JP7169906B2 - 放射線計測装置、放射線計測システムおよび放射線計測方法 - Google Patents
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Description
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構成でα線を検知できる放射線計測装置、放射線計測システムおよび放射線計測方法を提供することを目的とする。
〈第1実施形態の構成〉
(全体構成)
図1は、本発明の第1実施形態による放射線計測装置100のブロック図である。図示のように、放射線計測装置100は、放射線センサ101と、電圧源102と、印加電圧制御装置121と、α線検知部171と、を備えている。そして、α線検知部171は、信号処理装置103と、信号メモリ104と、時定数解析装置105と、時定数データベース106と、α線検知判定装置107と、を備えている。
放射線センサ101に適用される検知方式としては、例えば半導体方式やガス方式が考えられる。本実施形態においては、半導体方式の放射線センサ101が適用される。半導体方式を採用する場合には、放射線センサ101を構成する半導体素子として、シリコン、シリコンカーバイド、ダイヤモンド、CdTe、CdZnTe、GaN等の材料を適用することができる。放射線センサ101は、適用する半導体素子に対して電極を設け、電圧源102によって測定用電圧を印加すると、半導体素子に空乏層が発生する。空乏層に放射線110が入射して相互作用が起こると、相互作用エネルギーに比例した数の正孔-電子対が生成される。正孔-電子対が空乏層の中に生成されると、印加されている測定用電圧によって正孔と電子とが逆方向に移動し、これによって電荷が誘起されて放射線センサ101から電気パルスが出力される。
図2は、電圧源102が出力する測定用電圧Vbの波形図の一例である。図示の例において、測定用電圧Vbのデューティ比は一定であり、測定用電圧Vbは、オン期間Tonと、オフ期間Toffとを交互に繰り返す。測定用電圧Vbは矩形波状に変化する電圧である。時刻t10,t30,t50等がオンタイミングであり、ここで測定用電圧Vbは所定レベルVb1(所定状態)に立ち上がる。また、時刻t20,t40等がオフタイミングであり、ここで測定用電圧Vbは「0」に立ち下がる。印加電圧制御装置121(図1参照)は、このような測定用電圧Vbの指令値を電圧源102に出力する。ここで、オン期間Tonが、放射線センサ101における測定期間になる。
図3は、オン期間Tonにおいて放射線センサ101から出力されるパルス電圧Vpの波形図の例である。図3において縦軸はパルス電圧Vpの電圧瞬時値であり、横軸は時刻である。
パルス電圧Vpは、直流レベルであるベース電圧Vp0に電気パルス群111が重畳した波形を有している。図1において放射線センサ101に放射線110が入射し相互作用を起こすと、ベース電圧Vp0に電気パルス群111が重畳する。
図4は、放射線110がα線であった場合における計数値の時刻変化の一例を示す図である。
図4に示した計数値の時刻変化は、信号処理装置103によって検知され信号メモリ104に記憶されたものである。図示の例は、Am-241由来α線照射によって得られた実験結果であり、横軸を時刻、縦軸を単位時間あたりの計数値としている。また、この例において、計数値は、信号処理装置103で10ミリ秒毎にカウントされた値であり、測定用電圧Vb(図2参照)の周期は60秒である。図4における0秒~10秒の期間は、図2に示したオフ期間Toffであり、この期間内の計数値は0である。そして、10秒~60秒の期間はオン期間Tonである。このオン期間Tonにおいて、計数値は指数関数状に減少していることが解る。
図5は、放射線110がγ線であった場合における計数値の時刻変化の一例を示す図である。
図示のデータは、Co-60由来のγ線照射によって得られた実験結果である。ここでは横軸を時刻、縦軸を単位時間あたりの計数値としてγ線照射時の計数値を示した。これらのデータも図4と同様に、信号処理装置103で処理された検知時間と計数値から構成され、信号メモリ104で記録されたものである。上述のように、α線の飛程は非常に短いため、α線を検知する放射線センサ101は一般的に薄い層で形成される。そのため、β線およびγ線は放射線センサ101を透過しやすい構造となる。この構造の影響によって、α線照射と比較してβ線およびγ線照射時には放射線センサ101の半導体内部の電界の変化が小さくなる。なお、γ線を照射した場合においても、ある時定数で計数値は低下するが、α線(図4参照)の場合と比較して、時定数が非常に小さくなる。
図6は、本実施形態において実行される線種弁別処理のフローチャートである。
まず、ステップS1001においては、作業者によって、測定ポイントに放射線センサ101が配置される。次に、ステップS1002においては、作業者が所定の操作を行うと、印加電圧制御装置121の制御の下、電圧源102によって放射線センサ101に測定用電圧Vb(図2参照)が印加される。次に、ステップS1003においては、信号処理装置103は、電気パルス115(図3参照)の発生タイミング112を検知し、所定時間毎の計数値をカウントする。次に、処理がステップS1004に進むと、信号メモリ104は、電気パルス115の発生タイミング112と、所定時間毎の計数値と、を記憶する。
以上のように本実施形態の放射線計測装置(100)は、放射線(110)を検知するとともにα線の入射時間に応じてα線の検知感度が変化する放射線センサ(101)と、放射線センサ(101)からの出力信号(115)の経時的な変化に基づいて放射線(110)に含まれるα線を検知するα線検知部(171)と、を備える。
これにより、α線とバックグラウンドであるβ線やγ線を弁別することができ、高精度なα線測定を簡易な構成で実現することができる。さらに、その測定結果に基づく高度な分析や監視を実現することができる。
このように、計数値の計測時定数(τ)と、下限値(a)および上限値(b)との比較によって、α線を検知したか否かを簡単に判定することができる。
これにより、放射性核種(109)の種類を簡易に推定できる。
これにより、電圧(Vb)が所定状態(Vb1)になる状態を断続的に作り出すことができ、計測時定数(τ)を繰り返し測定でき、測定結果の信頼性を向上させることができる。
〈第2実施形態の構成〉
次に、本発明の第2実施形態について説明する。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図7は、第2実施形態による放射線計測装置200のブロック図である。放射線計測装置200は、放射線センサ101と、電圧源102と、印加電圧制御装置121と、α線検知部172と、を備えている。
図示の計数値は、Am-241由来のα線と、Co-60由来のγ線とが混在する放射線110が放射線センサ101に照射された際に、信号処理装置103において得られたものである。計数値差分処理装置122(図7参照)は、図8における時間範囲に、関心領域127a(第1の関心領域)および関心領域127b(第2の関心領域)を設定する。ここで、関心領域127aは、α線による計数値が主となる領域であり、関心領域127bは、BG放射線による計数値が主となる領域である。
図9は、本実施形態において実行される線種弁別処理のフローチャートである。
図9においてステップS1101~S1106においては、第1実施形態(図6参照)におけるステップS1001~S1006と同様の処理が実行される。すなわち、ステップS1106において、時定数解析装置105(図7参照)は、測定用電圧Vbを印加した直後の計測時定数τを算出する。
以上のように本実施形態によれば、α線検知部(172)は、電圧(Vb)が所定状態(Vb1)になった期間内のうち第1の関心領域(127a)における計数値(Na)と第2の関心領域(127b)における計数値(Nb)との差分値(N)を求める計数値差分処理装置(122)をさらに備え、α線検知判定装置(123)は、差分値(N)と所定の差分値閾値(c)との比較によってα線が検知できたか否かを判定する。
このように、差分値(N)と差分値閾値(c)とを比較することにより、α線が検知できたか否かを一層適切に判定することができ、測定精度を向上することができる。
〈第3実施形態の構成〉
次に、本発明の第3実施形態について説明する。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図10は、第3実施形態による放射線計測装置300のブロック図である。放射線計測装置300は、放射線センサ101と、電圧源102と、印加電圧制御装置121と、α線検知部173と、を備えている。そして、α線検知部173は、信号処理装置103と、信号メモリ104と、時定数解析装置105と、時定数データベース106と、BG補正曲線算出装置128(補正曲線算出装置)と、計数値差分処理装置129と、α線検知判定装置130と、を備えている。
BG補正曲線算出装置128(図10参照)は、図11における時間範囲に、BG補正曲線用関心領域134(第1の関心領域)を設定する。ここで、BG補正曲線用関心領域134は、BG放射線による計数値が主となる領域である。
図12は、本実施形態において実行される線種弁別処理のフローチャートである。
図12においてステップS1201~S1206においては、第1実施形態(図6参照)におけるステップS1001~S1006と同様の処理が実行される。すなわち、ステップS1206において、時定数解析装置105(図10参照)は、測定用電圧Vbを印加した直後の計測時定数τを算出する。
以上のように本実施形態によれば、α線検知部(173)は、電圧(Vb)が所定状態(Vb1)になった期間内のうち第1の関心領域(134)における計数値に基づいて補正曲線(135)を求める補正曲線算出装置(128)と、電圧(Vb)が所定状態(Vb1)になった期間内のうち第2の関心領域(136)における計数値(Na)と、補正曲線(135)に基づく計数値(Ng)との差分値(N)を求める計数値差分処理装置(129)と、をさらに備え、α線検知判定装置(130)は、差分値(N)と所定の差分値閾値(c)との比較によってα線が検知できたか否かを判定する。
このように、差分値(N)と差分値閾値(c)とを比較することにより、α線が検知できたか否かを一層適切に判定することができ、測定精度を向上することができる。
次に、本発明の第4実施形態について説明する。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図13は、第4実施形態による放射線計測装置400のブロック図である。放射線計測装置400は、放射線センサ101と、両極性対応電圧源137(電圧源)と、印加電圧制御装置138と、α線検知部174と、を備えている。また、α線検知部174は、両極性対応信号処理装置139(信号処理装置)と、信号メモリ104と、時定数解析装置105と、時定数データベース106と、α線検知判定装置107と、を備えている。
図示の例において、測定用電圧Vbのデューティ比は一定であり、測定用電圧Vbが+Vb2になるプラス期間TPと、測定用電圧Vbが-Vb2になるマイナス期間TMとを交互に繰り返す。図示の例では、プラス期間TPおよびマイナス期間TMの長さは同一である。
パルス電圧Vpは、複数の電気パルス143(出力信号)を含んでいる。図14に示したように、測定用電圧Vbの極性が周期的に切り替わることにより、電気パルス143の極性も測定用電圧Vbに応じて切り替わる。すなわち、プラス期間TPにおける電気パルス143の極性はプラスであり、マイナス期間TMにおける電気パルス143の極性はマイナスである。
このように、電圧(Vb)の極性を切り替えながらα線計測を実行できるため、α線測定時間を短縮することができる。
次に、本発明の第5実施形態について説明する。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図示の例において、測定用電圧Vbは振幅値がVb3である正弦波状に変化する。測定用電圧Vbの周波数に関して特に制限はないが、実験結果を考慮すると0.05Hz以下とすることが好ましい。交流電圧源144は、この測定用電圧Vbを放射線センサ101に印加する。
交流電圧制御装置145は、測定用電圧Vbの指令値を交流電圧源144に出力する。
パルス電圧Vpは、複数の電気パルス149を含んでいる。図17に示したように、測定用電圧Vbのレベルが正弦波状に変化することにより、電気パルス149の極性も測定用電圧Vbの極性に応じて切り替わる。すなわち、プラス期間TPにおける電気パルス149の極性はプラスであり、マイナス期間TMにおける電気パルス149の極性はマイナスである。交流電源対応信号処理装置146は、このように極性が切り替わる電気パルス149に対応して各々の電気パルス149の発生タイミングを検知し、所定時間(例えば10ミリ秒)毎の計数値をカウントする。より詳細には、交流電源対応信号処理装置146は、交流電圧制御装置145における測定用電圧Vbの指令値の極性に基づいて、検知する電気パルス149の極性を判定する。
次に、本発明の第6実施形態について説明する。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図19は、第6実施形態による放射線計測装置600のブロック図である。放射線計測装置600は、放射線センサ101と、電圧源102と、印加電圧制御装置121と、α線検知部176と、を備えている。また、α線検知部176は、時定数解析装置105と、時定数データベース106と、信号処理装置151と、信号メモリ152と、α線検知判定装置153と、を備えている。
図20は、2次元領域であるα線検知領域159(α線検知条件)の具体例を示す図である。図示の例では、時定数が大きく、波高値が高い電気パルス115をα線起因の電気パルス115と判定するように、α線検知領域159を設定している。
次に、本発明の第7実施形態について説明する。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図21は、第7実施形態による放射線計測システム700のブロック図である。放射線計測システム700は、第1実施形態による放射線計測装置100(図1参照)を複数備えている。さらに、放射線計測システム700は、統合制御装置160と統合表示装置161とを備えている。
次に、本発明の第8実施形態について説明する。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図22は、第8実施形態による放射線計測システム800のブロック図である。放射線計測システム800は、第1実施形態のもの(図1参照)と同様の放射線計測装置100と、移動機構162と、移動機構制御装置163と、移動機構連動型統合制御装置164(表示装置)と、を備えている。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、もしくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。
101 放射線センサ
102 電圧源
103 信号処理装置
104 信号メモリ
105 時定数解析装置
106 時定数データベース
107 α線検知判定装置
109 放射性核種
110 放射線
112 発生タイミング
113 波高値
115 電気パルス(出力信号)
121 印加電圧制御装置
122 計数値差分処理装置
123 α線検知判定装置
127a 関心領域(第1の関心領域)
127b 関心領域(第2の関心領域)
128 BG補正曲線算出装置(補正曲線算出装置)
129 計数値差分処理装置
130 α線検知判定装置
134 BG補正曲線用関心領域(第1の関心領域)
135 BG補正曲線(補正曲線)
136 関心領域(第2の関心領域)
137 両極性対応電圧源(電圧源)
138 印加電圧制御装置
139 両極性対応信号処理装置(信号処理装置)
143 電気パルス(出力信号)
144 交流電圧源(電圧源)
151 信号処理装置
152 信号メモリ
153 α線検知判定装置
159 α線検知領域(α線検知条件)
160 統合制御装置
161 統合表示装置
162 移動機構
163 移動機構制御装置
164 移動機構連動型統合制御装置(表示装置)
171~176 α線検知部
200~600 放射線計測装置
700,800 放射線計測システム
τ 計測時定数
τs1~τsn 既知時定数
N 差分値
Na,Nb,Ng 計数値
Vb 測定用電圧(電圧)
Vb1 所定レベル(所定状態)
a 下限値
b 上限値
c 差分値閾値
Claims (11)
- 放射線を検知するとともにα線の入射時間に応じてα線の検知感度が変化する放射線センサと、
前記放射線センサからの出力信号の経時的な変化に基づいて前記放射線に含まれるα線を検知するα線検知部と、
前記放射線センサに電圧を供給する電圧源と、を備え、
前記α線検知部は、
前記出力信号の発生タイミングおよび計数値を解析する信号処理装置と、
前記発生タイミングおよび前記計数値を記憶する信号メモリと、
前記計数値の時定数である計測時定数を求める時定数解析装置と、
前記計測時定数が所定の下限値から所定の上限値までの範囲であるときにα線を検知したものと判定するα線検知判定装置と、を備える
ことを特徴とする放射線計測装置。 - 前記α線検知部は、複数の放射性核種の各々についての時定数である既知時定数を記憶する時定数データベースをさらに備え、
前記α線検知判定装置は、前記計測時定数と前記既知時定数との比較結果に基づいて、放射性核種を推定する
ことを特徴とする請求項1に記載の放射線計測装置。 - 前記電圧が断続的に所定状態になるように前記電圧源を制御する印加電圧制御装置をさらに備え、
前記時定数解析装置は、前記電圧源が前記所定状態になった期間内の前記出力信号に基づいて、前記計測時定数を求める
ことを特徴とする請求項2に記載の放射線計測装置。 - 前記α線検知部は、前記電圧が前記所定状態になった期間内のうち第1の関心領域における計数値と第2の関心領域における計数値との差分値を求める計数値差分処理装置をさらに備え、
前記α線検知判定装置は、前記差分値と所定の差分値閾値との比較によってα線が検知できたか否かを判定する
ことを特徴とする請求項3に記載の放射線計測装置。 - 前記α線検知部は、
前記電圧が前記所定状態になった期間内のうち第1の関心領域における計数値に基づいて補正曲線を求める補正曲線算出装置と、
前記電圧が前記所定状態になった期間内のうち第2の関心領域における計数値と、前記補正曲線に基づく計数値との差分値を求める計数値差分処理装置と、
をさらに備え、
前記α線検知判定装置は、前記差分値と所定の差分値閾値との比較によってα線が検知できたか否かを判定する
ことを特徴とする請求項3に記載の放射線計測装置。 - 前記電圧源は、前記放射線センサに対してプラス極性およびマイナス極性の前記電圧を交互に印加する両極性電圧源であり、
前記信号処理装置は、前記電圧がプラス極性またはマイナス極性である期間内に前記出力信号の発生タイミングおよび計数値を解析するものである
ことを特徴とする請求項1に記載の放射線計測装置。 - 前記電圧源は、前記放射線センサに対して交流電圧である前記電圧を印加する交流電源である
ことを特徴とする請求項1に記載の放射線計測装置。 - 放射線を検知するとともにα線の入射時間に応じてα線の検知感度が変化する放射線センサと、
前記放射線センサからの出力信号の経時的な変化に基づいて前記放射線に含まれるα線を検知するα線検知部と、
前記放射線センサに電圧を供給する電圧源と、を備え、
前記α線検知部は、
前記出力信号の発生タイミング、計数値および波高値を解析する信号処理装置と、
前記発生タイミング、前記計数値および前記波高値を記憶する信号メモリと、
前記計数値の時定数である計測時定数を求める時定数解析装置と、
前記計測時定数および前記波高値が所定のα線検知条件を満たす場合にα線を検知したものと判定するα線検知判定装置と、を備える
ことを特徴とする放射線計測装置。 - 複数の請求項1または8に記載の放射線計測装置と、
複数の前記放射線計測装置を制御してα線検知を実行させる統合制御装置と、
前記統合制御装置による制御状態と、複数の前記放射線計測装置における前記出力信号に基づいてα線の分布状態を表示する統合表示装置と、を備える
ことを特徴とする放射線計測システム。 - 請求項1または8に記載の放射線計測装置と、
前記放射線センサを搭載する移動機構と、
前記移動機構を制御する移動機構制御装置と、
前記移動機構に対する制御情報を表示する表示装置と、を備える
ことを特徴とする放射線計測システム。 - 放射線を検知するとともにα線の入射時間に応じてα線の検知感度が変化する放射線センサに対して、放射線を照射する過程と、
前記放射線センサからの出力信号の経時的な変化に基づいて前記放射線に含まれるα線を検知する過程と、
前記放射線センサに電圧を供給する過程と、を有し、
前記α線を検知する過程は、
前記出力信号の発生タイミングおよび計数値を解析するステップと、
前記発生タイミングおよび前記計数値を記憶するステップと、
前記計数値の時定数である計測時定数を求めるステップと、
前記計測時定数が所定の下限値から所定の上限値までの範囲であるときにα線を検知したものと判定するステップと、を有する
ことを特徴とする放射線計測方法。
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