(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素ピクセルにより構成され、放射線を照射されたときに前記複数の画素ピクセルの間をランダムに移動する一時的な電離効果による第１の暗電流と前記複数の画素ピクセルの間を移動しない累積的な格子変位に対応した第２の暗電流とを含んだ暗電流が流れる性質を有するＣＣＤに対して放射線を照射し、
前記ＣＣＤの複数の画素ピクセルに流れる前記第１の暗電流と前記第２の暗電流とを含んだ暗電流を或る回及び別の回を含む複数回について読み出し、
前記複数の画素ピクセルの各々について前記或る回に読み出された暗電流と前記別の回に読み出された暗電流との相関をとることにより、読み出された暗電流から前記第２の暗電流を抽出し、
抽出された前記第２の暗電流を放射線量に換算する、
ことを特徴とする放射線量測定方法。
【請求項２】
複数の画素ピクセルにより構成され、放射線を照射されたときに前記複数の画素ピクセルの間をランダムに移動する一時的な電離効果による第１の暗電流と前記複数の画素ピクセルの間を移動しない累積的な格子変位に対応した第２の暗電流とを含んだ暗電流が流れる性質を有するＣＣＤと、
放射線を照射された前記ＣＣＤの複数の画素ピクセルに流れる前記第１の暗電流と前記第２の暗電流とを含んだ暗電流を或る回及び別の回を含む複数回について読み出す回路と、
前記複数の画素ピクセルの各々について前記或る回に読み出された暗電流と前記別の回に読み出された暗電流との相関をとることにより、読み出された暗電流から前記第２の暗電流を抽出し、抽出された前記第２の暗電流を放射線量に換算する回路と、
を具備することを特徴とする放射線線量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放射線の線量を測定するための方法及び装置に関し、特に、ＩＣディテクタを用いた放射線線量計及び放射線線量の測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から放射線を測定するために種々の放射線線量計（検出器）が利用されていた。従来の放射線線量計は大きく分けると、以下の２つの種類に分類することができる。第１のカテゴリーは、比例計数管や半導体検出器のように通電状態でリアルタイムのみで使用するものであり、気体又は固体中で放射線によって電離される電荷量をパルスとして検出するものである。第２のカテゴリーは、フィルムバッチや蛍光ガラス線量計のように非通電状態でのみ使用するものであり、放射線の影響が固体中の化学変化として累積されたものを、非リアルタイムで化学的・光学的な方法で測定するものである。
特に、宇宙空間における宇宙放射線の測定における計測器には、ＲＲＭＤ（Realtime Radiation Monitoring Device）等の大型のものや、ＣＲ３９等のプラスチックや、ガラス線量計等の固体線量計が従来から利用されているが、プロトン等の感度が非線形であったり、読み取りに複雑な手順や大がかりな装置を必要としていた。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
上記のような不具合を解消するために、本発明により小型軽量で、手軽に放射線線量を計測することができるＩＣ線量計を提供する。
また、本発明によるＩＣ線量計は、従来の線量計の２つのカテゴリーの両方の特徴を兼ねた使用が可能である。通電状態でリアルタイム測定をすることも、非通電状態で放射線の影響を累積し、非リアルタイムで測定することも可能である。
【０００４】
具体的に本発明は、
被放射線量に応じて暗電流が変化する性質を有する放射線検出手段と、
該放射線検出手段に接続され、前記暗電流を測定する暗電流測定手段と、
該暗電流測定手段による測定結果を被放射線量に換算して出力する出力手段とを備えたことを特徴とする放射線線量計を提供することを目的としており、以下の特徴を有する。
【０００５】
すなわち本発明の１つの特徴によれば、
前記放射線検出手段が、半導体素子を含み、好ましくは、高密度ＣＣＤであることを特徴とする。
好ましい実施形態では、
前記放射線検出手段が、温度計を含み、
該温度計により測定された温度に基づいて、温度補正を行う温度補償回路を備えることを特徴とする。
更に好ましい実施形態では、
前記出力手段が、異なるしきい値のパルス数の比率から線質係数を求め、線量当量を出力させることを特徴とする。
【０００６】
また本発明の別の特徴によれば、
放射線線量計が、
ディテクタ部と
暗電流測定回路と、パルス計数回路と、表示回路とを備え、該ディテクタ部とコネクタを介して接続される線量リーダ部と、
を有し、
該ディテクタ部で放射線を感知し、該暗電流測定回路は該ディテクタ部からコネクタを介して順次電流を測定し、該パルス計数回路にデジタルパルスとして出力し、前記パルス計数回路は放射線損傷による暗電流パルスを抽出して線量を計算し、前記表示回路が前記線量を表示することを特徴とする。
【０００７】
別の実施形態では、
被放射線量に応じて暗電流が変化する性質を有する素子を介して放射線を受け、
該素子の暗電流を測定し、
測定された暗電流を前記素子が受けた放射線量に換算し、
換算した放射線量を出力することを特徴とする放射線量測定方法が提供される。
【０００８】
更に別の実施形態では、
被放射線量に応じて暗電流が変化する性質を有する素子を介して放射線を受け、
該素子を遮光状態で通電させ、
所望のときに何度でも非リアルタイムで該素子の暗電流を測定し、
測定された暗電流を前記素子が受けた放射線量に換算し、
換算した放射線量を出力することを特徴とする。
更に好ましい態様では、
被放射線量に応じて暗電流が変化する性質を有する素子を介して放射線を受け、
該素子を通電させ、
フラッシュパルスによる該素子の暗電流をリアルタイムで測定し、
測定された暗電流を前記素子が受けた放射線量に換算し、
換算した放射線量を出力することを特徴とする。
【０００９】
本発明において、放射線検出手段として利用する高密度のＣＣＤは半導体単結晶であることが好ましい。該ＣＣＤは放射線に照射されると、その吸収線量に対応してランダムに一時的な電離効果と、永続的な結晶格子の変位とが生じる。ＣＣＤの画素ピクセルを読み出した場合、吸収線量に対応して一時的な電離効果による暗電流と、累積的な格子変位に対応した暗電流とが計測される。ここで、計測される暗電流のパルスのうち、一時的な電離効果による暗電流パルス（以下、「フラッシュパルス」という。）のピクセルはランダムに移動するが、一方、結晶格子の変位によって生ずる暗電流パルス（以下、「白キズパルス」という。）のピクセルは移動しない。前者のフラッシュパルスのピクセルがランダムに移動することから、ＣＣＤの画素ピクセルから暗電流を複数回読み出すことにより、移動しない暗電流パルスを抽出することができ、白キズの個数に対応した結晶格子の変位によって生じる暗電流を測定することができる。
本発明による上記暗電流測定手段により、この非通電状態で累積した白キズの暗電流を必要なときに通電して何回でも任意に読み出すことができ、非リアルタイムに放射線量を測定することができる。一方、▲１▼通電状態で白キズの増加率を測定することにより、若しくは、▲２▼通電時にのみ観測される放射線によるフラッシュパルスを測定することにより、リアルタイムに放射線量を測定することができる。更に、異なるしきい値のパルスの比率から、線質係数を求めることができることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
放射線によるＣＣＤの白キズの発生
１９９８年１０月に、宇宙連絡船にＶＴＲ一体型のハイビジョンカメラを搭載した。該ハイビジョンカメラは、撮像サイズが9.6mm×5.4mmのＣＣＤを赤、緑、青のチャネルに合計３個使用し、該ＣＣＤの画素数は、横1920画素×縦1035画素であり、画素ピッチは、横５ミクロン×縦5.2ミクロンである。該ＣＣＤを搭載したカメラは１８℃で一定に保たれた船内に配置された。
【００１１】
該宇宙連絡船は高度約５００ｋｍで９日間飛行した。この宇宙滞在期間中に定期的にカメラの電源を入れて、宇宙船内の様子及び宇宙船の窓から見える地球の景色を撮影し、映像をＶＴＲテープに収録した。これらの映像の収録前後にカメラに入る光を遮断して暗状態を数十秒間撮影し収録した。収録時間は合計３２０分である。
【００１２】
帰還後に、収録テープをその収録された日にちごとに追って詳細に調べたところ、図１に示すように日を追うごとにＣＣＤの「白キズ」が増加し、最終日にはＣＣＤ１つ当たりの白キズ個数が約１５０個になっていることが判明した。この「白キズ」は、放射線の照射による損傷である。図１より、日数と白キズの個数との間には比例関係が成立していることが分かる。また、赤、緑、青のチャネル間には、白キズの発生個数に大きな差はないことも分かった。一方、地上に置いた同一のカメラに搭載されたＣＣＤには白キズは発生しなかった。
【００１３】
放射線と電流との関係
高密度のＣＣＤは、放射線に照射されると、その吸収線量に対応してランダムに一時的な電離効果と、永続的な結晶格子の変位とが生じる。後者の結晶格子の変位は、ＣＣＤが無通電状態であっても通電状態であっても同じ効果となることが知られている。ＣＣＤの材料としては半導体単結晶が好ましく、この結晶格子が放射線の影響で変位することにより、電子的局在状態が形成され、暗電流が生じる。従って、ＣＣＤの画素ピクセルを読み出した場合、吸収線量に対応して一時的な電離効果による暗電流と、累積的な格子変位に対応した暗電流とが計測される。
ここで、計測される暗電流のパルスのうち、一時的な電離効果による暗電流パルス（以下、「フラッシュパルス」という。）のピクセルはランダムに移動するが、一方、結晶格子の変位によって生ずる暗電流パルスのピクセルは移動しない。後者の結晶格子の変位によって生ずる暗電流は、上記ＣＣＤの白キズの個数に対応して変化する。ここで、前者のフラッシュパルスのピクセルがランダムに移動することから、ＣＣＤの画素ピクセルから暗電流を複数回読み出すことにより、移動しない暗電流パルスを抽出することができ、白キズの個数に対応した結晶格子の変位によって生じる暗電流を測定することができる。
この非通電状態で累積した白キズの暗電流を必要なときに、通電して何回でも任意に読み出すことができ、非リアルタイムに放射線量を測定することができる。一方、▲１▼通電状態で白キズの増加率を測定することにより、若しくは、▲２▼通電時にのみ観測される放射線によるフラッシュパルスを測定することにより、リアルタイムに放射線量を測定することができる。更に、異なるしきい値のパルスの比率から、線質係数を求めることができる。
【００１４】
ＩＣ放射線線量計
本発明によるＩＣ線量計の概略図を図２に示す。本装置は、放射線の影響を感受するディテクタ部１０と、該ディテクタ部１０で生じた暗電流を計測する線量リーダ部（計測表示回路部）２０とを含む。ディテクタ部１０は、ＩＣディテクタ１１と、読み出し時の温度を測定する温度計１２とを含む。ＩＣディテクタ１１は、高密度ＣＣＤであるのが好ましい。ここで、図３を参照すると、暗電流の平均値が放射線の吸収線量に比例することが知られている（GR. Hopkinson等、"Proton Effects in Charge-Coupled Devices"、１９９５年４月、IEEE. Transactions on Nuclear Science vol.43, No.2）。また、白キズの数と暗電流レベルとの関係を表す図４を参照すると、線種により暗電流レベルが一定の割合を持つことが分かる。
【００１５】
上記ＩＣディテクタ１１を測定場所に設置し、放射線の照射により白キズが発生する。ディテクタ部１０と線量リーダ部２０とをコネクタ１３を介して接続する。線量リーダ部２０は、暗電流測定回路２１と、パルス計数回路２４と、表示回路２６とを含む。暗電流測定回路２１は、ＣＣＤ読み出し回路２２と、ＡＤ変換器２３とを含む。ＣＣＤ読み出し回路２２は、ディテクタピクセルから電流を読み出すコマンドを生成し、順次にピクセルの電流（電圧値）をアナログパルス列として読み出し、増幅する。次いで、ＡＤ変換器２３によりＡＤ変換した後、デジタルパルス列として取り出す。温度計１２により測定した温度に基づいてデジタルパルス列の温度補正処理を行う。（メモリを備える）信号処理ＣＰＵ２５を含むパルス計数回路２４は、白キズによるパルスを抽出してカウントする。
【００１６】
ここで図５を参照すると、強い放射線環境下でパルスを読み出すと点線のような電離効果による一時的なパルス（以下、「フラッシュパルス」という。）が発生する。白キズによるパルスのピクセルは移動しないが、フラッシュパルスはランダムに移動するので、読み出し作業を複数回実施することにより白キズによるパルスとフラッシュパルスとを分別することができる。従って、分別は２回以上の読み出し作業を実施することによって行う。好ましくは、第１のパルス列が、▲１▼ゼロのパルス列ならば、パルスのあるピクセルにフラグを立てて次回のフラッシュパルス分別用パルス列を記録する。一方、第１のパルス列が、▲２▼ゼロでなければ第１のパルス列と第２のパルス列との相関をとり、フラッシュパルスを分別する。次いで、白キズパルス列について、各レベル毎に加算計数し、フラッシュパルス列について各レベル毎に加算し、計数する。次いで▲１▼の場合と同様に、パルスのあるピクセルにフラグを立てて次回のフラッシュパルス分別用パルス列を記録する。これらの手順を所定回数繰り返した後、総パルス数から校正係数を乗じて、集積吸収線量を計算する。次いで、レベル毎のパルス数分布から平均線質係数を計算する。次いで、集積吸収線量に平均線質係数を乗じて、集積吸収線量当量を計算する。更に、総フラッシュパルス数に校正係数を乗じて吸収線量率を計算する。最後に、総フラッシュパルス数に、平均線量係数を乗じて、線量率当量を計算する。このようにして求めた値を、表示回路２６を介して表示する。
【００１７】
ＣＣＤのプロトンに対する感度及び耐性
好ましい実施形態として、ＩＣディテクタは、ＨＤＴＶ用のＣＣＤとして市販されている２００万画素のＣＣＤを採用することができる。１９９８年に飛行した宇宙連絡船に搭載したＨＤＴＶ用ＣＣＤ（２００万画素）は、１０日間で１５０個の白キズが発生した。この場合、宇宙連絡船の飛行軌道が高度約５００Ｋｍであり、プロトン量としては、５００万個／日程度と考えられるため、１０日間で約５×１０7程度のプロトンの放射を受けたと考えられる。従って、感度としては約３０万分の１が得られる。
【００１８】
プロトンは、宇宙ステーション軌道で５０万個／日乃至５００万個／日と考えられるため、このディテクタによるカウント数は、２カウント／日乃至１５カウント／日となり、吸収線量に換算すると５０μＧｙ／日〜５００μＧｙ／日である。
【００１９】
従って、この線量計を使用すると上記換算値より約３０μＧｙを分解能とし、最大では全ピクセルの２０分の１程度まで計測可能であるため、最大で１０万カウント（即ち１Ｇｙ程度）まで測定可能となる。ダイナミックレンジとしては、１０5桁が実現できる。この値は、宇宙ステーション軌道で約１５年程度のカウント数に相当するため実用的には十分な桁数である。
【図面の簡単な説明】
【図１】宇宙滞在日数に対する白キズの発生個数を表すグラフである。
【図２】本発明の好ましい実施形態によるＩＣ放射線線量計の概略ブロック図を示す。
【図３】放射線の吸収線量と暗電流の平均値との関係を表すグラフである。
【図４】白キズの数と暗電流レベルとの関係を表すグラフである。
【図５】白キズによる暗電流パルスとフラッシュパルスとを分別するための相関関係を表す図である。
【符号の説明】
５  ＩＣ放射線線量計
１０  ディテクタ部
１１  ＩＣディテクタ
１２  温度計
１３  コネクタ
２０  線量リーダ部
２１  暗電流測定回路
２２  ＣＣＤ読み出し回路
２３  ＡＤ変換器
２４  パルス計数回路
２５  信号処理ＣＰＵ
２６  表示回路
【図１】
0003991119.tif 000002
【図２】
0003991119.tif 000003
【図３】
0003991119.tif 000004
【図４】
0003991119.tif 000005
【図５】
0003991119.tif 000006