波形解析による検出器識別「革新的信号波形解析が計測効率の高度化を実現する」
日本原子力研究開発機構
原子力科学研究部門 原子力基礎工学研究センター
燃料・材料工学ディビジョン 照射材料工学研究グループ
研究主幹

平出 哲也

令和2年9月1日
1

「革新的信号波形解析が計測効率の高度化を実現する」

波形解析による検出器識別
シンプル（で）+効率の良い（手法で）⇓計測のブレークスルー実現

これからは 「信号も個性の時代」
まず、私の経験からお話させて頂きます。
2

私が解決しなくてはならなかった問題
三重の偶然の一致による計測 = 低計数率
（トリプル・コインシデンス）

消滅ガンマ線
511keV
22Na（放射性同位元素）

水

消滅ガンマ線
511keV

水中のOHラジカルの関する研究
1.27MeVガンマ線
3水の陽電子消滅寿命-運動量相関（AMOC）測定
オルトーポジトロニウムの反応における量子ビートの可能性
平出 哲也

量子ビート

1秒間に0.9カウント↓
100万カウントためるのに13日間時間（ナノ秒）4シンプル+
効率の良い⇓ブレークスルー

私が解決しなくてはならなかった問題
三重の偶然の一致による計測 = 低計数率（トリプル・コインシデンス）

１回の測定（100万カウント）に2週間もかかる
計測時間を1/4にできたら画期的
新しい研究の可能性

サンプルとNa-22線源

ガンマ線どの方向に放出されるか分からない

シンチレーション検出器

偶然の一致が4倍になる
でも，どの検出器に入ったかわからないと駄目!!

T. Hirade et al. , Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A 931 (2019) 100–104

5サンプルとNa-22線源

サンプルとNa-22線源

シンチレーション検出器

シンチレーション検出器

カウント

カウント

だから，検出器（センサー）の識別技術が必要

時間 （ナノ秒）

時間 （ナノ秒）

6シンプル+効率の良い⇓ブレークスルー

解決したい問題
検出器（センサー）の識別技術が必要
ガンマ線

シンチレーション検出器

実際の検出器とループの様子

検出器からの出力（a.u.）

アッテネータ

時間 （ナノ秒）

シンチレーション検出器（手作りの一例）
T. Hirade et al. , Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A 931 (2019) 100–1047

シンプル+
効率の良い⇓ブレークスルー

ガンマ線

ループのケーブルを長くする

実際の検出器とループの様子

シンチレーション検出器（手作りの一例）
T. Hirade et al. , Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A 931 (2019) 100–1048

シンプル+
効率の良い⇓ブレークスルー

そして解決した問題
サンプルとNa-22線源

シンチレーション検出器

9波形解析プログラム← これだけ見た目はごちゃごちゃしていますが、識別の部分はシンプルです。

102つ目のピークまでの時間

これらの信号から別の検出器と識別できる検出器を識別して解析を実施

ループ回路が短い
2つ目のピークが早い

ループ回路が長い
2つ目のピークが遅い112つ目のピークまでの時間

これらの信号から別の検出器と識別できる

ループ回路が短い
2つ目のピークが早い

ごちゃ混ぜのデータから検出器ごとの信号を識別して各検出器ごとのスペクトルを作ることに成功．

検出器を識別して解析を実施

ループ回路が長い
2つ目のピークが遅い

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一回の測定に2週間もかかる
計測時間を1/4にできたら画期的3日で測定できるようになりました（研究の効率が劇的に良くなった）

経時変化を追えるようになる（新しい研究の可能性）

本当に新しい現象を見出してしまいました
それが．．．

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10℃水中で8日間測定

時間分解能166ピコ秒（FWHM）（世界最高水準）●：最初の4日間●：次の4日間水中のクラスター構造が日オーダーで変化する

155.3MHzOH-H2O

T. Hirade et al. , Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A 931 (2019) 100–104

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シンプル+
効率の良い⇓
ブレークスルー

解決したい問題
検出器（センサー）の識別技術が必要
分子科学研究所における高エネルギーパルスＸ線による実験計画

実際の検出器とループの様子

高エネルギーパルスＸ線

産総研 平氏提供 15

シンプル+
効率の良い⇓ブレークスルー

解決したい問題
検出器（センサー）の識別技術が必要
分子科学研究所における高エネルギーパルスＸ線による実験計画

検出器（センサー）を増やすだけで6倍の効率マシンタイムが1/6になる = 効率的な共同利用
実際の検出器とループの様子

高エネルギーパルスＸ線

産総研 平氏提供 16特徴は何か（ターゲット）
従来技術（例）

利点： 光ファイバーで放射線による発光を伝送．電源等不要．
特徴： 複数のセンサからの信号を時間差を用いて弁別．センサの位置情報が得られる．

欠点： 光ファイバーがある部分以外にセンサを増設できない．光ファイバーの分岐ができない．
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シンプル+
効率の良い⇓ブレークスルー

特徴は何か（ターゲット）
検出器（センサー）の識別技術

新規技術の応用（提案） こんな使い方ができるかも… 電気信号でなく光に応用
遅延時間のヒストグラム
センサA

センサ部

CBD

光電子増倍管

センサ部からの信号の波形センサ部に遅延経路とアッテネータを付加し出力波形に個性（ID），
ここでは遅延時間を付加

遅延時間（ID）

センサーA 0.323
センサーB 0.215
センサーC 0.255
センサーD 0.360

μSv/h
μSv/h
μSv/h
μSv/h

利点（変わらず）： 光ファイバーで放射線による発光を伝送．電源等不要．
特徴（大きく進歩）： どこの位置に配置しても，ID（遅延時間）でセンサを識別できる．
欠点（克服）： 光ファイバー経路の分岐，センサの増設も自由．
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シンプル+
効率の良い⇓ブレークスルー

特徴は何か（ターゲット）
検出器（センサー）の識別技術

新規技術の応用（提案）

ただ繋ぐと全部混ぜこぜ

センサーA 0.323
センサーB 0.215
センサーC 0.255
センサーD 0.360

μSv/h
μSv/h
μSv/h
μSv/h

光電子増倍管

センサ部

信号の個性化（どんな方法でもOK）利点（変わらず）： 光ファイバーで放射線による発光を伝送．電源等不要．
特徴（大きく進歩）： どこの位置に配置しても，ID（遅延時間）でセンサを識別できる．
欠点（克服）： 光ファイバー経路の分岐，センサの増設も自由．
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シンプル+
効率の良い⇓ブレークスルー

検出器の数を増やせる

サンプルとNa-22線源

シンチレーション検出器

ガンマ線
どの方向に放出されるか分からない

T. Hirade et al. , Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A 931 (2019) 100–104

20シンプル+
効率の良い⇓ブレークスルー高エネルギーパルスＸ線検出器の数を増やせる
分子科学研究所における高エネルギーパルスＸ線による実験計画

産総研 平氏提供 21

シンプル+
効率の良い⇓ブレークスルー

検出器の数を増やさなくても世の中にはすでにたくさんの検出器で構成されている装置がたくさんある。
応用できるかもしれない装置の例

特願2017-239693「陽電子消滅寿命測定装置、放射線計測器の調整方法、放射線計測器」申請資料

応用先はいくらでもある。
22革新的信号波形解析が計測効率の高度化を実現する

まとめ（復習）信号の個性化の実施例
出力へ
シンチレーション
検出器

ループ回路

実際の導入例

本アイデアの構成例です。
検出器の出力部にループ回路を作り、意図的に遅延信号（個性）をつくる。
遅延信号の形で検出器を識別することで、以下の実施効果のような計測が可能。

2324

5. 結論
本論文では、波形形状解析を用いた検出器識別手法を提案した。
この手法は、陽電子消滅寿命‐運動量相関（AMOC）測定で高い時間分解能と高いカウントレートを実現するために適用された。 4つのスタート検出器を使用することにより、本手法は、通常、1つのスタート検出器を使用して達成されるカウントレートの4倍を達成した。 ただし、AMOCへのこの手法の適用は単なる例である。
検出器の識別方法は、他の多くの実験が行われる状況においても適用できる。 ここで説明する方法は、信号のメインピークと遅延サブピークの間の時間間隔の解析によるものである。 しかしながら、検出器を識別するための方法はいろいろ存在する。 私たちはパターン認識や人工知能（AI）における機械学習などによる研究が近い将来にこの手法の発展につながると信じている。

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企業への期待
実際の検出器とループの様子• 検出器（センサー）のメーカーには、検出器からの信号に個性を付与する機能を装備することを検討して頂きたい。（ループ回路なら、安い。それ以外にもいろいろできるはず。）
スイッチで識別26

本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：陽電子消滅寿命測定装置、放射線計測器の調整方法、放射線計測器• 出願番号：特願2017-239693（特開2019-105598）• 出願人：国立研究開発法人 日本原子力研究開発機構• 発明者：平出 哲也、安藤 太一、真鍋 賢介、上田 大介

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産学連携の経歴• 2017-2018 日本原子力研究開発機構 萌芽研究開発制度に採択「陽電子消滅の量子ビートを用いた水中の放射線誘起短寿命活性種に関する研究」• 2017

上記研究テーマで以下の3名の学生を特別研究生として受け入れ、装置開発を実施し、特許出願

安藤 太一（大阪府立大学大学院）
真鍋 賢介（東北大学大学院）
上田 大介（京都大学大学院）• 2020-2022 科研費基盤研究(C)に採択「ポジトロニウムとのスピン相関に基づく新手法による水中のOHラジカルに関する研究」
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「革新的信号波形解析が計測効率の高度化を実現する」

波形解析による検出器識別
シンプル（で）+効率の良い（手法で）⇓計測のブレークスルー実現

これからは 「信号も個性の時代」
ご清聴ありがとうございました．
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お問い合わせ先
国立研究開発法人
日本原子力研究開発機構
研究連携成果展開部
ＴＥＬ：０２９－２８４－３４２０
e-mail：seika.riyou＠jaea.go.jp
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