JP2019152436A - Counting method and radiation detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、放射線等の計数方法および放射線検出装置に関する。詳しくは、高計数率条件下でも精度良く放射線等を計数する方法および放射線検出装置に関する。 The present invention relates to a radiation counting method and a radiation detection apparatus. Specifically, the present invention relates to a method for counting radiation and the like with high accuracy even under high count rate conditions and a radiation detection apparatus.
シンチレータや半導体などの放射線検出素子と波高弁別回路を組み合わせた放射線検出装置では、放射線検出素子が検出した放射線のエネルギーに対応したパルス信号を得てその波高値を読み取り、当該波高値が波高弁別閾値を超えたパルス信号を計数することにより線量率を求める方法が広く一般に行われている。 In a radiation detection device that combines a radiation detection element such as a scintillator or a semiconductor with a pulse height discrimination circuit, a pulse signal corresponding to the energy of the radiation detected by the radiation detection element is obtained, the peak value is read, and the peak value is a peak detection threshold value. A method for obtaining a dose rate by counting pulse signals exceeding the range is widely used.
例えば、中性子線の線量率を求める中性子検出装置の場合には、バックグラウンドノイズとなるγ線を計数しない波高値を波高弁別閾値とする必要がある。波高弁別閾値を最適化する方法としては、特許文献1に記載されたように、波高分布スペクトルで示されたピークについてガウス関数をフィッティングして求められるμ(波高値の平均値)およびσ(波高値の標準偏差)を基準として設定する方法がある。
For example, in the case of a neutron detection apparatus that obtains the dose rate of neutron beams, it is necessary to set a peak value that does not count γ rays that become background noise as the pulse height discrimination threshold. As a method for optimizing the peak discrimination threshold, as described in
例えば、がんの放射線治療において放射線検出素子が曝される環境は、非常に高い放射線線量率となる場合がある。このような高線量率環境においては、特許文献2や特許文献3に記載されたように、或るパルスの測定直後に次のパルスが入射すること(所謂パイルアップ現象)により信号波形が重なってしまって計数ロスを起こし、計数精度が低下する問題がある。
For example, an environment to which a radiation detection element is exposed in cancer radiotherapy may have a very high radiation dose rate. In such a high dose rate environment, as described in
特許文献2や特許文献3では、AD変換器によりパルスをデジタル化させ、パイルアップした複数のパルスを分離して計数すると共に、ベースライン変動による波高値の変化を補正する方法が開示されている。しかし、実施の形態によってはパイルアップした複数のパルスを分離できず、計数ロスする場合があった。2つのパルス(2回の放射線検出事象)が1つのパルス(1回の放射線検出事象)として処理された放射線検出事象がある場合の波高分布スペクトルは、例えば図1のようになり、第1ピークの約2倍の波高値に第2ピークが観測される。なお、パイルアップが無い状態の波高分布スペクトルは図2に示したように第2ピークが観測されない。
そして、さらにパイルアップの頻度が増える場合(線量率がより高かったり、検出素子の感度がより高かったりする場合)には、3つのパルスを1つのパルスとして処理してしまう放射線検出事象の存在によって、図3の波高分布スペクトルのように、第1ピークの約3倍の波高値に第3ピークが観測されることもあった。 And when the frequency of pile-up increases further (when the dose rate is higher or the sensitivity of the detection element is higher), the presence of a radiation detection event that treats three pulses as one pulse. As shown in the pulse height distribution spectrum of FIG. 3, the third peak may be observed at a peak value that is about three times the first peak.
このように複数のパルスが1つのパルスとして処理された際には、計数ロスを生じて計数精度が低下してしまう。そのため、放射線検出素子の小型化などによって放射線検出感度を下げて、パイルアップの頻度を減らす必要がある。しかし、放射線検出感度を下げることで他の問題を生じることもあるため、多方面からのアプローチが必要となる。 Thus, when a plurality of pulses are processed as one pulse, a counting loss occurs and the counting accuracy decreases. For this reason, it is necessary to reduce the frequency of pile-up by reducing the radiation detection sensitivity by reducing the size of the radiation detection element. However, lowering the radiation detection sensitivity may cause other problems, so a multifaceted approach is required.
1つとしては、特許文献4に記載されたように、パルスの減衰時間(蛍光寿命)が短い放射線検出素子を用いることである。
One is to use a radiation detection element having a short pulse decay time (fluorescence lifetime) as described in
1つとしては、パルスの減衰時間が短くなるように回路構成を工夫することである(例えば、時定数が短い増幅器(アンプ)を用いたり、微分回路を用いたりする)。 One is to devise a circuit configuration so that the pulse decay time is shortened (for example, an amplifier having a short time constant is used, or a differentiating circuit is used).
1つとしては、AD変換器を高速化して、デジタルデータのサンプリング点を増やすことである。 One is to increase the sampling point of digital data by increasing the speed of the AD converter.
しかしながら、このようなアプローチによっても、パイルアップによって計数精度が低下する問題を解決できない場合もあった。 However, even with such an approach, there is a case where the problem that the counting accuracy is lowered due to pile-up cannot be solved.
上記課題に鑑み、本発明者らは鋭意検討を行い、波高弁別閾値を最適化するという、上述のアプローチとは全く異なる方法によって、パイルアップによる計数精度の低下を抑制できることを見出し、本発明を完成するに至った。 In view of the above problems, the present inventors have intensively studied and found that the decrease in counting accuracy due to pile-up can be suppressed by a method completely different from the above approach of optimizing the pulse height discrimination threshold. It came to be completed.
即ち本発明は、波高弁別閾値を設定し、該波高弁別閾値を超える信号の頻度を計数する方法であって、計数の目的成分が波高分布スペクトルでピークを示す場合において、前記ピークについてガウス関数をフィッティングして求められる(μ−0.4σ)〜(μ+0.6σ)の範囲から選ばれる任意の値を前記波高弁別閾値とすることを特徴とする計数方法および放射線検出装置である。 That is, the present invention is a method of setting a pulse height discrimination threshold and counting the frequency of signals exceeding the pulse height discrimination threshold, and when the target component of the count shows a peak in the pulse height distribution spectrum, a Gaussian function is calculated for the peak. The counting method and the radiation detection apparatus are characterized in that an arbitrary value selected from the range of (μ−0.4σ) to (μ + 0.6σ) obtained by fitting is used as the pulse height discrimination threshold.
本発明によれば、パイルアップによる計数精度の低下を抑制でき、放射線計数率が低い状況から高い状況まで広い範囲にわたって精度良く放射線を計数することが可能である。 According to the present invention, it is possible to suppress a decrease in counting accuracy due to pileup, and it is possible to accurately count radiation over a wide range from a low radiation counting rate to a high situation.
本発明を実施するための装置の一例である放射線検出装置の概略図を図4に示す。放射線検出装置は、放射線の入射によってパルス状の電気信号を出力する放射線検出素子1と波高弁別回路2を組み合わせたものによって、その目的を達成できる。シンチレータのように、直接電気信号を出力せず放射線の入射によって光を発する媒体を用いる場合は、当該シンチレータ3と、シンチレータ3の発する光を電気信号へ変換させる装置4を組み合わせることによって、放射線検出素子1とすることができる。シンチレータの発する光を電気信号へ変換させる装置4として、光電子増倍管、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、ガイガーモードアバランシェフォトダイオード等の光検出器が一般的に用いられる。
FIG. 4 shows a schematic diagram of a radiation detection apparatus which is an example of an apparatus for carrying out the present invention. The object of the radiation detection apparatus can be achieved by a combination of the
波高弁別回路2は、放射線検出素子1から出力されるパルスの波高値を解析し、波高弁別閾値を超えたパルスを計数できるものであれば良く、パルスをアナログデータ処理によって読み取るものと、パルスをデジタルデータ処理によって読み取るものと、どちらにおいても本発明を適用できる。
The pulse height
本発明の実施例で用いた波高弁別回路2は、増幅器(アナログアンプ)、AD変換器、デジタルデータ処理装置、表示装置などで構成された、デジタルデータ処理によってパルスを読み取るものである。以下、デジタルデータ処理によってパルスを読み取る装置を例として記述する。
The pulse height
前記の実施形態によれば、放射線検出素子1が放射線を検出した際に発するパルスはアナログアンプにより時間軸に沿って拡大して増幅され、増幅されたパルス信号はAD変換器によって或る一定のサンプリング間隔でデジタルデータに変換され、当該デジタルデータをデジタルデータ処理装置によって読み取る。そして、コンピュータ、ソフトウェア、表示モニタなどで構成される表示装置に、波高分布スペクトルや波高弁別閾値を超えた計数値などが表示される。
According to the above-described embodiment, the pulse generated when the
図5は、パイルアップの影響を概念的に説明するためのアナログアンプによって増幅されたパルスの信号波形図であり、図中の各点は、実線で示したアナログ信号上に一定時間間隔でデジタル化させた場合に得られる離散値を示している。 FIG. 5 is a signal waveform diagram of a pulse amplified by an analog amplifier for conceptually explaining the influence of pileup. Each point in the diagram is a digital signal at a constant time interval on the analog signal indicated by a solid line. The discrete values obtained in the case of the conversion are shown.
図5(a)は、パイルアップしていない場合である。この場合、デジタルデータ処理装置は、「波高値(Pulse Height)Hに相当する事象が2回」として計数する。 FIG. 5A shows a case where pile-up is not performed. In this case, the digital data processing apparatus counts as “the event corresponding to the pulse height (Pulse Height) H is twice”.
一方、図5(b)は、パイルアップした場合である。本来は「波高値Hに相当する事象が3回」と計数されるべきところだが、第1パルスの直後に別の放射線が入射して第2パルスが立ち上がっており、デジタルデータの離散値で見ると信号値が上昇し続けているため、第1パルスと第2パルスは分離して認識されず、「H”(≒2H)に相当する事象が1回」と計数される。 On the other hand, FIG.5 (b) is a case where it piles up. Originally, it should be counted as “three events corresponding to the peak value H”, but another radiation is incident immediately after the first pulse, and the second pulse rises. Since the signal value continues to rise, the first pulse and the second pulse are not recognized separately, and an event corresponding to “H” (≈2H) is counted once.
また、第3パルスはベースラインのシフトによって「H’(<H)に相当する事象が1回」と計数される。本発明が解決しようとする問題は、第1パルスと第2パルスについて生じる計数ロスである。以降の説明では、便宜上、第1パルスと第2パルスのように複数のパルスを分離して計数できなかった場合をパイルアップしたとして取り扱い、第3パルスのように直前のパルスから分離して計数できたものはパイルアップしていないものとして取り扱う。なお、第3パルスについて波高値が小値化する問題は、波高弁別閾値を超える波高値として処理されるべきパルスが、波高弁別閾値未満の波高値まで小値化してしまうと計数ロスとなる。この計数ロスについては、後述するガウスフィッティングを活用し、波高値の小値化に合わせて波高弁別閾値を調整することによっても計数ロスを軽減できる。 The third pulse is counted as “one event corresponding to H ′ (<H)” due to the shift of the baseline. The problem to be solved by the present invention is the counting loss that occurs for the first and second pulses. In the following description, for the sake of convenience, a case where a plurality of pulses such as the first pulse and the second pulse could not be separated and counted is treated as being piled up, and the number is separated from the previous pulse and counted as the third pulse. The completed one is treated as not piled up. The problem that the peak value is reduced for the third pulse is a count loss when the pulse to be processed as the peak value exceeding the peak discrimination threshold is reduced to a peak value less than the peak discrimination threshold. Regarding this count loss, the count loss can also be reduced by using Gaussian fitting, which will be described later, and adjusting the pulse height discrimination threshold in accordance with the reduction of the peak value.
上述のパイルアップが計数値に与える誤差をシミュレーションするため、まず、パイルアップしていない場合と、パイルアップしている場合との、それぞれで示される波高分布スペクトルを、下記式(1)のガウス関数を用いて生成した。式(1)のガウス関数における最大計数Nは、平均波高値μにおいて示される計数である。波高分布スペクトルの生成方法を説明する図を図6に示す。 In order to simulate the error given to the count value by the pile-up described above, first, the wave height distribution spectra respectively shown in the case where the pile-up is not performed and the case where the pile-up is performed are represented by the Gauss of the following formula (1). Generated using a function. The maximum count N in the Gaussian function of Expression (1) is a count indicated by the average peak value μ. FIG. 6 is a diagram for explaining a method for generating a pulse height distribution spectrum.
パイルアップ率を0%、10%、20%、30%として、前述の方法で生成した波高分布スペクトルを図7に示す。パイルアップ率0%の波高分布スペクトルは、第1ピークしか持たないデータである。各波高分布スペクトルの0〜1023chまでの合計計数は、第2ピークの計数を2倍、第3ピークの計数を3倍として計算すれば一致するようにしている。 FIG. 7 shows the pulse height distribution spectrum generated by the above-mentioned method with the pile-up rate being 0%, 10%, 20%, and 30%. The wave height distribution spectrum with a pile-up rate of 0% is data having only the first peak. The total count of each wave height distribution spectrum from 0 to 1023ch is made to coincide if the count of the second peak is doubled and the count of the third peak is tripled.
次に、波高弁別閾値(Threshold)をμ+Xσとし、Xを−3〜+3の範囲で変化させた場合の波高弁別閾値以上の計数を波高分布スペクトルから求めた。その結果を図8に示す。さらに、図8の結果から、パイルアップ0%の場合の波高弁別閾値以上の計数に対するパイルアップ率10%、20%、30%の計数誤差をそれぞれ求めた。その結果を図9に示す。これら図8および図9の結果から、Xが小さいほど計数ロスによるマイナスの誤差が大きくなり、Xが大きいほど過剰な計数によるプラスの誤差が大きくなるが、μに近い波高弁別閾値(すなわちX=0付近)ではパイルアップによる計数誤差を生じ難いことが解る。 Next, the pulse height discrimination threshold (Threshold) was set to μ + Xσ, and a count equal to or higher than the pulse height discrimination threshold when X was changed in the range of −3 to +3 was obtained from the pulse height distribution spectrum. The result is shown in FIG. Further, from the results shown in FIG. 8, count errors of 10%, 20%, and 30% of pileup rates with respect to the count exceeding the pulse height discrimination threshold when the pileup is 0% were obtained. The result is shown in FIG. 8 and 9, the smaller the X, the larger the negative error due to the counting loss, and the larger the X, the larger the positive error due to the excessive counting, but the wave height discrimination threshold (ie, X = It can be seen that it is difficult to generate counting errors due to pileup in the vicinity of 0).
また、最適な波高弁別閾値を実測値に基づいて設定するため、実施例1について、最もパイルアップしていない状況(加速器電流は5.7μA、波高分布スペクトルは図2)に対する、最もパイルアップしている状況(加速器電流は379.6μA、波高分布スペクトルは図3)の計数誤差を解析した。図2及び図3のそれぞれの第1ピークについて、ガウス関数をフィッティングしてμ及びσを求め、得られたμ及びσを基に波高弁別閾値μ+Xσを設定し、前記シミュレーションと同様の方法で計数誤差を求めた結果を図10に示す(ただし、図2および図3の波高分布スペクトルを得た際の線量率差を考慮する必要があるため、線量率差は加速器電流差と同じ傾向を示すものと見做し、図2および図3の計数を各加速器電流値によって規格化した)。また、図3の波高分布スペクトルの解析により、該波高分布スペクトルのパイルアップ率は25%程度であることが判った。図10には、パイルアップ率を25%とした場合の計数誤差のシミュレーション値を併せて示す。 Further, in order to set the optimum wave height discrimination threshold based on the actual measurement value, the pile height is highest in the first embodiment in the situation where the pile up is the lowest (accelerator current is 5.7 μA, wave height distribution spectrum is FIG. 2). The counting error was analyzed under the circumstances (accelerator current is 379.6 μA, wave height distribution spectrum is FIG. 3). For each first peak in FIG. 2 and FIG. 3, μ and σ are obtained by fitting a Gaussian function, a pulse height discrimination threshold μ + Xσ is set based on the obtained μ and σ, and counting is performed in the same manner as in the simulation. FIG. 10 shows the results of error determination (however, the dose rate difference shows the same tendency as the accelerator current difference because it is necessary to consider the dose rate difference when obtaining the pulse height distribution spectra of FIGS. 2 and 3). The counts in FIGS. 2 and 3 were normalized by each accelerator current value). Moreover, it was found from the analysis of the wave height distribution spectrum in FIG. 3 that the pile-up rate of the wave height distribution spectrum is about 25%. FIG. 10 also shows the simulation value of the counting error when the pile-up rate is 25%.
図10に示したパイルアップによる計数誤差は、シミュレーションと実測で多少のずれが生じている。これは、シミュレーションではパイルアップによる波高値の小値化を考慮していないのに対し、実測ではパイルアップによる波高値の小値化が生じているためと考えられる。このように、シミュレーションと実測では多少のずれを生じるものの、実測においても、μに近い波高弁別閾値(すなわちX=0付近)はパイルアップによる計数ロスの影響を受け難いことが解る。また、実測において波高値の小値化が生じる場合には、波高弁別閾値をμよりもやや高めに設定することが最適であることが分かる。 The counting error due to pileup shown in FIG. 10 is slightly different between simulation and actual measurement. This is probably because the simulation does not consider the reduction of the peak value due to pile-up, whereas the actual measurement causes the reduction of the peak value due to pile-up. As described above, although there is a slight difference between the simulation and the actual measurement, it can be understood that the pulse height discrimination threshold (that is, near X = 0) close to μ is hardly affected by the count loss due to the pile-up even in the actual measurement. In addition, when the peak value is reduced in actual measurement, it is understood that it is optimal to set the peak discrimination threshold slightly higher than μ.
ここで、図11を用いて、波高弁別閾値をμ付近に設定することによってパイルアップによる計数誤差を小さくできる原理を説明する。 Here, the principle that the counting error due to pileup can be reduced by setting the wave height discrimination threshold in the vicinity of μ will be described with reference to FIG.
まず、図11(a)を用いて、パルス2個のパイルアップのみを考慮して説明する。パイルアップしていない第1ピークの合計計数をNs、パルス2個がパイルアップした第2ピークの合計計数をNdとした場合、放射線検出素子が検出した放射線の数はNs+2Ndであることが理論的に言える。 First, using FIG. 11A, only the pile-up of two pulses is considered. When the total count of the first peak not piled up is N s and the total count of the second peak piled up by two pulses is N d , the number of radiation detected by the radiation detection element is N s + 2N d It can be said that there is theoretically.
ここで、一般には、全ての事象を計数できるように例えばT1の辺りに閾値を設定するが、該T1を波高弁別閾値とした場合に得られる閾値以上の計数はNs+Ndとなり、理論値Ns+2Ndと比較するとNdのマイナス誤差を生じ、特にパイルアップが顕著に生じてNdが増大すると、計数誤差も甚大となる。これに対して、本発明の計数方法は、第1ピークのμの近傍に波高弁別閾値を設定することによって、計数誤差を低減することを特徴とする。例えば、第1ピークのμ(T2)を波高弁別閾値とした場合に得られる閾値以上の計数は1/2Ns+Ndとなり、理論値Ns+2Ndと比較するとちょうど半分を計数することになる。換言すれば、第1ピークのμを波高弁別閾値として得られた計数を2倍すれば、理論値通りの計数を得ることができる。このとき、上記第1ピークのμを波高弁別閾値として得られる計数は、パイルアップの程度にかかわらず、常に理論値の半分であるため、本発明の計数方法によれば、パイルアップによる計数誤差を生じない。 Here, generally, is to set the threshold value around for example T 1 can count all events, the threshold value or more counts obtained when the T 1 and wave height discrimination threshold N s + N d, and the Compared with the theoretical value N s + 2N d , a negative error of N d is generated. In particular, when N d increases due to significant pile-up, the counting error also increases. In contrast, the counting method of the present invention is characterized in that the counting error is reduced by setting a pulse height discrimination threshold in the vicinity of μ of the first peak. For example, the count exceeding the threshold obtained when μ (T 2 ) of the first peak is set as the pulse height discrimination threshold is 1 / 2N s + N d , and exactly half is counted when compared with the theoretical value N s + 2N d. Become. In other words, if the count obtained by using μ of the first peak as the wave height discrimination threshold is doubled, a count as the theoretical value can be obtained. At this time, the count obtained using μ of the first peak as the pulse height discrimination threshold is always half of the theoretical value regardless of the pileup level. Therefore, according to the counting method of the present invention, the counting error due to pileup is calculated. Does not occur.
次に、図11(b)を用いて、パルス2個のパイルアップとパルス3個のパイルアップを考慮して説明する。パイルアップしていない第1ピークの合計計数をNs、パルス2個がパイルアップした第2ピークの合計計数をNd、パルス3個がパイルアップした第3ピークの合計計数をNtとした場合、放射線検出素子が検出した放射線の数はNs+2Nd+3Ntであることが理論的に言える。全ての事象を計数できるT1を波高弁別閾値とした場合に得られる閾値以上の計数はNs+Nd+Ntとなり、理論値Ns+2Nd+3Ntと比較するとNd+2Ntのマイナス誤差を生じてしまう。一方、第1ピークのμ(T2)を波高弁別閾値とした場合に得られる閾値以上の計数は1/2Ns+Nd+Ntとなる。理論値の半分の値である1/2Ns+Nd+3/2Ntと比較すると1/2Ntのマイナス誤差が生じてしまうが、閾値をT1とした場合よりも誤差を格段に小さくできる。 Next, with reference to FIG. 11B, a description will be given in consideration of a pileup of two pulses and a pileup of three pulses. The total count of the first peak not piled up is N s , the total count of the second peak piled up by two pulses is N d , and the total count of the third peak piled up by three pulses is N t In this case, it can theoretically be said that the number of radiation detected by the radiation detection element is N s + 2N d + 3N t . When T 1 capable of counting all events is set as the pulse height discrimination threshold, the count exceeding the threshold obtained is N s + N d + N t , and a negative error of N d + 2N t is compared with the theoretical value N s + 2N d + 3N t. It will occur. On the other hand, a count equal to or greater than the threshold obtained when μ (T 2 ) of the first peak is the pulse height discrimination threshold is ½ N s + N d + N t . Compared with ½N s + N d + 3 / 2N t which is half the theoretical value, a minus error of ½N t occurs, but the error can be made much smaller than when the threshold is set to T 1 .
μに近い波高弁別閾値を設定することによって、パイルアップによる計数誤差を低減する本発明の計数方法は、上記説明した理論に基づいてなされたものであって、図9に示したシミュレーション結果も本発明の妥当性を示すものである。 The counting method of the present invention that reduces the counting error due to pileup by setting a pulse height discrimination threshold close to μ is based on the theory described above, and the simulation results shown in FIG. It shows the validity of the invention.
なお、前述のシミュレーションはパルス2個のパイルアップとパルス3個のパイルアップを考慮したものであり、閾値μ+0σにおいて若干のマイナス誤差が生じていることもこの理論と一致している。なお、このマイナス誤差が生じる原因である第3ピークの計数Ntは、第1ピークの計数Nsより十分に小さいため、パイルアップによって生じる計数誤差への寄与度が小さい結果となっている。さらに、パルス4個以上がパイルアップした第4、第5、第6…ピークが観測される可能性もあるが、パイルアップによって生じる計数誤差への寄与度は第3ピークよりさらに小さくなるため、ほとんどの用途において問題にはならない。 Note that the above-mentioned simulation takes into account the pile-up of two pulses and the pile-up of three pulses, and it is consistent with this theory that a slight negative error occurs at the threshold value μ + 0σ. Note that the third peak count N t that is the cause of this minus error is sufficiently smaller than the first peak count N s , resulting in a small contribution to the count error caused by pileup. Furthermore, there is a possibility that the fourth, fifth, sixth,... Peak in which four or more pulses have piled up may be observed, but the contribution to the counting error caused by the pileup is even smaller than the third peak, so It is not a problem for most applications.
本発明によれば、波高弁別閾値を設定し、該波高弁別閾値を超える信号の頻度を計数する方法であって、計数の目的成分が波高分布スペクトルでピークを示す場合において、前記ピークについてガウス関数をフィッティングして求められる(μ−0.4σ)〜(μ+0.6σ)の範囲から選ばれる任意の値を前記波高弁別閾値とする計数方法を採用することにより、パイルアップによる計数精度の低下を抑えることができる。 According to the present invention, there is provided a method for setting a pulse height discrimination threshold and counting the frequency of signals exceeding the pulse height discrimination threshold, wherein when the target component of the count shows a peak in the pulse height distribution spectrum, a Gaussian function is used for the peak. By adopting a counting method in which an arbitrary value selected from the range of (μ−0.4σ) to (μ + 0.6σ) obtained by fitting is used as the wave height discrimination threshold, the counting accuracy is reduced due to pileup. Can be suppressed.
計数の目的成分とは、計数の対象とする事象のことであり、特に限定されるものではない。例えば、中性子の線量率や積算線量などを提供できる中性子検出装置であれば、中性子の入射事象が計数の目的成分となる。放射線の種類はX線、α線、γ線、中性子など多種多様であるが、2種類以上の放射線を検出する放射線検出装置でも良く、その際に本発明の波高弁別閾値を適用するのは、
検出する放射線のうち何れか1種類についてでも良く、2種類以上の放射線についてでも良い。
The target component for counting is an event to be counted, and is not particularly limited. For example, in the case of a neutron detector that can provide a neutron dose rate, an accumulated dose, and the like, a neutron incident event is a target component for counting. There are various types of radiation such as X-rays, α-rays, γ-rays, and neutrons, but a radiation detection device that detects two or more types of radiation may be used, and in that case, the pulse height discrimination threshold of the present invention is applied.
Any one type of radiation to be detected may be used, or two or more types of radiation may be used.
さらに、計数の目的成分とは、放射線の入射事象に限定されるものではなく、紫外線、可視光線、赤外線、マイクロ波などの電磁波を検出する場合にも適用でき、様々な分野への応用が可能である。 Furthermore, the target component for counting is not limited to the incident event of radiation, but can be applied to the detection of electromagnetic waves such as ultraviolet rays, visible rays, infrared rays, and microwaves, and can be applied to various fields. It is.
本発明の計数方法は、計数の目的成分が波高分布スペクトルでピークを示す場合に適用できる。例えば、中性子検出装置について、横軸に波高値をとり、縦軸に各波高値を示した事象の頻度を示した波高分布スペクトルにおいて、中性子を検出した事象が波高分布スペクトルでピークを示せば、当該ピークについてガウス関数をフィッティングして求められる(μ−0.4σ)〜(μ+0.6σ)の範囲から選ばれる任意の値を前記閾値とし、閾値を越えた事象を計数することにより適用できる。中性子を検出した事象が波高分布スペクトルでピークを示さない場合には、本発明の計数方法は適用できない。 The counting method of the present invention can be applied when the target component of counting shows a peak in the wave height distribution spectrum. For example, for a neutron detection device, if the horizontal axis indicates the peak value in the pulse height distribution spectrum and the vertical axis indicates the frequency of the event indicating each peak value, the event in which the neutron is detected shows a peak in the peak height distribution spectrum. An arbitrary value selected from the range of (μ−0.4σ) to (μ + 0.6σ) obtained by fitting a Gaussian function for the peak can be used as the threshold value, and can be applied by counting events exceeding the threshold value. When the event in which neutron is detected does not show a peak in the wave height distribution spectrum, the counting method of the present invention is not applicable.
中性子の検出によってピークを形成できる形態の一例として、特許文献5に記載されたEu:LiCaAlF6結晶(中性子シンチレータ)と光検出器と波高弁別回路を組み合わせる方法がある。
As an example of a form in which a peak can be formed by detecting neutrons, there is a method of combining an Eu: LiCaAlF 6 crystal (neutron scintillator), a photodetector, and a pulse height discriminating circuit described in
波高分布ピークの形状については特に限定されず、およそガウス分布に従った形状であれば問題なく本発明の効果が得られる。後述の方法によりガウス関数をフィッティングして得られるμと、波高分布スペクトルで計数の目的成分が示すピークにおいて、最大の計数を示す波高値Pが一致しているほど高い計数精度が期待できることは統計学的に当然のことであるが、0.9μ≦P≦1.1μの範囲で一致していれば、特に精度の良い計数が可能である。 The shape of the peak distribution peak is not particularly limited, and the effect of the present invention can be obtained without any problem as long as the shape approximately follows a Gaussian distribution. It is statistically possible that a higher counting accuracy can be expected when μ obtained by fitting a Gaussian function by the method described later and the peak value P indicating the maximum count match in the peak indicated by the target component of the count in the pulse height distribution spectrum. As a matter of course, it is possible to perform counting with particularly high accuracy if the values coincide within a range of 0.9 μ ≦ P ≦ 1.1 μm.
なお、前記ピークについてガウス関数をフィッティングする前に、波高分布スペクトルに対してベースライン補正、ピーク分離、スムージング等の処理を予め施しても良い。 Note that before fitting a Gaussian function for the peak, processing such as baseline correction, peak separation, and smoothing may be performed on the wave height distribution spectrum in advance.
本発明の波高弁別閾値を決定するための基準となるμおよびσは、計数の目的成分によって示される波高分布ピークのうち、パイルアップしていない第1ピークについて式(1)のガウス関数をフィッティングすることにより求められる値であり、2個のパルスがパイルアップした第2ピークや3個のパルスがパイルアップした第3ピークについて求められる値とは無関係である。以下に記載するμ、σとは、前記第1ピークについて求められるμ、σのことである。 As the reference for determining the pulse height discrimination threshold of the present invention, μ and σ are fitted to the Gaussian function of Equation (1) for the first peak that is not piled up among the peak distribution peaks indicated by the target component of the count. And is irrelevant to the values obtained for the second peak piled up by two pulses and the third peak piled up by three pulses. The μ and σ described below are μ and σ obtained for the first peak.
ガウス関数をフィッティングする際に用いる波高分布スペクトルのデータ範囲は、波高分布スペクトルで計数の目的成分が示すピークにおいて、最大計数を示す波高値(以下、該波高値をPで表す)を基準として、0.75P〜1.25Pが好適であるが、計数の目的成分とは異なる成分によるノイズの計数がμ、σの解析値に影響する場合には、下限値及び/又は上限値を狭めても良い。逆に、μ、σの解析値に影響するノイズが無ければ、ガウス関数をフィッティングする際に用いるデータ範囲を広げても良い。例えば、ガウス関数をフィッティングする際に用いる波高分布スペクトルのデータ範囲を0.75P〜3Pとしても良い。ここで、第2ピークが現われる場合には、当該第2ピークの計数はフィッティングを行う上ではノイズとなるが、パイルアップによって現われる第2ピークの計数は第1ピークの計数よりも十分に小さいため、当該ノイズがμ、σの解析値に与える影響は限定的である。なお、ガウス関数のフィッティングには最小二乗法を用いることが好ましく、μ、σと併せて最大計数Nに関してもフィッティングする方が好ましい。 The data range of the pulse height distribution spectrum used when fitting the Gaussian function is based on the peak value indicating the maximum count (hereinafter, the peak value is represented by P) at the peak indicated by the target component of the count in the pulse height distribution spectrum. 0.75P to 1.25P is preferable, but if the noise count by a component different from the target component of the count affects the analysis values of μ and σ, the lower limit value and / or the upper limit value may be narrowed. good. On the contrary, if there is no noise affecting the analysis values of μ and σ, the data range used when fitting the Gaussian function may be expanded. For example, the data range of the pulse height distribution spectrum used when fitting a Gaussian function may be set to 0.75P to 3P. Here, when the second peak appears, the count of the second peak becomes noise when performing fitting, but the count of the second peak that appears due to pileup is sufficiently smaller than the count of the first peak. The influence of the noise on the analysis values of μ and σ is limited. Note that the least square method is preferably used for fitting the Gaussian function, and it is more preferable to fit the maximum count N together with μ and σ.
前記説明から理解される通り、本発明の計数方法の本質は、μの近傍に波高弁別閾値を設定することによって、パイルアップによる計数誤差を低減することである。そして、上述のガウス関数をフィッティングして求められる(μ−0.4σ)〜(μ+0.6σ)の範囲から選ばれる任意の値を前記波高弁別閾値とする方法は、μの近傍に適切に波高弁別閾値を設定するための指標を与えるものである。 As understood from the above description, the essence of the counting method of the present invention is to reduce the counting error due to pileup by setting the pulse height discrimination threshold in the vicinity of μ. Then, the method of using an arbitrary value selected from the range of (μ−0.4σ) to (μ + 0.6σ) obtained by fitting the above-mentioned Gaussian function as an appropriate value in the vicinity of μ An index for setting the discrimination threshold is given.
本発明において、波高弁別閾値を設定するための回路の簡略化や解析時間の短縮等を目的として、ガウス関数をフィッティングする方法による解析を行わなくとも、例えば、以下に記載した方法によっても本発明に準ずる波高弁別閾値を決定できる。 In the present invention, for the purpose of simplifying the circuit for setting the pulse height discrimination threshold, shortening the analysis time, etc., the present invention can also be performed by the method described below, for example, without performing analysis by a method of fitting a Gaussian function. The wave height discrimination threshold according to the above can be determined.
なお、以下に記載した方法によって決定されたいずれの波高弁別閾値も、ガウス関数をフィッティングすれば、該フィッティングから求められる(μ−0.4σ)〜(μ+0.6σ)の範囲に包含される。 Note that any wave height discrimination threshold determined by the method described below is included in the range of (μ−0.4σ) to (μ + 0.6σ) obtained from the fitting if a Gaussian function is fitted.
第1のガウス関数をフィッティングする方法による解析を必要としない波高弁別閾値の決定方法は、波高値Pにおいて最大計数N’を示す波高分布ピークについて、下記式(2)によって求められる計数nに最も近い計数を示す波高値を波高弁別閾値とする方法である。 The determination method of the pulse height discrimination threshold that does not require analysis by the method of fitting the first Gaussian function is the highest in the count n obtained by the following formula (2) for the peak distribution peak indicating the maximum count N ′ at the peak value P. In this method, a peak value indicating a close count is used as a peak discrimination threshold.
第2のガウス関数をフィッティングする方法による解析を必要としない波高弁別閾値の決定方法は、標準偏差σに代わって、半値幅FWHMを基準として波高弁別閾値を決定する方法である。ガウス分布において、μと波高値Pは同じであり、標準偏差σと半値幅FWHMの間には下記式(3)の関係がある。 A method for determining the pulse height discrimination threshold that does not require analysis by the method of fitting the second Gaussian function is a method for determining the pulse height discrimination threshold based on the half-value width FWHM instead of the standard deviation σ. In the Gaussian distribution, μ and the crest value P are the same, and the relationship of the following formula (3) exists between the standard deviation σ and the half-value width FWHM.
第3のガウスフィッティングによる解析を必要としない波高弁別閾値の決定方法は、波高分布ピークの最大計数を示す波高値Pを波高分布スペクトルの見た目から判断して、該波高値P付近の波高値を波高弁別閾値とする方法である。 The determination method of the pulse height discrimination threshold that does not require analysis by the third Gaussian fitting is to determine the peak value P indicating the maximum count of the peak distribution peak from the appearance of the peak distribution spectrum, and to determine the peak value near the peak value P. This is a method for setting a pulse height discrimination threshold.
以上、第1〜第3のガウスフィッティングによる解析を必要としない波高弁別閾値の決定方法を例示したが、これらとも異なる方法によって波高弁別閾値を決定しても良く、何らかの方法により決定した波高弁別閾値が、ガウスフィッティングにより解析した(μ−0.4σ)〜(μ+0.6σ)の範囲に包含されていれば、本発明の効果が発揮される。 As mentioned above, although the determination method of the wave height discrimination threshold which does not require the analysis by the 1st-3rd Gaussian fitting was illustrated, the wave height discrimination threshold may be determined by a method different from these, and the wave height discrimination threshold determined by some method Is included in the range of (μ−0.4σ) to (μ + 0.6σ) analyzed by Gaussian fitting, the effect of the present invention is exhibited.
本発明の計数方法において、計数の目的成分よりも高波高値側のノイズを除去する目的で、本発明の波高弁別閾値(TA)と併せて、高波高値側に他の波高弁別閾値(TB)を設けて、TA以上かつTB以下のパルスを計数しても良い。その場合、第2ピークおよび第3ピークの計数をロスさせないための閾値TBは、好ましくは3μ以上であり、さらに好ましくは5μ以上である。また、第1目的成分を計数するための波高弁別閾値を設定すると共に、第2目的成分を計数するための波高弁別閾値を別に設定しても良い。 In the counting method of the present invention, for the purpose of removing noise on the higher peak side than the target component of counting, in addition to the peak discrimination threshold (T A ) of the present invention, another peak discrimination threshold (T B ) may be provided to count the following pulse T a and not more than T B. In that case, the threshold value T B for preventing the loss of counts of the second peak and the third peak is preferably not less than 3.mu., more preferably not less than 5 [mu]. In addition, a pulse height discrimination threshold for counting the first target component may be set, and a pulse height discrimination threshold for counting the second target component may be set separately.
本発明によれば、(μ−0.4σ)〜(μ+0.6σ)の範囲から選ばれる任意の値を波高弁別閾値として設定することにより、パイルアップによる計数精度の低下を抑えることができる。図10に示したパイルアップによる計数誤差の実測値によれば、当該波高弁別閾値を超えたパルス信号を計数する場合、パイルアップによって生じる計数誤差をおよそ±10%以下に抑えることができ、斯様な計数誤差であればほとんどの用途において、精度の高い計測を実現できる。 According to the present invention, by setting an arbitrary value selected from the range of (μ−0.4σ) to (μ + 0.6σ) as the wave height discrimination threshold, it is possible to suppress a decrease in counting accuracy due to pileup. According to the measured value of the counting error due to pileup shown in FIG. 10, when counting pulse signals that exceed the pulse height discrimination threshold, the counting error caused by pileup can be suppressed to about ± 10% or less. With such counting errors, highly accurate measurement can be realized in most applications.
ただし、パイルアップの頻度や前記パイルアップによる波高値の小値化の程度によっては±10%を超える誤差を生じる可能性もあるが、図9を用いて説明した理論によれば、本発明の範囲を逸脱した波高弁別閾値とする場合に較べて格段に優れた計数精度が実現できる。図10に示したパイルアップによる計数誤差の実測値によれば、波高弁別閾値を(μ+0.3σ)より低い波高値とする場合、波高弁別閾値を低くするほどパイルアップによる計数ロスが影響してマイナス側に計数誤差が拡大しやすく、波高弁別閾値を(μ+0.3σ)より高い波高値とする場合、波高弁別閾値を高くするほど第2ピークや第3ピークの計数増が影響してプラス側に計数誤差が拡大しやすい。 However, there is a possibility that an error exceeding ± 10% may occur depending on the frequency of pile-up and the degree of peak value reduction by the pile-up, but according to the theory described with reference to FIG. Compared with the case where the pulse height discriminating threshold deviates from the range, it is possible to realize much superior counting accuracy. According to the measured value of the counting error due to pileup shown in FIG. 10, when the wave height discrimination threshold is set to a value lower than (μ + 0.3σ), the counting loss due to pileup has an effect as the wave height discrimination threshold is lowered. If the counting error is easy to expand on the minus side and the wave height discrimination threshold is higher than (μ + 0.3σ), the higher the wave height discriminating threshold, the more the second peak and the third peak increase, and the positive side. The counting error tends to increase.
より好ましい波高弁別閾値は(μ+0.0σ)〜(μ+0.5σ)の範囲から選ばれる任意の値であり、さらに好ましい波高弁別閾値は(μ+0.2σ)〜(μ+0.4σ)の範囲から選ばれる任意の値であり、それぞれ約±5%、±3%の計数誤差に抑えられる。 The more preferable pulse height discrimination threshold is an arbitrary value selected from the range of (μ + 0.0σ) to (μ + 0.5σ), and the more preferable pulse height discrimination threshold is selected from the range of (μ + 0.2σ) to (μ + 0.4σ). It is an arbitrary value and can be suppressed to a count error of about ± 5% and ± 3%, respectively.
本発明の計数方法は、シンチレータ3と光検出器4と波高弁別回路2を組み合わせた放射線検出装置において好適に採用できる。
The counting method of the present invention can be suitably employed in a radiation detection apparatus in which the
本発明は、シンチレータ3と光検出器4と波高弁別回路2を組み合わせて用いる放射線検出装置であって、前記波高弁別回路2は、前記光検出器4の信号を増幅する増幅器と、前記増幅器のアナログ信号出力をデジタル信号に変換するAD変換器と、前記AD変換器のデジタル信号出力を信号処理するデジタルデータ処理装置と、を備える波高弁別回路であって、当該波高弁別回路において前記計数方法により信号処理する放射線検出装置を提供する。
The present invention is a radiation detection apparatus using a combination of a
前記波高弁別回路2としては、特許文献2や特許文献3に記載されたように、前記光検出器の信号を増幅する増幅器と、前記増幅器のアナログ信号出力をデジタル信号に変換するAD変換器と、前記AD変換器のデジタル信号出力を信号処理するデジタルデータ処理装置と、を備えるものが好ましい。デジタルデータ処理によってパルス信号を読み取る波高弁別回路であれば、アナログデータ処理によってパルス信号を読み取る波高弁別回路に較べて、前記パイルアップによる波高値の小値化を軽減するための回路構成を低コストで実現できると共に、波高値の補正処理などが容易に可能となる。パイルアップによる波高値の小値化を軽減することによって、本発明の効果をより高い確度で得ることができる。
As the wave
本発明において、前記デジタルデータ処理装置には、所定の時間間隔で波高分布スペクトルを作成し、作成した波高分布スペクトルにおいて計数の目的成分が示すピークについてガウス関数をフィッティングし、求められたμおよびσを基準とした波高弁別閾値を逐次設定する機能を実装することが好ましい。かかる機能を実装することによって、前記パイルアップによる波高値の小値化に追従して波高弁別閾値を自動更新することができ、該小値化に起因する計数誤差の増大を防ぐことができる。 In the present invention, the digital data processing device creates a wave height distribution spectrum at a predetermined time interval, fits a Gaussian function to a peak indicated by a target component of counting in the created wave height distribution spectrum, and obtains μ and σ It is preferable to implement a function for sequentially setting a pulse height discrimination threshold with reference to. By implementing such a function, the peak discrimination threshold can be automatically updated following the reduction of the peak value by the pile-up, and an increase in counting error due to the reduction of the peak value can be prevented.
なお、パイルアップによる波高値の小値化が小さい波高弁別回路を用いる場合であれば、ガウス関数をフィッティングする機能や波高弁別閾値を逐次設定する機能を実装せず、本発明に準ずる波高弁別閾値を予め解析し、計数の開始から終了まで該波高弁別閾値に基づいて計数しても良い。 In addition, when using a pulse height discriminating circuit in which the peak value is reduced by pileup, a function for fitting a Gaussian function and a function for sequentially setting a pulse height discrimination threshold are not implemented, and a pulse height discrimination threshold according to the present invention is not implemented. May be analyzed in advance and counted based on the pulse height discrimination threshold from the start to the end of counting.
増幅器は、前置増幅器(プリアンプ)や波形整形増幅器(シェイピングアンプ)などが適用でき、これらの組合せであっても良い。また、微分回路を組み合せた回路構成であっても良い。特許文献2や特許文献3に記載された回路構成の他には、特許文献6や特許文献7に記載された回路構成なども好適である。
As the amplifier, a preamplifier (preamplifier), a waveform shaping amplifier (shaping amplifier), or the like can be applied, and a combination thereof may be used. Further, a circuit configuration in which a differential circuit is combined may be used. In addition to the circuit configurations described in
シンチレータ3は、Eu、Ce、Tl、Na等の賦活剤を含むLiCaAlF6結晶、LiSrAlF6結晶、LiF/CaF2共晶体、LiF/SaF2共晶体、NaI結晶、Bi4Ge3O12結晶、Gd3Al2Ga3O12結晶、CeF3結晶等の無機シンチレータ、また、アントラセン、スチルベン、ジフェニルオキサゾール等の有機蛍光体からなる有機シンチレータ、また、前記有機蛍光体を含有するポリスチレン、ポリビニルトルエン、ポリエチレンテレフタレート等のプラスチックシンチレータ、また、前記有機蛍光体を含有するトルエン、キシレン等の液体シンチレータ、また、ヘリウム、アルゴン、キセノン、クリプトン等の気体シンチレータ等を用途に応じて何ら制限なく用いることができる。
The
本発明において、シンチレータ3がLiCaxSr1−xAlF6結晶(xは0〜1)であることが好ましい。具体的には、EuやCeなどの添加物を賦活剤として含む、LiCaAlF6結晶やLiSrAlF6結晶を好適に用いることができる。これらのシンチレータ結晶は中性子シンチレータであり、当該シンチレータ結晶に含まれるLi−6は、中性子と反応してα線及びトリチウムを生じ、当該α線及びトリチウムによってシンチレータ結晶に4.8MeVのエネルギーを与える。そして、当該シンチレータ結晶に含まれる賦活剤によって、与えられたエネルギーに相当する光が発せられる。該LiCaAlF6結晶や該LiSrAlF6結晶は、中性子を検出した事象によって、0.95μ≦P≦1.05μの精度でガウス分布と一致するピークを示すことができるため、本発明の放射線検出装置に用いるシンチレータとして特に好適である。
In the present invention, the
本発明の実施例で用いたEu:LiCaAlF6結晶等の、Euを賦活剤として含むLiCaxSr1−xAlF6結晶は、特に発光量が高く、信号/雑音比の高い計測が可能なため本発明に好適に用いることができる。なお、該Euを賦活剤として含むLiCaxSr1−xAlF6結晶は、蛍光寿命が1.6μsecであり、一般的なシンチレータ材料の中では蛍光寿命が長いため、パイルアップを生じやすいが、本発明の計数方法を適用することによって、パイルアップを生じても精度良く計数することが可能となる。 The LiCa x Sr 1-x AlF 6 crystal containing Eu as an activator, such as the Eu: LiCaAlF 6 crystal used in the examples of the present invention, has a particularly high light emission amount and can be measured with a high signal / noise ratio. It can use suitably for this invention. In addition, LiCa x Sr 1-x AlF 6 crystal containing Eu as an activator has a fluorescence lifetime of 1.6 μsec, and in a general scintillator material, it has a long fluorescence lifetime, so that pileup is likely to occur. By applying the counting method of the present invention, it is possible to accurately count even if pileup occurs.
一方、Ceを賦活剤として含むLiCaxSr1−xAlF6結晶は、特に蛍光寿命が数十nsecと短いため本発明に好適に用いることができる。当該Ce:LiCaAlF6結晶やCe:LiSrAlF6結晶等のCeを賦活剤として含むLiCaxSr1−xAlF6結晶は、本来蛍光寿命が短く、パイルアップを起こしにくいため、本発明の計数方法を適用すれば極めて高い計数率での計測を実現できる。 On the other hand, a LiCa x Sr 1-x AlF 6 crystal containing Ce as an activator can be suitably used in the present invention because of its particularly short fluorescence lifetime of several tens of nsec. Since the LiCa x Sr 1-x AlF 6 crystal containing Ce as an activator, such as Ce: LiCaAlF 6 crystal and Ce: LiSrAlF 6 crystal, originally has a short fluorescence lifetime and hardly causes pile-up, the counting method of the present invention is used. If applied, measurement at an extremely high counting rate can be realized.
Li−6を含む中性子シンチレータの中性子感度の調整は、シンチレータサイズの調整、及びLi−6同位体比の調整によって可能である。Liの安定な同位体であるLi−6、Li−7の比を調整したものとしては、Li−6を濃縮したもの、天然比のもの、Li−7を濃縮したものがあり、Li−6同位体比が高いほど中性子感度が高くなる。また、これらの混合によって中性子感度を調整しても良い。上記のようにして中性子感度を調整することによって、計数の対象とする線量率に応じた放射線検出装置を提供できる。 The neutron sensitivity of the neutron scintillator containing Li-6 can be adjusted by adjusting the scintillator size and adjusting the Li-6 isotope ratio. Li-6, Li-7, which is a stable isotope of Li, has a ratio adjusted, Li-6 is concentrated, natural ratio, Li-7 is concentrated, Li-6 The higher the isotope ratio, the higher the neutron sensitivity. Moreover, you may adjust neutron sensitivity by mixing these. By adjusting the neutron sensitivity as described above, it is possible to provide a radiation detection apparatus corresponding to the dose rate to be counted.
本発明において、シンチレータ3の光を光検出器4まで伝搬する手段は特に限定されず、シンチレータ3と光検出器4を図4(b)に示したように直接的に接続しても良く、図12に示したように光ファイバ5などのライトガイドを用いて間接的に接続しても良い。シンチレータ3と光検出器4を直接的に接続する場合には、光検出器4をシンチレータ3と共に放射線場へ曝すことになるため、光検出器4に放射線が入射することにより観測されるノイズの影響で計数精度が低下したり、光検出器4が故障したりする可能性がある。そのため、高線量率環境下で放射線を計数する場合には、計数の対象とする高線量率環境下にシンチレータ3を設置し、光検出器4を充分に線量率が低い遠方に設置し、該シンチレータ3と光検出器4を光ファイバ5などのライトガイドを用いて間接的に接続することが好ましい。
In the present invention, the means for propagating the light of the
高線量率となる放射線場としてはがんの放射線治療装置が挙げられ、中でも、ホウ素中性子捕捉療法(BNCT)用の放射線治療装置では、中性子線量率が1×109n/cm2/sec程度と非常に高くなることが知られている。従来は、原子炉中性子を利用したBNCT治療が行われていたが、近年では、サイクロトロン加速器や静電加速器によっても高線量率の中性子が得られるようになっており、病院にも設置可能な加速器BNCT治療装置が開発されている。 Examples of radiation fields with high dose rates include cancer radiotherapy devices. Among them, neutron dose rates are about 1 × 10 9 n / cm 2 / sec in a radiotherapy device for boron neutron capture therapy (BNCT). And is known to be very expensive. Conventionally, BNCT treatment using nuclear reactor neutrons has been performed, but in recent years, high dose rate neutrons can be obtained by cyclotron accelerators and electrostatic accelerators, and accelerators that can be installed in hospitals. BNCT treatment devices have been developed.
本発明の計数方法および放射線検出装置は、様々な放射線場で好適に利用可能であり、前記加速器中性子の検出に特に適している。特に、非常に高い中性子線量率となるホウ素中性子捕捉療法用の中性子の検出に適している。 The counting method and radiation detection apparatus of the present invention can be suitably used in various radiation fields, and are particularly suitable for the detection of the accelerator neutrons. In particular, it is suitable for the detection of neutrons for boron neutron capture therapy with a very high neutron dose rate.
ホウ素中性子捕捉療法用の中性子を検出する場合において、本発明を実施する最良の形態は、中性子シンチレータ3と光検出器4と波高弁別回路2を組み合わせた放射線検出装置であって、中性子シンチレータ3としてEu:LiCaAlF6結晶、Ce:LiCaAlF6結晶、Eu:LiSrAlF6結晶、Ce:LiSrAlF6結晶の何れかを用い、当該中性子シンチレータ3と光検出器4の間を光ファイバ5によって接続して成るものである。
In the case of detecting neutrons for boron neutron capture therapy, the best mode for carrying out the present invention is a radiation detection apparatus that combines a
かかる態様において、中性子シンチレータ3から光ファイバ5への光の伝搬効率を高めるため、中性子シンチレータ3と光ファイバ5の先端を光学接着することが好ましい。光学接着する方法は特に制限されないが、シンチレータ3の発光波長における透過率が良く、且つ、耐放射線性が良い有機接着剤や無機接着剤を用いる方法、又は、光ファイバ5の先端部を一時的に融解させてシンチレータ3を融着する方法が好ましい。また、中性子シンチレータ3から光ファイバ5への集光効率を高めるため、中性子シンチレータ3の周囲を反射材で覆うことが好ましい。反射材は特に制限されないが、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、酸化チタン、硫酸バリウムなどの白色物質が好ましい。なお、光ファイバ5は石英ファイバ、プラスチックファイバなどを用いることができ、開口数(NA)が大きく、伝送損失が小さいものが好ましい。具体的には、NA0.45以上、伝送損失200dB/km以下が好ましい。NAが大きく、伝送損失が小さいものを用いることによって、光検出器4まで十分な光量を伝搬させることができれば、中性子を検出した事象によって、0.95μ≦P≦1.05μの精度でガウス分布と一致するピークが形成されるため、特に好ましい。
In such an aspect, it is preferable to optically bond the
前記の形態であれば、光検出器4を高線量率環境下に配置する必要がなく、波高分布スペクトルにおいて、シンチレータ3が中性子を検出した事象として認められるピークを形成することが可能である。また、当該ピークについて、ガウス関数をフィッティングして求められる(μ−0.4σ)〜(μ+0.6σ)の範囲から選ばれる任意の値を波高弁別閾値とし、当該波高弁別閾値を超えた事象を計数すれば、パイルアップによる計数精度の低下が小さく、低線量率から高線量率まで広い範囲にわたって精度良く中性子を計数可能な放射線検出装置を提供できる。
If it is the said form, it is not necessary to arrange | position the
以下、具体的な実験例を挙げて本発明の実施態様をより詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with specific experimental examples, but the present invention is not limited thereto.
実施例1
まず、中性子シンチレータ3と光電子増倍管4と波高弁別回路2を組み合わせた中性子検出装置を下記の通り製作した。製作した中性子検出装置は図12に概略図を示すものである。
Example 1
First, a neutron detection device combining the
中性子シンチレータ3は、Li−6同位体比を95%に濃縮したLi原料を用いて製造されたEu:LiCaAlF6結晶を用いた。0.6mm×0.6mm×0.6mmに加工したEu:LiCaAlF6結晶を、コア径φ1mm・長さ10mの石英光ファイバ5の先端(逆端を後端とする)へエポキシ接着剤を用いて光学接着した。石英光ファイバ5は、NAが0.48であり、Eu:LiCaAlF6結晶の発光波長(370nm)における伝送損失が100dB/kmのものを用いた。なお、Eu:LiCaAlF6結晶3と石英光ファイバ5との光学接着面は、それぞれ光学研磨を施した。さらに、Eu:LiCaAlF6結晶3を硫酸バリウムからなる反射材で覆うことにより光ファイバへの集光効率改善を図り、光ファイバ5を遮光材料で被覆することにより室内光が入射しないようにした。
As the
Eu:LiCaAlF6結晶3を接着した石英光ファイバ5の後端を光電子増倍管4へ光学的に接続した。光電子増倍管4は波高弁別回路2へ電気的に接続した。
The rear end of the quartz
波高弁別回路2は、光電子増倍管の信号を増幅する増幅器と、増幅器のアナログ信号出力をデジタル信号に変換するAD変換器と、AD変換器のデジタル信号出力を信号処理するデジタルデータ処理装置と、デジタルデータ処理の結果を表示する表示装置と、を備えるものを用いた。
The wave
表示装置は、コンピュータとソフトウェア、モニタを備えるものを用いた。モニタには、波高分布スペクトルや波高弁別閾値を超えたパルスの計数値などを表示できるようにした。 A display device including a computer, software, and a monitor was used. The monitor can display the wave height distribution spectrum and the count value of pulses exceeding the wave height discrimination threshold.
なお、前記デジタルデータ処理装置には、10秒毎に波高分布スペクトルを作成し、作成した波高分布スペクトルにおいて計数の目的成分が示すピークについてガウス関数をフィッティングし、求められたμおよびσを基準とした波高弁別閾値を逐次設定する機能を実装した。本実施例では、パイルアップの頻度が高まるに連れ波高分布ピークが徐々に低波高値側へシフトし、パイルアップの頻度が最も多い状況では、パイルアップの頻度が最も少ない状況に対してμが約14%低下したが、波高弁別閾値はその時点でのピーク位置に合わせて自動更新されるため、波高値の小値化による計数ロスは軽微であった。 The digital data processing device creates a wave height distribution spectrum every 10 seconds, fits a Gaussian function to the peak indicated by the target component of the count in the created wave height distribution spectrum, and uses the obtained μ and σ as references. Implemented the function to set the peak height discrimination threshold sequentially. In this example, as the pile-up frequency increases, the peak height distribution peak gradually shifts to the low peak value side, and in the situation where the pile-up frequency is the highest, μ is smaller than the situation where the pile-up frequency is the lowest. Although it decreased by about 14%, the wave height discrimination threshold is automatically updated according to the peak position at that time, so the count loss due to the decrease in the wave height value was slight.
次に、製作した中性子検出装置を用いて、下記に記載した方法の通り、加速器中性子を計数し、パイルアップが計数値に与えた誤差を解析した。 Next, using the manufactured neutron detector, accelerator neutrons were counted according to the method described below, and the error that pileup gave to the count value was analyzed.
静電加速器を用いた中性子発生装置の中性子照射口付近に、中性子減速材としてポリエチレンブロックを配置し、当該ポリエチレンブロックに設けた挿入孔へEu:LiCaAlF6結晶3を接着した石英光ファイバ5の先端を挿入して固定した。光電子増倍管4および波高弁別回路2は、石英光ファイバ5を伸ばすことにより、中性子照射口から遠ざけて配置した。
A tip of a quartz
静電加速器によって中性子を発生させ、中性子検出装置によって当該中性子を検出した。検出した中性子のパルスを解析し、波高弁別閾値を超えたパルスを1秒毎に計数して単位時間あたりの中性子計数率[cps]を得た。実施例1における波高弁別閾値は、(μ+0.3σ)とした。なお、得られた中性子計数率[cps]に中性子線量率へ換算するための係数を乗じることにより、中性子線量率[n/cm2/sec]を求めることができる。該加速器の最大出力における該検出素子を配置させた環境の中性子線量率は、約1×107n/cm2/secであった。 Neutrons were generated by an electrostatic accelerator, and the neutrons were detected by a neutron detector. The detected pulses of neutrons were analyzed, and pulses exceeding the pulse height discrimination threshold were counted every second to obtain a neutron count rate [cps] per unit time. The pulse height discrimination threshold in Example 1 was (μ + 0.3σ). The neutron dose rate [n / cm 2 / sec] can be obtained by multiplying the obtained neutron count rate [cps] by a coefficient for conversion to a neutron dose rate. The neutron dose rate in the environment in which the detection element was arranged at the maximum output of the accelerator was about 1 × 10 7 n / cm 2 / sec.
実施例1において得られた計数率[cps]の経時変化を図13に示す(左縦軸)。図13には、加速器の電流値[μA]も併せて示しており(右縦軸)、当該電流値は、実施例1における加速器出力の履歴を現わしている。図13の右縦軸スケールは、6kcps以下を示している部分の中性子計数率について、加速器電流値が中性子計数率とグラフ上で重なるように調整している。なお、加速器電流値が最も低い約5μAの際の波高分布スペクトルは、図2のようにパイルアップが少ないものであり、約45μA、約380μAの際の波高分布スペクトルはそれぞれ図1、図3のようなものであり、加速器電流値が高いほど、即ち中性子線量率が高いほどパイルアップの頻度が増えることがわかる。 FIG. 13 shows the change over time in the count rate [cps] obtained in Example 1 (left vertical axis). FIG. 13 also shows the current value [μA] of the accelerator (right vertical axis), and the current value represents the history of the accelerator output in the first embodiment. The right vertical scale in FIG. 13 is adjusted so that the accelerator current value overlaps the neutron count rate on the graph for the neutron count rate of the portion showing 6 kcps or less. The pulse height distribution spectrum when the accelerator current value is about 5 μA is the lowest, as shown in FIG. 2, and the pulse height distribution spectra when the accelerator current value is about 45 μA and about 380 μA are shown in FIGS. 1 and 3, respectively. It can be seen that the higher the accelerator current value, that is, the higher the neutron dose rate, the higher the pileup frequency.
図13のデータについて、加速器電流値が安定している期間毎に、加速器電流値と中性子計数率の平均値を算出して比較したグラフを図14に示す。図14の回帰直線は、中性子計数率が低くパイルアップの影響が小さい部分(約1kcps〜5kcpsの4点)から求めたものである。回帰直線から期待される中性子計数率に対する実際に得られた中性子計数率の誤差は、表1に示した通りであり、最大で−2.1%の誤差しかなく良好な結果だった。 FIG. 14 shows a graph in which the average values of the accelerator current value and the neutron count rate are calculated and compared for each period in which the accelerator current value is stable for the data in FIG. The regression line in FIG. 14 is obtained from a portion (four points of about 1 kcps to 5 kcps) where the neutron count rate is low and the influence of pileup is small. The error of the neutron count rate actually obtained with respect to the neutron count rate expected from the regression line is as shown in Table 1, and it was a good result with an error of -2.1% at the maximum.
実施例1と同一の中性子検出装置を用いて、波高弁別閾値を(μ−1.0σ)とした以外は、実施例1と同様にして加速器中性子を計数した。
Using the same neutron detector as in Example 1, accelerator neutrons were counted in the same manner as in Example 1 except that the pulse height discrimination threshold was (μ-1.0σ).
比較例1において得られた中性子計数率および加速器電流値について、実施例1と同様の方法で解析した結果を図15および図16に示す。図15において、中性子計数率が40kcpsを超えた部分では、中性子計数率が加速器電流値と較べて顕著に低くなっているが、これはパイルアップによって計数ロスが生じた結果を示すものである。各加速器電流値における中性子計数率の回帰直線との差は、表1に示した通りであり、−10%を超える計数誤差を生じていた。 15 and 16 show the results of analyzing the neutron count rate and the accelerator current value obtained in Comparative Example 1 by the same method as in Example 1. FIG. In FIG. 15, in the part where the neutron count rate exceeds 40 kcps, the neutron count rate is significantly lower than the accelerator current value. This shows the result of counting loss caused by pileup. The difference between the neutron count rate and the regression line at each accelerator current value is as shown in Table 1 and produced a counting error exceeding -10%.
比較例2
実施例1と同一の中性子検出装置を用いて、波高弁別閾値を(μ+0.7σ)とした以外は、実施例1と同様にして加速器中性子を計数した。
Comparative Example 2
Using the same neutron detector as in Example 1, accelerator neutrons were counted in the same manner as in Example 1 except that the pulse height discrimination threshold was (μ + 0.7σ).
比較例2において得られた中性子計数率および加速器電流値について、実施例1と同様の方法で解析した結果を図17および図18に示す。図17において、中性子計数率が15kcpsを超えた部分では、中性子計数率が加速器電流値と較べて顕著に高くなっているが、これはパイルアップによる第2ピークや第3ピークの計数増が影響した結果を示すものである。各加速器電流値における中性子計数率の回帰直線との差は、表1に示した通りであり、+10%を超える計数誤差を生じていた。 FIG. 17 and FIG. 18 show the results of analyzing the neutron count rate and the accelerator current value obtained in Comparative Example 2 by the same method as in Example 1. FIG. In FIG. 17, in the part where the neutron count rate exceeds 15 kcps, the neutron count rate is remarkably higher than the accelerator current value. This is affected by the increase in the counts of the second peak and the third peak due to pileup. The results are shown. The difference between the neutron count rate and the regression line at each accelerator current value is as shown in Table 1 and caused a counting error exceeding + 10%.
以上の実施例では、パイルアップの頻度が高くなる高計数率条件下においても、本発明の計数方法を採用することによって、パイルアップによる計数精度の低下を抑えることが可能である結果を示した。Li−6同位体比を天然比とし、サイズを0.3mm×0.3mm×0.2mmへ小型化したEu:LiCaAlF6結晶を中性子シンチレータ3として用いれば、本実施例で製作した中性子検出装置の1/100以下の中性子感度とできるため、該Eu:LiCaAlF6結晶を用いた中性子検出装置であれば、BNCT治療における中性子線量率1×109n/cm2/secにおいても精度良く中性子の計数が可能である。
In the above examples, it was shown that it was possible to suppress a decrease in counting accuracy due to pile-up by adopting the counting method of the present invention even under high count rate conditions where the frequency of pile-up was high. . If a Eu: LiCaAlF 6 crystal having a Li-6 isotope ratio of natural ratio and reduced in size to 0.3 mm × 0.3 mm × 0.2 mm is used as the
1:放射線検出素子
2:波高弁別回路
3:シンチレータ
4:光検出器
5:光ファイバ
1: Radiation detection element 2: Wave height discrimination circuit 3: Scintillator 4: Photodetector 5: Optical fiber
Claims (5)
計数の目的成分が波高分布スペクトルでピークを示す場合において、
前記ピークについてガウス関数をフィッティングして求められる(μ−0.4σ)〜(μ+0.6σ)の範囲から選ばれる任意の値を前記波高弁別閾値とする計数方法。 A method of setting a pulse height discrimination threshold and counting the frequency of signals exceeding the pulse height discrimination threshold,
When the target component of the count shows a peak in the wave height distribution spectrum,
A counting method in which an arbitrary value selected from the range of (μ−0.4σ) to (μ + 0.6σ) obtained by fitting a Gaussian function for the peak is used as the pulse height discrimination threshold.
前記波高弁別回路は、
前記光検出器の信号を増幅する増幅器と、
前記増幅器のアナログ信号出力をデジタル信号に変換するAD変換器と、
前記AD変換器のデジタル信号出力を信号処理するデジタルデータ処理装置と、
を備える波高弁別回路であって、
当該波高弁別回路において請求項1記載の計数方法により信号処理する放射線検出装置。 A radiation detection device using a combination of a scintillator, a photodetector, and a wave height discrimination circuit,
The wave height discrimination circuit is:
An amplifier for amplifying the signal of the photodetector;
An AD converter for converting the analog signal output of the amplifier into a digital signal;
A digital data processing device that performs signal processing on the digital signal output of the AD converter;
A wave height discrimination circuit comprising:
The radiation detection apparatus which processes a signal by the counting method of Claim 1 in the said wave height discrimination circuit.
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