JP2016217874A

JP2016217874A - 電離放射線検出装置

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Publication number: JP2016217874A
Application number: JP2015102821A
Authority: JP
Inventors: 渡辺　郁夫; Ikuo Watanabe; 郁夫渡辺; 市村　好克; Yoshikatsu Ichimura; 好克市村; 石井　和慶; Kazunori Ishii; 和慶石井; 光陽雨宮; Mitsuaki Amamiya
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2015-05-20
Filing date: 2015-05-20
Publication date: 2016-12-22
Also published as: US20160341833A1

Abstract

【課題】電子飛跡検出型の電離放射線検出装置において、ガス電子増幅のゲインが、ガスの劣化で変わるため、反跳電子の検出エネルギから計算される入射γ線の位置（方向）決定精度が低下する。【解決手段】本発明の電離放射線検出装置は、チャンバ内に配置された、第１のドリフト電極と、前記第１のドリフト電極に対向して配置された第１の検出部とを備え、入射γ線が前記散乱ガス内で起こすコンプトン散乱により発生した第１の電離電子を前記第１の検出部で検出する電離放射線検出装置であって、前記入射γ線により励起されて基準Ｘ線を放出する第２のドリフト電極と、前記第２のドリフト電極に対向して配置され、前記基準Ｘ線が前記散乱ガスに光電吸収されることにより発生する第２の電離電子を検出する第２の検出部とを有し、前記第１の検出部と前記第２の検出部とから出力される信号の増幅率の変化を補償する制御部を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、電子飛跡検出型の電離放射線検出装置に関する。

従来からのγ線検出方法のひとつとして、アドバンストコンプトン法が知られている。これはコンプトン散乱により生じた散乱γ線のエネルギと散乱方向ベクトルに加えて、コンプトン散乱により生じた反跳電子のエネルギと反跳方向ベクトルを利用して、入射γ線の入射方向を算出する方式である。

非特許文献１には、アドバンストコンプトン法を利用した、γ線検出装置であるＴＰＣ（ＴｉｍｅＰｒｏｊｅｃｔｉｏｎＣｈａｍｂｅｒ）について開示されている。ＴＰＣ内は、散乱体であるガスで満たされ、電離電子を増幅して検出する平板状の電子収集器（μＰＩＣ）が、内部に配置されている。コンプトン散乱により発生した反跳電子は、連続的にガス分子を電離しながら飛行し、その飛跡上に多数の電離電子から成る電子雲を発生させる。この電子雲は、電子ドリフト領域で電界から受ける力によって反跳電子の飛跡とほぼ同一の形状を維持しながら、電子収集器までドリフトする。電子収集器は、電子雪崩効果によるガス電子増幅を行い、電子雲（飛跡）の２次元平面への投影位置を検出する。

特許文献１には、放射線検出器のシンチレータの経時劣化を含めたゲイン変動を補正する放射線ガスモニタが開示されている。

特開２０１０−０７８３１９

ＫａｂｕｋｉＳ．ｅｔａｌ．， "ＩｍａｇｉｎｇＳｔｕｄｙｏｆａｐｈａｎｔｏｍａｎｄＳｍａｌｌａｎｉｍａｌｗｉｔｈａｔｗｏ−ｈｅａｄｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｔｒａｃｋｉｎｇＣｏｍｐｔｏｎｇａｍｍａ−ｒａｙｃａｍｅｒａ"，ＮｕｃｌｅａｒＳｃｉｅｎｃｅＳｙｍｐｏｓｉｕｍＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＲｅｃｏｒｄ（ＮＳＳ／ＭＩＣ２０１０）

反跳電子によって電離した二次電子はガス電子増幅器で増幅されるが、ガスチャンバの内面や内部構造物からのアウトガスの混入や、クエンチャーガスの分解による劣化に伴い、ガス電子増幅率が変動してしまう。このため反跳電子の検出エネルギから計算する入射γ線の位置（方向）決定精度が低下する。

ところで、特許文献１で用いられている校正用放射線源のエネルギは、被測定線源のエネルギよりも高い。校正用放射線源がβ線の場合は低エネルギの二次電子が、校正用放射線源がγ線の場合は、コンプトン散乱で発生する低エネルギの散乱γ線や二次電子が、それぞれ測定エネルギ領域に混入して、ノイズとして測定される場合が有る。

本発明の電離放射線検出装置は、内部に散乱ガスが保持されたチャンバと、
前記チャンバの内部に配置された、第１のドリフト電極と、前記第１のドリフト電極に対向して配置された第１の検出部とを備え、
入射γ線が前記散乱ガス内で起こすコンプトン散乱により発生した第１の電離電子を前記第１の検出部で検出する電離放射線検出装置であって、
前記入射γ線により励起されて基準Ｘ線を放出する第２のドリフト電極と、
前記第２のドリフト電極に対向して配置され、前記基準Ｘ線が前記散乱ガスに光電吸収されることにより発生する第２の電離電子を検出する第２の検出部とを有し、
前記第１の検出部と前記第２の検出部とから出力される信号の増幅率の変化を補償する制御部を有することを特徴とする。

ガス電子増幅ゲインや電気増幅ゲインを随時制御することにより、入射γ線の位置（方向）決定精度の経時的な低下を防ぐことができる。

本発明の実施形態１に係る電離放射線検出装置の構成を示す構成図本発明の実施形態１に係る電離放射線検出装置の動作を説明するためのフローチャート本発明の実施形態２に係る電離放射線検出装置の構成を示す構成図本発明の実施形態２に係る電離放射線検出装置の動作を説明するためのフローチャート基準Ｘ線のエネルギとカウント値との関係を示すグラフＭＳＧＣ（マイクロストリップガスチャンバ）を説明するための模式図本発明に係るドリフトケージの斜視図元素の原子番号と発生する蛍光Ｘ線のエネルギとの関係を示すグラフ

以下、図面を用いて、本発明の実施形態について説明する。

（実施形態１）
図１に示すように、チャンバ１１０の内部には、電離放射線検出用の散乱ガス１０２（例えばＡｒ＋１０％メタンかエタン）が充填され、ドリフトケージ１０７が配置されている。ドリフトケージ１０７の上部には、ドリフトプレーン１１１と蛍光Ｘ線発生板１１３が配置されている。チャンバ１１０の内部下端には、電子センサーである二次電子検出部１０８が設置されている。

図７に示すように、ドリフトプレーン１１１の二次電子検出部１０８と対向する下面には、アルミニウムの薄膜から成る第１のドリフト電極１１４が配置されている。また蛍光Ｘ線発生板１１３は、銅の薄膜から成り、ドリフトプレーン１１１の下面であって、第１のドリフト電極１１４の周囲に配置される。蛍光Ｘ線発生板１１３は、入射γ線により励起されて基準Ｘ線１２０を放出する。蛍光Ｘ線発生板１１３は、ドリフト電界を発生させるための第２のドリフト電極も兼ねる。第１の高圧電源１１２により、第１のドリフト電極１１４と第２のドリフト電極（蛍光Ｘ線発生板）１１３に負の高電圧を印加することにより、第１のドリフト電極１１４及び第２のドリフト電極１１３と二次電子検出部１０８との間に、ドリフト電界が形成される。

次に、図１を用いて、電離放射線検出装置の動作に関し説明する。入射γ線１０１は、チャンバ１１０及びドリフトプレーン１１１を通過し、散乱ガス内でコンプトン散乱を起こす。コンプトン散乱により、散乱γ線１０３と反跳電子１０５を生成し、さらに反跳電子１０５は二次電子１０６（第１の電離電子）を発生する。散乱γ線１０３は、二次元配列されたシンチレータ１０４に於いてシンチレーション光に変換される。シンチレーション光は、ＭＡＰＭＴ（マルチアノード光電子増倍管）１１９で光電変換増幅され、さらにＭＡＰＭＴの下部に配置されたヘッドアンプアレイ１２２で電気信号に変換される。電気信号は、散乱γ線１０３をセンシングした位置と、散乱γ線１０３のエネルギとに係る情報として、データ処理部１２４に送られる。

二次電子検出部１０８の出力と、シンチレータ１０４とＭＡＰＭＴ１１９とにより構成されるγ線検出部との出力に基いて、入射したγ線の強度分布を画像化し、画像表示部１２９に表示することができる。

一方、二次電子検出部１０８は、第１のドリフト電極１１４に対向する第１の検出部１１５と、第２のドリフト電極に対向する第２の検出部１１６とに分割されている。二次電子１０６は、ドリフト電界に沿って二次電子検出部１０８まで移動し、第１の検出部１１５で検出される。第１の検出部１１５からの出力は、計測用増幅器（第１の増幅部）１２３で増幅されて、データ処理部１２４へと送られる。データ処理部１２４は、散乱γ線１０３の位置情報とエネルギ情報、反跳電子１０５の飛跡ベクトルの情報とエネルギの情報から、コンプトン散乱の逆計算を行い、入射γ線１０１の到来方向が算出される。入射γ線１０１の到来方向の算出結果は、画像表示部１２９で画像として表示される。一方、第２の検出部１１６からの出力は、第１の検出部１１５で検出した二次電子１０６からエネルギ情報を得る過程で、ゲイン（増幅率）の制御に利用される。

図６は、二次電子検出部１０８の一例であるＭＳＧＣ（マイクロストリップガスチャンバ）の構成を示している。反跳電子１０５から生成された二次電子１０６は、ドリフト電界により、二次電子検出部１０８へ到達する。二次電子検出部１０８の上面（検出面）には、アノードストリップ６０４とカソードストリップ６０５とが設けられている。第２の高圧電源１２６により、アノードストリップ６０４とカソードストリップ６０５との間には、１００，０００Ｖ／ｃｍ以上の電界がかけられている（両ストリップの間隔は５０μｍ程度なので実際の電位差は５００Ｖ程度）。二次電子１０６は、電位の高いアノードストリップ６０４へ向かうが、アノードストリップ６０４に到着する直前で電子雪崩効果によりガス電子増幅され、さらなる二次電子１０６が生成される。この過程におけるガス電子増幅率は数万程度である。この増幅された二次電子をアノード増幅器６０９で増幅し読みだすことで、どのアノードストリップ６０４に二次電子１０６が到着したかを知ることが出来る。

アノードストリップ６０４の下には、絶縁層であるサブストレート６０３をはさみ、アノードストリップ６０４と直交するバックストリップ６０６が配置されている。アノードストリップ６０４に到達した二次電子１０６により発生する誘導電流が、バックストリップ増幅器６０８で増幅されて出力される。二次電子１０６が到達した、アノードストリップ６０４とバックストリップ６０６とがそれぞれ特定されることにより、その交点として、検出面内での、二次電子の到来位置が特定される。

第１の検出部１１５（図７参照）に含まれるアノードストリップ６０５に接続されたアノード増幅器６０９と、バックストリップ６０６に接続されたバックストリップ増幅器６０８は、計測用増幅器１２３を構成する。計測用増幅器１２３の増幅率は千倍程度である。第２の検出部１１６も、第１の検出部１１５と同様の構成である。第２の検出部１１６に含まれるアノードストリップ６０５に接続されたアノード増幅器６０９と、バックストリップ６０６に接続されたバックストリップ増幅器６０８は、校正用増幅器（第２の増幅部）１２７を構成する。尚、図６では、アノードストリップ６０４は、模式的に５本程度しか描かれていないが、実際には、２００本程度のアノードストリップ６０４が配置され、その幅は２００μｍ程度ある。カソードストリップ６０５の幅は、１００μｍ程度である。バックストリップ６０６の幅も、２００μｍ程度である。

次に、図２を用いて、第１の検出部１１５で検出した二次電子１０６の信号から反跳電子のエネルギを算出するまでの過程における、ゲイン（増幅率）の制御方法について説明する。入射γ線１０１の一部はチャンバ１１０を通過して蛍光Ｘ線発生板１１３に照射される。蛍光Ｘ線発生板１１３を構成する銅の原子は、この入射γ線により励起されて、８．０ｋｅＶのエネルギを持つ基準Ｘ線１２０（Ｋ線）を放出する。基準Ｘ線１２０は、高い確率で散乱ガス１０２により光電吸収されて電離電子を発生するが、その際に基準Ｘ線１２０のエネルギはほとんどすべて吸収され、電離電子は８．０ｋｅＶのエネルギを持つ。さらにこの電離電子は散乱ガス１０２に含まれる分子により多数回散乱され、多数の二次電子１２１（第２の電離電子）を発生する。二次電子１２１の多くは、第２のドリフト電極１１３と第２の検出部１１６との間で発生し、ドリフト電界に沿って二次電子検出部１０８まで移動する。到達した二次電子１２１によって得られる第２の検出部からの出力は、校正用増幅器１２７を経由し、マルチチャンネルアナライザ１３０へ送られる。

動作開始（ステップ２０１）後、マルチチャンネルアナライザ１３０で校正用増幅器１２７の出力を計測し（ステップ２０２）、その波形から基準Ｘ線１２０に対応した８．０ｋｅＶのピーク位置を計測する（ステップ２０３）。ここで、図５を用いて、基準Ｘ線１２０のエネルギの観測特性について説明する。図５の横軸はエネルギであり、縦軸は入射した放射線のカウント数である。マルチチャンネルアナライザ１３０の出力は、製造後出荷時や散乱ガス１０２の交換後は、実線５０１で示される。このときのカウント値ピーク５０２のエネルギの値５０３を初期値として、メモリ１２５へ書き込んでおく。ここで散乱体のガスが劣化すると、二次電子検出部１０８におけるガス電子増幅率が低下し、破線５１２で示すように、同一カウントでも全体的にエネルギも変化して左へ移動する。制御部１２８は、マルチチャンネルアナライザ１３０で計測したエネルギ値５１３に応じて、第２の高圧電源１２６の設定電圧（二次電子検出部１０８に与える電位）を制御する。ピーク位置が左へ移動した場合、第２の高圧電源１２６の設定電圧が既定の上限値未満か否かを判定する（ステップ２０４）。上限値未満であれば、マルチチャンネルアナライザ１３０の出力のカウント値ピークのエネルギ値５１３が、メモリ１２５に書き込まれた初期値になるように、第２の高圧電源１２６を昇圧させる（ステップ２０７）。即ち、二次電子検出部１０８におけるガス電子増幅率を上昇させる。第２の高圧電源１２６の設定電圧が既定の上限値に達している場合には、ガスが劣化による交換時期到来と判断し、ガス交換を催すメッセージを出力し（ステップ２０５）、エラー終了とする（ステップ２０６）。

第１の検出部１１５と第２の検出部１１６には、ともに第２の高圧電源１２６によって同一の電圧が印加されているので、第２の検出部１１６におけるガス電子増幅率に連動して二次電子１０６を検出する第１の検出部１１５のガス電子増幅率も一定となるように制御される。その結果、二次電子１０６から反跳電子１０５のエネルギを算出するまでの全過程のトータルゲインの変化が補償され、経時的に一定に保持することができる。尚、図５のバックグラウンドノイズレベル５２０は、環境から放射される放射線や電気系のノイズのレベルであり、５０カウント相当の場合を示している。

次に、蛍光Ｘ線発生板１１３を構成する蛍光Ｘ線発生材料について説明する。蛍光Ｘ線は、γ線の照射によって構成原子の内郭の電子が励起され、内殻に生じた空孔に外殻の電子が遷移する際のエネルギ差により発生する。蛍光Ｘ線は、そのエネルギが内殻と外殻のエネルギ差に等しく一定であることを利用して、二次電子検出部１０８で検出した二次電子１０６のエネルギの校正に用いられる。エネルギの校正に用いる蛍光Ｘ線は、そのエネルギが校正すべきエネルギの範囲に入っていることはもちろんであるが、加えてエネルギ幅が狭いことが望ましい。そのため、励起電子のエネルギ準位がＫ殻であることが望ましい。なぜならば、Ｋ殻以外は複数の軌道をもつために電子が遷移する先のエネルギ準位が複数ある。外殻の高エネルギ電子が複数のエネルギ準位に遷移する場合、狭い範囲に複数のエネルギの蛍光Ｘ線が放出されるため、蛍光Ｘ線が分離できずにそのエネルギ幅が広がってしまう。例えば、Ｋ殻に空孔が開いた場合、Ｋ殻は１個のエネルギ準位で、Ｋ殻に遷移してくる電子によるエネルギ準位は、Ｌ殻からの２エネルギ準位（Ｋ_α１線とＫ_α２線）と、Ｍ殻からエネルギ準位（Ｋ_β線）であり、これが主な蛍光Ｘ線となる。それに対して、Ｌ殻に空孔が開いた場合、遷移先のＬ殻は２準位で、遷移元のＭ殻は３準位、Ｎ殻は４準位あるため、多くのエネルギの蛍光Ｘ線が発生し分離できないため、蛍光Ｘ線のエネルギ幅が広がってしまうように見える。このような理由により校正に使用する蛍光Ｘ線はＫ線が望ましい。さらに校正すべきエネルギ領域に含まれるエネルギを有するＬ線は発生しないことが望ましい。以上の条件を満たす蛍光Ｘ線発生材料を選択する。

図８に、元素の原子番号と発生する蛍光Ｘ線のエネルギの関係を示す。Ｋ線はＫ_α１線、Ｋ_α２線、Ｋ_β線を、Ｌ線は主な線を、Ｍ線はＭ_α１線を示した。ここでＫ_β線のエネルギをＥ_Ｋ、Ｌ_γ線のエネルギをＥ_Ｌ（単位はｅＶ）とすると、それぞれ以下の近似式（１）及び（２）で表される。図８には、これらの式による計算値（近似曲線）も合わせて示す。
Ｅ_Ｋ＝７．７×Ｚ^２．１（１）
Ｅ_Ｌ＝０．１６×Ｚ^２．６（２）
ここで基準Ｘ線１２０として校正に使用するエネルギＥ_ｃａｌの範囲を、Ｅ_１以上でＥ_２以下とすると、Ｋ線の条件から次の式（３）が、Ｌ線の条件から式（４）が得られる。
Ｅ_１≦７．７×Ｚ^２．１≦Ｅ_２（３）
０．１６×Ｚ^２．６≦Ｅ_１（４）

そこで上記の式（３）、（４）を参考にして、蛍光Ｘ線発生材料を構成する元素を選択することができる。例えばＥ_１＝５ｋｅＶ、Ｅ_２＝３０ｋｅＶとすると、式（３）から原子番号Ｚの範囲は２２〜５１、式（４）から原子番号Ｚは５３以下という条件が得られる。これを同時に満足する範囲（Ｚが２２以上５１以下）を、Ｚ_ｔａｒで示す。蛍光Ｘ線発生材料を構成する元素はこの結果を参考に選べばよい。例えば銅（Ｚ＝２９）を用いれば、発生するＫ線のエネルギは８．０ｋｅＶであるから基準Ｘ線１２０としての条件を満たし、発生するＬ線のエネルギは０．９５ｋｅＶであるからこれも条件を満たす。またモリブデン（Ｚ＝４２）を用いれば、発生するＫ線のエネルギは１９．６ｋｅＶであるから基準Ｘ線１２０としての条件を満たし、発生するＬ線のエネルギは２．６ｋｅＶであるからこれも条件を満たす。さらにいずれの材料も導電性を有するので、第２のドリフト電極１１３を兼用するためにも好適である。

一方、第１のドリフト電極１１４から発生する蛍光Ｘ線は、二次電子１０６の検出の際にノイズとなる場合がある。これを避けるために、発生する蛍光Ｘ線（Ｋ線）のエネルギはＥ_１以下とする、即ち以下の式（５）を満たすことが望ましい。
７．７×Ｚ^２．１≦Ｅ_１（５）
そこで、式（５）を参考にして、第１のドリフト電極１１４を構成する元素を選択する。

例えばＥ_１＝５ｋｅＶとすると、式（５）から原子番号Ｚの範囲は２１以下となる。例えばアルミニウム（Ｚ＝１３）を用いれば、発生するＫ線のエネルギは１．５ｋｅＶであるからこの条件を満たす。それ以外にベリリウム（Ｚ＝４）、炭素（Ｚ＝６）、マグネシウム（Ｚ＝１２）などもこの条件を満たす。即ち、原子番号４以上２１以下の元素が好適である。

（実施形態２）
図３に示すように、本実施形態では、第２の高圧電源１２６の電圧を制御する代わりに、制御部１２８の出力で計測用増幅器１２３と校正用増幅器１２７の増幅率（電気増幅ゲイン）の制御を行う。計測用増幅器１２３と校正用増幅器１２７に同じ特性の回路を使用し、ゲイン制御値を同じにする。校正用増幅器１２７のゲイン制御値と同じゲイン制御値を計測用増幅器１２３に加えることで、計測用増幅器１２３も同様にゲインが補正される。即ち、二次電子１０６の発生から反跳電子１０５のエネルギを算出するまでの全過程のトータルゲインを、経時的に一定に保持することができる。

図４は、本実施形態における、ゲインの校正方法を示すフローチャートである。図２における、第２高圧電源の電圧制御を、ゲイン制御値の制御に置換える以外は、実施形態１と同様である。

実施形態１は、基準Ｘ線１２０が光電吸収されて発生した二次電子１２１の検出結果により、二次電子検出部１０８における二次電子１０６のガス電子増幅率を調整（制御）する。それに対して、本実施形態は、基準Ｘ線１２０が光電吸収されて発生した二次電子１２１の検出結果により計測用増幅器１２３のゲインを調整（制御）する。

本発明はこれらの実施形態に限るものではなく、基準Ｘ線１２０が光電吸収されて発生した二次電子１２１の検出結果により、計測用増幅器１２３からデータ処理部１２４に送られる反跳電子１０５のエネルギの情報に対して数値的な調整（補正）を行うのであってもよい。例えば、データ処理部１２４ではエネルギの情報から実際のエネルギを算出する際の換算係数を補正することもできる。この場合も二次電子１０６の発生から反跳電子１０５のエネルギを算出するまでの全過程のトータルゲインを、経時的に一定に保持することができる。

尚、蛍光Ｘ線発生板１１３は、複数の蛍光Ｘ線発生材料、例えば銅とモリブデンで構成してもよい。この場合、エネルギの離れた複数の基準Ｘ線１２０より得られる複数のエネルギピーク位置の情報を用いれば、エネルギを算出する際の換算係数を、より精度よく求めることができる。

１０１入射γ線
１０２散乱ガス
１０６二次電子（第１の電離電子）
１１０チャンバ
１１３第２のドリフト電極（蛍光Ｘ線発生板）
１１４第１のドリフト電極
１１５第１の検出部
１１６第２の検出部
１２０基準Ｘ線
１２１二次電子（第２の電離電子）
１２８制御部

Claims

内部に散乱ガスが保持されたチャンバと、
前記チャンバの内部に配置された、第１のドリフト電極と、前記第１のドリフト電極に対向して配置された第１の検出部とを備え、
入射γ線が前記散乱ガス内で起こすコンプトン散乱により発生した第１の電離電子を前記第１の検出部で検出する電離放射線検出装置であって、
前記入射γ線により励起されて基準Ｘ線を放出する第２のドリフト電極と、
前記第２のドリフト電極に対向して配置され、前記基準Ｘ線が前記散乱ガスに光電吸収されることにより発生する第２の電離電子を検出する第２の検出部とを有し、
前記第１の検出部と前記第２の検出部とから出力される信号の増幅率の変化を補償する制御部を有することを特徴とする電離放射線検出装置。
前記制御部は、前記第１の検出部と前記第２の検出部とのガス電子増幅率を制御することを特徴とする請求項１記載の電離放射線検出装置。
前記制御部は、前記第１の検出部と前記第２の検出部とから出力される信号をそれぞれ増幅する第１の増幅部と第２の増幅部との増幅率を制御することを特徴とする請求項１記載の電離放射線検出装置。
前記第２のドリフト電極は、原子番号が２２以上５１以下の元素を含む材料からなることを特徴とする請求項１に記載の電離放射線検出装置。
前記第１のドリフト電極は、原子番号が４以上２１以下の元素を含む材料からなることを特徴とする請求項４に記載の電離放射線検出装置。
前記第２のドリフト電極は、複数の元素を含むことを特徴とする請求項４に記載の電離放射線検出装置。
前記第２のドリフト電極は、前記第１のドリフト電極の周囲に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電離放射線検出装置。
画像表示部と、γ線検出部とをさらに有し、
前記第１の検出部の出力と、前記γ線検出部の出力とに基いて、前記入射γ線の強度分布を画像化し、前記画像表示部に表示することを特徴とする請求項１〜７の何れか１項記載の電離放射線検出装置。