JPH0523635B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般に容量性放射線検出器に関するも
のであり、更に詳しくは放射線検出のために空気
等価壁空胴電離箱を用いるマイクロプロセツサ制
御式の放射線センサに関するものである。

発明の背景 従来技術では透過性電磁放射線を測定するため
の非常に多様な計器が存在している。たとえば、
ガイガー・ミユラー計数管、シンチレーシヨン検
出器、写真感光乳剤、種々の電離箱等である。こ
れらの一般的な型の放射線検出器にはそれぞれい
くつかの形式があり、そのスペクトル応答特性の
感度はそのクラス全体の中で大幅に変る。ある特
定の計器の正確な測定能力には必らず制約があ
り、すべての用途に満足のいく一般的な方法は考
案されていなかつた。これが非常に多様な計器が
提供されている一つの理由である。

電離箱の中でもいわゆる空気等価壁電離箱が最
も満足のいくものである。このような電離箱は、
体積電離が、電離箱の容積に無関係であつて、電
離箱の中のガス濃度に比例し、壁材の単位体積当
りに吸収される光エネルギに比例し、二次の電子
に対する壁材の阻止能に逆比例するものである。
原子番号が空気の平均に近い材料で構成された壁
はこれらの規準を満たす。このような材料として
はたとえば黒鉛、ルサイト、ベークライト、ベリ
リウム等がある。

市販されている多数の線量計では放射線センサ
の設計に空気等壁空胴電離箱の原理を使つてい
る。積分型または容量型の電離箱はこの種類に入
る。典型的には、既知のキヤパシタンスを持つ空
気壁コンデンサに既知の電圧を印加することによ
つて該コンデンサを充電する。次に、充電したコ
ンデンサを放射線に曝して、放射線によつて、密
封されたガスの一部を電離させ、コンデンサをゆ
つくり放電させる。所定時間の被曝の後、残つて
いる電荷を典型的には高インピーダンスの電位計
を使つて電子的に測定し、累積された線量を推定
する。

米国特許第3984690号にはこのようなコンデン
サと結合した電流測定装置が開示されており、こ
の装置ではコンデンサを通る電流に基いて線量率
が求められて周期的に更新される。この装置では
電離箱を通る電流の値にほぼ比例する周波数でパ
ルスを発生するアナログ・デイジタル変換器を使
用している。

発明の要約 本発明による線量計は、１つの半導体チツプ上
の大規模集積（LSI）に適した改良された回路を
含む。その結果得られる個人線量計は非常に持ち
運びが容易であるだけでなく、製造が容易で経済
的である。

装置の電源として交換可能な電池を使い、電池
電圧が低下した場合に明瞭な早期警報を出すよう
に装置を構成することによつて、取り扱いが更に
簡単になる。センサ、電子回路、電源、表示装
置、および可聴警報素子のパツケージ全体を普通
の腕時計に似たパツケージに含めることができ
る。

本発明による線量計は、放射線検出用として複
数の空気等価壁電離箱コンデンサを使用する。こ
れらのコンデンサの個々の動作はこのような放射
線センサにおける普通の動作と同じである。すな
わち、電池によつて正負の電荷をコンデンサの対
向する極板にそれぞれ与え、次いでこのコンデン
サを放射線が存在する環境に曝す。入射放射線は
コンデンサにあたつて、上記の極板を隔てている
誘電体の一部を一時的に電離する。このような電
離によつて、対向する極板の電荷が互いに一部漏
洩する。したがつて、極板間の電位差は入射放射
線に比例して下がる。本発明の１つの重要な特徴
は単一の空胴のまわりに３つの容量性領域を設け
た電離箱の構成であり、この構成は計器全体の信
頼性に大きく貢献する。

各コンデンサは線量計の電源、負荷抵抗、およ
び各コンデンサに専用の、選択的に作動し得るス
イツチ素子と直列に接続される。更に、負荷抵抗
の両端間には電圧閾値検出器が設けられる。各コ
ンデンサは上記素子によつて形成された回路にス
イツチにより順次、繰り返し接続される。通常の
動作では、各コンデンサはスイツチにより回路に
接続される前に部分的に放電する。次に電源から
回路を介して瞬間的な電流サージが流れてコンデ
ンサを再充電する。この電流サージは負荷抵抗の
両端間に現われる瞬間的な電圧として反映され
る。この電圧のピーク値は再充電回路に接続され
る前にコンデンサが放電していた程度を反映す
る。

アナログ・デイジタル（Ａ／Ｄ）変換器は閾値
検出器からの周期的な電圧を読み取つて、デー
タ・プロセツサにデータ入力を与える。データ・
プロセツサには、ピーク電圧データを線量率に変
換し、また累積された線量を追跡するための適当
なプログラミングが設けられる。

データ・プロセツサには更にそれ自身の正しい
動作を保証できるようにする適当なプログラミン
グも設けられる。放射線の存在する環境では半導
体電子装置の寿命が有限であるという事実に対し
て配慮がなされる。

したがつて本発明の１つの目的は大規模集積
（LSI）に適した簡単な回路で線量率の計数と累
積線量の測定を行なうことである。

本発明のもう１つの目的は正確で信頼できる個
人の線量測定データを得るための冗長な空気等価
壁コンデンサ・センサをそなえた耐放射線性のマ
イクロエレクトロニクス集積パツケージを提供す
ることである。

本発明の更にもう１つの目的はマイクロプロセ
ツサに冗長なセンサ信号を与えることにより、装
置の動作状態を実時間で評価し、動作ステータス
が許容できない場合には警報を出すか他の手段で
表示を行なうことである。

本発明の更にもう１つの目的はマイクロコンピ
ユータ・ハイブリツド回路を用いることにより、
冗長なセンサが受けた放射線の線量率を実時間で
検出し測定し表示することである。

本発明の更にもう１つの目的は電池電圧の変
動、漏れ電流、および背景放射線の影響を検出し
測定し是正するように構成された放射線検出器を
提供することである。

本発明の更にもう１つの目的は低コストの自動
化された大量生産に適し、被曝する人間の四肢に
容易に装着できる、コンパクトで堅固な信頼性の
あるパツケージにして集積回路および電離箱を提
供することである。

本発明の上記の目的および他の目的は添付の図
面を参照した以下の詳細な説明によつて明らかと
なろう。

発明の詳細な説明 図面の第１図には本発明の原理に従つて構成さ
れた線量計の概略回路が示されている。集積回路
チツプ１０には回路の基本的電子素子が大規模集
積（LSI）により形成されている。チツプの外側
にはチツプに接続された、三重センサ２０、交換
可能な電源３０、液晶表示装置４０、可聴警報器
５０、およびコンデンサ６０が設けられている。

チツプ上にはマイクロプロセツサまたはマイク
ロコンピユータ１２が含まれていて、これは線量
率と線量を計算し、操作者または装着者の要求に
応じて線量率と線量に関する出力データを発生
し、線量計の動作の正確さを監視し、放射線測定
プロセスを制御する。作動線によりマイクロコン
ピユータ１２は液晶表示装置４０と可聴警報器５
０に結合される。液晶表示装置４０と警報器５０
は通常のものである。個別の制御線１６２，１６
４，１６６および１６８によりマイクロコンピユ
ータ１２は電子スイツチ６２，６４，６６および
６８にそれぞれ結合される。したがつて、これら
のスイツチは各々個別に動作させることができ
る。

電源３０は電池のような定電圧電源とすること
が好ましいが、その正側端子は負荷抵抗１８を介
して各電子スイツチの入力端子に結合される。電
源の負側端子はアースまたは共通線８０に接続さ
れている。電子スイツチ６２の出力端子もコンデ
ンサ６０を介してアース８０に接続されている。
電子スイツチ６４，６６および６８の出力端子は
三重センサ２０の中の容量性センサ２４，２６お
よび２８の陽極にそれぞれ接続されている。三重
のセンサは陰極が別々の等価回路で表わされてい
るが、センサ２４，２６および２８の陰極をアー
ス８０に接続した共通金属素子としてもよい。独
立の電源によりチツプ１０上の他の基本的電子回
路に給電する。（この電源は通常のものであり、
図示していない。） 負荷抵抗１８の両端間には電圧閾値検出器
（VTD）１６が接続される。検出された電圧に比
例する信号が検出器１６からアナログ・デイジタ
ル変換器１４に送出される。したがつてアナロ
グ・デイジタル変換器１４からはデイジタル形式
の検出電圧がデータ線２２を介してマイクロコン
ピユータ１２に送られ処理される。

電圧閾値検出器１６は米国のアナログ・デバイ
シズ（ANALOG DEVICES）社の品番AD582の
ようなサンプル・ホールド機能を有する集積回路
とすることができる。

線量計の電子回路と共に使うように構成された
三重センサ２０を第２図に断面で示してある。金
属陰極７０は機械加工により浅い平なべ状の円板
に形成され、その隆起した縁が円板の一方の面の
周囲に設けられている。

三重センサの個々の容量性センサまたは検出器
の陽極はセラミツク基板７２上に真空蒸着した金
属膜によつて形成される。センサ２４および２８
のそれぞれ対応する陽極８４および８８が第２図
に示されている。セラミツク基板の延長部が陽極
８４と８８との間にセラミツク・ギヤツプ８３を
構成している。陽極導線７４および７８がセラミ
ツク基板７２を貫通して、陽極８４および８８に
それぞれ接続されている。環状のガード・リング
８１がセラミツク基板の円板面の外側部分に真空
蒸着される。セラミツク・ギヤツプ８０が陽極か
らガード・リングを隔てている。ガード・リング
８１を陽極７０の隆起した縁に接続するろう付け
継ぎ目８９でセラミツク基板アセンブリ全体が金
属陰極７０に結合される。空気を入れたギヤツプ
８２が陽極を陰極から隔てており、陰極７０と陽
極８４，８６および８８との間の電離可能な誘電
体となる。

第３図に示されているように、真空蒸着された
金属陽極領域がセラミツク・ギヤツプ８３，８５
および８７によつて３つの等しい領域に分割さ
れ、陽極８４，８６および８８を構成する。陽極
はガード・リング８１から円形のセラミツク・ギ
ヤツプ８０によつて分離される。各陽極は独立に
動作し、陰極７０とともに容量性素子を形成す
る。回路の制御と放射線強度の計算を簡単にする
ため３つのセンサのキヤパシタンスは互いにほぼ
等しくする。第４図および第５図を参照して線量
計の動作を詳細に説明する。

「空気等価壁」コンデンサの電荷の消散率は環
境内の放射線の線量率に関係している。本発明の
原理による消散率の測定は、容量性の放射線セン
サを電圧Ｖに初期充電し、所定時間Ｔの間センサ
から電池に至る回路を再び開放した後、コンデン
サを再充電するときの負荷抵抗１８の両端間のピ
ーク電圧v₀を測定することによつて行なわれる。
したがつて、センサの残留電荷Ｑは次式で表わさ
れる。

Ｑ＝Ｃ（Ｖ−v₀） ここでＣはゼンサのキヤパシタンスである。

センサの電荷の変化は次式で表わされる。

dQ＝Cv₀ これは放射線の線量に対して次の関係になつて
いる。

dD＝dQ（３×10⁹）／Ag こヽで、Ｄは線量（レントゲン）、 Ａはコンデンサの表面積（cm²）、 ｇはコンデンサの陽極と陰極との間の
間隔（cm）、 ３×10⁹は単位変換定数である。

上記の関係式はセンサの誘電体として標準条件
の乾燥した空気を仮定したものである。

ピーク電圧v₀を線量に関係づけるにはdQを置
換して、次の式を求める。

dD＝（３×10⁹）Cv₀／Ag 平行平板コンデンサの場合は Ｃ＝kε₀A／ｇ 但し、 ｋ＝比誘電率（空気の場合：〜１） ε₀＝8.85×10^-14フアラツド／cm これにより、システムが時間間隔Ｔでサイクル
動作している場合、線量率（レントゲン／時間）
は次式で表わされる。

dD／Ｔ＝（2.655×10^-4）kv₀／g²T Ｖが測定間で低下する場合、線量率は次式で表
わされる。

dD／Ｔ＝（2.655×10^-4）（v₀−dV）ｋ／g₂T この式の両辺にＴを乗算して、各時間間隔に受
けた線量を累算することによつて累積された線量
（レントゲ）を求めることができる。

係数（2.655×10^-4）ｋ／g²は計器の初期の較
正によつて決定されて記憶される定数である。

マイクロコンピユータ１２が電子スイツチ６
２，６４，６６および６８を順次ターンオンおよ
びターンオフさせるとき、電圧閾値検出器１６は
負荷抵抗１８の両端間の一連の電圧パルスを時間
順に検出する。

パルスの時間シーケンスの代表的なグラフａ−
ｆが第４図に概略的に示されている。シーケンス
は、電子スイツチ６２のターンオンによつて生じ
る電池チエツク・パルスで始まり、３つの容量性
センサの各々に対する印加電圧を順次スイツチン
グし、どのスイツチもターンオンしていない線量
累算段階へと進む。グラフａはすべての点で完全
に正常な応答を示している。第１の、最も強い反
応は電圧チエツク・パルスであり、出力は線量と
線量率の最終的な計算のための電圧Ｖに対応す
る。センサのパルスの高さは電圧Ｖより低く、セ
ンサ極板上の残留電荷を正しく示している。各セ
ンサを再充電する際に記録された電圧v₀のパルス
の高さはすべて等しい高さであり、センサの性能
が等しいことを示している。等しい動作すなわち
冗長度に基いてセンサの正しい動作を推定する。
グラフｂは電池の低下による劣化モードの動作に
おいて典型的な高さのパルスのパターンを示して
いる。この場合、すべてのパルスの高さが相対的
に低くなつている。

グラフｃは三重センサの中の１つの容量性セン
サに対する導線が開放している場合を示してい
る。したがつて、そのセンサを回路に接続しなけ
ればならないときに負荷抵抗１８には電荷も電流
も流れず、その結果個々のセンサに対応するパル
スの中でパルスのない部分が生じる。

これに対して、グラフｄはあるセンサのパルス
の高さが隣りのパルスに比べてずつと高い場合を
示す。これは例えば三重センサの部分的な短絡を
表わしている。グラフｅおよびｆはセンサまたは
マイクロコンピユータの動作が著しく損なわれて
いることを表わしている。電圧v₀のパルスの高さ
が電圧Ｖのパルスの高さを越え、パルス周波数が
不規則になり、パルスが欠如している点に特徴が
ある。

線量計の正常な動作について更に第５ａ図乃至
第５ｄ図の流れ図を参照して説明する。

リセツトすなわちターンオン段階100またはリ
サイクル段階102から初期設定段階に入る。マイ
クロコンピユータ１２は段階104で内部クロツク
を初期設定し、段階106でスイツチ６２をターン
オンし、段階108での電圧Ｖ（現在の電池電圧）を
読み取つて記憶する。タイムアウト・チエツク段
階110とホールド段階112によつて遅延が組み込ま
れ、（第４図に示すような）パルス間隔ｔが設定
される。

段階114でマイクロコンピユータは時間を読取
つて記憶して電圧Ｖの前の読取値にタグをつけ
る。後続の各センサについての段階はほぼ同一で
あるので、唯１つのセンサについての動作だけを
詳細に説明する。

再び（段階116で）タイマーがセツトされる。
スイツチ６２が段階118でターンオフされ、スイ
ツチ６４がターンオンされる。その結果得られた
電圧v₀のパルスが段階120で読み取られて記憶さ
れる。タイミング段階122および124によつて、容
量性センサを充電するのに充分な時間の間スイツ
チ６４がオンに保持される。次に段階126で時間
を読み取つて記憶し、前に測定した電圧パルスに
タグを付ける。

すべての容量性センサについての電圧の読取り
が完了したとき、段階154で残留電荷を計算し、
段階156で比較して合計の線量または線量率の計
算のため電圧v₀の好ましい値を選択する。通常、
電圧v₀の値のこの選択は２アウト・オブ３決定法
によつて行なわれる。

モード選択（段階158）は外部指令によつて設
定される。累積された線量の計算（段階160）お
よび線量率の計算（段階170）はその目的のため
の前述の式に従つて行なわれる。段階162および
172で、線量または線量率か予め設定された限界
を超えているかどうか判定し、限界を越えている
場合、段階164で警報を作動し、段階168でそれを
保持する。限界を越えない場合、（段階166と168
で）表示装置が更新され、段階176でタイマーが
チエツクされ、段階102のリサイクルへ移行する
（すなわち段階178でスイツチ６８がターンオフさ
れる）時間となるまで段階174で遅延が設定され
る。

本明細書では本発明のいくつかの実施例を開示
したが、当業者なら本明細書で説明した本発明の
趣旨と範囲を逸脱することなく多数の変更、変
形、置換等を行い得ることは明らかである。した
がつて本発明の保護は請求の範囲の趣旨と範囲に
よつて限定されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の線量計の概略回路図である。
第２図は放射線センサの垂直断面図である。第３
図は本発明のセンサ内の陰極を蒸着したセラミツ
ク基板を、第２図の線３−３に沿つて見た断面図
である。第４図は線量計の出力パルス列の時間シ
ーケンスを示すグラフである。第５ａ図乃至第５
ｄ図は回路の動作の概略を示す流れ図である。 （主な符号の説明）、１２…マイクロコンピユ
ータ、１４…アナログ・デイジタル変換器、１６
…電圧閾値検出器、１８…負荷抵抗、２０…三重
センサ、２４，２６，２８…容量性センサ、３０
…電源、４０…液晶表示装置、６２，６４，６
６，６８…電子スイツチ、７０…金属陰極、７２
…セラミツク基板、８２…ギヤツプ、８４，８
６，８８…陽極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 入射放射線が存在するとき徐々に放電するよ
   うに構成された少なくとも第１の容量性電離箱
   と、電圧源と、上記電圧源に結合された負荷抵抗
   と、上記負荷抵抗および上記電圧源に結合され
   て、上記電圧源および上記負荷抵抗と第１の直列
   回路を形成する第１のスイツチ手段と、上記負荷
   抵抗および上記電圧源に結合されて、上記電圧
   源、上記負荷抵抗および上記少なくとも第１の容
   量性電離箱と第２の直列回路を形成する第２のス
   イツチ手段と、上記負荷抵抗の両端間に結合され
   てピーク電圧信号を発生するピーク電圧検出手段
   と、上記第１および第２のスイツチ手段を順次作
   動させたときの上記負荷抵抗の両端間で測定した
   ピーク電圧測定値に応答して、上記ピーク電圧測
   定値から上記線量計の入射放射線量を計算する計
   算手段とを含むことを特徴とする放射線線量計。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の放射線線量計に
   おいて、上記計算手段が、上記ピーク電圧検知手
   段からピーク電圧信号を受けてデイジタル形式に
   変換するアナログ・デイジタル変換器と、上記ア
   ナログ・デイジタル変換器に結合されて上記ピー
   ク電圧信号の関数として累積された線量および線
   量率を計算する、タイミング手段を含むデイジタ
   ル・データ処理手段と、上記デイジタル・データ
   処理手段による上記第１および第２の電気スイツ
   チの作動のタイミングを伝えるために上記デイジ
   タル・データ処理手段を上記スイツチに結合する
   制御線と、上記データ処理手段によつて制御され
   て上記線量および線量率を表示するデータ表示手
   段とで構成されている放射線線量計。 ３ 特許請求の範囲第２項記載の放射線線量計に
   おいて、該線量計が更に、入射放射線が存在する
   とき徐々に放電するように構成された第２の容量
   性電離箱と、入射放射線が存在するとき徐々に放
   電するように構成された第３の容量性電離箱と、
   上記第２の容量性電離箱に結合されて、上記電圧
   源、上記負荷抵抗および上記第２の容量性電離箱
   と第３の直列回路を形成する第３のスイツチ手段
   と、上記第３の容量性電離箱に結合されて、上記
   電圧源、上記負荷抵抗および上記第３の容量性電
   離箱と第４の直列回路を形成する第４のスイツチ
   手段と、時間シーケンスに従つて上記の第１、第
   ２および第３の容量性電離箱からのピーク電圧信
   号を上記処理手段に与えるため、上記第１および
   第２のスイツチ手段の作動とともに上記第３およ
   び第４の電気スイツチの作動が時間シーケンスに
   従つて制御されるように上記デイジタル・データ
   処理手段を接続する制御線とを含み、上記デイジ
   タル・データ処理手段が上記第１、第２および第
   ３の容量性電離箱からの上記ピーク電圧信号を比
   較して、上記線量および線量率の計算のために上
   記容量性電離箱のピーク電圧信号の好ましい値を
   選択する放射線線量計。 ４ 特許請求の範囲第３項記載の放射線線量計に
   おいて、上記第１、第２および第３の容量性電離
   箱が三重センサとして構成され、該センサが、セ
   ラミツクス基板と、上記セラミツク基板上に設置
   されて上記容量性電離箱の個々の電離箱に対する
   陽極を形成する分離された蒸着金属被膜と、上記
   各陽極から誘電体によつて隔てられて上記第１、
   第２および第３の容量性電離箱に対する共通陰極
   を形成する金属素子とで構成されている放射線線
   量計。 ５ 特許請求の範囲第４項記載の放射線線量計に
   おいて、上記計算手段が、上記各容量性電離箱に
   対する上記各スイツチを予め選定された時間ｔの
   間作動し、各スイツチの作動間の時間を予め選定
   された時間Ｔとするように構成されたタイミング
   手段を含んでいる放射線線量計。 ６ 環境内の電離性放射線を監視するための放射
   線検出器において、キヤパシタンスがほヾ等しい
   少なくとも３対の離間した電極およびこれらの電
   極にある電離可能な誘電体を含む放射線センサ
   と、上記電極の各対に順次繰り返し電圧源からの
   電圧を印加して、上記電圧の印加時に上記各対の
   離間した電極間に電荷を蓄積させ、上記電圧の除
   去時に上記容量性放射線により上記電荷を上記誘
   電体の電離の関数として放電させる手段と、上記
   電圧源に接続された抵抗と、上記抵抗を最初は上
   記電圧源に、次いで上記各対の離間した電極に順
   次結合し、この結合を繰り返し行うスイツチ手段
   と、上記電圧源からの電圧を測定し、次いで上記
   各対の電極を上記抵抗を介して上記電圧源に順次
   接続したときに上記抵抗の両端間に現われる上記
   各対の電極からのピーク電圧を順次測定し、この
   測定を繰り返し行う手段と、上記電圧源からの上
   記電圧の測定値と上記各対の電極からの上記ピー
   ク電圧値を受けて記憶し、上記ピーク電圧を比較
   して好ましいピーク電圧値を選択する手段を含
   み、上記電圧源からの電圧源電圧と上記好ましい
   ピーク電圧の関数として計算を行なつて上記環境
   内の上記容量性放射線によつて生じた線量率と累
   積された線量を求めるデータ処理手段と、上記デ
   ータ処理手段に結合されて上記線量率と上記累積
   された線量を表示する手段とを有することを特徴
   とする放射線検出器。