JP7040156B2

JP7040156B2 - 放射線測定装置

Info

Publication number: JP7040156B2
Application number: JP2018047879A
Authority: JP
Inventors: 英敬松本
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2018-03-15
Filing date: 2018-03-15
Publication date: 2022-03-23
Anticipated expiration: 2038-03-15
Also published as: JP2019158727A

Description

本発明は、放射線測定装置に関する。

従来より、入射する放射線量に基づいて電流パルスもしくは電流量に変換する光電変換手段からの該電流を積分して電荷を算出する積分手段と、前記電流を微分して微分値を算出する微分手段と、前記微分値のゼロクロスを検出するゼロクロス検出手段と、前記ゼロクロスに基づいて前記電流についてのパイルアップを検出するパイルアップ検出手段と、前記ゼロクロスおよび前記パイルアップに基づいて、前記放射線が前記光電変換手段に入射するイベント間の時間であるイベント間隔を検出するイベント間隔検出手段と、前記電荷および前記パイルアップに基づいて、前記電荷に応じたイベント数、および前記イベント間隔に応じたイベント数をカウントするカウント手段と、前記電荷についてのイベント数のヒストグラム、および前記イベント間隔についてのイベント数のヒストグラムを作成する作成手段と、を備えた信号処理装置がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５－１８４０７４号公報

ところで、従来の信号処理装置は、放射線の電圧レベルを表す信号のパイルアップが生じた場合に、パイルアップの発生を抑制するように放射線の電圧レベルを表す信号の波形自体を処理することは行っていない。

そこで、パイルアップの発生を抑制するように放射線の電圧レベルを表す信号の波形を処理する放射線測定装置を提供することを目的とする。

本発明の実施の形態の放射線測定装置は、光電子増倍管の出力信号を積分する積分回路と、前記積分回路の積分出力のピーク値を保持するピーク値保持部と、前記積分回路の積分出力のピークを検出するピーク検出部と、前記ピーク値保持部によって保持されるピーク値と、前記積分出力と所定値との和とを比較し、前記和が前記ピーク値以下になると、出力が第１レベルになるコンパレータと、前記積分回路の出力側に接続され、前記積分出力をサンプル及びホールドするサンプルアンドホールド部であって、前記ピーク検出部によって前記積分出力のピークが検出されると前記積分出力をサンプリングするサンプルアンドホールド部と、前記積分出力のピークが検出されてから第１時間の経過時に前記サンプルアンドホールド部にサンプリング値をホールドさせる第１制御部と、前記サンプルアンドホールド部の出力側に接続されるアナログデジタル変換部と、前記積分出力のピークが検出されてから前記第１時間よりも長い第２時間の経過時に前記アナログデジタル変換部に前記サンプルアンドホールド部のホールド値をアナログ－デジタル変換させる第２制御部と、前記積分回路と前記サンプルアンドホールド部とを接続する接続線路に接続され、前記積分出力のピークが検出されてから前記第２時間よりも長い第３時間の経過時以降に、前記コンパレータの出力の第１レベルに応じて前記接続線路を短絡するスイッチとを含む。

パイルアップの発生を抑制するように放射線の電圧レベルを表す信号の波形を処理する放射線測定装置を提供することができる。

放射線測定装置１００を示す図である。光電子増倍管で検出される放射線のエネルギを表す電流値と、積分回路１１０が出力するパルス電圧Ｘとを示す図である。パルス発生器１７１Ａ、１７２Ａ、１７３Ａの入力と出力との関係を示すタイミングチャートである。積分回路１１０が出力するパルス電圧Ｘの出力波形と、加算器１１５Ｂから出力される和ｂの電圧波形とを示す図である。コンパレータ１２０の動作を説明するタイミングチャートである。積分回路１１０が出力するパルス電圧Ｘを示す図である。測定処理部１６２が実行する処理を示すフローチャートである。放射線測定装置１００の検出結果の一例を示す図である。

以下、本発明の放射線測定装置を適用した実施の形態について説明する。

＜実施の形態＞
図１は、放射線測定装置１００を示す図である。放射線測定装置１００は、高速波高弁別器（ＭＣＡ: Multi Chanel Analyzer）である。

放射線測定装置１００は、入力端子１０１、微分回路１０５、積分回路１１０、ピークホールド回路１１５Ａ、加算器１１５Ｂ、ＤＡＣ(Digital to Analog Converter)１１５Ｃ、ピーク検出回路１１５Ｄ、コンパレータ１２０、放電回路１３０、サンプル＆ホールド回路１４０、Ａ／Ｄ(Analog to Digital)コンバータ１５０、ＭＣＵ(Micro Computer Unit)１６０、パルス発生器１７１Ａ、ＤＡＣ１７１Ｂ、パルス発生器１７２Ａ、ＤＡＣ１７２Ｂ、パルス発生器１７３Ａ、ＤＡＣ１７３Ｂ、ＤＡＣ１７４、及びＯＲ回路１８０を含む。

入力端子１０１は、一例として、光電子増倍管（ＰＭＴ:photomultiplier tube）の出力端子に接続され、光電子増倍管で検出される放射線のエネルギを表す電流値が入力される。放射線測定装置１００の内部では、入力端子１０１は、微分回路１０５の入力端子に接続される。

微分回路１０５は、入力端子１０１と積分回路１１０との間に設けられている。微分回路１０５は、入力端子１０１から入力される電流値を微分して電圧値に変換する。微分回路１０５が出力する電圧値は、光電子増倍管で検出される放射線のエネルギを表す電圧値である。なお、このような微分回路１０５は、例えば、オペアンプを用いた反転増幅回路で実現される。

積分回路１１０は、微分回路１０５とサンプル＆ホールド回路１４０との間に設けられている。積分回路１１０は、電圧制御型の積分回路であり、微分回路１０５から入力される電圧値を積分し、接続線路１１１を介してサンプル＆ホールド回路１４０に出力する。

積分回路１１０の出力は、光電子増倍管で検出される放射線のエネルギ（電圧値）の時間的変化を表し、電圧値がパルス状に変化する波形を有する。すなわち、積分回路１１０の出力は、放射線のエネルギ（電圧値）の時間的変化を表すパルス電圧である。

積分回路１１０の時定数は、ＤＡＣ１７４によって設定されるため、時定数を調整することにより、積分回路１１０が出力するパルス電圧の時間軸方向の長さを調整することができる。以下では、積分回路１１０が出力するパルス電圧をパルス電圧Ｘと称す。

接続線路１１１は、積分回路１１０とサンプル＆ホールド回路１４０との間を接続する線路であり、ピークホールド回路１１５Ａ、加算器１１５Ｂ、ＤＡＣ１１５Ｃ、ピーク検出回路１１５Ｄ、及び放電回路１３０が接続されている。

ピークホールド回路１１５Ａは、積分回路１１０の出力端子と、コンパレータ１２０の非反転入力端子（＋）との間に設けられている。ピークホールド回路１１５Ａは、積分回路１１０から出力されるパルス電圧Ｘのピーク値を検出し、ホールドする回路である。

ピークホールド回路１１５Ａがホールドしたピーク値ａは、コンパレータ１２０の非反転入力端子に入力される。ピークホールド回路１１５Ａは、ピーク値保持部の一例である。

加算器１１５Ｂは、積分回路１１０の出力端子と、ＤＡＣ１１５Ｃの出力端子と、コンパレータ１２０の反転入力端子（－）との間に設けられている。加算器１１５Ｂは、積分回路１１０から出力されるパルス電圧Ｘと、ＤＡＣ１１５Ｃから出力される電圧値Ｖ５とを加算した和ｂをコンパレータ１２０の反転入力端子に出力する。加算器１１５Ｂの出力は、電圧Ｖ５（固定値）だけ嵩上げされたパルス電圧になる。なお、電圧値Ｖ５は、所定値の一例である。また、加算器１１５Ｂの出力は、和の一例である。

ＤＡＣ１１５Ｃは、加算器１１５ＢとＭＣＵ１６０との間に設けられており、ＭＣＵ１６０から入力される設定値５をＤ／Ａ変換して得る電圧Ｖ５を加算器１１５Ｂに出力する。

ピーク検出回路１１５Ｄは、積分回路１１０の出力端子と、パルス発生器１７１Ａ、１７２Ａ、１７３Ａの入力端子との間に設けられている。ピーク検出回路１１５Ｄは、積分回路１１０から出力されるパルス電圧Ｘの微分勾配の極性が切り替わる点にピークがあるものとして検出し、所定幅のパルス信号ｐｋを出力する。ピーク検出回路１１５Ｄは、ピーク検出部の一例である。

ピーク検出回路１１５Ｄが出力するパルス信号ｐｋは、パルス発生器１７１Ａ、１７２Ａ、１７３Ａに入力される。パルス信号ｐｋの所定幅は、十分に短い期間であり、一例として５０ｎｓ（ナノ秒）である。

コンパレータ１２０は、非反転入力端子がピークホールド回路１１５Ａの出力端子に接続され、反転入力端子が加算器１１５Ｂの出力端子に接続され、出力端子が放電回路１３０としてのトランジスタのベースに接続されている。

コンパレータ１２０は、イネーブル端子付きであり、パルス発生器１７３Ａの出力がイネーブル信号ＥＮＡとして入力される。コンパレータ１２０は、イネーブル端子にイネーブル信号ＥＮＡが入力され、かつ、非反転入力端子の入力値（ピーク値ａ）が反転入力端子の入力値（和ｂ）より大きくなると（反転入力端子の入力値（和ｂ）が非反転入力端子の入力値（ピーク値ａ）以下になると）、Ｈレベルの信号ｃを出力する。なお、コンパレータ１２０が出力する信号ｃのＨレベルは、第１レベルの一例である。

放電回路１３０は、トランジスタによって実現され、ベースがコンパレータ１２０の出力端子に接続され、コレクタが接続線路１１１に接続され、エミッタが設置される。放電回路１３０としてのトランジスタのベースにベースがコンパレータ１２０からＨレベルの信号が入力されると、トランジスタがオンになり、接続線路１１１の電位を接地電位（ゼロ電位）に引き落とす。放電回路１３０は、スイッチの一例である。

サンプル＆ホールド回路１４０は、積分回路１１０とＡ／Ｄコンバータ１５０との間に設けられている。サンプル＆ホールド回路１４０は、サンプルアンドホールド部の一例である。

サンプル＆ホールド回路１４０は、バッファアンプ１４１、スイッチ１４２、コンデンサ１４３、及びバッファアンプ１４４を有する。バッファアンプ１４１、１４４は、オペアンプの出力端子を反転入力端子に接続したものである。

バッファアンプ１４１の非反転入力端子は、接続線路１１１に接続されており、出力端子は、反転入力端子とスイッチ１４２とに接続されている。

スイッチ１４２は、バッファアンプ１４１の出力端子と、バッファアンプ１４４の非反転入力端子との間に接続されている。スイッチ１４２は、パルス発生器１７１Ａから出力されるパルス信号ｄによって駆動される負論理のトランジスタによって実現される。

より具体的には、スイッチ１４２は、パルス発生器１７１Ａから出力されるパルス信号ｄのＬレベルへの立ち下がりでオン（閉）になり、パルス信号ｄがＨレベルに立ち上がるとオフ（開）になる。

コンデンサ１４３は、一方の端子（図１中の上側の電極）がスイッチ１４２とバッファアンプ１４４の非反転入力端子との間に接続され、他方の端子（図１中の下側の電極）が接地電位点に接続されている。

バッファアンプ１４４の非反転入力端子は、コンデンサ１４３の一方の端子と、スイッチ１４２とに接続されており、出力端子は、Ａ／Ｄコンバータ１５０の入力端子に接続されている。

このようなサンプル＆ホールド回路１４０は、パルス発生器１７１Ａが発生するパルス信号ｄがＬレベルに立ち下がってスイッチ１４２がオン（閉）になるとサンプリングを開始し、コンデンサ１４３に電荷を蓄える。また、パルス信号ｄがＨレベルに立ち上がるとスイッチ１４２をオフ（開）にし、サンプリング値をホールドする。

Ａ／Ｄコンバータ１５０は、サンプル＆ホールド回路１４０の出力側に設けられており、サンプル＆ホールド回路１４０がホールドした値（ホールド値）をアナログ値からデジタル値に変換（Ａ／Ｄ変換）する。Ａ／Ｄコンバータ１５０は、アナログデジタル変換部の一例である。

Ａ／Ｄコンバータ１５０は、パルス発生器１７２Ａから入力されるパルス信号ｅによってＡ／Ｄ変換を開始し、Ａ／Ｄ変換が完了すると、ＭＣＵ１６０に完了信号ｆを出力する。また、Ａ／Ｄコンバータ１５０は、Ａ／Ｄ変換したデータ（Ａ／Ｄ変換データ）をＭＣＵ１６０に出力する。

ＭＣＵ１６０は、主制御部１６１、測定処理部１６２、及びメモリ１６３を有する。ＭＣＵ１６０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ(Read Only Memory)、不揮発性メモリ、及び内部バス等を含むコンピュータによって実現される。

主制御部１６１と測定処理部１６２は、ＭＣＵ１６０が実行するプログラムの機能（ファンクション）を機能ブロックとして示したものである。また、メモリ１６３は、ＭＣＵ１６０のメモリを機能的に表したものである。

主制御部１６１は、測定処理部１６２が行う処理以外の処理を統括するメインの制御部である。

測定処理部１６２は、放射線を検出するための処理を行う。測定処理部１６２は、Ａ／Ｄコンバータ１５０から入力されるＡ／Ｄ変換データに基づくフィードバック制御により、ＤＡＣ１７１Ｂ、１７２Ｂ、１７３Ｂ、１７４、１１５Ｃに、それぞれ、設定値１、２、３、４、５を出力する。また、測定処理部１６２は、ＯＲ回路１８０にリセット信号Ｒ１を出力する。測定処理部１６２の処理の詳細については、図７を用いて後述する。

なお、リセット信号Ｒ１は、放射線測定装置１００の電源投入時に出力され、ピークホールド回路１１５Ａとパルス発生器１７３Ａの出力をリセットするための信号である。

パルス発生器１７１Ａは、ピーク検出回路１１５Ｄから入力されるパルス信号ｐｋと、ＤＡＣ１７１Ｂから入力される電圧Ｖ１とに基づき、サンプル＆ホールド回路１４０のスイッチ１４２の開閉制御に用いられるパルス信号ｄを生成する。電圧Ｖ１は、パルス信号ｄの時間Ｔ１を設定する際に用いられる。パルス信号ｄの詳細については後述する。なお、時間Ｔ１は、第１時間の一例である。

ＤＡＣ１７１Ｂは、ＭＣＵ１６０から入力される設定値１をデジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換して得る電圧Ｖ１をパルス発生器１７１Ａに出力する。

パルス発生器１７２Ａは、ピーク検出回路１１５Ｄから入力されるパルス信号ｐｋと、ＤＡＣ１７２Ｂから入力される電圧Ｖ２とに基づき、Ａ／Ｄコンバータ１５０がＡ／Ｄ変換を開始する際のトリガになるパルス信号ｅを生成する。電圧Ｖ２は、パルス信号ｅの時間Ｔ２を設定する際に用いられる。時間Ｔ２は、時間Ｔ１よりも長い。時間Ｔ２は、第２時間の一例である。パルス信号ｅの詳細については後述する。

ＤＡＣ１７２Ｂは、ＭＣＵ１６０から入力される設定値２をＤ／Ａ変換して得る電圧Ｖ２をパルス発生器１７２Ａに出力する。

パルス発生器１７３Ａは、ピーク検出回路１１５Ｄから入力されるパルス信号ｐｋと、ＤＡＣ１７３Ｂから入力される電圧Ｖ３とに基づき、コンパレータ１２０に入力するイネーブル信号ＥＮＡを生成する。電圧Ｖ３は、イネーブル信号ＥＮＡの時間Ｔ３を設定する際に用いられる。時間Ｔ３は、時間Ｔ２よりも長い。時間Ｔ３は、第３時間の一例である。イネーブル信号ＥＮＡの詳細については後述する。

ＤＡＣ１７３Ｂは、ＭＣＵ１６０から入力される設定値３をＤ／Ａ変換して得る電圧Ｖ３をパルス発生器１７３Ａに出力する。

ＤＡＣ１７４は、ＭＣＵ１６０から入力される設定値４をＤ／Ａ変換して得る電圧Ｖ４を積分回路１１０に出力する。電圧Ｖ４は、積分回路１１０の時定数を設定する電圧である。

ＯＲ回路１８０は、Ａ／Ｄコンバータ１５０、ＭＣＵ１６０、ピークホールド回路１１５Ａ、パルス発生器１７３Ａの間に設けられている。ＯＲ回路１８０は、Ａ／Ｄコンバータ１５０から入力される完了信号ｆと、ＭＣＵ１６０から入力されるリセット信号Ｒ１との論理和（ＯＲ）をリセット信号Ｒとしてピークホールド回路１１５Ａ及びパルス発生器１７３Ａに出力する。

なお、パルス発生器１７１Ａ及びＤＡＣ１７１Ｂと、ＭＣＵ１６０の測定処理部１６２のうちＤＡＣ１７１Ｂに出力する設定値１を調整する部分とは、第１制御部の一例である。また、パルス発生器１７２Ａ及びＤＡＣ１７２Ｂと、ＭＣＵ１６０の測定処理部１６２のうちＤＡＣ１７２Ｂに出力する設定値２を調整する部分とは、第２制御部の一例である。

また、ＭＣＵ１６０の測定処理部１６２のうちＤＡＣ１７１Ｂに出力する設定値１を調整する部分は、第１時間設定部の一例であり、ＭＣＵ１６０の測定処理部１６２のうちＤＡＣ１７２Ｂに出力する設定値２を調整する部分は、第２時間設定部の一例である。

図２は、光電子増倍管で検出される放射線のエネルギを表す電流値と、積分回路１１０が出力するパルス電圧Ｘとを示す図である。

図２（Ａ）に示すように、放射線のエネルギを表す電流値の周波数が高い場合には、ＤＡＣ１７４から積分回路１１０に入力される電圧Ｖ４を大きくすることによって積分回路１１０の積分の時定数を大きく設定すれば、パルス電圧Ｘは図２（Ｂ）に示すように、時間軸方向に縮められた電圧波形になる。

また、図２（Ｃ）に示すように、放射線のエネルギを表す電流値の周波数が低い場合には、ＤＡＣ１７４から積分回路１１０に入力される電圧Ｖ４を小さくすることによって積分回路１１０の積分の時定数を小さく設定すれば、パルス電圧Ｘは図２（Ｄ）に示すように、時間軸方向に伸ばされた電圧波形になる。

このように、電圧Ｖ４を調整することにより、パルス電圧Ｘの出力波形の時間軸方向における長さを調整することができる。

また、放射線のエネルギを表す電流値の周波数がさらに高くなると、パルス電圧Ｘは、図２（Ｅ）に示すように、重なり合ってしまい、パイルアップされた状態になる。このような状態では、サンプル＆ホールド回路１４０でパルス電圧Ｘのピーク値を正しくサンプリングできない。

そこで、放射線測定装置１００は、図２（Ｆ）に示すように、パルス電圧Ｘのピークの後の部分の電圧レベルを強制的にゼロに落とすことにより、パイルアップの発生を抑制し、放射線の線量を検出する。

図３は、パルス発生器１７１Ａ、１７２Ａ、１７３Ａの入力と出力との関係を示すタイミングチャートである。

図３（Ａ）には、パルス発生器１７１Ａに入力されるパルス信号ｐｋと、パルス発生器１７１Ａが出力するパルス信号ｄとを示す。上段には電圧Ｖ１が小さい場合のタイミングチャートを示し、下段には電圧Ｖ１が大きい場合のタイミングチャートを示す。

図３（Ａ）の上段に示すように、パルス発生器１７１Ａは、パルス信号ｐｋがＨレベルに立ち上がる前の状態ではＨレベルのパルス信号ｄを出力しており、時刻ｔ１でパルス信号ｐｋがＨレベルに立ち上がると、パルス信号ｄをＬレベルに立ち下げる。パルス信号ｄがＬレベルに立ち下がると、スイッチ１４２がオン（閉）になるため、時刻ｔ１でサンプリングが開始される。

また、パルス発生器１７１Ａは、パルス信号ｐｋがＨレベルに立ち上がってから時間Ｔ１が経過した時刻ｔ２でパルス信号ｄをＨレベルに立ち上げる。パルス信号ｄがＨレベルに立ち上がると、スイッチ１４２がオフ（開）になるため、時刻ｔ２でサンプリング値がホールドされる。

図３（Ａ）の下段に示すように、電圧Ｖ１が大きい場合には、上段に比べて時間Ｔ１が長くなる。このように、電圧Ｖ１を調整することにより、サンプリング期間の長さを調整することができる。

図３（Ｂ）には、パルス発生器１７２Ａに入力されるパルス信号ｐｋと、パルス発生器１７２Ａが出力するパルス信号ｅとを示す。上段には電圧Ｖ２が小さい場合のタイミングチャートを示し、下段には電圧Ｖ２が大きい場合のタイミングチャートを示す。

図３（Ｂ）の上段に示すように、パルス発生器１７２Ａは、パルス信号ｐｋがＨレベルに立ち上がる前の状態ではＨレベルのパルス信号ｅを出力しており、時刻Ｔ２でパルス信号ｐｋがＨレベルに立ち上がると、パルス信号ｅをＬレベルに立ち下げる。なお、パルス信号ｅは、Ｈレベルへの立ち上がりがＡ／Ｄ変換を開始させる指令になる信号である。

また、パルス発生器１７２Ａは、パルス信号ｐｋがＨレベルに立ち上がってから時間Ｔ２が経過した時刻ｔ３でパルス信号ｅをＨレベルに立ち上げる。パルス信号ｅがＨレベルに立ち上がると、Ａ／Ｄコンバータ１５０がＡ／Ｄ変換を開始する。なお、時間Ｔ２は、時間Ｔ１よりも長い。

図３（Ｂ）の下段に示すように、電圧Ｖ２が大きい場合には、上段に比べて時間Ｔ２が長くなる。このように、電圧Ｖ２を調整することにより、Ａ／Ｄ変換が開始されるタイミングを調整することができる。

図３（Ｃ）には、パルス発生器１７３Ａに入力されるパルス信号ｐｋと、パルス発生器１７３Ａが出力するイネーブル信号ＥＮＡとを示す。上段には電圧Ｖ３が小さい場合のタイミングチャートを示し、下段には電圧Ｖ３が大きい場合のタイミングチャートを示す。

図３（Ｃ）の上段に示すように、パルス発生器１７３Ａは、パルス信号ｐｋがＨレベルに立ち上がる前の状態ではＬレベルのイネーブル信号ＥＮＡを出力しており、時刻ｔ１でパルス信号ｐｋがＨレベルに立ち上がると、Ｈレベルへの立ち上がりから時間Ｔ３が経過した時刻ｔ４でイネーブル信号ＥＮＡをＨレベルに立ち上げる。イネーブル信号ＥＮＡは、Ｈレベルへの立ち上がりがコンパレータ１２０に比較結果を出力可能な状態にさせる指令になる信号である。なお、時間Ｔ３は、時間Ｔ２よりも長い。

また、パルス発生器１７３Ａは、時刻ｔ５において、Ａ／Ｄコンバータ１５０がＡ／Ｄ変換を完了したことを表すパルス信号ｆに基づくリセット信号ＲがＨレベルに立ち上がると、イネーブル信号ＥＮＡをＬレベルに立ち下げる。

また、図３（Ｃ）の下段に示すように、電圧Ｖ３が大きい場合には、上段に比べて時間Ｔ３が長くなる。このように、電圧Ｖ３を調整することにより、イネーブル信号ＥＮＡをＨレベルに立ち上げるタイミングを調整することができる。

図４は、積分回路１１０が出力するパルス電圧Ｘの出力波形と、加算器１１５Ｂから出力される和ｂの電圧波形とを示す図である。図４には、コンパレータ１２０も示す。

ピークホールド回路１１５Ａは、積分回路１１０が出力するパルス電圧のピークを表すピーク値ａを検出する。加算器１１５Ｂから出力される和ｂは、パルス電圧Ｘと、ＤＡＣ１１５Ｃから出力される電圧Ｖ５との和である。

コンパレータ１２０は、時刻ｔＡにおいて、加算器１１５Ｂから出力される和ｂが、非反転入力端子に入力されるピーク値ａ以下になると、コンパレータ１２０の判定結果は、Ｈレベルを表す状態になる。コンパレータ１２０がＨレベルの信号を出力するのは、判定結果がＨレベルの状態になり、イネーブル信号ＥＮＡがＨレベルになっているときである。

図５は、コンパレータ１２０の動作を説明するタイミングチャートである。図５には、積分回路１１０が出力するパルス電圧Ｘの波形、加算器１１５Ｂから出力される和ｂの電圧波形、ピーク値ａ、パルス信号ｐｋ、イネーブル信号ＥＮＡ、及び、コンパレータ１２０が出力する信号ｃを示す。時刻ｔ１、ｔ４、ｔ５は、図３と同一のものであり、時刻ｔＡは、図４（Ｂ）と同一である。

時刻ｔ１において、パルス信号ｐｋがＨレベルに立ち上がると、時刻ｔＡにおいて判定結果がＨレベルの状態になり、時刻ｔＡよりも後の時刻ｔ４においてイネーブル信号ＥＮＡがＨレベルに立ち上がると、コンパレータ１２０が出力する信号ｃはＨレベルになる。また、時刻ｔ５でイネーブル信号ＥＮＡがＬレベルにリセットされ、コンパレータ１２０が出力する信号ｃもＬレベルになる。

このように、時間Ｔ３は、コンパレータ１２０の判定結果がＨレベルになる時刻ｔＡよりも、イネーブル信号ＥＮＡがＨレベルに立ち上がる時刻ｔ４の方が後になるように設定している。時間Ｔ３は、実験やシミュレーション等で適切な値に設定すればよい。

図６は、積分回路１１０が出力するパルス電圧Ｘを示す図である。ＤＡＣ１７４から積分回路１１０に入力される電圧Ｖ４が大きく、積分回路１１０の積分の時定数が大きいときには、図６（Ａ）に示すように、時間軸方向に伸びたパルス波形になる。また、ＤＡＣ１７４から積分回路１１０に入力される電圧Ｖ４が小さく、積分回路１１０の積分の時定数が小さいときには、図６（Ｂ）に示すように、時間軸方向に縮められたパルス波形になる。

パルス電圧Ｘが図６（Ａ）に示す波形になるように、電圧Ｖ４によって積分回路１１０の積分の時定数が設定されているときには、図６（Ｃ）に示すように、時刻ｔ１においてパルス信号ｐｋがＨレベルに立ち上がると、パルス信号ｄがＬレベルに立ち下げられるため、サンプル＆ホールド回路１４０でサンプリングが開始される。

時刻ｔ１から時間Ｔ１が経過した時刻ｔ２においてパルス信号ｄがＨレベルに立ち上がると、サンプリング値がホールドされる。

時刻ｔ１から時間Ｔ２が経過した時刻ｔ３においてパルス信号ｅをＨレベルに立ち上げると、Ａ／Ｄコンバータ１５０がＡ／Ｄ変換を開始する。

時刻ｔ３よりも後の時刻ｔＡにおいて、加算器１１５Ｂから出力される和ｂが、非反転入力端子に入力されるピーク値ａ以下になると、コンパレータ１２０の判定結果は、Ｈレベルを表す状態になる。

時刻ｔＡよりも後の時刻ｔ４において、イネーブル信号ＥＮＡがＨレベルに立ち上がると、コンパレータ１２０が出力する信号ｃがＨレベルになり、放電回路１３０がオンするため、積分回路１１０の出力端子は接地され、接続線路１１１の電圧レベルがゼロに引き落とされる。なお、時刻ｔ４は、時刻ｔ１から時間Ｔ３が経過した時刻である。

以上のように、積分回路１１０が出力するパルス電圧Ｘのピークを検出した後に、パルス電圧Ｘが低下する過程において、コンパレータ１２０の判定結果がＨレベルを表す状態になってから、イネーブル信号ＥＮＡがＨレベルに立ち上げてコンパレータ１２０の信号ｃをＨレベルに切り替える。このように、コンパレータ１２０の判定結果がＨレベルで安定した状態で、ノイズ等による不安定な影響がなく、電圧Ｘが低下する状態でイネーブル信号ＥＮＡがＨレベルになることでコンパレータ１２０の信号ｃをＨレベルに切り替えるので、安定的にコンパレータ１２０の信号ｃをＨレベルに切り替えることができる。

なお、時刻ｔＡは、サンプル＆ホールド回路１４０がサンプリング値をホールドする時刻ｔ２よりも後であればよい。この場合は、コンパレータ１２０にＨレベルのイネーブル信号ＥＮＡが入力されて、コンパレータ１２０が信号ｃを出力可能な状態で待機し、コンパレータ１２０の判定結果がＨレベルを表す状態になると、Ｈレベルの信号ｃが出力されることになる。

この場合に、時刻ｔＡの方が、時刻ｔ１から時間Ｔ３が経過する時刻ｔ４よりも後になってよく、時刻ｔ４でイネーブル信号ＥＮＡがＨレベルに立ち上がった状態で、時刻ｔＡで判定結果がＨレベルになることによって、コンパレータ１２０の信号ｃがＨレベルに切り替わることになってもよい。

また、図６（Ｂ）に示すように積分回路１１０の積分の時定数が小さい場合には、図６（Ｃ）に示す波形の代わりに図６（Ｄ）に示す波形が得られる。

図６（Ｃ）、（Ｄ）に示すようにコンパレータ１２０の信号ｃのＨレベルへの立ち上がりのタイミングで放電回路１３０をオンして電圧レベルをゼロに引き落とすことにより、光電子増倍管で検出される放射線が時間軸方向に密な状態が生じても、放射線の波形同士が重なり合うパイルアップの発生を抑制することができ、サンプル＆ホールド回路１４０でホールドされる個々の放射線のピーク値を確実にＡ／Ｄコンバータ１５０に入力することができる。

図７は、測定処理部１６２が実行する処理を示すフローチャートである。

測定処理部１６２は、放射線測定装置１００の電源が投入されて処理がスタートすると、設定値１～５を出力する（ステップＳ１）。設定値１～５のうち、固定値である設定値５を除いた設定値１～４は、光電子増倍管で検出可能な最も周波数の高い放射線が検出された場合でも、パイルアップを抑制し、図６（Ｃ）、（Ｄ）に示すような波形処理が可能な値（初期値）に設定されている。

ここでは、ＤＡＣ１７１Ｂ、１７２Ｂ、１７３Ｂ、１７４が１０ビットであって０Ｖから５Ｖの電圧を出力可能であり、かつ、光電子増倍管で検出可能な放射線の周波数の最高値が１ＭＨｚである場合における設定値１～４の初期値について説明する。

設定値１は、時間Ｔ１を０．２μｓに設定する電圧値Ｖ１であり、０．９７６Ｖである。設定値２は、時間Ｔ２を０．４μｓに設定する電圧値Ｖ１であり、１．９５２Ｖである。設定値３は、時間Ｔ３を０．６μｓに設定する電圧値Ｖ１であり、２．９２８Ｖである。設定値４は、積分回路１１０の積分の時定数τを０．１μｓに設定する場合の電圧値Ｖ４として、０．４８８Ｖである。

また、ＤＡＣ１１５Ｃに入力される設定値５は固定値であり、一例として、０．０２Ｖである。加算器１１５Ｂからコンパレータ１２０に入力される和ｂが、和ｂのピークから０．０２Ｖ低下したときに、放電回路１３０をオンして接続線路１１１の電圧レベルをゼロに引き落とす条件である。

測定処理部１６２は、Ａ／Ｄコンバータ１５０から完了信号ｆを受信した時刻をｔｎ１として、Ａ／Ｄコンバータ１５０から入力されるＡ／Ｄ変換データをメモリ１６３に格納する（ステップＳ２）。

測定処理部１６２は、ステップＳ２の次に、Ａ／Ｄコンバータ１５０から完了信号ｆを受信した時刻をｔｎ２として、Ａ／Ｄコンバータ１５０から入力されるＡ／Ｄ変換データをメモリ１６３に格納する（ステップＳ３）。

測定処理部１６２は、時刻ｔｎ２と時刻ｔｎ１との差（ｔｎ２－ｔｎ１）が１μｓ以上であるかどうかを判定する（ステップＳ４）。放射線の周波数が、光電子増倍管で検出可能な最高値である１ＭＨｚ以上であるかどうかを判定するためである。

測定処理部１６２は、時刻ｔｎ２と時刻ｔｎ１との差が１μｓ以上ではない（Ｓ４：ＮＯ）と判定すると、光電子増倍管で検出可能な最高値である１ＭＨｚ以上であると判定する（ステップＳ５）。測定処理部１６２は、ステップＳ５の処理を終えると、再度検出するためにフローをステップＳ２にリターンする。

測定処理部１６２は、時刻ｔｎ２と時刻ｔｎ１との差が１μｓ以上である（Ｓ４：ＹＥＳ）と判定すると、光電子増倍管で検出可能な最高値である１ＭＨｚ以下であると判定する（ステップＳ６）。

測定処理部１６２は、Ａ／Ｄコンバータ１５０から完了信号ｆを受信した時刻をｔ（Ｍ）として、Ａ／Ｄコンバータ１５０から入力されるＡ／Ｄ変換データをメモリ１６３に格納する（ステップＳ７）。

測定処理部１６２は、ステップＳ７の次に、Ａ／Ｄコンバータ１５０から完了信号ｆを受信した時刻をｔ（Ｍ＋１）として、Ａ／Ｄコンバータ１５０から入力されるＡ／Ｄ変換データをメモリ１６３に格納する（ステップＳ８）。

測定処理部１６２は、時刻ｔ（Ｍ＋１）と時刻ｔ（Ｍ）との差（ｔ（Ｍ＋１）－ｔ（Ｍ））が所定値α以上であるかどうかを判定する（ステップＳ９）。周波数の変化が一定の水準α以上であるかどうかを判定するためである。所定値αは、周波数が上昇しているか低下しているかを判定する判定基準になる値であり、実験やシミュレーション等で適切な値に設定すればよい。

時刻ｔ（Ｍ＋１）と時刻ｔ（Ｍ）との差は、第１時間間隔の一例であり、所定値αは、第２時間間隔の一例である。

なお、所定値αの判定には一致確定処理を入れてもよい。一致確定処理とは例えば３回の判定処理を行い、連続して判定結果が一致した場合のみ判定を確定させるという処理である。これは入力信号の時間間隔が確実に低下方向、上昇方向にあるかを判定するフィルタの役割となる。具体的には入力信号の時間間隔の低下、上昇傾向に対する時定数となるために制御ループに安定性をもたらす効果が得られる。

測定処理部１６２は、時刻ｔ（Ｍ＋１）と時刻ｔ（Ｍ）との差（ｔ（Ｍ＋１）－ｔ（Ｍ））が所定値α以上である（Ｓ９：ＹＥＳ）と判定すると、放射線の周波数が低下する傾向にあると判定する（ステップＳ１０）。

測定処理部１６２は、設定値１、２、４を再設定する（ステップＳ１１）。放射線の周波数の低下に合わせて、時定数等を変更するためである。

具体的には、測定処理部１６２は、例えば、設定値１については、時間Ｔ１を０．０１μｓ増やすために、電圧値Ｖ１を０．０４８８Ｖ増大する。設定値２については、時間Ｔ２を０．０１μｓ増やすために、電圧値Ｖ１を０．０４８８Ｖ増大する。設定値４については、積分回路１１０の積分の時定数τを０．０１μｓ増やすために、電圧値Ｖ４を０．０４８８Ｖ増大する。このように設定値１～４を再設定する。なお、設定値３は、初期値に保持する。

測定処理部１６２は、ステップＳ１１の処理を終えると、フローをステップＳ７にリターンする。再度検出し、繰り返し処理を行うためである。

また、測定処理部１６２は、ステップＳ９において、時刻ｔ（Ｍ＋１）と時刻ｔ（Ｍ）との差が所定値α以上ではない（Ｓ９：ＮＯ）と判定すると、放射線量が増大する傾向(入力パルスの時間間隔が短くなること、入力パルス周波数の上昇に該当する)にあると判定する（ステップＳ１２）。

測定処理部１６２は、設定値１、２、４を再設定する（ステップＳ１３）。放射線量の低下(入力パルス周波数の低下に該当する)に合わせて、時定数等を変更するためである。

具体的には、測定処理部１６２は、例えば、設定値１については、時間Ｔ１を０．０１μｓ減らすために、電圧値Ｖ１を０．０４８８Ｖ低下させる。設定値２については、時間Ｔ２を０．０１μｓ減らすために、電圧値Ｖ１を０．０４８８Ｖ低下させる。設定値４については、積分回路１１０の積分の時定数τを０．０１μｓ減らすために、電圧値Ｖ４を０．０４８８Ｖ低下させる。このように設定値１～４を再設定する。なお、設定値３は、初期値に保持する。

測定処理部１６２は、ステップＳ１３の処理を終えると、フローをステップＳ７にリターンする。再度検出し、繰り返し処理を行うためである。

測定処理部１６２は、以上のような処理を繰り返し実行する。

図８は、放射線測定装置１００の検出結果の一例を示す図である。

ＭＣＡとしての放射線測定装置１００が１０ビットで１チャンネルから１０２４チャンネルまでの１０２４のチャンネルを有する場合に、測定処理部１６２は、例えば、図８（Ａ）に示すような検出結果を得る。図８（Ａ）では、横軸が時間軸であり、縦軸は測定処理部１６２がＡ／Ｄコンバータ１５０から入手視、メモリ１６３に格納するＡ／Ｄ変換データ（電圧値）を示す。

図８（Ａ）に示す波形列から、時間軸方向において、様々な強度の放射線が検出されていることが分かる。図８（Ａ）には、１．０Ｖ（２０５ｄｅｃ）、１．３２Ｖ（２７０ｄｅｃ）、０．６５Ｖ（１３３ｄｅｃ）、１．０Ｖ（２０５ｄｅｃ）、４．１１Ｖ（８４２ｄｅｃ）、２．５０Ｖ（５１２ｄｅｃ）、２．５０Ｖ（５１２ｄｅｃ）、２．８４Ｖ（５８１ｄｅｃ）の８個の波形列が０秒から６０秒までの間に検出された場合の波形列を示す。

また、図８（Ａ）に示すような放射線の検出を１８０秒間にわたって繰り返し行った場合には、一例として、図８（Ｂ）に示すようなエネルギスペクトルが得られる。

図８（Ｂ）では、横軸がチャンネル番号を示し、縦軸が放射線のカウント数を示す。カウント数は、光電子増倍管が放射線を検出した回数を表す。

図８（Ｂ）には、１３３チャンネルが３回、２０５チャンネルが６回、２７０チャンネルが３回、５１２チャンネルが６回、５８１チャンネルが３回、８４２チャンネルが３回の検出回数であった場合を示す。

放射線を検出した回数は、合計で２４回であり、これは１８０秒間で得られた数値であるため、１分あたりのカウント数は、８ｃｐｍ(count per minutes)となる。６個のカウント数にフィットする包絡線を求めると、エネルギスペクトルが得られる。

なお、セシウム１３７の持つエネルギは６６２ｋｅＶなので、１０２４チャンネルが１ＭｅＶになるように調整すると、約６６０チャンネルあたりにカウント数が集まることになる。

以上、放射線測定装置１００では、コンパレータ１２０の信号ｃのＨレベルへの立ち上がりのタイミングで放電回路１３０をオンして接続線路１１１の電圧レベルをゼロに引き落とすことにより、光電子増倍管で検出される放射線が時間軸方向に密な状態が生じても、放射線の波形同士が重なり合うパイルアップの発生を抑制することができる。

この結果、サンプル＆ホールド回路１４０でホールドされる個々の放射線のピーク値を確実にＡ／Ｄコンバータ１５０に入力することができる。

従って、パイルアップの発生を抑制するように放射線の電圧レベルを表す信号の波形を処理する放射線測定装置１００を提供することができる。

また、放射線測定装置１００は、高価なＦＰＧＡ(Field-Programmable Gate Array)やＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)を用いることなく、構成の簡易で安価なオペアンプやＤＡＣ等を使って実現できるので、放射線を正確に検出できるＭＣＡとしての放射線測定装置１００を簡易な構成で低コストで実現することができる。

以上、本発明の例示的な実施の形態の放射線測定装置について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

１００放射線測定装置
１１０積分回路
１１５Ａピークホールド回路
１１５Ｂ加算器
１１５ＣＤＡＣ
１１５Ｄピーク検出回路
１２０コンパレータ
１３０放電回路
１４０サンプル＆ホールド回路
１５０Ａ／Ｄコンバータ
１６０ＭＣＵ
１６１主制御部
１６２測定処理部
１６３メモリ
１７１Ａパルス発生器
１７１ＢＤＡＣ
１７２Ａパルス発生器
１７２ＢＤＡＣ
１７３Ａパルス発生器
１７３ＢＤＡＣ
１７４ＤＡＣ
１８０ＯＲ回路

Claims

光電子増倍管の出力信号を積分する積分回路と、
前記積分回路の積分出力のピーク値を保持するピーク値保持部と、
前記積分回路の積分出力のピークを検出するピーク検出部と、
前記ピーク値保持部によって保持されるピーク値と、前記積分出力と所定値との和とを比較し、前記和が前記ピーク値以下になると、出力が第１レベルになるコンパレータと、
前記積分回路の出力側に接続され、前記積分出力をサンプル及びホールドするサンプルアンドホールド部であって、前記ピーク検出部によって前記積分出力のピークが検出されると前記積分出力をサンプリングするサンプルアンドホールド部と、
前記積分出力のピークが検出されてから第１時間の経過時に前記サンプルアンドホールド部にサンプリング値をホールドさせる第１制御部と、
前記サンプルアンドホールド部の出力側に接続されるアナログデジタル変換部と、
前記積分出力のピークが検出されてから前記第１時間よりも長い第２時間の経過時に前記アナログデジタル変換部に前記サンプルアンドホールド部のホールド値をアナログ－デジタル変換させる第２制御部と、
前記積分回路と前記サンプルアンドホールド部とを接続する接続線路に接続され、前記積分出力のピークが検出されてから前記第２時間よりも長い第３時間の経過時以降に、前記コンパレータの出力の第１レベルに応じて前記接続線路を短絡するスイッチと
を含む、放射線測定装置。
前記積分出力のピークが検出されてから前記第３時間の経過時に前記コンパレータに前記第１レベルの出力を許可するイネーブル信号を出力するイネーブル信号出力部をさらに含み、
前記スイッチは、前記コンパレータの出力が前記第１レベルになった状態で、前記イネーブル信号出力部から前記イネーブル信号が前記コンパレータに入力されると、前記接続線路を短絡する、請求項１記載の放射線測定装置。
前記積分出力のピークが検出されてから前記第３時間の経過時に前記コンパレータに前記第１レベルの出力を許可するイネーブル信号を出力するイネーブル信号出力部をさらに含み、
前記スイッチは、前記イネーブル信号出力部から前記イネーブル信号が前記コンパレータに入力された状態で、前記コンパレータの出力が前記第１レベルになると、前記接続線路を短絡する、請求項１記載の放射線測定装置。
前記積分回路の時定数を設定する時定数設定部であって、前記アナログデジタル変換部がアナログ－デジタル変換を行う第１時間間隔を所定の第２時間間隔と比較し、前記第１時間間隔が前記第２時間間隔以上の場合には、前記時定数を大きく設定し、前記第１時間間隔が前記第２時間間隔未満の場合には、前記時定数を小さく設定する、時定数設定部をさらに含む、請求項１乃至３のいずれか一項記載の放射線測定装置。
前記第１時間を設定する第１時間設定部であって、前記アナログデジタル変換部がアナログ－デジタル変換を行う第１時間間隔を所定の第２時間間隔と比較し、前記第１時間間隔が前記第２時間間隔以上の場合には、前記第１時間を長くし、前記第１時間間隔が前記第２時間間隔未満の場合には、前記第１時間を短く設定する、第１時間設定部をさらに含む、請求項１乃至４のいずれか一項記載の放射線測定装置。
前記第２時間を設定する第２時間設定部であって、前記アナログデジタル変換部がアナログ－デジタル変換を行う第１時間間隔を所定の第２時間間隔と比較し、前記第１時間間隔が前記第２時間間隔以上の場合には、前記第２時間を長くし、前記第１時間間隔が前記第２時間間隔未満の場合には、前記第２時間を短く設定する、第２時間設定部をさらに含む、請求項１乃至５のいずれか一項記載の放射線測定装置。