JP2021060320A - ガンマ線測定システム、ガンマ線測定方法、及びガンマ線測定プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】入射ガンマ線エネルギーが未知で、かつ反応回数が３回のみの場合にもガンマ線の反応順序を推定する。【解決手段】ガンマ線測定システムは、入射ガンマ線と物質との複数回の反応を撮像する多重コンプトンカメラと、前記多重コンプトンカメラの出力に基づいて、検出器の内部におけるガンマ線の反応順序を決定する情報処理装置と、を有し、前記情報処理装置は、前記検出器の内部で発生した３つ以上の反応点について、可能なすべての反応順序の組を仮定し、前記反応順序の各組で、ｉ番目（ｉ＝２，３，…、Ｎ−１；Ｎは反応点の数）と仮定された反応点で観測される散乱と、エネルギー及び運動量保存則で決まる散乱とが整合する第１の確率と、前記ｉ番目と仮定された反応点でクライン・仁科の式で決まる散乱方向に前記反応が起こる第２の確率とを求め、前記第１の確率と前記第２の確率に基づいて前記ガンマ線の反応順序を決定する。【選択図】図１

Description

本発明は、ガンマ線測定システム、ガンマ線測定方法、及びガンマ線測定プログラムに関する。

高エネルギーの原子核が物質と反応を起こすと、原子核の束縛エネルギーに相当する数ＭｅＶ〜１０ＭｅＶの核ガンマ線が放射される。このエネルギー帯のガンマ線を撮像する手段として、コンプトン散乱を利用したカメラが知られている。通常のコンプトンカメラは、散乱体でコンプトン散乱を受けた後のガンマ線を、厚い吸収体で光電吸収させ、散乱体と吸収体のそれぞれで測定されたエネルギーから、ガンマ線の到来方法を決定する。しかし、光電吸収過程の反応断面積はエネルギーの−3.5乗程度のべき乗関数で急激に減少するため、数ＭｅＶ以上のガンマ線を高感度で検出するには、非常に重量のある吸収体を用意しなければならない。

上記のデメリットを解決するカメラが多重コンプトン散乱カメラである。数MeVを超えるガンマ線は、原子番号の比較的小さな物質を用いることで光電吸収が起きる確率を非常に小さくできるため、ある程度の厚みのある原子番号の小さな物質で構成された散乱体を用いることで、複数回のコンプトン散乱を引き起こすことができる。多層に重ねた位置敏感型放射線検出器を用いて、多重コンプトン散乱を利用したカメラが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。検出器中でガンマ線を複数回反応させ、可能なすべての反応順序を仮定し、各反応位置での散乱がエネルギー・運動量保存則と所定の許容誤差範囲内で矛盾しないかどうかをチェックすることで、反応順序を決めている。

特公平７−１３０９号公報

特許文献１の手法では、反応の起きた各層で検出されたエネルギーの総和および散乱体を取り囲むように配置した吸収体で測定されたエネルギーから、入射ガンマ線のエネルギーＥ₀を求め、反応順序からガンマ線の入射方向を推定する。ここで、散乱体での反応点が３か所しかない場合でも、吸収体のエネルギー情報を用いていることに注意する。下記の式（１）はエネルギー・運動量保存則を基にして仮定した反応順序におけるＥ₀を推定する式である。式（１）の各パラメータについては、図４を参照して後述する。吸収体がある場合は、推定したエネルギーと実際のエネルギーの比較により、特許文献１の通り反応順序の判定ができる。吸収体がない場合は、下記の式（１）を用いてＥ₀を推定しなければならないが、そのエネルギーでは自動的に式（１）を満たす。反応回数が３回のみの場合、式（１）しか満たすべき条件がないため、仮定したすべての反応順序で自動的にエネルギー・運動量保存則が満たされ、反応順序を特定することができない。

一方、多重コンプトン散乱は、散乱体の厚さにも依存するが、通常は３回までの反応の確率は、４回以上の反応に比べて大きいので、３回の反応で入射ガンマ線の方向とエネルギーを特定できることが望ましい。

本発明は、３回の反応でも精度良くガンマ線の反応順序を決定することのできるガンマ線測定の技術を提供することを目的とする。

本発明では、仮定したガンマ線の反応順序に基づいて正しい反応順序を決定する際に、エネルギー及び運動量保存則との矛盾の有無だけでなく、クライン・仁科の式で決まる散乱方向への反応確率を考慮する。これにより、吸収体がない多重コンプトンカメラにおいて、入射ガンマ線のエネルギーが未知の場合にも、３回のみの反応で反応順序を決定することが可能になる。さらに、クライン・仁科の式で決まる散乱方向の確率を考慮することで、順序決定の正答率が向上する。

本発明の一つの態様では、ガンマ線測定システムは、入射ガンマ線と物質との複数回の反応を撮像する多重コンプトンカメラと、前記多重コンプトンカメラの出力に基づいて、検出器の内部におけるガンマ線の反応順序を決定する情報処理装置と、を有し、
前記情報処理装置は、前記検出器の内部で発生した３つ以上の反応点について、可能なすべての反応順序の組を仮定し、前記反応順序の各組で、ｉ番目（ｉ＝２，３，…、Ｎ−１；Ｎは反応点の数）と仮定された反応点で観測される散乱と、エネルギー及び運動量保存則で決まる散乱とが整合する第１の確率と、前記ｉ番目と仮定された反応点でクライン・仁科の式で決まる散乱方向に前記反応が起こる第２の確率とを求め、前記第１の確率と前記第２の確率に基づいて前記ガンマ線の反応順序を決定する。

上記の構成により、入射ガンマ線エネルギーが未知の場合にも、３回のみの反応の順序決定が可能になり、また、順序決定の正答率が向上する。

実施形態のガンマ線測定システムの模式図である。 実施形態のガンマ線測定システムで用いられる多重コンプトンカメラの模式図である。 実施形態のガンマ線測定方法のフローチャートである。 多重コンプトンカメラによるガンマ線の入射方向とエネルギーの再構成の図である。 クライン・仁科の反応断面積の方位角依存性を示す図である。 実施形態の手法による反応順序の正答率を示す図である。

図１は、実施形態のガンマ線測定システム１の模式図である。ガンマ線測定システム１は、多重コンプトンカメラ１０と、情報処理装置２０を有する。情報処理装置２０は、多重コンプトンカメラ１０によって観測されたガンマ線の反応位置と、反跳電子のエネルギーに基づいて、入射ガンマ線のエネルギーと入射方向を特定する。

多重コンプトンカメラ１０は、検出器１１と、光電子増倍管１２と、光学系１３と、イメージインテンシファイア１４と、ＣＭＯＳカメラ等のイメージセンサ１５と、トリガー信号生成装置１７を有する。検出器１１は、一例として、シンチレーションファイバー束で構成されるシンチレータであり、多数のシンチレーションファイバーを組み合わせて一定の厚みをもつシンチレータが構成されている。

検出器１１にガンマ線が入射すると、検出器１１を構成する原子との相互作用により、エネルギーの一部を失って散乱し、原子中の電子は軌道から飛び出す。図中、ガンマ線は太線の矢印で示され、反跳電子は破線の矢印で示されている。検出器１１内でガンマ線が散乱する際に放出される反跳電子は、シンチレーションファイバーと反応して、光が放出される。多重コンプトンカメラ１０は、検出器１１内で放出された光の像を撮像する。

図２は、検出器１１を構成するシンチレータの模式図である。図２の（Ａ）に示すように、Ｙ方向に延びる多数のシンチレーションファイバー１１１をX方向に並べたシンチレーションファイバープレートが、厚さ方向（Ｚ方向）に重ねられている。厚さ方向で隣接するシンチレーションファイバー１１１の間に、Ｘ方向に延びるシンチレーションファイバー１１１をＹ方向に並べたシンチレーションファイバープレートが挟まれている。図示の便宜上、最上部と最下部においてのみＸ方向に延びるシンチレーションファイバー１１１が描かれているが、すべての隣接するＹ方向ファイバープレートの間に、Ｘ方向ファイバープレートが挿入されている。X方向のプレートおよびＹ方向のプレートを交互に重ねることで、一定の厚みをもつ三次元の放射線検出器が構成される。隣接するプレートで反跳電子によるエネルギーが測定されると、散乱した座標が求まる。これをＸ−Ｙ面内でみると、図２の（Ｂ）に示すように、Ｘ方向に延びるシンチレーションファイバー１１１と、Ｙ方向に延びるシンチレーションファイバー１１１の各交点が座標を表わし、反応が観察されたｉ番目の座標Ｃ_iは、C_i＝（ｘ_i，ｙ_i, ｚ_i）で表される。

検出器１１の内部で複数回の散乱を検出できるように、一例として、ファイバーの径が０．５ｍｍ角のシンチレーションファイバー１１１を用いて、１０ｃｍ×１０ｃｍ×１０ｃｍのファイバーキューブを形成する。シンチレーションファイバー１１１を用いた検出器１１の位置分解能を利用して、数ＭｅＶ〜１０ＭｅＶのガンマ線の入射に対して、反応点を検出することができる。

図１に戻って、検出器１１の一端側は光電子増倍管１２に接続されている。検出器１１の他端側は、ファイバーオプティックプレート（ＦＯＰ）などの光学系１３を介して、イメージインテンシファイア１４に接続されている。この構成例では、イメージインテンシファイア１４の有効径がファイバーキューブの一辺の長さよりも小さいので、ＦＯＰなどの光学系１３を用いて光を誘導しているが、イメージインテンシファイア１４の有効径とファイバーキューブのサイズが整合している場合は、光ガイド用の光学系１３を用いなくてもよい。

イメージインテンシファイア１４は、検出器１１で得られる微弱な光像を増強して、高輝度の光像を出力する。イメージインテンシファイア１４で増強された高輝度の光像は、ＣＭＯＳカメラ等のイメージセンサ１５によって、高速に読み出される。光電子増倍管１２は、他端からの光を電気信号に変換した後に増幅する。増幅された信号は、トリガー信号生成装置１７で波形整形を受け、ある閾値を超えた信号が入力された場合のみイメージセンサ１５へのトリガー信号を生成する。イメージセンサ１５は、トリガー信号生成装置１７からのトリガー信号のタイミングで、イメージインテンシファイア１４から光像を読み出す。

イメージセンサ１５の出力は、情報処理装置２０の入力に接続されている。情報処理装置２０は、入出力インタフェース２１と、プロセッサ２２と、メモリ２３と、表示装置２４と、入力装置２５を有し、これらはシステムバス２７によって相互に接続されている。情報処理装置２０は、パーソナルコンピュータ、スマートフォン、タブレット端末等、情報処理機能を有する任意の装置である。

入出力インタフェース２１は、外部デバイスを情報処理装置２０に接続してデータの入出力を行うためのインタフェースである。図１の例では、イメージセンサ１５が情報処理装置２０にとっての外部デバイスとなる。

プロセッサ２２は、情報処理装置２０の全体の動作と各装置の動作を制御し、必要な演算、データ加工等を行う。プロセッサ２２はまた、メモリ２３または図示しない補助記憶装置に記憶された各種のプログラムを実行する。

表示装置２４は、有機ＥＬディスプレイ、プラズマディスプレイ、液晶ディスプレイ等であり、静止画像、または動画像を表示する。イメージセンサ１５からの出力をプロセッサ２２で画像変換して、反応画像を表示装置２４に表示してもよい。

入力装置２５は、キーボード、マウス、マイク、タッチパネル等の入力用のユーザインタフェースである。入力装置２５がタッチパネルの場合は、表示装置２４の表示画面と入力装置２５が一体化されていてもよい。

実施形態の特徴として、情報処理装置２０は、多重コンプトンカメラ１０への入射ガンマ線のエネルギーが未知で、かつ、検出器１１での反応回数が３回のみであっても、入射ガンマ線の到来方向とエネルギーを推定する。検出器１１での反応回数が３回以上の場合も、もちろん、ガンマ線の到来方向とエネルギーの推定が可能であるが、極端に厚みのある散乱体を用いない限り、３回の反応が起きる確率は、４回以上の反応が起きる確率に比べて大きいので、３回の反応に基づくガンマ線測定は検出感度が良好である。

図３は、実施形態のガンマ線測定方法のフローチャートである。この処理フローは、情報処理装置２０のプロセッサ２２によって実行される。まず、検出器１１でのガンマ線の反応位置を取得する（Ｓ０）。反応位置を取得する前提として、検出器１１で起きたすべての反応で電子が得たエネルギーΔＥ_i（ｉ＝１,２，...，Ｎ）の総和Ｅ_totに相当する電気信号をモニタし、E_totがある設定値以上になったときに、各反応位置（ｘ_i,ｙ_i,ｚ_i）と、それぞれの反応位置でのエネルギーΔＥ_i(ｉ＝１,…Ｎ)を決定する。

このとき、バックグラウンドノイズとなり得るガンマ線以外の荷電粒子を排除するために、検出器１１を取り囲むように反同時計数検出器を配置して、反同時計数検出器からの信号Ｅ_Aを取得してもよい。検出器１１で検出された信号の総エネルギーＥ_totが第１の閾値を上回り、かつ反同時計数検出器からの信号Ｅ_Aが第２閾値を下回る場合のみ、反応位置決定のトリガーを出力する電子回路をプロセッサ２２に組み込んでもよい。

検出器１１での反応位置が求まると、入射ガンマ線の反応回数Ｎが３以上であるか否か（Ｎ≧３）を判断する（Ｓ１）。反応回数Ｎが３回に満たない場合は（Ｓ１でＮＯ）、エネルギーの再構成ができないので、処理を中止する。エネルギーの再構成とは、式（１）で表される入射ガンマ線のエネルギーの推定である。

図４は、多重コンプトンカメラ１０によるガンマ線の入射方向とエネルギーの再構成の図である。検出器１１内の位置Ｄ₁、Ｄ₂、Ｄ₃で入射ガンマ線が散乱する場合を考える。座標（ｘ₁，ｙ₁，z₁）で表される１つ目の位置Ｄ₁で、入射ガンマ線のエネルギーの一部ΔＥ₁は反跳電子に移り、ガンマ線のエネルギーはΔＥ₁だけ減少する。座標（ｘ₁，ｙ₁，ｚ₁）での反応によって散乱されるガンマ線の散乱角をθ₁とする。

座標（ｘ₂，ｙ₂，ｚ₂）で表される２つ目の位置Ｄ₂で、ガンマ線のエネルギーの一部ΔＥ₂は反跳電子に移り、ガンマ線のエネルギーはさらにΔＥ₂だけ減少する。座標（ｘ₂，ｙ₂，ｚ₂）での反応によって散乱されるガンマ線の散乱角をθ₂とする。下記の式（１）を用いて入射ガンマ線のエネルギーＥ₀を推定するには、右辺第３項のcosθ₂ ^geoを取得しなければならない。

散乱角θ₂を得るには、３回目の反応の情報が必要である。すなわち、散乱点ｉ＝２に着目したときに、ｉ＝１の反応点と、ｉ＝３の反応点の情報を用いる。反応回数が３回未満の場合（Ｎ＜３）はエネルギーを再構成することができず、処理を中止する。

一方、反応回数が３回以上の場合（Ｓ１でＹＥＳ）、反応順序さえわかれば、入射ガンマ線のエネルギーＥ₀と到来方向を推定することができる。そこで、ステップＳ２に進んで反応順序のｋ通りの組を決定する（Ｓ２）。

たとえば、Ｎ＝３で３個の反応点(ｘ_i,ｙ_i，z₁)（ｉ＝１，２，３）がある場合、反応順序の組ｋとしては、｛１，２，３｝、｛１，３，２｝、｛２，１，３｝、｛２，３，１｝、｛３，１，２｝、｛３，２，１｝の６通り（３！＝３×２×１）が考えられる。以下で、反応順序の組を仮定した場合のｉ番目の反応点の座標を（ｘ_i，ｙ_i，ｚ_i）、反応で反跳電子が得たエネルギーをΔＥ_iと表す。

次に、ステップＳ３で、ある組の入射ガンマ線のエネルギーＥ₀を決定する（Ｓ３）。エネルギー再構成におけるΔＥ₁とΔＥ₂は、イメージセンサ１５で検出される各反応点の信号強度から得られる。cosθ₂ ^geoは、反応点の座標から、

で求められる。左辺の上付き「geo」は、観測された３つの反応点で決まる幾何学的な角度であることを示す。

式（１）に、ΔＥ₁とΔＥ₂、cosθ^geo ₂の計算結果を代入して、入射ガンマ線のエネルギーＥ₀を決定する。

次に、その組でｉ番目と仮定した反応点における散乱前のガンマ線のエネルギーＥ_iを算出する（Ｓ４）。ステップＳ３で入射ガンマ線のエネルギーＥ₀が求まっているので、
Ｅ_i＝Ｅ₀−ΔＥ₁−ΔＥ₂…−ΔＥ_i
で求めることができる。

次に、その組のエネルギー再構成の結果と、エネルギー運動量保存則とが整合する確率ｐ_i ^kinを求める（Ｓ５）。エネルギー運動量保存則との整合性は、たとえば、運動学で決まる角度のcosθ_i ^kin

と、３つの反応点で決まる幾何学的なcosθ_i ^geo

を計算し、比較することで求めてもよい。

式（２）のcosθ_i ^kinと、式（３）のcosθ_i ^geoの値には、測定エネルギーや位置の不定性が含まれるため、その不定性を考慮した整合性の確率p_i ^kinをｉ＝２，３，…，Ｎ−１のそれぞれで求める。ここで、角度θiで着目している散乱点はi番目の反応点である(
ｉ＝２，３，…，Ｎ−１)。

確率p_i ^kinの定義の仕方は様々考えられるが、例えば以下のようにする。ガンマ線が同じ反応を起こしたとしても、cosθ_i ^geo やcosθ_i ^kinは検出器１１のエネルギー分解能や位置分解能によってばらつく。その期待されるばらつきを解析的に算出するのは難しいので、乱数を用いて測定されたエネルギーと反応位置をばらつかせ、cosθ_i ^geoとcosθ_i ^kinの分布を作成する。それぞれの分布における平均値μ^geo,μ^kinおよび標準偏差σ^geo,σ^kinを求める。確率p_i ^kinは、たとえば、

で与えられる。ここで、ｘとσは以下のように表される。

cosθ_i ^geo やcosθ_i ^kinは正規分布ではなく近似的な方法ではあるが、この方法でも十分な正答率が与えられる。

ここで、ｉ＝２のとき、Ｅ₁＝Ｅ₀−ΔＥ₁を式（２）に代入して変形すると、式（１）と同様の式（４）が得られる。

が得られる。

一方、測定された反応位置に基づいて式（３）で求められるcosθ₂ ^geoを式（１）に入れることで、式（１）を満たすＥ₀が定まるわけだが、そのＥ₀を式（４）に入れて求まるcosθ₂ ^kinの値は、常にcosθ₂ ^geoとなり、順序決定のための判定に使うことができない。そのため、ｉ＝２の場合は便宜上、ｐ₂ ^kin＝１と置く。散乱点が３つのみの場合はi=２のみであるため、このままでは順序決定の判定ができない。

ステップＳ６で、各反応点でその反応が起こる確率p_i ^KNを、クライン・仁科の式から求める。ステップＳ６とステップＳ５は同時に行われてもよいし、順序が逆であってもよい。ｉ＝２〜Ｎ−１の反応点で、散乱前のガンマ線のエネルギーＥγと、散乱後のガンマ線エネルギーＥγ'と、散乱角θが求まっていることになる。例えば、散乱前のエネルギーＥγ＝Ｅ_iのときは、散乱後のガンマ線のエネルギーＥγ'はＥ_i+1、θ＝θ_i+1となる。その反応が起こる確率p_i ^KNを、以下のクライン・仁科の式

で求める。クライン・仁科の式は、入射ガンマ線がコンプトン散乱をおこす断面積σを、ガンマ線が散乱される方向の立体角で微分した微分（反応）断面積である。ガンマ線は、エネルギーが高いほど前方に散乱するという特徴を持っているため、クライン・仁科の式は、反応順序の識別に有効である。

図５は、クライン・仁科の反応断面積の方位角依存性を示す図である。上記のクライン・仁科の式の古典電子半径ｒ₀は、ｒ₀＝１で規格化されている。角度は、ラジアン単位となっている。０ラジアンは、入射ガンマ線と同じ方向へガンマ線が散乱すること（直進すること）を意味する。１００ｋｅＶから１０００ｋｅＶと入射ガンマ線のエネルギーが高くなるほど、後方への散乱がほとんどなくなり、かつ前方に散乱する角度範囲が狭くなっている。

クライン・仁科の式に基づく反応の確率p_i ^KNとして、反応位置の不定性による散乱ガンマ線の散乱角の不定性を考慮して適当な立体角dΩを掛け合わせたものを用いてもよい。

図３に戻って、エネルギー運動量保存則との整合性の確率p_i ^kinと、クライン・仁科の式に基づく反応の確率p_i ^KNと用いて、尤度（likelihood）を計算する（S７）。尤度Ｌ_kは、

で表される。

次に、仮定した他の組があるか否かを判断する（Ｓ８）。他に仮定した組が有る場合は（Ｓ８でＹＥＳ）、ステップＳ３〜Ｓ８を繰り返す。仮定したすべての組についてＳ３〜Ｓ８の処理が終わると（Ｓ８でＮＯ）、最大尤度の組の反応順序を、正しい反応順序と推定して（Ｓ９）、処理を終了する。

この手法によると、反応点が３点のみの場合も、クライン・仁科の式の基づく反応の確率を取り込むことで、反応順序の推定が不可能になる事態を回避し、正しい反応順序を推定することができる。なお、仮定する順序の数はＮの階乗で増えるため、Ｎが大きいときには計算量が増えるが、最初の４あるいは５点といった適当なＭ回（Ｍ＜Ｎ）の散乱だけをチェックし、後は打ち切ってもよい。

図６は、実施形態の手法による反応順序の正答率を示す図である。実施形態の効果を検証するために、ＣＥＲＮ（欧州原子核研究機構）が開発したＧＥＡＮＴ ４パッケージを用いて物質中における粒子の反応をシミュレーションした。横軸は反応点の数、縦軸は反応順序の正答率である。黒丸は、反応順序の決定にクライン・仁科の式を用いる実施形態の構成と手法による計算結果、三角マークは、クライン・仁科の式を用いない公知の反応順序決定方法による計算結果である。シミュレーションでは、３次元の粒子飛跡の検出器１１（図１参照）に用いられるシンチレーションファイバーの素材であるポリスチレンに、４ＭｅＶのガンマ線を入射させた。シンチレーションファイバーの位置分解能を１ｍｍとし、典型的なエネルギー分解能を仮定する。

仮定する条件によって変化するが、上記の条件では、Ｎの値が大きいところ（Ｎ＝７以上）で正答率が顕著に向上した。３回反応の場合は、クライン・仁科の式を使わないとそもそも反応順序が決定できないので、横軸の値が３のとき公知方法での計算結果は得られていない。あるいは、３の階乗通りの順序があるので、適当な順序を選択することで１００／３！＝１７％の正当率があると換算してもよい。

物質の厚みによっても効果は異なるが、３回反応は通常、多重散乱の中で高い確率で引き起こされるため、３回反応でも高い正答率で順序決定が可能となる本発明の効果は大きい。多重コンプトンカメラを用いたガンマ線測定で、本発明の手法により反応順序決定の正当率を向上させることにより、検出器サイズを大きくすることなく検出感度を向上させることができる。

実施形態のガンマ線測定方法をコンピュータプログラムで実現する場合は、ガンマ線測定プログラムを情報処理装置２０のメモリ２３または補助記憶装置に格納しておき、プロセッサ２２によってプログラムを実行する。この場合、プロセッサ２２は、プログラムに従って、以下の手順を実行する。

入射ガンマ線と物質との複数回の反応を撮像する多重コンプトンカメラからの出力に基づいて、検出器内部でのガンマ線の反応位置を３つ以上特定する手順；
３つ以上の前記反応位置について、可能なすべての反応順序の組を仮定する手順；
仮定した前記反応順序の各組で、ｉ番目（ｉ＝２，３，…、Ｎ−１；Ｎは反応点の数）と仮定された反応点で観測される散乱と、エネルギー及び運動量保存側で決まる散乱とが整合する第１の確率を求める手順；
前記ｉ番目と仮定された反応点で、クライン・仁科の式で決まる散乱方向に前記反応が起こる第２の確率を求める手順；及び
前記第１の確率と前記第２の確率に基づいて前記ガンマ線の反応順序を決定する手順。

情報処理装置２０にこのプログラムを実行させることで、反応回数が３回の場合でも、高い正答率でガンマ線の反応順序を特定することができる。

本発明は多様な分野への応用が可能である。

（Ａ）放射線治療分野への応用
がんの治療法としての放射線治療には、これまではガンマ線や電子線が多く使われてきたが、最近ではより体への負担が少なく効果的な陽子線や重粒子線といった原子核を加速させて治療する方法に変わりつつある。しかし、患者を設置してから照射までに患者や臓器の動きによる位置不定性および粒子の飛程の不定性があるため、照射時に患部に十分な吸収線量が与えられているか、あるいは照射箇所や飛程は適切かということを現場でモニタする技術が求められている。そのためには、ビームと患部の原子核の相互作用で発生するガンマ線の撮像が有用である。特に、実施形態の構成と手法では、２ＭｅＶ以上のガンマ線撮像を高感度、かつ高位置分解能で測定でき、粒子飛程の決定精度が向上する。実施形態のガンマ線測定をモニタに用いることで、より体への負担が少ないがん治療が可能となる。

（Ｂ）核融合分野への応用
高いエネルギー増倍率（核融合出力のプラズマへの加熱入力に対する比率）を実現するためには、重水素とトリチウムの核融合反応で生成されるヘリウムイオン（α粒子）の排出・制御が重要であるが、現状ではα粒子の状態を精度良くモニタできていない。実施形態の構成と手法では、数ＭｅＶ以上のガンマ線が高感度、かつ高分解能で撮像でき、高い正答率で到来方向を推定できる。実施形態のガンマ線測定により、α粒子と炉壁の材料であるベリリウムとの反応で生成される３〜４ＭｅＶのラインガンマ線を観測することで、α粒子を間接測定することが可能となる。損失α粒子の間接測定技術が確立できれば、内部の閉じ込め領域の高エネルギーα粒子の診断も可能になり、核融合プラズマ研究の基盤の拡大に貢献できる。

（Ｃ）宇宙観測への応用
加速器を遥かに凌駕するエネルギーを持つ原子核（宇宙線）が宇宙のどこで、どのように加速されているかという宇宙線起源の問題は、未だ完全には解決されていない。宇宙線起源の仮説を立証するには、宇宙線と天体近傍の星間物質が相互作用する際に生じるガンマ線の観測が有効である。実際、ガンマ線観測によって、粒子を加速している天体は見つかってきている。しかし、加速される粒子が、地球で測定される宇宙線の主要な成分である原子核なのか、それとも電子なのか、という根本的な問題が残されている。この問題を解決するための有力な方法が、宇宙線原子核が星間物質中の原子核を励起した後に生ずる脱励起ラインガンマ線（１０ＭｅＶ以下）である。実施形態の構成と手法により、１ＭｅＶ〜１０ＭｅＶのガンマ線観測技術を用いて脱励起ラインガンマ線を捉えることで、加速されている宇宙線の種類を観測的に検証することが可能になる。

１ ガンマ線測定システム
１０ 多重コンプトンカメラ
１１ 検出器
１１１ シンチレーションファイバー
１２ 光電子増倍管
１３ 光学系
１４ イメージインテンシファイア
１５ イメージセンサ
１７ トリガー信号生成装置
２０ 情報処理装置
２１ 入出力インタフェース
２２ プロセッサ
２３ メモリ
２４ 表示装置
２５ 入力装置

Claims (6)

1. 入射ガンマ線と物質との複数回の反応を撮像する多重コンプトンカメラと、
   前記多重コンプトンカメラの出力に基づいて、検出器の内部におけるガンマ線の反応順序を決定する情報処理装置と、
   を有するガンマ線測定システムにおいて、
   前記情報処理装置は、前記検出器の内部で発生した３つ以上の反応点について、可能なすべての反応順序の組を仮定し、前記反応順序の各組で、ｉ番目（ｉ＝２，３，…、Ｎ−１；Ｎは反応点の数）と仮定された反応点で観測される散乱と、エネルギー及び運動量保存則で決まる散乱とが整合する第１の確率と、前記ｉ番目と仮定された反応点でクライン・仁科の式で決まる散乱方向に前記反応が起こる第２の確率とを求め、前記第１の確率と前記第２の確率に基づいて前記ガンマ線の反応順序を決定する、
   ことを特徴とするガンマ線測定システム。
2. 前記情報処理装置は、前記反応順序の各組で、前記第１の確率と前記第２の確率に基づいて対応する反応順序の尤度を計算し、前記尤度が最大の組で仮定された反応順序を正しい反応順序として決定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のガンマ線測定システム。
3. 前記多重コンプトンカメラは、複数のシンチレーションファイバーで形成される立体型の前記検出器を有し、
   前記情報処理装置は、前記検出器における前記３つ以上の反応点の各々について３次元座標位置を決定することを特徴とする請求項１または２に記載のガンマ線測定システム。
4. 情報処理装置において、
   入射ガンマ線と物質との複数回の反応を撮像する多重コンプトンカメラからの出力を取得し、
   前記出力に基づいて検出器内部での３つ以上のガンマ線の反応点を特定し、
   前記３つ以上の反応点について、可能なすべての反応順序の組を仮定し、
   前記反応順序の各組で、ｉ番目（ｉ＝２，３，…、Ｎ−１；Ｎは反応点の数）と仮定された反応点で観測される散乱と、エネルギー及び運動量保存側で決まる散乱とが整合する第１の確率を求め、
   前記ｉ番目と仮定された反応点で、クライン・仁科の式で決まる散乱方向に前記反応が起こる第２の確率を求め、
   前記第１の確率と前記第２の確率に基づいて、前記ガンマ線の反応順序を決定する、
   ことを特徴とするガンマ線測定方法。
5. 前記反応順序の各組で、前記第１の確率と前記第２の確率に基づいて、対応する反応順序の尤度を計算し、
   前記尤度が最大の組で仮定された反応順序を正しい反応順序として決定する、
   ことを特徴とする請求項４に記載のガンマ線測定方法。
6. プロセッサに、
   入射ガンマ線と物質との複数回の反応を撮像する多重コンプトンカメラからの出力に基づいて、検出器内部でのガンマ線の反応点を３つ以上特定する手順と、
   ３つ以上の前記反応点について、可能なすべての反応順序の組を仮定する手順と、
   仮定した前記反応順序の各組で、ｉ番目（ｉ＝２，３，…、Ｎ−１；Ｎは反応点の数）と仮定された反応点で観測される散乱と、エネルギー及び運動量保存側で決まる散乱とが整合する第１の確率を求める手順と、
   前記ｉ番目と仮定された反応点で、クライン・仁科の式で決まる散乱方向に前記反応が起こる第２の確率を求める手順と、
   前記第１の確率と前記第２の確率に基づいて、前記ガンマ線の反応順序を決定する手順と、
   を実行させるガンマ線測定プログラム。

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