JP5027124B2 - パルス波形分析による単一トランスデューサ内同時発生放射線の検出のための方法及び装置 - Google Patents
パルス波形分析による単一トランスデューサ内同時発生放射線の検出のための方法及び装置 Download PDFInfo
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Description
同時発生放射線検出は、様々な核及び核医学測定技法に広く使用されている。これは、相当なバックグラウンド放射線が存在する下で、目的の事象が一対の放射線を放射した場合という稀な事象の検出に特に効果を発揮する。これは、ランダムなバックグラウンド事象が、当該対の何れかの成員に似ていることはあるにしても、両方にランダムに似る可能性は、何れかの放射線に似るバックグラウンド側の割合の確率に同時発生ウインドウの長さτCを掛けた積として量られるからである。而して、検出効率を無視すると、RRが放射線1と2を生み出す稀な事象の割合であり、一方RB1及びRB2が2つの放射線発生時のバックグラウンド割合であるとすれば、RR対同時発生バックグラウンド事象由来の「偶発的な」バックグラウンド割合RB12の比ρは、
1.1物理的性質
図6は、公称的には平坦な面から発せられる各放射線の間の同時発生を検出することを意図し、PMT26に取り付けられたホスイッチ25を含んでいるトランスデューサ24を備えている、本発明の実施形態の概略図を示している。このトランスデューサの出力は、積分前置増幅器無しに、直接、信号プロセッサ30に送られる。ホスイッチ25は、第1シンチレータ32の薄い層が、第2の厚いシンチレータ33に光学的に連結されて構成されており、この第2シンチレータ33はPMT26に光学的に連結されている。ホスイッチの全ての面には、PMTに取り付けられている一面を除き、光反射層35の被覆が施され、通常は薄いアルミニウムで作られている防護用ハウジング内に密閉されている。シンチレータを一体に、そしてPMTに、光学的に連結すること、並びに効果的な反射層を施すことの詳細は、当技術では広く知られている。同様に、適切な速度と線形性を有するPMTを選択すること、並びに各シンチレータによって発せられる光の波長と良好に整合させることの詳細についても、当技術では広く知られている。
図7は、図6に示すホスイッチ−PMTトランスデューサを、ベータ線、ガンマ線、及び両方を同時に放射する放射性キセノンの様なソースに曝したときに、トランスデューサによって捕捉された典型的な痕跡を示している。100nsを僅かに超えて崩壊している非常に短いパルスは、BC−404がベータ線による刺激を受けたときのものである。凡そ100nsの立ち上がり時間を有し、数マイクロ秒に亘って崩壊する、より長いパルスは、CsI(Tl)がガンマ線による刺激を受けたときのものである。「組合せ事象」パルスは、両方が同時に刺激を受けたときに立ち上がり、本発明の特定の要件、即ち同時に両方の放射線による刺激を受けたときに、ホスイッチの応答が、少なくとも近似的には、個々の放射線に対する応答の総和になることを実証している。本実施例では、2つの光発生機構が互いに独立しており(即ち、別々のシンチレータ)、光収集効率がそれらの固定された幾何学形状だけによって決まることから、近似は本質的に恒等式である。
Pixie−4の利得を5に設定し、PMTを900Vで作動させて作業を行い、我々は、662keVのガンマ線が、振幅500ADCステップのCsI(Tl)出力パルス(0.76ADCステップ/keV)を発生させ、一方、エネルギー300keVのベータ線が、3000ADCステップのBC−404出力パルス(10ADCステップ/keV)を発生させ、比は13/1となることを突き止めた。この比を小さくするために、我々は、Pixie−4への入力帯域幅を、ナイキスト値で通常の37.5MHz、8dBから20MHz、8dBに減じた。この変更が高速BC−404パルスに及ぼした効果は図9を見れば明らかなように、同じBC−404パルスが同時に2つのPixie−4チャネル、即ち元の帯域幅を有する「高速」チャネルと減じた帯域幅を有する「低速」チャネルとを通して同時に捕捉されているのが解る。図示のように、パルスの振幅は、凡そ半分に削減されており、一方、パルス持続時間は5サンプルから9サンプル(67nsから120ns)に増加している。やはり高速チャネルと低速チャネルを通して同時に取られた低速のCsI(Tl)パルスを示している図10から明らかなように、ここで唯一目立った効果は、痕跡の高周波ノイズを減少させることである。従って、帯域幅の縮小は、BC−404とCsI(Tl)の両パルスの間のダイナミックレンジを縮小させ、CsI(Tl)信号のノイズを減少させ、更に、BC−404サンプルの個数を増やし、BC−404パルス面積の我々の測定値の精度、ひいては我々の高速チャネルのエネルギー推定値の精度を高めることになる、という理由から有益である。
図11、図12、及び図13に関する以下の説明では、プラスチック(例えばBC−404)及び結晶(例えばCsI(Tl))を示すのに下付き文字の「p」及び「c」をそれぞれ使用し、基線の補正を目的とした事象前の積分期間に関連して下付き文字「0」を使用することにする。下付き文字「β」及び「γ」は、ベータ放射線とガンマ放射線を示す。基線補正を目的とする加算積分(総和)の形成は望ましいが、本発明の重要な態様ではない。
この実施例を試験するため、図6に示し上で説明したように、我々は、133Xeの試料からデータを収集した。133Xeは、半減期が5.24日であり、主に、81keVでガンマ線(37%)を、31keVでX線(48.9%)を、終点エネルギー346keVのベータ線(99%)を、そして45keV(54%)で転換電子を放射する。図16はデータを示している。検出された事象毎に、我々は、数式8と9から得たΣ′c対Σ′βpをプロットした。データに対しては一切の切除を行わず、較正定数kc及びkpはまだ適用していない。図示のように、6ADC単位(30keV)プラスチックエネルギー未満の値で、CsI(Tl)軸に近接して点の集合が見られる。それらの点は、公称的にはEβがゼロに等しい点である(即ち、ガンマのみの事象)。20ADC単位(12keV)CsI(Tl)エネルギー未満の値で、BC−404軸に近接して第2の点の集合が見られる。それらの点は、公称的にはEγがゼロに等しい点である(即ち、ベータのみの事象)。最後に、Σ″cが47及び122に等しい箇所に2つの水平方向の集団が見られるが、それらは共に結晶及びプラスチックエネルギーを有している。標示しているように、81keVと31keVのガンマ線エネルギー付近に同時発生事象が見られる。このことは、本実施例が同時発生事象の検出を明白に達成できており、それらガンマ線とβ線エネルギーも測定できることを実証している。
2.1.物理的性質
上に提示した実施形態は、一方の側からしか測定できない試料(即ち、扁平な試料)の場合に特に良好に機能するが、それは、非常に弱いガス状試料が測定されるARSAにとっては最適ではなく、出来るだけ多くの同時発生事象を捕捉することによって信号対バックグラウンドを最大化することが非常に重要である。ガス状試料の場合の好適な実施例を図18に示している。この設計でも、図6の設計と同様に、信号プロセッサ30に直接連結されているPMTに連結されたホスイッチ39を備えている単一のトランスデューサ38を使用しているが、この事例では、PMTは、PS1819-5をベースにした直径3インチのElectron Tubes, Incの型番9305KBである。信号プロセッサ30は、以前使ったものと同じPixie−4である。ホスイッチ39は、ここでは直径3インチ、高さ3インチのCsI(Tl)シリンダであり、その中央には、直径1インチ、壁厚2.5mmの中空の球であるBC−404キセノンセル42が封入されている。我々の第1の実施例で説明したように、他の材料を有効に使用することもできる(即ち、BC−404の代わりに他の高速プラスチック、CsI(Tl)の代わりにNaI(Tl))。
性能を最適化するために、幾つかの設計上の問題に配慮しなければならない。放射性キセノンを測定する際の主な問題は、ベータ−ガンマ同時発生を捕捉する確率を最適化することである。従って、我々は、BC−404でのベータ線捕捉の確率を最大化すると共に、同一材料内でX線とガンマ線の相互作用を最小化したいと考えている。BC−404は低密度プラスチックなので、これは、X線エネルギーが30keVと低くても容易に実現できる。我々のモデル化研究では、30keVのX線の約20%がBC−404の5mm中に吸収され、厚さに対し略直線的に減少することが示されている(例えば、2mmの厚さで8%)。他方、BC−404が1mmの厚さしかない場合、全ての905keVのベータ粒子の30%は、少なくとも幾らかのエネルギーをCsI(Tl)に蓄積させ、BC−404が厚さ2mmのときは、数は約5%に落ちる。BC−404は、高エネルギーのガンマ線に対しては透過性が高く、低エネルギーのベータ線に対しては透過性が低いことから、上記2つの事例は、設計に制限を課す。2から3mmの範囲内の値が最適であり、上記設計値2.5mm(0.10インチ)に至った。
上記方法は、積分期間の設定が、単一パルス検出に基づいていることから、第1放射線(ベータ線)と第2放射線(ガンマ線)の放射の間の時間的分離が、2つのシンチレータの減衰時間と比べて短い場合に効果を発揮することを目的としている。BC−404を使用した図示の実施例では、このことは、2つの放射が互いに数ns内に起こらなければならないことを意味する。これは、元の放射性キセノン検出に適用した場合には非常にうまくいくが、より長い期間離されている放射線を発する同位元素は他にも多数あり、それらが事前に決められている同時発生ウインドウ内に入って来たときにそれらを検出する能力は、バックグラウンド割合を減らすため又は特定の崩壊連鎖を識別するための何れかにも使用できる。
特定の実施例に関する以上の説明では、2つの放射線の吸収に応答して単一のトランスデューサによる信号出力のパルス波形を調べることにより、2つの放射線が同時に発生したか否かを判定するための一般的な技法の実施例を示した。この技法は、複数のトランスデューサを単一のトランスデューサに置き換えて、費用と複雑性を低減できるようにするばかりでなく、通常は、複数の検出器の間の立体角の競合を排除することにより検出効率を上げることができるようにしている。この技法では、我々は、2つの放射線に応じて異なる時間特性を有する出力のトランスデューサを提供し、2つの応答の存在を求めて各事象後の出力を分析し、これにより、第1放射線、第2放射線、又は両方の放射線が、検出事象に存在したのか否かを判定している。
Claims (25)
- 2つの放射線が同時発生か否かを判定するための方法において、
第1放射線を吸収したときは、第1の短い時定数を特徴とする出力パルスを生成し、第2放射線を吸収したときは、第2の長い時定数を特徴とする出力パルスを生成する、トランスデューサを提供する段階と、
前記トランスデューサが放射線を吸収したときに生成した出力パルスを検出する段階と、
前記第1の短い時定数を表している第1期間に亘って前記パルスの第1積分を行い、前記第2の長い時定数を表している第2期間に亘って前記パルスの第2積分を行う段階と、
前記第1及び前記第2の両積分の値を調べて、前記第1放射線、前記第2放射線、又は前記第1放射線及び前記第2放射線の両方が、前記トランスデューサに吸収されたか否かを判定する段階であって、前記第1放射線及び前記第2放射線の両方が前記トランスデューサに吸収されたとの判定は同時吸収事象を明らかにしている段階と、
から成る方法。 - 前記第1及び第2期間は時間的に離れている、請求項1に記載の方法。
- 前記2つの積分期間は時間的に重なっている、請求項1に記載の方法。
- 前記トランスデューサの出力を弁別器に掛け、前記弁別器の出力を1つ又は複数の閾値と比較して、前記2つの積分期間の位置を設定する、請求項1に記載の方法。
- 前記トランスデューサが前記第1放射線を吸収したときに生成する出力は、公称的に、前記吸収された第1放射線のエネルギーに比例する面積を有し、
前記トランスデューサが前記第2放射線を吸収したときに生成する出力は、公称的に、前記吸収された第2放射線のエネルギーに比例する面積を有し、
前記方法は、前記第1及び第2の積分の値から、前記放射線の一方又は両方の個別エネルギーを判定する段階を更に含んでいる、請求項1に記載の方法。 - 前記第1放射線、第2放射線、又はその両方が、前記トランスデューサに吸収されたか否かを判定する段階は、前記第1又は第2又はその両方の判定されたエネルギーが、特定の閾値を超えているか否かに基づいている、請求項5に記載の方法。
- 前記トランスデューサは、公称的に、電気的出力が光学的入力に比例している光電変換器に光学的に連結されているホスイッチを含んでおり、前記ホスイッチは、異なる光減衰時定数を有する2つ又はそれ以上の光学的に連結されたシンチレータ材料のセットを備えており、且つ
短い時定数を有する前記第1シンチレータは、主に、前記第1放射線に対する感度を有しており、
長い時定数を有する前記第2シンチレータは、主に、前記第2放射線に対する感度を有している、請求項1に記載の方法。 - 前記光電変換器は光電子倍増管である、請求項7に記載の方法。
- 前記光電変換器は光ダイオードである、請求項7に記載の方法。
- 前記第1積分期間は、検出されたパルスの開始を含んでおり、前記第1期間外の前記短い時定数のシンチレータに関係付けられた積分信号が、前記第1期間内の前記シンチレータからの積分された光出力に比べて無視することができるほど僅かになるように、前記第1積分期間は十分に長い、請求項7に記載の方法。
- 一方のシンチレータに関係付けられた積分の値は、前記シンチレータからの信号の、他方のシンチレータに関係付けられた積分に対する寄与を推定するために使用される、請求項7に記載の方法。
- 前記期間に亘る積分に加えて、前記パルスの立ち上がり時間が、短い時定数の成分の存在を検出するために計算される、請求項1に記載の方法。
- 前記積分の値は、基線測定を実施することによって、前記パルスの到着前に、オフセット又は非ゼロ信号値の補正が行われる、請求項1に記載の方法。
- ベータ−ガンマ同時発生を検出するために、
前記第1シンチレータは、薄く、低密度で、短い減衰時定数のプラスチックシンチレータを採用することによって、ベータ線に対する感度を持つように作られており、
前記第2シンチレータは、厚く、高密度で、長い時定数を有するシンチレータを採用することによって、ガンマ線に対する感度を持つように作られている、請求項7に記載の方法。 - 前記第1シンチレータは、ポリビニルトルエンベースのプラスチックシンチレータであり、前記第2シンチレータは、CsI(Tl)又はNaI(Tl)の何れかである、請求項14に記載の方法。
- 前記第1シンチレータは、前記試料を密閉する中空殻に成形されており、前記第2シンチレータの中に封入されている、請求項14に記載の方法。
- 2つの放射線が同時発生か否かを判定するための方法において、
第1放射線を吸収したときは、第1の特定のパルス波形を有する出力パルスを生成し、第2放射線を吸収したときは、第2の特定のパルス波形を有する出力パルスを生成する、トランスデューサを提供する段階と、
前記トランスデューサが放射線を吸収したときに生成した出力パルスを検出する段階と、
パルス波形分析を前記検出された出力パルスに適用して、前記第1放射線、前記第2放射線、又は前記第1放射線及び前記第2放射線の両方が前記トランスデューサに吸収されたか否かを判定する段階であって、前記第1放射線及び前記第2放射線の両方が前記トランスデューサに吸収されたとの判定は同時吸収事象を明らかにしている段階と、
から成る方法。 - 前記パルス波形分析は、一方は前記第1の特定のパルス波形を表しており、他方は前記第2の特定のパルス波形を表している、2つのテンプレートを使用して、前記パルスをフィッティングすることによって行われる、請求項17に記載の方法。
- 前記パルス波形分析は、
前記出力パルス波形の選択された領域の面積を測定することと、
前記面積を使用して、前記第1の特定のパルス波形、前記第2の特定のパルス波形、又は前記第1の特定のパルス波形及び前記第2の特定のパルス波形の両方が、前記パルス中に存在しているか否かを判定することによって行われる、請求項17に記載の方法。 - 少なくとも1つの特定のパルス波形の振幅は、関係付けられた放射線によって前記トランスデューサに蓄積されたエネルギーに比例しているか、前記エネルギーの良好に定義された関数であるか、の何れかであり、前記パルス波形分析によって前記パルス中に見い出される前記特定のパルス波形の量を使用して、前記関係付けられた放射線によって前記トランスデューサに蓄積されたエネルギーを判定する、請求項17に記載の方法。
- 2つの放射線が同時発生か否かを判定するための装置において、前記装置は、トランスデューサと、検出器と、回路とを備えており、
前記トランスデューサは、
第1放射線を吸収したときには、第1の短い時定数を特徴とし、且つその面積が公称的には前記吸収された第1放射線のエネルギーに比例している、出力パルスを生成し、
第2放射線を吸収したときには、第2の長い時定数を特徴とし、且つその面積が公称的には前記吸収された第2放射線のエネルギーに比例している、出力パルスを生成する、トランスデューサであり、
前記検出器は、前記トランスデューサが放射線を吸収したときに生成した前記出力パルスを検出する検出器であり、
前記回路は、
前記第1の短い時定数を表している第1期間に亘って前記パルスの第1積分を行い、前記第2の長い時定数を表している第2期間に亘って前記パルスの第2積分を行い、
前記第1及び前記第2の両積分の値を調べて、前記第1放射線、前記第2放射線、又は前記第1放射線及び前記第2放射線の両方が、前記トランスデューサに吸収されたか否かを判定し、前記第1放射線及び前記第2放射線の両方が前記トランスデューサに吸収されたとの判定は同時吸収事象を明らかにしている回路である、装置。 - 前記回路は、更に、前記第1及び第2積分の値から、一方又は両方の放射線のエネルギーを求める、請求項21に記載の装置。
- 前記トランスデューサは、ホスイッチと、光電変換器とを備えており、
前記ホスイッチは、短い時定数を有し、主に前記第1放射線に対する感度を有している第1シンチレータと、長い時定数を有し、主に前記第2放射線に対する感度を有している第2シンチレータとを含んでいる、異なる光減衰時定数を有する2つ又はそれ以上の光学的に連結されたシンチレータ材料のセットを含んでいる、ホスイッチであり、
前記光対電気変換器は、前記ホスイッチに光学的に連結されており、公称的に光学的入力に比例する電気的出力を提供する光電変換器である、請求項21に記載の装置。 - 前記光電変換器は光電子倍増管である、請求項21に記載の装置。
- 2つの放射線が同時発生か否かを、トランスデューサと、検出器と、回路とによって判定するための装置において、
前記トランスデューサは、第1放射線を吸収したときは、第1の特定のパルス波形を有する出力パルスを生成し、第2放射線を吸収したときは、第2の特定のパルス波形を有する出力パルスを生成する、トランスデューサであり、
前記検出器は、前記トランスデューサが放射線を吸収したときに生成した前記出力パルスを検出する検出器であり、
前記回路は、パルス波形分析を前記検出された出力パルスに適用して、前記第1放射線、前記第2放射線、又は前記第1放射線及び前記第2放射線の両方が、前記トランスデューサに吸収されたか否かを判定し、前記第1放射線及び前記第2放射線の両方が前記トランスデューサに吸収されたとの判定は同時吸収事象を明らかにしている、回路である、装置。
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