JP2019152528A - 電流測定装置及び放射線検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】積分コンデンサに蓄積された積分電荷の放電直後の電流測定値を適切に補正することにより、測定値の誤差を低減させた電流測定装置及び放射線検出装置を提供する。【解決手段】電荷積分手段１１と、積分電圧信号の時間変化率に基づいて被測定電流を算出する電流測定手１２段と、積分電圧信号が基準電圧に達した時に積分コンデンサを放電させるポンピング手段１３と、を備えた電流測定装置において、値が既知である被測定電流と、この被測定電流を電荷積分手段１１に入力した時の電流測定手段１２による電流測定値と、の誤差を、ポンピング手段１３による積分コンデンサの放電直後から測定して前記誤差に近似した電荷リセット補償関数（合成補償関数）を生成する補償関数作成手段（合成手段１４）と、電荷リセット補償関数により電流測定値を補正して前記誤差を除去した電流測定値を算出する測定値補正手段１５と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、電離箱式放射線検出装置における電離電流等の微小電流を測定する電流測定装置、及び、この電流測定装置を用いた放射線検出装置に関する。

図５は、電離箱式放射線検出器に適用される電流測定装置の従来技術であり、特許文献１に記載されているものである。
電流測定装置１は、入力端子２から入力される被測定電流（電離電流）Ｉ_ｉｎを積分する電荷積分回路３を備え、その出力信号（積分電圧信号）Ｖ_ｏは低レンジ側電流測定部４及び高レンジ側電流測定部５に入力されている。これらの電流測定部４，５により算出された測定値Ｉ_ｍＬ，Ｉ_ｍＨは、測定値決定部６に入力されて最終的な電流測定値Ｉ_ｍが決定される。
電荷積分回路３の入力側には、積分コンデンサに蓄積された電荷を放電させるポンピング回路７が接続され、このポンピング回路７には高レンジ側電流測定部５からのパルス信号Ｐ_１が入力されている。

図６は、図５に示した電流測定装置１の詳細な構成図である。
電荷積分回路３はオペアンプ３１と積分コンデンサ３２とを備え、オペアンプ３１から出力された積分電圧信号Ｖ_ｏは低レンジ側電流測定部４のＡ／Ｄ変換回路４１によりディジタル信号Ｖ_ｏｄに変換され、低レンジ側測定値演算部４２ａ及び高レンジ側測定値演算部４２ｂからなる演算処理回路４２に入力される。

また、積分電圧信号Ｖ_ｏは、高レンジ側電流測定部５内の電圧比較回路５１に入力され、基準電圧Ｖ_１との比較結果に応じて比較信号Ｓ_ｃが出力される。この比較信号Ｓ_ｃは、単安定マルチバイブレータからなるパルス信号生成回路５２に入力され、その出力であるパルス信号Ｐ_１がカウンタ回路５３及び前記ポンピング回路７に入力されている。
カウンタ回路５３は、逐次入力されるパルス信号Ｐ_１の周期、すなわち積分電圧信号Ｖ_ｏの周期Ｔに相当するカウント値Ｎを計数し、低レンジ側電流測定部４内の高レンジ側測定値演算部４２ｂに出力する。
なお、図７は、高レンジ側電流測定部５を構成する各部の動作を、被測定電流Ｉ_ｉｎ及び積分電圧信号Ｖ_ｏと共に示したものである。

前述したように、パルス信号Ｐ_１は、コンデンサ７１，抵抗７３及びダイオード７２からなるポンピング回路７に入力され、ポンピング回路７の出力が電荷積分回路３内のオペアンプ３１の反転入力端子に加えられている。

演算処理回路４２の低レンジ側測定値演算部４２ａは、Ａ／Ｄ変換回路４１のサンプリング周期と等しい周期（例えば１［ｓ］）でタイマ割込処理を行い、積分電圧信号Ｖ_ｏのディジタル信号Ｖ_ｏｄの変化率に換算係数を乗算して低レンジ側電流測定値Ｉ_ｍＬを算出する。
一方、高レンジ側測定値演算部４２ｂは、所定周期（例えば１２５［ｍｓ］）のタイマ割込処理によってカウンタ回路５３から取り込んだ周期Ｔに基づき積分電圧信号Ｖ_ｏの周波数を求め、この周波数に換算係数を乗算して高レンジ側電流測定値Ｉ_ｍＨを算出する。
図８（ａ）は、低レンジ側測定値演算部４２ａにより演算される被測定電流Ｉ_ｉｎ（Ｉ_ｍＬ）と積分電圧信号Ｖ_ｏの時間変化率との関係を示し、図８（ｂ）は、高レンジ側測定値演算部４２ｂにより演算される被測定電流Ｉ_ｉｎ（Ｉ_ｍＨ）と積分電圧信号Ｖ_ｏの周波数との関係を示している。

図５の測定値決定部６は、高レンジ側電流測定部５により所望の出力要求タイミングに応じて高レンジ側電流測定値Ｉ_ｍＨを算出できる場合には、高レンジ側電流測定値Ｉ_ｍＨを被測定電流Ｉ_ｉｎに対する電流測定値Ｉ_ｍとして決定する。また、高レンジ側電流測定値Ｉ_ｍＨを所望の出力要求タイミングで算出できない場合には、低レンジ側電流測定部４により算出した低レンジ側電流測定値Ｉ_ｍＬを被測定電流Ｉ_ｉｎに対する電流測定値Ｉ_ｍとして決定する。
このように、高レンジ側電流測定値Ｉ_ｍＨを所望の出力要求タイミング内に算出できるか否かに応じてＩ_ｍＬ，Ｉ_ｍＨの何れかを選択して電流測定値Ｉ_ｍを得ているため、レンジの切替による損失時間が発生することがなく、広いレンジの微小な被測定電流Ｉ_ｉｎを所望の出力要求タイミングに従って正確に測定することができる。

国際公開第２０１５／０１１９１６号（段落［０００９］〜［００１１］，［００４１］〜［００４６］、図１，図２，図７等）

前述した従来技術では、図７に示したように、積分電圧信号Ｖ_ｏが基準電圧Ｖ_１を上回った時に出力される比較信号Ｓ_ｃによりパルス信号Ｐ_１を発生させ、このパルス信号Ｐ_１をポンピング回路７に供給して電圧積分回路３の積分コンデンサ３２を放電させている。具体的には、パルス信号Ｐ_１の立上りでコンデンサ７１の電荷が抵抗７３を介して接地側に流れ、その時に抵抗７３に発生する電圧降下によりダイオード７２を介して電圧積分回路３側に電流が流れることにより、積分コンデンサ３２に蓄積された電荷が放電（リセット）されることになる。

しかしながら、積分コンデンサ３２を放電させた直後には、積分コンデンサ３２の誘電吸収の影響により電荷が完全にゼロにはならず、これによって電流測定値に誤差が含まれるという問題があった。

そこで、本発明の解決課題は、積分コンデンサの放電直後の電流測定値を適切に補正することにより、電流測定値の誤差を低減させた電流測定装置を提供すると共に、この電流測定装置を用いた放射線検出装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に係る電流測定装置は、被測定電流を積分して積分電圧信号を出力する電荷積分手段と、 前記積分電圧信号の時間変化率に基づいて被測定電流を算出する電流測定手段と、前記積分電圧信号が基準電圧に達した時に前記電荷積分手段内の積分コンデンサを放電させるポンピング手段と、を備えた電流測定装置において、
値が既知である被測定電流と、この被測定電流を前記電荷積分手段に入力した時の前記電流測定手段による電流測定値と、の誤差を、前記ポンピング手段による前記積分コンデンサの放電直後から測定して前記誤差に近似した電荷リセット補償関数を生成する補償関数作成手段と、
前記電荷リセット補償関数を用いて前記電流測定値を補正することにより、前記誤差を除去した電流測定値を算出する測定値補正手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に係る電流測定装置は、前記補償関数作成手段が、電流初期値、減衰係数、及び、前記積分コンデンサの放電開始後の経過時間からなる補償関数を複数、合成して前記電荷リセット補償関数を作成することを特徴とする。

請求項３に係る電流測定装置は、請求項１または２に記載した電流測定装置において、前記被測定電流が、放射線の線量率を測定するための電離電流であることを特徴とする。

請求項４に係る放射線検出装置は、請求項１〜３の何れか１項に記載した電流測定装置を備え、前記測定値補正手段から出力される電流測定値を用いて放射線の線量率を検出することを特徴とする。

本発明によれば、被測定電流が流入する電圧積分回路の積分コンデンサを放電させた後の電流測定値を電荷リセット補償関数によって補正することにより、積分コンデンサの誘電吸収に起因する誤差を低減させた電流測定装置を実現することができる。また、この電流測定装置を放射線検出装置に適用すれば、放射線の線量率を正確に測定することが可能である。

本発明の実施形態の主要部を示すブロック図である。 本発明の実施形態において、電流測定装置の測定誤差に近似した合成補償関数を、３つの補償関数１〜３の加算値として求めた場合のデータ（一部）を示す図である。 図２における測定誤差、補償関数１〜３、及び、合成補償関数を示す波形図である。 図２のデータに基づく積分電荷リセット補償あり／なしの場合について、積分電荷放電後の経過時間と電流測定値との関係を示した波形図である。 特許文献１に記載された電流測定装置のブロック図である。 図５の詳細な構成図である。 従来技術の動作を示す波形図である。 従来技術において、低レンジ側測定値演算部による被測定電流と積分電圧信号の変化率との関係（図８（ａ））、及び、高レンジ側測定値演算部による被測定電流と積分電圧信号の周波数との関係（図８（ｂ））をそれぞれ示す図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
始めに、本発明は、被測定電流が入力されて積分動作を行う電荷積分手段と、その積分電圧信号に基づいて被測定電流を算出する電流測定手段と、電荷積分手段の積分コンデンサを所定のタイミングで放電させるポンピング手段とを備えた電流測定装置を対象とする。
このため、本発明は、例えば特許文献１に記載された電流測定装置にも適用可能であるが、前述した低レンジ側電流測定部、高レンジ側電流測定部を切り替えて測定する機能は必ずしも必要ではない。

まず、図１は、本発明の実施形態の主要部を示すブロック図である。
図１において、例えば電離箱式放射線検出装置における電離電流等の被測定電流Ｉ_ｉｎは、図６に示したようにオペアンプ及び積分コンデンサを備えた電荷積分手段１１に入力されている。この電荷積分手段１１から出力される積分電圧信号Ｖ_ｏは電流測定手段１２に入力され、電流測定手段１２は、積分電圧信号Ｖ_ｏと積分コンデンサの容量と測定開始からの経過時間とに基づいて周知の演算により電流測定値Ｉ_ｍ’を算出する。

また、電流測定手段１２は、積分電圧信号Ｖ_ｏが基準電圧を超えるとパルス信号Ｐを生成してポンピング手段１３に出力する。このポンピング手段１３は、例えば図６のポンピング回路７と同様に構成されており、パルス信号Ｐが入力されると電荷積分手段１１の積分コンデンサに蓄積された電荷を放電させる機能を備えている。

前述した積分コンデンサの誘電吸収の影響により、積分電圧信号Ｖ_ｏは、積分コンデンサが放電した直後にゼロにならず、結果として電流測定手段１２から出力される測定値Ｉ_ｍ’は誤差を含んでいる。
そこで、本実施形態では、測定値Ｉ_ｍ’の誤差を測定値補正手段１５により補正して正確な測定値Ｉ_ｍを得ることとし、この補正を行うために，補償関数作成手段としての合成手段１４により生成した合成補償関数ＳＣ_ｎを用いるようにした。

すなわち、測定に使用する電流測定装置に、値が既知である被測定電流Ｉ_ｉｎを入力し、電荷積分手段１１及び電流測定手段１２を介して測定値Ｉ_ｍ’が得られた場合、ポンピング手段１３により積分コンデンサを放電（リセット）させた直後の被測定電流Ｉ_ｉｎと測定値Ｉ_ｍ’との誤差（測定誤差）の時間変化を測定する。この測定誤差に近似した補償関数（積分電荷リセット補償関数）を予め作成しておき、この積分電荷リセット補償関数を用いて測定値Ｉ_ｍ’を補正すれば、積分コンデンサによる誘電吸収の影響を除いた正確な測定値Ｉ_ｍを得ることができる。
なお、積分電荷リセット補償関数を単一の関数によって実現することは困難であるため、本実施形態では、複数の補償関数を合成して得た合成補償関数ＳＣ_ｎを用いている。

図２は、電流測定装置に既知の被測定電流Ｉ_ｉｎを入力して測定誤差を求め、この測定誤差に近似した合成補償関数ＳＣ_ｎを３つの補償関数１〜３（Ｃ_１ｎ〜Ｃ_３ｎとする）の加算値として求めた場合のデータ（一部）を示している。
ここでは、電流測定装置に約３２６［ｆＡ］の被測定電流Ｉ_ｉｎを入力し、１回目〜４回目の各測定について、積分コンデンサを放電させてから１［ｓ］ごとの経過時間における約５０個の測定値（リセット補償なしのデータ）Ｉ_ｍ’と、４回分の測定値Ｉ_ｍ’の平均値と、この平均値の被測定電流Ｉ_ｉｎに対する測定誤差と、を求め、それぞれの測定誤差に近似した合成補償関数を補償関数１〜３の加算値として算出している。
図２において、網掛けを施したデータＮｏ．０〜Ｎｏ．３は、被測定電流Ｉ_ｉｎの値を確認してから積分コンデンサを放電させた部分であり、データＮｏ．３の時点が放電のタイミング（経過時間＝０）である。

以下の数式１は補償関数１〜３の設定例であり、補償ピーク電流初期値ａ_１〜ａ_３及び減衰係数τ_１〜τ_３は、使用する電流測定装置ごとに調整可能である。

図３は、図２における測定誤差（実線）に近似させた合成補償関数（破線）、及び、補償関数１〜３（一点鎖線，二点鎖線，点線）を示した波形図である。
合成補償関数ＳＣ_ｎは前述した図１の合成手段１４によって求められるため、測定値補正手段１５では、この合成補償関数ＳＣ_ｎを測定値Ｉ_ｍ’に加算または減算して積分電荷リセット補償を行うことにより、積分コンデンサの誘電吸収に起因する誤差が除去された測定値Ｉ_ｍを得ることができる。

図４は、図２のデータに基づき、本実施形態の積分電荷リセット補償を行った場合と行わない場合とについて、積分電荷放電後の経過時間と電流測定値との関係を示した波形図である。
図４のリセット補償なし（破線）の波形において、経過時間が０に近い方から４つのピーク値は図２におけるデータＮｏ．５の１回目〜４回目の測定値であり、各ピーク値の間の約５０個の測定値が図２のリセット補償なしのデータである。
リセット補償なしの場合には、測定値が大きく変動しているが、本実施形態によるリセット補償あり（実線）の波形では測定値の変動幅が小さく、補償効果が顕著に表れているのがわかる。

本発明は、放射線検出装置の電離電流を始めとして、微小電流を測定する各種の電流測定装置に利用することができる。

１１：電荷積分手段
１２：電流測定手段
１３：ポンピング手段
１４：合成手段
１５：測定値補正手段

Claims (4)

1. 被測定電流を積分して積分電圧信号を出力する電荷積分手段と、 前記積分電圧信号の時間変化率に基づいて被測定電流を算出する電流測定手段と、前記積分電圧信号が基準電圧に達した時に前記電荷積分手段内の積分コンデンサを放電させるポンピング手段と、を備えた電流測定装置において、
   値が既知である被測定電流と、この被測定電流を前記電荷積分手段に入力した時の前記電流測定手段による電流測定値と、の誤差を、前記ポンピング手段による前記積分コンデンサの放電直後から測定して前記誤差に近似した電荷リセット補償関数を生成する補償関数作成手段と、
   前記電荷リセット補償関数を用いて前記電流測定値を補正することにより、前記誤差を除去した電流測定値を算出する測定値補正手段と、
   を備えたことを特徴とする電流測定装置。
2. 請求項１に記載した電流測定装置において、
   前記補償関数作成手段は、電流初期値、減衰係数、及び、前記積分コンデンサの放電開始後の経過時間からなる補償関数を複数、合成して前記電荷リセット補償関数を作成することを特徴とする電流測定装置。
3. 請求項１または２に記載した電流測定装置において、
   前記被測定電流が、放射線の線量率を測定するための電離電流であることを特徴とする電流測定装置。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載した電流測定装置を備え、前記測定値補正手段から出力される電流測定値を用いて放射線の線量率を検出することを特徴とする放射線検出装置。
   

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