JPWO2017187972A1 - 放射線検出装置及び放射線検出用信号処理装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、パルスプロセッサ５に入力される電圧信号のノイズを除去するとともに、放射線のエネルギー分解能を向上するものであり、放射線が入射することにより発生した電荷を出力する放射線検出器２と、発生した電荷をアナログ信号に変換するプリアンプ３と、プリアンプ３からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部４と、Ａ／Ｄ変換部４からのデジタル信号からノイズを除去するノイズ除去フィルタ５と、ノイズ除去フィルタ５を通過したデジタル信号からパルス信号を生成する波形整形部６と、波形整形部６からのパルス信号の波高値を検出する波高検出部７と、波高検出部７により得られた波高値を、波高別にカウントするカウント部８とを備え、ノイズ除去フィルタ５は、デジタル信号の値を、所定の基準値からの差に応じた重み付け係数を用いて、加重移動平均することによってノイズを除去するものである。

Description

本発明は、放射線検出装置及び当該放射線検出装置に用いられる信号処理装置に関するものである。

従来の放射線検出装置としては、特許文献１に示すように、ＳＤＤ（Silicon Drift Detector）等の半導体放射線検出素子を有する放射線検出部から出力される電荷の積算量を、ＣＳＡ（Charge Sensitive Amplifier）等の変換部によりその積算量に応じた積算信号（例えば電圧信号）に変換して、ＤＰＰ（Digital Pulse Processor）等のパルスプロセッサに入力する構成とされている。このパルスプロセッサは、積算信号を例えば台形波形からなるパルス信号に整形する。このパルス信号の波高値は、放射線のエネルギーに対応している。そして、このパルス信号をＭＣＡ（Multi Channel Analyzer）等のカウンタで波高別にカウントすることによって、放射線スペクトルを得ることができる。

ここで、パルスプロセッサにより整形されるパルス信号は、より早く立ち上がり、より早く立ち下がる（つまり、パルスプロセッサのフィルタ時定数ＰＴが短い）方が、ランダムな時間間隔で入射する放射線を取り溢すことなく検出できる。

このため、特許文献１のパルスプロセッサは、フィルタ時定数ＰＴの異なる複数の波形整形フィルタを実装した構成とされている。具体的にこのパルスプロセッサは、フィルタ時定数が短く、主に放射線入射検出を目的としたファスト系フィルタと、フィルタ時定数が長く、主に放射線エネルギー測定を目的としたスロー系フィルタとを備えている。また、スロー系フィルタでは、異なる放射線の入射により生じるパルス信号がパイルアップとして除外されないように、出来るだけ短いフィルタ時定数ＰＴとすることが考えられている。

特開２０１４−２１９３６２号公報

しかしながら、パルスプロセッサのフィルタ特性上、スロー系フィルタにおいてフィルタ時定数をある値よりも短くすると、ホワイトノイズの影響が大きくなり、十分なＳ／Ｎが得られず、ＭＣＡ等のカウンタでのエネルギー測定値にバラつきが生じ、Ｘ線スペクトルのエネルギー分解能が悪化してしまう。

また、ホワイトノイズを除去するために、単純な移動平均フィルタを用いることも考えられるが、Ｘ線入射によるステップ部分まで平滑化してしまい、信号が鈍るため、正確なエネルギー値を得ることが難しい。

さらに、ファスト系フィルタにおいては、ホワイトノイズによるパルス状ノイズと、Ｘ線入射によるパルス信号とを区別して十分なＳ／Ｎを得るためには、フィルタ時定数ＰＴを長くすることが考えられる。ところが、フィルタ時定数ＰＴを長くして、Ｓ／Ｎを大きくすると閾値は下げられるが、時間分解能は悪くなる。逆にフィルタ時定数ＰＴを短くするとＳ／Ｎが小さくなり、時間分解能は良くなるが、閾値は上げざるを得ない（二律背反）。

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決すべくなされたものであり、ホワイトノイズを低減して、放射線のエネルギー分解能を改善するとともにパルス検出の時間分解能を改善することをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る放射線検出装置は、放射線が入射することにより発生した電荷を出力する放射線検出器と、前記発生した電荷をアナログ信号に変換するプリアンプと、前記プリアンプからのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、前記Ａ／Ｄ変換部からのデジタル信号からパルス信号を生成する波形整形部と、前記波形整形部からのパルス信号の波高値を検出する波高検出部と、前記波高検出部により得られた波高値を、波高別にカウントするカウント部と、前記Ａ／Ｄ変換部及び前記波高検出部の間に設けられ、前記デジタル信号又は前記パルス信号からノイズを除去するノイズ除去フィルタとを備え、前記ノイズ除去フィルタは、前記デジタル信号又は前記パルス信号の値を、所定の基準値からの差に応じた重み付け係数を用いて、加重移動平均することによってノイズを除去するものであることを特徴とする。
ここで、波形整形部は、時間幅の大きいパルス信号を生成するスロー系波形出力部と時間幅の小さいパルス信号を生成するファスト系波形出力部とを備えていることが望ましい。

この放射線検出装置によれば、波高検出部の前段に設けられたノイズ除去フィルタが、デジタル信号又はパルス信号の値を、所定の基準値からの差に応じた重み付け係数を用いて、加重移動平均を行うので、波形整形部に入力されるデジタル信号又は波高検出部に入力されるパルス信号のノイズを除去することができる。具体的には、スロー系波形出力部に入力されるデジタル信号のステップ部分が平滑化されて鈍ることを抑えつつノイズを除去できるようになり、放射線のエネルギー分解能を改善することができる。また、スロー系波形出力部のフィルタ時定数ＰＴを短くしても、エネルギー分解能が悪化することを抑制できるので、エネルギー分解能を維持しながら、パイルアップする確率を減らして高計数率化が可能となる。さらに、ファスト系波形出力部のフィルタ時定数ＰＴをより短くすることができるとともに、パルス検出閾値を低エネルギー側に下げることができるので、パルス検出の時間分解能の改善及びパイルアップ検出性能の改善とともに、より低エネルギー領域においてファスト系波形出力部によりパルス検出が可能となる。

また本発明に係る放射線検出装置は、放射線が入射することにより発生した電荷を出力する放射線検出器と、前記発生した電荷をアナログ信号に変換するプリアンプと、前記プリアンプからのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、前記Ａ／Ｄ変換部からのデジタル信号からノイズを除去するノイズ除去フィルタと、前記ノイズ除去フィルタを通過したデジタル信号からステップ毎の勾配を検出する勾配検出部とを備え、前記ノイズ除去フィルタは、前記デジタル信号の値を、所定の基準値からの差に応じた重み付け係数を用いて、加重移動平均することによってノイズを除去するものであることを特徴とする。
この放射線検出装置によれば、勾配検出部の前段に設けられたノイズ除去フィルタが、デジタル信号の値を、所定の基準値からの差に応じた重み付け係数を用いて、加重移動平均を行うので、勾配検出部において放射線入射によるステップ部分の立ち上がりが判別し易くなり、その立ち上がりの傾斜（勾配）から放射線検出器における放射線の入射位置を推定したり、複数の放射線の入射により生じるパイルアップを検出したりできる。

具体的には、前記基準値は、前記加重移動平均における区間毎に変化するものであることが望ましい。

前記ノイズ除去フィルタは、前記基準値からの差が大きいほど前記重み付け係数が小さくなるように構成されていることが望ましい。ここで、基準値からの差が大きいほど重み付け係数が小さくなるように構成されていることには、基準値からの差に応じて重み付け係数が単調減少すること、又は、基準値からの差に応じて重み付け係数が階段状に減少すること、つまり、重み付け係数が変化しない一定の部分を含むものであることを含む。

デジタル信号が電圧信号の場合に、ノイズ除去フィルタは、時刻ｔ＝ｔ_０における基準値ｖ（ｔ_０）に応じて、時刻ｔ_０−ｎΔｔ≦ｔ＜ｔ_０＋ｎΔｔにおける電圧値ｖ（ｔ）＝ｖ（ｔ_０−ｎΔｔ）〜ｖ（ｔ_０＋ｎΔｔ）に、ｖ（ｔ）−ｖ（ｔ_０）に応じた重み付け係数ｗ（ｔ）を用いて電圧値ｖ（ｔ）を加重移動平均する。

ノイズ除去フィルタは、上記の通り電圧方向における加重移動平均に加えて、時間方向においても加重移動平均することがノイズ除去精度の観点から望ましい。つまり、前記ノイズ除去フィルタは、前記デジタル信号の値を、前記基準値の時点からの時間差に応じた重み付け係数を用いて、加重移動平均するものであることが望ましい。つまり、ノイズ除去フィルタは、時間方向において｜ｔ−ｔ_０｜に応じた重み付け係数ｗ’（ｔ）を用いて電圧値ｖ（ｔ）を加重移動平均する。

前記ノイズ除去フィルタは、前記基準値の時点からの時間差が大きいほど前記重み付け係数が小さくなるように構成されていることが望ましい。ここで、基準値の時点からの時間差が大きいほど重み付け係数が小さくなるように構成されていることには、前記時間差に応じて重み付け係数が単調減少すること、又は、前記時間差に応じて重み付け係数が階段状に減少すること、つまり、重み付け係数が変化しない一定の部分を含むものであることを含む。

上記の重み付け係数ｗ（ｔ）又は重み付け係数ｗ’（ｔ）としては、基準値又は基準値の時点からの差に応じてガウス特性を示す重み付け係数とすることが考えられる。このようにガウス特性を示す重み付け係数を用いることで、ノイズ除去後の信号をより滑らかにすることができる。また、それら係数ｗ（ｔ）又は係数ｗ’（ｔ）としては、電圧方向又は時間方向に矩形状をなす重み付け係数（０／１の重み付け）とすることも考えられる。このように矩形状をなす重み付け係数を用いることで、しン号処理を簡単にすることができる。その他、それら係数ｗ（ｔ）又は係数ｗ’（ｔ）としては、基準値又は基準値の時点からの差に反比例（単調減少）する重み付け係数としても良い。

ここで、ノイズ除去フィルタをＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ又はＤＳＰ等のデジタル信号処理デバイス（デジタル回路）で構成し、リアルタイムにパイプライン処理を行うという条件においては、それらデジタル回路のロジックリソースや処理速度の制約により、係数ｗ（ｔ）又は係数ｗ’（ｔ）を、電圧方向又は時間方向に矩形状をなす重み付け係数（０／１の重み付け）とすることが現実的である。

ファスト系波形出力部の具体的な実施の形態としては、ファスト系波形出力部のフィルタ時定数ＰＴは５０ｎｓ以下かつパルス検出閾値を４００ｅＶ以下とすることが考えられる。また、スロー系波形出力部のフィルタ時定数ＰＴとしては１００ｎｓ以下かつパルス検出閾値を２００ｅＶ以下とすることが考えられる。
そして、ファスト系波形出力部及びスロー系波形出力部の両者におけるノイズ影響を低減するためには、ノイズ除去フィルタのフィルタ閾値を、ファスト系波形出力部のパルス検出閾値及びスロー系波形出力部のパルス検出閾値よりも大きくしていることが望ましい。このように、ファスト系波形出力部のパルス検出閾値及びスロー系波形出力部のパルス検出閾値よりも、ノイズ除去フィルタのフィルタ閾値を大きく（２倍以上）しても、ノイズ除去フィルタのフィルタ閾値以下のＸ線パルスを検出することができ、フィルタ効果を最大化することができる。

さらに本発明に放射線検出用信号処理装置は、放射線が入射した放射線検出器から出力される電荷をアナログ信号に変換するプリアンプと、前記プリアンプからのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、前記Ａ／Ｄ変換部からのデジタル信号からパルス信号を生成する波形整形部と、前記波形整形部からのパルス信号の波高値を検出する波高検出部と、前記波高検出部により得られた波高値を、波高別にカウントするカウント部と、前記Ａ／Ｄ変換部及び前記波高検出部の間に設けられ、前記デジタル信号又は前記パルス信号からノイズを除去するノイズ除去フィルタとを備え、前記ノイズ除去フィルタは、前記デジタル信号又は前記パルス信号の値を、所定の基準値からの差に応じた重み付け係数を用いて、加重移動平均することによってノイズを除去するものであることを特徴とする。

その他、本発明に放射線検出用信号処理装置は、放射線が入射した放射線検出器から出力される電荷をアナログ信号に変換するプリアンプと、前記プリアンプからのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、前記Ａ／Ｄ変換部からのデジタル信号からノイズを除去するノイズ除去フィルタと、前記ノイズ除去フィルタを通過したデジタル信号からステップ毎の勾配を検出する勾配検出部とを備え、前記ノイズ除去フィルタは、前記デジタル信号の値を、所定の基準値からの差に応じた重み付け係数を用いて、加重移動平均することによってノイズを除去するものであることを特徴とする。

このように構成した本発明によれば、波形整形部の前段に設けられたノイズ除去フィルタが、デジタル信号又はパルス信号の値を所定の基準値からの差に応じた重み付け係数を用いて加重移動平均するので、パルスプロセッサに入力される電圧信号のノイズを除去することができる。これにより、放射線のエネルギー分解能を向上することができるとともに、パルス検出の時間分解能を向上することができる。

本実施形態のＸ線検出装置の構成を示す模式図である。 同実施形態の加重移動平均を説明する図である。 同実施形態のノイズ除去フィルタの入力前の電圧波形と出力後の電圧波形とを示す図である。 従来例のＸ線検出装置の各部における信号波形と本実施形態のＸ線検出装置の各部における信号波形とを示す図である。 同実施形態のＸ線検出装置を組み込んだ蛍光Ｘ線分析装置によるスペクトル測定試験の結果を示す図である。 同実施形態のノイズ除去フィルタの有無による、各ＰＴにおけるＭｎ−Ｋβのスペクトルのエネルギー分解能を示す図である。 変形実施形態のＸ線検出装置の構成を示す模式図である。 シリコンドリフト検出器の変形例を示す模式図である。

１００・・・Ｘ線検出装置
２ ・・・Ｘ線検出器
３ ・・・プリアンプ
４ ・・・Ａ／Ｄ変換部
５ ・・・ノイズ除去フィルタ
６ ・・・波形整形部
６１ ・・・スロー系波形出力部
６２ ・・・ファスト系波形出力部
７ ・・・波高検出部
８ ・・・カウント部

以下に本発明に係る放射線検出装置の一態様であるＸ線検出装置について図面を参照して説明する。

本実施形態のＸ線検出装置１００は、図１に示すように、Ｘ線が入射することにより発生した電荷を出力するＸ線検出器２と、Ｘ線検出器２から出力される電荷の積算量をその積算量に応じたアナログ積算信号である電圧信号に変換する電圧信号に変換するプリアンプ３と、プリアンプ３からのアナログ電圧信号をデジタル電圧信号に変換するＡ／Ｄ変換部４と、Ａ／Ｄ変換部４からのデジタル電圧信号からノイズを除去するノイズ除去フィルタ５と、ノイズ除去フィルタ５を通過したデジタル電圧信号からパルス信号を生成する波形整形部６と、波形整形部６からのパルス信号の波高値を検出する波高検出部７と、波高検出部７により得られた波高値を、波高別にカウントするカウント部８とを備えている。

Ｘ線検出器２は、シリコンドリフト検出器（ＳＤＤ（Silicon Drift Detector））である。なお、シリコンドリフト検出器は、同心状の電極構造により中心部の収集電極に集めるものである。そして、このシリコンドリフト検出器では、入射したＸ線を空乏層で吸収し、当該空乏層において入射したＸ線のエネルギーに比例した数の電子−正孔対が生成される。生成された電子は、シリコンドリフト検出器内の電位勾配に従って、発生した電子は収集電極（アノード）に流れる。これにより、シリコンドリフト検出器は、入射したＸ線のエネルギーに比例した電荷を出力する。

プリアンプ３は、電荷増幅器（ＣＳＡ（Charge Sensitive Amplifier））であり、Ｘ線検出器２から出力された電荷をオペアンプ３１及びコンデンサ３２により積分・増幅して、Ｘ線のエネルギーに比例した電圧信号（アナログ信号）に変換するものである。プリアンプ３は、オペアンプ３１と、オペアンプ３１の入力端子（反転入力端子）及び出力端子の間に接続されたコンデンサ３２と、コンデンサ３２の電荷をリセット（放電）させる半導体スイッチ（例えばＦＥＴ）等のスイッチ３３とを有する。

ノイズ除去フィルタ５は、Ａ／Ｄ変換部４によりからのデジタル電圧信号に含まれるホワイトノイズを除去するものである。なお、ノイズ除去フィルタ５の具体的構成については後述する。

波形整形部６及び波高検出部７は、デジタルパルスプロセッサ（ＤＰＰ）により構成されている。波形整形部６は、Ａ／Ｄ変換部４からのデジタル電圧信号から例えば台形波形のパルス信号を生成する。なお、このパルス信号の波高値は、Ｘ線のエネルギーに比例している。

ここで、本実施形態の波形整形部６は、スロー系波形出力部６１とファスト系波形出力部６２とを備えている。

スロー系波形出力部６１は、Ｘ線のエネルギーに対して高分解能を有するものであり、大きいフィルタ時定数ＰＴを用いて、Ａ／Ｄ変換部４からのデジタル電圧信号をフィルタ処理することにより、時間幅の大きい台形波形のパルス信号を生成するものである。なお、このスロー系波形出力部６１により得られた時間幅の大きいパルス信号は、波高検出部７及びカウント部８に出力されてＸ線情報に生成に用いられる。

なお、スロー系波形出力部は、十分なエネルギー分解能を得るには、通常０．５〜４μｓのフィルタ時定数が最適（この値はＳＤＤやＣＳＡ、プリアンプの特性や付加容量に依存）である。また、信号の立ち上がりによる整形波形の鈍りを考慮し、パルス波形の頂上が平坦な台形となるよう、ホールディング時間ＨＴを数１０〜数１００ｎｓ設ける（このＨＴの最適値はＳＤＤの特性に依存）。これにより、平坦部の平均値とベースラインの平均値の差を取ることで、入射Ｘ線のエネルギーに比例したパルス波高値が得られ、ファスト系波形出力部のパルス信号を用いるより正確なエネルギー値が得られるが、全体のプロセス時間（２ＰＴ＋ＨＴ）はファスト系波形出力部より長くなり、その期間に複数のＸ線が入射すると、台形波が重なってしまい、個々の台形波の波高値が正確に取得できなくなってしまう。

また、ファスト系波形出力部６２は、Ｘ線の入射検出に対して高分解能を有するものであり、スロー系波形出力部６１よりも小さい時定数ＰＴを用いて、Ａ／Ｄ変換部４からのデジタル電圧信号をフィルタ処理することにより、時間幅の小さいパルス信号（タイミングパルス）を生成するものである。なお、このファスト系波形出力部６２により得られた時間幅の小さいパルス信号は、パイルアップの検出等に用いられる。

また、波高検出部７は、ピークホールドにより、入力されたパルス信号の波高値を検出する。具体的に波高検出部７は、波形整形部６のスロー系波形出力部６１からのパルス信号のうち、ファスト系波形出力部６２によりパイルアップ検出されたものを除いたものの波高値を検出する。

カウント部８は、マルチチャンネルアナライザ（ＭＣＡ）である。このカウント部８は、波高別に、パルス信号の波高が入力された回数をカウントして、Ｘ線情報であるＸ線スペクトルを生成する。

そして、本実施形態のノイズ除去フィルタ（ＷＭＡＦ）５は、Ａ／Ｄ変換部４からのデジタル電圧信号の値を、所定の基準値からの差に応じた重み付け係数を用いて、加重移動平均することによってノイズを除去する。

具体的にノイズ除去フィルタ５は、時刻ｔ＝ｔ_０における基準値ｖ（ｔ_０）に応じて、時刻ｔ_０−ｎΔｔ≦ｔ＜ｔ_０＋ｎΔｔにおける電圧値ｖ（ｔ）＝ｖ（ｔ_０−ｎΔｔ）〜ｖ（ｔ_０＋ｎΔｔ）に、ｖ（ｔ）−ｖ（ｔ_０）に応じた重み付け係数ｗ（ｔ）を用いて電圧値ｖ（ｔ）を加重移動平均する。ここで、ノイズ除去フィルタ５は、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ又はＤＳＰ等のデジタル信号処理デバイス（デジタル回路）で構成されており、リアルタイムにパイプライン処理を行うという条件においてロジックリソースや処理速度の制約により、電圧方向に矩形状をなす重み付け係数（０／１の重み付け）を用いている。

より詳細にフィルタ除去フィルタ５は、Ａ／Ｄ変換部４からのデジタル電圧信号の値と基準値ｖ（ｔ_０）との差がフィルタ閾値ＴＨよりも大きい場合に、その電圧信号の値に対する重み付け係数ｗ（ｔ）をゼロとする。また、ノイズ除去フィルタ５は、Ａ／Ｄ変換部４からのデジタル電圧信号の値ｖ（ｔ）と所定の基準値ｖ（ｔ_０）との差がフィルタ閾値ＴＨ以下の場合に、その電圧信号の値に対する重み付け係数ｗ（ｔ）を１とする。本実施形態では、以下の演算を行っている。

ここで、ｄ（ｔ）は時刻ｔにおける電圧信号の値（電圧値）、ＦＬは時間方向のフィルタ区間、ＴＨは電圧方向のフィルタ閾値である。

また、ｗ（ｔ、ｋ）は、時刻ｔにおける、ｄ（ｔ）からｋ（−（ＦＬ／２−１）≦ｋ≦ＦＬ／２）だけ離れた位置での重み関数であり、ｄ（ｔ＋ｋ）とｄ（ｔ）とがフィルタ閾値ＴＨ以上離れている場合には、ｗ（ｔ、ｋ）＝０となり、その時間の値ｄ（ｔ＋ｋ）を移動平均処理から除外している。

この処理を施すことにより、図２に示すように、基準値ｄ（ｔ）から閾値ＴＨよりも離れている点（図２中の×印）は移動平均処理から除外され、基準値ｄ（ｔ）から閾値ＨＴの範囲内の点（図２中の黒丸印）は、基準値とともに移動平均される。このようにして得られた移動平均が、時刻ｔにおける値ｆ（ｔ）となる。これにより、ステップ部分以外の変化の小さい領域ではスムージング効果が得られ、変化の大きいステップ部分では、ほぼフィルタ入力値（ここではｄ（ｔ））がそのまま通過してステップのエッジが保持され得る。

この演算では、ｗ（ｔ、ｋ）の算出に乗算器は不要で、コンパレータ（比較器）のみで実現できる。ｗ（ｔ、ｋ）は０か１なので、分子のｄ（ｔ＋ｋ）との乗算器も不要で、ｄ（ｔ＋ｋ）のビット幅分の論理積（ＡＮＤ）演算器又はマルチプレクサで実現できる。また、分母についても、先ほどのｗ（ｔ、ｋ）からのコンパレータ出力に対して、１が立っているビット数をカウントするだけで得られるため、乗算器も積和演算も不要であり、ビットシフト演算及び加算器が数段あれば求められる。このカウント値は１〜ＦＬまでの整数となるので、予めこれらの逆数を計算しておき、ルックアップテーブルとしてＢＲＡＭに格納しておけばカウント値をアドレスとして、逆数を呼び出せば、徐算器なしに逆数が得られる。この分母の逆数の導出と、分子の導出もそれぞれパイプライン化した上で、並列化でき、最後に両者を乗算することでフィルタ通過信号ｆ（ｔ）が得られる。このような回路構成であれば、回路規模もそれほど大きくなく、十分に並列化、パイプライン化が可能であるため、一般的にＤＰＰに採用されているような規模及び性能のＦＰＧＡであれば、ＤＰＰを実現した際の余剰リソースを用いて十分に実現可能であり、動作速度もＤＰＰと同じ速度（１００ＭＨｚ）でリアルタイム処理可能である。

ノイズ除去フィルタ５の入力前の電圧波形と、ノイズ除去フィルタ５の出力後の電圧波形とを図３に示す。
図３により、ノイズ除去フィルタ５の入力電圧に対して、ノイズ除去フィルタ５の出力電圧は、ノイズ成分が大幅に低減できており、Ｘ線入射による電圧ステップ部分が鈍らずに出力されていることが分かる。特に、入力前の電圧波形において９．８μｓ付近の２つのステップは境界が曖昧であるが、出力後の電圧波形においてそれに相当する箇所（１０．３μｓ付近）では、２つのステップが明確に分けられており、時間方向にＦＬ以下の分解能が得られている。また、入力前の電圧波形において１３．２μｓ付近では、明確なステップは確認困難であるが、出力後の電圧波形においてそれに相当する箇所（１３．６μｓ付近）では、明確なステップが再現できている。
この結果により、本実施形態のノイズ除去フィルタ５により、時間方向及びエネルギー方向の双方において分解能の向上が可能であることが分かる。

図４の（Ａ）には、ノイズ除去フィルタ５を有さないＸ線検出装置（従来例）における各部の信号波形を模式的に示しており、同図の（Ｂ）には、ノイズ除去フィルタ５を有するＸ線検出装置（本実施形態）における各部の信号波形を模式的に示している。

次に、本実施形態のＸ線検出装置１００を組み込んだ蛍光Ｘ線分析装置（堀場製作所製ＭＥＳＡ−５０）によるスペクトル測定試験の結果を示す。
このスペクトル測定試験は、試料としてＭｎを用いて、Ｘ管電圧を１５ｋＶ、管電流５０μＡ、照射径φ３ｍｍ、ニオブ（Ｎｂ）フィルタ、ＳＤＤ冷却温度−１５℃の条件で測定した。
図５にこの測定試験の結果を示す。図５は、パルスプロセッサ（スロー系波形出力部６１）のフィルタ時定数ＰＴが５０ｎｓの時のスペクトルであり、横軸は１チャンネル当たり１０ｅＶに相当する。このスペクトルにより、ノイズ除去フィルタ５を用いて、ＰＴ＝５０ｎｓという短いフィルタ時定数ＰＴ時においてスペクトルのガウス形状が殆ど崩れていない。

また、図６にノイズ除去フィルタ５の有無による、各フィルタ時定数ＰＴにおけるＭｎ−Ｋαのスペクトルのエネルギー分解能（半値全幅ＦＷＨＭ）を示す。
この図６より、フィルタ時定数ＰＴが０．５μｓ以下の領域では、ＦＷＨＭに顕著な改善がみられることが分かり、ホワイトノイズ成分が大幅に低減できていることが分かる。この結果により、フィルタ時定数ＰＴが短い領域において、ノイズ除去フィルタ５はエネルギー分解能の改善に有効であることが分かった。

このように構成した本実施形態のＸ線検出装置１００によれば、波形整形部６の前段に設けられたノイズ除去フィルタ５が、デジタル電圧信号の値を、所定の基準値ｖ（ｔ）からの差に応じた重み付け係数ｗ（ｔ，ｋ）を用いて、加重移動平均を行うので、波形整形部６に入力されるデジタル電圧信号のノイズを除去することができる。

具体的には、スロー系波形出力部６１に入力されるデジタル電圧信号のステップ部分が平滑化されて鈍ることを抑えつつノイズを除去できるようになり、Ｘ線のエネルギー分解能を改善することができる。
また、スロー系波形出力部６１のフィルタ時定数ＰＴを短く（例えば０．１μｓ）しても、十分なエネルギー分解能を得られるので、スロー系波形出力部６１のプロセス時間をより短くでき、プロセス時間内に、複数のＸ線が入射する確率が低減するので、パイルアップの発生が減少する。

さらに、ファスト系波形出力部６２のフィルタ時定数ＰＴをより短くすることができるとともに、パルス検出閾値を低エネルギー側に下げることができるので、より低エネルギーのＸ線入射においても近接して入射したＸ線を分離することができる。これにより、パルス検出の時間分解能の改善及びパイルアップ検出性能の改善とともに、より低エネルギー領域においてファスト系波形出力部６２によりパルス検出が可能となる。例えば、１ｋｅＶ以下の軽元素においても、最良の時間分解能でパイルアップ検出が可能となる。つまり、フィルタ時定数ＰＴを１０ｎｓとし、パルス検出閾値を４００ｅＶ以下に設定してもノイズ誤検出しない。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態では、デジタル電圧信号の値に応じて矩形状の重み付け係数（０又は１）を用いたものであったが、次のものであっても良い。例えば、基準値からの差に応じてガウス特性を示す重み付け係数としても良いし、基準値からの差に反比例（単調減少）する重み付け係数としても良い。なお、基準値から電圧方向に離れるほど重み付け係数を小さくするのが基本であるが、ただ単純に減少するのではなく、一定であったり、一部増加する部分があってもよい。

また、ノイズ除去フィルタ５は、電圧方向における加重移動平均に加えて、時間方向においても加重移動平均するものであっても良い。つまり、ノイズ除去フィルタ５は、デジタル電圧信号の値を、基準値ｖ（ｔ_０）の時点ｔ_０からの時間差に応じた重み付け係数ｗ’（ｔ）を用いて、加重移動平均する。具体的にノイズ除去フィルタ５は、時間方向において｜ｔ−ｔ_０｜に応じた重み付け係数ｗ’（ｔ）を用いて電圧値ｖ（ｔ）を加重移動平均する。ここで、ノイズ除去フィルタ５は、基準値ｖ（ｔ_０）の時点ｔ_０からの時間差が大きいほど重み付け係数ｗ’（ｔ）が小さくなるように構成されていることが望ましい。この重み付け係数ｗ’（ｔ）は、電圧方向の重み付け係数ｗ（ｔ）と同様に設定することが考えられる。

また、前記実施形態の構成に加えて、ノイズ除去フィルタ５を迂回するバイパス経路を設けて、デジタル電圧信号がＡ／Ｄ変換部４からノイズ除去フィルタ５を介して波形整形部６に至る経路と、デジタル電圧信号がＡ／Ｄ変換部４からノイズ除去フィルタ５を介さずに波形整形部６に至る経路とが切り替え可能に構成されたものであっても良い。さらに、ノイズ除去フィルタ５を複数有する構成としても良く、フィルタ閾値やフィルタ区間（フィルタ長）等のパラメータが異なるフィルタを直列に配置したものであっても良く、並列に配置して切り替える構成としても良い。その上、スロー系波形整形部６１及びファスト系波形出力部６２に別々にノイズ除去フィルタを設けても良い。

前記実施形態では、ノイズ除去フィルタ５がＡ／Ｄ変換部４及び波形整形部６の間に設けられているがこれに限られない。例えば、波形整形部６にノイズ除去フィルタ５を設けて、波形整形するのと同時にノイズを除去するようにしても良いし、波形整形した後にノイズを除去するようにしても良い。また、波形整形部６及び波高検出部７の間にノイズ除去フィルタ５を設けて、波形整形部６から出力されるパルス信号のノイズを除去するようにしても良い。

前記実施形態の他に、本発明の放射線検出用信号処理装置は、波形整形部、波高検出部及びカウント部を有さないものであっても良い。この場合、当該信号処理装置とは、別に波形整形部、波高検出部及びカウント部を有する情報処理装置が設けられる。具体的にこの放射線検出用信号処理装置は、放射線が入射した放射線検出器から出力される電荷をアナログ信号に変換するプリアンプと、前記プリアンプからのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、前記Ａ／Ｄ変換部からのデジタル信号からノイズを除去するノイズ除去フィルタとを備え、前記ノイズ除去フィルタは、前記デジタル信号の値を、所定の基準値からの差に応じた重み付け係数を用いて、加重移動平均することによってノイズを除去するものである。

さらに、Ｘ線検出器としては、Ｓｉ（Ｌｉ）型検出器等のその他の半導体検出器を用いることができるし、比例計数管や光電子増倍管など半導体以外でも良い。その他、Ｘ線検出の他、γ線など、その他の放射線検出に適用することもできる。また、放射線検出器は、シンチレータ等で光に変換したものを光検出器で検出する方式であっても良い。

加えて、Ｘ線検出装置１００は、図７に示すように、ノイズ除去フィルタ５を通過したデジタル電圧信号からステップ毎の勾配を検出する勾配検出部６３を備えるものであっても良い。なお、ノイズ除去フィルタ５の機能は前記実施形態と同様である。
勾配検出部６３は、スロー系波形出力部６１とファスト系波形出力部６２とは別に設けられており、デジタルパルスプロセッサ（ＤＰＰ）により構成されている。この勾配検出部６３は、デジタル電圧信号のステップ部分の勾配を維持しながら、ステップ以外の電圧をベース電圧に下げる波形整形をおこなうフィルタである。
このＸ線検出装置１００によれば、勾配検出部６３の前段に設けられたノイズ除去フィルタ５が、デジタル電圧信号の値を、所定の基準値からの差に応じた重み付け係数を用いて、加重移動平均を行うので、勾配検出部６３においてＸ線入射によるステップ部分の立ち上がりが判別し易くなり、その立ち上がりの傾斜（勾配）からＸ線検出器２におけるＸ線の入射位置を推定したり、複数のＸ線の入射により生じるパイルアップを検出したりできる。

その上、前記実施形態のシリコンドリフト検出器において、図８に示すように、Ｘ線検出領域が複数に分割されており、各領域に収集電極（アノード）が設けられたものであっても良い。

この構成では、各領域の境界にＸ線が入射した場合、発生した電子が複数の収集電極で分散して収集される可能性があり、重複カウントとなってしまう。このため、各領域の境界に入射したＸ線により生じる信号をカウントしないように取り除くことが望ましい。

ここで、境界では電界強度が弱く、収集電極までの距離が長いので、発生した電子が収集電極に収集されるまでに時間がかかる。そうすると、境界で発生した電子に起因する検出信号は、それ以外の部分で発生した電子に起因する検出信号よりも、時間に対する信号値の変化が緩やかになる。

この特性を生かして、ノイズ除去フィルタ５の後段、例えばパルスプロセッサ（勾配検出部６３等）において、電圧信号の傾きが所定値以下かどうかを判断して、所定値以下の場合は、その電圧信号は境界に入射したＸ線に起因するものとして、取り除くように構成しても良い。ノイズ除去フィルタ５によりノイズが除去された電圧信号を用いてその傾きが所定値以下か否かを判断するので、その判断を正確に行うことができる。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明によれば、放射線検出装置において、ホワイトノイズを低減して、放射線のエネルギー分解能を改善するとともにパルス検出の時間分解能を改善することができる。

Claims (11)

1. 放射線が入射することにより発生した電荷を出力する放射線検出器と、
   前記発生した電荷をアナログ信号に変換するプリアンプと、
   前記プリアンプからのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、
   前記Ａ／Ｄ変換部からのデジタル信号からパルス信号を生成する波形整形部と、
   前記波形整形部からのパルス信号の波高値を検出する波高検出部と、
   前記波高検出部により得られた波高値を、波高別にカウントするカウント部と、
   前記Ａ／Ｄ変換部及び前記波高検出部の間に設けられ、前記デジタル信号又は前記パルス信号からノイズを除去するノイズ除去フィルタとを備え、
   前記ノイズ除去フィルタは、前記デジタル信号又は前記パルス信号の値を、所定の基準値からの差に応じた重み付け係数を用いて、加重移動平均することによってノイズを除去するものである放射線検出装置。
2. 前記ノイズ除去フィルタは、前記基準値からの差が大きいほど前記重み付け係数が小さくなるように構成されている請求項１記載の放射線検出装置。
3. 前記重み付け係数は、前記基準値からの差に応じてガウス特性を示すもの又は矩形状をなすものである請求項１記載の放射線検出装置。
4. 前記ノイズ除去フィルタは、前記デジタル信号又は前記パルス信号の値を、前記基準値の時点からの時間差に応じた重み付け係数を用いて、加重移動平均するものである請求項１記載の放射線検出装置。
5. 前記ノイズ除去フィルタは、前記基準値の時点からの時間差が大きいほど前記重み付け係数が小さくなるように構成されている請求項４記載の放射線検出装置。
6. 前記重み付け係数は、前記基準値の時点からの差に応じてガウス特性を示すもの又は矩形状をなすものである請求項４記載の放射線検出装置。
7. 前記波形整形部は、時間幅の大きいパルス信号を生成するスロー系波形出力部と時間幅の小さいパルス信号を生成するファスト系波形出力部とを備えている請求項１記載の放射線検出装置。
8. 前記基準値は、前記加重移動平均における区間毎に変化するものである請求項１記載の放射線検出装置。
9. 放射線が入射することにより発生した電荷を出力する放射線検出器と、
   前記発生した電荷をアナログ信号に変換するプリアンプと、
   前記プリアンプからのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、
   前記Ａ／Ｄ変換部からのデジタル信号からノイズを除去するノイズ除去フィルタと、
   前記ノイズ除去フィルタを通過したデジタル信号からステップ毎の勾配を検出する勾配検出部とを備え、
   前記ノイズ除去フィルタは、前記デジタル信号の値を、所定の基準値からの差に応じた重み付け係数を用いて、加重移動平均することによってノイズを除去するものである放射線検出装置。
10. 放射線が入射した放射線検出器から出力される電荷をアナログ信号に変換するプリアンプと、
    前記プリアンプからのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、
    前記Ａ／Ｄ変換部からのデジタル信号からパルス信号を生成する波形整形部と、
    前記波形整形部からのパルス信号の波高値を検出する波高検出部と、
    前記波高検出部により得られた波高値を、波高別にカウントするカウント部と、
    前記Ａ／Ｄ変換部及び前記波高検出部の間に設けられ、前記デジタル信号又は前記パルス信号からノイズを除去するノイズ除去フィルタとを備え、
    前記ノイズ除去フィルタは、前記デジタル信号又は前記パルス信号の値を、所定の基準値からの差に応じた重み付け係数を用いて、加重移動平均することによってノイズを除去するものである放射線検出用信号処理装置。
11. 放射線が入射した放射線検出器から出力される電荷をアナログ信号に変換するプリアンプと、
    前記プリアンプからのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、
    前記Ａ／Ｄ変換部からのデジタル信号からノイズを除去するノイズ除去フィルタと、
    前記ノイズ除去フィルタを通過したデジタル信号からステップ毎の勾配を検出する勾配検出部とを備え、
    前記ノイズ除去フィルタは、前記デジタル信号の値を、所定の基準値からの差に応じた重み付け係数を用いて、加重移動平均することによってノイズを除去するものである放射線検出用信号処理装置。

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