(57)【要約】【課題】  放射線を高精度に測定することができ、容易に小型化でき、製造コストを抑えることにより広く利用できる放射線測定装置を提供する。【解決手段】  放射線を受けて蛍光を発生するシンチレータ１０と、シンチレータにおいて発生するシンチレーション光を検知する光センサ２０と、光センサ２０の駆動制御と光センサからの出力信号を信号処理する電子回路３０とを備える放射線測定装置であって、シンチレータ１０としてMPPC（Multi-Pixel Photon Counter）を使用し、電子回路３０が、光センサ２０の電圧供給部としてMPPCの動作電圧を温度補正する電圧安定化部を備えることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射線を受けて蛍光を発生するシンチレータと、
シンチレータにおいて発生するシンチレーション光を検知する光センサと、
光センサの駆動制御と光センサからの出力信号を信号処理する電子回路とを備える放射線測定装置であって、
前記シンチレータとしてMPPC（Multi-Pixel Photon Counter）を使用し、
前記電子回路が、前記光センサの電圧供給部としてMPPCの動作電圧を温度補正する電圧安定化部を備えることを特徴とする放射線測定装置。
【請求項２】
前記電圧安定化部は、前記光センサに近似する温度係数を備えるツェナーダイオードを用いた定電圧回路によって構成されていることを特徴とする請求項１記載の放射線測定装置。
【請求項３】
前記電子回路は、前記光センサの出力信号を増幅するアンプ部と、アンプ部からの出力信号が所定の閾値を超えたときにパルス信号を出力するディスクリミネータとを備えることを特徴とする請求項１または２記載の放射線測定装置。
【請求項４】
前記電子回路として、前記光センサからの出力信号をカウントして放射線量を検知するカウンタを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の放射線測定装置。
【請求項５】
前記電子回路として、前記光センサからの出力信号の波高を解析し、放射線のエネルギースペクトルから放射線源の核種を特定する波高分析器を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の放射線測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、放射線の測定に好適に利用できる小型の放射線測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自然環境下において放射線量を簡易に測定する測定器として、センサ部にガイガーミュラー管を用いたガイガーミュラー計数管（GM計数管）が知られている。ガイガーミュラー管は金属あるいはガラス製の管に検知用のガスを封入したものであり、GM計数管は、ガイガーミュラー管への放射線の飛来数を検知して放射線量を計測する。
GM計数管の他に、センサ部にシンチレータを使用したシンチレーション検出器も簡易な放射線測定器として使用されている。シンチレータは放射線が入射すると蛍光を発する作用を有する。シンチレーション検出器は、シンチレータで発生した光を光電子増倍管あるいはフォトダイオードにより検知して放射線量を計測する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６３−４８４８９号公報
【特許文献１】特開平１０−３３２８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したGM計数管及びシンチレーション検出器は、自然環境下における放射線量を測定する装置として手軽に使用されているが、GM計数管はガスの電離作用を利用しているためX線やγ線に対する吸収効率が低くX線やγ線に対する測定精度が低いという問題と、ガス増幅の回復時間が長く、高い線量での使用に適さないという問題がある。一方、シンチレーション検出器はGM計数管と比較すると透過力の高いγ線の検出に適しており、GM計数管にくらべて分解時間がはるかに短いことから、高線量の測定が可能であり、測定精度も高い。しかしながら、シンチレーション検出器は高価であり、一般家庭等において手軽に使用するには適さない。GM計数管も、汎用品として提供されてきたものではなく、価格的にも高価である。
【０００５】
また、自然環境下において使用する放射線測定装置は、小型軽量で操作性に優れていることが望まれる。従来のGM計数管は、センサ部としてGM管を備えているため、小型化にも限度があり、衣服のポケットに収納して携帯するといった程度にまで小型化することは困難である。また、シンチレーション検出器についても、光の検知用として光電子増倍管を使用するものは、光電子増倍管が数cm〜十数cm程度の大きさがあるために、小型化する場合も限度があった。
【０００６】
本発明は、これらの課題を解決すべくなされたものであり、自然環境下における放射線を高精度に測定することができ、かつ製造コストを抑えて、容易に小型化することができ、取扱いが容易な放射線測定装置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】
【０００７】
本発明に係る放射線測定装置は、放射線を受けて蛍光を発生するシンチレータと、シンチレータにおいて発生するシンチレーション光を検知する光センサと、光センサの駆動制御と光センサからの出力信号を信号処理する電子回路とを備える放射線測定装置であって、前記シンチレータとしてMPPC（Multi-Pixel Photon Counter）を使用し、前記電子回路が、前記光センサの電圧供給部としてMPPCの動作電圧を温度補正する電圧安定化部を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、前記電圧安定化部は、前記光センサに近似する温度係数を備えるツェナーダイオードを用いた定電圧回路によって構成することにより、効果的にかつ複雑な回路構成にすることなく、光センサ（MPPC)の動作電圧の温度補正をすることができる。
また、前記電子回路は、前記光センサの出力信号を増幅するアンプ部と、アンプ部からの出力信号が所定の閾値を超えたときにパルス信号を出力するディスクリミネータとを備えることにより、放射線量を確実に測定することができる。
また、前記電子回路として、前記光センサからの出力信号をカウントして放射線量を検知するカウンタを備える構成とすることも可能であり、前記光センサからの出力信号の波高を解析し、放射線のエネルギースペクトルから放射線源の核種を特定する波高分析器を備える構成とすることもできる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る放射線測定装置によれば、光センサとしてMPPCを使用し、かつMPPCの作動電圧を温度補正することにより、使用環境温度によらずに高精度の放射線測定ができる。また、装置の小型化を効果的に図るとともに、製造コストを抑えて汎用品として利用価値の高い装置として提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】放射線測定装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】放射線測定装置の電気回路を示すブロック図である。
【図３】電圧供給部のブロック図である。
【図４】交流発生部の回路例を示す図である。
【図５】昇圧部の回路例を示す図である。
【図６】電圧安定化部の回路例を示す図である。
【図７】定電圧回路による温度補正の作用を示すグラフである。
【図８】アンプ部の回路例を示す図である。
【図９】ディスクリミネータの回路例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（放射線測定装置の全体構成）
図１は、本発明に係る放射線測定装置の全体構成を示すブロック図である。放射線測定装置は、放射線（ガンマ線）を受けて蛍光を発生するシンチレータ１０と、シンチレータ１０から放射される蛍光（可視光）を検知する光センサ２０と、光センサ２０からの出力信号をデジタル信号（パルス信号）に変換する電子回路３０と、電子回路３０から出力されるデジタル信号をカウントするカウンタ４０とを備える。
【００１２】
（シンチレータ）
シンチレータ１０は、放射線が入射した際に蛍光を発する作用を有するものである。本実施形態において使用したシンチレータは、LYSO単結晶シンチレータと、LFS（ケイ酸ルテチウム）シンチレータである。いずれも密度7.4g／cm3の高密度シンチレータである。シンチレータはより高密度であるものの方がシンチレーション光量が多くなり、効率的に放射線を検出することができる。これらのシンチレータは、光量を増大させるため不純物としてCeを含有する。
【００１３】
本実施形態の放射線測定装置に組み込んだシンチレータ１０は、外寸法が3mm×3mm×15mmの端面形状が矩形の棒状のものである。このシンチレータ１０の一方の端面に、シンチレータ１０の屈折率に近似する屈折率を有する接着剤を用いて光センサ２０を取り付けた。シンチレータ１０に近似する屈折率を有する接着剤を用いたのは、シンチレータ１０と光センサ２０との界面における光反射を抑えて、シンチレータ１０内で発生するシンチレーション光を効率的に光センサ２０に入射させるためである。
【００１４】
シンチレータ１０内のシンチレーション光の集光率を上げる方法には、シンチレータ１０の外側面を研磨し、シンチレーション光をシンチレータ１０の側面で全反射させてシンチレータ１０の端面から放射されるようにする方法、シンチレータ１０の外側面との間に空気層を設けてシンチレータ１０を反射シートにより被覆し、空気層との界面でシンチレーション光が全反射しやすくする方法、シンチレータ１０の外側面を光反射率の高い反射シートにより被覆してシンチレーション光を外部に漏出させないようにする方法等がある。
【００１５】
（光センサ）
光センサ２０として本実施形態では、MPPC（Multi-Pixel Photon Counter：浜松ホトニクス製）を使用した。MPPCは多数個の微小なアバランシェ・フォトダイオードを縦横に整列して配置したもので、受光部分が１mm×１mm程度のきわめて小型の製品である。MPPCは、80V程度の低電圧で動作し、105といった高ゲインであり、常温で使用でき、磁場の影響を受けない等の特徴を有する。
MPPCの出力信号は受光面を構成するAPDピクセル全ての出力信号の和になる。したがって同時に複数のピクセルが信号を出した場合、MPPCの出力はそれらの信号を重ね合わせたものになる。この信号の高さ（強さ）や積分電荷量を測定することで、どのくらいの数の光子が入射したかがわかる。
【００１６】
（電子回路）
本実施形態の放射線測定装置の電子回路３０は、図２に示すように、光センサ２０を駆動するための電圧供給部３２と、光センサ２０からの出力信号を増幅するアンプ部３４と、アンプ部３４から出力されるアナログ信号をディジタル信号（パルス信号）に変換するディスクリミネータ３６とを備える。
【００１７】
（電圧供給部）
光センサ２０に使用するMPPCの動作電圧は80V程度である。MPPCの出力信号値は動作電圧に左右されるから、MPPCの動作電圧はできるだけ高精度に制御する必要がある。本実施形態においては設定電圧に対して0.1V以下の変動範囲となるように制御した。
また、MPPCは約＋60mV/Kの温度係数を有する。したがって、放射線測定装置を使用する温度（環境温度）によって動作電圧が変動しないように制御する必要がある。
【００１８】
図３に電圧供給部３２の構成をブロック図で示した。電圧供給部３２は、６V（電池）の直流電圧から5Vの交流を発生させる交流発生部３２aと、交流5Vを直流90V程度に昇圧する昇圧部３２ｂと、動作電圧を安定化させる電圧安定化部３２ｃとを備える。
【００１９】
交流発生部３２aは、CR回路による移相のずれを利用して正帰還をつくり発振させる移相発振回路によって形成した。図４に、交流発生部３２ａの回路例を示す。移相発振回路の発振周波数を上げると昇圧部３２ｂの電流出力が上がるがノイズも増える。本実施形態においては実験による検討の結果、発振周波数を14ｋHzに設定した。
昇圧部３２ｂは、コッククロフト・ウォルトン(CW)回路によって構成した。図５にコッククロフト・ウォルトン回路の例を示す。本実施形態ではCW回路の段数を28段とし、交流5V(最大値)入力で、出力90V、50μAで動作するようにした。
【００２０】
電圧安定化部３２ｃは、ツェナーダイオードを用いた定電圧回路によって構成した。図６に、本実施形態で使用した定電圧回路を示す。
前述したように、MPPCは正の温度係数を有している。本実施形態では、MPPCと略同一の温度係数を有するツェナーダイオード（35V×2）を定電圧回路に使用し、これによってMPPCの動作電圧の温度変動を打ち消すようにした。
【００２１】
図７に、定電圧回路によりMPPCの温度補正がなされている作用を示す測定データを示す。図７は、０℃〜３０℃の温度範囲について、電圧安定化部３２ｃにおける電圧変化を測定したものである。図のように、定電圧回路の温度による電圧の温度変化はMPPCの温度変化と同様の傾向を示しており、MPPCの温度による電圧変動を有効に打消して、MPPCの温度係数を実質的に1/10程度までに低減することができている。いいかえれば、本実施形態の定電圧回路により、測定環境の温度の変動による測定誤差を効果的に補正することが可能となる。
光センサ２０としてMPPCを使用する場合にMPPCの動作温度の温度補正を行うことは、自然放射能の高精度の測定を行う上できわめて有効である。本実施形態の定電圧回路は、きわめて簡易な構成によってMPPCの温度補正を可能にした点においても有用である。
【００２２】
（アンプ部）
アンプ部３４に求められる性能は、幅100ns程度のシンチレーションパルスを500倍程度に増幅することである。本実施形態では、高速オペアンプ(ユニティゲイン周波数180MHz)を使用し、非反転増幅回路2段として回路構成した。
図８に、実際のアンプ部の回路例を示す。光センサ２０のMPPCからの出力は数ｍVである。本実施形態では、アンプ部３４により光センサ２０の出力を1〜2V程度に増幅して次段のディスクリミネータ３６に出力させた。
【００２３】
（ディスクリミネータ）
ディスクリミネータ３６は、10nsの信号を検出可能とする仕様とした。光センサ２０に使用するMPPCの信号幅は約10nsである。ディスクリミネータ３６は光センサ２０からの出力信号を個別に識別する必要があり、10nsの信号を検出できるように設定したものである。実際には、バックグラウンドノイズを除去するため、MPPCから出力される信号のうち、特定の閾値を超える信号を検知した際にパルス信号を出力させるようにした。
図９に、ディスクリミネータ３６の回路例を示す。ディスクリミネータ３６はコンパレータと単安定マルチバイブレータから構成されている。
【００２４】
（放射線検出試験）
本発明に係る放射線測定装置の性能を評価するため、一般的に使用されているGM計数管と上述した本実施形態の放射線測定装置の比較実験を行った。使用した線源は、Cs137線源（0.66MeV  ２MBq）である。線源をGM計数管のセンサ部と本放射線測定装置のシンチレータ１０からそれぞれ等距離（5cm、10cm）離間させ、それぞれ１分あたりのカウント値を測定した。
なお、バックグラウンドを評価するため、線源を置かない状態でGM計数管と本放射線測定装置のカウント値を測定したところ、GM計数管：18、本放射線測定装置：840であった。
【００２５】
表１にGM計数管と本放射線測定装置について、線源をセンサから5cmと10cmの位置に置いたときの１分間あたりのカウント値の測定結果を示す。表１の数値は、実際のカウント値からバックグラウンドのカウント値を差し引いたものである。使用したシンチレータはLYSOである。
【表１】
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【００２６】
表１の実験結果は、本発明に係る放射線測定装置が従来のGM計数管と少なくとも同等の検出能力を備えていることを示している。本放射線測定装置は3mm×3mm×15mmといったきわめて小型のシンチレータ１０を放射線検知に用いていることを考慮すれば、放射線測定精度はきわめて優秀であるということができる。また、本放射線測定装置は前述したように、使用電圧が80V程度の低電圧であり、電池を用いて構成することができ、複雑な回路構成を要しない点で、製作コストを十分に抑えることができる点から、一般の汎用品として利用できるという利点がある。また、光センサの動作電圧の温度補正を行うことにより、放射線測定器を用いて放射線測定する際に、温度条件を一定にして測定するといった必要がなく、環境温度が変動する戸外で使用する場合であっても問題なく使用できるという利点がある。
【００２７】
また、本発明に係る放射線測定装置は、従来のGM計数管や光電子増倍管を用いるシンチレーション検出器と比べて、シンチレータ１０及び光センサ２０等の構成部品がきわめて小型であり、これらを制御する電気回路も簡易に構成されているから、測定装置全体の小型化を効果的に図ることができる。電気回路についても、前述した電圧供給部３２、アンプ部３４、ディスクリミネータ３６を集積回路とすることでさらに小型化と低廉化を図ることが可能である。また、電子回路に使用する部品も市販の汎用品であることから、製作費の低廉化を図ることができる。なお、電気回路の各部の回路構成は適宜設計可能であり、前述した回路例に限られるものではない。電子回路としては、前述した電圧供給部、アンプ部、ディスクリミネータに加えて、カウンタや測定結果の表示部、各種操作用のスイッチ等の入力部、制御部等を包含したものとしてとらえることもできる。
【００２８】
（エネルギースペクトル）
自然環境下における放射線量を測定する場合のように、簡易に放射線量を測定する場合は、放射線のエネルギースペクトルの解析までは要しないが、本発明に係る放射線測定装置を利用して放射線のエネルギースペクトルを得ることができ、核種を同定することが可能である。
放射線（γ線）がシンチレータに入射すると、シンチレータ内の電子と反応し、電子が原子の外に飛び出す。この電子がシンチレータ内を走る際にシンチレーション光が発生する。原子の外に飛び出す電子のエネルギーは入射する放射線のエネルギーに比例し、シンチレーション光の数に比例する。シンチレーション光の数はこれを受光する光センサの出力の大きさに比例するから、光センサの出力分布を測定することによって放射線のエネルギースペクトルが得られる。
【００２９】
光センサの出力分布を測定するには、光センサの出力側に波高分析器を接続して波高分析すればよい。波高分析器については、公知の分析器が提供されているから、これを利用することにより放射線のエネルギースペクトルを得ることができる。放射線のエネルギースペクトルを解析することにより、放射線源がいかなる核種であるか特定することができる。前述した自然放射線の線量測定と合わせてエネルギースペクトルの解析ができるように測定装置を構成することも可能である。
【符号の説明】
【００３０】
１０  シンチレータ
２０  光センサ
３０  電子回路
３２  電圧供給部
３２a  交流発生部
３２ｂ  昇圧部
３２ｃ  電圧安定化部
３４  アンプ部
３６  ディスクリミネータ
４０  カウンタ
【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８】
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【図９】
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【図７】
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