(57)【要約】【課題】二次電子のエネルギーなどの検出精度を向上させ、それから計算される入射ガンマ線などの入射放射線の到来方向の決定精度を向上することができる放射線計測装置などを提供する。【解決手段】放射線計測装置は、入射放射線が散乱体内で起こすコンプトン散乱により発生した散乱放射線を検出する検出部２０１と、コンプトン散乱で発生した反跳電子により発生した電離電子を増幅して飛跡を検出する検出部２０８を有する。散乱放射線の検出結果と電離電子の飛跡の検出結果の情報から入射放射線の到来方向を計測部で求める。電離電子の飛跡を検出するのに必要とされる所定の時間、電子飛跡検出部２０８に電子雪崩現象を起こすための電圧を供給する電源２１０の動作を停止する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射放射線が散乱体内で起こすコンプトン散乱により発生した散乱放射線を検出する放射線検出部と、前記コンプトン散乱により発生した反跳電子により発生した電離電子を、電子雪崩現象を用いて増幅し、前記電離電子の飛跡を検出する電子飛跡検出部と、前記散乱放射線の検出結果と前記電離電子の飛跡の検出結果の情報から前記入射放射線の到来方向を求める計測部を有する放射線計測装置であって、
前記電離電子の飛跡を検出するのに必要とされる所定の時間、前記電子飛跡検出部に電子雪崩現象を起こすための電圧を供給する電源の動作を停止するよう構成されていることを特徴とする放射線計測装置。
【請求項２】
前記所定の時間は、前記放射線検出部における散乱放射線の到着の検知後の所定の時間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。
【請求項３】
前記所定の時間は、 前記散乱放射線の到着を検知した時点から、前記散乱体内で発生した前記電離電子が前記電子飛跡検出部に到達するまでの時間の最大値以上であることを特徴とする請求項２に記載の放射線計測装置。
【請求項４】
前記所定の時間は、前記放射線の到着を検知した時点から、前記散乱体内で発生した前記電離電子の飛跡の検出が完了するまでの時間の最大値以上であることを特徴とする請求項２に記載の放射線計測装置。  
【請求項５】
前記電源の動作の停止は、電源回路のスイッチング動作の停止であることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の放射線計測装置。
【請求項６】
前記散乱体はガス部を有し、
前記電子飛跡検出部の一部を第一電極とし、前記ガス部を介して前記電子飛跡検出部と対向する位置に第二電極が配置され、
前記第一電極に対して前記第二電極を負電位として、前記電離電子を前記第一電極の方向にドリフトさせるための電界を印加する電界印加部が構成されていることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の放射線計測装置。
【請求項７】
前記電源は、ローパスフィルタを含むことを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の放射線計測装置。
【請求項８】
放射線はガンマ線であることを特徴とする請求項１から７の何れかに記載の放射線計測装置。
【請求項９】
入射放射線が散乱体内で起こすコンプトン散乱により発生した散乱放射線を検出するステップと、
前記コンプトン散乱により発生した反跳電子により発生した電離電子を、電子雪崩現象を用いて増幅し、前記電離電子の飛跡を検出するステップと、
前記散乱放射線の検出結果と前記電離電子の飛跡の検出結果の情報から前記入射放射線の到来方向を求めるステップと、
を有し、
前記飛跡検出ステップにおいて、前記電離電子の飛跡を検出するのに必要とされる所定の時間、電子雪崩現象を起こすための電圧を供給する電源の動作を停止することを特徴とする放射線計測方法。
【請求項１０】
前記所定の時間は、前記放射線検出ステップにおける散乱放射線の到着の検知後の所定の時間であることを特徴とする請求項９に記載の放射線計測方法。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の放射線計測方法をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子飛跡検出型コンプトンカメラ（ETCC）などにおいて電源ノイズの影響を抑制して反跳電子の情報を得ることができるガンマ線などの放射線の計測方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガンマ線検出器において、ノイズ信号を出した検出器を特定し、そのデータを使用しないようにする技術が提案されている（特許文献１参照）。また、コンプトン散乱を利用したガンマ線検出器には、MSGC（マイクロストリップガスチャンバー）を使用したものが提案されている（非特許文献１参照）。
【０００３】
ここで、放射線源から発生するガンマ線の強度分布を計測し、画像として表示するガンマカメラの一方式であるコンプトンカメラについて説明すると、次の様なものである。コンプトンカメラは、入射ガンマ線と散乱体との間で生じるコンプトン散乱を利用し、入射ガンマ線の入射方向の検出を行う。ここで、入射ガンマ線の入射方向の算出には、コンプトン散乱により生じた散乱ガンマ線のエネルギーと散乱方向ベクトルの他に、コンプトン散乱により生じた反跳電子のエネルギーと反跳方向ベクトルを必要とする。この反跳電子の検出には、エネルギーと共に飛跡の位置検出も可能な放射線計測装置を用いる。放射線計測装置は、散乱体であるガス、電離電子（二次電子）をドリフトさせるための電界印加手段、２次元に配置された電極で構成された電子検出手段であるMSGCを備えている。この計測装置において、入射ガンマ線とガス分子中の電子とのコンプトン散乱により生じた反跳電子は、連続的にガス分子を電離しながら飛行し、その飛跡上に、多数の電離電子から成るガス電子を発生させる。このガス電子は、電界印加手段による電界から受ける力によって反跳電子の飛跡と同一の形状を維持しながらMSGCまでドリフトする。MSGCは、この電子を増幅するとともに、ガス電子の２次元平面への投影の位置（Ｘ，Ｙ座標）を検出する。一方、ガンマ線検出器による散乱ガンマ線の検出時点、即ちコンプトン散乱を生じた時点と、MSGCによる電離電子の検出時点との差、および電離電子のドリフト速度から、MSGCから飛跡までの距離（Ｚ座標）が検出される。ここにおいて、散乱ガンマ線の速度は非常に高速であるので、コンプトン散乱を生じた時点は散乱ガンマ線の検出時点と同じとみなし得る。このようにして反跳電子の飛跡の３次元位置を算出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１-２３７４５７号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】MSGC開発史  神戸大  越智敦彦  MPGD研究会  Dec.３,２００４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
MSGCなどにおいて、反跳電子によって電離した二次電子は、ガス電子増幅時にガス電子増幅器にかけられる電圧に重畳される電源ノイズにより増幅率が変動してしまうことがある。そのため、反跳電子の検出エネルギーなどから計算する入射ガンマ線の位置（方向）決定精度が低下することがある。
【０００７】
しかしながら、前記特許文献１及び非特許文献１では、電源電圧に重畳されるノイズ対策は開示されていない。そこで本発明は、電離電子がその検出面に到達するまでの時間などを考慮し、例えば、電源の発振器を所定時間だけ停止させることで電源ノイズを低減する技術を提供し、反跳電子の位置（方向）の決定精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の放射線計測装置は、次の特徴を有する。すなわち、入射放射線が散乱体内で起こすコンプトン散乱により発生した散乱放射線を検出する放射線検出部と、前記コンプトン散乱により発生した反跳電子により発生した電離電子を、電子雪崩現象を用いて増幅し前記電離電子の飛跡を検出する電子飛跡検出部と、前記散乱放射線の検出結果と前記電離電子の飛跡の検出結果の情報から前記入射放射線の到来方向を求める計測部を有する。そして、前記電離電子の飛跡を検出するのに必要とされる所定の時間、前記電子飛跡検出部に電子雪崩現象を起こすための電圧を供給する電源の動作を停止するよう構成されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、コンプトン散乱で発生した反跳電子から生成される二次電子が電子増幅される時のノイズを低減することで、二次電子のエネルギーなどの検出精度が向上し、それから計算される入射ガンマ線などの入射放射線の到来方向の決定精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の電源ノイズ低減方法の一例のフローチャートの例を示す図。
【図２】本発明の装置の一例のブロック図。
【図３】本発明の装置及び方法の一例の動作を説明するタイムチャート。
【図４】本発明で使用するガス電子増倍部の代表例のMSGC（上記非特許文献１の記載による）を説明する図。
【図５】本発明の有用性を説明する印加電圧とガス増幅率を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明では、コンプトン散乱により発生した反跳電子により発生した電離電子の飛跡を検出するのに必要とされる所定の時間、電離電子の飛跡を検出する電子飛跡検出部に、電子雪崩現象を起こすための電圧を供給する電源の動作を停止する。前記所定の時間は、例えば、入射放射線が散乱体内で起こすコンプトン散乱により発生した散乱放射線を検出する放射線検出部における散乱放射線の到着検知後の所定の時間である。この所定時間は、電子検出部の第一の電極と後述のドリフトプレーン（第二の電極）の間隔をＤ、ガス電子のドリフト速度をＶとした時、Ｄ／Ｖ以上となるように設定されるものである。
【００１２】
前記電源は、後述の例で説明する様なLPF（ローパスフィルタ）を含むもの、分布する浮遊容量を有する様な特性を持つもの、等であればよい。つまり、電源動作を停止したときに、急俊に電圧が降下するのではなく、一定の時間をかけて次第に電圧が降下する性質を有する電源であればよい。このような電源であれば、電源の動作を停止させている上記所定時間内において電源ノイズを低減した状態で、コンプトン散乱で発生した反跳電子から生成される二次電子が電子増幅されて精度良く検出され、二次電子のエネルギーなどの検出精度が向上する。
【００１３】
以下の説明では、放射線はガンマ線であるとして説明するが、その他の放射線であっても計測原理は同じである。また、本明細書では、異なる観点からの用語として電子飛跡検出部を電子検出部、ガス電子増幅器、ガス電子増倍検出部などと記す場合もある。電源を高圧電源、電源回路などと記す場合もある。
【００１４】
（一実施形態）
図２のブロック図を使用して本発明の一実施形態の構成について説明する。ガンマ線検出部２０１の出力のガンマ線イベント信号３０１は細い正極性パルスであり、モノマルチバイブレータ２０２に入力されると、６μS程度の所定幅の発振停止信号が出力され、高圧電源２１０内の発振器２０３へ入力される。発振器２０３の出力は昇圧回路２０５に接続され、昇圧回路２０５には低圧電源２０４から電源が供給されている。昇圧回路２０５のACパルス出力は整流回路２０６で整流され、LPF２０７で脈動成分を除去される。こうして、高圧出力として、電子飛跡検出部であるガス電子増倍検出部２０８へ供給されている。
【００１５】
図１〜図３を使用して本実施形態の動作について説明する。図１は本実施形態の動作を説明するフローチャートである。開始１００後、電源発振開始１０１で高圧電源２１０が出力を開始し、ガス電子増倍検出部２０８には高電圧が印加されている。図１のフローチャートの判定「ガンマ線は検出されたか１０２」では、Noの経路を通りループしている。
【００１６】
図３のタイムチャートでは、ガンマ線イベント信号が出る前の状態が３００の部分である。発振器２０３が発振することで高圧電源２１０が動作しており、高圧出力にはノイズ３０１が重畳している。発振器２０３の発振は、発振器出力の部分で示している。ここで図２のガンマ線検出部２０１におけるガンマ線到着の検知時点で、細いパルス信号のガンマ線イベント信号３０２がモノマルチバイブレータ２０２へ入力される。このとき、図１のフローチャートの判定「ガンマ線は検出されたか１０２」ではYesの経路を通り、電源発振停止１０３の処理を行う。判定「ガンマ線検出から所定の時間経過したか？」１０４はNoでありここでループしている。
【００１７】
図２のモノマルチバイブレータ２０２から所定の時間幅の発振停止信号が発振器２０３へ出力される。詳しくは、ガンマ線イベント信号３０２から、電離電子が電子飛跡検出部（電子検出部のアノードストリップやバックストリップ）に到達するまでの時間の最大値以上の時間、モノマルチバイブレータ２０２は発振停止信号を発振器２０３へ出力する。もしくは、電離電子の飛跡の検出が完了するまでの時間の最大値以上の時間、モノマルチバイブレータ２０２は発振停止信号を発振器２０３へ出力する。こうして、電源回路のスイッチング動作を停止する。電離電子の各部が検出部に到達するまでの時間は異なることが多く、電離電子の全ての部分が検出部で検出される必要があるので、発振停止信号がこのように設定される。検出部の後段の処理部における処理時間をも考慮すれば、電離電子の全ての部分がより確実に精度良く検出されるように、ガンマ線イベント信号３０２から、電離電子の飛跡の検出が完了するまでの時間の最大値以上の時間、発振停止信号を発振器２０３へ出力する。ただし、ガス電子の前端に対応した信号の立ち上がりからトリガ信号を生成し、これをモノマルチバイブレータ２０２に出力してもよい。
【００１８】
発振停止信号の出力期間は、図３のタイムチャートの３０２から３０４の区間であり、高圧出力は、３０３に示すようにノイズ３０１が重畳されず、わずかに電圧が徐々に降下して行く。但しこの電圧降下は、高圧電源２１０のLPF２０７の時定数で管理できるので実際には問題無い。このノイズが重畳されない期間にMSGC等の電圧ノイズに敏感なガス電子増幅器が高精度に動作する。また、電圧降下の態様は電源の構成から計算でき、後述の図５で示す様に電圧対増幅率の関係も計算できるので、これらを用いて、検出部での検出結果を補正してより精度の良い検出結果を得ることもできる。
【００１９】
その後、所定の時間経過すると、図１のフローチャートの判定「ガンマ線検出から所定の時間経過したか？」１０４は、Yesとなり、電源発振再開１０１の処理を行い高圧電源２１０が動作を再開する。図３のタイムチャートにおける３０４のタイミングである。
【００２０】
次に図４のMSGCを用いた場合を例にとりコンプトンカメラの動作、電子飛跡検出部であるガス電子増倍検出部２０８（図２参照）によるガス電子増幅のメカニズム説明を行う。ドリフトプレーン４０１とガス電子増倍検出部２０８のカソードストリップ４０５の間は１０cm程度で、その間の電位差は-３０００V程度となっている。カソードストリップ４０５が第一電極であり、ガス部を介して電子飛跡検出部と対向する位置に配置されたドリフトプレーン４０１が第二電極である。第一電極に対して第二電極を負電位として、電離電子を第一電極の方向にドリフトさせるための電界を印加する電界印加部が構成されている。図４は模式図なのでアノード４０４は５本程度しか描かれていないが、実際にはアノード４０４は、その間隔が２００μm程度で、２００本以上ある。各アノード４０４に対して設けられたカソード４０５の幅は１００μm程度である。バックストリップ４０６の間隔も２００μm程度である。
【００２１】
サブストレート４０３上のアノード４０４とカソード４０５の間の間隔は５０μm程度で、アノードとカソード間の電位差は５００V程度であり、その間に１００,０００V/cm程度の電界がかけられている。ガスチャンバー内部の厚さ１０cm程度のガス部４０２には、アルゴンにクエンチャーガスとして１０%程度のメタンかエタンが含まれたガスが収容されている。それらの下部には、ガンマ線検出部４１０〜４１２があり、上からシンチレータ４１０、光電子増倍管４１１、ヘッドアンプ４１２が複数マトリクス状に実装されている。マトリクスサイズは８＊８〜２４＊２４程度で、マトリクスの要素のサイズは３mm角〜６mm角程度である。
【００２２】
動作を説明する。ここにガンマ線４１３が入射すると一部がコンプトン散乱点４１４でコンプトン散乱し、散乱ガンマ線４１６と反跳電子４１５となる。散乱ガンマ線４１６はシンチレータ４１０で複数の可視光線４１７となり光電子増倍管４１２で光電変換され、さらに百万倍程度のエネルギーの電子に増幅される。そして、ヘッドアンプ４１２で増幅されて電気信号となり、ガンマ線検出器２０１（図１参照）へ送られる。ガンマ線検出器２０１は複数あるヘッドアンプ４１２の何れかからガンマ線検出信号が入ると、前述のように細いパルス信号のガンマ線イベント信号３０２（図３参照）を出力する。同時に、マトリクス状にガンマ線検出部があるため散乱ガンマ線の到着位置が検出される。
【００２３】
他方、コンプトン散乱点４１４からの反跳電子４１５は二次電子を出し、その二次電子はドリフトプレーン４０１の負電位により、アノードストリップ４０４、カソードストリップ４０５の方向へ移動する。そこでアノード４０４とカソード４０５間の１００,０００V/cm程度の強電界で一気に数万倍の電子とイオンにガス電子増幅される。その飛跡が、バックストリップ読み出し信号４０８及びアノード読み出し信号４０９として検出され、その交点から二次電子の到達位置が検出される。これらの信号のサンプリング周期は１０nSから４０nS程度である。
【００２４】
この検出された電子飛跡のパターンと前記散乱ガンマ線の到着位置などからコンプトン散乱式を逆算することで、コンプトン散乱位置４１４、入射ガンマ線４１３の方向が分かる。すなわち、電子検出手段が、反跳電子の検出データから反跳電子のエネルギー、コンプトン散乱点の位置、および反跳方向ベクトルを算出する。またガンマ線検出手段が、散乱ガンマ線の検出データから散乱ガンマ線のエネルギー、および散乱方向ベクトルを算出する。入射ガンマ線の到来方向を求める計測部のガンマ線入射方向演算手段が、個々のコンプトン散乱事象について反跳電子のエネルギー、反跳方向ベクトル、散乱ガンマ線のエネルギー、および散乱方向ベクトルを元に、入射ガンマ線の到来方向を算出する。画像再構成装置が、複数のコンプトン散乱事象について入射ガンマ線の入射方向から強度分布を画像データ化し、表示装置によって強度分布を濃淡や色の違いなどによって表示することもできる。しかし、以上の演算処理において、入射ガンマ線の角度計算には、散乱電子４１５のエネルギーが重要であり、ここのエネルギー測定誤差は入射ガンマ線４１３の方向の角度誤差に大きな影響を与える。
【００２５】
コンプトン散乱式による逆算は次の数１の如きものである。即ち、以下の式（１）、（２）、（３）により入射ガンマ線の入射方向ベクトルｓ（入射方向の単位ベクトル）を算出する。なお式において、個々のコンプトン散乱事象についての反跳電子のエネルギーがＫｅ、散乱ガンマ線のエネルギーがＥγ、電子の反跳方向ベクトルがｅ、ガンマ線の散乱方向ベクトルがｇである。また、ｍは電子の静止質量、ｃは光速である。αは電子の反跳方向ベクトルｅとガンマ線の散乱方向ベクトルｇの成す角、φは入射ガンマ線の入射方向ベクトルとガンマ線の散乱方向ベクトルｇの成す角である。
【００２６】
【数１】
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【００２７】
図５にMSGCの基本となる比例係数管の印加電圧と増幅率の関係を示す。増幅率はほぼ印加電圧のべき乗に比例しているのが分かる。比例係数管のパラメータは、アノード半径２５μm、カソード半径２５mm、１気圧、Gas=Ar+10%CH４である。このときアノード周辺の電界は、１００,０００V/cm程度となる。以上述べたようにガス電子増幅率はアノードストリップ４０４とカソードストリップ４０５間の電界ないし電位差のべき乗に比例するので、ここに乗ったノイズは他の部分に乗ったノイズに比べ入射ガンマ線の角度計算に大きな誤差を与える。こうした誤差が本発明では抑制されるのである。つまり、電子飛跡検出型コンプトンカメラなどで、反跳電子によって電離した電子は、ガス増幅時に電気系ノイズの影響でエネルギー増幅率がばらついてしまうため、反跳電子の検出エネルギーなどから計算する入射放射線の位置（方向）決定精度が低下する。本発明によれば、電子増幅される時のノイズを低減することで、二次電子のエネルギーなどの検出精度が向上し、それから計算される入射ガンマ線などの入射放射線の到来方向の決定精度が向上する。
【００２８】
（他の実施形態）
本発明の目的は、以下の放射線計測方法の実施形態によって達成することもできる。即ち、前述した実施形態の機能（計測部のガンマ線入射方向演算手段、電源などを制御するコントローラなどの機能）を実現するソフトウェアのプログラムコードを格納した記憶媒体を、放射線計測装置やガンマカメラなどに供給する。ネットワークを介してソフトウェアのプログラムコードを供給することもできる。そして、そのコントローラのコンピュータ（またはＣＰＵ、ＭＰＵなど）が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出し上記機能を実行する。この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が上記実施形態の機能を実現することになり、放射線計測を行うためのプログラムやこれを格納した記憶媒体は、本発明を構成することになる。詳細には、本実施形態の放射線計測方法は少なくとも次のステップを有する。入射放射線が散乱体内で起こすコンプトン散乱により発生した散乱放射線を検出するステップ。コンプトン散乱により発生した反跳電子により発生した電離電子を、電子雪崩現象を用いて増幅し、電離電子の飛跡を検出するステップ。散乱放射線の検出結果と電離電子の飛跡の検出結果の情報から入射放射線の到来方向を求めるステップ。そして、前記飛跡検出ステップにおいて、電離電子の飛跡を検出するのに必要とされる所定の時間、電子雪崩現象を起こすための電圧を供給する電源の動作を停止する。
【００２９】
本発明による放射線計測の技術は、環境放射線計測や核医学診断等を行うガンマカメラなどに用いることができる。以上の実施形態の説明では、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００３０】
２０１・・ガンマ線検出部（放射線検出部）、２０２・・モノマルチバイブレータ、２０３・・発振器、２０４・・低圧電源、２０５・・昇圧回路、２０７・・ＬＰＦ、２０８・・ガス電子増倍検出部（電子飛跡検出部）、２１０・・電源
【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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