JP2009300293A - 対数変換回路 - Google Patents

Abstract

【課題】パルス系検出器の数え落としに対する補正を極力理想通りに行うことができて、高精度の放射線計測が可能な対数変換回路を提供する。
【解決手段】対数変換回路３は、放射線を検出するパルス系検出器１から出力されるパルス信号がパルス数に応じた電流値に変換された後に入力される信号を対数変換して出力するもので、演算増幅器３０を備え、この演算増幅器３０の入力信号が入力される一方の入力端側には第１のトランジスタ３１が、演算増幅器３０の出力端側には当該演算増幅器３０の出力により直流電源からの電流量が制御される第２のトランジスタ３２がそれぞれ接続されるとともに、両トランジスタ３１，３２に対しては両トランジスタからの出力電流が合流する抵抗３３が共通に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射線を検出するパルス系検出器から出力されるパルス信号がパルス数に応じた電流値に変換された後に対数圧縮して出力する対数変換回路に係り、特には、パルス系検出器のパルス数の数え落としを自動的に補正することができる対数変換回路に関する。

従来、中性子などの放射線を検出する比例計数管などのパルス系検出器から出力されるパルス信号を検出して放射線強度などを計測するための信号処理回路として、図５に示す構成のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この信号処理回路は、パルス系検出器１から放射線強度に応じたパルス数をもつパルス信号が出力されるので、このパルス信号を図示しない前段増幅器等で増幅した後、Ｆ／Ｉ変換器２に入力し、このＦ／Ｉ変換器２でパルス信号のパルス数に応じた電流値に変換する。次いで、対数変換回路３でこの入力信号を対数変換して電圧信号として出力する。

ここに、対数変換回路３を設けているのは、パルス系検出器１から出力されるパルス数は、１０^０ｃｐｓ〜１０^６ｃｐｓ程度の範囲の広いタイナミックレンジをもつため、対数変換により信号圧縮して後段の信号処理を容易にする必要があるためである。

ところで、上記のパルス系検出器１においては、放射線入力に伴う電離現象などを利用してパルスを発生させる機構であるので、パルス数が多くなる高計数率の領域でパルスの数え落としが発生し、検出器１から本来発生すべきパルス数に対して実際に出力されるパルス数が減少するという現象が発生する。

そこで、従来技術では、対数変換回路３において、演算増幅器３ａの負極性端子と出力端子との間に、対数特性を有するトランジスタ３ｂに直列に抵抗３ｃを接続したものを接続し、これにより、パルスの数え落としを補正するようにしている。すなわち、対数変換回路３の入力電流をＩｉｎ、対数変換回路３の出力電圧をＶｏｕｔ、抵抗３ｃの抵抗値をＲ、ｌｎを自然対数とすると、
Ｖｏｕｔ＝−［ｌｎ（Ｉｉｎ）＋Ｒ・Ｉｉｎ］ （１）
となるので、対数変換された信号ｌｎ（Ｉｉｎ）がＲ・Ｉｉｎにより線形補正される。

図６は、対数変換回路の出力Ｖｏｕｔと、この出力Ｖｏｕｔに基づいて演算処理によって放射線強度（計数率）を求めた場合の関係を示す特性図である。

図５に示した構成の対数変換回路３において、抵抗３ｃを設けずに入力電流を単純に対数変換（ｌｎ（Ｉｉｎ））して得られる出力電圧Ｖｏｕｔから放射線強度（計数率）を求めた場合には、図中の符合Ｌ０（細実線）で示すような直線的な関係になるが、前述のごとく、パルス系検出器１はパルス数が多くなると数え落としが発生するので、Ｌ０に示す関係によって放射線強度を求めた場合には、パルス系検出器１で本来検出すべきパルス数を計測したことにはならず、計測誤差を生じる。

これに対して、図５に示したように、対数変換回路３においてトランジスタ３ｂに抵抗３ｃを直列接続した場合には、上記の（１）式のようになるため、その出力電圧Ｖｏｕｔから放射線強度（計数率）を求める場合には、図中の符合Ｌ１（二点鎖線）で示すような関係となり、パルス系検出器１のパルスの数え落としをある程度補正することが可能である。

特開平５−２３２００７号公報

しかしながら、図５に示した構成の対数変換回路３は、（１）式から分かるように、対数変換された信号ｌｎ（Ｉｉｎ）をＲ・Ｉｉｎにより線形補正して出力電圧Ｖｏｕｔとして生成するものであるから、放射線強度が弱くてパルス系検出器１が数え落としを生じない場合でも出力電圧Ｖｏｕｔが補正される一方、数え落としが多くなる高計数率の領域では、補正量が少なくなって、図６中の符合Ｌ２（太実線）で示す理想的な数え落とし補正の関係から外れてしまい、数え落としを精度良く補正することができず、計測精度が悪くなるという不具合を生じている。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、パルス系検出器の数え落としに対する補正を極力理想通りに行うことができて、高精度の放射線計測が可能な対数変換回路を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、放射線を検出するパルス系検出器から出力されるパルス信号がパルス数に応じた電流値に変換された後に入力される信号を対数変換して出力する対数変換回路において、次の構成を採用している。

すなわち、第１の発明では、演算増幅器を備え、この演算増幅器の上記入力信号が入力される一方の入力端側には第１のトランジスタが、上記演算増幅器の出力端側には当該演算増幅器の出力により直流電源からの電流量が制御される第２のトランジスタがそれぞれ接続されるとともに、両トランジスタに対しては両トランジスタからの出力電流が合流する抵抗が共通に接続されてなることを特徴としている。

また、第２の発明では、演算増幅器を備え、この演算増幅器の上記入力信号が入力される一方の入力端側には直流電源からの電流が流入する第１のトランジスタが、上記演算増幅器の出力端側には当該演算増幅器の出力により上記直流電源からの電流量が制御される第２のトランジスタがそれぞれ接続されるとともに、両トランジスタと直流電源との間に抵抗が共通に接続されていることを特徴としている。

本発明によれば、パルス系検出器の数え落としに対する補正を理想通りに行うことができるので、放射線計測を高精度に行える対数変換回路を提供することが可能となる。特に、第１の発明では対数変換回路に対する入力電流が正極性の場合に、第２の発明では入力電流が負極性の場合にそれぞれ対応することができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における対数変換回路を備えた信号処理回路を示す構成図である。

この信号処理回路は、放射線を検出する比例計数管などのパルス系検出器１、このパルス系検出器１から放射線強度に応じたパルス数をもつパルス信号をパルス数に応じた電流値に変換するＦ／Ｉ変換器２、およびこのＦ／Ｉ変換器２から出力される信号を対数変換して電圧信号として出力する対数変換回路３を備えている。

上記の対数変換回路３は、演算増幅器３０、ＮＰＮ形の第１、第２のトランジスタ３１，３２、および抵抗３３を備える。そして、演算増幅器３０のＦ／Ｉ変換器２からの信号が入力される一方の入力端側（負極性端子）に第１のトランジスタ３１のコレクタが接続され、演算増幅器３０の他方の入力端側（正極性端子）は接地され、演算増幅器３０の出力端側（出力端子）には第２のトランジスタ３２のベースが接続されている。また、第１、第２のトランジスタ３１，３２のエミッタには抵抗３３の一端側が共通に接続され、この抵抗３３の他端側には直流電源の負極（−Ｖ１）が接続されている。さらに、第１のトランジスタ３１のベースは接地され、また第２のトランジスタ３２のコレクタには直流電源の正極（＋Ｖ１）が接続されている。

上記構成において、パルス系検出器１から出力されるパルス信号は、次段のＦ／Ｉ変換器２でパルス数に応じた電流値に変換されて出力される。次いで、対数変換回路３は、この入力信号を対数変換して電圧信号として出力する。

この場合、対数変換回路３に着目すると、Ｆ／Ｉ変換器２からの入力電流Ｉｉｎは、演算増幅器３０の負極性端子（−）に入力されるとともに、第１トランジスタ３１および抵抗３３を介して直流電源の負極（−Ｖ１）に流れる。これにより、演算増幅器３０の両入力端子間に電位差が生じると、演算増幅器３０からはその電位差に応じた電圧が出力される。そして、この演算増幅器３０の出力によって第２のトランジスタ３２が電流制御されて、直流電源の正極（＋Ｖ１）から第２のトランジスタ３２および抵抗３３を介して直流電源の負極（−Ｖ１）に電流が流れる。

ここで、抵抗３３に流れる電流をＩｆとし、Ｆ／Ｉ変換器２からの入力電流をＩｉｎ、第２のトランジスタ３２に流れる電流をＩｃとすると、Ｉｃ＝Ｉｆ−Ｉｉｎであり、第１、第２のトランジスタ３１，３２の対数特性により、対数変換回路３の出力電圧をＶｏｕｔ、ｌｎを自然対数とすると、
Ｖｏｕｔ＝−［ｌｎ（Ｉｉｎ）−ｌｎ（Ｉｃ）］
＝−［ｌｎ（Ｉｉｎ）−ｌｎ（Ｉｆ−Ｉｉｎ）］
＝−ｌｎ｛Ｉｉｎ／（Ｉｆ−Ｉｉｎ）｝ （２）
となる。

一方、パルス系検出器１における数え落とし補正式は、次式で与えられることが一般に知られている。
Ｎ＝Ｎｘ／（１−Ｎｘ・τ） （３）
ここに、Ｎは数え落とし補正されたパルス数、Ｎｘはパルス系検出器１で検出されるパルス数、τはパルス系検出器１の分解能である。

（３）式の両辺の対数をとると、
ｌｎ（Ｎ）＝ｌｎ｛Ｎｘ／（１−Ｎｘ・τ）｝
＝ｌｎ［Ｎｘ／｛τ・（１／τ−Ｎｘ）｝］
＝ｌｎ｛（Ｎｘ）／（１／τ−Ｎｘ）｝−ｌｎ（τ） （４）
となる。

上記（２）式と（４）式の右辺の第１項とを比較すると、Ｉｉｎ＝Ｎｘ、Ｉｆ＝１／τとみなせば、両者は正負の極性の違いを除くと等価となる。そして、Ｆ／Ｉ変換器２からの入力電流Ｉｉｎはパルス系検出器１で検出されるパルス数Ｎｘに対応しており、また、抵抗３３に流れる電流Ｉｆが１／τに対応するように、その抵抗値と直流電源の負極（−Ｖ１）の電圧を調整することは可能である。さらに、上記（４）式の右辺の第２項のｌｎ（τ）は、放射線強度の変化に依存せず、パルス系検出器１固有の値をもつ一定値であるので、対数変換回路３の出力Ｖｏｕｔに対して、図示しない後段の演算処理回路によりｌｎ（τ）に相当する分だけ信号加算することが可能である。

したがって、対数変換回路３の出力Ｖｏｕｔに基づいて最終的に演算処理により放射線強度（計数率）を求めた場合、高計数率の領域においても、図６中の符合Ｌ２（太実線）で示す理想的な数え落とし補正の関係を維持することができ、数え落としを精度良く補正することができる。

実施の形態２．
図２は本発明の実施の形態２における対数変換回路を備えた信号処理回路を示す構成図であり、図１に示した実施の形態１と対応する構成部分には同一の符合を付す。

この実施の形態２の特徴は、対数変換回路３において、第１、第２のトランジスタ３１，３２と抵抗３３との間の位置において、抵抗３３にＮＰＮ形の第３のトランジスタ３４が直列に接続されて定電流回路が構成されていることである。すなわち、第３のトランジスタ３４は、そのコレクタが第１、第２のトランジスタ３１，３２のエミッタに共通に接続され、エミッタが抵抗３３に接続され、さらに、ベースが直流電源の負極（−Ｖ２）に接続されている。
その他の構成は実施の形態１と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

図６中の符合Ｌ２（太実線）で示す理想的な数え落とし補正の関係を維持する上では、上記（２）式と（４）式の右辺の第１項との対応関係から分かるように、抵抗３３に流れる電流Ｉｆは常に安定化されていることが好ましい。よって、抵抗３３に第３のトランジスタ３４を直列に接続することにより常にここに流れる電流Ｉｆを安定化させることができる。これにより、実施の形態１の場合と比べると、トランジスタの数が若干増加するものの、数え落とし補正を一層精度良く行うことが可能となる。

実施の形態３．
図３は本発明の実施の形態３における対数変換回路を備えた信号処理回路を示す構成図であり、図１に示した実施の形態１と対応する構成部分には同一の符合を付す。

実施の形態１、２では、対数変換回路３に対する入力電流が正極性の場合であるが、この実施の形態３では、対数変換回路３に対する入力電流が負極性の場合に対応できるようにしたものである。

すなわち、この実施の形態３において、対数変換回路３は演算増幅器３０、ＰＮＰ形の第１、第２のトランジスタ３６，３７、および抵抗３８を備える。そして、演算増幅器３０のＦ／Ｉ変換器２からの信号が入力される一方の入力端側（負極性端子）に第１のトランジスタ３６のコレクタが接続され、演算増幅器３０の他方の入力端側（正極性端子）は接地され、演算増幅器３０の出力端側（出力端子）には第２のトランジスタ３７のベースが接続されている。また、第１、第２のトランジスタ３６，３７のエミッタに抵抗３８の一端側が共通に接続され、この抵抗３８の他端側には直流電源の正極（＋Ｖ３）が接続されている。さらに、第１のトランジスタ３６のベースは接地され、また、第２のトランジスタ３７のコレクタには直流電源の負極（−Ｖ３）が接続されている。

この実施の形態３の場合においても、抵抗３８に流れる電流をＩｆとし、Ｆ／Ｉ変換器２からの入力電流をＩｉｎ、第２のトランジスタ３７に流れる電流をＩｃ、対数変換回路３の出力電圧をＶｏｕｔとすると、前述の（２）式が得られる。

よって、この実施の形態３の場合も実施の形態１，２の場合と同様に、対数変換回路３の出力Ｖｏｕｔに基づいて最終的に演算処理により放射線強度（計数率）を求めた場合、高計数率の領域においても、図６中の符合Ｌ２（太実線）で示す理想的な数え落とし補正の関係を維持することができ、数え落としを精度良く補正することができる。

実施の形態４．
図４は本発明の実施の形態４における対数変換回路を備えた信号処理回路を示す構成図であり、図３に示した実施の形態３と対応する構成部分には同一の符合を付す。

この実施の形態４の特徴は、対数変換回路３において、第１、第２のトランジスタ３６，３７と抵抗３８との間の位置において、抵抗３８にＰＮＰ形の第３のトランジスタ３９が直列に接続されて定電流回路が構成されていることである。すなわち、第３のトランジスタ３９は、そのコレクタが第１、第２のトランジスタ３６，３７のエミッタに共通に接続され、エミッタが抵抗に接続され、さらに、ベースが直流電源の負極（−Ｖ４）に接続されている。
その他の構成は実施の形態３と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

この実施の形態４においても、抵抗３８に第３のトランジスタ３９を直列に接続することにより、常に抵抗３８に流れる電流Ｉｆを安定化させることができる。これにより、図６中の符合Ｌ２（太実線）で示す理想的な数え落とし補正の関係を維持することができ、実施の形態３の場合と比べると、トランジスタの数が若干増加するものの、数え落とし補正を一層精度良く行うことが可能となる。

本発明の実施の形態１における対数変換回路を備えた信号処理回路を示す構成図である。 本発明の実施の形態２における対数変換回路を備えた信号処理回路を示す構成図である。 本発明の実施の形態３における対数変換回路を備えた信号処理回路を示す構成図である。 本発明の実施の形態４における対数変換回路を備えた信号処理回路を示す構成図である。 従来の対数変換回路を備えた信号処理回路を示す構成図である。 対数変換回路の出力Ｖｏｕｔと、この出力Ｖｏｕｔに基づいて演算処理により放射線強度（計数率）を求めた場合の関係を示す特性図である。

符号の説明

１ パルス系検出器、２ Ｆ／Ｉ変換器、３ 対数変換回路、３０ 演算増幅器、
３１，３６ 第１のトランジスタ、３２，３７ 第２のトランジスタ、
３３，３８ 抵抗、３４，３９ 第３のトランジスタ。

Claims (3)

1. 放射線を検出するパルス系検出器から出力されるパルス信号がパルス数に応じた電流値に変換された後に入力される信号を対数変換して出力する対数変換回路であって、
   演算増幅器を備え、この演算増幅器の上記入力信号が入力される一方の入力端側には第１のトランジスタが、上記演算増幅器の出力端側には当該演算増幅器の出力により直流電源からの電流量が制御される第２のトランジスタがそれぞれ接続されるとともに、両トランジスタに対しては両トランジスタからの出力電流が合流する抵抗が共通に接続されてなることを特徴とする対数変換回路。
2. 放射線を検出するパルス系検出器から出力されるパルス信号がパルス数に応じた電流値に変換された後に入力される信号を対数変換して出力する対数変換回路であって、
   演算増幅器を備え、この演算増幅器の上記入力信号が入力される一方の入力端側には直流電源からの電流が流入する第１のトランジスタが、上記演算増幅器の出力端側には当該演算増幅器の出力により上記直流電源からの電流量が制御される第２のトランジスタがそれぞれ接続されるとともに、両トランジスタと直流電源との間に抵抗が共通に接続されていることを特徴とする対数変換回路。
3. 上記抵抗にはトランジスタが直列に接続されて定電流回路が構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の対数変換回路。

Images