JP4571252B2 - 光電子増倍管を用いた計測装置及びアフターパルス低減方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電子増倍管におけるアフターパルスの低減に関する。
【０００２】
【従来の技術及びその課題】
光電子増倍管は様々な分野において光子検出器として利用されている。例えば、放射線計測の分野では、シンチレータへの放射線の入射によって生じる光子が光電子増倍管で受光され、その光電子増倍管の出力パルスの計数によって放射線の線量などが計測されている。また、例えば、生物組織分析の分野では、蛍光物質などによって標識された組織からの光が光電子増倍管を利用して検出される。
【０００３】
この光電子増倍管の固有の問題として、アフターパルスの問題が知られている。これは真のパルス（メインパルス）の発生直後に、その真のパルスを誘因として起こるパルスである。アフターパルスの原因としては、幾つかの理由をあげることができるが、主たる要因として、残留気体の電子による電離をあげることができる。すなわち、光電子増倍管のチューブ内の残留気体がダイノード間を移動する電子の衝突によって電離されると、それによって生じたイオンが陰極側に引かれ、その一部が光電陰極に到達すると、再び電子増倍作用が生じてしまうのである。
【０００４】
このようなアフターパルスが生じると、当然、誤計数の問題が生じ、計測精度が低下する。そこで、従来から、アフターパルスを除去するための各種の手法が提案されているが、満足のいく手法は必ずしも提案されていない。例えば、パルス検出の時間分解能を長くする手法や波高弁別レベルを調整する手法によると、真のパルスの計数漏れという問題がある。なお、光電子増倍管の熱雑音を低減するために、光電子増倍管を室温よりも冷却することが行われている。
【０００５】
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、光電子増倍管で生じるアフターパルスを低減して計測精度を向上することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明は、光子の受光により電気的なパルスを出力する２つの光電子増倍管と、前記２つの光電子増倍管から出力されたパルスに対して同時計数を行う同時計数回路と、前記２つの光電子増倍管をそれぞれ加熱して、アフターパルスを低減する加熱手段と、前記２つの光電子増倍管それぞれの温度を検出する２つの温度センサと、前記加熱手段を制御する手段であって、前記２つの温度センサによる検出温度に従って前記２つの光電子増倍管のそれぞれの温度を同じ所定温度に維持する温度制御手段と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
本発明者による実験によれば、光電子増倍管の温度を室温（通常２５℃）よりも上昇させた場合、アフターパルスが低減することが確認され、これは一般の光電子増倍管に共通した性質であることが確認された。すなわち、その実験によれば、温度上昇とともに、利得が一定とみなせるような条件下であっても、アフターパルスは低下するという一般的傾向が見られる。但し、温度上昇とともに熱雑音が増加するため、光電子増倍管の全体を同じ温度にする場合、熱雑音とアフターパルスとの両者の作用を考慮する必要がある。なお、熱雑音は例えば同時計数などの手法によってある程度対処可能である。
【０００８】
本発明によれば、光電子増倍管の冷却という従来手法とは逆に、光電子増倍管を積極的に加熱し、これによりアフターパルスを効果的に低減するものである。
これにより、真のパルスの数え落としといった従来の問題を解消しつつ精度のよい計測を行える。
【０００９】
なお、光電子増倍管の加熱部位は、それ全体であってもよいが、望ましくは受光部を除く増倍部であるのが望ましい。
【００１０】
（２）望ましくは、前記光電子増倍管の加熱温度は３０℃〜４０℃の間の所定値に設定される。
【００１１】
アフターパルスの観点から見れば温度を上げた方がよいが、熱雑音の観点から見れば温度を下げた方がよい。また、光電子増倍管の動作可能な温度範囲という制約もある。更に、あまり温度を上げすぎると、利得低下という問題がある。これらの各種の事情を考慮すると、一般的に、加熱温度は３０〜４０℃の間に設定するのが望ましい。なお、例えば、４０℃に設定した場合、アフターパルスの計数値が非加熱時の計数値に比べて１／１０に低下することが確認されている。
【００１２】
（３）望ましくは、前記光電子増倍管の温度を検出する温度センサと、前記温度センサによる検出温度に従って前記光電子増倍管の温度を所定温度に維持する温度制御手段と、を含む。
【００１３】
また望ましくは、前記光電子増倍管の受光面を冷却する冷却手段を有する。この構成によれば、受光面の積極的な冷却による熱雑音の低減と、増倍部の積極的な加熱によるアフターパルス低減とを同時に達成することができ、理想的な光電子増倍管を構成可能である。
【００１４】
また望ましくは、前記加熱手段は前記光電子増倍管を直接的又は間接的に加熱する外部ヒーターである。また望ましくは、前記加熱手段は前記光電子増倍管のチューブ内に設けられた内部ヒーターである。
【００１５】
（４）本発明に係る方法は、光子の受光により電気的なパルスを出力する２つの光電子増倍管と、前記２つの光電子増倍管から出力されたパルスに対して同時計数を行う同時計数回路と、を含む計測装置のアフターパルス低減方法において、前記２つの光電子増倍管それぞれの温度を検出し、前記２つの光電子増倍管の検出温度に従って前記２つの光電子増倍管のそれぞれの温度を室温よりも高い同じ所定温度に維持し、これにより前記各光電子増倍管にて生じるアフターパルスを低減することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１には、本発明に係る計測装置の全体構成がブロック図として示されている。この計測装置は、例えば放射線の計測を行うものである。
【００１８】
本実施形態に係る計測装置は、２つの測定部１０，１２と、温度制御部１６と、信号処理回路１８と、スペクトロメータ（ＭＣＡ）２０と、で構成される。サンプル１４は、例えば液体シンチレータが混入された放射性試料である。その試料から放射線が放出されると、液体シンチレータにて発光が生じ、それにより生じた光が測定部１０，１２によって測定される。測定部１０，１２は互いに同一の構成を有しており、以下、測定部１０を代表して説明する。
【００１９】
測定部１０は、光電子増倍管２２及びそれを加熱するヒーター２４を含む。光電子増倍管２２は、周知のように光子を受光する受光部と、その受光により生じた光電子を増幅する増倍部と、からなるものであり、光の受光によって電気的なパルスを出力する。
【００２０】
図１に示す実施形態においては、光電子増倍管２２の外側を取り囲むようにヒーター２４が設けられている。このヒーター２４は例えばニクロム線などで構成されるものである。ちなみに、光電子増倍管２２の受光面はサンプル１４に対向しており、その受光面は露出している。光電子増倍管２２の外表面上には、温度センサ２５が設けられており、この温度センサ２５によって光電子増倍管２２の温度が検出され、その検出値が温度制御部１６に出力されている。温度制御部１６はその検出値に従ってヒーター２４を制御することにより光電子増倍管２２の温度を所定温度に維持する。ちなみに、その所定温度はユーザーによって任意に設定可能であり、例えば３０〜５０℃の範囲内に設定される。望ましくは４０℃に設定される。
【００２１】
測定部１２も上述の測定部１０と同様に、光電子増倍管２６と、ヒーター２８と、を有し、さらに温度センサ２７が設けられている。この光電子増倍管２６についても温度制御部１６によってその温度が制御されている。ちなみに、光電子増倍管２２，２６の温度は同じ値になるように制御されている。
【００２２】
信号処理回路１８において、アンプ３０，３２においては光電子増倍管２２，２６から出力されるパルスが増幅される。ちなみに、光電子増倍管２２，２６にはプリアンプが内蔵されている。もちろん、そのようなプリアンプが外部に設けられていてもよい。ディスクリミネータ３４，３６は増幅されたパルスの内で一定の波高値以上のパルスを出力する回路である。アンド回路（同時回路）３８は、ディスクリミネータ３４，３６からのパルスが２つとも同時に得られた場合にゲートパルスを出力する回路である。すなわち、いわゆる同時計数を行うために、このようなゲートパルスが生成されている。
【００２３】
加算回路４０は光電子増倍管２２，２６のパルスを加算し、その加算後のパルスをゲート回路４４に出力する。ゲート回路４４においては、ゲートパルスの発生期間内だけ、入力されるパルスを通過させる機能を有する。すなわち、このような処理によって熱雑音などのランダムに発生するノイズが除去されている。ちなみに、アフターパルスについては上記の同時計数によっては除外困難であるが、本実施形態においては、上述のように各光電子増倍管２２，２６にヒーター２４，２８が設けられ、それらの加温によってアフターパルスが効果的に低減されている。
【００２４】
スペクトロメータ２０はマルチチャンネルアナライザ（ＭＣＡ）で構成されるものであり、各波高値（チャンネル）ごとにカウント数を求める装置である。
【００２５】
図２には、光電子増倍管の動作特性に関し、光電子増倍管の温度とカウント数の関係が示されている。ここで、符号１００は電子回路系等から生じるノイズを表しており、符号１０２〜１１０は光電子増倍管の各温度におけるアフターパルスの波高分布を表している。ここで、符号１０４は０℃の場合を示し、符号１０６は１０℃の場合を示し、符号１０８は２０℃の場合を示し、符号１１０は４０℃の場合を示し、符号１０２は６０℃の場合を示している。この図２に示されるように、一般的傾向として、温度が上がるほどアフターパルスは減少しているが、６０℃となると急に上昇に転じる。
【００２６】
図３には、光電子増倍管の温度とアフターパルスの時間関係が示されている。
ここで、符号１１２は０℃の場合を示し、符号１１４は２０℃の場合を示し、符号１１６は４０℃の場合を示し、符号１１８は６０℃の場合を示している。ここで、１０２４チャネルが１００μｓに相当する。図示されるように、温度があがるほどアフターパルスは減少し、その傾向は６０℃においてもなお認められるが、６０℃とするとチャネル全域にわたって時間にランダムな熱雑音が増加する。
この結果、時間相関のあるアフターパルスを最小限に抑制する一方、時間的にランダムな熱雑音の増加を抑制する観点から加熱温度はおよそ５０度未満に設定するのが望ましい。
【００２７】
以上のような観点から、本実施形態においては、温度制御部１６が２つの光電子増倍管２２，２６の温度を４０℃に設定している。この結果、アフターパルスを効果的に低減できると共に、上述した同時計数によって熱雑音も低減でき、高精度の放射線計測を実現することが可能となる。
【００２８】
図４には、測定部の変形例が示されている。この変形例においては、光電子増倍管５０の増倍部５２の外側にヒーター５４が設けられている。具体的には、光電子増倍管５０のチューブを取り囲むように筒状のヒーター５４が設けられている。図１に示したように、このヒーター５４の温度は温度制御部よってコントロールされる。その一方、光電子増倍管５０における受光部周囲にはペルチェ素子などで構成される冷却機構５６が設けられている。すなわち、この冷却機構５６によって光電面５８及び受光部５３の温度を下げ、これによって熱雑音の低減を図るものである。冷却機構５６には必要に応じて冷却用フィンなどが設けられる。この冷却機構５６による冷却についても上述した温度制御部によってその冷却温度がコントロールされている。ちなみに、ヒーター５４と冷却機構５６との間には、断熱部材６０が設けられている。
【００２９】
図４に示すような構成によれば、光電面５８及び受光部５３を冷却して熱雑音を低減できると共に、増倍部５２を加熱してアフターパルスを低減することができ、より高精度の計測を実現可能である。
【００３０】
ちなみに、図１及び図２に示した実施形態においては、光電子増倍管のチューブの外側にヒーターが密着して設けられていたが、１又は複数の測定部が収容される測定室の内部にヒーターを設けるようにしてもよい。あるいは、光電子増倍管の中にヒーターを設けるようにしてもよい。すなわち、チューブの内面に近接して筒状のヒーターを設け、それによって直接的に加熱を行うものである。
【００３１】
以上説明したように、本発明によれば、光電子増倍管を用いた計測装置において、メインパルスの直後に例えば数十μｓ遅れて発生するアフターパルスを効果的に低減でき、その結果スペクトルの歪みを解消できるという利点がある。本実施形態によれば、アフターパルスを通常の場合より例えば１０分の１程度まで低減することが可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、アフターパルスを効果的に低減して計測精度を高められるという利点を得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る計測装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】 光電子増倍管の温度とアフターパルスとの関係を示す図である。
【図３】 光電子増倍管の温度とスペクトルの関係を示す図である。
【図４】 測定部の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１０，１２ 測定部、１６ 温度制御部、１８ 信号処理回路、２０ スペクロメータ、２２，２６ 光電子増倍管、２４，２８ ヒーター。

Claims (3)

1. 光子の受光により電気的なパルスを出力する２つの光電子増倍管と、
   前記２つの光電子増倍管から出力されたパルスに対して同時計数を行う同時計数回路と、
   前記２つの光電子増倍管をそれぞれ加熱して、アフターパルスを低減する加熱手段であって、前記各光電子増倍管の受光面を露出させつつ前記各光電子増倍管の外側を取り囲むように設けられた２つの筒状ヒーターと、
   前記２つの光電子増倍管の外側の表面上に設けられ、それぞれの温度を検出する２つの温度センサと、
   前記加熱手段を制御する手段であって、前記２つの温度センサによる検出温度に従って前記２つの光電子増倍管のそれぞれの温度を３０℃〜４０℃の間の同じ所定温度に維持する温度制御手段と、
   を含むことを特徴とする光電子増倍管を用いた計測装置。
2. 請求項１記載の装置において、
   前記各光電子増倍管の受光面の周囲を冷却する冷却手段と、前記加熱手段と前記冷却手段との間に設けられた断熱部材と、を有することを特徴とする光電子増倍管を用いた計測装置。
3. 光子の受光により電気的なパルスを出力する２つの光電子増倍管と、前記２つの光電子増倍管から出力されたパルスに対して同時計数を行う同時計数回路と、を含む計測装置のアフターパルス低減方法において、
   前記２つの光電子増倍管をそれぞれ加熱してアフターパルスを低減する加熱手段として前記各光電子増倍管の受光面を露出させつつ前記各光電子増倍管の外側を取り囲むように２つの筒状ヒーターを設け、
   前記２つの光電子増倍管の外側の表面上に設けられた２つの温度センサによって前記２つの光電子増倍管それぞれの温度を検出し、
   前記２つの光電子増倍管の検出温度に従って前記２つの光電子増倍管のそれぞれの温度を室温よりも高い３０℃〜４０℃の間の同じ所定温度に維持し、これにより前記各光電子増倍管にて生じるアフターパルスを低減することを特徴とする計測装置のアフターパルス低減方法。

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