JP6808214B2 - 放射線計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、放射線の飛来方向等の計測、放射線の空間的な強度分布の計測等を可能にする放射線計測装置に関する。

放射線測定装置として、放射線の飛来方向等を計測するため、放射線の入射方向を制限するコリメーターと、このコリメーターに隣接して等間隔で平行に配列された多数のシンチレーションロッドからなるセンサーアレイとを有する検出ユニットを備え、この検出ユニットからの光信号を２次元的な光信号の分布として検知する放射線計測装置が公知となっている（特許文献１参照）。

しかしながら、上記のような放射線計測装置によって放射線の空間的な強度分布の計測を行う場合、コリメーターによって放射線の飛来方向に関する指向性を与えているので、コリメーターの指向性に対応する検出方向を変化させつつ計測を行う走査型の計測が必要となり、計測に要する時間が増大する。

なお、放射線の飛来方向を検出する別の方法として、コンプトン散乱を利用するコンプトン法がある（非特許文献１、２参照）。具体的には、例えば放射線に対してコンプトン散乱を起こす散乱体検出器と散乱後の光子を光電吸収する吸収体検出器とを設け、それぞれにおける散乱又は吸収位置と付与エネルギーとに基づいて散乱角を計算するとともに、複数の放射線に対する同様の計算から放射線の飛来を決定するといった手法がとられる。コンプトン法を実用化したコンプトンカメラでは、高価なタリウム活性化ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）、タリウム活性化ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）等が用いられ、或いは高価な半導体センサーが高密度で実装されており、低コストで感度を高めることは容易でない。

国際公開第2013/147277号

V. Schonfelder, A. Hirner, and K. Schneider, Nuclear Instruments and Methods 107, 385 (1973). R. W. Todd, J. M. Nightingale, and D. B. Everett, Nature 251, 132 (1974).

本発明は、放射線の飛来方向を直接的に計測でき、コストの増加を抑えつつ放射線の空間的な強度分布の計測等を容易にできる放射線計測装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る放射線計測装置は、所定方向に延びる複数の線状のシンチレーター要素を所定方向に垂直な方向に関して２次元的に配列した立体的なセンサーアレイと、センサーアレイの所定方向の一端側に連結されてセンサーアレイからの光信号を２次元的な光信号の分布として検知する第１検出部と、センサーアレイの所定方向の他端側に連結されてセンサーアレイからの光信号を検知する第２検出部と、第１及び第２検出部の検知結果に基づいて電磁放射線の到達位置を決定するとともに、特定の電磁放射線に対応する複数の到達位置を含む検出情報に基づいて当該特定の電磁放射線の入射方向に関連する飛来情報を得る情報処理装置とを備え、情報処理装置は、第１検出部によって検出したシンチレーター要素単位での光信号と、第２検出部によって検出した光信号との同期をとって特定の電磁放射線の入射であることを判定し、第１検出部によって検出した光信号と、第２検出部によって検出した光信号との相対的な強度関係から線状のシンチレーター要素における特定の電磁放射線の到達位置を決定する。

本発明の放射線計測装置では、立体的なセンサーアレイと第１検出部とを用いるので、比較的広い空間に飛来した電磁放射線をシンチレーター要素の配列に対応する２次元の画像状の情報としてとらえることができ、コストを抑えた電磁放射線の検出が可能になる。また、第１及び第２検出部の検知結果を用いることで、シンチレーター要素における電磁放射線の通過位置を絞り込むことができ、特定の電磁放射線の飛来に起因する一連のコンプトン散乱等の発生位置を電磁放射線の複数の到達位置として検出することができ、電磁放射線の飛来方向又は入射方向を直接的に計測することができる。この際、情報処理装置が第１検出部によって検出したシンチレーター要素単位での光信号と、第２検出部によって検出した光信号との同期をとって特定の電磁放射線の入射であることを判定することにより、１か所で生じたコンプトン散乱が一事象の飛来に起因するか否かを判定することができる。また、第１検出部によって検出した光信号と、第２検出部によって検出した光信号との相対的な強度関係から線状のシンチレーター要素における特定の電磁放射線の到達位置を決定することにより、特定のシンチレーター要素における電磁放射線の通過位置の決定を確実にすることができる。

本発明の具体的な側面又は観点では、上記放射線計測装置において、センサーアレイへの電磁放射線の入射を方位的に制限する方位制限部をさらに備える。この場合、バックグラウンドの電磁放射線の飛来を制限することができ、対象とする電磁放射線の抽出が容易になる。

本発明の別の側面では、方位制限部は、センサーアレイのうち一端側と他端側との間の所定領域に設定した面状の入射部に対向して配置され、複数の遮蔽体の平板を近接して配置したコリメーターを少なくとも１つ以上有する。この場合、方位制限部を比較的軽量にできる。また、コリメーターにより、少なくとも入射部やその周辺においてセンサーアレイへの電磁放射線の飛来方向又は入射方向を所定範囲に制限することができ、対象とする電磁放射線の入射方向の特定が容易になり、得られる飛来情報の信頼性が高まる。なお、複数の遮蔽体の平板は、例えば互いに平行に配置したものとすることができるが、特定距離に向けて集まるように傾けて配置したものとすることもできる。

本発明の別の側面では、方位制限部は、制限方位が互いに交差する２つのコリメーターを有する。この場合、電磁放射線の入射方向を２方向に関して制限することができ、高精度で飛来情報を得ることができる。

本発明のさらに別の側面では、情報処理装置は、第１検出部によって検出したシンチレーター要素単位での光信号の強度に基づいて特定の電磁放射線に由来する散乱電子のエネルギーを決定する。このエネルギーは、放射線の飛来方向又は入射方向の特定に用いることができる。

本発明のさらに別の側面では、情報処理装置は、複数の線状のシンチレーター要素で得た光信号の同期をとって特定の電磁放射線によってコンプトン散乱及び光電吸収又は複合的なコンプトン散乱が生じたことを判定する。これにより２か所で生じたコンプトン散乱等が一事象の飛来に起因するか否かを判定する関連付けが可能になる。

本発明のさらに別の側面では、センサーアレイは、複数のセンサー部として蛍光物質をドープした複数のシンチレーションロッドを有する。この場合、センサーアレイを低コストで軽量化することができ、センサーアレイの占有空間を簡易に広げることができる。

本発明に係る一実施形態の放射線計測装置を説明する概念的なブロック図である。 検出窓部の概念的な正面図である。 シンチレーター部を構成するシンチレーションロッドユニットの構造を説明する概念図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、検出原理に関するシミュレーション結果を説明する図である。 検出動作を説明する概念的な斜視図である。 放射線計測装置の動作を説明するフローチャートである。

以下、本発明に係る一実施形態の放射線計測装置の構造や動作について具体的に説明する。

図１に示す放射線計測装置１００は、検出窓部２０の正面方向及びその周辺から飛来するガンマ線を電磁放射線ＲＲとして検出する。放射線計測装置１００は、検出窓部２０と、バンドル部３０と、第１検出部４０と、第２検出部５０と、制御装置７０とを備える。ここで、検出窓部２０、バンドル部３０、第１検出部４０、第２検出部５０等は、放射線遮蔽用のケース１１内に不図示の支持構造体又はフレーム部材とともに収納されている。

検出窓部２０は、ケース１１の開口１１ａに露出するように設けられた２次元コリメーター部２１と、２次元コリメーター部２１の背後に配置され直方体状の輪郭を有するシンチレーター部２２とを有する。

２次元コリメーター部２１は、電磁放射線ＲＲの飛来方向又は入射方向を基準線ＢＬのまわりに広がる所定の局所的な領域（計測方位領域ＤＡ）に制限する方位制限部として機能し、２次元的な層状に延びる第１コリメーター２１ａと、同様に層状に延びる第２コリメーター２１ｂとを積層したものとなっている。２次元コリメーター部２１は、直方体状のシンチレーター部２２の一側面（ＸＹ面に平行な面）に対応する矩形の所定領域に設定した面状の入射部２２ｉに対向して配置されている。

第１コリメーター２１ａは、電磁放射線ＲＲの入射方向をＹ方向に関して制限するものであり、その制限方位は、Ｙ方向となっている。第１コリメーター２１ａは、検出窓部２０が正面の−Ｚ方向に向いている状態で、多数の細長い平板状の遮蔽体である放射線遮蔽板２１ｃをＹ方向に等間隔で平行に配列したものである（図２参照）。各放射線遮蔽板２１ｃは、検出窓部２０が正面の−Ｚ方向に向いている状態で、Ｘ方向を長手方向とするとともに、Ｙ方向を法線方向としている。各放射線遮蔽板（遮蔽体の平板）２１ｃは、例えば０．５〜１ｍｍ程度の厚みを有しＺ方向に２ｃｍ以上（具体的には４ｃｍ程度）の幅を有する鉛板であり、これらの放射線遮蔽板２１ｃは、１〜５ｍｍ程度（具体的には２ｍｍ）の隙間ＧＡを介して互いに離間して配置される。この第１コリメーター２１ａにより、検出窓部２０による電磁放射線ＲＲの検出に際して、Ｙ方向に関して緩いフォーカス機能又は指向性を持たせることができ、基準線ＢＬと交差してＸ軸に平行に延びる縦軸を含む帯状の方位領域からの電磁放射線ＲＲのみを優先的又は選択的に検出することが可能になる。

第２コリメーター２１ｂは、電磁放射線ＲＲの入射方向をＸ方向に関して制限するものであり、その制限方位は、Ｘ方向となっている。第２コリメーター２１ｂは、検出窓部２０が正面の−Ｚ方向に向いている状態で、多数の細長い平板状の遮蔽体である放射線遮蔽板２１ｄをＸ方向に等間隔で平行に配列したものである（図２参照）。各放射線遮蔽板２１ｄは、検出窓部２０が正面の−Ｚ方向に向いている状態で、Ｙ方向を長手方向とするとともに、Ｘ方向を法線方向としている。各放射線遮蔽板（遮蔽体の平板）２１ｄは、放射線遮蔽板２１ｃと同様に、例えば０．５〜１ｍｍ程度の厚みを有しＺ方向に２ｃｍ以上（具体的には４ｃｍ程度）の幅を有する鉛板であり、１〜５ｍｍ程度の隙間ＧＡを介して互いに離間して配置される。この第２コリメーター２１ｂにより、検出窓部２０による電磁放射線ＲＲの検出に際して、Ｘ方向に関して緩いフォーカス機能又は指向性を持たせることができ、基準線ＢＬと交差してＹ軸に平行に延びる横軸を含む帯状の方位領域からの電磁放射線ＲＲのみを優先的又は選択的に検出することが可能になる。結果的に、第１及び第２コリメーター２１ａ，２１ｂにより、基準線ＢＬを中心とする所期の画角範囲つまり計測方位領域ＤＡに、電磁放射線ＲＲの入射方向を制限することができ、シンチレーター部２２又は検出窓部２０に対して−Ｚ方向への指向性を持たせることがきる。

２次元コリメーター部２１による指向性は、第１及び第２コリメーター２１ａ，２１ｂの隙間ＧＡや幅の設定によって調整可能である。また、第１及び第２コリメーター２１ａ，２１ｂにおいて、ステッピングモーター等からなる姿勢調整部２１ｉ，２１ｊを設け、個々の放射線遮蔽板２１ｃ，２１ｄの姿勢変更を可能にすることで、２次元コリメーター部２１を焦点系として機能させることができる。具体的には、姿勢調整部２１ｉによって各放射線遮蔽板２１ｃをＸ軸に平行な回転軸のまわりに回転させることができるとともに、姿勢調整部２１ｊによって各放射線遮蔽板２１ｄをＹ軸に平行な回転軸のまわりに回転させることができ、これら放射線遮蔽板２１ｃ，２１ｄを基準線ＢＬ状の有限距離又は無限遠の一点に向けることで、Ｘ方向及びＹ方向に関して有限距離又は無限遠への焦点機能を持たせることができる。

放射線遮蔽板２１ｃ，２１ｄのための姿勢調整部２１ｉ，２１ｊを設けた場合、焦点機能に代えて走査機能を持たせることができる。具体的には、姿勢調整部２１ｉによって各放射線遮蔽板２１ｃの基準線ＢＬに対する傾斜角度を揃え、この傾斜角度を徐々に変化させることで、第１コリメーター２１ａによるＹ方向に関する走査が可能になる。また、姿勢調整部２１ｊによって各放射線遮蔽板２１ｄの基準線ＢＬに対する傾斜角度を揃え、この傾斜角度を徐々に変化させることで、第２コリメーター２１ｂによるＸ方向に関する走査が可能になる。

後述するようにシンチレーター部２２において複数個所で電磁放射線ＲＲを検出することで、電磁放射線ＲＲの入射方向を特定することができるが、上記のように２次元コリメーター部２１によって指向性を持たせることで、シンチレーター部２２に入射する電磁放射線ＲＲの頻度を低減できデータ量の抑制が可能になるので、シンチレーター部２２の出力に対する信号処理の負担を低減することがきる。また、シンチレーター部２２を動作させてコリメーター２１ａ，２１ｂの姿勢を調整することで、放射線計測装置１００による計測の方位や距離を変化させる走査が可能になる。なお、放射線遮蔽板２１ｃ，２１ｄを用いることで、これに隣接する領域で周囲から一様に進入するバックグラウンド信号を排除することが可能になるので、ケース１１自体に放射線遮蔽性を持たせることは必須でない。

シンチレーター部２２は、立体的なセンサーアレイである。シンチレーター部２２のサイズは、具体的な実施例では一辺が約５０ｃｍ程度となっている。シンチレーター部（センサーアレイ）２２は、Ｙ方向に延びる細長い多数の線状のシンチレーションロッドユニット２２ａ（つまりシンチレーター要素）を、例えば３〜５ｍｍのピッチでＸ方向及びＺ方向に２次元的に規則正しく略隙間なく密に配列して成り、キューブ状の空間を充填するものとなっている。シンチレーター部２２は、例えば１００×１００〜１７０×１７０本のシンチレーションロッドユニット（シンチレーター要素）２２ａで充填されている。このようにシンチレーター部２２を立体的にすることで、電磁放射線ＲＲに対する感度を高めることができ、微弱なものを含む未知の放射線源からの放射線量を精度良く計測することが可能となる。なお、シンチレーションロッドユニット２２ａに電磁放射線ＲＲが入射してコンプトン散乱又は当該コンプトン散乱に伴う光電吸収が生じた場合、コンプトン散乱等に対応するシンチレーション発光現象による蛍光がシンチレーションロッドユニット２２ａの両端から射出される。

図３に示すように、シンチレーションロッドユニット２２ａは、線状のシンチレーター要素であり、角柱状のロッド本体（シンチレーションロッド）２５ａと、円筒状のシース部２５ｂと、コネクタ部２５ｃ，２５ｄとを有する。ロッド本体（シンチレーションロッド）２５ａは、射出成形によって単一素材から形成されたものであり、２次元コリメーター部２１を経た放射線を光信号に変換する。具体的には、ロッド本体２５ａは、蛍光体をドープしたポリスチレン、アクリルその他のプラスチックの部材であって光ファイバーのコアを剥き出しにした非被覆型の構造を有する。つまり、ロッド本体２５ａの側面は、光学的なロスが殆どない鏡面となっている。ロッド本体２５ａのサイズは、例えば断面が２×２ｍｍ程度であり、長さ数１０ｃｍ〜１ｍ程度である。ロッド本体２５ａは、ガンマ線に対する能動指標となっている。具体的な実施例では、ロッド本体２５ａは、例えばセシウム１３７起源の０．６２２ＭｅＶガンマ線等を散乱させ、これによって発生したコンプトン電子によるシンチレーション発光を検出光として出力する。シース部２５ｂは、内面にミラー２６ｂを有する外筒部であり、電子との散乱が無視できる程度に薄い（例えば数１０〜数１００μｍの厚みの）マイラーフィルム２６ａの内面にＡｌ等からなるミラー２６ｂを蒸着等によって形成したシートを準備し、このシートを適当に切り出した後に円筒状に巻いた状態で継ぎ目を接着することで得られる。シース部２５ｂは、一方で、ロッド本体２５ａの一端に固定された支持部材２５ｇの外周に嵌合するとともにコネクタ部２５ｃに接合されており、他方で、ロッド本体２５ａの他端に固定された支持部材２５ｇの外周に嵌合するとともにコネクタ部２５ｄに接合されている。一方のコネクタ部２５ｃは、レンズ、光ガイド等で構成され、不図示のフレーム部材に支持されてバンドル部３０を構成する光ファイバー３１の一端に接続又は連結されている。このコネクタ部２５ｃにより、ロッド本体２５ａからの検出光が光ファイバー３１に導かれる。他方のコネクタ部２５ｄは、第２検出部５０の入射面に対して光学グリス等を介して接続又は連結されている。このコネクタ部２５ｄにより、ロッド本体２５ａからの検出光が第２検出部５０に導かれる。全てのシンチレーションロッドユニット２２ａに対応して設けられたコネクタ部２５ｄは、全体として接続部２８（図１参照）を構成する。なお、各シンチレーションロッドユニット２２ａは、ケース１１内に固定されてシンチレーションロッドユニット２２ａに直交する方向に延びる複数の網状の支持体（不図示）によってアライメントされた状態で支持されている。

ロッド本体２５ａ内で発生したシンチレーション光（シンチレーション発光現象による蛍光）は、ロッド本体２５ａの内面２５ｈに全反射の臨界角以上の角度θ１で入射した場合（つまり光Ｌ１の場合）、少ない損失で効率的に伝搬する。この際、ロッド本体２５ａが剥き出しで、クラッドを有しないので、全反射の臨界角を可能な限り小さくすることができ、シンチレーション光を全反射させる条件が緩くなるので、シンチレーション光の伝送効率を高めることができる。さらに、全反射条件を満たさない場合、すなわちロッド本体２５ａの内面２５ｈに全反射の臨界角以下の角度θ２で入射した場合（つまり光Ｌ２の場合）、シース部２５ｂの内面のミラー２６ｂで反射させる伝搬が可能であるので、シンチレーション光の損失をさらに低減することができる。

図１に戻って、バンドル部３０は、多数のガイド用の光ファイバー３１を集めたものである。光ファイバー３１の一端は、図３に示すコネクタ部２５ｃを多数組み付けたコネクタ基板２７を介してシンチレーター部２２を構成する各シンチレーションロッドユニット２２ａの出力端に結合され、光ファイバー３１の他端は、コネクタ基板（不図示）を介して第１検出部４０に設けた光電撮像管部４１の受光部４１ａの格子点に対向するように位置決めされて固定されている。バンドル部３０は、シンチレーター部２２を構成するシンチレーションロッドユニット２２ａの配列関係を維持したままで光信号を光電撮像管部４１の受光部４１ａに伝送する。

第１検出部４０は、バンドル部３０を介してシンチレーター部（センサーアレイ）２２の一端側に連結されてシンチレーター部２２からの光信号を２次元的な光信号の分布として検知する。すなわち、第１検出部４０は、シンチレーター部２２の一方側に射出される光信号を、２次元的な光信号の分布に対応する電気信号（具体的には光強度に対応する検出電荷の分布）として検知する。第１検出部４０は、光電撮像管部４１と読出部４３とを有し、シンチレーター部２２を構成するシンチレーションロッドユニット２２ａの格子点状の配列をそのまま維持した画素パターンを検出し増幅する。これにより、各シンチレーションロッドユニット２２ａで発生したシンチレーション光をそのＸＺ面内の位置情報とともに検出することができる。光電撮像管部４１は、真空容器内に収納された構造を有しており、詳細な説明は省略するが、光電変換用の入力部である受光部４１ａと、入射した電子を光に変換して像を形成する出力部４１ｃとの間に、光電変換後の電子を収束させる静電収束系（不図示）等を有している。ここで、受光部４１ａは、ガラス製の光学窓を有しており、光学窓の内側には所定の特性を有する光電変換物質の蒸着によって光電変換面が形成されている。出力部４１ｃは、その入射側に所定の特性を有する蛍光体が塗布された蛍光面を有し、その射出側には、蛍光面からの蛍光像を増倍するマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）を配置することもできる。

読出部４３は、リレー光学系４３ａ、精細撮像部４３ｂ等を備える。リレー光学系４３ａは、光電撮像管部４１の出力部４１ｃの像を、精細撮像部４３ｂの撮像面上に略等倍で投射する投射光学系となっている。精細撮像部４３ｂは、例えばＣＭＯＳ型撮像素子である固体撮像素子と、固体撮像素子に撮像動作を行わせる駆動回路とを有し、固体撮像素子に撮像動作を行わせる。精細撮像部４３ｂは、光電撮像管部４１の出力部４１ｃに形成された微弱な光の精細画像を、ビデオレートで画素デジタル信号化して出力する。なお、図示を省略しているが、リレー光学系４３ａから分岐される光路上には、マルチアノードタイプのフォトマルチプライヤ等からなる粗像撮像部が設けられており、精細撮像部４３ｂに撮像動作を行わせる駆動回路に対してトリガー信号を与える。

第２検出部５０は、シンチレーター部（センサーアレイ）２２の他端側に連結されてシンチレーター部２２からの光信号を区画単位で検知する。すなわち、第２検出部５０は、シンチレーター部２２の他方側に射出される光信号を、区画内の複数のシンチレーションロッドユニット２２ａを一括した光信号に対応する電気信号（具体的には区画内に入射した光強度に対応する検出電荷）として検知する。第２検出部５０は、複数のブロック状の光電子増倍管５１をＸＺ面に沿って２次元マトリクス状に配列したものであり、シンチレーター部２２を構成する例えば１７×１７〜１０×１０個程度に設定された一群のシンチレーションロッドユニット２２ａからなるユニット群２２ｇからの光信号に対応する電気信号を一括して検出し増幅する。これにより、ユニット群２２ｇを構成する複数のシンチレーションロッドユニット２２ａで発生したシンチレーション光を一括して検出することができる。各光電子増倍管５１は、真空容器中に光電陰極、二次電子増倍電極、陽極等を封入した構造を有する。

電磁放射線ＲＲの入射頻度にもよるが、特定のシンチレーションロッドユニット２２ａの一端から射出されたシンチレーション光は、第１検出部４０によって位置情報とともに検出されるので、第２検出部５０によって第１検出部４０と同時にシンチレーション光が検出された場合、両検出部４０，５０に共通するシンチレーションロッドユニット２２ａがあれば、同一の事象つまり同じ電磁放射線ＲＲに起因するシンチレーション光を検出したと判断され、第２検出部５０によって正確な位置情報を検出する必要はなくなる。ユニット群２２ｇを構成するシンチレーションロッドユニット２２ａの数は、放射線源の種類、放射線計測装置１００の用途等を参酌して適宜設定する。なお、第２検出部５０は、第１検出部４０と同様に、光電撮像管部４１、読出部４３等を備えるものとできる。この場合、第１検出部４０と第２検出部５０とで独立して完全な位置情報を得ることができる。

制御装置７０は、情報処理装置であり、第１及び第２検出部４０，５０から出力された画像信号や強度信号を監視し、記憶装置に保管しつつ外部に出力する。具体的には、制御装置７０は、検出窓部２０に対象とする線源からの電磁放射線ＲＲが入射した場合、つまりシンチレーション光を検出した場合、第１検出部４０からのトリガー出力に基づいて発光を検出したシンチレーションロッドユニット２２ａのＸＺ面内でのアドレス又は位置を特定する。また、制御装置７０は、第１及び第２検出部４０，５０からの信号強度（具体的には検出電荷を較正して得た補正強度値）に基づいて、シンチレーションロッドユニット２２ａにおいて生成されたシンチレーション光のＹ軸方向の位置を特定する。これにより、シンチレーター部２２内におけるシンチレーション光の生成位置を３次元情報として検出することができる。また、制御装置７０は、第１及び第２検出部４０，５０からの信号強度に基づいて、各シンチレーション光の強度やコンプトン散乱又は光電吸収のエネルギーを見積もる。このようなシンチレーション光を略同時に２箇所で検出した場合、後述するようにそれらの発光位置と散乱エネルギーとに基づいて放射線源の種類とともに電磁放射線ＲＲの入射方向を絞り込むことができ、電磁放射線ＲＲが複数回入射した場合、電磁放射線ＲＲの入射方向を明確に特定することができる。さらに、姿勢調整部２１ｉ，２１ｊを用いて放射線遮蔽板２１ｃ，２１ｄの姿勢を調整すれば、計測方位領域ＤＡを広範囲に変化させて精密な放射線計測を行うことができる。

図４（Ａ）〜４（Ｃ）は、シンチレーター部２２における放射線の検出原理を具体的に説明する図である。シミュレーションを利用して、シンチレーションロッドユニット２２ａのロッド本体２５ａと同様の材料からなるプラスチックシンチレーターに一方向から同じ点に撃ち込んだガンマ線１００発の飛跡（白色実線）の側面図を図４（Ａ）に示している。セシウム（Ｃｓ）１３７から放出される０．６２２ＭｅＶのガンマ線は、物質中で主にコンプトン散乱を起こす。図４（Ａ）のガンマ線の飛跡で方向が変わっている点で散乱が起こり、電子が反跳されている。このエネルギーのガンマ線は、物質中にてコンプトン散乱を繰り返し、エネルギーを失いつつ最終的には光電吸収反応で消えてしまう。つまり、奥行き約０．５ｍのシンチレーションロッドユニット２２ａを充填した立方体、すなわち０．５ｍ立方のプラスチックシンチレーター内において、０．６２２ＭｅＶのガンマ線は、そのエネルギーを略全て電子に渡し切り、外に出て来ることなく全吸収されている。このことから、シンチレーションロッドユニット２２ａのうち２次元コリメーター部２１から最も離れた背後側に配置されたシンチレーションロッドユニット２２ａからの平均的な出力値は、バックグランドレベルを表していると考えることができ、かかるシンチレーションロッドユニット２２ａの出力値をＳ／Ｎ分離に利用することができる。

散乱された電子は、０．５ｍ立方のプラスチックシンチレーター中を走る間にイオン化反応を起こしてシンチレーション発光現象により蛍光を発する。０．６２２ＭｅＶガンマ線が入射して最初に起こすコンプトン散乱で生じた電子だと約１ｍｍ走り、その間発光する。図４（Ｂ）に示すように、先のガンマ線照射のシミュレーション事例から生じた１０ｋｅＶ以上の電子の飛跡のみを白点で示し、図４（Ｃ）に示すように、先のガンマ線照射のシミュレーション事例から生じた１００ｋｅＶ以上の電子の飛跡のみを白点で示している。図からわかるように、１００ｋｅＶ以上の電子を選択すると、よりガンマ線の到来方向に集中して一直線に電子が生成されている。つまり、１００ｋｅＶ以上に相当する１ｍｍ程度の発光点を選択すれば、ガンマ線が最初に起こしたコンプトン散乱による電子を検出したことになり、これに誘発される次のコンプトン散乱による電子を検出することも比較的容易になる。結果的に、セシウム１３７からくるガンマ線であることを特定できるとともに、そのセシウム１３７の方位を特定することができる。

図５を参照して、電磁放射線ＲＲの入射方向やエネルギーの計測原理について具体的に説明する。２次元コリメーター部２１によって計測対象の方向と距離を制限する。この状態で、例えばエネルギーＥ_ｇ＝０．６６２ＭｅＶをもってＣｓ１３７から放射されたガンマ線である電磁放射線ＲＲが入射光子ＧＲとしてシンチレーター部（センサーアレイ）２２のうち、一本のシンチレーションロッドユニット２２ａに入射する。このシンチレーションロッドユニット２２ａ内では、入射光子ＧＲがコンプトン散乱を起こして反跳電子を生じさせ、反跳電子のエネルギーがＥ_１であるとする。さらに、入射光子ＧＲのコンプトン散乱に起因して生じた散乱光子ＧＲ２は、別の位置にあるシンチレーションロッドユニット２２ａに入射する。このシンチレーションロッドユニット２２ａ内では、散乱光子ＧＲ２によって光電吸収が生じエネルギーＥ_２の電子が放出されたとする。ここで、シンチレーションロッドユニット２２ａを構成する全長ＬＳＲのロッド本体２５ａ（図３参照）内のＹ方向における位置ｙにおける光減衰を表す光減衰関数ｆ（ｙ）が予め実測により求められているとする。シンチレーションロッドユニット２２ａの位置ｙ_１，ｙ_２で散乱や光電吸収によって放出されたエネルギーをＥ_１，Ｅ_２として、第１検出部４０側では、ｅ_１＝ｆ（ｙ_１）及びｅ_２＝ｆ（ｙ_２）として測光がなされ、第２検出部５０側では、ｅ'_１＝ｆ（ＬＳＲ−ｙ_１）及びｅ'_２＝ｆ（ＬＳＲ−ｙ_２）として測光がなされるとする。このような事象における測定値ｅ_１，ｅ_２，ｅ'_１，ｅ'_２、及び光減衰関数ｆ（ｙ）から、２電子の散乱等による発光位置（到達位置）ｙ_１，ｙ_２と、エネルギーＥ_１，Ｅ_２とを再構成して求めることができる。つまり、第１及び第２検出部４０，５０の感度差を配慮しつつ、第１検出部４０によって検出した光信号又は測定値ｅ_１，ｅ_２と、第２検出部５０によって検出した光信号又は測定値ｅ'_１，ｅ'_２との相対的な強度関係に基づいて、対応する２つのシンチレーションロッドユニット２２ａにおける入射光子ＧＲ及び散乱光子ＧＲ２の到達位置を決定することができる。その際、入射光子ＧＲ及び散乱光子ＧＲ２のエネルギーＥ_１，Ｅ_２も見積もることができる。その後は、従来のコンプトンカメラの手法を用いて、入射光子ＧＲのコンプトン散乱角θ_１２が求まり、散乱に対応する発光位置（到達位置）ｙ_１，ｙ_２から定まる軸ＡＸ１を中心として開き角θ_１２の円錐上に入射光子ＧＲの放射源が制限される。なお、この開き角θ_１２の円錐は、電磁放射線ＲＲの入射方向に対応する軸ＡＸ０を含むものとなっている。

実際の方向分布の可視化においては、２次元コリメーター部２１による指向性（つまり焦点視野の制限の効果）、測定対象以外から来るバックグランド事象、各測定値の誤差等も考慮する。さらに、事例又は事象ごとに方向の関数としての尤度若しくは確率密度関数を見積もり、多数の事例又は事象による確率密度関数の重なりと較正データをもとに、放射線源であるＣｓ１３７等の密度分布を導出し可視化する。ここでは、説明の例として２個の散乱電子の場合をあげたが、複数回のコンプトン散乱等による事象も同様に解析し再構成することができる。従来、プラスチックシンチレーター（ロッド本体２５ａとして蛍光体をドープしたプラスチックを用いたもの）は、そのコスト効率と高い加工性にも拘わらず原子番号が低く光電吸収の効率が悪いためエネルギー測定に不向きとされてきた。本実施形態のように例えば０．５ｍ×０．５ｍ×０．５ｍといった大きな有感体積を有するシンチレーター部２２を用いたシンチレーション検出では、検出器内で検出される全ての電子エネルギーから元のガンマ線光子つまり入射光子ＧＲのエネルギーと方向とを精度良く再構成できるため、プラスチックシンチレーターの低原子番号の問題を克服することができる。

以上では、第２検出部５０において、一群のシンチレーションロッドユニット２２ａからなるユニット群２２ｇに共用の光電子増倍管５１を用いており、コンプトン散乱等が近接して起こった場合、光電子増倍管５１において、２つの入射光子ＧＲのエネルギーを区別できなくなる。すなわち、コンプトン散乱等が所定以上に近接して起こった場合、２つの入射光子ＧＲに起因する測定値ｅ'_１，ｅ'_２が独立でなく、その和ｅ'_１２＝ｅ'_１＋ｅ'_２として光電子増倍管５１により測光されるが、第１検出部４０の光電撮像管部４１による解像から２つの入射光子ＧＲに起因する測定値ｅ_１，ｅ_２を分離して認識できるので、精度は落ちるが、他の検出情報とも照らし合わせてエネルギーＥ_１，Ｅ_２とコンプトン散乱角θ_１２とを見積もることができる。よって、コンプトン散乱等が近接する場合も含めて無駄のない計測が可能になり、尤度から求まる放射線物質の方向ごとの確率密度関数を的確に算出することができ、放射線検査の判定に寄与し得るものとなる。

以下、図６を参照して、図１に示す放射線計測装置１００の動作の概要について説明する。まず、第１検出部４０と第２検出部５０とを並列的に動作させて、シンチレーター部２２への電磁放射線ＲＲ又は入射光子ＧＲの入射を検出する計測動作を開始する（ステップＳ１１）。

制御装置７０は、第１検出部４０によって検出したシンチレーションロッドユニット２２ａ単位での光信号と、第２検出部５０によって検出した光強度信号（具体的には光強度に対応する電気信号）とについて同期をとりつつスレッシュホールド処理を行って、同一事象である特定の電磁放射線ＲＲ（入射光子ＧＲ）の入射であることを判定する（ステップＳ１２）。

次に、制御装置７０は、第１検出部４０によって検出した光強度信号（具体的には検出電荷を補正した値）と、第２検出部５０によって検出した光強度信号（具体的には検出電荷を補正した値）とに基づいて上記特定の電磁放射線ＲＲ（入射光子ＧＲ）のＹ方向に関する入射位置又は到達位置を決定することで、上記特定の電磁放射線ＲＲの３次元的な入射位置又は発光位置を決定する（ステップＳ１３）。なお、ＸＺ方向に関する電磁放射線ＲＲの入射位置又は到達位置は、光信号を検出したシンチレーションロッドユニット２２ａの縦横位置又はアドレスによって特定される。

これと並行して、制御装置７０は、ステップＳ１２で得た同一事象である特定の電磁放射線ＲＲ（入射光子ＧＲ）の入射に起因する散乱光子ＧＲ２を検出する（ステップＳ１４）。すなわち、制御装置７０は、第１検出部４０によって検出したシンチレーションロッドユニット２２ａ単位での光信号と、第２検出部５０によって検出した光信号とについて同期をとりつつスレッシュホールド処理を行って、散乱光子ＧＲ２の検出を判別する。散乱光子ＧＲ２の検出であるか否かは、ステップＳ１２で得た光信号と同期をとることによって相関の有無の判定が可能になる。つまり、複数のシンチレーションロッドユニット２２ａで得た光信号の同期をとって計測を行うことで、上記特定の電磁放射線ＲＲによって、コンプトン散乱及び光電吸収が生じたことを判定することができる。具体的には、入射光子ＧＲと散乱光子ＧＲ２とがピコ秒のオーダーで略同時に検出された場合、入射光子ＧＲに起因して散乱光子ＧＲ２が生じ、特定の電磁放射線ＲＲに起因するコンプトン散乱等、具体的には入射光子ＧＲによるコンプトン散乱の蛍光と、散乱光子ＧＲ２による光電吸収とが順次生じたと判断される。

次に、制御装置７０は、第１検出部４０によって検出した光信号と、第２検出部５０によって検出した光信号とに基づいて散乱光子ＧＲ２のＹ方向に関する入射位置又は到達位置を決定することで、散乱光子ＧＲ２の３次元的な入射位置又は発光位置を決定する（ステップＳ１５）。なお、ＸＺ方向に関する散乱光子ＧＲ２の入射位置又は到達位置は、光信号を検出したシンチレーションロッドユニット２２ａの縦横位置又はアドレスによって特定される。

次に、制御装置７０は、ステップＳ１２で得た入射位置及び光強度と、ステップＳ１４で得た入射位置及び光強度とに基づいて、電磁放射線ＲＲである入射光子ＧＲのエネルギーやコンプトン散乱角θ_１２を決定する（ステップＳ１６）。

以上のステップＳ１１〜Ｓ１６を繰り返すことで、複数事象に対応する複数の電磁放射線ＲＲの入射を検出することができ、制御装置７０は、電磁放射線ＲＲの入射方向を正確に特定することができるとともに入射頻度も測定することができる。制御装置７０は、このような結果に対してバックグランドの補正処理を行い、さらに統計的な処理を施して確度を高めるとともに、データの可視化によって２次元的な分布マップに加工するなどの統合処理を行う（ステップＳ１７）。これにより、未知の放射線源からの放射線量を、放射線物質を特定しつつ方向ごとの確率密度関数に変換する情報処理が可能になる。

ここで、バックグランドの補正処理について簡単に説明する。バックグランドについては、（１）異時間同方位の計測を利用すること、（２）同時間異方位の計測を利用することが考えられる。異時間同方位の場合、シンチレーター部２２を例えば水平方位角方向に回転させ、ガンマ線の放射線源が存在しない方にシンチレーター部２２を向けてバックグラウンド量を計測することができる。具体的には、計測開始前と計測開始後に、シンチレーター部２２を例えば９０°程度回転させて計測対象領域が２次元コリメーター部２１の計測視野外となるように揺動させる比較計測を行えばよい。同時間異方位の場合、２次元コリメーター部２１に近い浅い領域に入射するガンマ線の計数計測を行いつつ、シンチレーター部２２のうち２次元コリメーター部２１に対向する面に隣接する３面に近い浅い領域に入射するガンマ線の計数計測を同時並行して行う。得られた方位ごとの結果の相対比に対して、２次元コリメーター部２１によるガンマ線の減衰効果のかさ上げを行う修正を行うことにより、バックグラウンドの補正が可能になる。２次元コリメーター部２１によるガンマ線の減衰効果は、入射方向分布が実測により求まっていればシミュレーションにて適確に予想できる。

上記実施形態の放射線計測装置１００によれば、放射線計測装置１００では、立体的なシンチレーター部（センサーアレイ）２２と第１検出部４０とを用いるので、比較的広い空間に飛来した電磁放射線ＲＲをシンチレーションロッドユニット（シンチレーター要素）２２ａの配列に対応する２次元の画像状の情報としてとらえることができ、コストを抑えた電磁放射線の検出が可能になる。また、第１及び第２検出部４０，５０の検知結果を用いることで、シンチレーションロッドユニット２２ａにおける電磁放射線ＲＲの通過位置を絞り込むことができ、特定の電磁放射線ＲＲの飛来に起因する一連のコンプトン散乱等の発生位置を電磁放射線ＲＲの複数の到達位置として検出することができ、電磁放射線ＲＲの飛来方向又は入射方向を直接的に計測することができる。

以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

すなわち、ロッド本体２５ａは、角柱状に限らず円柱状とすることができ、シース部２５ｂを省略することもできる。シース部２５ｂを省略する場合、これに代えて薄い遮光体を配置することもできる。シンチレーションロッドユニット２２ａの配置密度、配置空間等も用途に応じて適宜変更できる。また、検出能力への影響が許容される範囲でシンチレーションロッドユニット２２ａ間に隙間を設ける配置とできる。

２次元コリメーター部２１については省略することができる。また、２次元コリメーター部２１において、第１及び第２コリメーター２１ａ，２１ｂのうち一方のみを省略することもできる。

上記放射線計測装置１００を所望の方向に向ける架台を追加することができ、これに駆動手段を付随させることで放射線計測装置１００による計測方向の走査を行って、計測の画角や範囲を広げることもできる。

ＡＸ０，ＡＸ１…軸、 ＢＬ…基準線、 ＤＡ…計測方位領域、 ＧＲ…入射光子、 ＧＲ２…散乱光子、 ＲＲ…電磁放射線、 １１…ケース、 ２０…検出窓部、 ２１…次元コリメーター部、 ２１ａ，２１ｂ…コリメーター、 ２１ｃ，２１ｄ…放射線遮蔽板、 ２１ｉ，２１ｊ…姿勢調整部、 ２２…シンチレーター部、 ２２ａ…シンチレーションロッドユニット、 ２２ｇ…ユニット群、 ２２ｉ…入射部、 ２５ａ…ロッド本体、 ２５ｂ…シース部、 ２５ｃ…コネクタ部、 ２５ｄ…コネクタ部、 ２５ｇ…支持部材、 ２５ｈ…内面、 ２６ａ…マイラーフィルム、 ２６ｂ…ミラー、 ２７…コネクタ基板、 ３０…バンドル部、 ３０…バンドル部、 ３１…光ファイバー、 ４０…第１検出部、 ４１…光電撮像管部、 ４１ａ…受光部、 ４１ｃ…出力部、 ４３…読出部、 ４３ｂ…精細撮像部、 ５０…第２検出部、 ５１…光電子増倍管、 ７０…制御装置、 １００…放射線計測装

Claims (7)

1. 所定方向に延びる複数の線状のシンチレーター要素を前記所定方向に垂直な方向に関して２次元的に配列した立体的なセンサーアレイと、
   前記センサーアレイの前記所定方向の一端側に連結されて前記センサーアレイからの光信号を２次元的な光信号の分布として検知する第１検出部と、
   前記センサーアレイの前記所定方向の他端側に連結されて前記センサーアレイからの光信号を検知する第２検出部と、
   前記第１及び第２検出部の検知結果に基づいて電磁放射線の到達位置を決定するとともに、特定の電磁放射線に対応する複数の到達位置を含む検出情報に基づいて当該特定の電磁放射線の入射方向に関連する飛来情報を得る情報処理装置と
   を備え、
   前記情報処理装置は、前記第１検出部によって検出したシンチレーター要素単位での光信号と、前記第２検出部によって検出した光信号との同期をとって前記特定の電磁放射線の入射であることを判定し、
   前記第１検出部によって検出した光信号と、前記第２検出部によって検出した光信号との相対的な強度関係から前記線状のシンチレーター要素における前記特定の電磁放射線の到達位置を決定する、放射線計測装置。
2. 前記センサーアレイへの電磁放射線の入射を方位的に制限する方位制限部をさらに備える、請求項１に記載の放射線計測装置。
3. 前記方位制限部は、前記センサーアレイのうち前記一端側と前記他端側との間の所定領域に設定した面状の入射部に対向して配置され、複数の遮蔽体の平板を近接して配置したコリメーターを少なくとも１つ以上有する、請求項２に記載の放射線計測装置。
4. 前記方位制限部は、制限方位が互いに交差する２つのコリメーターを有する、請求項３に記載の放射線計測装置。
5. 前記情報処理装置は、前記第１検出部によって検出したシンチレーター要素単位での光信号の強度に基づいて前記特定の電磁放射線に由来する散乱電子のエネルギーを決定する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の放射線計測装置。
6. 前記情報処理装置は、前記複数の線状のシンチレーター要素で得た光信号の同期をとって前記特定の電磁放射線によってコンプトン散乱及び光電吸収又は複合的なコンプトン散乱が生じたことを判定する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の放射線計測装置。
7. 前記センサーアレイは、前記複数のセンサー部として蛍光物質をドープした複数のシンチレーションロッドを有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の放射線計測装置。

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