JP6626120B2 - 検出器および操作方法 - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、高エネルギー電磁放射線および特にガンマ線を含む電離放射線の検出または中性子を含む亜原子粒子放射線の検出のために使用され得るシンチレータ放射線検出器の操作方法に関する。本発明は、特に、検出器の使用中キャリブレーションおよび／または利得安定化に資するシンチレータ放射線検出器の操作方法に関する。本発明は、更に、そのような方法を実施することにより、特に使用中におけるそのキャリブレーションおよび／または利得安定化を容易にするために構成された検出器に関する。
電離放射線によって励起されるとシンチレーションを示すシンチレータ材料は、電離放射線用検出器、および、例えば高エネルギー電磁放射線、特にガンマ線を検出するための検出器のベースとして幅広く使用されている。シンチレーション検出器は、例えば、シンチレータ材料を光電子増倍器等の光変換器に結合することによって形成することができ、これにより、電気信号を取得することができ、この電気信号から入射される放射線を検出し、特徴付けることができる。
例えばシンチレータおよび光電子倍増器を備えるシンチレーション検出器は、放射線検出およびモニタリングの分野において幅広く使用されており、例えば放射性汚染を検出および定量化／特徴付けし、放射性物質およびソースを監視するために、並びに、同様の用途において使用され得るコンパクトな携帯型、例えば手持ち式の放射線測定器において特に適用される。本明細書においては、ガンマ線シンチレータ検出器の実施例を記載する。しかしながら、これらは、高エネルギー物理の分野における、また高エネルギー電磁放射線等の電離放射線、特にガンマ線または中性子を含む亜原子粒子放射線の検出における、検出器内の好適に選択されたシンチレータの広範な潜在的用途のうちの単なるいくつかの実施例である。
正確な検出器のキャリブレーションおよび利得安定化は、シンチレーション検出器の操作効率において重要な要素である。適切なキャリブレーションなしでは、検出器によって収集されたデータの分析は、意味をなさない。検出器の応答安定性なしでは、操作期間に亘り検出器によって収集されたデータの分析を一貫して、または予測通りに実施することができない。
全てのシンチレーション検出器におけるゲインまたは応答は、変動度（またはドリフト）を示す。特に、ガンマ線シンチレーション検出器の場合において、特徴的なガンマエネルギー光電ピークの側定位置は、経時的に変動すると思われる。これは、バイアス電圧の不安定性および検出器の部品の段階的な劣化を含む、いくつかの要因の結果となり得る。しかしながら、短期間においては、シンチレータ結晶、光検出器および電気信号処理段階を含む信号チェーンにおけるいくつかの部品自体の特徴により、温度依存がキャリブレーションの不安定性の主要な要因である。
これらの段階は、一連に、効率的に接続される故、ゲインドリフトへのそれらの貢献は、簡素に結合することができる。
GTotal=GScintGPhoto-DetGAmp
GTotal=GScintGPhoto-DetGAmp
シンチレータおよび光検出器の温度安定性は、スタンダードテキストおよび製造者のデータから容易にアクセスすることができる（例えば図７および図８参照）。信号処理段階における温度ドリフトは、より少なければならず、回路評価によって容易に判定することができる。
特にフィールド機器において操作温度が変化すると、短時間ドリフトを軽減するために、温度補償アルゴリズムが適用可能であるか、また適用されるが、これらの技術は広範な装置のための完全な特徴付けを必要とする。更に、それらは、長期間の安定性を改善するのに役に立たず、結晶／光検出器の劣化によって生じるキャリブレーションドリフトを識別するのに役立たない。
検出器キャリブレーションおよび利得安定化の最も正確な方法は、リファレンス源として既知の同位体的放射源を使用して標準的なマルチポイント・キャリブレーションを実施することである。そのようなリファレンス源は、検出器によって測定される。続いて測定されたデータは、リファレンス源の予測されるエネルギースペクロラムと比較され、検出器ゲインを必要に応じて調節して、測定されたエネルギースペクトラムと予測されたエネルギーとの間におけるスペクトラムを一致させる。しかしながら、幅広く展開した検出器ネットワークにおいては、これは非実用的であり、従って、例えば当技術分野において、携帯型検出器を含む幅広く展開された検出器ネットワークのための、より実用的な検出器キャリブレーションおよび利得安定化方法の開発が望まれる。
自然放射能バックグラウンドの使用は、代替的な方法であり、これは、例えば特許文献１に記載のように採用されている。この技術は、典型的に、４０Ｋからの１．４６１ＭｅＶ光電ピークを使用する。しかしながら、この同位体からのカウントレートは、可変であり、通常は小型の検出器においては非常に低い。臨床試験において、これは、典型的に、１立方インチのタリウム活性化ヨウ化セシウム（１“３ＣｓＩ（Ｔｌ））のシンチレータにつき０．１カウント毎秒未満（＜０．１ｃｐｓ）の比率で測定された。この比率では、十分なデータを収集して、確信度を付してピークを位置付けるのに数時間は必要である。これは、既知の安定性を有する検出器を評価するのに役立ち得る一方、レートの変動性および他のバックグラウンドソースの潜在的存在により自動化は困難である。図９は、ＮａＩ（Ｔｌ）検出器の典型的なバックグラウンドトレースを示す。（２３２Ｔｈシリーズにおいて）４０Ｋの１４６０ｋｅＶおよび２０８Ｔｌの２６１０ｋｅＶにおける特徴的なピークが明白である。
代替的なアプローチでは、安定したパルス光源を採用して、検出器において繰り返し可能な信号を発生させる。このアプローチの一例は、特許文献２に記載されている。しかしながら、この方法には２つの問題がある。即ち、第１に、光パルスにより光検出器を、続いて信号処理段階を特徴付ける一方で、光出力における変動をシンチレーション水晶から明らかにせず、これは図７に示すように、標準的なアルカリハライドシンチレータにおいては、−２０〜＋５０℃の温度範囲に亘り２０％にまでなり得る点が挙げられる。第２に、使用される光源（典型的にはＬＥＤ）は、図１０および図１１に示すように、それ自体が温度変動しやすい点が挙げられる。
John E. Pattison, Enhancement of natural background gamma-radiation dose around uranium microparticlesin the human body, DOI: 10.1098/rsif.2009.0300, Published 23 September 2009
本発明は、上述した問題のうちのいくつか、または全てを軽減する方法で、例えば高エネルギー電磁放射線、特にガンマ線を検出するため、または亜原子粒子放射線を検出するため、キャリブレーションに、特に、シンチレータ放射線検出器の利得安定化に資することを試みるものである。
本発明は、先行技術におけるパルス駆動ＬＥＤ源の方法およびシステムに関連する問題のうちのいくつかの軽減を試みるものである。
本発明によれば、第１の態様において、シンチレータおよび光検出器を備えるシンチレータ検出器の操作方法を提供する。この方法は、
光パルスを周期的に生成するステップと、
連続する複数のそのような光パルスからの少なくともいくつかの光を光検出器の受光部上に衝突させるステップと、
光検出器の電気的応答を測定するステップと、
光検出器の電気的応答を処理して、パルス高およびパルス高の変動を判定するステップと、
そのように判定されたパルス高およびパルス高の変動を数値的に処理して、光検出器の応答特有の少なくとも第１データアイテムを取得するステップと、
少なくとも第１データアイテムを所定の基準応答と比較することによって、光検出器の電気的応答を選択的に検証するステップと、
任意に、付加的または代替的に、少なくとも第１データアイテムの値に応答して部分的に修正された制御信号を光検出器に出力するステップと、
を含む。
光パルスを周期的に生成するステップと、
連続する複数のそのような光パルスからの少なくともいくつかの光を光検出器の受光部上に衝突させるステップと、
光検出器の電気的応答を測定するステップと、
光検出器の電気的応答を処理して、パルス高およびパルス高の変動を判定するステップと、
そのように判定されたパルス高およびパルス高の変動を数値的に処理して、光検出器の応答特有の少なくとも第１データアイテムを取得するステップと、
少なくとも第１データアイテムを所定の基準応答と比較することによって、光検出器の電気的応答を選択的に検証するステップと、
任意に、付加的または代替的に、少なくとも第１データアイテムの値に応答して部分的に修正された制御信号を光検出器に出力するステップと、
を含む。
従って、この方法は、一般原理において、安定したパルス光源を使用して、例えば電源投入時または使用中に光検出器を照射するステップと、パルス照射に対する光検出器の応答を数値的に処理して、例えば光検出器の応答を検証し、また任意に、更に、例えばキャリブレーションし、および／または光検出器のゲインを安定化させるよう、光検出器の応答を修正するために光検出器に供給される制御信号を発生させるステップと、を含む。従って、この方法は、イン・サイチュで光検出器の光子の感受性を検証し、好適なケースにおいては、キャリブレーションおよび／または光検出器のゲイン安定化を制御する方法を提供する。
この方法の重要な特徴は、最も広い意味では、パルス高およびパルス高の変動を数値的に判定する点にある。判定されたパルス高およびパルス高の変動は、数値的に共処理されて、光検出器の応答特有のデータアイテムを取得する。特に、そのように取得された第１データアイテムは、光検出器において検出された光子の合計数に関連付けられ、また、例えば、光検出器において検出された光子の合計数のカウントを備えることが好ましい。
結果として、例えば温度による光パルス光度における変動に比較的感受性のないデータセットが生成される。従って、光検出器の応答を検証するステップ、および、例えば制御信号を発生させ、検出器に出力するステップは、パルス高およびパルス高の変動の両者を使用する故、同様に、例えば温度による光パルス光度における変動に対して比較的に感受性をなくすことができる。これにより、同様の先行技術におけるシステムの特定の欠点のうちの１つに対処することができる。
好適なケースにおいて、特にコンパクトであり、かつ例えば当技術分野において可搬式操作に資するシステムにおいて使用する場合、光源は、1つ以上のＬＥＤを含む発光ダイオード（ＬＥＤ）源である。本明細書において使用されるように、発光ダイオード（ＬＥＤ）源は、真性電界発光を介して直接的に発光するように構成されるＬＥＤおよび／または好適なコーティングを施されて発光波長を修正されたＬＥＤを含むことができ、また、必要に応じて、絞られた近距離の単色源および広域スペクトルの光源を含む。
シンチレータは、一般的に、例えば電離放射線や例えばガンマ線等の高エネルギー電磁放射線等の放射線、または、中性子との相互作用により生成された電離生成物によって励起されるとシンチレーションを示す、少なくとも１つのシンチレータ材料を備える。光検出器は、一般的に、光電変換器を備え、例えば光電子倍増器であるか、またはフォトダイオードあるいはシリコン光電子倍増器（ＳｉＰＭ）等のソリッドステート・デバイスである。光検出器は、シンチレータ材料に結合されることによって、シンチレータ材料の発光応答を代表する電気信号を取得することができ、この電気信号から、入射される放射線を検出し、既知の原理に従って特徴付けることができる。
シンチレータは、例えば電離放射線等の放射線、または、中性子との相互作用により生成された電離生成物によって励起されるとシンチレーションを示す少なくとも１つのシンチレータ材料を備える。シンチレータは、例えば、1つ以上の無機性の結晶材料または有機性のシンチレート化合物を備える。
高エネルギー電磁放射線用の検出器と共に使用するのに好適なシンチレータ材料は、ハロゲン化アルカリ金属および他の結晶材料を含み、これは、典型的に、低レベルの不純物として活性剤がドープされる。ハロゲン化アルカリ金属に基づく好適なシンチレータ材料は、一般的であり、例えばタリウムがドープされたヨウ化ナトリウム（ＮａＩ（Ｔｌ））（これが特に好適である）、例えばタリウムあるいはナトリウムがドープされた、またはドープされていないヨウ化セシウム（ＣｓＩ（Ｔｌ）又は（ＣｓＩ（Ｎａ）））、例えばドープされていないフッ化セシウム、および例えばタリウムがドープされたヨウ化カリウム（ＫＩ（Ｔｌ））を含む。他の用途のために、無アルカリ結晶に基づくシンチレータ材料は、特にゲルマニウム酸ビスマス（ＢＧＯ）を含むと考えられる。
中性子シンチレータ検出器は、典型的に、ＺｎＳ：Ａｇ，ＬｉＩ等のシンチレーション化合物と混合した、または化学的に結合した６Ｌｉまたは１０Ｂ等の中性子捕獲同位体を備えることによって、捕獲化合物を有する中性子の相互作用からの高エネルギー応答生成物がシンチレータにおいてシンチレーションを発生させる。
光検出器は、シンチレータ材料に結合されて、その発光に応答して電気信号を発生させる光電変換器を備え、例えば、光電子増倍器である。好適なケースにおいて、光電変換器は、ソリッドステート変換器であり、例えば、アバランシェ・フォトダイオードを備え、最も好適なケースにおいては、シリコン光電子増倍器である。
本発明は、最も広くは、パルス高およびパルス高の変動の両者の判定によって、およびこれら両者を数値的に共処理することによって、例えば所定の基準応答に対する光検出器の電気的応答を検証し、および／またはこれらのいずれかに応答して部分的に修正された制御信号を発生させ、例えばこれらのいずれかに機能的に依存することで、例えば温度等の光源における変動に対して比較的感受性のない方法を開発する点を特徴とする。
そうであっても、それは、温度に関するシステムに応答して変動による誤差を補正するのに役立つ。従って、好適な実施形態において、この方法は、更に、光源の温度を測定し、検出器の測定された応答に、光源の光出力における、温度についての既知の変動を補正する補正係数を、例えば動的にパルスごとに適用する光源温度補償ステップを含む。付加的または代替的に、好適な実施形態において、この方法は、更に、光検出器の温度を測定し、測定された光検出器の応答に、光検出器の応答における、温度についての既知の変動を補正する補正係数を、例えば動的にパルスごとに適用する光検出器温度補償ステップを含む。
例えば、ＬＥＤ光源が使用される好適なケースにおいて、ＬＥＤ出力は、強度および色度の両者において、温度と共に変化することが知られている。このケースにおいて、温度補償ステップは、測定された光検出器の応答に補正係数を適用して、そのような変動の一方または両方を考慮するステップを含むことが好ましい。
シンチレータ検出器の検証／キャリブレーション／利得安定化を改善するための、パルス光、および、例えばパルスＬＥＤに基づく確立された方法からの既知の技術に基づく更なる改善例は、本発明の基礎的な特徴的方法におけるステップに本質的に矛盾しない限り、本発明の範囲から除外されるものと見なすべきではない。特に、ＬＥＤ応答における温度ドリフトを補償するための更なる既知の技術は、常に、本発明の方法における付加的な改善例として見なすことができ、また、本発明は、そのような付加的なステップを有する方法も含むものとする。
可能な実施形態において、光源は、可視スペクトルにおいて、例えばいくつかの部分における波長が約４００〜７００ｎｍの範囲で発光するように構成することができる。好適なケースにおいて、光源は、1つ以上のＬＥＤを含むＬＥＤ源である。例えば、光源は、可視スペクトルのうちの一部に発光するように構成される1つ以上の可視光ＬＥＤを含むことができる。
本発明の実施可能な好適な実施形態において、光源は、付加的または代替的に、紫外線スペクトルにおいて、例えば一部の波長が約１０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲で発光するように構成することができる。好適なケースにおいて、光源は、１つ以上のＬＥＤを含むＬＥＤ源である。例えば、光源は、紫外線スペクトルの一部において発光するように構成される1つ以上のＵＶ ＬＥＤを含むことができる。
ＵＶ源の利点は、シンチレータにおいて応答を生成することにより、シンチレータの輝度のインタロゲーションおよび光検出器のゲイン変更を可能にする点にある。
従って、本発明の第１の態様における好適な実施形態において、この方法は、更に、
紫外線スペクトルにおいて光を含む光パルスを周期的に生成するステップと、
連続する複数のそのような光パルスからの少なくともいくつかのＵＶライトをシンチレータの受光部上に衝突させるステップと、
可視スペクトルにおいてシンチレータに光子放出を誘発するステップと、
シンチレータの電気的応答を測定するステップと、
シンチレータの電気的応答を処理して、シンチレータの応答特有の少なくとも第２データアイテムを取得するステップと、
少なくとも第２データアイテムを所定の基準応答と比較することによって、シンチレータの電気的応答を選択的に検証するステップと、
任意に、付加的または代替的に、少なくとも第２データアイテムの値に応答して部分的に修正された制御信号を光検出器に出力するステップと、
を含む。
紫外線スペクトルにおいて光を含む光パルスを周期的に生成するステップと、
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任意に、付加的または代替的に、少なくとも第２データアイテムの値に応答して部分的に修正された制御信号を光検出器に出力するステップと、
を含む。
好適なケースにおいて、この方法は、光検出器上に衝突する可視光源を使用して、第１データアイテムを取得することによって光検出器のゲイン変化を測定するステップと、シンチレータ上に衝突する別個の紫外線光源を使用して、第２データアイテムを取得することによってシンチレータ輝度を測定するステップと、を含む。例えば、この方法は、可視ＬＥＤ光源およびＵＶ ＬＥＤ源を採用することができる。
可視ＬＥＤおよびＵＶ ＬＥＤの応答がマッチするとき、既知の（計算された）可視ＬＥＤの輝度によって、温度に依存するＵＶ ＬＥＤの光度を補償することができる。ＵＶ ＬＥＤに十分にマッチする可視ＬＥＤは、ＵＶ ＬＥＤを温度安定的な蛍光材料で上塗りすることによって実現することができる。
本明細書においては、本発明の第１の態様の方法における特に好適かつ付加的な改善例としてＵＶ光源の使用について検討したが、特定の用途においては、ＵＶ光源を使用したシンチレータの特徴、および、例えば上述した第２データアイテムの取得は、本発明の第１の態様の光検出器のインタロゲーションに依存しないことが想定される。従って、可能な更なる態様において、シンチレータおよび光検出器を備えるシンチレータ検出器の操作方法を提供する。この方法は、上述したステップを介して特に第２データアイテムを判定するために、独立して実施される、本明細書に記載のシンチレータをインタロゲーションするステップを含む。
即ち、可能な更なる態様において、シンチレータおよび光検出器を備えるシンチレータ検出器の操作方法を提供する。この方法は、
紫外線スペクトルにおける光を含む光パルスを周期的に生成するステップと、
連続する複数のそのような光パルスからの少なくともいくつかのＵＶライトをシンチレータの受光部上に衝突させるステップと、
可視スペクトルにおいてシンチレータに光子放出を誘発するステップと、
シンチレータの電気的応答を測定するステップと、
シンチレータの電気的応答を処理して、シンチレータの応答特有の少なくともデータアイテムを取得するステップと、
少なくとも該データアイテムを所定の基準応答と比較することによって、シンチレータの電気的応答を選択的に検証するステップと、
任意に、付加的または代替的に、少なくとも該データアイテムの値に応答して部分的に修正された制御信号を光検出器に出力するステップと、
を含む。
紫外線スペクトルにおける光を含む光パルスを周期的に生成するステップと、
連続する複数のそのような光パルスからの少なくともいくつかのＵＶライトをシンチレータの受光部上に衝突させるステップと、
可視スペクトルにおいてシンチレータに光子放出を誘発するステップと、
シンチレータの電気的応答を測定するステップと、
シンチレータの電気的応答を処理して、シンチレータの応答特有の少なくともデータアイテムを取得するステップと、
少なくとも該データアイテムを所定の基準応答と比較することによって、シンチレータの電気的応答を選択的に検証するステップと、
任意に、付加的または代替的に、少なくとも該データアイテムの値に応答して部分的に修正された制御信号を光検出器に出力するステップと、
を含む。
シンチレータに測定された電気的応答を生成するためのＵＶライトの任意の光源またはＵＶライトの使用に関連する特徴を、本発明の第１の態様の方法において、または本発明の第１の態様の方法を実施するための任意の特定の実施形態の特徴として本明細書に記載する。当業者においては、類推することにより、それらを本発明の第２の態様における方法の特徴として適用することができることは言うまでもない。
本発明によれば、第３の態様においては、シンチレータと、装置の操作中、例えば電源投入時または使用中において、特定の調節により本発明の第１の態様の前述した方法を実施可能にする光検出器と、を備えるシンチレータ検出器を提供する。
従って、この態様におけるシンチレータ検出器は、最も広い実施形態において、
シンチレータと、
光検出器と、
光検出器の受光部を照明するよう配置されるパルス光源と、
光検出器の電気的応答を測定するための手段と、
光検出器の電気的応答を処理し、パルス高およびパルス高の変動を判定して、そのように判定されたパルス高およびパルス高の変動を数値的に処理して、光検出器の応答特有の少なくとも第１データアイテムを取得する処理モジュールと、
任意に、少なくとも第１データアイテムを所定の基準応答と比較することによって、光検出器の電気的応答を検証するための検証器と、
任意に、付加的または代替的に、少なくとも第１データアイテムの値に応答して部分的に修正された制御信号を光検出器に出力するための制御モジュールと、
を備える。
シンチレータと、
光検出器と、
光検出器の受光部を照明するよう配置されるパルス光源と、
光検出器の電気的応答を測定するための手段と、
光検出器の電気的応答を処理し、パルス高およびパルス高の変動を判定して、そのように判定されたパルス高およびパルス高の変動を数値的に処理して、光検出器の応答特有の少なくとも第１データアイテムを取得する処理モジュールと、
任意に、少なくとも第１データアイテムを所定の基準応答と比較することによって、光検出器の電気的応答を検証するための検証器と、
任意に、付加的または代替的に、少なくとも第１データアイテムの値に応答して部分的に修正された制御信号を光検出器に出力するための制御モジュールと、
を備える。
この態様における本発明の好適な特徴は、第１の態様を類推することによって理解されよう。
特定の実施形態において、シンチレータの受光部を照明するよう配置されるパルスＵＶ光源を提供する。検出器は、更に、
シンチレータの電気的応答を測定するための手段と、
シンチレータの電気的応答を処理し、シンチレータの応答特有の少なくとも第２データアイテムを取得する処理モジュールと、
任意に、第２データアイテムを所定の基準応答と比較することによって、シンチレータの電気応答を検証するための検証器と、
任意に、付加的または代替的に、少なくとも第２データアイテムの値に応答して部分的に修正された制御信号を光検出器に出力するための制御モジュールと、
を備える。
シンチレータの電気的応答を測定するための手段と、
シンチレータの電気的応答を処理し、シンチレータの応答特有の少なくとも第２データアイテムを取得する処理モジュールと、
任意に、第２データアイテムを所定の基準応答と比較することによって、シンチレータの電気応答を検証するための検証器と、
任意に、付加的または代替的に、少なくとも第２データアイテムの値に応答して部分的に修正された制御信号を光検出器に出力するための制御モジュールと、
を備える。
特定の実施形態において、シンチレータ検出器は、ガンマ線検出器として構成される。他の検出器の機能性を付加的に付与することができる。例えば、ガンマ線検出器として構成されたシンチレータ検出器は、熱中性子検出器と組み合わせて提供されてもよい。
特定の実施形態において、シンチレータ検出器は、携帯型検出器、例えば携帯型ガンマ線検出器において使用され、また、本発明に従って、当技術分野における容易な検証／キャリブレーション／制御に適合される。例えば、そのような実施形態において、この態様における本発明のシンチレータ検出器の要素は、例えば可搬式の電池電源装置や可搬式の視覚表示装置等の可搬式操作に好適な付加的な部品によって、および／または好適な付加的な検出器によって、ハウジング内にコンパクトに関連付けて提供される。特定の実施形態において、可搬式検出器は、熱中性子検出器と組み合わせられた、本発明によるガンマ線シンチレータ検出器を含む。
本発明によれば、第４の態様において、シンチレータと、装置の操作中、例えば電源投入時または使用中において、特定の調節により本発明の第２の態様の前述した方法を実施可能にする光検出器と、を備えるシンチレータ検出器を提供する。
従って、この態様におけるシンチレータ検出器は、最も広い実施形態において、
シンチレータと、
光検出器と、
シンチレータの受光部を照明するよう配置されるパルスＵＶ光源と、
シンチレータの電気的応答を測定するための手段と、
シンチレータの電気的応答を処理して、シンチレータの応答特有の少なくとも１つのデータアイテムを取得する処理モジュールと、
任意に、シンチレータの応答データアイテムを所定の基準応答と比較することによって、シンチレータの電気的応答を検証するための検証器と、
任意に、付加的または代替的に、少なくともシンチレータの応答データアイテムの値に応答して部分的に修正された制御信号を光検出器に出力するための制御モジュールと、
を備える。
シンチレータと、
光検出器と、
シンチレータの受光部を照明するよう配置されるパルスＵＶ光源と、
シンチレータの電気的応答を測定するための手段と、
シンチレータの電気的応答を処理して、シンチレータの応答特有の少なくとも１つのデータアイテムを取得する処理モジュールと、
任意に、シンチレータの応答データアイテムを所定の基準応答と比較することによって、シンチレータの電気的応答を検証するための検証器と、
任意に、付加的または代替的に、少なくともシンチレータの応答データアイテムの値に応答して部分的に修正された制御信号を光検出器に出力するための制御モジュールと、
を備える。
この第４の態様における本発明の好適な特徴は、第２の態様を類推することによって理解されよう。更に、シンチレータに測定された電気的応答を生成するためのＵＶライトの任意の光源またはＵＶライトの使用に関連する特徴を、本発明の第１の態様の方法において、または本発明の第３の態様の装置における任意の特定の実施形態の特徴として本明細書に記載する。当業者においては、類推することにより、それらを本発明の第４の態様における装置の特徴として適用することができることは言うまでもない。
次に、本発明を、添付図面を参照して単なる例示によって説明する。
１つのパッケージに高感度のガンマ線シンチレータおよび熱中性子検出器を備える、ガンマ線および熱中性子用の二重機能性を有する可搬式検出器を参照して、本発明の実施例を記載する。この実施形態は、ガンマ線用に２５ｍｍ×２５ｍｍ×２５ｍｍのＣｓＩ（Ｔｌ）シンチレータを使用するガンマ検出器モジュール（１１）と、熱中性子用に２５ｍｍ×１００ｍｍの６ＬｉＦ：ＺｎＳシンチレータを使用する中性子検出器モジュール（２１）と、を使用する。部品は、ハウジング（３１）内にコンパクトに関連付けられている。モジュールは、図１において、ハウジングを部分的に開口した状態で示す。
各シンチレータからの光は、シリコン光電池増倍器（ＳｉＰＭｓ）の配列によって検出される。シンチレータ、ＳｉＰＭｓおよび制御電子機器モジュールの配置における一般的な概略図を図２の分解図にて示す。ＣｓＩ（Ｔｌ）ガンマ検出器のケースにおいて、ＳｉＰＭｓは、ＰＣＢ上に取り付けられ、結晶に取り付けられる。６ＬｉＦ：ＺｎＳ熱中性子シンチレータは、アクリル導光（図示せず）を使用して、光をＳｉＰＭｓに指向する。分解図は、それぞれ、ガンマデジタル基板（１４）およびガンマアナログ基板（１５）を有するガンマシンチレータ（１２）およびＳｉＰＭ（１３）の配置、並びに、中性子デジタル基板（２４）および中性子アナログ基板（２５）を有する中性子シンチレータ（２２）およびＳｉＰＭ（２３）の配置を示す。
図３は、本発明の原理による、図２の結合された検出器において示すような、キャリブレーションのために可視ＬＥＤ源によって修正されたガンマ線検出器配置の実施例を示す。７ｍｍ×２１ｍｍの３つのＳｉＰＭ配置は、両端部に青色発光ダイオードを有することで、本発明の原理に従ってパルス光源を供給する。
この実施形態においては、コンパクトかつ可搬式の結合されたガンマ検出器および中性子検出器を示す。図３の修正例によれば、図２の結合された可搬式検出器において示すようなガンマ線検出器配置は、本発明の原理に従って、パルスＬＥＤ源の使用によって修正される。これは単なる例示である。言うまでもなく、本発明の原理は、検出器のそのような組み合わせまたはそのような結合された可搬式検出器におけるガンマ線検出器の修正に限定されるものではない。
図４は、本発明の原理に従って、キャリブレーションのために青色発光ダイオードを具現するシステム用の制御電子機器の簡素な概略図を示す。単一の青色発光ダイオードを示す。制御電子機器は、一般的に上述したように、かつ以下に記載した原理に従って、ＬＥＤにより、ＳｉＰＭ検出器の受光部上に衝突する、連続する複数の周期的な光パルスを生成し、モジュールにより光検出器の電気的応答を測定かつ処理するためのＬＥＤパルサーモジュールを含むＡＳＩＣを備える。
図５は、本発明の原理に従って、更に、ＵＶ ＬＥＤを具現するシステム用の制御電子機器の簡素な概略図を示す。ＡＳＩＣは、更なるＬＥＤパルサーモジュールを含むことにより、ＵＶ ＬＥＤは、シンチレータの受光部上に衝突する連続的な複数の周期的なＵＶパルスを生成する。
図６は、測定された応答を所定の基準応答と比較することによって、基準ライブラリを使用して光検出器および／またはシンチレータの電気的応答を検証する、データ処理およびフィードバックロジックにおける好適な配置の簡素な概略図を示す。
上述したように、正確な検出器のキャリブレーションおよび利得安定化は、シンチレーション検出器の操作効率において重要な要素である。全てのシンチレーション検出器におけるゲインまたは応答は、変動度（またはドリフト）を示す。
図７および図８は、問題におけるいくつかの根本的な原因を示す、製造者が発行したデータから引用した、各ケースにおける既知のシステムにおけるデータを示す。図７は、実施形態において使用されるＣｓＩ（Ｔｌ）シンチレータを含む典型的な既知の無機シンチレータ（Ｈａｒｓｈｗａ／ＱＳシンチレーション検出器カタログ−Ｓａｉｎｔ Ｇｏｂａｉｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，１９９２）におけるシンチレーション収率の温度依存性を示す。図２は、ＳｅｎｓＬ‘ｓ ＦＣシリーズのＳｉＰＭｓにおけるゲインの温度依存性を示す。
上述したように、キャリブレーションのために光源として自然放射能バックグラウンドを使用することは既知である。しかしながら、この方法は、レートの変動性および他のバックグラウンドソースの潜在的存在により自動化は困難である。図７は、ＮａＩ（Ｔｌ）検出器のための典型的なバックグラウンドトレースを示す（非特許文献１）。（２３２Ｔｈシリーズにおける）４０Ｋの１４６０ＫｅＶおよび２０８Ｔｌの２６１０ＫｅＶ特有のピークが明白である。
上述したように、代替的なアプローチとして、安定パルスＬＥＤ光源を採用して、検出器内に繰り返し可能な信号を生成することができる。しかしながら、この方法は、２つの問題点を有する。即ち、第１に、光パルスにより光検出器を、続いて信号処理段階を特徴付ける一方で、光出力における変動をシンチレーション水晶から明らかにせず、これは図７に示すように、標準的なアルカリハライドシンチレータにおいては、−２０〜＋５０℃の温度範囲に亘り２０％にまでなり得る点が挙げられる。第２に、使用される光源（典型的にはＬＥＤ）は、それ自体が温度変動しやすい点が挙げられる。図１０は、ＬＥＤの温度についての相対的な強度シフトの実施例である（２５℃で適正化，Ａｖａｇｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）。図１１は、ＬＥＤの温度についてのスペクトルシフトの実施例である（色度ズレｄｕｖ＜０．００５，Ａｖａｇｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）。
本発明は、先行技術におけるパルス駆動ＬＥＤ源の方法およびシステムに関連する問題のうちのいくつかを軽減することで、より効率的なキャリブレーション、および、特に図１および図２に示すようなガンマ線シンチレータ放射線検出器の利得安定化に資することを試みるものである。従って、（図３〜図５を代表する実施例において示すような）例えば可視ＬＥＤ光源等のＬＥＤ光源は、ハウジング内に組み込まれ、例えば電源投入時または使用中に、ガンマ線シンチレータおよび関連するＳｉＰＭにパルス照明を供給するように配置される。
従って、この方法は、光検出器を照明するための安定パルスＬＥＤの使用における一般的な既知の原理および光検出器のパルス照射に対する応答の数値的処理を含む。この方法の最も重要な特徴は、パルスＬＥＤによって励起される平均チャネルを測定するだけでなく、パルス高（またはレゾリューション）の変動を測定するステップを含む点にある。これにより、以下の方程式を使用して捕捉される光子の数量を計算することができる。これにより、キャリブレーションからＬＥＤ変動性を大幅に取り除くことができる。
検出器のレゾリューションが、半値全幅（ＦＷＨＭ）またはピークエネルギーＥによって分割される△Ｅとして定義される場合、異なるノイズ源の全体的なレゾリューションＲに対する貢献は、以下のように表すことができる。
ここで、Rinhは、結晶における固有のレゾリューションであり（これに第１近似が固定されており）、RDNは、光検出器におけるダークノイズによって供給される（一方で、これは、温度に比例し、容易に特徴付けられ、最新世代のＳｉＰＭは、通常の操作温度にて比較的小さな要因となる）。これにより、用語Rpが主要な変数となり、これは、光検出器における光収集統計によるものであり、以下のように計算することができる。
ここで、Var(M)は、光検出器のゲイン変動であり、NPは、収集された光の数量である。ΔEおよびEから、キャリブレーション中に捕捉された光の数量を計算することができる。
ここで、Rinhは、結晶における固有のレゾリューションであり（これに第１近似が固定されており）、RDNは、光検出器におけるダークノイズによって供給される（一方で、これは、温度に比例し、容易に特徴付けられ、最新世代のＳｉＰＭは、通常の操作温度にて比較的小さな要因となる）。これにより、用語Rpが主要な変数となり、これは、光検出器における光収集統計によるものであり、以下のように計算することができる。
ここで、Var(M)は、光検出器のゲイン変動であり、NPは、収集された光の数量である。ΔEおよびEから、キャリブレーション中に捕捉された光の数量を計算することができる。
（例えば電源投入時に）光検出器内に入射されるＬＥＤパルスのバーストは、光子感度を検証し、ＬＥＤの光度に対して比較的感受性のないよう製造することができる。
パルスＬＥＤシステムに基づく確立された方法からの既知の技術に基づいて、ＬＥＤにおける温度ドリフトを更に補償することによって、限定的な要因を更に軽減させるために、多数の更なる技術を採用することができる。
これらは、例えば、直接的な温度補償を含み、ここで、ＬＥＤにおける温度を、好適な温度測定装置（図示せず）を使用して監視し、強度における変動を補償するのに使用し、また、２つ以上のバイアス電圧を有するＬＥＤからのパルス高の比率を使用する。
図５における概略的な実施例によって示すような更なる改善例においては、可視ＬＥＤ光源に加えて、ＵＶ ＬＥＤ光源をハウジング内に組み込み、ガンマ線シンチレータにパルス照明を供給するように配置することができる。シンチレータに直接的に発光を励起することによって、これにより、シンチレータを含むシステム全体を特徴付けることができる。ＵＶ ＬＥＤの使用により、更に、クラッディング（cladding）や光結合等を含むシンチレータ結晶と光収集路との完全性を検証することができる。
従って、この好適な実施形態は、
（可視ＬＥＤのための）パルス高における変動を使用して、検出される光子の数量を判定することにより、システムをＬＥＤの輝度から比較的独立させるステップと、
ＵＶ ＬＥＤを使用して、シンチレータの輝度および光検出器のゲイン変化を照合するステップと、
２つのＬＥＤ（可視およびＵＶ）を採用して、コンパクトな可搬式装置において、上述した両者の利益を結合するステップと、
結合する。
（可視ＬＥＤのための）パルス高における変動を使用して、検出される光子の数量を判定することにより、システムをＬＥＤの輝度から比較的独立させるステップと、
ＵＶ ＬＥＤを使用して、シンチレータの輝度および光検出器のゲイン変化を照合するステップと、
２つのＬＥＤ（可視およびＵＶ）を採用して、コンパクトな可搬式装置において、上述した両者の利益を結合するステップと、
結合する。
Claims (22)
- シンチレータおよび光検出器を備えるシンチレータ検出器の操作方法であって、
可視スペクトルにおいて発光するよう構成される光源を提供するステップと、
光パルスを周期的に生成するステップと、
連続する複数のそのような光パルスからの少なくともいくつかの光を前記光検出器の受光部上に衝突させるステップと、
前記光検出器の電気的応答を測定するステップと、
前記光検出器の電気的応答を処理して、パルス高およびパルス高の変動を判定するステップと、
そのように判定された前記パルス高およびパルス高の変動を数値的に処理して、前記光検出器の応答に特有な少なくとも第１データアイテムを取得するステップと、
紫外線スペクトルにおいて発光するよう構成される更なる光源を提供するステップと、
紫外線スペクトルにおいて光を含む光パルスを周期的に生成するステップと、
連続する複数のそのような光パルスからの少なくともいくつかのＵＶライトを前記シンチレータの受光部上に衝突させるステップと、
前記シンチレータの電気的応答を測定するステップと、
前記シンチレータの電気的応答を処理して、前記シンチレータの応答に特有な少なくとも第２データアイテムを取得するステップと、
前記少なくとも第２データアイテムを所定の基準応答と比較することによって、前記シンチレータの電気的応答を選択的に検証するステップと、
任意に、付加的または代替的に、前記少なくとも第２データアイテムの値に応答して部分的に修正された制御信号を前記光検出器に出力するステップと、
を含み、
前記第１データアイテムは前記光検出器のゲイン変化に関する情報を含み、前記第２データアイテムは、前記シンチレータの輝度に関する情報を含む、方法。 - 請求項１に記載の方法であって、前記第１データアイテムと前記第２データアイテムとの少なくとも１つを所定の基準応答と比較することによって、前記光検出器の電気的応答を検証する更なるステップを含む、方法。
- 請求項１または２に記載の方法であって、前記第１データアイテムと前記第２データアイテムとの少なくとも１つの値に応答して部分的に修正された制御信号を前記光検出器に出力する更なるステップを含む、方法。
- 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法であって、そのように判定された前記パルス高およびパルス高の変動を数値的に処理して、前記光検出器の応答に特有な少なくとも第１データアイテムを取得するステップは、前記光検出器にて検出された光子の合計数量に相互関連する第１データアイテムを生成するステップを含む、方法。
- 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法であって、各光源は、1つ以上のＬＥＤを含む発光ダイオード（ＬＥＤ）源である、方法。
- 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法であって、前記シンチレータは、ガンマ線シンチレータを含む、方法。
- 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法であって、前記シンチレータは、ソリッドステート・シンチレータを含む、方法。
- 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法であって、前記シンチレータは、任意に活性剤がドープされたハロゲン化アルカリ金属シンチレータを含む、方法。
- 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法であって、前記光検出器は、光電子増倍器を含む、方法。
- 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の方法であって、前記光検出器は、シリコン光電子増倍器を含む、方法。
- 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の方法であって、更に、前記光源の温度を測定し、前記光検出器の測定された応答に、光源の光出力における、温度についての既知の変動を補正する補正係数を、例えば動的にパルスごとに適用する光源温度補償ステップを含む、方法。
- 請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の方法であって、更に、前記光検出器の温度を測定し、測定された前記光検出器の応答に、前記光検出器の応答における、温度についての既知の変動を補正する補正係数を、例えば動的にパルスごとに適用する光検出器温度補償ステップを含む、方法。
- 請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の方法であって、前記光検出器上に衝突する可視光源を使用して、前記第１データアイテムを取得することによって光検出器のゲイン変化を測定するステップと、前記シンチレータ上に衝突する別個の紫外線光源を使用して、前記第２データアイテムを取得することによってシンチレータ輝度を測定するステップと、を含む、方法。
- 請求項１３に記載の方法であって、可視ＬＥＤ光源およびＵＶ ＬＥＤ源を採用する、方法。
- 請求項１４に記載の方法であって、前記可視ＬＥＤ光源は、第１ＬＥＤ源と同等の第２ＵＶ ＬＥＤ源を含むが、当該第２ＵＶ ＬＥＤ源は温度安定的な蛍光材料で上塗りされ、前記可視スペクトルにおいて発光する、方法。
- シンチレータ検出器であって、
シンチレータと、
光検出器と、
前記光検出器の受光部を照明するよう配置される第１のパルス光源であって、可視スペクトルにおいて発光するよう構成される第１のパルス光源と、
前記シンチレータの受光部を照明するよう配置される、パルスＵＶ光源の第２のパルス光源と、
前記光検出器の電気的応答を測定するための手段と、
前記シンチレータの電気的応答を測定するための手段と、
前記光検出器又は前記シンチレータの電気的応答を処理し、パルス高およびパルス高の変動を判定して、そのように判定されたパルス高およびパルス高の変動を数値的に処理して、前記第１のパルス光源に対する前記光検出器の応答に特有な少なくとも第１データアイテムを取得し、前記第２のパルス光源に対する前記シンチレータの応答に特有な少なくとも第２データアイテムを取得する処理モジュールと、
任意に、前記少なくとも第１データアイテム又は前記第２データアイテムを所定の基準応答と比較することによって、前記光検出器又は前記シンチレータの電気的応答を検証するための検証器と、
任意に、付加的または代替的に、前記少なくとも第１データアイテム又は前記第２データアイテムの値に応答して部分的に修正された制御信号を前記光検出器に出力するための制御モジュールと、
を備え、
前記第１データアイテムは前記光検出器のゲイン変化に関する情報を含み、前記第２データアイテムは、前記シンチレータの輝度に関する情報を含む、シンチレータ検出器。 - 請求項１６に記載のシンチレータ検出器であって、各光源は、１つ以上のＬＥＤを含む発光ダイオード（ＬＥＤ）源である、シンチレータ検出器。
- 請求項１６または１７に記載のシンチレータ検出器であって、前記シンチレータは、ガンマ線シンチレータを含む、シンチレータ検出器。
- 請求項１６乃至１８のいずれか一項に記載のシンチレータ検出器であって、前記シンチレータは、ソリッドステート・シンチレータを含む、シンチレータ検出器。
- 請求項１６乃至１９のいずれか一項に記載のシンチレータ検出器であって、前記シンチレータは、任意に活性剤がドープされたハロゲン化アルカリ金属シンチレータを含む、シンチレータ検出器。
- 請求項１６乃至２０のいずれか一項に記載のシンチレータ検出器であって、前記光検出器は、光電子増倍器を含む、シンチレータ検出器。
- 請求項２１に記載のシンチレータ検出器であって、前記光検出器は、シリコン光電子増倍器を含む、シンチレータ検出器。
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