JP2022142487A - パルス波高分析装置及び放射線測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単発パルスの波高を検出する時の分解能を改善すること。【解決手段】パルス波高分析装置は、各々異なる時定数のフィルタリングにより単発パルスの波形を整形する複数の波形整形部と、複数の波形整形部の波形整形結果を平均した結果から単発パルスの波高を求める波高算出部と、を備え、各々異なる時定数は、各々異なる時定数のフィルタリングの結果の分解能が一定の範囲に収まる時定数である。【選択図】図１

Description

本発明は、パルス波高分析装置及び放射線測定装置に関する。

従来、パルス波高分析技術として例えば特許文献１が知られている。特許文献１に記載されたパルス波高検出装置は、放射線検出器が検出した放射線のエネルギーに応じた単ステップ状パルスの波高を検出するために、単ステップ状パルスを時間幅が異なる２個の台形状パルスに変換し、複数の台形状パルスの中から一つの台形状パルスを選択し、選択した台形状パルスの波高をピークホールドにより検出する。

特許第６１５９１４４号公報

上述した特許文献１に記載されたパルス波高検出装置では、時間幅が異なる２個の台形状パルスの中から一つの台形状パルスを選択して波高を検出するが、検出時の分解能（信号と雑音の比（ＳＮ比））を改善することが好ましい。特に放射線の検出時のように単発で検出されたパルス（単発パルス）の波高を検出する時の分解能を改善することが望まれる。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、単発パルスの波高を検出する時の分解能を改善することができるパルス波高分析装置及び放射線測定装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、単発パルスの波高を示す波高データを生成するパルス波高分析装置であって、各々異なる時定数のフィルタリングにより前記単発パルスの波形を整形する複数の波形整形部と、前記複数の波形整形部の波形整形結果を平均した結果から前記単発パルスの波高を求める波高算出部と、を備え、前記各々異なる時定数は、各々異なる時定数のフィルタリングの結果の分解能が一定の範囲に収まる時定数である、パルス波高分析装置である。

本発明の一態様は、上記したパルス波高分析装置において、前記波高算出部は、波高の算出毎に、前記平均した結果から前記単発パルスの波高を求めるサンプル位置を変える、パルス波高分析装置である。

本発明の一態様は、上記したパルス波高分析装置と、放射線を検出し、検出した放射線のエネルギーに応じた波高を有する単発パルスを出力する放射線検出器と、を備える放射線測定装置である。

本発明によれば、単発パルスの波高を検出する時の分解能を改善することができるという効果が得られる。

一実施形態に係るパルス波高分析装置及び放射線測定装置の構成を示すブロック図である。 一実施形態に係るパルス波高分析方法の説明図である。 一実施形態に係るパルス波高分析装置及び放射線測定装置の変形例を示すブロック図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
図１は、一実施形態に係るパルス波高分析装置２０、及びパルス波高分析装置２０を備える放射線測定装置１０の構成を示すブロック図である。
放射線測定装置１０は、放射線検出器１１と、プリアンプ１２と、微分回路１３と、高速ＡＤＣ１４と、パルス波高分析装置２０とを備える。

放射線検出器１１は、例えばゲルマニウム等の半導体検出器である。放射線検出器１１は、試料等から放出される放射線（例えば、γ線、Ｘ線及びβ線等）を検出する。放射線検出器１１は、検出する放射線のエネルギーに応じた波高値を有するパルスを出力する。放射線検出器１１から出力されるパルスは単発パルスの一例である。以下、放射線検出器１１から出力されるパルスを単発パルスと称する。

プリアンプ１２は、放射線検出器１１から出力されるアナログの単発パルスを増幅する。微分回路１３は、プリアンプ１２で増幅された単発パルスからＤＣ成分を除去する。高速ＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１４は、微分回路１３から出力されるアナログの単発パルスを所定のサンプリング周波数でデジタルの単発パルスに変換する。高速ＡＤＣ１４から出力されたデジタルの単発パルスは、パルス波高分析装置２０へ入力される。
なお、プリアンプ１２からの出力信号がステップパルスである場合、微分回路１３を設けずに、後段の波形整形部２１がデジタル信号処理によりＤＣ成分を除去しても良い。

パルス波高分析装置２０は、単発パルスの波高を示す波高データを生成する。パルス波高分析装置２０は、複数（ｎ個）の波形整形部２１（２１－１，２１－２，・・・，２１－ｎ、ｎは２以上の整数）と、波高算出部２２と、波高データメモリー２３と、出力部２４とを備える。

波形整形部２１（２１－１，２１－２，・・・，２１－ｎ）は、高速ＡＤＣ１４から出力されたデジタルの単発パルスに対して波形整形を行う。例えば、単発パルスの波形を三角形状又は台形状に整形する。複数（ｎ個）の波形整形部２１（２１－１，２１－２，・・・，２１－ｎ）は、各々異なる時定数ＳＴ（ＳＴ１，ＳＴ２，・・・，ＳＴｎ）のフィルタリングにより単発パルスの波形を整形する。例えば、第１波形整形部２１－１は時定数ＳＴ１のフィルタリングにより単発パルスの波形を整形し、第２波形整形部２１－２は時定数ＳＴ１とは異なる時定数ＳＴ２のフィルタリングにより単発パルスの波形を整形する。時定数ＳＴは、整形時定数やシェーピングタイムと呼称される。

波形整形部２１（２１－１，２１－２，・・・，２１－ｎ）が時定数ＳＴ（ＳＴ１，ＳＴ２，・・・，ＳＴｎ）のフィルタリングにより単発パルスの波形を整形すると、単発パルスに付随するノイズ信号も当該時定数ＳＴ（ＳＴ１，ＳＴ２，・・・，ＳＴｎ）のフィルタリングの影響を受ける。したがって、単発パルスに付随する同一のノイズ信号が、ｎ個の異なる時定数ＳＴ（ＳＴ１，ＳＴ２，・・・，ＳＴｎ）のフィルタリングによって、ｎ個の異なるノイズ信号に変換される。

複数（ｎ個）の波形整形部２１（２１－１，２１－２，・・・，２１－ｎ）の波形整形結果は、波高算出部２２へ入力される。この波形整形結果は、単発パルスが波形整形された結果（例えば三角形状パルス）と、単発パルスに付随するノイズ信号が変換された結果とを含む信号である。

波高算出部２２は、複数（ｎ個）の波形整形部２１（２１－１，２１－２，・・・，２１－ｎ）の波形整形結果を平均した結果から単発パルスの波高を求める。

例えば、単発パルスが三角形状パルスに波形整形される場合、波高算出部２２は、各波形整形部２１（２１－１，２１－２，・・・，２１－ｎ）から出力された合計ｎ個の波形整形結果を加算平均し、当該加算平均の結果におけるピーク値を取得し、取得したピーク値を単発パルスの波高として求める。

例えば、単発パルスが台形状パルスに波形整形される場合、波高算出部２２は、各波形整形部２１（２１－１，２１－２，・・・，２１－ｎ）から出力された合計ｎ個の波形整形結果を加算平均し、当該加算平均の結果における台形状パルスの上底のサンプル位置の値（サンプル値）を取得し、取得したサンプル値を単発パルスの波高として求める。また、各波形整形結果の台形状パルスの上低のサンプル位置の値（サンプル値）を平均した結果（平均値）を単発パルスの波高として求めてもよい。

台形状パルスの上底のサンプル位置は、固定されてもよく、又は動的に変化させてもよい。例えば、台形状パルスの上底のサンプル位置は、上底の長さの一定の割合の位置（例えば、２／３の位置）である。

また、台形状パルスの上底のサンプル位置は、波高の算出毎に変えてもよい。例えば、波高の算出毎に、無作為に、サンプル位置を定める「上底の長さの割合」を決める。

波高算出部２２は、求めた単発パルスの波高を示す波高データを波高データメモリー２３へ書き込む。

波高データメモリー２３は、波高データを記憶するメモリーである。

出力部２４は、波高データメモリー２３から波高データを読み出して出力する。出力部２４は、例えば、波高データをホストコンピューターへ送信する。

パルス波高分析装置２０は、例えばＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）等により実現される。また、パルス波高分析装置２０は、例えばリアルタイムのデジタル信号処理を行なうデジタルＭＣＡ（Ｍｕｌｔｉ Ｃｈａｎｎｅｌ Ａｎａｌｙｚｅｒ：マルチチャネルアナライザ）等により実現されてもよい。

（パルス波高分析方法）
図２は、本実施形態に係るパルス波高分析方法の説明図である。ここでは、２個の波形整形部２１（２１－１，２１－２）を用いて単発パルスの波高を求める場合を例に挙げる。また、単発パルスの波形を台形状に整形する場合を例に挙げる。

図２（ａ）には、パルス波高分析装置２０に入力される単発パルスＷが示される。図２（ｂ）には、第１波形整形部２１－１が時定数ＳＴ１のフィルタリングにより単発パルスＷの波形を台形状に整形した波形整形結果の台形状パルスＷ１が示される。図２（ｃ）には、第２波形整形部２１－２が時定数ＳＴ２のフィルタリングにより単発パルスＷの波形を台形状に整形した波形整形結果の台形状パルスＷ２が示される。時定数ＳＴ１，ＳＴ２の関係は「ＳＴ１＝（ＳＴ２）×２」である。また、台形状パルスＷ１の波高Ｈ１と台形状パルスＷ２の波高Ｈ２とがほぼ等しくなるようにゲイン調整されている（Ｈ１≒Ｈ２）。

図２（ｂ）に示されるように、台形状パルスＷ１と共にノイズ信号ＷＮ１が存在する。このノイズ信号ＷＮ１は、単発パルスＷに付随するノイズ信号が第１波形整形部２１－１による時定数ＳＴ１のフィルタリングを受けた結果である。また図２（ｃ）に示されるように、台形状パルスＷ２と共にノイズ信号ＷＮ２が存在する。このノイズ信号ＷＮ２は、単発パルスＷに付随するノイズ信号が第２波形整形部２１－２による時定数ＳＴ２のフィルタリングを受けた結果である。つまり、単発パルスＷに付随する同一のノイズ信号が２個の異なる時定数ＳＴ１，ＳＴ２のフィルタリングによって２個の異なる（同期していない）ノイズ信号ＷＮ１，ＷＮ２に変換される。

図２の例では、台形状パルスＷ１の上底のサンプル位置の値（サンプル値）が、波高Ｈ１として得られる。また台形状パルスＷ２の上底のサンプル位置の値（サンプル値）が、波高Ｈ２として得られる。波高Ｈ１と波高Ｈ２の平均値Ｈ３は「（Ｈ１＋Ｈ２）÷２）≒Ｈ１≒Ｈ２」となる。この平均値Ｈ３が単発パルスＷの波高として求められる。
なお、台形状パルスＷ１及び台形状パルスＷ２の上底やフラットトップをさらに平均化したり、またはサンプル位置を移動させたりすることによって、分解能の向上を図ることができる。
また、波高Ｈ１と波高Ｈ２の加算タイミングを合わせるために、単発パルスＷを時定数ＳＴ１やＳＴ２より早い時定数で微分した波形や、単発パルスＷをさらに早い時定数で微分した波形を短い時定数で波形整形した波形を用い、これに閾値「Fast Discriminator」を設定して台形状パルスＷ２の発生タイミングを検出してもよい。この発生タイミング後の最初のパルスピークを検出してそれぞれに波高Ｈ１、Ｈ２としてもよい。

一方、ノイズ信号ＷＮ１，ＷＮ２は同期していないので、加算平均によるアベレージングによってノイズ信号が低減される。ノイズ信号ＷＮ１，ＷＮ２の加算平均値は「（（（ＷＮ１）^２＋（ＷＮ２）^２）^１／２）÷２」であって、「ＷＮ１≒ＷＮ２」であるので、ノイズ信号が「１／√２」に減衰する。このように本実施形態によれば、ｎ個の異なる時定数のフィルタリングにより単発パルスをそれぞれ波形整形した波形整形結果（ｎ個）を加算平均することによって、単発パルスに付随するノイズ信号を「１／√ｎ」に低減することができる。

ここで、単発パルスの波高を検出する時の分解能を改善するためには、各々異なる時定数のフィルタリングの結果の分解能が許容可能な範囲に収まることが必要である。このために、本実施形態に係るｎ個の各々異なる時定数ＳＴ（ＳＴ１，ＳＴ２，・・・，ＳＴｎ）は、ｎ個の各々異なる時定数のフィルタリングの結果の分解能が一定の範囲に収まる時定数である。一般に放射線検出器では、時定数ＳＴが異なるフィルターを用いても分解能がほとんど変化しない（一定の範囲に収まる）時定数の領域がある。例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）検出器では、時定数ＳＴが３マイクロ秒（μｓ）から２０数μｓまでの範囲において、フィルタリングの結果の分解能がほとんど変化しない（一定の範囲に収まる）。したがって、本実施形態では、そのような時定数の範囲の中から、ｎ個の各々異なる時定数ＳＴ（ＳＴ１，ＳＴ２，・・・，ＳＴｎ）を、それぞれに、ｎ個の波形整形部２１（２１－１，２１－２，・・・，２１－ｎ）に設定する。

上述したように本実施形態によれば、ｎ個の異なる時定数のフィルタリングにより単発パルスをそれぞれ波形整形した波形整形結果（ｎ個）を加算平均することによって、単発パルスに付随するノイズ信号を「１／√ｎ」に低減することができることから、単発パルスの波高を検出する時の分解能を改善する効果が得られる。

（変形例）
図３は、本実施形態に係るパルス波高分析装置及び放射線測定装置の変形例を示すブロック図である。図３において図１の各部に対応する部分には同一の符号を付け、その説明を省略する。図３に示される放射線測定装置１０ａは、パルス波高分析装置２０ａを備える。パルス波高分析装置２０ａには、微分回路１３から出力されるアナログの単発パルスが入力される。

パルス波高分析装置２０ａは、ｎ個の波形整形部２１（２１－１，２１－２，・・・，２１－ｎ、ｎは２以上の整数）と、ｎ個の高速ＡＤＣ１４と、波高算出部２２と、波高データメモリー２３と、出力部２４とを備える。ｎ個の高速ＡＤＣ１４は、ｎ個の波形整形部２１（２１－１，２１－２，・・・，２１－ｎ）の各々に対応して設けられる。

パルス波高分析装置２０ａでは、波形整形部２１（２１－１，２１－２，・・・，２１－ｎ）は、微分回路１３から出力されたアナログの単発パルスに対して波形整形を行うアナログ回路として構成される。
なお、微分回路１３の代わりに、すべての波形整形部２１に対してそれぞれに微分回路を設けてもよい。これにより、波形整形部２１の時定数に各々の微積分回路の時定数を合わせるように同期したノイズ成分を効率良く減少させることができる。

ｎ個の高速ＡＤＣ１４は、それぞれ対応するｎ個の波形整形部２１（２１－１，２１－２，・・・，２１－ｎ）から出力されたアナログの波形整形結果を、所定のサンプリング周波数でデジタルの信号（デジタルの波形整形結果）に変換する。ｎ個の高速ＡＤＣ１４から出力されたｎ個のデジタルの波形整形結果は、波高算出部２２へ入力される。この波形整形結果は、単発パルスが波形整形された結果（例えば三角形状パルス）と、単発パルスに付随するノイズ信号が変換された結果とを含む信号である。波高算出部２２による波高算出処理は、上述したパルス波高分析装置２０と同様である。
なお、高速ＡＤＣ１４として、サンプリング方式ではなく、ピークホールド方式を使用してもよい。

なお、上述した実施形態では、放射線の検出に適用したが、時定数ＳＴが異なるフィルターを用いても分解能がほとんど変化しない（一定の範囲に収まる）時定数の領域があるエネルギーの検出であればよい。例えば、放射線、光（光子）、音波等の検出に適用可能である。

本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０，１０ａ…放射線測定装置、１１…放射線検出器、１２…プリアンプ、１３…微分回路、１４…高速ＡＤＣ、２０，２０ａ…パルス波高分析装置、２１…波形整形部、２２…波高算出部、２３…波高データメモリー、２４…出力部

Claims (3)

1. 単発パルスの波高を示す波高データを生成するパルス波高分析装置であって、
   各々異なる時定数のフィルタリングにより前記単発パルスの波形を整形する複数の波形整形部と、
   前記複数の波形整形部の波形整形結果を平均した結果から前記単発パルスの波高を求める波高算出部と、を備え、
   前記各々異なる時定数は、各々異なる時定数のフィルタリングの結果の分解能が一定の範囲に収まる時定数である、
   パルス波高分析装置。
2. 前記波高算出部は、波高の算出毎に、前記平均した結果から前記単発パルスの波高を求めるサンプル位置を変える、
   請求項１に記載のパルス波高分析装置。
3. 請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載のパルス波高分析装置と、
   放射線を検出し、検出した放射線のエネルギーに応じた波高を有する単発パルスを出力する放射線検出器と、
   を備える放射線測定装置。

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