JP7340476B2 - 放射線計測装置および放射線計測方法 - Google Patents
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Description
本発明のその他の態様については、後記する実施形態において説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る放射線計測装置の構成を示す図である。本実施形態の放射線計測装置および放射線計測方法は、被検査体の内部の状態を内部方向に対して、高い分解能で把握する非破壊検査装置および放射線計測方法に適用した例である。
[放射線計測装置100]
放射線計測装置100は、単色光子源101と、放射線検出器102と、エネルギー計測装置103と、深さ演算装置104と、表示装置105(出力装置)と、を備える。
単色光子源101は、単色もしくは準単色のエネルギーの単色光子107を、任意の照射方向に対して照射する。
単色光子源101は、単色光子(monochromatic photon)または準単色光子(quasi-monochromatic photon)の照射方向を制御する。単色光子は、例えば放射性同位体を用いて得られる(後記)。また、準単色光子は、加速陽電子を使って得られる(後記)。
なお、以下の説明において、説明の便宜上、単色光子または準単色光子を総称して単色光子と表記する。
放射線検出器102は、被検査体106でコンプトン散乱した散乱光子108を検出する。
放射線検出器102は、光子有感材として、Ge半導体、CdTe半導体、CdZnTe半導体、Si半導体、Perovskite構造を有するCsPbCl3,CsPbBr3,LiTaO3等の半導体検出器を備える。または、放射線検出器102は、LaBr3シンチレータ(scintillator)、CsBr3シンチレータ、LYSOシンチレータ、LSOシンチレータ、GAGGシンチレータ、CsIシンチレータ、NaIシンチレータ、BGOシンチレータ、GSOシンチレータ、GPSシンチレータ、La-GPSシンチレータ、LuAGシンチレータ、SrIシンチレータ等のシンチレーション検出器を備える。
なお、ここでは光子エネルギーを分析可能な一般的な放射線検出器を挙げたが、エネルギー分析可能な光子有感材を備える放射線検出器であれば、上記半導体検出器またはシンチレーション検出器のうちいずれにも適用可能である。
エネルギー計測装置103は、放射線検出器102から出力した信号を分析し、放射線検出器102における散乱光子108による付与エネルギースペクトルを波高値スペクトルとして算出する。
深さ演算装置104は、単色光子源101と放射線検出器102の相対位置、単色光子源101から放出される光子の照射ベクトル、波高値スペクトルを入力し、相対座標とコンプトン散乱光子のエネルギーと強度から被検査体106の深さ方向のコンプトン散乱光子の強度分布を演算する。
表示装置105は、深さ演算装置104から出力された深さ方向のコンプトン散乱光子の強度分布を表示する。
なお、表示装置105は、出力装置の一例であり、出力は表示には限定されない。すなわち、深さ方向のコンプトン散乱光子の強度分布を出力するものであればよい。例えば、深さ演算装置104の演算結果を出力するプリンタ、無線または有線の通信路を介して演算結果を送信する通信装置、さらには演算結果を蓄積する記憶装置も含まれる。
図2に示すように、単色光子源101は、放射性同位元素109(放射性同位体)と、コリメータ110と、光子シャッタ111と、を備える。
単色光子源101は、レーザ逆コンプトン光子を発するレーザ逆コンプトン散乱光子発生装置である。
なお、本明細書においては、放出エネルギー20keV未満のX線もしくはγ線は、被検査体106の内部の深さ方向のコンプトン散乱光子の強度分布を計測する上で無視できると設定する。
コリメータ110の材質は、光子の遮蔽効率や外寸、重量等に基づいて選定される。例えば、鉛や鉄、ステンレス、タングステン、アルミなどの比較的入手が容易な金属を利用する。図2に示すように、コリメータ110の構造には、被検査体106に対してペンシルビームで照射するためのピンホール型構造や、ファンビーム型構造(図18参照)がある。
<エネルギー計測装置103の出力>
図3は、エネルギー計測装置130の出力を示す図である。横軸に放射線検出器102の出力信号の波高値(付与エネルギー)をとり、縦軸に放射線検出器102の出力信号の計数値(強度)をとる。
まず、エネルギー計測装置103は、放射線検出器102の出力信号の波高値を処理し、波高値スペクトル112として出力する。エネルギー計測装置103は、任意の時間の間、波高値データを蓄積し、波高値スペクトル112を形成する。
このように、深さ演算装置104は、深さ方向のコンプトン散乱光子の強度分布を演算する。
図4に示すように、内部状態が既知である被検査体で取得したコンプトン散乱光子の強度分布113(図4の実線参照)に対して、内部状態が未知である被検査体で取得したコンプトン散乱光子の強度分布114(図4の破線参照)が表わされている。
これらの強度分布の相対値を取得することで、深さ方向における計数値の変化を強調して確認することができる。
図5に示すように、深さ方向のコンプトン散乱光子の強度分布の相対値115において、ある深さで正方向(図5破線に示す参照値Refより正方向)の計数値相対値ピーク116を確認することができる。これは被検査体の内部にコンプトン散乱が発生しやすい要因を備えていることを示唆するものである。コンプトン散乱の断面積(コンプトン断面積)は一般的に原子番号や密度に比例して高くなることが知られている。
このことから、正方向の計数値相対値ピーク116が生じた深さには、内部状態が既知である被検査体に対して原子番号もしくは密度が大きい物質を含むことを示唆することになる。
図6に示すように、深さ方向のコンプトン散乱光子の強度分布の相対値115において、ある深さで負方向(図6破線に示す参照値Refより負方向)の計数値相対値ピーク117を確認することができる。これはある深さにおいて、内部状態が既知である被検査体に対して原子番号もしくは密度が小さい物質を含むことを示唆することになる。
表示装置105は、波高値スペクトル112やコンプトン散乱の散乱角θs、放射線検出器102や単色光子源101の位置座標などの深さ演算装置104の入力条件、深さ演算装置104で実行した演算結果である深さ方向のコンプトン散乱光子の強度分布やその相対値を表示する。
第2の実施形態は、レーザ逆コンプトン光子を利用する放射線計測装置および放射線計測方法の例である。
図7は、本発明の第2の実施形態に係る放射線計測装置の構成を示す図である。図1と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
図7に示すように、放射線計測装置200は、図1の放射線計測装置100の放射線検出器102、深さ演算装置104および表示装置105に加えて、レーザ逆コンプトン散乱光子発生装置118、レーザ逆コンプトン散乱光子発生制御装置119、発生タイミング対応エネルギー計測装置120と、を備えて構成される。
第3の実施形態は、中性子もしくは荷電粒子とターゲット物質との核反応を利用する放射線計測装置および放射線計測方法の例である。
図8は、本発明の第3の実施形態に係る放射線計測装置の構成を示す図である。図1と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
図8に示す放射線計測装置300は、図1の放射線計測装置100の放射線検出器102、深さ演算装置104および表示装置105に加えて、光子発生用ターゲット121と、粒子発生源122と、粒子発生制御装置123と、発生タイミング対応エネルギー計測装置124と、を備えて構成される。
粒子発生源122は、中性子もしくは荷電粒子とターゲット物質との核反応を利用した光子発生装置である。
第4の実施形態は、複数の放射線検出器を線形に備える放射線計測装置および放射線計測方法の例である。
図9は、本発明の第4の実施形態に係る放射線計測装置の構成を示す図である。図1と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
図9に示す放射線計測装置400は、図1の放射線計測装置100の単色光子源101、表示装置105に加えて、線形配置型放射線検出器125と、線形配置対応エネルギー計測装置126と、線形配置対応深さ演算装置127と、を備えて構成される。
線形配置型放射線検出器125は、線形配置された複数の放射線検出器102から構成される。複数の放射線検出器102は、被検査体106の表面106aに対して一方向に線形に配置する。
複数の放射線検出器102は、それぞれの出力信号に対応した線形配置対応エネルギー計測装置126に接続される。線形配置対応エネルギー計測装置126は、各放射線検出器102に対応して線形配置された複数のエネルギー計測装置103から構成される。
第5の実施形態は、複数の放射線検出器を二次元に配置する放射線計測装置および放射線計測方法の例である。
図11は、本発明の第5の実施形態に係る放射線計測装置の構成を示す図である。図1と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
図11に示す放射線計測装置500は、図1の放射線計測装置100の単色光子源101、表示装置105に加えて、二次元配置型放射線検出器128と、二次元配置対応エネルギー計測装置129と、二次元配置対応深さ演算装置130と、を備えて構成される。
図12に示すように、二次元配置型放射線検出器128は、複数の放射線検出器102から構成される。複数の放射線検出器102は、被検査体106の表面に対して二次元に配置(アレイ配置)する。なお、図12に示す放射線検出器102のアレイ配置は、一例であり、二次元配置であれはどのような配置でもよい。また、被検査体106の表面が曲面であれば、放射線検出器102の二次元配置も当該被検査体106の表面の曲面に合わせた湾曲配置としてもよい。
第6の実施形態は、複数の放射線検出器を円環状に配置する放射線計測装置および放射線計測方法の例である。
図13は、本発明の第6の実施形態に係る放射線計測装置の構成を示す図である。図1と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
図13に示す放射線計測装置600は、図1の放射線計測装置100の単色光子源101、表示装置105に加えて、円環配置型放射線検出器131と、円環配置対応エネルギー計測装置132と、円環配置対応深さ演算装置133と、を備えて構成される。
図14に示すように、円環配置型放射線検出器131は、同心状に円環に配置された複数の放射線検出器102を備える。複数の放射線検出器102は、被検査体106の表面に対して円環に配置する。
一例として、照射ポイント134を中心に、30°ピッチで、且つ同心状の複数の円環で複数の放射線検出器102を配置する。複数の放射線検出器102を配置する角度ピッチや円環の直径は、使用する放射線検出器102のサイズや、コンプトン散乱光子の強度分布の検出効率等によって調整する。
第7の実施形態は、放射線検出器と被検査体の間にスリットコリメータを備える放射線計測装置および放射線計測方法の例である。
図15は、本発明の第7の実施形態に係る放射線計測装置の構成を示す図である。図1と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
図15に示す放射線計測装置700は、図1の放射線計測装置100の単色光子源101、放射線検出器102、深さ演算装置104、表示装置105に加えて、スリットコリメータ135を備えて構成される。
図16に示すように、放射線計測装置700は、スリットコリメータ135を放射線検出器102と被検査体106の間に設ける。これにより、単色光子107の被検査体106への入射で生じる多重コンプトン散乱による多重散乱光子137が放射線検出器102に入射することを低減する。視野範囲136におけるコンプトン散乱による散乱光子108を放射線検出器102で測定する。
第8の実施形態は、ファンビーム型単色光子源を備える放射線計測装置および放射線計測方法の例である。
図17は、本発明の第8の実施形態に係る放射線計測装置の構成を示す図である。図1と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
図17に示す放射線計測装置800は、図1の放射線計測装置100の表示装置105に加えて、ファンビーム型単色光子源138、ファンビーム対応放射線検出器139、多チャンネル対応エネルギー計測装置140、多チャンネル対応深さ演算装置141と、を備えて構成される。
図18に示すファンビーム型コリメータ142は、内部に放射性同位元素109を備え、一次元方向に単色光子107を照射可能な構造である。
なお、本実施形態では、ファンビーム型コリメータ142の内部に放射性同位元素109を備える構成を示したが、図2で示すレーザ逆コンプトン散乱光子発生装置118や図3で示す光子発生用ターゲット121を備える構成でもよい。
図19に示すように、スリットコリメータ135と放射線検出器102から構成される検出部ユニット143を被検査体106の表面近傍に配置する。検出部ユニット143は、視野範囲136が単色光子107の照射方向と重畳するように設定する。
第9の実施形態は、移動機構を備える放射線計測装置および放射線計測方法の例である。
図21は、本発明の第9の実施形態に係る放射線計測装置の構成を示す図である。図1と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
図21に示す放射線計測装置900は、図1の放射線計測装置100の単色光子源101、放射線検出器102、エネルギー計測装置103、表示装置105に加えて、移動機構145と、移動位置特定機構146と、移動制御機構147と、走査対応深さ演算装置148と、を備えて構成される。
移動位置特定機構146は、移動機構145と被検査体106の相対座標を演算する。
移動制御機構147は、移動機構145の走査範囲を制御する。具体的には、移動制御機構147は、移動位置特定機構146が演算した相対座標をもとに、移動機構145の位置を特定し、単色光子源101と放射線検出器102の相対座標を制御する。
まず、放射線計測装置900をセットアップして測定を開始する。
ステップS11で移動制御機構147は、単色光子源101と放射線検出器102と移動機構147とを初期の測定ポイントに配置する。
ステップS12でエネルギー計測装置103は、単色光子源101と放射線検出器102の位置を記録する。
ステップS14でエネルギー計測装置103は、測定ポイントでの測定完了か否かを判定し、測定未完了の場合(S14:No)、ステップS13に戻る。
断面測定が未完了の場合(S15:No)、ステップS16で移動制御機構147は、単色光子源101と放射線検出器102と移動機構145を被検査体106の測定ポイントに配置してステップS12に戻る。
ステップS18で表示装置105は、演算結果を表示する。
ステップS19で走査対応深さ演算装置148は、断面演算完了か否かを判定する。
断面演算が未完了の場合(S19:No)、ステップS20で走査対応深さ演算装置148は、未完了の測定ポイントを算出し、ステップS16に戻る。
全測定および演算が未完了の場合(S19:No)、ステップS22で移動制御機構147は、次断面測定位置に移動して、ステップS12に戻る。
図22のステップS14のサブルーチンコールにより開始する。
ステップS101で単色光子源101は、単色光子源101の単色光子の照射方向を制御する。
ステップS102で放射線検出器102は、単色光子源101との相対座標が既知であり、被検査体から散乱したコンプトン散乱光子を検出する。
ステップS103でエネルギー計測装置103は、検出したコンプトン散乱光子のエネルギーと強度を計測する。
ステップS105で走査対応深さ演算装置148は、放射線検出器102の位置座標、単色光子源101の位置座標、算出した散乱角θsに基づいて、各エネルギーEsに対応する散乱位置、すなわち深さz(Es)を算出して図22のステップS14に戻る。
第10の実施形態は、光学カメラと演算を用いて表面状態を評価する機能を備える放射線計測装置および放射線計測方法の例である。
図24は、本発明の第10の実施形態に係る放射線計測装置の構成を示す図である。図1と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
図24に示す放射線計測装置1000は、図1の放射線計測装置100の単色光子源101、放射線検出器102、エネルギー計測装置103、表示装置105に加えて、光学カメラ149と、画像分析装置150と、画像判定データベース151と、画像重畳装置152と、を備えて構成される。
画像分析装置150は、画像判定データベース151を利用して、被検査体106の表面の特異点の有無や健全性などの状態を評価する。状態評価には、過去の実績や実験的に得られたデータ、解析で形成されたデータで構成された機械学習を利用することができる。
ここで、図21で示した手法で二次元もしくは三次元データを取得した場合には、多次元で画像を重畳する。表示装置105は、画像重畳装置で演算された演算結果を表示する。
第11の実施形態は、単色光子源と放射線検出器と被検査体との相対位置座標の測定機能を備える放射線計測装置および放射線計測方法の例である。
図25は、本発明の第11の実施形態に係る放射線計測装置の構成を示す図である。図1と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
図25に示す放射線計測装置1100は、図1の放射線計測装置100の単色光子源101、放射線検出器102、エネルギー計測装置103、表示装置105に加えて、位置算出装置153と、位置座標対応深さ演算装置154と、を備えて構成される。
放射線計測装置1100は、単色光子源101と放射線検出器102を固定冶具に載置して、単色光子源101と放射線検出器102の相対位置座標を固定することで、被検査体106との相対座標を比較的容易に演算することができる。
位置算出装置153で得られた相対位置座標は、この座標を入力値とする位置座標対応深さ演算装置154に入力される。
(1)第1の実施形態~第11の実施形態の放射線計測装置および放射線計測方法を組み合わせて統合する。
上記各実施形態に係る放射線計測装置および放射線計測方法を統合することで、様々な実行環境に応じて被検査体106(例えば、図1参照)の深さ方向のコンプトン散乱光子の強度分布を最適に実行することができる。被検査体106の内部状態を高精度・高速・高感度に把握して、その結果に基づく高度な分析や監視を実現することが可能となる。
101 単色光子源
102 放射線検出器
103 エネルギー計測装置
104 深さ演算装置
105 表示装置(出力装置)
106 被検査体
107 単色光子
108 散乱光子
109 放射性同位元素(放射性同位体)
110 コリメータ
111 光子シャッタ
112 波高値スペクトル
118 レーザ逆コンプトン散乱光子発生装置
119 レーザ逆コンプトン散乱光子発生制御装置
120 発生タイミング対応エネルギー計測装置
121 光子発生用ターゲット
122 粒子発生源
123 粒子発生制御装置
124 発生タイミング対応エネルギー計測装置
125 線形配置型放射線検出器
126 線形配置対応エネルギー計測装置
127 線形配置対応深さ演算装置
128 二次元配置型放射線検出器
129 二次元配置対応エネルギー計測装置
130 二次元配置対応深さ演算装置
131 円環配置型放射線検出器
132 円環配置対応エネルギー計測装置
133 円環配置対応深さ演算装置
134 照射ポイント
135 スリットコリメータ
138 ファンビーム型単色光子源
139 ファンビーム対応放射線検出器
140 多チャンネル対応エネルギー計測装置
141 多チャンネル対応深さ演算装置
142 ファンビーム型コリメータ
143 検出部ユニット
144 照射ライン
145 移動機構
146 移動位置特定機構
147 移動制御機構
148 走査対応深さ演算装置
149 光学カメラ
150 画像分析装置
151 画像判定データベース
152 画像重畳装置
153 位置算出装置
154 位置座標対応深さ演算装置
S101 単色光子源の単色光子または準単色光子の照射方向を制御するステップ
S102 被検査体から散乱したコンプトン散乱光子を検出するステップ
S103 検出したコンプトン散乱光子のエネルギーと強度を計測するステップ
S13、S104、S105 被検査体の深さ方向のコンプトン散乱光子強度分布を演算する演算ステップ
S23 演算結果を出力するステップ
Claims (14)
- 光子を検知する放射線計測装置であって、
単色光子または準単色光子の照射方向を制御する単色光子源と、
前記単色光子源との相対座標が既知であり、被検査体から散乱したコンプトン散乱光子を検出する放射線検出器と、
検出した前記コンプトン散乱光子のエネルギーと強度を計測するエネルギー計測装置と、
前記相対座標と前記コンプトン散乱光子のエネルギーと強度をもとに、前記被検査体の深さ方向のコンプトン散乱光子強度分布を演算する深さ演算装置と、
前記深さ演算装置の演算結果を出力する出力装置と、を備え、
前記深さ演算装置における演算の入力値を、前記単色光子源の放出エネルギーと、前記エネルギー計測装置で取得した波高値スペクトルと、前記単色光子源の照射方向ベクトルを含む二次元平面において前記単色光子源と前記放射線検出器の相対座標とするとともに、
前記深さ演算装置における演算の出力値を、前記単色光子源から照射した単色光子の散乱角と、前記散乱角と前記相対座標から前記単色光子が散乱した深さ位置とし、
前記深さ演算装置は、前記単色光子源の放出エネルギーEinと前記エネルギー計測装置が取得した波高値スペクトルの各エネルギーEsとに基づいて、式(1)に従って、前記被検査体の内部で生じたコンプトン散乱の散乱角θsを算出するとともに、
- 前記深さ演算装置は、
深さ方向のコンプトン散乱光子の強度分布の計測値について、所定の参照値より正方向に計数値相対値ピークがある場合、前記被検査体の内部にコンプトン散乱が発生しやすい要因があると判断する
ことを特徴とする請求項1に記載の放射線計測装置。 - 前記深さ演算装置は、
深さ方向のコンプトン散乱光子の強度分布の計測値について、所定の参照値より負方向に計数値相対値ピークがある場合、内部状態が既知である前記被検査体に対して原子番号もしくは密度が小さい物質を含むと判断する
ことを特徴とする請求項1に記載の放射線計測装置。 - 前記単色光子源は、放射性同位体を有し、
前記放射性同位体は、Cs-137、Zn-65、Be-7、Cr-51、Co-58、Mn-54、Hg-203、Sr-85、F-18、Ga-68、Al-28、およびK-42からなる群より選択される少なくとも一つを用いる
ことを特徴とする請求項1に記載の放射線計測装置。 - 前記単色光子源は、レーザ逆コンプトン光子を発するレーザ逆コンプトン散乱光子発生装置である
ことを特徴とする請求項1に記載の放射線計測装置。 - 前記単色光子源は、中性子または荷電粒子とターゲット物質との核反応を利用した光子発生装置である
ことを特徴とする請求項1に記載の放射線計測装置。 - 前記単色光子源は、前記放射性同位体から放出する光子の照射方向を制御するコリメータを備える
ことを特徴とする請求項4に記載の放射線計測装置。 - 前記コリメータと前記被検査体の間、または前記コリメータと前記単色光子源の間に光子シャッタを備える
ことを特徴とする請求項7に記載の放射線計測装置。 - 前記放射線検出器は、Ge半導体、CdTe半導体、CdZnTe半導体、Si半導体、Perovskite構造半導体、LaBr3シンチレータ、CsBr3シンチレータ、LYSOシンチレータ、LSOシンチレータ、GAGGシンチレータ、CsIシンチレータ、NaIシンチレータ、BGOシンチレータ、GSOシンチレータ、GPSシンチレータ、La-GPSシンチレータ、LuAGシンチレータ、およびSrIシンチレータからなる群より選択される少なくとも一つを用いる放射線有感材を備える
ことを特徴とする請求項1に記載の放射線計測装置。 - 前記放射線検出器は、前記被検査体の表面に対して一方向に線形に配置する線形配置、前記被検査体の表面に対して二次元に配置するアレイ配置、または前記単色光子源の前記被検査体の表面における照射ポイントを中心に円環状に配置する円環配置のいずれか一つで配置される
ことを特徴とする請求項1に記載の放射線計測装置。 - 前記放射線検出器と前記被検査体の間にスリット状のコリメータを備える
ことを特徴とする請求項1に記載の放射線計測装置。 - 前記単色光子源および前記放射線検出器を搭載して前記被検査体の表面を走査する移動機構と、
前記移動機構と前記被検査体の相対座標を演算する移動位置特定機構と、
前記移動位置特定機構が演算した前記相対座標をもとに、前記移動機構を制御する移動制御機構と、を備える
ことを特徴とする請求項1に記載の放射線計測装置。 - 前記出力装置は、光学カメラで撮像した前記被検査体の表面状態と前記深さ演算装置で得られた前記深さ方向のコンプトン散乱光子強度分布とを重畳して表示するとともに、前記被検査体の状態を三次元表示する
ことを特徴とする請求項1に記載の放射線計測装置。 - 光子を検知する放射線計測装置の放射線計測方法であって、
単色光子源の単色光子または準単色光子の照射方向を制御するステップと、
前記単色光子源との相対座標が既知であり、被検査体から散乱したコンプトン散乱光子を検出するステップと、
検出した前記コンプトン散乱光子のエネルギーと強度を計測するステップと、
前記相対座標と前記コンプトン散乱光子のエネルギーと強度をもとに、前記被検査体の深さ方向のコンプトン散乱光子強度分布を演算する演算ステップと、
演算結果を出力するステップと、を実行し、
前記演算ステップでは、
まず、前記単色光子源の放出エネルギーEinと取得した波高値スペクトルの各エネルギーEsとに基づいて、式(1)に従って、前記被検査体の内部で生じたコンプトン散乱の散乱角θsを算出し、
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