JP5588238B2 - 半導体放射線検出器 - Google Patents

Description

本発明は、半導体放射線検出器の異常判定方法及びそれを用いた半導体放射線検出器に関する。

原子力発電所等、施設内の放射線管理区域及び施設外の周辺監視区域においては、放射線に起因する線量当量の評価及び管理のため常時、放射線モニタリングが行われている。このような放射線モニタリングシステムにおいて、半導体センサ内を放射線が通過することで電子―正孔対が発信された時に発生する電気信号を利用して放射線を測定する半導体放射線検出器が通常使用されている。

常時放射線を検出する半導体放射線検出器には、バグソースと呼ばれる放射線源を使用することにより一定の放射線を入射させ、その応答を評価することにより半導体センサや回路の健全性を確認する方式が採用されている。

上述以外に健全性を確認する技術として、光パルスを半導体放射線検出器に照射しパルス波高値電圧の応答を評価する方法や、半導体センサに印加するバイアス電圧の異常やリーク電流の検知、前置増幅器に供給する電源電圧変動を監視する測定系全体の健全性を確認する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、放射線計測を行いながら欠測の生じないように疑似放射線として電気的に発信したパルスを前置増幅器に入力し、その応答から前置増幅器以降の回路の健全性を確認する方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５−２８３３２７号公報 特開２００７−６４７８９号公報

しかしながら、バグソースを用いて応答を評価する方法では、放射線源の取り扱い、紛失・盗難を防ぐための管理、及び運搬にかかわる手続き等の煩雑さに問題があった。

そして、半導体放射線検出器の健全性確認方法として光パルスを用いることにより、測定系全体の健全性を確認する特許文献１に記載のような技術は、発光素子と制御回路構成による複雑化、経済性、及び発光素子と半導体センサの相関関係に問題があった。

また特許文献２に記載された、電気的に発信したパルス入力による出力応答の確認、バイアス電圧変動の監視、及び前置増幅器に供給する電源電圧変動の監視といった方法を使用し回路系の健全性を確認する方法では、半導体センサからの信号を評価しておらず、半導体センサ自体の健全性確認はできないという問題があった。

そこで本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、半導体センサの異常判定を簡易な構成で行うことができる放射線検出器の異常判定方法およびそれを用いた半導体放射線検出器を提供する事を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の半導体放射線検出器の異常判定方法は、放射線を第１の電気信号に変換して信号増幅器へ送信し、さらに前記第１の電気信号と合流するように、テストパルス信号を信号増幅器へ送信するテストパルス信号送信工程と、信号増幅器において、第１の電気信号およびテストパルス信号を受信し、第２の電気信号として増幅し、波高弁別回路へ送信する信号増幅工程と、信号増幅器から受信した第２の電気信号を弁別して、放射線計数率および異常判定計数率を算出するための第３の電気信号として計数率算出部に送信する波高弁別工程と、第３の電気信号を受信し、第３の電気信号からノイズ領域の信号および前記テストパルス信号を除いて放射線計数率を算出し、さらに第３の電気信号の所定の電圧幅内の計数率を異常判定計数率として算出する計数率算出工程と、異常判定計数率と、半導体センサが正常時における第３の電気信号の所定の電圧幅内の計数率から求めた閾値とを比較して異常判定を行う異常判定工程とを備えることを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明の半導体放射線検出器は、放射線を第１の電気信号に変換して送信する半導体センサと、半導体センサにバイアス電圧を供給するバイアス電源部と、半導体センサからの第１の電気信号と合流するようにテストパルス信号を送信するテストパルス発信部と、半導体センサから第１の電気信号を受信し、さらにテストパルス発信部からテストパルス信号を受信し、第２の電気信号として増幅する信号増幅器と、信号増幅器から第２の電気信号を受信し弁別して、放射線計数率および異常判定計数率を算出するための第３の電気信号として計数率算出部に送信する波高弁別部と、第３の電気信号を受信する信号処理部とを備え、信号処理部は、波高弁別器から受信した第３の電気信号を用いて、第３の電気信号からノイズ領域の信号およびテストパルス信号を除いて放射線計数率を算出し、第３の電気信号の所定の電圧幅内の計数率を異常判定計数率として算出する計数率演算部と、計数率演算部で算出された異常判定計数率と、半導体センサが正常時における第３の電気信号の所定の電圧幅内の計数率から求めた閾値とを比較して異常判定をする異常判定部と、テストパルス発信部を制御するテストパルス制御部と、計数率演算部において算出された放射線計数率および異常判定部において判定された異常判定結果を出力する出力指示部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、半導体センサの異常判定を簡易な構成で行うことができ、半導体センサの異常判定を行う半導体放射線検出器も簡易な構成とすることができる。

本発明の第１の実施形態に係る半導体放射線検出器の構成図。 本発明の第１の実施形態に係る放射線スペクトルとテストパルスの計数値―波高値電圧特性図。 本発明の第１の実施形態に係るテストパルスの正常、異常、断線波形の計数値―波高値電圧特性図。 本発明の第２の実施形態に係る半導体放射線検出器の構成図。 本発明の第３の実施形態に係る半導体放射線検出器の構成図。 本発明の第３の実施形態に係る放射線スペクトルとテストパルスの計数値―波高値電圧特性図。 本発明の第３の実施形態に係るテストパルスの正常、異常、断線波形の計数値―波高値電圧特性図。 本発明の第４の実施形態に係る半導体放射線検出器の構成図。 半導体センサのバイアス監視電圧と半導体センサ正常時の最大波高値電圧の特性図。 本発明の第４の実施形態に係る正常時の半導体センサのバイアスを変化させたときの計数値―波高値電圧特性図。 本発明の第４の実施形態に係る半導体センサの正常、異常、断線時のバイアス監視電圧−パルス幅特性図。 テストパルスの正常、異常波形の計数値―波高値電圧特性とテストパルス幅の関係を示す図。 本発明の第５の実施形態に係る半導体放射線検出器の構成図。 本発明の第５の実施形態に係る制御部アルゴリズムのフロー図。 本発明の第１の実施形態に係る半導体放射線検出器のテストパルス発信部の説明図。

以下、本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
（構成）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体放射線検出器構成図である。半導体センサ１１は、バイアス電源部１２から電圧が印加されるように接続されるとともに、電気信号を信号増幅器１３に出力するように接続されている。この半導体センサ１１は、一般的な放射線検出に用いられるものであり、例えば、シリコンフォトダイオードやカドミウムテルル半導体等を用いることができる。

テストパルス発信部１９は、信号処理部１８におけるテストパルス制御部３からの処理信号を受信し、半導体センサ１１の出力と合流してテストパルスを出力するように前記信号増幅器１３と接続される。

信号増幅器１３は、半導体センサ１１及びテストパルス発信部１９からの電気信号を受信し、波高弁別部１４へ電気信号を出力するように接続される。

波高弁別部１４は、ノイズ波高弁別回路１５と下限テストパルス波高弁別回路１６及び上限テストパルス波高弁別回路１７の３種類の波高弁別回路を備えて構成されている。ノイズ波高弁別回路１５、下限テストパルス波高弁別回路１６、上限テストパルス波高弁別回路１７のそれぞれの波高弁別回路の基準電圧をＶａ、Ｖｂ、及びＶｃとしている。

基準電圧Ｖａはノイズ信号と検出信号を弁別する基準電圧であり、基準電圧Ｖｂ及びＶｃはテストパルスの計数を計測するための下限テストパルス波高弁別回路１６及び上限テストパルス波高弁別回路１７の基準電圧である。また、基準電圧Ｖｂ及びＶｃは、Ｖｂ-Ｖｃ間が、半導体センサ１１が正常である時のテストパルスが属する電圧のいずれかにおける所定の電圧幅として定め、Ｖｂを下限基準値、Ｖｃを上限基準値とする。（これら基準電圧は、例えば、Ｖａ＝０．１５Ｖ、Ｖｂ＝６．１５Ｖ、Ｖｃ＝６．２５Ｖとしている。）波高弁別部１４内のノイズ波高弁別回路１５、下限テストパルス波高弁別回路１６、上限テストパルス波高弁別回路１７の３種の弁別回路は、信号増幅器１３から電気信号を受信し、信号処理部１８内の計数率演算部１へ弁別した電気信号を送信するように接続される。

信号処理部１８は、計数率演算部１と異常判定部２及びテストパルスの信号制御部３を備え、異常判定のための基準値を記憶させたメモリ４４及び、出力指示値を表示・記憶させるためのモニタ・外部記憶装置４５と接続される。

計数率演算部１は、波高弁別部１４からの電気信号を受信し、異常判定部２及び信号処理部１８へ演算した計数率を送信するように接続される。テストパルス制御部３は、テストパルス発信部１９と接続される。異常判定部２はメモリ４４からの基準値を受信し、計数率演算部１から計数率を受信するように接続される。

（作用）
以下、本発明の第１の実施形態の作用について図１乃至図３を参照して説明する。半導体センサ１１は、バイアス電圧を出力するバイアス電源部１２により一定のバイアス電圧が印加されることで、静電容量を減少させ空乏層を広げ放射線に対する感度を高めている。放射線が半導体センサ１１に入射すると、放射線は電気信号に変換され、電気信号は信号増幅器１３に出力される。

テストパルス発信部１９は、信号処理部１８内のテストパルス制御部３によりＯＮ／ＯＦＦ制御され、ある一定の周波数Ｎ０（例えば、Ｎ０＝１００Ｈｚ）のテストパルス信号を信号増幅器１３に出力する。テストパルスの波高値電圧は、図２に示すようにテストパルス最大波高電圧値Ｅを通常計測される放射線入射エネルギーに対し影響の少ない高エネルギー領域Ｅｉｎｉ（例えば、２．０ＭｅＶ）の波高値電圧に設定することで、テストパルス信号の影響を放射線のエネルギー領域に与えずに放射線計測を行うことが可能である。ここで最大波高値電圧Ｅとは、計数値が最大となるとき半導体センサ１１およびテストパルス発信部１８からの電圧値である。

信号増幅器１３は、半導体センサ１１及びテストパルス発信部１９からの電気信号を受信し、信号増幅及び波形整形した後に、波高弁別部１４に出力する。

波高弁別部１４は、ノイズ信号と検出信号を弁別する基準電圧Ｖａ_、テストパルスの計数を計測するための下限テストパルス波高弁別回路１６および上限テストパルス波高弁別回路１７の基準電圧Ｖｂ_、Ｖｃによって信号増幅器１３から受信した電気信号を弁別し、信号処理部１８内の計数率演算部１へ出力する。

信号処理部１８内の計数率演算部１は、波高弁別部１４の弁別された電気信号を受信し、真の放射線計数率Ｎｏｂｓ及び異常判定計数率Ｎを求める。ここで、真の放射線計数率Ｎｏｂｓとは、半導体センサ１１からの電気信号から、ノイズ領域の低い電圧域の電気信号並びにテストパルスの属する高い電圧域の電気信号を除いたもの（Ｖａ−Ｖｂ間の電気信号）であり、また、異常判定計数率Ｎとは半導体センサ１１が正常時のテストパルスが属する電圧域の電気信号（Ｖｂ−Ｖｃ間の電気信号）である。

なお、真の放射線計数率Ｎｏｂｓと異常判定計数率Ｎの算出方法は上述した方法に限られず、後述するように３種以上の弁別回路を設けて行うようにしてもよい。

信号処理部１８内の異常判定部２は、計数率演算部１から異常判定計数率Ｎを受信し、メモリ４４に格納された異常判定計数率の基準値（異常判定下限閾値ＮＬ、異常判定上限閾値ＮＨ）を参照して半導体センサ１１の異常判定を行う。ここで、異常判定下限閾値ＮＬ、異常判定上限閾値ＮＨは、半導体センサ１１が正常である時のテストパルス信号のＶｂ−Ｖｃ間の計数率から求める。以下、半導体センサ１１の異常判定方法について異常原因別に説明する。

半導体センサ１１の容量Ｃｓは、空乏層面Ｓ、空乏層幅ｄ、誘電率εを用いて以下の（１）式のように表すことができる。また、半導体センサ１１に加える交流電圧の角周波数をωとするとき、半導体センサ１１のインピーダンスＺｓは（２）式のように表すことができる。

Ｃｓ＝εＳ／ｄ ・・・（１）
Ｚｓ＝１／（ω・Ｃｓ） ・・・（２）
テストパルス発信部はコンデンサを用いてテストパルスを発信している。このコンデンサの容量をＣ１とすると、コンデンサに加える交流電圧の角周波数をωとするとき、コンデンサのインピーダンスＺ１は、（３）式のように表すことができる。

Ｚ１＝１／（ω・Ｃ１） ・・・（３）
図１５は、本発明の第１の実施形態に係る半導体放射線検出器のテストパルス発信部の説明図である。テストパルス発信部１９の発信電圧をＶｉｎ＝Ｖ０ｓｉｎωｔとし、信号増幅器１３へ出力するテストパルスによる信号電圧をＶｏｕｔとすると、ＶｏｕｔはＺｓ、Ｚ１，Ｖｉｎを用いて（４）式のように表すことができ、さらに（２）、（３）よりＶｏｕｔは（５）式のように表すことができる。

Ｖｏｕｔ＝Ｚｓ／（Ｚ１＋Ｚｓ）×Ｖｉｎ ・・・（４）
Ｖｏｕｔ＝Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃｓ）×Ｖｉｎ ・・・（５）
（５）式のように、半導体センサ１１が劣化等の影響により飽和領域まで空乏層Ｓが広がらず静電容量Ｃｓが正常時に比べて増大する異常の場合には、テストパルス信号の信号増幅器１３への電圧Ｖｏｕｔが低下する。その結果、波高電圧最大値Ｅが正常時よりも低くなるとともに、テストパルス信号の波高電圧値の低いノイズ領域の信号が増加し、基準電圧のＶｂ−Ｖｃ間の計数率である異常判定計数率Ｎが減少する。

そして、この異常判定計数率Ｎが異常判定下限閾値ＮＬ（例えば、ＮＬ＝５０ｃｐｓ）よりも少なくなった場合、異常であると判定する（図３における異常１）。

また、バックグラウンドノイズ増加に起因する異常の場合には、半導体センサ１１の静電容量Ｃｓが減少しないため、最大波高値電圧Ｅは正常時と変わらないが、単位時間あたりのノイズの増加によって、相対的に最大波高値が減少し、異常判定下限閾値ＮＬより異常判定計数率Ｎが少なくなることで、異常であると判定する（図３における異常２）。

なお、テストパルス信号の電圧領域に放射線による信号が含まれてしまうような高線量率状態では、これが半導体センサ異常と判定されないように、真の放射線計数率Ｎｏｂｓが高線量率判定値Ｎｔｈ以上になる場合については、予め高線量率判定値Ｎｔｈをメモリ４４に格納しておき、放射線領域の計数率と比較し、高線量率判定値Ｎｔｈが放射線領域の計数率を超えるときには、異常判定部２に異常判定を行わせないように設定することもできる。

更に、半導体センサ１１と信号増幅器１３に接続されているケーブルが断線した時には、断線の発生により半導体センサ１１の容量及びノイズがなくなる事を利用して、ノイズ領域の計数率および異常判定計数率Ｎを評価することにより異常検知することができる。

ただし、この場合は図３に示すように半導体センサ容量特性及び回路利得により最大波高値電圧Ｅが変化するため、予め条件を設定する必要がある。即ち、断線時の最大波高値電圧Ｅが基準電圧範囲Ｖｂ−Ｖｃ内にある場合、異常判定計数率Ｎが異常判定上限閾値ＮＨ（例えば、ＮＨ＝９５ｃｐｓ）より大きくなった時にこれを異常であると検知する（図３における断線１）。そして、断線時の最大波高値電圧Ｅが基準電圧範囲Ｖｂ−Ｖｃ外にある場合には、異常判定計数率Ｎが異常判定下限閾値ＮＬより小さくなった時に異常であると検知する（図３における断線２）ようにする。

ここで、基準電圧上に最大波高値電圧Ｅが重なることが予想される場合は、予め基準電圧又はテストパルス波高値電圧を調整する等して回避する。

なお、本実施形態においてノイズ等の一過性の影響を取り除くために、一定時間ｔ［秒］内で異常検知されたエラー回数がＬｅｒｒ回を上回った場合例えば、ｔ＝１０秒で、Ｌｅｒｒ回を８回と設定しているときでエラー回数が９回検出されたようなときにのみ異常であると信号処理部１８内で判定するようにしてもよい。

信号処理部１８は、異常判定部２からの半導体センサ１１の異常判定結果及び計数率演算部１の計数率計算結果を出力指示値としてモニタ・外部記憶装置４５に出力する。なお、信号処理部１８には、異常判定の際に出力指示値をダウンスケールさせる機能を付加してもよい。

また、信号処理部１８にデータ解析を目的として随時データダウンロード可能な機能を設け、異常判定結果を反映させ、各パラメータ（基準電圧Ｖａ_、Ｖｂ_、Ｖｃなど）を設定することの可能な双方向通信機能を付加してもよい。

なお、上述した波高弁別器１４および計数率演算部１は、半導体センサ１１およびテストパルス発信部１９からの信号をノイズ領域、放射線領域、テストパルス領域の信号に分別し、さらに放射線領域およびテストパルス領域の信号からそれぞれ放射線計数率および異常判定係数率を算出する多重波高弁別部としてもよい。そして、この多重波高弁別部としては、一般的な多重波高分析器（ＭＣＡ）を用いることができる。

なお、本実施形態は、テストパルス発信部１９の発信電圧をＶｉ＝Ｖ０ｓｉｎωｔとする場合に限られず、角周波数ωによって発信される矩形波やパルス波を発信電圧に適用することも可能である。

また、真の放射線計数率Ｎｏｂｓは、半導体センサ１１からの電気信号から、ノイズ領域の低い電圧域の電気信号並びにテストパルスの属する高い電圧域の電気信号を除いたもの（Ｖａ−Ｖｂ間の電気信号）によって定めるだけでなく、半導体センサ１１からの電気信号から、ノイズ領域の低い電圧域の電気信号並びに周波数Ｎ０の信号を除いて定めてもよい。このとき、テストパルスの属する電圧域に関わらず、全てのテストパルス信号を半導体センサ１１からの電気信号から除くことができる。

さらに、基準電圧ＶｂおよびＶｃは、半導体センサ１１が正常である時のテストパルスが属する電圧のいずれかにおける所定の電圧幅として定めるが、ＶｂおよびＶｃを、Ｖｂ―Ｖｃ間が半導体センサ１１が正常であるときのテストパルスによる電気信号の半値幅となる電圧値とすることで、より正確に半導体センサ１１が正常である時のテストパルスとの比較をすることができる。

（効果）
本発明の第１の実施形態によれば、放射線検出器の半導体センサ１１の異常判定及び半導体センサ１１の接続の異常判定をバグソースを用いずに簡易な回路構成で行うことができる。

（第２の実施形態）
（構成）
図４は本発明の第２の実施形態に係る半導体放射線検出器構成図である。

本発明の第２の実施形態が、第１の実施形態と異なる点は、第１の実施形態の構成に加えて半導体センサ１１近傍の温度を測定する温度センサ部２１及びバイアス電源検出部２２を付加した点と、信号処理部１８に温度補正及びバイアス異常判定の機能を付加し、メモリ４４に温度補正のための補正計数Ｃ（Ｔ）及びバイアス電圧監視の基準範囲Ｖｅｒｒを加えた点である。尚、本実施形態において第１の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

（作用）
半導体センサ１１は温度上昇に伴いノイズが増加するため、一定の温度環境下でない場所で使用する場合には、温度センサ部２１からの信号を用いて信号処理部１８で温度補正する。この温度補正はメモリ４４に格納された異常判定計数率の基準値である異常判定上限閾値ＮＨ又は異常判定下限閾値ＮＬに対して行う。

補正係数は経験則に基づく演算とし簡素化する。例えば温度Ｔ℃での温度補正係数Ｃ（Ｔ）としＣ（Ｔ）×ＮＬを温度補正された異常判定下限閾値とする。

また、半導体センサ１１に印加されるバイアス電圧を、バイアス電圧検出部２２で分圧しデジタル変換出力されたバイアス監視電圧Ｖｘとして信号処理部１８に出力する。

バイアス監視電圧Ｖｘとバイアス電源部１２の設定電圧との差分がバイアス電圧監視の基準範囲Ｖｅｒｒを逸脱した場合、半導体センサ１１からのリーク電流増加もしくはバイアス電源部１２の異常と判定し、バイアス電圧異常判定を行う。

また、本実施形態にも、第１の実施形態と同様にノイズの一過性を取り除く機能、断線時の異常判定機能、データ双方向通信機能等を付加させることが可能である。

（効果）
第２の実施形態によれば、温度による誤認やバイアス電源低下による異常状態を区別することができ、より確実な異常判定が可能になる。

（第３の実施形態）
（構成）
図５は本発明の第３の実施形態に係る半導体放射線検出器構成図である。本発明の第３の実施形態が、第１及び第２の実施形態と異なる点は、波高弁別部１４に放射線検出上限波高弁別回路３１を加えた点である。本実施形態において第１及び第２の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

（作用）
半導体センサ１１が劣化すると、テストパルス発信部１９からの電気信号が下限テストパルス波高弁別回路Ｖｂより低い電圧域に多く現れることになり、この電気信号を放射線計数率としてカウントすることによる計測誤差が生じることになる。

そこで、図６に示すように放射線検出上限波高弁別回路３１の基準電圧をＶｄと設定することで、放射線計測領域とテストパルス領域を弁別することにより、下限テストパルス波高弁別回路Ｖｂより低い電圧域のテストパルスによる電気信号を放射線計数率Ｎｏｂｓから除くようにし、真の放射線計数率Ｎｏｂｓを精度良く算出することが可能になる。

また、図７に示すように波高弁別部１４の基準電圧Ｖｂ―Ｖｄ間及びＶｃ―Ｖｂ間の計数率を算出することにより、半導体センサ１１の容量増加にともなう最大波高値電圧Ｅの減少及びノイズ増加に起因する異常１と、バックグラウンドノイズ増加に起因する異常２を切り分ける異常状態識別機能を付加することができる。

例えば、Ｖｂ―Ｖｄ間及びＶｃ―Ｖｂ間の計数率をＮｂｄ及びＮｃｂとすることで、Ｎｂｄ≧Ｎｃｂの場合は異常１と判定し、Ｎｂｄ＜Ｎｃｂの場合は異常２と判定することで異常状態を識別できる。

また、本実施形態も先に説明した実施形態と同様に、ノイズの一過性を取り除く機能、断線時の異常判定機能、データ双方向通信機能等を付加させることが可能である。

なお、ノイズ波高弁別回路１５と下限テストパルス波高弁別回路１６と上限テストパルス波高弁別回路１７と放射線検出上限波高弁別回路３１および計数率演算部１として多重波高分析器（ＭＣＡ）を用いても、同様の作用・効果を発揮できる。

（効果）
第３の実施形態によれば、放射線計測領域とテストパルス領域を弁別することにより、本来の放射線計数率の計測にテストパルスによる誤差の影響を与えないようにすることができ、精度の良い放射線計測をしながら異常判定を行うことができる。

（第４の実施形態）
（構成）
本発明の第４の実施形態に係る半導体放射線検出器について図８乃至図１２を参照して説明する。図８は、本発明の第４の実施形態に係る半導体放射線検出器の構成図である。一般に半導体センサ１１に印加するバイアス電圧を増加させるほど半導体センサ１１の静電容量は減少し、テストパルス信号のテストパルス波高最大値やテストパルスの幅はバイアス電圧によって変化する。

そこで、本実施形態では半導体センサ１１に印加されるバイアス電圧を変化させて、複数のバイアス電圧における半導体センサ１１の異常判定を行う。

このため、第２の実施形態を更に改良したもので、第２の実施形態と異なる点は、バイアス電源参照電圧ＶＨＶおよび波高弁別部１４の基準電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを変化させることができるデジタル／アナログ回路（以下ＤＡ回路という。）４２と、制御部４３内のＤＡ制御部４１とを付加している。

更に、メモリ４４に以下３つの情報を格納している点である。

即ち、（１）バイアス監視電圧Ｖｘと半導体センサ１１正常時の最大波高値電圧Ｅｒｘの関係、
（２）バイアス監視電圧Ｖｘにおけるパルス幅判定用基準係数率ＮＷ、
（３）パルス幅許容範囲下限値ＷｘＬおよびパルス幅許容範囲上限値ＷｘＨ
の情報である。本実施形態において第２の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

（作用）
制御部４３内のＤＡ制御部４１は、ＤＡ回路４２のバイアス電源参照電圧ＶＨＶを制御させることによりバイアス電源部１２のバイアス電圧を変化させる。バイアス電圧はバイアス電圧検出部２２で分圧され、バイアス電圧をデジタル変換したバイアス監視電圧Ｖｘを信号処理部１８へ出力する。

ここで予め、図９に示すような、バイアス監視電圧Ｖｘと半導体センサ１１正常時の最大波高値電圧Ｅｒｘの関係（１）をメモリ４４に格納する。

また、図１０に示すような、バイアス監視電圧Ｖｘにおける半導体センサ１１正常時のテストパルス信号の半値幅を基準テストパルス幅Ｗｒｘとして定義し、基準テストパルス幅Ｗｒｘ内の計数率をテストパルス幅判定用基準係数率ＮＷ（２）としてメモリ４４に格納する。ここで、テストパルス信号の半値幅とは、テストパルス信号の計数値の最大値の１／２の計数値の２点間の間隔をいう。

さらに、図１１に示すように、バイアス監視電圧Ｖｘにおける基準テストパルス幅Ｗｒｘの上限および下限の所定の閾値であるパルス幅許容範囲下限値ＷｘＬとパルス幅許容範囲上限値ＷｘＨ（３）をメモリ４４内に格納する。

次いで、バイアス監視電圧Ｖｘ１における半導体センサ１１の異常判定方法について以下に説明する。まず、メモリ４４に格納した図９に示したバイアス監視電圧Ｖｘと半導体センサ１１正常時の最大波高値電圧Ｅｒｘの関係（１）からのデータを参照してバイアス監視電圧Ｖｘ１における半導体センサ正常時の最大波高値電圧Ｅｒｘ１を取得する。

次に、ＤＡ制御部４１は、最大波高値電圧Ｅｒｘ１とパラメータα（α＞０）を用いて、ＤＡ回路４２が制御・変化させる波高弁別回路１４における下限及び上限テストパルス波高弁別回路１６、１７の基準電圧Ｖｂ、Ｖｃを、Ｖｂ＝Ｅｒｘ１−α、また、Ｖｃ＝Ｅｒｘ１＋αに定める。

α＝０のとき、基準電圧Ｖｂ、Ｖｃはいずれも半導体センサ正常時の最大波高値電圧Ｅｒｘ１となる。パラメータαを増加させていくと、基準電圧Ｖｂは下降し、基準電圧Ｖｃは上昇して、Ｖｃ−Ｖｂ間である所定の電圧幅（計測電圧幅）が広がり、Ｖｃ−Ｖｂ間の計数率Ｎｃｂ１（異常判定計数率Ｎ）が増加する。

ここで、バイアス監視電圧Ｖｘ１におけるテストパルス幅判定用基準係数率ＮＷ１の情報（２）をメモリ４４から読み出しておく。この状態で、パラメータαを０から増加させながら、Ｖｃ−Ｖｂ間の計数率Ｎｃｂ１を計測し、計数率Ｎｃｂ１がパルス幅判定用基準係数率ＮＷ１以上になったとき、テストパルス幅Ｗｘ１をＷｘ１＝２α（計測電圧幅）として決定する。（例えば、バイアス監視電圧Ｖｘ１＝１０Ｖから参照した最大波高値電圧Ｅｒｘ１＝６Ｖ、初期値α＝０．０１から増加させ計数率Ｎｃｂ１＝５０ｃｐｓ＞ＮＷ１＝４８ｃｐｓとなった時のパラメータαがα＝０．２Ｖである時、バイアス監視電圧Ｖｘ１＝１０Ｖのテストパルス幅Ｗｘ１をＷｘ１＝０．４Ｖとする。）
このテストパルス幅Ｗｘ１を用いて、図１１に示すように、メモリ４４に格納したバイアス監視電圧Ｖｘ１におけるパルス幅許容範囲下限値ＷｘＬ１およびパルス幅許容範囲上限値ＷｘＨ１の情報（３）を参照して、テストパルス幅変動許容範囲内（ＷｘＬ１＜Ｗｘ１＜ＷｘＨ１）にあるか否かを判定し、逸脱する場合は異常であると判定する。

異常判定は、バイアス監視電圧初期値Ｖｉｎｉ（例えばＶｉｎｉ＝１５Ｖ）から開始し、バイアス監視電圧Ｖｘをバイアス監視電圧初期値Ｖｉｎｉから下降させ、複数のバイアス監視電圧Ｖｘで同様の異常判定を行い、バイアス監視電圧最終値Ｖ０（例えば、Ｖ０＝０Ｖ）にて終了する（図１０）。

なお、上記のようにバイアス監視電圧Ｖｘを変化させて半導体センサ１１の異常判定を行うが、バイアス電圧自身の健全性を、第２の実施形態と同様のバイアス電圧異常判定によって行わせてもよい。

以下、バイアス監視電圧Ｖｘ１における異常の原因別の異常判定方法を説明する。

半導体センサ１１が劣化等の異常を起こし、バイアス監視電圧Ｖｘ１に依存して半導体センサ１１の空乏層が広がらない異常である場合、最大波高値電圧Ｅｘ１が半導体センサ１１正常時の最大波高値電圧Ｅｒｘ１に比べ低くなるため、パラメータαを増加させて基準電圧Ｖｂを下降させなければ、Ｖｃ−Ｖｂ間の計数率Ｎｃｂ１がパルス幅判定用係数率ＮＷ１以上にならない。

その結果、図１２の異常１のように、テストパルス幅Ｗｘ１がテストパルス幅変動許容範囲の上限値ＷｘＨ１を超えて、異常となる。また、この半導体センサ１１の空乏層が広がらない異常である場合、バイアス監視電圧ＶｘをＶｉｎｉ＝１５ＶからＶ０＝０Ｖまで変化させると、図１１の異常１のような曲線を描く。

半導体センサ１１には異常はなく、バックグラウンドノイズ増加に起因する異常である場合には、図１２の異常２に示すように最大波高値電圧Ｅｘ１は正常時の最大波高値電圧Ｅｒｘ１と等値になる。

バックグラウンドノイズ増加によって計数値は正常時よりもなだらかになるため、パラメータαを増加させ、Ｖｃ−Ｖｂ間の計数率Ｎｃｂがパルス幅判定係数率ＮＷ以上になるときには、テストパルス幅Ｗｘがテストパルス幅変動許容範囲の上限値ＷｘＨを超えて、異常と判定される。そして、このバックグラウンドノイズ増加に起因する異常である場合、バイアス監視電圧ＶｘをＶｉｎｉ＝１５ｖからＶ０＝０Ｖまで変化させると、図１１の異常２のような曲線を描く。

バックグラウンドノイズ増加に起因する異常の場合は最大波高値電圧Ｅｘが正常時の最大波高値電圧Ｅｒｘと等値であるのに対し、半導体センサの劣化等の異常の場合は最大波高値電圧Ｅｘが正常時の最大波高値電圧Ｅｒｘに比べ低くなる。

このため、バックグラウンドノイズ増加に起因する異常の場合は、半導体センサの劣化等の異常の場合に比べてテストパルス幅Ｗｘは狭くなる傾向がある。従って、テストパルス幅Ｗｘの変化を監視することで異常状態を切り分けることが可能となる。（例えば、ＶｉｎｉからＶ０へ変化させた時のテストパルス幅の変化ΔＷｘがΔＷｘ＜０．１Ｖで異常１、ΔＷｘ＞０．１Ｖで異常２と判定してもよい。）
断線による異常の場合、バイアス監視電圧最終値Ｖ０付近のときのＷｘが許容範囲下限値ＷｘＬより小さくなることにより異常と判断する。断線していない場合、バイアス電圧が低いと半導体センサの空乏層が広がらず、テストパルス幅は広がる傾向となるからである。

また、ある一定の温度環境下でない場所で使用する場合は第２の実施形態と同様に温度補正係数を用いてテストパルス幅変動許容範囲を補正させることもできる。例えば、温度補正係数Ｃ（Ｔ）を用いて簡易的にパルス幅変動許容範囲を補正する方法（Ｃ（Ｔ）×ＷｘＬ＜Ｗｘ＜Ｃ（Ｔ）×ＷｘＨ）、温度データ毎にメモリ４４内に許容範囲を格納しパルス幅変動許容範囲を補正する方法（ＷｘＬ（Ｔ）＜Ｗｘ＜ＷｘＨ（Ｔ））がある。

なお、上記異常判定は、バイアス監視電圧Ｖｘを減少させながら異常判定をおこなっているが、バイアス監視電圧Ｖｘをバイアス監視電圧初期値Ｖｉｎｉ＝０Ｖから増加させながら異常判定を行ってもよい。また、上記異常判定はパラメータαを増加させながらテストパルス幅Ｗｘの異常判定を行っているが、パラメータαを減少させていき、計数率Ｎｃｂがパルス幅判定用基準係数率ＮＷ以下または未満になったときにテストパルス幅Ｗｘを決定し、異常判定を行ってもよい。

また、本実施形態には、第１の実施形態と同様にノイズの一過性を取り除く機能、断線時の異常判定機能、データ双方向通信機能等を付加させることが可能である。

なお、パルス幅許容範囲下限値ＷｘＬとパルス幅許容範囲上限値ＷｘＨの基準テストパルス幅Ｗｒｘからの閾幅は適時変更可能であるし、基準テストパルス幅Ｗｒｘの決定には半導体センサ１１正常時のテストパルス信号の半値幅を用いているが、半導体センサ１１正常時のテストパルス信号の幅・広がりを定量できる基準幅であれば、他の方法によって基準テストパルス幅を定めてもよい。

（効果）
本発明の第４の実施形態によれば、半導体センサに付加する様々なバイアス電圧値において、異常状態の識別判定が可能となり、より詳細に健全性を確認することができる。

（第５の実施形態）
（構成）
図１３は、本発明の第５の実施形態に係る半導体放射線検出器構成図である。本実施形態は第２の実施形態と第４の実施形態を基としたもので、通常計測状態と健全性計測状態を自動で切替える機能を新たに付加している。

ここで通常計測状態とは、第２の実施形態に係る放射線係数率の計測を行いながら異常判定計数率によって半導体センサ１１の異常判定を行う計測状態である。

また、健全性計測状態とは、第４の実施形態に係るバイアス電圧を変化させながら、複数のバイアス電圧において半導体センサ１１の異常判定を行う計測状態である。

本実施形態において第２の実施形態および第４の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

（作用）
図１４は、第５の実施形態に係る制御部４３の通常計測状態と健全性計測状態を遷移させるアルゴリズムを示している。

図の上部点線で包囲した符号７１の通常計測状態におけるアルゴリズムを以下に説明する。通常計測状態においてＤＡ制御部４１は、ＤＡ回路４２が制御するバイアス電圧および波高弁別回路１４の基準電圧を第２の実施形態に係る放射線計測および異常判定に適した電圧に設定する。

計数率演算部１にて異常判定計数率Ｎｏｂｓを算出した後（ステップ１）、異常判定部２にて、高線量状態の判定（ステップ２）を行い、高線量率状態でない（Ｎｏｂｓ＜Ｎｔｈ）と判断した場合には、異常判定計数率の異常判定を行う（ステップ３）。

ステップ１からステップ３を複数回行った後、一過性判定（ステップ４）にてノイズ等の影響による異常判定の一過性の判定を行う。一過性判定（ステップ４）にて一過性はなく、半導体センサ１１に異常有と判定された場合には、信号処理部１８は、健全性確認状態７３へ切替えるとともに、通常計測異常判定信号７２をモニタ・外部記憶装置４５へ出力する。一過性の判断（ステップ４）において正常と判断された場合には、再び異常判定計数率の算出（ステップ１）に戻る。

また、異常判定係数率を算出（ステップ１）した後には、バイアス電圧の異常判定（ステップ５）も行われ、複数回バイアス電圧の異常有と判断された場合にも、一過性判定（ステップ４）が行われる。

一過性判定（ステップ４）にて一過性はなく、バイアス電圧に異常有と判定された場合も、信号処理部１８は、健全性確認状態７３へ切替えるとともに、通常計測異常判定信号７２をモニタ・外部記憶装置４５へ出力する。

図の下部点線で包囲した符号７３の健全性計測状態におけるアルゴリズムを以下に説明する。まず、ＤＡ制御部４１によってバイアス電圧を初期値Ｅｉｎｉに設定し（ステップ６）、異常判定部２にて、設定したバイアス電圧においてテストパルス幅Ｗｘの異常判定を行う（ステップ７）。

ＤＡ制御部４１によってバイアス電圧を変化させてステップ６からステップ７を複数回行ったのち、一過性判定（ステップ８）を行う。一過性判定（ステップ８）にて異常有と判定された場合には、健全性計測異常判定信号７４を出力する。

ＤＡ制御部４１によってバイアス電圧を変化させ、ステップ６からステップ８をバイアス電圧が０Ｖになるまで行い、０Ｖにおいて異常がない場合、信号処理部１８は、通常異常判定状態７２に切替える（ステップ９）。

また、通常計測状態７１で健全性確認状態遷移要求７５（ＲＭ＿ＩＮＴ）が入力されたときは、強制的に健全性確認状態７３へ遷移できるものとする。さらに、一定時間毎に通常計測状態７１から健全性確認状態７３へ遷移させるなど、アルゴリズムは変更・設定可能である。

健全性確認状態７３において詳細な一過性診断で異常有と判定された場合、健全性計測異常判定信号７４をモニタ・外部記憶装置４５へ出力する。また、データ取得装置５１によって、第４の実施形態のように異常判定に用いるパラメータを随時ダウンロードさせ、異常判定結果を反映させたパラメータに変更することも可能である。

（効果）
本発明の第５の実施形態によれば、通常判定状態と健全性確認状態を自動で切替えることができる。また、データをダウンロードして解析することにより、バックグラウンドノイズ環境調査及び半導体センサ劣化進度調査をすることができる。

なお、本発明の実施形態は、上述した実施形態に限られないことは言うまでもない。例えば、メモリ４４に基準値や設定値を記憶させる構成とするだけでなく、異常判定部２や制御部４３内に基準値や設定値を記憶させておくことでメモリ４４を省く構成とすることが可能である。

また、基準電圧Ｖｂ及びＶｃは、Ｖｂ−Ｖｃ間が、半導体センサ１１正常時のテストパルスによる電気信号の半値幅となる電圧値に限られず、半導体センサ１１正常時のテストパルスによる電気信号の最大波高電圧値及び広がりの程度を定量化できる電圧値であれば他の値でも適用可能である。

１・・・計数率演算部
２・・・異常判定部
３・・・テストパルス制御部
１１・・・半導体センサ
１２・・・バイアス電源部
１３・・・信号増幅器
１４・・・波高弁別部
１５・・・ノイズ波高弁別回路
１６・・・下限テストパルス波高弁別回路
１７・・・上限テストパルス波高弁別回路
１８・・・信号処理部
１９・・・テストパルス発信部
２１・・・温度センサ部
２２・・・バイアス電圧検出部
３１・・・放射線検出上限波高弁別回路
４１・・・ＤＡ制御部
４２・・・ＤＡ回路
４３・・・制御部
４４・・・メモリ
４５・・・モニタ・外部記憶装置
５１・・・データ取得装置
７１・・・通常計測状態
７２・・・通常計測異常判定信号
７３・・・健全性確認状態
７４・・・健全性計測異常判定信号
７５・・・健全性確認状態遷移要求

Claims (10)

1. 放射線を第１の電気信号に変換して送信する半導体センサと、
   前記半導体センサにバイアス電圧を供給するバイアス電源部と、
   前記半導体センサからの前記第１の電気信号と合流するようにテストパルス信号を送信するテストパルス発信部と、
   前記半導体センサから前記第１の電気信号を受信し、さらに前記テストパルス発信部から前記テストパルス信号を受信し、第２の電気信号として増幅する信号増幅器と、
   前記信号増幅器から前記第２の電気信号を受信し弁別して、放射線計数率および異常判定計数率を算出するための第３の電気信号として計数率算出部に送信する波高弁別部と、
   前記第３の電気信号を受信する信号処理部とを備え、
   前記信号処理部は、
   前記波高弁別部から受信した前記第３の電気信号を用いて、前記第３の電気信号からノイズ領域の信号および前記テストパルス信号を除いて前記放射線計数率を算出し、前記第３の電気信号の所定の電圧幅内の計数率を異常判定計数率として算出する計数率演算部と、
   前記計数率演算部で算出された前記異常判定計数率と、前記半導体センサが正常時における前記第３の電気信号の前記所定の電圧幅内の計数率から求めた閾値とを比較して異常判定をする異常判定部と、
   前記テストパルス発信部を制御するテストパルス制御部と、
   前記計数率演算部において算出された前記放射線計数率および前記異常判定部において判定された異常判定結果を出力する出力指示部と、
   を備え、
   前記異常判定部は、前記半導体センサと前記信号増幅器間の断線時の異常を判定する断線判定手段を具備することを特徴とする半導体放射線検出器。
2. 前記波高弁別部は、
   ノイズ領域の電気信号を弁別する弁別回路と、
   前記テストパルス信号の下限基準値にて電気信号を弁別する弁別回路と、
   前記テストパルス信号の上限基準値にて電気信号を弁別する弁別回路と、
   を備えていることを特徴とする請求項１記載の半導体放射線検出器。
3. 前記半導体センサ近傍の温度を検出する温度センサ部と、前記バイアス電源部の出力電圧からバイアス監視電圧値を得るバイアス電圧検出部とをさらに備え、
   前記信号処理部は、
   前記温度センサ部で検出された温度に基づいて異常判定のための基準計数率を温度補正する温度補正手段と、
   前記バイアス電圧検出部から得られたバイアス監視電圧値が正常範囲を逸脱している場合はバイアス電圧の異常であると判定するバイアス電圧判定手段を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２の何れか一項記載の半導体放射線検出器。
4. 前記波高弁別部は、放射線計測領域の電気信号とテストパルス領域の電気信号を弁別する弁別手段をさらに備え、
   前記計数率演算部が前記弁別手段によって弁別された放射線計測領域の電気信号によって放射線計数率を算出する機能を備えた事を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項記載の半導体放射線検出器。
5. 前記異常判定部は、前記半導体センサによる異常とバックグラウンドノイズによる異常とを異常判定計数が計測される電圧域によって識別する異常識別手段をさらに備えた事を特徴とする請求項４に一項記載の半導体放射線検出器。
6. 前記波高弁別部の前記下限基準値及び前記上限基準値と、前記バイアス電源部の前記バイアス電圧を変化させることができるデジタル／アナログ（ＤＡ）回路と、前記ＤＡ回路を制御するＤＡ制御部とをさらに備え、
   前記ＤＡ制御部によって前記バイアス電源部の前記バイアス電圧を変化させ、複数の前記バイアス電圧の各々において、前記下限基準値及び前記上限基準値を変化させることにより前記異常判定計数率を計測するための前記所定の電圧幅を変化させ、前記計数率演算部において前記異常判定計数率を算出し、
   前記異常判定部は、前記異常判定計数率と正常時の前記テストパルスの基準幅内の計数率からテストパルス幅を算出し、このテストパルス幅と正常時の前記テストパルスの前記基準幅を比較し、異常判定することを特徴とする請求項２記載の半導体放射線検出器。
7. 前記異常判定を、正常時のテストパルスの最大波高値電圧を基準にテストパルス計測幅を変化させるようにしたことを特徴とする請求項６記載の半導体放射線検出器。
8. 放射線を第１の電気信号に変換して出力する半導体センサと、
   前記半導体センサにバイアス電圧を供給するバイアス電源部と、
   前記半導体センサからの前記第１の電気信号の出力と合流するようにテストパルス信号を発信するテストパルス発信部と、
   前記半導体センサからの前記第１の電気信号及び前記テストパルス発信部からの前記テストパルス信号を受信する信号増幅器と、
   前記信号増幅器からの第２の電気信号を受信し、放射線計数率及び異常判定計数率を算出するための第３の電気信号に弁別する波高弁別部と、
   前記波高弁別部により弁別された第３の電気信号を受信する信号処理部と、
   前記波高弁別部の基準電圧及び前記バイアス電源部の出力電圧を調整するデジタル／アナログ（ＤＡ）回路と、
   前記ＤＡ回路を制御するＤＡ制御部とを備え、
   前記信号処理部は、計数率演算部と、異常判定部と、前記テストパルス発信部を制御するテストパルス制御部を有し、
   前記ＤＡ制御部は、前記半導体センサに印加するバイアス電圧を放射線計測に適した電圧に設定するとともに、前記波高弁別部の基準電圧を放射線計数率および異常判定係数率の算出に適した電圧に設定し、前記計数率演算部は、前記第３の電気信号を受信し、放射線計数率および異常判定計数率を算出し、前記異常判定部は、この異常判定計数率から異常判定を行う通常計測制御状態と、
   前記半導体センサに印加するバイアス電圧および前記波高弁別部の基準電圧を変化させ、複数の出力電圧において、前記計数率演算部は、計測電圧幅内の異常判定計数率を算出し、前記異常判定部は、前記異常判定計数率と正常時のテストパルスの基準幅内の計数率からテストパルス幅を算出し、このテストパルス幅と正常時のテストパルスの基準幅を比較し、異常判定する健全性計測状態とを切替ることができるようにしたことを特徴とした半導体放射線検出器。
9. 前記信号処理部が、異常判定のためのパラメータ及び異常判定結果を随時データダウンロード機能と、
   前記パラメータの変更が可能な双方向通信機能をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか一項記載の半導体放射線検出器。
10. 前記波高弁別部および前記計数率演算部は、
    前記信号増幅器から受信した前記第２の電気信号を弁別し、計数率を算出する多重波高分析器であることを特徴とした請求項１乃至請求項９の何れか一項記載の半導体放射線検出器。

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