JP2019190857A - Position detector - Google Patents

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Ichiro Fujieda
一郎 藤枝
康宏 堤
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Abstract

To provide a position detector which can detect radiation or excitation light in a wide range and can be increased in size.SOLUTION: A position detector 10 includes a phosphor that emits fluorescent light A by being excited by radiation 9 or excitation light 9. The position detector includes a medium 1 extending in the first direction y, spectral intensity measurement means 3 which is optically connected to the medium 1 and measures spectral intensity of fluorescent light A propagated through the medium 1, and arithmetic means 4 which determines the incident position of the radiation 9 or the excitation light 9 based on the spectral intensity. The arithmetic means 4 quantifies the spectral intensity distribution from the spectral intensity and determines the coordinate L in the first direction of the incident position from the quantified spectral intensity distribution based on the corresponding relationship between the spectral intensity distribution of the fluorescent light A and the propagation distance of the fluorescent light A.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は位置検出器に関し、より詳細には、蛍光体から放射される蛍光を測定することにより、蛍光体を励起した放射線または励起光の入射位置を決定する位置検出器に関する。   The present invention relates to a position detector, and more particularly to a position detector that determines the incident position of radiation or excitation light that excites a phosphor by measuring fluorescence emitted from the phosphor.

従来から、放射線が入射した点の位置を検出するための位置検出器が実用化されている。例えば非特許文献1には、電荷分割方式の位置検出器における位置検出の原理が解説されている。非特許文献1に記載されている素子は、Si等の半導体材料の表面に抵抗性の電極を配置して構成されている。   Conventionally, a position detector for detecting the position of a point where radiation is incident has been put into practical use. For example, Non-Patent Document 1 describes the principle of position detection in a charge-division type position detector. The element described in Non-Patent Document 1 is configured by disposing a resistive electrode on the surface of a semiconductor material such as Si.

動作原理は以下の通りである。素子の1点に可視光や放射線(例えば、γ線や荷電粒子等)が入射すると、半導体材料の内部で電子・正孔対が生成され(光電変換)、これらの電荷が電極に収集される。この電荷は、抵抗性の電極で2つに分割されて、電極の端部に接続された外部回路によって電気信号に変換される。外部回路の出力信号は、光電変換で生成された電荷の量に比例する。また、この出力信号は、光の入射点から電極の端部までの全抵抗値との比(非特許文献1のFig.1中のR/R)にも比例する。したがって、得られた出力信号から光の入射点の位置を決定することができる。 The operating principle is as follows. When visible light or radiation (for example, γ rays or charged particles) is incident on one point of the element, electron-hole pairs are generated inside the semiconductor material (photoelectric conversion), and these charges are collected by the electrodes. . This electric charge is divided into two by a resistive electrode and converted into an electric signal by an external circuit connected to the end of the electrode. The output signal of the external circuit is proportional to the amount of charge generated by photoelectric conversion. This output signal is also proportional to the ratio (R x / R in FIG. 1 of Non-Patent Document 1) to the total resistance value from the light incident point to the end of the electrode. Therefore, the position of the light incident point can be determined from the obtained output signal.

また、特許文献1には、光ファイバを用いた放射線モニタシステムが提案されている。特許文献1の放射線モニタシステムでは、複数の光導波型シンチレータが光ファイバで直列あるいは並列に接続され、その出力信号がデータ処理装置に導かれる。光導波型シンチレータに入射した放射線は光に変換されて、パルス状の光が2つの方向へ同時に伝搬する。これらの光はそれぞれの経路を通ってデータ処理装置に至る。データ処理装置は2つの光の信号が到達する時間差を計測する。光ファイバの長さは既知であるので、この時間差から、放射線が入射した光導波型シンチレータを決定することができる。特許文献1の図3は、横軸を時間として複数の光導波型シンチレータからの信号をプロットした例である。特許文献1の図3に示されている区間[a,b]では、一つの光導波型シンチレータの出力が分離されているため、図中の斜線部の面積を算出することにより、対応する場所の放射線量を決定することができる。区間[b,d]では、2つの光導波型シンチレータからの信号が重畳されているが、図中の斜線部の面積を求めることにより、両者を分離してそれぞれの場所での放射線量を決定することができる。   Patent Document 1 proposes a radiation monitor system using an optical fiber. In the radiation monitor system of Patent Document 1, a plurality of optical waveguide scintillators are connected in series or in parallel with an optical fiber, and an output signal thereof is guided to a data processing device. The radiation incident on the optical waveguide scintillator is converted into light, and pulsed light propagates simultaneously in two directions. These lights reach the data processing device through their respective paths. The data processor measures the time difference between the arrival of two light signals. Since the length of the optical fiber is known, the optical waveguide scintillator into which the radiation has entered can be determined from this time difference. FIG. 3 of Patent Document 1 is an example in which signals from a plurality of optical waveguide scintillators are plotted with the horizontal axis as time. In section [a, b] shown in FIG. 3 of Patent Document 1, since the output of one optical waveguide scintillator is separated, by calculating the area of the hatched portion in the figure, the corresponding location is obtained. Radiation dose can be determined. In the section [b, d], signals from two optical waveguide scintillators are superimposed. By obtaining the area of the hatched portion in the figure, the two are separated to determine the radiation dose at each location. can do.

特開平9−211138号公報JP-A-9-2111138

中本淳、永田勝明、菊池順、道家忠義、“半導体を用いたPosition Sensitive Detector”、応用物理、第44巻、第11号、pp.87−91(1975)Satoshi Nakamoto, Katsuaki Nagata, Jun Kikuchi, Tadayoshi Michiya, “Position Sensitive Detector Using Semiconductor”, Applied Physics, Vol. 87-91 (1975)

非特許文献1の位置検出器の課題について説明する。半導体材料は一般に高価なため、従来の電荷分割方式では、位置検出器の長尺化(2次元の位置検出器の場合には大面積化)は原理的に困難である。   The problem of the position detector of Non-Patent Document 1 will be described. Since semiconductor materials are generally expensive, it is difficult in principle to lengthen the position detector (in the case of a two-dimensional position detector, increase the area) in the conventional charge division method.

特許文献1の放射線モニタシステムの課題について説明する。第一に、放射線量を計測することができる場所は、光導波型シンチレータを置いた場所に限られる。例えば3か所に配置すれば3か所の計測しかできず、その間の地点では放射線量を計測することができない。そのため、放射線量を高い空間分解能で計測するためには、複数の光導波型シンチレータを高密度に配置する必要がある。しかし、このような場合には、互いの出力信号が光ファイバの中で重畳され、個々の出力信号の識別が困難になる。第二に、光ファイバをループ状に配置する必要がある。仮にその必要が無ければ、光ファイバを敷設する際の自由度が高くなる。例えば、特許文献1の図2に示されている並列接続の代わりに、複数の光ファイバを放射状に配置して処理装置へ導くことができれば、放射線を計測すべき領域を自由に設定することができる。   The problem of the radiation monitor system of Patent Document 1 will be described. First, the place where the radiation dose can be measured is limited to the place where the optical waveguide scintillator is placed. For example, if it is arranged at three places, only three places can be measured, and the radiation dose cannot be measured at a point in between. Therefore, in order to measure the radiation dose with high spatial resolution, it is necessary to arrange a plurality of optical waveguide scintillators at high density. However, in such a case, mutual output signals are superimposed in the optical fiber, making it difficult to identify individual output signals. Second, it is necessary to arrange the optical fibers in a loop. If this is not necessary, the degree of freedom in laying the optical fiber is increased. For example, instead of the parallel connection shown in FIG. 2 of Patent Document 1, if a plurality of optical fibers can be arranged radially and guided to the processing apparatus, a region where radiation should be measured can be freely set. it can.

本発明の目的は、大型化することができ広い範囲で放射線または励起光を検出することが可能な位置検出器を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a position detector that can be enlarged and can detect radiation or excitation light in a wide range.

上記目的を達成するための本発明は、例えば以下に示す態様を含む。   The present invention for achieving the above object includes the following embodiments, for example.

(項1)
放射線または励起光によって励起されることにより第1の蛍光を放射する第1の蛍光体を含み、第1の方向に延びる第1の媒体と、
前記第1の媒体に光学的に接続され、前記第1の媒体内を伝搬した前記第1の蛍光の分光強度を計測する分光強度計測手段と、
前記分光強度に基づいて前記放射線または励起光の入射位置を決定する演算手段と、を備え、
前記演算手段は、前記分光強度から分光強度分布を定量化し、前記第1の蛍光の分光強度分布と前記第1の蛍光の伝搬距離との対応関係に基づいて、前記定量化した分光強度分布から、前記入射位置の前記第1の方向の座標を決定することを特徴とする、位置検出器。
(Claim 1)
A first medium that includes a first phosphor that emits first fluorescence when excited by radiation or excitation light, and extends in a first direction;
Spectral intensity measuring means optically connected to the first medium and measuring the spectral intensity of the first fluorescence propagated in the first medium;
Calculating means for determining an incident position of the radiation or excitation light based on the spectral intensity,
The calculation means quantifies the spectral intensity distribution from the spectral intensity, and based on the correspondence relationship between the spectral intensity distribution of the first fluorescence and the propagation distance of the first fluorescence, from the quantified spectral intensity distribution A position detector for determining coordinates of the incident position in the first direction.

(項2)
第1の光導波路をさらに備え、
前記分光強度計測手段は、前記第1の光導波路を介して前記第1の媒体に光学的に接続されている、項1に記載の位置検出器。
(Section 2)
Further comprising a first optical waveguide;
Item 2. The position detector according to Item 1, wherein the spectral intensity measuring means is optically connected to the first medium via the first optical waveguide.

(項3)
前記第1の方向と交差する第2の方向に沿って、前記第1の媒体の対向する領域に光学的に接続される一対の第2の光導波路と、
前記第2の光導波路に接続され、前記一対の第2の光導波路に入射する前記第1の蛍光の強度をそれぞれ計測する蛍光強度計測手段と、をさらに備え、
前記演算手段は、前記蛍光強度計測手段が計測した前記第1の蛍光の強度の比率に基づいて、前記入射位置の前記第2の方向の座標を決定することを特徴とする、項1または2に記載の位置検出器。
(Section 3)
A pair of second optical waveguides optically connected to opposing regions of the first medium along a second direction intersecting the first direction;
Fluorescence intensity measuring means connected to the second optical waveguide and measuring the intensity of the first fluorescence incident on the pair of second optical waveguides, respectively.
The calculation means determines coordinates of the incident position in the second direction based on a ratio of the intensity of the first fluorescence measured by the fluorescence intensity measurement means, Item 1 or 2 The position detector as described in.

(項4)
放射線または励起光によって励起されることにより第2の蛍光を放射する第2の蛍光体を含み、前記第1の媒体に接続され、第1の方向と交差する第2の方向に延びる第2の媒体をさらに備え、
前記第2の蛍光は、前記第1の蛍光よりもエネルギーが高く、
前記第1の蛍光体は、前記第2の蛍光によって励起されることにより前記第1の蛍光を放射する、項1または2に記載の位置検出器。
(Claim 4)
A second phosphor that emits second fluorescence when excited by radiation or excitation light, and is connected to the first medium and extends in a second direction intersecting the first direction Further comprising a medium,
The second fluorescence has higher energy than the first fluorescence,
Item 3. The position detector according to Item 1 or 2, wherein the first phosphor emits the first fluorescence when excited by the second fluorescence.

(項5)
前記第1の蛍光は、前記第2の蛍光よりも波長が長い、項4に記載の位置検出器。
(Section 5)
Item 5. The position detector according to Item 4, wherein the first fluorescence has a wavelength longer than that of the second fluorescence.

(項6)
前記演算手段は、前記分光強度分布を積分して蛍光強度を算出し、前記蛍光強度と前記入射位置の前記座標との対応関係に基づいて、前記放射線または励起光の強度を算出することを特徴とする、項1から5のいずれかに記載の位置検出器。
(Claim 6)
The computing means calculates the fluorescence intensity by integrating the spectral intensity distribution, and calculates the intensity of the radiation or excitation light based on the correspondence between the fluorescence intensity and the coordinates of the incident position. The position detector according to any one of Items 1 to 5.

本発明によると、大型化することができ広い範囲で放射線または励起光を検出することが可能な位置検出器を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a position detector that can be enlarged and can detect radiation or excitation light in a wide range.

本発明の第1の実施形態に係る位置検出器の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the position detector which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 位置検出の原理を説明するための位置検出器の部分概略図である。It is a partial schematic diagram of a position detector for explaining the principle of position detection. 位置検出原理の実証実験に用いる構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure used for the verification experiment of a position detection principle. レーザー光の入射点を変化させたときに蛍光基板の端面で観察される蛍光の分光強度分布のグラフである。It is a graph of the fluorescence spectral intensity distribution observed on the end face of the fluorescent substrate when the incident point of the laser beam is changed. 図4の分光強度分布を、自己吸収を無視することができる波長のデータで規格化したグラフである。It is the graph which normalized the spectral intensity distribution of FIG. 4 with the data of the wavelength which can disregard self-absorption. 図4の分光強度分布を波長で積分して蛍光強度を求め、入射点の位置(座標)の関数として示したグラフである。FIG. 5 is a graph showing the fluorescence intensity obtained by integrating the spectral intensity distribution of FIG. 4 with the wavelength and shown as a function of the position (coordinate) of the incident point. 図4の分光強度分布から算出した色度座標(CIE-XYZ表色系)のグラフである。5 is a graph of chromaticity coordinates (CIE-XYZ color system) calculated from the spectral intensity distribution of FIG. 4. 色度座標と距離との関係を示す、図7と同じデータを距離の関数として示すグラフである。It is a graph which shows the same data as FIG. 7 which shows the relationship between chromaticity coordinates and distance as a function of distance. 色度座標から算出したレッドシフトの指標と入射点の位置との関係を示すグラフであり、一例として関数x/yを算出して距離Lの関数としてプロットした例である。It is a graph which shows the relationship between the index | index of the red shift calculated from chromaticity coordinates, and the position of an incident point, and is an example which calculated the function x / y as an example, and plotted as a function of distance L. 本発明の第2の実施形態に係る位置検出器の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the position detector which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る位置検出器の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the position detector which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係るモニタシステムの構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the monitor system which concerns on the 4th Embodiment of this invention.

以下、本発明の実施形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明および図面において、同じ符号は同じまたは類似の構成要素を示すこととし、よって、同じまたは類似の構成要素に関する重複した説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description and drawings, the same reference numerals indicate the same or similar components, and therefore, duplicate descriptions of the same or similar components are omitted.

本明細書において、放射線とは、高エネルギーの物質粒子と高エネルギーの電磁波との総称である。高エネルギーの物質粒子とは、例えば、アルファ線、ベータ線(電子線または陽電子線)、中性子線、荷電粒子線、および中間子線などの粒子放射線を意味する。高エネルギーの電磁波とは、例えば、ガンマ線およびX線などの電磁放射線を意味する。   In this specification, radiation is a general term for high-energy substance particles and high-energy electromagnetic waves. High energy material particles mean, for example, particle radiation such as alpha rays, beta rays (electron rays or positron rays), neutron rays, charged particle rays, and meson rays. High-energy electromagnetic waves mean electromagnetic radiation such as gamma rays and X-rays, for example.

本明細書において、励起光とは、蛍光体等の蛍光物質を励起させる光を意味する。例示的な励起光としては、例えば、可視光線、X線および紫外線などが挙げられる。   In this specification, the excitation light means light that excites a fluorescent substance such as a phosphor. Exemplary excitation light includes, for example, visible light, X-rays, and ultraviolet light.

以下において説明する本発明に係る位置検出器は、蛍光の分光強度分布のレッドシフトを定量化して、放射線または励起光の入射点の位置を求める点に特徴を有する。さらに、本発明に係る位置検出器は、高価な半導体材料ではなく、蛍光体や透明な媒体等を用いることで、広範囲の位置検出を安価に実現できるようにした点に特徴を有する。本発明に係る位置検出器では、放射線または励起光を検出する部分の構成には電源が不要であり、この検出する部分から蛍光強度を計測する部分までの間も、電源が不要な光導波路にて接続されている。これにより、蛍光強度を計測する部分までの構成をオール・オプティカルな構成とすることができ、放射線または励起光を検出する部分を、電源が必要となる蛍光強度を計測する部分から離れた場所に設置することが可能となる。よって、本発明に係る位置検出器は、厳しい環境下での設置および動作を実現することができる。
[第1の実施形態]
The position detector according to the present invention described below is characterized in that the position of the incident point of radiation or excitation light is obtained by quantifying the red shift of the spectral intensity distribution of fluorescence. Furthermore, the position detector according to the present invention is characterized in that a wide range of position detection can be realized at low cost by using a fluorescent material, a transparent medium or the like instead of an expensive semiconductor material. In the position detector according to the present invention, a power source is not required for the configuration of the part for detecting radiation or excitation light, and an optical waveguide that does not require a power source is also required from this detecting part to the part for measuring fluorescence intensity. Connected. As a result, the configuration up to the part that measures the fluorescence intensity can be made into an all-optical configuration, and the part that detects radiation or excitation light can be placed away from the part that measures the fluorescence intensity that requires a power source. It becomes possible to install. Therefore, the position detector according to the present invention can realize installation and operation in a severe environment.
[First Embodiment]

図1は、本発明の第1の実施形態に係る位置検出器の構成を示す概略図である。第1の実施形態によると、1次元の位置検出器が提供される。   FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a position detector according to the first embodiment of the present invention. According to a first embodiment, a one-dimensional position detector is provided.

本発明の第1の実施形態に係る位置検出器10は、蛍光体を含み第1の方向(図中のy軸方向)に延びる媒体1と、蛍光の分光強度を計測する分光強度計測手段3と、分光強度に基づいて放射線9(または励起光9)の入射位置を決定する演算手段4とを備える。   The position detector 10 according to the first embodiment of the present invention includes a medium 1 including a phosphor and extending in a first direction (y-axis direction in the drawing), and a spectral intensity measuring means 3 for measuring the spectral intensity of the fluorescence. And calculating means 4 for determining the incident position of the radiation 9 (or excitation light 9) based on the spectral intensity.

図1に例示する構成では、媒体1の端面と分光強度計測手段3との間に光導波路2が接続されており、分光強度計測手段3は、光導波路2を介して媒体1に光学的に接続されている。   In the configuration illustrated in FIG. 1, the optical waveguide 2 is connected between the end face of the medium 1 and the spectral intensity measuring means 3, and the spectral intensity measuring means 3 is optically connected to the medium 1 via the optical waveguide 2. It is connected.

媒体1内には蛍光体が一様に分散されている。蛍光体は、放射線9(または励起光9)によって励起されることにより蛍光Aを放射する。媒体1には、例えばシンチレーション物質を含む透明基板を用いることができ、例示的にはプラスチックシンチレータを用いることができる。光導波路2には、例えば光ファイバを用いることができる。   The phosphor is uniformly dispersed in the medium 1. The phosphor emits fluorescence A when excited by radiation 9 (or excitation light 9). As the medium 1, for example, a transparent substrate containing a scintillation substance can be used, and, for example, a plastic scintillator can be used. For example, an optical fiber can be used for the optical waveguide 2.

分光強度計測手段3は、媒体1に光学的に接続され、媒体1内を伝搬した蛍光Aの分光強度を計測する。計測した分光強度は演算手段4に送信される。分光強度計測手段3には、例えば分光器を用いることができる。   The spectral intensity measuring means 3 is optically connected to the medium 1 and measures the spectral intensity of the fluorescence A propagated in the medium 1. The measured spectral intensity is transmitted to the calculation means 4. As the spectral intensity measuring means 3, for example, a spectroscope can be used.

演算手段4は、分光強度から分光強度の分布を定量化し、定量化した分光強度分布から、入射位置の第1の方向の座標Lを決定する。座標の決定は、蛍光Aの分光強度分布と蛍光Aの伝搬距離との対応関係に基づいて行う。蛍光の分光強度分布と伝搬距離Lとの対応関係については後述する。演算手段4には、例えば公知の演算回路やパーソナルコンピュータを用いることができる。   The computing means 4 quantifies the spectral intensity distribution from the spectral intensity, and determines the coordinate L in the first direction of the incident position from the quantified spectral intensity distribution. The coordinates are determined based on the correspondence between the spectral intensity distribution of the fluorescence A and the propagation distance of the fluorescence A. The correspondence between the fluorescence spectral intensity distribution and the propagation distance L will be described later. As the calculation means 4, for example, a known calculation circuit or a personal computer can be used.

以下の説明では、蛍光体を含む媒体1を単に透明基板1とも記載する。同様に、光導波路2を単に光ファイバ2とも記載し、分光強度計測手段3を単に分光器3とも記載する。   In the following description, the medium 1 containing a phosphor is also simply referred to as a transparent substrate 1. Similarly, the optical waveguide 2 is also simply referred to as the optical fiber 2, and the spectral intensity measuring means 3 is also simply referred to as the spectroscope 3.

・位置検出の原理の概要
図1を参照して、位置検出の原理の概要を説明する。媒体1に外部から放射線9が入射して、媒体1内に含まれている蛍光体が放射線9を吸収すると、蛍光Aが等方的に放射される。一部の蛍光は媒体1および光導波路2の内部を伝搬して分光器3へ至り、分光器3は分光強度分布を計測する。分光器3から出力される分光強度分布は、放射線9の入射点の位置に依存して変化する。この原因は自己吸収と呼ばれる現象である。すなわち、蛍光が媒体1を伝搬する間に、蛍光体自体により蛍光の一部が吸収される。吸収される蛍光の強度は波長に依存しており、波長の短い蛍光はよく吸収され、波長の長い蛍光の吸収は殆どない。このような分光強度分布の変化は、レッドシフトあるいは赤色偏移と呼ばれている。レッドシフトの量は、蛍光が伝搬する距離が長いほど大きい。したがって、レッドシフトを適切に定量化することにより、放射線9の入射位置を決定することができる。例えば、分光強度分布から算出した色度座標は、放射線9の入射位置と一対一に対応するので、放射線9の入射点の位置を色度座標から決定することができる。
Outline of Position Detection Principle An outline of the position detection principle will be described with reference to FIG. When the radiation 9 is incident on the medium 1 from the outside and the phosphor contained in the medium 1 absorbs the radiation 9, the fluorescence A is emitted isotropically. Some fluorescence propagates through the medium 1 and the optical waveguide 2 to reach the spectroscope 3, and the spectroscope 3 measures the spectral intensity distribution. The spectral intensity distribution output from the spectroscope 3 changes depending on the position of the incident point of the radiation 9. This is due to a phenomenon called self-absorption. That is, while the fluorescence propagates through the medium 1, a part of the fluorescence is absorbed by the phosphor itself. The intensity of the absorbed fluorescence depends on the wavelength. Fluorescence with a short wavelength is well absorbed, and there is almost no absorption of fluorescence with a long wavelength. Such a change in spectral intensity distribution is called red shift or red shift. The amount of red shift increases as the distance that the fluorescence propagates increases. Therefore, the incident position of the radiation 9 can be determined by appropriately quantifying the red shift. For example, since the chromaticity coordinates calculated from the spectral intensity distribution correspond one-to-one with the incident position of the radiation 9, the position of the incident point of the radiation 9 can be determined from the chromaticity coordinates.

さらに、放射線9の入射位置に加えて、入射する放射線9の強度を求めることもできる。これは、入射する放射線9の強度が未知の場合であっても行うことができる。このためには、次に説明する較正作業を予め行っておくとよい。   Furthermore, in addition to the incident position of the radiation 9, the intensity of the incident radiation 9 can be obtained. This can be done even when the intensity of the incident radiation 9 is unknown. For this purpose, it is preferable to carry out the calibration work described below in advance.

まず、既知の強度の放射線を媒体1に入射させ、蛍光の分光強度分布を記録する。これを波長で積分して蛍光強度とする。次に、入射点の位置(座標)を変化させて以上の作業を繰り返して、入射点の位置(座標)と蛍光強度との対応関係を得る。これは一般に曲線になるので較正曲線と呼ばれる。   First, radiation having a known intensity is incident on the medium 1 and the spectral intensity distribution of fluorescence is recorded. This is integrated by wavelength to obtain fluorescence intensity. Next, the position (coordinate) of the incident point is changed and the above operation is repeated to obtain the correspondence between the position (coordinate) of the incident point and the fluorescence intensity. Since this is generally a curve, it is called a calibration curve.

そして、放射線の強度を求めるためには、(1)分光強度分布のレッドシフトを定量化して入射点の位置(座標)を求め、(2)分光強度分布を積分して蛍光強度を求め、(3)較正曲線を用いて蛍光強度を放射線の強度に変換する、という(1)〜(3)の手順を実行する。なお、この較正の作業は、位置検出器10を構成する要素の特性が変化しない限り、繰り返す必要はない。   In order to obtain the intensity of radiation, (1) the red shift of the spectral intensity distribution is quantified to obtain the position (coordinates) of the incident point, (2) the fluorescent intensity is obtained by integrating the spectral intensity distribution, ( 3) The procedure of (1) to (3) is executed in which the fluorescence intensity is converted into the radiation intensity using the calibration curve. This calibration operation need not be repeated unless the characteristics of the elements constituting the position detector 10 change.

以上に説明した原理の詳細な内容について、数値例を挙げながら具体的に説明する。   The detailed contents of the principle described above will be specifically described with numerical examples.

・位置検出の原理の詳細
図2は、位置検出の原理を説明するための位置検出器の部分概略図であり、位置検出器10の構成として、蛍光体を含む透明基板を媒体1に用い、光ファイバを光導波路2に用いた構成の部分的な断面を示している。図中、x軸は紙面に垂直であり、x軸の方向は紙面から手前に向かう方向である。
FIG. 2 is a partial schematic diagram of a position detector for explaining the principle of position detection. As a configuration of the position detector 10, a transparent substrate containing a phosphor is used as the medium 1. A partial cross section of a configuration in which an optical fiber is used for the optical waveguide 2 is shown. In the figure, the x-axis is perpendicular to the paper surface, and the x-axis direction is the direction from the paper surface toward the front.

図2に示すように、蛍光体が一様に分散された透明基板1(媒体1)の端面に、光ファイバ2(光導波路2)のコアを密着させ、蛍光体から放射される蛍光を分光器3へ導く構成を考える。放射線9が透明基板1に垂直に入射し、座標y=L、z=0の点から蛍光が等方へ放射されるとする。このとき、光ファイバ2を伝搬して分光器3へ到達する蛍光は、光ファイバの開口数NAで決まる角度θより小さい角度で伝搬する蛍光のみである。   As shown in FIG. 2, the core of the optical fiber 2 (optical waveguide 2) is brought into close contact with the end face of the transparent substrate 1 (medium 1) in which the phosphor is uniformly dispersed, and the fluorescence emitted from the phosphor is dispersed. Consider the configuration leading to vessel 3. It is assumed that the radiation 9 is perpendicularly incident on the transparent substrate 1 and fluorescence is emitted isotropically from a point with coordinates y = L and z = 0. At this time, the fluorescence that propagates through the optical fiber 2 and reaches the spectroscope 3 is only the fluorescence that propagates at an angle smaller than the angle θ determined by the numerical aperture NA of the optical fiber.

光ファイバ2のコアおよびクラッドの屈折率をそれぞれn,nとすると、開口数NAは、
で与えられる。透明基板1の屈折率をn、図2中のθの最大値をθmaxとすると、スネルの法則により、
となる。
When the refractive indexes of the core and the clad of the optical fiber 2 are n 1 and n 2 , respectively, the numerical aperture NA is
Given in. When the refractive index of the transparent substrate 1 is n and the maximum value of θ in FIG. 2 is θ max , Snell's law
It becomes.

一方、座標y=L、z=0の点から放射された蛍光が光ファイバ2のコアを見込む角度θgeoは、幾何学的な条件で決まる。光ファイバ2のコアの直径をDとすると次式が成り立つ。
On the other hand, the angle θ geo where the fluorescence emitted from the point of coordinates y = L and z = 0 looks into the core of the optical fiber 2 is determined by geometric conditions. When the diameter of the core of the optical fiber 2 is D, the following equation is established.

ここで、光ファイバ2のコアに到達した光が必ず光ファイバ2を伝搬する条件はθgeo≦θmaxとなり、これは、
と書ける。これを整理すると次の不等式を得る。
Here, the condition that light that reaches the core of the optical fiber 2 always propagates through the optical fiber 2 is θ geo ≦ θ max ,
Can be written. When this is rearranged, the following inequality is obtained.

例えば、NA=0.22、n=n=1.5のとき、
となる。さらにD=0.4mmのとき、L>1.38mmの発光点からの光は全て分光器3に導かれる。
For example, when NA = 0.22 and n 1 = n = 1.5,
It becomes. Further, when D = 0.4 mm, all the light from the light emission point of L> 1.38 mm is guided to the spectrometer 3.

式(3)の条件が満たされるとき、発光点から等方へ放射された光が光ファイバ2を伝搬して分光器3に到達する確率Pdetは2θgeo/2πとなる。すなわち、
When the condition of Expression (3) is satisfied, the probability P det that the light emitted isotropically from the light emitting point propagates through the optical fiber 2 and reaches the spectroscope 3 is 2θ geo / 2π. That is,

次に、蛍光の分光強度分布について考察する。座標y=L、z=0の点で発生した蛍光の分光強度分布をS(λ)とする。角度θで放射された蛍光は、透明基板1の内部の距離(L−y)/cosθを伝搬して座標xに至る。透明基板1を構成する材料の、波長λの光に対する吸収係数をμ(λ)とすると、座標yでの分光強度分布S(y,θ,λ)は、Lambert-Beerの法則により次式の通りに表される。
Next, the spectral intensity distribution of fluorescence will be considered. Let S 0 (λ) be the spectral intensity distribution of fluorescence generated at coordinates y = L and z = 0. The fluorescence emitted at the angle θ propagates the distance (L−y) / cos θ inside the transparent substrate 1 and reaches the coordinate x. Assuming that the absorption coefficient of the material constituting the transparent substrate 1 with respect to light of wavelength λ is μ (λ), the spectral intensity distribution S (y, θ, λ) at the coordinate y is expressed by the following equation according to Lambert-Beer's law. Represented in the street.

D/L≪1の場合、角度θが十分に小さくなり、cosθ≒1と近似できる。このとき、発光点から等方へ放射された光が分光器3に到達する確率Pdetと、検出される蛍光の分光強度分布Sは、式(4)および式(5)よりそれぞれ次式の通りに近似される。
In the case of D / L << 1, the angle θ is sufficiently small and can be approximated as cos θ≈1. At this time, the probability P det that the light radiated from the light emitting point isotropically reaches the spectroscope 3 and the spectral intensity distribution S of the detected fluorescence are expressed by the following equations from equations (4) and (5), respectively. Approximate to the street.

図3は、位置検出原理の実証実験に用いる構成を示す概略図である。実証実験では、透明基板1としてアクリル樹脂製の蛍光基板(約5cm×5cm×0.5cm、日東樹脂工業株式会社製、型番F−604)を用い、蛍光体を励起する励起光として波長450nmのレーザー光を用いた。レーザー91および鏡92を用いて、蛍光基板の1点にレーザー光を垂直に入射して、蛍光基板の端面に到達する蛍光を光ファイバ2で分光器3に導いた。   FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration used in a verification experiment of the position detection principle. In the demonstration experiment, a fluorescent substrate made of acrylic resin (about 5 cm × 5 cm × 0.5 cm, manufactured by Nitto Resin Co., Ltd., model number F-604) is used as the transparent substrate 1, and the wavelength of 450 nm is used as excitation light for exciting the phosphor. Laser light was used. Using a laser 91 and a mirror 92, laser light was vertically incident on one point of the fluorescent substrate, and fluorescence reaching the end face of the fluorescent substrate was guided to the spectroscope 3 by the optical fiber 2.

レーザー光の入射点を図中のy軸上に沿って移動させて、分光強度分布を記録した。結果の一例を図4に示す。図4は、レーザー光の入射点を変化させたときに蛍光基板の端面で観察される蛍光の分光強度分布のグラフである。データは、y=2mmから20mmにかけて、2mmのステップで入射点を変化させたときの結果をプロットしている。図4を参照すると、入射点が端面から遠くなると共に分光強度が減少することと、特にこの減少量が短波長側で顕著なこと(すなわちレッドシフトが生じていること)とを確認することができる。   The spectral intensity distribution was recorded by moving the incident point of the laser light along the y-axis in the figure. An example of the results is shown in FIG. FIG. 4 is a graph of the spectral intensity distribution of fluorescence observed on the end face of the fluorescent substrate when the incident point of the laser beam is changed. The data plots the results when the incident point was changed in steps of 2 mm from y = 2 mm to 20 mm. Referring to FIG. 4, it can be confirmed that the spectral intensity decreases as the incident point moves away from the end face, and that the reduction amount is particularly remarkable on the short wavelength side (that is, red shift occurs). it can.

図5は、図4の分光強度分布を、自己吸収を無視することができる波長のデータで規格化したグラフである。自己吸収を無視することができる波長は、この例では650nmである。図5を参照すると、レッドシフトをさらに明確に観察することができる。入射点が端面から遠ざかり、距離がy=2mmから20mmに増加するにつれて、ピークとなる波長の位置がグラフ中の右側(すなわち長波長側)にシフトしていることがわかる。   FIG. 5 is a graph obtained by normalizing the spectral intensity distribution of FIG. 4 with data of a wavelength at which self-absorption can be ignored. The wavelength at which self-absorption can be ignored is 650 nm in this example. Referring to FIG. 5, the red shift can be observed more clearly. It can be seen that, as the incident point moves away from the end face and the distance increases from y = 2 mm to 20 mm, the peak wavelength position shifts to the right side (that is, the long wavelength side) in the graph.

図6は、図4の分光強度分布を波長で積分して蛍光強度を求め、入射点の位置(座標)の関数として示したグラフである。図4と同様に、データは、y=2mmから20mmにかけて、2mmのステップでプロットしている。図中の曲線は式(6)による理論式であり、実験結果が理論式をよく再現していることを確認することができる。   FIG. 6 is a graph showing the fluorescence intensity obtained by integrating the spectral intensity distribution of FIG. 4 with the wavelength, and shown as a function of the position (coordinates) of the incident point. Similar to FIG. 4, the data is plotted in 2 mm steps from y = 2 mm to 20 mm. The curve in the figure is a theoretical formula according to the formula (6), and it can be confirmed that the experimental result well reproduces the theoretical formula.

なお、図6では縦軸が任意単位(arbitrary unit)となっているが、これに代えて、入射する光の強度をパワーメータ等で予め測定しておいて、縦軸の単位を光の強度の単位であるW(ワット)とすることもできる。この較正の作業は、構成要素の特性が変化しない限り繰り返す必要はない。   In FIG. 6, the vertical axis is an arbitrary unit, but instead, the intensity of incident light is measured in advance with a power meter or the like, and the unit of the vertical axis is the light intensity. It can also be set to W (watt) which is a unit of. This calibration operation does not need to be repeated unless the component characteristics change.

次に、レッドシフトの定量化について説明する。レッドシフトの蛍光強度への依存性を予め排除しておけば、入射光の強度が変化しても安定して位置を決定することができる。例えば、前述の規格化の処理によりこれを実現することができる。例えば、規格化後の分光強度分布のグラフにおいて、規格化後の分光強度がある特定の値(図5に示す例では、例えば30)となる波長をグラフから求めて、レッドシフトの指標とする。このグラフから求めた波長は、入射点の座標Lと一対一に対応しているため、検出された分光強度分布から入射点の座標Lを求めることができる。   Next, red shift quantification will be described. If the dependence of the red shift on the fluorescence intensity is eliminated in advance, the position can be determined stably even if the intensity of the incident light changes. For example, this can be realized by the standardization process described above. For example, in the normalized spectral intensity distribution graph, the wavelength at which the normalized spectral intensity has a specific value (eg, 30 in the example shown in FIG. 5) is obtained from the graph and used as a red shift index. . Since the wavelength obtained from this graph has a one-to-one correspondence with the coordinates L of the incident point, the coordinates L of the incident point can be obtained from the detected spectral intensity distribution.

なお、レッドシフトの定量化の手法はこれに限るものではない。グラフを利用するのではなく計算により求めることもできる。例えば、色度座標を計算して入射点の座標Lと関連付けて較正曲線とすることができる。一例として、CIE1931-XYZ表色系の等色関数(2°視野)を用いてこの計算を実行した結果を図7に示す。   The red shift quantification method is not limited to this. It can also be obtained by calculation rather than using a graph. For example, chromaticity coordinates can be calculated and associated with the incident point coordinates L to form a calibration curve. As an example, FIG. 7 shows the result of executing this calculation using the color matching function (2 ° field of view) of the CIE1931-XYZ color system.

図7は、図4の分光強度分布から算出した色度座標(CIE-XYZ表色系)のグラフである。図4と同様に、データは、y=2mmから20mmにかけて、2mmのステップでプロットしている。図7のグラフ中に横軸および縦軸に示すx,yは、測定される蛍光の分光強度分布から計算される色度座標を意味している。図7を参照すると、色度座標(x,y)は、入射点と端面との間の距離Lの増加と共に、色度図上を右側へ(すなわち赤色の領域へ)移動することが分かる。図7に示す例では、色度座標x,yのうち、色度座標xは距離Lと一対一に対応している。図8は、色度座標と距離との関係を示す、図7と同じデータを距離の関数として示すグラフである。例えば、図8のグラフに示すプロットが表す曲線を較正曲線として用いることで、色度座標xから距離Lを決定することができる。   FIG. 7 is a graph of chromaticity coordinates (CIE-XYZ color system) calculated from the spectral intensity distribution of FIG. Similar to FIG. 4, the data is plotted in 2 mm steps from y = 2 mm to 20 mm. In the graph of FIG. 7, x and y shown on the horizontal and vertical axes mean chromaticity coordinates calculated from the measured spectral intensity distribution of fluorescence. Referring to FIG. 7, it can be seen that the chromaticity coordinates (x, y) move to the right side (that is, to the red region) on the chromaticity diagram as the distance L between the incident point and the end face increases. In the example shown in FIG. 7, the chromaticity coordinate x has a one-to-one correspondence with the distance L among the chromaticity coordinates x and y. FIG. 8 is a graph showing the same data as FIG. 7 as a function of distance, showing the relationship between chromaticity coordinates and distance. For example, the distance L can be determined from the chromaticity coordinates x by using the curve represented by the plot shown in the graph of FIG. 8 as the calibration curve.

さらに、距離Lと共に単調に増加または減少する関数をレッドシフトの指標とすることができる。図9は、色度座標から算出したレッドシフトの指標と入射点の位置との関係を示すグラフであり、一例として関数x/yを算出して距離Lの関数としてプロットした例である。ここでいう関数x/yのx,yとは、色度座標を意味している。図9に示す例では、較正曲線を1次式でよく近似することができている。較正曲線を1次式で表現することができると、例えばCPUを備える演算手段4等によるデータ処理により、分光強度分布から入射点の座標Lを求めることができる。   Furthermore, a function that increases or decreases monotonously with the distance L can be used as an index of red shift. FIG. 9 is a graph showing the relationship between the index of the red shift calculated from the chromaticity coordinates and the position of the incident point. As an example, the function x / y is calculated and plotted as a function of the distance L. Here, x and y of the function x / y mean chromaticity coordinates. In the example shown in FIG. 9, the calibration curve can be well approximated by a linear expression. If the calibration curve can be expressed by a linear expression, the coordinates L of the incident point can be obtained from the spectral intensity distribution by, for example, data processing by the computing means 4 provided with a CPU.

以上、本発明の第1の実施形態に係る位置検出器10によると、空間分解能の向上と長尺化とを実現することができる。高価な半導体材料ではなく、蛍光体や透明な媒体等を用いることで、広範囲の位置検出を安価に実現することができる。   As described above, according to the position detector 10 according to the first embodiment of the present invention, it is possible to improve the spatial resolution and increase the length. By using a fluorescent material or a transparent medium instead of an expensive semiconductor material, a wide range of position detection can be realized at low cost.

また、放射線9(または励起光9)を検出する媒体1には電源が不要であり、媒体1から分光器3までの間も、電源が不要な光導波路2にて接続されている。これにより、電源が必要となる分光器3および演算手段4を、媒体1の設置箇所から離れた場所に配置することが可能となる。これにより、位置検出器10は、厳しい環境下での設置および動作を実現することができる。   Further, the medium 1 for detecting the radiation 9 (or excitation light 9) does not require a power source, and the medium 1 to the spectroscope 3 are also connected by the optical waveguide 2 that does not require a power source. Thereby, the spectroscope 3 and the calculation means 4 that require a power source can be arranged at a location away from the installation location of the medium 1. Thereby, the position detector 10 can implement | achieve installation and operation | movement in a severe environment.

[第2の実施形態]
図10は、本発明の第2の実施形態に係る位置検出器の構成を示す概略図である。第2の実施形態によると、2次元の位置検出器が提供される。
[Second Embodiment]
FIG. 10 is a schematic diagram showing a configuration of a position detector according to the second embodiment of the present invention. According to a second embodiment, a two-dimensional position detector is provided.

図1に示す第1の実施形態に係る位置検出器10によると、放射線9が入射した位置のy座標を検出することはできるが、x座標を検出することはできない。図10に示す第2の実施形態に係る位置検出器20によると、放射線9が入射した位置のx座標およびy座標を検出することができる。第2の実施形態では、y座標の検出は、第1の実施形態と同様に、蛍光の分光強度分布と蛍光の伝搬距離との対応関係に基づいて行い、x座標の検出は、以下に説明する光量分割の原理により行う。   According to the position detector 10 according to the first embodiment shown in FIG. 1, the y coordinate of the position where the radiation 9 is incident can be detected, but the x coordinate cannot be detected. According to the position detector 20 according to the second embodiment shown in FIG. 10, it is possible to detect the x coordinate and the y coordinate of the position where the radiation 9 is incident. In the second embodiment, detection of the y coordinate is performed based on the correspondence relationship between the spectral intensity distribution of fluorescence and the propagation distance of fluorescence, as in the first embodiment, and detection of the x coordinate is described below. This is done according to the principle of light quantity division.

図10に示すように、本発明の第2の実施形態に係る位置検出器20は、第1の実施形態に係る位置検出器10に加えて、一対の光導波路5(5A,5B)と、蛍光強度計測手段6(6A,6B)とをさらに備える。   As shown in FIG. 10, the position detector 20 according to the second embodiment of the present invention includes a pair of optical waveguides 5 (5A, 5B) in addition to the position detector 10 according to the first embodiment. Fluorescence intensity measuring means 6 (6A, 6B) is further provided.

一対の光導波路5A,5Bは、第1の方向(図中のy軸方向)と交差する第2の方向(図中のx軸方向)に沿って、媒体1の対向する領域に光学的に接続される。光導波路5A,5Bには、例えば光ファイバを用いることができる。   The pair of optical waveguides 5A and 5B are optically disposed in a region facing the medium 1 along a second direction (x-axis direction in the drawing) that intersects the first direction (y-axis direction in the drawing). Connected. For example, an optical fiber can be used for the optical waveguides 5A and 5B.

蛍光強度計測手段6A,6Bは、光導波路5A,5Bに接続されて、一対の光導波路5A,5Bに入射する蛍光Aの強度をそれぞれ計測する。計測した蛍光強度は、演算手段4に送信される。蛍光強度計測手段6A,6Bには、例えばフォトダイオードなどの光検出器を用いることができる。蛍光強度計測手段6A,6Bには、増幅器およびアナログ/デジタル変換器等の信号処理回路を適宜接続することができる。   The fluorescence intensity measuring means 6A and 6B are connected to the optical waveguides 5A and 5B, and measure the intensity of the fluorescence A incident on the pair of optical waveguides 5A and 5B, respectively. The measured fluorescence intensity is transmitted to the calculation means 4. For the fluorescence intensity measuring means 6A, 6B, for example, a photodetector such as a photodiode can be used. Signal processing circuits such as amplifiers and analog / digital converters can be appropriately connected to the fluorescence intensity measuring means 6A and 6B.

演算手段4は、蛍光強度計測手段6A,6Bが計測した蛍光Aの強度の比率に基づいて、入射位置の第2の方向の座標を決定する。   The computing means 4 determines the coordinates of the incident position in the second direction based on the ratio of the intensity of the fluorescence A measured by the fluorescence intensity measuring means 6A, 6B.

発光点と媒体1の端面との距離が小さいほど、蛍光Aが光導波路5A,5Bの内部へ伝搬する確率が増加する。したがって、蛍光強度計測手段6A,6Bのそれぞれの出力をI、Iとすると、蛍光強度の比率
あるいは
が、放射線9の入射点のx座標に比例することになる。y座標は、図1の構成と同様にして光導波路2により蛍光Aを分光器3に導いて決定することができるので、これにより2次元座標の検出が可能になる。なお、このようなx座標の位置検出技術は、一対の光導波路5A,5Bに至る光量の比に基づくので、その原理は「光量分割」と呼ぶことができる。
As the distance between the light emitting point and the end face of the medium 1 is smaller, the probability that the fluorescence A propagates into the optical waveguides 5A and 5B increases. Accordingly, if the respective outputs of the fluorescence intensity measuring means 6A and 6B are I 1 and I 2 , the ratio of the fluorescence intensity
Or
Is proportional to the x coordinate of the incident point of the radiation 9. The y-coordinate can be determined by guiding the fluorescence A to the spectroscope 3 by the optical waveguide 2 in the same manner as in the configuration of FIG. 1, so that the two-dimensional coordinate can be detected. Note that such an x-coordinate position detection technique is based on the ratio of the amount of light reaching the pair of optical waveguides 5A and 5B, and thus the principle can be referred to as “light amount division”.

以上、本発明の第2の実施形態に係る位置検出器20によると、空間分解能の向上と大面積化とを実現することができる。   As described above, according to the position detector 20 according to the second embodiment of the present invention, it is possible to improve the spatial resolution and increase the area.

[第3の実施形態]
図11は、本発明の第3の実施形態に係る位置検出器の構成を示す概略図である。第3の実施形態によると、高感度化された位置検出器が提供される。
[Third Embodiment]
FIG. 11 is a schematic diagram showing a configuration of a position detector according to the third embodiment of the present invention. According to the third embodiment, a highly sensitive position detector is provided.

図1に示す第1の実施形態に係る位置検出器10では、放射線9が媒体1に入射して蛍光Aが光導波路2内を伝搬する。媒体1と光導波路2とは光学的に接続されているが、図2に示すように光導波路2の接続面の面積が媒体1の接続面の面積より小さい場合には、光導波路2に伝搬する蛍光Aの量が少なくなり、位置検出器10の感度が低下する。これに対し、仮に、媒体1の接続面の面積と光導波路2の接続面の面積とを等しくすると、放射線9が入射する媒体1の面積が小さくなり、この場合も位置検出器10の感度が低下する。図11に示す第3の実施形態に係る位置検出器30によると、第2の蛍光体を含む第2の媒体を用いて位置検出器の有感領域を大きくしている。   In the position detector 10 according to the first embodiment shown in FIG. 1, the radiation 9 enters the medium 1 and the fluorescence A propagates through the optical waveguide 2. The medium 1 and the optical waveguide 2 are optically connected. However, when the area of the connection surface of the optical waveguide 2 is smaller than the area of the connection surface of the medium 1 as shown in FIG. The amount of fluorescence A to be reduced decreases, and the sensitivity of the position detector 10 decreases. On the other hand, if the area of the connection surface of the medium 1 is equal to the area of the connection surface of the optical waveguide 2, the area of the medium 1 on which the radiation 9 is incident is reduced. In this case, the sensitivity of the position detector 10 is also reduced. descend. According to the position detector 30 according to the third embodiment shown in FIG. 11, the sensitive area of the position detector is enlarged using the second medium containing the second phosphor.

図11に示すように、本発明の第3の実施形態に係る位置検出器30は、第1の実施形態に係る位置検出器10に加えて、第2の蛍光体を含み、媒体1に光学的に接続され、第1の方向(図中のy軸方向)と交差する第2の方向(図中のx軸方向)に延びる第2の媒体7をさらに備える。   As shown in FIG. 11, the position detector 30 according to the third embodiment of the present invention includes a second phosphor in addition to the position detector 10 according to the first embodiment, and is optically applied to the medium 1. And a second medium 7 that is connected to each other and extends in a second direction (x-axis direction in the drawing) that intersects the first direction (y-axis direction in the drawing).

第2の媒体7内には第2の蛍光体が一様に分散されている。第2の蛍光体は、放射線9(または励起光9)によって励起されることにより蛍光Bを放射する。第2の媒体7には、例えばシンチレーション物質を含む透明基板を用いることができ、例示的にはプラスチックシンチレータを用いることができる。   The second phosphor is uniformly dispersed in the second medium 7. The second phosphor emits fluorescence B by being excited by the radiation 9 (or excitation light 9). As the second medium 7, for example, a transparent substrate containing a scintillation substance can be used, and, for example, a plastic scintillator can be used.

第2の蛍光体を含む大面積の媒体7に放射線9が入射すると、第2の蛍光体が放射する蛍光Bが、第2の媒体7の内部を伝搬して媒体1に入射する。媒体1の内部には蛍光体が存在し、これが蛍光Bを吸収して、蛍光Bよりもエネルギーの低い蛍光Aを放射する。蛍光Aは媒体1の内部を伝搬し、光導波路2を介して分光器3へ到達する。この構成により、位置検出器30の有感領域は大きくなり、位置検出器の高感度化が実現される。   When the radiation 9 enters the medium 7 having a large area including the second phosphor, the fluorescence B emitted from the second phosphor propagates inside the second medium 7 and enters the medium 1. A phosphor is present inside the medium 1, which absorbs the fluorescence B and emits the fluorescence A having lower energy than the fluorescence B. The fluorescence A propagates inside the medium 1 and reaches the spectroscope 3 through the optical waveguide 2. With this configuration, the sensitive area of the position detector 30 is increased, and high sensitivity of the position detector is realized.

なお、放射線9が高エネルギーの電磁波、すなわちX線やγ線などの場合には、放射線9の吸収確率を上げるために、例えばCsIやNaI等のような原子番号の大きい元素を含む蛍光体(シンチレーターと呼ばれる)を第2の媒体7として用いるのが好ましい。一方で、これらの材料が放射する蛍光の波長は、必ずしも光ファイバによる吸収が小さい波長ではない。したがって、光導波路2として光ファイバ2を用い、長距離の光の伝送を行う場合には、シンチレータとして機能する第2の媒体7内から放射される蛍光Bを、媒体1内に含まれる蛍光体によって、さらに波長の長い蛍光Aに変換することが望ましい。   When the radiation 9 is high-energy electromagnetic waves, that is, X-rays or γ-rays, in order to increase the absorption probability of the radiation 9, for example, a phosphor containing an element with a large atomic number such as CsI or NaI ( A scintillator) is preferably used as the second medium 7. On the other hand, the wavelength of the fluorescence emitted by these materials is not necessarily a wavelength with small absorption by the optical fiber. Therefore, when the optical fiber 2 is used as the optical waveguide 2 and long-distance light transmission is performed, the fluorescence B radiated from the second medium 7 functioning as a scintillator is converted into the phosphor contained in the medium 1. Therefore, it is desirable to convert to fluorescence A having a longer wavelength.

以上、本発明の第3の実施形態に係る位置検出器30によると、位置検出器の有感領域を大きくすることができ、位置検出器の高感度化を実現することができる。   As described above, according to the position detector 30 according to the third embodiment of the present invention, the sensitive region of the position detector can be increased, and high sensitivity of the position detector can be realized.

[第4の実施形態]
図12は、本発明の第4の実施形態に係るモニタシステムの構成を示す概略図である。第4の実施形態によると、放射線モニタシステムが提供される。
[Fourth Embodiment]
FIG. 12 is a schematic diagram showing a configuration of a monitor system according to the fourth embodiment of the present invention. According to a fourth embodiment, a radiation monitor system is provided.

本発明の第4の実施形態に係る位置検出器によるモニタシステム40は、図1に示す第1の実施形態に係る位置検出器10において光導波路2(光ファイバ2)を備える点が特徴である。第4の実施形態に係るモニタシステム40において、位置検出器は、複数の媒体1A,1B,1Cと複数の光導波路2A,2B,2Cとを備えている。複数の光導波路2A,2B,2Cと分光器3との間には、光スイッチ(図示せず)が配置されており、複数の光導波路2A,2B,2Cは、光スイッチを介して単一の分光器3に光学的に接続されている。   The position detector monitoring system 40 according to the fourth embodiment of the present invention is characterized in that the position detector 10 according to the first embodiment shown in FIG. 1 includes the optical waveguide 2 (optical fiber 2). . In the monitor system 40 according to the fourth embodiment, the position detector includes a plurality of media 1A, 1B, 1C and a plurality of optical waveguides 2A, 2B, 2C. An optical switch (not shown) is disposed between the plurality of optical waveguides 2A, 2B, and 2C and the spectroscope 3, and the plurality of optical waveguides 2A, 2B, and 2C are single via the optical switch. Optically connected to the spectroscope 3.

第4の実施形態に係るモニタシステム40において、蛍光体を含む媒体1A,1B,1Cのそれぞれに入射するそれぞれの放射線9(または励起光9)の入射位置の第1の方向の座標を検出する動作は、第1の実施形態に係る位置検出器10の場合と同じである。光スイッチは、それぞれの媒体1A,1B,1Cから伝搬する蛍光Aを時分割で切り換えて分光器3に送る。演算手段4は、第1の実施形態に係る位置検出器10の場合と同様に、分光器3からの分光強度の計測値に基づいて、それぞれの媒体1A,1B,1Cに入射したそれぞれの放射線9の入射位置を出力する。   In the monitor system 40 according to the fourth embodiment, the coordinates in the first direction of the incident position of each radiation 9 (or excitation light 9) incident on each of the mediums 1A, 1B, and 1C including the phosphor are detected. The operation is the same as that of the position detector 10 according to the first embodiment. The optical switch switches the fluorescence A propagating from the respective media 1A, 1B, and 1C in a time division manner and sends the fluorescence A to the spectroscope 3. As in the case of the position detector 10 according to the first embodiment, the calculation means 4 is configured to receive each radiation incident on each medium 1A, 1B, 1C based on the measured value of the spectral intensity from the spectrometer 3. 9 incident positions are output.

以上、本発明の第4の実施形態に係る位置検出器によるモニタシステム40によると、広い範囲の領域において高い空間分解能で放射線量を計測しモニタすることができる。   As described above, according to the monitor system 40 using the position detector according to the fourth embodiment of the present invention, it is possible to measure and monitor the radiation dose with high spatial resolution in a wide area.

[発明の効果]
以上説明した本発明の構成および位置検出の原理によれば、位置検出器の空間分解能の向上と、長尺化または大面積化とを実現することができる。さらに、本発明の位置検出の原理と光導波路とを用いた放射線モニタシステムによれば、広い範囲の領域において高い空間分解能で放射線量を計測しモニタすることができる。
[The invention's effect]
According to the configuration and the principle of position detection of the present invention described above, it is possible to improve the spatial resolution of the position detector and increase the length or area. Furthermore, according to the radiation monitoring system using the principle of position detection and the optical waveguide of the present invention, it is possible to measure and monitor the radiation dose with high spatial resolution in a wide area.

本発明に係る位置検出器によると、高価な半導体材料ではなく、蛍光体を含む透明な媒体等の比較的安価な材料を用いるため、大型の位置検出器を安価に製造することが可能になる。放射線または励起光を検出する部分の構成には電源が不要であり、この検出部分から蛍光強度を計測する部分までの間も、電源が不要な光導波路にて接続されている。これにより、本発明に係る位置検出器は、例えば水中や原子炉の付近のような厳しい環境下での設置および動作を実現することができる。   According to the position detector according to the present invention, since a relatively inexpensive material such as a transparent medium containing a phosphor is used instead of an expensive semiconductor material, a large position detector can be manufactured at low cost. . The configuration of the portion for detecting radiation or excitation light does not require a power source, and the portion from this detection portion to the portion for measuring fluorescence intensity is also connected by an optical waveguide that does not require a power source. Thereby, the position detector according to the present invention can realize installation and operation in a severe environment such as underwater or in the vicinity of a nuclear reactor.

また、本発明に係るモニタシステムによれば、放射線が入射した位置の座標を検出することができるため、従来の点での放射線検出ではなく、線または面での放射線検出が可能となる。また、検出部として機能する媒体(透明基板)の片側から出力される蛍光で動作するため、従来のように検出器をループ状に接続する必要はない。検出部は直列に連結することができるので、広い面積のモニタが可能になる。   In addition, according to the monitor system of the present invention, since the coordinates of the position where the radiation is incident can be detected, radiation detection at a line or surface is possible instead of radiation detection at a conventional point. Further, since the operation is performed with the fluorescence output from one side of the medium (transparent substrate) functioning as the detection unit, it is not necessary to connect the detectors in a loop shape as in the prior art. Since the detectors can be connected in series, a large area can be monitored.

半導体材料を用いた位置検出器は、工場等の製造現場での作業の自動化(Factory Automation)や多様な機械の制御に利用されている。本発明に係る位置検出器は、このような半導体材料を用いる従来の位置検出器を代替することが可能になる。   A position detector using a semiconductor material is used for automation of work at a manufacturing site such as a factory (Factory Automation) and control of various machines. The position detector according to the present invention can replace the conventional position detector using such a semiconductor material.

本発明に係るモニタシステムは、大面積に対応し、検出精度が高く、耐環境性が高いため、例えば建物の壁や海底を含む広い範囲での環境放射線量を安価にモニタすることができる。したがって、例えば化学プラント等の大型の施設を対象とした、これまでになかった大規模での放射線モニタが可能になり、安全な環境の実現に寄与することができる。   The monitor system according to the present invention can monitor an environmental radiation dose in a wide range including, for example, a building wall and the seabed at low cost, because it corresponds to a large area, has high detection accuracy, and has high environmental resistance. Therefore, for example, a large-scale radiation monitor that has never been used for a large facility such as a chemical plant can be realized, which can contribute to the realization of a safe environment.

1(1A,1B,1C) 媒体(透明基板)
2(2A,2B,2C) 光導波路(光ファイバ)
3 分光強度計測手段(分光器)
4 演算手段
5(5A,5B) 光導波路
6(6A,6B) 蛍光強度計測手段
7 第2の媒体(透明基板)
9 放射線(励起光)
10,20,30, 位置検出器
40 モニタシステム
91 レーザー
92 鏡
A 蛍光(第1の蛍光)
B 蛍光(第2の蛍光)
1 (1A, 1B, 1C) Medium (transparent substrate)
2 (2A, 2B, 2C) Optical waveguide (optical fiber)
3 Spectral intensity measurement means (spectrometer)
4 Calculation means 5 (5A, 5B) Optical waveguide 6 (6A, 6B) Fluorescence intensity measurement means 7 Second medium (transparent substrate)
9 Radiation (excitation light)
10, 20, 30, Position detector 40 Monitor system 91 Laser 92 Mirror A Fluorescence (first fluorescence)
B fluorescence (second fluorescence)

Claims (6)

放射線または励起光によって励起されることにより第1の蛍光を放射する第1の蛍光体を含み、第1の方向に延びる第1の媒体と、
前記第1の媒体に光学的に接続され、前記第1の媒体内を伝搬した前記第1の蛍光の分光強度を計測する分光強度計測手段と、
前記分光強度に基づいて前記放射線または励起光の入射位置を決定する演算手段と、を備え、
前記演算手段は、前記分光強度から分光強度分布を定量化し、前記第1の蛍光の分光強度分布と前記第1の蛍光の伝搬距離との対応関係に基づいて、前記定量化した分光強度分布から、前記入射位置の前記第1の方向の座標を決定することを特徴とする、位置検出器。
A first medium that includes a first phosphor that emits first fluorescence when excited by radiation or excitation light, and extends in a first direction;
Spectral intensity measuring means optically connected to the first medium and measuring the spectral intensity of the first fluorescence propagated in the first medium;
Calculating means for determining an incident position of the radiation or excitation light based on the spectral intensity,
The calculation means quantifies the spectral intensity distribution from the spectral intensity, and based on the correspondence relationship between the spectral intensity distribution of the first fluorescence and the propagation distance of the first fluorescence, from the quantified spectral intensity distribution A position detector for determining coordinates of the incident position in the first direction.
第1の光導波路をさらに備え、
前記分光強度計測手段は、前記第1の光導波路を介して前記第1の媒体に光学的に接続されている、請求項1に記載の位置検出器。
Further comprising a first optical waveguide;
The position detector according to claim 1, wherein the spectral intensity measurement unit is optically connected to the first medium via the first optical waveguide.
前記第1の方向と交差する第2の方向に沿って、前記第1の媒体の対向する領域に光学的に接続される一対の第2の光導波路と、
前記第2の光導波路に接続され、前記一対の第2の光導波路に入射する前記第1の蛍光の強度をそれぞれ計測する蛍光強度計測手段と、をさらに備え、
前記演算手段は、前記蛍光強度計測手段が計測した前記第1の蛍光の強度の比率に基づいて、前記入射位置の前記第2の方向の座標を決定することを特徴とする、請求項1または2に記載の位置検出器。
A pair of second optical waveguides optically connected to opposing regions of the first medium along a second direction intersecting the first direction;
Fluorescence intensity measuring means connected to the second optical waveguide and measuring the intensity of the first fluorescence incident on the pair of second optical waveguides, respectively.
The calculation means determines coordinates of the incident position in the second direction based on a ratio of the intensity of the first fluorescence measured by the fluorescence intensity measurement means. 2. The position detector according to 2.
放射線または励起光によって励起されることにより第2の蛍光を放射する第2の蛍光体を含み、前記第1の媒体に接続され、第1の方向と交差する第2の方向に延びる第2の媒体をさらに備え、
前記第2の蛍光は、前記第1の蛍光よりもエネルギーが高く、
前記第1の蛍光体は、前記第2の蛍光によって励起されることにより前記第1の蛍光を放射する、請求項1または2に記載の位置検出器。
A second phosphor that emits second fluorescence when excited by radiation or excitation light, and is connected to the first medium and extends in a second direction intersecting the first direction Further comprising a medium,
The second fluorescence has higher energy than the first fluorescence,
The position detector according to claim 1, wherein the first phosphor emits the first fluorescence when excited by the second fluorescence.
前記第1の蛍光は、前記第2の蛍光よりも波長が長い、請求項4に記載の位置検出器。   The position detector according to claim 4, wherein the first fluorescence has a longer wavelength than the second fluorescence. 前記演算手段は、前記分光強度分布を積分して蛍光強度を算出し、前記蛍光強度と前記入射位置の前記座標との対応関係に基づいて、前記放射線または励起光の強度を算出することを特徴とする、請求項1から5のいずれかに記載の位置検出器。   The computing means calculates the fluorescence intensity by integrating the spectral intensity distribution, and calculates the intensity of the radiation or excitation light based on the correspondence between the fluorescence intensity and the coordinates of the incident position. The position detector according to any one of claims 1 to 5.
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