(57)【要約】【解決手段】パルス波形分析は、２つの放射線が同時発生であるか否かを判定する。第１放射線を吸収したときは、第１の短い時定数を特徴とし、且つその面積が公称的には吸収された第１放射線のエネルギーに比例している出力パルスを生成し、第２放射線を吸収したときは、第２の長い時定数を特徴とし、且つその面積が公称的には吸収された第２放射線のエネルギーに比例している出力パルスを生成する、トランスデューサが提供されている。放射線が吸収されると、出力パルスが検出され、第１時定数を表している期間に亘る第１積分値と、第２時定数を表している期間に亘る第２積分値の２つの積分値が形成される。２つの積分の値が調べられ、第１放射線、第２放射線、又は両方が、トランスデューサに吸収されたか否かが判定され、後者の条件は同時吸収事象を明らかにしている。【選択図】図１３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの放射線が同時発生か否かを判定するための方法において、
第１放射線を吸収したときは、第１の短い時定数を特徴とする出力パルスを生成し、第２放射線を吸収したときは、第２の長い時定数を特徴とする出力パルスを生成する、トランスデューサを提供する段階と、
前記トランスデューサが放射線を吸収したときに生成した出力パルスを検出する段階と、
前記第１時定数を表している第１期間に亘って前記パルスの第１積分を行い、前記第２時定数を表している第２期間に亘って前記パルスの第２積分を行う段階と、
前記第１及び前記第２の両積分の値を調べて、前記第１放射線、前記第２放射線、又はその両方が、前記トランスデューサに吸収されたか否かを判定する段階であって、後者の条件は同時吸収事象を明らかにしている段階と、
から成る方法。
【請求項２】
前記第１及び第２期間は時間的に離れている、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記２つの積分期間は時間的に重なっている、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記トランスデューサの出力を弁別器に掛け、前記弁別器の出力を１つ又は複数の閾値と比較して、前記２つの積分期間の位置を設定する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記トランスデューサが前記第１放射線を吸収したときに生成する出力は、公称的に、前記吸収された第１放射線のエネルギーに比例する面積を有し、
前記トランスデューサが前記第２放射線を吸収したときに生成する出力は、公称的に、前記吸収された第２放射線のエネルギーに比例する面積を有し、
前記方法は、前記第１及び第２の積分の値から、前記放射線の一方又は両方の個別エネルギーを判定する段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第１放射線、第２放射線、又はその両方が、前記トランスデューサに吸収されたか否かを判定する段階は、前記第１又は第２又はその両方の判定されたエネルギーが、特定の閾値を超えているか否かに基づいている、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記トランスデューサは、公称的に、電気的出力が光学的入力に比例している光電変換器に光学的に連結されているホスイッチを含んでおり、前記ホスイッチは、異なる光減衰時定数を有する２つ又はそれ以上の光学的に連結されたシンチレータ材料のセットを備えており、且つ
短い時定数を有する前記第１シンチレータは、主に、前記第１放射線に対する感度を有しており、
長い時定数を有する前記第２シンチレータは、主に、前記第２放射線に対する感度を有している、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記光電変換器は光電子倍増管である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記光電変換器は光ダイオードである、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１積分期間は、検出されたパルスの開始を含んでおり、前記第１期間外の前記短い時定数のシンチレータに関係付けられた積分信号が、前記第１期間内の前記シンチレータからの積分された光出力に比べて無視することができるほど僅かになるように、前記第１積分期間は十分に長い、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
一方のシンチレータに関係付けられた積分の値は、前記シンチレータからの信号の、他方のシンチレータに関係付けられた積分に対する寄与を推定するために使用される、請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記期間に亘る積分に加えて、前記パルスの立ち上がり時間が、短い時定数の成分の存在を検出するために計算される、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記積分の値は、基線測定を実施することによって、前記パルスの到着前に、オフセット又は非ゼロ信号値の補正が行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
ベータ−ガンマ同時発生を検出するために、
前記第１シンチレータは、薄く、低密度で、短い減衰時定数のプラスチックシンチレータを採用することによって、ベータ線に対する感度を持つように作られており、
前記第２シンチレータは、厚く、高密度で、長い時定数を有するシンチレータを採用することによって、ガンマ線に対する感度を持つように作られている、請求項７に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１シンチレータは、ポリビニルトルエンベースのプラスチックシンチレータであり、前記第２シンチレータは、ＣｓＩ（Ｔｌ）又はＮａＩ（Ｔｌ）の何れかである、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１シンチレータは、前記試料を密閉する中空殻に成形されており、前記第２シンチレータの中に封入されている、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
２つの放射線が同時発生か否かを判定するための方法において、
第１放射線を吸収したときは、第１の特定のパルス波形を有する出力パルスを生成し、第２放射線を吸収したときは、第２の特定のパルス波形を有する出力パルスを生成する、トランスデューサを提供する段階と、
前記トランスデューサが放射線を吸収したときに生成した出力パルスを検出する段階と、
パルス波形分析を前記検出された出力パルスに適用して、前記第１放射線、前記第２放射線、又はその両方が前記トランスデューサに吸収されたか否かを判定する段階であって、後者の条件は同時吸収事象を明らかにしている段階と、
から成る方法。
【請求項１８】
前記パルス波形分析は、一方は前記第１の特定のパルス波形を表しており、他方は前記第２の特定のパルス波形を表している、２つのテンプレートを使用して、前記パルスをフィッティングすることによって行われる、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記パルス波形分析は、
前記出力パルス波形の選択された領域の面積を測定することと、
前記面積を使用して、前記第１の特定のパルス波形、前記第２の特定のパルス波形、又はその両方が、前記パルス中に存在しているか否かを判定することによって行われる、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
少なくとも１つの特定のパルス波形の振幅は、関係付けられた放射線によって前記トランスデューサに蓄積されたエネルギーに比例しているか、前記エネルギーの良好に定義された関数であるか、の何れかであり、前記パルス波形分析によって前記パルス中に見い出される前記特定のパルス波形の量を使用して、前記関係付けられた放射線によって前記トランスデューサに蓄積されたエネルギーを判定する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
２つの放射線が同時発生か否かを判定するための装置において、前記装置は、トランスデューサと、検出器と、回路とを備えており、
前記トランスデューサは、
第１放射線を吸収したときには、第１の短い時定数を特徴とし、且つその面積が公称的には前記吸収された第１放射線のエネルギーに比例している、出力パルスを生成し、
第２放射線を吸収したときには、第２の長い時定数を特徴とし、且つその面積が公称的には前記吸収された第２放射線のエネルギーに比例している、出力パルスを生成する、トランスデューサであり、
前記検出器は、前記トランスデューサが放射線を吸収したときに生成した前記出力パルスを検出する検出器であり、
前記回路は、
前記第１時定数を表している第１期間に亘って前記パルスの第１積分を行い、前記第２時定数を表している第２期間に亘って前記パルスの第２積分を行い、
前記第１及び前記第２の両積分の値を調べて、前記第１放射線、第２放射線、又はその両方が、前記トランスデューサに吸収されたか否かを判定し、後者の条件は同時吸収事象を明らかにしている回路である、装置。
【請求項２２】
前記回路は、更に、前記第１及び第２積分の値から、一方又は両方の放射線のエネルギーを求める、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記トランスデューサは、ホスイッチと、光電変換器とを備えており、
前記ホスイッチは、短い時定数を有し、主に前記第１放射線に対する感度を有している第１シンチレータと、長い時定数を有し、主に前記第２放射線に対する感度を有している第２シンチレータとを含んでいる、異なる光減衰時定数を有する２つ又はそれ以上の光学的に連結されたシンチレータ材料のセットを含んでいる、ホスイッチであり、
前記光対電気変換器は、前記ホスイッチに光学的に連結されており、公称的に光学的入力に比例する電気的出力を提供する光電変換器である、請求項２１に記載の装置。
【請求項２４】
前記光電変換器は光電子倍増管である、請求項２１に記載の装置。
【請求項２５】
２つの放射線が同時発生か否かを、トランスデューサと、検出器と、回路とによって判定するための装置において、
前記トランスデューサは、第１放射線を吸収したときは、第１の特定のパルス波形を有する出力パルスを生成し、第２放射線を吸収したときは、第２の特定のパルス波形を有する出力パルスを生成する、トランスデューサであり、
前記検出器は、前記トランスデューサが放射線を吸収したときに生成した前記出力パルスを検出する検出器であり、
前記回路は、パルス波形分析を前記検出された出力パルスに適用して、前記第１放射線、前記第２放射線、又はその両方が、前記トランスデューサに吸収されたか否かを判定し、後者の条件は同時吸収事象を明らかにしている、回路である、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概括的には、ベータ粒子とガンマ線又はアルファ粒子とＸ線の様な２つの異なる放射線を検出し、それらが同時に発生しているか否か、即ち互いに適切に短い時間間隔内に検出されるか否か、を判定するためのシステムに関する。
【０００２】
事例中の一部類として、２つの放射線が単一の核崩壊又は同様の事象により生み出されることがあり、よって、時間間隔はナノ秒以下となり、実際的な見地から言えば「同時発生(coincident)」とは本質的に「同時(simultaneous)」であることを意味する。事象の別の部類では、第１放射線を生む核崩壊は、更に、核励起状態を作り出し、それが特徴的な半減期τで崩壊するので、「同時発生」と定義される時間間隔はτの数倍となる。
【０００３】
より具体的には、本発明は、「ホスイッチ(phoswich)」検出器を、τが検出器システムの自然時定数よりも短いかこれに匹敵する場合に、第１部類又は第２部類の何れかの同時発生の測定に適用することに関する。「ホスイッチ」とは、当技術における造語であり、リン光体とサンドイッチを連結した語である。ホスイッチは、名詞として使用される場合もあれば、「検出器」、「検出器アッセンブリ」、「シンチレータ」、「シンチレータアッセンブリ」、又は「トランスデューサ」の様な用語の記述子として使用される場合もある。簡潔さを期して、我々は、標準的にホスイッチを名詞として使用することにする。
【０００４】
説明されている実施形態は、単一の検出事象において、ホスイッチが、第１放射線を吸収したのか、第２放射線を吸収したのか、又は両者を同時に吸収したのかを判定するために、光電子倍増管（ＰＭＴ）に連結されたホスイッチを備えているトランスデューサアッセンブリ（又は単にトランスデューサ）によって生成される信号に、パルス波形認識技法を適用することに関する。この技法は、ＰＭＴを光ダイオードに置き換えている場合、又は他の検出器システムが全面的に採用されている場合、にも適用される。説明している特定の実施形態と関係付けられた用途、即ち、大気試料中の希釈された放射能を持つキセノン（以後、放射性キセノン）の検出は、単に本方法が最初に開発されたのがこの分野であるという理由から特に注目した。
【０００５】
従って、我々が開発した技法は、この特定の使用法に限定されるものとして捉えられるべきではない。例えば、その時間特性が検出事象の型式に伴って変化する出力パルスを発生させるのであれば、どの様なシステムでも、本方法を使って取り扱うことができる。
【背景技術】
【０００６】
目下の先行技術の一覧
同時発生放射線検出は、様々な核及び核医学測定技法に広く使用されている。これは、相当なバックグラウンド放射線が存在する下で、目的の事象が一対の放射線を放射した場合という稀な事象の検出に特に効果を発揮する。これは、ランダムなバックグラウンド事象が、当該対の何れかの成員に似ていることはあるにしても、両方にランダムに似る可能性は、何れかの放射線に似るバックグラウンド側の割合の確率に同時発生ウインドウの長さτCを掛けた積として量られるからである。而して、検出効率を無視すると、ＲRが放射線１と２を生み出す稀な事象の割合であり、一方ＲB1及びＲB2が２つの放射線発生時のバックグラウンド割合であるとすれば、ＲR対同時発生バックグラウンド事象由来の「偶発的な」バックグラウンド割合ＲB12の比ρは、
【０００７】
【数１】
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となる。
【０００８】
而して、例えば、ＲB1及びＲB2は共にＲRの１００倍になることもあり、τCが１マイクロ秒、即ちかなり長い同時発生検査期間であれば、ρは１００になることもありうる。
【０００９】
過去数年、パシフィックノースウエスト国立研究所（ＰＮＮＬ）の科学者らは、国際核実験禁止条約を支援する計測技術開発のために行われている取り組みである、大気試料中の放射性キセノンの検出に、この技法を適用してきた。大気中の放射性キセノンを監視することは、米国原子力エネルギー検出システムプログラムで現在採用されている核兵器実験を検知するための幾つかの方法の内の１つである。放射性キセノンは、第１に、それが核爆発で多量に発生することから、第２に、気体として、実験現場の地中深くから漏出してしまうことから、そして第３に、半減期が十分に長いために、数日経って実験現場から離れたところで検出できる４つの放射性同位元素が発生することから、この関係において重要である。そうではあるが、並外れた濃縮努力を行った後でも、存在する量は非常に少ない。ＰＮＮＬの科学者らによる推定では、統計学的に有意な核実験の「シグナル」は、毎分当たりの計数値から毎時間当たりの計数値になる。上記レベルでは、同時発生計数により与えられる利点が無ければ、天然の放射能源付近からのバックグラウンド計数値が、放射性キセノン計数値を完全に圧倒することになる。
【００１０】
放射性キセノン検出システムにおける現在の到達水準は、パシフィックノースウエスト国立研究所で開発されたＡＲＳＡ（自動放射性キセノン試料採取装置及び分析装置）システムである（REEDER−１９９８年、 MCINTYRE−２００１年、REEDER−２００４年、RYNES−２００４年）。放射性キセノンは、発生地点と検出現場の間で大気に混ざり合うことによって大幅に希釈されるため、システムは、全キセノンを大量の空気から抽出し、次いで、その放射能活性を、図１に概略図示している極めて低いバックグラウンドの計数装置で測定する。通常、各々数ｃｃしかないようなキセノン試料は、それぞれ両端に光電子倍増管２（ＰＭＴ）を有する、高速プラスチックシンチレータＢＣ−４０４で形成されている円筒形セル１の中に置かれる。それらセルは、一対の大きなＮａＩ（Ｔｌ）シンチレータブロック７から光学的に隔離され５、これによって取り囲まれており、前記両ブロックは、互いに光学的に隔離され５、それぞれ２つの大きなＰＭＴ８で観測されている。アッセンブリ全体は、放射線遮蔽手段（図示せず）の中に密閉されており、環境バックグラウンド放射線を更に低減するために鉛（Ｐｂ）製の洞に収納されている。
【００１１】
システムの１２機のＰＭＴは、全て、前置増幅器、アナログ整形増幅器、多チャネル分析器、及び時間的一致検出回路を具備しており、それら全ては、当業者には既知の標準的な市販装置である。何れかのＰＭＴが放射線を検出すると、他のＰＭＴを試験して、それらも放射線を検出するかどうかが調べられる。キセノンセルに取り付けられている一対の小さなＰＭＴと前記ＮａＩブロック上の一対の大きなＰＭＴの全部で同時に光が観測されれば、事象は有効であると見なされ、２つの小さなＰＭＴからのパルスの振幅を合計することにより電子エネルギーが測定され、２つの大きなＰＭＴからのパルスの振幅を合計することによりガンマ線のエネルギーが測定される。
【００１２】
この事象は、次に、ガンマ線エネルギー対電子又はベータ粒子エネルギーを表示している図２Ａ（REEDER−２００４年）に示されているのと同様のプロットに加えられる。各水平方向のバーは、固定終点エネルギーのベータ粒子又は固定エネルギーの転換電子と一致する固定エネルギー（Ａ＝２４９．８ｋｅＶ、Ｂ＝８１ｋｅＶ、Ｃ＝３１ｋｅＶ）のガンマ線を放出する放射性キセノンの崩壊モードを表している。更に詳細に踏み込むつもりはないが、ReederとMcIntyre（REEDER−１９９８年、MCINTYRE−２００１年）らによって説明されているように、異なる崩壊パターンは異なる放射性キセノン同位元素の特徴を表す。当技術では周知のように、ガンマ線の線が細いほど、ガンマ線検出器のエネルギー分解能は良好であり、ランダムなバックグラウンド計数値と対照させて特定のキセノン同位元素を容易に検出できるようになる。図２Ｂは、ゼロベータエネルギー軸に対して図２Ａのプロットを投影することにより見い出されるガンマ線スペクトルを示している。３本の線は全て明瞭に解像されており、８１ｋｅＶで約２６％の分解能実現が報告されている（REEDER−２００４年）。
【００１３】
同時発生の高い検出効率とガンマ線の線に関する受容可能なエネルギー分解能を実現しながらも、現在のＡＲＳＡシステムは多くの欠点を抱えている。具体的には、ＡＲＳＡシステムは、実験室の設定環境では良好に機能するが、その技術を工業製造業者に移転するのは容易でなく、また現場での運転もあまり成功していない。うまくいかないことの原因は、一部には、要求される同時発生の検出を実施するために必要となる複雑な電子機器類に、また一部には、全１２機のＰＭＴの利得を較正するのに必要となる複雑な較正手順に、更に一部には、ＰＭＴ利得の温度と時間に伴ってドリフトする傾向にある。ＡＲＳＡシステムは、遠隔的無人運転を意図しているために、定期的で複雑な較正を要する検出器の設計は容認されない。
【００１４】
上記問題を認識した上で、ＰＮＮＬの科学者らは、図３に概略的に示している新しい取り組み法を記述した論文を最近発表した（ELY−２００３年）。この検出器システムでは、厚さ０．０４インチのＣａＦ2（Ｅｕ）シンチレータ（崩壊定数９４０ｎｓ）１３を厚さ０．２５インチの石英光学ウインドウ１５を介して２インチｘ２インチの円筒形ＮａＩ（Ｔｌ）結晶（崩壊定数２５０ｎｓ）に連結させて構成したホスイッチに、放射性キセノンのセル１２を提供した。次いで、このホスイッチアッセンブリを、単一のＰＭＴ１８に光学的に連結した。図面には、必要な光学的ハウジング及び放射線遮蔽手段を示していないが、それらは当技術では十分に理解されている。上記各寸法とすることで、ＣａＦ2シンチレータは、９００ＫｅＶまでの転換電子とベータ粒子を共に止め、一方、殆どのＸ線とガンマ線は、肉厚のＮａＩ（Ｔｌ）結晶に吸収される。ＰＭＴのアノード出力は、電荷積分前置増幅器２０に接続されており、この増幅器の出力は、デジタル信号プロセッサ２０に送られ、信号プロセッサ２０は、検出器の事象からパルス波形を捕捉し、分析した。この信号プロセッサは、一般に行われているように、積分された前置増幅器の出力パルスの振幅を測定して、あらゆる検出された事象のエネルギーＥを求めるが、更に、パルスの初期傾斜Ｓ（又は立ち上がり時間）も測定するという独特の段階を採った。
【００１５】
図４は、ホスイッチにより捕捉された２つの比較的活動的なガンマ線の痕跡を示している。研究者らは、ホスイッチ内の放射線の相互作用は、それらの信号の立ち上がり時間に基づいて特徴付けることができ、速い立ち上がり時間はＮａＩ（Ｔｌ）内だけの相互作用を、遅い立ち上がり時間はＣａＦ2内だけの相互作用を、そして中間の立ち上がり時間は組合せ又は同時発生事象を示すと提案している。従って、事象毎に、（Ｓ、Ｅ）対が作成され、次いで、図２Ａと同様にプロットされる。図５は、放射性キセノン試料による結果のセットを示している。立ち上がり時間７００ｎｓの下側の水平方向のパルス帯は、ベータ粒子吸収によるＣａＦ2のみの事象に対応している。立ち上がり時間１４００ｎｓの上側の水平方向の帯は、ガンマ線吸収によるＮａＩのみの事象に対応している。ベータ−ガンマ同時発生に対応する「混合」事象は、ＣａＦ2のみの帯とＮａＩのみの帯の間にある傾斜した帯である。
【００１６】
不都合にも、図５に示すように、傾斜は、３つの異なる事象の型式を識別することができるほど正確に解像されておらず、特にエネルギーが低いところはそうである。而して、パルス波形同時発生の検出のこの方法は、ＣａＦ2（Ｅｕ）のみ及びＮａＩ（Ｔｌ）のみの両事象を識別するのには十分に機能するが、放射性キセノン監視に必要なベータ−ガンマ同時発生に対応する組合せ事象は、この方法では程度の劣った識別しかできず、それらのエネルギーは何ら正確に抽出できなかった。従って、筆者らは、改良されたアルゴリズムが開発されたとしても、「単一パルスのベータとガンマの個々の寄与を或る程度の精度で分けるという課題」がなお残ると結論付けた（ＥＬＹ−２００３年）。而して、パルス波形の一致を検出する取り組みでは、元のＡＲＳＡシステムの複雑性が軽減される可能性は示されたが、ＰＮＮＬの研究者らは、その感度と性能が放射性キセノンを監視することに用いた場合の要件を満たすには不十分であることが観測されたことに落胆した。
【００１７】
従って、上で論じたベータ−ガンマ同時発生の様な、同時発生した２つの放射線を感度よく検出したい用途では、図１に示すＡＲＳＡシステムの感度と、図３に示すホスイッチシステムの物理的単純さを兼ね備えた検出器システムであれば好都合である。
【００１８】
【特許文献１】米国仮特許出願第６０／６９５，９４８号
【特許文献２】米国特許第５，３４７，１２９号
【特許文献３】米国特許第５，８７３，０５４号
【特許文献４】米国特許第７，０６５，４７３号
【非特許文献１】ELY-２００３年：J.H.Ely, C.E. Aslseth, J.C. Hayes, T.R. Heimbigner, J.I. McIntyre, H.S. Miley, M.E. Panisko & M. Ripplinger、「ホスイッチ検出器を使用した新規なベータ−ガンマ同時発生の測定」、第２５回地震研究論評、＃６−０１、５３３〜５４１ページ（２００３年）、ＮＮＳＡからオンラインで入手可能であり、ウェブサイトhttps://www.nemre.nnsa/doe.govから「研究レビュー」を選択
【非特許文献２】MCINTRYE−２００１年：「自動化された放射性キセノン試料採取装置／分析器（ＡＲＳＡ）を使用した大気中の放射性キセノンレベルの測定」、J. Radioanalytical & Nuclear Chemistry、２４８、Ｎｏ．３、６２９〜６３５（２００１年）
【非特許文献３】REEDER−１９９８年：P.L. Reeder, T.W. Bowyer, & R.W. Perkins、「Ｘｅ分裂生成物のベータ−ガンマ計数システム」、J. Radioanalytical & Nuclear Chemistry、２３５、Ｎｏ．１〜２、８９〜９４（１９９８年）
【非特許文献４】REEDER−２００４年：P.L. Reeder, T.W. Bowyer, J.I. McIntyre, W.K. Pitts, A. Ringbom, & C. Johansson、「自動化された放射性キセノン分析のためのβ／γ同時発生分光計の利得較正」、Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Ａ５２１，５８６〜５９９
【非特許文献５】RYNES−２００４年：J.C. Rynes, D. Penn & P. Donohoe、「放射性キセノン監視システムの研究と開発」、第２６回地震研究論評、＃６−０２、５８８〜５９７ページ（２００４年）、ＮＮＳＡからオンラインで入手可能であり、ウェブサイトhttps://www.nemre.nnsa/doe.govから「研究レビュー」を選択
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、単一のトランスデューサを使用して、２つの放射線、例えば、ベータ粒子とガンマ線が同時発生であるか否かを判定するための技法、即ち方法と装置の両方を提供しており、これは、トランスデューサにより生成される出力信号を調べ、パルス波形分析技法を使用して、それが第１放射線により発生したものか、第２放射線によるものか、又は両方によるものかを判定することにより行われ、後者の条件であれば、それらが技法の時間分解能内で同時発生したことになる。放射線のエネルギーを同時に測定するために、従来の分析法も用いている。この技法は、これまでの技法の効率及びエネルギー分解能に匹敵するか又はそれを上回ることが示されており、一方で、トランスデューサを１機しか採用していないために、格段に頑丈であり、較正が容易で、製造と保守の費用が低い。
【００２０】
この技法は、ＰＭＴに連結されたホスイッチシンチレータアッセンブリを使用して開発されたが、これは、適切な信号生成特性を有するどの様なトランスデューサ又は検出器の出力にも適用できる。「トランスデューサ」という用語は、それに入射する放射線に基づいて電気信号を提供するアッセンブリを指すのに使用されている。検出器又は検出器アッセンブリという用語も選択できたかもしれない。この特定の事例では、トランスデューサは、ホスイッチと、このホスイッチに光学的に連結されているＰＭＴを含んでいる。
【００２１】
簡単に言えば、この取り組みは、以下の特性を有するトランスデューサを提供することを伴っている。第１に、第１放射線に曝されたとき、このトランスデューサは、第１の、短い時定数τ1を特徴とする出力信号パルスを生成し、好適な実施形態では、その時間積分値又は面積は、公称的に、その放射線のエネルギーに比例する。第２に、第２放射線に曝されたとき、トランスデューサは、第２の、長い時定数τ2を特徴とする出力信号パルスを生成し、そのパルス波形は、公称的に、第２放射線のエネルギーとは無関係であり、やはり好適な実施例では、その時間積分値又は面積は、公称的に、その放射線のエネルギーに比例している。而して、両方の放射線に同時に曝されたとき、トランスデューサは、公称的に上記２つの反応の総和である出力を生成する。トランスデューサの反応は、この方法を機能させるのに特に線形である必要はないが、本技法の精度は、トランスデューサの反応の線形性に伴って向上する。トランスデューサは、以下の動作を行う信号プロセッサに直接連結されている。
【００２２】
第１に、信号プロセッサは、トランスデューサが放射線を吸収したときに生成する出力パルスを検出する。第２に、各検出パルスにおいて、プロセッサは、２つの積分値Ａ1とＡ2を形成するが、第１に、τ1を特徴とする第１積分期間Ｓ1に亘ってＡ1を、そして第２に、τ2を特徴とする第２積分期間Ｓ2に亘ってＡ2を形成する。次に、プロセッサは、２つの積分値を調べて、第１放射線がトランスデューサに吸収されたのか、第２放射線が吸収されたのか、又は両方が吸収されたのかを判定する。後者であれば、トランスデューサの同時吸収事象が検出されたと明らかにされる。トランスデューサが、その出力パルスの面積が放射線のエネルギーに比例するように選択されている場合、上記２つの積分値Ａ1とＡ2は更に、単発か同時発生かを問わず、放射線のエネルギーを求めるのに使用される。従って、本発明の取り組みは、第１に、本発明は積分用の前置増幅器を使用していないこと、そして第２には、本発明は導関数（傾斜）を測定することのみに依存するのではなく、信号積分値を測定する、という２つの態様において、ＰＮＮＬホスイッチに基づく方式とは異なる。これら２つの変更が、非常に良好に機能する検出システムとそうでない検出システムとの差を生み出している。
【００２３】
特定の実施形態は、アナログ信号のサンプル採取された値をデジタル式に合計することにより積分値を形成するというデジタル信号処理を使用している。本出願の文脈では、「積分値」及び「積分」という用語は、その様なデジタル式実施例のみならず、アナログ信号を規定の期間に亘って物理的に積分するというアナログ式実施例も含むものとする。デジタル方式の場合、関係する期間は、より正確には総和期間と呼ばれるが、均一化を期して「積分期間」という用語を使用している。積分期間は、同等に、「積分領域」、「積分間隔」、「積分の領域」などと呼ぶこともできる。また、本発明は、デジタル又はアナログ方式の実施例に限定されるものではない。例えば、参考文献のWARBURTON−２００６年には、アナログ、デジタル、そしてハイブリッドの信号処理実施形態が記載されており、信号処理の正確な実施が重要ではないことが実証されている。
【００２４】
２つの積分期間Ｓ1とＳ2の厳密な設定には、融通性がある。それらは、重なっていても、別々の期間に亘っていても、何れでもよい。重要な点は、我々は２つのパルス波形を識別しようとしているのであるから、この場合は、異なる減衰時間Ｓ1とＳ2を有するものが、２つの異なる波形に対して異なる感度を示すように配置されるべきであるということである。これにより、我々は、それらの積分値を使用して、検出パルス内に、第１波形（減衰時間）が存在するのか、第２波形（減衰時間）が存在するのか、又はその両方が存在するのかを判定することができる。第１の一般的事例（事例１）では、Ｓ1は、トランスデューサのτ1出力パルスが有意な振幅を有する期間に亘り（即ち、パルスが検出されると同時に始まり、その後２乃至４ｘτ1持続する）、Ｓ2は、Ｓ1と同時に始まり、トランスデューサのτ2出力パルスが有意な振幅を有する期間（即ち、２乃至４ｘτ2まで）に亘る。第２の一般事例（事例２）では、Ｓ1は上記と同じで、Ｓ2は、Ｓ1が止むと同時に始まり、上記事例と同じ点で終わるので、Ｓ1と同じ期間を共有することは無い。事例１では、両方の放射線は、両方の面積積分値に寄与するが、他方、事例２では、第２の放射線のみがＳ2に亘る積分値に寄与することになる。
【００２５】
而して、我々は、トランスデューサに１つの放射線しか吸収されなかったのか、又は２つの放射線が吸収されたのかを、より精度よく判定するために、２つの積分値の面積Ａ1とＡ2の２つの線形組合せを形成している。好適な線形組合せは、２つの放射線のエネルギーが推定できるものである。何れのエネルギーもゼロであれば、放射線は吸収されなかったということである。エネルギーを使用すると、同時発生が検出された場合の一方の放射線のエネルギー対他方の放射線のエネルギーを示している図２Ａに類似するプロットを再現することができるようになる。本発明の技法の精度は、τ1とτ2が相当異なる値を有している場合は、例えば１０倍以上異なる場合については、明らかに改善されているが、本技法は、それらの差には実際に何らの拘束も課しておらず、従って、同時発生判定及び放射線のエネルギーの推定値の精度は、τ1とτ2の値が互いに近づくにつれ単純に低下することになる。この方法は、直接積分期間を使用しており、Ｓ1に比して短い時間内に共に入ってくる同時発生放射線に依存している。この判断基準は、後で説明するように、積分期間を、２つの別々の放射線のトランスデューサへの到着と整列するように配置することで、緩和することができる。
【００２６】
第１の実施例では、トランスデューサは、ベータ粒子とガンマ線との同時発生を探すように設計されており、ホスイッチと、ホスイッチに光学的に連結されているＰＭＴを備えており、ホスイッチの第１シンチレータは、τ1が２５ｎｓの高速プラスチックシンチレータＢＣ−４０４の薄い層であり、ホスイッチの第２シンチレータは、τ2が４００ｎｓの結晶シンチレータＣｓＩ（Ｔｌ）の厚い層である。而して、このトランスデューサでは、ホスイッチの構成要素が、放射線のエネルギーを可視光子に変換し、ＰＭＴが、可視光子を我々が分析することになる電気出力パルスに変換する。シンチレータの諸元については、第１層が第１放射線の相当部分を吸収するだけの厚さを有し且つ第２放射線の大部分を透過させるだけの薄さを有すると共に、第２層が第２放射線の相当部分を吸収するだけの厚さを有していることという要件以上に重要なわけではない。材料の選定も、上記厚さの基準が満たされ且つ２つの材料の減衰時間が我々の識別できる程度に異なっている限り、決定的ではない。２つの減衰時間の差が大きければ大きいほど、この処理がより簡単になることは明確であり、他の要因はどれも同程度である。ここで説明している放射性キセノンの検出を目的とした実施例では、ＢＣ−４０４は、厚さが１ｍｍであり、ＣｓＩ（Ｔｌ）は厚さが１インチである。第１積分期間Ｓ1は、ゼロに等しい時刻（パルス検出時）から１００ｎｓ（４ｘτ1）までであり、第２積分期間Ｓ2は、１００ｎｓから１．２μｓ（３ｘτ2）までである。
【００２７】
事例２に基づき期間Ｓ1とＳ2を設定すると、第２放射線のエネルギーの推定値Ｅ2は、Ｅ2＝ｋ2Ａ2から求められ、ここに、定数ｋ2は、第２放射線しか存在しないときにエネルギースペクトルを形成することにより求められる。上記と同じ条件下で、比Ｒ12＝Ａ1／Ａ2も測定され、ここに、Ｒ12は、純粋に第２放射線によるパルスが期間Ｓ1に亘る積分値Ａ1に与える寄与と、それが期間Ｓ2に亘る積分値Ａ2に対して与える寄与との比較に関係する。トランスデューサは、第２放射線のエネルギーとは無関係なパルス波形を生成するように選択されているため、比Ｒ12は、第１放射線が存在する場合も有効であり、我々は、第１放射線のエネルギーの推定値Ｅ1をＥ1＝ｋ1（Ａ1−Ｒ12Ａ2）として計算することができるようになり、ここに、定数ｋ1は、第１放射線しか存在せずＡ2がゼロであるときのエネルギースペクトルを形成することにより求められる。なお、事例１に基づいてＳ1とＳ2を設定した場合、更に、第１放射線しか存在しないときの比Ｒ21＝Ａ2／Ａ1を測定できるはずであり、次いで、Ｅ2＝ｋ2（Ｒ21Ａ1−Ａ2）を求めることができることに注目されたい。
【００２８】
次いで、トランスデューサが、第１放射線を吸収したのか、第２放射線を吸収したのか、或いは両方を同時に吸収したのかの判定が、Ｅ1が非ゼロである、Ｅ2が非ゼロである、或いは両方が非ゼロである、か否かに基づいて下される。吸収された第１及び第２放射線のエネルギーの推定値Ｅ1及びＥ2は、第１及び第２出力パルスの面積が第１及び第２放射線のエネルギーにおいて線形となる範囲に依存している。また、基線が非ゼロオフセットを有している場合、基線積分値Ａbをパルスが検出される前の時間Ｓbに亘って取り、先の計算でＥ1とＥ2を算出する前に、ＡbＳ1／ＳbをＡ1から引き、ＡbＳ2／ＳbをＡ2から引くことで、測定の精度は一層高まる。この設計の試作品ホスイッチ−ＰＭＴトランスデューサは、８０ｋｅＶでエネルギー分解能１７％を生み出しており、これは、元のＡＲＳＡシステムにより実現された２７％に勝る有意な進歩である。
【００２９】
この第１の実施例は、測定対象の放射線を発している試料が平坦であって、１つの側からしかアプローチできない場合に採用されるのが最も適切である。一般に、２つのシンチレータの厚さと直径は、第１シンチレータが第１種（ここではベータ粒子）の殆どの放射線を有効に止める一方で、第２種（ここではガンマ線）の殆どの放射線を透過させることができるように、そして第２シンチレータが、第２種（ここではガンマ線）の放射線を有効に捕捉することができる寸法となるように、調整される。しかしながら、放射線は、通常、４π立体角にランダムに放射されることから、この設計の効率は限定される。従って、第１放射線が、トランスデューサによって占められている２πの半空間に入射するランダム的偶然性は５０％しかなく、第２放射線のランダム的偶然性も同様である。而して、トランスデューサが両方の放射線の捕捉に１００％の効率を発揮できるとしても、同時発生の検出効率は、２つの確率の積である２５％にしかならない。従って、第２の実施例は、測定対象の試料が、気体の様な物質である事例、即ち一方の側から測定しなければならないという拘束に囚われない事例に高い効率を発揮するように設計されている。
【００３０】
第２の実施例では、トランスデューサは、ガス状の放射性キセノン試料から放射されるデータ粒子とガンマ線の間の同時発生を探すように設計されており、これも、ホスイッチと、ホスイッチに光学的に連結されているＰＭＴを備えている。この事例では、第１シンチレータは、ＣｓＩ（Ｔｌ）のシリンダ内に内蔵されたＢＣ−４０４の中空殻であり、試料の放射性キセノンはこの内側の殻内に置かれる。放射性キセノン検出の或る好適な実施形態では、内側のＢＣ−４０４の殻は、外径２５ｍｍ、壁厚１ｍｍの球である。外側のＣｓＩ（Ｔｌ）シリンダは、直径７５ｍｍ、高さ７５ｍｍである。ＣｓＩ（Ｔｌ）シリンダの一方の面は、光学結合用コンパウンドを用いて同一直径のＰＭＴに連結されており、残りの面は、鏡面反射率が高い材料で覆われている。先の第１実施例の事例で論じたように、この設計には他の材料も有効に使用することができる。
【００３１】
上記寸法は何れも決定的なものではない。内側の球は、単に試料の気体量を保持するに足る大きさであればよいが、一方、その壁厚は、試料が発するＸ線及びガンマ線を過剰に捕捉すること無く、試料から発せられるベータ粒子の大部分を捕捉するに適切でなくてはならない。１乃至３ｍｍの範囲内の厚さであれば、どれも極めて有効である。外側のシリンダの寸法は、試料が発するＸ線とガンマ線を効率よく捕捉することができる大きさでありさえすればよい。つまり、選択される値は、一方では効率を高めること、他方では寸法が大きくなればＣｓＩ（Ｔｌ）シンチレータ及びＰＭＴの費用並びにバックグラウンド検出率が高くなること、の間での工学的なトレードオフで決まる。上記２つの物質の時定数は、第１実施例のものと同じなので、方法の残り部分も同じである。なお、２つのシンチレータの形状さえも決定的なものではないことを記しておく。我々は、例えば、内側の殻もシリンダである設計を検査して、我々の好適な実施例と同程度の効率を有する設計を実現している。
【００３２】
検出器における２つの放射線の到着の間の同時発生時刻が、Ｓ2に比べて最早短くなくなった場合、更に高性能のパルス波形分析が要求される。上記事例では、その位置が固定されている領域Ｓ1及びＳ2に亘って積分を行うのではなく、我々は、自分達の弁別器を第１閾値との比較に使用して、パルスの到着を確認し、領域Ｓ2の開始を設定する。次に、閾値を第２の、より大きな値に設定して、高速成分の到着を探し、それが検出されると、Ｓ2の開始後の時間δの位置であるその位置にＳ1を設定する。積分値Ａ1とＡ2はここで双方の減衰時間により影響を受けるため、上記事例１の場合と同じく、エネルギーＥ1とＥ2に関する２つの一次方程式をＡ1とＡ2の項で解く必要があり、その差、即ち係数は、今度は測定値δに依存する。
【００３３】
また、２つのパルス波形が、弁別器が間隔δを信頼度高く検出できるほどに異なっていない状況では、我々は、デジタル方式で検出器のパルス出力を捕捉し、ｙ（ｉ）＝Ｅ1Ｔ1（ｉ−δ）＋Ｅ2Ｔ2（ｉ）の形式の関数を使用してそれフィッティングするが、ここに、Ｔ1（ｉ）は、単位面積を有する第１出力パルス波形のテンプレートであり、Ｔ2（ｉ）は、単位面積を有する第２出力パルス波形のテンプレートであり、δは、２つの放射線の到着時刻の差であり、Ｅ1とＥ2はそれらの面積（エネルギー）である。これまで同様、我々は、第１放射線が存在するのか、第２放射線が存在するのか、或いは両方が存在するのかを、Ｅ1、Ｅ2、又は両方が非ゼロであるか否かに基づいて判定する。
【００３４】
他の実施例は、シンチレータを読み出すのにＰＭＴに代えて光ダイオード又は他の装置を使用してもよいし、照射を受けると電気パルスを直接発生させる他の検出器材料に適した増幅器を使用してもよい。トランスデューサは、例えば、アルファ、ベータ、及びガンマ放射線の間の同時発生を検出するために、異なる時間特性を有する３つ以上の材料で構成され、即ち、異なる場所から到着する放射線の同時発生を判定するために、主に異なる方向からの放射線に対する感度を有する検出器を幾何学的に配置して構成してもよいし、それぞれの放射線の型式（例えば、ＣｓＩ（Ｔｌ）毎に異なる時間特性を有するパルスを発生させる単一のシンチレータで構成してもよいし、同一の型式であるがエネルギーが異なる放射線に対し異なる時間特性を有するパルスを発生させる１つ又はそれ以上の材料で構成してもよいし、或いは、上記及び他の実施例の組合せでもよい。
【００３５】
本発明の性質と利点の更に深い理解は、本明細書の残りの部分及び添付図面を参照することによって認識されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
本出願は、２００５年７月１日出願の米国特許出願第６０／６９５，９４８号、発明者、William K. Warburton、 Michael Momayezi、 Hui Tan、Wolfgang Hennigによる「パルス波形分析による単一トランスデューサ内同時発生放射線の検出」に関する優先権を主張すると共に、その全開示内容を（添付書類を含め）あらゆる目的で参考文献として援用する。
【００３７】
エネルギー省により授与された契約第ＤＥ−ＦＧ０２−０４ＥＲ８４１２１号に従い、本発明の権利は米国政府が有する。
【００３８】
１．平坦な試料と共に使用するための実施例
１．１物理的性質
図６は、公称的には平坦な面から発せられる各放射線の間の同時発生を検出することを意図し、ＰＭＴ２６に取り付けられたホスイッチ２５を含んでいるトランスデューサ２４を備えている、本発明の実施形態の概略図を示している。このトランスデューサの出力は、積分前置増幅器無しに、直接、信号プロセッサ３０に送られる。ホスイッチ２５は、第１シンチレータ３２の薄い層が、第２の厚いシンチレータ３３に光学的に連結されて構成されており、この第２シンチレータ３３はＰＭＴ２６に光学的に連結されている。ホスイッチの全ての面には、ＰＭＴに取り付けられている一面を除き、光反射層３５の被覆が施され、通常は薄いアルミニウムで作られている防護用ハウジング内に密閉されている。シンチレータを一体に、そしてＰＭＴに、光学的に連結すること、並びに効果的な反射層を施すことの詳細は、当技術では広く知られている。同様に、適切な速度と線形性を有するＰＭＴを選択すること、並びに各シンチレータによって発せられる光の波長と良好に整合させることの詳細についても、当技術では広く知られている。
【００３９】
２つのシンチレータは、用途と技法の要件に基づき選定された。我々の第１の要件は、それらが有意に異なる減衰時間を有することである。「有意に」の意味は、方法の動作を説明するにつれて明らかになるであろう。本発明が最初に考案された際の目的であった、放射能を持つキセノン（放射性キセノン）由来の放射線を検出するという事例では、我々は、ベータ粒子と、同時発生のＸ線とガンマ線、の両方を検出したいと考えている。半減期が興味を引くほどに長いキセノン同位元素（131mＸｅ、133gＸｅ、133mＸｅ）では、ベータエネルギーは４５乃至３４６ｋｅＶの範囲にあり、Ｘ線エネルギーは３０又は３１ｋｅＶであり、ガンマ線エネルギーは８１ｋｅＶである。
【００４０】
従って、第１シンチレータは、４５〜３４６ｋｅＶのエネルギーを有するベータ粒子を実質的に吸収し、同時にＸ線とガンマ線の殆どを透過させるように設計せねばならない。厚さ１ｍｍの高速プラスチックシンチレータＢＣ−４０４は、上記制約に非常に良く合致する。第１に、ＢＣ−４０４は、減衰時間が２５ｎｓ未満である。第２に、密度が低いために、厚さ１ｍｍであれば、それらベータエネルギーを完全に吸収し、一方、３０ｋｅＶという低いエネルギーのＸ線であっても、吸収されるか中でコンプトン散乱を起こすのは５％未満である。ＢＣ−４０４は、Bicronからの特定のポリビニルトルエンを主材料とするシンチレータ材料である。他の族員も、Bicronからのものが匹敵する材料として利用できる（例えば、Eljen Technology社によるＥＪ−２００）。上記材料の全て、並びに他の高速プラスチック、又はＹＡＰ（Ｃｅ）の様な高密度高速結晶シンチレータの非常に薄い部分でさえ、有効に使用できるはずである。
【００４１】
第２シンチレータの材料については、我々は、入手が容易であり、４００ｎｓというその減衰時間がＢＣ４０４の減衰時間よりも遙かに長い時間であり、光出力とエネルギー分解能が高く、Ｘ線とガンマ線を止める能力が高いことから、ＣｓＩ（Ｔｌ）を選択した。同様に、ＮａＩ（Ｔｌ）又はＢＧＯの様な他の高密度シンチレータをＣｓＩ（Ｔｌ）に置き換えることもできるが、長い減衰時間と高い光出力及び比較的低い費用を併せ持つことから、ＣｓＩが好適である。
【００４２】
我々は、直径２５．４ｍｍ、長さ２５．４ｍｍのシリンダを選定したが、これは、単に、入手が容易なことと、その直径が安価なＰＭＴと一致しているという理由による。最適化された設計では、著しく薄い片を使用しても、なお８１ｋｅＶのガンマ線を完全に吸収するはずである。ＢＣ−４０４の直径も２５．４ｍｍであり、ＣｓＩ（Ｔｌ）及びＰＭＴと一致した。ＰＭＴは、ハママツＲ６０９５であった。反射性を良くするために、ホスイッチはテフロン（登録商標）に包んだ。重要なホスイッチのパラメータは、従って、２つの減衰時間、即ち、ＢＣ−４０４による２５ｎｓのτ1と、ＣｓＩ（Ｔｌ）による４００ｎｓのτ2である。試験では、我々は、薄くアルミニウムを被覆したマイラー袋に、純粋な133Ｘｅを充填して、それをホスイッチの面に接触させて置き、アッセンブリ全体を、厚さ２インチの壁を有する暗い鉛の洞の中に入れた。
【００４３】
設計は以下のように機能し、ＢＣ−４０４とＣｓＩ（Ｔｌ）からの光が互いに光学的に隔離されているのではなく、ここではそれらが共に同じＰＭＴによって処理されるという点で、ＡＲＳＡシステムの動作とは相違している。放射性キセノンガスによって放射されたベータ粒子は、プラスチックシンチレータ内で止められ、その結果である光出力は次にＣｓＩ結晶を透過してＰＭＴに到る。Ｘｅ崩壊によるＸ線とガンマ線は、吸収損失が殆ど無い状態でプラスチックシンチレータを通り抜け、ＣｓＩで光吸収され、そのシンチレーション光もＰＭＴに到る。本設計でのようにＢＣ−４０４の厚さが正しく選定されると、殆どのＸ線が通り抜けるのを許容しながら、ベータ粒子の殆どを止めることができる。ここで我々は、ホスイッチベースのトランスデューサから入ってくるパルス波形を分析することによって、放射線は、ＣｓＩ内で相互作用したのか、ＢＣ−４０４内で相互作用したのか、或いは両方で相互作用したのかを、我々がどの様にして突き止め、而してベータ−ガンマの同時発生をどの様にして検出するのかを実証する。
【００４４】
従来の核処理電子機器（例えば、積分前置増幅器及び整形増幅器）は、我々のホスイッチ設計では効率よく使用できないことが観測されている。これは、従来のシステムはＰＭＴパルスを積分し整形した後に、そのピーク値から各パルスのエネルギーを求めるからである。しかしながら、整形処理で、ほぼ全ての時間の構造情報が失われることになる。本事例では、信号プロセッサ３０に、我々はＰｉｘｉｅ−４デジタル信号プロセッサを使用した（カリフォルニア州ヘイワードのXIA LLCから入手可能）。このデジタル信号プロセッサは、対照的に、ＰＭＴパルスを直接デジタル化するので、全ての不可欠な情報が保存される。次いで、ＰＭＴパルスのデジタルコピーが異なるフィルタによって処理され、パルス内の異なる時間間隔について特定の情報が再生される。このことは、適当なアナログ信号処理を使用したのでは、本方法を実施することはできない、ということを示唆しているわけではない。何れ明らかになるように、この方法は、一旦、理解されれば、例えば、適切に構成された対のゲート式積分器を使用して、明解に実施されるはずである。我々は、結果としての信号処理が標準とは明確に異なるものになることを強調したいだけである。
【００４５】
１．２．ホスイッチパルス波形
図７は、図６に示すホスイッチ−ＰＭＴトランスデューサを、ベータ線、ガンマ線、及び両方を同時に放射する放射性キセノンの様なソースに曝したときに、トランスデューサによって捕捉された典型的な痕跡を示している。１００ｎｓを僅かに超えて崩壊している非常に短いパルスは、ＢＣ−４０４がベータ線による刺激を受けたときのものである。凡そ１００ｎｓの立ち上がり時間を有し、数マイクロ秒に亘って崩壊する、より長いパルスは、ＣｓＩ（Ｔｌ）がガンマ線による刺激を受けたときのものである。「組合せ事象」パルスは、両方が同時に刺激を受けたときに立ち上がり、本発明の特定の要件、即ち同時に両方の放射線による刺激を受けたときに、ホスイッチの応答が、少なくとも近似的には、個々の放射線に対する応答の総和になることを実証している。本実施例では、２つの光発生機構が互いに独立しており（即ち、別々のシンチレータ）、光収集効率がそれらの固定された幾何学形状だけによって決まることから、近似は本質的に恒等式である。
【００４６】
なお、ＢＣ−４０４成分は、ＣｓＩ（Ｔｌ）成分がその最大値に達する前に完全に崩壊していることに着目されたい。而して、図から明らかなように、２つのパルスは、時間的特性が非常に異なっている。この特性は、設計によるものであり、本発明を成功裏に機能させる要因の１つである。２つの極端な事例が、立ち上がり時間で約２倍相違しているだけの先行技術（図４）に比較して、本事例では、２つのパルス型式は、立ち上がり時間が異なるだけでなく、その持続時間も３０倍以上異なっている。この減衰時間の差は、ＣｓＩ（Ｔｌ）がＢＣ−４０４より遙かに明るい（即ち、吸収されたエネルギーのより多くの光子／ｋｅＶを放射している）にも関わらず、そのピーク振幅は実際には極めて小さいことを意味している。
【００４７】
本事例のパルスを立ち上がり時間によって分離することも、図８に示しているように、実際に可能であり、同図で、我々は、下に説明するようにして捕捉したパルスのセットから計算した１０〜９０％立ち上がり時間のスペクトルを示している。この事例では、クロックサイクルは１３．３３ｎｓであり、従って、ＢＣ−４０４の成分を有するパルスは、２５ｎｓを中心とする立ち上がり時間を有しており、低速のＣｓＩ（Ｔｌ）パルスは、約６５〜１３０ｎｓの範囲の立ち上がり時間を有している。２つの分布ははっきりと分かれており、分布は、低速のＣｓＩ（Ｔｌ）（即ち、ガンマのみ）パルスと、ＢＣ−４０４成分を有するあらゆるパルス（即ち、ベータのみと同時発生パルスの両方）、という２つの分布しか存在しない。後者は、ベータ−ガンマ同時発生を検出するために分離させる必要があり、それを行うための我々の好適な方法は、ガンマのみのパルスを明快に切り離すので、我々は、放射性キセノンの測定事例では、我々の好適な実施例から、立ち上がり時間の測定を省いている。しかしながら、その技法は他の測定では好都合なので、我々は、その技法をツールキットの中に保持している。
【００４８】
ＢＣ−４０４とＣｓＩ（Ｔｌ）の減衰時間の間に極めて大きな相違があることは、上記２つの放射線の間の識別の処理を大幅に単純化する一方で、最良のエネルギー分解能を得るために慎重に取り扱わねばならないダイナミックレンジの問題をもたらす。何れの放射性キセノン同位元素であれ、そこから到達する最大のベータ粒子エネルギーは９０５ｋｅＶであり、これによって、ＢＣ−４０４が出力することになる最大パルス振幅が設定される。他方、最少振幅パルスは、ＣｓＩ（Ｔｌ）が放射された３０ｋｅＶのＸ線を吸収したときに、ＣｓＩ（Ｔｌ）によって出力される。我々のアナログ対デジタル変換器は、従って、ＣｓＩ（Ｔｌ）の波形を正確に捕捉できるだけのビットを有すると共に、上記範囲を対象として含んでいなければならない。
【００４９】
１．３．ダイナミックレンジの諸問題
Ｐｉｘｉｅ−４の利得を５に設定し、ＰＭＴを９００Ｖで作動させて作業を行い、我々は、６６２ｋｅＶのガンマ線が、振幅５００ＡＤＣステップのＣｓＩ（Ｔｌ）出力パルス（０．７６ＡＤＣステップ／ｋｅＶ）を発生させ、一方、エネルギー３００ｋｅＶのベータ線が、３０００ＡＤＣステップのＢＣ−４０４出力パルス（１０ＡＤＣステップ／ｋｅＶ）を発生させ、比は１３／１となることを突き止めた。この比を小さくするために、我々は、Ｐｉｘｉｅ−４への入力帯域幅を、ナイキスト値で通常の３７．５ＭＨｚ、８ｄＢから２０ＭＨｚ、８ｄＢに減じた。この変更が高速ＢＣ−４０４パルスに及ぼした効果は図９を見れば明らかなように、同じＢＣ−４０４パルスが同時に２つのＰｉｘｉｅ−４チャネル、即ち元の帯域幅を有する「高速」チャネルと減じた帯域幅を有する「低速」チャネルとを通して同時に捕捉されているのが解る。図示のように、パルスの振幅は、凡そ半分に削減されており、一方、パルス持続時間は５サンプルから９サンプル（６７ｎｓから１２０ｎｓ）に増加している。やはり高速チャネルと低速チャネルを通して同時に取られた低速のＣｓＩ（Ｔｌ）パルスを示している図１０から明らかなように、ここで唯一目立った効果は、痕跡の高周波ノイズを減少させることである。従って、帯域幅の縮小は、ＢＣ−４０４とＣｓＩ（Ｔｌ）の両パルスの間のダイナミックレンジを縮小させ、ＣｓＩ（Ｔｌ）信号のノイズを減少させ、更に、ＢＣ−４０４サンプルの個数を増やし、ＢＣ−４０４パルス面積の我々の測定値の精度、ひいては我々の高速チャネルのエネルギー推定値の精度を高めることになる、という理由から有益である。
【００５０】
我々の電子機器は、従って、以下のように設定されている。Ｐｉｘｉｅ−４は、１４ビットＡＤＣサンプリングを７５ＭＨｚで行う（１３．３３ｎｓ間隔）。その利得は５で、これは２０ＭＨｚ、８ｄＢに制限された帯域幅である。ＡＤＣのダイナミックレンジは２14＝１６，０００である。３００ｋｅＶのベータ線は、約１５００ＡＤＣステップのパルス高さを発生させるので、最大ベータ線エネルギー９０５ｋｅＶは、４，５２５ＡＤＣステップのパルス高さを作り出す。６６２ｋｅＶのガンマ線でさえ５００ＡＤＣステップを発生させるので、３０ｋｅＶの最小Ｘ線エネルギーは、振幅２３ＡＤＣステップのパルスを作り出す。これはやや低いが、それでもＰＭＴのノイズ下限よりかなり上である。本実施形態に関して説明している他の作業は上記設定を使用しているが、利得は約３倍に増加させることができるのは既に明らかである（Ｐｉｘｉｅ−４の利得を１５に上げるかＰＭＴ電圧を幾らか上げるかの何れかによる）。この場合、最大ベータ線は、オフセットと同時発生痕跡総和用として適切なオーバーヘッド分が残る振幅１３，５７５ＡＤＣステップ（最大の約８３％）のパルスを作り出すことになり、３０ｋｅＶのＸ線は、６８ＡＤＣ単位という更に満足なＣｓＩ（Ｔｌ）パルス高さを作り出す。
【００５１】
２つの光の成分が大きすぎて単一のＡＤＣでは首尾よく取り扱えない場合でも、ＰＭＴ出力信号をバッファして、それを、利得が第１シンチレータからの信号のダイナミックレンジに対応するように設定されているものと、利得が第２シンチレータからの信号のダイナミックレンジに対応するように設定されているものの、２つの独立したデジタル化チャネルで処理するのが、完璧にうまくいくことを注記しておく。以下に説明するパルス波形分析の各段階に必要となる総和は、別々のチャネルから得られ、分析の残りの部分は説明した通りに行われ、無論、利得の差に合わせて適切な調整が加えられる。
【００５２】
１．４．成分エネルギーを抽出するためのパルス波形分析
図１１、図１２、及び図１３に関する以下の説明では、プラスチック（例えばＢＣ−４０４）及び結晶（例えばＣｓＩ（Ｔｌ））を示すのに下付き文字の「ｐ」及び「ｃ」をそれぞれ使用し、基線の補正を目的とした事象前の積分期間に関連して下付き文字「０」を使用することにする。下付き文字「β」及び「γ」は、ベータ放射線とガンマ放射線を示す。基線補正を目的とする加算積分（総和）の形成は望ましいが、本発明の重要な態様ではない。
【００５３】
図１１は、ＢＣ−４０４シンチレータのベータ線の吸収により生じた孤立している出力パルスを示す、図７の繰り返しである。その１０〜９０％立ち上がり時間は約２５ｎｓであり、その全持続時間は約１０サンプル分、すなわち１３３ｎｓである。パルスの面積を測定したいのであれば、それは、シンチレータの全光出力を測定することであり、且つ公称的には、典型的なシンチレータのベータ線エネルギーに比例するものであるが、我々は、このパルス面積の測定が、バックグラウンドよりも際立って上にある図のΣpと表示されている期間に亘るパルス値の総和Σβp（下付き文字βは「ベータのみ」、ｐは「プラスチック」の意）を形成し、次に、パルス以前の基線期間中に設けられている等しい長さのΣ0pと表示されている期間に亘る値の総和Σ0p（下付き文字「０」は基線）を減算することによって容易に行えることを見い出した。パルス立ち上がりエッジに関する積分期間の設定は、通常、弁別器閾値に対する交差を使用して、立ち上がりエッジを検出することによって処理されるが、この方法並びにそうするための他の方法は当技術では広く知られている（例えば、WARBURTON−１９９９年、及びWARBURTON−２００３年）ので、詳細には説明しない。次に、既知のエネルギーの粒子で較正測定を行うことによって、
【００５４】
【数２】
2009500608.tif 000004
と書き表すことができ、ここに、ｋpは較正により求められた正規化定数、Σ′βpは基線補正積分である。この手続きがどの程度正確かは、無論、使用されるシンチレータの材料と、励起エネルギーを伴う光出力の線形性によって異なる。数量Ｅpは、無論、常に曲線より下の面積の測定値として算出することができる。
【００５５】
基線補正の問題には更なる解説が必要である。通常、パルスが無ければＰＭＴの出力は基本的にゼロなので、本発明の作業で典型的な非常に低い計数率の場合、基線補正は必要ない。但し、ＰＭＴとＡＤＣの間の電子機器が何らかの直流オフセットに寄与している場合は、補正は有効になる。また、多くのシンチレータはリン光も表示するので、それらは初期に刺激された後長時間に亘って非常に低いレベルで発光し続けることに注目されたい。その場合も、基線補正は、面積測定の精度を高める。また、デジタルパルス処理に共通のこととして、基線補正の精度は、図示の単一の基線測定値を、信号が基線に在ることを信頼性高く判定された初期の時点に取られた複数の基線測定値の平均に置き換えることによって高めることができることにも注目されたい（WARBURTON−１９９９年、WARBURTON−２００６年）。
【００５６】
図１２は、ＣｓＩ（Ｔｌ）シンチレータのガンマ線の吸収により生じた低速出力パルスを示している。プラスチックシンチレータの場合と同様の議論と割当を行うことで、結晶質ＣｓＩ（Ｔｌ）シンチレータに蓄積されたエネルギーＥc（下付き文字γは「ガンマのみ」、ｃは「結晶」の意）を、
【００５７】
【数３】
2009500608.tif 000005
として推定することができ、ここに、正規化定数ｋcは、ＣｓＩ（Ｔｌ）を既知のエネルギーのガンマ線に曝すことによって求められ、Σ′γcは、基線補正積分である。
【００５８】
次に、組合せパルスの事例であるが、先ほど説明した（事例１）Ｓ1及びＳ2の設定に関しては、両方の積分値は両方の放射線からの項を含んでいる。而して：
【００５９】
【数４】
2009500608.tif 000006
となり、ここで、我々は、数式２及び３を使用して、エネルギーＥγとＥβを得るために、Σ′γcとΣ′βpを抽出したいと考えている。これを達成するために、我々は、ホスイッチの各シンチレータの反応は共に、互いに独立しており、公称的にはそれが吸収する放射線のエネルギーとは無関係であるという原則を使う。即ち、ＣｓＩ（Ｔｌ）信号の波形は、ＣｓＩ（Ｔｌ）が吸収するエネルギーには依存せず、或いは、ＢＣ−４０４が何らかの放射線と、そして同様にＢＣ−４０４信号の波形と、相互作用しているか否かには無関係である。これにより我々は、２つの比を：
【００６０】
【数５】
2009500608.tif 000007
と定義することができ、数式４は、
【００６１】
【数６】
2009500608.tif 000008
と書き直され、測定されたΣ′cとΣ′pの項のΣ′γcとΣ′βpを求めることによって、ＥγとＥβの解を求める。
【００６２】
【数７】
2009500608.tif 000009
それらの定義により、定数Ｒγpは、ホスイッチがガンマ線のみによって励起されたときの比Σ′p／Σ′cを測定することによって求めることができ、一方、定数Ｒβcは、ホスイッチがベータ線のみによって励起されたときの比Σ′c／Σ′pを測定することによって求めることができる。なお、積分期間Ｓ1が、高速プラスチック応答を完全に積分できるだけ長く、完全にＳ2内に含まれているという特別な事例では、Ｒβcは完全に１に等しいので測定の必要はないことは注目に値する。
【００６３】
数式７では、積分（総和）Σ′pとΣ′cは、共に両放射線からの寄与を内包しているので、両シンチレータからの光出力変動が、両測定のエネルギー分解能に寄与する。通常、それらの測定では、ベータ線エネルギーの精度は、それが通常は鋭いスペクトル線を持たないことから、重要ではない。他方、ガンマ線スペクトルは、通常は鋭い線を有しており、それらの分解能が高いほど、不要な事象を拒絶する比率が更に高まることになる。従って、我々の好適な実施例では、積分期間Σ0、Σp、及びΣcを図１３に示すように定義し直し、ここに、これら積分期間の長さは、それぞれＬ0、Ｌp及びＬcである（事例２）。これらの期間は、必ずしもというわけではないが通常は連続的であり、Ｌpは、高速ＢＣ−４０４パルスの全面積を丁度捕捉できるだけの長さであり（例えば、１３３ｎｓすなわち１０サンプル分）、Ｌcは、ＣｓＩ（Ｔｌ）パルスの十分に大きな部分を捕捉して良好なエネルギー分解能を作り出せるだけの長さであり（例えば、２μｓ）、Ｌ0は、Σcに対する正確な補正を提供できるだけの長さである（例えば、２μｓ以上）。当業者には自明のように、他のホスイッチ材料については、上記長さは、最適な結果を得るために他の値に調整される。
【００６４】
分析は先のように進行するが、ここで、Σ′pに対するベータ放射線の寄与がない場合は、Ｒβcはゼロに等しい。而して、数式７は、
【００６５】
【数８】
2009500608.tif 000010
のように単純化され、ここでは、純粋なガンマ線源で測定される単一の比Ｒγpしか存在せず、基線補正面積は、
【００６６】
【数９】
2009500608.tif 000011
及び
【００６７】
【数１０】
2009500608.tif 000012
となる。
必要に応じて、長さの比Ｍc0とＭp0は、共に（１／２n）となるように選定され、こうすれば、必要となる乗算は、ビットをシフトさせることによりゲートアレイで自明的に実施される。
【００６８】
事例１又は事例２何れかのＳ1及びＳ2設定を使用すると、３つの可能な場合｛ベータのみ、ガンマのみ、ベータとガンマの同時発生｝を、Ｅβ、Ｅγ、或いは両方が非ゼロ（適切な閾値を上回る）であるか否かに注目することによって、直接的に識別できるようになる。而して、Ｅγがゼロに等しければ、ベータのみの場合に相当し、Ｅβがゼロに等しければ、ガンマのみの場合に相当し、両方が非ゼロであれば、同時発生の場合に相当する。このようにして、我々は、２つの放射線（ベータ線とガンマ線）が、時間的に一致しているか否かを、ホスイッチベースのトランスデューサの異なる場合に応じた出力の波形分析（エネルギー測定）によって判定することができたのである。
【００６９】
図１４は、ＣｓＩ（Ｔｌ）パルスを使用した比Ｒγpの測定結果を示している。図示のように、ＣｓＩ（Ｔｌ）は、かなり線形のシンチレータであり、ガンマ線パルスエネルギーの広い範囲に亘って単一のフィッティング定数を採用することができる。上で論じたように、定数ｋpとｋcは、トランスデューサを、順に、既知のエネルギーのベータ線とガンマ線の両方に曝して、生のΣ′cとΣ′βp値のスペクトルをプロットし、既知のピークを識別し、倍率定数を抽出することによって求められる。都合のよいベータ線源が手に入らない場合は、コンプトン散乱を使用してｋpを求めてもよい。この方法では、トランスデューサを、単一エネルギーのガンマ線源に曝して、同時発生パルスをΣ′βp対Ｅγのグラフにプロットする。同時発生の主要なソースは、散乱してＢＣ−４０４からＣｓＩ（Ｔｌ）に入射するガンマ線であろう。最も一般的なコンプトン散乱事象は、ガンマ線の全エネルギーＥfを２つのシンチレータの間に分割するので、これらの事象は、Ｅγ軸上のＥfとΣ′βp軸上のΣ′βp（Ｅf）の間に直線を形成する。ここで、ｋpは、Σ′βp（Ｅf）をＥfに縮尺合わせする値である。図１５は、この好適な実施例のホスイッチを、137Ｃｓによる６６２ｋｅＶのガンマ線に曝すことにより作ったその様なプロットを示している。直線は、コンプトン散乱事象を示しており、６６２ｋｅＶのガンマ線とベータ線両方のエネルギー軸に交差している。これは、１３２プラスチック面積単位と６６２ｋｅｖの間の同値関係、即ち約５ｋｅＶ／面積単位を確立している。
【００７０】
１．５．放射性キセノン測定への応用
この実施例を試験するため、図６に示し上で説明したように、我々は、133Ｘｅの試料からデータを収集した。133Ｘｅは、半減期が５．２４日であり、主に、８１ｋｅＶでガンマ線（３７％）を、３１ｋｅＶでＸ線（４８．９％）を、終点エネルギー３４６ｋｅＶのベータ線（９９％）を、そして４５ｋｅＶ（５４％）で転換電子を放射する。図１６はデータを示している。検出された事象毎に、我々は、数式８と９から得たΣ′c対Σ′βpをプロットした。データに対しては一切の切除を行わず、較正定数ｋc及びｋpはまだ適用していない。図示のように、６ＡＤＣ単位（３０ｋｅＶ）プラスチックエネルギー未満の値で、ＣｓＩ（Ｔｌ）軸に近接して点の集合が見られる。それらの点は、公称的にはＥβがゼロに等しい点である（即ち、ガンマのみの事象）。２０ＡＤＣ単位（１２ｋｅＶ）ＣｓＩ（Ｔｌ）エネルギー未満の値で、ＢＣ−４０４軸に近接して第２の点の集合が見られる。それらの点は、公称的にはＥγがゼロに等しい点である（即ち、ベータのみの事象）。最後に、Σ″cが４７及び１２２に等しい箇所に２つの水平方向の集団が見られるが、それらは共に結晶及びプラスチックエネルギーを有している。標示しているように、８１ｋｅＶと３１ｋｅＶのガンマ線エネルギー付近に同時発生事象が見られる。このことは、本実施例が同時発生事象の検出を明白に達成できており、それらガンマ線とβ線エネルギーも測定できることを実証している。
【００７１】
本実施例のエネルギー分解能を評価するために、我々は、Ｅβが６ＡＤＣ単位に等しい所とＥγが２０ＡＤＣ単位に等しい所で切ったものを使用して、３つの型式の事象を「プラスチックのみ」（Ｅγ＜２０ＡＤＣ単位）、「ＣｓＩのみ」（Ｅβ＜６ＡＤＣ単位）、及び「同時発生」（Ｅγ＞２０ＡＤＣ単位且つＥβ＞６ＡＤＣ単位）に分けた。次に、我々は、図１７Ａに示すように、「ＣｓＩのみ」（Ｅc0）と「同時発生」（Ｅcb）の両方をＥγ軸上に投影した。我々は、同様に、図１７Ｂに示すように、「プラスチックのみ」（Ｅp0）と「同時発生」（Ｅpb）の両方をＥβ軸上に投影した。
【００７２】
ＣｓＩから得た「ＣｓＩのみ」スペクトル図１７Ａでは、３１ｋｅＶと８１ｋｅＶに２つの主要な線が見られるが、これに加え、高エネルギーのバックグラウンドγ放射線による高エネルギーのコンプトンバックグラウンドがこのプロットの範囲より上に存在している。３１ｋｅＶ帯は、１２ｋｅＶより下に存在する「プラスチックのみ」事象からうまく分離されている。「同時発生」ガンマ線スペクトルでは、我々は、この設計（一方の側からの測定による最大理論検出率２５％）の比較的劣った幾何学的効率のせいで振幅が縮小されている２つの同じピークを確認しているが、コンプトンバックグラウンドは実質的に排除されており、１又は２個、まれに３個という比較的少数のチャネルしか数えられていない。８１ｋｅＶピークの分解能は、ＣｓＩのみの事象で１６．９％、同時発生事象では１７．１％であり、このことは、パルス波形分析アルゴリズムの適用によるガンマ線エネルギー分解能の実質的な劣化はないことを示している。なお、同時発生スペクトルにおいてさえ、比較的劣悪な統計データにもかかわらず、４５ｋｅＶのスペクトルに、８１ｋｅＶからのＣｓ脱出ピークがはっきりと確認できることに注目されたい。事実、この実施例を使用して８１ｋｅＶで得られたエネルギー分解能（１７．１％）は、元のＡＲＳＡシステムにおいて同じエネルギーで得られたもの（２７％）より格段に優れている。
【００７３】
ＢＣ−４０４による「プラスチックのみ」スペクトル図１７Ｂは２つの終点を示している。７０ＤＳＰ単位（３５０ｋｅＶ）に在る第１の終点は、主ベータ線成分（終点エネルギー３４６ｋｅＶ）から予想されたものである。第２は、終点エネルギー１２０ＤＳＰ単位（６００ｋｅＶ）の副成分からのものである。前者のプロセスだけがガンマ線と同時発生していることから、「同時発生」スペクトルは、３５０ｋｅＶ終点を有する第１プロセスしか示していない。図１７Ａと図１７Ｂは、従って、本発明の実施例は、正確に機能するのみならず、唯１つのＰＭＴしか備えていないトランスデューサを使用しながらも、元のＡＲＳＡシステムより優れた性能を発揮することをはっきりと示している。これがホスイッチの新規な応用例であることを、更に強調しておく価値がある。ホスイッチは、従来、異なる放射線に反応して異なるパルス波形を作り出すように製作されており、パルス波形アルゴリズムは、ここで、どの「単一」の放射線が何れの所与の検出パルスを作り出すかを識別するために開発された。例えば、（MILLER−１９９４年）及びその中の参考文献を参照されたい。上記方法では、２つ以上の放射線がパルスに寄与しているか否かについては、検出できる範囲が限られ、その情報は、積み上げられるその様な事象を捨てるためだけに使用された。例えば、Miller、第４段、３６−４４行（MILLER−１９９４年）を参照。
【００７４】
２．ガス状試料と共に使用するための実施例
２．１．物理的性質
上に提示した実施形態は、一方の側からしか測定できない試料（即ち、扁平な試料）の場合に特に良好に機能するが、それは、非常に弱いガス状試料が測定されるＡＲＳＡにとっては最適ではなく、出来るだけ多くの同時発生事象を捕捉することによって信号対バックグラウンドを最大化することが非常に重要である。ガス状試料の場合の好適な実施例を図１８に示している。この設計でも、図６の設計と同様に、信号プロセッサ３０に直接連結されているＰＭＴに連結されたホスイッチ３９を備えている単一のトランスデューサ３８を使用しているが、この事例では、ＰＭＴは、PS1819-5をベースにした直径３インチのElectron Tubes, Incの型番9305KBである。信号プロセッサ３０は、以前使ったものと同じＰｉｘｉｅ−４である。ホスイッチ３９は、ここでは直径３インチ、高さ３インチのＣｓＩ（Ｔｌ）シリンダであり、その中央には、直径１インチ、壁厚２．５ｍｍの中空の球であるＢＣ−４０４キセノンセル４２が封入されている。我々の第１の実施例で説明したように、他の材料を有効に使用することもできる（即ち、ＢＣ−４０４の代わりに他の高速プラスチック、ＣｓＩ（Ｔｌ）の代わりにＮａＩ（Ｔｌ））。
【００７５】
キセノンセルを組み込めるようにするために、ＣｓＩ（Ｔｌ）結晶は、その中心を通る、ＰＭＴ２６の面に垂直な面に沿って分割４５されている。キセノンセル４２と分割面４５には、ホスイッチ４０を組み立てる際に、当技術では周知の標準的な方法と材料を使用して、光学カップリングコンパウンドの被覆が施される。キセノンセルは、キセノンセルを排気し、測定試料を充填できるようにする不透過性の気体吸入管４７を介して外部に繋がっている。気体吸気口とキセノンセルの間の接続は、接着剤、溶接、又は２つの材料が関与する場合に適切な他の適当な接合技法によって行われる。先のように、やはり当技術では周知の方法と材料を使用して、ＣｓＩ（Ｔｌ）の表面には反射性被覆４８が施され、防護用ハウジング５０内に密封される。光の漏洩を防ぐために、気体吸入口４７は、例えば、不透明なエポキシ材料のカラー５２又は他の接合技法を使用して、防護用ハウジング５０に対して密閉される。使用時には、無関係なバックグラウンド計数を少なくするために、ホスイッチ４０とＰＭＴ３８とのアッセンブリ全体は、低バックグラウンド銅製殻内に密閉され、測定用の鉛製洞内に設置されるが、それら方法は共に当技術では広く知られている。
【００７６】
２．２設計上の配慮
性能を最適化するために、幾つかの設計上の問題に配慮しなければならない。放射性キセノンを測定する際の主な問題は、ベータ−ガンマ同時発生を捕捉する確率を最適化することである。従って、我々は、ＢＣ−４０４でのベータ線捕捉の確率を最大化すると共に、同一材料内でＸ線とガンマ線の相互作用を最小化したいと考えている。ＢＣ−４０４は低密度プラスチックなので、これは、Ｘ線エネルギーが３０ｋｅＶと低くても容易に実現できる。我々のモデル化研究では、３０ｋｅＶのＸ線の約２０％がＢＣ−４０４の５ｍｍ中に吸収され、厚さに対し略直線的に減少することが示されている（例えば、２ｍｍの厚さで８％）。他方、ＢＣ−４０４が１ｍｍの厚さしかない場合、全ての９０５ｋｅＶのベータ粒子の３０％は、少なくとも幾らかのエネルギーをＣｓＩ（Ｔｌ）に蓄積させ、ＢＣ−４０４が厚さ２ｍｍのときは、数は約５％に落ちる。ＢＣ−４０４は、高エネルギーのガンマ線に対しては透過性が高く、低エネルギーのベータ線に対しては透過性が低いことから、上記２つの事例は、設計に制限を課す。２から３ｍｍの範囲内の値が最適であり、上記設計値２．５ｍｍ（０．１０インチ）に至った。
【００７７】
第２の判断基準は、ＣｓＩ（Ｔｌ）におけるガンマ線の吸収も効率的でなければならないということである。最高エネルギーのガンマ線は、135gＸｅ同位元素による２５０ｋｅＶにあり、その半減期は０．３８日である。ＢＣ−４０４を取り囲んでいるＣｓＩ（Ｔｌ）を１インチにするという我々の設計値は、このエネルギーの約８５％を捕捉することができ、113mＸｅによる２３３ｋｅＶの放射線の捕捉は更に幾分効率的であるが、後者は、低い確率（１０％）の崩壊パスである。従って、半減期が短すぎて有効な測定に適さないという見地に基づいて135gＸｅを無視するという技術的決定を下せば、起こる確率が高い次のエネルギーは、133gＸｅによる８１ｋｅＶであり、これは半減期が５．２４日であることから、ＣｓＩ（Ｔｌ）の厚さは大幅にに減らすことが出来る。この場合、ホスイッチのＣｓＩ（Ｔｌ）要素は、直径２インチ、高さ２インチまで容易に縮小できるので、費用が下がり且つエネルギー分解能は向上する。
【００７８】
最後に、最適なエネルギー分解能のためには、ＣｓＩ（Ｔｌ）全体積による光収集効率が出来るだけ均一でなければならない。図１９は、反射性被覆４８の反射率を９５％と仮定して、我々の好適な実施例による光収集のモンテカルロ検査の結果を示している。発生した光の内ＰＭＴに達した光の量はかなり均一であり、変動はほぼ全体に亘って約７８％から８２％の範囲である。数箇所（例えば、ＢＣ−４０４殻の下側）では効率が僅かに高く、数箇所（例えば、ＢＣ−４０４殻の上側）では効率が僅かに低い。図２０は、図１９から得た体積加重収集効率のプロットを示している。図示されているデータに対するガウス当て填めの全幅半値（ＦＷＨＭ）は約３％であり、これを、求積法で、たとえ最適なＣｓＩ（Ｔｌ）エネルギー分解能約７％に加えても、エネルギー分解能が著しく劣化することはない（即ち、７．６％止まり）。
【００７９】
しかしながら、図１９は、トランスデューサ内には、共に光学接触媒質の薄層で満たされている、ＢＣ−４０４とＣｓＩ（Ｔｌ）の間、及びＣｓＩ（Ｔｌ）とＰＭＴの間、の２つのインターフェースしかないものと仮定して算出された。追加のインターフェース（例えば、分割面４５）を導入すると反射面が増え、これによりトランスデューサ内の光収集効率の変動が更に増すことから、それらの設置には慎重な配慮が必要であり、特に、ＢＣ−４０４殻をホスイッチの中に導入するには少なくとも１つの隔壁が必要となることから配慮を要する。図示の分割面４５の設置は、トランスデューサの上部と下部の間の経路を開いたままにしておくことができ、インターフェースの横断線は必要ないので、望ましいといえる。我々が研究した１つの開発的設計では、直径１インチ、高さ１インチの円筒形のＢＣ−４０４殻が、直径３インチ、高さ３インチのＣｓＩ（Ｔｌ）シリンダに埋め込まれており、これは、ＣｓＩ（Ｔｌ）を２つのシリンダ、即ち一方は高さ１インチのもの、他方は高さ２インチに１インチの孔を中ぐりしたもの、に分割し、ＢＣ−４０４殻をその穴の中に挿入してから、２つのＣｓＩ（Ｔｌ）シリンダを一体にセメントで固定し、分割面がＰＭＴの面から１インチ離れて垂直に配置されるようにして行った。この設計で得られたエネルギー分解能は、図６に示している我々の第１の好適な実施例、又は図１に示しているＡＲＳＡシステムの何れと比較しても格段に悪かった。
【００８０】
モデル化の結果は、この実施例が、ベータ−ガンマ同時発生事象を捕捉するには高効率であることを示している。下表１にそれら結果の簡単な概要を載せている。明らかなように、我々は、半減期が短すぎて通常何れの事象においても検出するのが難しい133gＸｅを除き、全ての放射性キセノンの主崩壊パスに対し基本的に１００％の検出効率を実現している。
【００８１】
表１
放射性キセノン同位元素数種の検出効率
2009500608.tif 000013
【００８２】
３．「同時発生」において長時間分離を取り扱うための方法
上記方法は、積分期間の設定が、単一パルス検出に基づいていることから、第１放射線（ベータ線）と第２放射線（ガンマ線）の放射の間の時間的分離が、２つのシンチレータの減衰時間と比べて短い場合に効果を発揮することを目的としている。ＢＣ−４０４を使用した図示の実施例では、このことは、２つの放射が互いに数ｎｓ内に起こらなければならないことを意味する。これは、元の放射性キセノン検出に適用した場合には非常にうまくいくが、より長い期間離されている放射線を発する同位元素は他にも多数あり、それらが事前に決められている同時発生ウインドウ内に入って来たときにそれらを検出する能力は、バックグラウンド割合を減らすため又は特定の崩壊連鎖を識別するための何れかにも使用できる。
【００８３】
２つの放射が、２つのシンチレータの光減衰時間よりも著しく長い時間だけ分離されている場合は、上記方法は、１）連続して検出される事象と事象の間の時間を測定するための手段、及び２）その中で同時発生が検査されるウインドウ時間Ｗ、が提供されることを条件とした場合にのみ継続して機能する。即ち、この場合、第１放射線は「第１放射線のみ」事象として検出され、第２放射線は「第２放射線のみ」事象として検出され、それらの間の時間は「δ」として記録される。次に、δがＷ以下であることが分かると、事象は同時発生であると認識される。明らかなように、放射の順序は崩壊プロセスによって定義されるので、時間ウインドウＷ内で第２放射線が最初に検出され、次いで第１放射線が検出されても、そのような順序は放射プロセスの物理学に違反しているため、同時発生として記録されることはない。
【００８４】
非自明的な同時発生事例は、高速シンチレータ（ここではＢＣ−４０４）によって検出された放射線が、低速シンチレータ（ここではＣｓＩ（Ｔｌ））によって検出された放射線よりも後に到着した場合である。この事例を、ホスイッチの出力パルスを示す図２１に示しており、ここでは、高速シンチレータに吸収された放射線は、低速シンチレータに吸収された放射線の後、δ＝０．５μｓの時点に到着している。ここで、低速シンチレータの立ち上がり時間は約１００ｎｓで、高速シンチレータの立ち上がり時間は２０ｎｓ程度であることを思い出して図で確認して頂きたい。而して、パルスの導関数（３０００だけずらせて図示）では、先ず、バックグラウンドよりも上にはっきりと立ち上がり、低速ＣｓＩ（Ｔｌ）パルスの到着を信号発信する小さいピークがあり、続いてその０．５μｓ後に、高速ＢＣ−４０４パルスの到着を信号発信する非常に大きくて鋭いピークがある。導関数のバックグラウンドレベルは、ＣｓＩ（Ｔｌ）パルス自体の光子統計データから、ＣｓＩ（Ｔｌ）の到着前に比べ、到着後のほうがはるかに大きいことが観測される。
【００８５】
而して、第１弁別器起動閾値は、パルスが検出される前は極めて低く設定してもよいが、より大きなバックグラウンドに基づいて誤って起動させないために、検出時点以降は大幅にに引き上げなければならない。この実施例を効果的に機能させるために、我々は、従って、時間依存型弁別器を埋め込み、起動レベルを、パルス検出前は第１値Ｔ1に設定し、次に、検出後の期間Ｗ2の間は第２値Ｔ2に引き上げ、その後は値Ｔ1に戻している。Ｗ2は、通常は、低速シンチレータの減衰時間の数倍Ｍ（例えば８）である。微調整を加えて、Ｔ2を、光子変動の崩壊振幅に合わせて時間の減少関数とすることもできる。
【００８６】
図２１のデータを評価すると、Ｔ1は、控えめに５０に設定することができるが（２５を大きく上回る導関数値は無いため）、Ｔ2は、導関数の最大変動が１５０近い値であることから、凡そ２００に設定せねばならないことが分かる。この弁別器設定を使えば、高速シンチレータを検出するのは何ら難しくない。図示のパルスでは、最大導関数値が８０００を超えるので、この方法は、振幅が図示のものよりも４０倍小さい高速パルスを信頼度高く検出することができる。特定の場合に使用される実際の設定は、無論、検出される特定のエネルギー及び採用されているシンチレータの特性によって異なる。必要に応じて、高速と見なされているパルスがＴ2を越えている時間（即ち、サンプル数）を測定し、この検査を使って、本物の高速パルスを、やはりＴ2を越えそうだがパルス幅が遙かに広くなりそうな極めて大きくて低速のパルスと識別することもできる。
【００８７】
変更を加えた我々の弁別器を使って、両方のパルスの到着を検出したところで、次に、我々は、長さＬ0の積分期間Σ0、長さＬcの積分期間Σc、及び長さＬpの積分期間Σpを、図２１に示すように設定することができる。ここで、我々は、数式７から得た分析を繰り返すことによって、一般に、比率ＲβcとＲγpは遅延δの関数となるはずであるという違いはあるものの、エネルギーＥβとＥγを抽出することができる。而して、例えば、Σpで積分された低速パルスの面積の量は、低速パルスの開始と高速パルス到着時のΣpの開始の間の時間的遅延δによって異なる。しかしながら、我々の好適な実施例では、Ｓ1を、高速プラスチック反応パルスを完全に捕捉できるだけの長さとし、常にＳ2内にあるようにしているので、Ｒβcは１に等しい。次に、一連のＣｓＩ（Ｔｌ）パルスを測定することによって、我々は、Ｒγp（δ）対δのルックアップテーブルを作成することができ、数式７をパルス毎に解いて、次の式を得ることができる。
【００８８】
【数１１】
2009500608.tif 000014
この方法では、従って、我々の基本的なパルス波形分析を、ホスイッチからの２つの信号が必ずしも同時に到着しないという状況に対処するために、拡張している。
【００８９】
パルス減衰定数又は振幅の違いがあまり大きくなく、単純な弁別器を使用してＳ1とＳ2を設定するのが容易である場合は、更に高度なパルス波形分析が求められる。而して、固定された期間Ｓ1とＳ2に亘って積分を行うのではなく、我々は、代わりに、トランスデューサのパルス出力ｙ（ｉ）をデジタル方式で捕捉し、それをｙ（ｉ）＝Ｅ1Ｔ1（ｉ−δ）＋Ｅ2Ｔ2（ｉ）の形式の関数を使用してフィッティングを行い、ここに、Ｔ1（ｉ）は、単位面積を有する第１出力パルス波形のテンプレートであり、Ｔ2（ｉ）は、単位面積を有する第２出力パルス波形のテンプレートであり、δは、２つの放射線の到着時刻の差であり、Ｅ1とＥ2はそれらの面積である。
【００９０】
而して、本方法は、任意のパルス波形が常に２つの基本的なパルス波形、即ち、第１放射線の捕捉によって作り出される第１パルス波形と第２放射線の捕捉によって作り出される第２パルス波形とで構成されていると仮定している。フィッティングは、最小二乗法を使用して行うのが望ましく、前述のように、Ｅ1、Ｅ2又は両方が非ゼロか否かに基づいて、第１放射線、第２放射線、又は両方が存在するのか否かを判定する。更なる事例として、２つの基本的な波形の振幅がそれぞれ、２つの放射線のエネルギーに比例しているか、少なくともそれらの良好に定義された関数であるかの何れかの場合には、抽出された値Ｅ1とＥ2は、放射線のエネルギーも表すことになる。最後の数段落に記載の方法から、我々は、パルス波形分析を使用して時間的一致を判定するというコンセプトは、特定のパルス波形の分析法ではないと考える。
【００９１】
４．参考文献
以下の文献を参考文献として援用する。
2009500608.tif 000015
【００９２】
５．結論
特定の実施例に関する以上の説明では、２つの放射線の吸収に応答して単一のトランスデューサによる信号出力のパルス波形を調べることにより、２つの放射線が同時に発生したか否かを判定するための一般的な技法の実施例を示した。この技法は、複数のトランスデューサを単一のトランスデューサに置き換えて、費用と複雑性を低減できるようにするばかりでなく、通常は、複数の検出器の間の立体角の競合を排除することにより検出効率を上げることができるようにしている。この技法では、我々は、２つの放射線に応じて異なる時間特性を有する出力のトランスデューサを提供し、２つの応答の存在を求めて各事象後の出力を分析し、これにより、第１放射線、第２放射線、又は両方の放射線が、検出事象に存在したのか否かを判定している。
【００９３】
我々が示したように、２つの放射線は、指定された時間ウインドウ内で同時発生していると検出されるために同時に到着する必要はない。我々は２つの物理的な実施形態を説明した。第１の実施形態は、重ねられた一対のシンチレータＢＣ−４０４とＣｓＩ（Ｔｌ）を備えており、ＢＣ−４０４は検出された放射線に対する反応が速く、ＣｓＩ（Ｔｌ）は検出放射線に対する反応が遅いので、表面の同時発生放射線の検出に効果的に働く。この実施形態は、既存のＡＲＳＡシステムに比べ、複雑性を大幅に低減しながら、エネルギー分解能の有意な向上を実現している。第２の実施形態は、ＣｓＩ（Ｔｌ）のシリンダ内にＢＣ−４０４の球状の殻を封入しており、放射性キセノンのガス状試料を測定することを意図したものである。
【００９４】
提示の中で明白にしているように、上記実施形態は、機能的、効果的であるが、それらは、主に図示と説明を目的として提示されている。教示した原理は一般的なものであるので、提示内容は、本発明を網羅するものでも説明されている形態そのものに限定するものでもなく、上記教示に鑑みて、多くの修正及び変更を加えることができることは明らかである。而して、上記実施形態は、本発明の原理及びその実際の使用法を最善に説明し、これにより当業者が、本発明を、様々な実施形態において、また本発明が考えられる特定の使用法に最も適したものになるように修正を加えながら、利用できるようにするために選定され記述されている。
【００９５】
他の形態、修正、代替構成、及び等価物を使用してもよく、また、本方法は、上記以外の分野における測定に適用することもできる。第１の例として、我々の好適な実施例では、同時発生の２つの放射線を検出しているが、本方法から明らかなように、適切な特徴を備えたトランスデューサを構築することによって、３つ以上の放射線を同様に検出することもできる。而して、時定数が、ＢＣ−４０４とＣｓＩ（Ｔｌ）の間にある第３のシンチレータを付け加えることで、第３積分期間を付け加えて、提示されている数式を適切に拡張することによって、第３の放射線を検出することができる。
【００９６】
第２の例として、我々の好適な実施例は、デジタル信号処理を使用して実施されているが、本方法から明らかなように、適切な弁別回路によるゲート式のアナログ積分器でも、上記実施例に採用されている総和と等価な積分値を捕捉することができ、本方法がデジタル方式の実施例に限定されないことが解る（上に述べたように、我々は、「積分値」という用語を、デジタル値の和及びアナログ信号の積分値を共に包含すべく総称的に使用している）。
【００９７】
第３の例として、我々の好適な実施例は、我々が放射線の種類（ベータ又はガンマ）、エネルギー、到着時刻、及び／又は同時発生を判定できるようにしたが、所望の特性に対する感度があるようにトランスデューサを構成することによって、同じ取り組み法を使って他の特性を判定することもできる。簡単な実例として、左半分がＢＣ−４０４で右半分がＣｓＩ（Ｔｌ）であるホスイッチを考えてみると、それが左から放射線を吸収しているのか右から放射線を吸収しているのかを検出することができるという点で空間的感度を有しているといえる。而して、我々の好適な実施例では、２つの「放射線」は種類が異なり（例えば、ベータ線とガンマ線）、通常はエネルギーも異なるが、このことは、本方法に制限を課すものではない。２つの「放射線」は、代わりに（又は付加的に）、起点の様な何らか他の特性が異なっていてもよい。
【００９８】
従って、上記説明は、本発明の範囲に限定を課すものと捉えられるべきではなく、その範囲は添付の特許請求の範囲によって定義される。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】ＰＮＮＬにより開発された先行技術によるＡＲＳＡ放射性キセノン検出器システムの概略図を示している。
【図２Ａ】図１のＡＲＳＡシステムを使用して放射能を持ったキセノン（放射性キセノン）の試料を測定したときの、測定された光子エネルギー対ベータ粒子エネルギーのプロットを示している。
【図２Ｂ】ゼロベータエネルギー軸に対して、図２Ａのプロットを投影することによって見い出されたガンマ線スペクトルを示している。
【図３】ホスイッチに基づくＰＮＮＬの先行技術による放射性キセノン検出器システムの概略図を示している。
【図４】図３のＰＮＮＬホスイッチに基づくシステムによる出力の痕跡を示している。
【図５】図３のシステムにより生成された立ち上がり時間対エネルギーのプロットを示している。
【図６】本発明の好適な実施例の概略図を示している。
【図７】図６の実施例を使用して捕捉された信号の痕跡を示している。
【図８】図６の実施例を使用して収集されたパルスのセットから測定された初期傾斜部のスペクトルを示している。
【図９】Ｐｉｘｉｅ−４の正常及び縮小された帯域幅を使用して捕捉された高速ＢＣ−４０４パルスを示している。
【図１０】Ｐｉｘｉｅ−４の正常及び縮小された帯域幅を使用して捕捉された低速ＣｓＩ（Ｔｌ）パルスを示している。
【図１１】ベータ線がＢＣ−４０４を励起している場合に得られる典型的なパルスを、その面積を測定するための積分（総和)期間の設定と併せて示している。
【図１２】ガンマ線がＣｓＩ（Ｔｌ）を励起している場合に得られる典型的なパルスを、その面積を測定するための積分（総和)期間の設定と併せて示している。
【図１３】ベータ粒子がＢＣ−４０４を励起しており、同時にガンマ線がＣｓＩ（Ｔｌ）を励起している場合に得られる典型的なパルスを、それら個々の面積を測定するための積分期間の好適な設定と併せて示している。
【図１４】高速成分を持たないパルスのセットについての、合計ＣｓＩ（Ｔｌ）パルス面積対最初の１００ｎｓの積分期間Σpの面積のプロットを示している。
【図１５】137Ｃｓからの６６２ｋｅＶガンマ線で照射されたホスイッチについての、ＣｓＩ（Ｔｌ）エネルギー対最初の１００ｎｓの積分期間Σpの面積のプロットを示している。
【図１６】図６に示す実施例で採取された133Ｘｅの試料からのガンマ線エネルギー対ベータ線エネルギーのプロットを示している。
【図１７Ａ】図１６のガンマのみ（Ｅc0）とベータ−ガンマ同時発生点（Ｅcb）の両方のＣｓＩ（Ｔｌ）エネルギー軸に対する投影を示している。
【図１７Ｂ】図１６のベータのみ（Ｅp0）とベータ−ガンマ同時発生点（Ｅpb）の両方のＢＣ−４０４エネルギー軸に対する投影を示している。
【図１８】ガス状試料と共に使用するための本発明の好適な実施例を示している。
【図１９】ホスイッチ各部寸法の特定のセットについての、図１８に示す設計の光収集効率のモンテカルロモデルリングの結果を示している。
【図２０】図１９に示すモデルによる光収集の体積加重確率を示している。
【図２１】第１シンチレータに吸収された放射線が、低速シンチレータに吸収された放射線の０．５μｓ後に到着した場合のパルスを示している。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際調査報告】
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