WO2015129069A1 - 放射線検出装置、放射線量計測処理方法、及び放射線量計測処理プログラム - Google Patents

放射線検出装置、放射線量計測処理方法、及び放射線量計測処理プログラム Download PDF

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和裕 小泉
松田 幹彦
貴正 浅野
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01TMEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16Measuring radiation intensity
    • G01T1/17Circuit arrangements not adapted to a particular type of detector

Definitions

  • the present invention relates to a radiation detection apparatus, a radiation dose measurement processing method, and a radiation dose measurement processing program for measuring a radiation dose in a nuclear facility or the like.
  • a detection device having a scintillator is incorporated in a radiation detection device that detects radioactive contamination in a nuclear facility or the like.
  • a solid scintillator that is a kind of this scintillator, plastic scintillators such as polystyrene and polyvinyltoluene manufactured by dissolving phosphors such as anthracene and stilbene in an organic solvent such as styrene and toluene are polymerized. is there.
  • this plastic scintillator Compared to crystalline inorganic scintillators, this plastic scintillator is easy to mold into a large area thin film shape or long shape, and is also lightweight and flexible, giving it excellent impact resistance. Moreover, it is used in various radiation detection devices because of its low cost and high availability. Plastic scintillators are applied to high-sensitivity radiation detection devices that measure ⁇ -rays because the specific gravity of the material is small and the ⁇ -ray sensitivity is low.
  • the radiation detection apparatus described in Patent Document 1 is arranged above and inside the detector container, and generates a large area thin scintillator that generates scintillation light according to the amount of radiation incident from the outside, and the detector container. And a plurality of thin light collectors for concentrating scintillation light generated in the large area thin scintillator.
  • a light-shielding film affixed to a detector outer side surface of a large area thin scintillator and a light receiving surface of the light condensing points of a plurality of thin light collectors are arranged facing the thin light collector.
  • a plurality of light receiving elements that convert the received light into an electrical signal and output it to the counting circuit are provided.
  • a large-area light receiving element with high light detection sensitivity is provided or a plurality of light receiving elements that receive scintillation light are provided to increase the light detection sensitivity.
  • An object of the present invention is to provide a radiation detection device, a radiation dose measurement processing method, and a radiation dose measurement processing program.
  • a radiation detection apparatus includes a radiation detection unit that generates a radiation detection signal according to energy of incident radiation, and radiation generated by the radiation detection unit.
  • a stochastic resonance unit that generates a stochastic resonance phenomenon in the detection signal and outputs a waveform reproduction signal obtained by reproducing the waveform of the radiation detection signal; and a calculation unit that measures a radiation dose based on the waveform reproduction signal generated by the stochastic resonance unit; , Provided.
  • the stochastic resonance unit includes a noise addition unit that generates a noise addition signal obtained by adding a noise signal to the radiation detection signal generated by the radiation detection unit; A threshold processing unit that performs a threshold process for outputting a pulse signal that is set to a high level when the noise addition signal generated by the noise addition unit is equal to or greater than a predetermined threshold, and the pulse signal output from the threshold processing unit is smoothed And a waveform reproduction unit for outputting a waveform reproduction signal.
  • the stochastic resonance unit includes a noise addition unit that generates a noise addition signal obtained by adding a noise signal to the radiation detection signal generated by the radiation detection unit; A threshold processing unit that performs threshold processing that outputs a pulse signal that is set to a high level when the noise addition signal generated by the noise addition unit is equal to or higher than a predetermined threshold, and a plurality of stochastic resonance basic units having a parallel arrangement, A pulse addition unit that outputs a pulse addition signal obtained by adding the pulse signals output from each stochastic resonance basic unit; a waveform reproduction unit that outputs a waveform reproduction signal obtained by smoothing the pulse addition signal output by the pulse addition unit; It is provided with.
  • the radiation dose measurement processing method outputs a waveform reproduction signal obtained by causing a stochastic resonance phenomenon in a radiation detection signal generated according to the energy of incident radiation and reproducing the waveform of the radiation detection signal, The radiation dose is measured based on the waveform reproduction signal.
  • the radiation dose measurement processing program causes a processor to generate a waveform reproduction signal obtained by causing a stochastic resonance phenomenon to occur in a radiation detection signal generated according to the energy of incident radiation and reproducing the waveform of the radiation detection signal. It outputs, and the process which measures a radiation dose based on the said waveform reproduction signal is performed.
  • the stochastic resonance unit generates a stochastic resonance phenomenon in the radiation detection signal generated by the radiation detection unit and outputs a waveform reproduction signal obtained by reproducing the waveform of the radiation detection signal. Even if a simple light receiving element having a small light detection sensitivity is used, the light detection sensitivity can be increased, and as a result, the radiation detection sensitivity can be increased.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a radiation detection apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a detailed configuration of the stochastic resonance unit.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a time waveform of an input signal that is a radiation detection signal input to the stochastic resonance unit.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a time waveform of the noise addition signal output from the noise adder.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a time waveform of the threshold processing signal output from the comparator.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a time waveform of an addition signal obtained by adding all the threshold processing signals by the addition unit.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a radiation detection apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a detailed configuration of the stochastic resonance unit.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a time waveform of an input signal
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a time waveform of an output signal which is a waveform reproduction signal output from the waveform reproduction unit.
  • FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of a stochastic resonance unit according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 9 is a flowchart showing a radiation dose measurement processing procedure by the radiation dose measurement processing program according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a radiation detection apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the radiation detection apparatus 1 includes a radiation detection unit 2 and a signal processing unit 3.
  • the radiation detection unit 2 includes a scintillator 4, a light guide 5, and a light receiving element 6.
  • the signal processing unit 3 includes a stochastic resonance unit 7 and a calculation unit 8.
  • the scintillator 4 generates scintillation light according to the energy of the radiation R when the radiation R enters from the outside, and the scintillation light enters the light guide 5 that supports the scintillator 4.
  • the light guide 5 is tapered, the scintillator 4 is disposed on one end surface having a large area, and the light receiving element 6 is disposed on the other end surface having a small area.
  • the scintillation light incident on the light guide 5 reaches the light receiving element 6 having a small light receiving area while repeating reflection.
  • the light receiving element 6 outputs a light reception signal obtained by photoelectric conversion in accordance with the amount of incident scintillation light, and outputs the output signal to the stochastic resonance unit 7 of the signal processing unit 3 as an input signal Vin to the stochastic resonance unit 7. .
  • This input signal Vin is a radiation detection signal detected by the radiation detection unit 2.
  • the stochastic resonance unit 7 reproduces the waveform of the input signal Vin with high sensitivity even by the stochastic resonance process even if the input signal Vin is buried in noise, which has been impossible to detect in the past.
  • Stochastic resonance is a phenomenon in which when an optimal noise is added to a nonlinear system with a potentially weak rhythm (weak signal), the rhythm (weak signal) that has been hidden until then becomes obvious and is detected with high sensitivity. is there.
  • the stochastic resonance unit 7 generates a stochastic resonance phenomenon with respect to the input signal Vin input from the light receiving element 6 to generate an output signal Vout which is a waveform reproduction signal obtained by reproducing the waveform of the radiation detection signal, and outputs the output signal Vout to the calculation unit 8 To do.
  • the radiation detection signal (input signal Vin) of the radiation R is a pulse signal
  • the output signal Vout is also a pulse signal.
  • the calculation unit 8 performs a calculation for measuring the radiation dose based on the magnitude and number of the output signal Vout that is a pulse signal.
  • the radiation dose that is the calculation result is output to a display unit, a communication unit, and the like (not shown).
  • FIG. 2 is a block diagram showing a detailed configuration of the stochastic resonator 7.
  • the stochastic resonance unit 7 includes four stochastic resonance basic units 40a to 40d, an adding unit 30, and a waveform reproducing unit 50.
  • the four stochastic resonance basic units 40a to 40d are connected in parallel and receive the input signal Vin.
  • Each of the stochastic resonance basic units 40a to 40d includes a noise adding unit 10a to 10d and a threshold processing unit 20a to 20d, respectively.
  • the noise adding units 10a to 10d include noise adders 11a to 11d and noise sources 12a to 12d, respectively.
  • the threshold processing units 20a to 20d include threshold voltage sources 21a to 21d and comparators 22a to 22d, respectively.
  • Each of the noise adders 11a to 11d adds the noise signals Vn1 to Vn4 output from the noise sources 12a to 12d to the input signal Vin, respectively, so that the noise addition signals Va1 to Va4 are comparators 22a to 22d, respectively. Output to.
  • the noise signals Vn1 to Vn4 are uncorrelated signals.
  • the noise signals Vn1 to Vn4 are preferably white noise signals, but are not limited to this, and may be other types of noise signals.
  • Each of the comparators 22a to 22d receives the above-described noise addition signals Va1 to Va4 and the threshold signals Vth1 to Vth4 output from the threshold voltage sources 21a to 21d, respectively.
  • Each of the comparators 22a to 22d is a high level signal when the input noise addition signals Va1 to Va4 are equal to or higher than the threshold signals Vth1 to Vth4, respectively, and a low level signal when the input noise addition signals Va1 to Vth4 are lower than the threshold signals Vth1 to Vth4, respectively.
  • Threshold value processing signals Vc1 to Vc4 are output as pulse signals.
  • the threshold processing signals Vc1 to Vc4 are input to the adding unit 30. Note that the values of the threshold signals Vth1 to Vth4 are set to values greater than the noise level included in the input signal Vin and the signal levels of the noise signals Vn1 to Vn4.
  • the addition unit 30 adds the four threshold processing signals Vc1 to Vc4 input from the comparators 22a to 22d, and outputs the result to the waveform reproduction unit 50 as an addition signal Vad.
  • the waveform reproduction unit 50 smoothes the input addition signal Vad and outputs an output signal Vout obtained by performing waveform reproduction of the original input signal Vin.
  • each of the stochastic resonance basic units 40a to 40d generates a stochastic resonance phenomenon that can improve the S / N of the input signal Vin and increase the detection sensitivity.
  • minute signals below the threshold signals Vth1 to Vth4 cannot be detected.
  • minute signals (thresholds below the threshold signals Vth1 to Vth4) due to the stochastic resonance phenomenon ( Even in the case of the input signal Vin), only the input signal Vin can be emphasized and output out of the noise.
  • FIG. 3 is a diagram showing a time waveform of the input signal Vin.
  • the pulsed radiation detection signal P detected by the light receiving element 6 exists in the period ta. Since this pulsed radiation detection signal P is a weak signal buried in noise, it could not be detected conventionally.
  • FIG. 4 is a diagram showing a time waveform of the noise addition signal Va1 output from the noise adder 11a.
  • the noise addition signal Va1 is obtained by adding the noise signal Vn1 to the input signal Vin.
  • the noise signal Vn1 in the period ta is equal to or higher than the threshold signal Vth1.
  • FIG. 5 is a diagram showing a time waveform of the threshold processing signal Vc1 output from the comparator 22a. As shown in FIG. 5, in the period ta, a pulsed signal P1 corresponding to the pulsed radiation detection signal P is output by the stochastic resonance phenomenon.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a time waveform of the addition signal Vad obtained by adding all the threshold processing signals Vc1 to Vc4 by the addition unit 30.
  • a stepped signal P2 having a waveform close to the pulsed radiation detection signal P is output in the period ta.
  • FIG. 7 is a diagram showing a time waveform of the output signal Vout output from the waveform reproducing unit 50.
  • the waveform reproduction unit 50 is a frequency filter circuit, and is a low-pass filter that removes a stepped high-frequency component. Note that the cutoff frequency of the low-pass filter needs to be set to a sufficiently large value with respect to the signal frequency calculated from the pulse width of the pulsed radiation detection signal P.
  • the waveform reproduction signal P3 appearing in the period ta is smoother than the addition signal Vad shown in FIG. 6, and substantially the same waveform as the signal waveform of the pulsed radiation detection signal P is reproduced.
  • the noise signals Vn1 to Vn4 are uncorrelated signals. Therefore, by increasing the parallel number of the stochastic resonance basic units 40a to 40d, the waveform reproduction closer to the pulsed radiation detection signal P can be obtained. It can be performed.
  • the number of parallelizations of the stochastic resonance basic units 40a to 40d is four, but this number is merely an example.
  • a stochastic resonance phenomenon is generated by the stochastic resonator 7 having a simple configuration, unnecessary noise is deleted from the input signal Vin, and the S / N ratio of the pulsed radiation detection signal P is greatly improved. Therefore, the radiation detection sensitivity can be improved with a simple configuration.
  • the radiation detection sensitivity can be increased by using an inexpensive semiconductor light receiving element such as an avalanche photodiode without using an expensive light receiving element such as a photomultiplier tube.
  • the signal processing unit 3 described above may be analog signal processing, or may perform digital signal processing by A / D converting the input signal Vin.
  • the signal processing unit 3 is integrated by an FPGA.
  • the four stochastic resonance basic units 40a to 40d are arranged in parallel.
  • the stochastic resonance unit 7 can be configured by only one stochastic resonance basic unit 40a.
  • FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of the stochastic resonance unit according to the second embodiment of the present invention.
  • the stochastic resonance unit 17 is arranged in the stochastic resonance unit 7 and includes one stochastic resonance basic unit 40 a used in the first embodiment and a waveform reproduction unit 60.
  • the stochastic resonance basic unit 40a outputs the input signal Vin to the waveform reproducing unit 60 as the threshold processing signal Vc1 shown in FIG.
  • the waveform reproduction unit 60 performs a moving average on the pulsed signal P1 corresponding to the pulsed radiation detection signal P in a predetermined sampling period, and finally reproduces the pulsed radiation detection signal P from the pulsed signal P1. P3 is generated.
  • the waveform reproduction unit 60 outputs the waveform reproduction signal P3 as the output signal Vout.
  • the moving average is a kind of low-pass filter processing.
  • the signal processing unit 3 has a hardware configuration such as an electronic circuit.
  • processing corresponding to the signal processing unit 3 is performed by digital signal processing using software. I am doing so.
  • the digital signal processing is executed by a radiation dose measurement processing program.
  • the input signal Vin is directly A / D converted using a high-speed A / D conversion element or the like, taken into an arithmetic unit including a CPU and a memory, and a radiation dose measurement program held in the memory is used to
  • a series of radiation dose measurement processing that is, noise addition processing, threshold processing, addition processing, waveform reproduction processing, radiation dose measurement processing, and the like are executed.
  • the arithmetic device including the CPU and the memory and the radiation dose measurement processing program are preferably configured as the signal processing unit 3.
  • the CPU may execute only the processing of the stochastic resonance unit 7 using a program.
  • FIG. 9 is a flowchart showing a radiation dose measurement processing procedure by the radiation dose measurement processing program according to the third embodiment of the present invention.
  • the CPU performs parallel processing on the processes corresponding to the stochastic resonance basic units 40a to 40d (steps S101a, S102a, S101b, S102b, S101c, S102c, S101d, S102d). That is, after the addition process (step S101a) corresponding to the noise addition unit 10a, the CPU performs a first process for performing a threshold process (step S102a) corresponding to the threshold processing unit 20a and an addition process corresponding to the noise addition unit 10b (step S102a).
  • step S101b After step S101b), a second process for performing a threshold process corresponding to the threshold processing unit 20b (step S102b), an addition process corresponding to the noise adding unit 10c (step S101c), and a threshold process corresponding to the threshold processing unit 20c (step S101b)
  • step S102b The third process for performing step S102c) and the fourth process for performing the threshold process (step S102d) corresponding to the threshold processing unit 20d after the addition process (step S101d) corresponding to the noise addition unit 10d are performed in parallel.
  • the CPU performs an addition process corresponding to the addition unit 30 (step S103). Thereafter, the CPU performs a waveform reproduction process corresponding to the waveform reproduction unit 50 (step S104). Further, the CPU performs a radiation dose measurement process corresponding to the calculation unit 8 (step S105). Thereafter, the CPU repeats the above-described processing every predetermined sampling period. The entire process described above is performed for each sampling data of the input signal Vin. However, the waveform reproduction process in step S104 and the radiation dose measurement process in step S105 are performed by holding past time-series sampling data in a memory.
  • the processing of the signal processing unit 3 is performed by the radiation dose measurement processing program, it is possible to flexibly design and change the design for various radiation detection devices, and to greatly reduce circuit components. can do.
  • the radiation detector 2 uses the scintillator 4 and the light receiving element 6 receives the scintillator light from the scintillator 4 and detects the pulsed radiation detection signal P.
  • the pulsed radiation detection signal P may be detected by a radiation detection element that directly detects radiation without using the scintillator 4. That is, the radiation detector 2 only needs to generate an output signal (pulsed radiation detection signal P) corresponding to the energy of the incident radiation R.

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Abstract

 受光面積が小さく、光検出感度の低い簡易な受光素子を用いても光検出感度を高くでき、結果的に放射線検出感度を高めることができる放射線検出装置、放射線量計測処理方法、及び放射線量計測処理プログラムを提供することを目的とする。このための構成は、入射した放射線Rのエネルギーに応じて放射線検出信号を生成する放射線検出部2と、放射線検出部2が生成した放射線検出信号に確率共鳴現象を生じさせて前記放射線検出信号を波形再生した波形再生信号を出力する確率共鳴部7と、確率共鳴部7が生成した波形再生信号に基づいて放射線量を計測する演算部8と、を備える。

Description

放射線検出装置、放射線量計測処理方法、及び放射線量計測処理プログラム
 本発明は、原子力施設などにおいて放射線量を測定する放射線検出装置、放射線量計測処理方法、及び放射線量計測処理プログラムに関する。
 従来から、原子力施設などにおける放射能汚染を検出する放射線検出装置には、シンチレータを有する検出装置が組み込まれている。このシンチレータの一種である固体シンチレータとしては、スチレンやトルエンなどの有機溶媒にアントラセン、スチルベンゼンなどの蛍光体を溶解して高分子化することによって製造される、ポリスチレン、ポリビニルトルエンなどのプラスチックシンチレータがある。
 このプラスチックシンチレータは、結晶性の無機シンチレータと比較して、大面積の薄膜形状や長尺形状などへの成型加工が容易であり、さらに軽量かつ柔軟性があることで耐衝撃性にも優れ、しかも低コストで入手性が良いことから様々な放射線検出装置に用いられている。また、プラスチックシンチレータは、材料の比重が小さく、γ線感度が低いことから、β線を測定対象とする高感度な放射線検出装置に適用されている。
 ここで、特許文献1に記載された放射線検出装置は、検出器容器の内部上方に配置され、外部から入射する放射線量に応じた量のシンチレーション光を発生する大面積薄型シンチレータと、検出器容器の内部に大面積薄型シンチレータと平行に配置され、この大面積薄型シンチレータ内で発生したシンチレーション光を集光する複数個の薄型集光体とを備えている。この放射線検出装置は、大面積薄型シンチレータの検出器外側側面に貼り付けられた遮光膜と、複数個の薄型集光体の集光点にその受光面を薄型集光体に向けて配置されるとともに、受光した光を電気信号に変換して計数回路に出力する複数個の受光素子とを備えている。このような構成とすることによって、この放射線検出装置は、放射線の検出感度を高めることができる。
特開平8-248139号公報
 しかしながら、従来の放射線検出装置では、光検出感度の高い大面積受光素子を設けたり、シンチレーション光を受光する受光素子を複数設けて光検出感度を高める構成としていたため、装置構成が複雑かつ大型化するとともに、光電子増倍管の光検出感度を超える感度を得ることは難しかった。
 一方、シンチレーション光をライトガイドして受光面積の小さい単一の受光素子とする構成の場合、受光素子としては、光検出感度を高めるため、光電子増倍管が用いられる。この場合、装置コストが高くなるという問題があった。
 本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、受光面積が小さく、光検出感度の低い簡易な受光素子を用いても光検出感度を高くでき、結果的に放射線検出感度を高めることができる放射線検出装置、放射線量計測処理方法、及び放射線量計測処理プログラムを提供することを目的とする。
 上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる放射線検出装置は、入射した放射線のエネルギーに応じて放射線検出信号を生成する放射線検出部と、前記放射線検出部が生成した放射線検出信号に確率共鳴現象を生じさせて前記放射線検出信号を波形再生した波形再生信号を出力する確率共鳴部と、前記確率共鳴部が生成した波形再生信号に基づいて放射線量を計測する演算部と、を備えたことを特徴とする。
 また、本発明にかかる放射線検出装置は、上記の発明において、前記確率共鳴部は、前記放射線検出部が生成した放射線検出信号にノイズ信号を加算したノイズ加算信号を生成するノイズ加算部と、前記ノイズ加算部が生成したノイズ加算信号が所定の閾値以上である場合にハイレベルとするパルス信号を出力する閾値処理を行う閾値処理部と、前記閾値処理部から出力されたパルス信号を平滑化した波形再生信号を出力する波形再生部と、を備えたことを特徴とする。
 また、本発明にかかる放射線検出装置は、上記の発明において、前記確率共鳴部は、前記放射線検出部が生成した放射線検出信号にノイズ信号を加算したノイズ加算信号を生成するノイズ加算部と、前記ノイズ加算部が生成したノイズ加算信号が所定の閾値以上である場合にハイレベルとするパルス信号を出力する閾値処理を行う閾値処理部と、を有した複数の確率共鳴基本部を並列配置し、各確率共鳴基本部から出力されたパルス信号を加算したパルス加算信号を出力するパルス加算部と、前記パルス加算部が出力したパルス加算信号を平滑化した波形再生信号を出力する波形再生部と、を備えたことを特徴とする。
 また、本発明にかかる放射線量計測処理方法は、入射した放射線のエネルギーに応じて生成される放射線検出信号に確率共鳴現象を生じさせて前記放射線検出信号を波形再生した波形再生信号を出力し、前記波形再生信号に基づいて放射線量を計測することを特徴とする。
 また、本発明にかかる放射線量計測処理プログラムは、プロセッサに、入射した放射線のエネルギーに応じて生成される放射線検出信号に確率共鳴現象を生じさせて前記放射線検出信号を波形再生した波形再生信号を出力し、前記波形再生信号に基づいて放射線量を計測する処理を実行させることを特徴とする。
 本発明によれば、確率共鳴部が、放射線検出部が生成した放射線検出信号に確率共鳴現象を生じさせて前記放射線検出信号を波形再生した波形再生信号を出力するようにしているので、受光面積が小さく、光検出感度の低い簡易な受光素子を用いても光検出感度を高くでき、結果的に放射線検出感度を高めることができる。
図1は、本発明の実施の形態1である放射線検出装置の全体構成を示す模式図である。 図2は、確率共鳴部の詳細構成を示すブロック図である。 図3は、確率共鳴部に入力される放射線検出信号である入力信号の時間波形を示す図である。 図4は、ノイズ加算器が出力するノイズ加算信号の時間波形を示す図である。 図5は、比較器が出力する閾値処理信号の時間波形を示す図である。 図6は、加算部によって全ての閾値処理信号を加算した加算信号の時間波形を示す図である。 図7は、波形再生部から出力される波形再生信号である出力信号の時間波形を示す図である。 図8は、本発明の実施の形態2による確率共鳴部の構成を示す回路図である。 図9は、本発明の実施の形態3の放射線量計測処理プログラムによる放射線量計測処理手順を示すフローチャートである。
 以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。
(実施の形態1)
[全体構成]
 図1は、本発明の実施の形態1である放射線検出装置の全体構成を示す模式図である。図1に示すように、放射線検出装置1は、放射線検出部2と信号処理部3とを有する。放射線検出部2は、シンチレータ4、ライトガイド5、及び受光素子6を有する。また、信号処理部3は、確率共鳴部7及び演算部8を有する。
 シンチレータ4は、外部から放射線Rが入射すると放射線Rのエネルギーに応じたシンチレーション光を発生し、シンチレータ4を支持するライトガイド5にシンチレーション光を入射する。ライトガイド5は、テーパ状をなし、面積の広い一端面にシンチレータ4が配置され、面積の狭い他端面に受光素子6が配置される。ライトガイド5に入射されたシンチレーション光は、反射を繰り返しながら小受光面積の受光素子6に到達する。そして、受光素子6は、シンチレーション光の入射光量に応じて光電変換した受光信号を出力し、この出力信号を確率共鳴部7への入力信号Vinとして信号処理部3の確率共鳴部7に出力する。この入力信号Vinは、放射線検出部2が検出した放射線検出信号である。
 確率共鳴部7は、入力信号Vinを確率共鳴処理によって、従来検出不可能であった、雑音に埋もれた微弱な入力信号Vinであっても高感度に波形再生する。確率共鳴とは、潜在的に弱いリズム(微弱信号)をもつ非線形系に、ある最適な雑音が加わると、それまで隠れていたリズム(微弱信号)がむしろ顕在化し、感度良く検知される現象である。確率共鳴部7は、受光素子6から入力された入力信号Vinに対して確率共鳴現象を発生させて放射線検出信号を波形再生した波形再生信号である出力信号Voutを生成し、演算部8に出力する。ここで、一般的に、放射線Rの放射線検出信号(入力信号Vin)はパルス状の信号であり、出力信号Voutもパルス状信号となる。演算部8は、パルス状信号である出力信号Voutの大きさと数とをもとに、放射線量を計測する演算を行う。なお、演算結果である放射線量は、図示しない表示部や通信部などに出力される。
[確率共鳴部の構成]
 図2は、確率共鳴部7の詳細構成を示すブロック図である。図2に示すように、確率共鳴部7は、4つの確率共鳴基本部40a~40d、加算部30、及び波形再生部50を有する。4つの確率共鳴基本部40a~40dは、並列接続され、入力信号Vinがそれぞれ入力される。
 各確率共鳴基本部40a~40dは、それぞれノイズ加算部10a~10d及び閾値処理部20a~20dを有する。また、ノイズ加算部10a~10dは、それぞれノイズ加算器11a~11d及びノイズ源12a~12dを有する。さらに、閾値処理部20a~20dは、それぞれ閾値電圧源21a~21d及び比較器22a~22dを有する。
 各ノイズ加算器11a~11dは、それぞれノイズ源12a~12dから出力されたノイズ信号Vn1~Vn4を、入力された入力信号Vinにそれぞれ加算し、ノイズ加算信号Va1~Va4としてそれぞれ比較器22a~22dに出力する。なお、ノイズ信号Vn1~Vn4は互いに無相関な信号である。また、ノイズ信号Vn1~Vn4は、ホワイトノイズ信号が好ましいが、これに限らず、他の種類のノイズ信号であってもよい。
 各比較器22a~22dには、それぞれ上述したノイズ加算信号Va1~Va4と、各閾値電圧源21a~21dから出力された閾値信号Vth1~Vth4とがそれぞれ入力される。各比較器22a~22dは、それぞれ入力されたノイズ加算信号Va1~Va4が、それぞれ閾値信号Vth1~Vth4以上である場合、ハイレベル信号とし、それぞれ閾値信号Vth1~Vth4未満である場合、ローレベル信号とするパルス信号としての閾値処理信号Vc1~Vc4をそれぞれ出力する。この閾値処理信号Vc1~Vc4は、加算部30に入力される。なお、閾値信号Vth1~Vth4の値は、入力信号Vinに含まれる雑音レベル及びノイズ信号Vn1~Vn4の信号レベルよりも大きな値に設定される。
 加算部30は、各比較器22a~22dから入力される4つの閾値処理信号Vc1~Vc4を加算し、加算信号Vadとして波形再生部50に出力する。波形再生部50は、入力された加算信号Vadを平滑化し、もとの入力信号Vinの波形再生を行った出力信号Voutを出力する。
 ここで、各確率共鳴基本部40a~40dは、入力信号VinのS/Nを向上させ、検出感度を高めることができる確率共鳴現象を発生させている。通常、閾値信号Vth1~Vth4の値以下の微小信号は、検出不可能であるが、この確率共鳴基本部40a~40dを用いると、確率共鳴現象によって閾値信号Vth1~Vth4の値以下の微小信号(入力信号Vin)であっても、雑音に埋もれた中から入力信号Vinのみを強調して出力することができる。
[確率共鳴部内の信号波形]
 つぎに、確率共鳴部7内の信号波形をもとに確率共鳴部7の処理について説明する。まず、図3は、入力信号Vinの時間波形を示す図である。図3に示すように、入力信号Vinには、雑音に埋もれてはいるものの、受光素子6が検出したパルス状放射線検出信号Pが期間taに存在する。このパルス状放射線検出信号Pは雑音に埋もれた微弱信号であるため、従来は検出できなかった。
 図4は、ノイズ加算器11aが出力するノイズ加算信号Va1の時間波形を示す図である。図4に示すように、ノイズ加算信号Va1は、入力信号Vinにノイズ信号Vn1を加算したものである。このノイズ信号Vn1を加えることによって、期間taでのノイズ信号Vn1は、閾値信号Vth1以上となっている。
 図5は、比較器22aが出力する閾値処理信号Vc1の時間波形を示す図である。図5に示すように、期間taでは、確率共鳴現象によって、パルス状放射線検出信号Pに対応するパルス状信号P1が出力される。
 図6は、加算部30によって全ての閾値処理信号Vc1~Vc4を加算した加算信号Vadの時間波形を示す図である。この加算信号Vadでは、期間taに、パルス状放射線検出信号Pに近い波形である段階状信号P2が出力される。
 図7は、波形再生部50から出力される出力信号Voutの時間波形を示す図である。波形再生部50は、具体的には、周波数フィルタ回路であり、段階状の高域周波数成分を除去するローパスフィルタである。なお、ローパスフィルタの遮断周波数は、パルス状放射線検出信号Pのパルス幅から計算される信号周波数に対して十分に大きな値に設定する必要がある。図7では、期間taに現れた波形再生信号P3は、図6に示した加算信号Vadに比して滑らかで、パルス状放射線検出信号Pの信号波形とほぼ同じ波形が再生されている。
 なお、確率共鳴現象では、ノイズ信号Vn1~Vn4が互いに無相関な信号であるため、確率共鳴基本部40a~40dの並列化数を増加させることによって、さらにパルス状放射線検出信号Pに近い波形再生を行うことができる。なお、図2では、確率共鳴基本部40a~40dの並列化数を4つとしたが、この数は一例を示したに過ぎない。
 本実施の形態1では、簡易な構成の確率共鳴部7によって確率共鳴現象を発生させ、入力信号Vinから不要な雑音を削除し、パルス状放射線検出信号PのS/N比を大幅に向上させることができるので、簡易な構成で放射線検出感度を向上させることができる。
 また、本実施の形態1では、例えば、光電子増倍管などの高価な受光素子を用いなくても、アバランシェフォトダイオードなどの安価な半導体受光素子を用いて放射線検出感度を高めることができる。
 また、上述した信号処理部3は、アナログ信号処理であってもよいし、入力信号VinをA/D変換してデジタル信号処理を行ってもよい。デジタル信号処理を行う場合、信号処理部3をFPGAによって集積化することが好ましい。
(実施の形態2)
 上述した実施の形態1では、4つの確率共鳴基本部40a~40dを並列化した構成であったが、1つの確率共鳴基本部40aのみによっても確率共鳴部7を構成することができる。
 図8は、本発明の実施の形態2による確率共鳴部の構成を示す回路図である。図8に示すように、確率共鳴部17は、確率共鳴部7に配置されるものであり、実施の形態1に用いた1つの確率共鳴基本部40aと、波形再生部60とを有する。確率共鳴基本部40aは、入力信号Vinを、図5に示した閾値処理信号Vc1として波形再生部60に出力する。波形再生部60は、パルス状放射線検出信号Pに対応するパルス状信号P1に対して所定サンプリング期間で移動平均し、最終的にパルス状信号P1からパルス状放射線検出信号Pを再生した波形再生信号P3を生成する。そして、波形再生部60は、波形再生信号P3を出力信号Voutとして出力する。なお、移動平均は、一種のローパスフィルタ処理である。
(実施の形態3)
 上述した実施の形態1,2は、信号処理部3を電子回路などのハードウェア構成としていたが、本実施の形態3では、信号処理部3に対応する処理を、ソフトウェアによるデジタル信号処理を行うようにしている。また、このデジタル信号処理は、放射線量計測処理プログラムによって実行されるようにしている。この場合、高速なA/D変換素子などを用いて入力信号Vinを直接、A/D変換してCPU及びメモリを含む演算装置に取り込み、メモリに保持された放射線量計測プログラムを用いて、CPUが、一連の放射線量計測処理、すなわちノイズ加算処理、閾値処理、加算処理、波形再生処理、放射線量計測処理などを実行する。なお、CPU及びメモリを含む演算装置及び放射線量計測処理プログラムは信号処理部3として構成されることが好ましい。また、CPUは、確率共鳴部7の処理のみをプログラムを用いて実行するようにしてもよい。
 図9は、本発明の実施の形態3の放射線量計測処理プログラムによる放射線量計測処理手順を示すフローチャートである。図9に示すように、まず、CPUは、確率共鳴基本部40a~40dに対応する処理を並列処理する(ステップS101a,S102a,S101b,S102b,S101c,S102c,S101d,S102d)。すなわち、CPUは、ノイズ加算部10aに対応する加算処理(ステップS101a)後、閾値処理部20aに対応する閾値処理(ステップS102a)を行う第1処理と、ノイズ加算部10bに対応する加算処理(ステップS101b)後、閾値処理部20bに対応する閾値処理(ステップS102b)を行う第2処理と、ノイズ加算部10cに対応する加算処理(ステップS101c)後、閾値処理部20cに対応する閾値処理(ステップS102c)を行う第3処理と、ノイズ加算部10dに対応する加算処理(ステップS101d)後、閾値処理部20dに対応する閾値処理(ステップS102d)を行う第4処理と、並列処理する。
 その後、CPUは、加算部30に対応する加算処理を行う(ステップS103)。その後、CPUは、波形再生部50に対応する波形再生処理を行う(ステップS104)。さらに、CPUは、演算部8に対応する放射線量の計測処理を行う(ステップS105)。その後、CPUは、所定サンプリング期間ごとに、上述した処理を繰り返す。なお、上述した処理全体は、入力信号Vinの1サンプリングデータ毎に行う。ただし、ステップS104による波形再生処理やステップS105による放射線量の計測処理は、過去の時系列のサンプリングデータをメモリに保持して処理を行う。
 本実施の形態3では、放射線量計測処理プログラムによって信号処理部3の処理を行うようにしているため、各種放射線検出装置に対する柔軟な設計や設計変更が可能になるとともに、回路部品も大幅に削減することができる。
 なお、上述した実施の形態1~3では、放射線検出部2がシンチレータ4を用い、このシンチレータ4からのシンチレータ光を受光素子6が受光してパルス状放射線検出信号Pを検出していた。しかし、これに限らず、シンチレータ4を用いず、放射線を直接検出する放射線検出素子によってパルス状放射線検出信号Pを検出するようにしてよい。すなわち、放射線検出部2は、入射した放射線Rのエネルギーに応じた出力信号(パルス状放射線検出信号P)を生成できればよい。
  1 放射線検出装置
  2 放射線検出部
  3 信号処理部
  4 シンチレータ
  5 ライトガイド
  6 受光素子
  7,17 確率共鳴部
  8 演算部
  10a~10d ノイズ加算部
  11a~11d ノイズ加算器
  12a~12d ノイズ源
  20a~20d 閾値処理部
  21a~21d 閾値電圧源
  22a~22d 比較器
  30 加算部
  40a~40d 確率共鳴基本部
  50,60 波形再生部
  P パルス状放射線検出信号
  P1 パルス状信号
  P2 段階状信号
  P3 波形再生信号
  R 放射線
  ta 期間
  Va1~Va4 ノイズ加算信号
  Vad 加算信号
  Vc1~Vc4 閾値処理信号
  Vin 入力信号
  Vn1~Vn4 ノイズ信号
  Vout 出力信号
  Vth1~Vth4 閾値信号

Claims (5)

  1.  入射した放射線のエネルギーに応じて放射線検出信号を生成する放射線検出部と、
     前記放射線検出部が生成した放射線検出信号に確率共鳴現象を生じさせて前記放射線検出信号を波形再生した波形再生信号を出力する確率共鳴部と、
     前記確率共鳴部が生成した波形再生信号に基づいて放射線量を計測する演算部と、
     を備えたことを特徴とする放射線検出装置。
  2.  前記確率共鳴部は、
     前記放射線検出部が生成した放射線検出信号にノイズ信号を加算したノイズ加算信号を生成するノイズ加算部と、
     前記ノイズ加算部が生成したノイズ加算信号が所定の閾値以上である場合にハイレベルとするパルス信号を出力する閾値処理を行う閾値処理部と、
     前記閾値処理部から出力されたパルス信号を平滑化した波形再生信号を出力する波形再生部と、
     を備えたことを特徴とする請求項1に記載の放射線検出装置。
  3.  前記確率共鳴部は、
     前記放射線検出部が生成した放射線検出信号にノイズ信号を加算したノイズ加算信号を生成するノイズ加算部と、
     前記ノイズ加算部が生成したノイズ加算信号が所定の閾値以上である場合にハイレベルとするパルス信号を出力する閾値処理を行う閾値処理部と、
     を有した複数の確率共鳴基本部を並列配置し、
     各確率共鳴基本部から出力されたパルス信号を加算したパルス加算信号を出力するパルス加算部と、
     前記パルス加算部が出力したパルス加算信号を平滑化した波形再生信号を出力する波形再生部と、
     を備えたことを特徴とする請求項1に記載の放射線検出装置。
  4.  入射した放射線のエネルギーに応じて生成される放射線検出信号に確率共鳴現象を生じさせて前記放射線検出信号を波形再生した波形再生信号を出力し、
     前記波形再生信号に基づいて放射線量を計測することを特徴とする放射線量計測処理方法。
  5.  プロセッサに、
     入射した放射線のエネルギーに応じて生成される放射線検出信号に確率共鳴現象を生じさせて前記放射線検出信号を波形再生した波形再生信号を出力し、
     前記波形再生信号に基づいて放射線量を計測する、
     処理を実行させることを特徴とする放射線量計測処理プログラム。
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