JP2015526702A - サイトにおいて光子分布をリアルタイムにマッピングする方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、サイトにおける光子源の存在の分布をリアルタイムに地図化する方法であって、複数の測定地点で、非平行の分光検出器によって、所定のエネルギー帯の光子の流れを測定し、前記地点の地理的座標を記録するステップ（１００）と、各々の測定地点において、前記分光検出器の応答関数及び前記サイトの性質に関する情報に基づいて、前記測定地点周辺で検出される光子の発生地点の分布を求めるステップ（２００）と、測定地点周辺の発生地点の分布に基づき、前記サイトのマップ上に、光子の発生地点の分布を表示するステップ（３００）とを備え、さらに、二箇所目以降の各々の測定地点について、前記表示するステップ（３００）より前に、現在の測定地点周辺の光子の発生地点の分布を、前回までの複数の測定地点の光子の発生地点の分布と関連づけるステップ（２５０）を備えることを特徴とする方法に関する。【選択図】 図４

Description

本発明は、分光器データの取得及び処理の分野に関し、サイトにおいて光子源の存在する可能性の地図化をリアルタイムに、すなわち分光器データの取得中に、実現するためのものであり、あらゆる種類の発生源（鉱物、汚染物質、密閉された発生源）に適用可能である。

本発明は、とくに放射性の放射（ガンマ線）に適用されるが、赤外線またはＸ線の放射にも適用され、重要な領域において放射を測定する向きを作業者が決定する際、それを補助するものである。

開けた場所の表面または深部に存在する放射源の位置を特定するために、電磁波放射（ガンマまたはＸ光子）の検出器などのイオン化放射検出器を使用することが知られている。

とくに、開けた場所を、運搬車または飛行型の動力に設けられる可動の検出器で行き来することが知られている。検出器は、均一に分布した複数の測定地点において、地面に存在する光子の放出源から放出されるガンマ放射スペクトルを取得する。このスペクトルは光子の計数率と該光子のエネルギーを含む。

放射性の線源の場合、これらのデータはそれぞれ原子核の下方推移の数と、この核の原子種類を表す。

しかし、この方法はサイト全体にわたる体系的な計測を伴うため、線源のない位置においても、線源のある位置と同数の計測を行うことを必要とする。

その結果、計測時間は長くなり、計測の有効性は最適ではない。むしろ、一部の計測（とくに線源の無い領域で行われた計測）は線源の調査に直接関係しない一方で、線源の上で行われた計測の数は、該線源の放射能を十分な精度で表すには不足している場合がある。

この問題を解決するため、一部の放射性地図作成装置は、クリギング（Ｋｒｉｇｉｎｇ）などの地球統計学的方法を用いる。この方法では、最も重要な領域の位置を特定するためのより短い一連の計測が完了した後で、データ処理が行われる。

その後、他の計測が最も重要な領域で行われ、調査対象のサイトの特性抽出の精度が改善される。

しかし、これらの統計的な方法では、光子放出源のデータをリアルタイムで作成することはできない。

また、既存の方法は不正確である。なぜなら、検出された光子は必ずしも全てが検出器と垂直に位置する地面の領域で発するものではないからである。実際には、一部のガンマ線は検出器の法線方向以外の方向の表面から放出される。

したがって、計測地点で検出される光子の一部は、該地点の近隣の領域で発生している可能性がある。これにより、この地点の計測からは誤った情報が導かれる。

この問題を解決するため、一部の検出システムは、可動の運搬車とこの運搬車に取り付けられた検出器を備え、検出器がその中に載置される遮蔽ケージをさらに備える。このケージは検出器を平行にし、これにより、検出器が配置された測定地点と垂直に位置する領域から発生していない光子が検出されることを防ぐ。

しかし、このケージを使用すると、光子源から発生する光子のうち限られた数だけを考慮することになる。その結果、光子源を分析する際に考慮される光子の総量に関する情報が大幅に失われる。

本発明の目的は、地図作成の表示において、光子の放出源が発見される可能性がより高い領域をリアルタイムに示すことで、上述の問題を排除することである。

より具体的には、本発明の目的は、測定の際、光子源の位置をより正確かつより迅速に把握できるように作業者を導くことで、より効率的に測定を行うことである。

以上を鑑み、本発明の目的は、サイトにおける光子源の存在の分布をリアルタイムに地図化する方法を提供することである。この方法は、非平行の分光検出器を用いて、複数の測定地点で所定のエネルギー帯中の光子の流れを測定するステップと、該測定地点における地理的な座標を記録するステップを含む。そして、各々の測定地点で、
分光検出器の応答関数及びサイトの性質に関する情報に基づき、測定地点周辺で検出される光子の発生地点の分布を求め、
測定地点周辺の発生地点の分布に基づき、サイトのマップ上に光子の発生地点の分布を表示する。
本方法は、さらに、二箇所目以降の各々の測定地点において、表示するステップの前に、現在の測定地点周辺の光子の発生地点の分布を、前回の測定地点の光子の発生地点の分布に関連づけるステップを有する。

有利には、ただし任意には、本発明は以下の特徴のうち少なくとも一つの特徴をさらに備えていてもよい。
・前記所定のエネルギー帯は、前記光子源の原子種の特徴を示すエネルギー線を中心とすること
・前記検出器の前記応答関数は、前記検出器の位置と検出有効性の関数として求められること
・前記表示するステップでは、前記現在の測定地点を中心とする表面をモデル化し、前記サイトのマップに前記表面を投影すること
・前記表面のモデル化は、前記サイトの所定の大きさの画素を表わす要素からなるマトリクスを生成することによって行われること
・前記モデル化するステップでは、前記ピクセルと前記測定地点間の距離に応じて、測定地点と紐付けされたマトリクスのピクセルの各々に、前記測定地点で測定された光子流れのパーセンテージを紐付けすること
・ピクセルと紐付けされる前記光子流れの前記パーセンテージは、前記測定地点を中心として前記ピクセルと交差する円環部と紐付けされて測定された光子の流れのパーセンテージに基づいて決定されること
・前記関連づけるステップでは、いくつかの測定地点においてモデル化されたいくつかのマトリクスに示される前記サイトのピクセルの各々について、前記ピクセルがマトリクスに示される回数に応じて、前記ピクセルに紐付けられる光子の発生地点の分布の値の平均を計算すること
・前記光子の発生地点の分布の値の平均は、前記値に応じてピクセルごとに重みづけされていること

また、本発明は、本発明に係る方法を実行するための放射線放射検出システムに関する。システムは、
サイトに移動するように構成された可動運搬車と、
前記運搬車に搭載され、複数の測定地点で分光データを測定するように構成された非平行放射検出器と、
計算処理ユニットと、
位置決め装置と、
前記計算処理ユニットと通信するメモリとを備え、
前記放射検出器は前記計算処理ユニットに分光データを送信するように構成され、
前記ユニットは、前記データに基づき、測定された分光データに応じて、測定地点周辺の光子の発生地点の分布をモデル化し、前記光子の発生地点の分布を複数の測定地点と関連づけ、前記サイトのマップに光子放出の分布を表示するように構成される
ことを特徴とする。

本発明のその他の特徴、目的及び効果は後述の説明で明らかにされるが、この説明はまったく例示的なものであって限定的なものではなく、以下に説明する図面とあわせて考慮されなければならない。

本発明に係る方法を実行する検出システムの概略図である。 このようなシステムで用いられる放射検出器の概略図である。 検出された光子の分布を、検出器に対する光子の発生地点と関連させて概略的に示す図である。 光子の発生地点の可能性を、検出器に対する光子の投射角度と関連させて示す図である。 地面に対して検出された流れの光子の発生地点の累積分布を示す図である。 検出された流れの光子の発生地点の分布を示す図である。 本発明に係る方法の一実施形態の主要なステップを示す図である。 検出器周辺の光子の発生地点の分布の三次元モデルを示す図である。 モデル化のピクセルを示す図である。 本方法の実行による、地図作成の実現過程を示した図である。

図１を参照すると、可動検出システム１が用いられている。可動検出システム１は、可動運搬車１０を備え、放射検出器１１が可動運搬車１０に取り付けられている。この検出器１１は、好ましくはゲルマニウム半導体分光器型のガンマ線検出器であり、対称軸が地面に垂直の方向と、地面方向とに向けられる検出水晶体を有する。

また、検出器は、平行にされていないため、１８０°または２πステラジアンの検出開度で表面からの光子を検出可能である。

必要に応じて、検出器１１は冷却ユニット１４により冷却される。冷却ユニット１４は、冷却窒素タンクまたはペルティエ効果により動作する低温電子工学式冷却システムであってもよい。

また、システム１は、計算処理ユニット１２と、このユニットに接続されたメモリ１３を備える。検出器には、この計算処理ユニットにデータを送信するインタフェース１５が設けられる。

システム１は、例えば衛星地理位置把握システム（ＧＰＳ）などの位置決め装置１６を備える。位置決め装置１６は計算処理ユニットに接続され、測定地点で取得された分光データと、該測定地点の地理的データを紐付けるようになっている。

（物理的原理）
図１Ｂは、放射検出器１１の概略図である。この検出器は、真空チャンバ１１０に配置された検出セル基材１１１を備え、ガンマ線は検出される前にこの検出セル基材１１１を通過する。

図１Ｂに示すように、検出の有効性は、検出器固有の有効性と検出器の位置に左右される。

より具体的には、所与の検出器において、検出器の有効性は以下の通りである。
Ｎｆは関連するエネルギー帯中の光子の流れ（毎秒）に対応し、Ａは光子源の放射能（ベクレル）である。

は、光子の流れの角度分布に対応し、地中の放射性核種の分布のみに左右される。

検出セル基材１１０の対象軸に平行の方向Ｄからのガンマ線については、軸方向の流れの入射角に対して比率Ｎ_０／Фの光子が検出され、この比率が検出器固有の有効性に対応する。

しかし、ガンマ線γ‘が他の方向から検出器に到達し、０°以外の角度αを方向Ｄとの間になすとき、検出の有効性は（角度αの値と検出器の位置特性に応じて）変化する。これに関して、Ｎ_ｆ／Ｎ_０は軸方向の流れの入射角に対する光子の流れの入射角に応じたＮ_０／Фの変化を表す。

上述の見解によれば、測定地点で検出されるガンマ光子数のうち、検出器の測定方向に位置する領域から発するものは一部であり、その他の部分は、この測定地点に隣接する領域から発する。

検出器の有効性を求める上述の数式は、放射の流れが検出器材の対称軸に対してなす角度に対応している。そのため、光子の発生地点の角度に応じて、検出される事象の数を把握することが可能である。

これに関し、図２Ａは、ピーク中のすべての事象に対して、検出器に対して所定の位置で発する事象の数（黒い領域）を概略的に示した図である。

検出器周辺の角度θから最大値として発する事象の数は以下の式により求められる。
ただし、
であり、ｒ＝検出器周辺の地面の半径（メートル）、ｈ＝地面からの検出器の高さである。

したがって、図２Ｂに示すように、検出器の有効性関数に基づき、一定量の光子が検出される測定地点において、光子の発生地点である可能性を入射角に応じて立証することができる。

同図には３つの曲線が示されており、それぞれが、光子検出のエネルギーに対応している（それぞれ、１００ＫｅＶ、６００ＫｅＶ、及び３０００ＫｅＶ）。これらの曲線は、地中の放射線核種の分布が同一であり、検出器が地面から１ｍの位置にある場合についてモデル化されている。

図３Ａを参照すると、光子の発生地点の可能性に応じて、検出された事象の総数に対する、事象（光子の数）の累積パーセンテージが示されている。光子の発生地点は、検出器から光子発生地点までの地面上の距離ｒとして与えられる。

同図には、地中の放射線核種の異なる分布及び異なるエネルギー値について、いくつかの曲線が示されている。どの場合も、検出器は地面から１ｍの高さにある。

図３Ｂは、図２Ｂと同様に、地面高さにおける光子の発生地点の検出器からの距離に応じて、検出された事象の総数に対する事象のパーセンテージを示す図だが、ここでは累積パーセンテージではない。

この分布は、外径Ｒｅと内径Ｒｉを有する複数の円環部であって、検出器を中心として大きさが増加する複数の円環部から発する光子の、光子の総量に対するパーセンテージによってモデル化されている。所与の円環部から発する光子のパーセンテージは以下の式により求められる。

図３Ｂは、地中における光子源の分布が指数関数的である場合（検出器が地面から１ｍの高さにあり、緩和質量係数が１ｇ／ｃｍ^−２に等しい場合）、検出器によって検知される事象が、検出器の周囲１ｍの地点における光子の放出に由来する可能性が最も高いことを示している。

したがって、この円環部モデルから、所与の光子の計数率のとき、光子の発生源である地点と検出器との間の所与の距離で発生し得る光子の割合が得られる。

ここで説明した原理は本発明に係る方法において実行される。その主要なステップを図４に示す。

第１のステップ１００では、測定地点において、分光データの取得が行われる。これらのデータはエネルギーのヒストグラムを含む。エネルギーのヒストグラムでは、測定時間において、所定のスペクトルのエネルギーが、ぞれぞれ、対応する数のガンマ光子の特徴とされる。

ガンマ線のエネルギーは、光子源と検出器との間を通過中に拡散したか否かを示すことができ、さらに、ガンマ線の放出源の原子種の性質を示す。

たとえば、放射能源の場合、光子は所定の原子核からの光子の輝線に特徴を持つ。６６１．６ＫｅＶのエネルギーを有するガンマ光子はセシウム１３７の原子の分裂から放出される。

したがって、このステップ１００では、一つの種の存否を分析する目的で、検出された光子の総数から、所与のエネルギー帯にある光子の一部が選択される。

また、このステップ１００では、位置決め装置１３によって、検出システム１の位置決めに関するデータを取得する。

検出器１１はインタフェース１５を介して測定データを計算ユニット１２に送信する。

次に、ステップ２００において、計算処理ユニット１２が、検出器と光子が発生する地点との間の距離に応じて、光子の発生地点である可能性の分布を求める。この分布は、図３Ｂに示した種類の分布である。

このために、検出器の周知のパラメータに応じて、地面の性質と地面における光子の放出源の分布についての仮説や、これらのパラメータについて前もって蓄積されたグラフが使用される。

したがって、上述したように、この段階で、検出器を中心として連続する円環部について、光子の発生地点の分布が算出される。

次に、図５Ａに示すように、計算ユニットが、検出器周辺の地点から放出される検出された流れの光子のパーセンテージを表す３次元地図を生成する。

このために、計算ユニットは、その各々の要素が、地面の所定の大きさのピクセルを表すマトリクスを生成する。たとえば、各々のピクセルは０．２５ｍ^２の表面を表していてもよい。

図５Ｂを参照して、ピクセル（ｉ，ｊ）から発する光子の流れのパーセンテージは、前述の円環部モデルによって計算される。各々のピクセルは複数の円環部と交差し、各々のピクセルから放出される光子の流れのパーセンテージは、これらの円環部と該ピクセルとが交差する面から放出される流れのパーセンテージの平均である。

円環部とピクセル間の交差面に応じて、重みづけが実行される。
このとき、
Ｈ（ｉ，ｊ）＝ピクセル（ｉ，ｊ）における光子の発生地点の可能性の値
Ｃ＝ピクセルの一辺の大きさ
Ｓｉ＝外形Ｒｅｌを有する円環部ｌとピクセル（ｉ，ｊ）との交差面
ｌｍａｘ＝ピクセル（ｉ，ｊ）と交差している円環部の数
Ｆ（Ｒｅｌ）＝外径Ｒｅｌで内径Ｒｅｌ_−１の円環部の流れの標準パーセンテージ（すべての円環部は同一の厚さｅ＝Ｒｅｌ−Ｒｅｌ_−１（メートル）を有し、このパーセンテージは検出器の測定から導かれる）
である。

したがって、ピクセルの表面Ｃ^２は以下の式と等しい。
そして、ピクセル（ｉ，ｊ）に含まれる円環部の数は以下の式により計算される。
ただし、Ｅ［Ｘ］は床関数を指す。

円環部とピクセルの間の交差面積は、台形ごとにデジタル積分によって計算される。

結果として、図５Ａのマトリクスが得られる。このマトリクスでは、ピクセルごとに、検出器周辺の光子の発生地点の可能性（検出された流れの総量に対する各々の地点での光子の流れのパーセンテージの相対推定値）の分布が表される。

再び図４を参照すると、このマトリクスは次に、ステップ３００において、測定の際に取得された測定地点の地理的な位置にもとづき、サイトを表すマップに投影されてマッピングされる。この表示は、検出器が配置された高さの測定地点周辺における、光子の発生地点の可能性の分布を示す。各々のピクセルは、この地点から放出される検出された光子の量の可能性に紐付けされる。

したがって、この表示は、サイトの光子源の発生地点の可能性の分布を示す。光子源とは、検出され分析される光子の流れの発生源である。

ステップ４００において、作業者は、検出システムを最初の測定地点から隣の測定地点へと移動させ、測定ステップ１００と、検出器周辺の光子の発生地点の分布を計算するステップ２００を繰り返す。

加えて、地図上に表示するステップ３００の前に、ステップ２５０において、計算ユニット１２が、連続する測定のあいだに得られたデータの関連付けを実行する。

この関連付けは、マップの各々のピクセルにおいて、各々のピクセルから放出される検出された光子の発生地点の可能性の分布の値を平均することによって、このピクセルに影響したそれ以前の測定の数に応じて実行される。

また、この平均は、ピクセルの光子の発生地点の分布の値によって重み付けされてもよい。なぜなら、図３Ａに示すように、ある地点でこの値が大きいほど、その地点における光子の発生地点の分布の値の測定は正確になるからである。

このため、表示ステップ３００において、一または複数のそれ以前の測定地点において測定された計数率下で、サイトの異なる地点について検出された光子の発生地点の可能性が表示されるだけでなく、この可能性は、現在の測定地点で測定された計数率に応じて更新される。

したがって、結果として、サイトの表面で検出される光子の発生地点の分布をリアルタイムで地図化することができ、この地図は、サイトにおける光子源の存在の分布に対応する。この地図は地面で作業者が位置を変える間じゅう更新される。したがって、検出された光子の発生源の位置を作業者にリアルタイムで示し、さらに、作業者を発生源に案内する。

図６は、サイトにおいて本方法を実行した結果の進捗を、サイトにおける作業者の移動に応じて示す図である。領域が明るいほど、その領域における光子の発生地点の分布の値（光子の発生地点である可能性）は大きい。

なお、とくに、地図作製は漸進的に行われ、作業者が移動する間じゅう修正される。

Claims (10)

1. サイトにおける光子源の存在の分布をリアルタイムに地図化する方法であって、
   複数の測定地点で、非平行の分光検出器によって、所定のエネルギー帯の光子の流れを測定し、前記地点の地理的座標を記録するステップ（１００）と、
   各々の測定地点において、
   前記分光検出器の応答関数及び前記サイトの性質に関する情報に基づいて、前記測定地点周辺で検出される光子の発生地点の分布を求めるステップ（２００）と、
   測定地点周辺の発生地点の分布に基づき、前記サイトのマップ上に、光子の発生地点の分布を表示するステップ（３００）
   とを備え、
   さらに、二箇所目以降の各々の測定地点について、前記表示するステップ（３００）より前に、現在の測定地点周辺の光子の発生地点の分布を、前回までの複数の測定地点の光子の発生地点の分布と関連づけるステップ（２５０）を備える
   ことを特徴とする方法。
2. 前記所定のエネルギー帯は、前記光子源の原子種の特徴を示すエネルギー線を中心とする
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記検出器の前記応答関数は、前記検出器の位置と検出有効性の関数として求められる
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記表示するステップでは、前記現在の測定地点を中心とする表面をモデル化し、前記サイトのマップに前記表面を投影する
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の方法。
5. 前記表面のモデル化は、前記サイトの所定の大きさの画素を表わす要素からなるマトリクスを生成することによって行われる
   ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記モデル化するステップでは、前記ピクセルと前記測定地点間の距離に応じて、測定地点と紐付けされたマトリクスのピクセルの各々に、前記測定地点で測定された光子流れのパーセンテージを紐付けする
   ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. ピクセルと紐付けされる前記光子流れの前記パーセンテージは、前記測定地点を中心として前記ピクセルと交差する円環部と紐付けされて測定された光子の流れのパーセンテージに基づいて決定される
   ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記関連づけるステップでは、いくつかの測定地点においてモデル化されたいくつかのマトリクスに示される前記サイトのピクセルの各々について、前記ピクセルがマトリクスに示される回数に応じて、前記ピクセルに紐付けられる光子の発生地点の分布の値の平均を計算する
   ことを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の方法。
9. 前記光子の発生地点の分布の値の平均は、前記値に応じてピクセルごとに重みづけされている
   ことを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の方法。
10. 請求項１乃至９の何れか一項に記載の方法を実行する放射線放射検出システムであって、
    サイトに移動するように構成された可動運搬車（１０）と、
    前記運搬車に搭載され、複数の測定地点で分光データを測定する非平行放射検出器（１１）と、
    計算処理ユニット（１２）と、
    位置決め装置（１６）と、
    前記計算処理ユニットと通信するメモリ（１３）と
    を備え、
    前記放射検出器（１１）は前記計算処理ユニットに分光データを送信するように構成され、
    前記ユニット（１２）は、前記データに基づき、測定された分光データに応じて、測定地点周辺の光子の発生地点の分布をモデル化し、前記光子の発生地点の分布を複数の測定地点と関連づけ、前記サイトのマップに光子放出の分布を表示するように構成される
    ことを特徴とするシステム。