JPWO2016129455A1

JPWO2016129455A1 - 放射線測定装置および放射線測定方法

Info

Publication number: JPWO2016129455A1
Application number: JP2016574747A
Authority: JP
Inventors: 哲史東; 西沢　博志; 博志西沢; 真照林; 仲嶋　一; 一仲嶋; 関　真規人; 真規人関; 幸信渡辺; 政浩金
Original assignee: Kyushu University NUC; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Kyushu University NUC; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-02-13
Filing date: 2016-02-02
Publication date: 2017-09-14
Anticipated expiration: 2036-02-02
Also published as: WO2016129455A1; JP6433517B2

Abstract

放射線測定装置は、放射線検出器により放射線を検出し検出結果をパルス信号として出力し、増幅されたパルス信号のパルス波高をもとにパルス波高分布を演算し、パルス波高分布に検出器固有の物理特性に従ったフィルタの関数を掛けてスペクトルを整形し、統計的なばらつきによる正規分布を表現した整形パルス波高分布を求め、整形パルス波高分布に対して検出器の応答関数を用いた逆問題演算を行い検出した放射線のエネルギースペクトルを求め、エネルギースペクトルから検出器固有の統計的なばらつきを排除したエネルギースペクトルを求めて入射した放射線本来のエネルギーを推定し、ピーク推定されたエネルギースペクトルを表示する。

Description

この発明は、放射線を短時間に測定する機能を備えた放射線測定装置および放射線測定方法に関する。

例えば下記特許文献１には、検出器の応答関数を用いた逆問題演算を利用する放射能分析装置であって、放射線検出器の劣化状態に合わせて逆問題演算に用いる最適な応答関数を選択することで、逆問題演算の最適化を図り、測定の精度および信頼性を確保する機能を有するものが記載されている。

国際公開第ＷＯ２０１４／０４１８３６号パンフレット

放射線計測では、測定時間に起因する統計的なばらつきに伴う統計誤差が存在する。そのため、逆問題演算を用いた放射線計測では、測定時間が短く統計誤差が大きい場合、演算によって得られる解の精度が低下する課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、逆問題の演算による解が安定した演算結果となる放射線測定装置および放射線測定方法を得ることを目的としている。

この発明は、放射線検出器により放射線を検出し検出結果をパルス信号として出力する検出部と、前記検出部からのパルス信号を増幅する増幅部と、増幅されたパルス信号のパルス波高をもとにパルス波高分布を演算する波高演算部と、前記パルス波高分布に前記放射線検出器固有の物理特性に従ったフィルタの関数を掛けてスペクトルを整形し、統計的なばらつきによる正規分布を表現した整形パルス波高分布を求めるスペクトル整形部と、前記整形パルス波高分布に対して前記放射線検出器の応答関数を用いた逆問題演算を行い検出した放射線のエネルギースペクトルを求める逆問題演算部と、前記エネルギースペクトルから前記放射線検出器固有の統計的なばらつきを排除したエネルギースペクトルを求めて入射した放射線本来のエネルギーを推定するピーク推定部と、ピーク推定された前記エネルギースペクトルを表示する表示部と、を備えた放射線測定装置等にある。

この発明では、逆問題の演算による解が安定した演算結果となる放射線測定装置等を提供できる。

この発明の各実施の形態による放射線測定装置の概略構成図である。この発明の各実施の形態による放射線測定装置の検出部での放射線検出器に入射した放射線によるパルス信号の出力を説明するための概念図である。この発明の各実施の形態による放射線測定装置の波高演算部での動作を説明するための概念図である。この発明に係る放射線検出器での発生電子数が少ない場合と多い場合のそれぞれのパルス波高分布を示す概念図である。この発明に係る放射線のエネルギーに対するエネルギー分解幅を説明するための模式図である。この発明に係る放射線のエネルギーに対するエネルギースペクトル(計数頻度)を説明するための概念図を示す。この発明に係るパルス波高分布に統計的なばらつきが少ない場合の概念図である。この発明に係るパルス波高分布に統計的なばらつきが大きい場合の概念図である。この発明の各実施の形態による放射線測定装置の検出部で使用されるシンチレーション式の放射線検出器の動作原理を説明するための概念図である。この発明の各実施の形態による放射線測定装置の検出部で使用される半導体式の放射線検出器の動作原理を説明するための概念図である。この発明の各実施の形態による放射線測定装置のハードウェア構成の一例を示す概略図である。この発明の実施の形態１による放射線測定装置におけるスペクトル整形部の動作を説明するための概念図である。

この発明によれば、逆問題演算を行う放射線計測にスペクトル整形部とピーク推定部を組み合わせることで、波高演算部が出力するパルス波高分布の測定時間に起因する統計誤差が大きい場合でも、放射線検出器が放射線を検出した際に発生する電子数の平方根によって決定される統計的なばらつきを考慮することで、逆問題の演算を正確に解くことができ、測定の信頼性を確保することができる。

以下、この発明による放射線測定装置を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。

実施の形態１．
図１はこの発明の各実施の形態による放射線測定装置の概略構成図である。この発明による放射線測定装置は、放射線を検出する検出部１、増幅部２、波高演算部３、スペクトル整形部４、逆問題演算部５、ピーク推定部６、表示部７から構成される。

検出部１は、放射線９を検出するとパルス信号１１を出力する。
増幅部２は、検出部１からの出力されたパルス信号１１を増幅してパルス信号１１ａを出力する。
波高演算部３は、増幅部２が出力するパルス信号１１ａを入力して、検出部１が検出した放射線によるパルス波高分布１２を作成する。
スペクトル整形部４は、検出部１の物理特性を基に作成したフィルタを波高演算部３が作成したパルス波高分布１２に重畳させて模擬的な整形パルス波高分布１２ａを出力する。
逆問題演算部５は、スペクトル整形部４の出力する整形パルス波高分布１２ａに対して検出部１に基づく応答関数で逆問題演算を行い放射線のエネルギースペクトル５ａを出力する。
ピーク推定部６は、逆問題演算部５が出力する放射線のエネルギースペクトル５ａから、検出部１が検出した放射線９がもつ本来のエネルギーを推定したエネルギースペクトル６ａを出力する。
表示部７は、ピーク推定部６で得られた検出部１が検出した放射線のエネルギースペクトルを表示する。

次に動作について説明する。
図２はこの発明における検出部での放射線検出器に入射した放射線によるパルス信号の出力を説明するための概念図である。検出部１は、図２に示すように、放射線９の中でも主にγ線を検出することが可能な放射線検出器１ａを含む。検出部１は、放射線検出器１ａの放射線９に対して感度のある有感部８に入射する放射線９の付与するエネルギーによって生成される電子１０が作り出すパルス信号１１を増幅部２へ出力する。

図９にこの発明における検出部で使用されるシンチレーション式の放射線検出器の動作原理を説明するための概念図、また図１０に半導体式の放射線検出器の動作原理を説明するための概念図を示す。

検出部１の放射線検出器１ａがシンチレーション式の放射線検出器の場合、図９に示すように、放射線源２２からの放射線９を検出する領域となる放射線の有感部８が、シンチレーション材料で構成される。シンチレーション材料で構成されるシンチレータ２３は、放射線９により付与されたエネルギーにより材料の分子が励起され、基底状態に戻る際に蛍光を発生する材料が使用されている。シンチレータ２３に放射線が入射すると、シンチレーション材料に固有の波長をもつシンチレーション光２４が発生する。シンチレーション式の放射線検出器は、発生したシンチレーション光２４を、シンチレーション光２４を結合させる光電子増倍管の光電陰極２５に集光させる。光電陰極２５でシンチレーション光２４を電子１０に変換し、増幅してパルス信号１１として出力する。

また、検出部１の放射線検出器１ａが半導体式の放射線検出器の場合、図１０に示すように、放射線源２２からの放射線９を検出する領域となる放射線の有感部８が、ゲルマニウムまたはシリコン、臭化タリウム、カドミウムテルライドなどの半導体材料で構成される。この放射線検出器１ａは有感部８を挟んでＰ型半導体２６とＮ型半導体２８を接合したもので構成されている。逆バイアス回路３０により、Ｐ型半導体２６、Ｎ型半導体２８のそれぞれに設けられた電極からなる両極間に逆方向電圧を印加することで、半導体内に存在していた自由電子が両電極へ引き寄せられる。これにより、自由電子が存在していた領域の自由電子が無くなった空乏層２７と呼ばれる領域が生じる。空乏層２７に放射線９が入射するとその飛跡に沿って多数の電子１０と正孔２９が生じ、これが反対符号の電極に向かって移動し流れることで、パルス信号１１が出力される。

増幅部２は、検出部１の出力となるパルス信号１１を予め設定された増幅率に従って増幅したパルス信号１１ａを波高演算部３へ出力する。

図３はこの発明における波高演算部３での動作を説明するための概念図である。波高演算部３は、図３に示すように増幅部２から入力されるパルス信号１１ａの波高値を横軸に、波高値計数の頻度を縦軸とする放射線のパルス波高分布１２を作成し、スペクトル整形部４へ出力する。ここで、パルス信号１１ａの波高値は、放射線検出器１ａに入射した放射線の純粋なエネルギー情報だけでなく、放射線検出器１ａや周辺に存在する物質との相互作用による影響が含まれる。

また、放射線検出器１ａに付与されたエネルギーがパルス信号１１を生成する電子１０に変換される過程で、放射線検出器固有の統計的なばらつきが生じる。図４はこの発明に係る放射線検出器での発生電子数が少ない場合と多い場合のそれぞれのパルス波高分布を示す概念図である。このパルス波高分布は波高演算部３の出力に相当する。(ａ)が発生電子数が少ない場合、(ｂ)が発生電子数が多い場合を示す。図４の(ａ)(ｂ)に示すように、同一のエネルギーをもつ放射線９を測定した場合でも、放射線検出器１ａの種類が異なれば統計的なばらつきは異なり、パルス波高分布１３、１４の形状は異なる。これは、放射線検出器１ａによって発生する電子１０の数が異なるためであって、パルス信号１１ひいてはパルス信号１１ａの波高値のばらつきとなり、パルス波高分布１２は平均値を中心とする統計的なばらつきをもつこととなる。

図５にはこの発明に係る放射線のエネルギーに対するエネルギー分解能を説明するための模式図、図６にはこの発明に係る放射線のエネルギーに対するエネルギースペクトルを説明するための概念図を示す。
さらに図７にはこの発明に係るパルス波高分布に統計的なばらつきが少ない場合の概念図、図８にはこの発明に係るパルス波高分布に統計的なばらつきが大きい場合の概念図を示す。

図７に示すように放射線９の測定時間を十分にした場合、上述の統計的なばらつきは、付与されたエネルギー値を中心とする正規分布を形成するため、パルス波高分布１２は測定時間に対する測定値２０と検出部１の放射線検出器１ａの理想的なエネルギー分解能すなわち理想値２１とが一致する。しかしながら図８に示すように放射線９の測定時間が不十分な場合、パルス波高分布１２に上述の統計的なばらつきが生ずるため、測定時間に対する測定値２０と検出部１の放射線検出器１ａの理想的なエネルギー分解能すなわち理想値２１に差異が生ずることとなる。

スペクトル整形部４は、波高演算部３が作成したパルス波高分布１２に対して、波高値、つまり付与エネルギー軸方向に放射線検出器１ａの物理特性を基に設計したフィルタを用いてパルス波高分布１２を整形する。なお、放射線検出器の物理特性に基づくフィルタは、予め求めたものをメモリ等に格納して準備しておく。

ここで、放射線検出器の物理特性に基づくフィルタによるパルス波高分布１２への整形方法について説明する。
放射線検出器１ａの物理特性を基に設計されるフィルタとは、放射線検出器１ａに入射した放射線９に対応して発生する電子１０が作り出すパルス信号１１の統計的なばらつきを放射線検出器１ａに入射する放射線９のエネルギーで関数化したものである。

図４の(ａ)(ｂ)に示すように、上述の統計的なばらつきは検出部１の放射線検出器１ａが出力するパルス信号１１を作る電子１０の生成数に由来する。パルス波高分布１２の全吸収ピーク部分の広がりは正規分布をとり、発生電子数が少ない場合のパルス波高分布１３と発生電子数が多い場合のパルス波高分布１４のように同一のエネルギーをもつ放射線９を測定した場合でも、パルス波高分布１２の形状は異なる。

なお、放射線検出器１ａがシンチレーション式の場合、放射線９によって発生したシンチレーション光２４が光電子増倍管の光電陰極２５で電子１０へ変換され、パルス信号１１を発生させる。
また、放射線検出器１ａが半導体式の場合、放射線９によって発生した電子１０と正孔２９により、パルス信号１１を発生させる。これらの発生した電子１０の数により、放射線検出器１が出力するパルス信号１１の波高値の統計的なばらつきは正規分布に従うことが一般的に知られている。

ここで、上述の統計的なばらつきを正規分布の標準偏差σとすると、電子数Ｎの平方根で表すことができ、また、図５，図６に示すように放射線検出器１ａに入射する放射線９のエネルギーによっても発生する電子数は異なるため、式(１)に示すように放射線のエネルギーＥの関数として表すことができる。

σ(Ｅ)＝√(Ｎ(Ｅ)) (１)
σ：標準偏差
Ｎ：電子数
Ｅ：放射線のエネルギー

波高演算部３で作成するパルス波高分布１２は、図７に示すように理論的には正規分布のピーク形状となるはずであるが、図８に示すように個々の波高値に対して上記の理由により、統計的なばらつきをもっており、放射線の検出数が少ない場合つまり測定時間が短い場合、パルス波高分布１２に統計的なばらつきが大きいために、パルス波高分布１２に理想的な正規分布とのズレが生ずる。

この問題を解決するために、ズレが生じたパルス波高分布１２を理想的な正規分布に近づけるため平滑化手段として、スペクトル整形部４では、放射線検出器１ａの物理特性を基に設計したフィルタが用いられる。パルス波高の統計的なばらつきは、式(１)に示される標準偏差を持つ。そのため、パルス波高分布１２に存在する統計的なばらつきを理想的な正規分布に近づけることを目的に、パルス波高分布１２の統計的なばらつきを平滑化するためのフィルタとして、式(２)に示されるガウスフィルタを用いることができる。ここで、式(２)は検出器１ａに入射する放射線のエネルギーがＥｉの場合を示しており、正規分布の標準偏差σ(Ｅｉ)は、式(１)より、放射線のエネルギーＥｉの関数として与えられる。

なお、フィルタはパルス波高分布１２の付与エネルギー分割数に応じて、検出部１へ入射する放射線のエネルギーＥｉ毎に離散的に定義されることが望ましい。しかし、パルス波高分布１２の付与エネルギー分割数に比べ、フィルタが定義される離散的な放射線のエネルギーＥｉの数が少ない場合、フィルタは、パルス波高分布１２の付与エネルギーに対応するように、用意されたフィルタ自体から、内挿法などで近似的に求めたものであっても良い。

Ｅi：検出部へ入射する放射線のエネルギー

図１２は、スペクトル整形部４の動作を説明するための概念図である。図１２において、符号１２１が付された左の図は、スペクトル整形部４の入力となる実パルス波高分布であるパルス波高分布１２の一例を示している。また、図１２において、符号１２２が付された右の図は、スペクトル整形部４の出力となる整形パルス波高分布(Ｆ)１２ａの一例を示している。また、図１２において、符号１２３が付された中央の下の図は、スペクトル整形部４で用いられるフィルタＧの一例を示している。さらに、図１２において、符号１２４が付された中央の上の図は、スペクトル整形部４で用いられるフィルタＧの一例と、実パルス波高分布であるパルス波高分布１２の一例とを重ねて示したものである。

スペクトル整形部４は、発生する電子１０の数により決まる統計的なばらつきに対処するために、図１２に示すような、放射線検出器固有の式(１)にて定義される物理特性を基に設計したフィルタの関数をパルス波高分布１２へ重畳させ、パルス波高分布１２に統計的なばらつきによる正規分布を表現させた整形パルス波高分布(Ｆ)１２ａを作成する。より具体的には、スペクトル整形部４は、パルス波高分布１２を平滑化させるために、式(３)に示すように、フィルタの関数とパルス波高分布１２との内積を計算する。

なお、式(３)のフィルタの関数Ｇは、式(２)の検出部１へ入射する放射線のエネルギーＥｉによって表現されるＧｉ(Ｅ)をパルス波高分布１２の付与エネルギーとその分割数に対応するように行列表現したものである。例えば、パルス波高分布１２の付与エネルギーが０ＭｅＶから３ＭｅＶのエネルギー範囲であり、かつ、エネルギーの幅が０．０１ＭｅＶで定義される場合、付与エネルギーの分割数は３００個となる。その際、３００個に分割された付与エネルギー全てに対応するように、Ｇｉ(Ｅ)を用意することで、フィルタの関数Ｇは、式(２)のＧｉ(Ｅ)を行列化したものとなる。この場合、ｉは１から３００の整数となる。また、式(３)は式(４)のように表すこともできる。

Ｆ＝Ｇ・Ｍ (３)

Ｆ：整形パルス波高分布(フィルタを掛けたパルス波高分布)
Ｇ：フィルタの関数
Ｍ：実パルス波高分布
ｍ：パルス波高分布の付与エネルギーの分割数

逆問題演算部５は、スペクトル整形部４により整形された整形パルス波高分布に対して、検出部１の放射線検出器１ａの応答関数を用いた逆問題演算を行うことで、入射した放射線のエネルギースペクトル５ａを求める。

ここで、放射線検出器の応答関数を用いた逆問題演算について説明する。
波高演算部３で作成したパルス波高分布１２は、下記式(５)で示すように、実パルス波高分布Ｍ、検出器の応答関数Ｒ、放射線のエネルギースペクトルＳとして表すことができ、検出部１の放射線検出器１ａに入射する放射線が付与するエネルギーによって決定されるが、図６の１７，１８，１９で示すように、入射する放射線のもつエネルギーが異なる場合は、放射線検出器１ａの有感部８に付与されるエネルギーも異なるために、複数の異なるエネルギーをもつ放射線を検出した場合、それぞれのパルス波高分布１２が重畳したものとなる。

逆問題演算では、上述の放射線が付与したエネルギーのパルス波高分布１２から、予め用意しておいた放射線のエネルギー毎の応答関数を用いて下記式(６)に示す応答関数の逆行列演算を行うことで、入射した放射線それぞれのエネルギーとして分離することができ、放射線検出器に入射した放射線の本来のエネルギー情報を個々に知ることができる。
ここで、放射線検出器の応答関数Ｒは、入射する放射線のエネルギー毎に検出部１の放射線検出器１ａへ付与するパルス波高分布１２をそれぞれ格納したものとなる。

この発明では、スペクトル整形部４によるパルス波高分布１２に統計的なばらつきによる正規分布を重畳させた整形パルス波高分布(Ｆ)を用いていることから、上記式(３)に下記式(５)を代入することで、下記式(７)が得られ、下記式(６)と同様に応答関数の逆行列演算を行うことで、下記式(８)が得られる。なお、式(８)により、逆問題演算部５の出力は放射線のエネルギーに統計的なばらつきによる正規分布が重畳されたものであることがわかる。

Ｍ＝Ｒ・Ｓ (５)
Ｓ＝Ｒ^-1・Ｍ (６)
Ｆ＝Ｇ・Ｒ・Ｓ (７)
Ｇ・Ｓ＝Ｒ^-1・Ｆ (８)
Ｍ：実パルス波高分布
Ｒ：放射線検出器の応答関数
Ｓ：放射線のエネルギースペクトル
Ｆ：整形パルス波高分布(フィルタを掛けたパルス波高分布)
Ｇ：フィルタの関数

なお、放射線検出器１ａの応答関数は、ＥＧＳ５(Electron Gamma Shower ver.5)などの放射線挙動解析用のモンテカルロ輸送計算コードを用いて、測定体系を模擬することで、求めることができるが、電子１０の発生数に伴う統計的なばらつきは含まれない。

ここで、放射線検出器固有の統計的なばらつきを逆問題演算部５の応答関数およびスペクトル整形部４で用いる放射線検出器の物理特性を基に設計したフィルタを作成する方法について説明する。

放射線検出器１ａがシンチレーション式の放射線検出器の場合、放射線検出器固有のエネルギー分解能は、発生したシンチレーション光２４を光電陰極２５で電子１０に変換した生成数の大きさによって決定され、生成数が多いほど統計的なゆらぎが少なくなり、観測するエネルギーの分解幅を小さくでき、図５の１６に示すようにエネルギー分解幅は小さくなる。なお、エネルギー分解幅が小さいほど、エネルギー分解能は高くなる。

なお、シンチレーション式の放射線検出器においては、シンチレーション光２４には、発光した位置から最終的に電子１０へ変換される光電陰極２５へ到達するまでに、光の減衰や散乱、反射、吸収などの光学現象が発生する。そこでこれらの光学現象に関わる光線シミュレータによる光学挙動解析とＥＧＳ５などの放射線挙動解析を組み合わせることで、検出する放射線によるシンチレーション光２４から電子１０への変換過程を考慮することができ、シンチレーション式の放射線検出器固有のエネルギー分解能を決定する統計的なばらつきを上述のシミュレーションなどによって求めることができる。

すなわち、放射線検出器がシンチレーション式の放射線検出器１ａである場合、スペクトル整形部４のフィルタは、放射線によるシンチレーション式の放射線検出器１ａへのエネルギー付与については放射線挙動解析を用い、シンチレーション光が電子１０に変換されるまでの光学特性については光線挙動解析(例えば光線シミュレータによる)を用い、これらの解析を組み合わせた解析によってシンチレーション式の放射線検出器１ａの物理特性を基に設計されたものである。

また、半導体式の放射線検出器においては、空乏層２７に入射した放射線により生じる電子１０と正孔２９のそれぞれ電極への移動過程を、半導体デバイスシミュレータによる電子正孔挙動解析と放射線挙動解析を組み合わせることで考慮することができ、半導体式の放射線検出器固有のエネルギー分解能を決定する統計的なばらつきを上述のシミュレーションなどによって求めることができる。

すなわち、放射線検出器が半導体式の放射線検出器１ａである場合、スペクトル整形部４のフィルタは、放射線による半導体式の放射線検出器１ａへのエネルギー付与については放射線挙動解析を用い、電子正孔対(２９，１０)の生成からパルス信号１１の出力に至るまでの過程については半導体デバイス特性挙動解析である、例えば半導体デバイスシミュレータによる電子正孔挙動解析を用い、これらの解析を組み合わせた解析によって半導体式の放射線検出器１ａの物理特性を基に設計されたものである。

なお、スペクトル整形部４に放射線挙動解析と光線挙動解析または半導体デバイス特性挙動解析である電子正孔挙動解析を組み合わせた解析を行う解析部４ａを図１で示すように設け、スペクトル整形部４で直接、フィルタを形成して求めるようにしてもよい。

また、スペクトル整形部４のフィルタは、実験により求めた放射線検出器１ａのエネルギー分解能を基に正規分布で近似したフィルタであってもよい。

ピーク推定部６は、逆問題演算部５が出力する統計的なばらつきが重畳された放射線のエネルギースペクトルに対して、下記式(９)に示す放射線検出器の物理特性を基に設計したフィルタの逆行列演算を解くことで、放射線検出器固有の統計的なばらつきによる正規分布形状が重畳された上述のエネルギースペクトルから、放射線検出器固有の統計的なばらつきを排除したエネルギースペクトルを求め、入射した放射線のエネルギーを推定する。

Ｓ＝Ｇ^-1・Ｒ^-1・Ｆ (＝Ｇ^-1・Ｒ^-1・Ｇ・Ｍ) (９)

表示部７は、ピーク推定部６から出力された放射線のエネルギースペクトルを表示する。

したがって、この発明のスペクトル整形部４により、波高演算部３が作成するパルス波高分布１２に含まれるエネルギー毎に存在する統計的なばらつきを検出部１の放射線検出器１ａの物理特性を基に設計したフィルタを用いて整形することで、逆問題演算部５による検出部の応答関数を用いた逆問題演算を正確に解くことができ、統計的なばらつきを含んだエネルギースペクトルを得ることができ、ピーク推定部６により放射線検出器１ａの物理特性を基に設計したフィルタの逆行列演算を解くことで、パルス波高分布１２に重畳する統計的なばらつきを低減する効果があり、検出部１の放射線検出器１ａへ入射する放射線のエネルギースペクトルを正確に求めることができる。

なお、スペクトル整形部４のフィルタとして、実験により求めた放射線検出器のエネルギー分解能を基に正規分布で近似したフィルタを使用してもよい。

以上のようにこの実施の形態１のスペクトル整形部４ではフィルタを、放射線のエネルギーの関数として得られる放射線検出器１ａのエネルギー分解能を標準偏差とする正規分布形状フィルタとする。

また、この発明の各実施の形態による放射線測定装置のハードウェア構成としては例えば図１１に示すように、検出部１が放射線検出器１ａ、増幅部２が増幅器２ａ、波高演算部３とスペクトル整形部４と逆問題演算部５とピーク推定部６がプロセッサ１００、表示部７がディスプレイ７ａでそれぞれ構成される。プロセッサ１００は例えば、ＣＰＵ１００ａ、ＣＰＵ１００ａで実行する波高演算部３とスペクトル整形部４と逆問題演算部５とピーク推定部６の処理のためのプログラム、データ等を格納したメモリ１００ｂ、および外部とのＩ／Ｆ(インターフェース)１００ｃ，１００ｄ等から構成される。また波高演算部３とスペクトル整形部４と逆問題演算部５とピーク推定部６の部分をプロセッサ１００の代わりにＡＳＩＣ(application specific integrated circuit)等のデジタル回路で構成してもよい。

そして演算処理に必要な、スペクトル整形部４での放射線検出器の物理特性、この物理特性を基に設計したフィルタ、光線シミュレータ、半導体デバイスシミュレータ等、や、逆問題演算部５での放射線のエネルギー毎の応答関数、予め設定された各種設定値等の、放射線測定に必要な予め準備しておくデータ、テーブル、プログラム等はメモリ１００ｂに予め格納しておく。

実施の形態２．
実施の形態２は、スペクトル整形部４が有するフィルタの定義が上述の実施の形態１と異なっている。その他の部分については基本的に上述の実施の形態１と同じである。
ここで、式(３)に用いるフィルタの関数は、式(１０)に示す標準偏差がエネルギー分解能に基づくものからなるローレンツ分布で定義される。

放射線源のエネルギー分布が共鳴や摂動等により、光の線スペクトルのようなローレンツ分布を示す場合、逆問題演算の解の精度を向上させるためには、放射線源自体の分布を考慮する必要がある。上述のフィルタとして式(１０)の分布を用いることで、放射線源自身のエネルギー分布に従った統計的なばらつきを考慮することができ、放射線源由来のばらつきを抑制する効果が得られる。

ここで、放射線源自体のエネルギー分布に加え、検出器のエネルギー分解能によるばらつきを考慮すると、更に、逆問題演算の解の精度を向上させることが可能である。例えば、上述のフィルタとして、一般に式(１０)を式(２)でコンボリューションすなわち畳み込みを行った関数として定義されるフォークト分布を用いる。一般に、放射線のエネルギースペクトル分布曲線は、上述のローレンツ分布、または上述の正規分布のみで表現されることは少ない。実際は、上述のローレンツ分布と上述の正規分布の両者が混合したフォークト分布となることが多く発生する。そのため、上述のフィルタにフォークト分布を用いることで、式(２)で表される検出部が放射線を測定した際に生じる統計的なばらつきと式(１０)の放射線源自身に基づく上述の放射線のエネルギー分布のばらつきを考慮することができる。したがって、上述のパルス波高分布に含まれる検出部１と放射線源に基づく２種類のばらつきを抑制する効果が得られる。

以上のようにこの実施の形態２のスペクトル整形部４ではフィルタを、放射線のエネルギーの関数として得られる放射線検出器１ａのエネルギー分解能を標準偏差とするローレンツ分布またはフォークト分布の標準偏差を変更するフィルタとする。

実施の形態３．
実施の形態３は、スペクトル整形部４が有するフィルタの定義が上述の実施の形態１と異なっている。その他の部分については基本的に上述の実施の形態１と同じである。
ここで、例えば、式(３)に用いるフィルタの関数は、上述のエネルギー分解能に基づいて、上述のパルス波高分布を平滑化する単純移動平均法の関数で定義される。ここで、例えば、移動平均法の平滑化幅は、検出部１へ入射する放射線のエネルギーＥｉを中心に、式(１)によって求まる上述の検出器１ａのエネルギー分解能から決まる上限と下限の範囲内の上述のパルス波高分布における測定値を平均化する。

なお、フィルタの関数の移動平均法は、単純移動平均法だけでなく、上述のパルス波高分布に対して平滑化をおこなうことができる加重移動平均法、指数移動平均法、三角移動平均法等を採用してもよい。いずれの手法も上述のパルス波高分布において移動平均を計算する幅は、検出部１ａのエネルギー分解能に基づき変更する。ここで、移動平均法は、式(２)、式(１０)または式(１０)を式(２)でコンボリューションした関数の上述のフォークト分布で定義されるフィルタの関数のように超関数を持たない。そのため、移動平均法では、四則演算のみによって式(３)を算出することができる。したがって、実施の形態１と２に比べ、本実施の形態３のように移動平均法で定義されるフィルタを使用する場合、フィルタの関数を作成する計算時間を短縮できる効果が期待できる。

以上のようにこの実施の形態３のスペクトル整形部４ではフィルタを、放射線のエネルギーの関数として得られる放射線検出器１ａのエネルギー分解能を標準偏差とし、標準偏差に応じて、移動平均法の平滑化幅を変更するフィルタとする。

産業上の利用の可能性

この発明は、種々の分野で使用される放射線測定装置および放射線測定方法に適用可能である。

Claims

放射線検出器により放射線を検出し検出結果をパルス信号として出力する検出部と、
前記検出部からのパルス信号を増幅する増幅部と、
増幅されたパルス信号のパルス波高をもとにパルス波高分布を演算する波高演算部と、
前記パルス波高分布に前記放射線検出器固有の物理特性に従ったフィルタの関数を掛けてスペクトルを整形し、統計的なばらつきによる正規分布を表現した整形パルス波高分布を求めるスペクトル整形部と、
前記整形パルス波高分布に対して前記放射線検出器の応答関数を用いた逆問題演算を行い検出した放射線のエネルギースペクトルを求める逆問題演算部と、
前記エネルギースペクトルから前記放射線検出器固有の統計的なばらつきを排除したエネルギースペクトルを求めて入射した放射線本来のエネルギーを推定するピーク推定部と、
ピーク推定された前記エネルギースペクトルを表示する表示部と、
を備えた放射線測定装置。
前記放射線検出器がシンチレーション式の放射線検出器であり、
前記スペクトル整形部のフィルタが、
放射線によるシンチレーション式の前記放射線検出器へのエネルギー付与については放射線挙動解析を用い、シンチレーション光が電子に変換されるまでの光学特性については光線挙動解析を用い、前記解析を組み合わせた解析によってシンチレーション式の前記放射線検出器の物理特性を基に設計されたものである請求項１に記載の放射線測定装置。
前記放射線検出器が半導体式の放射線検出器であり、
前記スペクトル整形部のフィルタが、
放射線による半導体式の前記放射線検出器へのエネルギー付与については放射線挙動解析を用い、電子正孔対の生成からパルス信号の出力に至るまでの過程については半導体デバイス特性挙動解析を用い、これらの解析を組み合わせた解析によって半導体式の前記放射線検出器の物理特性を基に設計されたものである請求項１に記載の放射線測定装置。
前記スペクトル整形部の前記フィルタが、実験に基づく前記放射線検出器のエネルギー分解能を基に正規分布で近似したフィルタである請求項１に記載の放射線測定装置。
前記スペクトル整形部の前記フィルタが、放射線のエネルギーの関数として得られる前記放射線検出器のエネルギー分解能を標準偏差とする正規分布形状フィルタである、請求項４に記載の放射線測定装置。
前記スペクトル整形部の前記フィルタが、放射線のエネルギーの関数として得られる前記放射線検出器のエネルギー分解能を標準偏差とするローレンツ分布の前記標準偏差を変更するフィルタである請求項４に記載の放射線測定装置。
前記スペクトル整形部の前記フィルタが、放射線のエネルギーの関数として得られる前記放射線検出器のエネルギー分解能を標準偏差とするフォークト分布の前記標準偏差を変更するフィルタである請求項４に記載の放射線測定装置。
前記スペクトル整形部の前記フィルタが、放射線のエネルギーの関数として得られる前記放射線検出器のエネルギー分解能を標準偏差とし、前記標準偏差に応じて、移動平均法の平滑化幅を変更するフィルタである請求項４に記載の放射線測定装置。
放射線検出器により放射線を検出し検出結果をパルス信号として出力し、
増幅された前記パルス信号のパルス波高をもとにパルス波高分布を演算し、
前記パルス波高分布に前記放射線検出器固有の物理特性に従ったフィルタの関数を掛けてスペクトルを整形し、統計的なばらつきによる正規分布を表現した整形パルス波高分布を求め、
前記整形パルス波高分布に対して前記放射線検出器の応答関数を用いた逆問題演算を行い検出した放射線のエネルギースペクトルを求め、
前記エネルギースペクトルから前記放射線検出器固有の統計的なばらつきを排除したエネルギースペクトルを求めて入射した放射線本来のエネルギーを推定し、
ピーク推定された前記エネルギースペクトルを表示部に表示する、
工程を備えた放射線測定方法。