JP5392437B2 - パルス処理装置および放射線分析装置 - Google Patents
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Description
放射線検出器601は、放射線の検出時にリニアパルス信号Aを出力する。コンパレータ603は、放射線検出器601からリニアパルス信号Aを入力し、そして、閾値制御回路602から閾値信号Bを入力する。コンパレータ603は、リニアパルス信号Aの値が閾値信号Bの値を上回るときに、トリガ信号Cを出力する。
コンパレータ603は、リセット信号Fを入力し、トリガ信号Cをリセットする。ピークホールド回路604は、リセット信号Fを入力し、ピークホールド出力信号Dをリセットする。このようにCPU606からリセット信号Fが出力され、全ての処理が初期化される。続いて、他のパルスのピーク値P2を取得する。以下、同様に入力されるパルスのピーク値を取得し続ける。このような放射線分析装置600は、所定波高を超えるリニアパルス信号のみ計測する。放射線分析装置600は、これにより閾値以下の微小ノイズを除去し、誤検出を防止して信頼性を高めている。
この放射線計測装置は、バンドパスフィルタにより低エネルギー部の雑音ピークを減少させて、放射線の検出を行っている。これにより、雑音の影響が低減され、AD変換によるスループットの低下を防止する。
そこで、本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、信号処理を高速化して欠測を防止するパルス処理装置を提供することにある。また、このパルス処理装置を搭載することにより欠測を防止し、測定能力を高めた放射線分析装置を提供することにある。
パルス検出部1は、ランダムなタイミングで発生する物理事象に応じてアナログパルスであるリニアパルス信号aを出力する。このリニアパルス信号aは、図2で示すように、所定値以上の波高値を有する。
閾値データ設定部3は、予め設定されたパルスのピーク値の下限を表す閾値データcを出力する。この閾値データはデジタル信号である。
続いて、次に入力されるリニアパルス信号aについてピーク値2を取得する。以下同様にピーク値を順次取得する。パルス処理装置100はこのようなものである。
これによりパルス毎の処理にCPUが介在しなくなってパルスの高速処理を実現する。さらに100Mspsという高速AD変換部2の出力に追従できるようになり、高速化を実現することができる。
また、高速AD変換部2を使用するため、従来技術のようなピークホールド回路を不要とし、デジタルサンプリング方式によるピーク検出を行うことができ、処理の高速化に寄与する。
先の第1の形態と比較すると、ピーク値データ検出部4にパルス波形解析部6が接続されている点が相違する。なお、パルス検出部1、高速AD変換部2、閾値データ設定部3、ピーク値データ検出部4、信号処理部5については先と同じ構成であり、同じ番号を付すとともに重複する説明を省略する。以下、パルス波形解析部6について重点的に説明する。
パルス波形解析部6は、詳しくは、図8で示すように、基準設定部6a、パルス幅検出部6b、波高値検出部6c、比較判定部6d、出力制御部6eを備える。これら部は後述する各種の処理を行う。
正常な波形の第1条件として下限のパルス幅WLが所定長より長いことが挙げられる。高速AD変換により物理事象を検出した通常の1のパルスは、多数のデジタルパルスデータからなる。デジタルパルスデータは所定サンプリング周期で得られるためサンプル数で表しても良い。本形態では下限のパルス幅WLが基準パルス幅16サンプル以上であるときに正常な波形であると判断し、基準パルス幅未満のサンプルを微小ノイズと判断する。なお、この基準パルス幅のサンプル数は、扱う物理事象や高速AD変換部2のサンプリング周期により変化する値であり、事情に応じて適宜数値を設定できる。
基準設定部6aは、デジタルパルスデータの予め定められた基準個数を基準パルス幅として設定する。
パルス幅検出部6bは、デジタルパルスデータが入力され、1のパルスについて所定の下限値を超えるデジタルパルスデータの個数を下限のパルス幅として検出する。
出力制御部6eは、正常時にはこのパルスのピーク値データを出力させ、また、異常時にはこのパルスのピーク値データを廃棄させるようにピーク値データ検出部4を制御する。
このような波形解析を行うことで、微小なノイズをキャンセルすることができる。
正常な波形の第2条件としてパルスが相似形であり、1/2波高値のパルス幅WMと下限のパルス幅WLとの比率がほぼ所定値になることが挙げられる。図9(b)で示すようにある下限のパルス幅WLに対して1/2波高値のパルス幅WMが異常に小さい場合は、ノイズと判断する。本形態では1/2波高値のパルス幅WMが、下限のパルス幅WLの1/4〜3/4の範囲内にあるときは正常な波形であると判断し、また範囲外のときは異常な波形であると判断する。なお、この比率は、扱う物理事象により変化する値であり、事情に応じて適宜数値を設定できる。
基準設定部6aは、予め定められた比率の上限値および下限値を設定する。例えば、1のパルスの1/2波高値パルス幅WMを基準パルス幅WLで除した比率の上限値(1/4)および下限値(3/4)を設定する。
波高値検出部6cは、デジタルパルスデータが入力され、1のパルスについてパルスの最大波高値を検出し、この最大波高値に基づいて1/2波高値を算出する。最大波高値に1/2を乗じた値を1/2波高値とする。
このような波形解析を行うことで、尖塔状の幅が狭いノイズや台形状の幅が広いノイズをキャンセルすることができる。
正常な波形の第3条件としてパルスが相似形であり、パルスが大きくなると波高値Hと下限のパルス幅WLとは同様に大きくなることが挙げられる。本形態では波高値Hを下限のパルス幅WLで除したときの比率が一定値(例えば0.75〜1.25)であると設定した。なお、この比率は、扱う物理事象により変化する値であり、事情に応じて適宜数値を設定できる。
基準設定部6aは、予め定められた比率である上限値および下限値を設定する。例えば、1のパルスの波高値Hを下限のパルス幅WLで除した比率の上限値および下限値を設定する。
パルス幅検出部6bは、デジタルパルスデータが入力され、1のパルスについて所定の下限値を超えるデジタルパルスデータの個数を下限のパルス幅として検出する。
比較判定部6dは、波高値検出部6cから出力される波高値と、パルス幅検出部6bから出力される下限のパルス幅を表す個数と、の比率が、基準設定部6aから出力される下限値を上回り、かつ上限値を下回るという条件を満たす場合にこのパルスを正常と判断し、条件を満たさない場合にこのパルスを異常と判断する。前記比率は、波高値検出部6cから出力される波高値をパルス幅検出部6bから出力される下限のパルス幅を表す個数で除した値である。
このような波形解析を行うことで、尖塔状の幅が狭いノイズや台形状の幅が広いノイズをキャンセルすることができる。
正常な波形の第4条件として、波高値を中心に前後複数サンプル(例えば8サンプル)の変化率が所定値の範囲内にあることが挙げられる。波高値周辺の変化が異常に大きい場合は、図9(b)の尖塔状ノイズや、図9(c)のように多数のピークによるノイズであるおそれがある。本形態では変化率が一定範囲内(例えば0.75〜1.25)であると設定した。なお、この比率は、扱う物理事象により変化する値であり、事情に応じて適宜数値を設定できる。
基準設定部6aは、予め定められた変化率の上限値および下限値を設定する。詳しくは隣接するデジタルパルスデータの変化率の上限値および下限値を設定する。
波高値検出部6cは、デジタルパルスデータが入力され、1のパルスについてパルスの最大波高値を検出し、この最大波高値デジタルパルスデータに挟まれる前後複数個のデジタルパルスデータについての隣接するデジタルパルスデータの変化率を検出する。
出力制御部6eは、正常時にはこのパルスのピーク値データを出力させ、また、異常時にはこのパルスのピーク値データを廃棄させるようにピーク値データ検出部4を制御する。
以上、本形態のパルス処理装置200について説明した。
図27に示した従来技術のピークホールド回路を用いるピーク検出処理では、パルスの波高値が得られるのみで、パルスの形状を認識することはできなかった。ノイズ等による不正なパルスが入力されても、正規のパルスと同様に波高分析を行ってしまっていた。
アナログパルスをAD変換し、デジタル処理によりピーク検出を行う場合に、パルスに重畳された高周波ノイズや、サンプリングのタイミングのずれにより、実際の波高値に対して誤差が発生する。そこで、ピーク値検出部4によって得られた最大波高値を表すピーク値データに対して、ピーク値データ前後のデジタルパルスデータを基にデジタル補正を行う波高値補正部7を追加した。
波高値補正部7は、ピーク値データ検出部4からの最大のピーク値データおよび前後のデジタルパルスデータを用いて波高値を補正したピーク値データを生成し、補正されたピーク値データをピーク値データ検出部4へ出力する。
図13(a)で示すように、真のピーク値を中心に左右対称の場合であるかどうかはデジタルパルスデータがピーク値を境に対象的であるか否かにより判定する。例えば、ピーク値を中心としてnサンプル前のデジタルパルスデータと、nサンプル後のデジタルパルスデータと、で差分を取って0に近ければ左右対称と判断する。
次式数1のように、ピーク値Pnにピーク値前後の値Pn−1と値Pn+1との差分Aに1/xを乗じた値を足して真の波高値P0を算出する。
[数1]
真の波高値P0=Pn+A/x
なお、xの値は調整要素であり、物理事象や高速AD変換装置のサンプリング周波数などにより影響される値であり、適宜設定することができる。
図13(b)で示すように、立ち上がりが速く、かつ立ち下がりが遅い場合であるかどうかは、例えば、ピーク値を中心としてnサンプル前のデジタルパルスデータによる変化率が大きく、かつnサンプル後のデジタルパルスデータによる変化率が小さい場合に、立ち上がりが速く、かつ立ち下がりが遅いと判断する。
[数2]
真の波高値P0=Pn+|(A−B・x)|/y
なお、x,yの値は調整要素であり、物理現象や高速AD変換装置のサンプリング周波数などにより影響される値であり、適宜設定することができる。
なお、立ち上がりが遅く、立ち下がりが早い場合も同趣旨にて補正できる。左右非対称の場合も補正できる。
この波形整形部8は、詳しくは、図15で示すように、立上勾配制限部8aと、立下勾配制限部8bと、を備える。
これにより波形整形部8の出力は立上り、立下りとも滑らかな、波高値に応じて相似形を持つパルスを出力する。
先の第4の形態と比較すると、ピーク値データ検出部4にパルス波形積分解析部9が接続されており、ピーク値データ検出部4からのデジタルパルスデータbを用いてパルス波形を積分の上で解析を行う点が相違する。なお、パルス検出部1、高速AD変換部2、閾値データ設定部3、ピーク値データ検出部4、信号処理部5、波形整形部8については先と同じ構成であり、同じ番号を付すとともに重複する説明を省略する。以下、パルス波形積分解析部9について重点的に説明する。
パルス波形積分解析部9は、図18で示すように、さらに基準設定部9a、波高値検出部9b、積分部9c、パルス幅検出部9d、比較判定部9e、出力制御部9fを備える。これら部は後述する各種の処理を行う。
図18で示すように、基準設定部9aは、予め定められた比率の上限値と下限値とを設定する。この比率は、基準となる1のパルスについて、波高値の二乗を面積で除した値である。
波高値検出部9bは、デジタルパルスデータが入力され、1のパルスについてのデジタルパルスデータの最大値を波高値として検出する。
積分部9cは、デジタルパルスデータが入力され、1のパルスについてデジタルパルスデータを加算して積分値を算出する。
出力制御部9fは、正常時にはこのパルスのピーク値データを出力させ、また、異常時にはこのパルスのピーク値データを廃棄させるようにピーク値データ検出部4を制御する。
このような波形解析を行うことで、尖塔状の幅が狭いノイズや台形状の幅が広いノイズをキャンセルすることができる。
また、図20(b)で示すように、入力されたパルスの波高値Hは元のパルスと同じであり、パルス幅WLはほぼ2倍である場合は、2つのパルスが一部だけ重畳されたパルスと判断する。
なお、最後のケースは殆ど起こらないレアなケースであるため、このような処理をしても精度に影響は生じない。
基準設定部9aは、予め定められた比率の上限値および下限値と、1のパルスについての基準の波高値および基準のパルス幅と、を設定する。この比率は、基準となる1のパルスについて、波高値の二乗を面積で除した値である。
波高値検出部9bは、デジタルパルスデータが入力され、1のパルスについてのデジタルパルスデータの最大値を波高値として検出する。
積分部9cは、デジタルパルスデータが入力され、1のパルスについてデジタルパルスデータを加算して積分値を算出する。
パルス幅検出部9dは、デジタルパルスデータが入力され、1のパルスについて所定の下限値を超えるデジタルパルスデータの個数をパルス幅として検出する。
出力制御部9fは、正常時にはこのパルスのピーク値データを出力させ、重畳時に2のピーク値データを出力させ、また、異常時にはこのパルスのピーク値データを廃棄させるようにピーク値データ検出部4を制御する。
放射線分析装置100’は、図21で示すように、放射線検出器10、高速ADC20、CPU内蔵FPGA30、制御装置40を備える。CPU内蔵FPGA30は、さらに、閾値制御回路31、ピーク値検出回路32、波高分析回路33、波高分布メモリ34、演算処理部としてのCPU35、通信制御回路36を備えている。
高速ADC20は、先に説明した高速AD変換部2と同じ機能を有するものであり、特に放射線検出に対応できるように、100Msps,14bitという高速・高分解能のデバイスを使用している。
ピーク値検出回路32は、先に説明したピーク値データ検出部4と同じ機能を有するものであり、上記のようなピーク値の検出処理を行っている。
波高分布メモリ34は、波高分析回路33から出力される波高値毎のパルス数を書き込む。波高分析回路33から波高分布メモリ34へ直接書き込むため、パルス毎にCPU35が処理を介在する事態をなくし、処理待ち時間が著しく短縮される。
CPU35は、波高分布メモリ34から波高値毎のパルス数を読み出し、波高分布データを生成する。CPU35は、通信制御回路36へ波高分布データを送信する。
通信制御回路36は波高分布データを通信データに変換して出力する。
このような放射線分析装置100’では、先に説明したように各回路が並列動作可能である。そして、CPUは入力パルス単位で処理を行う必要が無く、波高分布メモリへの書き込みまでFPGAのロジック回路で行うため、高速動作が可能である。
放射線分析装置200’は、図23で示すように、放射線検出器10、高速ADC20、CPU内蔵FPGA50、制御装置40を備える。CPU内蔵FPGA50はさらに、閾値制御回路31、ピーク値検出回路32、波高分析回路33、波高分布メモリ34、演算処理部としてのCPU35、通信制御回路36、パルス波形解析回路51を備えている。
このパルス波形解析回路51も、先に説明したパルス波形解析部6と同じ機能を有するものであり、FPGAのロジック回路で行うため、高速動作が可能である。このような本実施例2では先の第2の形態と同様にノイズを除去して検出精度を高めた放射線分析装置200’とすることができる。
放射線分析装置300’は、図24で示すように、放射線検出器10、高速ADC20、CPU内蔵FPGA60、制御装置40を備える。CPU内蔵FPGA60はさらに、閾値制御回路31、ピーク値検出回路32、波高分析回路33、波高分布メモリ34、演算処理部としてのCPU35、通信制御回路36、波高値補正回路61を備えている。
この波高値補正回路61も、先に説明した波高値補正部7と同じ機能を有するものであり、FPGAのロジック回路で行うため、高速動作が可能である。このような本実施例3では先の第3の形態と同様にノイズを除去して検出精度を高めた放射線分析装置300’とすることができる。
放射線分析装置400’は、図25で示すように、放射線検出器10、高速ADC20、CPU内蔵FPGA50、制御装置40、波形整形回路70を備える。CPU内蔵FPGA50はさらに、閾値制御回路31、ピーク値検出回路32、波高分析回路33、波高分布メモリ34、演算処理部としてのCPU35、通信制御回路36、パルス波形解析回路51を備えている。
この波形整形回路70も、先に説明した波形整形部8と同じ機能を有するものである。このような本実施例4では先の第4の形態と同様にノイズを除去して検出精度を高めた放射線分析装置400’とすることができる。
放射線分析装置500’は、図26で示すように、放射線検出器10、高速ADC20、CPU内蔵FPGA80、制御装置40、波形整形回路70を備える。CPU内蔵FPGA80はさらに、閾値制御回路31、ピーク値検出回路32、波高分析回路33、波高分布メモリ34、演算処理部としてのCPU35、通信制御回路36、パルス波形積分回路81を備えている。
このパルス波形積分回路81も、先に説明したパルス波形積分部9と同じ機能を有するものである。このような本実施例5では先の第5の形態と同様にノイズを除去して検出精度を高めた放射線分析装置とすることができる。
1:パルス検出部
2:高速AD変換部
3:閾値データ設定部
4:ピーク値データ変換部
5:信号処理部
6:パルス波形解析部
6a:基準設定部
6b:パルス幅検出部
6c:波高値検出部
6d:比較判定部
6e:出力制御部
7:波高値補正部
8:波形整形部
8a:立上勾配制御部
8b:立下勾配制御部
9:パルス波形積分解析部
9a:基準設定部
9b:波高値検出部
9c:積分部
9d:パルス幅検出部
9e:比較判定部
9f:出力制御部
100’,200’,300’,400’,500’:放射線分析装置
10:放射線検出器
20:高速ADC
30,50,60,80:CPU内蔵FPGA
31:閾値制御回路
32:ピーク値検出回路
33:波高値分析回路
34:波高分布メモリ
35:CPU
36:通信制御回路
51:パルス波形解析回路
61:波高値補正回路
81:パルス波形積分解析回路
40:制御装置
70:波形補正回路
Claims (3)
- 物理事象を受けてリニアパルス信号を出力するパルス検出部と、
リニアパルス信号の勾配を滑らかに整形する波形整形部と、
整形されたリニアパルス信号をデジタルパルスデータに変換する高速AD変換部と、
予め設定された閾値データを出力する閾値データ設定部と、
高速AD変換部が出力するデジタルパルスデータと、閾値データ設定部が出力する閾値データと、を比較し、閾値データを連続して上回るデジタルパルスデータのうちの最大のデジタルパルスデータをピーク値データとして一時記憶し、その後にデジタルパルスデータが閾値データを下回るとき、少なくとも最大のピーク値データを出力するピーク値データ検出部と、
ピーク値データ検出部からのデジタルパルスデータを用いてパルスの積分値を算出し、積分値を用いて予め定められた性状を満たすか判定し、性状を満たすパルスについてのピーク値データを出力させるとともにそれ以外のピーク値データを廃棄させるようにピーク値データ検出部を制御するパルス波形積分解析部と、
ピーク値検出部から出力されるピーク値データをパルスの波高として入力する信号処理部とを備え、
前記パルス波形積分解析部は、
予め定められた比率の上限値と下限値とを設定する基準設定部と、
デジタルパルスデータが入力され、1つのパルスについてのデジタルパルスデータの最大値を波高値として検出する波高値検出部と、
デジタルパルスデータが入力され、1つのパルスについてデジタルパルスデータを加算して積分値を算出する積分部と、
波高値検出部から出力される波高値を二乗した値を、積分部から出力される積分値で除した比率が、基準設定部から出力される下限値を上回り、かつ上限値を下回る条件を満たす場合に、このパルスを正常と判断し、条件を満たさない場合にこのパルスを異常と判断する比較判定部と、
正常時にはこのパルスのピーク値データを出力させ、また、異常時にはこのパルスのピーク値データを廃棄させるようにピーク値データ検出部を制御する出力制御部と、
を備えることを特徴とするパルス処理装置。 - 物理事象を受けてリニアパルス信号を出力するパルス検出部と、
リニアパルス信号の勾配を滑らかに整形する波形整形部と、
整形されたリニアパルス信号をデジタルパルスデータに変換する高速AD変換部と、
予め設定された閾値データを出力する閾値データ設定部と、
高速AD変換部が出力するデジタルパルスデータと、閾値データ設定部が出力する閾値データと、を比較し、閾値データを連続して上回るデジタルパルスデータのうちの最大のデジタルパルスデータをピーク値データとして一時記憶し、その後にデジタルパルスデータが閾値データを下回るとき、少なくとも最大のピーク値データを出力するピーク値データ検出部と、
ピーク値データ検出部からのデジタルパルスデータを用いてパルスの積分値を算出し、積分値を用いて予め定められた性状を満たすか判定し、性状を満たすパルスについてのピーク値データを出力させるとともにそれ以外のピーク値データを廃棄させるようにピーク値データ検出部を制御するパルス波形積分解析部と、
ピーク値検出部から出力されるピーク値データをパルスの波高として入力する信号処理部とを備え、
前記パルス波形積分解析部は、
予め定められた比率の上限値および下限値と、1つのパルスについての基準の波高値および基準のパルス幅と、を設定する基準設定部と、
デジタルパルスデータが入力され、1つのパルスについてのデジタルパルスデータの最大値を波高値として検出する波高値検出部と、
デジタルパルスデータが入力され、1つのパルスについてデジタルパルスデータを加算して積分値を算出する積分部と、
デジタルパルスデータが入力され、1つのパルスについて所定の下限値を超えるデジタルパルスデータの個数をパルス幅として検出するパルス幅検出部と、
パルス幅検出部から出力される波高値を二乗した値を、積分部から出力される積分値で除した比率が、基準設定部から出力される下限値を上回り、かつ上限値を下回るという条件を満たす場合に、このパルスを正常と判断し、下限値以下の場合にこのパルスを異常と判断し、上限値を上回る場合であって波高値が基準波高値の2倍でパルス幅が基準パルス幅の1倍である場合に2つのパルスが重畳されたと判断し、上限値を上回る場合であって波高値が基準波高値の1倍でパルス幅が基準パルス幅の2倍である場合に2つのパルスが重畳されたと判断する比較判定部と、
正常時にはこのパルスのピーク値データを出力させ、2つのパルスが重畳されたと判断した時に2つのパルスのピーク値データを出力させ、また、異常時にはこのパルスのピーク値データを廃棄させるようにピーク値データ検出部を制御する出力制御部と、
を備えることを特徴とするパルス処理装置。 - 前記信号処理部が波高分布データを出力する波高分析回路である請求項1又は2に記載のパルス処理装置と、
波高分析回路からの波高分布データを登録する波高分布メモリと、
波高分布メモリから波高分布データを読み出す演算処理部と、
演算処理部から出力された波高分布データを用いて波高分布を表示する出力部と、
を備えることを特徴とする放射線分析装置。
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