０、しきい値検出回路３１、ＡＤ変換器３２、デジタル比較回路３３、ラッチ回路３４、３５、制御信号出力回路３６、クロック部３７が設けられる。なお、メモリ２４の図示は省略する。

バッファ３０は入力端子２１から入力信号Ｖｉが入力され、入力信号Ｖｉの雑音除去、波形整形等を行なって、しきい値検出回路３１、ＡＤ変換器３２に出力する。なお、入力信号Ｖｉは、ピーク値を持ったパルス信号を含む被測定信号である。

しきい値検出回路３１は、入力信号Ｖｉの振幅を監視し、所定のレベル（しきい値）を超えた場合、検出信号を制御信号出力回路３６に出力する。

ＡＤ変換器３２は、入力信号Ｖｉをサンプリング（例えば、サンプリング速度１００［ＭＳ／ｓ］、分解能１４［ｂｉｔ］等）して、デジタルデータに変換してデジタル比較回路３３の一方の入力端子に出力する。

デジタル比較回路３３は、２入力を有し、一方の入力端子のデジタルデータの値が、他方の入力端子のデジタルデータの値よりも大きいとハイレベルの信号を、小さいとローレベルの信号を制御信号出力回路３６に出力する。

ラッチ回路３４は、ＡＤ変換器からデジタルデータがデータ入力端子に入力され、制御信号出力回路３６の制御信号に従って出力データの更新を行ない、後段のラッチ回路３５およびデジタル比較回路３３の他方の入力端子に出力する。

ラッチ回路３５は、前段のラッチ回路３４からの出力データがデータ入力端子に入力され、制御信号出力回路３６の制御信号に従って出力データの更新を行ない、ピーク値データとしてメモリ２４に書き込む。ここで、ラッチ回路３４、３５は、データ保持回路である。

制御信号出力回路３６は、デジタル比較回路３３からのレベルに基づいて、ラッチ回路３４、３５に出力データを更新させるための制御信号、つまり、ラッチ回路３４、３５用のクロックを出力する。また、制御信号出力回路３６は、ピーク値データが正常でないと判断した場合は、エラーである旨のデータを、メモリ２４に書き込む。ここで、デジタル比較回路３３、ラッチ回路３４、３５、制御信号出力回路３６で、最大値検出回路を構成している。

クロック部３７は、ＡＤ変換器３２、デジタル比較回路３３、制御信号出力回路３６にクロックを供給する。

このような装置の動作を説明する。ここで、図２は、入力信号Ｖｉのパルス信号（例えば、ガウシアン型のパルス形状で、信号幅がＦＷＨＭ≒１［μｓ］）をサンプリングするタイミングを示した図であり、図５と同様に、横軸が時間であり、縦軸が入力信号Ｖｉの振幅である。

測定を行なう前にあからじめ、制御信号出力回路３６に、パルス信号の信号幅、ＡＤ変換器３２のサンプリング周波数（つまり、クロック部３７のクロックの周波数）が、図示しない入力手段から入力される。そして、制御信号出力回路３６が、パルス信号の信号幅、サンプリング周波数から、パルス信号のピーク値を検出するために使用するサンプル数（Ｎ）を求める。さらに、信号幅から、しきい値検出回路３１のしきい値を求め、しきい値検出回路３１にしきい値を設定する。なお、Ｎ個のサンプリングを行なうための時間を、以下、ウィンドウと呼ぶ。また、サンプル数Ｎ＝ウィンドウ×ＡＤ変換器のサンプリング速度である。

続いて、測定時の動作を説明する。
パルス信号が入力端子２１に入力される前に、制御信号出力回路３６が、ラッチ回路３４、３５をリセットし、出力データの値を”０”にする。また、制御信号出力回路３６が、ラッチ回路３４、３５のクロック入力端子にロウレベルの信号を出力する。

そしてパルス信号が入力されると、しきい値検出回路３１が、バッファ３０を介して入力される入力信号Ｖｉの振幅が、所定のレベルを超えると検出信号を制御信号出力回路３６に出力する。この検出信号をサンプリングの開始点として、制御信号出力回路３６が、クロック部３７のクロックに基づいて、ＡＤ変換器３２のサンプリング数のカウントを開始する。

一方、ＡＤ変換器３２が、バッファ３０を介して入力される入力信号Ｖｉを、クロック部３７のクロック信号に同期してサンプリングしてデジタルデータとしてデジタル比較回路３３、ラッチ回路３４のデータ入力端子に出力する。ここで、ウィンドウに含まれるデジタルデータ、すなわち、しきい値検出回路３１が検出信号を出力してから所定の時間の間にＡＤ変換器がサンプリングされたデジタルデータををＰｎとし、ｎ＝１〜Ｎとする。

そして、デジタル比較回路３３が、クロック部３７のクロック信号に同期して、一方の入力端子へのデジタルデータＰｎと、他方の入力端子へのデジタルデータＰｍａｘ（Ｐ１〜Ｐｎ−１のうちの最大値のデジタルデータ）とを比較し、Ｐｎ＞Ｐｍａｘであれば、ハイレベルの信号を制御信号出力回路３６に出力し、Ｐｎ≦Ｐｍａｘであれば、ロウレベルの信号を制御信号出力回路３６に出力する。

さらに、制御信号出力回路３６が、デジタル比較回路３３からハイレベルの信号が入力された場合、ラッチ回路３４に出力データの更新をさせ、具体的には、ラッチ回路３４のクロック入力端子の信号レベルをハイレベルにしてデータ更新を行なわせ、次のサンプリングが開始される前に信号レベルをロウレベルに戻す。そして、ラッチ回路３４が、出力データを、ラッチ回路３５のデータ入力端子、デジタル比較回路３３の他方の入力端子に出力する。これにより、デジタルデータＰ１〜Ｐｎのうちで最大値のデジタルデータＰｍａｘが、ラッチ回路３４から出力される。

以上のように、所定レベル以上の入力信号Ｖｉが入力されると、Ｐ１からＰＮ−１までのデジタルデータの大小を一個ずつ比較し、Ｐ１からＰＮ−１のうち最大値のデジタルデータＰｍａｘが、ラッチ回路３５のデータ入力端子に出力される。なお、ＰＮが最大値となった場合、つまり、デジタルデータＰＮに対するデジタル比較回路３３の比較結果がハイレベルの場合、ウィンドウ内にピーク値が存在しないとして制御信号出力回路３６が、エラーとしてエラーデータをメモリ２４に書き込む。ＰＮが最大値で無い場合、制御信号出力回路３６が、ラッチ回路３５のクロック入力端子の信号レベルをハイレベルにしてデータ更新を行なわせ、ラッチ回路３５の出力データをデジタルデータＰｍａｘに更新して、ピーク値データとしてメモリ２４に書き込む（図２中の白丸のデジタルデータ）。

そして、全デジタルデータの比較が終了すると、制御信号出力回路３６が、ラッチ回路３４、３５の出力データを”０”にリセットし、ラッチ回路３４、３５のクロック入力端子にロウレベルの信号を出力する。そして、次のパルス信号が入力されるまで待機する。

このように、しきい値検出回路３１が、被測定信号の振幅がしきい値を超えたことを検出し、最大値検出回路が、しきい値検出回路３１からの検出信号を基準にして、所定の時間内にＡＤ変換器３２によってサンプリングされたデジタルデータＰ１〜ＰＮのなかから最大値を検出するので、図４に示すように、先のパルス信号の放電が終了するまでは、次のパルス信号が入力端子Ｖｉに入力されないように入力を禁止する必要が無く、ピーク間隔が狭くとも、効率よく被測定信号のピーク値を検出し、測定することができる。

なお、本発明はこれに限定されるものではなく、以下に示すようなものでもよい。
図１に示すピーク検出回路を、図３に示すＭＣＡのデータ入力部に用いて、試料１０から放射される放射線の測定を行なう放射線測定装置に適用してもよい。つまり、検出器１１が、試料１０からの放射線を検出し、信号変換手段（前置増幅器１２、波形整形増幅器１３）が、検出器１１からの信号を、検出された電荷量の大きさに対応するピーク値を持つガウシアン型のパルス形状の被測定信号に変換し、ピーク検出回路が、信号変換手段からの被測定信号のピーク値を検出する。なお、信号変化手段から、パルス信号の信号幅（ＦＷＨＭ）が、あらかじめピーク検出回路に入力される。

このように、放射線測定装置に図１に示すピーク検出回路を用いるので、試料１０から出力される放射線の信号頻度が高く、事象の間隔が狭くとも、放射される放射線のほぼ全てを測定することができる。これにより、効率よく測定を行なうことができる。

また、ＭＣＡのデータ入力部に用いる例を示したが、被測定信号のピーク値を測定する装置、例えば、波形測定装置の測定装置に用いてもよい。また、放射線スペクトラム測定のほかにも、精密時間間隔測定、各種エネルギー測定等において、波高ピーク値を測定する測定装置に用いてよい。例えば、精密時間間隔測定では、時間間隔情報を、検出器１１で電荷へ変換し、信号変換手段で電荷量に比例した振幅をもつ電圧に変換し、ピーク検出回路でピーク値を検出するとよい。

図１に示す装置において、データ保持回路の一例として、ラッチ回路３４、３５を用いる構成を示したが、最大値のデジタルデータを保持できるものならばどのようなものでもよく、例えば、Ｄ−ＦＦ（Delay flip-flop）等でもよい

図１に示す装置において、ウィンドウ内の最後のデジタルデータＰＮが最大値かを判断する構成を示したが、最後のデジタルデータＰＮを最大値として出力してもよい。この場合、ラッチ回路３５を設けなくてもよい。

本発明の第１の実施例を示した構成図である。 図１に示す装置のタイミング図である。 従来の放射線測定装置の構成を示した図である。 従来のピーク検出回路の構成を示した図である。 図４に示す装置のタイミング図である。

符号の説明

３１ しきい値検出回路
３２ ＡＤ変換器
３３ デジタル比較回路
３４、３５ ラッチ回路
３６ 制御信号出力回路

Claims (3)

1. 被測定信号のピーク値を検出するピーク検出回路において、
   前記被測定信号の振幅がしきい値を超えたことを検出するしきい値検出回路と、
   前記被測定信号をサンプリングしてデジタルデータを出力するＡＤ変換器と、
   前記しきい値検出回路がしきい値を超えたことを検出してから所定の時間の間に前記ＡＤ変換器によってサンプリングされたデジタルデータのなかから最大値を検出する最大値検出回路と
   を設けたことを特徴とするピーク検出回路。
2. 最大値検出回路は、
   前記ＡＤ変換器からのデジタルデータと他方のデジタルデータとを比較するデジタル比較回路と、
   前記ＡＤ変換器からデジタルデータが入力され、出力データを前記他方のデジタルデータとして前記デジタル比較回路に出力するデータ保持回路と、
   このデータ保持回路の出力データを、前記デジタル比較回路の比較結果に基づいて、前記ＡＤ変換器からのデジタルデータに更新させる制御信号出力回路と
   を有することを特徴とする請求項１記載のピーク検出回路。
3. 試料から出力される放射線の測定を行なう放射線測定装置において、
   試料からの放射線を検出する検出器と、
   この検出器からの信号を、検出された物理量の大きさに対応するピーク値を持つパルス形状の被測定信号に変換する信号変換手段と、
   この信号変換手段からの被測定信号のピーク値を検出する請求項１または２記載のピーク検出回路と
   を設けたことを特徴とする放射線測定装置。
   

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