(57)【要約】【課題】  計数率が低い状況から高い状況まで広い範囲にわたって精度良く放射線等を計数する計数方法を提供する。【解決手段】  波高弁別閾値を設定し、該波高弁別閾値を超える信号の頻度を計数する方法であって、計数の目的成分が波高分布スペクトルでピークを示す場合において、前記ピークについてガウス関数をフィッティングして求められる（μ−０．４σ）〜（μ＋０．６σ）の範囲から選ばれる任意の値を前記波高弁別閾値とする計数方法であり、また、当該計数方法により信号処理する放射線検出装置である。本発明の計数方法および放射線検出装置によれば、パイルアップが計数値に与える誤差を小さくすることが可能であり、放射線線量率が低い状況から高い状況まで広い範囲にわたって精度良く放射線等を計数することが可能である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波高弁別閾値を設定し、該波高弁別閾値を超える信号の頻度を計数する方法であって、
計数の目的成分が波高分布スペクトルでピークを示す場合において、
前記ピークについてガウス関数をフィッティングして求められる（μ−０．４σ）〜（μ＋０．６σ）の範囲から選ばれる任意の値を前記波高弁別閾値とする計数方法。
【請求項２】
シンチレータと光検出器と波高弁別回路を組み合わせて用いる放射線検出装置であって、
前記波高弁別回路は、
前記光検出器の信号を増幅する増幅器と、
前記増幅器のアナログ信号出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、
前記ＡＤ変換器のデジタル信号出力を信号処理するデジタルデータ処理装置と、
を備える波高弁別回路であって、
当該波高弁別回路において請求項１記載の計数方法により信号処理する放射線検出装置。
【請求項３】
シンチレータが、ＬｉＣａｘＳｒ１−ｘＡｌＦ６結晶（ｘは０〜１）である請求項２に記載の放射線検出装置。
【請求項４】
シンチレータが検出する放射線が加速器中性子である請求項２又は３の何れか一項に記載の放射線検出装置。
【請求項５】
シンチレータが検出する放射線がホウ素中性子捕捉療法用の中性子である請求項２〜４の何れか一項に記載の放射線検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射線等の計数方法および放射線検出装置に関する。詳しくは、高計数率条件下でも精度良く放射線等を計数する方法および放射線検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
シンチレータや半導体などの放射線検出素子と波高弁別回路を組み合わせた放射線検出装置では、放射線検出素子が検出した放射線のエネルギーに対応したパルス信号を得てその波高値を読み取り、当該波高値が波高弁別閾値を超えたパルス信号を計数することにより線量率を求める方法が広く一般に行われている。
【０００３】
例えば、中性子線の線量率を求める中性子検出装置の場合には、バックグラウンドノイズとなるγ線を計数しない波高値を波高弁別閾値とする必要がある。波高弁別閾値を最適化する方法としては、特許文献１に記載されたように、波高分布スペクトルで示されたピークについてガウス関数をフィッティングして求められるμ（波高値の平均値）およびσ（波高値の標準偏差）を基準として設定する方法がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】先ＷＯ２０１４−１９２３２１
【特許文献２】特許第５６１１３５７号
【特許文献３】特開２０１５−２２７８５４
【特許文献４】特開２０１２−１３６６６７
【特許文献５】特開２０１３−１６７４６７
【特許文献６】先ＷＯ２０１５−１２８９０５
【特許文献７】特表２００１−５２４２１７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えば、がんの放射線治療において放射線検出素子が曝される環境は、非常に高い放射線線量率となる場合がある。このような高線量率環境においては、特許文献２や特許文献３に記載されたように、或るパルスの測定直後に次のパルスが入射すること（所謂パイルアップ現象）により信号波形が重なってしまって計数ロスを起こし、計数精度が低下する問題がある。
【０００６】
特許文献２や特許文献３では、ＡＤ変換器によりパルスをデジタル化させ、パイルアップした複数のパルスを分離して計数すると共に、ベースライン変動による波高値の変化を補正する方法が開示されている。しかし、実施の形態によってはパイルアップした複数のパルスを分離できず、計数ロスする場合があった。２つのパルス（２回の放射線検出事象）が１つのパルス（１回の放射線検出事象）として処理された放射線検出事象がある場合の波高分布スペクトルは、例えば図１のようになり、第１ピークの約２倍の波高値に第２ピークが観測される。なお、パイルアップが無い状態の波高分布スペクトルは図２に示したように第２ピークが観測されない。
【０００７】
そして、さらにパイルアップの頻度が増える場合（線量率がより高かったり、検出素子の感度がより高かったりする場合）には、３つのパルスを１つのパルスとして処理してしまう放射線検出事象の存在によって、図３の波高分布スペクトルのように、第１ピークの約３倍の波高値に第３ピークが観測されることもあった。
【０００８】
このように複数のパルスが１つのパルスとして処理された際には、計数ロスを生じて計数精度が低下してしまう。そのため、放射線検出素子の小型化などによって放射線検出感度を下げて、パイルアップの頻度を減らす必要がある。しかし、放射線検出感度を下げることで他の問題を生じることもあるため、多方面からのアプローチが必要となる。
【０００９】
１つとしては、特許文献４に記載されたように、パルスの減衰時間（蛍光寿命）が短い放射線検出素子を用いることである。
【００１０】
１つとしては、パルスの減衰時間が短くなるように回路構成を工夫することである（例えば、時定数が短い増幅器（アンプ）を用いたり、微分回路を用いたりする）。
【００１１】
１つとしては、ＡＤ変換器を高速化して、デジタルデータのサンプリング点を増やすことである。
【００１２】
しかしながら、このようなアプローチによっても、パイルアップによって計数精度が低下する問題を解決できない場合もあった。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題に鑑み、本発明者らは鋭意検討を行い、波高弁別閾値を最適化するという、上述のアプローチとは全く異なる方法によって、パイルアップによる計数精度の低下を抑制できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１４】
即ち本発明は、波高弁別閾値を設定し、該波高弁別閾値を超える信号の頻度を計数する方法であって、計数の目的成分が波高分布スペクトルでピークを示す場合において、前記ピークについてガウス関数をフィッティングして求められる（μ−０．４σ）〜（μ＋０．６σ）の範囲から選ばれる任意の値を前記波高弁別閾値とすることを特徴とする計数方法および放射線検出装置である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、パイルアップによる計数精度の低下を抑制でき、放射線計数率が低い状況から高い状況まで広い範囲にわたって精度良く放射線を計数することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】Ｅｕ：ＬｉＣａＡｌＦ６結晶を用いた中性子検出装置によって加速器中性子を計数した際に得られた波高分布スペクトル。
【図２】Ｅｕ：ＬｉＣａＡｌＦ６結晶を用いた中性子検出装置によって加速器中性子を計数した際に得られた波高分布スペクトル。
【図３】Ｅｕ：ＬｉＣａＡｌＦ６結晶を用いた中性子検出装置によって加速器中性子を計数した際に得られた波高分布スペクトル。
【図４】本発明の放射線検出装置の概略図。
【図５】パイルアップが与える影響を説明するための信号波形図。
【図６】波高分布スペクトルの生成方法を説明する図（シミュレーション）。
【図７】パイルアップした場合に示される波高分布スペクトル（シミュレーション）。
【図８】パイルアップした場合に示される波高分布スペクトルについて解析した波高弁別閾値以上の計数値（シミュレーション）。
【図９】パイルアップが計数値に与える誤差のシミュレーション結果。
【図１０】実施例１において最もパイルアップした状況における計数誤差の実測値とシミュレーション値の比較。
【図１１】波高弁別閾値をμ付近に設定することによりパイルアップが計数値に与える誤差を小さくできることを説明する図。
【図１２】実施例で用いた中性子検出装置の概略図。
【図１３】実施例１で得られた中性子計数率および加速器電流値の時系列グラフ。
【図１４】実施例１における加速器電流値と中性子計数率の関係を示すグラフ。
【図１５】比較例１で得られた中性子計数率および加速器電流値の時系列グラフ。
【図１６】比較例１における加速器電流値と中性子計数率の関係を示すグラフ。
【図１７】比較例２で得られた中性子計数率および加速器電流値の時系列グラフ。
【図１８】比較例２における加速器電流値と中性子計数率の関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明を実施するための装置の一例である放射線検出装置の概略図を図４に示す。放射線検出装置は、放射線の入射によってパルス状の電気信号を出力する放射線検出素子１と波高弁別回路２を組み合わせたものによって、その目的を達成できる。シンチレータのように、直接電気信号を出力せず放射線の入射によって光を発する媒体を用いる場合は、当該シンチレータ３と、シンチレータ３の発する光を電気信号へ変換させる装置４を組み合わせることによって、放射線検出素子１とすることができる。シンチレータの発する光を電気信号へ変換させる装置４として、光電子増倍管、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、ガイガーモードアバランシェフォトダイオード等の光検出器が一般的に用いられる。
【００１８】
波高弁別回路２は、放射線検出素子１から出力されるパルスの波高値を解析し、波高弁別閾値を超えたパルスを計数できるものであれば良く、パルスをアナログデータ処理によって読み取るものと、パルスをデジタルデータ処理によって読み取るものと、どちらにおいても本発明を適用できる。
【００１９】
本発明の実施例で用いた波高弁別回路２は、増幅器（アナログアンプ）、ＡＤ変換器、デジタルデータ処理装置、表示装置などで構成された、デジタルデータ処理によってパルスを読み取るものである。以下、デジタルデータ処理によってパルスを読み取る装置を例として記述する。
【００２０】
前記の実施形態によれば、放射線検出素子１が放射線を検出した際に発するパルスはアナログアンプにより時間軸に沿って拡大して増幅され、増幅されたパルス信号はＡＤ変換器によって或る一定のサンプリング間隔でデジタルデータに変換され、当該デジタルデータをデジタルデータ処理装置によって読み取る。そして、コンピュータ、ソフトウェア、表示モニタなどで構成される表示装置に、波高分布スペクトルや波高弁別閾値を超えた計数値などが表示される。
【００２１】
図５は、パイルアップの影響を概念的に説明するためのアナログアンプによって増幅されたパルスの信号波形図であり、図中の各点は、実線で示したアナログ信号上に一定時間間隔でデジタル化させた場合に得られる離散値を示している。
【００２２】
図５（ａ）は、パイルアップしていない場合である。この場合、デジタルデータ処理装置は、「波高値（Ｐｕｌｓｅ  Ｈｅｉｇｈｔ）Ｈに相当する事象が２回」として計数する。
【００２３】
一方、図５（ｂ）は、パイルアップした場合である。本来は「波高値Ｈに相当する事象が３回」と計数されるべきところだが、第１パルスの直後に別の放射線が入射して第２パルスが立ち上がっており、デジタルデータの離散値で見ると信号値が上昇し続けているため、第１パルスと第２パルスは分離して認識されず、「Ｈ”（≒2Ｈ）に相当する事象が１回」と計数される。
【００２４】
また、第３パルスはベースラインのシフトによって「Ｈ’（＜Ｈ）に相当する事象が１回」と計数される。本発明が解決しようとする問題は、第１パルスと第２パルスについて生じる計数ロスである。以降の説明では、便宜上、第１パルスと第２パルスのように複数のパルスを分離して計数できなかった場合をパイルアップしたとして取り扱い、第３パルスのように直前のパルスから分離して計数できたものはパイルアップしていないものとして取り扱う。なお、第３パルスについて波高値が小値化する問題は、波高弁別閾値を超える波高値として処理されるべきパルスが、波高弁別閾値未満の波高値まで小値化してしまうと計数ロスとなる。この計数ロスについては、後述するガウスフィッティングを活用し、波高値の小値化に合わせて波高弁別閾値を調整することによっても計数ロスを軽減できる。
【００２５】
上述のパイルアップが計数値に与える誤差をシミュレーションするため、まず、パイルアップしていない場合と、パイルアップしている場合との、それぞれで示される波高分布スペクトルを、下記式（１）のガウス関数を用いて生成した。式（１）のガウス関数における最大計数Ｎは、平均波高値μにおいて示される計数である。波高分布スペクトルの生成方法を説明する図を図６に示す。
【００２６】
【数１】
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図２で示したパイルアップが無い状態の波高分布ピークのμおよびσを参考に、パイルアップしていない第１ピークのμおよびσをそれぞれμ１＝２００ｃｈ、σ１＝２６ｃｈとした。２個のパルスがパイルアップして現れる第２ピークはμ２＝４００ｃｈ、σ２＝５２ｃｈ、３個のパルスがパイルアップして現れる第３ピークはμ３＝６００ｃｈ、σ３＝７８ｃｈとした。式（１）を用いた独立したデータとして第１〜第３ピークを生成した後、波高値毎に計数を足し合わせて１つの波高分布スペクトルとしている。なお、図１〜図３の波高分布スペクトルのように、計数の目的成分とは異なる放射線種によって低波高値側にノイズ成分が観測され目的成分のピークと一部重なる場合もあるが、当該シミュレーションでこのようなノイズ成分を考慮する必要はないため無視した。
【００２７】
パイルアップ率を０％、１０％、２０％、３０％として、前述の方法で生成した波高分布スペクトルを図７に示す。パイルアップ率０％の波高分布スペクトルは、第１ピークしか持たないデータである。各波高分布スペクトルの０〜１０２３ｃｈまでの合計計数は、第２ピークの計数を２倍、第３ピークの計数を３倍として計算すれば一致するようにしている。
【００２８】
次に、波高弁別閾値（Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）をμ＋Ｘσとし、Ｘを−３〜＋３の範囲で変化させた場合の波高弁別閾値以上の計数を波高分布スペクトルから求めた。その結果を図８に示す。さらに、図８の結果から、パイルアップ０％の場合の波高弁別閾値以上の計数に対するパイルアップ率１０％、２０％、３０％の計数誤差をそれぞれ求めた。その結果を図９に示す。これら図８および図９の結果から、Ｘが小さいほど計数ロスによるマイナスの誤差が大きくなり、Ｘが大きいほど過剰な計数によるプラスの誤差が大きくなるが、μに近い波高弁別閾値（すなわちＸ＝０付近）ではパイルアップによる計数誤差を生じ難いことが解る。
【００２９】
また、最適な波高弁別閾値を実測値に基づいて設定するため、実施例１について、最もパイルアップしていない状況（加速器電流は５．７μＡ、波高分布スペクトルは図２）に対する、最もパイルアップしている状況（加速器電流は３７９．６μＡ、波高分布スペクトルは図３）の計数誤差を解析した。図２及び図３のそれぞれの第１ピークについて、ガウス関数をフィッティングしてμ及びσを求め、得られたμ及びσを基に波高弁別閾値μ＋Ｘσを設定し、前記シミュレーションと同様の方法で計数誤差を求めた結果を図１０に示す（ただし、図２および図３の波高分布スペクトルを得た際の線量率差を考慮する必要があるため、線量率差は加速器電流差と同じ傾向を示すものと見做し、図２および図３の計数を各加速器電流値によって規格化した）。また、図３の波高分布スペクトルの解析により、該波高分布スペクトルのパイルアップ率は２５％程度であることが判った。図１０には、パイルアップ率を２５％とした場合の計数誤差のシミュレーション値を併せて示す。
【００３０】
図１０に示したパイルアップによる計数誤差は、シミュレーションと実測で多少のずれが生じている。これは、シミュレーションではパイルアップによる波高値の小値化を考慮していないのに対し、実測ではパイルアップによる波高値の小値化が生じているためと考えられる。このように、シミュレーションと実測では多少のずれを生じるものの、実測においても、μに近い波高弁別閾値（すなわちＸ＝０付近）はパイルアップによる計数ロスの影響を受け難いことが解る。また、実測において波高値の小値化が生じる場合には、波高弁別閾値をμよりもやや高めに設定することが最適であることが分かる。
【００３１】
ここで、図１１を用いて、波高弁別閾値をμ付近に設定することによってパイルアップによる計数誤差を小さくできる原理を説明する。
【００３２】
まず、図１１（ａ）を用いて、パルス２個のパイルアップのみを考慮して説明する。パイルアップしていない第１ピークの合計計数をＮｓ、パルス２個がパイルアップした第２ピークの合計計数をＮｄとした場合、放射線検出素子が検出した放射線の数はＮｓ＋２Ｎｄであることが理論的に言える。
【００３３】
ここで、一般には、全ての事象を計数できるように例えばＴ１の辺りに閾値を設定するが、該Ｔ１を波高弁別閾値とした場合に得られる閾値以上の計数はＮｓ＋Ｎｄとなり、理論値Ｎｓ＋２Ｎｄと比較するとＮｄのマイナス誤差を生じ、特にパイルアップが顕著に生じてＮｄが増大すると、計数誤差も甚大となる。これに対して、本発明の計数方法は、第１ピークのμの近傍に波高弁別閾値を設定することによって、計数誤差を低減することを特徴とする。例えば、第１ピークのμ（Ｔ２）を波高弁別閾値とした場合に得られる閾値以上の計数は１／２Ｎｓ＋Ｎｄとなり、理論値Ｎｓ＋２Ｎｄと比較するとちょうど半分を計数することになる。換言すれば、第１ピークのμを波高弁別閾値として得られた計数を２倍すれば、理論値通りの計数を得ることができる。このとき、上記第１ピークのμを波高弁別閾値として得られる計数は、パイルアップの程度にかかわらず、常に理論値の半分であるため、本発明の計数方法によれば、パイルアップによる計数誤差を生じない。
【００３４】
次に、図１１（ｂ）を用いて、パルス２個のパイルアップとパルス３個のパイルアップを考慮して説明する。パイルアップしていない第１ピークの合計計数をＮｓ、パルス２個がパイルアップした第２ピークの合計計数をＮｄ、パルス３個がパイルアップした第３ピークの合計計数をＮｔとした場合、放射線検出素子が検出した放射線の数はＮｓ＋２Ｎｄ＋３Ｎｔであることが理論的に言える。全ての事象を計数できるＴ１を波高弁別閾値とした場合に得られる閾値以上の計数はＮｓ＋Ｎｄ＋Ｎｔとなり、理論値Ｎｓ＋２Ｎｄ＋３Ｎｔと比較するとＮｄ＋２Ｎｔのマイナス誤差を生じてしまう。一方、第１ピークのμ（Ｔ２）を波高弁別閾値とした場合に得られる閾値以上の計数は１／２Ｎｓ＋Ｎｄ＋Ｎｔとなる。理論値の半分の値である１／２Ｎｓ＋Ｎｄ＋３／２Ｎｔと比較すると１／２Ｎｔのマイナス誤差が生じてしまうが、閾値をＴ１とした場合よりも誤差を格段に小さくできる。
【００３５】
μに近い波高弁別閾値を設定することによって、パイルアップによる計数誤差を低減する本発明の計数方法は、上記説明した理論に基づいてなされたものであって、図９に示したシミュレーション結果も本発明の妥当性を示すものである。
【００３６】
なお、前述のシミュレーションはパルス２個のパイルアップとパルス３個のパイルアップを考慮したものであり、閾値μ＋０σにおいて若干のマイナス誤差が生じていることもこの理論と一致している。なお、このマイナス誤差が生じる原因である第３ピークの計数Ｎｔは、第１ピークの計数Ｎｓより十分に小さいため、パイルアップによって生じる計数誤差への寄与度が小さい結果となっている。さらに、パルス４個以上がパイルアップした第４、第５、第６…ピークが観測される可能性もあるが、パイルアップによって生じる計数誤差への寄与度は第３ピークよりさらに小さくなるため、ほとんどの用途において問題にはならない。
【００３７】
本発明によれば、波高弁別閾値を設定し、該波高弁別閾値を超える信号の頻度を計数する方法であって、計数の目的成分が波高分布スペクトルでピークを示す場合において、前記ピークについてガウス関数をフィッティングして求められる（μ−０．４σ）〜（μ＋０．６σ）の範囲から選ばれる任意の値を前記波高弁別閾値とする計数方法を採用することにより、パイルアップによる計数精度の低下を抑えることができる。
【００３８】
計数の目的成分とは、計数の対象とする事象のことであり、特に限定されるものではない。例えば、中性子の線量率や積算線量などを提供できる中性子検出装置であれば、中性子の入射事象が計数の目的成分となる。放射線の種類はＸ線、α線、γ線、中性子など多種多様であるが、２種類以上の放射線を検出する放射線検出装置でも良く、その際に本発明の波高弁別閾値を適用するのは、
検出する放射線のうち何れか１種類についてでも良く、２種類以上の放射線についてでも良い。
【００３９】
さらに、計数の目的成分とは、放射線の入射事象に限定されるものではなく、紫外線、可視光線、赤外線、マイクロ波などの電磁波を検出する場合にも適用でき、様々な分野への応用が可能である。
【００４０】
本発明の計数方法は、計数の目的成分が波高分布スペクトルでピークを示す場合に適用できる。例えば、中性子検出装置について、横軸に波高値をとり、縦軸に各波高値を示した事象の頻度を示した波高分布スペクトルにおいて、中性子を検出した事象が波高分布スペクトルでピークを示せば、当該ピークについてガウス関数をフィッティングして求められる（μ−０．４σ）〜（μ＋０．６σ）の範囲から選ばれる任意の値を前記閾値とし、閾値を越えた事象を計数することにより適用できる。中性子を検出した事象が波高分布スペクトルでピークを示さない場合には、本発明の計数方法は適用できない。
【００４１】
中性子の検出によってピークを形成できる形態の一例として、特許文献５に記載されたＥｕ：ＬｉＣａＡｌＦ６結晶（中性子シンチレータ）と光検出器と波高弁別回路を組み合わせる方法がある。
【００４２】
波高分布ピークの形状については特に限定されず、およそガウス分布に従った形状であれば問題なく本発明の効果が得られる。後述の方法によりガウス関数をフィッティングして得られるμと、波高分布スペクトルで計数の目的成分が示すピークにおいて、最大の計数を示す波高値Ｐが一致しているほど高い計数精度が期待できることは統計学的に当然のことであるが、０．９μ≦Ｐ≦１．１μの範囲で一致していれば、特に精度の良い計数が可能である。
【００４３】
なお、前記ピークについてガウス関数をフィッティングする前に、波高分布スペクトルに対してベースライン補正、ピーク分離、スムージング等の処理を予め施しても良い。
【００４４】
本発明の波高弁別閾値を決定するための基準となるμおよびσは、計数の目的成分によって示される波高分布ピークのうち、パイルアップしていない第１ピークについて式（１）のガウス関数をフィッティングすることにより求められる値であり、２個のパルスがパイルアップした第２ピークや３個のパルスがパイルアップした第３ピークについて求められる値とは無関係である。以下に記載するμ、σとは、前記第１ピークについて求められるμ、σのことである。
【００４５】
ガウス関数をフィッティングする際に用いる波高分布スペクトルのデータ範囲は、波高分布スペクトルで計数の目的成分が示すピークにおいて、最大計数を示す波高値（以下、該波高値をＰで表す）を基準として、０．７５Ｐ〜１．２５Ｐが好適であるが、計数の目的成分とは異なる成分によるノイズの計数がμ、σの解析値に影響する場合には、下限値及び／又は上限値を狭めても良い。逆に、μ、σの解析値に影響するノイズが無ければ、ガウス関数をフィッティングする際に用いるデータ範囲を広げても良い。例えば、ガウス関数をフィッティングする際に用いる波高分布スペクトルのデータ範囲を０．７５Ｐ〜３Ｐとしても良い。ここで、第２ピークが現われる場合には、当該第２ピークの計数はフィッティングを行う上ではノイズとなるが、パイルアップによって現われる第２ピークの計数は第１ピークの計数よりも十分に小さいため、当該ノイズがμ、σの解析値に与える影響は限定的である。なお、ガウス関数のフィッティングには最小二乗法を用いることが好ましく、μ、σと併せて最大計数Ｎに関してもフィッティングする方が好ましい。
【００４６】
前記説明から理解される通り、本発明の計数方法の本質は、μの近傍に波高弁別閾値を設定することによって、パイルアップによる計数誤差を低減することである。そして、上述のガウス関数をフィッティングして求められる（μ−０．４σ）〜（μ＋０．６σ）の範囲から選ばれる任意の値を前記波高弁別閾値とする方法は、μの近傍に適切に波高弁別閾値を設定するための指標を与えるものである。
【００４７】
本発明において、波高弁別閾値を設定するための回路の簡略化や解析時間の短縮等を目的として、ガウス関数をフィッティングする方法による解析を行わなくとも、例えば、以下に記載した方法によっても本発明に準ずる波高弁別閾値を決定できる。
【００４８】
なお、以下に記載した方法によって決定されたいずれの波高弁別閾値も、ガウス関数をフィッティングすれば、該フィッティングから求められる（μ−０．４σ）〜（μ＋０．６σ）の範囲に包含される。
【００４９】
第１のガウス関数をフィッティングする方法による解析を必要としない波高弁別閾値の決定方法は、波高値Ｐにおいて最大計数Ｎ’を示す波高分布ピークについて、下記式（２）によって求められる計数ｎに最も近い計数を示す波高値を波高弁別閾値とする方法である。
【００５０】
【数２】
2019152436.tif 000004
式（２）は、式（１）のガウス関数における任意の波高値χに波高弁別閾値μ＋Ｘσを代入して、計数ｎをＸの関数として表したものである。すなわち、波高弁別閾値をＰ以下とする場合には、−０．４〜０．０の範囲から選ばれる任意の値をＸとし、式（２）によって求められる計数ｎに最も近い計数を示しているＰ以下の波高値を波高弁別閾値とすれば良く、波高弁別閾値をＰ以上とする場合には、０．０〜０．６の範囲から選ばれる任意の値をＸとし、式（２）によって求められる計数ｎに最も近い計数を示しているＰ以上の波高値を波高弁別閾値とすれば良い。
【００５１】
第２のガウス関数をフィッティングする方法による解析を必要としない波高弁別閾値の決定方法は、標準偏差σに代わって、半値幅ＦＷＨＭを基準として波高弁別閾値を決定する方法である。ガウス分布において、μと波高値Ｐは同じであり、標準偏差σと半値幅ＦＷＨＭの間には下記式（３）の関係がある。
【００５２】
【数３】
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したがって、（μ−０．４σ）〜（μ＋０．６σ）の範囲は、（Ｐ−０．２８ＦＷＨＭ）〜（Ｐ＋０．４２ＦＷＨＭ）と同等の範囲であるため、当該波高値Ｐと半値幅ＦＷＨＭを解析することによっても本発明に準ずる波高弁別閾値を決定できる。
【００５３】
第３のガウスフィッティングによる解析を必要としない波高弁別閾値の決定方法は、波高分布ピークの最大計数を示す波高値Ｐを波高分布スペクトルの見た目から判断して、該波高値Ｐ付近の波高値を波高弁別閾値とする方法である。
【００５４】
以上、第１〜第３のガウスフィッティングによる解析を必要としない波高弁別閾値の決定方法を例示したが、これらとも異なる方法によって波高弁別閾値を決定しても良く、何らかの方法により決定した波高弁別閾値が、ガウスフィッティングにより解析した（μ−０．４σ）〜（μ＋０．６σ）の範囲に包含されていれば、本発明の効果が発揮される。
【００５５】
本発明の計数方法において、計数の目的成分よりも高波高値側のノイズを除去する目的で、本発明の波高弁別閾値（ＴＡ）と併せて、高波高値側に他の波高弁別閾値（ＴＢ）を設けて、ＴＡ以上かつＴＢ以下のパルスを計数しても良い。その場合、第２ピークおよび第３ピークの計数をロスさせないための閾値ＴＢは、好ましくは３μ以上であり、さらに好ましくは５μ以上である。また、第１目的成分を計数するための波高弁別閾値を設定すると共に、第２目的成分を計数するための波高弁別閾値を別に設定しても良い。
【００５６】
本発明によれば、（μ−０．４σ）〜（μ＋０．６σ）の範囲から選ばれる任意の値を波高弁別閾値として設定することにより、パイルアップによる計数精度の低下を抑えることができる。図１０に示したパイルアップによる計数誤差の実測値によれば、当該波高弁別閾値を超えたパルス信号を計数する場合、パイルアップによって生じる計数誤差をおよそ±１０％以下に抑えることができ、斯様な計数誤差であればほとんどの用途において、精度の高い計測を実現できる。
【００５７】
ただし、パイルアップの頻度や前記パイルアップによる波高値の小値化の程度によっては±１０％を超える誤差を生じる可能性もあるが、図９を用いて説明した理論によれば、本発明の範囲を逸脱した波高弁別閾値とする場合に較べて格段に優れた計数精度が実現できる。図１０に示したパイルアップによる計数誤差の実測値によれば、波高弁別閾値を（μ＋０．３σ）より低い波高値とする場合、波高弁別閾値を低くするほどパイルアップによる計数ロスが影響してマイナス側に計数誤差が拡大しやすく、波高弁別閾値を（μ＋０．３σ）より高い波高値とする場合、波高弁別閾値を高くするほど第２ピークや第３ピークの計数増が影響してプラス側に計数誤差が拡大しやすい。
【００５８】
より好ましい波高弁別閾値は（μ＋０．０σ）〜（μ＋０．５σ）の範囲から選ばれる任意の値であり、さらに好ましい波高弁別閾値は（μ＋０．２σ）〜（μ＋０．４σ）の範囲から選ばれる任意の値であり、それぞれ約±５％、±３％の計数誤差に抑えられる。
【００５９】
本発明の計数方法は、シンチレータ３と光検出器４と波高弁別回路２を組み合わせた放射線検出装置において好適に採用できる。
【００６０】
本発明は、シンチレータ３と光検出器４と波高弁別回路２を組み合わせて用いる放射線検出装置であって、前記波高弁別回路２は、前記光検出器４の信号を増幅する増幅器と、前記増幅器のアナログ信号出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、前記ＡＤ変換器のデジタル信号出力を信号処理するデジタルデータ処理装置と、を備える波高弁別回路であって、当該波高弁別回路において前記計数方法により信号処理する放射線検出装置を提供する。
【００６１】
前記波高弁別回路２としては、特許文献２や特許文献３に記載されたように、前記光検出器の信号を増幅する増幅器と、前記増幅器のアナログ信号出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、前記ＡＤ変換器のデジタル信号出力を信号処理するデジタルデータ処理装置と、を備えるものが好ましい。デジタルデータ処理によってパルス信号を読み取る波高弁別回路であれば、アナログデータ処理によってパルス信号を読み取る波高弁別回路に較べて、前記パイルアップによる波高値の小値化を軽減するための回路構成を低コストで実現できると共に、波高値の補正処理などが容易に可能となる。パイルアップによる波高値の小値化を軽減することによって、本発明の効果をより高い確度で得ることができる。
【００６２】
本発明において、前記デジタルデータ処理装置には、所定の時間間隔で波高分布スペクトルを作成し、作成した波高分布スペクトルにおいて計数の目的成分が示すピークについてガウス関数をフィッティングし、求められたμおよびσを基準とした波高弁別閾値を逐次設定する機能を実装することが好ましい。かかる機能を実装することによって、前記パイルアップによる波高値の小値化に追従して波高弁別閾値を自動更新することができ、該小値化に起因する計数誤差の増大を防ぐことができる。
【００６３】
なお、パイルアップによる波高値の小値化が小さい波高弁別回路を用いる場合であれば、ガウス関数をフィッティングする機能や波高弁別閾値を逐次設定する機能を実装せず、本発明に準ずる波高弁別閾値を予め解析し、計数の開始から終了まで該波高弁別閾値に基づいて計数しても良い。
【００６４】
増幅器は、前置増幅器（プリアンプ）や波形整形増幅器（シェイピングアンプ）などが適用でき、これらの組合せであっても良い。また、微分回路を組み合せた回路構成であっても良い。特許文献２や特許文献３に記載された回路構成の他には、特許文献６や特許文献７に記載された回路構成なども好適である。
【００６５】
シンチレータ３は、Ｅｕ、Ｃｅ、Ｔｌ、Ｎａ等の賦活剤を含むＬｉＣａＡｌＦ６結晶、ＬｉＳｒＡｌＦ６結晶、ＬｉＦ／ＣａＦ２共晶体、ＬｉＦ／ＳａＦ２共晶体、ＮａＩ結晶、Ｂｉ４Ｇｅ３Ｏ１２結晶、Ｇｄ３Ａｌ２Ｇａ３Ｏ１２結晶、ＣｅＦ３結晶等の無機シンチレータ、また、アントラセン、スチルベン、ジフェニルオキサゾール等の有機蛍光体からなる有機シンチレータ、また、前記有機蛍光体を含有するポリスチレン、ポリビニルトルエン、ポリエチレンテレフタレート等のプラスチックシンチレータ、また、前記有機蛍光体を含有するトルエン、キシレン等の液体シンチレータ、また、ヘリウム、アルゴン、キセノン、クリプトン等の気体シンチレータ等を用途に応じて何ら制限なく用いることができる。
【００６６】
本発明において、シンチレータ３がＬｉＣａｘＳｒ１−ｘＡｌＦ６結晶（ｘは０〜１）であることが好ましい。具体的には、ＥｕやＣｅなどの添加物を賦活剤として含む、ＬｉＣａＡｌＦ６結晶やＬｉＳｒＡｌＦ６結晶を好適に用いることができる。これらのシンチレータ結晶は中性子シンチレータであり、当該シンチレータ結晶に含まれるＬｉ−６は、中性子と反応してα線及びトリチウムを生じ、当該α線及びトリチウムによってシンチレータ結晶に４．８ＭｅＶのエネルギーを与える。そして、当該シンチレータ結晶に含まれる賦活剤によって、与えられたエネルギーに相当する光が発せられる。該ＬｉＣａＡｌＦ６結晶や該ＬｉＳｒＡｌＦ６結晶は、中性子を検出した事象によって、０．９５μ≦Ｐ≦１．０５μの精度でガウス分布と一致するピークを示すことができるため、本発明の放射線検出装置に用いるシンチレータとして特に好適である。
【００６７】
本発明の実施例で用いたＥｕ：ＬｉＣａＡｌＦ６結晶等の、Ｅｕを賦活剤として含むＬｉＣａｘＳｒ１−ｘＡｌＦ６結晶は、特に発光量が高く、信号／雑音比の高い計測が可能なため本発明に好適に用いることができる。なお、該Ｅｕを賦活剤として含むＬｉＣａｘＳｒ１−ｘＡｌＦ６結晶は、蛍光寿命が１．６μｓｅｃであり、一般的なシンチレータ材料の中では蛍光寿命が長いため、パイルアップを生じやすいが、本発明の計数方法を適用することによって、パイルアップを生じても精度良く計数することが可能となる。
【００６８】
一方、Ｃｅを賦活剤として含むＬｉＣａｘＳｒ１−ｘＡｌＦ６結晶は、特に蛍光寿命が数十ｎｓｅｃと短いため本発明に好適に用いることができる。当該Ｃｅ：ＬｉＣａＡｌＦ６結晶やＣｅ：ＬｉＳｒＡｌＦ６結晶等のＣｅを賦活剤として含むＬｉＣａｘＳｒ１−ｘＡｌＦ６結晶は、本来蛍光寿命が短く、パイルアップを起こしにくいため、本発明の計数方法を適用すれば極めて高い計数率での計測を実現できる。
【００６９】
Ｌｉ−６を含む中性子シンチレータの中性子感度の調整は、シンチレータサイズの調整、及びＬｉ−６同位体比の調整によって可能である。Ｌｉの安定な同位体であるＬｉ−６、Ｌｉ−７の比を調整したものとしては、Ｌｉ−６を濃縮したもの、天然比のもの、Ｌｉ−７を濃縮したものがあり、Ｌｉ−６同位体比が高いほど中性子感度が高くなる。また、これらの混合によって中性子感度を調整しても良い。上記のようにして中性子感度を調整することによって、計数の対象とする線量率に応じた放射線検出装置を提供できる。
【００７０】
本発明において、シンチレータ３の光を光検出器４まで伝搬する手段は特に限定されず、シンチレータ３と光検出器４を図４（ｂ）に示したように直接的に接続しても良く、図１２に示したように光ファイバ５などのライトガイドを用いて間接的に接続しても良い。シンチレータ３と光検出器４を直接的に接続する場合には、光検出器４をシンチレータ３と共に放射線場へ曝すことになるため、光検出器４に放射線が入射することにより観測されるノイズの影響で計数精度が低下したり、光検出器４が故障したりする可能性がある。そのため、高線量率環境下で放射線を計数する場合には、計数の対象とする高線量率環境下にシンチレータ３を設置し、光検出器４を充分に線量率が低い遠方に設置し、該シンチレータ３と光検出器４を光ファイバ５などのライトガイドを用いて間接的に接続することが好ましい。
【００７１】
高線量率となる放射線場としてはがんの放射線治療装置が挙げられ、中でも、ホウ素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ）用の放射線治療装置では、中性子線量率が１×１０９ｎ／ｃｍ２／ｓｅｃ程度と非常に高くなることが知られている。従来は、原子炉中性子を利用したＢＮＣＴ治療が行われていたが、近年では、サイクロトロン加速器や静電加速器によっても高線量率の中性子が得られるようになっており、病院にも設置可能な加速器ＢＮＣＴ治療装置が開発されている。
【００７２】
本発明の計数方法および放射線検出装置は、様々な放射線場で好適に利用可能であり、前記加速器中性子の検出に特に適している。特に、非常に高い中性子線量率となるホウ素中性子捕捉療法用の中性子の検出に適している。
【００７３】
ホウ素中性子捕捉療法用の中性子を検出する場合において、本発明を実施する最良の形態は、中性子シンチレータ３と光検出器４と波高弁別回路２を組み合わせた放射線検出装置であって、中性子シンチレータ３としてＥｕ：ＬｉＣａＡｌＦ６結晶、Ｃｅ：ＬｉＣａＡｌＦ６結晶、Ｅｕ：ＬｉＳｒＡｌＦ６結晶、Ｃｅ：ＬｉＳｒＡｌＦ６結晶の何れかを用い、当該中性子シンチレータ３と光検出器４の間を光ファイバ５によって接続して成るものである。
【００７４】
かかる態様において、中性子シンチレータ３から光ファイバ５への光の伝搬効率を高めるため、中性子シンチレータ３と光ファイバ５の先端を光学接着することが好ましい。光学接着する方法は特に制限されないが、シンチレータ３の発光波長における透過率が良く、且つ、耐放射線性が良い有機接着剤や無機接着剤を用いる方法、又は、光ファイバ５の先端部を一時的に融解させてシンチレータ３を融着する方法が好ましい。また、中性子シンチレータ３から光ファイバ５への集光効率を高めるため、中性子シンチレータ３の周囲を反射材で覆うことが好ましい。反射材は特に制限されないが、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、酸化チタン、硫酸バリウムなどの白色物質が好ましい。なお、光ファイバ５は石英ファイバ、プラスチックファイバなどを用いることができ、開口数（ＮＡ）が大きく、伝送損失が小さいものが好ましい。具体的には、ＮＡ０．４５以上、伝送損失２００ｄＢ／ｋｍ以下が好ましい。ＮＡが大きく、伝送損失が小さいものを用いることによって、光検出器４まで十分な光量を伝搬させることができれば、中性子を検出した事象によって、０．９５μ≦Ｐ≦１．０５μの精度でガウス分布と一致するピークが形成されるため、特に好ましい。
【００７５】
前記の形態であれば、光検出器４を高線量率環境下に配置する必要がなく、波高分布スペクトルにおいて、シンチレータ３が中性子を検出した事象として認められるピークを形成することが可能である。また、当該ピークについて、ガウス関数をフィッティングして求められる（μ−０．４σ）〜（μ＋０．６σ）の範囲から選ばれる任意の値を波高弁別閾値とし、当該波高弁別閾値を超えた事象を計数すれば、パイルアップによる計数精度の低下が小さく、低線量率から高線量率まで広い範囲にわたって精度良く中性子を計数可能な放射線検出装置を提供できる。
【実施例】
【００７６】
以下、具体的な実験例を挙げて本発明の実施態様をより詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００７７】
実施例１
まず、中性子シンチレータ３と光電子増倍管４と波高弁別回路２を組み合わせた中性子検出装置を下記の通り製作した。製作した中性子検出装置は図１２に概略図を示すものである。
【００７８】
中性子シンチレータ３は、Ｌｉ−６同位体比を９５％に濃縮したＬｉ原料を用いて製造されたＥｕ：ＬｉＣａＡｌＦ６結晶を用いた。０．６ｍｍ×０．６ｍｍ×０．６ｍｍに加工したＥｕ：ＬｉＣａＡｌＦ６結晶を、コア径φ１ｍｍ・長さ１０ｍの石英光ファイバ５の先端（逆端を後端とする）へエポキシ接着剤を用いて光学接着した。石英光ファイバ５は、ＮＡが０．４８であり、Ｅｕ：ＬｉＣａＡｌＦ６結晶の発光波長（３７０ｎｍ）における伝送損失が１００ｄＢ／ｋｍのものを用いた。なお、Ｅｕ：ＬｉＣａＡｌＦ６結晶３と石英光ファイバ５との光学接着面は、それぞれ光学研磨を施した。さらに、Ｅｕ：ＬｉＣａＡｌＦ６結晶３を硫酸バリウムからなる反射材で覆うことにより光ファイバへの集光効率改善を図り、光ファイバ５を遮光材料で被覆することにより室内光が入射しないようにした。
【００７９】
Ｅｕ：ＬｉＣａＡｌＦ６結晶３を接着した石英光ファイバ５の後端を光電子増倍管４へ光学的に接続した。光電子増倍管４は波高弁別回路２へ電気的に接続した。
【００８０】
波高弁別回路２は、光電子増倍管の信号を増幅する増幅器と、増幅器のアナログ信号出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、ＡＤ変換器のデジタル信号出力を信号処理するデジタルデータ処理装置と、デジタルデータ処理の結果を表示する表示装置と、を備えるものを用いた。
【００８１】
表示装置は、コンピュータとソフトウェア、モニタを備えるものを用いた。モニタには、波高分布スペクトルや波高弁別閾値を超えたパルスの計数値などを表示できるようにした。
【００８２】
なお、前記デジタルデータ処理装置には、１０秒毎に波高分布スペクトルを作成し、作成した波高分布スペクトルにおいて計数の目的成分が示すピークについてガウス関数をフィッティングし、求められたμおよびσを基準とした波高弁別閾値を逐次設定する機能を実装した。本実施例では、パイルアップの頻度が高まるに連れ波高分布ピークが徐々に低波高値側へシフトし、パイルアップの頻度が最も多い状況では、パイルアップの頻度が最も少ない状況に対してμが約１４％低下したが、波高弁別閾値はその時点でのピーク位置に合わせて自動更新されるため、波高値の小値化による計数ロスは軽微であった。
【００８３】
次に、製作した中性子検出装置を用いて、下記に記載した方法の通り、加速器中性子を計数し、パイルアップが計数値に与えた誤差を解析した。
【００８４】
静電加速器を用いた中性子発生装置の中性子照射口付近に、中性子減速材としてポリエチレンブロックを配置し、当該ポリエチレンブロックに設けた挿入孔へＥｕ：ＬｉＣａＡｌＦ６結晶３を接着した石英光ファイバ５の先端を挿入して固定した。光電子増倍管４および波高弁別回路２は、石英光ファイバ５を伸ばすことにより、中性子照射口から遠ざけて配置した。
【００８５】
静電加速器によって中性子を発生させ、中性子検出装置によって当該中性子を検出した。検出した中性子のパルスを解析し、波高弁別閾値を超えたパルスを１秒毎に計数して単位時間あたりの中性子計数率［ｃｐｓ］を得た。実施例１における波高弁別閾値は、（μ＋０．３σ）とした。なお、得られた中性子計数率［ｃｐｓ］に中性子線量率へ換算するための係数を乗じることにより、中性子線量率［ｎ／ｃｍ２／ｓｅｃ］を求めることができる。該加速器の最大出力における該検出素子を配置させた環境の中性子線量率は、約１×１０７ｎ／ｃｍ２／ｓｅｃであった。
【００８６】
実施例１において得られた計数率［ｃｐｓ］の経時変化を図１３に示す（左縦軸）。図１３には、加速器の電流値［μＡ］も併せて示しており（右縦軸）、当該電流値は、実施例１における加速器出力の履歴を現わしている。図１３の右縦軸スケールは、６ｋｃｐｓ以下を示している部分の中性子計数率について、加速器電流値が中性子計数率とグラフ上で重なるように調整している。なお、加速器電流値が最も低い約５μＡの際の波高分布スペクトルは、図２のようにパイルアップが少ないものであり、約４５μＡ、約３８０μＡの際の波高分布スペクトルはそれぞれ図１、図３のようなものであり、加速器電流値が高いほど、即ち中性子線量率が高いほどパイルアップの頻度が増えることがわかる。
【００８７】
図１３のデータについて、加速器電流値が安定している期間毎に、加速器電流値と中性子計数率の平均値を算出して比較したグラフを図１４に示す。図１４の回帰直線は、中性子計数率が低くパイルアップの影響が小さい部分（約１ｋｃｐｓ〜５ｋｃｐｓの４点）から求めたものである。回帰直線から期待される中性子計数率に対する実際に得られた中性子計数率の誤差は、表１に示した通りであり、最大で−２．１％の誤差しかなく良好な結果だった。
【００８８】
【表１】
2019152436.tif 000006
比較例１
実施例１と同一の中性子検出装置を用いて、波高弁別閾値を（μ−１．０σ）とした以外は、実施例１と同様にして加速器中性子を計数した。
【００８９】
比較例１において得られた中性子計数率および加速器電流値について、実施例１と同様の方法で解析した結果を図１５および図１６に示す。図１５において、中性子計数率が４０ｋｃｐｓを超えた部分では、中性子計数率が加速器電流値と較べて顕著に低くなっているが、これはパイルアップによって計数ロスが生じた結果を示すものである。各加速器電流値における中性子計数率の回帰直線との差は、表１に示した通りであり、−１０％を超える計数誤差を生じていた。
【００９０】
比較例２
実施例１と同一の中性子検出装置を用いて、波高弁別閾値を（μ＋０．７σ）とした以外は、実施例１と同様にして加速器中性子を計数した。
【００９１】
比較例２において得られた中性子計数率および加速器電流値について、実施例１と同様の方法で解析した結果を図１７および図１８に示す。図１７において、中性子計数率が１５ｋｃｐｓを超えた部分では、中性子計数率が加速器電流値と較べて顕著に高くなっているが、これはパイルアップによる第２ピークや第３ピークの計数増が影響した結果を示すものである。各加速器電流値における中性子計数率の回帰直線との差は、表１に示した通りであり、＋１０％を超える計数誤差を生じていた。
【００９２】
以上の実施例では、パイルアップの頻度が高くなる高計数率条件下においても、本発明の計数方法を採用することによって、パイルアップによる計数精度の低下を抑えることが可能である結果を示した。Ｌｉ−６同位体比を天然比とし、サイズを０．３ｍｍ×０．３ｍｍ×０．２ｍｍへ小型化したＥｕ：ＬｉＣａＡｌＦ６結晶を中性子シンチレータ３として用いれば、本実施例で製作した中性子検出装置の１／１００以下の中性子感度とできるため、該Ｅｕ：ＬｉＣａＡｌＦ６結晶を用いた中性子検出装置であれば、ＢＮＣＴ治療における中性子線量率１×１０９ｎ／ｃｍ２／ｓｅｃにおいても精度良く中性子の計数が可能である。
【符号の説明】
【００９３】
１：放射線検出素子
２：波高弁別回路
３：シンチレータ
４：光検出器
５：光ファイバ
【図１】
2019152436.tif 000007
【図２】
2019152436.tif 000008
【図３】
2019152436.tif 000009
【図４】
2019152436.tif 000010
【図５】
2019152436.tif 000011
【図６】
2019152436.tif 000012
【図７】
2019152436.tif 000013
【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１７】
2019152436.tif 000023
【図１８】
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