JP6108394B2 - Radiation energy distribution detection method and detection apparatus therefor - Google Patents
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Description
本発明は、高強度の放射線源から発せられる荷電粒子又は該荷電粒子に変換される電磁波の放射線エネルギー分布を推定することによって、X線CT等で問題となる透過X線の線質硬化の影響を排除できる放射線エネルギー分布の検出方法及びその検出装置に関する。 The present invention estimates the radiation energy distribution of charged particles emitted from a high-intensity radiation source or electromagnetic waves converted into the charged particles, thereby affecting the effect of quality hardening of transmitted X-rays, which is a problem in X-ray CT and the like. The present invention relates to a radiation energy distribution detection method and a detection apparatus thereof.
放射線、特にX線は医療や産業用途で広く利用されている。X線発生装置としては、X線を放射する放射性物質、X線管、電子線形加速器を用いたX線源、放射光施設などがある。医療産業応用にはX線管や電子線形加速器が多く用いられる。X線管や電子線形加速器を用いたX線源は、電子ビームを加速してターゲットに入射し、そのとき発生する制動放射X線を用いるものである。制動放射X線は単色ではなく連続エネルギースペクトルを有する。 Radiation, especially X-rays, is widely used for medical and industrial purposes. Examples of X-ray generators include radioactive materials that emit X-rays, X-ray tubes, X-ray sources using electron linear accelerators, and radiation facilities. X-ray tubes and electron linear accelerators are often used for medical industry applications. An X-ray source using an X-ray tube or an electron linear accelerator uses a bremsstrahlung X-ray generated at that time by accelerating an electron beam and entering the target. The bremsstrahlung x-ray is not monochromatic but has a continuous energy spectrum.
連続エネルギースペクトルを有するX線を用いたX線イメージングやX線CTについては、線質硬化(ビームハードニング)という問題がある。X線は被写体にて減弱するが、減弱係数は物質の種類や密度だけでなくエネルギーにも依存する。つまり、被写体を透過したX線は、エネルギー分布が変化する。X線管が発生できるX線のエネルギーの領域から10MeV程度の領域では、減弱係数はX線エネルギーに対して低くなる。エネルギーの低いX線は減少し、エネルギーの高いX線は比較的減少せずに被写体を透過する。そのため、透過したX線のエネルギー分布は高い方に寄った分布となるという線質硬化の現象が見られる。この線質硬化はX線CTでの画像再構成の際に、CT画像に密度の歪を発生させるなどの深刻な影響(アーチファクト) を及ぼすことが知られており、様々な補正手段が提案されている。 X-ray imaging and X-ray CT using X-rays having a continuous energy spectrum have a problem of beam quality hardening (beam hardening). X-rays are attenuated in the subject, but the attenuation coefficient depends not only on the type and density of the substance but also on the energy. That is, the energy distribution of X-rays that have passed through the subject changes. In the region of about 10 MeV from the region of the X-ray energy that can be generated by the X-ray tube, the attenuation coefficient becomes lower than the X-ray energy. Low-energy X-rays decrease, and high-energy X-rays pass through the subject without decreasing relatively. Therefore, the phenomenon of quality hardening that the energy distribution of transmitted X-rays becomes a distribution closer to the higher one is seen. This quality hardening is known to have serious effects (artifacts) such as density distortion in CT images during image reconstruction in X-ray CT, and various correction means have been proposed. ing.
特許文献1では、フォトンカウンティングモードで動作するX線検出器で得られるX線エネルギー分布情報により線質硬化の影響を除去しようとしている。しかし、大量の光子が同時に検出器に入射するバーストモードでの運用ができないため、測定時間は長くならざるを得ない。
In
また、特許文献2では、X線管に異なる電圧を印加することによりエネルギー分布の異なるX線を発生させ、それぞれの画像を取得し再構成している。しかし、同じ画像についてX線を二度照射しなければならず、患者の被爆量が多くなる懸念がある。
In
線質硬化に起因するアーチファクトは、医療分野では骨の付近や人口骨、金属など、他の部分と比較してX線吸収が大きい部分で発生し、診断結果に影響を及ぼす重大な問題である。産業用途でも、例えば鉄筋コンクリートの鉄骨の部分でアーチファクトが発生する。 Artifacts caused by radiation hardening occur in the medical field near bones, artificial bones, and other parts such as metal, where X-ray absorption is greater than other parts, and this is a serious problem that affects diagnostic results. . Even in industrial applications, for example, artifacts occur in the steel frame portion of reinforced concrete.
X線のエネルギー分布を知るには、通常は、X線光子が時間的に離散した状態で検出器に入射するフォトンカウンティングモードにて、その光子の全エネルギーの検出器内でのデポジットを測定することが必要とされている。光子が2個以上同時に検出器に入射しエネルギーをデポジットした場合、その合計エネルギーが信号としてもたらされる。従って、大量の光子が同時に検出器に入射するバーストモードでは、その合計エネルギーしか判らない。 In order to know the energy distribution of X-rays, the deposit in the detector of the total energy of the photons is usually measured in the photon counting mode in which the X-ray photons are incident on the detector in a time-discrete state. It is needed. When two or more photons are incident on the detector simultaneously and deposit energy, the total energy is provided as a signal. Therefore, in the burst mode where a large number of photons are simultaneously incident on the detector, only the total energy is known.
軟X線に限れば、波長分散型のX線測定法を適用すれば、バーストモードのエネルギー分布の測定は不可能ではない、しかし、波長分散型のX線測定法は、結晶格子を用いて特定のエネルギーのX線を取り出し強度を測定するという方法なので、エネルギー分布の測定を行うには結晶格子の角度を変化させエネルギースキャンを行わなければならず時間がかかる。また装置も大掛かりになる。一方、数100keV以上の硬X線では結晶格子による反射の効率が下がり、現実的でなくなる。 As far as soft X-rays are concerned, it is not impossible to measure burst mode energy distribution by applying a wavelength dispersion type X-ray measurement method. However, a wavelength dispersion type X-ray measurement method uses a crystal lattice. Since this method involves taking out X-rays of specific energy and measuring the intensity, it takes time to measure the energy distribution by changing the angle of the crystal lattice and performing an energy scan. In addition, the apparatus becomes large. On the other hand, in the case of hard X-rays of several hundred keV or more, the efficiency of reflection by the crystal lattice is lowered, which is not practical.
特許文献3には、本発明と同じくエネルギーバンドによる選別を活用して、例えば、低エネルギー散乱ガンマ線から出てくる“雑音”を無くすためにチェレンコフカウンターを用いる方法が開示されている。しかし、この発明は放射線エネルギーの分布を検出することによって線質硬化の情報を得ようという目的に使用されるものではない。また、チェレンコフカウンターを積層することは何等考慮されていない。 Patent Document 3 discloses a method of using a Cherenkov counter in order to eliminate, for example, “noise” coming out of low energy scattered gamma rays by utilizing sorting by energy bands as in the present invention. However, the present invention is not used for the purpose of obtaining information on the hardening of the wire quality by detecting the distribution of radiation energy. Also, no consideration is given to stacking Cherenkov counters.
特許文献4には、X線検出器を積層し、X線のエネルギーに応じた線減弱係数の違いを利用して複数の単色X線のエネルギーごとの強度の比を測定する多色X線測定方法が提案されている。しかしながら、この方法は、エネルギーの判明している複数の単色X線が測定対象であり、各単色X線についてX線検出器の検出効率及び検出器に入射するまでの透過効率をあらかじめ検定等で求める必要がある。そのため、連続エネルギースペクトルを有するX線をエネルギーごとに細分化してエネルギー分布を検出する方法への適用は容易でなく、汎用性に乏しい。 Patent Document 4 discloses a multicolor X-ray measurement in which X-ray detectors are stacked and the intensity ratio for each energy of a plurality of monochromatic X-rays is measured using the difference in the linear attenuation coefficient according to the X-ray energy. A method has been proposed. However, in this method, a plurality of monochromatic X-rays whose energies are known are to be measured, and for each monochromatic X-ray, the detection efficiency of the X-ray detector and the transmission efficiency until it enters the detector are verified beforehand. Need to ask. For this reason, it is not easy to apply to a method of detecting energy distribution by subdividing X-rays having a continuous energy spectrum for each energy, and the versatility is poor.
また、非特許文献1には、エアロジェル及び空気をそれぞれ有する二台のチェレンコフカウンターを用いて、両者のチェレンコフカウンターの間にX線のスピンによる透過率の変化を起こさせるための磁化鉄を設置した短パルスガンマ線の編極度測定装置が開示されている。二台のチェレンコフカウンターの中で、後置の空気チェレンコフカウンターは磁化鉄を透過したX線の強度を測定するものであり、入射X線(ガンマ線)のエネルギー分布を測定するために設置されたものではない。さらに、前記非特許文献1の文中に記載されているX線(ガンマ線)の最大エネルギーは、チェレンコフカウンターによる測定値ではなく、電子線のエネルギーとレーザー光の波長から理論式を用いて推定されたものである。前記非特許文献1に記載の磁化鉄は、本発明においては検査対象物となる被写体に相当するものである。
In
本発明は、放射線イメージングや放射線CTによる画像構成において、線質硬化に起因するアーチファクトを受けない正確なCT画像を得るために必要なエネルギー分布に関する情報、すなわち、上記のバーストモードで放射線検出器に入射する種類が既知の放射線のエネルギー分布に関する情報を短時間で取得するための放射線エネルギー分布の検出方法及びその検出装置を提供することを目的とする。 The present invention provides information on energy distribution necessary for obtaining an accurate CT image free from artifacts due to radiation hardening in an image configuration by radiation imaging or radiation CT, that is, in a radiation detector in the burst mode described above. An object of the present invention is to provide a radiation energy distribution detection method and a detection apparatus for acquiring information related to the energy distribution of radiation of known type in a short time.
本発明者は、上記の課題を解決するために、放射線である荷電粒子又は該荷電粒子に変換される電磁波の入射方向に対して、チェレンコフ放射が起こるときのエネルギー閾値が異なるチェレンコフカウンターの複数を直列に配置し、エネルギー閾値の所定の範囲に存在する放射線強度をそれぞれ個別のチェレンコフカウンターで求めることによって、放射線のエネルギー分布を従来よりも正確に推定できることを見出して本発明に到った。すなわち、本発明は以下の構成を有するものである。 In order to solve the above problems, the present inventor has provided a plurality of Cherenkov counters having different energy thresholds when Cherenkov radiation occurs with respect to the incident direction of charged particles that are radiation or electromagnetic waves converted into the charged particles. It was found that the radiation energy distribution can be estimated more accurately than before by arranging in series and obtaining the radiation intensity existing in a predetermined range of the energy threshold value by each Cherenkov counter. That is, the present invention has the following configuration.
本発明は、放射線である荷電粒子又は該荷電粒子に変換される電磁波の入射方向に対して、チェレンコフ放射が起こるときのエネルギー閾値が異なるチェレンコフカウンターの複数を直列に配置し、前記チェレンコフカウンターの複数のそれぞれにおいて、前記チェレンコフカウンターに備わる光検出器で測定される光強度から前記エネルギー閾値の所定の範囲に存在する放射線強度を換算することによって、前記放射線のエネルギー分布の推定を行う放射線エネルギー分布の検出方法である。ここで、前記チェレンコフ放射が起こるときのエネルギー閾値は、前記チェレンコフカウンターにチェレンコフ輻射体として含まれる光学媒質の屈折率によって制御され、前記エネルギー閾値の所定の範囲に存在する放射線強度の換算は、既知のエネルギーと光強度との関係を用いて較正を行うか、又はシミュレーション計算で行われる。 In the present invention, a plurality of Cherenkov counters having different energy thresholds when Cherenkov radiation occurs are arranged in series with respect to the incident direction of charged particles that are radiation or electromagnetic waves converted into the charged particles, and the plurality of Cherenkov counters are arranged in series. In each of the above, by converting the radiation intensity existing in a predetermined range of the energy threshold from the light intensity measured by the photodetector provided in the Cherenkov counter, the radiation energy distribution for estimating the radiation energy distribution is calculated. It is a detection method. Here, the energy threshold when the Cherenkov radiation occurs is controlled by the refractive index of the optical medium included as the Cherenkov radiator in the Cherenkov counter, and the conversion of the radiation intensity existing in a predetermined range of the energy threshold is known. Calibration is performed by using the relationship between the energy and the light intensity, or by simulation calculation.
また、本発明は、前記チェレンコフカウンターの複数が、チェレンコフ放射が起こるときのエネルギー閾値を変えるために、気体、ゲル、液体及び固体からなる群から選ばれる少なくとも屈折率が異なる2種以上をそれぞれチェレンコフ輻射体として用い、相対的に低密度で低屈折率の前記チェレンコフ輻射体を有するチェレンコフカウンターから、相対的に高密度で高屈折率の前記チェレンコフ輻射体を有するチェレンコフカウンターの順に、荷電粒子からなる放射線の入射方向に対して直列に配置される。それ以外にも、前記チェレンコフカウンターの複数は、前記エネルギー閾値を変えるために、屈折率が異なる少なくとも2以上の固体をそれぞれチェレンコフ輻射体として用い、前記エネルギー閾値が低く、相対的に高屈折率の前記チェレンコフ輻射体を有するチェレンコフカウンターから、前記エネルギー閾値が高く、相対的に低屈折率の前記チェレンコフ輻射体を有するチェレンコフカウンターの順に配置しても良い。 Further, the present invention provides a plurality of Cherenkov counters each having at least two different refractive indexes selected from the group consisting of gas, gel, liquid and solid in order to change the energy threshold when Cherenkov radiation occurs. It is composed of charged particles in the order of a Cherenkov counter having the Cherenkov radiator having a relatively low density and a low refractive index, and a Cherenkov counter having the Cherenkov radiator having a relatively high density and a high refractive index. It arrange | positions in series with respect to the incident direction of a radiation. In addition, in order to change the energy threshold, the plurality of Cherenkov counters use at least two or more solids having different refractive indexes as Cherenkov radiators, respectively, and the energy threshold is low and the refractive index is relatively high. The Cherenkov counter having the Cherenkov radiator may be arranged in the order of the Cherenkov counter having the Cherenkov radiator having a high energy threshold and a relatively low refractive index.
また、本発明は、一つのチェレンコフカウンターに光検出器を複数設置し、前記光検出器の少なくとも一つはチェレンコフ光が入射しないように遮光することによって、前記チェレンコフ光を検出する前記光検出器と前記チェレンコフ光を遮光した前記光検出器との間の電気信号の差分から前記チェレンコフ光の強度を測定する放射線エネルギー分布の検出方法である。それ以外にも、前記エネルギー閾値を変えるためのチェレンコフ輻射体またはチェレンコフ光を光検出器に伝送する手段として光ファイバをそれぞれ複数有し、前記光ファイバの少なくとも一つはチェレンコフ光が入射しないように遮光するようにして、遮光しない光ファイバとの間の電気信号の差分から前記チェレンコフ光の強度を測定しても良い。 Further, the present invention provides the photodetector for detecting the Cherenkov light by installing a plurality of photodetectors in one Cherenkov counter and shielding at least one of the photodetectors so that the Cherenkov light does not enter. And a radiation energy distribution detection method for measuring the intensity of the Cherenkov light from a difference in electrical signal between the light detector and the photodetector that shields the Cherenkov light. In addition to this, there are a plurality of optical fibers as means for transmitting the Cherenkov radiator or Cherenkov light to the photodetector for changing the energy threshold, so that at least one of the optical fibers does not receive Cherenkov light. The intensity of the Cherenkov light may be measured from the difference in electrical signal between the optical fiber and the optical fiber that is not shielded.
本発明の放射線のエネルギー分布の検出方法は、シンチレーションカウンターまたは半導体放射線検出器からなる主検出器を、複数のチェレンコフカウンター群の最後尾に、または前記チェレンコフカウンター群の最後に配列するチェレンコフカウンターに代えて配置し、前記主検出器によって被写体を透過するすべての放射線強度を測定し、該すべての放射線強度と、前記チェレンコフカウンターの複数のそれぞれにおいて、光検出器で測定される強度シグナルから換算される前記エネルギー閾値の所定の範囲に存在する放射線強度とを対比することによって、放射線エネルギー分布における線質硬化の影響を推定する方法である。 According to the method for detecting a radiation energy distribution of the present invention, a main detector comprising a scintillation counter or a semiconductor radiation detector is replaced with a Cherenkov counter arranged at the end of a plurality of Cherenkov counter groups or at the end of the Cherenkov counter group. And measure all the radiation intensity transmitted through the subject by the main detector, and convert all the radiation intensities and the intensity signals measured by the photodetectors in each of the plurality of Cherenkov counters. This is a method for estimating the influence of radiation hardening on the radiation energy distribution by comparing with the radiation intensity existing in a predetermined range of the energy threshold.
また、X線管から放射されるX線のエネルギー部分の検出を行うときに、前記チェレンコフカウンターの複数は少なくとも一つがX線入射側の前面にX線を荷電粒子に変換するコンバーター用板を備える。ここで、チェレンコフカウンターのチェレンコフ輻射体として使用する固体は、高屈折率ガラスや、キュービックジルコニア、ダイヤモンド、チタン酸ストロンチウム、モアッサナイト及びルチルの群から選ばれる少なくとも一つを用いても良い。 When detecting the energy portion of X-rays emitted from the X-ray tube, at least one of the Cherenkov counters has a converter plate for converting X-rays into charged particles on the front surface on the X-ray incident side. . Here, the solid used as the Cherenkov radiator of the Cherenkov counter may be at least one selected from the group of high refractive index glass, cubic zirconia, diamond, strontium titanate, moissanite, and rutile.
本発明の放射線エネルギー分布の検出装置は、放射線である荷電粒子又は該荷電粒子に変換される電磁波の入射方向に対して、チェレンコフ放射が起こるときのエネルギー閾値が異なるチェレンコフカウンターの複数を直列に配置するチェレンコフカウンター群と、前記チェレンコフカウンターの複数のそれぞれにおいて、前記チェレンコフカウンターに備わる光検出器によって測定される光強度から前記エネルギー閾値の所定の範囲に存在する放射線強度を換算するための処理装置とを有する。ここで、前記チェレンコフカウンターは、少なくとも、前記チェレンコフ放射が起こるときのエネルギー閾値に対応した屈折率を有するチェレンコフ輻射体と、チェレンコフ光を検出する光検出器とを有し、前記エネルギー閾値の所定の範囲に存在する放射線強度の換算するための処理装置は、既知のエネルギーと光強度との関係を用いて較正を行うか、又はシミュレーション計算で行う手段を有する。 The radiation energy distribution detection apparatus of the present invention has a plurality of Cherenkov counters arranged in series with different energy thresholds when Cherenkov radiation occurs with respect to the incident direction of charged particles that are radiation or electromagnetic waves converted to the charged particles. And a processing device for converting radiation intensity existing in a predetermined range of the energy threshold from light intensity measured by a photodetector provided in the Cherenkov counter in each of the plurality of Cherenkov counters. Have Here, the Cherenkov counter includes at least a Cherenkov radiator having a refractive index corresponding to an energy threshold when the Cherenkov radiation occurs, and a photodetector that detects the Cherenkov light, and has a predetermined energy threshold. The processing apparatus for converting the radiation intensity existing in the range includes means for performing calibration using a relationship between known energy and light intensity, or performing simulation calculation.
また、本発明の放射線エネルギー分布の検出装置において、前記エネルギー閾値の所定の範囲に存在する放射線強度の換算手段、チェレンコフカウンターとその中に内蔵される光学媒質の構成、及び光検出器による検出手段は、上記の放射線エネルギー分布の検出方法で採用したものと同じ構成を有する。ここで、前記エネルギー閾値を変えるためのチェレンコフ輻射体またはチェレンコフ光を光検出器に伝送する手段として光ファイバを用いても良い。 Further, in the radiation energy distribution detection apparatus of the present invention, the means for converting the radiation intensity existing in the predetermined range of the energy threshold, the structure of the Cherenkov counter and the optical medium incorporated therein, and the detection means by the photodetector Has the same configuration as that adopted in the detection method of the radiation energy distribution described above. Here, an optical fiber may be used as means for transmitting the Cherenkov radiator or Cherenkov light for changing the energy threshold to the photodetector.
また、本発明の放射線エネルギー分布の検出装置は、放射線エネルギー分布における線質硬化の影響を推定するために、被写体を透過するすべての放射線強度を測定する手段として、シンチレーションカウンターまたは半導体放射線検出器からなる主検出器を、複数のチェレンコフカウンター群の最後尾に、または前記チェレンコフカウンター群の最後に配列するチェレンコフカウンターに代えて配置する。 In addition, the radiation energy distribution detection device of the present invention uses a scintillation counter or a semiconductor radiation detector as a means for measuring all the radiation intensities that pass through a subject in order to estimate the influence of radiation hardening on the radiation energy distribution. The main detector is arranged at the end of the plurality of Cherenkov counter groups or instead of the Cherenkov counter arranged at the end of the Cherenkov counter group.
本発明の検出方法によれば、フォトンカウンティングモードではなくバーストモードでのX線のエネルギー分布の推定が可能になる。従来の波長分散型のように波長スキャン(スイープ)を行う必要がなく、X線強度が強ければ原理的にワンショットでX線エネルギー分布の推定が可能である。 According to the detection method of the present invention, it is possible to estimate the energy distribution of X-rays not in the photon counting mode but in the burst mode. There is no need to perform a wavelength scan (sweep) as in the conventional wavelength dispersion type, and if the X-ray intensity is strong, the X-ray energy distribution can be estimated in one shot in principle.
また、本発明の検出装置によれば、単体のチェレンコフカウンター群ではなく、チェレンコフカウンター群のアレイを構成することによって、一次元や二次元空間のX線エネルギー分布の推定が可能になる。 Further, according to the detection apparatus of the present invention, it is possible to estimate an X-ray energy distribution in a one-dimensional or two-dimensional space by configuring an array of Cherenkov counter groups instead of a single Cherenkov counter group.
さらに、本発明の検出方法及び検出装置において、高屈折率材料をチェレンコフ輻射体として用いることによって、通常の管圧(120kV程度)のX線管で放射される範囲のX線のエネルギー分布推定が可能になる。そのため、X線管を用いたCTにおいて、X線射爆が一回であっても、X線線質硬化を推定することが可能になる。また、X線管のX線ターゲットにはタングステン或いはモリブデンが多用されており、X線管では、制動放射X線の他にターゲット材質に依る特性X線も放射される。その場合、タングステン或いはモリブデンによる特性X線のエネルギー閾値を考慮し、チェレンコフ輻射体として使用する光学媒質を最適化することによって、Ka線とKb線を識別できる可能性がある。 Furthermore, in the detection method and detection apparatus of the present invention, by using a high refractive index material as a Cherenkov radiator, X-ray energy distribution estimation in a range emitted by an X-ray tube having a normal tube pressure (about 120 kV) can be performed. It becomes possible. For this reason, in CT using an X-ray tube, X-ray quality hardening can be estimated even if X-ray bombardment is performed only once. In addition, tungsten or molybdenum is frequently used for the X-ray target of the X-ray tube, and the X-ray tube emits characteristic X-rays depending on the target material in addition to the bremsstrahlung X-rays. In that case, it is possible to distinguish the Ka line and the Kb line by optimizing the optical medium used as the Cherenkov radiator in consideration of the energy threshold of characteristic X-rays by tungsten or molybdenum.
また、電子ビームエネルギーが1MeV弱の電子線形加速器によるX線のエネルギー分布は100keVから300keV程度である。各種光学ガラス(屈折率1.43-2.14)を用いることによって、詳細なエネルギー分布を知ることも可能である。 In addition, the energy distribution of X-rays by an electron linear accelerator having an electron beam energy of less than 1 MeV is about 100 keV to 300 keV. By using various optical glasses (refractive index 1.43-2.14), it is possible to know the detailed energy distribution.
これらにより、X線CTの線質硬化に起因するアーチファクトを、測定値を基に補正でき、画像診断等の精度が向上する。これは医療分野での診断精度向上が見込めるため、誤診減少に繋がる。 As a result, artifacts resulting from X-ray CT quality hardening can be corrected based on the measured values, and the accuracy of image diagnosis and the like is improved. This is expected to improve diagnostic accuracy in the medical field, leading to a reduction in misdiagnosis.
光速cに近い速度vで運動する荷電粒子が光学媒質に媒質中の光速より早い速度(v>c/n、 n:媒質の屈折率)で入射すると、チェレンコフ放射が起こることが知られている。a=v/cとすると、a=1/nが閾値となってチェレンコフ放射が起こるかどうかが決まる。 It is known that Cherenkov radiation occurs when charged particles moving at a speed v close to the speed of light c are incident on an optical medium at a speed faster than the speed of light in the medium (v> c / n, n: refractive index of the medium). . If a = v / c, then a = 1 / n is a threshold value that determines whether Cherenkov radiation occurs.
荷電粒子の全エネルギーEに対しては
が閾値となる(mは荷電粒子の質量である)。
For the total energy E of charged particles
Becomes the threshold (m is the mass of the charged particle).
荷電粒子の運動エネルギーKに対しては、
が成り立つ。
For the kinetic energy K of charged particles,
Holds.
光学媒質の屈折率と電子の運動エネルギーに対するチェレンコフ光の発光閾値の関係を図1に示す。図1に示すように、屈折率の異なる光学媒質ではチェレンコフ放射が起こるエネルギー閾値が異なる。ある運動エネルギーを持つ荷電粒子が屈折率の異なる複数の光学媒質に入射すると、運動エネルギーの範囲によっては、屈折率に依ってチェレンコフ放射を起こす光学媒質と起こさない光学媒質が出てくる。 The relationship between the refractive index of the optical medium and the emission threshold of Cherenkov light with respect to the kinetic energy of electrons is shown in FIG. As shown in FIG. 1, energy thresholds at which Cherenkov radiation occurs are different in optical media having different refractive indexes. When charged particles having a certain kinetic energy are incident on a plurality of optical media having different refractive indexes, an optical medium that generates Cherenkov radiation and an optical medium that does not generate the same appear depending on the refractive index.
一方、チェレンコフ放射を観測するためにはチェレンコフ検出器(以下、チェレンコフカウンターという)を使用するが、そもそもチェレンコフカウンター内でも線質硬化は起こる。そのため、チェレンコフカウンターの1個だけでは、そこに含まれる光学媒質の屈折率に対応するエネルギー閾値以上の運動エネルギーを有する放射線に関する情報しか得られず、広範囲のエネルギー分布を正確に把握することができない。それに対して、屈折率が異なる複数の光学媒質を荷電粒子入射方向に積層して配置し、それぞれの光学媒質のチェレンコフ放射の有無を検出することにより、図1に示す関係から荷電粒子のおおよその運動エネルギーを広範囲にわたって測定できることになる。すなわち、放射線エネルギーに応じた放射線強度を、屈折率が異なる複数の光学媒質をそれぞれ有する複数のチェレンコフカウンターによって分離して計測することによって、放射線の高エネルギー成分から順次、低エネルギー成分まで広いエネルギー範囲を細分化しながらエネルギー分布の検出を確実に行うことができる。したがって、バーストモードで放射線検出器に入射する放射線であっても、エネルギー分布に関する情報を短時間で、且つ正確に取得することが可能になる。本発明の放射線エネルギー分布の検出方法及びその検出装置は、この原理に基づいてなされたものである。 On the other hand, in order to observe the Cherenkov radiation, a Cherenkov detector (hereinafter referred to as a Cherenkov counter) is used. Therefore, only one Cherenkov counter can only obtain information on radiation having kinetic energy equal to or higher than the energy threshold corresponding to the refractive index of the optical medium contained therein, and cannot accurately grasp a wide range of energy distribution. . On the other hand, a plurality of optical media having different refractive indexes are arranged in the charged particle incident direction, and the presence or absence of Cherenkov radiation of each optical medium is detected. The kinetic energy can be measured over a wide range. In other words, the radiation intensity corresponding to the radiation energy is separated and measured by a plurality of Cherenkov counters each having a plurality of optical media having different refractive indexes, so that a wide energy range from a high energy component of radiation to a low energy component sequentially. It is possible to reliably detect the energy distribution while subdividing. Therefore, even if the radiation is incident on the radiation detector in the burst mode, the information on the energy distribution can be acquired accurately in a short time. The radiation energy distribution detection method and the detection apparatus thereof according to the present invention are based on this principle.
なお、チェレンコフ放射を起こす光学媒質については、光の全反射条件を利用すると、一つの光学媒質で2種類のエネルギー閾値を持つことができることが知られている(非特許文献:佐田優太、「実験のための全反射型ガラスチェレンコフ検出器の開発」、京都大学大学院理学研究科 修士論文J-PARC E15、2010を参照)。この文献は、屈折率の異なる光学媒質を利用しているものの、粒子の運動量が既知な粒子についてその種類の識別を行うことを目的としており、屈折率の選定方法が本発明とは異なる。 In addition, it is known that an optical medium causing Cherenkov radiation can have two kinds of energy thresholds in one optical medium when the total reflection condition of light is used (Non-Patent Document: Yuta Sada, “Experiment Development of total reflection type glass Cerenkov detector for ”, Kyoto University Graduate School of Science, Master thesis J-PARC E15, 2010). Although this document uses optical media having different refractive indexes, the purpose is to identify the type of particles whose particle momentum is known, and the method for selecting the refractive index is different from that of the present invention.
以下、本発明の放射線エネルギー分布の検出方法及びその検出装置を実施例によって説明する。 The radiation energy distribution detection method and the detection apparatus thereof according to the present invention will be described below with reference to examples.
〈実施例1〉
図2は、本実施例による放射線エネルギー分布の検出装置の構成を示す図である。図2に示すように、本発明の検出装置はチェレンコフカウンター1の複数個(入射放射線に近い方からC1、C2、C3、・・・・、Cnのように呼ぶことにする)をチュレンコフカウンター群2として放射線の入射方向に対して直列に配置する。このチェレンコフカウンター1は、図3に示すように、チェレンコフ放射を起こす光学媒質(輻射体)6とチェレンコフ光を検出する光検出器7、光学媒質を囲む光遮蔽膜及び反射膜で構成される。光学媒質(輻射体)6は図1に示すようにチェレンコフ放射の発生の有無を決める輻射体であることから、以下では「チェレンコフ輻射体6」と定義する。本発明においては、チェレンコフ光1をミラー9で反射し、放射線遮蔽体8に囲まれた光検出器7に導くこともある。また、図2及び図3に示すように、X線検出のためには、チェレンコフ輻射体6の前方にコンバーター(金属板)5を配置し、ここでX線を荷電粒子(電子、陽電子)に変換する。コンバーター5は、チェレンコフカウンター群2を構成するすべてのチェレンコフカウンター1に設置する必要はない。また、コンバーター5は、荷電粒子(電子、陽電子)の放射線エネルギーの検出を行う場合には使用しなくても良い。
<Example 1>
FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the radiation energy distribution detection apparatus according to this embodiment. As shown in FIG. 2, the detection apparatus of the present invention uses a plurality of Cherenkov counters 1 (referred to as C1, C2, C3,.
図2に示す複数のチェレンコフカウンター1は、チェレンコフ放射の起こるときのエネルギー閾値がそれぞれ異なるように配置する。本発明は、配置の方法として次の2通りを行う。 The plurality of Cherenkov counters 1 shown in FIG. 2 are arranged so that energy thresholds when Cherenkov radiation occurs are different from each other. The present invention performs the following two methods for arrangement.
第1の方法は、C1、C2、C3、・・・・、Cnの順に、エネルギー閾値が低くなるように配置する方法である。この方法においては、図2に示す検出装置に入射する放射線を、放射線エネルギーの大きさに応じて、エネルギー閾値の高いものから低いものへと各チェレンコフカウンター1で順次、検出していく。それによって、複数のチェレンコフカウンター群2の最初の方では相対的に高いエネルギーを有する放射線が検出され、最後尾に近づくに従って相対的に低いエネルギーを有する放射線が検出されるようになる。そのため、広範囲のエネルギーの計測が可能になる。このようにして、バーストモードで入射する各種の放射線について、放射線エネルギー分布を短時間に、且つ、正確な検出を行うことができる。
The first method is a method in which the energy threshold is lowered in the order of C1, C2, C3,..., Cn. In this method, the radiation incident on the detection device shown in FIG. 2 is sequentially detected by each
エネルギー閾値は、図1に示すように、チェレンコフ放射を起こすチェレンコフ輻射体の屈折率を小さくすれば大きくできる。屈折率は一般にチェレンコフ輻射体として用いる光学媒質の分極率と密度によって調整できるが、本実施例では、複数のチェレンコフカウンター1(C1、C2、C3、・・・・、Cn)において、それぞれ密度の異なるチェレンコフ輻射体を使用することによって屈折率の制御を行う。密度の低い物質は、屈折率が小さくなる傾向にあるため、複数のチェレンコフカウンター1は、密度の低いチェレンコフ輻射体を有するものから密度の高いチェレンコフ輻射体を有するものの順にC1、C2、C3、・・・・、Cnと配置する。複数のチェレンコフカウンター1において密度の低いチェレンコフ輻射体を有するものから配列する理由は次の通りである。仮に、密度の高いチェレンコフ輻射体を有するものから配列した場合、密度の高い検出器において放射線が吸収遮蔽されてしまい、後方に配置されたチェレンコフカウンターまで放射線が到達し難くなる。その結果、放射線エネルギーの細分化による検出性能の向上という効果が得られないためである。 As shown in FIG. 1, the energy threshold can be increased by reducing the refractive index of the Cherenkov radiator that causes Cherenkov radiation. In general, the refractive index can be adjusted by the polarizability and density of an optical medium used as a Cherenkov radiator. In this embodiment, each of the Cherenkov counters 1 (C1, C2, C3,..., Cn) has a density. The refractive index is controlled by using different Cherenkov radiators. Since a low-density material tends to have a low refractive index, the plurality of Cherenkov counters 1 are C1, C2, C3,... In order from those having a low-density Cherenkov radiator to those having a high-density Cherenkov radiator. ..., arranged as Cn. The reason why the plurality of Cherenkov counters 1 are arranged from those having a low-density Cherenkov radiator is as follows. If it is arranged from those having a high-density Cherenkov radiator, the radiation is absorbed and shielded by the high-density detector, and it is difficult for the radiation to reach the Cherenkov counter disposed behind. As a result, the effect of improving the detection performance due to the fragmentation of radiation energy cannot be obtained.
第2の方法は、チェレンコフ輻射体のすべてをエネルギー閾値が異なる固体の組合せで構成する方法である。ここで、それぞれ固体のチェレンコフ輻射体は、複数のチェレンコフカウンター1(C1、C2、C3、・・・・、Cn)の順に、エネルギー閾値の低いものから設置する。複数の固体で構成する場合にエネルギー閾値の低いものから順番に配列する理由は次の通りである。固体のチェレンコフ輻射体は、気体や液体と比べて線質硬化が顕著に現れるため、低いエネルギーを有する放射線は途中で吸収されるようになる。仮に、エネルギー閾値の低い固体のチェレンコフ輻射体を後方に配置すると、低エネルギーの放射線強度の正確な計測が困難になる。したがって、固体のチェレンコフ輻射体の場合は、エネルギー閾値の低い固体を前方に配置することによって、先に低いエネルギーを有する放射線の強度を検出するようにする。 The second method is a method in which all of the Cherenkov radiator is composed of a combination of solids having different energy thresholds. Here, each of the solid Cherenkov radiators is installed in the order of a plurality of Cherenkov counters 1 (C1, C2, C3,..., Cn) in ascending order of energy thresholds. The reason why the plurality of solids are arranged in order from the lowest energy threshold is as follows. In the solid Cherenkov radiator, radiation hardening appears more conspicuously than gas and liquid, so that radiation having low energy is absorbed in the middle. If a solid Cherenkov radiator with a low energy threshold is disposed behind, accurate measurement of low-energy radiation intensity becomes difficult. Therefore, in the case of a solid Cherenkov radiator, the intensity of radiation having low energy is detected first by placing a solid having a low energy threshold in front.
前記の第1の方法及び第2の方法は、図1に示す関係に基づいて、測定対象となる放射線の把握したいエネルギー分布範囲に応じて、どちらかを選択して採用することができる。場合によっては、第1及び第2の方法を組合わせても良い。例えば、第1の方法において、最後部に配置する固体のチェレンコフ輻射体として、1種類の固体の代わりに、エネルギー閾値の異なる固体の複数を組合わせたものを用いる。なお、本発明のチェレンコフカウンターでチェレンコフ輻射体として使用する具体的な光学媒質については後で詳細に説明する。 One of the first method and the second method can be selected and adopted according to the energy distribution range of the radiation to be measured based on the relationship shown in FIG. In some cases, the first and second methods may be combined. For example, in the first method, a combination of a plurality of solids having different energy threshold values is used instead of one type of solid as the Cherenkov radiator disposed at the end. A specific optical medium used as a Cherenkov radiator in the Cherenkov counter of the present invention will be described in detail later.
図2及び図3に示すチェレンコフカウンター1に備える光検出器7は荷電粒子とは異なり、電磁波であるX 線やガンマ線に対して直接には感受性はない。しかし、X 線やガンマ線は物質内で光電効果、コンプトン効果、電子対生成により電子を放出させることが知られている。そのため、X線やガンマ線を検出するときは、チェレンコフカウンター1の前面に金属等によるコンバーター5を設置して、コンバーター5にて、光電効果、コンプトン効果、電子対生成によりX 線を電子に変換することが可能である。チェレンコフカウンター内でも同様の反応は起きるが、変換効率の点からコンバーターを設置するほうが望ましい。光電効果により放出された電子はX 線のエネルギーとほぼ同等の運動エネルギーを持つ。厳密には、束縛エネルギーを減じた値となる。該電子は該X線のエネルギーがチェレンコフカウンターの電子の運動エネルギーに対する閾値を超えていれば、チェレンコフカウンターにより該電子が検出される。
Unlike the charged particles, the
また、X線のエネルギーが数百keV以上であると、光電効果よりもコンプトン効果の方が散乱断面積が大きくなることが知られている。コンプトン効果で放出される反眺電子の最大エネルギーKRmax は、入射するX 線のエネルギーをEphoton とすると、
であることが知られている。
Further, it is known that when the X-ray energy is several hundred keV or more, the Compton effect has a larger scattering cross section than the photoelectric effect. The maximum energy K Rmax of the anti-view electrons emitted by the Compton effect is E photon as the incident X-ray energy.
It is known that
さらに、X線のエネルギーが電子の質量エネルギーの二倍を越えると、電子対生成が起こるようになる。電子対生成によって生成される電子若しくは陽電子の運動エネルギーの最大値は、入射X線エネルギーから電子の質量エネルギーの二倍を減じた値となる。物質にも依存するが、X 線のエネルギーが1 MeV を越える場合は、光電効果はほとんど起こらず、電子対生成が支配的となる。 Furthermore, when the X-ray energy exceeds twice the mass energy of electrons, electron pair generation occurs. The maximum value of the kinetic energy of electrons or positrons generated by electron pair generation is a value obtained by subtracting twice the mass energy of electrons from the incident X-ray energy. Although it depends on the material, when the energy of X-rays exceeds 1 MeV, the photoelectric effect hardly occurs and electron pair production becomes dominant.
このように、X線検出器のエネルギー閾値としては、光電効果、コンプトン効果若しくは電子対生成による電子若しくは陽電子の最大運動エネルギーを用いることになる。 Thus, as the energy threshold value of the X-ray detector, the maximum kinetic energy of electrons or positrons generated by photoelectric effect, Compton effect, or electron pair generation is used.
上記のコンバーター5の厚さの最適値は使用エネルギー範囲によって違うが、光子が電子(陽電子)に変換される確率が数%以下とあまり高くないようにする。コンバーター5が厚すぎると、変換された電子等がコンバーター内で散乱したりエネルギーを失ったりする。また、後段へ到達する光子の量が減少する。コンバーター5の材質としては、一般的には、タングステン、鉄、銅又はそれらの合金が用いられる。また、非特許文献1に記載されているようなアルミニウムや鉛をコンバーター5の材質として用いても良い。コンバーター5の材質及び厚さに関しては、想定される入射放射線のエネルギーや線量、使用目的及び設計ポリシーに依存する部分が多いので、詳細については実験等で最適化することができる。場合によっては、モンテカルロシミュレーション等を用いて決定しても良く、最終的に実験等で確認を行えばコンバーターの最適な構成を使用することができる。
The optimum value of the thickness of the
チェレンコフカウンター1において、光検出器7はチェレンコフ輻射体6の後方に設置するとX線や電子を直接検出する恐れがあるので、図3に示すように、チェレンコフ輻射体6の側面に設置するのが一般的である。通常はチェレンコフ光を光検出器に伝送する手段によりチェレンコフ光を光検出器7に伝送する。例えば、図3に示すミラー9を使って、放射線の入射方向に対して垂直方向にチェレンコフカウンター1の後方から採光することが多いが、その場合は、ミラー9と、ミラー9から光検出器7までの遮光された空間20が光導波路として機能し、チェレンコフ光を光検出器に伝送する手段に相当する。また、光検出器7として用いられることが多い光電子増倍管の受光面はガラスでありチェレンコフ光を発する場合があり、チェレンコフ輻射体の方がより多くのチェレンコフ光を発する場合は、光学媒質の後方に光電子増倍管を設置することがある。
In the
また、光検出器とチェレンコフカウンターの間には、チェレンコフ光の紫外線を光検出器の感度波長へ変換するために波長変換素子を介在させても良い。それ以外にも、チェレンコフ輻射体として波長変換材料をドープした光学媒質等も存在するので、それを利用することもできる(例えば、特開2005−247661号公報を参照)。チェレンコフ光に含まれる紫外線は、これらの方法によって可視域の光として観測できるため、観測するチェレンコフ光が微弱なものであっても確実な検出を行うことができる。 Further, a wavelength conversion element may be interposed between the photodetector and the Cherenkov counter in order to convert the ultraviolet light of the Cherenkov light into the sensitivity wavelength of the photodetector. In addition to this, there is an optical medium doped with a wavelength conversion material as a Cherenkov radiator, so that it can also be used (see, for example, JP-A-2005-247661). The ultraviolet rays contained in the Cherenkov light can be observed as visible light by these methods, so that reliable detection can be performed even if the observed Cherenkov light is weak.
前述の通り、光検出器は放射線に感受性があるものが多いので、図3に示すように、光検出器の周りは、放射線遮蔽体8によって適当な放射線遮蔽を施すことが好ましい。
As described above, since many photodetectors are sensitive to radiation, it is preferable to provide appropriate radiation shielding around the photodetector by a
図2において、光検出器7が放射線に感受性がある場合は、散乱線などが光検出器7にてノイズシグナルとして検出される恐れがある。この問題を解決するために、本発明においては、一つのチェレンコフカウンター1に光検出器7を複数設置して、そのうちいくつか(半分程度)を光フィルター等の遮光手段によって遮光し、チェレンコフ光が光検出器に入射しないようにすることが好ましい。チェレンコフ光を検出するものと遮光したものにおいて、両者の電気シグナルレベルの差分により、チェレンコフ光のシグナルを推定することができる。その場合、遮光している光検出器とチェレンコフ光を検出できる光検出器はなるべく隣接することが望ましく、同一の放射線遮蔽体内に設置することが特に望ましい。
In FIG. 2, when the
上記で述べたように、チェレンコフ輻射体6と光検出器7は、通常、チェレンコフ光を光検出器に輸送する手段により光学的に結合されている。例えば、図3においてミラー9から光検出器7までの遮光された空間20は光導波路として機能し、チェレンコフ光を光検出器に伝送する手段に相当する。チェレンコフ光を光検出器に輸送する手段としては、光ファイバー等も考えられる。それ以外にも、導波路内側側に反射膜が設置されているような空洞のようなものや、チェレンコフ光を発する目的で設置していない各種の光学素子が考えられる。また、チェレンコフ輻射体6が気体の場合で、光検出器が気体の容器の外に設置されるようなときは、光取り出し窓もチェレンコフ光を光検出器に伝送する手段に含まれることになる。チェレンコフ光を光検出器に伝送する手段は必ずしも放射線感受性が無いとは限らない。例えば、チェレンコフ光やシンチレーション光を発する可能性がある。そのため、該チェレンコフ光を光検出器に伝送する手段で発生するノイズシグナル光を除去する必要がある場合もある。該チェレンコフ光を光検出器に伝送する手段で発生するノイズシグナル光を除去するには、該チェレンコフ光を光検出器に伝送する手段を複数個用意し、その最低一つ以上(一般的には半分)について、チェレンコフ輻射体との光学的結合を阻止する手段を講ずる、具体的には遮光能力のあるフィルターをチェレンコフ輻射体と該チェレンコフ光を光検出器に伝送する手段の間に挿入する。この場合、前述の光検出器7においては遮光する必要はなく、例えば、該チェレンコフ光を光検出器に伝送する手段として使用する光ファイバと光検出器7は一対一若しくは一対多若しくは多対一若しくは多対多に光学的に結合される。ただし、フィルターが具備されているものとされていないものは分離されるべきである。
As described above, the
チェレンコフ光を光検出器に伝送する手段は、複数の部分からなる場合もあるが、検出すべき放射線の最大エネルギーが判明しており、チェレンコフ光を光検出器に伝送する手段の一部分若しくは全体においてノイズシグナルの発生の恐れがないと判断される場合は、最もチェレンコフ輻射体6に近いノイズシグナルが発生しうる部分のチェレンコフ輻射体6に近い位置からチェレンコフ輻射体6の間の任意の位置にフィルターを設置することもできる。
The means for transmitting the Cherenkov light to the photodetector may consist of a plurality of parts, but the maximum energy of the radiation to be detected is known and in part or all of the means for transmitting the Cherenkov light to the photodetector When it is determined that there is no risk of noise signal generation, a filter is applied from a position close to the
光検出器7、若しくはチェレンコフ光を光検出器7に伝送する手段と光検出器7との組合せは、通常それぞれ独立した読み出し回路(ADC等含む)を持ち(CCD等の一次元又は二次元光検出器の場合はこの限りではない)、分析処理装置4(コンピューター等)に接続されている。先に示したチェレンコフ光を検出するものと遮光したものとのシグナルレベルの差分は、この分析演算装置4で行うことができる。また、ADC等の前で差動増幅回路を用いて両者のシグナルレベルの差分を行うことも可能である。
The
次に、図2に示す複数のチェレンコフカウンター1(C1、C2、C3、・・・・、Cn)に備える密度の異なるチェレンコフ輻射体について説明する。 前記で述べたように、チェレンコフカウンター内でも線質硬化は起こるので、第1の方法として、チェレンコフ輻射体は密度の低い順に配置する。具体的には、エネルギー閾値の違いを明確にできるように屈折率差、すなわち密度差を大きくする必要があるため、密度の低い気体から、順次、密度が高くなるシリカエアロゲル、液体、固体をそれぞれ有するチェレンコフカウンターの順に配置することが好ましい。本発明は、エネルギー閾値に応じて、気体、シリカエアロゲル、液体、固体の群から選ばれる少なくとも密度の異なる2以上のチェレンコフ輻射体を使用すればよく、必ずしも形態が異なるチェレンコフ輻射体を併用する必要はない。同じ形態に属する物質であっても、密度が異なるものを選択して屈折率の異なる2種以上のチェレンコフ輻射体として使用することができる。 Next, the Cherenkov radiators having different densities provided in the plurality of Cherenkov counters 1 (C1, C2, C3,..., Cn) shown in FIG. 2 will be described. As described above, since the quality hardening also occurs in the Cherenkov counter, as a first method, the Cherenkov radiators are arranged in ascending order of density. Specifically, since it is necessary to increase the refractive index difference, that is, the density difference, so that the difference in energy threshold can be clarified, the silica airgel, liquid, and solid that increase in density sequentially from a gas with a lower density, respectively. It is preferable to arrange in the order of the Cherenkov counter. The present invention may use two or more Cherenkov radiators having at least different densities selected from the group of gas, silica aerogel, liquid and solid according to the energy threshold, and it is necessary to use Cherenkov radiators having different forms in combination. There is no. Even if they belong to the same form, they can be used as two or more Cherenkov radiators having different refractive indices by selecting ones having different densities.
本発明においては、チェレンコフ輻射体の第2の配置方法としてエネルギー閾値が異なる固体を組み合わせて使用しても良い。ここで、それぞれの固体のチェレンコフ輻射体はエネルギー閾値の低いものとして相対的に高屈折率の光学媒質を有するチェレンコフカウンターからエネルギー閾値の高いものとして相対的に低屈折率の光学媒質を有するチェレンコフカウンターの順番に設置する。複数の固体からなるチェレンコフ輻射体の組合せは、前記の気体、シリカエアロゲル、液体、固体からなる群から選ばれる少なくとも屈折率の異なる2以上を使用するときに、最後尾に配置する固体光学媒質の構成のひとつとして採用しても良い。 In the present invention, solids having different energy thresholds may be used in combination as the second method of arranging the Cherenkov radiator. Here, each solid Cherenkov radiator has a low energy threshold and a Cherenkov counter having a relatively high refractive index optical medium to a Cherenkov counter having a relatively low refractive index optical medium having a high energy threshold. Install in order. A combination of Cherenkov radiators composed of a plurality of solids is a solid optical medium disposed at the end when using at least two different refractive indexes selected from the group consisting of the gas, silica airgel, liquid, and solid. It may be adopted as one of the configurations.
チェレンコフカウンターにチェレンコフ輻射体として用いる光学媒質には、空気、二酸化炭素、窒素、アルゴンなどの気体、シリカエアロゲル、水その他の液体、アクリル樹脂、各種光学ガラス 、ダイヤモンドとダイヤモンド代替品が使用可能である。 Air, carbon dioxide, nitrogen, argon and other gases, silica airgel, water and other liquids, acrylic resin, various optical glasses, diamond and diamond substitutes can be used as the Cherenkov radiator for the Cherenkov counter .
例えば、特開2005−247661号公報によれば、シリカエアロゲルの屈折率は1.01〜1.3 である。田端 誠によれば、屈折率1.0022〜1.265が可能とされている(千葉大学大学院 自然科学研究科 修士論文 「気体−液体間の屈折率空白域を埋める シリカエアロゲルの新製法の研究開発」 2006年を参照)。 For example, according to JP 2005-247661 A, the refractive index of silica airgel is 1.01 to 1.3. According to Makoto Tabata, a refractive index of 1.0022-1.265 is possible (Master's thesis, Graduate School of Natural Sciences, Chiba University) “See 2006.)
気体の屈折率は、密度すなわち温度と圧力に依存するので考慮が必要である。空気に関しては湿度も無視できない。乾燥した単体気体が望ましい。逆に、気体を加圧して密度を上げることで屈折率を上げ、より低い閾値を得ることも可能である。また、屈折率は、厳密には光の波長に依存する。チェレンコフ輻射体として使用するときはこれらの因子を十分に考慮して、測定のときに最適な屈折率を有する光学媒質を選択する。本実施例でチェレンコフ輻射体として使用する光学媒質の例を下記の表1に示す。 Since the refractive index of gas depends on density, that is, temperature and pressure, it needs to be taken into consideration. Humidity cannot be ignored for air. A dry single gas is desirable. Conversely, by increasing the density by pressurizing the gas, it is possible to increase the refractive index and obtain a lower threshold. The refractive index strictly depends on the wavelength of light. When used as a Cherenkov radiator, these factors are taken into consideration and an optical medium having an optimum refractive index is selected for measurement. Examples of optical media used as Cherenkov radiators in this example are shown in Table 1 below.
X線でなく荷電粒子の検出をする場合には、荷電粒子のチェレンコフ輻射体中の飛程を考慮し、荷電粒子進行方向に対してチェレンコフカウンターを薄くする。液体や固体よりも、気体やシリカエアロゲルが好適である。 When detecting charged particles instead of X-rays, the Cherenkov counter is made thinner with respect to the charged particle traveling direction in consideration of the range of charged particles in the Cherenkov radiator. Gas or silica aerogel is preferred over liquid or solid.
また、X線検出に適用する場合は、高屈折率の固体材料、例えば、屈折率が2以上の光学ガラスや 、屈折率2.417のダイヤモンド及びキュービックジルコニア、チタン酸ストロンチウム、モアッサナイト、ルチル等のダイヤモンド代替品をチェレンコフ輻射体として用いると、通常の管圧(120kV程度)のX線管で放射される範囲のX線のエネルギー分布推定が可能になる。また、X線管を用いたCTにおいて、X線射爆が一回であっても、X線線質硬化を推定することが可能になる。 When applied to X-ray detection, a solid material having a high refractive index, such as optical glass having a refractive index of 2 or more, diamond and cubic zirconia having a refractive index of 2.417, strontium titanate, moissanite, rutile, etc. When a diamond substitute is used as a Cherenkov radiator, it is possible to estimate the energy distribution of X-rays in the range emitted by an X-ray tube with a normal tube pressure (about 120 kV). Further, in CT using an X-ray tube, X-ray quality hardening can be estimated even if X-ray irradiation is performed only once.
X線管のX線ターゲットにはタングステン或いはモリブデンが多用されている。X線管では、制動放射X線の他にターゲット材質に依る特性X線も放射される。例えば、タングステンの特性X線は、Ka1=59.319[keV]、Ka2= 57.982[keV]、Kb1=67.245[keV]、Kb2I =69.101[keV]である(http://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayTrans/Html/search. htmlを参照) 。ダイヤモンド及びキュービックジルコニアのエネルギー閾値と対比すると、ダイヤモンドとキュービックジルコニアを用いれば、Ka線とKb線を識別できる可能性があることがわかる。 For the X-ray target of the X-ray tube, tungsten or molybdenum is frequently used. The X-ray tube emits characteristic X-rays depending on the target material in addition to the bremsstrahlung X-rays. For example, the characteristic X-rays of tungsten are Ka1 = 59.319 [keV], Ka2 = 57.982 [keV], Kb1 = 67.245 [keV], Kb2I = 69.101 [keV] (http://physics.nist.gov/PhysRefData (See /XrayTrans/Html/search.html). In contrast to the energy threshold values of diamond and cubic zirconia, it can be seen that the use of diamond and cubic zirconia can distinguish the Ka and Kb lines.
また、電子ビームエネルギーが1MeV弱の電子線形加速器によるX線のエネルギー分布は100keVから300keV程度である。各種光学ガラス(屈折率1.43-2.14)を持ちいれば、詳細なエネルギー分布を知ることも可能である。 In addition, the energy distribution of X-rays by an electron linear accelerator having an electron beam energy of less than 1 MeV is about 100 keV to 300 keV. If you have various optical glasses (refractive index 1.43-2.14), you can know the detailed energy distribution.
図2に示すように、こうして構成されたチェレンコフカウンター群の後方に、主検出器3として、X線の全吸収が可能なシンチレーションカウンターや半導体検出器を設置するのが好ましい。主検出器3は、通常チェレンコフカウンター群の最後尾に配置するが、前記チェレンコフカウンター群の最後に配列するチェレンコフカウンターに代えて備えるように配置しても良い。こうすることにより、被写体のX線透過率全体を主検出器で測定し、このようにして測定したすべての放射線強度と、チェレンコフカウンターの複数のそれぞれにおいて、チェレンコフカウンターに備わる光検出器で測定される強度シグナルから換算されるエネルギー閾値の所定の範囲に存在する放射線強度とを対比することによって、前記放射線エネルギー分布における線質硬化の影響を推定することが可能となる。但し、主検出器3の設置は必須ではない。 As shown in FIG. 2, it is preferable to install a scintillation counter or a semiconductor detector capable of total X-ray absorption as the main detector 3 behind the Cherenkov counter group thus configured. The main detector 3 is normally arranged at the end of the Cherenkov counter group, but may be arranged so as to be provided in place of the Cherenkov counter arranged at the end of the Cherenkov counter group. By doing this, the entire X-ray transmittance of the subject is measured by the main detector, and all the radiation intensities measured in this way and each of the plurality of Cherenkov counters are measured by the photodetector provided in the Cherenkov counter. It is possible to estimate the influence of hardening of the radiation on the radiation energy distribution by comparing with the radiation intensity existing in a predetermined range of the energy threshold converted from the intensity signal. However, the installation of the main detector 3 is not essential.
チェレンコフカウンター群及びシンチレーションカウンター(または半導体検出器)の信号は、X線の射爆後、独立したADCに入力され分析処理装置4により直ちに読み出される。ただし、二次元光検出器の場合はこの限りではない。 The signals of the Cherenkov counter group and the scintillation counter (or semiconductor detector) are input to an independent ADC after X-ray bombardment and are immediately read out by the analysis processor 4. However, this is not the case with a two-dimensional photodetector.
図2及び3に示す検出装置を適用して本発明の放射線のエネルギー分布を推定する最も簡単な検出方法の一つは以下の通りである。 One of the simplest detection methods for estimating the energy distribution of radiation according to the present invention by applying the detection apparatus shown in FIGS. 2 and 3 is as follows.
図2に示すn個のチェレンコフカウンター1で構成されているチェレンコフカウンター群2において、個々のチェレンコフカウンター1をエネルギー閾値の低い順にC1、C2、C3、・・・・、Cnのように配置する。Ci(i=1・・・n)のエネルギー閾値はSi(i=1・・・n)とし、Ciにおける推定放射線強度(X線光子数など)はNi((i=1・・・n)とする。
In the
閾値SiとSi+1の間にあると推定される放射線強度(X線光子数など)は、単純にNi+1−Niから求めることができる。このとき、当然のことながら、個々のチェレンコフカウンターの実際のシグナルレベルと推定放射線強度(X線光子数など)との関係はなんらかの方法で判明していなければならない。 The radiation intensity (such as the number of X-ray photons) estimated to be between the threshold value Si and S i + 1 can be simply obtained from N i + 1 −Ni. At this time, as a matter of course, the relationship between the actual signal level of each Cherenkov counter and the estimated radiation intensity (such as the number of X-ray photons) must be known by some method.
個々のチェレンコフカウンターの実際のシグナルレベルと推定放射線強度(X線光子数など)との関係を推定する方法としては、エネルギーと強度の判明している(準)単色X線(放射性同位体から放射されるX線やガンマ線)を用いて較正するという直接的な方法がある。また、モンテカルロシミュレーションによりX線から電子等への変換効率を求めて、荷電粒子とチェレンコフカウンターのシグナルレベルの関係を、単色かつ単一(1個)の荷電粒子(加速器で生成される粒子線や放射性同位体から放射されるベータ線等を偏向電磁石等でエネルギー選別する等)を用いて求めるという方法もある。また、すべてを計算に依ることも行っても良い。 As a method of estimating the relationship between the actual signal level of each Cherenkov counter and the estimated radiation intensity (number of X-ray photons, etc.), (quasi) monochromatic X-rays with known energy and intensity (radiation from radioisotopes) There is a direct method of calibrating using X-rays or gamma rays). In addition, the conversion efficiency from X-rays to electrons etc. is obtained by Monte Carlo simulation, and the relationship between the signal level of charged particles and Cherenkov counters is determined as a single, single (single) charged particle (a particle beam generated by an accelerator, There is also a method in which a beta ray or the like emitted from a radioisotope is obtained by using a bending electromagnet or the like for energy selection. It is also possible to rely on calculation for everything.
以上のように、放射線の運動エネルギー閾値に応じた照射線強度(放射線光子数を反映する物理量)を、複数のチェレンコフカウンターによってそれぞれ計測することによって、広範囲のエネルギーに亘って正確な放射線エネルギー分布を検出することができる。 As described above, the radiation intensity (physical quantity reflecting the number of radiation photons) corresponding to the kinetic energy threshold of radiation is measured by each of a plurality of Cherenkov counters, so that an accurate radiation energy distribution can be obtained over a wide range of energy. Can be detected.
〈実施例2〉
図4は、エネルギー閾値を変えるためのチェレンコフ輻射体6またはチェレンコフ光を光検出器に伝送する手段として、複数の光ファイバを有するチェレンコフカウンター1の構成を示す図である。
<Example 2>
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of the
図4の(a)は、チェレンコフ輻射体6によって放射されるチェレンコフ光を光検出器7に伝送する手段として光ファイバ10,11を使用するときのチュレンコフカウンターの例である。図4の(b)は、チュレンコフカウンター1の内部にチェレンコフ輻射体が含まれておらず、光ファイバ13,14がチェレンコフ光を光検出器に伝送する手段としてだけでなく、チェレンコフ輻射体としての機能を担うために設けられたチュレンコフカウンターの例である。また、図4の(c)に示すチュレンコフカウンターは、コンバータ5からフィルター12までの間に光ファイバが設置された例である。それによってコンバータ5からフィルター12までの間で発生する放射線の散乱等による測定への悪影響を低減する効果が得られ、より厳密な測定が可能となる。図4の(a)〜(c)に示すフィルター12は、測定しようとするエネルギー閾値を有するチェレンコフ光だけを選択的に測定するために使用される。本発明の検出装置は、図4の(a)〜(c)に示すチェレンコフカウンターを、図2に示すものと同じように2個以上配列することによって構成することができる。
FIG. 4A shows an example of a Turenkov counter when the
図5には、図4の(a)及び(b)に示すチェレンコフカウンターを2個用いて直列に配置した本発明による放射線エネルギーの検出装置の例を示す。図5の(a)に示す本発明の検出装置は、チュレンコフ輻射体6によって放射されるチェレンコフ光を光ファイバ10,11で検出するチェレンコフカウンター1の2個を直列に配置したものである。一方、図5の(b)は、チュレンコフ輻射体6によって放射されるチェレンコフ光を光ファイバ10,11で検出するチェレンコフカウンター1を放射線の入射側(図のおいて上段)に配置し、光検出器へのチェレンコフ光伝送手段としてだけでなく、チェレンコフ輻射体としての機能を担う光ファイバー13,14を内部に備えるチェレンコフカウンター1を放射線の出射側(図において下段)に直列で配置したものである。図5には、チェレンコフカウンターの2個を配列した検出装置の例を示しているが、本実施例は3個以上を配列することができる。また、図4の(a)及び(b)に示すチェレンコフカウンターの組合せも、放射線のエネルギー分布の測定精度に応じて自由に選ぶことができる。
FIG. 5 shows an example of a radiation energy detection device according to the present invention in which two Cherenkov counters shown in FIGS. 4A and 4B are arranged in series. The detection apparatus of the present invention shown in FIG. 5A is a series of two Cherenkov counters 1 that detect Cherenkov light emitted by the
また、図には示していないが、図4の(b)及び(c)に示すチュレンコフカウンターの何れかを2個以上で直列に配置する場合は、放射線の出射側に配置されたチェレンコフカウンター1には、エネルギー閾値がチェレンコフ輻射体6より低くなるような光ファイバを備える。例えば2個の場合は、直列に配置する各チェレンコフカウンターについて、それぞれエネルギー閾値が異なる光ファイバを備えるようにし、エネルギー閾値の高い光ファイバを有するものから低い光ファイバを有するものの順に放射線の入射側から配置する。以下、3個以上のチェレンコフカウンターを配置する場合にも、エネルギー閾値の異なる光ファイバーを用いて、同じような構成を採用する。
Although not shown in the figure, when any two or more of the Turenkov counters shown in FIGS. 4B and 4C are arranged in series, the Cherenkov counter arranged on the
前記のエネルギ閾値の高い光ファイバとしてはコア部の屈折率が低いものが選択され、例えば、石英径光ファイバ、プラスチック光ファイバ、シリコーンやフッ素オイル等の低屈折率液体をそれより低屈折率のプラスチッククラッド材に封入して作製される光ファイバが挙げられる。一方、エネルギ閾値の低い光ファイバとしては、コア部の屈折率が高いものを使用し、例えば、高屈折率のガラス又は透明セラミックスのコア部とした光ファイバ等が挙げられる。本実施例の光ファイバは数m以下の短尺で使用するため、光透過率は光通信用光ファイバほど高くなくても問題ない。そのため、前記の透明セラミックスのコア部とした光ファイバや、コア部に高屈折率のドーパントを有する光ファイバ等を使用することができる。 As the optical fiber having a high energy threshold, one having a low refractive index of the core portion is selected. For example, a low refractive index liquid such as a quartz diameter optical fiber, a plastic optical fiber, silicone or fluorine oil has a lower refractive index. An optical fiber produced by encapsulating in a plastic clad material is mentioned. On the other hand, as an optical fiber having a low energy threshold, one having a high refractive index of the core part is used, and examples thereof include an optical fiber having a high refractive index glass or transparent ceramic core part. Since the optical fiber of this embodiment is used with a short length of several meters or less, there is no problem even if the light transmittance is not as high as that of the optical fiber for optical communication. Therefore, it is possible to use an optical fiber having the transparent ceramic core, an optical fiber having a high refractive index dopant in the core, or the like.
本実施例の放射線エネルギー分布の検出装置は、チェレンコフ輻射体からチェレンコフ光を光検出器に伝送する手段として使用する光ファイバが一般に固体又は液体で作製されるため、放射線に感受性があるものが多い。前記で述べたように、光検出器の機能を有する光ファイバが放射線に感受性がある場合は、散乱線などが光検出器にてノイズシグナルとして検出される恐れがある。この問題を解決するために、本実施例は、一つのチェレンコフカウンター1に光ファイバ(図4において、符号10,11及び13,14)を複数設置して、そのうち1本を、例えばフィルター12を光が透過しない物質で構成することにより遮光し、チェレンコフ光が光ファイバ11,14に入射しないようにすることが好ましい。チェレンコフ光を検出する光ファイバ10,13と遮光した光ファイバ11,14において、両者の電気シグナルレベルの差分により、チェレンコフ光のシグナルを推定することができる。また、図4には、例として2本の光ファイバ10,11又は13,14を有するチェレンコフカウンターを示したが、光ファイバは3本以上を設置しても良く、そのうちのいくつか(半分程度)を遮光して、チェレンコフ光を検出する光ファイバとの電気シグナルレベルの差分から、同じようにチェレンコフ光のシグナルを推定することができる。本実施例では、複数の光ファイバを同一のチェレンコフカウンターに備えるとともに、互いに近接させることによって、ノイズが少ない高感度のチェレンコフ光のシグナルを得ることができる。
The radiation energy distribution detection apparatus according to the present embodiment is generally sensitive to radiation because an optical fiber used as means for transmitting Cherenkov light from a Cherenkov radiator to a photodetector is generally made of solid or liquid. . As described above, when an optical fiber having the function of a photodetector is sensitive to radiation, scattered radiation or the like may be detected as a noise signal by the photodetector. In order to solve this problem, in this embodiment, a plurality of optical fibers (
図4及び図5に示す検出装置を適用して行う本発明の放射線のエネルギー分布の推定するための検出方法は、実施例1と同じようにして行う。本実施による放射線エネルギー検出方法は、図2に示すn個のチェレンコフカウンターで構成されているチェレンコフカウンター群において、個々のチェレンコフカウンターが複数の光ファイバによって構成されている点を除けば、個々のチェレンコフカウンターの実際のシグナルレベルと推定放射線強度の計測は実施例1と同じ原理に基づいて行うことができる。 The detection method for estimating the energy distribution of the radiation of the present invention performed by applying the detection apparatus shown in FIGS. 4 and 5 is performed in the same manner as in the first embodiment. The radiation energy detection method according to the present embodiment is the same as the Cherenkov counter group composed of n Cherenkov counters shown in FIG. 2, except that each Cherenkov counter is composed of a plurality of optical fibers. The actual signal level of the counter and the estimated radiation intensity can be measured based on the same principle as in the first embodiment.
また、本発明においては、複数のチェレンコフカウンターのすべてが複数の光ファイバを備える構成だけでなく、図3に示すような、チェレンコフ輻射体を有するチェレンコフカウンターの構成と組み合わせてチェレンコフカウンター群として使用しても良い。 Further, in the present invention, not only a configuration in which all of the plurality of Cherenkov counters include a plurality of optical fibers but also a Cherenkov counter group in combination with a configuration of a Cherenkov counter having a Cherenkov radiator as shown in FIG. May be.
〈実施例3〉
本発明により推定された各エネルギー帯は、それぞれがエネルギー帯の幅を持つ擬似的な単色X線であると考えることもできるので、空港や港湾の荷物検査のための擬似2色若しくは擬似多色イメージング装置(ラインセンサー、平面型検出器、若しくはX線CT装置)にも応用可能である。最近では物質判別の要望があり( UTNL-R-0476 東京大学大学院工学系研究科原子力専攻平成21年度共同利用成果報告書21L10 可搬型小型X線源を用いた非破壊検査応用研究(http://www.nuclear.jp/utnl-w/0025/main0025.pdfを参照)、本発明はラインセンサーとして好適である。例えば、特開2011−112623号公報に開示されているようなシンチレーターを用いた2段X線検出器において、シンチレーションカウンターの代わりに本発明のチェレンコフカウンターを適用することによって、2段だけに限らず、3段以上の構成を採用することができるため、エネルギー分布をより細分化した状態で高精度に検出することが可能となる。
<Example 3>
Each energy band estimated according to the present invention can be considered as a pseudo-monochromatic X-ray having an energy band width, so that it is a pseudo two-color or pseudo-multicolor for luggage inspection at airports and ports. The present invention can also be applied to an imaging apparatus (line sensor, flat panel detector, or X-ray CT apparatus). Recently, there has been a request for substance discrimination (UTNL-R-0476 Non-destructive inspection applied research using portable small X-ray source (http: / (See /www.nuclear.jp/utnl-w/0025/main0025.pdf), the present invention is suitable as a line sensor, for example, using a scintillator as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-112623. By applying the Cherenkov counter of the present invention instead of a scintillation counter in a two-stage X-ray detector, it is possible to adopt not only two stages but also three or more stages, thereby further subdividing the energy distribution. In this state, it becomes possible to detect with high accuracy.
〈実施例4〉
本実施例は、電子線加速器などの電子等荷電粒子ビーム若しくは発生X線の簡易エネルギー測定にも適用できる。電子ビームエネルギーが6MeV程度の医療用電子ビーム加速器(ライナック、リニアック)が販売されている。現在最も屈折率の小さいシリカエアロゲルの電子エネルギー閾値は7.2MeVであり、電子ビーム運動エネルギー6MeVをカバーする。現在最も屈折率の大きいシリカエアロゲルの電子エネルギー閾値は0.29MeVである。この範囲であれば、ある程度ばらつきがあるものの、任意の屈折率のシリカエアロゲルを入手できる。本実施例では、ゲルという同じ相形態に属しながらも、密度及び屈折率が異なるシリカエアロゲルの2以上をチェレンコフカウンターのチェレンコフ輻射体として用いる。それによって、適当な屈折率のシリカエアロゲルを複数積層し、それぞれを独立に遮光しつつ放射線遮蔽材に囲まれた光検出器に接続することにより電子ビームエネルギー分析装置を構成する。
<Example 4>
This embodiment can also be applied to simple energy measurement of charged particle beams such as electrons such as an electron beam accelerator or generated X-rays. Medical electron beam accelerators (linac, linac) with an electron beam energy of about 6 MeV are on the market. At present, the silica airgel having the lowest refractive index has an electron energy threshold of 7.2 MeV, which covers an electron beam kinetic energy of 6 MeV. At present, the silica airgel having the highest refractive index has an electron energy threshold of 0.29 MeV. Within this range, silica airgel of any refractive index can be obtained, although there is some variation. In this embodiment, two or more silica aerogels belonging to the same phase form called gel but having different density and refractive index are used as the Cherenkov radiator of the Cherenkov counter. Thereby, a plurality of silica airgels having appropriate refractive indexes are stacked, and each is independently shielded from light and connected to a photodetector surrounded by a radiation shielding material to constitute an electron beam energy analyzer.
加速器のビーム取り出し窓から取り出された電子ビームを、本発明の検出装置を電子ビームエネルギー分析装置として使用し、その分析装置に入射する。光検出器の出力を分析し、どのエネルギー閾値のシリカエアロゲルがチェレンコフ光を放射したかを知ることにより、電子ビームのエネルギーを知ることができる。 The electron beam taken out from the beam take-out window of the accelerator is made incident on the analyzing device using the detecting device of the present invention as an electron beam energy analyzing device. By analyzing the output of the photodetector and knowing which energy threshold silica airgel has emitted Cherenkov light, the energy of the electron beam can be known.
但し、シリカエアロゲルは電気絶縁性が高く、エネルギーを失いシリカエアロゲル内で停止した電子等により帯電する可能性があるので、シリカエアロゲルを光反射膜を兼ねてアルミ箔等導電体で囲むのが望ましい。 However, since silica airgel has high electrical insulation and may lose energy and be charged by electrons stopped in the silica airgel, it is desirable to surround the silica airgel with a conductor such as an aluminum foil that also serves as a light reflecting film. .
最も単純な構成は、チュレンコフ輻射体1及びチュレンコフ輻射体2としてシリカエアロゲル1及びシリカエアロゲル2をそれぞれ有するチェレンコフカウンター2個による構成であり、図6の(a)及び(b)に、その外観図と断面図をそれぞれ示す。それぞれのチュレンコフカウンター内部で放射されるチェレンコフ光は、放射線の入射方向に対して垂直方法で光検出器7によって検出される。例えば6.0MeV±0.1MeVのビームエネルギーを保障したいのであれば、エネルギー閾値5.9MeVと6.1MeVのチェレンコフカウンターで構成する。5.9MeVのカウンターが反応し、6.1MeVのカウンターが反応しない状態が、6MeV±0.1MeVのビームエネルギーを保障する状態となる。
The simplest configuration is a configuration with two Cherenkov counters each having a
各々のチェレンコフカウンターの反応の可否については、ADCで分析演算装置4に取り込まれたシグナルから判断することも可能であるが、各々のチェレンコフカウンターに具備されている光検出器7のうち、チェレンコフ光を検出するものと遮光したものの電気シグナルレベルを差動増幅器等で差分をとり、その信号をコンパレーター(若しくはディスクリミネーター)により弁別することによっても可能である。
Whether or not each Cherenkov counter reacts can be determined from a signal taken into the analytical calculation device 4 by the ADC. Of the
電子線加速器等で発生される荷電粒子ビームは非常に粒子数が多い(105よりはるかに多い)のが一般的であり、シリカエアロゲルは0.1cm〜1cm程度の厚さでも十分な光量を発する。また、本実施例ではチェレンコフ輻射体としてシリカエアロゲルを例示したが、対象の放射線のエネルギーによって、適切な屈折率を持つ気体、液体、固体やその他(メタマテリアルやフォトニック結晶と呼ばれるもの)の物質をチェレンコフ輻射体として用いることが出来る。 A charged particle beam generated by an electron beam accelerator or the like generally has a very large number of particles (much more than 10 5 ), and a silica airgel can provide a sufficient amount of light even with a thickness of about 0.1 cm to 1 cm. To emit. In this embodiment, silica airgel is exemplified as the Cherenkov radiator. However, depending on the energy of the target radiation, a gas, liquid, solid or other material (called a metamaterial or photonic crystal) having an appropriate refractive index is used. Can be used as Cherenkov radiators.
このように、本実施例は明確なエネルギー閾値を用いるため、入射放射線束の最大エネルギーを求めることを目的とする場合には有利な方法である。端的に言えば、本実施例によって明確なエネルギー閾値によるエネルギー分布推定を行うことができるため、検出器の信号強度からエネルギー帯毎の強度を推定する従来方法よりも直接的である。すなわち、本実施例によって推定される各エネルギー帯は、それぞれがエネルギー帯の幅を持つ擬似的な単色の放射線であると考えることができる。 As described above, since this embodiment uses a clear energy threshold, it is an advantageous method for the purpose of obtaining the maximum energy of the incident radiation bundle. In short, since the energy distribution can be estimated by a clear energy threshold according to the present embodiment, it is more direct than the conventional method of estimating the intensity for each energy band from the signal intensity of the detector. That is, it can be considered that each energy band estimated by the present embodiment is pseudo-monochromatic radiation having the width of the energy band.
〈実施例5〉
本発明は、X線源においてバーストモードで発生するX線の最大エネルギー若しくはエネルギー分布を推定することが可能である。その方法を本実施例で説明する。
<Example 5>
The present invention can estimate the maximum energy or energy distribution of X-rays generated in the burst mode in the X-ray source. This method will be described in this embodiment.
X線発生装置や使用方法がX線源である放射線発生装置は、許可されたエネルギーの電子線によりX線を発生することが法令により求められる。日本国では、電子線のエネルギーが1MeV以上のX線源は放射線発生装置として扱われ、1MeV未満のX線源とは法令が異なる。そのような場合に対応するためには電子線やX線の最大エネルギーを容易に知ることが重要である。また、X線源で発生するX線のエネルギーが不明であると、該X線の利用にも支障を来す。特に癌の放射線治療においては、患部やその他の部位での吸収線量を推定する必要があり、X線の最大エネルギーが不明であることは致命的である。 The X-ray generator and the radiation generator whose method of use is an X-ray source are required by law to generate X-rays with an electron beam of permitted energy. In Japan, X-ray sources with an electron beam energy of 1 MeV or higher are treated as radiation generators, and laws and regulations differ from X-ray sources of less than 1 MeV. In order to cope with such a case, it is important to easily know the maximum energy of the electron beam or X-ray. In addition, if the energy of X-rays generated by the X-ray source is unknown, the use of the X-rays will be hindered. Particularly in the case of cancer radiotherapy, it is necessary to estimate the absorbed dose at the affected area and other sites, and it is fatal that the maximum energy of X-rays is unknown.
X線管の場合、電子線のエネルギーはX線管に印加する高電圧の電圧そのものであるため、X線の最大エネルギーもその電圧であるとしても差し支えない。しかし、高周波を用いた電子線形加速器を電子線源として用い、電子線をターゲットに入射して制動輻射X線を発生するX線発生装置の場合は、電子線のエネルギーは自明ではないのでX線の最大エネルギーも自明ではない。 In the case of an X-ray tube, the energy of the electron beam is the high voltage voltage itself applied to the X-ray tube, so the maximum energy of the X-ray may be the voltage. However, in the case of an X-ray generator using an electron linear accelerator using a high frequency as an electron beam source and generating an bremsstrahlung X-ray by making the electron beam incident on the target, the energy of the electron beam is not obvious. The maximum energy of is not obvious.
図7に示すように、上記の電子線形加速器を用いたX線源15の構成例は、加速管16に真空フランジを介して直結された電子銃17と、加速管16に真空フランジを介して直結されたX線ターゲット18とからなる。また、加速管16に短いビームパイプ19を有し、ビームパイプ19の端に真空フランジを介してX線ターゲット18が接続されている場合もある。大型のがん治療用X線照射装置には、長い(例えば、2mの長さ)加速管の後に90度ないし270度の偏向電磁石を有するものがある。しかし、装置の小型化や可搬性の観点からは偏向電磁石を具備することは好ましくない。また、電子線は横方向に発散する傾向があるので、電子線が発散する前にX線ターゲットに入射することが望ましい。若しくは電子線を集束する装置を用いることが出来るが、装置の大型化に繋がるために嫌われる。電子線形加速器の内部は高真空に保たれている。
As shown in FIG. 7, the configuration example of the
上記電子線形加速器の電子線のエネルギーを測定するには、通常は偏向電磁石を用いる。しかし、X線発生装置に電子線のエネルギー測定用の偏向電磁石を常時具備するのが困難な場合も多い。前記の実施例4は、この問題を解決するために考えられる手法であるが、実施例4による手法だけでは解決が容易ではない。理由としては、X線発生装置にはX線を発生させるためのX線ターゲットが設置してあり、電子線はX線ターゲットに入射するように設計されているためである。通常、偏向電磁石を持たないX線発生装置の電子線のエネルギーを測定するためには、X線ターゲットを取り外して、ビーム取り出し窓を取り付けて大気中に電子線を取り出すか或いは偏向電磁石による電子ビームエネルギー分析装置を取り付けて電子線のエネルギーを測定することになる。これらの方法を実施するには、真空に保たれている加速装置をX線ターゲット等の交換のために大気解放する必要があり、非常に手間がかかると同時に真空の回復にも時間がかかるため、数日を要する。従って、上記の方法により常時X線の最大エネルギーを監視するのは不可能である。 In order to measure the energy of the electron beam of the electron linear accelerator, a deflection electromagnet is usually used. However, it is often difficult to always provide the X-ray generator with a deflection electromagnet for measuring the energy of the electron beam. The above-described fourth embodiment is a method that can be considered to solve this problem, but the solution according to the fourth embodiment alone is not easy to solve. The reason is that the X-ray generator is provided with an X-ray target for generating X-rays, and the electron beam is designed to enter the X-ray target. Usually, in order to measure the energy of the electron beam of an X-ray generator that does not have a deflecting electromagnet, the X-ray target is removed and a beam extraction window is attached to extract the electron beam into the atmosphere, or the electron beam by the deflecting electromagnet An energy analyzer is attached to measure the energy of the electron beam. In order to carry out these methods, it is necessary to release the accelerator in a vacuum to the atmosphere for exchanging the X-ray target, etc., which is very time-consuming and takes time to recover the vacuum. , Takes a few days. Therefore, it is impossible to always monitor the maximum energy of X-rays by the above method.
このような問題を解決するために、本実施例では、図8に示すようにX線源15の装置にコンバーター(金属板)5を設置し、X線を電子に変換できるようにしてX線の最大エネルギーを測定できるようにした装置を、X線発生装置の正面直近の、X線源15と被写体若しくは患者との間に設置する。各チェレンコフ輻射体毎にコンバーター(金属板)5を設置するのが望ましい。このようにすれば、X線ターゲットを取り外さなくてもX線の最大エネルギーが推定でき、その源泉である電子線のエネルギーも推定できる。したがって、必要な時に上記装置をX線源直近に設置することで、X線の最大エネルギー及び電子線のエネルギーを推定できる。該装置の設置場所はX線の放射軸上が望ましいが、X線の放射軸から外れた位置であってもよい。
In order to solve such a problem, in this embodiment, as shown in FIG. 8, a converter (metal plate) 5 is installed in the apparatus of the
X線の最大エネルギーを推定する方法は、原理的に実施例4に示す方法と同等である。例えば6.0MeV±0.1MeVのX線エネルギーを保障したいのであれば、エネルギー閾値5.9MeVと6.1MeVのチェレンコフカウンターで構成する。5.9MeVのカウンターが反応し、6.1MeVのカウンターが反応しない状態が、6MeV±0.1MeVのX線エネルギーを保障する状態となる。ただし、X線が電子線に変換される時に僅かにエネルギーが減少するので、必要に応じてこのエネルギーの減少分を考慮する。 The method for estimating the maximum energy of X-rays is in principle equivalent to the method shown in the fourth embodiment. For example, if it is desired to guarantee an X-ray energy of 6.0 MeV ± 0.1 MeV, the energy threshold value is 5.9 MeV and a Cherenkov counter of 6.1 MeV. A state in which the counter of 5.9 MeV reacts and the counter of 6.1 MeV does not react is a state in which X-ray energy of 6 MeV ± 0.1 MeV is guaranteed. However, since the energy slightly decreases when the X-ray is converted into an electron beam, this energy decrease is taken into consideration as necessary.
上記装置のコンバーター(金属板)5やチェレンコフ輻射体を信号レベルが許す限り薄くすることで、発生するX線に与える影響を低くしてX線の最大エネルギー及び電子線のエネルギーを推定することもできる。これにより、上記装置を前置検出器として使用し、X線を利用しながら該X線の最大エネルギー及び電子線のエネルギーを常時監視することが可能となる。また、X線のエネルギーが同じであれば、X線の強度はチェレンコフ光の強度に比例するので、信号レベルを較正すればX線の強度も常時監視可能である。 By making the converter (metal plate) 5 and Cherenkov radiator of the above device as thin as the signal level permits, the influence on generated X-rays can be reduced and the maximum energy of X-rays and the energy of electron beams can be estimated. it can. This makes it possible to constantly monitor the maximum energy of the X-ray and the energy of the electron beam while using the X-ray while using the apparatus as a front detector. If the X-ray energy is the same, the intensity of the X-ray is proportional to the intensity of Cherenkov light. Therefore, if the signal level is calibrated, the intensity of the X-ray can always be monitored.
本実施例においては、チェレンコフ輻射体やコンバーター(金属板)5の数を3以上に増やし、エネルギー分布を推定可能とすることが出来ることは言うまでもない。 In the present embodiment, it goes without saying that the number of Cherenkov radiators and converters (metal plates) 5 can be increased to 3 or more, and the energy distribution can be estimated.
このように、本実施例によれば各エネルギー帯はそれぞれがエネルギー帯の幅を持つ擬似的な単色X線であると考えることができ、X線エネルギー分布の検出において前記の実施例4と同じ効果が得られる。したがって、本実施例は、前記の特許文献4に開示されているような検出器の信号強度からエネルギー帯毎の強度を推定する方法と比べて、より直接的なX線エネルギー分布の検出方法である。勿論、被写体若しくは患者を透過したX線を、本発明による放射線検出器で検出できることは言うまでもない。 Thus, according to the present embodiment, each energy band can be considered to be a pseudo monochromatic X-ray having the width of the energy band, and the same as the fourth embodiment in the detection of the X-ray energy distribution. An effect is obtained. Therefore, the present embodiment is a more direct X-ray energy distribution detection method than the method of estimating the intensity for each energy band from the signal intensity of the detector as disclosed in Patent Document 4 described above. is there. Of course, it goes without saying that X-rays transmitted through the subject or patient can be detected by the radiation detector according to the present invention.
1・・・チェレンコフカウンター、2・・・チェウレンコフカウンター群、3・・・主検出器、4・・・分析処理装置、5・・・コンバーター、6・・・チェレンコフ輻射体、7・・・光検出器、8・・・放射線遮蔽体、9・・・ミラー、10・・・チェレンコフ光を検出する光ファイバ、11・・・遮光した光ファイバ、12・・・フィルター、13・・・チェレンコフ光を検出する光ファイバ、14・・・遮光した光ファイバ、15・・・X線源、16・・・加速管、17・・・電子銃、18・・・X線ターゲット、19・・・ビームパイプ、20・・・チェレンコフ光を光検出器に伝送する手段としての空間。
DESCRIPTION OF
Claims (18)
前記チェレンコフカウンターに備わる光検出器で測定される光強度は、既知のエネルギーと光強度との関係を用いて較正を行うか、又はシミュレーション計算を行うことによって、前記エネルギー閾値の所定の範囲に存在する放射線強度に換算されることを特徴とする請求項1に記載の放射線エネルギー分布の検出方法。 The energy threshold when the Cherenkov radiation occurs is controlled by the refractive index of an optical medium included as a Cherenkov radiator in the Cherenkov counter,
The light intensity measured by the photodetector provided in the Cherenkov counter exists within a predetermined range of the energy threshold by performing calibration using a relationship between known energy and light intensity or by performing simulation calculation. The radiation energy distribution detection method according to claim 1, wherein the radiation energy distribution is converted into radiation intensity.
前記の荷電粒子又は電磁波の入射方向に対して、チェレンコフ放射が起こるときのエネルギー閾値が異なるチェレンコフカウンターの複数を直列に配置するチェレンコフカウンター群と、
前記チェレンコフカウンターの複数のそれぞれにおいて、前記チェレンコフカウンターに備わる光検出器によって測定される光強度から前記エネルギー閾値の所定の範囲に存在する放射線強度を換算するための処理装置と
を有することを特徴とする放射線エネルギー分布の検出装置。 A device for detecting energy distribution of charged particles that are radiation or electromagnetic waves converted into the charged particles,
A Cherenkov counter group in which a plurality of Cherenkov counters having different energy thresholds when Cherenkov radiation occurs with respect to the incident direction of the charged particles or electromagnetic waves are arranged in series;
Each of the plurality of Cherenkov counters includes a processing device for converting radiation intensity existing in a predetermined range of the energy threshold from light intensity measured by a photodetector provided in the Cherenkov counter. Detection device for radiation energy distribution.
前記エネルギー閾値の所定の範囲に存在する放射線強度を換算するための処理装置は、前記チェレンコフカウンターに備わる光検出器で測定される光強度を、既知のエネルギーと光強度との関係を用いて較正を行う手段、又はシミュレーション計算を行う手段を有することを特徴とする請求項10に記載の放射線エネルギー分布の検出装置。 The Cherenkov counter has at least a refractive index corresponding to an energy threshold when the Cherenkov radiation occurs, and has an optical material used as a Cherenkov radiator, and a photodetector that detects Cherenkov light,
The processing apparatus for converting the radiation intensity existing in the predetermined range of the energy threshold calibrates the light intensity measured by the photodetector provided in the Cherenkov counter using the relationship between the known energy and the light intensity. The radiation energy distribution detection device according to claim 10, further comprising: a unit that performs the calculation or a unit that performs a simulation calculation.
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