JP2002055171A - 放射線計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低エネルギーピークのＳ／Ｎの向上と、雑音
のＡ／Ｄ変換によるスループットの低下を防ぐことので
きる放射線計測装置を提供する。 【解決手段】 放射線が半導体のＸ線検出器１に入射
し、そのパルス信号がプリアンプ２によって増幅され、
階段状の電圧波形信号が整形アンプの微分回路４で微分
され、ＤＣ成分がカットされた後、所定の倍率に増幅器
５で増幅される。その出力が、バンドパスフィルタ７を
通過して、低エネルギー部の雑音ピークが減少し、その
信号のピークがピーク検出回路８によって検出閾値で検
出され、それによって積分回路６からの信号をピークホ
ールド回路９がピークホールドし、Ａ／Ｄ変換のタイミ
ングを制御して、ＭＣＡ１１にデジタル信号を取りこ
む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、放射線計測装置に
係わり、特に、エネルギー分散型Ｘ線分析装置やガンマ
線、α線などの放射線分析システムで、パルス波高分析
によって、放射線のエネルギー分析を行う放射線計測装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】放射線を検出するＸ線検出器からの電気
信号は一般に微弱であり、その信号の処理方法は、Ｘ線
検出器からの出力をパルスとして扱う場合と、平均電流
として扱う場合がある。一般にコンピュータなどでパル
スを扱う場合、パルスがあるかないかに注目するいわゆ
るロジックパルスが主体になるのに対して、放射線計測
におけるパルス技術は、こうしたロジックパルスを扱う
ほかに、パルスの波高値やパルス波形までも問題にする
いわゆるアナログパルスを扱う点に特徴がある。

【０００３】その電子回路システムの構成は、目的によ
っていろいろの場合があるが、図６に、エネルギー分散
型Ｘ線分析装置の計測回路を示す。電子線を用いたエネ
ルギー分散型Ｘ線分析装置は、電子線を試料の表面に照
射すると電子と物質との相互作用の結果、特性Ｘ線、反
射電子、あるいは二次電子などの量子を発生し、その中
で主に特性Ｘ線を半導体のＸ線検出器で検出して、物質
の微小領域を非破壊で元素分析する装置である。

【０００４】特性Ｘ線の波長λは、原子番号と次式Ｍｏ
ｓｅｌｅｙの法則で結びつけられている。 λ＝Ｃ／（Ｚ−σ）^２、Ｚ：原子番号、Ｃ、σ：定数 この波長λをＸ線分光器で測定すれば、原子番号Ｚを知
ることができ、従って試料を構成する元素を知ることが
できる。そしてＸ線のエネルギーＥは、波長λ（Å）と
Ｅ（ＫｅＶ）≒１２．４／λの関係があるので、半導体
のＸ線検出器、例えばＳｉ（Ｌｉ）検出器で直接Ｘ線エ
ネルギーを検出するエネルギー分散形分光器（ＥＤＳ）
を用いて、そのエネルギーの値より元素を知ることがで
きる。その計測回路は、図６に示すようにＳｉ（Ｌｉ）
検出器等のＸ線検出器１からの信号を、プリアンプ２
（電荷感応型増幅器）で増幅した後、整形アンプ（微分
回路４、増幅器５、積分回路６）で波形整形し、その整
形した波形の波高値を、閾値を設定したピーク検出回路
８で検出し、その信号によってピークホールド回路９で
ピークホールドを行い、Ａ／Ｄ変換器１０でＡ／Ｄ変換
し、そのＡ／Ｄ変換値をＭＣＡ１１（マルチチャンネル
アナライザ）に記憶させる。また、他のα線などの放射
線計測装置の電子回路も、同様な方法で信号検出処理が
行われている。

【０００５】Ｘ線検出器１は、Ｓｉ（Ｌｉ）等の半導体
素子が用いられ、半導体検出器に入ったＸ線は、そのエ
ネルギーに比例した数の電子―正孔対を半導体内につく
り、電気信号を発生させる。統計的に一組の電子―正孔
対を作るに要する放射線のエネルギーの平均値は、物質
によって定まり、放射線のエネルギーや種類に関係な
く、Ｓｉの場合３．７６ｅＶである。また、エネルギー
分解能は最初に生じた１次のキャリア数の平方根に逆比
例するので、エネルギー分解能は半導体検出器がとびぬ
けて良い。そして、熱雑音を減らすために、Ｓｉ（Ｌ
ｉ）検出器を真空の容器（クライオスタット）に入れ、
これを液体窒素（７７Ｋ）入りデュアーびんに装着して
冷却される。

【０００６】プリアンプ２は、Ｘ線検出器１からの出力
信号が、一般に微弱な電荷パルスであり、Ｘ線検出器１
のインピーダンスも極めて高く、従って、Ｘ線検出器１
にインピーダンスの低い回路や長いケーブル等を直接つ
なぐと、パルスを効率的に取出すことができなくなるう
えに、パルス波形そのものをくずしてしまう場合があ
る。そのため、通常は、入力インピーダンスの高いプリ
アンプ２をＸ線検出器１のすぐあとに接続し、微小な電
荷パルスを積分してこれを電圧パルスに変換・増幅した
のち、低出力インピーダンス回路に信号が送られる。

【０００７】電荷の積分には入力の浮遊容量をそのまま
用いる簡単な方式のものもあるが、フィードバック素子
にコンデンサ３を用いた演算増幅器方式の積分器を用い
たものが多い。この場合与えられた電荷量に対して、出
力電圧はフィードバック容量のコンデンサ３によってき
まり、Ｘ線検出器１やケーブルの容量に依存しない。パ
ルスの減衰には、フィードバックコンデンサに蓄積した
電荷を放電させる手段を持たせるようにする。コンデン
サの容量（Ｃ）と並列に抵抗（Ｒ）を入れるか、あるい
は、コンデンサの容量（Ｃ）にスイッチ機能を接続して
パルス的に放電させる。

【０００８】エネルギー分散形分光器（ＥＤＳ）では、
一般的にこのスイッチ機能による放電方式を使う。プリ
アンプ初段のＦＥＴに光を照射して電荷をリセットする
パルス光リセット方式、ＦＥＴのゲートにトランジスタ
を接続してこのトランジスタをＯＮにして電荷を放電す
るトランジスタリセット方式などがある。このような型
式のプリアンプ２は一般に電荷感応型（Ｃｈａｒｇｅ
ＳｅｎｓｉｔｉｖｅＴｙｐｅ）と呼ばれている。

【０００９】微分回路４は、コンデンサの容量（Ｃ）と
抵抗（Ｒ）とから構成されているもので、一般にプリア
ンプ２の出力信号が指数的に比較的ゆっくりと減衰する
パルスであるため、微分回路４でパルスの減衰時間を短
くするものである。パルス計数率が高くなると先行のパ
ルスの波尾に次のパルスが重なり波高値がシフトしたり
（パイルアップ）、また、パルスの到来時間のタイミン
グを正確に決めにくく、また、通常のＲＣ微分回路では
アンダーシュートが生じるので、この減少を防ぐために
ポールゼロ補償回路（コンデンサの容量（Ｃ）で次段と
カップリングし、その両端を抵抗（Ｒ）で接地し、前段
の抵抗（Ｒ）のある点から他の抵抗（Ｒ）で次段に接続
した回路）を用いて、時定数を変え、減衰時定数５０μ
ｓ程度のパルスにクリッピングすることもある。パルス
光リセット方式では、ポールゼロ補償回路は減衰時間が
極めて長いため不要となる。

【００１０】増幅器５は、微分回路４からの信号を増幅
すると共に、パルス波形整形を行って、次段の装置に適
合するパルスとするもので、いくつかの増幅ループ、波
形整形回路（フィルタ）、可変減衰器及び補助回路など
から構成されている。装置の出力パルス波高の計測範囲
において、入力信号のパルス波高と出力信号のパルス波
高とが比例関係にあることが重要である。

【００１１】積分回路６は、増幅器５の出力波形を整形
するもので、微分回路４と同じ時定数を持つＲＣ積分回
路を用いて、出力信号をガウス関数状のパルス波形に変
換するものである。信号対雑音比が優れているので、半
導体検出器を用いた測定系にはこの方式の回路が用いら
れる。ピーク検出回路８とピークホールド回路９は、整
形アンプ回路からの出力信号を、ピーク検出回路８で設
定された検出閾値以上のものをピーク検出回路８で検出
し、その信号によってピークホールド回路９で、ピーク
ホールドを行い、その波高値をＡ／Ｄ変換器１０に送
る。

【００１２】ＭＣＡ（マルチチャンネルアナライザ）１
１は、パルス波高値がＡ／Ｄ変換器１０でデジタル信号
に変換され、そのデジタル信号に応じて区分けされた信
号の数を記憶するメモリー部で構成された統計的な解析
装置である。そして、マルチチャンネルパルス波高分析
（パルスをその波高値にしたがって多数のチャンネルに
仕分けし、各々のチャンネル当たりのパルスの頻度のヒ
ストグラムをとる）、時間分布測定（マルチスケーリン
グ：多数のスケーラを並べ、これらのスケーラを時間と
共に順次切換えてゆくのと等価の動作）の機能を備えて
いる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】従来の放射線計測装置
は以上のように構成されているが、システムのＡ／Ｄ変
換器１０は、ピーク検出回路８が整形アンプ出力信号を
まずピーク検出し、ピークホールド回路９が検出したピ
ークのピークホールドを行い、そのホールド値をＡ／Ｄ
変換する。このようなシステムでは低いエネルギーの放
射線による整形アンプ出力信号のピーク高さは低くなる
ため、低エネルギー放射線を測定するにはこのピーク検
出回路８の検出閾値を低くしておく必要がある。しか
し、整形アンプ出力には、図７に示すように、必ず低レ
ベルの雑音が存在し、検出閾値を下げると、この雑音も
ピークとみなしてＡ／Ｄ変換されることになる。この結
果、測定スペクトルは、図８に示すように、低エネルギ
ー部にこの雑音による分布が現れ、低エネルギー放射線
のピークのＳ／Ｎを悪くすることになる。また、1回の
Ａ／Ｄ変換には、通常数μ秒以上の変換時間が必要であ
り、雑音によるＡ／Ｄ変換の回数が増加すると、Ａ／Ｄ
変換器１０のデッドタイムが増加し、放射線検出のスル
ープットが低下するという問題がある。

【００１４】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、この低エネルギーピークを測定できる
システムにおいて、低エネルギーピークのＳ／Ｎの向上
と、雑音のＡ／Ｄ変換によるスループットの低下を防ぐ
ことのできる放射線計測装置を提供することを目的とす
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の放射線計測装置は、Ｘ線検出器とプリアン
プと波形整形アンプとピーク検出回路とバンドパスフィ
ルタとピークホールド回路とＡＤ変換器およびマルチチ
ャンネルアナライザ（ＭＣＡ）を備えた放射線計測装置
において、波形整形アンプの積分回路に入る前の信号を
バンドパスフィルタに通し、そのバンドパスフィルタ出
力信号をピーク検出回路に送りＡＤ変換のタイミング信
号に用いるものである。

【００１６】また、請求項２の放射線計測装置は、プリ
アンプ出力信号をバンドパスフィルタに通し、そのバン
ドパスフィルタ出力信号をピーク検出回路に送りＡＤ変
換のタイミング信号に用いるものである。

【００１７】本発明の放射線計測装置は上記のように構
成されており、放射線によるプリアンプ出力信号の立ち
上がりパルスに含まれる周波数成分の帯域を通過させる
バンドパスフィルタを設け、プリアンプ出力信号をある
いは整形アンプの積分段入力前の信号を、このバンドパ
スフィルタを通過させ、放射線信号による信号を強調し
て取り出し、その信号によって放射線の入射を識別し、
その識別信号によってピークホールド部（ピーク検出回
路、ピークホールド回路）およびＡ／Ｄ変換器の動作タ
イミングを制御する。そのため、Ａ／Ｄ変換時に、雑音
と放射線信号との区別が明確になり、雑音をＡ／Ｄ変換
する確率を低下することができ、スペクトルの低エネル
ギー側のＳ／Ｎを改善できるとともに、雑音によるＡ／
Ｄ変換器の占有時間を減らせるので、放射線計測のスル
ープットを向上することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の放射線計測装置の一実施
例を図１を参照しながら説明する。図１は本発明の放射
線計測装置のブロック回路を示す図である。本放射線計
測装置は、Ｘ線、α線、γ線などの放射線を検出する半
導体からなるＸ線検出器１と、Ｘ線検出器１のすぐあと
に接続されその信号を受けて、微小な電荷パルスを積分
してこれを電圧パルスに変換・増幅する入力インピーダ
ンスの高いプリアンプ２（電荷感応型増幅器）と、コン
デンサの容量（Ｃ）と抵抗（Ｒ）とから構成されパルス
の減衰時間を短くするための微分回路４と、微分回路４
からの信号を増幅すると共にパルス波形整形を行って次
段の装置に適合するパルスとする増幅器５と、微分回路
４と同程度の時定数を持つＲＣ積分回路を用いて増幅器
５の出力波形をガウス関数状のパルス波形に整形する積
分回路６と、整形アンプの積分回路６の入力前の信号か
ら放射線信号による信号を強調して取り出すフィルタ回
路を備えたバンドパスフィルタ７と、バンドパスフィル
タ７からの出力信号から検出閾値以上のものをピーク検
出するピーク検出回路８と、ピーク検出回路８からの信
号によって整形アンプからの出力信号をピークホールド
するピークホールド回路９と、その波高値をピーク検出
回路８からのタイミング信号でＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変
換器１０と、変換されたデジタル信号を区分けされた信
号の場所に記憶し統計的な解析をして、マルチチャンネ
ルパルス波高分析や時間分布測定を行うＭＣＡ１１とか
ら構成されている。

【００１９】本放射線計測装置は、従来の装置にバンド
パスフィルタ７が追加され、整形アンプの積分回路６の
入力前の信号をバンドパスフィルタ７に入力して、放射
線信号による信号を強調して取出し、その信号によって
ピーク検出回路８で信号波形のピーク検出が行われてい
る。そして、ピーク検出したピーク検出回路８から、ピ
ークホールド回路９に信号を送り整形アンプの積分回路
６からの信号をピークホールドさせ、同時に、ピーク検
出回路８からＡ／Ｄ変換器１０にＡ／Ｄ変換のタイミン
グ信号を送り、ピークホールド回路９からの信号をＡ／
Ｄ変換し、デジタル信号にしてＭＣＡ１１に記憶させ、
ＭＣＡ１１がマルチチャンネルパルス波高分析や時間分
布測定を行うものである。

【００２０】次に、本放射線計測装置の動作について説
明する。Ｘ線検出器１によって検出されたＸ線パルス信
号は、プリアンプ（電荷感応型増幅器）２によって増幅
される。この時の出力信号は、放射線が入射する毎にス
テップ状に上がっていく減衰の緩やかな階段状の波形と
なって整形アンプに入る。この階段状波形は、ＤＣ的に
振幅がかなり大きいのでこのまま増幅できないので、整
形アンプの入力段の微分回路４に入れられて微分され、
ＤＣ成分をカットした後、所定の倍率に増幅器５で増幅
される。ここまでは従来の装置と同じである。本放射線
計測装置では、この微分増幅信号をプリアンプ２の立ち
上がりパルスに含まれる周波数成分のうちの何れかの成
分を通すバンドパスフィルタ７に入れる。パルスにはさ
まざまな周波数成分が含まれるが、これらのうち強度が
強い成分として、パルス立ち上がり時間に相当する周波
数成分があるので、この成分を使う例を示す。しかし、
他の周波数成分を使っても良い。パルス立ち上がり時間
が１０ｎｓのときには、この立ち上がり時間に相当する
周波数は１００ＭＨｚになる。このパルスの立ち上がり
時間は、Ｘ線検出器１やプリアンプ２によって異なる。
しかし、必ずしも中心周波数を正確にこの周波数にあわ
せる必要はなく、この周波数帯の通過特性の良いバンド
パスフィルタ７とすればよい。そして、整形アンプの増
幅器５の出力（図１のＡ点）の信号は、図２に示すよう
に、かなり雑音が含まれている。これはほぼ白色雑音に
近く、全周波数帯域にわたって存在する。バンドパスフ
ィルタ７（ＢＰＦ）によって、立ち上がりパルスに含ま
れる周波数成分のみを選択的に通過させることで、この
帯域以外の雑音成分はカットされ、図３に示すように、
パルス検出信号のＳ／Ｎを改善することができ、パルス
検出の精度を高めることができる。これによってきわめ
て低いエネルギー領域まで正確なパルス検出が、設定閾
値によってピーク検出回路８で行われる。この正確なパ
ルス信号によって、整形アンプの積分回路６からの信号
をピークホールド回路９でピークホールドさせ、同時
に、ピーク検出回路８からＡ／Ｄ変換のタイミングをＡ
／Ｄ変換器１０に送って制御する。それによって低エネ
ルギー領域においても放射線パルスによる信号のみを選
択性よく検出することができる。そして、選択されデジ
タルに変換された信号がＭＣＡ１１に記憶され解析され
る。その結果、ＭＣＡ１１で得られるスペクトルも、図
４に示すように、ノイズ成分の少ないスペクトルが得ら
れる。

【００２１】上記の実施例では、バンドパスフィルタ７
を整形アンプの積分回路６の入力前に接続したシステム
について説明したが、プリアンプ２の出力を直接バンド
パスフィルタ７に入れる接続にした、図５に示すよう
な、システムにしても良い。

【００２２】

【発明の効果】本発明の放射線計測装置は上記のように
構成されており、バンドパスフィルタを設け、整形アン
プの積分回路の入力前の信号、または、プリアンプの出
力信号を、このバンドパスフィルタを通過させ、スペク
トルにおいて、低エネルギー部の雑音ピークを減少させ
ることができ、低エネルギー放射線によるピークのＳ／
Ｎを良くすることができる。また、ピーク検出の閾値を
下げてもノイズをＡ／Ｄ変換する事象が少ないので、計
測系がノイズ処理に要している時間が少なく、計測のス
ループットを上げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の放射線計測装置の検出回路の一実施
例を示す図である。

【図２】 本発明の放射線計測装置の検出信号を微分増
幅した後の信号波形を示す図である。

【図３】 本発明の放射線計測装置の検出信号を微分増
幅し、バンドパスフィルタを通した出力信号波形を示す
図である。

【図４】 本発明の放射線計測装置のエネルギー特性を
示す図である。

【図５】 本発明の放射線計測装置の検出回路の他の実
施例を示す図である。

【図６】 従来の放射線計測装置の検出回路を示す図で
ある。

【図７】 放射線計測装置の検出信号波形を示す図であ
る。

【図８】 ピーク検出閾値を下げた時の放射線計測装置
のエネルギー特性を示す図である。

【符号の説明】

１…Ｘ線検出器 ２…プリアンプ ３…コンデンサ ４…微分回路 ５…増幅器 ６…積分回路 ７…バンドパスフィルタ ８…ピーク検出回路 ９…ピークホールド回路 １０…Ａ／Ｄ変換器 １１…ＭＣＡ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｘ線検出器とプリアンプと波形整形アンプ
   とピーク検出回路とバンドパスフィルタとピークホール
   ド回路とＡＤ変換器およびマルチチャンネルアナライザ
   （ＭＣＡ）を備えた放射線計測装置において、波形整形
   アンプの積分回路に入る前の信号をバンドパスフィルタ
   に通し、そのバンドパスフィルタ出力信号をピーク検出
   回路に送りＡＤ変換のタイミング信号に用いることを特
   徴とする放射線計側装置。
2. 【請求項２】Ｘ線検出器とプリアンプと波形整形アンプ
   とピーク検出回路とバンドパスフィルタとピークホール
   ド回路とＡＤ変換器およびマルチチャンネルアナライザ
   （ＭＣＡ）を備えた放射線計測装置において、プリアン
   プ出力信号をバンドパスフィルタに通し、そのバンドパ
   スフィルタ出力信号をピーク検出回路に送りＡＤ変換の
   タイミング信号に用いることを特徴とする放射線計側装
   置。