(57)【要約】【課題】  多重ガンマ線検出法では２台以上のガンマ線検出器からなる多重ガンマ線検出装置が必要であり、大型になり運搬性に欠けるばかりでなく、液体窒素補給などの維持に手間がかかり、その幾何学的配置を再現することが困難であるなどの問題があった。よって、単一の検出器で計測できるシステムが望まれていた。【解決手段】  １台のゲルマニウム半導体検出器中に複数の半導体素子を入れ、また素子の電極を分割し、両者を組み合わせることによって、ガンマ線がゲルマニウム結晶中で相互作用した複数のポイントを検出し、その位置と印可されたエネルギー値から、ガンマ線を全吸収した事象、散乱した事象、電子対創生した事象、また独立した複数のガンマ線事象を弁別することで、１台の検出器で複数のガンマ線の同時計数を可能にする方法。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１台のゲルマニウム半導体検出器中に複数の半導体素子を入れ、その素子の電極を分割し、両者を組み合わせることによって、ガンマ線がゲルマニウム結晶中で相互作用した複数のポイントを検出し、その位置と印可されたエネルギー値から、ガンマ線を全吸収した事象、散乱した事象、電子対創生した事象、また独立した複数のガンマ線事象を弁別することにより、１台の検出器で複数のガンマ線の同時計数を可能にする方法。
【請求項２】
１台のゲルマニウム半導体検出器中に複数の半導体素子を入れ、素子の電極を分割し、両者を組み合わせることによって、ガンマ線がゲルマニウム結晶中で相互作用した複数のポイントを検出し、１本のガンマ線が散乱した事象と独立した複数のガンマ線事象を弁別することにより、単一の入射ガンマ線事象を選び出し、バックグラウンドを低減する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１台のゲルマニウム半導体検出器中に複数の半導体素子を入れ、その素子の電極を分割して両者を組み合わせることにより、複数のガンマ線の同時計測を可能にすることに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
放射線、特にガンマ線測定はその高分解能の故に広い分野に応用されている。特に、1950年代にゲルマニウム半導体検出器が開発されてからは、そのほぼ千に及ぶ高エネルギー分解能を利用して、環境中放射能の監視や医療、核燃料の燃焼率測定などの原子力研究、放射化分析による考古学、地質学研究など放射性核種の同定に威力を発揮してきた［非特許文献１］。しかし、特に放射化分析や核燃料の分析など多核種を含む試料を分析する場合には［非特許文献２］、自然界に存在が確認されている放射性核種は２千７百以上に及び、各々が崩壊する過程において平均10本程度のガンマ線を放出するので、時として千という分解能でもそれらを分析することは困難になる。
【０００３】
こうした場合に化学分離がよく用いられるが、これは元素毎に異なる手順を踏み、特殊な技術が必要であり、また薬品廃棄物が出るなどのデメリットがある。また、壊変ガンマ線を半減期によって振り分ける方法とは、例えば半減期の長い核種を定量するためにかなりの時間を要し、またその間検出器系を維持する手間も大変である。
【０００４】
最近の技術により、同時発生する複数のガンマ線を複数のガンマ線検出器で同時計数する手法は高感度、高分解能が達成できることが分かった。ここでは2つのガンマ線情報の相乗効果により、従来の千倍の分解能が得られると同時に、感度においても約千倍改善される。これまでの半導体検出器は単一素子からなる検出器が最も一般的であり、国内ではこれを２〜２０台程度組み合わせた装置が稼働している。このタイプの検出器では検出効率を稼ぐためには、大型化する必要があった。
【非特許文献１】「放射線計測ハンドブック」G.F.Knoll著、木村逸郎、阪井英次訳、日刊工業新聞社、平成１３年３月２７日、４６１頁
【非特許文献２】「機器による化学分析」日本分析化学会訳編、丸善株式会社、昭和４３年１月、１９７頁。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のごとく多重ガンマ線検出法では２台以上のガンマ線検出器からなる多重ガンマ線検出装置が必要であった。この装置は１台の検出器に比べて、大型になり運搬性に欠けるばかりでなく、液体窒素補給などの維持に手間がかかる、幾何学的配置を再現することが困難であるなどの問題があった。配置が異なると装置全体の検出効率が変わるため、改めて較正を行うなどの必要性が生じ、実用上不都合が多い。よって、単一の検出器で計測できるシステムが望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、迅速、簡便性を備え、薬品廃棄物を出さないというメリットから、多重ガンマ線検出法の高度化を目指したものである。
最近の半導体検出器技術の進歩により、図３に示されるように、1台の検出器中に複数の検出器素子を組み込み、また同時に個々の半導体素子の表面電極を分割して実効的に素子を分割して、セグメント（個々の半導体素子とその表面電極とが組み合わさって分割して設けられた素子）毎に独立の信号を取り出すことが出来るようになった。これは主に放射線の入射した位置を特定することを目的としている。別々のセグメントに入射したガンマ線はそのセグメント毎に信号を生むので、それを解析すればガンマ線の同時計数を測定することが原理的には可能である。しかし、ガンマ線は素子中で単純に吸収されるわけではなく、相互作用の形態には大きく分けて３種類、つまりガンマ線エネルギーが全吸収される光電子過程、一部が吸収され散乱されるコンプトン散乱過程と電子対創生過程がある。後２者は元々単一のガンマ線であるにもかかわらず、複数のセグメントに信号を生ずる。このような事象とガンマ線2本の事象を区別する方法を以下に述べる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
ガンマ線源が一点だと仮定する。図1に示す散乱過程を仮定すると、各々の点に付与されるエネルギーE1, E2はガンマ線エネルギーE0と散乱角θを用いて
E2 [MeV] = 0.511/[ 0.511/E0 + 1 − cosθ ]                            （１）
E1 = E0 − E2                                                        （２）
と表せる。よって、実際に求められたE1とE2から
E0 = E1 + E2                                                         （３）
により入射エネルギーを求めた時に、E1が（１）を満たすかどうかで、この事象がコンプトン散乱事象かどうかを判別できる。上記で実際には各セグメントが有限な大きさを持っているので、角度も有限な幅(θ1 <  θ <  θ2)を持つ。よって、
0.511/[0.511/E0 + 1 − cosθ2 ]  < E2 < 0.511/[0.511/E0 + 1 − cosθ1 ] （４）
また、入射ガンマ線エネルギーが1 MeVを越す場合には電子対創生が可能である。この場合には図2に示すように第1相互作用ポイントから2本の0.511 MeV（MeVは百万電子ボルト）のガンマ線を互いに180°方向に放出する。E1はよって、
E1 [MeV] = E0 - 1.022                                                （５）
と表せる。これらの３個のエネルギーを検出できれば電子対創生を検出できる。
【０００８】
検出器で同時に２個のセグメントが信号を発生した場合は、入射ガンマ線の数が１個で１回散乱した場合と、もともと２個のガンマ線が入射した場合の２つの可能性がある。前者が可能かどうかは、上記（１）、（２）式を満足するかどうかにより判別できる。この条件を満たさない場合には散乱事象ではないので、後者の同時計数データとして処理する。満たした場合でも本当に散乱事象か、たまたまその位置に散乱の条件を満たす独立したガンマ線が入射したのかどうかは厳密には判定できないが、確率的に偏りがあればどちらかとして処理する、あるいは不確定な事象として捨てるといった処理を選択できる。前者は検出効率を、後者はバックグラウンド低減を重視した選択となる。
【０００９】
３個のセグメントが信号を発生した場合は以下の３つの可能性がある。
１．  １つのガンマ線が電子対創生した事象
２．  １つのガンマ線が２回散乱した事象
３．  １個が全吸収、2個が1回散乱事象
４．  ３個独立事象
これらについては任意の組み合わせの事象につき、上記の式により判定する。電子対創生事象では２個の0.511 MeVのガンマ線が放出されるので、容易に同定が可能であり、それ以外については原理的に２個の事象と同様である。組み合わせの数は多いが、順番に条件を満たすかどうかチェックすればよい。
【００１０】
ゲルマニウム検出器で得られるスペクトルには、コンプトンバックグラウンドと呼ばれる連続成分が現れる。これは入射ガンマ線が、上述のようにコンプトン散乱して、検出器外へ逃げ出した事象である。これは他の弱いガンマ線ピークを検出するために邪魔になるので、除くことが望ましい。通常コンプトンサプレッサーと呼ばれるシンチレーション検出器によりゲルマニウム検出器を囲み、検出器から出てきたガンマ線を捉え、これと同時計数するゲルマニウム検出器の信号を殺すことにより、除く方式をとる。この“受動的”な方法に対して、上述の方法により、明らかに光電効果事象、コンプトン散乱事象、あるいは電子対創生事象のみを取り出して、スペクトルを作るという“積極的”な方法により、同様のあるいはより優れたバックグラウンド除去が可能になる。
【実施例】
【００１１】
図4に2台のゲルマニウム検出器を隣り合わせに置き、同時計測した場合の2つの出力信号の相関を示す。縦軸、横軸は各々のガンマ線エネルギーを表す。図中四角で囲んだ領域に45度の線が現れる。これがコンプトン散乱事象を表す。一方で散乱され、一方で吸収されるとその和は入射したガンマ線エネルギーになるため、45度の線を作る。この線は、全方向の散乱事象を許せば、原理的に縦軸の交点から横軸の交点までほとんどの領域で可能であるが、一部のみに濃く現れるのは隣接する検出器の有限な大きさのためである。これ以外の薄い部分にも実際にはカウントがあるが、これらは独立な2本のガンマ線事象か、より高次の散乱事象であり、単純なコンプトン散乱事象と区別することが可能になる。よって、後者の事象のみを抽出すれば、コンプトン事象を選別できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ガンマ線が半導体検出器素子に入射してコンプトン散乱する過程を示す図である。
【図２】ガンマ線が半導体検出器素子に入射して電子対創生を起こす過程を示す図である。
【図３】１台の検出器をセグメントすることによって、散乱事象を同定する原理を示す図である。
【図４】2台のゲルマニウム検出器を隣り合わせに置き、線源からのガンマ線を同時計測した場合の2つの出力信号の相関を、縦軸・横軸に各々のガンマ線エネルギーをとって表した図である。図中四角で囲んだ領域の45度の線（下に拡大図）がコンプトン散乱事象を表す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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