JP5611357B2

JP5611357B2 - 放射線計測装置

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Description

本発明は、放射線計測装置に関する。

放射線計測装置の分野において、装置性能の重要な指標のひとつが、飛来するガンマ線やＸ線などの放射線のエネルギーを高精度に測定することである。半導体検出器やシンチレーション（Scintillation）検出器は、放射線が１フォトン入射すると、そのエネルギーにほぼ比例した電荷量あるいは発光を生じ、これらの量を測定することで放射線のエネルギーが求められている。
その測定において、半導体検出器では電荷が生じるので、そのまま電気信号として出力される。またシンチレータ（Scintillator）では発光が生じるため、光電子増倍管などで電気信号に変換されて、信号出力される。一般的にこれらの検出器からの出力信号は微弱であるため、検出器出力は積分機能を備えた前置増幅器（プリアンプ）に入力されて、増幅される。この前置増幅器からのパルス信号の波高値、すなわちピーク値を精度良く測定することが、放射線のエネルギーを精度良く得ることになる。

なお、アナログ回路でパルス波形を処理し、最後にパルス波高値を求めて放射線のエネルギーを測定する装置のことを、アナログ放射線スペクトル測定装置と呼ぶことにする。
アナログ放射線スペクトル測定装置において放射線が連続して入射する場合、パルス信号も連続して発生することになる。ここでパルス信号の時間間隔が短くなってくると、事前に生じたパルス波形と干渉してパルス波高値の測定精度が悪化する。
例えば、次のパルスが前のパルスの信号の減衰期間中に重なると、その波高値は本来の数値より小さくなる。これを防ぐためのアナログ回路としてポールゼロキャンセラ回路が使用されている。
またアナログ放射線スペクトル測定装置において調整が最適でない場合には、パルスが連続して生じたときにベースラインがシフトすることがある。これを防ぐためにベースラインレストアラ回路が使用されている。
さらに極端にパルスの間隔が短い場合、直前のパルスが減衰しないうちに次のパルスが重畳してパイルアップという現象が生じ、これを回避するためにパイルアップリジェクト回路が用いられる。

特許文献１には、パイルアップを検知して波高値の補正を行うアナログ回路として、パイルアップ補正回路が開示されている。
特許文献２には、パイルアップリジェクト回路が開示されている。
また、非特許文献１には、前記したポールゼロキャンセル回路（ｐ．６７３）、ベースラインレストアラ回路（ｐ．６７７）、パイルアップリジェクト回路（ｐ．７２２）に関する技術が記載されている。

一方、全く異なるアプローチとして、ディジタル波高分析技術が存在する。これは前置増幅器の出力を、波形の変化時間より短い一定の周期でサンプリングしてディジタル値化し、ディジタル値の演算処理によって波形整形と同等の機能を実現するものである。ディジタル演算を使用すれば非線形な処理でも容易に実現できるため、パルス間隔が短い場合の多くの問題を解決することができる。
非特許文献１には、波形の変化時間より短い時間、すなわち高速で常にサンプリングを行うディジタル波高分析技術（ｐ．７３６）が記載されている。
また、特許文献３には前記したようにサンプリングされた信号を演算する技術が開示されている。

米国特許ＵＳ００５２２５６８２Ａ号公報特開平２００９−２２９１２７号公報特開平２００５−１２１３９２号公報

放射線計測ハンドブック第３版、ＫＮＯＬＬ著、木村逸郎・阪井英次訳、日刊工業新聞社

しかしながら、アナログ回路における前記したポールゼロキャンセル回路、ベースラインレストアラ回路、パイルアップリジェクタ、パイルアップ補正回路など用いる場合には、回路の追加による雑音の増大、回路数の増加、調整の必要、コストの増大などの問題がある。
殊に検出器数が膨大な場合にはその影響が大となる。例えば核医学診断装置として用いられるガンマカメラや、単光子放出断層撮影（ＳＰＥＣＴ）装置などのイメージング装置においては、検出器数およびその信号処理回路数が数千以上にも達する。このような場合には、回路調整の実行や複雑な低雑音回路の採用は困難である。
また、ディジタル波高分析技術を採用した場合には、検出器数が多いと処理すべきデータ数が非常に増大するという問題がある。そのためディジタル回路の規模が膨大となり、また高速かつ大量の演算による処理回路の発熱対策も困難になるという問題があった。

そこで、本発明はこのような問題点を解決するもので、その目的とするところは、回路構成が単純で、低コスト、かつ計算量が少なく、高計数率に適した放射線計測装置を提供することである。

前記の課題を解決して、本発明の目的を達成するために、以下のように構成した。
すなわち、放射線のフォトンを個々に検出する検出器と、前記検出器の信号を増幅する前置増幅器と、前記前置増幅器の信号を波形整形する波形整形増幅器と、前記波形整形増幅器のアナログ信号出力をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器のディジタル信号出力を演算処理するディジタルデータ処理装置と、を備えた放射線計測装置であって、前記検出器に入力した放射線のフォトンのパルスの時間間隔とエネルギー値を含むエネルギー情報を前記前置増幅器および前記波形整形増幅器により処理した複数のパルス信号の波高値により得るとともに、前記ディジタルデータ処理装置において、前記Ａ／Ｄ変換器によりディジタル値化された現在のパルス波高値の情報と事前に生じたパルスの発生時間の情報と事前に生じたパルス波高値の情報とを演算することで、現在のパルス波高値の基準電位からの偏差を算出して現在のパルス波高値を補正する。

本発明によれば、回路構成が単純で、低コスト、かつ計算量が少なく、高計数率に適した放射線計測装置を提供することができる。

本発明の放射線計測装置の第１実施形態の回路構成を示したブロック図である。本発明の第１実施形態の動作を説明するための信号波形図である。本発明の第２実施形態の動作を説明するための信号波形図である。本発明の第３実施形態の動作を説明するための信号波形図である。本発明の実施形態の特性と比較回路例との特性とを比較した特性図である。比較回路例１の放射線計測装置であるアナログ放射線スペクトル測定装置の回路構成を示したブロック図である。比較回路例２の放射線計測装置であるディジタル波高分析装置の回路構成を示したブロック図である。比較回路例２の放射線計測装置であるディジタル波高分析装置の動作を説明するための信号波形図である。

本発明の実施形態を次に説明する。実施形態の回路構成や動作について順に述べる。
（第１実施形態）
＜放射線計測装置の回路構成（第１実施形態）＞
図１は本発明の第１実施形態の回路構成（装置構成）を示したブロック図である。
図１において、検出器１１１はガンマ線１１９が入力すると、そのエネルギー（１フォトンのエネルギー）を反映した電荷信号１２０を出力する。検出器１１１の出力端子は前置増幅器（プリアンプ）１１２の入力端子に接続されている。
ガンマ線１１９のエネルギーを精度よく得るためには、前置増幅器１１２からのパルス信号の波高値すなわちピーク値を精度よく測定すればよい。

前置増幅器１１２の役目は、検出器１１１からの微弱な信号の増幅と、適正な出力インピーダンスを確保するためのものである。
電荷信号１２０は、帰還型の前置増幅器１１２に入力して、積分される（キャパシタ１３２の作用）とともに増幅され、前置増幅器１１２からパルス信号１２１が出力される。
なお、前置増幅器１１２の出力端子と入力端子の間に、並列に接続された、帰還抵抗１３３と帰還キャパシタ１３２とが接続されている。このため、電荷信号１２０が入力し、パルス信号１２１が出力しても、前置増幅器１１２は飽和せずに、パルス信号１２１は帰還抵抗１３３と帰還キャパシタ１３２との時定数で減衰する。具体的にはこの時定数は５０マイクロ秒から５００マイクロ秒程度が選択される。

前置増幅器１１２の出力端子は、直列に接続されたキャパシタ（直列キャパシタ）１３１を介して波形整形増幅器１１３の入力端子に接続されている。
したがって、パルス信号１２１は直流成分がキャパシタ１３１で除かれて、交流成分のみが波形整形増幅器１１３へ入力される。
なお、キャパシタ１３１によって直流成分を取り除くのは、波形整形増幅器１１３における零点からの偏差をなくし、検出信号成分のみを増幅するためである。

パルス信号１２１には検出器１１１や前置増幅器１１２などに由来する雑音が重畳しており、これらを取り除くために波形整形増幅器１１３を通す。
波形整形増幅器１１３は、微分回路（不図示）および積分回路（不図示）で構成されており、その時定数は通常、電荷信号１２０の積分時間を確保しつつ、雑音を最小限とするよう選択される。
波形整形増幅器１１３の機能は、バンドパスフィルター機能と増幅機能とを備えている。バンドパスフィルターの機能により、高周波成分と低周波成分、つまりは雑音成分を取り除き、検出信号成分のみを増幅機能により増幅する。
波形整形増幅器１１３の出力端子１２２はＡ／Ｄ変換器（Analog-to-Digital Converter）１１４の入力端子へ接続されている。

波形整形増幅器１１３のアナログ信号である出力信号（１２２）は、Ａ／Ｄ変換器１１４へ入力され、サンプリングされてディジタル信号に変換される。
Ａ／Ｄ変換器１１４は、アナログ信号である出力信号（１２２）のピークを検知すると、ピーク電圧をホールドし、ディジタル値化（波高値データ１１５）する。また、ピークを検知すると同時にタイミングデータ発生器１２４にトリガ信号１２５を送信する。

タイミングデータ発生器１２４は、複数のパルスが発生する場合（図２参照）において、前回のパルスからの経過時間データ１２６を演算器１１７へ送信する。

演算器１１７には、Ａ／Ｄ変換器１１４からの波高値データ１１５およびタイミングデータ発生器１２４からの経過時間データ１２６が送られてくる。演算器１１７はこれらのデータを演算処理した後、補正後波高値データ１３０をデータ収集装置１１８へ送る。

データ収集装置１１８は、補正後波高値データ１３０を収集して、エネルギースペクトルのデータを出力する。
なお、エネルギースペクトルの特性図は、ピーク値とパルス数との関係をプロットしてグラフ化したもので、特定のエネルギーのガンマ線やＸ線が入射した場合にはエネルギースペクトルにはピークとして現れる。このピークが細いほど、放射線に対するエネルギー識別能力（エネルギー分解能）が高いことになる。

＜放射線計測装置の動作（第１実施形態）＞
以上、第１実施形態の装置構成を説明したが、次に電荷信号１２０が連続して入射した場合について、その動作を説明する。
図２は電荷信号１２０（図１）が連続して入射した場合における、波形整形増幅器１１３の出力の信号波形図である。なお、波形整形増幅器１１３の出力の信号波形図であって、増幅率や高周波成分と低周波成分において異なる点はあるが前置増幅器１１２の出力のパルス信号１２１の状況を概ね反映している。

電荷信号１２０が連続して２回入射した場合、波形整形増幅器１１３の出力において、第１のパルス２０８の後の出力波形は出力信号２０６のような波形となり、第２のパルス２０９の後の出力波形は出力信号２０５のような波形となる。
第１のパルス２０８は、基準電位点であるベースライン２１０に対して正しい波高値２０２を示す。なお、第１のパルス２０８の波形は、矩形波に近い電荷信号１２０（図１）を積分したパルス信号１２１（図１）の波形に対応している。
第１のパルス２０８は減衰するが、前置増幅器１１２（図１）と波形整形増幅器１１３（図１）との間にキャパシタ１３１（図１）があって、回路が交流結合となっているため、出力信号２０６が示すようにベースライン２１０を通り過ぎて、極性が反転してから帰還抵抗１３３と帰還キャパシタ１３２との時定数にしたがって減衰する。つまり、ベースライン２１０に近づいていく。

この現象は、前記した第１のパルス２０８の波形が正側（基準電位点であるベースライン２１０より上の正方向）であり、直列キャパシタ１３１が直流成分を流さないので、第１のパルス２０８が減衰した後に、第１のパルス２０８の正側の波形成分の積分値に等しい分を負側（基準電位点であるベースライン１１０より下の負方向）に流す必然性があるためである。したがって、出力信号２０６に示すように負側に極性が反転するのである。
なお、第１のパルス２０８で示した波形の正側の積分値と、出力信号２０６で示した波形の負側の積分値とは概ね等しくなるように動作していく。

ここで、出力信号２０６が負側に極性が反転して減衰している途中、つまりベースライン２１０まで戻りきらないうちに、第２のパルス２０９が入射すると、パルスが重なったことになり、観測される波高値２０１（Ｖ_Ｐ２０１）は正しい波高値２０３（Ｖ_Ｐ２０３）より偏差２０４（Ｖ_２０４）だけ小さい値となる。したがって、波高値２０１（Ｖ_Ｐ２０１）だけを測定しても、第２のパルス２０９の波高値は正確にはわからない。
なお第２のパルス２０９は、第１のパルス２０８から時間２０７（ｔ_２０７）だけ経過してから生じたものである。

＜放射線計測装置の演算（第１実施形態）＞
したがって、第２のパルス２０９の正しい波高値２０３（Ｖ_Ｐ２０３）を求めるには演算をする必要があり、以下にその方法について説明する。
図２において、波高値２０２（Ｖ_Ｐ２０２）および波高値２０３（Ｖ_Ｐ２０３）および時間２０７（ｔ_２０７）のディジタル値は、演算器１１７（図１）へ送られ、演算器１１７はこれらを使用して偏差２０４（Ｖ_２０４）を演算して求める。
偏差２０４（Ｖ_２０４）は、計測回路に起因して生じるもので、演算により求めることができる。すなわち波高値２０３（Ｖ_Ｐ２０３）は、補正後波高値データ１３０（Ｖ_{ＰＳ１３０}）へ修正されてデータ収集装置１１８へ送られる。その演算として、

Ｖ_{ＰＳ１３０}＝Ｖ_Ｐ２０３
＋ｋ_１×［Ｖ_Ｐ２０２×ｃｏｓ（ｔ_２０７／ｋ_２）×ｅｘｐ（−ｔ_２０７×ｋ_３）〕
・・・（式１）
を使用する。ここでｋ１、ｋ２、ｋ３は計測回路に依存する係数である。

式１は波高値２０３（Ｖ_Ｐ２０３）に対して偏差２０４（Ｖ_２０４）を計算により求めて修正するものである。式１は代数計算・三角関数・指数関数の組み合わせとなっているが、これは回路の応答がこれらの関数で記述できるためで、これらの最適な組み合わせを用いればよい。
式１の演算により補正後波高値データ１３０（Ｖ_{ＰＳ１３０}）は、正しい波高値２０３（Ｖ_Ｐ２０３）に近い値とすることができ、結果としてガンマ線１１９のエネルギー値測定誤差が小さくなる。その結果、ガンマ線１１９が頻繁に入射する条件、すなわち高計数率の条件においても高精度にそのエネルギー値を求めることが可能となる。

なお、図２において、第１のパルス２０８が入射する際には、前置増幅器１１２から前のパルスの影響は消えていて、波形成形増幅器１１３の出力値はベースライン２１０にあるものとする。前のパルスから第１のパルス２０８の間の間隔が、図１における帰還抵抗１３３と帰還キャパシタ１３２とで定まる時定数（減衰時定数）より充分に長ければ前のパルスの影響は実用的には消える。

（第２実施形態）
次に第２実施形態について述べる。本実施形態では、第１実施形態の場合よりさらに頻繁に電荷信号１２０が入射した場合でも、エネルギー値を精度良く測定可能な放射線計測装置の例を説明する。

＜放射線計測装置の回路構成（第２実施形態）＞
本実施例の回路構成（装置構成）は、第１実施形態における図１と基本的には同じ構成である。ただし、演算器１１７は、電荷信号１２０が連続して複数発生した場合に対応した演算器の構成が必要となる。

＜放射線計測装置の動作（第２実施形態）＞
図３は、図１における回路構成（装置構成）の放射線計測装置に、電荷信号１２０が４回連続して発生した場合における波形整形増幅器１１３の出力波形を示した信号波形図である。この図３では、図２と共通する部分には図２と同じ符号を付している。
すなわち、時系列順に第１のパルス２０８、第２のパルス２０９、第３のパルス３０７、第４のパルス３０８が生じている。ここで第２のパルス２０９、第３のパルス３０７、第４のパルス３０８は、事前のパルス信号が減衰しないうちに連続して生じている。

このような場合、第４のパルス３０８の偏差３１０（Ｖ_３１０）は、第２のパルス２０９の偏差２０４（Ｖ_２０４）より大きくなっている。これは前置増幅器１１２（図１）および波形整形増幅器１１３（図１）が直流分を通さない回路となっている一方で、パルスが多数入射したために、図３における正極性の面積が増加した結果、トータルの面積がゼロとなるように負極性の面積を増やす作用が生じて偏差２０４（Ｖ_２０４）が大きくなったためである。このような場合は、式１の直前のパルスのみを考慮しても不十分である。

なお、図３において、符号３０２は第２のパルス２０９から第３のパルス３０７の間の時間（ｔ_３０２）であり、符号３０３は第２のパルス２０９から第４のパルス３０８の間の時間（ｔ_３０３）であり、符号３０４は第３のパルス３０７から第４のパルス３０８の間の時間（ｔ_３０４）であり、符号３０６は第１のパルス２０８から第４のパルス３０８の間の時間（ｔ_３０６）である。
また、符号３０５は第４のパルス３０８の後の出力波形の出力信号３０５である。
また、符号３０９は第４のパルス３０８の観測される波高値３０９（Ｖ_Ｐ３０９）であり、符号３１２は第３のパルス３０７の観測される波高値３１２（Ｖ_Ｐ３１２）である。
また、符号３１１は第４のパルス３０８の波高値３１１（Ｖ_Ｐ３１１）である。

＜放射線計測装置の演算（第２実施形態）＞
そこで第２実施形態では補正後波高値データ１３０（Ｖ_{ＰＳ１３０}）を求めるために、以下に示した演算式を用いる。

Ｖ_{ＰＳ１３０}＝Ｖ_Ｐ２０３
＋ｋ_１×［Ｖ_Ｐ３１２×ｃｏｓ（ｔ_３０４／ｋ_２）×ｅｘｐ（−ｔ_３０４×ｋ_３）〕
＋ｋ_１×［Ｖ_Ｐ２０１×ｃｏｓ（ｔ_３０３／ｋ_２）×ｅｘｐ（−ｔ_３０３×ｋ_３）〕
＋ｋ_１×［Ｖ_Ｐ２０２×ｃｏｓ（ｔ_３０６／ｋ_２）×ｅｘｐ（−ｔ_３０６×ｋ_３）〕
・・・（式２）
ただし、ｔ_３０３＝ｔ_３０４＋ｔ_３０２
ｔ_３０６＝ｔ_３０４＋ｔ_３０２＋ｔ_２０７
である。

すなわち式２は、式１のように事前のパルス１回のみの影響だけでなく、事前の３回のパルスの影響を考慮したものとなっている。なお、これらの値は、図１における演算器１１７に記憶されており、それらを読み出すことで演算が実行される。本実施形態（第２実施形態）により、第１実施形態の場合より、高計数率の場合においても高精度にガンマ線１１９のエネルギー値を求めることが可能となる。

なお、前記したように、図２に示すようなパルス２回を考慮した式１を基に演算する第１実施形態では、図３に示すようなパルス４回の場合は正確な測定はできない。
ただし、図３に示すようなパルス４回を考慮した式２を基に演算する第２実施形態では、図３に示すようなパルス４回の場合は勿論のこと、図２に示すようなパルス２回を含めて、パルス４回以下であれば正確な測定が可能となる。

（第３実施形態）
次に第３実施形態について述べる。本実施形態では、第１実施形態の場合よりさらに短時間に次のパルスが生じた場合に対応して本発明を実施した例を示す。

＜放射線計測装置の回路構成（第３実施形態）＞
本実施例の回路構成（装置構成）は、第１実施形態における図１と基本的には同じ構成である。ただし、演算器１１７は電荷信号１２０がさらに短時間に次のパルスが生じた場合に対応した演算器の構成が必要となる。

＜放射線計測装置の動作（第３実施形態）＞
図４は、図１における装置構成の放射線計測装置に電荷信号１２０がピークとなった直後に次の電荷信号１２０が生じた場合における、波形整形増幅器１１３の出力波形を示した図である。なお、図４においては、第１のパルス２０８があり、そのパルス波形が反転する前に第２のパルス４０９が重なった状態を示している。この図４では、図２と共通する部分には図２と同じ符号を付している。

本実施形態の場合、偏差４０４（Ｖ_４０４）は正となっているため、補正後波高値データ１３０（Ｖ_{ＰＳ１３０}）から偏差４０４（Ｖ_４０４）を差し引く必要がある。従来このような場合はパイルアップと呼ばれ、パルス波高値の取得は行わずにデータは破棄されていた。本発明では補正後波高値データ１３０を求めるために、以下に示した演算式（式３）を用いる。
なお、符号４０７は、第１のパルス２０８から第２のパルス４０９の間の時間４０７（ｔ_４０７）である。また、符号４０１は、第２のパルス４０９の観測される波高値４０１（Ｖ_Ｐ４０１）である。符号４０３は、第１のパルス２０８の最後の出力値と第２のパルス４０９の観測される波高値４０１（Ｖ_Ｐ４０１）との差の電圧値（Ｖ_Ｐ４０３）である。

Ｖ_{ＰＳ１３０}＝Ｖ_Ｐ４０３
＋ｋ_１×［Ｖ_Ｐ２０２×ｃｏｓ（ｔ_４０７／ｋ_２）×ｅｘｐ（−ｔ_４０７×ｋ_３）〕
−ｋ_４×［Ｖ_Ｐ２０２×ｅｘｐ（−ｔ_４０７×ｋ_５）〕
・・・（式３）

すなわち、式３は事前のパルスとの時間間隔が極めて短い場合、係数ｋ_４および係数ｋ_５を適切に設定することで偏差４０４（Ｖ_４０４）がパルス波高と同極性であってもそれに対応する値を求めることができる。
本実施形態を実施した放射線計測装置では、アナログ回路としてのパイルアップリジェクト回路やパイルアップ補正回路は不要である。

（第４実施形態）
次に第４実施形態について述べる。密度が大きく高エネルギーガンマ線に対する感度が大きい利点を有するが、長い減衰時間成分を有するＣｄＷＯ_４シンチレータ検出器と光電子増倍管とを組み合わせた場合について説明する。

＜放射線計測装置の回路構成（第４実施形態）＞
本実施例の回路構成（装置構成）は、第１実施形態における図１と基本的には同じ構成である。ただし、検出器１１１にＣｄＷＯ_４シンチレータ検出器と光電子増倍管とを組み合わせて用いる。

＜放射線計測装置の動作（第４実施形態）＞
ＣｄＷＯ_４シンチレータは、ガンマ線やＸ線が入射すると発光する物質で、その発光量はガンマ線の１フォトンに対してそのエネルギーに比例する。この発光は瞬時に生じて終了するわけではなく、有限の時間で最大値となり、その後減衰する特性を示す。このときの減衰に要する時間を減衰時間と称する。さらにシンチレータの種類によってはこの減衰時間を２種類以上有するものがある。ＣｄＷＯ_４もその一つで、発光量の４０％が減衰時間は１．１μｓ、６０％が減衰時間は１４．５μｓとなっている。

このような長い減衰時間成分を有する発光に応じた出力信号を図１で示した放射線計測装置において処理した場合、１回のパルスを波形整形増幅器１１３で処理した場合においても減衰が長引き、次のパルスとの間隔が短い場合には減衰が終わらないうちに次のパルスが重畳してしまうことがある。
したがって、図１の構成で、検出器１１１に備えたＣｄＷＯ_４シンチレータの発光減衰時間が一定とし、次のパルスへの影響を演算により予測して、次のパルスの波高値を補正する。それによって、高計数率時のエネルギー分解能悪化を抑制可能である。したがって、ＣｄＷＯ_４シンチレータは密度が大きく、高エネルギーガンマ線に対する感度が大きい利点の放射線計測装置となる。

図１に示した放射線計測装置において、検出器１１１をＣｄＷＯ_４シンチレータとし、式１における計数ｋ１、ｋ２、ｋ３を変更した結果、毎秒１００回の計数率においては、^１３７Ｃｓの６６２ｋｅＶガンマ線のエネルギー分解能が８％、毎秒１０００回の計数率においては、９％のエネルギー分解能が得られている。これが後記する比較回路例１の図６に示された放射線計測装置を使用した場合、毎秒１００回の計数率ではエネルギー分解能は８％と変化なかったが、毎秒１０００回の計数率においては１５％と悪化した場合に比較すると、良好な結果が得られている。すなわち本発明により長い減衰時間成分を有するシンチレータ検出器を用いた場合でも、高計数率時におけるエネルギー分解能の悪化が抑制できる。なお、エネルギー分解能の意味については後述する。

（その他の実施形態）
第２実施形態において、式２は事前の３回のパルスの影響を考慮したものであるが、事前の任意の回数のパルスの影響を考慮したものに拡張することができる。
事前のパルスを考慮すべき個数、すなわち記憶・演算する個数は、信号がベースライン２１０（図２参照）へ減衰する時間内に発生するパルスの個数で概ね決めればよい。例えば前置増幅器１１２（図１参照）の減衰時定数が５０μｓの場合、５０μｓの間に発生する平均のパルス数を設定すればよい。

第３実施形態において、式３は事前の任意の回数のパルスの影響を考慮したものに拡張することができる。このとき、Ｎ（Ｎは正の整数）回のパルスの影響を考慮して拡張したものは、Ｎ回以下のパルスの場合に共通して適用が可能となる。

図１において、タイミングデータ発生器１２４、演算器１１７、データ収集装置１１８と機能毎にブロック別に表記したが、これらを一体化してもよい。例えば一体化して、ディジタルデータ処理装置としてもよい。さらに前記以外の機能をディジタルデータ処理装置に備えてもよい。

また、演算器１１７に備えた演算機能として、代数、三角関数、指数関数を例にあげたが、それ以外の関数を備えてもよい。
また、三角関数や指数関数の演算においては任意の入力値を演算する回路機能でも、予め設定された数値表から引き出す回路方式でもよい。
また、実数領域で演算する三角関数と指数関数を、複素領域で一括して取り扱う演算（複素領域に拡張した指数関数）でもよい。
また、演算器１１７の回路は、ハードウェアでも、ソフトウェアでも、またそれらの混成によって構成してもよい。

（比較回路）
次に本実施形態の特徴を明らかにするために、本実施形態とは異なる比較回路を示す。そして比較し、それらの特性や効果の相違を後記する。

＜比較回路例１＞
放射線計測装置の比較回路例１を図６に示す。（図５については後述する。）
図６は、比較回路例１であるアナログ放射線スペクトル測定装置の回路構成を示す回路ブロック図である。図６において、波形整形増幅器６１３は、ポールゼロキャンセル回路（不図示）、ベースラインレストアラ回路（不図示）、パイルアップリジェクト回路（不図示）をすべて搭載している。また、波形整形増幅器６１３から出力された信号は、Ａ／Ｄ変換器６１４でパルス波高がディジタル値され、演算などの処理をすることなく直接、データ収集装置６１８へ送られる。

＜比較回路例１との特性比較＞
本実施形態（第１〜３）の放射線計測装置を前記比較回路例１（図６）の放射線計測装置と比較した結果を図５に示す。
図５において、横軸は放射線の計数率（Counts/s）であり、縦軸はエネルギー分解能（百分率％）である。なおエネルギー分解能とは観測されるエネルギースペクトルにおいて、ピークの半値幅をピークの横軸位置で除した値で、これが小さいほどエネルギー弁別能力が良好で高性能であることを示す指標である。

図５において、第３の特性線５０３は、図６に示した比較回路例１のアナログ放射線スペクトル測定装置にて、波形整形増幅器６０１が搭載しているポールゼロキャンセル回路（不図示）、ベースラインレストアラ回路（不図示）、パイルアップリジェクト回路（不図示）を、すべて作動させない場合の特性である。なお、検出器１１１にＣｄＴｅを用い、ガンマ線１１９として^５７Ｃｏの１２２ｋｅＶガンマ線を入射させている。
第３の特性線５０３において、毎秒１０００回の計数率ではエネルギー分解能は４．５％であるが、毎秒１００００回の計数率においては７％と悪化している。つまり、第３の特性線５０３は、計数率の上昇（高計数率）にともなってエネルギー分解能が急激に上昇していることがわかる。エネルギー分解能の値の上昇は、ガンマ線のエネルギー識別能力の低下を意味するものであり、好ましくない。

また、第２の特性線５０２は、前述の波形整形増幅器６０１が搭載するポールゼロキャンセル回路（不図示）、ベースラインレストアラ回路（不図示）、パイルアップリジェクト回路（不図示）をすべて作動させた場合の特性である。第２の特性線５０２は第３の特性線５０３と比較すると計数率に対してエネルギー分解能の悪化が抑制されていることがわかる。しかし第２の特性線５０２は、第１の特性線５０１に比較すれば、前記比較回路例１のアナログ回路の対策では計数率上昇に対する補正が完全とはいえないことを示している。

本実施形態（第１〜３）における放射線計測装置を用いた場合の特性は、第１の特性線５０１であり、計数率に対してエネルギー分解能の変化はほとんど見られない。すなわち本実施形態（第１〜３）の放射線計測装置は、ほぼ完全にエネルギー分解能の計数依存性を補正できるという結果が得られている。

＜比較回路例２＞
ディジタル波高分析装置における比較回路例２を図７に示す。
図７は、比較回路例２であるディジタル波高分析装置の回路構成を示す回路ブロック図である。図７において、ガンマ線１１９が検出器１１１に入射すると、電荷信号１２０が発生し、前置増幅器１１２で積分および増幅される。ここまでは本実施形態の図１と同様であるが、ディジタル波高分析装置では前置増幅器１１２からの出力パルス信号１２１は直列キャパシタ１３１を介して、直接（波形整形増幅器６１３、図６を介さずに）、高速Ａ／Ｄ変換器７０３に入力される。出力パルス信号１２１は、非常に細かいサンプリング時間間隔ですべてディジタル化されて波形データ７０４として出力され、高速演算器７０５で演算処理が行われた後、データ収集装置７１８にデータが送られる。

＜比較回路例２との特性比較＞
図７のディジタル波高分析装置では、本実施形態（第１〜第３）と同様に、図５における第１の特性線５０１と同じ結果が得られた。しかし、演算量には大きな差がある。
図８は、電荷信号１２０が連続して入射した場合における高速Ａ／Ｄ変換器７０３（図７）の入力波形７２１とサンプリング波形８０３を示した信号波形図（比較例）である。なお、前置増幅器１１２の出力信号は波形１２１（図７）である。
図８において、ディジタル波高分析装置（つまり比較回路例２）ではサンプリング間隔８３３が２０ｎｓの場合、パルス８０１がパルス間隔８１１の５０μｓの期間で変化する場合、パルス１個あたりのサンプリング回数は２５００回にも達する。

一方、本実施形態（第１〜第３）ではパルス１個あたりのサンプリング回数は１回で、時間データが必要であることを考慮してもデータは２個であり、処理すべきデータ数は本実施形態（第１〜３）の方が格段に少ない。事前のパルス３回分の波高値および時間データを含んでもパルス１回あたり８個で、やはり桁違いにデータ数が少なくて済む。その結果、検出器数が多くてもデータ処理量や演算量が少なくて済み、多チャンネル検出器を用いるシステムを低コストで実現することができる。

（本実施形態、本発明の補足）
以上に述べたように、本実施形態を使用する場合、まず、ポールゼロキャンセル回路、ベースラインレストアラ回路、パイルアップリジェクタ回路、パイルアップ補正回路などのアナログ回路による対策手段はすべて不要となる。したがって、アナログ回路としての回路構成が単純化される。このことは検出器数が多い場合に回路を単純化でき、低コストの装置化に大きく寄与する。

またディジタル波高分析装置と比較すると、大幅に計算量を減らすことができる。すなわちディジタル波高分析装置は、波形の変化に対して十分短い間隔で常に波形をサンプリングし、常に演算を実行する必要がある。一方、本実施形態ではパルスが入力された場合のみ波高値をサンプリングすればよい。これは従来のアナログ放射線スペクトル測定装置でパルス信号を波形整形した後に波高値をサンプリングする場合と同じであり、ディジタル波高分析装置のように常に波形をサンプリングする場合より情報量が格段に少ない。

ただし本発明では事前のパルスの波高値情報および時間情報も演算に用いる必要があるため、比較例のアナログ放射線スペクトル測定装置よりはデータ量は多くなる。それでも本発明におけるデータ量は、ディジタル波高分析装置よりははるかに少ない。そのため演算量も少なく、多数の検出器を用いる場合でも演算量が多くならない。

さらに本発明を用いれば、検出器出力が固有の長時間減衰を有する場合にもパルス波高値を高精度に求めることができる。これは事前に生じたパルスの減衰を演算に考慮することで、長時間の減衰に起因するベースラインのずれをディジタル演算で補正できるためである。したがって従来は長時間の減衰のためパルス間隔が短い、すなわち高計数率で用いることができなかった検出器も使用することが可能となる。

１１１検出器
１１２前置増幅器
１１３、６１３波形整形増幅器
１１４、６１４Ａ／Ｄ変換器
１１５波高値データ
１１７演算器（ディジタルデータ処理装置）
１１８、６１８、７１８データ収集装置（ディジタルデータ処理装置）
１１９ガンマ線
１２０電荷信号
１２１前置増幅器の出力信号、出力パルス信号、出力波形
１２２出力信号、波形整形増幅器の出力信号
１２４タイミングデータ発生器（ディジタルデータ処理装置）
１２５トリガ信号
１２６経過時間データ
１３０補正後波高値データ
１３１キャパシタ、直列キャパシタ
１３２キャパシタ、帰還キャパシタ
１３３帰還抵抗
２０１、３０９、３１２、４０１測定される波高値
２０２測定され、かつ真の波高値
２０３、３１１、４０３真の波高値
２０４、３１０、４０４偏差
２０５、４０５波形整形増幅器の出力波形
２１０ベースライン
２０７、３０２、３０３、３０４、３０６、４０７時間
２０８第１のパルス
２０９、４０９第２のパルス
３０７第３のパルス
３０８第４のパルス
５０１第１の特性線
５０２第２の特性線
５０３第３の特性線
７０３高速Ａ／Ｄ変換器
７０４波形データ
７０５高速演算器
７２１高速Ａ／Ｄ変換器の入力波形
８０１パルス
８０３サンプリングパルス、サンプリング波形
８１１パルス間隔
８３３サンプリング間隔

Claims

放射線のフォトンを個々に検出する検出器と、
前記検出器の信号を増幅する前置増幅器と、
前記前置増幅器の信号を波形整形する波形整形増幅器と、
前記波形整形増幅器のアナログ信号出力をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
前記Ａ／Ｄ変換器のディジタル信号出力を演算処理するディジタルデータ処理装置と、
を備えた放射線計測装置であって、
前記検出器に入力した放射線のフォトンのパルスの時間間隔とエネルギー値を含むエネルギー情報を前記前置増幅器および前記波形整形増幅器により処理した複数のパルス信号の波高値により得るとともに、
前記ディジタルデータ処理装置において、前記Ａ／Ｄ変換器によりディジタル値化された現在のパルス波高値の情報と事前に生じたパルスの発生時間の情報と事前に生じたパルス波高値の情報とを演算することで、現在のパルス波高値の基準電位からの偏差を算出して現在のパルス波高値を補正することを特徴とする放射線計測装置。
前記ディジタルデータ処理装置における前記ディジタル値化された現在のパルス波高値の情報と事前に生じたパルスの発生時間の情報と事前に生じたパルス波高値の情報とで前記現在のパルス波高値の情報を補正する演算は、代数、三角関数、指数関数のうち少なくとも１つか、あるいは複数を組み合わせた演算を備えたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の放射線計測装置。
前記ディジタルデータ処理装置における前記現在のパルス波高値の情報と事前に生じたパルスの発生時間の情報と事前に生じたパルス波高値の情報とで前記現在のパルス波高値の情報を補正する演算は、事前に生じた複数のパルスに対してそれぞれのパルス発生時間およびパルス波高値をディジタル値化して記憶保持し、前記の記憶保持したディジタル値に対して行う演算であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の放射線計測装置。
前記ディジタルデータ処理装置における前記現在のパルス波高値の情報と事前に生じたパルスの発生時間の情報と事前に生じたパルス波高値の情報とで前記現在のパルス波高値の情報を補正する演算は、事前に生じた複数のパルスに対してそれぞれのパルス発生時間およびパルス波高値をディジタル値化して記憶保持し、前記の記憶保持したディジタル値に対して行う演算であることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の放射線計測装置。
前記ディジタルデータ処理装置における前記現在のパルス波高値の情報と事前に生じたパルスの発生時間の情報と事前に生じたパルス波高値の情報とで前記現在のパルス波高値の情報を補正する演算は、事前に生じたパルス波形が反転する前に現在のパルスが発生した場合の演算を備えたことを特徴とする請求の範囲第１項乃至請求の範囲第４項のいずれか一項に記載の放射線計測装置。