JP2016125880A - 放射線計測システム及び光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物の表面等から発生する放射線の強度分布を比較的簡易に決定することができる放射線計測システム及びこれに用いられる光学系を提供すること。【解決手段】２次元コリメーター部２１が放射線の入射方向を基準線ＢＬに沿った所定の局所領域に対応するように制限するので、目標とする所定の局所領域に存在する線源からの放射線を選択的に検出することができる。また、第２次検出部である光電撮像管部４０及び読出部５０がロッドアレイ１２２ｓからの蛍光を２次元的な光信号の分布として検出することで、放射線の入射方向を特定することができ、所定の局所領域のどの箇所からの放射線であるかを判定することもできる。【選択図】図１

Description

本発明は、対象物の放射線像を高感度で計測するための放射線計測システム及びこれを構成する放射線計測装置に組み込まれる光学系に関する。

放射線像を高感度で計測するための撮像装置として、多数のシンチレーションファイバーを平行かつ面状に配列したファイバーアレイと、ファイバーアレイの入射側に配置されたコリメーターとを備える検出ユニットを多数積層した撮像装置が存在する（特許文献１参照）。この撮像装置では、コリメーターによって特定方位からのガンマ線等を選択し、ファイバーアレイによって高感度でガンマ線等の通過を検出することができる。

対象物のＸ線その他の放射線の照射像を検出するための装置として、ファイバー軸に垂直な方向に２次元的に配列されたシンチレーションファイバープレート又はシンチレーターと、シンチレーションファイバープレート又はシンチレーターの線源側に配置されてファイバー軸に垂直な方向に延びるスリットとを備えるものが開示されている（特許文献２、３参照）。

上記特許文献１の撮像装置では、対象物の表面等から発生する放射線の強度分布を決定することが容易でない。
また、上記特許文献２、３の装置は、予め準備した線源からの放射線の照射を前提としており、対象物の表面等から発生する放射線の強度分布を決定するものではない。

国際公開第２０１３／１４７２７７号 特開平６−２１４０２８号公報 特開２００６−３２９９０５号公報

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、対象物の表面等から発生する放射線の強度分布を比較的簡易に決定することができる放射線計測システム及びこれに用いられる光学系を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る放射線計測システムは、放射線の入射方向を基準線に沿った所定の局所的な領域に対応するように制限する方位制限部と、方位制限部によって制限される入射方向と交差する方向にロッド軸が延びるように配列されるとともに放射線の入射に伴って蛍光を発生するロッドアレイとを有する第１次検出部と、第１次検出部のロッドアレイからの蛍光を２次元的な光信号の分布として検出する第２次検出部と、第２次検出部の検出出力に基づいて所定の局所的な領域における放射線量分布を決定する演算部とを備える。

上記放射線計測システムでは、方位制限部が放射線の入射方向を基準線に沿った所定の局所的な領域に対応するように制限するので、目標とする所定の局所的な領域に存在する線源からの放射線を選択的に検出することができる。また、第２次検出部がロッドアレイからの蛍光を２次元的な光信号の分布として検出することで、放射線の強度その他の入射状態を観測することができる。なお、ロッドアレイを用いることで、第１次検出部を小型化することが容易になり、第１次検出部や放射線計測システムを簡易に軽量化することができる。

本発明の具体的な側面では、演算部は、ロッドアレイにおける同時検出箇所が方位制限部によって制限された放射線の入射方向に対応する場合に、検出された放射線が所定の局所的な領域からロッドアレイに入射したと判定する。この場合、バックグラウンドノイズを除去した測定が可能になる。

本発明の別の側面では、演算部は、第１次検出部の検出領域の立体角と、所定の局所的な領域から入射する放射線の強度及び頻度とに基づいて、基準線に沿った領域における放射線量の面密度分布を決定する。この場合、対象の表面に存在する放射性物質の分布状態を監視することができる。

本発明のさらに別の側面では、演算部は、対象の表面までの距離を測定する測距装置の出力に基づいて検出領域の立体角を修正する。この場合、対象の表面の起伏を加味した放射性物質の分布状態を監視することができる。

本発明のさらに別の側面では、方位制限部は、第１コリメーターと第２コリメーターを含む２次元コリメーターであり、第１コリメーターは、基準線に向けて収束するように配列された複数の遮蔽体の平板を含み、第２コリメーターは、所定の局所的な領域に向けて略平行に配列された複数の遮蔽体の平板を含む。この場合、比較的近接した有限距離にある対象にフォーカスして計測を行うことが容易になり、有限距離だけ離れた対象からの放射線を選択的に効率よく検出することができる。

本発明のさらに別の側面では、ロッドアレイは、蛍光物質をドープした複数のシンチレーションロッドを有する。

本発明のさらに別の側面では、ロッドアレイは、複数のシンチレーションロッドの周囲にそれぞれ配置されるとともに内面にミラーを有する複数の外筒部を有する。この場合、シンチレーションロッド内から外側に漏れ出した光を回収して第２次検出部側に供給することができ、検出感度を高めることができる。

本発明のさらに別の側面では、第１次検出部の空間的な状態を変化させることによって所定の局所的な領域を移動させる走査装置をさらに備える。この場合、所定の局所的な領域の移動によって、２次元的な広がりを有する対象領域を比較的迅速に計測することができる。

上記目的を達成するため、本発明に係る光学系は、蛍光物質をドープした複数のシンチレーションロッドを有してなり、放射線計測装置又はシステムに組み込まれるものであって、複数のシンチレーションロッドの周囲にそれぞれ配置されるとともに内面にミラーを有する複数の外筒部を有する。

上記光学系を構成する複数のシンチレーションロッド及び外筒部、すなわちロッドアレイを利用すれば、このロッドアレイからの蛍光を２次元的な光信号の分布として検出することができるので、放射線の入射方向を特定することができ、所定の局所的な領域のどの箇所からの放射線であるかを判定することもできる。ここで、複数のシンチレーションロッドの周囲に内面にミラーを有する複数の外筒部を配置しているので、シンチレーションロッド内から外側に漏れ出した光を回収することができ、検出感度を高めることができる。

本発明の具体的な側面では、上記光学系において、シンチレーションロッドは、コアを剥き出しにした非被覆型の構造を有する。この場合、全反射角を大きくすることができ、コアを伝搬する光の取込効率を高めることができる。

本発明の別の側面では、複数のシンチレーションロッドの光射出側にそれぞれ配置されて射出ＮＡを入射ＮＡよりも減少させるように角度変換を行う光学部材をさらに備える。この場合、ロッドアレイからの蛍光を検出する撮像面等への高効率伝送結合が可能になる。

本発明のさらに別の側面では、光学部材は、第１レンズと第２レンズとを光路に沿って配置した組レンズである。この場合、第１レンズと第２レンズとを利用して角度変換に際しての収差を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る放射線計測装置を複数組み込んだ放射線計測システムを説明する概念的な斜視図である。 放射線計測システムに組み込まれた１つの放射線計測装置を説明する概念的な斜視図である。 放射線計測装置の内部構造を説明する概念的な図である。 放射線計測装置を構成する１つのファイバーブレードを説明する概念的な図である。 図４に示すファイバーブレードを構成するシンチレーションロッドユニットを説明する概念図である。 放射線計測装置による放射線計測の原理を概念的に説明する図である。 放射線計測装置による放射線計測の原理を概念的に説明する図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、検出原理に関するシミュレーション結果を説明する図である。 対象の放射線量分布を測定する動作を説明するフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態に係る放射線計測システム、これに組み込まれる放射線計測装置等について説明する。

図１に示す放射線計測システム１００は、複数の放射線計測装置１０と、これらの放射線計測装置１０を支持するゲート状の支持体７０と、放射線計測装置１０等の動作状態を制御することによって計測対象の放射線量分布その他の諸情報につき情報処理又は情報管理を行う制御装置９０とを備える。

各放射線計測装置１０は、詳細は後述するが、それぞれの正面前方に設定された計測対象領域（後述する局所領域Ａ３）からの放射線を検出する。放射線計測装置１０は、支持体７０に支持されて計測に際して空間的な状態（具体的には位置や回転姿勢）が変化する可動部分となっており、その移動に伴って計測対象領域も移動する。

支持体７０は、計測対象物である四角柱状の対象ＯＢを中央に配置（又は中央において通過）させることができる四角枠状の部分である。支持体７０は、一対の放射線計測装置１０を支持する左右一対の支柱部、別の一対の放射線計測装置１０を支持する上下一対の桁部を有する。支持体７０の各支柱部には、第１駆動機構７１が内蔵されており、対象ＯＢを固定した状態でＸ方向に関して対向する左右一対の放射線計測装置１０を、所望のタイミング及び角速度でＺ軸の周りに回転させることによってＸ軸方向を基準方向として所望の傾斜角度に回動させることができ、所望のタイミング及び速度でＺ方向の所望位置に昇降移動させることができる。支持体７０の各桁部には、第２駆動機構７２が内蔵されており、対象ＯＢを固定した状態でＺ方向に関して対向する上下一対の放射線計測装置１０を、所望のタイミング及び角速度でＸ軸の周りに回転させることによってＺ軸方向を基準方向として所望の傾斜角度に回動させることができ、所望のタイミング及び速度でＸ方向の所望位置に水平移動させることができる。第１及び第２駆動機構７１，７２は、放射線計測装置１０の空間的な配置を変化させること（具体的には、回転による姿勢変化又は傾斜量の増減、並びに縦方向又は横方向への移動）によって検査又は測定のターゲットとなる所定の局所的な領域を移動させる走査装置として機能する。具体的には、第１駆動機構７１によって対象ＯＢに対するＹ及びＺの２軸に沿った２次元走査型の検査が可能になり、第２駆動機構７２によって対象ＯＢに対するＹ及びＸの２軸に沿った走査型の測定が可能になる。

制御装置９０は、各放射線計測装置１０の動作を監視しつつ各放射線計測装置１０から計測結果を取得する。制御装置９０は、演算部として、対象ＯＢのうち放射線計測装置１０に対向し概ねＹ方向に延びる帯状の所定領域に沿って区分けされた局所的な領域について放射線量分布を決定する。この際、制御装置９０は、駆動機構７１，７２を介して４つの放射線計測装置１０に２次元的な走査を行わせ、対象ＯＢの表面全体、具体的には両側面、上面、及び底面における放射線量分布を計測する。

以下、図２、３等を参照して、図１に示す４つの放射線計測装置１０のうち１つの放射線計測装置１０Ａについて説明する。放射線計測装置１０Ａは、全体としてケース１１内に収納され、検出窓部２０と、ロッドバンドル部３０と、光電撮像管部４０と、読出部５０と、回路装置６０と、電源部１５とを備える。ここで、検出窓部２０はケース１１の第１部分１１ａに収納され、ロッドバンドル部３０はケース１１の第２部分１１ｂに収納され、光電撮像管部４０その他の残りの部分はケース１１の第３部分１１ｃに収納されている。

検出窓部２０は、第１次検出部として機能する部分であり、ケース１１からはみ出すように設けられた２次元コリメーター部２１と、２次元コリメーター部２１の背後に配置されるシンチレーター部２２とを有する。２次元コリメーター部２１は、放射線の入射方向を基準線ＢＬに沿った所定の局所的な領域に対応するように制限する方位制限部として機能し、２次元的な層状に延びる第１コリメーター２１ａと、同様に層状に延びる第２コリメーター２１ｂとを積層したものとなっている。第１コリメーター２１ａは、有限焦点系であり、検出窓部２０が正面のＸ方向に向いている状態で、多数の細長い平板状の遮蔽体である放射線遮蔽板２１ｃを短手側すなわち＋Ｘ側で間隔が狭まるようにＺ方向に配列したものである。より具体的には、放射線遮蔽板２１ｃは、その回転姿勢に関わらず±Ｙ方向に延びる基準線ＢＬ及びその周辺に向けて収束するように配列されている。各放射線遮蔽板（遮蔽体の平板）２１ｃは、例えば０．５〜１ｍｍ程度の厚みを有する鉛板であり、これらの放射線遮蔽板２１ｃは、＋Ｘ側つまり先端側で例えば１〜２ｍｍ程度の隙間ＧＡを介して互いに離間して配置される。この第１コリメーター２１ａにより、検出窓部２０による放射線の検出に際してＺ方向のフォーカス機能を持たせることができ、Ｙ軸に平行に延びる基準線ＢＬ及びその周辺を含む帯状の所定領域Ａ１からの放射線のみを優先的又は選択的に検出することが可能になる。第２コリメーター２１ｂは、無限焦点系であり、検出窓部２０が正面のＸ方向に向いている状態で、多数の細長い平板状の遮蔽体である放射線遮蔽板２１ｄをＹ方向に等間隔で平行に配列したものである。各放射線遮蔽板２１ｄは、検出窓部２０が正面のＸ方向に向いている状態で、Ｚ方向を長手方向とするとともに、Ｙ方向を法線方向としている。各放射線遮蔽板（遮蔽体の平板）２１ｄは、例えば０．５〜１ｍｍ程度の厚みを有する鉛板であり、これらの放射線遮蔽板２１ｃは、１〜２ｍｍ程度の隙間ＧＡを介して互いに離間して配置される。この第２コリメーター２１ｂにより、検出窓部２０による放射線の検出に際して追加的フォーカス機能を持たせることができ、上記基準線ＢＬ及びその周辺を含む帯状の所定領域Ａ１のうち検出窓部２０が正面にある所定の局所的な領域からの放射線のみを優先的又は選択的に検出することが可能になる。シンチレーター部２２は、Ｚ方向に延びる細長い多数のシンチレーションロッドユニット２２ａを例えば３〜５ｍｍのピッチで規則正しく密に配列して成り、キューブ状の空間を充填するものとなっている。シンチレーター部２２は、例えば８８×８８本のシンチレーションロッドユニット２２ａで充填されている。このようにシンチレーター部２２を立体的にすることで、放射線に対する感度を高めることができ、既知の放射線源によって対象に強い放射線を照射してその透過率分布を測定するような場合に限らず、微弱なものを含む未知の放射線源からの放射線量を精度良く計測することが可能となる。

検出窓部２０が計測に際して第１コリメーター２１ａによってフォーカスする基準線ＢＬは、シンチレーター部２２の中心を通って正面（図１に示す支持体７０の内側）のＸ方向に延びる中心線ＣＬと直交する。検出窓部２０から基準線ＢＬまでの距離は、用途、検出窓部２０のサイズ等に応じて適宜設定されるが、例えば５０ｃｍ〜１ｍ程度に設定される。基準線ＢＬは、図１に示す放射線計測装置１０Ａの±Ｚ方向への昇降（つまり、検出窓部２０の±Ｚ方向への変位）に伴って基準線ＢＬに垂直な±Ｚ方向に平行移動する。つまり、検出窓部２０の昇降によって、元の基準線ＢＬに対応する直線状の計測領域が平行移動して新たな基準線ＢＬ'に対応する計測領域が設定され、これらの基準線ＢＬ，ＢＬ'を含む全体としてＹＺ面に沿った２次元的な計測領域ＭＡ及びその周辺からの放射線計測を行うことができる。なお、２次元コリメーター部２１を交換することで検出窓部２０から基準線ＢＬまでの距離を調整することができ、２次元コリメーター部２１を構成する放射線遮蔽板２１ａの角度を連動する可変タイプとすることで可変フォーカスとすることもできる。また、放射線遮蔽板２１ａのサイズや密度を調整することで、フォーカス深さも調整することができる。
なお、基準線ＢＬのうち、中心線ＣＬが通る点Ｐ１から射出された放射線は、２次元コリメーター部２１を通過して、Ｚ方向にロッド軸が延びるように束ねて配置された多数のシンチレーションロッドユニット２２ａのいずれかを交差するように横切る。中心線ＣＬから２次元コリメーター部２１Ｙ方向に関する幅の半分程度離れた点Ｐ２からの放射線も、２次元コリメーター部２１を通過して、シンチレーションロッドユニット２２ａのいずれかを交差するように横切る。つまり、シンチレーションロッドユニット２２ａは、２次元コリメーター部２１によって制限された放射線の入射方向と交差する方向にロッド軸が延びるように配列されている。結果的に、検出窓部２０による検出範囲は、基準線ＢＬに沿って延び検出窓部２０の正面の点Ｐ１を通る矩形の局所領域Ａ３となっている。

放射線計測装置１０を含む検出窓部２０は、図１に示す第１駆動機構７１に駆動されて、例えば重心を通るＺ軸に平行な回転軸ＲＸの周りに回転する。このため、検出窓部２０による検出範囲に相当する局所領域Ａ３は、検出窓部２０の傾斜量又は回転角に応じて基準線ＢＬに沿って±Ｙ方向に横移動（図面上では上下移動）する。つまり、放射線計測装置１０による計測を帯状の所定領域Ａ１内でＹ軸方向に走査するように行うことができる。

ロッドバンドル部３０は、一方においてコネクタ基板１４を介してシンチレーター部２２に接続され、他方においてコネクタ基板１４を介して光電撮像管部４０の受光部４１に対応する分布で固定されている。ロッドバンドル部３０は、多数のガイド用の光ファイバー３１を集めたものである。光ファイバー３１の一端は、コネクタ基板１４を介してシンチレーター部２２を構成する各シンチレーションロッドユニット２２ａの出力端に結合され、光ファイバー３１の他端は、コネクタ基板１４を介して光電撮像管部４０の受光部４１の格子点に対向するように位置決めされて固定されている。ロッドバンドル部３０は、シンチレーター部２２を構成するシンチレーションロッドユニット２２ａの配列関係を維持したままで光信号を光電撮像管部４０の受光部４１に伝送する。つまり、シンチレーター部２２は、シンチレーションロッドユニット２２ａをＸ方向及びＹ方向に配列して充填したものであり、ＸＹ断面に関して例えば８８×８８のマトリクス状に配列されているので、この格子点状の配列をそのまま維持した画素パターンが光電撮像管部４０によって画像として検出され増幅される。

光電撮像管部４０は、真空容器内に収納された構造を有しており、詳細な説明は省略するが、光電変換用の入力部である受光部４１と、入射した電子を光に変換して像を形成する出力部４３との間に、光電変換後の電子を収束させる静電収束系等を有している。ここで、受光部４１は、ガラス製の光学窓を有しており、光学窓の内側には所定の特性を有する光電変換物質の蒸着によって光電変換面が形成されている。出力部４３は、例えばファイバーオプティックプレートで形成され、その入射面には、所定の特性を有する蛍光体が塗布されている。

なお、光電撮像管部４０は、読出部５０と協働することで、シンチレーター部２２からの光信号を２次元的な光信号の分布として検知する第２次検出部として機能する。

読出部５０は、リレー光学系５１、精細撮像部５３等を備える。リレー光学系５１は、光電撮像管部４０の出力部４３の像を、精細撮像部５３の撮像面上に略等倍で投射する投射光学系となっている。精細撮像部５３は、例えばＣＭＯＳ型撮像素子である固体撮像素子と、固体撮像素子に撮像動作を行わせる駆動回路とを有し、固体撮像素子に撮像動作を行わせる。精細撮像部５３は、光電撮像管部４０の出力部４３に形成された微弱な光の精細画像を、ビデオレートで画素デジタル信号化して出力する。なお、図示を省略しているが、リレー光学系５１から分岐される光路上には、マルチアノードタイプのフォトマルチプライヤ等からなる粗像撮像部が設けられており、精細撮像部５３に撮像動作を行わせる駆動回路に対してトリガー信号を与える。

回路装置６０は、読出部５０から出力された画像信号や強度信号を監視し、記憶装置に保管しつつ外部に出力する。つまり、回路装置６０は、検出窓部２０に対象とする線源からのガンマ線その他の放射線が入射した場合、精細撮像部５３に撮影を行わせることで放射線の痕跡を画像として検出する。

放射線計測装置１０Ａは、検出窓部２０の周辺であって基準線ＢＬに対向する位置に複数の距離センサー１８を有する。距離センサー１８は、例えばレーザー測距装置であり、検出窓部２０の正面、つまり図２に示す局所領域Ａ３にある対象の物体表面までの距離を測定することができる。距離センサー（測距装置）１８によって得た測距結果は、回路装置６０に出力される。距離センサー１８には、カメラも付随しており、対象ＯＢの表面画像を随時撮影することができる。距離センサー１８によって得た測距結果や撮影画像は、回路装置６０に出力される。

以下、シンチレーター部２２を構成するシンチレーションロッドユニット２２ａ等について説明する。
図４に示すブレード（検出ユニット）２８は、シンチレーションロッドユニット２２ａとフレーム２４とを有する。シンチレーションロッドユニット２２ａは、Ｘ方向に等間隔で密に配列されてロッドアレイ２２ｓを構成する。各シンチレーションロッドユニット２２ａは、その両端においてフレーム２４に支持されて固定されている。図示のブレード２８と同様の構造多数のブレード２８をＹ軸方向にスタックすることにより、シンチレーションロッドユニット２２ａがＸ方向及びＹ方向に配列された立方体状のシンチレーター部２２を得ることができる。つまり、シンチレーター部２２は、導光ロッドを２次元的に配列したロッドアレイ１２２ｓとなっている（後述する図７等参照）。

図５に示すように、シンチレーションロッドユニット２２ａは、角柱状のロッド本体（シンチレーションロッドとも呼ぶ）２５ａと、円筒状のシース部２５ｂと、コネクタ部２５ｃとを有する。

ロッド本体（シンチレーションロッド）２５ａは、射出成形によって単一素材から形成されたものであり、２次元コリメーター部２１を経た放射線を光信号に変換する。具体的には、ロッド本体２５ａは、蛍光体をドープしたポリスチレン、アクリルその他のプラスチックの部材であって光ファイバーのコアを剥き出しにした非被覆型の構造を有する。つまり、ロッド本体２５ａの側面は、光学的なロスが殆どない鏡面となっている。ロッド本体２５ａの根元側（非出力側）には、ミラー２５ｆが形成されており、検出光の損失を低減している。ファイバー本体２５ａのサイズは、例えば断面が３×３ｍｍであり、長さ数１０ｃｍ〜１ｍ程度である。ロッド本体２５ａは、ガンマ線に対する能動指標となっている。具体的な実施例では、ロッド本体２５ａは、例えばセシウム１３７起源の０．６２２ＭｅＶガンマ線等を散乱させ、これによって発生したコンプトン電子によるシンチレーション発光を検出光として出力する。

シース部２５ｂは、内面にミラー２６ｂを有する外筒部であり、例えば数１０〜数１００μｍのマイラーフィルム２６ａの内面にＡｌ等からなるミラー２６ｂを蒸着等によって形成したシートを準備し、このシートを適当に切り出した後に円筒状に巻いた状態で継ぎ目を接着することで得られる。シース部２５ｂは、ロッド本体２５ａの一端に接着剤等で固定された支持部材２５ｇの外周と、ロッド本体２５ａの他端に固定されたコネクタ部２５ｃの外周とに嵌合するとともに接着剤等によってこれに接合され、支持部材２５ｇ及びコネクタ部２５ｃとともに図４に示すフレーム２４に固定・支持される。

ここで、ロッド本体（シンチレーションロッド）２５ａやシース部（外筒部）２５ｂを介して伝搬する検出光について説明する。ロッド本体２５ａ内で発生したシンチレーション光は、ロッド本体２５ａの内面２５ｈに全反射の臨界角以上の角度θ１で入射した場合（つまり光Ｌ１の場合）、少ない損失で効率的に伝搬する。この際、ロッド本体２５ａが剥き出しで、クラッドを有しないので、全反射の臨界角を可能な限り小さくすることができ、シンチレーション光を全反射させる条件が緩くなるので、シンチレーション光の伝送効率を高めることができる。さらに、全反射条件を満たさない場合、すなわちロッド本体２５ａの内面２５ｈに全反射の臨界角以下の角度θ２で入射した場合（つまり光Ｌ２の場合）、その外側に配置されたシース部２５ｂの内面のミラー２６ｂで反射させる伝搬が可能であるので、シンチレーション光の損失をさらに低減することができる。本発明者の試作によれば、上記構造を採用することによりシンチレーション光の収率がその長さにもよるが１．５倍以上に向上することが確認された。

具体的に作製したシンチレーションロッドユニット２２ａを評価した結果、中心軸からの射出角５１度までの光を伝送できることを確認した。なお、市販の一般的なシンチレーションファイバーの場合、例えばコアがポリスチレン（屈折率１．５９）製で、クラッドがアクリル（屈折率１．４９）製であり、中心軸からの射出角が３０度までの光を伝送できるに過ぎない。つまり、本発明のシンチレーションロッドユニット２２ａの場合、等方に射出される蛍光の性質から、市販の一般的なシンチレーションファイバーに比較し立体角の比率で２．７倍の伝送効率の向上がある。また、周囲を鏡パイプであるシース部２５ｂで被覆することで、一旦ロッド本体２５ａの外に出た光を反射させて回復させる効果もあり、この効果を加味すると３倍以上の伝送向上が見込める。さらに、シース部２５ｂが光を内側に反射して外に漏らさないため、隣接するシンチレーションロッドユニット２２ａ間のクロストークをゼロにでき、位置同定に重要な発光点の独立性が確保される。また、本鏡パイプ又はシース部２５ｂによって、脱着時などにおけるシンチレーションロッド又はロッド本体２５ａの表面の他物との摩擦による擦傷を防ぎ、フィールド計測における防湿、防塵の効果もある。

コネクタ部２５ｃは、レンズ部２６ｄと光ガイド部２６ｅとを有する。レンズ部２６ｄは、ロッド本体２５ａの一端（出力端）に対向して配置される。レンズ部２６ｄは、第１レンズ２６ｆと第２レンズ２６ｇとを光路に沿って配置した組レンズであり、射出ＮＡを入射ＮＡよりも減少させるように角度変換を行う光学部材として機能する。第１レンズ２６ｆと第２レンズ２６ｇとは、ともにプラスチック材料で形成されている。光学的に上流の第１レンズ２６ｆは、ブロック状の肉厚レンズであり、例えば平面の入射面と、凸の射出面とを有する。光学的に下流の第２レンズ２６ｇも、第１レンズ２６ｆと同様の横断面を有するブロック状の肉厚レンズであり、例えば平面の入射面と、凸の射出面とを有する。ロッド本体２５ａの一端（出力端）は、第１レンズ２６ｆに形成された凹部に嵌合するように挿入され第１レンズ２６ｆに固定されている。レンズ部２６ｄによって、ロッド本体２５ａやシース部２５ｂから導かれた検出光のＮＡが適度に減少する。

光ガイド部２６ｅは、円形断面を有するロッド状の部材であり、一端から他端に向けて光を伝送する役割を有する。光ガイド部２６ｅの入射面２６ｉは、平面で、第２レンズ２６ｇの射出面と略同サイズとなっている。一方、光ガイド部２６ｅの射出面２６ｊは、平面で、図３に示すロッドバンドル部３０の光ファイバー３１のコア径と略同サイズとなっている。つまり、光ガイド部２６ｅによって、レンズ部２６ｄを経た検出光が光ファイバー３１に導かれる。この際、レンズ部２６ｄによってロッド本体２５ａやシース部２５ｂから導かれた検出光のＮＡが適度に減少しているので、光ファイバー３１への検出光の結合効率を高めることができる。ガイドアレイ２６ｅの入射面２６ｉ側には、レンズ部２６ｄの第２レンズ２６ｇに形成された凸部と嵌合することによって第２レンズ２６ｇを固定するための凹部が形成されている。

以下、図６及び７を参照して、放射線計測装置１０による放射線の検出原理について説明する。

まず、図６に示すように、検出窓部２０に対する検出エリアについて説明する。検出窓部２０は、２次元コリメーター部２１の存在により、基準線ＢＬを中心としてＺ方向に幅ＷＤを有する帯状の領域Ａ１内であって、検出窓部２０の正面の局所領域Ａ３を計測対象とする。検出窓部２０は、その回転姿勢の調整により局所領域Ａ３を基準線ＢＬに沿って移動させことができ、基準線ＢＬに沿った検出の最大限である帯状の所定領域Ａ１の長手方向の長さは、放射線計測装置１０又は検出窓部２０の回転角の範囲に対応するものとなっている。局所領域Ａ３のサイズは、例えば１０ｃｍ×１０ｃｍ程度とすることができる。なお、検出窓部２０は、フォーカス深度を有しており、帯状の局所領域Ａ１は、図示の便宜上示されている平面的なものに限らず、奥行きを持ったものとなっている。

放射線計測装置１０から計測の対象ＯＢまでの距離は、放射線計測装置１０又は検出窓部２０の回転角を考慮する必要がある。さらに、計測の対象ＯＢは、一様な平面を有するものに限らず、立体的な表面を有する場合が多い。このような事情を考慮して、検出窓部２０に付随する距離センサー１８によって基準線ＢＬ方向に延びる帯状の所定領域Ａ１のうち検出窓部２０の正面にある局所領域Ａ３における対象ＯＢ表面までの距離を計測する。距離センサー１８によって得た距離Ｄは、距離センサー１８の配置を考慮して、シンチレーター部２２の中心又はロッドバンドル部３０の中心からの距離Ｄに換算される。以上のようにして得た放射線計測装置１０から計測の対象ＯＢまでの距離と、放射線計測装置１０の回転角とにより、局所領域Ａ３に存在する対象ＯＢの表面について、基準線ＢＬに沿ったＹ方向の座標と、基準線ＢＬに直交するＸ方向の座標とが特定され、局所領域Ａ３のＸＹ座標を特定することができる。放射線計測装置１０は、Ｚ方向に徐々に走査されるので、Ｚ座標を確認しつつ対象ＯＢのＸＹ座標を得ることができ、対象ＯＢの表面形状を得ることができる。対象ＯＢの表面形状は、シンチレーター部２２の検出領域の立体角に影響するので、放射線源からの放射線量を決定する上で重要である。

図７は、放射線計測装置１０の特定断面を示す概念図であり、この特定断面は、２次元コリメーター部２１のうち第１コリメーター２１ａのいずれかの隙間ＧＡが延びる方向に対応するものとなっている。図示のように、角度δ方向傾いた放射線計測装置１０のシンチレーター部２２に入射する放射線は、帯状の所定領域Ａ１のうち放射線計測装置１０の正面にある局所領域Ａ３に放射線源が存在する場合、放射線の痕跡又は飛跡として立体角Ａ４の範囲内に所定強度の一連の信号Ｓ１が検出される可能性がある。よって、読出部５０によって撮影されたシンチレーター部２２の画像から放射線を同時検出したシンチレーションロッドユニット２２ａの位置（同時検出箇所）を特定しつつ、これらを繋ぐ直線を当てはめる近似を行うことで、入射した放射線がバックグラウンドでなく局所領域Ａ３からのものであるか否か、つまり、局所領域Ａ３に放射線源があるか否かを判定することができる。これにより、この局所領域Ａ３からシンチレーター部２２に入射する放射線の強度を確認しつつ頻度を算出することができ、局所領域Ａ３の面積や局所領域Ａ３に対するシンチレーター部２２の検出領域の立体角を考慮すれば、局所領域Ａ３に存在する放射性物質から発せられる放射線量（例えばμＳｖ／時）を決定することができる。

図８（Ａ）〜８（Ｃ）は、シンチレーター部２２における放射線の検出原理を説明する図である。シミュレーションを利用して、シンチレーションロッドユニット２２ａのファイバー本体２５ａと同様の材料からなるプラスチックシンチレーターに一方向から同じ点に撃ち込んだガンマ線１００発の飛跡（白色実線）の側面図を図８（Ａ）に示している。セシウム１３７から放出される０．６２２ＭｅＶのガンマ線は、物質中で主にコンプトン散乱を起こす。図８（Ａ）のガンマ線の飛跡で方向が変わっている点で散乱が起こり、電子が反跳されている。このエネルギーのガンマ線は、物質中にてコンプトン散乱を繰り返し、エネルギーを失いつつ最終的には光電吸収反応で消えてしまう。つまり、奥行き約０．５ｍのシンチレーションロッドユニット２２ａを充填した立方体、すなわち０．５ｍ立方のプラスチックシンチレーター内において、０．６２２ＭｅＶのガンマ線は、そのエネルギーを略全て電子に渡し切り、外に出てこず、全吸収されている。このことから、シンチレーションロッドユニット２２ａのうち２次元コリメーター部２１から最も離れた背後側に配置されたシンチレーションロッドユニット２２ａからの平均的な出力値は、バックグランドレベルを表していると考えることができ、かかるシンチレーションロッドユニット２２ａの出力値をＳ／Ｎ分離に利用することができる。

散乱された電子は、０．５ｍ立方のプラスチックシンチレーター中を走る間にイオン化反応を起こしてシンチレーション発光現象により蛍光を発する。０．６２２ＭｅＶガンマ線が入射して最初に起こすコンプトン散乱で生じた電子だと約１ｍｍ走り、その間発光する。図８（Ｂ）に示すように、先のガンマ線照射のシミュレーション事例から生じた１０ｋｅＶ以上の電子の飛跡のみを白点で示し、図８（Ｃ）に示すように、先のガンマ線照射のシミュレーション事例から生じた１００ｋｅＶ以上の電子の飛跡のみを白点で示している。図からわかるように、１００ｋｅＶ以上の電子を選択すると、よりガンマ線の到来方向に集中して一直線に電子が生成されている。つまり、１００ｋｅＶ以上に相当する１ｍｍ程度の発光点を選択すれば、ガンマ線が最初に起こしたコンプトン散乱による電子を見たことになり、それらの点列を元にたどれば、ガンマ線の到来方向が求められる。このような結果と全吸収エネルギー０．６２２ＭｅＶに相当する測光とを組み合わせれば、セシウム１３７からくるガンマ線であることを特定できる。

以下、図９を参照して、図１に示す放射線計測システム１００の動作の概要について説明する。まず、放射線計測装置１０のＺ位置及び回転角を設定する（ステップＳ１１）。最初の場合、放射線計測装置１０は初期位置にセットされる。
次に、制御装置９０は、放射線計測装置１０の読出部５０、回路装置６０等を適宜動作させて、シンチレーター部２２への放射線の入射状況の監視を開始する（ステップＳ１２）。
次に、制御装置９０は、放射線計測装置１０の距離センサー１８を動作させて、対象ＯＢ表面までの距離を測定させるとともに、対象の表面（一側面）の画像を撮影させる（ステップＳ１３）。これらのデータは、不図示のメモリーに保管される。
次に、制御装置９０は、読出部５０においてガンマ線の入射を検出したか否かを確認し、ガンマ線の入射を検出した場合、バックグランドノイズと区別するためガンマ線の入射方向を判定する（ステップＳ１４）。ガンマ線の入射方向は、図７等で説明した手法を用いることができる。
次に、制御装置９０は、ステップＳ１４で得たガンマ線の入射方向やステップＳ１３で得た対象ＯＢ表面までの距離から、検出窓部２０の検出領域の立体角を修正し、ガンマ線源の強度等を特定する（ステップＳ１５）。
次に、制御装置９０は、このＺ位置での計測のための規定時間が経過したか否かを確認する（ステップＳ１６）。
規定時間が経過していない場合、ステップＳ１４に戻って読出部５０で得た画像からガンマ線の入射を確認し、規定時間が経過している場合、次のステップＳ１７に進む。
ステップＳ１７では、これまでに検出したガンマ線の方向及び距離並びに頻度に基づいて、対象ＯＢの表面について放射線計測装置１０の現在のＺ位置及び回転角に対応する局所領域Ａ３からの放射線量の分布を算出する。具体的には放射線計測装置１０によって検出された１以上のガンマ線が射出されたＸＹ面内の方位が放射線計測装置１０の回転角又は傾斜量と一致するもののみを信号としてバックグラウンドノイズを除去し、対象ＯＢまでの距離、局所領域Ａ３の面積、放射線計測装置１０の検出領域の立体角等から放射線量を決定する。
次に、制御装置９０は、放射線計測装置１０のＹ走査及びＺ走査が完了したか否かを確認する（ステップＳ１８）。
Ｙ走査及びＺ走査が完了していない場合、ステップＳ１１に戻って放射線計測装置１０の回転角を変化させるＹ方向の走査（主走査）を行いつつＺ位置を次の位置にずらすステップ移動（副走査）を行い、Ｙ走査及びＺ走査が完了している場合、次のステップＳ１９に進む。
ステップＳ１９では、これまでステップＳ１７で蓄積した各局所領域Ａ３からの放射線量の分布を重ね合わせて放射線量の２次元分布を算出する（ステップＳ１９）。具体的にはＹ方向に延びる１次元の放射線量の分布をＺ方向に繋ぎ合わせた２次元分布に対応するデータテーブルを作成する。
次に、制御装置９０は、ステップＳ１９で得た放射線量の２次元分布を色分布等の表示用データに加工し、ステップＳ１３で得た対象ＯＢの表面画像と重ね合わせる（ステップＳ２０）。これにより、対象ＯＢの表面（一側面）のうち、放射線が存在する部位及び放射線強度をセットとしてオペレーターに提示することができる。なお、対象ＯＢの他の側面も同様に並行して測定が行われるので、詳細な説明は省略する。
以上は、単一の放射線計測装置１０から得られる計測情報の処理の説明であったが、図１に示す支持体７０に支持された多数の放射線計測装置１０から得られる計測情報が同時並列的に処理される。つまり、対象ＯＢの一対の側面、上面、及び底面について、放射線が存在する部位及び放射線強度をセットとして情報の提示を行うことができる。

上記実施形態の放射線計測システム１００によれば、２次元コリメーター部２１が放射線の入射方向を基準線ＢＬに沿った所定の局所領域に対応するように制限するので、目標とする所定の局所領域（図６の局所領域Ａ２等に対応）に存在する線源からの放射線を選択的に検出することができる。また、第２次検出部である光電撮像管部４０及び読出部５０がロッドアレイ１２２ｓからの蛍光を２次元的な光信号の分布として検出することで、放射線の強度その他の入射状態を観測することができる。なお、ロッドアレイ１２２ｓを用いることで、検出窓部２０を小型化することが容易になり、検出窓部２０や放射線計測システム１００を簡易に軽量化することができる。

以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

すなわち、放射線計測システム１００を構成する放射線計測装置１０の数は、上記実施形態のように４つに限らず、状況に応じて適当な数に設定することができる。例えば対象ＯＢの同一の側面を計測するために複数の放射線計測装置１０を並列的に設けることもできる。一方、単一の放射線計測装置１０のみで放射線計測システム１００を構成することもできる。この場合、計測に際して放射線計測装置１０を３次元的に移動させることもできる。

ファイバー本体２５ａは、角柱状に限らず円柱状とすることができ、シース部２５ｂを省略することもできる。シース部２５ｂを省略する場合、これに代えて薄い遮光体を配置することもできる。

２次元コリメーター部２１を構成する第２コリメーター２１ｂは、第１コリメーター２１ａと同様に有限焦点系とすることもできる。

放射線計測装置１０によるＹ走査は、放射線計測装置１０の向き又は傾斜を変える代わりに放射線計測装置１０のＹ方向の位置を変化させることによっても達成される。

ＢＬ…基準線、 ＭＡ…計測領域、 ＯＢ…対象、 １０…放射線計測装置、 １０Ａ…放射線計測装置、 １１…ケース、 １４…コネクタ基板、 １８…距離センサー、 ２０…検出窓部、 ２１…２次元コリメーター部、 ２１ａ…放射線遮蔽板、 ２２…シンチレーター部、 ２２ａ…シンチレーションロッドユニット、 ２２ｓ…ロッドアレイ、 ２４…フレーム、 ２５ａ…ファイバー本体、 ２５ｂ…シース部、 ２５ｃ…コネクタ部、 ２５ｆ…ミラー、 ２５ｇ…支持部材、 ２５ｈ…内面、 ２６ａ…マイラーフィルム、 ２６ｂ…ミラー、 ２６ｄ…レンズ部、 ２６ｅ…光ガイド部、 ２８…ファイバーブレード、 ３０…ロッドバンドル部、 ３１…光ファイバー、 ４０…光電撮像管部、 ４１…受光部、 ４３…出力部、 ５０…読出部、 ５１…リレー光学系、 ５３…精細撮像部、 ６０…回路装置、 ７０…支持体、 ７１，７２…駆動機構、 ９０…制御装置、 １００…放射線計測システム、 １２２ｓ…ロッドアレイ

Claims (12)

1. 放射線の入射方向を基準線に沿った所定の局所的な領域に対応するように制限する方位制限部と、前記方位制限部によって制限される入射方向と交差する方向にロッド軸が延びるように配列されるとともに放射線の入射に伴って蛍光を発生するロッドアレイとを有する第１次検出部と、
   前記第１次検出部のロッドアレイからの蛍光を２次元的な光信号の分布として検出する第２次検出部と、
   前記第２次検出部の検出出力に基づいて前記所定の局所的な領域における放射線量分布を決定する演算部とを備える、放射線計測システム。
2. 前記演算部は、前記ロッドアレイにおける同時検出箇所が前記方位制限部によって制限された放射線の入射方向に対応する場合に、検出された放射線が前記所定の局所的な領域から前記ロッドアレイに入射したと判定する、請求項１に記載の放射線計測システム。
3. 前記演算部は、前記第１次検出部の検出領域の立体角と、前記所定の局所的な領域から入射する放射線の強度及び頻度とに基づいて、前記基準線に沿った領域における放射線量の面密度分布を決定する、請求項２に記載の放射線計測システム。
4. 前記演算部は、対象の表面までの距離を測定する測距装置の出力に基づいて前記検出領域の立体角を修正する、請求項３に記載の放射線計測システム。
5. 前記方位制限部は、第１コリメーターと第２コリメーターとを含む２次元コリメーターであり、前記第１コリメーターは、前記基準線に向けて収束するように配列された複数の遮蔽体の平板を含み、前記第２コリメーターは、前記所定の局所的な領域に向けて略平行に配列された複数の遮蔽体の平板を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の放射線計測システム。
6. 前記ロッドアレイは、蛍光物質をドープした複数のシンチレーションロッドを有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の放射線計測システム。
7. 前記ロッドアレイは、前記複数のシンチレーションロッドの周囲にそれぞれ配置されるとともに内面にミラーを有する複数の外筒部を有する、請求項６に記載の放射線計測システム。
8. 前記第１次検出部の空間的な状態を変化させることによって前記所定の局所的な領域を移動させる走査装置をさらに備える、請求項１〜７のいずれか一項に記載の放射線計測システム。
9. 蛍光物質をドープした複数のシンチレーションロッドを有してなり、放射線計測装置に組み込まれるロッドアレイ型の光学系であって、
   前記複数のシンチレーションロッドの周囲にそれぞれ配置されるとともに内面にミラーを有する複数の外筒部を有する、光学系。
10. 前記シンチレーションロッドは、コアを剥き出しにした非被覆型の構造を有する、請求項９に記載の光学系。
11. 前記複数のシンチレーションロッドの光射出側にそれぞれ配置されて射出ＮＡを入射ＮＡよりも減少させるように角度変換を行う光学部材をさらに備える、請求項１０に記載の光学系。
12. 前記光学部材は、第１レンズと第２レンズとを光路に沿って配置した組レンズである、請求項１１に記載のロッドアレイ。

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