JP2008281441A - 放射線測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光を検出する半導体デバイスのバイアス電圧を制御する。
【解決手段】ガンマ線から得られるエネルギーの大きさに対応したチャンネル（波高値）について、複数のチャンネルと各チャンネルの頻度を示す計数とを対応付けた波高分布が形成される。そして、基準線源のガンマ線の全吸収ピークに対応した互いに隣接する二つのチャンネルの計数、つまり、チャンネルc_i-1とc_iの計数n_i-1とn_iが比較される。そして計数n_i-1が計数n_iよりも大きい場合には半導体デバイスのバイアス電圧を増加させ、計数n_i-1が計数n_iよりも小さい場合にはバイアス電圧を減少させる。つまり、n_i-1／n_i＝１となるようにバイアス電圧がフィードバック制御され、波形８０の全吸収ピークＰ_Bがチャンネルc_i-1とc_iの間に維持される。
【選択図】図２

Description

本発明は、放射線測定装置に関し、特にシンチレータを利用して放射線を検出する技術に関する。

放射線測定装置において、半導体検出器を利用する装置が知られている。例えば、特許文献１には、半導体検出器を利用した電池駆動型の放射線測定装置が示されている。

また、放射線測定装置において、シンチレーション検出器を利用する装置も知られている。シンチレーション検出器は、放射線が入射することにより光を発生するシンチレータを利用し、シンチレータで発生した極めて微弱な光を光電子増倍管（ＰＭＴ）などの光検出器を利用して検出する。

ＰＭＴは、光の検出信号を増幅するために１０００ボルト程度の高電圧を印加する必要がある。ＰＭＴにおける利得を安定させるためには、ＰＭＴに印加される高電圧が適切な電圧値となるように制御されることが望ましい。しかし、高電圧であるため、ＰＭＴに印加される電圧を安定的に制御し続けることは容易ではない。そのため、ＰＭＴを利用したシンチレーション検出器では、例えば、ＰＭＴに印加する電圧をマニュアルで調整してから短時間の測定を行い、測定後に必要に応じてさらにＰＭＴに印加する電圧を調整するなどして、測定の精度を維持する必要がある。

このように、放射線測定装置に関する各種技術が知られている一方において、光を検出するデバイスとして、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）などの半導体デバイスが近年になって注目されている。例えばＡＰＤを利用した光検出器は、比較的低いバイアス電圧で動作させることが可能であり、光データ伝送の分野などにおいて利用されている。

特開平３−２４３８８４号公報

上述した背景において、本願発明者は、ＰＭＴに換えてＡＰＤなどの半導体デバイスを利用してシンチレータの光を検出する技術について研究開発を重ねてきた。

本発明は、その研究開発の過程において成されたものであり、その目的は、シンチレータの光を検出する半導体デバイスのバイアス電圧を制御することにある。

上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である放射線測定装置は、ガンマ線が入射することにより光を発生するシンチレータと、シンチレータにおいて発生する光を検出して検出信号を出力する半導体デバイスと、半導体デバイスから出力される検出信号に基づいて、ガンマ線から得られるエネルギーの分布を反映させたスペクトルを形成するスペクトル形成部と、スペクトル形成部において形成されるスペクトルに基づいて、半導体デバイスに供給されるバイアス電圧を制御する電圧制御部とを有することを特徴とする。

望ましい態様において、前記電圧制御部は、特徴スペクトル部分がスペクトル内の目標位置に維持されるようにバイアス電圧をフィードバック制御することを特徴とする。

望ましい態様において、前記スペクトル形成部は、前記スペクトルとして、ガンマ線から得られるエネルギーの大きさに対応した波高値について、複数の波高値と各波高値の頻度を示す計数値とを対応付けた波高分布を形成し、前記電圧制御部は、波高分布内の全吸収ピークが目標波高値に維持されるようにバイアス電圧をフィードバック制御することを特徴とする。

望ましい態様において、前記電圧制御部は、波高分布内の全吸収ピークに対応した互いに隣接する二つの波高値の計数値を比較してバイアス電圧を制御することを特徴とする。

望ましい態様において、前記電圧制御部は、前記互いに隣接する二つの波高値の計数値を比較し、一方の計数値が他方の計数値よりも大きい場合にバイアス電圧を増加させ、一方の計数値が他方の計数値よりも小さい場合にバイアス電圧を減少させることを特徴とする。

望ましい態様において、前記電圧制御部は、基準線源から放出されるガンマ線の全吸収ピークが目標波高値に維持されるようにバイアス電圧を制御することを特徴とする。

望ましい態様において、前記基準線源から放出されるガンマ線の全吸収ピークと測定対象となるガンマ線の全吸収ピークは互いに異なる波高値に対応しており、前記基準線源から放出されるガンマ線の全吸収ピークが目標波高値に維持されるようにバイアス電圧を制御しつつ、測定対象となるガンマ線が測定されることを特徴とする。

本発明により、シンチレータの光を検出する半導体デバイスのバイアス電圧を制御する技術が提供される。例えば、本発明の好適な態様により、シンチレータの光を検出する半導体デバイスの利得が安定し、環境温度などが変化した場合においても、ガンマ線の高分解能スペクトル測定が可能になる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１には、本発明に係る放射線測定装置の好適な実施形態が示されており、図１はその全体構成を示す機能ブロック図である。図１の放射線測定装置は、例えば、線量モニタやサーベイメータなどとして具現化されるが、他の態様により具現化されてもよい。

シンチレータ１０は、ガンマ線（γ線）が入射することにより光を発生する。つまり、シンチレータ１０は、入射するガンマ線と相互作用をすることにより、そのガンマ線が失ったエネルギーに比例した数の光子を放出する。

ＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード：Avalanche photo diode）２０は、シンチレータ１０において発生する光を検出して検出信号を出力する半導体デバイスである。ＡＰＤ２０は、ｎ⁺ｐπｐ⁺の半導体構造を有しており、逆方向のバイアス電圧が印加される。ＡＰＤ２０に光（光子）が入射すると、比較的厚いπ領域で光子が吸収されてホールと電子の対が生成され、生成された電子が電界により加速されて衝突電離によりさらにホールと電子の対を生成する。新しく生成された電子も電界により加速されて衝突電離によりさらにホールと電子の対を生成する。こうして、電子とホールの対がなだれ的に増加して最終的に飽和した電気信号（検出信号）として外部に出力される。

ＡＰＤ２０から出力される検出信号の大きさは、ＡＰＤ２０において検出された光の本数（光子の個数）に比例する。つまり、シンチレータ１０に入射したガンマ線が失ったエネルギーに比例する。

波高弁別部３０は、ＡＰＤ２０から出力される検出信号に基づいてパルス信号を生成する。つまり、シンチレータ１０にガンマ線が入射する度に、そのガンマ線による発光時間だけ検出信号を積分してパルス信号を生成する。波高弁別部３０は、ＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）を備えており、ＡＤＣによりパルス信号がデジタル化されて計数部４０に出力される。つまり、ガンマ線が入射する度に生成されるパルス信号の大きさ（波高値）に応じたデジタル値が計数部４０内のメモリに次々に記憶される。

計数部４０は、メモリに記憶されたデジタル値をその大きさによって複数のチャンネルに分け、各チャンネルごとにそのデジタル値の出現回数をカウントする。こうして、複数のチャンネルと各チャンネルのカウント値（計数）とを対応付けた計数分布が得られる。計数部４０において形成された計数分布は、表示部５０に表示される。

図２は、複数のチャンネルと各チャンネルの計数とを対応付けた計数分布を示す図である。図２の横軸はチャンネルｃを示しており、縦軸は計数ｎを示している。各チャンネルは、波高弁別部（図１の符号３０）から出力されるデジタル値の大きさに対応付けられている。つまり、各チャンネルは、ガンマ線が入射する度に生成されるパルス信号の大きさ（波高値）に対応付けられている。先に説明したように、パルス信号は、ガンマ線によって発生した光（光子）の検出結果である検出信号をそのガンマ線による発光時間だけ積分したものであり、そのガンマ線から得られたエネルギーを反映させたものである。したがって、図２に示す計数分布は、ガンマ線から得られるエネルギーの分布を反映させたものとなる。図２の計数分布はスペクトルと呼ばれる。

図２において、波形８０は、基準線源から放出されるガンマ線に対応した計数分布曲線である。ガンマ線の場合、シンチレータ（図１の符号１０）における相互作用として、光電効果、コンプトン散乱、電子対生成などがある。つまり、これらの相互作用によってガンマ線からエネルギーが得られる。これらの相互作用のうち、光電効果等はガンマ線の全エネルギーを電子等に移行させる作用である。

図２において、波形８０の全吸収ピークＰ_Bが光電効果等によるガンマ線のエネルギー吸収に対応している。つまり、全吸収ピークＰ_Bがガンマ線の全エネルギーに対応するものであり、その位置（チャンネル）からガンマ線のエネルギーを知ることができる。

なお、波形９４は、測定対象となるガンマ線に対応した計数分布曲線である。測定対象のガンマ線が、基準線源のガンマ線とは異なるエネルギーを持っていれば、基準線源のガンマ線の全吸収ピークＰ_Bとは異なる位置（チャンネル）に測定対象のガンマ線の全吸収ピークＰ_Oが現れる。また、基準線源のガンマ線と測定対象のガンマ線が混在した状態で測定が行われた場合には、波形８０上に波形９４が重畳され、その結果として波形９２が得られる。

ガンマ線の測定において、全吸収ピークの位置（チャンネル）が重要であることは上記のとおりである。本実施形態では、その全吸収ピークの位置を高精度に測定するために、以下に説明するフィードバック制御が行われる。

図１に戻り、電圧制御部６０は、計数部４０において得られた計数分布に基づいて、バイアス電圧回路７０からＡＰＤ２０に供給されるバイアス電圧を制御する。ＡＰＤ２０に供給されるバイアス電圧は、例えば１００ボルト程度または１００ボルト以下である。電圧制御部６０は、計数分布内における基準線源のガンマ線の全吸収ピークが所定の位置（チャンネル）に維持されるようにバイアス電圧をフィードバック制御する。

その制御において、電圧制御部６０は、基準線源のガンマ線の全吸収ピークに対応した互いに隣接する二つのチャンネルの計数を比較する。例えば、図２のチャンネルc_i-1とc_iの計数n_i-1とn_iを比較する。そして、計数n_i-1が計数n_iよりも大きい場合にはバイアス電圧を増加させ、計数n_i-1が計数n_iよりも小さい場合にはバイアス電圧を減少させる。つまり、n_i-1／n_i＝１となるようにバイアス電圧がフィードバック制御され、図２の波形８０の全吸収ピークＰ_Bがチャンネルc_i-1とc_iの間に維持される。

そのため、例えば環境温度などの影響によりバイアス電圧回路７０からＡＰＤ２０に供給されるバイアス電圧が変動し、全吸収ピークの位置を変動させようとする悪条件下においても、上述したフィードバック制御によりバイアス電圧が適宜調整され、全吸収ピークの位置の変動が抑えられる。

なお、上記説明では、n_i-1／n_i＝１となるようにバイアス電圧をフィードバック制御する例を示したが、制御の基準となるn_i-1／n_iの値は「１」以外の値に設定されてもよい。

次に、図１の放射線測定装置を利用して測定対象となるガンマ線を測定する場合の測定手順について説明する。

まず、基準線源を利用して目標となる全吸収ピークの位置が設定される。つまり、エネルギーの大きさが予め分かっているガンマ線、すなわち全吸収ピークの位置が予め分かっているガンマ線を放出する基準線源を利用し、図１の放射線測定装置により基準線源のガンマ線を測定する。そして、そのガンマ線の計数分布（例えば図２に示す波形８０）を表示部５０に表示させる。ユーザは、表示部５０に表示される波形を確認しながら、基準線源のガンマ線の全吸収ピークの位置が、予め分かっているそのガンマ線の全吸収ピークの位置となるように、操作デバイスなどを利用してＡＰＤ２０のバイアス電圧を調整する。こうして、ユーザの目視と手動操作により基準線源に関する全吸収ピークの位置が調整された後、その基準線源のガンマ線の全吸収ピークが所定の位置（チャンネル）に維持されるように上述したバイアス電圧のフィードバック制御が開始される。

次に、基準線源から放出されるガンマ線を検出し続けてフィードバック制御を行いつつ測定対象となるガンマ線を測定する。つまり、基準線源のガンマ線と測定対象のガンマ線が混在した状態で測定が行われ、ガンマ線の計数分布（例えば図２に示す波形９２）が得られる。その測定中においては、基準線源のガンマ線の全吸収ピークが所定の位置（チャンネル）に維持されるようにバイアス電圧が制御される。そのため、測定対象となるガンマ線の全吸収ピーク（図２のＰ_O）の位置の測定精度が高められる。

なお、測定対象となるガンマ線のみの計数分布（図２の符号９４）を得たい場合には、基準線源のガンマ線の計数分布が重畳された計数分布（図２の符号９２）から、予め測定しておいた基準線源のガンマ線の計数分布（図２の符号８０）を差し引けばよい。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態により、シンチレータの光を検出する半導体デバイス（ＡＰＤ）の利得が安定し、環境温度などが変化した場合においても、ガンマ線の高分解能スペクトル測定が可能になる。なお、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。

本発明に係る放射線測定装置の全体構成を示す機能ブロック図である。 各チャンネルと計数とを対応付けた計数分布を示す図である。

符号の説明

１０ シンチレータ、２０ ＡＰＤ、３０ 波高弁別部、４０ 計数部、６０ 電圧制御部。

Claims (7)

1. ガンマ線が入射することにより光を発生するシンチレータと、
   シンチレータにおいて発生する光を検出して検出信号を出力する半導体デバイスと、
   半導体デバイスから出力される検出信号に基づいて、ガンマ線から得られるエネルギーの分布を反映させたスペクトルを形成するスペクトル形成部と、
   スペクトル形成部において形成されるスペクトルに基づいて、半導体デバイスに供給されるバイアス電圧を制御する電圧制御部と、
   を有する、
   ことを特徴とする放射線測定装置。
2. 請求項１に記載の放射線測定装置において、
   前記電圧制御部は、特徴スペクトル部分がスペクトル内の目標位置に維持されるようにバイアス電圧をフィードバック制御する、
   ことを特徴とする放射線測定装置。
3. 請求項１に記載の放射線測定装置において、
   前記スペクトル形成部は、前記スペクトルとして、ガンマ線から得られるエネルギーの大きさに対応した波高値について、複数の波高値と各波高値の頻度を示す計数値とを対応付けた波高分布を形成し、
   前記電圧制御部は、波高分布内の全吸収ピークが目標波高値に維持されるようにバイアス電圧をフィードバック制御する、
   ことを特徴とする放射線測定装置。
4. 請求項３に記載の放射線測定装置において、
   前記電圧制御部は、波高分布内の全吸収ピークに対応した互いに隣接する二つの波高値の計数値を比較してバイアス電圧を制御する、
   ことを特徴とする放射線測定装置。
5. 請求項４に記載の放射線測定装置において、
   前記電圧制御部は、前記互いに隣接する二つの波高値の計数値を比較し、一方の計数値が他方の計数値よりも大きい場合にバイアス電圧を増加させ、一方の計数値が他方の計数値よりも小さい場合にバイアス電圧を減少させる、
   ことを特徴とする放射線測定装置。
6. 請求項５に記載の放射線測定装置において、
   前記電圧制御部は、基準線源から放出されるガンマ線の全吸収ピークが目標波高値に維持されるようにバイアス電圧を制御する、
   ことを特徴とする放射線測定装置。
7. 請求項６に記載の放射線測定装置において、
   前記基準線源から放出されるガンマ線の全吸収ピークと測定対象となるガンマ線の全吸収ピークは互いに異なる波高値に対応しており、前記基準線源から放出されるガンマ線の全吸収ピークが目標波高値に維持されるようにバイアス電圧を制御しつつ、測定対象となるガンマ線が測定される、
   ことを特徴とする放射線測定装置。

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