JP7418659B2 - 放射線分析装置 - Google Patents

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Description

本開示は、放射性物質から放出される放射線の線種を判定する放射線分析装置に関する。
環境放射線をモニタリングするにあたって、人工核種と天然核種とを分離するために、放射性核種の分析を行う装置が知られている。放射性核種の分析のためには、α線、β線、γ線等の放射線の線種を判定する機能が必要である。
放射線の線種を判定する機能を有する放射線検出部として、入射した放射線の線種に応じて出力される電気信号の波形が変わることを利用して放射線の線種を分析し、出力波形に基づいて放射線のエネルギーを分析する装置が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。
また、放射線検出部から出力された電気信号の波形を分析することで放射性物質に含まれる放射性核種を分析しつつ、放射線検出部に入射した放射線の入射位置を特定する技術が知られている（例えば、特許文献２を参照）。なお、特許文献２では、特定された放射線の入射位置は、放射線の線種の判定には用いられていない。
また、放射線の線種の判定にあたって、放射線から放射線検出部（例えば、半導体検出器）に付与されたエネルギーの形状が異なることを利用する技術も知られている（例えば、特許文献３を参照）。特許文献３では、予め決められた時間内に入射した放射線毎にエネルギー形状を抽出し、抽出されたエネルギー形状と予め決められたエネルギー形状とを画像処理によって比較することで放射線の線種を判定する。
特開２０１２－２４２３６９号公報 特許第４８０３５６５号 特開２０２０－７１１１９号公報
しかしながら、特許文献１及び２では、入射する放射線毎に放射線検出部から出力された電気信号の波形が同一である場合又は当該波形の差が小さい場合に、放射線の線種の判定精度が悪化するという課題があった。そのため、特許文献１及び２の放射線検出部の適用性は低い。
また、特許文献３では、複数の放射線が放射線検出部に入射した場合、複数の放射線のそれぞれのエネルギー形状が重畳されるため、放射線の線種を判定精度が悪化するという課題があった。
本開示は、放射線の線種の判定精度を向上することを目的とする。
本開示の一態様に係る放射線分析装置は、複数の検出電極を備えた１つ以上の検出面を有し、入射した放射線の粒子毎に前記複数の検出電極に付与されたエネルギーに対応する大きさの複数の電気信号が前記複数の検出電極から出力される、放射線検出部と、前記複数の検出電極から出力された前記複数の電気信号に基づいて、前記複数の検出電極に対応する複数の画素からなるエネルギー付与分布画像を生成する画像生成部と、前記エネルギー付与分布画像に基づいて、前記複数の検出電極のうちの前記エネルギーが付与された検出電極に対応する画素である反応点を取得する処理を、入射した放射線毎に行う反応点取得部と、前記反応点に対応する検出電極から出力された電気信号に基づいて、前記入射した放射線毎に前記反応点の前記エネルギーの積算値である積算エネルギー量を取得する積算エネルギー量取得部と、前記入射した放射線毎に前記積算エネルギー量に対する前記反応点のピクセル数を取得することで、前記積算エネルギー量に対する前記ピクセル数の分布の広がりを取得する反応点広がり取得部と、線種判定閾値を有し、前記分布の代表点における前記ピクセル数と前記線種判定閾値との比較の結果に基づいて前記入射した放射線の線種を判定する線種判定部とを備え、前記線種判定部は、前記積算エネルギー量に応じて前記線種判定閾値を変える、ことを特徴とする。
本開示によれば、放射線の線種の判定精度を向上することができる。
実施の形態１に係る放射線分析装置の構成を示すブロック図である。 （Ａ）は、実施の形態１に係る放射線分析装置の制御部のハードウェア構成を概略的に示す図である。（Ｂ）は、実施の形態１に係る放射線分析装置の制御部のハードウェア構成の他の例を概略的に示す図である。 （Ａ）は、実施の形態１に係る放射線検出部の構成を示す平面図である。（Ｂ）は、実施の形態１に係る放射線検出部の構成と、実施の形態１に係る画像生成部によって生成されたエネルギー付与分布画像の一例とを概略的に示す斜視図である。 実施の形態１に係る画像生成部によって生成されたエネルギー付与分布画像の他の例を示す図である。 （Ａ）～（Ｃ）は、エネルギー付与ピクセル数の放射線の入射角度依存性を示す模式図である。 放射線検出部にβ線が入射したときの積算エネルギー量に対するエネルギー付与ピクセル数の分布の広がりを示すグラフである。 （Ａ）は、放射線検出部に入射したα線のエネルギー形状を示す図である。（Ｂ）は、放射線検出部に入射したβ線のエネルギー形状を示す図である。 比較例に係る放射線分析装置における放射線の線種を判定する方法を示すグラフである。 放射線検出部における放射線の入射深さの定義を説明する模式図である。 （Ａ）は、α線の入射深さと付与エネルギーとの関係を示すグラフである。（Ｂ）は、β線の入射深さと付与エネルギーとの関係を示すグラフである。 図１０（Ｂ）に示される０．１МｅＶのβ線の入射深さと付与エネルギーとの関係を示すグラフである。 実施の形態１に係る放射線分析装置における放射能の線種を判定する方法を示すグラフである。 実施の形態１に係る放射線分析装置の動作を示すフローチャートである。 実施の形態２に係る放射線分析装置の構成を示すブロック図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、実施の形態２に係る放射線検出部の構成の一部を示す平面図である。（Ｃ）実施の形態２に係る第１の画像生成部によって生成された第１の画像の一例を示す図である。（Ｄ）実施の形態２に係る第２の画像生成部によって生成された第２の画像の一例を示す図である。 実施の形態２に係る放射線分析装置における放射線の線種を判定する方法を示すグラフである。 実施の形態３に係る放射線検出部の構成と、実施の形態３に係る画像生成部によって生成されたエネルギー付与分布画像の一例とを示す図である。 実施の形態３に係る放射線分析装置における放射線の線種を判定する方法を示すグラフである。
以下では、本開示の実施の形態に係る放射線分析装置について、図面を参照しながら説明する。以下の実施の形態は、例にすぎず、本開示の範囲内で種々の変更が可能である。
図面には、説明の理解を容易にするために、必要に応じてＸＹＺ直交座標系が示されている。Ｘ軸とＹ軸は、放射線検出部の放射線入射面、すなわち、表面に平行な座標軸である。Ｚ軸は、放射線検出部の表面に垂直な座標軸である。
《実施の形態１》
〈放射線分析装置の構成〉
図１は、実施の形態１に係る放射線分析装置１の構成を示すブロック図である。図１に示されるように、放射線分析装置１は、放射線検出器としての放射線検出部１１と、制御部２０とを有する。制御部２０は、画像生成部１２と、反応点取得部１３と、積算エネルギー量取得部１４と、反応点広がり取得部１５と、線種判定部１６とを有する。
放射線検出部１１は、検出対象物に含まれる放射性物質から放出された放射線を検出する。放射線検出部１１は、検出結果を電気信号（例えば、電流又は電圧）として出力するセンサである。なお、放射線検出部１１の構成については、後述する。
画像生成部１２は、放射線検出部１１から出力された電気信号に基づいて、放射線によって放射線検出部１１に付与されたエネルギー（以下、「付与エネルギー」とも呼ぶ。）の分布である２次元のエネルギー付与分布画像を生成する。
反応点取得部１３は、エネルギー付与分布画像に基づいて、放射線検出部１１の複数の検出電極のうちのエネルギーが付与された検出電極に対応する画素である反応点（例えば、後述する図３（Ｂ）に示されるエネルギー付与ピクセル４１）を取得する処理を、入射した放射線毎に行う。
積算エネルギー量取得部１４は、入射する放射線毎に反応点の付与エネルギーの積算値である積算エネルギー量を取得する。
反応点広がり取得部１５は、放射線毎に積算エネルギー量に対する反応点の数を取得することで、積算エネルギー量に対する反応点の数の分布の広がりを取得する。
線種判定部１６は、線種判定閾値（例えば、後述する図１２に示される閾値Ｔｈ）を有し、反応点の数の分布の広がりと線種判定閾値との比較の結果に基づいて放射線の線種を判定する。線種判定部１６は、積算エネルギー量に応じて線種判定閾値を変える。
図１に示す例では、制御部２０は、放射性核種分析部１７を更に有する。放射性核種分析部１７は、線種判定部１６における放射線の線種についての判定結果及び入射した放射線の１粒子のエネルギー（以下、「固有エネルギー」とも呼ぶ。）に基づいて、当該放射線の核種を分析する。なお、制御部２０は、放射性核種分析部１７を有していなくても実現することができる。
図２（Ａ）は、実施の形態１に係る放射線分析装置１の制御部２０のハードウェア構成を概略的に示す図である。図２（Ａ）に示されるように、制御部２０は、例えば、記憶部２１と、プロセッサ２２とを用いて（例えば、コンピュータによって）実現することができる。記憶部２１は、ソフトウェアとしてのプログラムを格納する記憶装置としてのメモリ２１ａと、データベース等の各種情報を記憶する補助記憶装置２１ｂとを有する。メモリ２１ａは、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の揮発性記憶装置である。補助記憶装置２１ｂは、フラッシュメモリ等の不揮発性記憶装置である。なお、補助記憶装置２１ｂは、フラッシュメモリに限らず、ハードディスク等の記憶装置であってもよい。
プロセッサ２２は、制御部２０の機能を実現する情報処理部である。プロセッサ２２は、例えば、補助記憶装置２１ｂに格納されたプログラムを、メモリ２１ａを介して読み出して実行する。プロセッサ２２は、演算結果等のデータをメモリ２１ａ及び補助記憶装置２１ｂのうちのいずれかの記憶装置に保存する。制御部２０の一部、すなわち、画像生成部１２、反応点取得部１３、積算エネルギー量取得部１４、反応点広がり取得部１５、線種判定部１６及び放射性核種分析部１７の一部を、図２（Ａ）に示される記憶部２１と、プログラムを実行するプロセッサ２２とによって実現してもよい。また、制御部２０は、電気回路によって実現されていてもよい。
図２（Ｂ）は、実施の形態１に係る放射線分析装置１の制御部２０のハードウェア構成の他の例を概略的に示す図である。図２（Ｂ）に示されるように、制御部２０は、単一回路又は複合回路等の専用のハードウェアとしての処理回路２３を用いて実現されていてもよい。この場合、制御部２０の機能は、処理回路２３によって実現される。
次に、放射線検出部１１の構成について説明する。図３（Ａ）は、図１に示される放射線検出部１１の構成の一部を示す平面図である。放射線検出部１１は、例えば、半導体検出器である。放射線検出部１１は、複数の検出電極３０を備えた検出面１１ａ（以下、「第１の検出面１１ａ」とも呼ぶ。）を有する。複数の検出電極３０は、例えば、複数行複数列のマトリクス状に配列されている。放射線は、複数の検出電極３０に入射する。入射した放射線の粒子毎に複数の検出電極３０に付与されたエネルギーに対応する大きさの複数の電気信号が、複数の検出電極３０から出力される。
放射線検出部１１は、半導体検出器に限られず、他の構成であってもよい。放射線検出部１１は、例えば、シンチレータと、光検出器又はイメージャとを有していてもよい。シンチレータは、放射線をシンチレーション光（例えば、紫外光、可視光、赤外光等）に変換する。光検出器又はイメージャは、シンチレーション光を検出する検出電極を有する。検出電極は、検出結果を電気信号として出力する。光検出器又はイメージャは、例えば、マトリクス状に配置されている。これにより、シンチレーション光が検出された位置とシンチレーション光の分布が検出されるため、放射線の検出位置の分解能を向上させることができる。また、放射線の検出位置の分解能を一層向上させるために、シンチレーション光を光検出器に集光するレンズが更に備えられていてもよく、シンチレータの形状はＺ軸方向に伸びる柱状であってもよい。
図３（Ｂ）は、実施の形態１に係る放射線検出部１１の構成と、実施の形態１に係る画像生成部１２によって生成されたエネルギー付与分布画像Ｄ１の一例とを示す斜視図である。図３（Ｂ）では、放射線の一例としてのβ線５２が、放射線検出部１１の放射線入射面１１０に入射する例が示されている。画像生成部１２は、複数の検出電極３０から出力された複数の電気信号に基づいて、エネルギー付与分布画像Ｄ１を生成する。エネルギー付与分布画像Ｄ１は、複数の検出電極３０に対応する複数の画素４０からなる。複数の画素４０は、例えば、マトリクス状に配列されている。なお、検出電極３０から出力された電気信号が放射線検出部１１のノイズより小さい場合、画像生成部１２は、平滑フィルタ（例えば、移動平均フィルタ、ガウシアンフィルタ等）によって、エネルギー付与分布画像Ｄ１に対してノイズを低減する処理を行ってもよい。
反応点取得部１３（図１参照）は、エネルギー付与分布画像Ｄ１に基づいて、付与エネルギーが付与された検出電極３０に対応する画素であるエネルギー付与ピクセル４１（すなわち、上述した反応点）を取得する処理を行う。反応点取得部１３は、当該処理を入射した放射線毎に行う。ここで、エネルギー付与ピクセル４１とは、予め決められたエネルギー閾値より大きい付与エネルギーが検出された検出電極３０に対応する画素である。なお、エネルギー閾値は、エネルギー付与分布画像Ｄ１のノイズ量以上であることが望ましい。
図４は、実施の形態１に係る画像生成部１２によって生成されたエネルギー付与分布画像Ｄ１の他の例を示す図である。図４に示す例では、エネルギー付与分布画像Ｄ１において、第１のエネルギー付与ピクセル４１ａ及び第２のエネルギー付与ピクセル４１ｂが存在する。第１のエネルギー付与ピクセル４１ａは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に連なっている。また、図４に示す例では、第２のエネルギー付与ピクセル４１ｂは、第１のエネルギー付与ピクセル４１ａと隣接していない。言い換えれば、第１のエネルギー付与ピクセル４１ａ及び第２のエネルギー付与ピクセル４１ｂは、互いに間隔Ｅを開けて検出される。反応点広がり取得部１５（図１参照）は、間隔Ｅが予め決められた距離閾値より大きいとき、第１のエネルギー付与ピクセル４１ａに対応する検出電極３０（図３（Ａ）参照）に入射した放射線の粒子は、第２のエネルギー付与ピクセル４１ｂに対応する検出電極３０に入射した放射線の粒子と異なると判定する。
積算エネルギー量取得部１４（図１参照）は、エネルギー付与ピクセル４１（図３（Ｂ）参照）に対応する検出電極３０から出力された電気信号に基づいて、エネルギー付与ピクセル４１の付与エネルギーの積算値である積算エネルギー量を取得する。積算エネルギー量取得部１４は、入射した放射線の粒子毎に積算エネルギー量を取得する。具体的には、積算エネルギー量取得部１４は、異なる粒子由来のエネルギー付与ピクセル４１における付与エネルギーを積算する。例えば、積算エネルギー量取得部１４は、図４に示される第１のエネルギー付与ピクセル４１ａの付与エネルギーと第２のエネルギー付与ピクセル４１ｂの付与エネルギーとを区別して、積算する処理を行う。
反応点広がり取得部１５（図１参照）は、積算エネルギー量に対するエネルギー付与ピクセル４１の数（以下、「エネルギー付与ピクセル数」とも呼ぶ。）をカウントする。これにより、積算エネルギー量に対するエネルギー付与ピクセル数の分布（例えば、後述する図６に示される分布Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）の広がりを取得する。このとき、反応点広がり取得部１５は、入射した放射線の粒子毎にエネルギー付与ピクセル数を取得する。これは、エネルギー付与ピクセル数が、放射線検出部１１に対する放射線の入射角度に依存するためである。
図５（Ａ）～（Ｃ）は、エネルギー付与ピクセル数の放射線（ここでは、β線）の入射角度依存性を示す模式図である。図５（Ａ）～（Ｃ）では、説明の理解を容易にするために、エネルギー付与分布画像Ｄ１のうちＸ軸方向におけるエネルギー付与ピクセル数の入射角度依存性が示されている。
図５（Ａ）では、β線５２が、放射線検出部１１の放射線入射面１１０に第１の角度θ１で入射した例を示す。図５（Ｂ）では、β線５２が、放射線入射面１１０に第２の角度θ２で入射した例を示す。第２の角度θ２は、第１の角度θ１より小さい。図５（Ｃ）は、β線５２が、放射線入射面１１０に垂直な方向から入射した例を示す。すなわち、図５（Ｃ）におけるβ線５２の入射角度は、図５（Ｂ）に示される第２の角度θ２より小さい。図５（Ａ）～（Ｃ）に示されるように、β線５２の入射角度が小さくなるほど、エネルギー付与ピクセル数は減少し、β線５２の入射角度が大きくなるほどエネルギー付与ピクセル数は増加する。このように、β線５２の入射角度の違いによって、反応点広がり取得部１５（図１参照）が取得するエネルギー付与ピクセル数は異なる。
図６は、放射線検出部１１にβ線が入射したときの積算エネルギー量に対するエネルギー付与ピクセル数の分布Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の広がりを示すグラフである。図６に示されるグラフにおいて、横軸は積算エネルギー量であり、縦軸はエネルギー付与ピクセル数である。β線５２の入射角度が不規則である場合、同一のエネルギーのβ線５２が入射したときに取得されるエネルギー付与ピクセル数は、確率密度分布である分布Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３によって表される。
次に、線種判定部１６が、放射線の線種の判定する方法について説明する。以下の説明では、線種判定部１６が、入射した放射線が、第１の線種としてのα線及び第１の線種とは異なる第２の線種としてのβ線のいずれであるかを判定（以下、「弁別」とも呼ぶ。）する方法について説明する。なお、線種判定部１６は、α線及びγ線との弁別又はβ線及びγ線との弁別に用いられてもよい。
放射線の線種の判定を説明するにあたって、α線及びβ線のエネルギー形状の相違について説明する。図７（Ａ）は、放射線検出部１１に入射したα線５１のエネルギー形状６１を示す図である。図７（Ｂ）は、放射線検出部１１に入射したβ線５２のエネルギー形状６２を示す図である。なお、図７（Ｂ）に示されるβ線５２の固有エネルギーは、図７（Ａ）に示されるα線５１の固有エネルギーと同じである。
α線５１の電荷量は、β線５２の電荷量と異なる。また、α線５１の質量は、β線５２の質量と異なる。そのため、α線５１のエネルギー形状６１は、β線５２のエネルギー形状６２と異なる。具体的には、β線５２の飛程は長いため、エネルギー形状６２は楕円形状になり易い。一方、α線５１の１粒子のエネルギーとβ線５２の１粒子のエネルギーが同一である場合、α線５１の飛程は短いため、エネルギー形状６１はエネルギー形状６２より小さい円形になる。
図８は、比較例に係る放射線分析装置における放射線の線種を判定する方法を示すグラフである。比較例に係る放射線分析装置は、放射線の線種を判定するための線種判定閾値Ｔｈａが、積算エネルギー量に関わらず、一定である点で実施の形態１に係る放射線分析装置１と異なる。図８に示されるグラフにおいて、横軸は積算エネルギー量であり、縦軸はエネルギー付与ピクセル数である。また、図８に示されるグラフにおいて、一点鎖線で示される分布Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３は、α線５１（図７（Ａ）参照）が入射したときの積算エネルギー量Ｅ１～Ｅ３に対するエネルギー付与ピクセル数の確率密度分布であり、実線で示される分布Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は、β線５２（図７（Ｂ）参照）が入射したときの積算エネルギー量Ｅ１～Ｅ３に対するエネルギー付与ピクセル数の確率密度分布である。
上述したように、α線５１の固有エネルギーとβ線５２の固有エネルギーとが同じである場合、α線５１のエネルギー形状６１は、β線５２のエネルギー形状６２より小さい（図７（Ａ）及び（Ｂ）参照）。すなわち、α線５１が入射したときに取得される積算エネルギー量が、β線５２が入射したときに取得される積算エネルギー量と同じである場合、分布Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の広がりは、分布Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の広がりより狭くなる。そのため、例えば、積算エネルギー量Ｅ３が取得された場合、図８に示される線種判定閾値Ｔｈａが設定されることで、入射した放射線がα線及びβ線のうちのいずれの線種であるかを判定することができる。
放射線のエネルギー形状は、放射線検出部における放射線の深さ方向の付与エネルギーの分布である。そのため、放射線の入射深さによって、放射線のエネルギー形状は異なる。図９は、放射線検出部１１における放射線の入射深さの定義を説明する模式図である。図９に示されるように、「入射深さ」とは、放射線（ここでは、β線５２）が放射線検出部１１の放射線入射面１１０に垂直な方向（すなわち、Ｚ軸方向）に入射したときに、電気信号が検出されたＺ軸方向の位置である。
図１０（Ａ）は、α線の入射深さと付与エネルギーとの関係を示すグラフである。図１０（Ｂ）は、β線の入射深さと付与エネルギーとの関係を示すグラフである。図１０（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように、α線、β線のそれぞれの固有エネルギーの値に応じて、α線、β線のそれぞれの入射深さが異なる。具体的には、固有エネルギーが大きくなるほど、α線及びβ線は、放射線検出部１１（図９参照）に深く侵入する。
例えば、放射線検出部１１がＣｓＩ（ヨウ化セシウム）シンチレータを有し、α線及びβ線のそれぞれが当該ＣｓＩシンチレータに付与する付与エネルギーが概ね同じである場合、α線が入射したときの発光量は、β線が入射したときの発光量の約２／３倍となる。すなわち、３МｅＶのα線が入射したときの発光量は、２МｅＶのβ線が入射したときの発光量と概ね同じである。
ここで、ＣｓＩシンチレータの発光量と積算エネルギー量とは正の相関がある。そのため、３МｅＶのα線が入射したときに取得される積算エネルギー量と２МｅＶのβ線が入射したときに取得される積算エネルギー量とは概ね同じである。しかしながら、３МｅＶのα線の入射深さは、２МｅＶのβ線の入射深さより浅いため、エネルギー付与ピクセル数に相違が生じる。よって、エネルギー付与ピクセル数について適切な線種判定閾値が設定されることで、３МｅＶのα線と２МｅＶのβ線とを弁別することができる。
しかしながら、入射したβ線の固有エネルギーが小さい場合、すなわち、β線が入射したときに取得される積算エネルギー量が小さい場合、エネルギー付与ピクセル数が減少する。例えば、図８に示される積算エネルギー量Ｅ１が取得された場合、一定の線種判定閾値Ｔｈａが用いられる比較例に係る放射線分析装置では、入射したβ線をα線と誤って判定するおそれがある。
図１１は、図１０（Ｂ）に示される０．１МｅＶのβ線の入射深さと付与エネルギーとの関係を示すグラフである。図１１に示されるように、β線の固有エネルギーが０．１МｅＶである場合、放射線検出部１１内におけるβ線の入射深さは、０．０４ｍｍである。一方、上述した図１０（Ａ）に示されるように、α線の固有エネルギーが１．５МｅＶである場合、放射線検出部１１内におけるα線の入射深さも０．０４ｍｍである。すなわち０．１МｅＶのβ線が入射したときに取得されるエネルギー付与ピクセル数と１．５МｅＶのα線が入射したときに取得されるエネルギー付与ピクセル数と概ね同じとなる。よって、比較例に係る放射線分析装置では、０．１МｅＶのβ線と１．５МｅＶのα線とを弁別することができない。
図１２は、実施の形態１に係る放射線分析装置１における放射線の線種を判定する方法を示すグラフである。図１２に示されるグラフにおいて、横軸は積算エネルギー量であり、縦軸はエネルギー付与ピクセル数である。図１２に示されるように、線種判定閾値としての閾値Ｔｈは、積算エネルギー量に応じて変わる。具体的には、閾値Ｔｈは、積算エネルギー量が大きいほど、大きい値に設定される。図１２に示す例では、閾値Ｔｈは、積算エネルギー量に比例して大きくなる。
線種判定部１６（図１参照）は、積算エネルギー量取得部１４によって取得された積算エネルギー量に応じて閾値Ｔｈを変える。よって、同線種の放射線であっても、積算エネルギー量に応じて他の線種の放射線との弁別に用いられる閾値Ｔｈが変わる。例えば、上述した積算エネルギー量が小さい０．１МｅＶのβ線（図１１参照）が放射線検出部１１（図１参照）に入射した場合、線種判定部１６が積算エネルギー量に応じて閾値Ｔｈを小さい値に設定することで、当該β線を１．５МｅＶのα線（図１０（Ａ）参照）と誤判定する確率を低減することができる。したがって、α線とβ線との判定精度を向上させることができる。
また、線種判定部１６は、分布Ｑ１～Ｑ３、Ｐ１～Ｐ３の代表点におけるエネルギー付与ピクセル数と閾値Ｔｈとの比較の結果に基づいて入射した放射線の線種を判定する。例えば、積算エネルギー量Ｅ３が取得された場合、線種判定部１６は、分布Ｑ３、Ｐ３の代表点Ａ１、Ａ２におけるピクセル数Ｎ１、Ｎ２と閾値Ｔｈとを比較することで、入射した放射線の線種を判定する。図１２に示す例では、代表点Ａ１、Ａ２は、分布Ｑ３、Ｐ３におけるピーク値（すなわち、極大点）である。なお、代表点Ａ１、Ａ２は極大点に限らず、分布Ｑ３、Ｐ３における予め決められた位置の点であればよい。
ピクセル数Ｎ１は閾値Ｔｈより小さいため、線種判定部１６は、入射した放射線の線種をα線と判定する。また、ピクセル数Ｎ２は閾値Ｔｈより大きいため、線種判定部１６は、入射した放射線の線種をβ線と判定する。
積算エネルギー量と閾値Ｔｈとの関係は、予め決められている。例えば、α線の放射線源及びβ線の放射線源を用いて、α線及びβ線のそれぞれについてのエネルギー付与ピクセル数の確率密度分布を実験によって算出し、誤判定確率が最も小さい閾値Ｔｈを設定することが望ましい。ここで、当該確率密度分布を実験によって算出する場合には、放射線検出部１１と検出対象物との間の距離を実際に測定する際の距離と対応づけておくことが望ましい。また、実験に用いられる検出対象物の形状も実際の測定時に想定される検出対象物の形状と対応づけておくことが望ましい。例えば、スミア法によって、ろ紙に付着した放射性物質の各種データの測定を行う場合には、放射線源として面線源を用いて分布を算出することが望ましい。また、実験によって算出された複数の測定位置における積算エネルギー量に対する線種判定閾値をスプライン近似又は適切な関数で表される近似によって、連続的な値として導出しておくことが望ましい。
〈放射線分析装置の動作〉
次に、放射線分析装置１の動作について説明する。図１３は、放射線分析装置１の動作を示すフローチャートである。先ず、ステップＳＴ１において、放射線検出部１１から画像生成部１２に電気信号が入力される。
ステップＳＴ２において、画像生成部１２は、入力された電気信号に基づいて複数の画素４０からなるエネルギー付与分布画像Ｄ１を生成する。
ステップＳＴ３において、反応点取得部１３は、エネルギー付与分布画像Ｄ１の複数の画素４０のうちエネルギー付与ピクセル４１を取得する。
ステップＳＴ４において、積算エネルギー量取得部１４は、入射した放射線毎に積算エネルギー量を取得する。
ステップＳＴ５において、反応点広がり取得部１５は、積算エネルギー量に対するエネルギー付与ピクセル数の分布Ｐ１～Ｐ３、Ｑ１～Ｑ３の広がりを取得する。
ステップＳＴ６において、線種判定部１６は、ステップＳＴ４によって取得された積算エネルギー量に応じて閾値Ｔｈを設定する。
ステップＳＴ７において、線種判定部１６は、分布Ｐ１～Ｐ３、Ｑ１～Ｑ３のそれぞれの代表点Ａ１、Ａ２におけるエネルギー付与ピクセル数が閾値Ｔｈより小さいか否かを判定し、当該エネルギー付与ピクセル数が閾値Ｔｈより小さい場合（すなわち、ステップＳＴ７において、判定がＹｅｓの場合）、入射した放射線をα線と判定し、処理を終了する。また、ステップＳＴ７において、代表点Ａ１、Ａ２におけるエネルギー付与ピクセル数が閾値Ｔｈ以上である場合（すなわち、ステップＳＴ７において、判定がＮｏの場合）、入射した放射線をβ線と判定し、処理を終了する。
〈実施の形態１の効果〉
以上に説明した実施の形態１によれば、反応点広がり取得部１５は、入射した放射線毎に積算エネルギー量に対するエネルギー付与ピクセル数を取得することで、積算エネルギー量に対するエネルギー付与ピクセル数の分布Ｐ１～Ｐ３、Ｑ１～Ｑ３の広がりを取得する。また、線種判定部１６は、当該分布Ｐ１～Ｐ３、Ｑ１～Ｑ３の代表点におけるエネルギー付与ピクセル数と閾値Ｔｈとの比較の結果に基づいて入射した放射線の線種を判定する。すなわち、１粒子毎に放射線の線種の判定が行われる。これにより、検出対象物から線種の異なる複数の放射線が放出された場合であっても、放射線分析装置１は、入射した放射線の線種を判定することができる。
また、実施の形態１によれば、線種判定部１６は、積算エネルギー量に応じて放射線の線種を判定するための閾値Ｔｈを変える。よって、同線種の放射線であっても、積算エネルギー量に応じて他の線種の放射線との弁別に用いられる閾値Ｔｈが変わる。よって、放射線の線種の判定精度を向上させることができる。
また、実施の形態１によれば、線種の異なる複数の放射線が放射線検出部１１に入射したときに出力された複数の電気信号の波形に差異が無い場合又は当該差異が小さい場合であっても、エネルギー付与ピクセル数の分布の広がりと積算エネルギー量とに基づいて、放射線の線種を判定することができる。
また、実施の形態１によれば、線種の異なる複数の放射線が放射線検出部１１に入射したときに取得された複数のエネルギー付与ピクセル数の分布に差異が無い場合又は当該差異が小さい場合であっても、線種判定部１６が積算エネルギー量に応じて閾値Ｔｈを変えることで、放射線の線種を判定することができる。
また、実施の形態１によれば、線種の異なる複数の放射線が放射線検出部１１に入射したときに当該複数の放射線のそれぞれの付与エネルギーに差異が無い場合又は当該差異が小さい場合であっても、エネルギー付与ピクセル数の分布の広がりに基づいて放射線の線種を判定することができる。
また、実施の形態１によれば、反応点広がり取得部１５は、エネルギー付与分布画像Ｄ１内の第１のエネルギー付与ピクセル４１ａと第２のエネルギー付与ピクセル４１ｂとの間の距離が予め決められた距離閾値より大きいとき、第１のエネルギー付与ピクセル４１ａに対応する検出電極３０に入射した放射線の粒子は、第２のエネルギー付与ピクセル４１ｂに対応する検出電極３０に入射した放射線の粒子と異なると判定する。これにより、入射した放射線の粒子毎のエネルギー付与ピクセル数の分布の広がりと積算エネルギー量とを取得することができる。
《実施の形態２》
図１４は、実施の形態２に係る放射線分析装置２の構成を示すブロック図である。図１４において、図１に示される構成要素と同一又は対応する構成要素には、図１に示される符号と同じ符号が付される。実施の形態２に係る放射線分析装置２は、画像生成部２１２において、異なる平面の２つのエネルギー付与分布画像（すなわち、第１の画像Ｄ１１、第２の画像Ｄ１２）が生成される点で、実施の形態１に係る放射線分析装置１と相違する。これ以外の点については、実施の形態２に係る放射線分析装置２は、実施の形態１に係る放射線分析装置１と同じである。
図１４に示されるように、放射線分析装置２は、放射線検出部２１１と、制御部２２０とを有する。制御部２２０は、画像生成部２１２と、反応点取得部２１３と、積算エネルギー量取得部１４と、反応点広がり取得部２１５と、反応点広がり合成部２１８と、線種判定部１６とを有する。なお、図１４では、図１に示される放射性核種分析部１７の図示を省略している。
図１５（Ａ）及び（Ｂ）は、実施の形態２に係る放射線検出部２１１の構成の一部を示す平面図である。図１５（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように、放射線検出部２１１は、第１の検出面としての第１の検出面１１ａと、第２の検出面としての第２の検出面１１ｂとを有する。第１の検出面１１ａは、上述した図３（Ｂ）に示される放射線入射面１１０に平行な面（すなわち、ＸＹ平面）である。第２の検出面１１ｂは、放射線入射面１１０に直交する平面（ここでは、ＹＺ平面）である。すなわち、第１の検出面１１ａ及び第２の検出面１１ｂは互いに直交している。
第１及び第２の検出面１１ａ、１１ｂは、マトリクス状に配列された複数の検出電極３０ａ、３０ｂをそれぞれ有する。複数の検出電極３０ａ、３０ｂにおける付与エネルギーに対応する大きさの電気信号が画像生成部２１２に出力される。入射した放射線の１粒子の付与エネルギーは、例えば、第１の検出面１１ａ及び第２の検出面１１ｂにおいて同時に検出される。
図１４に戻って、画像生成部２１２の構成について説明する。画像生成部２１２は、第１の画像生成部２１２ａと、第２の画像生成部２１２ｂとを有する。
第１の画像生成部２１２ａは、複数の検出電極３０ａから出力された複数の電気信号に基づいて、エネルギー付与分布画像としての第１の画像を生成する。
図１５（Ｃ）は、第１の画像生成部２１２ａによって生成された第１の画像Ｄ１１の一例を示す図である。図１５（Ｃ）に示されるように、第１の画像Ｄ１１は、放射線入射面１１０（すなわち、ＸＹ平面）に平行な方向に配列された複数の第１の画素４０ａからなる。
第２の画像生成部２１２ｂは、複数の検出電極３０ａから出力された複数の電気信号に基づいて、エネルギー付与分布画像としての第２の画像を生成する。
図１５（Ｄ）は、第２の画像生成部２１２ｂによって生成された第２の画像Ｄ１２の一例を示す図である。図１５（Ｄ）に示されるように、第２の画像Ｄ１２は、放射線入射面１１０に直交する面（すなわち、ＹＺ平面）に平行な方向に配列された複数の第２の画素４０ｂからなる。
このように、実施の形態２では、画像生成部２１２において、２つのエネルギー付与分布画像（すなわち、第１の画像Ｄ１１及び第２の画像Ｄ１２）が生成される。なお、放射線検出部２１１がシンチレータを有する場合、当該シンチレータが発したシンチレータ光に基づいて異なる平面のエネルギー付与分布画像が取得されるように、当該放射線検出部２１１は集光レンズを有していてもよい。この場合、放射線検出部２１１は、複数行複数列のマトリクス状に配置された検出電極３０ａ、３０ｂは、光検出部又はイメージャに備えられていてもよい。
反応点取得部２１３は、第１の反応点取得部２１３ａと、第２の反応点取得部２１３ｂとを有する。第１の反応点取得部２１３ａは、第１の画像Ｄ１１に基づいて、エネルギーが付与された検出電極３０ａに対応するエネルギー付与ピクセル４１を取得する処理を、入射する放射線毎に行う。第２の反応点取得部２１３ｂは、第２の画像Ｄ１２に基づいて、エネルギーが付与された検出電極３０ｂに対応するエネルギー付与ピクセル４２を取得する処理を、入射する放射線毎に行う。
積算エネルギー量取得部１４は、例えば、エネルギー付与ピクセル４１に対応する検出電極３０ａから出力された電気信号及びエネルギー付与ピクセル４２に対応する検出電極３０ｂから出力された電気信号のうちのいずれか一方の電気信号に基づいて、積算エネルギー量を取得する。なお、積算エネルギー量取得部１４は、１組のエネルギー付与分布画像（すなわち、第１の画像Ｄ１１及び第２の画像Ｄ１２）に基づいて算出された積算エネルギー量の平均値を取得してもよい。
反応点広がり取得部２１５は、第１の広がり取得部２１５ａと、第２の広がり取得部２１５ｂとを有する。第１の広がり取得部２１５ａは、積算エネルギー量に対するエネルギー付与ピクセル４１の数の分布の広がりを取得する。第２の広がり取得部２１５ｂは、積算エネルギーに対するエネルギー付与ピクセル４２の数の分布の広がりを取得する。
反応点広がり合成部２１８は、エネルギー付与ピクセル４１の数の分布の広がりとエネルギー付与ピクセル４２の数の分布の広がりとを合成する。これにより、実施の形態２では、エネルギー付与ピクセル数の分布の広がり情報が３次元情報として取得される。このとき、エネルギー付与ピクセル数は、第１の画像Ｄ１１から取得されたエネルギー付与ピクセル数と第２の画像Ｄ１２から取得されたエネルギー付与ピクセル数との２乗和又は当該２乗和の平方根である。
ここで、第１の画像Ｄ１１及び第２の画像Ｄ１２内には、複数の粒子によってエネルギーが付与されたエネルギー付与ピクセルが含まれる場合がある。そのため、第１の画像Ｄ１１内のエネルギー付与ピクセル４１のＹ軸方向の位置と第２の画像Ｄ１２内のエネルギー付与ピクセル４２のＹ軸方向の位置とが同じである場合、反応点広がり合成部２１８は、当該エネルギー付与ピクセル４１とエネルギー付与ピクセル４２は、同一の粒子から付与エネルギーが付与されたと判定する。また、放射線検出部２１１は、３次元のエネルギー付与分布画像を取得可能な検出器である場合、当該３次元のエネルギー付与分布画像に基づいてエネルギー付与ピクセル数の分布の広がりについての３次元の情報が取得されるため、放射線分析装置２は反応点広がり合成部２１８を有していなくても実現することができる。
線種判定部１６は、反応点広がり合成部２１８によって合成されたエネルギー付与ピクセル数の分布の広がりと線種判定閾値Ｔｈとの比較の結果に基づいて放射線の線種を判定する。
図１６は、実施の形態２に係る放射線分析装置２における放射線の線種を判定する方法を示すグラフである。図１６に示されるグラフにおいて、横軸は積算エネルギー量であり、縦軸はエネルギー付与ピクセル数である。また、図１６に示されるグラフにおいて、分布Ｐ２１～Ｐ２３は、β線が入射したときのエネルギー付与ピクセル数の確率密度分布である。図１６に示されるように、分布Ｐ２１～Ｐ２３の広がりは、図１２に示される分布Ｐ１～Ｐ３の広がりよりも狭い。また、分布Ｑ２１～Ｑ２３は、α線が入射したときのエネルギー付与ピクセル数の確率密度分布である。分布Ｑ２１～Ｑ２３の広がりは、図１２に示される分布Ｑ１～Ｑ３の広がりよりも狭い。すなわち、実施の形態２に係る放射線分析装置２では、エネルギー付与ピクセル数のばらつきが小さい。これにより、実施の形態２では、放射線の線種の判定精度を一層向上させることができる。
上述した実施の形態１で説明したように、エネルギー付与ピクセル数は放射線の入射角度に依存する。そのため、入射した放射線の線種が同じであり、且つ固有エネルギーが同じであった場合でも、実施の形態１では、エネルギー付与ピクセル数の確率密度分布（例えば、図１２に示される分布Ｐ１～Ｐ３、Ｑ１～Ｑ３）は広がりを持った分布となる。特に、β線が入射するとき、放射線検出部１１に対するβ線の入射角度が小さければ、エネルギー付与ピクセル数は少なくなる。このとき、入射したβ線をα線と誤って判定するおそれがある。
実施の形態２では、上述したように、第１の画像Ｄ１１と第２の画像Ｄ１２とによって、エネルギー付与分布画像が３次元の画像として取得される。そして、第１の画像Ｄ１１及び第２の画像Ｄ１２に基づいて、エネルギー付与ピクセル数の分布の広がり情報が３次元情報として取得される。よって、エネルギー付与ピクセル数のばらつきを少なくすることができ、放射線の線種の判定精度を一層向上させることができる。
〈実施の形態２の効果〉
以上に説明した実施の形態２によれば、放射線検出部２１１は、第１の検出面１１ａと、第１の検出面１１ａに直交する第２の検出面１１ｂとを有する。また、エネルギー付与分布画像は、第１の検出面１１ａの複数の検出電極３０ａに対応する複数の第１の画素４０ａからなる第１の画像Ｄ１１と、第２の検出面１１ｂの複数の検出電極３０ｂに対応する複数の第２の画素４０ｂからなる第２の画像Ｄ１２とを含む。第１の画像Ｄ１１と第２の画像Ｄ１２とによって、エネルギー付与分布画像が３次元の画像として取得される。よって、エネルギー付与ピクセル数のばらつきを少なくすることができ、放射線の線種の判定精度を一層向上させることができる。
《実施の形態３》
図１７は、実施の形態３に係る放射線分析装置の放射線検出部３１１の概略的な構成と、実施の形態３に係る画像生成部によって生成されたエネルギー付与分布画像Ｄ１の一例とを示す模式図である。図１７において、図３に示される構成要素と同一又は対応する構成要素には、図３に示される符号と同じ符号が付される。実施の形態３に係る放射線分析装置は、放射線検出部３１１にコリメータ７０が備えられる点で、実施の形態１に係る放射線分析装置１と相違する。これ以外の点については、実施の形態３に係る放射線分析装置は、実施の形態１に係る放射線分析装置１と同じである。そのため、以下の説明では、図１を参照する。
図１７に示されるように、放射線検出部３１１は、複数のコリメータ７０を更に有する。コリメータ７０は、検出面１１ａに平行に配置され、当該検出面１１ａに対する放射線（例えば、β線５２）の入射角度を制限する。複数のコリメータ７０は、互いに平行に配置されている。これにより、放射線検出部３１１に入射するβ線５２は、コリメータ７０によって平行化される。よって、β線５２が検出面１１ａに直交する方向から入射することを防止できる。言い換えれば、反応点取得部１３（図１参照）によって取得されるエネルギー付与ピクセル数が少なくなる放射線の粒子の入射を防止することができる。コリメータ７０は、放射線（例えば、β線５２）を遮蔽可能な素材から形成されている。また、コリメータ７０は、放射線（例えば、β線５２）を遮蔽可能な厚みを有する。
図１８は、実施の形態３に係る放射線分析装置における放射線の線種を判定する方法を示すグラフである。図１８に示されるグラフにおいて、横軸は積算エネルギー量であり、縦軸はエネルギー付与ピクセル数である。また、図１８に示されるグラフにおいて、分布Ｐ３１～Ｐ３３は、β線が入射したときのエネルギー付与ピクセル数の確率密度分布である。
図１８に示されるように、分布Ｐ３１～Ｐ３３の広がりは、図１２に示される分布Ｐ１～Ｐ３の広がりよりも狭い。また、分布Ｑ３１～Ｑ３３は、α線が入射したときのエネルギー付与ピクセル数の確率密度分布である。分布Ｑ３１～Ｑ３３の広がりは、図１２に示される分布Ｑ１～Ｑ３の広がりよりも狭い。すなわち、実施の形態３では、エネルギー付与ピクセル数のばらつきが低減される。これは、放射線検出部３１１にコリメータ７０が備えられていることによって、取得されるエネルギー付与ピクセルの数が少なくなるような放射線の入射が防止されているためである。よって、実施の形態３では、放射線の線種の判定精度を一層向上させることができる。
〈実施の形態３の効果〉
以上に説明した実施の形態３によれば、放射線検出部３１１は、検出面１１ａに平行に配置されて検出面１１ａに対する放射線の入射角度を制限するコリメータ７０を有する。これにより、反応点広がり取得部１５によって取得されるエネルギー付与ピクセル数の分布Ｐ３１～Ｐ３３、Ｑ３１～Ｑ３３の広がりが狭くなる。すなわち、エネルギー付与ピクセル数のばらつきが低減される。よって、放射線の線種の判定精度を一層向上させることができる。
１、２ 放射線分析装置、 １１、２１１、３１１ 放射線検出部、 １１ａ 第１の検出面、 １１ｂ 第２の検出面、 １２、２１２ 画像生成部、 １３、２１３ 反応点取得部、 １４ 積算エネルギー量取得部、 １５、２１５ 反応点広がり取得部、 １６ 線種判定部、 １７ 放射性核種分析部、 ３０、３０ａ、３０ｂ 検出電極、 ４０ 画素、 ４０ａ 第１の画素、 ４０ｂ 第２の画素、 ４１、４１ａ、４１ｂ エネルギー付与ピクセル、 ５１ α線、 ５２ β線、 ７０ コリメータ、 Ａ１、Ａ２ 代表点、 Ｅ 間隔、 Ｄ１ エネルギー付与分布画像、 Ｄ１１ 第１の画像、 Ｄ１２ 第２の画像、 Ｎ１、Ｎ２ ピクセル数、 Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ２３、Ｐ３１、Ｐ３２、Ｐ３３、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ２１、Ｑ２２、Ｑ２３、Ｑ３１、Ｑ３２、Ｑ３３ 分布、 Ｔｈ 線種判定閾値。

Claims (8)

  1. 複数の検出電極を備えた１つ以上の検出面を有し、入射した放射線の粒子毎に前記複数の検出電極に付与されたエネルギーに対応する大きさの複数の電気信号が前記複数の検出電極から出力される、放射線検出部と、
    前記複数の検出電極から出力された前記複数の電気信号に基づいて、前記複数の検出電極に対応する複数の画素からなるエネルギー付与分布画像を生成する画像生成部と、
    前記エネルギー付与分布画像に基づいて、前記複数の検出電極のうちの前記エネルギーが付与された検出電極に対応する画素である反応点を取得する処理を、入射した放射線毎に行う反応点取得部と、
    前記反応点に対応する検出電極から出力された電気信号に基づいて、前記入射した放射線毎に前記反応点の前記エネルギーの積算値である積算エネルギー量を取得する積算エネルギー量取得部と、
    前記入射した放射線毎に前記積算エネルギー量に対する前記反応点のピクセル数を取得することで、前記積算エネルギー量に対する前記ピクセル数の分布の広がりを取得する反応点広がり取得部と、
    線種判定閾値を有し、前記分布の代表点における前記ピクセル数と前記線種判定閾値との比較の結果に基づいて前記入射した放射線の線種を判定する線種判定部と
    を備え、
    前記線種判定部は、前記積算エネルギー量に応じて前記線種判定閾値を変える、
    ことを特徴とする放射線分析装置。
  2. 前記線種判定閾値は、前記積算エネルギー量が大きいほど、大きい値に設定される、
    ことを特徴とする請求項１に記載の放射線分析装置。
  3. 前記線種判定部は、
    前記代表点における前記ピクセル数が前記線種判定閾値より小さいとき、前記放射線の線種は第１の線種であると判定し、
    前記代表点における前記ピクセル数が前記線種判定閾値以上であるとき、前記放射線の線種は前記第１の線種と異なる第２の線種であると判定する、
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線分析装置。
  4. 前記反応点広がり取得部は、予め決められたエネルギー閾値以上の前記エネルギーが付与された前記検出電極に対応する前記画素を前記反応点として取得する、
    ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の放射線分析装置。
  5. 前記エネルギー付与分布画像において互いに間隔を開けて検出された前記反応点である第１及び第２の反応点が存在する場合、
    前記反応点広がり取得部は、前記間隔が予め決められた距離閾値より大きいとき、前記第１の反応点に対応する検出電極に前記入射した放射線の粒子は、前記第２の反応点に対応する検出電極に前記入射した放射線の粒子と異なると判定する、
    ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の放射線分析装置。
  6. １つ以上の検出面は、第１の検出面及び前記第１の検出面に直交する第２の検出面であり、
    前記エネルギー付与分布画像は、前記第１の検出面の前記複数の検出電極に対応する前記複数の画素である複数の第１の画素からなる第１の画像と、前記第２の検出面の前記複数の検出電極に対応する前記複数の画素である複数の第２の画素からなる第２の画像とを含む、
    ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の放射線分析装置。
  7. 前記放射線検出部は、前記検出面に平行に配置されて前記検出面に対する前記放射線の入射角度を制限するコリメータを更に有する、
    ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の放射線分析装置。
  8. 前記線種判定部における前記放射線の線種についての判定結果及び前記放射線の前記エネルギーに基づいて、前記放射線の核種を分析する放射性核種分析部を更に有する、
    ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の放射線分析装置。
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