(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のクロックで被測定信号をサンプリングして得られたサンプリングデータに基づいて前記被測定信号のピークを検出し、ピーク値を取得するマルチチャネルアナライザにおいて、
前記被測定信号と所定のトリガレベルとを比較して、トリガ信号を発生するトリガ検出部と、
ピーク検出時点の前記トリガ信号発生時点からのクロック数である第１クロック数を計測するピーク検出部と、
外部から入力されるスタート信号から前記トリガ信号発生時点までのクロック数である第２クロック数を取得する時間情報取得部と、
前記第１クロック数と前記第２クロック数とを合計することで前記スタート信号から前記ピーク検出時点までのクロック数である第３クロック数を算出する時間情報処理部と、を備えたことを特徴とするマルチチャネルアナライザ。
【請求項２】
前記スタート信号の入力回数をカウントするショット番号用カウンタと、
前記トリガ信号発生時点における前記ショット番号用カウンタのカウント値を取得するショット番号取得部と、をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のマルチチャネルアナライザ。
【請求項３】
取得された前記ピーク値と、算出された前記第３クロック数に基づく時間とを対応付けて記録する記録部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のマルチチャネルアナライザ。
【請求項４】
試料ターゲットに粒子を打ち込むタイミングでスタート信号を発生する出力制御部と、
前記粒子の入射によって発生した放射線のエネルギーを検出し、被測定信号に変換するエネルギー検出器と、
所定のクロックで前記被測定信号をサンプリングして得られたサンプリングデータに基づいて前記被測定信号のピークを検出し、ピーク値を取得するマルチチャネルアナライザとを有する放射線測定システムであって、
前記マルチチャネルアナライザは、
前記被測定信号と所定のトリガレベルとを比較して、トリガ信号を発生するトリガ検出部と、
ピーク検出時点の前記トリガ信号発生時点からのクロック数である第１クロック数を計測するピーク検出部と、
前記スタート信号発生時点から前記トリガ信号発生時点までのクロック数である第２クロック数を取得する時間情報取得部と、
前記第１クロック数と前記第２クロック数とを合計することで前記スタート信号から前記ピーク検出時点までのクロック数である第３クロック数を算出する時間情報処理部と、を備えたことを特徴とする放射線測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力信号波形から所定の事象が発生したことを検出し、入力信号波形のピーク値を計測するとともに、基準時刻から事象発生までの時間を計測するマルチチャネルアナライザおよびそのようなマルチチャネルアナライザを含む放射線測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
加速させた粒子を原子等の試料ターゲットに打ち込み、物理学的な相互作用により粒子を放出させて、入射粒子のエネルギーと、放出された粒子のエネルギーとを同時に測定することで相互作用等の解析を行なう放射線測定システムが知られている。
【０００３】
図６は、従来の放射線測定システムの構成例を示すブロック図である。放射線測定システム２００では、粒子Ａを入射放射線源２２０から原子等の試料ターゲット２３０に打ち込み、物理学的な相互作用を誘引する。すると、相互作用の結果、試料ターゲット２３０からγ線、β線等の放射線が放出される。ここでは、粒子Ｂが放出されるものとする。
【０００４】
放射線測定システム２００では、入射粒子Ａのエネルギーと、放出された粒子Ｂのエネルギーとを同時に測定することで、相互作用等の詳細な解析を行なう。放出された粒子Ｂのエネルギーは、エネルギー検出器２４０、増幅器２５０、マルチチャネルアナライザ（ＭＣＡ）２６０を用いることで測定することが可能である。
【０００５】
入射粒子Ａのエネルギーについては、打ち出し時にそのエネルギー制御が可能な場合には、あらかじめエネルギーを決定することが可能であるが、中性子のようにエネルギー制御が難しい粒子の場合には、粒子打ち出し後に何らかの手段でエネルギーを測定しなければならない。ただし、入射粒子Ａはプローブの役割を担うため、相互作用前にそのエネルギーに変化を与えるような直接的な測定は好ましくない。また、中性子のような電荷を持たない粒子の場合には、電場・磁界等を用いた間接的な測定も原理的に不可能である。
【０００６】
このため、加速させた粒子Ａの飛行時間（ＴＯＦ：Time of Flight）を測定することが行なわれている。粒子Ａの飛行距離Ｌは既知であるため、粒子Ａの飛行時間が測定できれば粒子Ａの飛行速度が算出でき、結果として粒子Ａの運動エネルギーを取得することができる。
【０００７】
粒子Ａの飛行時間は、出力制御部２１０の制御によって入射放射線源２２０から粒子Ａが打ち出された時刻と、ＭＣＡ２６０によって粒子Ｂが検出された時刻との差によって求めることができる。なお、１回の入射タイミングで複数の粒子Ａが打ち出されることがあり、この場合、一般に個々の粒子Ａの速度は異なるものとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−１２２１６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
入射放射線源２２０から粒子Ａが打ち出された時刻と、粒子Ｂが検出された時刻との差の従来の測定方法について、図６と図７とを参照して説明する。まず、図６に示すように、出力制御部２１０とＭＣＡ２６０に対して、同時にＳＴＡＲＴ信号を入力し、共通の測定開始時刻をｔ０とする。
【００１０】
そして、出力制御部２１０では、入射放射線源２２０から粒子Ａを打ち出した時刻を時系列的に記録する。図７の例では、粒子Ａが出力された時刻ｔａ、時刻ｔｂ、時刻ｔｃが記録される。一方、ＭＣＡ２６０では、粒子Ｂを検出した時刻を時系列的に記録する。図７の例では、粒子Ｂが検出された時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４が記録される。このとき、エネルギーを計測するためにピーク値Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４も時刻に対応付けて記録する。
【００１１】
その後、計測者が粒子Ａの打ち出し時刻と粒子Ｂの検出時刻との対応付けを行ない、粒子Ａの飛行時間を算出する。図７の例では、時刻ｔａに打ち出された粒子Ａによって時刻ｔ１に粒子Ｂが放出されたと考えられるため、飛行時間はｔ１−ｔａと算出される。また、時刻ｔ２、時刻ｔ３に粒子Ｂが検出されていることから、時刻ｔｂに２個の粒子Ａが打ち出されたと考えられ、それぞれの飛行時間は、ｔ２−ｔｂ、ｔ３−ｔｂと算出される。さらに、時刻ｔｃに打ち出された粒子Ａによって時刻ｔ４に粒子Ｂが放出されたと考えられるため、飛行時間はｔ４−ｔｃと算出される。
【００１２】
このように、従来は、粒子Ａの打ち出し時刻と、粒子Ｂの検出時刻との対応付けを行なって飛行時間を算出するため、計測者の負担が大きいという問題がある。
【００１３】
そこで、本発明は、事象発生を示す信号波形のピーク値を計測するとともに、基準時刻から事象発生までの時間を計測する際における計測者の負担を軽減するマルチチャネルアナライザおよびそのようなマルチチャネルアナライザを含む放射線測定システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様であるマルチチャネルアナライザは、所定のクロックで被測定信号をサンプリングして得られたサンプリングデータに基づいて前記被測定信号のピークを検出し、ピーク値を取得するマルチチャネルアナライザにおいて、前記被測定信号と所定のトリガレベルとを比較して、トリガ信号を発生するトリガ検出部と、ピーク検出時点の前記トリガ信号発生時点からのクロック数である第１クロック数を計測するピーク検出部と、外部から入力されるスタート信号から前記トリガ信号発生時点までのクロック数である第２クロック数を取得する時間情報取得部と、前記第１クロック数と前記第２クロック数とを合計することで前記スタート信号から前記ピーク検出時点までのクロック数である第３クロック数を算出する時間情報処理部と、を備えたことを特徴とする。
【００１５】
ここで、前記スタート信号の入力回数をカウントするショット番号用カウンタと、前記トリガ信号発生時点における前記ショット番号用カウンタのカウント値を取得するショット番号取得部と、をさらに備えるようにしてもよい。
【００１６】
また、取得された前記ピーク値と、算出された前記第３クロック数に基づく時間とを対応付けて記録する記録部をさらに備えるようにしてもよい。
【００１７】
上記課題を解決するため、本発明の第２の態様である放射線測定システムは、試料ターゲットに粒子を打ち込むタイミングでスタート信号を発生する出力制御部と、前記粒子の入射によって発生した放射線のエネルギーを検出し、被測定信号に変換するエネルギー検出器と、所定のクロックで前記被測定信号をサンプリングして得られたサンプリングデータに基づいて前記被測定信号のピークを検出し、ピーク値を取得するマルチチャネルアナライザとを有する放射線測定システムであって、前記マルチチャネルアナライザは、前記被測定信号と所定のトリガレベルとを比較して、トリガ信号を発生するトリガ検出部と、ピーク検出時点の前記トリガ信号発生時点からのクロック数である第１クロック数を計測するピーク検出部と、前記スタート信号発生時点から前記トリガ信号発生時点までのクロック数である第２クロック数を取得する時間情報取得部と、前記第１クロック数と前記第２クロック数とを合計することで前記スタート信号から前記ピーク検出時点までのクロック数である第３クロック数を算出する時間情報処理部とを備える。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のマルチチャネルアナライザおよび放射線測定システムによれば、事象発生を示す信号波形のピーク値を計測するとともに、基準時刻から事象発生までの時間を計測する際における計測者の負担を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態に係る放射線測定システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本実施形態におけるＭＣＡの構成を示すブロック図である。
【図３】ＭＣＡが行なう処理手順の具体例について説明するタイミングチャートである。
【図４】粒子Ａが打ち出された時刻と、粒子Ｂが検出された時刻との差の本実施形態における測定方法について説明するタイミング図である。
【図５】本発明の適用例を説明する図である。
【図６】従来の放射線測定システムの構成例を示すブロック図である。
【図７】粒子Ａが打ち出された時刻と、粒子Ｂが検出された時刻との差の従来の測定方法について説明するタイミング図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る放射線測定システムの構成を示すブロック図である。本図に示すように、放射線測定システム１００は、出力制御部１１０、入射放射線源１２０、試料ターゲット１３０、エネルギー検出器１４０、増幅器１５０、ＭＣＡ（マルチチャネルアナライザ）１６０、データ収集・解析部１７０を備えている。
【００２１】
出力制御部１１０は、入射放射線源１２０から粒子Ａを試料ターゲット１３０に打ち込むための制御を行なうとともに、粒子Ａの打ち出しタイミングに同期したＳＴＡＲＴ信号を生成して、ＭＣＡ１６０に出力する。
【００２２】
入射放射線源１２０は、例えば、粒子加速器を用いることができ、出力制御部１１０の制御により加速した粒子Ａを試料ターゲット１３０に打ち込む。１回の打ち込みを１ショットと呼ぶこととする。
【００２３】
試料ターゲット１３０は、原子等とすることができ、入射された粒子Ａとの相互作用により粒子Ｂを放出する。入射放射線源１２０と試料ターゲットとの距離、すなわち粒子Ａの飛行距離Ｌは既知であるとする。１ショットで複数個の粒子Ａが打ち出される場合があるが、その場合、放出される粒子Ｂの数も複数となり得る。複数の粒子Ａは、一般に個別の速度を有しており、したがって、放出される個々の粒子Ｂの発生タイミングは、対応する個々の入射粒子Ａの試料ターゲット１３０への到達時刻に依存する。
【００２４】
エネルギー検出器１４０は、粒子Ａの入射に誘引されて試料ターゲット１３０中から放出された粒子Ｂのエネルギーを検出し、電荷量に変換してアナログ波形信号として出力する。
【００２５】
増幅器１５０は、例えば、積分型のプリアンプと波形整形アンプとを含み、エネルギー検出器１４０の出力信号の増幅、整形を行なう。増幅器１５０が出力するパルス状波形のピーク値が粒子Ｂのエネルギーに対応し、パルス状波形のピーク時刻が粒子Ｂの放出時刻に対応する。
【００２６】
ＭＣＡ１６０は、時間計測機能を備えており、増幅器１５０が出力するアナログ波形信号をデジタルサンプリングすることでデジタルデータに変換し、デジタルデータに基づいて波形のピークを検出して、その値と時刻とを計測する。
【００２７】
また、ＭＣＡ１６０は、出力制御部１１０からＳＴＡＲＴ信号を入力し、ＳＴＡＲＴ信号が入力された時刻をピーク検出時刻の基準とする。ＳＴＡＲＴ信号は、入射粒子Ａの打ち出しタイミングであるため、ＳＴＡＲＴ信号を入力した時刻からピークを検出した時刻までの時間が入射粒子Ａの飛行時間と一致することになる。さらに、ＭＣＡ１６０は、出力制御部１１０から入力されたＳＴＡＲＴ信号の数をカウントすることでショット番号を管理することができる。ただし、この機能は省くようにしてもよい。
【００２８】
図２は、本実施形態におけるＭＣＡ１６０の構成を示すブロック図である。本図に示すように、ＭＣＡ１６０は、アナログ処理部１６１、トリガ検出部１６２、ピーク検出部１６３、時間計測用タイマカウンタ１６４、時間情報取得部１６５、時間情報処理部１６６、ショット番号用カウンタ１６７、ショット番号取得部１６８、記録部１６９を備えている。ＭＣＡ１６０は、演算装置、記憶装置、タイマ、インタフェース等を備えており、これらの機能部は、ソフトウェア的に実現してもよいしハードウェア的に実現してもよい。
【００２９】
アナログ処理部１６１は、増幅器１５０から入力されたアナログ信号のゲイン調整やオフセットの調整を行なう。トリガ検出部１６２は、例えば、コンパレータを用いて構成することができ、アナログ処理部１６１の出力波形とトリガレベル電圧とを比較して、トリガ信号を発生する。なお、さらにトリガセレクタを設けて、外部トリガ信号等の複数種類のトリガから、目的に応じたトリガ信号を選択できるようにしてもよい。
【００３０】
ピーク検出部１６３は、トリガ信号を入力すると、アナログ処理部１６１から入力されたパルス状信号のピークを検出し、ピーク値およびピーク時刻の測定を行なう。ここでのピーク時刻は、トリガ信号入力値時刻に対する時刻（クロックカウント値）とする。トリガ信号入力値時刻からピーク時刻までの時間がクロックカウント値として測定されることになる。
【００３１】
ピーク検出部１６３は、アナログ信号波形をサンプリングして得られたデジタルデータを用いてピーク検出を行なう。測定されたピーク値は、ピーク値データとして記録部１６９に記録する。トリガ信号入力値時刻からピーク時刻までの時間（クロックカウント値）は、時間情報処理部１６６に入力される。
【００３２】
時間計測用タイマカウンタ１６４は、常時動作し、入力クロックによりカウントアップする。入力クロックは、ピーク検出部１６３に入力するクロックと同一とする。時間計測用タイマカウンタ１６４は、出力制御部１１０から入力されたＳＴＡＲＴ信号によりリセットされる。したがって、ＳＴＡＲＴ信号を基準としたクロック数が常時カウントされることになる。
【００３３】
時間情報取得部１６５は、トリガ検出部１６２からトリガ信号が入力されると、時間計測用タイマカウンタ１６４のカウント値を読み出し、時間情報処理部１６６に出力する。したがって、ＳＴＡＲＴ信号入力時刻からトリガ信号入力時刻までの時間がカウント値として出力されることになる。
【００３４】
時間情報処理部１６６は、時間情報取得部１６５から入力した時間計測用タイマカウンタ１６４のカウント値と、ピーク検出部１６３から入力したピーク検出時のトリガ信号入力に対するクロックカウント値とを足し合わせることで、ＳＴＡＲＴ信号からピーク検出時までのクロックカウント数を算出する。クロック間隔は既知であるため、このクロックカウント数に基づいて、ＳＴＡＲＴ信号から入力波形のピーク時までの時間、すなわち、入射粒子Ａの飛行時間を算出することができる。算出された時間は、時間データとして記録部１６９に記録する。
【００３５】
ショット番号用カウンタ１６７は、出力制御部１１０から入力されたＳＴＡＲＴ信号の数をカウントする。ショット番号用カウンタ１６７は、プリセット機能を備えており、初期値の設定が可能である。
【００３６】
ショット番号取得部１６８は、トリガ検出部１６２からトリガ信号が入力されると、ショット番号用カウンタ１６７のカウント値を読み出し、ショット番号データとして記録部１６９に記録する。ショット番号データを記録することで、複数の放射線測定システムを並行に運用する際のデータ管理が容易となる。
【００３７】
図１の説明に戻って、データ収集・解析部１７０は、例えば、ＰＣ等の情報処理装置を用いることができ、ＭＣＡ１６０の記録部１６９に粒子Ｂの検出毎に記録された３つのデータ、すなわち、ピーク値データ、時間データ、ショット番号データを収集し、解析、保管等の処理を行なう。
【００３８】
次に、本実施形態におけるＭＣＡ１６０が行なう処理の具体例について図３のタイミングチャートを参照して説明する。まず、時間計測用タイマカウンタ１６４は、ＳＴＡＲＴ信号が入力されると、カウントリセットされ、クロック毎にカウントアップする。また、ショット番号用カウンタ１６７は、ＳＴＡＲＴ信号が入力されると、カウントアップし、本図の例ではショット番号Ｓを示している。
【００３９】
その後、粒子Ｂが検出され、トリガ信号が発生すると、時間情報取得部１６５は、時間計測用タイマカウンタ１６４のカウント値Ｍを読み出して、時間情報処理部１６６に入力する。
【００４０】
また、ピーク検出部１６３は、トリガ信号が入力されると、入力波形のサンプリングを開始し、サンプリング・カウンタ用クロック毎に、所定期間サンプリングを継続する。サンプリング期間は、少なくとも波形が立ち上がってからピークが過ぎるまでの時間を確保しておく。
【００４１】
そして、取得したデジタルデータから最大値を検出し、これをピーク値とするとともに、トリガ信号からピークまでのクロック数をカウントする。このカウントはリアルタイムで行なう必要はない。本図の例では、サンプリングデータに基づいてピーク値Ｐか検出され、クロック数Ｎがカウントされたものとする。ピーク値Ｐは、記録部１６９で記録され、カウント値Ｎは、時間情報処理部１６６に入力する。
【００４２】
なお、ピーク検出の際に、ピーク付近の波形をサイン波等で補間することにより、クロック間隔やＡ／Ｄ変換器の精度を超えた、より精密なピーク検出を行なえるようにしてもよい。
【００４３】
その後、時間情報処理部１６６がカウント値Ｍとカウント値Ｎとを足し合わせることでＳＴＡＲＴ信号からピーク検出時までのクロックカウント数を算出する。ここで、カウント値Ｍは、第２クロック数に相当し、カウント値Ｎは、第１クロック数に相当し、カウント値Ｍとカウント値Ｎとの合計は、第３クロック数に相当する。
【００４４】
クロック間隔は既知であるため、合計されたクロックカウント数に基づいて、ＳＴＡＲＴ信号から入力波形のピーク時までの時間、すなわち、入射粒子Ａの飛行時間を算出することができる。算出された時間は、記録部１６９に記録する。
【００４５】
カウント値Ｍの計測とカウント値Ｎの計測は同一のクロックを用いるため、時間測定の誤差は、使用するクロックの精度が十分よいものとすれば、１クロックの周期相当となる。この誤差は、波形信号振幅や波形信号幅に依存しない固定値であるため、取り扱いが簡易であり、データ解析・評価が煩雑になることを防ぐことができる。
【００４６】
なお、カウント値Ｍとカウント値Ｎを足し合わせずに、そのままの値を出力する測定モードを設けるようにしてもよい。これにより、例えば、ＳＴＡＲＴ信号からトリガ信号までの時間を計測することができるようになる。
【００４７】
以上により、記録部１６９には、入射粒子Ａが打ち出されてから、粒子Ｂが１個検出される毎に、ピーク値データ、時間データ、ショット番号データが関連付けられてセットで記録されることになる。仮に、同一のショットで複数の粒子Ｂが放出された場合であっても、粒子Ｂ毎のセットデータが個別に記録されるため、システム構成を変更する必要がなく、計測結果の管理が容易である。
【００４８】
例えば、図４に示すように、粒子Ａの打ち出しが３回あった場合でも、打ち出しタイミング毎に時刻がリセットされ、それぞれショット番号で管理されるため、ショット１において時刻ｔ１に粒子Ｂが検出されると、即座に粒子Ａの飛行時間がｔ１であり、ピーク値がＰ１であると把握することができる。
【００４９】
また、ショット２において時刻ｔ２と時刻ｔ３で粒子Ｂが検出されると、複数個の粒子Ａについてそれぞれ飛行時間がｔ２、ｔ３であり、ピーク値がそれぞれＰ２、Ｐ３であることが把握される。さらに、ショット３において時刻ｔ４に粒子Ｂが検出されると、即座に粒子Ａの飛行時間がｔ４であり、ピーク値がＰ４であると把握することができる。
【００５０】
上記実施形態では、粒子Ａの飛行時間測定と、粒子Ａと試料ターゲット１３０とが相互作用することで放出される粒子Ｂのエネルギー測定とを同時行なう放射線測定システムを例にしたが、本発明は、図５に示すように、試料に対して、何らかの刺激を与え、有限な時間後に発生する何らかの現象を検出器で検出して電気信号に変換し、その信号の大きさ（ピーク値）と信号発生までの時間ΔＴとを同時計測するようなアプリケーションや装置、システムであれば、広く適用することができる。
【００５１】
現象発生の誘因例としては、放射線入射による核変化や、励起、化学反応等の化学変化、振動、圧力等の物理的変化等があげられ、発生する現象例としては、放射線、蛍光線等の放射、振動、圧力変化等があげられる。ここで発生する信号の振幅（ピーク値）は放射線のエネルギーや、分子の励起準位であったり、相互作用の大きさ等に相当し、信号発生までの時間ΔＴは、寿命等の物理量であったり、反応あるいは応答速度の大きさに関係した量となる。
【００５２】
本発明は、これらの２つの量を同時計測し、その相関関係を調べるようなアプリケーションや装置、システムについて、構成を簡略化し、正確かつわかりやすく運用できるようになり、計測者の負担を大きく軽減させることができるようになる。
【符号の説明】
【００５３】
１００…放射線測定システム、１１０…出力制御部、１２０…入射放射線源、１３０…試料ターゲット、１４０…エネルギー検出器、１５０…増幅器、１６０…ＭＣＡ（マルチチャネルアナライザ）、１６１…アナログ処理部、１６２…トリガ検出部、１６３…ピーク検出部、１６４…時間計測用タイマカウンタ、１６５…時間情報取得部、１６６…時間情報処理部、１６７…ショット番号用カウンタ、１６８…ショット番号取得部、１６９…記録部、１７０…データ収集・解析部、２００…放射線測定システム、２１０…出力制御部、２２０…入射放射線源、２３０…試料ターゲット、２４０…エネルギー検出器、２５０…増幅器、２６０…ＭＣＡ（マルチチャネルアナライザ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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