JP2017537329A - シンチレータベースの放射線検出器のための性能安定化 - Google Patents

シンチレータベースの放射線検出器のための性能安定化 Download PDF

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Abstract

放射線検出器の多チャネル分析器が継続的に変わる温度にさらされるときに、電離放射線パルス用のシンチレーションベースの放射線検出器の測定精度を改善するための方法。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2014年10月23日に出願された先行出願の米国仮特許出願第62/067,769号明細書の優先権を主張する。
放射線検出デバイスは、さまざまな産業的、科学的、軍事的、および行政的用途に使用される。例示的なシンチレータ検出器は、活性化されたヨウ化ナトリウムもしくはヨウ化セシウム、またはガンマ線を検出するのに効果的な他の材料で作られたシンチレータ結晶を有する。
一般に、シンチレータ結晶は、放射線誘起シンチレーション光が結晶パッケージから出ることを可能にする窓を含むケーシングまたはスリーブに封入される。光は、光電子増倍管(PMT)などの光感知デバイスに進み、光電子増倍管は、結晶から放射される光量子を電気パルスに変換する。電気パルスは、関連電子装置によって整形およびデジタル化され、分析装置に伝達されるカウントとして登録され得る。
シンチレータは、核およびX線放射線検出のために使用される。電離放射線のパルスに応じて、シンチレータは光フラッシュを作り出す。その光フラッシュは、適当な計装によって記録および分析される。
既存の計器は、光パルスを付随する電子パルスに変換する。アナログ計器は、元のパルス上の積分に比例するパルス波高で新しいパルス波形を作り出すように電子パルスを変形する。デジタル計器は、その変形を適用せずに電子パルスの直接積分を実行しようとする。
シンチレータ光のパルス波形が温度の変化などの外部効果に起因して変化すると、両方のタイプの計器の性能は低下する。
多チャネル分析器は、3つの別々の点でパルス波形の変化によって影響を受ける。
第1に、電子装置によって処理することができる最大電子パルス波高がある。それは最大放射線パルスエネルギー(E_max)に対応する。同様に、検出され得る最小放射線パルスエネルギー(E_min)に対応する、最小電子パルス波高がある。実際の用途では、環境温度などの測定条件の範囲全体にわたって[E_min,E_max]のある一定の範囲を維持することが必須である。パルス波形が変化する場合、E_minおよびE_maxは影響を受ける。例えば、たとえシンチレータパルスに含まれる光の量が変化しない場合でも、パルスが延びることがある。その場合、結果として生じる電子パルスはより低い振幅を有し、以前に振幅がトリガ閾値を上回っていた小さいパルスは、もはやデータ取得をトリガするのに十分なほど高くない。
従来のアナログまたはデジタルMCA(多チャネル分析器)の測定器は、固定整形時間(アナログMCA)または固定積分時間(デジタルMCA)を使用してエネルギーを堆積した。両方のデバイスとも、平均パルス波形の周りの統計的電子雑音変動を除いて、パルス波形が不変であることに依拠している。温度などの外部パラメータに起因してパルス波形が変化する場合、従来のMCAは、可能な限り正確にエネルギーを測定しない。
パルス波形の変化がエネルギー測定の精度に与える第2の影響がある。実際には、整形時間または積分時間は、エネルギーの測定のためにシンチレーションパルスからの光の約90%を使用するように選択される。より少量を使用すると測定の精度が悪化する。例えば温度変化に起因して、シンチレーションパルスが延びる場合、それらはMCAの所与の動作パラメータに対してあまりにも長くなることがある。結果として、MCAは、正しい値より体系的に小さいエネルギー値を測定する。MCAは、シンチレーション光の90%より少量をサンプリングするため、測定の精度(エネルギー分解能)を同様に失うことになる。
パルス波形変化がMCAの性能に影響を与える第3の点は、パイルアップ除去と関係がある。MCAは、通常、独立して正確に測定するにはあまりにも互いに時間的に近接して生じる、2つ以上のパルスのセットを認識する方法を実施する。この状況はパイルアップと呼ばれる。明らかに、「あまりにも時間的に近接」の基準は、パルスがどの程度長いかに関連していなければならない。したがって、パルスが延びる場合、MCAがパイルアップを認識し損ねるか、または十分に分離したパルスをパイルアップとして誤って除去するため、MCA性能が悪化することがある。両方の場合において、結果として生じるエネルギーヒストグラムはゆがめられ、報告されるカウントレートは一貫して低すぎることがある。
ここで説明される進歩的なデジタルMCAは、パルス波形が温度または他の環境パラメータで変化するシンチレータでガンマ線分光法の精度を改善することができる。
これは、通常可能であるよりも広い範囲の環境条件にわたり、シンチレータ検出器を使用することをサポートする。
要求は、例えば温度センサからの1つまたは複数のセンサデータを使用して、広い温度範囲にわたってMCA性能を維持するように信号処理パラメータを調節する方法によって対処される。具体的には、方法は、保証された測定範囲[E_min,E_max]、ほぼ一定の変換利得、ほぼ最適なエネルギー分解能、およびほぼ一定のパイルアップ除去性能を確実にする。これは、別の方法で可能であるよりも広い温度範囲にわたり、シンチレータベースの検出器を用いた高精度の放射線測定をサポートする。
要求は、少なくとも、積分時間を変えることによってシンチレータパルス中の光の大部分を常に測定することにより、シンチレータ光パルス波形の温度誘導変化を補償するステップと、パイルアップ除去パラメータを変えることにより、シンチレータ光パルス波形が変化するときにパイルアップ除去性能を維持するステップと、任意選択で、光−電気変換器の利得を調節することにより、光−電気変換器の温度誘導利得シフトを補償するステップとを含む、変動温度環境でシンチレーション検出器のための多チャネル分析器の性能を安定させる方法によって満たすことができる。
要求は、少なくとも、光パルスを発生させる活性化結晶を利用するシンチレータに電離放射線パルスを受けるステップと、発生した光パルスをアナログ電気パルスに変換するステップと、アナログ電気パルスをデジタルパルスに変換するステップと、デジタルパルスを処理してシンチレータで受けたエネルギーEの量を提供するステップとを含む、シンチレータベースの放射線検出器のための性能安定化方法によって満たすことができる。
要求は、デジタル電気パルスを処理してシンチレータで受けた全体のパルスエネルギー(E)の量を提供するステップが、y_e[n]=(y[n]−y_dc)データの合計から計算され、式中、y[n]はトリガ後nクロックサンプルのADCの出力であり、y_dcはパルスがないときの直流ベースラインである、方法によってさらに満たすことができる。
要求は、少なくとも、放射線パルスを受けて光パルスを発生させるためのシンチレータと、光パルスをアナログ電気パルスに変換する光−電気パルス変換器と、アナログ電気パルスを増幅する任意選択の増幅器と、アナログ電気パルスをデジタルパルスに変換するアナログ−デジタル変換器と、入来デジタルパルスのエネルギーを測定するパルス処理部と、パルス処理部を管理しパルス処理部から情報を集めるための任意選択の計算部とを含む、シンチレータ検出器によって発生した光のパルス波形変化を補償するための機器によって同様に満たすことができる。
1つの実施形態において、本出願は、シンチレータとしてタリウムがドープされたNaIを使用することを想定している。
本開示の方法を実施するために使用することができる機器を例示する。 ADCによって変換されDCオフセット(y_dc)を引かれた、低温および高温におけるシンチレータパルスを例示する。 積分時間ITが温度で調節されない場合、Cs−137放射線源を測定するときの利得およびエネルギー分解能に対するパルス延長の影響を例示する。 利得シフトが補正された後に残っている効果を示す。 標準的なNaI−シンチレータパルスを示す。 互いにあまりにも近接して生じる2つのパルス−パイルアップを示す。 低温における減速されたNaI−パルスを示す。 トリガの少し前の時間から1.2マイクロ秒の積分時間までの積分パルスを示す。
この要求は、シンチレータパルス波形が温度などの環境パラメータに応じて変化するシンチレータと関連して使用されるデジタル多チャネル分析器(MCA)で満たすことができ、MCAは、少なくとも、シンチレータからの瞬間的な電子パルス振幅をデジタル数に変換するアナログ−デジタル回路と、一連のこのようなデジタル数に対して計算を実行するためのデジタル処理部と、動作パラメータまたは必要に応じてパラメータを計算する手段を格納するための記憶デバイスとを含み、MCAによって使用される方法は以下に説明される。パラメータは、積分時間、ホールドオフ時間、パイルアップ除去パラメータ、光−電気変換器のための動作電圧およびデジタル利得係数を含み得る。
デバイスは図1に例示され、シンチレータ10から始まる。本開示は、少なくとも活性化されたヨウ化ナトリウムもしくはヨウ化セシウム、またはガンマ線を検出するのに効果的な他の材料を含む、使用され得る多くの異なるシンチレータ結晶、特にパルス波形が温度とともに変化するものを想定している。SrI2(Eu)、BaI2(Eu)またはそれらの混合物など、ユーロピウムをドープされたアルカリ土類ハロゲン化物が同様に想定される。加えて、主要な発光物質として2,5−ジフェニルオキサゾール(PPO)を含有し、光電子増倍管感度に放射光波長を適合させる波長シフタとしてジフェニルアントラセン(DPA)を含有するプラスチックシンチレータである。
シンチレータ10は放射線パルス5を受けることができる。放射線パルスは、10eVより大きいエネルギー光子、電子、陽電子、陽子、中性子、アルファ粒子などの原子または核粒子とすることができる。シンチレータ結晶が放射線パルスを受けると、シンチレータ結晶は、光−電気パルス変換器20に進む光パルス15を作り出す。この光−電気パルス変換器20は、光電子増倍管、SiPMT、アバランシェフォトダイオード、またはフォトダイオードとすることができる。デバイス20は、それから、元の光パルスと同じ振幅対時間特性(パルス波形)を実質的に有する電気パルス25を作り出す。電気パルス25は、多チャネル分析器(MCA)を表す一連のサブシステム(30、40、50)に進む。電気パルス25は、最初に、電気パルス25を増幅し、増幅された電子パルス35を作り出すことにおいて電子パルス波形を実質的に保持する、任意選択の電子増幅器30に進む。いくつかの実施形態で増幅器30は省略される場合がある。パルス35は、電子パルス波形を実質的に保持するデジタル信号45に信号を変換する、アナログ−デジタル変換器(ADC)40に進む。パルス処理部50は、入来パルスを認識する方法を適用し、入来パルスのパルス波形を考慮に入れて入来パルスのエネルギーを測定する。任意選択のコンピュータまたはマイクロコントローラまたはフィールドプログラマブルゲートアレイ60は、コマンドを発行してパルス処理または信号処理部50とデータを交換し、パルスエネルギーおよびパルスタイプ情報を検索する。
各々の電離放射線パルスに対して、MCAは、シンチレータからの瞬間的な光出力に比例したまたはほぼ比例した電子パルスを受ける。電子パルスは必要に応じて増幅され、アナログ−デジタル回路に与えられる。これは、電子パルスの、したがって瞬間的なシンチレーション光パルスのデジタル画像を作り出す。
デジタルパルス処理部は、アナログ−デジタル回路からの出力を監視する。パルスがないときには、デジタルパルス処理部は、直流(DC)ベースライン(y_dc)を測定する。DCベースラインは、yサンプル(y_e[n])を作り出すためにアナログ−デジタル回路サンプル(y[n])から常に引かれる。パルスがトリガロジックによって認識されると、デジタル整形器が作動する。デジタル整形器は、(y_e[n])値の合計を計算する方法を含む。トリガ時、デジタル整形器は、計算
y_e[n]=(y[n]−y_dc)
を実行する。
式中、nは最後のトリガからのサンプルカウントである。所定の積分時間数ITのy_eサンプルは、シンチレータに堆積したエネルギー(E)の量を提供するように合計される。デジタル整形器はこれらの計算の多くを並列に実行する。
y_eのITサンプルにわたる合計は、元の電離パルスエネルギーの測定値としての役割を果たす。温度の関数としてのパラメータITの慎重な選択は、従来技術と比較して、放射線パルス測定の精度およびエネルギー分解能を著しく改善する。これを達成するために、1つの実施形態では、(図示されない)温度センサは、シンチレーション検出器温度を測定し、および信号プロセッサは、温度を使用して、検出器性能を安定させるさまざまなパラメータ値を決定することが想定される。別の実施形態では、外部センサおよびプロセッサは、温度を測定し、かつ温度依存性係数を決定し、かつシンチレータの信号プロセッサに更新された係数を書き込む。
ホールドオフ時間およびパイルアップ除去制御などの他の動作パラメータは、温度の関数として同様に選択することができる。ホールドオフ時間は、パルスの立下りエッジでのシステムの再トリガを回避し、それは通常、積分時間(IT)と同じかまたはこれよりわずかに大きくなる。
1つの実施形態では、パイルアップ除去は、単一パラメータ、すなわちPUT=光の40%が収集される時間によって管理することができる。そのパラメータは、したがって、温度の関数として選択されることになる。
測定可能な放射線パルスエネルギーの有効な範囲[E_min,E_max]を維持するために、方法は、1つまたは複数のパラメータを調節することにより、光−電気変換器の利得を調節することになる。通常、唯一のパラメータ、動作電圧が調節される必要がある。
MCAはイベントデータ(y_eサンプルの合計)を配信する。複数のイベントデータは、しばしばヒストグラムと呼ばれるカテゴリプロットでグラフに表すことができる。それは、測定されたイベントのエネルギー(E)がビンと呼ばれる所与の範囲に該当する頻度を描写する。典型的なヒストグラムでは、ビンは幅(dE)を有し、イベントがn番目のビンに該当する条件は、
n*dE<=E<(n+I)*dE
と表現される。
ビンの内容は数である。ヒストグラムデータ取得の始めにすべてのビンの内容はゼロに設定される。データ取得中、イベントのエネルギーがある特定のビンに該当するときは常に、そのビンの内容は1だけ増加する。時間とともにヒストグラムが蓄積する。
放射線検出システムの性能は、若干の取得時間後にヒストグラムの内容によって判断される。核同位元素Cs−137からの放射線を測定する場合、複雑なヒストグラムが存在する。
最も高いエネルギーピーク、鐘形曲線は、およそ662keVのエネルギーを有するガンマ線に対応する。このピークの半値全幅はシンチレータ性能の指標である。幅が小さいほど性能が良好である。
システム性能の別の重要な尺度は、温度変化に伴ってエネルギーヒストグラム中のピーク位置がどの程度ドリフトするかに基づくものである。必要条件は、任意のピークができるだけドリフトしないことである。
図2を参照すると、全体として数字200として示されるグラフは、室温におけるNaI(Tl)シンチレータパルス210および−20℃におけるNaI(Tl)シンチレータパルス220を示している。1.0マイクロ秒における縦方向のストロークは、固定積分時間を示すことができる。パルスは、0からこの限界線まで合計または積分される。この限界線を越える任意のパルス断片は無視される。したがって、遅いパルスに対して情報が失われる。これは、明らかな利得シフトを引き起こし、エネルギー測定の精度を低下させる。慎重な較正作業により、これを克服するように温度の関数として利得を調節することができる。
次に図3aを参照すると、全体に数字300として、室温において較正されたNa(Tl)検出器からのCs−137のエネルギースペクトル310が示される。0.662keVにおける全エネルギーピークは、6.5%fwhm(半値全幅)のエネルギー分解能を有する。実線320は、積分時間を一定に保ち、光電子増倍管および電子装置の利得ドリフトを考慮しながら、−20℃において同じ検出器から取得されるエネルギースペクトルを示す。パルスの延長に起因して、その一部のみが積分されており、利得の明らかな損失およびより不十分なエネルギー分解能(全エネルギーピークに対して8.5%fwhm)につながる。
図3bでは、本発明者らは、別個の利得係数を適用することにより、延長されたパルスの明らかな利得損失を補い、したがって低温370および室温360において測定されたピークが重なり合う。この利得係数は、任意の温度に対して適用されるように実験によって展開することができる。次に、その利得係数を使用して、実験的に事前に決定された関数に従ってまたは利得対温度のルックアップテーブルに基づいて光−電気変換器の利得を調節することができる。しかし、依然として、−20℃における不十分なエネルギー分解能のために2つのヒストグラムはかなり異なっている。
産業オペレータおよび軍事オペレータによって使用されている放射性同位体識別のための多くのアルゴリズムがある。すべてのアルゴリズムは、特定の検出器タイプおよびサイズのために慎重に調整およびテストされる。エネルギー分解能の変化は極めて望ましくない。したがって、積分(IT)時間を温度の関数として調節する必要がある。
前に論じたように、パルス波形の変化が与える第2の影響は、エネルギー測定の精度に対するものである。実際には、整形時間または積分時間は、エネルギーの測定のためにシンチレーションパルスからの光の約90%を使用するように選択される。より少量を使用すると測定の精度が悪化する。例えば温度変化に起因して、シンチレーションパルスが延びる場合、それらはMCAの所与の動作パラメータに対してあまりにも長くなることがある。結果として、MCAは、正しい値より体系的に小さいエネルギー値を測定する。MCAは、シンチレーション光の90%より少量をサンプリングするため、測定の精度(エネルギー分解能)を同様に失うことになる。解決策は、より低い温度においてより長い積分時間が使用されるように、積分時間を温度の関数として調節することである。積分時間のこの変化は実験的に調査することができるため、温度の関数としての必要とされる積分時間は既知であり、温度の関数として自動的に適用することができる。
図4a〜図4dでは、パイルアップ除去の概念が例示される。図4aは、全体として数字400で示され、室温における単一の孤立したNaI(Tl)光パルスの形状である。
図4bに、室温における2つの近接したパルスの場合についての説明図がある。それらは互いに0.40マイクロ秒以内に生じる。2番目のパルス440は、前のパルス430の末端の上に積み重なる。それらは(1.2マイクロ秒の積分時間より短く)互いにあまりにも近接して生じるため、それらを正確に測定することができない。したがって、それらは「パイルアップ」として除去しなければならない。
図4cでは、全体として数字450で示され、−20℃におけるNaI(Tl)パルスが例示される。それは、図4aの室温パルス410よりはるかに遅く、室温パルスがするように1マイクロ秒でほぼベースライン値に戻らない。
図4dは、全体として数字470と示され、パイルアップを決定する全体的なアルゴリズムを例示する。図4a、4b、および4cに示されるパルスに関する時間積分がプロットされる。例えば、図4aの単一室温パルス410の時間積分は積分曲線480として示される。図4cの単一低温パルス460の時間積分は積分曲線490として示される。また、曲線500は、図4bの2つのパイルアップしたパルスの時間積分を表す。時間積分は、1.2マイクロ秒において1に正規化されている。本発明者らは、パルスパイルアップの指標として積分が50%閾値を超える時間(T50)を使用する。室温NaI(Tl)パルスについて、この時間は0.28マイクロ秒であり、0.28マイクロ秒において縦線で表される。図4bのパイルアップパルスについて、この時間は0.43マイクロ秒である。図4cに示される遅いパルスについて、この時間は0.46マイクロ秒である。
単純なアルゴリズムは、各々の認識されたパルスに対してT50を測定し、T50<0.35マイクロ秒であるパルスを受け入れ、T50>=0.35マイクロ秒であるパルスを「パイルアップ」として除去することができるが、このようなアルゴリズムは、遅いパルスをパイルアップとして誤って除去することになる。したがって、有効なパイルアップ除去を維持するために、積分時間を予想されるパルス長に調節することが必要である。加えて、1つまたは複数のパイルアップパラメータをそれに応じて調整しなければならない場合がある。例えば、パイルアップ検査時間PUTは光パルスエネルギーのある一定の断片をカバーする。その断片は温度に依存する場合がある。
図(4a、4b、4c、4dは、パイルアップ認識の概念を例示する。PUT<ITは、正常なパルスに対してパルス中の光の40%が累積されることになる時間を表す。積分時間ITと比較して、時間PUT中に光の40%未満が収集される場合、パイルアップを認識することができる。
ある一定の実施形態およびそれらの利点が詳細に本明細書で説明されてきたが、添付の特許請求の範囲によって定義される適用範囲を逸脱することなく、さまざまな改変形態、代替形態および変更形態がなされ得ることを理解されたい。さらに、開示された技術の潜在的な用途は、本明細書で説明されるプロセス、機械、製品、手段、方法およびステップの特定の実施形態に限定されるように意図されない。当業者であれば本開示から容易に理解するように、本明細書で説明された対応する実施形態と実質的に同じ機能を行うかまたは実質的に同じ結果を達成する、現在存在するかまたは後に開発される他のプロセス、機械、製品、手段、方法、またはステップを利用してもよい。したがって、添付の特許請求の範囲は、このようなプロセス、機械、製品、手段、方法またはステップをその範囲に含むように意図される。

Claims (11)

  1. 変動温度環境でシンチレーション検出器のための多チャネル分析器の性能を安定させる方法であって、
    ・積分時間を変えることによってシンチレータパルス中の光の大部分を常に測定することにより、シンチレータ光パルス波形の温度誘導変化を補償するステップと、
    ・パイルアップ除去パラメータを変えることにより、前記シンチレータ光パルス波形が温度変化に起因して変化するときにパイルアップ除去性能を維持するステップと
    を含む方法。
  2. 光−電気変換器の利得を調節することにより、前記光−電気変換器の温度誘導利得シフトを補償するステップをさらに含む、請求項1に記載の変動温度環境でシンチレーション検出器のための多チャネル分析器の性能を安定させる方法。
  3. 前記光−電気変換器の前記利得を調節することにより、前記光−電気変換器の前記温度誘導利得シフトを補償するステップは、利得調節対温度のルックアップテーブルによって実行される、請求項2に記載の変動温度環境でシンチレーション検出器のための多チャネル分析器の性能を安定させる方法。
  4. 前記光−電気変換器の利得を調節することにより、前記光−電気変換器の前記温度誘導利得シフトを補償するステップは、実験的に事前に決定された関数に従って前記光−電気変換器の前記利得を調節することによって実行される、請求項2に記載の変動温度環境でシンチレーション検出器のための多チャネル分析器の性能を安定させる方法。
  5. 前記光−電気変換器利得は、動作電圧または電子的もしくはデジタル利得を変化させることによって調節される、請求項2に記載の変動温度環境でシンチレーション検出器のための多チャネル分析器の性能を安定させる方法。
  6. 前記積分時間を変えることによってシンチレータパルス中の前記光の大部分を常に測定することにより、シンチレータ光パルス波形の前記温度誘導変化を補償するステップは、実験的に事前に決定された関数に従って温度の関数として前記積分時間を変えることによって行われる、請求項1に記載の変動温度環境でシンチレーション検出器のための多チャネル分析器の性能を安定させる方法。
  7. 前記積分時間を変えることによってシンチレータパルス中の前記光の大部分を常に測定することにより、シンチレータ光パルス波形の前記温度誘導変化を補償するステップは、積分時間対温度のルックアップテーブルの使用によって行われる、請求項1に記載の変動温度環境でシンチレーション検出器のための多チャネル分析器の性能を安定させる方法。
  8. 前記シンチレータ光パルス波形が温度変化に起因して変化するときにパイルアップ除去性能を維持する前記ステップは、実験的に事前に決定された関数に従って予想されるパルス長に積分時間を調節した後に、パイルアップ除去パラメータを推定することによって行われる、請求項1に記載の変動温度環境でシンチレーション検出器のための多チャネル分析器の性能を安定させる方法。
  9. 前記シンチレータ光パルス波形が温度変化に起因して変化するときにパイルアップ除去性能を維持する前記ステップは、ルックアップテーブルに従って予想されるパルス長に積分時間を調節した後に、パイルアップ除去パラメータを推定することによって行われる、請求項1に記載の変動温度環境でシンチレーション検出器のための多チャネル分析器の性能を安定させる方法。
  10. 内部温度センサは、シンチレーション検出器温度を測定し、および信号プロセッサは、前記温度を使用して、検出器性能を安定させるパラメータ値を決定する、請求項1に記載の方法。
  11. 外部センサおよびプロセッサ上のソフトウェアは、シンチレーション検出器温度を測定し、温度依存性係数を決定し、かつシンチレータの信号プロセッサに前記更新された係数を書き込む、請求項1に記載の方法。
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