JP2020148689A

JP2020148689A - 検出装置及びスペクトル生成装置

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Publication number: JP2020148689A
Application number: JP2019047781A
Authority: JP
Inventors: 駿介村田; Shunsuke Murata; 朋樹青山; Tomoki Aoyama
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2020-09-17
Anticipated expiration: 2039-03-14
Also published as: JP6999593B2

Abstract

【課題】スペクトルに現れるサムピークによる誤検出を低減する。【解決手段】エネルギー線を検出して検出信号を出力する検出部１０と、検出信号の立ち上がりを示すファスト系信号を生成するファスト系信号処理と、ファスト系信号処理よりもフィルタ時定数が長く、検出信号の信号強度を示すスロー系信号を生成するスロー系信号処理とを行い、ファスト系信号及びスロー系信号を用いて、信号強度とカウント数とを対応づけたスペクトルを生成する信号処理部２０とを備え、信号処理部２０は、フィルタ時定数が互いに異なる複数のファスト系信号処理を行うものであり、複数のファスト系信号処理により得られた複数のファスト系信号とスロー系信号とを用いて、複数のファスト系信号処理それぞれのフィルタ時定数に対応した複数のスペクトルを生成する。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば放射線や光等のエネルギー線を検出する検出装置及び当該検出装置に用いられるスペクトル生成装置に関するものである。

従来の放射線検出装置としては、特許文献１に示すように、シリコンドリフト検出器（ＳＤＤ（Silicon Drift Detector））等の放射線検出器から出力される電荷の積算量を、ＣＳＡ（Charge Sensitive Amplifier）等の変換部によりその積算量に応じた積算信号（例えば電圧信号）に変換して、ＤＰＰ（Digital Pulse Processor）等のパルスプロセッサに入力する構成とされている。このパルスプロセッサは、フィルタを用いて、階段状波形からなる積算信号をパルス信号に整形する。このパルス信号の波高値は、放射線のエネルギーに対応している。そして、このパルス信号をＭＣＡ（Multi Channel Analyzer）等のカウンタで波高別にカウントすることによって、放射線スペクトルを得ることができる。

この放射線検出装置の課題として、放射線スペクトルにおいて、複数のピークが重なることによるサムピークがある。サムピークは、ほぼ同時に発生した放射線を同時に捉えてしまうことで、大きなエネルギーの別の元素として、スペクトル上にピークを形成してしまい、含有元素の誤検出の要因となる。

サムピーク対策として、検出信号の立ち上がりを検出するためのフィルタ時定数の短いファスト系信号処理と、検出信号の信号強度を検出するためのフィルタ時定数の長いスロー系信号処理とを行うことが行われている。ファスト系信号処理により、放射線検出器に入射した放射線をより小さな時間分解能で分別でき、分別した放射線のエネルギーはスロー系信号処理により高精度に検出することができる。そして、ファスト系信号処理のフィルタ時定数を最大限短くすることによって、サムピークを低減する試みがなされていた。

しかしながら、放射線検出装置において、放射線の入射がランダムであることから、如何にファスト系信号処理のフィルタ時定数を短くしても、サムピークをゼロにすることは物理的に不可能である。

特開２０１４−２１９３６２号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決すべくなされたものであり、スペクトルに現れるサムピークによる誤検出を低減することをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る検出装置は、エネルギー線を検出して検出信号を出力する検出部と、前記検出信号の立ち上がりを示すファスト系信号を生成するファスト系信号処理と、前記ファスト系信号処理よりもフィルタ時定数が長く、前記検出信号の信号強度を示すスロー系信号を生成するスロー系信号処理とを行い、前記ファスト系信号及び前記スロー系信号を用いて、前記信号強度とカウント数とを対応づけたスペクトルを生成する信号処理部とを備え、前記信号処理部は、フィルタ時定数が互いに異なる複数のファスト系信号処理を行うものであり、当該複数のファスト系信号処理により得られた複数のファスト系信号と前記スロー系信号とを用いて、前記複数のファスト系信号処理それぞれのフィルタ時定数に対応した複数の前記スペクトルを生成することを特徴とする。

この検出装置によれば、ファスト系信号処理それぞれのフィルタ時定数に対応した複数のスペクトルを生成しているので、それら複数のスペクトルを比較することによって、２つ以上のピークが重なって生じるサムピークを視覚的に又は自動的に見極めることができる。その結果、サムピークによる誤検出を低減することができる。

また、検出装置は、前記信号処理部により得られた複数の前記スペクトルを用いて、前記ファスト系信号処理のフィルタ時定数をゼロとした場合に推定されるスペクトルを算出する推定スペクトル算出部をさらに備えることが望ましい。
この構成であれば、自動的にサムピークが除去されたスペクトルを得ることができるので、装置の使い勝手を良くすることができるとともに、視覚的に判断することに比べてサムピークの除去を確実に行うことができる。

その他、検出装置は、前記信号処理部により得られた複数の前記スペクトルを用いて、前記ファスト系信号処理のフィルタ時定数とは異なるフィルタ時定数を用いた場合に推定されるスペクトルを算出する推定スペクトル算出部をさらに備えることが望ましい。

ユーザがサムピークを判別する場合に、その作業を容易にするためには、検出装置は、前記信号処理部により得られた複数の前記スペクトルを同一画面上に出力するスペクトル出力部をさらに備えることが望ましい。

本発明の検出装置は、放射線検出装置として用いることが考えられる。この場合、前記検出部は、前記放射線が入射することにより発生した電荷を出力する放射線検出器と、前記発生した電荷をアナログ信号に変換するプリアンプと、前記プリアンプからのアナログ信号をデジタル信号である検出信号に変換するＡ／Ｄ変換部とを備える。

また、本発明に係るスペクトル生成装置は、検出信号の立ち上がりを示すファスト系信号を生成するファスト系信号処理と、前記ファスト系信号処理よりもフィルタ時定数が長く、前記検出信号の信号強度を示すスロー系信号を生成するスロー系信号処理とを行い、前記ファスト系信号及び前記スロー系信号を用いて、前記信号強度とカウント数とを対応づけたスペクトルを生成するスペクトル生成装置であって、フィルタ時定数が互いに異なる複数のファスト系信号処理を行い、当該複数のファスト系信号処理により得られた複数のファスト系信号と前記スロー系信号とを用いて、前記複数のファスト系信号処理それぞれのフィルタ時定数に対応した複数の前記スペクトルを生成することが望ましい。

このように構成した本発明によれば、スペクトルに現れるサムピークによる誤検出を低減することができる。

本実施形態の検出装置（Ｘ線検出装置）の構成を示す模式図である。ファスト系信号処理におけるフィルタ時定数を変化させた場合のスペクトルｓ１（ｉ）〜ｓ５（ｉ）、ｓ´（ｉ）を示す図である。各チャンネルにおける多項近似式の例を示す模式図である。別の信号処理部におけるサムピークの除去方法を示す模式図である。

以下に本発明に係る検出装置の一態様であるＸ線検出装置について図面を参照して説明する。

本実施形態のＸ線検出装置１００は、図１に示すように、Ｘ線を検出して検出信号を出力する検出部１０と、当該検出部１０からの検出信号を処理してスペクトルを生成する信号処理部２０とを備えている。

検出部１０は、Ｘ線が入射することにより発生した電荷を出力するＸ線検出器２と、Ｘ線検出器２から出力される電荷の積算量をその積算量に応じたアナログ積算信号である電圧信号に変換する電圧信号に変換するプリアンプ３と、プリアンプ３からのアナログ電圧信号をデジタル電圧信号に変換するＡ／Ｄ変換部４とを備えている。

Ｘ線検出器２は、シリコンドリフト検出器（ＳＤＤ（Silicon Drift Detector））である。なお、シリコンドリフト検出器は、同心状の電極構造により中心部の収集電極に集めるものである。そして、このシリコンドリフト検出器では、入射したＸ線を空乏層で吸収し、当該空乏層において入射したＸ線のエネルギーに比例した数の電子−正孔対が生成される。生成された電子は、シリコンドリフト検出器内の電位勾配に従って、発生した電子は収集電極（アノード）に流れる。これにより、シリコンドリフト検出器は、入射したＸ線のエネルギーに比例した電荷を出力する。

プリアンプ３は、電荷増幅器（ＣＳＡ（Charge Sensitive Amplifier））であり、Ｘ線検出器２から出力された電荷をオペアンプ３１及びコンデンサ３２により積分・増幅して、Ｘ線のエネルギーに比例した電圧信号（アナログ信号）に変換するものである。プリアンプ３は、オペアンプ３１と、オペアンプ３１の入力端子（反転入力端子）及び出力端子の間に接続されたコンデンサ３２と、コンデンサ３２の電荷をリセット（放電）させる半導体スイッチ（例えばＦＥＴ）等のスイッチ３３とを有する。

信号処理部２０は、デジタルパルスプロセッサにより構成されており、Ａ／Ｄ変換部４からのデジタル電圧信号からノイズを除去するノイズ除去フィルタ５と、ノイズ除去フィルタ５を通過したデジタル電圧信号からパルス信号を生成する波形整形部６と、波形整形部６からのパルス信号等を用いてＸ線のエネルギー（信号強度に対応）を算出するエネルギー算出部７と、エネルギー算出部７により得られたＸ線のエネルギーを、エネルギー別にカウントするカウント部８とを備えている。なお、ノイズ除去フィルタ５は、必須の構成ではなく、Ａ／Ｄ変換部４からのデジタル信号をそのまま波形整形部６に入力しても良い。また、信号処理部２０は、パルス信号の信号強度を、信号強度別にカウントするものであっても良い。

ノイズ除去フィルタ５は、Ａ／Ｄ変換部４によりからのデジタル電圧信号に含まれるホワイトノイズを除去するものである。具体的にノイズ除去フィルタ５は、Ａ／Ｄ変換部４からのデジタル電圧信号の値を、所定の基準値からの差に応じた重み付け係数を用いて、加重移動平均することによってノイズを除去する。より詳細には、ノイズ除去フィルタ５は、時刻ｔ＝ｔ_０における基準値ｖ（ｔ_０）に応じて、時刻ｔ_０−ｎΔｔ≦ｔ＜ｔ_０＋ｎΔｔにおける電圧値ｖ（ｔ）＝ｖ（ｔ_０−ｎΔｔ）〜ｖ（ｔ_０＋ｎΔｔ）に、ｖ（ｔ）−ｖ（ｔ_０）に応じた重み付け係数ｗ（ｔ）を用いて電圧値ｖ（ｔ）を加重移動平均する。ここで、ノイズ除去フィルタ５は、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ又はＤＳＰ等のデジタル信号処理デバイス（デジタル回路）で構成されており、リアルタイムにパイプライン処理を行うという条件においてロジックリソースや処理速度の制約により、電圧方向に矩形状をなす重み付け係数（０／１の重み付け）を用いている。

波形整形部６は、Ａ／Ｄ変換部４からのデジタル電圧信号から例えば台形波形のパルス信号を生成する。

ここで、本実施形態の波形整形部６は、スロー系波形出力部６１とファスト系波形出力部６２とを備えている。

スロー系波形出力部６１は、Ｘ線のエネルギーに対して高分解能を有するものであり、大きいフィルタ時定数を用いて、Ａ／Ｄ変換部４からのデジタル電圧信号をフィルタ処理することにより、時間幅の大きい台形波形のパルス信号を生成するものである。なお、このスロー系波形出力部６１により得られた時間幅の大きいパルス信号は、エネルギー算出部７に出力されてＸ線情報に生成に用いられる。

なお、スロー系波形出力部６１は、十分なエネルギー分解能を得るには、通常０．５〜４μｓのフィルタ時定数が最適（この値はＸ線計数率、ノイズ、測定対象元素などに依存）である。また、信号の立ち上がりによる整形波形の鈍りを考慮し、パルス波形の頂上が平坦な台形となるよう、ホールディングタイムＨＴを数１０〜数１００ｎｓ設ける（この値はＳＤＤやＣＳＡ、プリアンプの特性や付加容量に依存）。このようにスロー系波形出力部６１の台形フィルタのフィルタ時定数は、最大波高を与える時間であるピーキングタイムＰＴとホールディングタイムＨＴとに基づいて、２ＰＴ＋ＨＴ（＋ＤＴ）となる。なお、ＤＴは、ＰＴやＨＴをゼロとしたときのパルス幅、つまり波形のなまり時間を意味する。これにより、平坦部の平均値（或いはピーク（極大値））と立ち上がり前の値（ベースライン）の平均値の差を取ることで、入射Ｘ線のエネルギーに比例したパルス波高値が得られ、ファスト系波形出力部のパルス信号を用いるより正確なエネルギー値が得られるが、全体のプロセス時間（２ＰＴ＋ＨＴ）はファスト系波形出力部６２より長くなり、その期間に複数のＸ線が入射すると、台形波が重なってしまい、個々の台形波の波高値が正確に取得できなくなってしまう。

また、ファスト系波形出力部６２は、Ｘ線の入射検出に対して高分解能を有するものであり、スロー系波形出力部６１よりも小さい時定数を用いて、Ａ／Ｄ変換部４からのデジタル電圧信号をフィルタ処理することにより、時間幅の小さいパルス信号（タイミングパルス）を生成するものである。このファスト系波形出力部６２のフィルタ時定数も、ピーキングタイムＰＴとホールディングタイムＨＴとに基づいて、２ＰＴ＋ＨＴ（＋ＤＴ）となる。なお、このファスト系波形出力部６２により得られた時間幅の小さいパルス信号は、パイルアップの検出等に用いられる。

また、エネルギー算出部７は、波形整形部６のスロー系波形出力部６１からのパルス信号のうち、ファスト系波形出力部６２によりパイルアップ検出されたものを除いたものからＸ線のエネルギーを算出する。

カウント部８は、マルチチャンネルアナライザ（ＭＣＡ）である。このカウント部８は、エネルギー別に、エネルギー算出部７により算出されたエネルギーＥが入力された回数をカウントして、Ｘ線情報であるＸ線スペクトルを生成する。

そして、本実施形態のＸ線検出装置は、ファスト系波形出力部６２が、フィルタ時定数（ｗ＝２ＰＴ）が互いに異なる複数のファスト系信号処理を行うものであり、当該複数のファスト系信号処理により複数のファスト系信号を生成する。なお、ファスト系波形出力部６２が、フィルタ時定数（ｗ＝ＨＴ）が互いに異なる複数のファスト系信号処理を行うものであっても良い。

また、エネルギー算出部７及びカウント部８は、複数のファスト系信号とスロー系信号とを用いて、複数のファスト系信号処理それぞれのフィルタ時定数に対応した複数のスペクトルを生成する。

例えば、ファスト系波形出力部６２が５つのフィルタ時定数ｗ１〜ｗ５のファスト系信号処理を行う場合、それらにより得られた複数のスペクトルｓ１〜ｓ５は図２に示すようになる。なお、図２の下図は、１７００ｅＶ付近を拡大した図である。このようにファスト系信号処理のフィルタ時定数の異なるスペクトルを例えばディスプレイ上に重ねて出力することによって、１７００ｅＶ付近のピークが大きく変化していることがわかり、このピークがサムピークであることを判別することができる。

さらに、本実施形態のＸ線検出装置１００は、ファスト系信号処理のフィルタ時定数が異なる複数のスペクトルを用いて、ファスト系信号処理のフィルタ時定数をゼロとした場合に推定されるスペクトルを算出する推定スペクトル算出部９をさらに備えている。

以下では、推定スペクトル算出部９の機能を図２、図３を参照して説明する。また、スペクトルの横軸をチャンネルと呼び、各値をｓ１（ｉ）、ｓ２（ｉ）等と呼ぶ（ｉはチャンネル番号である。）。

推定スペクトル算出部９は、すべてのチャンネルｉに対して、ｗ１〜ｗ５におけるｓ１（ｉ）を関数フィッティングして、各チャンネルｉ毎に多項近似式ｆ（ｗ）を求める。

そして、推定スペクトル算出部９は、各チャンネルｉ毎の多項近似式ｆ（ｗ）の定数項（ｗ＝０）の列ｓ´（ｉ）から、ｗ＝０のスペクトル、つまり、サムピークの無いスペクトルｓ´（ｉ）を生成する。

なお、多項近似式としては、２次近似することが考えられる。各ｗに対するサムピークの発生確率は、ｗが小さい区域では線形ないし２次近似が可能だからである。この性質は、パイルアップがいくつかのパルスから形成されていたとしても維持されるため、パイルアップを形成するパルス数が様々であったとしても、その和もまた１次又は２次近似が可能である。

したがって、本実施形態では、いくつのパルスから形成されるピークに対しても効果を有し、サムピークによって減ぜられるメインピークの変動もその通りに修正され復元することができる。

また、上記の多項式近似によって得られる関数パラメータは、スペクトルの統計変動が大きく乗っている可能性があるため、誤差が大きいことがある。このため、所定のエネルギー幅によりエネルギー方向に平準化しても良い。なぜならば、サムピークの近傍ではほぼ同じ係数でサムピークが起こっていることが多いからである。

ｓ´（ｉ）はｉの方向に平準化されているため、もはや得たいスペクトルとはならないが、ｓ´（ｉ）はさらなるサムピーク量の推定に用いることができる。例えば、再度ｗ間の２点の線形近似をして定数項を得ることでスペクトルを得るために用いることができる。ｓ´（ｉ）とのフィッティングには本来のｓ１（ｉ）〜ｓ５（ｉ）ではなく、それらを同じエネルギー幅で平準化したスペクトルを用いると良い。これらの処理は、サムピークがその近傍で同じ比率で発生している点を考慮して、統計変動を圧縮していることに相当する。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態のＸ線検出装置１００によれば、ファスト系信号処理それぞれのフィルタ時定数に対応した複数のスペクトルを生成しているので、それら複数のスペクトルを比較することによって、２つ以上のピークが重なって生じるサムピークを視覚的に又は自動的に見極めることができる。その結果、サムピークによる誤検出を低減することができる。

特に本実施形態では、推定スペクトル算出部９がファスト系信号処理のフィルタ時定数をゼロとした場合に推定されるスペクトルを算出するので、自動的にサムピークが除去されたスペクトルを得ることができ、装置の使い勝手を良くすることができるとともに、視覚的に判断することに比べてサムピークの除去を確実に行うことができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、推定スペクトル算出部９は、フィルタ時定数をゼロとした場合に推定されるスペクトルを算出するものの他、ファスト系信号処理のフィルタ時定数とは異なるフィルタ時定数を用いた場合に推定されるスペクトルを算出するものであっても良い。この場合においても、前記実施形態と同様に、多項近似式を用いることが考えられる。

また、検出装置１００の信号処理部２０は、所定のフィルタ時定数を用いてファスト系信号処理及びスロー系信号処理により１つのスペクトル（以下、実測スペクトルという。）を生成するものであり、以下のように、その１つの実測スペクトルからサムピークを取り除くように構成しても良い。

つまり、信号処理部２０は、図４に示すように、実測スペクトルの各チャンネルの信号の組み合わせと、その組み合わせが発生する統計的確率とから、サムピークを予測した第１予測スペクトルを生成する。そして、実測スペクトルから第１予測スペクトルを差し引くことによって、実測スペクトルからサムピークを除去して第１差分スペクトルを生成する。この除去処理によって、サムピークが十分に除去されない場合には、第１差分スペクトルの各チャンネルの信号の組み合わせと、その組み合わせが発生する統計的確率とから、サムピークを予測した第２予測スペクトルを生成する。そして、第１差分スペクトルから第２予測スペクトルを差し引くことによって、第１差分スペクトルからサムピークを除去して第２差分スペクトルを生成する。なお、この処理は、サムピークが除去されたと考えられる所定の条件を満たすまで例えば数回繰り返される。

さらに、Ｘ線検出器としては、Ｓｉ（Ｌｉ）型検出器等のその他の半導体検出器を用いることができるし、比例計数管や光電子増倍管など半導体以外でも良い。その他、Ｘ線検出の他、γ線など、その他の放射線検出に適用することもできる。また、放射線検出器は、シンチレータ等で光に変換したものを光検出器で検出する方式であっても良い。

その上、本発明は、パルス計測式のスペクトル分析装置であればよく、放射線以外にも流路を流れる流体に光を照射し、流体に含まれる測定対象成分に光が当たることにより生じる二次光をエネルギー線として検出するものであっても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・Ｘ線検出装置
１０・・・検出部
２０・・・信号処理部
２・・・Ｘ線検出器
３・・・プリアンプ
４・・・Ａ／Ｄ変換部
５・・・ノイズ除去フィルタ
６・・・波形整形部
６１・・・スロー系波形出力部
６２・・・ファスト系波形出力部
７・・・エネルギー算出部
８・・・カウント部

Claims

エネルギー線を検出して検出信号を出力する検出部と、
前記検出信号の立ち上がりを示すファスト系信号を生成するファスト系信号処理と、前記ファスト系信号処理よりもフィルタ時定数が長く、前記検出信号の信号強度を示すスロー系信号を生成するスロー系信号処理とを行い、前記ファスト系信号及び前記スロー系信号を用いて、前記信号強度とカウント数とを対応づけたスペクトルを生成する信号処理部とを備え、
前記信号処理部は、フィルタ時定数が互いに異なる複数のファスト系信号処理を行うものであり、当該複数のファスト系信号処理により得られた複数のファスト系信号と前記スロー系信号とを用いて、前記複数のファスト系信号処理それぞれのフィルタ時定数に対応した複数の前記スペクトルを生成する、検出装置。
前記信号処理部により得られた複数の前記スペクトルを用いて、前記ファスト系信号処理のフィルタ時定数をゼロとした場合に推定されるスペクトルを算出する推定スペクトル算出部をさらに備える、請求項１記載の検出装置。
前記信号処理部により得られた複数の前記スペクトルを用いて、前記ファスト系信号処理のフィルタ時定数とは異なるフィルタ時定数を用いた場合に推定されるスペクトルを算出する推定スペクトル算出部をさらに備える、請求項１又は２記載の検出装置。
前記信号処理部により得られた複数の前記スペクトルを同一画面上に出力するスペクトル出力部をさらに備える、請求項１乃至３の何れか一項に記載の検出装置。
前記エネルギー線は、放射線であり、
前記検出部は、
前記放射線が入射することにより発生した電荷を出力する放射線検出器と、
前記発生した電荷をアナログ信号に変換するプリアンプと、
前記プリアンプからのアナログ信号をデジタル信号である検出信号に変換するＡ／Ｄ変換部とを備える、請求項１乃至４の何れか一項に記載の検出装置。
検出信号の立ち上がりを示すファスト系信号を生成するファスト系信号処理と、前記ファスト系信号処理よりもフィルタ時定数が長く、前記検出信号の信号強度を示すスロー系信号を生成するスロー系信号処理とを行い、前記ファスト系信号及び前記スロー系信号を用いて、前記信号強度とカウント数とを対応づけたスペクトルを生成するスペクトル生成装置であって、
フィルタ時定数が互いに異なる複数のファスト系信号処理を行い、当該複数のファスト系信号処理により得られた複数のファスト系信号と前記スロー系信号とを用いて、前記複数のファスト系信号処理それぞれのフィルタ時定数に対応した複数の前記スペクトルを生成する、スペクトル生成装置。