明細書
エネルギー測定方法及び測定装置
技術分野
本発明は、 入力された信号パルスのパルス波形に対し、 その信号強度を積分し て信号パルスのエネルギーを測定するエネルギー測定方法及び測定装置に関する ものである。 本発明は放射線のエネルギー計測や線量計測のみならず、 放射線の 検出位置情報や放射線画像の計測などにも広く応用され、 とくに核医学診断に用 いられるガンマカメ ラ、 S P E C T (Single photon emission computed tomography)装 、 P E T (Positron emission tomography)装 などにも 、用され る。
背景技術
γ線や荷電粒子などの放射線 (エネルギー線) について測定を行う場合、 放射 線の検出には、例えばシンチレータを用いたシンチレーション検出器などの放射 線検出器が用いられる。そして、放射線検出器から出力された検出信号に対して、 所定の信号処理あるいはさらに演算処理等を行うことにより必要な情報が得ら れる。
例えば、 シンチレーシヨン検出器では、 シンチレータ中で発生するパルス状の シンチレーシヨン光によって、 シンチレータに入射した放射線を検出する。 この シンチレーシヨン光による光信号パルスは、光電子増倍管などの光検出器で電気 信号パルスに変換される。 すなわち、 シンチレーシヨン光が光電子増倍管の光電 面に入射するとその光電面から光強度に比例して複数の光電子を発生し、 この光 電子は第一ダイノードに集められたのち、順次後続のダイノードによって増倍さ れ、 パルス信号 (電流信号) となって出力される。
一般に、放射線検出器に使用されるシンチレータのシンチレーション光は例え ば指数関数的に信号強度が減衰するようなパルス波形を有する。 そして、 第一ダ ィノードに集められる光電子の総数がシンチレータに吸収された放射線のエネ
ルギ一に対応する。 そこで放射線のエネルギーを計測するには、 光電子増倍管か らの出力信号を適当な時間間隔にわたって積分する必要がある。 一般に 1つの信 号パルスによって、第一ダイノードに集められる光電子の総数は十分大きくない ので、上記の積分時間はシンチレーション光の大部分を積分するように設定する のが好ましい。 この積分時間が短い場合には集められる光電子数が減少するため、 その統計的な変動によって、 エネルギー分解能が低下する。
放射線検出器による放射線の単位時間当たりの検出数 (計数率) が高い状態で 測定が行われると、 信号パルス間のパルス間隔が、 個々の信号パルスのパルス幅 と同程度またはそれよりも短い時間間隔となる確率が増大し、 2以上の信号パル スが互いに時間的に重なり合う、 いわゆる 「パイルアップ」 が発生する。 このと き、 エネルギーを測定しょうとする信号パルスに対して信号強度 (電流信号) の 積分を行うと、 その信号パルスにパイルアップしている他の信号パルスの信号強 度が同時に積分されてしまい、 測定対象となっている信号パルスのエネルギーを 正しく測定することができないという問題を生じる。
パルス波形が 1つの指数関数で表される場合、パイルアップによる誤差を少な くするために従来からよく用いられる比較的簡単な方法は、 デレイライン ·クリ ッビング法によつてパルスの時間幅を短縮し、積分時間をそのパルス時間幅にほ ぼ等しく設定する方法である。 この場合、 パルスの時間幅を短くするほど積分時 間も短くすることができ、 高い計数率においてパイルァップを生ずる確率が減少 し、 計数率特性を向上することができるが、 その代わり、 各信号パルスごとに光 電子増倍管の第一ダイノ一ドに集められる光電子数が減少し、パイルァップが発 生しないような低い計数率においてもエネルギー分解能が低下する欠点があつ た。
これを改良する従来技術の 1つとして、 Tanakaらの方法(文献 1: Nucl. Instr. Meth. Vol. 158, pp. 459-466, 1979) では、 上記のようにデレイライン .タリ ッビング法によってパルスの時間幅を短縮するが、積分時間を後続パルスの発生
によつて制御し、後続パルスが発生しなレ、範囲において十分長くすることによつ て、 低レ、計数率におけるエネルギー分解能の低下を避けている。
また、 Kolodziejczykの方法(文献 2:米国特許第 5 4 3 0 4 0 6号公報)では、 パルス信号 (電流信号) とそれを時間的に積分した積分信号とを適当な荷重で加 算することによって、 時間的に一定で、 かつ振幅がエネルギーに比例するような 加算信号を発生させ、 この加算信号の振幅をサンプリングして測定する方法が用 いられている。 測定対象の信号パルスの加算信号を後続の信号パルスが到来する 直前にサンプリングし、 その値を計測することによって、 後続の信号パルスのパ ィルァップの影響を除去することができるが、 前の信号パルスのパイルァップの 影響を除去することはできない。
さらに、 他の方法として、 Wongの方法 (文献 3 :国際特許 WO 9 8 / 5 0 8 0 2号公報) がある。 この方法は、上記した Kolodziejczykの方法と同様に電流信号 と積分信号の加算信号を測定する方法を用いているが、 さらに測定対象の信号パ ルスより以前に到来したすべての信号パルスの影響も捕正するように改良したも のである。
発明の開示
シンチレーシヨン検出器などの放射線検出器を利用して放射線を計測する場 合、 計数率が高くなつて信号パルスのパイルアップが起こると、 エネ^/ギ一の測 定値に誤差を生じたり、 エネルギー分解能が低下する。 シンチレーシヨン検出器 を利用したガンマカメラ、 S P E C T装置、 P E T装置などの放射線画像計測装 置において信号パルスのパイルアップが起こると、放射線エネルギーのみならず、 放射線の検出位置を示す位置信号も正しく計測されないので、得られる放射線画 像の解像力が低下したり画像に歪みを生じたりする。 これらの高計数率における 問題は従来のパイルアップ捕正法によってある程度防ぐことができるが、不十分 であった。
すなわち、 前記したようにデレイライン'クリッビング法によってパルス幅を
短縮する方法では、パイルアップが発生しないような低い計数率においてもエネ ルギー分解能や画像解像力が低下する欠点があった。 Tanakaらの方法でも、 高い 計数率まで測定できるようにパルス幅を極端に短かくすると高い計数率での分 解能が低下する。 電流信号と積分信号とを適当な荷重で加算した信号を用いる Kolodziejczykの方法および Wongの方法では、 信号パルスの電流信号が時間の経 過とともに統計的に激しく変動するために、 計数率の増大とともにエネルギー分 解能や画像解像力が大きく低下する欠点があった。 また、 これらの方法はすべて シンチレーションのパルス波形が単一の指数関数で近似できる場合にのみ応用 することができ、 それ以外の場合、 例えば減衰時定数の異なる 2つ以上の指数関 数の和として近似されるような場合には適用できないという欠点があった。 本発明は、 以上の問題点を解決するためになされたものであり、 高い計数率に おいても、 個々の信号パルスのエネルギーを正しくかつ精度良く測定することが 可能なエネルギー測定方法及び測定装置を提供し、 放射線計測や放射線画像計測 の性能を向上することを目的とする。
このような目的を達成するために、 本発明によるエネルギー測定方法は、 測定 対象の信号パルスのパルス波形に対し、 その信号強度を積分して信号パルスのェ ネルギーを測定するエネルギー測定方法であつて、 ( 1 )入力された信号パルスに 対し、 信号パルスから次の信号パルスまでの時間間隔であるパルス間隔を取得す るパルス間隔取得ステツプと、 ( 2 )パルス間隔に対応するように設定された所定 の積分時間で、 信号パルスの信号強度を積分して積分信号強度を取得する積分強 度取得ステツプと、 ( 3 )積分強度取得ステップで取得された積分信号強度、及び パルス間隔取得ステップで取得されたパルス間隔から、 信号パルスの全積分強度 に対応するエネルギーを算出するエネルギー算出ステップとを備え、 (4 )ェネル ギー算出ステップにおいて、 測定対象の信号パルスでの積分信号強度及びパルス 間隔から算出された捕正前のエネルギーに対して、 該信号パルスよりも前に入力 された信号パルスでの積分信号強度またはエネルギーの少なくとも一方及ぴパル
ス間隔からパイルアップ補正を行って、 補正後のエネルギーを算出することを特 徴とする。
また、 本発明によるエネルギー測定装置は、 測定対象の信号パルスのパルス波 形に対し、 その信号強度を積分して信号パルスのエネルギーを測定するエネルギ 一測定装置であって、 (a )入力された信号パルスを分岐した一方を入力し、信号 パルスに対応するトリガ信号を生成するトリガ信号生成手段と、 ( b )トリガ信号 生成手段からのトリガ信号を入力し、 トリガ信号に基づいて、 信号強度の積分を 指示するためのゲート信号を生成するゲート信号生成手段と、 (c )トリガ信号生 成手段からのトリガ信号を入力し、 信号パルスでのパルス間隔として、 トリガ信 号から次のトリガ信号までの時間間隔を計測するパルス間隔計測手段と、 (d )入 力された信号パルスを分岐した他方を入力し、 所定の遅延時間だけ遅延させる遅 延手段と、 ( e )遅延手段で遅延された信号パルス、及びゲート信号生成手段から のグート信号を入力し、 グート信号の指示に基づいて設定された所定の積分時間 で、信号パルスの信号強度を積分して積分信号強度を取得するゲート積分手段と、 ( f ) ゲート積分手段で取得された積分信号強度、 及びパルス間隔計測手段で計 測されたパルス間隔から、 信号パルスの全積分強度に対応するエネルギーを算出 するエネルギー算出手段とを備え、 (g )エネルギー算出手段は、測定対象の信号 パルスでの積分信号強度及びパルス間隔から算出された補正前のエネルギーに対 して、 該信号パルスよりも前に入力された信号パルスでの積分信号強度またはェ ネルギ一の少なくとも一方及びパルス間隔からパイルアップ捕正を行って、 補正 後のエネルギーを算出することを特徴とする。
上記したエネルギー測定方法及び測定装置においては、 測定対象として入力さ れた信号パルスに対して、パルス波形、すなわち信号強度の時間変化(電流信号) からエネルギーを求めるとともに、 その信号パルスよりも前に入力された他の信 号パルスに対して先に取得されたデータを用いて、 パイルアップ補正を行ってい る。 これにより、 信号パルスにパイルアップされた他の信号パルスの影響を除外
して、 個々の信号パルスのエネルギーを正しく測定することができる。
また、 信号パルスに対する補正前のエネルギーの算出及びパイルァップ捕正に 用いるデータとして、 雑音信号などの影響が大きい信号パルス (電流信号) を直 接に用いず、 積分信号強度、 パルス間隔、 及びそれらから求められたエネルギー を用いている。 これにより、 信号パルスのエネルギーを精度良く測定することが できる。 以上より、 信号パルス間のパルス間隔が短く、 信号パルスにパイルアツ プを生じている場合であっても、 個々の信号パルスのエネルギーを正しくかつ精 度良く測定することが可能なエネルギー測定方法及び測定装置が実現される。 なお、 本明細書において、 信号パルスのエネルギーとは、 測定対象となる信号 パルスのパルス波形について、 その全体で信号強度を積分した全積分強度を指し ている。 これは、 積分時間を無限大とした場合の積分信号強度に相当する。 図面の簡単な説明
図 1は、 エネルギーの測定対象となる信号パルスのパルス波形の一例を模式的 に示すグラフである。
図 2 A及び図 2 Bは、 信号パルスのパイルアップの発生について示すグラフで ある。
図 3は、 エネルギー測定装置の第 1実施形態の構成を示すプロック図である。 図 4は、 エネルギー測定装置の第 2実施形態の構成を示すプロック図である。 図 5 A及び図 5 Bは、 信号パルスのパルス波形に対するパルス間隔及び実効積 分時間について示すグラフである。
図 6は、 信号パルスのパルス波形の他の例を模式的に示すグラフである。
図 7は、 エネルギー測定装置の第 3実施形態の構成を示すプロック図である。 図 8は、 エネルギー算出部の構成の例を示すプロック図である。
図 9は、 エネルギー算出部の構成の例を示すプロック図である。
図 1 0は、 入力信号パルスに対して単一指数関数捕正法を用いて求められたェ ネルギー算出値の分布を示すグラフである。
図 1 1は、 入力信号パルスに対して単一指数関数補正法を用いて求められたェ ネルギー算出値の F WHM及び F W T Mを示すグラフである。
図 1 2は、 入力信号パルスに対して 2項近似法、 3項近似法、 及び多項補正法 を用いて求められたエネルギー算出値の F WHM及び F WTMを示すグラフであ る。
図 1 3は、 入力信号パルス数と出力数との相関について示すグラフである。 図 1 4は、 入力信号パルスに対して 2項近似法、 3項近似法、 及び多項補正法 を用いて求められたエネルギー算出値の F WHM及び F WTMを示すグラフであ る。
図 1 5 A及び図 1 5 Bは、入力信号パルスに対して( A) 3項近似法、及び( B ) 多項近似法を用いて求められたエネルギー算出値の分布を示すダラフである。 図 1 6は、 入力信号パルスに対して単一指数関数補正法、 及び従来の捕正法を 用いて求められたエネルギー算出値の FWHMを示すグラフである。
図 1 7 A及び図 1 7 Bは、入力信号パルスに対して(A)単一指数関数補正法、 及び (B ) 従来の補正法を用いて求められたエネルギー算出値の分布を示すダラ フである。
図 1 8は、エネルギー測定装置の第 4実施形態の構成を示すブロック図である。 図 1 9 A及び図 1 9 Bは、 信号パルスに対してパルス波形弁別を行うための積 分時間の設定について示すグラフである。
図 2 0は、 信号パルスのパルス波形の弁別方法について示すグラフである。
121 2 1 A〜図 2 1 Cは、 入力信号パルスに対してパルス波形弁別及びパイルァ ップ補正を行って求められたエネルギー算出値の分布を示すグラフである。
図 2 2は、 入力信号パルスに対-してパルス波形弁別及ぴパイルァップ補正を行 つて求められたエネルギー算出値の FWHM及ぴ FWTMを示すグラフである。 図 2 3は、 入力信号パルス数と出力数との相関について示すグラフである。 図 2 4は、エネルギー測定装置の第 5実施形態の構成を示すプロック図である。
図 2 5は、 2次元位置検出型の P E T用ブロック検出器の構造を示す斜視図で ある。
発明を実施するための最良の形態
以下、 図面とともに本発明によるエネルギー測定方法及び測定装置の好適な実 施形態について詳細に説明する。 なお、 図面の説明においては同一要素には同一 符号を付し、 重複する説明を省略する。
まず、 本発明によるエネルギー測定方法及び測定装置における測定対象となる 信号パルスの例として、 図 1、 図 2 A、 及び図 2 Bに示す時間波形のグラフを用 いて、 放射線検出器として用いられるシンチレーシヨン検出器から検出信号とし て出力される信号パルスについて説明する。
図 1は、 シンチレーシヨン検出器から放射線検出に対応して出力される信号パ ルスについて、 そのパルス波形である信号強度の時間波形 (電流信号波形) の一 例を模式的に示すグラフである。 このグラフにおいて、 横軸は時間 tを、 また、 縦軸は各時刻における信号パルスの信号強度 (電流値) を示している。
シンチレーシヨン検出器では、 シンチレータ中で発生するシンチレーション光 による光信号パルスに応じて、 シンチレータに接続された光検出器から電気信号 パルス Pが出力される。 この信号パルス Pは、 一般に、 シンチレーシヨン光の発 生時刻に対応する時刻に立ち上がつた信号強度が、 ある程度のパルス時間幅にわ たる時間的な広がりを持って減衰するパルス波形を有する。
具体的には、 信号パルス Pのパルス波形は、 例えば、 図 1に示すように、 信号 強度が立ち上がり時刻で立ち上がった後に、 時間 tの経過とともに単一の指数関 数にしたがって減衰する時間波形 f ( t )
f (t) = (E / T) exp( -t / T) …ひ)
で近似されるパルス波形を示す。 ここで、 式 (1 ) において、 τは、 信号パル Ρのパルス波形での信号強度の減衰時定数、 tは、 信号パルス Pの立ち上がり時 刻からの経過時間を示している。 また、 Eは、 パルス波形の信号強度の全積分強
度に対応する信号パルス Pのエネルギーである。
なお、 本明細書において、 信号パルスのエネルギーとは、 測定対象となる信号 パルスのパルス波形について、 その全体で信号強度を積分した全積分強度を指し ている。 これは、 積分時間を無限大とした場合の積分信号強度に相当する。 信号パルス Pに対してエネルギー Eの測定を行う場合、 信号パルス Pのパルス 幅や減衰時定数 τに応じて好適な積分時間を設定し、 設定された積分時間にわた つて、 パルス波形 f (t) での信号強度を積分する。 信号パルス Pの立ち上がり 時刻から信号強度の積分を行う積分時間を Tとすると、 得られる積分電荷量であ る積分信号強度 Q (T) は、 次式
Q ) - [ f(t)dt = E{l-exp(-T/T)} (2) で表される。
この積分信号強度 Q (T) は、 図 1中において斜線を付して示した範囲での信 号強度の積分値に相当し、 積分時間 τを長くするにしたがって、 全積分強度であ る信号パルス Pのエネルギー Eに近付く。 表式上の便利のため、 積分レスポンス G (T) を
G(7,) = l-exp( -Τ/τ) : ---(3)
のように定義すると、 式 (2) に示した積分信号強度は Q (T) =EG (T) と なる。
図 2 A及び図 2 Bは、 信号パルスのパイルアップの発生について示すグラフで ある。 このような信号パルスのパイルァップは、 例えば、 シンチレーシヨン検出 器における放射線の単位時間当りの検出数 (計数率) が高く、 信号パルス間のパ ルス時間間隔が短くなつた場合に発生する。 すなわち、 信号パルス間のパルス間 隔が、 個々の信号パルスのパルス幅と同程度またはそれよりも短くなると、 図 2 Aの時間波形のグラフに示すように、 2以上の信号パルス Pのパルス波形が互い に重なり合うパイルアップを生じる。
図 2 Aのグラフにおいては、 エネルギーを測定しょうとする信号パルスとして 図示した信号パルス P。のパルス波形に対し、信号パルス P。よりも前の連続する 2つの信号パルス Pい P2について、 それぞれ同様にパルス波形を示している。 これらの信号パルス P 及び P 2は、 いずれも測定対象の信号パルス P。に対して パイルアップしている。
ここで、 図 2 Aに示すように、 これらの信号パルスそれぞれの立ち上がり時刻 について、 信号パルス P。の立ち上がり時刻を 0として、 信号パルス Piの立ち上 がり時刻を一 tい信号パルス P2の立ち上がり時刻を一 t 2 (- t 2< - t !< 0) とする。 また、 対象とする信号パルスから次の信号パルスまでのパルス間隔につ いて、信号パルス P 2でのパルス間隔を T2、信号パルス P iでのパルス間隔を Τい 信号パルス P。でのパルス間隔を T。とする。
これらの信号パルスのパルス波形に対し、 信号パルス P i ( i =2、 1、 0) のそれぞれについて、 次の信号パルスまでのパルス間隔 T iを積分時間として信 号強度の積分を行うとする。 このとき、 信号パルス P。に対する積分信号強度と して、 積分時間 T。にわたつて積分した積分信号強度 QQ (T0) が得られる (図 2 A中において斜線を付して示した範囲での積分値)。 同様に、 信号パルス Pい P2に対する積分信号強度として、 積分時間 Ί\、 Τ2にわたつて積分した積分信 号強度 (Tj、 Q2 (T2) がそれぞれ得られる。
測定しょうとする信号パルス Ρ。のエネルギ^" Ε。は、図 2 Β中において斜線を 付して示すように、 信号パルス Ρ。のパルス波形に含まれる信号強度の全体を積 分した積分信号強度に相当する。 ここで、 信号パルスの頻度が低くパイルアップ が発生していない場合には、測定対象としている信号パルスのパルス波形 f ( t ) が既知であれば、 上記した式 (2) を用いて、 積分信号強度 Q。、 及び積分時間 であるパルス間隔 T。から、 信号パルス P。のエネルギーを E。 = Q。ZG (T0) と求めることができる。
一方、 信号パルスのパイルアップが発生している場合には、 信号パルス P。に
対して実際に得られる積分信号強度 Q。は、 図 2 Aに示すように、信号パルス P。 自体の信号強度の積分値に加えて、 信号パルス P。よりも前の信号パルスで信号 パルス P。にパイルアップしている他の信号パルス Pい P 2の信号強度の積分値 を含んでいる。 このとき、 積分信号強度 Q。は、 信号パルス P。の信号強度、 及び その全積分強度であるエネルギー E。と直接には対応しない。 したがって、 この 積分信号強度 Q。をそのまま用いたのでは、 信号パルス P。のエネルギー E。を正 しく測定することができない。
以上より、 信号パルスのパイルァップが発生した場合、 信号パルス Pのエネノレ ギー Eを正しく測定するためには、 エネルギー Eを算出する際に、 測定対象の信 号パルス Pにパイルアップしている他の信号パルスの影響を除去するパイルアツ プ補正を行う必要がある。
本発明によるエネルギー測定方法及び測定装置は、 このようなパイルァップ捕 正を所定の方法及び構成を用いて行うことにより、 信号パルスのパイルァップが 発生している場合であっても、 個々の信号パルスのエネルギーを正しくかつ精度 良く測定することを可能とするものである。
図 3は、 本発明によるエネルギー測定装置の第 1実施形態の構成を示すプロッ ク図である。 本エネルギー測定装置 1は、 測定対象として入力された信号パルス Pのパルス波形に対し、 その信号強度を積分することによつて信号パルス Pのェ ネルギー Eを測定するエネルギー測定回路 (信号処理回路) であり、 信号パルス Pのエネルギー Eを算出するための演算等を行うエネルギー算出部 1 0を含んで 構成されている。
エネルギー測定の測定対象となる信号パルス P、 例えば図 1、 図 2 A、 及び図 2 Bに示したシンチレーション検出器からの検出信号の電気信号パルスは、 エネ ルギー測定装置 1に入力され、 2つの信号パルスに分岐される。
分岐された一方の信号パルスは、 トリガ信号生成器 2 1へと入力される。 トリ ガ信号生成器 2 1は、 信号パルス Pに対応するトリガ信号を生成する。 具体的に
は、 例えば、 入力された信号パルス Pのパルス波形に対して、 信号強度の下限値 となるスレツショルドをあらかじめ設定しておき、 信号パルス Pの信号強度がス レツショルドを超えたときに、 その信号パルス Pに対応するトリガ信号を生成し て出力する。
トリガ信号生成器 2 1から出力されたトリガ信号は、 グート信号生成器 2 2及 びパルス間隔計測器 2 3へと入力される。 ゲート信号生成器 2 2は、 トリガ信号 に基づいて、 信号パルス Pに対する信号強度の積分を指示 (例えば積分の O N/ O F Fを指示) するためのゲート信号を生成する。 また、 パ ス間隔計測器 2 3 は、 測定しょうとする信号パルス Ρから次の信号パルスまでのパルス間隔 Τとし て、 トリガ信号から次のトリガ信号までの時間間隔を計測する。
一方、 分岐された他方の信号パルスは、 遅延回路 3 1へと入力される。 遅延回 路 3 1は、 ゲート信号による指示に基づいて信号強度の積分を行うため、 入力さ れた信号パルス Ρを所定の遅延時間だけ遅延させて出力する。
遅延回路 3 1によって遅延された信号パルス Ρは、 グート積分器 3 2へと入力 される。 また、 このゲート積分器 3 2には、 ゲート信号生成器 2 2からのゲート 信号も入力されている。 ゲート積分器 3 2は、 このゲート信号の指示に基づいて 設定された所定の積分時間によって、 遅延回路 3 1から入力された信号パルス Ρ の信号強度を積分し、 得られた積分信号強度 Qを出力する。
信号パルス Ρのエネルギー Εを算出するエネルギー算出部 1 0には、 上記した ゲート積分器 3 2で取得された積分信号強度 Qと、 パルス間隔計測器 2 3で計測 されたパルス間隔 Τとが入力される。 エネルギー算出部 1 0は、 信号パルス Ρに パイルアップされた他の信号パルスの影響が除去されるようにパイルアップ補正 を行いつつ、 積分信号強度 Q及びパルス間隔丁から、 信号パルス Ρの全積分強度 に対応するエネルギー Εを算出する。
本実施形態のエネルギー測定装置 1によって実行される信号パルス Ρのェネル ギー測定方法は、 概略以下の通りである (図 2 Α参照)。
まず、 エネルギー測定装置 1に測定対象として入力された信号パルス P。に対 して、 パルス間隔計測器 2 3において、 その信号パルス P。から次の信号パルス までのパルス間隔 T。を取得する (パルス間隔取得ステップ)。 また、 ゲート積分 器 3 2において、 ゲート信号の指示に基づいてパルス間隔 T。に対応するように 設定された所定の積分時間で、 信号パルス P。の信号強度を積分して積分信号強 度 Q。を取得する (積分強度取得ステップ)。
そして、 これらの積分信号強度 Q。及びパルス間隔 T。から、 エネルギー算出部 1 0において、 信号パルス P。のエネルギー E。を算出する (エネルギー算出ステ ップ)。
このとき、測定しょうとする信号パルス P。での積分信号強度 Q。及びパルス間 隔 T。から算出された補正前のエネルギーに対して、その信号パルス P。よりも前 に入力された信号パルス (例えば信号パルス P J について先に取得されている 積分信号強度 (例えば積分信号強度 Q J またはエネルギー (例えばエネルギー E の少なくとも一方及びパルス間隔 (例えばパルス間隔 1\ ) を用いてパイル アップ補正を行う。 これにより、 信号パルス P。にパイルアップされた他の信号 パルスの影響が極力除去された補正後のエネルギー E。が算出されて、 エネルギ 一測定装置 1から出力される。
上述したエネルギー測定装置及び測定方法の効果について説明する。
本実施形態のエネルギー測定装置 1及ぴエネルギー測定方法においては、 測定 対象として入力された信号パルス Pに対して、 パルス波形、 すなわち信号強度の 時間変化からエネルギー Eを求めるとともに、 その信号パルス Pよりも前に入力 された他の信号パルスに対して先に取得されているデータを用いて、 パイルアツ プ捕正を行っている。 これにより、 信号パルス Pにパイルアップきれた他の信号 パルスの影響を除外して、 個々の信号パルス Pのエネルギー Eを正しく測定する ことができる。
また、 信号パルス Pに対する補正前のエネルギーの算出及びパイルァップ補正
に用いるデータとして、 信号パルス Pに発生する雑音信号などの影響が大きい信 号パルス Pの信号強度を直接に用いず、 ゲート積分器 3 2によって信号強度が積 分された積分信号強度 Q、 パルス間隔計測器 2 3で計測されたパルス間隔 T、 及 びそれらから求められたエネルギー Εをエネルギー算出に用いている。 これによ り、 信号パルス Ρのエネルギー Εを精度良く測定することができる。
以上より、 信号パルス間のパルス間隔が短く、 信号パルス同士にパイルァップ を生じている場合であっても、 個々の信号パルスのエネルギーを正しくかつ精度 良く測定することが可能なエネルギー測定方法及び測定装置が実現される。 この ような方法は、 信号パルスのパルス波形が単一の指数関数で表される場合に限ら ず、 一般的な時間波形に対して、 広い範囲で適用が可能である。
なお、 エネルギー測定装置 1に含まれる各回路要素等については、 必要に応じ て、 様々なものを用いて良い。 ゲート積分器 3 2による信号強度の積分について は、 アナログ演算で電流信号を積分しても良いし、 あるいは、 連続的なサンプリ ングによって信号波形をデジタル化した後に、 デジタル演算で積分を行う構成と することも可能である。 また、 パルス間隔計測器 2 3によるパルス間隔の計測に ついては、 例えば、 パルス間隔計測器 2 3にクロックパルスを入力しておき、 ク ロックパルスを計数することによつて時間間隔を計測する方法を用いることがで きる。
エネルギー測定装置の構成、 及び測定装置で実行されるエネルギーの算出方法 を含むエネルギー測定方法について、 さらに具体的に説明する。
図 4は、 エネルギー測定装置の第 2実施形態の構成を示すプロック図である。 このエネルギー測定装置 1は、 例えば、 測定対象となる信号パルス Ρのパルス波 形が図 1、 図 2 Α、 及び図 2 Βに示した例のように単一の指数関数で表される場 合において、 その信号パルスのエネルギー測定に適用することが可能な構成とな つている。
本実施形態のエネルギー測定装置 1の構成は、 トリガ信号生成器 2 1、 ゲート
信号生成器 2 2、 パルス間隔計測器 2 3、 遅延回路 3 1、 及ぴゲート積分器 3 2 については、 図 3に示した実施形態と同様である。
本実施形態におけるエネルギー算出部 1 0は、 エネルギー演算器 1 1と、 ルツ クアップテーブル 1 2と、 2つのバッファメモリ 4 0、 4 1とを有して構成され ている。 エネルギー演算器 1 1は、 測定対象である信号パルス P。の入力に対応 して、 そのエネルギー E。を算出するために必要な演算を行う。 また、 ノレックァ ップテーブル 1 2には、 後述するように、 エネルギー演算器 1 1で実行される演 算において用いられる係数のデータが格納されている。
バッファメモリ 4 0には、 各時点で測定対象となっている信号パルス P。に対 応して、 ゲート積分器 3 2から入力された積分信号強度 Q。、 及びパルス間隔計 測器 2 3から入力されたパルス間隔 T。が記憶される。 また、 バッファメモリ 4 1には、 信号パルス P。よりも前の信号パルス P での積分信号強度 Q i及びパル ス間隔 1\が記憶される。 これらの各データは、 エネルギー演算器 1 1で行われ るエネルギーを算出するための演算に対する入力データとなる。
このように、 エネルギー E。を算出するための演算を行うエネルギー演算器 1
1と、 測定対象の信号パルス P。での積分信号強度 Q。及びパルス間隔 T。を記憶 するバッファメモリ 4 0 (第 1バッファメモリ) と、 信号パルス P。よりも前に 入力された信号パルス P 1での積分信号強度 Q 及びパルス間隔 T!を記憶するバ ッファメモリ 4 1 (第 2バッファメモリ) とを有するエネルギー算出部 1 0の構 成とすることにより、 バッファメモリに記憶された各データを参照しつつ、 エネ ルギー Eを算出するための演算を確実に行うことができる。
図 4に示したエネルギー測定装置 1の構成、 特にエネルギー算出部 1 0の構成 を参照しつつ、 信号パルス Pのパルス波形が式 (1 ) に示した時間波形 f ( t ) のように単一の指数関数で表される場合に適用が可能なエネルギー Eの算出方法 である単一指数関数補正法について説明する。
信号パルス P 0のパルス波形が式 (1 ) の時間波形 f ( t ) で表される場合、
信号パルスのパイルアップが発生していないとすると、 パルス間隔 T。を積分時 間として信号強度を積分した積分信号強度 Q。は、
2。 = 。{1— exp( -Τ0 Ιτ)} = E0G(T0) … (4)
となる。 このとき、 信号パルス P。のエネルギー E。は、 ノ ッファメモリ 40に記 憶されている積分信号強度 Q。及びパルス間隔 T。から、
E0 =- -(5)
° G(T0) と求められる。
これに対して、 信号パルスのパイルアップが発生している場合には、 積分信号 強度 Q。は、信号パルス P。よりも前の信号パルス Pい P2等の信号強度の積分値 を含んでいる。 したがって、 エネルギー E。を正しく求めるには、 式 (5) の右 辺 QoZG (Τ0) から信号パルス P2等の信号強度の積分値を除去するパイ ルアップ補正を行う必要がある。 そして、 この除去すべき信号強度の積分値は、 パルス波形が単一の指数関数である場合には、 測定対象である信号パルス P。の 直前の信号パルス P iに対して先に取得されたデータとしてバッファメモリ 41 に記憶されている積分信号強度 Q 及びパルス間隔 T から求めることができる。 以上より、 単一指数関数補正法においては、 信号パルス P。に対するパイルァ ップ補正後のエネルギー E。は、 バッファメモリ 40に記憶されている積分信号 強度 Q。及びパルス間隔 T。と、バッファメモリ 41に記憶されている積分信号強 度 及びパルス間隔 1 とから、 以下の式 (6)
E0 =-^-Ql Q^-^,T) … (
0 G(TQ) 1 G{TX) J によって求めることができる。
上記した式( 6 )では、各信号パルス p iに対する信号強度の積分時間として、 次の信号パルスまでのパルス間隔 T iをそのまま用いている。 これに対して、 実 際には、 ゲート積分器 32での積分値の読取及びリセットにある程度の時間を要
することを考慮して、 積分時間を設定する必要がある。 また、 パルス間隔 Tiが 長くなった場合に長時間にわたって信号強度を積分することがないように、 積分 時間の上限値として最大積分時間を設定しておくことが好ましい。
ゲート積分器 32において積分値の読取及びリセットに要するリセット時間を Ί\、上限値として設定された最大積分時間を Tmaxとすると、信号パルス Pのパ ルス間隔 Tに対して、 実際に信号強度の積分を行う実効積分時間 T' は、
T^mm(Tmax,T-Tr) … )
となる。
図 5 A及び図 5 Bは、 信号パルス Pのパルス波形に対するパルス間隔 T及び実 効積分時間 T' について示すグラフである。 ここで、 図 5 Aのグラフは、 図 2A と同様に、 信号強度の時間変化である信号波形を示している。 また、 図 5 Bのグ ラフは、 図 5 Aに示した信号波形を積分した積分信号強度の時間変化である積分 波形を示している。
図 5 A及び図 5 Bにおいては、 例として、 信号パルス P。でのパルス間隔 T0が 最大積分時間 Tma xに対して Τ。一 Tr<Tmaxを満たしている場合について示し ている。 このとき、信号パルス P。でのパルス間隔 τ。に対応する実効積分時間 T 。, は、 Τ0' =T。一 Trとなる。 ゲート積分器 32から出力される積分信号強度 は、 信号パルス P。の信号波形に対し、 図 5 Bに示すように、 積分開始から実効 積分時間 Τ。' にわたつて信号強度の積分によって増加する積分波形となる。 そ して、次の信号パルスの積分開始までのリセット時間 T rでリセットされ、また、 ゲート積分器 32において積分値の読取が実行される。
このように、 実効積分時間 T' を信号強度の積分時間とすることにより、 積分 時間が長時間にわたることを防止するとともに、 信号パルス Pそれぞれでのパル ス間隔 Tに応じて好適な積分時間を設定して、 算出されるエネルギー Eの精度を 極力向上させることができる。 なお、 最大積分時間 Tmaxは、 例えば、 パルス波 形 f (t) の減衰時定数てに対して、 3 τ程度に設定される。
また、 この実効積分時間 T' では、 パルス間隔 Τが長い場合に対して最大積分 時間 Tmaxを設定したが、 逆にパルス間隔 Tが短い場合に対しては、 エネルギー Eの算出を実行するための最小パルス間隔を設定しておいても良い。 この場合、 最小パルス間隔は、 測定対象の信号パルス P。の前のパルス間隔 Tい 及び後のパ ルス間隔 T。に対してそれぞれ設定しておくことが好ましい。
前のパルス間隔 T iに対して最小パルス間隔を設けることにより、 信号パルス P。に対する前の信号パルス P iのパイルアップが大き過ぎる場合を除外するこ とができる。 また、 後のパルス間隔 τ。に対して最小パルス間隔を設けることに より、 信号パルス P。の積分時間が充分に確保できない場合を除外することがで さる。
上記した実効積分時間 T' の適用に対し、 パルス間隔 Tに対応する積分レスポ ンス G (T) に代えて実効積分時間 T' に対応する実効積分レスポンス H (T) を定義すると、 この H (T) は、
H{T) = G{T') = 1 - exp( -ΤΊτ) ·'·(8)
と表される。 信号パルス Ρ。に対するパイルアップ補正後のエネルギー Ε。は、 こ の実効積分レスポンス Η (Τ) を用いて、 上記した式 (6) を修正した以下の式 (9)
Q^AiT^-Q.-BiT,) (9) によって求めることができる。
この式 (9) において、 A (T) は、 ゲート積分器 32で取得された積分信号 強度 Q 0から全積分強度に対応するエネルギー E。を求めるための係数であり、そ の値は信号パルス P。のパルス間隔 T。に基づいて決定される。また、 B (T)は、 直前の連続する信号パルス Piでの積分信号強度 を用いてパイルアップ捕正 を行うための係数であり、その値は信号パルス P!のパルス間隔 T 1に基づいて決
定される。
以上より、 エネルギー演算器 1 1において、 パルス間隔 T。及び 1\を参照して 係数 A (T 0) 及び Β ( Τ χ ) を決定することによって、 バッファメモリ 4 0に記 憶されている積分信号強度 Q。、 及びバッファメモリ 4 1に記憶されている積分 信号強度 から、 信号パルス P。の正確なエネルギー E。を容易に求めることが できる。
ここで、 エネルギー E。の算出に用いられる係数 A ( T ) 及び B ( T ) のそれ ぞれについては、 複数のパルス間隔 Tの値に対してあらかじめ各係数の値を求め ておき、 それらの係数の値からルックアップテーブル 1 2 (図 4参照) を作成し ておくことが好ましい。これにより、取得されたパルス間隔 T。及び 1\に対して、 ルックアップテーブル 1 2に含まれている係数 A (T) のルックアップテーブル 及び係数 B ( T) のルックアップテーブルの 2つのルックアップテーブルからそ れぞれ係数の値 A ( T 0) 及ぴ B (T J を読み出して、 パイルアップ捕正がされ たエネルギー E。を短時間で効率的に算出することが可能となる。
次に、 信号パルス Pのパルス波形が単一の指数関数で表せない一般的な時間波 形 (一般波形) である場合について説明する。
シンチレーション検出器から放射線検出に対応して出力される信号パルスの一 般波形は、 例えば、 減衰時定数が異なる複数の指数関数の和によって表される。 図 6は、 このような一般波形を有する信号パルスのパルス波形の例として、 減衰 時定数が小さく減衰が早い成分と、 減衰時定数が大きく減衰が遅い成分とを含む パルス波形 f ( t ) = E g ( t ) を模式的に示すグラフである。
このような一般波形を有する信号パルスに対するパイルァップ捕正では、 時間 波形の相違により、 上記した式 (6 ) または式 (9 ) を適用することはできない 、 信号パルスにパイルアップされる前の信号パルスによる信号強度 (電荷量) を先に測定された他の信号パルスのエネルギーから推定して、 同様に、 パイルァ ップ補正を行うことが可能である。
図 7は、 エネルギー測定装置の第 3実施形態の構成を示すプロック図である。 このエネルギー測定装置 1は、 例えば、 測定対象となる信号パルス Pのパルス波 形が図 6に示した例のように単一の指数関数で表せない一般波形である場合にお いて、 その信号パルスのエネルギー測定に適用することが可能な構成となってい る。
本実施形態のエネルギー測定装置 1の構成は、 トリガ信号生成器 2 1、 ゲート 信号生成器 2 2、 パルス間隔計測器 2 3、 遅延回路 3 1、 及びゲート積分器 3 2 については、 図 3に示した実施形態と同様である。
本実施形態におけるエネルギー算出部 1 0は、 エネルギー演算器 1 1と、 ノレツ クアップテーブル 1 2と、 データ入力側のバッファメモリ 4 5と、 エネルギー出 力側のバッファメモリ 5 0とを有して構成されている。エネルギー演算器 1 1は、 測定対象である信号パルス P。の入力に対応して、そのエネルギー E。を算出する ために必要な演算を行う。 また、 ルックアップテーブル 1 2には、 エネルギー演 算器 1 1で実行される演算において用いられる係数のデータが格納されている。 データ入力側のバッファメモリ 4 5には、 各時点で測定対象となっている信号 パルス P。に対応して、 ゲート積分器 3 2から入力された積分信号強度 Q 0、 及ぴ パルス間隔計測器 2 3から入力されたパルス間隔 T。が記憶される。 また、 信号 パルス P。よりも前の連続する J個( J = 1以上の整数)の信号パルス Pい P 2、 ···、 P jでのパルス間隔 Tい T 2、 ···、 T jも記憶されている。 また、 エネルギー 出力側のバッファメモリ 5 0には、 信号パルス P。に対して算出されたエネルギ 一 E。が記憶される。また、信号パルス P。よりも前の J個の信号パルス Pい P 2、 ···、 P jでのエネルギー Eい E 2、 ···、 E jも記憶されている。 これらの各データ は、 エネルギー演算器 1 1で行われるエネルギーを算出するための演算に対する 入力データとなる。
図 7に示したエネルギー測定装置 1の構成、 特にエネルギー算出部 1 0の構成 を参照しつつ、 信号パルス Pのパルス波形が一般波形である場合に適用が可能な
エネルギー Eの算出方法である多項補正法について説明する。
図 6にその例を示したように、 信号パルス Pのパルス波形が一般的な時間波形 として f (t) -E g ( t) と表されているとすると、 単一の指数関数の場合に 関して式 (3> に示した積分レスポンスに対応する積分レスポンス G (T) は、
G(T) = g{t)dt -(10) となる。 さらに、 ゲート積分器 3 2でのリセット時間 Tr及び最大積分時間 Tma xを考慮して式 (7) の実効積分時間 T' を適用すると、 式 (8) に示した実効 積分レスポンスに対応する実効積分レスポンス H (丁) は、
H(T)^G(T') = g(t)dt -(11) と表される。 信号パルス P。に対するパイルアップ捕正後のエネルギー E。は、 こ の実効積分レスポンス H (T) を用い、 以下の式 (1 2)
E _ _ Qo , H ( +Γ。)— H ( )
° Η(Τ0) 3 Η(Τ0)
= Q0 -C0(T0)- j EJ -Cj(TJ) 〜(12) によって求めることができる。
ここで、 Jは、 測定対象の信号パルス P。よりも前に入力された信号パルスの うちでパイルアップ補正に用いる信号パルス Pい ···、 P jの個数である。 この個 数 J個は、 上記したバッファメモリ 4 5に記憶されている前のパルス間隔 T 1、 ·-'、 T;のデータ数、 及びバッファメモリ 5 0に記憶されている前のエネルギー Eい ···、 E jのデータ数とも対応している。
また、 この式 (1 2) において、 C。 (T) は、 ゲート積分器 3 2で取得され た積分信号強度 Q。から全積分強度に対応するエネルギー E。を求めるための係 数であり、その値は信号パルス P。のパルス間隔 T。に基づ!/、て決定される。また、
C j (Tj) =ci ( tい T。) ( j = 1, …ヽ J) は、 信号パルス P。よりも前の J個の信号パルス P jそれぞれでのエネルギー E iを用いてパイルアップ補正を 行うための係数であり、 信号パルス P jのパルス間隔 T jに基づいて決定される。 なお、 t jは、 信号パルス P。の立ち上がり時刻を 0としたときの信号パルス P j の立ち上がり時刻に対応するものであり (図 2 A参照)、 パルス間隔 Tjを用いて 表すと、
tj ^T1 +T2 +…… + -(13)
である。
以上より、 エネルギー演算器 1 1において、 パルス間隔 Τ。、 Τい …、 Tjを 参照して係数 C。 (T0)、 C } - (Tj) を決定することによって、 信号パルス P0 のパルス波形が一般波形の場合でも、 バッファメモリ 4 5に記憶されている積分 信号強度 Q。、 及びバッファメモリ 50に記憶されているエネルギー Eい 一、 E jから、 信号パルス P 0の正確なエネルギー E。を容易に求めることができる。 ここで、 エネルギー E。の算出に用いられる係数 C。 (T) 及び Cj (T) ( j = 1、 ···、 J) のそれぞれについては、 複数のパルス間隔 Tの値に対してあらかじ め各係数の値を求めておき、 それらの係数の値からそれぞれルツクアツプテープ、 ル 1 2 (図 7参照) を作成しておくことが好ましい。 これにより、 パイルアップ 補正がされたエネルギー E。を短時間で効率的に算出することが可能となる。 また、 パイルアップ捕正に用いる信号パルスの個数 Jについては、 Jを多くす るほど、 パイルアップ補正の精度、 したがって算出されるエネルギー E。の精度 が向上される。 実際には、 測定対象である信号パルスのパルス波形や信号パルス の入力頻度、 エネルギー E。を算出するための演算に要する時間、 用意するルツ クアップテーブルのデータ量などを考慮して、 好適な個数に Jを設定することが 好ましい。
一般波形に対する式 (1 2) によるヱネルギー算出方法は、 上述したように、 信号パルス P。よりも前の J個の信号パルスを用いてパイルアップ捕正を行う多
項補正法によるものである。 この式 (1 2 ) は、 J + 1番目以降の信号パルスの 影響を無視することを除けば、 エネルギー E。の正確な展開式となっている。 こ れに対して、 エネルギー演算を簡単化するとともに演算に用いるデータ数を減少 するため、 2項近似法や 3項近似法などの近似法を用いて、 一般波形でのパイル アップ補正を行うことも可能である。
まず、 2項近似法では、 信号パルス P。のエネルギー E。の算出において信号パ ルス P
2以前の信号パルスの電荷を無視し (図 2 A参照)、 直前の信号パルス P i の立ち上がり時刻一 t から信号パルス P。の立ち上がり時刻 0までの電荷量を、 すべて信号パルス P iによるものと仮定する。 このとき、 パイルアップ補正後の 信号パルス P。のエネルギー E。は、 以下の式 (1 4 )
…
によって近似的に求めることができる。 ただし、 Xは、 パルス波形に応じて経験 的に定められる捕正係数である。
図 8は、 式 (1 4 ) による 2項近似法を用いたエネルギーの算出方法に対応す るエネルギー算出部の構成の一例を示すプロック図である。 このエネ^/ギー算出 部 1 0は、 エネルギー演算器 1 1と、 ルックアップテーブル 1 2と、 データ入力 側の 2つのバッファメモリ 4 0、 4 1とを有して構成されている。 この構成は、 エネ ギー演算器 1 1で実行される演算の内容を除けば、 図 4に示したものと同 等である。
ノ ッファメモリ 4 0には、 各時点で測定対象となっている信号パルス Ρ。に対 応して、 積分信号強度 Q。及びパルス間隔 Τ。が記憶される。 また、 バッファメモ リ 4 1には、 信号パルス での積分信号強度 及びパルス間隔 1\が記憶され る。
エネルギー演算器 1 1は、 パルス間隔 T。及び 1\を参照して係数 D。 (T。) 及
び (Tx) を決定し、 または、 ルックアップテーブル 1 2から係数 D。 (T0) 及び (T の値を読み出す。 これにより、 バッファメモリ 40に記憶されて いる積分信号強度 Q0、 及びバッファメモリ 41に記憶されている積分信号強度 から、 式 (14) によってパイルアップ補正されたエネルギー E。を求めるこ とができる。
また、 3項近似法では、 信号パルス P。のエネルギー E。の算出において信号パ ルス P 3以前の信号パルスの電荷を無視し、 信号パルス P iでのエネルギー E の 影響は正しく補正するとともに、信号パルス P2の立ち上がり時刻一 t 2から信号 パルス の立ち上がり時刻一 t までの電荷量を、 すべて信号パルス P2による ものと仮定する。 このとき、 パイルアップ補正後の信号パルス P。のエネルギー E0は、 以下の式 (15)
E0 = Q0 - Ex {H (t1 +T0)-H (t, )}-Q2 H (†'2 Η("·χ
(ゾ 2)
= Q0-D0(T0)-E1-Dl(Tl)-Q2-D2(T2) —(15) によって近似的に求めることができる。 ただし、 Xは、 パルス波形に応じて経験 的に定められる捕正係数である。
図 9は、 式 (1 5) による 3項近似法を用いたエネルギーの算出方法に対応す るエネルギー算出部の構成の一例を示すブロック図である。 このエネルギー算出 部 10は、 エネルギー演算器 1 1と、 ルックアップテーブル 1 2と、 データ入力 彻 Jの 3つのバッファメモリ 40、 41、 42と、 エネノレギー出力個 Jのバッファメ モリ 50とを有して構成されている。
データ入力側のバッファメモリ 40には、 各時点で測定対象となっている信号 パルス P。に対応して、積分信号強度 Q 0及びパルス間隔 T。が記憶される。また、 バッファメモリ 41には、信号パルス P ,での積分信号強度 Q 及びパルス間隔 T が記憶される。 また、 ノ ッファメモリ 42には、 信号パルス Ρ2での積分信号強 度 Q2及びパルス間隔 Τ2が記憶される。 また、 エネルギー出力側のバッファメモ
リ 5 0には、 信号パルス P。でのエネルギー E。及び信号パルス でのエネノレギ 一 が記憶される。
エネルギー演算器 1 1は、 パルス間隔 T。、 Τい 及び Τ2を参照して係数 D。 (T0)、 D1 (TJ、 及び D 2 (T2) を決定し、 または、 ルックアップテープノレ 1 2から係数 D。 (Τ0)、 Ό1 (Tj、 及び D2 (T2) の値を読み出す。 これに より、 バッファメモリ 40に記憶されている積分信号強度 Q0、 バッファメモリ 5 0に記憶されているエネルギー Eい 及びバッファメモリ 4 2に記憶されてい る積分信号強度 Q2から、 式 (1 5) によってパイルアップ補正されたエネルギ 一 E。を求めることができる。
上述した単一指数関数補正法、 多項補正法、 2項近似法、 または 3項近似法を エネルギーの算出方法として用いたエネルギー測定についてそれぞれシミュレー シヨンを行い、 その効果の確認を行った。 このシミュレーションでは、 所定のパ ルス波形とエネルギーを有する多数の信号パルスを所定の平均計数率で時間的に ランダムに発生させ、 所定のエネルギー算出法及びパイルァップ捕正法に基づい てエネルギーの算出値をシミュレートし、 平均の波高分布やエネルギー分解能を 推定した。 各パルス信号のエネルギーは光電子増倍管の第一ダイノ一ドに集めら れる全光電子数で表し、 計測される各パルス信号のエネルギーは所定の積分時間 内に集められる光電子数がポアッソン分布にしたがって統計的に変動すると仮定 した。 また各パルス間隔は正確に測定されるものと仮定し、 パルス間隔の測定誤 差及びデジタル化による誤差は無視した。
まず、 単一指数関数補正法によるエネルギー算出及ぴパイルァップ捕正のシミ ユレーシヨン結果について、 図 1 0及び図 1 1を参照して説明する。 ここでは、 信号パルス Pのパルス波形について、 減衰時定数 τ = 240 n sの単一の指数闋 数成分による時間波形を仮定し、エネルギーは光電子数で 1 000とした。また、 他の条件については、 リセット時間を Tr= 50 n s、最大積分時間を Tma x= 1 000 n sにそれぞれ設定した。
図 10は、 入力信号パルスに対して単一指数関数補正法を用いて求められたェ ネルギー算出値の分布を示すグラフである。 このグラフにおいて、 横軸は、 信号 パルス Pに対するエネルギー Eの算出値 (channel) を示し、 縦軸は、 channel 毎のカウント数を示している。
図 10においては、 入力計数率について、 (1) 0. 01Mc p s、 (2) 1 M c p s、 (3) 2. 5Mc p s、 及び(4) 5 M c p sの 4条件でそれぞれシミュ レーションを行って得られたエネルギー分布を示している。 入力計数率が増大す るにつれて、 エネルギー分解能がやや低下しているものの、 パイルアップ捕正に よって、他の信号パルスの信号強度が積分されることによるエネルギーのシフト、 及びエネルギー分解能の低下が抑制されていることがわかる。
また、 図 1 1は、 入力信号パルスに対して単一指数関数捕正法を用いて求めら れたエネルギー算出値の半値幅 (FWHM) 及び 10°/。値幅 (FWTM) を示す グラフである。 これらのグラフからも、 単一指数関数のパルス波形を有する信号 パルスに対して、 単一指数関数補正法を用いてパイルアップ補正を行うことによ つて、 入力信号パルス数の増大に伴うエネルギー分解能の低下が極力抑制されて いることがわかる。
次に、 2項近似法、 3項近似法、 及び多項補正法によるエネルギー算出及びパ ィルアップ補正の第 1のシミュレーション結果について、 図 1 2及び図 1 3を参 照して説明する。 ここでは、 信号パルス Pのパルス波形について、 減衰時定数て ェ = 240 n sの第 1指数関数成分、及ぴ τ 2 = 50 n sの第 2指数関数成分を強 度比 70%: 30%で含む時間波形を一般波形として仮定した。 また、 他の条件 については、 リセット時間を Tr= 50 n s、最大積分時間を Tmax= 1000 n sにそれぞれ設定し、 エネルギーは光電子数で 2000とした。
図 12は、 入力信号パルスに対して 2項近似法、 3項近似法、 及び多項捕正法 を用いて求められたエネルギー算出値の FWHM及び FWTMを示すグラフであ る。 ここで、 2項近似法においては、 捕正係数を x= 1. 1とした。 また、 3項
近似法においては、補正係数を X = 1. 2とした。また、多項補正法においては、 パイルアップ補正に用いる信号パルスの個数を J = 5とした。 . これらのグラフから、 一般波形のパルス波形を有する信号パルスに対して、 2 項近似法、 3項近似法、 または多項補正法を用いてパイルアップ補正を行うこと によって、 入力信号パルス数の増大に伴うエネルギー分解能の低下が極力抑制さ れていることがわかる。
また、 2項近似法、 3項近似法、 及び多項捕正法のそれぞれについて比較する と、 パイルアップ補正の項数を 2項から 3項、 多項 (J = 5) と多くすることに よって、 得られるエネルギーの算出値の精度が向上されている。
また、 図 1 3は、 上記したシミュレーション結果における入力計数率と出力計 数率の関係、 すなわち計数率特性を示すグラフである。 最小積分時間を 1 0 O n sに設定した結果、 信号パルスのうち前後のパルス間隔がともに 100 n s (合 計 200 n s) 以上のもののみが検出されるため、 出力計数率は 5Mc p sで飽 和している様子が示されている。
次に、 2項近似法、 3項近似法、 及び多項捕正法によるエネルギー算出及びパ ィルアップ補正の第 2のシミュレーション結果について、 図 14、 図 1 5A、 及 び図 15 Bを参照して説明する。ここでは、信号パルス Pのパルス波形について、 減衰時定数 τ 1= 1000 η 3の第 1指数関数成分、 τ 2= 210 n sの第 2指数 関数成分、 及び τ 3 = 26 n Sの第 3指数関数成分を強度比 30% : 30% : 4 0%で含む時間波形を一般波形として仮定した。 また、 他の条件については、 図
12及び図 1 3の場合と同様である。
図 14は、 入力信号パルスに対して 2項近似法、 3項近似法、 及び多項捕正法 を用いて求められたエネルギー算出値の FWHM及び FWTMを示すグラフであ る。 ここで、 2項近似法においては、 補正係数を x = l. 7とした。 また、 3項 近似法においては、捕正係数を X = 2. 0とした。また、多項捕正法においては、 パイルアップ補正に用いる信号パルスの個数を J = 5 (多項 1)及び J = l 0 (多
項 2) とした。
これらのグラフから、 図 1 2に示したグラフと同様に、 一般波形のパルス波形 を有する信号パルスに対して、 2項近似法、 3項近似法、 または多項補正法を用 いてパイルアップ補正を行うことによって、 入力信号パルス数の増大に伴うエネ ルギー分解能の低下が極力抑制されていることがわかる。
また、 2項近似法、 3項近似法、 J = 5とした多項補正法、 及び J = 10とし た多項捕正法のそれぞれについて比較すると、 パイルアップ補正の項数を多くす ることによって、 得られるエネルギーの算出値の精度が向上されている。
また、 図 1 5 A及ぴ図 1 5 Bは、 入力信号パルスに対して (A) 3項近似法、 及び (B) J = 5とした多項近似法を用いて求められたエネルギー算出値の分布 を示すグラフである。
図 15 A及び図 15 Bにおいては、入力計数率について、 (1) 0. O lMc p s、 (2) lMc p s、 (3) 2Mc p s、 (4) 3Mc p s、 及び (5) 4Mc p sの 5条件でそれぞれシミュレーションを行って得られたエネルギー分布を示し ている。 入力計数率が増大するにつれて、 エネルギー分解能がやや低下し、 エネ ルギ一分布の中心値がやや高エネルギー側にシフトしているものの、 パイルアツ プ補正によって、 エネルギーのシフト及びエネルギー分解能の低下が抑制されて いることがわかる。
ここで、 一般波形の場合に適用される 2項近似法、 3項近似法、 及び多項補正 法においては、 上述したように、 パイルアップ捕正の項数 (パイルアップ補正に 用いる信号パルスの個数) を多くすることによって、 得られるエネルギーの算出 値の精度が向上する。 一方、 パイルアップ補正の項数が多くなると、 エネルギー を算出するための演算が複雑となり、 また、 ルックアップテーブルを用いる場合 には、 必要なルックアップテーブルの個数及ぴデータ量が増大する。 このため、 パイルアップ捕正の項数については、 必要とされるエネルギー算出値の精度ゃ予 想される信号パルスの入力頻度などから、 好適な項数及び補正法を選択して用い
ることが好ましい。
また、 エネルギー測定においては、 連続的に入力される信号パルス Pのそれぞ れについて、 取得された積分信号強度 Q及びパルス間隔 Tをリストモードでデー タ収集しておき、 データ収集後またはデータ収集と並行してオフラインでエネル ギー算出を行う場合がある。 このような場合には、 データ収集とは別に、 ソフ ト ウェアによってエネルギーを算出するための演算を実行することが可能であり、 パイルァップ補正の項数 Jを多くした条件での多項補正法のような複雑な演算に ついても適用が可能である。
このようにオフラインでエネルギー算出を行う場合の装置構成については、 上 記したエネルギー測定装置 1の構成のうち、 エネルギー算出部 1 0を別装置であ るエネルギー算出装置 (例えばエネルギー算出用のソフトウエアを有するコンビ ユータ)とする構成が可能である。この場合、エネルギー測定装置 1においては、 エネルギー算出部 1 0に代えて、 積分信号強度 Q及びパルス間隔 Tなどのデータ を所定の記録媒体に記録する記録手段を設けておけば良い。
また、 単一指数関数以外の一般波形に対するエネルギー測定においては、 例え ば、 微分回路などの波形整形回路によつて減衰時定数の長い成分を除去しておく など、 パルス波形を整形した後に信号処理を行う構成としても良い。
なお、発光パルス波形が単一の指数関数で表せる場合、従来の方法として Wong の方法があることをすでに記載した力 これらの方法による効果を比較するため、 本発明による単一指数関数補正法、 及び上記した Wongの方法を用いて、 それぞ れエネルギー算出及びパイルアップ捕正のシミュレーションを行った。ここでは、 信号パルス Pのパルス波形について、 減衰時定数 τ = 3 0 0 n sの単一の指数関 数成分による時間波形を仮定し、エネルギーは光電子数で 2 0 0 0とした。また、 Wongの方法については、 電流信号に含まれる雑音信号の影響を低減するために、 信号処理前に平滑回路で信号パルスの平滑化を行うこととし、 平滑時間 1 0 n s (従来 1 ) 、 2 0 n s (従来 2 )、 及び 5 0 n s (従来 3 ) の 3条件でそれぞれシ
ミュレーションを行った。
図 16は、 入力信号パルスに対して単一指数関数補正法、 及び従来の補正法で ある Wongの方法を用いて求められたエネルギー算出値の FWHMを示すグラフ である。 これらのグラフから、 信号パルスの平滑化とともに Wongの方法を用い た場合よりも、 単一指数関数補正法の方が、 入力計数率の増大に伴うエネルギー 分解能の低下の抑制効果が高いことがわかる。
また、 図 1 7 A及び図 1 7Bは、 入力信号パルスに対して (A) 単一指数関数 捕正法、 及び (B) Wongの方法を用いて求められたエネルギー算出値の分布を 示すグラフである。
図 1 7 A及び図 1 7 Bにおいては、 入力計数率について、 (1) 0. O lMc p s、 (2) lMc p s、 (3) 2. 5Mc p s、 及び (4) 5Mc p sの 4条件 でそれぞれシミュレーションを行って得られたエネルギー分布を示している。 こ れらのグラフからも、 単一指数関数補正法の方が、 入力計数率の増大に伴うエネ ルギー分解能の低下の抑制効果が高いことがわかる。
次に、 本発明によるエネルギー測定装置の第 4実施形態として、 パルス波形弁 別を用いた場合について説明する。 パルス波形弁別 (P SD : Pulse Shape Discrimination) とは、 異なつた発光減衰時定数をもつ複数のシンチレータを光 電子増倍管に取り付け、 どのシンチレータが放射線を検出して発光したかを信号 波形の相違から弁別して検出する方法である。 たとえば 1つの光電子増倍管に γ 線用シンチレータと中性子用シンチレータを取り付けて波形弁別を適用すると、 γ線と中性子線を同時に弁別して計測することができる。 また、 シンチレータの なかには y線、 ひ線、 重粒子線など、 検出した放射線の種類によって互いに異な る発光減衰時定数を示すものがある。 このようなシンチレータを用いると波形弁 別法によって放射線の種類を弁別して計測できる。 具体的な波形弁別法として 種々の方法がある。 以下の例では信号パルスを 2つの異なる時間積分して得られ る積分値の比が発光減衰時定数によって異なることを利用して波形弁別する方法
を用いるが、 これに限定されるものではない。
図 1 8はこのような波形弁別法を用いた第 4実施形態の構成を示すプロック図 である。 このエネルギー測定装置 1は、 測定対象となる信号パルス Pとして、 異 なる減衰時定数 τ 1 τ 2のいずれかを有する単一指数関数波形の 2種類の信号パ ルスが入力される場合において、 その信号パルスのエネルギー測定に適用するこ とが可能な構成となっている。
本実施形態のエネルギー測定装置 1の構成は、 トリガ信号生成器 2 1、 ゲート 信号生成器 2 2、 遅延回路 3 1、 及ぴゲート積分器 3 2については、 図 3に示し た実施形態と同様である。
本実施形態においては、 パルス間隔計測器 2 3に代わって、 パルス間隔計測手 段としての機能を含むサンプル時間設定部 2 4が設けられている。 サンプル時間 設定部 2 4は、 信号パルス Ρ。でのパルス間隔 Τ。を計測するとともに、 計測され たパルス間隔 Τ。に基づいて、 信号強度の積分を行うサンプル時間である実効積 分時間 T ' (式 (7 ) 参照) を設定し、 ゲート信号生成器 2 2に指示する。 ゲート 信号生成器 2 2は、 トリガ信号生成器 2 1から入力されたトリガ信号、 及ぴサン プル時間設定部 2 4から指示された実効積分時間 T ' に基づいて、 信号強度の積 分を指示するためのゲート信号を生成する。
ゲート積分器 3 2は、 ゲート信号の指示に基づいて、 遅延回路 3 1から入力さ れた信号パルス Ρ。の信号強度を積分する。 グート信号によつて指示された実効 積分時間 T ' での積分によって得られる積分信号強度は、 サンプルホールド回路 及び A D Cからなる A/D変換器 3 3を介して、 積分信号強度データ Q。として 出力される。
一方、 ゲート積分器 3 2に対して、 各信号パルス Ρ。毎に設定される実効積分 時間 T ' とは別に、 積分時間 Τ ρが指示されている。 この積分時間 Τ ρは、 想定さ れる実効積分時間 T ' よりも短い時間 (Τ ' 〉Τ ρ ) となるように、 あらかじめ 固定に設定されている。 積分時間 Τ。での積分によって得られる積分信号強度は、
サンプルホールド回路及び A D Cからなる AZD変換器 3 4を介して、 積分信号 強度データ Q pとして出力される。
A/D変換器 3 3から出力された積分信号強度 Q 0、 及び A/D変換器 3 4か ら出力された積分信号強度 Q pは、 パルス波形弁別器 2 5に入力される。 パルス 波形弁別器 2 5は、積分時間が異なる積分信号強度 Q。及び Q pの比 Q。ZQ pを用 い、 あらかじめ設定された波形弁別条件に基づいて複数種類 (ここでは 2種類) のパルス波形の弁別を行い、 得られた波形弁別結果 x。 (x。= lまたは 2 ) を出 力する。
エネルギー算出部 1 0は、 エネルギー演算器 1 1と、 ルックアップテーブル 1 2と、 2つのバッファメモリ 4 6、 4 7とを有して構成されている。 エネノレギー 演算器 1 1は、 測定対象である信号パルス P。の入力に対応して、 そのエネルギ 一 E。を算出するために必要な演算を行う。 また、 ルックアップテーブル 1 2に は、 エネルギー演算器 1 1で実行される演算において用いられる係数のデータが 格納されている。
各時点で測定対象となっている信号パルス P。に対して、 //0変換器3 3か ら出力された積分信号強度 Q 0、 サンプル時間設定部 2 4から出力されたパルス 間隔 T。、 及びパルス波形弁別器 2 5から出力された波形弁別結果 X。は、 それぞ れエネルギー演算器 1 1に入力されるとともに、 バッファメモリ 4 6に記憶され る。 また、 ノ ッファメモリ 4 7には、 信号パルス P。よりも前の信号パルス P!で の積分信号強度 Qい パルス間隔 Tい 及び波形弁別結果 X lが記憶される。 これ らの各データは、 エネルギー演算器 1 1で行われるエネルギーを算出するための 演算に対する入力データとなる。
図 1 8に示したエネルギー測定装置 1の構成を参照しつつ、 パルス波形弁別を 伴う場合でのエネルギー Eの算出方法について具体的に説明する。
測定対象としてエネルギー測定装置 1に入力される信号パルス Pについて、 異 なる減衰時定数 τ い て 2によるパルス波形を有する 2種類の信号パルスが存在す
るものとする。 このとき、 減衰時定数 r k (k = lまたは 2) の信号パルスに対 応するパルス波形 i k (t)、積分信号強度 Qk (T)、及び積分レスポンス Gk (T) は、 それぞれ
Λ (り = (E/Tk) xp( -tlTk) (k = 1 or 2) … (16a)
Qk( ) = \ {t)dt = E{\- exp( -Tlrk)} …(16b)
G,(r) = l-exp(-r/r …(16c)
となる。
また、 2つの積分時間のうち長い方の実効積分時間 T' を、 リセット時間 1\ 及び最大積分時間 Tma xを用いて式 (7) によって設定すると、 実効積分レスポ ンス Hk (T) は、
Hk{T) = Gk( ) = 1― exp( - T lて k、 … (17)
と表される。 また、 短い方の積分時間 τρは、 上述のようにあらかじめ固定に設 定される。
図 1 8に示すように、測定対象の信号パルス Ρ。及びその前の信号パルス Ρェで の波形弁別結果をそれぞれ k = x
0、 X
x (いずれも 1または 2) とする。 このと き、信号パルス P。に対するパイルァップ捕正後のエネルギー E。は、以下の式( 1 8)
= Qo -Axo(T0 -Q1-sxl(T1) -08)
によって求めることができる。
なお、 減衰時定数 τ のパルス波形に対応する係数 A (Τ)、 Β, (Τ)、 及び 減衰時定数 τ 2のパルス波形に対応する係数 A 2 (T)、 Β2 (Τ) については、 ェ ネルギー演算器 1 1においてその都度演算して求めても良い。 あるいは、 係数 A ! (Τ)、 Β, (Τ)、 Α2 (Τ)、 及び Β2 (Τ) を求める演算をあらかじめ行って ルックアップテーブル 1 2を作成しておいても良い。 この場合、 パルス波形弁別
を行わない場合に比べて、 2倍の個数及びデータ量のルックアップテーブルを用 意する必要がある。
ここで、 パルス波形弁別器 25において行われる、 減衰時定数てい τ 2による 2種類のパルス波形を弁別するパルス波形弁別について説明しておく。
図 19 Α及び図 19 Bは、 信号パルス Pに対してパルス波形弁別を行うための 積分時間の設定について示すグラフである。 ここで、 図 1 9 Aのグラフは、 信号 強度の時間変化である信号波形を示している。 また、 図 1 9Bのグラフは、 図 1 9 Aに示した信号波形を積分した積分信号強度の時間変化である積分波形を示し ている。
本実施形態のエネルギー測定装置 1においては、 図 1 9 A及び図 1 9 Bに示す ように、 信号パルス P。の信号強度の積分に対して、 2つの積分時間 Τ。' 及び Τ ρが設定される。 このうち、 長い方の積分時間である Τ0' は、 図 5 A及び図 5 B に示したパルス波形弁別を伴わない場合と同様の通常の実効積分時間である。 一 方、 短い方の積分時間である Tpは、 パルス波形弁別のために固定に設定された 積分時間である。 パルス波形弁別器 25では、 長い積分時間 Τ ' で求められた積 分信号強度 Q。と、 短い積分時間 Τρで求められた積分信号強度 Qpとを比較する ことによって、 2種類のパノレス波形が弁別される。
図 20は、 信号パルスのパルス波形の弁別方法について示すグラフである。 こ のグラフにおいて、 横軸は、 個々の信号パルス Pのパルス間隔 Tに依存して変動 する実効積分時間 T 'を示し、縦軸は、積分信号強度の比 Q。ZQ pを示している。 減衰時定数 τ のパルス波形と、 減衰時定数 τ 2のパルス波形とでは、 その減衰 速度の違いにより、 積分時間 Τ' (Τ' >Τρ) が等しい場合でも、 積分信号強度 Q0及び Qpの比 R (Τ') =Q。ZQPが互いに異なる値となる。 したがって、 こ の比の値を利用することにより、 2種類のパルス波形を弁別することができる。 図 20のグラフには、 減衰時定数 τ iのパルス波形での積分信号強度の比 R
(Τ') (Τ') /G1 (Τρ)、 及び減衰時定数 τ 2のパルス波形での積分信
号強度の比 R2 (Τ') =G2 (Τ') /G2 (Tp) について、 それぞれ実効積分時 間 T' に対する依存性を示している。
積分時間が T' 二 Τρであれば、 これらの比は (T,) =R2 (Τ') =1で ある。 そして、 実効積分時間 T' が長くなるにしたがって、 比 Ri (Τ') 及び R 2 (Τ') はそれぞれ増大すると同時に、 両者の差が増大する。 これに対して、 比
Ri (Τ') 及び R2 (Τ') の差がパルス波形弁別器 25において判別可能となる 積分時間によって、 実効積分時間 T' に対する最小積分時間 Tmi nを設定する。 また、 比 (Τ') 及び R2 (Τ') の 2つの曲線の略中心に、 波形弁別曲線 Rp (Τ') を設定しておく。
これにより、 信号パルス Ρ。から実際に求められた積分信号強度の比 R (Τ')
= QQZQPの値に対して、パルス波形弁別器 25において上記した波形弁別曲線 Rp (Τ')の値と比較を行うことによって、パルス波形を弁別することができる。 すなわち、 求められた比が Q0ZQP>RPであれば、 測定対象となっている信 号パルス P。は減衰時定数 τ 1のパルス波形を有するものである。 このとき、 パル ス波形弁別器 25は、 波形弁別結果として X。== 1を出力する。 一方、 Q。ZQP < Rpであれば、 信号パルス P 0は減衰時定数て 2のパルス波形を有するものであ る。 このとき、 パルス波形弁別器 25は、 波形弁別結果として x。= 2を出力す る。
このように、 パルス波形弁別を伴ってエネルギー測定を行うことにより、 例え ばそれぞれ異なる減衰時定数を有する複数のシンチレータからの信号パルスがェ ネルギ一の測定対象として入力されるような場合など、 異なるパルス波形の信号 パルスが入力される場合において、 それぞれのパルス波形に対応する好適な算出 方法を用いてエネルギーの算出を行うことができる。
上記したパルス波形弁別を伴う場合について、 エネルギー算出及びパイルアツ プ補正のシミュレーションを行った。 ここでは、 信号パルス Pのパルス波形につ いて、それぞれ減衰時定数 τ != 100 n sまたはて 2= 50 n sの単一の指数関
数成分による 2種類の時間波形を仮定し、 これらのパルスは同じ確率でランダム に発生すると仮定した。 また、 エネルギーは一定 (光電子数 2000) とした。 また、 他の条件については、 リセット時間を Tr=5 O n s、 固定の積分時間を Tp=30 n s, 実効積分時間 T' に対する最小積分時間を Tmi n=50 n s、 最 大積分時間を Tmax= 500 n sにそれぞれ設定した。
図 21 A〜図 21 Cは、 入力信号パルスに対してパルス波形弁別及びパイルァ ップ補正を行って求められたエネルギー算出値の分布を示すグラフであり、 図 2 1 Aは、 積分時間の補正及びパイルァップ補正を行わなかった条件 1でのエネル ギー分布、図 21 Bは、積分時間の補正のみを行った条件 2でのエネルギー分布、 図 2 1 Cは、 積分時間の補正及びパイルァップ補正を両方とも行つた条件 3での エネルギー分布をそれぞれ示している。
また、 各グラフには、 入力計数率について、 (1) 0. lMc ;p s、 (2) 1M c p s、 (3) 2. 5Mc p s、 及ぴ (4) 5 M c p sの 4条件でそれぞれシミュ レーションを行って得られたエネルギー分布を示している。
まず、 パイルァップ補正を行わず、 かつ、 積分時間の補正を行わずに積分信号 強度 Qをそのままエネルギー Eとした図 21 Aのグラフでは、 入力計数率が増大 するにつれて、 エネルギー分解能が低下するとともに、 積分時間が短くなること による低エネルギー側の分布、 及び信号パルスのパイルァップによる高工ネルギ 一側の分布を生じている。 また、 積分時間の補正のみを行った図 21 Bのグラフ では、 積分時間による低エネルギー側の分布はなくなつているものの、 パイルァ ップによる高エネルギー側の分布は残っている。
これに対して、 積分時間の補正及びパイルアップ補正を両方とも行った図 21 Cのグラフでは、 低エネルギー側及び高エネルギー側の分布がいずれも解消され ている。 また、 そのエネルギー分解能も向上されている。
図 22は、 入力信号パルスに対してパイル波形弁別及びパイルァップ補正を行- って求められたエネルギー算出値の FWHM及び FWTMを示すグラフであり、
図 2 1 A〜図 2 1 Cと同様に、 条件 1、 2、 及び 3のそれぞれについて対応する グラフを示している。 これらのグラフから、 積分時間の補正及びパイルアップ捕 正を両方とも行った条件 3において、 入力信号パルス数の増大に伴うエネルギー 分解能の低下が極力抑制されていることがわかる。
また、 図 2 3は、 上記したシミュレーション結果における計数率特性を示すグ ラフである。 この場合は最小積分時間を 5 0 n sに設定した結果、 出力計数率は 1 OMc p sで飽和している。
次に、 エネルギー測定装置の第 5実施形態として、 ガンマカメラや P ET装置 などに用いられる 2次元位置検出型の放射線検出器からの信号パルスに対して適 用する場合について説明する。 ここでは、 その一例として、 P ET装置によく用 いられる 2次元位置検出型のプロック検出器からの信号パルスに対して適用する 場合について述べる。 図 2 4はこのような実施形態の構成を示すプロック図であ る。 ここで用いたブロック検出器は、 図 2 5に示すように、 B GO (ゲルマニュ ゥム酸ビスマス) などのシンチレータ S Cの結晶を 2次元のマトリックス状 (例 えば 8行 8列のマトリ ックス) に配列して、 4本の角形光電子増倍管 PMTを光 学的に結合したもので、 4本の光電子増倍管 PMTからの信号パルスをそれぞれ PA、 PB、 Pc、及び PDとし、 これらの各信号パルスのエネルギーをそれぞれ E A、 EB、 Ec、 及び EDとし、 それらを合計したエネルギーを Eとすると、 y線を 検出したシンチレータの X座標及び Y座標は、 それぞれ次式 χ _ (EA +EB)-(EC +ED) , γ _ (EA +EC)-(EB +ED) …ひ 9)
Ε ' Ε によって求められる。 なお、 4本の光電子増倍管の代わりに一本の位置検出型光 電子増倍管を用いてもよい。
このような装置で信号パルスのパイルァップが起こると、 放射線のエネルギー が正しく測定されないのみならず、 放射線の検出位置が正しく測定されないため に解像力の劣化や画像歪みが発生する。
本実施形態のエネルギー測定装置 1の構成は、 基本的には、 図 4に示した構成 を変形したものである。 具体的には、 トリガ信号生成器 21、 ゲート信号生成器 22、 及びパルス間隔計測器 23については、 図 4に示した実施形態と同様であ る。
また、 測定対象として入力される 4つの信号パルス PA0、 PB0、 Pco、 及び
P D。に対して、 それらの信号パルスを加算して合計の信号パルス P。を生成する 和回路 35が設けられている。 トリガ信号生成器 21には、 この和回路 3 5で生 成された信号パルス P。が入力される。
—方、 遅延回路 3 1及びゲート積分器 32については、 PA。、 PB。、 Pco、 PD。、及び P。の 5つの信号パルスそれぞれに対応して、遅延回路 31A、 3 1B、
31 c、 31 D、 及び 3 1 E、 グート積分器 32 A、 32 B、 32 c、 32 D、 及び 3 2 Eが設けられている。
また、 エネルギー算出部 10には、 ノ ッファメモリ 40及び 41については、 信号パルス PAQ、 PB0、 Pco、 PD0、 及び P0にそれぞれ対応する積分信号強度 QA。、 QB0、 Qco、 QD0、 及び Q。が記憶されるバッファメモリ 40A、 40 B、
40c、 40D、 及び 40E、 信号パルス PAい PBい Pcい PDい 及び Piにそ れぞれ対応する積分信号強度 QA1、 QB1、 QC1、 QD1、 及び Q が記憶されるバ ッファメモリ 41 A、 41 B、 41 c、 41 D、及び 41Eが設けられている。 また、 信号パルス P。に対応するパルス間隔 T。が記憶されるバッファメモリ 4 Οτ、 及 び信号パルス Ρ 1に対応するパルス間隔 Τ 1が記憶されるバッファメモリ 41丁が 設けられている。
さらに、 エネルギー演算器 1 1については、 信号パルス PA0、 PB0、 Pco、 PD。、 及び P。にそれぞれ対応するエネルギー演算器 1 1A、 1 1B、 l l c、 1 1D、 及び 1 1Eが設けられている。 なお、 この図 24においては、 エネルギー算 出部 10に設けられるルックアップテーブル 1 2については、 図示を省略してい る。
以上の構成において、信号パルス PA。は、遅延回路 31A、ゲート積分器 3 2A、 バッファメモリ 40A、 41A、 及びエネルギー演算器 1 1Aによって信号処理さ れ、 対応するエネルギー E A0が算出される。 また、 信号パルス PB0は、 遅延回路 3 1 B、 ゲート積分器 32B、 バッファメモリ 40B、 41 B、 及びエネルギー演算 器 1 1Bによって信号処理され、 対応するエネルギー EB。が算出される。 また、 信号パルス P coは、遅延回路 3 lc、グート積分器 32C、バッファメモリ 4 Oc、 4 lc、及びエネルギー演算器 1 1 cによって信号処理され、 対応するエネルギー Ec。が算出される。 また、 信号パルス PD。は、 遅延回路 3 1D、 ゲート積分器 3 2D、バッファメモリ 40D、 41D、及びエネルギー演算器 1 1Dによって信号処 理され、 対応するエネルギー ED0が算出される。
また、 信号パルス PA。、 PB0、 Pc。、 及び P D0が加算された信号パルス P0 は、 遅延回路 3 1 E、 ゲート積分器 32 E、 バッファメモリ 40 E、 41 E、 及びェ ネルギー演算器 1 1Eによって信号処理され、対応する全体のエネルギー E。が算 出される。そして、 これらのエネルギー EA0、 EB0、 Eco、 ED0、及び E0から、 式 (19) を用いて γ線を検出したシンチレータの位置が求められる。
ただし、 このようにして得られる X座標及び Υ座標は必ずしもシンチレータの 正確な X座標及び Υ座標に比例しておらず、 かつ統計雑音を含んでいる。 一方、 シンチレータの正確な位置はその配列から複数の位置のいずれかであることが判 つているので、 あらかじめ用意されたルックアップテーブルによって、 測定され た座標値を正しい座標値に変換する必要がある。 また、 エネルギー Ε。は検出さ れた放射線のエネルギーに相当するので、 この信号を波高分析することによって 放射線のエネルギー選別を行う。 .
本発明によるエネルギー測定方法及ぴ測定装置は、 上記した実施形態に限られ るものではなく、 様々な変形が可能である。 例えば、 信号パルスのパイルアップ 補正については、 上述した単一指数関数補正法、 2項近似法、 3項近似法、 及び 多項補正法に限らず、 積分信号強度、 パルス間隔、 及びエネルギーを用いるもの
であれば、 具体的なパルス波形等に応じて様々な補正法を用いて良い。
また、 エネルギー算出部 1 0に設けるバッファメモリの構成については、 パイ ルァップ補正で使用されるデータに応じて適宜構成を変更することが好ましい。 産業上の利用可能性
本発明によるエネルギー測定方法及び測定装置は、以上詳細に説明したように、 高 ヽ計数率においても、 個々の信号パルスのエネルギーを正しくかつ精度良く測 定することが可能な測定方法及び測定装置として利用可能である。 すなわち、 測 定対象の信号パルスでの積分信号強度及びパルス間隔からエネルギーを算出する とともに、 その信号パルスよりも前に入力された信号パルスでの積分信号強度ま たはエネルギーの少なくとも一方及びパルス間隔からパイルァップ捕正を行うェ ネルギー測定方法及び測定装置によれば、 信号パルスにパイルァップされた他の 信号パルスの影響を除外して、 個々の信号パルスのエネルギーを正しくかつ精度 良く測定することができる。
このような信号パルスのパイルァップの問題は、 様々な形態の放射線検出器そ の他の装置において生じるものである。 したがって、 上記したエネルギー測定方 法及び測定装置は、 放射線のエネルギーや放射線の検出位置に関する情報の測定 が必要な様々な装置、 例えばシンチレーシヨン検出器、 エネルギースぺタトロメ ータ、放射線位置検出器、ガンマ力メラ、 S P E C T装置、及び P E T装置など、 に対して広く適用することが可能であり、 これらの装置のエネルギー分解能や解 像力を高い計数率においても良好に保つことができる。