JPS61118680A - 個人線量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般に電離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部
組を用いるマイクロプロセッサ制御式の放射線センサに
関するものである。

発明の背閲 従来技術では透過性電磁放射線を測定するだめの非常に
多様な計器が存在している。たとえば、ガイガー・ミュ
ラー計数管、シンチレーション検出器、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
いなかった。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部組が最も満足の
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って、電部組の中のガス濃度に
比例し、壁材の単位体積当りに吸収される光子エネルギ
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
らの規準を満たず。このような材料としてはたどえば黒
鉛、ルサイ１〜、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１１１では放射線［ンザの段重に
空気等壁空胴電部組の原理を使っている。

積分型または容量型の電離１箱はこの種類に入る。

典型的には、既知のキャパシタンスを持つ空気壁コンデ
ン１）−に既知の電圧を印加することによって該コンデ
ンサを充電する。次に、充電したコンデン１すを放射線
に曝して、放射線によって、密］］されたガスの一部を
電離させ、コンデンサをゆっくり放電させる。所定時間
の被曝の後、残っている電荷を典型的には高インピーダ
ンスの電位計を使って電子的に測定し、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ＮｗＪ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・
ディ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ｈ１は、１つの半導体チップ上の大規
模集積（ＬＳＩ）に適した改良された回路を含む。その
結果ｉｑられる個人線量削は非常に持ち運びが容易であ
るだ（′ｊ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
ることによって、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、および可聴警報索子のパッ
ケージ全体を普通の腕時計に似たパッケージに含めるこ
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ｌ、１１ｉ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故射線
センザにおＩする普通の動作と同じである。すなわち、
電池によっ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ジ−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って、
上記の極板を隔て′で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Ｊ：って、対向する極板の電荷
が互いに一部漏洩する。したがって、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ッチ索子と直
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索子ににっで
形成された回路にスイッチにより順次、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ッチにより
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・ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器は閾値検出器か
らの周期的な電圧を読み取って、データ・プロセッサに
データ入力を与える。データ・プロセッサには、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・プロセッ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。

したがって本発明の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アン１ノ
ー・センサをそなえた耐放ｑ１線性のマイクロエレク１
〜ロニクス集積パッ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ッサに冗
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
は警報を出すか仙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ビコータ・
ハイブリッド回路を用いることにより、冗長なセン１ノ
ーが受【Ｊ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、および背崇放則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、］ンパクトで堅固な信頼性のあるパッケージにして
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って明らかとなろう。

発明の詳細な説明 図面の第１図には本発明の原理に従って構成された線量
計の概略回路が示されている。集積回路チップ１０には
回路の基本的電子索子が大規模集積（ＬＳＩ）により形
成されている。チップの外側にはチップに接続された、
三重センサ２０．交換可能な電＃ｉ３０、液晶表示装置
４ｏ、可聴警報器５０、およびコンデンサ６０が設【プ
られている。

チップ上にはマイクロプロセッサまたはマイクロコンピ
ュータ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
イクロコンピュータ１２は液晶表示装置４ｏと可聴警報
器５ｏに結合される。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１６２，１６４，１６６お
よび１６８によりマイクロコンピュータ１２は電子スイ
ッチ６２，６４．６６および６８にそれぞれ結合される
。したがって、これらのスイッ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
ッ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。電子スイッチ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。

電子スイッチ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。三重のセンサーは陰極が
別々の等価回路で表わされているが、センサ゛２／ｌ、
２６および２８の陰極をアース８０に接続した其通金属
索子としてもよい。独存の電源によりチップ１０−１−
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）１
６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・ディジタル変換器１４に送出され
る。したがってアナログ・ディジタル変換器１４からは
ディジタル形式の検出電圧がデータ線２２を介してマイ
クロコンピュータ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（Ａ
ＮＡＬＯＧ　　ＤＥＶＴＣＥＳ＞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図に断面で示しである。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
セラミック基板７２上に真空蒸着した金属膜によって形
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。セラミック
基板の延長部が陽極８４と８８との間にセラミック・ギ
ャップ８３を構成している。陽極導線７４および７８が
セラミック基板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
セラミック基板の円板面の外側部分に真空蒸着される。

セラミック・ギャップ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は継ぎ目８９でセラミック基板アセ
ンブリ全体が金属陰極７０に結合される。空気を入れた
ギャップ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
領域がセラミック・ギャップ８３．８５および８７によ
って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
のセラミック・ギャップ８０によって分離されている。

各陽極は独立に動作し、陰極７０とともに容量性索子を
形成する。

回路の制御と成用線強度のｈｌ算を簡単にするため３つ
のセンサのキャパシタンスは互いにほぼ等１ノくする。

第４図および第５図を参照して線ｍ＝＋の動作を詳細に
説明する。

「空気等価壁」］ンデンザ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どきの負荷抵抗１日
の両端間のビーク電圧Ｖｏを測定することによって行な
われる。

したがって、セン＋Ｊ′の残留電荷Ｑは次式で表わきれ
る。

Ｑ＝Ｃ（Ｖ　　　Ｖｏ） ここでＣはセンサのキャパシタンスである。

センサの電荷の変化は次式で表わされる。

ｄＱ＝ＣＶｏ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　ｉこれは放射線の線量に対して次の関係になって
いる。

ｄＤ＝　ｄＱ　（３Ｘ　１０９　）　／ＡＵこ１で、Ｄ
は線量（レントゲン）、 Δは］ンデンサの表面積（１２）、 ０はコンデンサの陽極と陰極との間の 間隔（１）、 ３ｘ１０９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Ｖｏ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＝　（３Ｘ　１０９）　ＣＶｏ　／ＡＵ平行平板コ
ンデンサの場合は Ｃ＝　ｋεｏＡ１０ 但し、 ｋ＝比誘電率（空気の場合：〜１） εｏ＝−８，８５ｘ　１０−　Ｈファラッド／口これに
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。

−１６＝ ｄＤ／　Ｔ　−（２，６５５Ｘ　１０−’　　）ｋＶｏ
　　／　　０２　ＴＶ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＝　（２，６５５ｘｌＯ″４）（Ｖｏ−ｄＶ）
ｋ／　ｏ２Ｔ 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って累積された線量（レントゲン）
を求めることができる。

係数（２，６５５ｘ　１ｏ−’　）　　ｋ／　Ｑ２は計
器の初期の較正によっ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が電子スイッチ６２゜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、電圧量値検出器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
、電子スイッチ６２のターンオンによって生じる電池チ
ェック・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ヂングし、どのスイッチも
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、最も強い応答は電圧チェック・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１ノー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Ｖｏのパルスの高さ
はＪ”へて等しい高さであり、セン→ノの性能が等しい
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っている。

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。したがっ
て、そのセンサを回路に接続しな【Ｊればならないとき
に角筒抵抗１８には電荷も電流も流れず、その結果側々
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ど高い場合を示す。こ
れは例えば三重セン］ｊ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
ロコンビコ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Ｖ。

のパルスの高さが電圧■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〒第５ｄ図
の流れ図を参照して説明する。

リセッ］へ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。

マイクロコンピュータ１２は段階１０４で内部クロック
を初期設定し、段階１０６でスイッチ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
って記憶する。タイムアウト　　　　　、・チェック段
階１１０とホールド段階１１２によって遅延が組み込ま
れ、（第４図に示すような）パルス間隔［が設定される
。

段階１１４でマイクロコンビコータは時間を読取って記
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）タイマーがレットされる。

スイッチ６２が段階１１８でターンオフされ、スイッチ
６４がターンオンされる。その結果得られた電圧Ｖｏ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によって、容量性セン１ノ
ーを充電するのに充分な時間の間スイッチ６４がオンに
保持される。次に段階１２６で時間を読み取って記憶し
、前に測定した電圧パルスにタグを伺ける。

ずべての容量性セン１ｆ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Ｊ１の線量または線量率の社１筒のため電
圧■。の好ましい値を選択する。通常、電圧Ｖ。の値の
この選択は２アウト・オーブ３＝２０− 決定法によって行なわれる。

モード選択（段階１５８）は外部指令によって設定され
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
って行なわれる。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越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でタイマーがチェックされ、段階１０２のリサイ
クルへ移行する（すなわち段階１７８でスイッチ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。したがって本発明の保護は請求の範
囲の趣旨と範囲によっ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
発明のセンナ内の陰極を蒸着したセラミック基板を、第
２図の線３−３に沿っ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１グラフであ
る。第５ａ図乃至第５ｄ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＋１］ンビユータ、 １４・・・アナログ・ディジタル変換器、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、 ６２．６４．６６．６８・・・電子スイッチ、７０・・
・金属陰極、 ７２・・・セラミック基板、 ８２・・・ギャップ、 ８４．８６．８８・・・陽極。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （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のスイッチ手段
   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のスイッチ手
   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のスイッ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. （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ィジタル形式に変換するアナ
   ログ・ディジタル変換器と、上記アナログ・ディジタル
   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
   を含むディジタル・データ処理手段と、上記ディジタル
   ・データ処理手段による上記第１および第２の電気スイ
   ッチの作動のタイミングを伝えるために上記ディジタル
   ・データ処理手段を上記スイッチに結合する制御線と、
   上記データ処理手段によっ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. （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
   ッチ手段と、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のスイッチ手段と、時
   間シーケンスに従って上記の第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のスイッチ手段の作動とと
   もに上記第３および第４の電気スイッチの作動が時間シ
   ーケンスに従って制御されるように上記ディジタル・デ
   ータ処理手段を接続する制御線とを含み、上記ディジタ
   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. （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、セラミックス基
   板と、上記セラミッ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って隔てら
   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索子とで構成されている放射線
   線量計。
5. （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
   上記各スイッチを予め選定された時間ｔの間作動し、各
   スイッ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. （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、キャパシタンスがほゞ等しい少なくとも
   ３対の離間した電極およびこれらの電極間にある電離可
   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電離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ッチ手段と、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
   上記電圧と上記好ましいピーク電圧の関数として計算を
   行なって上記環境内の上記電離性放射線によって生じた
   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。