JP7120608B2

JP7120608B2 - 放射線計測装置

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Publication number: JP7120608B2
Application number: JP2018116262A
Authority: JP
Inventors: 真富高; 晴久松本; 遥上野; 浩紀神谷; 健高島
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2018-06-19
Filing date: 2018-06-19
Publication date: 2022-08-17
Anticipated expiration: 2038-06-19
Also published as: JP2019219251A

Description

本発明は、放射線計測装置に関する。

宇宙環境における放射線計測と地上におけるそれには大きな違いがある。地上ではある決まった核種、エネルギーを対象にして観測することが一般的である。一方、宇宙環境は、電子、陽子から鉄以上の核種が混在するような場であり、またその発生起源が太陽活動や放射線帯、太陽系外と多様であり、放射線粒子の加速機構も異なることから、数eV/nucleonから10⁹eV/nucleonを超えるような幅広いエネルギーで分布している。さらに、粒子の単位時間単位面積あたりに流れる量（以下「フラックス」と呼ぶ）も大きく異なる。太陽活動によりフレア（以下「太陽フレア」と呼ぶ）が発生している場合、到来した陽子１MeVのフラックスが10^4-5/cm²/sr/sec/MeVを示した観測例や磁気嵐に伴い放射線帯外帯電子0.69MeVのフラックスが10⁷/cm²/sr/sec/MeVを示した観測例があり、これらの環境は平穏時に比べると5桁以上の変化を伴っている。また、地球の自転軸と磁気軸のずれに起因した、地磁気遮蔽効果の弱い領域へ放射線帯の一部が定常的に落ち込む南大西洋磁気異常帯が存在し、宇宙放射線環境は時間的・空間的に大きく変化する。

このような放射線環境を計測する従来の装置には、放射線のもつエネルギー（以下「粒子エネルギー」と呼ぶ）に応じた電圧のパルス波形（以下「パルス波形」と呼ぶ）を発生させ、個々のパルス波形の波高値を分析することで核種やその粒子エネルギーの弁別を行うとともに、このパルス波形を計数することで放射線量を測定するものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３－１９４９５４号公報特開２０１６－６１６１４号公報特許第５５５５６６０号明細書

グレン・Ｆ．ノル、"放射線計測ハンドブック第３版"、木村逸郎・阪井英次訳、日刊工業新聞社

太陽フレア発生時や南大西洋磁気異常帯通過時といった高計数率環境下では、放射線計測装置に対して先に入射した粒子に起因するパルス波形に、その直後に入射した粒子に起因したパルス波形が積み重なる現象（以下「パイルアップ」と呼ぶ）が生じる場合がある。この場合、本来の波高値よりも高い波高値を示す一つの波形として波高分析器で処理される。つまり、パイルアップが発生すると粒子エネルギーが過大評価されてしまい、正確ではないエネルギー情報が得られる場合がある。特許文献１に記載の放射線計測装置は、パイルアップを検出する機能を備えていない。

微分回路を用いてパイルアップを検知する機能を備えた装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、宇宙環境における放射線のエネルギーの範囲は広く、大きなエネルギーを持つ放射線が入射した後に小さなエネルギーを持つ放射線が入射するパイルアップが発生した場合、従来の微分回路を用いた装置では、大きなエネルギーの微分波形によるアンダーシュートの影響により微分値を検出する閾値を超えず、パイルアップを検出できない場合があった。

パイルアップの検出手段として、所定の閾値レベルを超える加算時間を計測してパイルアップ判定を行う装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。しかしながら、宇宙環境のような幅広いエネルギーが分布している環境下において、閾値レベルをわずかに超える放射線が入射した場合には立ち上がり時間は加算時間に含まれず、その直後に入射した放射線も小さなエネルギーであった場合には計測される加算時間が所定の閾値レベル以内となり、パイルアップを検出できない場合があった。

波形の変化時間より短い時間、すなわち高速で常にサンプリングを行うデジタル波高分析技術が知られている（例えば、非特許文献１の第７３６頁参照）。しかしながら、波高分析には演算時間を要するため高計数率（例えば、１０^６ｃｐｓ以上）の放射線信号をリアルタイムで処理することは容易ではない。また、宇宙機からダウンリンクするデータ量には制限があるため地上機器によるデジタル波高分析は容易ではない。

また、放射線計測装置を宇宙機に搭載する場合、質量や大きさの制約から小型であることが求められ、また、宇宙環境で使用可能な耐放射線性を持つ半導体デバイスを使用する必要がある。このため、従来の放射線計測装置において一般に使用されているような高性能ＬＳＩ（Large-Scale Integrated circuit）を備えた大規模計算機のような構成とすることは容易ではない。

本発明の一態様の放射線計測装置は、上記課題を解決するためになされたものであり、放射線をアナログ信号である第１の電気信号に変換する検出器と、前記第１の電気信号を増幅して第２の電気信号を出力する増幅器と、前記第２の電気信号を一定周期でサンプリングしデジタル信号である第３の電気信号に変換するアナログデジタル変換器と、前記第２の電気信号の波高レベルに基づいて第４の電気信号を出力する比較器と、前記第３の電気信号及び前記第４の電気信号に基づいて前記放射線の計測処理を行う信号処理回路部と、を備え、前記信号処理回路部は、前記第３の電気信号を時系列に取得し比較することにより前記放射線のピークを検出し、パイルアップが発生していない放射線のピーク時間からゼロクロスする時間が一定であることに基づいて、検出した前記放射線のピークの時間からゼロクロスする時間を算出し、算出した前記ゼロクロスする時間における前記第３の電気信号及び前記第４の電気信号の少なくとも一方に基づいて前記放射線にパイルアップが発生しているか否かを判定する。

本発明によれば、小型かつ演算量が少なく、エネルギーの異なる多数の放射線を高精度で測定可能な放射線計測装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る放射線計測装置１を示す構成図である。本発明の第１の実施形態に係る増幅器３により出力されるバイポーラ波形の一例を示す図である。本発明の第１の実施形態に係るパイルアップが発生していない１個のパルス波形の処理に伴う時系列信号を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る放射線計測装置１におけるパルス波形の処理の一例を示すフローチャートである。本発明の第１の実施形態に係るパイルアップが発生しているパルス波形の処理に伴う時系列信号の一例を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る放射線計測装置１によるパイルアップ判定１における処理の流れの一例を示すフローチャートである。本発明の第１の実施形態に係るパイルアップが発生しているユニポーラ型パルス波形の処理に伴う時系列信号を示す図である。本発明の第１の実施形態に係るパイルアップが発生しているパルス波形の処理に伴う時系列信号の他の例を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る放射線計測装置１によるパイルアップ判定２における処理の流れの一例を示すフローチャートである。本発明の第２の実施形態に係る放射線計測装置１Ａを示す構成図である。本発明の第２の実施形態に係るパイルアップが発生しているパルス波形の処理に伴う時系列信号の一例を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る放射線計測装置１Ａによるパイルアップ判定３における処理の流れの一例を示すフローチャートである。本発明の第３の実施形態に係るパイルアップが発生しているパルス波形の処理に伴う時系列信号の一例を示す図である。本発明の第３の実施形態に係る放射線計測装置１によるパイルアップ判定４における処理の流れの一例を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明に係る放射線計測装置のいくつかの実施形態について説明する。

[第１の実施形態]
（構成）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る放射線計測装置１を示す構成図である。本実施形態に係る放射線計測装置１は、例えば、検出器２と、増幅器３と、アナログデジタル変換器４と、比較器５と、信号処理回路部６を備える。

検出器２は、計測対象となる入射した放射線粒子と相互作用することにより、放射線粒子の持つエネルギーに応じて電荷（以下「第１の電気信号Ｓ１」と呼ぶ）を発生させる放射線検出器である。検出器２は、発生させた第１の電気信号Ｓ１を、増幅器３に出力する。第１の電気信号Ｓ１は、例えば、アナログ信号である。検出器２は、例えば、電離箱、比例計数管、半導体検出器である。また、検出器２は、シンチレーション結晶を取り付けた光電子増倍管のように電荷が間接的に形成される検出器でもよい。

増幅器３は、検出器２から入力された第１の電気信号Ｓ１を電圧に変換し、増幅した後、所定の時定数をもつパルス波形（以下「第２の電気信号Ｓ２」と呼ぶ）を、アナログデジタル変換器４及び比較器５に出力する。例えば、増幅器３は、前置増幅器と利得を持つ波形整形回路との組み合わせで構成される。放射線が多数入射する環境（以下「高計数率環境」と呼ぶ）では、回路のゼロレベルがシフトするベースラインシフトの対策のために、微分回路により双極性（バイポーラ）波形を出力する波形整形回路や、単極性（ユニポーラ）波形を出力しゼロレベルをスイッチにより再生するベースライン再生回路が用いられる。以下の説明においては、主に、バイポーラ波形を出力する例について説明する。

アナログデジタル変換器４は、増幅器３から入力された第２の電気信号Ｓ２のアナログ値をデジタル値へ変換し、このデジタル値に相当するデジタル信号（以下「第３の電気信号Ｓ３」と呼ぶ）を信号処理回路部６に出力する。アナログデジタル変換器４は、第２の電気信号Ｓ２を一定周期でサンプリングしデジタル信号である第３の電気信号Ｓ３に変換する。その際、アナログデジタル変換器４のサンプリング速度は、波高レベルの最大値をとらえられるように十分速いものを用いる。例えば、増幅器３により出力される波形幅が１マイクロ秒である場合、サンプリング速度はサンプリング理論から２Ｍｓｐｓ以上必要となる。

比較器５（比較器、第１比較器）は、増幅器３から入力された第２の電気信号Ｓ２の電圧値が所定の閾値電圧Ｖ_Ｈ（第１閾値）に到達した否かを判定し（第１閾値以上であるか否かを判定し）、判定結果（比較結果）に基づいてパルス信号（以下「第４の電気信号Ｓ４」と呼ぶ）を信号処理回路部６に出力する。比較器５は、第２の電気信号Ｓ２の波高レベルに基づいて第４の電気信号Ｓ４を出力する。本実施形態における比較器５は、説明の便宜上ヒステリシスを持たないコンパレータであるものとして説明を行うが、例えば、閾値電圧Ｖ_Ｈ付近で比較器５の出力がトグルしないようにヒステリシスが用いられてもよい。また、本実施形態において増幅器３の出力が比較器５と接続されているが、増幅器３が前置増幅器と波形整形回路とで構成される場合、第４の電気信号Ｓ４のパルス信号を信号処理回路部６へいち早く出力するために前置増幅器の出力を分岐して比較器５へ出力する構成でもよい。

信号処理回路部６は、アナログデジタル変換器４から入力された第３の電気信号Ｓ３及び比較器５から入力された第４の電気信号Ｓ４を取得して、放射線の計数、エネルギー演算等の各種処理を行う。信号処理回路部６は、例えば、各種演算処理を実行するマイクロプロセッサと、各種演算結果を読み出し又は記憶する記憶装置と、を備える。マイクロプロセッサは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）又はＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等である。記憶装置は、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）やＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）等である。また、信号処理回路部６は、マイクロプロセッサのクロック周期に応じて時間をカウントアップするカウンタＣ１を備える。カウンタＣ１は、例えば、マイクロプロセッサの演算処理によって実現される。

（処理）
（パルス波形の時定数）
まず、増幅器３により出力される所定の時定数をもつ第２の電気信号Ｓ２（パルス波形）について以下の式１から式３、及び図２を用いて説明する。図２は、増幅器３により出力されるバイポーラ波形の一例を示す図である。増幅器３は、例えば、ＲＣ－ＲＣ－ＣＲ回路とする。この場合、増幅器３の入力Ｖ_ｉｎ（Ｓ）に対して、出力Ｖ_ｏｕｔ（Ｓ）は、以下の式１で表される。

τ₁：１段目ＲＣ回路の時定数（τ₁＝Ｃ_１Ｒ_１）、Ａ_１：１段目ＲＣ回路の利得
τ₂：２段目ＲＣ回路の時定数（τ_２＝Ｃ_２Ｒ_２）、Ａ_２：２段目ＲＣ回路の利得
τ₃：３段目ＣＲ回路の時定数（τ_３＝Ｃ_３Ｒ_３）、Ａ_３：３段目ＲＣ回路の利得

上記の式１において、シリコン半導体検出器に対する放射線信号のパルス幅が回路時定数τ_１、τ_２、τ_３に比べ十分短い場合、任意の波高値Ｐ_Ｈに対しインパルス信号Ｖ_ｉｎ（Ｓ）＝Ｐ_Ｈとみなすことができる。この場合、式１は以下の式２として表すことができる。

説明の便宜上から回路利得Ａ_１＝Ａ_２＝Ａ_３＝１及び回路時定数τ_１＝τ_２＝τ_３≡τとした場合、式２を逆ラプラス変換すると、式２は以下の式３となる。

図２に示すように、式３は任意の波高値Ｐ_Ｈに依らず、ｔ＝（２－√２）τで最大値、ｔ＝（２＋√２）τで最小値を持ち、ｔ＝２τでゼロクロスする波形となる。説明の便宜上、τ_１＝τ_２＝τ_３≡τとしたが、任意のτ_１，τ_２，τ_３の組み合わせに対しても図２のような波形となる。

以上により、本実施形態における信号処理回路部６は、増幅器３により出力されるパルス波形が放射線の核種及びエネルギーによらず、パルス波形のピーク時間（最大値を取る時間、最小値を取る時間）及びゼロクロスする時間は一定であることに基づいて処理を行う。なお、以上においては、バイポーラ波形出力を行う増幅器３を例に挙げて説明したが、ユニポーラ波形出力を行う増幅器３においてもパルス波形のピーク時間は一定となる。

（パイルアップが発生していない場合の信号処理：通常波形処理）
以下、本実施形態に係る信号処理回路部６のパイルアップが発生していない場合の信号処理について説明する。図３は、パイルアップが発生していない１個のパルス波形の処理に伴う時系列信号を示す図である。図４は、放射線計測装置１におけるパルス波形の処理の一例を示すフローチャートである。信号処理回路部６の処理開始時において、比較器５により出力される第４の電気信号Ｓ４はローレベルに設定され、信号処理回路部６内のカウンタＣ１は０に設定されているものとする。

まず、比較器５は、増幅器３から入力された第２の電気信号Ｓ２の電圧値が所定の閾値電圧Ｖ_Ｈ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。比較器５は、第２の電気信号Ｓ２の電圧値が所定の閾値電圧Ｖ_Ｈ以上ではないと判定した場合、第４の電気信号Ｓ４をローレベルに設定する（ローレベルのまま維持する）（ステップＳ１０３）。

一方、比較器５は、第２の電気信号Ｓ２の電圧値が所定の閾値電圧Ｖ_Ｈ以上であると判定した場合、第４の電気信号Ｓ４をハイレベルに設定する（ステップＳ１０５）。次に、信号処理回路部６は、第４の電気信号Ｓ４の立ち上り（ローレベルからハイレベルへの変化）を検知した後、カウンタＣ１のカウントアップを開始するとともに、アナログデジタル変換器４から第３の電気信号Ｓ３であるデジタル値を取得する（ステップＳ１０７）。

次に、信号処理回路部６は、取得した第３の電気信号Ｓ３の値（以下「今回値Ｖ_ｉ」と呼ぶ）と、ピーク値判定用の値（以下「ピーク候補値Ｖ_ｐ」と呼ぶ）とを比較することでピーク値を検出する（以下「ピーク検出」と呼ぶ）。ピーク候補値Ｖ_ｐの初期値は、例えば、閾値電圧Ｖ_Ｈに相当するデジタル値未満の値で予め設定される。

信号処理回路部６は、例えば、今回値Ｖ_ｉがピーク候補値Ｖ_ｐ以上である場合、ピーク候補値Ｖ_ｐを今回値Ｖ_ｉで更新する（Ｖ_ｐ＝Ｖ_ｉ）（ステップＳ１０９）。一方、信号処理回路部６は、今回値Ｖ_ｉがピーク候補値Ｖ_ｐ未満である場合、ピーク候補値Ｖ_ｐは更新せず保持する（Ｖ_ｐ＝Ｖ_ｐ）。次に、信号処理回路部６は、ピーク値の検出処理の終了条件を満たすか否かを判定する（ステップＳ１１１）。例えば、信号処理回路部６は、ピーク候補値Ｖ_ｐが更新されない状態がある一定時間経過ΔＴ（例えば、４回サンプリングする時間）を経過した場合、ピーク値の検出処理の終了条件を満たすと判定する。信号処理回路部６は、ピーク値の検出処理の終了条件を満たすと判定した場合、その時点におけるピーク候補値Ｖ_ｐをピーク値Ｐ１として決定し、ピーク検出処理を終了する（ステップＳ１１３）。その際、信号処理回路部６は、カウンタＣ１の値をＴ_ｐに設定し、カウントアップを継続する。カウンタＣ１に設定するＴ_ｐは、上述したパルスの立ち上り時間Ｔ_ｒが一定であることに基づき、Ｔ_ｐ＝Ｔ_ｒ＋ΔＴとする。

次に、信号処理回路部６は、検出したピーク値Ｐ１に基づき所定の信号処理を行う（ステップＳ１１５）。所定の信号処理とは、例えば、後述するパイルアップ判定処理、メモリへのデータの格納及び読み出し処理、外部機器へ出力処理等である。所定の信号処理が終わると、信号処理回路部６は、カウンタＣ１が不感時間τになるまで計測処理を行わない計測処理及び信号処理停止状態となる。

不感時間τは、第２の電気信号Ｓ２のパルス波形がゼロレベルで落ち着くように設定する。例えば、放射線が検出器２へ入射して増幅器３の信号が落ち着くまでの時間Ｔ_ｗ（パルス波形の全体長）を回路調整時に取得しておき、不感時間τをτ＝Ｔ_ｗと設定する。パルス波形の全体長Ｔ_ｗは、例えば、入力エネルギー範囲のうち最大波高値となる模擬信号を入力し、模擬信号入力時間から波形がゼロレベルに落ち着く時間である波形終了時間を計測することで設定する。なお、計測処理及び信号処理停止状態の区間で、比較器５の出力である第４の電気信号Ｓ４はローレベルとなる。

次に、信号処理回路部６は、カウンタＣ１が不感時間τを経過したか否かを判定する（ステップＳ１１７）。信号処理回路部６は、カウンタＣ１が不感時間τを経過していないと判定した場合、不感時間τを経過したか否かの監視を継続する。一方、信号処理回路部６は、カウンタＣ１が不感時間τを経過したと判定した場合、待機状態に遷移し、カウンタＣ１を０にリセットする（ステップＳ１１９）。その後、信号処理回路部６は、比較器５から入力される第４の電気信号Ｓ４が再びハイレベルになると、ピーク処理、信号処理及び信号処理停止、待機を繰り返す。

（パイルアップが発生した場合の信号処理１：パイルアップ判定１）
次に、信号処理回路部６で行われる信号処理の一例であるパイルアップ判定１について説明する。図５は、パイルアップが発生したパルス波形の処理に伴う時系列信号の一例を示す図である。図６は、放射線計測装置１によるパイルアップ判定１における処理の流れの一例を示すフローチャートである。

図５は、第１パルス３０１がピーク値Ｐ１を確定し、ゼロクロスする時間であるパイルアップ判定区間Ｔ１に、第２パルス３０２が入力されて重なったパイルアップ波形３０４を示している。パイルアップ判定時間Ｔ１は、第１パルス３０１のピーク値Ｐ１が確定するまでの時間Ｔ_ｐ＝Ｔ_ｒ＋ΔＴとゼロクロスするまでの時間Ｔ_ｚが一定であることから、Ｔ１=Ｔ_ｚ－Ｔ_ｐとなる。

パイルアップが発生した場合、例えば、従来のピークホールド回路を用いた放射線計測装置では、パイルアップ波形３０４のピーク値Ｐ２を捉え、元の波高値よりも高い波高値を信号処理回路部６が誤って取得する。しかしながら、上述したピーク処理の一例では、第１パルス３０１のピーク値である１つ目のピーク値Ｐ１を取得し、パイルアップ波形３０４のピーク値である２つ目のピーク値Ｐ２を誤って取得することはない。

パイルアップが発生している場合、第２パルス３０２の影響により、第１パルス３０１がゼロレベルで落ち着く波形終了時間ｔ_eを超えても第２の電気信号Ｓ２であるパイルアップ波形３０４はゼロレベルに落ち着いていない（図５の領域ａ）。従って、パイルアップを検知した場合は、信号処理回路部６で計測処理を停止とする不感時間を延長する。

まず、パイルアップ判定１において、信号処理回路部６は、ピーク値Ｐ１を検出した時間からＴ１経過後（カウンタＣ１＝Ｔ_ｚ）のデジタル値である第３の電気信号Ｓ３とゼロレベルを比較して、第３の電気信号Ｓ３がゼロレベルに達しているか否かを判定する（ステップＳ２０１）。信号処理回路部６は、例えば、第３の電気信号Ｓ３が、所定の閾値を以下である場合に、ゼロレベルに達していると判定し、所定の閾値を超える場合に、ゼロレベルに達していないと判定する。

信号処理回路部６は、第３の電気信号Ｓ３が、ゼロレベルに達していると判定した場合、パイルアップは発生していないと判定する（ステップＳ２０３）。パイルアップが発生していない場合、Ｔ_ｚ経過後に第１パルス３０１がゼロレベルを下回っていることから、信号処理回路部６は図３に示すような通常波形処理となる。

一方、信号処理回路部６は、第３の電気信号Ｓ３が、ゼロレベルに達していていないと判定した場合、パイルアップが発生していると判定する（ステップＳ２０５）。パイルアップが発生している場合、Ｔ_ｚ経過後にパイルアップ波形３０４がゼロレベルを下回っていないことから、信号処理回路部６はパイルアップの発生を検出することができる。ゼロレベルの判定は、デジタル値の上位ビットを比較することで小規模の演算量で実現することが可能である。

信号処理回路部６は、パイルアップの発生を検出後、計測処理を停止とする不感時間を延長する（Ｓ２０７）。信号処理回路部６は、不感時間を延長するためカウンタＣ１を０に設定する。その後、信号処理回路部６は、カウンタＣ１をマイクロプロセッサのクロック周期に応じて時間をカウントアップする。信号処理回路部６は、カウンタＣ１が不感時間τになると、待機状態へ遷移し、カウンタＣ１を０にリセットする。その後、信号処理回路部６は、比較器５から入力される第４の電気信号Ｓ４がハイレベルになると、ピーク処理、信号処理及び信号処理停止、待機を繰り返す。

なお、上記のパイルアップ判定１においては、信号処理回路部６は、ピーク値Ｐ１を検出した時間からＴ１経過後のデジタル値である第３の電気信号Ｓ３と、ゼロレベルとを比較して、第３の電気信号Ｓ３がゼロレベルに達しているか否かに基づいてパイルアップの発生の有無を判定する例について説明した、しかしながら、信号処理回路部６は、ピーク値Ｐ１を検出した時間からＴ１経過後の比較器５の出力レベルに基づいて、パイルアップの発生の有無を判定してもよい。例えば、信号処理回路部６は、ピーク値Ｐ１を検出した時間からＴ１経過後の比較器５の出力レベルがハイレベルである場合にパイルアップが発生したと判定してもよい。

なお、図５及び図６ではバイポーラ型パルス波形によるパイルアップ判定方法の一例を示したが、ユニポーラ型パルス波形においても同様の判定方法でパイルアップを判定することが可能である。図７は、パイルアップが発生しているユニポーラ型パルス波形の処理に伴う時系列信号を示す図である。図７は、第１パルス３０６がピーク値Ｐ３を確定し、ゼロクロスする時間であるパイルアップ判定区間Ｔ１に、第２パルス３０７が入力されて重なったパイルアップ波形３０８を示している。パイルアップ判定時間Ｔ１は、第１パルス３０６のピーク値Ｐ３が確定するまでの時間Ｔ_ｐ＝Ｔ_ｒ＋ΔＴとゼロクロスするまでの時間Ｔ_ｚが一定であることから、Ｔ１=Ｔ_ｚ－Ｔ_ｐとなる。

上記のバイポーラ型パルス波形によるパイルアップ判定方法と同様に、信号処理回路部６は、ピーク値の検出処理の終了条件を満たすと判定した場合、その時点におけるピーク候補値Ｖ_ｐをピーク値Ｐ３として決定し、ピーク検出処理を終了する。その際、信号処理回路部６は、カウンタＣ１の値をＴ_pに設定し、カウントアップを継続する。

信号処理回路部６は、ピーク値Ｐ３を検出した時間からＴ１経過後（カウンタＣ１＝τ）のデジタル値である第３の電気信号Ｓ３とゼロレベルを比較して、第３の電気信号Ｓ３がゼロレベルに達しているか否かに基づいて、パイルアップの発生の有無を判定することができる。信号処理回路部６は、例えば、第３の電気信号Ｓ３が、所定の閾値を以下である場合に、ゼロレベルに達していると判定し、所定の閾値を超える場合に、ゼロレベルに達していないと判定する。

信号処理回路部６は、第３の電気信号Ｓ３が、ゼロレベルに達していると判定した場合、パイルアップは発生していないと判定する。一方、信号処理回路部６は、第３の電気信号Ｓ３が、ゼロレベルに達していていないと判定した場合、パイルアップが発生していると判定する。パイルアップが発生している場合(パイルアップ波形３０８においてピーク値Ｐ４が発生している場合)、Ｔ_ｚ経過後にパイルアップ波形３０８がゼロレベルを下回っていないことから、信号処理回路部６はパイルアップの発生を検出することができる。

信号処理回路部６は、パイルアップの発生を検出後、計測処理を停止とする不感時間を延長する。信号処理回路部６は、不感時間を延長するためカウンタＣ１を０に設定する。その後、信号処理回路部６は、カウンタＣ１をマイクロプロセッサのクロック周期に応じて時間をカウントアップする。信号処理回路部６は、カウンタＣ１が不感時間τになると、待機状態へ遷移し、カウンタＣ１を０にリセットする。その後、信号処理回路部６は、比較器５から入力される第４の電気信号Ｓ４がハイレベルになると、ピーク処理、信号処理及び信号処理停止、待機を繰り返す。

（パイルアップが発生した場合の信号処理２：パイルアップ判定２）
次に、信号処理回路部６で処理するパイルアップ判定２について説明する。図８は、パイルアップが発生しているパルス波形の処理に伴う時系列信号の他の例を示す図である。図９は、放射線計測装置１によるパイルアップ判定２における処理の流れの一例を示すフローチャートである。図８は、第１パルス３２１がピーク値Ｐ１を確定し、ゼロクロス後のパイルアップ判定区間Ｔ２に、第２パルス３２２が入力され重なったパイルアップ波形３２４を示している。パイルアップ判定時間Ｔ２は、第１パルス３２１がゼロクロスするまでの時間Ｔ_ｚとパルス波形の全体長Ｔ_ｗから、Ｔ２=Ｔ_ｗ－Ｔ_ｚとなる。

図８に示すパイルアップは、増幅器３がバイポーラ波形を出力する放射線計測装置１において、第１パルス３２１の波高値が高く、且つ、第２パルス３２２の波高値が小さい条件で、第２パルス３２２が第１パルス３２１のアンダーシュート波形に埋もれ、パイルアップ波形３２４が所定の閾値電圧Ｖ_Ｈ未満であることから、信号処理回路部６に比較器５から入力される第４の電気信号Ｓ４がローレベルの出力を継続する事象である。このようなパイルアップが発生すると、上記のパイルアップ判定１ではパイルアップ発生を検出することが出来ない。

図８に示すパイルアップが発生した場合に、第２パルス３２２の影響により、パイルアップが発生していない場合には第１パルス３２１がゼロレベルで落ち着くｔ_eを超えても、第２の電気信号Ｓ２であるパイルアップ波形３２４はゼロレベル以下になる（図８の領域ｂ）。パイルアップ判定２においては、この第１パルス３２１がゼロレベルで落ち着くｔ_eにおける信号に基づいて、パイルアップ発生を検出する。

図８に示すパイルアップ波形３２４がゼロレベル以下になる領域ｂにおいて、再度放射線が入射して第３パルス３２３が入力された場合、この第３パルス３２３は第２の電気信号Ｓ２の影響を受けたパイルアップ波形３２４に重畳されることになる。この結果、第３パルス３２３の波高値は本来の波高値よりも低くなり、その計測を正確に行うことができなくなる。そこで、パイルアップ判定２によりパイルアップ発生が検出された場合には、計測処理を停止とする不感時間を延長する。

まず、パイルアップ判定２における信号処理において、信号処理回路部６は、カウンタＣ１がτとなったときのデジタル値である第３の電気信号Ｓ３がゼロレベルに落ち着いているか否かを判定する（ステップＳ３０１）。信号処理回路部６は、例えば、第３の電気信号Ｓ３が、所定の閾値を以下である場合に、ゼロレベルに落ち着いていると判定し、所定の閾値を超える場合に、ゼロレベルに落ち着いていないと判定する。実際の回路では検出器や回路に起因するホワイトノイズが重畳することから、ノイズ下限値レベルを考慮した閾値を設定する。

信号処理回路部６は、第３の電気信号Ｓ３が、ゼロレベルに落ち着いていると判定した場合、パイルアップは発生していないと判定する（ステップＳ３０３）。

一方、信号処理回路部６は、第３の電気信号Ｓ３が、ゼロレベルに落ち着いていないと判定した場合、パイルアップが発生していると判定する（ステップＳ３０５）。信号処理回路部６は、パイルアップの発生を検出後、計測処理を停止とする不感時間を延長する（Ｓ３０７）。例えば、信号処理回路部６は、パイルアップの発生を検出後、不感時間を延長するためカウンタＣ１を０と設定する。その後、信号処理回路部６は、カウンタＣ１をマイクロプロセッサのクロック周期に応じて時間をカウントアップする。

信号処理回路部６は、カウンタＣ１が不感時間τになると、再度、第３の電気信号Ｓ３がゼロレベルに落ち着いているか否かを判定する（ステップＳ３０１）。信号処理回路部６は、ゼロレベルに落ち着いていないと判定した場合、再度放射線が入射しパイルアップが発生したものと判定し（ステップＳ３０５）、カウンタＣ１を０にリセットして、再度、不感時間を延長する（ステップＳ３０７）。信号処理回路部６は、ゼロレベルに落ち着いていると判定した場合、パイルアップが発生していないと判定し、カウンタＣ１を０にリセットし待機状態へ遷移する。その後、信号処理回路部６は、比較器５から入力される第４の電気信号Ｓ４がハイレベルになると、ピーク処理、信号処理及び信号処理停止、待機を繰り返す。

すなわち、信号処理回路部６は、第３の電気信号Ｓ３を時系列に取得し比較することにより放射線のピークを検出し、パイルアップが発生していない放射線のピーク時間からゼロクロスする時間が一定であることに基づいて、検出した放射線のピークの時間からゼロクロスする時間を算出し、算出したゼロクロスする時間における第３の電気信号Ｓ３及び第４の電気信号Ｓ４の少なくとも一方に基づいて放射線にパイルアップが発生しているか否かを判定する。

また、信号処理回路部６は、第３の電気信号Ｓ３を時系列に取得し比較することにより放射線のピークを検出し、予め取得した放射線波形がゼロレベルに落ち着くまでの波形終了時間を、検出した放射線のピークの時間から算出し、算出した波形終了時間における第３の電気信号Ｓ３がゼロレベルに達しているか否かに基づいて、放射線にパイルアップが発生しているか否かを判定する。

以上において説明した第１の実施形態の放射線計測装置１によれば、小型かつ演算量が少なく、エネルギーの異なる多数の放射線を高精度で測定することが可能である。放射線計測装置１は、パイルアップを検出するために、高性能ＬＳＩを含む大規模信号処理回路や微分回路等を設けないため、装置を小型化することが可能である。また、放射線計測装置１は、例えば、デジタル波高分析技術と比較して、演算量を少なくすることが可能である。

[第２の実施形態]
次に、本発明の第２の実施形態に係る放射線計測装置について説明する。図１０は、本実施形態に係る放射線計測装置１Ａの構成図である。第１の実施形態の放射線計測装置１と比較して、本実施形態の放射線計測装置１Ａは、第２比較器７をさらに備える点が異なる。本実施形態の放射線計測装置１Ａは、第２比較器７から信号処理回路部６に出力される第５の電気信号Ｓ５に基づいてパイルアップの発生の有無を検出する。図１１は、図８と同様なパイルアップが発生したパルス波形の処理に伴う時系列信号を示す図であり、第５の電気信号Ｓ５が追加されている。なお、第１の実施形態と重複する構成、動作については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

（構成）
図１０に示す第２比較器７は、第２の電気信号Ｓ２の電圧値が所定の閾値電圧Ｖ_Ｌ以下（第２閾値以下）であると判定した場合、第５の電気信号Ｓ５をハイレベルに設定するコンパレータである。所定の閾値電圧Ｖ_Ｌは、検出器及び回路系に起因するホワイトノイズで動作することを避けるために、ノイズレベル以下に設定する（例えば、-１０ｍＶ以下）。このため、第２比較器７は、待機状態ではローレベルの第５の電気信号Ｓ５を出力している。増幅器３から入力される第２の電気信号Ｓ２が所定の閾値電圧Ｖ_Ｌ以下となるとハイレベルの第５の電気信号Ｓ５を出力する。

（パイルアップが発生した場合の信号処理３：パイルアップ判定３）
図１１及び１２を用いてパイルアップ判定３における処理について説明する。図１１は、パイルアップが発生しているパルス波形の処理に伴う時系列信号の一例を示す図である。図１２は、放射線計測装置１Ａによるパイルアップ判定３における処理の流れの一例を示すフローチャートである。

まず、パイルアップ判定３において、信号処理回路部６は、パイルアップ波形３２４が信号処理回路部６へ入力されカウンタＣ１が不感時間τになったときに、第５の電気信号Ｓ５に基づきパイルアップが発生したか否かを判定する。信号処理回路部６は、カウンタＣ１がτとなったときの第５の電気信号Ｓ５がハイレベルとなっているか否かを判定する（ステップＳ４０１）。信号処理回路部６は、第５の電気信号Ｓ５がハイレベルとなっていないと判定した場合（第５の電気信号Ｓ５がローレベルである場合）、パイルアップは発生していないと判定する（Ｓ４０３）。

一方、信号処理回路部６は、第５の電気信号Ｓ５がハイレベルとなっていると判定した場合、パイルアップが発生していると判定する（Ｓ４０５）。信号処理回路部６は、パイルアップの発生を検出後、計測処理を停止とする不感時間を延長する（Ｓ４０７）。例えば、信号処理回路部６は、パイルアップの発生を検出後、カウンタＣ１を０に設定する。その後、信号処理回路部６は、カウンタＣ１をマイクロプロセッサのクロック周期に応じて時間をカウントアップする。

信号処理回路部６は、カウンタＣ１が不感時間τになると、再度、第５の電気信号Ｓ５がハイレベルとなっているか否かを判定する（ステップＳ４０１）。信号処理回路部６は、第５の電気信号Ｓ５がハイレベルとなっていると判定した場合、再度放射線が入射しパイルアップが発生したものと判定し（ステップＳ４０５）、カウンタＣ１を０にリセットして、再度、不感時間を延長する（ステップＳ４０７）。信号処理回路部６は、第５の電気信号Ｓ５がハイレベルとなっていないと判定した場合、パイルアップが発生していないと判定し、カウンタＣ１を０にリセットし待機状態へ遷移する。その後、信号処理回路部６は、比較器５から入力される第４の電気信号Ｓ４がハイレベルになると、ピーク処理、信号処理及び信号処理停止、待機を繰り返す。

すなわち、信号処理回路部は、第３の電気信号Ｓ３を時系列に取得し比較することにより放射線のピークを検出し、予め取得した放射線波形がゼロレベルに落ち着くまでの波形終了時間を、検出した放射線のピークの時間から算出し、算出した波形終了時間における第５の電気信号Ｓ５に基づいて、放射線にパイルアップが発生しているか否かを判定する。

以上において説明した第２の実施形態の放射線計測装置１Ａによれば、小型かつ演算量が少なく、エネルギーの異なる多数の放射線を高精度で測定することが可能である。

[第３の実施形態]
次に、本発明の第３の実施形態に係る放射線計測装置について説明する。第１の実施形態と比較して、本実施形態の放射線計測装置１における信号処理回路部６は、パイルアップ判定区間Ｔ２において第４の電気信号Ｓ４がハイレベルに立ち上るか否かに基づいてパイルアップの発生の有無を検出する点が異なる。なお、第１の実施形態と重複する構成、動作については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

（パイルアップが発生した場合の信号処理４：パイルアップ判定４）
次に、信号処理回路部６によって行われるパイルアップ判定４について説明する。図１３は、パイルアップが発生したパルス波形の処理に伴う時系列信号の一例を示す図である。図１３は、図８と同様に、第１パルス３４１がピーク値Ｐ１を確定し、ゼロクロス後のパイルアップ判定区間Ｔ２において、第２パルス３４２が入力され重なったパイルアップ波形３４４を示している。図１３に示すパイルアップが、図８のパイルアップと異なる点は、第２パルス３４２の波高値が大きく、パイルアップ波形３４４が所定の閾値電圧Ｖ_Ｈ以上となり、比較器５から信号処理回路部６に入力された第４の電気信号Ｓ４がハイレベルとなる点である。

図１３に示すようなパイルアップが発生した場合、第２パルス３４２の影響により、第１パルス３４１がゼロレベルで落ち着くｔ_eを超えても第２の電気信号Ｓ２であるパイルアップ波形３４４はゼロレベルに落ち着いていない（図１３の領域ｃ）。従って、パイルアップを検知した場合は、信号処理回路部６で計測処理を停止とする不感時間を延長する。

まず、パイルアップ判定３において、信号処理回路部６は、パイルアップ判定区間Ｔ２において第４の電気信号Ｓ４がハイレベルに立ち上るか否か判定する（ステップＳ５０１）。パイルアップが発生していない場合、パイルアップ判定区間Ｔ２では第１パルス３４１が所定の閾値電圧Ｖ_Ｈ未満となるため、第４の電気信号Ｓ４はハイレベルとならない。このため、信号処理回路部６は、第４の電気信号Ｓ４がハイレベルに立ち上らないと判定した場合、パイルアップは発生していないと判定する（ステップＳ５０３）。

一方、パイルアップが発生した場合、パイルアップ判定区間Ｔ２ではパイルアップ波形３４４が所定の閾値電圧Ｖ_Ｈを超過することから、第４の電気信号Ｓ４がハイレベルとなる。このため、信号処理回路部６は、第４の電気信号Ｓ４がハイレベルに立ち上ると判定した場合、パイルアップが発生したと判定する（ステップＳ５０５）。信号処理回路部６は、パイルアップの発生を検出後、計測処理を停止とする不感時間を延長する（Ｓ５０７）。例えば、信号処理回路部６は、パイルアップの発生を検出後、カウンタＣ１を０に設定する。その後、信号処理回路部６は、カウンタＣ１をマイクロプロセッサのクロック周期に応じて時間をカウントアップする。

信号処理回路部６は、カウンタＣ１が不感時間τになる間に、第４の電気信号Ｓ４がハイレベルに立ち上がった場合は再度放射線信号が入射してパイルアップが発生したと判定し（ステップＳ５０５）、カウンタＣ１を０にリセットしカウントアップを始めることで不感時間を延長する（ステップＳ５０７）。信号処理回路部６は、カウンタＣ１が不感時間τになる間に、第４の電気信号Ｓ４がハイレベルに立ち上がらない場合、カウンタＣ１を０にリセットし待機状態へ遷移する。その後、信号処理回路部６は、比較器５から入力される第４の電気信号Ｓ４がハイレベルになると、ピーク処理、信号処理及び信号処理停止、待機を繰り返す。

すなわち、信号処理回路部６は、第３の電気信号を時系列に取得し比較することにより放射線のピークを検出し、パイルアップが発生していない放射線のピーク時間からゼロクロスする時間が一定であることに基づいて、検出した放射線のピークの時間からゼロクロスする時間を算出し、予め取得した放射線波形がゼロレベルに落ち着くまでの波形終了時間を、検出した放射線のピークの時間から算出し、算出したゼロクロスする時間と、算出した波形終了時間との間における、第４の電気信号の変化に基づいて、放射線にパイルアップが発生しているか否かを判定する。

以上において説明した第３の実施形態の放射線計測装置１によれば、小型かつ演算量が少なく、エネルギーの異なる多数の放射線を高精度で測定することが可能である。また、放射線計測装置１において、パイルアップの発生を検出した時点で不感時間を延長することができ、不感時間を最小化することが可能である。

（パイルアップ判定方法の組み合わせ）
以上、本発明のパイルアップ判定方法をパイルアップ判定１から４で示した。ここで、本発明のパイルアップ判定方法は、増幅器３の出力波形がユニポーラ型であれば、パイルアップ判定１のみで実現可能である。また、本発明のパイルアップ判定方法は、増幅器３の出力波形がバイポーラ型であれば、パイルアップ判定２のみで実現可能である。ただし、パイルアップ判定２のみの場合は、信号処理回路部６のカウンタＣ１がτとなった時点での判定となり、τ単位で不感時間が延長される。

また、本発明のパイルアップ判定方法は、パイルアップ判定１、パイルアップ判定２、及びパイルアップ判定３を組み合わせることにより、パイルアップと判定された時点で不感時間を延長することができ、不感時間を最小化することが可能になり、また、パイルアップの検出精度を向上させることが可能である。

以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。

１、１Ａ・・・放射線計測装置
２・・・検出器
３・・・増幅器
４・・・アナログデジタル変換器
５・・・比較器
６・・・信号処理回路部
７・・・第２比較器

Claims

放射線をアナログ信号である第１の電気信号に変換する検出器と、
前記第１の電気信号を増幅して第２の電気信号を出力する増幅器と、
前記第２の電気信号を一定周期でサンプリングしデジタル信号である第３の電気信号に変換するアナログデジタル変換器と、
前記第２の電気信号の波高レベルに基づいて第４の電気信号を出力する比較器と、
前記第３の電気信号及び前記第４の電気信号に基づいて前記放射線の計測処理を行う信号処理回路部と、
を備え、
前記信号処理回路部は、
前記第３の電気信号を時系列に取得し比較することにより前記放射線のピークを検出し、
パイルアップが発生していない放射線のピーク時間からゼロクロスする時間が一定であることに基づいて、検出した前記放射線のピークの時間からゼロクロスする時間を算出し、
算出した前記ゼロクロスする時間における前記第３の電気信号及び前記第４の電気信号の少なくとも一方に基づいて前記放射線にパイルアップが発生しているか否かを判定する、
放射線計測装置。
前記信号処理回路部は、算出した前記ゼロクロスする時間における前記第３の電気信号がゼロレベルに達しているか否かに基づいて、前記放射線にパイルアップが発生しているか否かを判定する、
請求項１に記載の放射線計測装置。
前記信号処理回路部は、算出した前記ゼロクロスする時間における前記第４の電気信号により示される比較結果に基づいて、前記放射線にパイルアップが発生じているか否かを判定する、
請求項１に記載の放射線計測装置。
放射線をアナログ信号である第１の電気信号に変換する検出器と、
前記第１の電気信号を増幅し第２の電気信号を出力する増幅器と、
前記第２の電気信号を一定周期でサンプリングしデジタル信号である第３の電気信号に変換するアナログデジタル変換器と、
前記第２の電気信号の波高レベルに基づき第４の電気信号を出力する比較器と、
前記第３の電気信号及び前記第４の電気信号に基づいて前記放射線の計測処理を行う信号処理回路部と、
を備え、
前記信号処理回路部は、
前記第３の電気信号を時系列に取得し比較することにより前記放射線のピークを検出し、
予め取得した放射線波形がゼロレベルに落ち着くまでの波形終了時間を、検出した前記放射線のピークの時間から算出し、
算出した前記波形終了時間における前記第３の電気信号がゼロレベルに達しているか否かに基づいて、前記放射線にパイルアップが発生しているか否かを判定し、
前記放射線にパイルアップが発生していると判定した場合、前記パイルアップの発生後、前記放射線の計測処理を停止とする不感時間を延長し、
前記不感時間は、予め取得した放射線が前記検出器に入射してから前記第２の電気信号の波形がゼロレベルに落ち着くまでの時間である、
放射線計測装置。
放射線をアナログ信号である第１の電気信号に変換する検出器と、
前記第１の電気信号を増幅し第２の電気信号を出力する増幅器と、
前記第２の電気信号を一定周期でサンプリングしデジタル信号である第３の電気信号に変換するアナログデジタル変換器と、
前記第２の電気信号の波高レベルが第１閾値以上であるか否かを示す第４の電気信号を出力する第１比較器と、
前記第２の電気信号の波高レベルが第２閾値以下であるか否かを示す第５の電気信号を出力する第２比較器と、
前記第３の電気信号、前記第４の電気信号、及び前記第５の電気信号に基づいて前記放射線の計測処理を行う信号処理回路部と、
を備え、
前記信号処理回路部は、
前記第３の電気信号を時系列に取得し比較することにより前記放射線のピークを検出し、
予め取得した放射線波形がゼロレベルに落ち着くまでの波形終了時間を、検出した前記放射線のピークの時間から算出し、
算出した前記波形終了時間における前記第５の電気信号に基づいて、前記放射線にパイルアップが発生しているか否かを判定する、
放射線計測装置。
放射線をアナログ信号である第１の電気信号に変換する検出器と、
前記第１の電気信号を増幅し第２の電気信号を出力する増幅器と、
前記第２の電気信号を一定周期でサンプリングしデジタル信号である第３の電気信号に変換するアナログデジタル変換器と、
前記第２の電気信号の波高レベルに基づき第４の電気信号を出力する比較器と、
前記第３の電気信号及び前記第４の電気信号に基づいて前記放射線の計測処理を行う信号処理回路部と、
を備え、
前記信号処理回路部は、
前記第３の電気信号を時系列に取得し比較することにより前記放射線のピークを検出し、
パイルアップが発生していない放射線のピーク時間からゼロクロスする時間が一定であることに基づいて、検出した前記放射線のピークの時間からゼロクロスする時間を算出し、
予め取得した放射線波形がゼロレベルに落ち着くまでの波形終了時間を、検出した前記放射線のピークの時間から算出し、
算出した前記ゼロクロスする時間と、算出した前記波形終了時間との間における、前記第４の電気信号の変化に基づいて、前記放射線にパイルアップが発生しているか否かを判定する、
放射線計測装置。
前記信号処理回路部は、
予め取得した放射線波形がゼロレベルに落ち着くまでの波形終了時間を検出した前記放射線のピークの時間から算出し、
算出した前記ゼロクロスする時間における前記第３の電気信号及び前記第４の電気信号の少なくとも一方と、算出した前記波形終了時間における前記第３の電気信号と、の双方に基づいて、前記放射線にパイルアップが発生しているか否かを判定する、
請求項１に記載の放射線計測装置。
前記信号処理回路部は、
パイルアップが発生していない放射線のピーク時間からゼロクロスする時間が一定であることに基づいて、検出した前記放射線のピークの時間からゼロクロスする時間を算出し、
算出した前記ゼロクロスする時間における前記第３の電気信号及び前記第４の電気信号の少なくとも一方と、算出した前記波形終了時間における前記第５の電気信号と、の双方に基づいて、前記放射線にパイルアップが発生しているか否かを判定する、
請求項５に記載の放射線計測装置。
前記信号処理回路部は、算出した前記ゼロクロスする時間における前記第３の電気信号及び前記第４の電気信号の少なくとも一方と、算出した前記ゼロクロスする時間と算出した前記波形終了時間との間における前記第４の電気信号の変化と、の双方に基づいて、前記放射線にパイルアップが発生しているか否かを判定する、
請求項６に記載の放射線計測装置。