JP2007524104A - 分光測定診断用電子回路及び付属の計数チェーン - Google Patents

Abstract

本発明は、検出されたパルスに対応するデジタルデータの検出手段及び振幅測定手段を備えることにより、測定された振幅を検出されたパルス（２４）に関連付ける分光測定診断用電子回路に関する。本発明は、検出されたデジタルデータから、パルス幅閾値（ｔｃ）を超える幅を有するパルスと、プログラムされた時間間隔（Ｔ３）の間において当該プログラムされた時間間隔の第１パルスが検出された後の新規パルス全てとを拒絶するために用いられるパルス拒絶手段を備えることを特徴とする。本発明は核反応連鎖中の粒子の計数に適している。

Description

技術分野と先行技術
本発明は分光測定診断用電子回路に関する。
本発明はまた、本発明による分光測定診断用電子回路を含む粒子計数システムに関する。例えば、本計数システムは、制御核融合用又は核分裂炉用の中性子計数システムである。

制御核融合は、発電用の魅力的で無尽蔵な代替的選択肢である。制御核融合の目的は、地球上で太陽によって生産されるエネルギを再生産することである。この場合、エネルギは一般にトカマクと呼ばれる装置内部で生産される。トカマクは、強力な磁場と数メガアンペアの強烈な電流とを組み合わせた作用により、プラズマと呼ばれる非常に高温の電離気体の輪を強力に閉じ込める装置である。プラズマは、エネルギを持つニュートロンを生産するその実体内に重水素／三重水素融合反応を起こす。物理的制約、技術的制約、及びコスト効果の制約を最適化することで、一般に「ブートストラップ電流」と呼ばれるプラズマによる自発性電流により全電流が非誘導的及び大規模に生成されるような固定の制約条件からなる、「新型トカマク」の概念の定義が導かれる。

「新型トカマク」型方式には、ブートストラップ電流を発生させて制御する性能が必要である。種々の公知の方法の中で、ハイパワー電磁波をプラズマ中へ注入することが、トカマク中での非誘導発電のための非常に高性能な方法である。この場合、電磁波のパワーデポジションプロフィールを制御しなければならない。複合波（主にトカマク内で非誘導電流を発生させる電磁波）により加速された超熱電子による、かたいＸ線の範囲内に放出された制動放射線の測定は、複合波のパワーデポジションに関する情報にアクセスする効率的な方法である。例えば、長期間にわたって電流プロフィールを制御する場合（Peysson等、「Revue of Science Instrument」頁70, No.10, 1999参照）、非常に高い空間時間解像度を有する高エネルギＸ線断層撮影診断法を用いることにより、複合波の伝播及び吸収を研究する。Ｘ線断層撮影システムは、水平方向用のカメラと垂直方向用のカメラから構成される２台のカメラに分散させた全５９部の視線、即ち５９の検出器を含み、非常に多岐に亘る傾斜を持つ視線でプラズマ部分を横切る格子を形成することにより、測定の空間的冗長度を増大させている。この診断法では各視線に沿って集積されたプラズマの放射率を測定する。その主要な目的は、集積された全測定値を利用してプラズマの半径方向の放射率プロフィールを決定することである。これは、特定の前提条件を満たすことを前提に、アベル逆変換法により行うことが可能である。

図１は、従来技術によるかたいＸ線分光診断法測定システムの原理を示す図である。
測定システムは、カメラ１、受信シャーシ２、バイアス回路３、電源回路４、較正回路５、処理回路６、及びデータ格納ユニット７を備える。スイッチ８は、受信シャーシ２からの出力を処理回路６の入力（この場合測定状態）、又は較正回路５の入力（この場合較正状態）に接続する。カメラ１は、カドミウムテルル（ＣｄＴｅ）半導体基盤の検出器９、前増幅器１０及び差動発信器１１を備える。受信シャーシ２は、差動受信器１２及び線形増幅器１３を備える。バイアス回路３は、例えば−１００Ｖ相当のバイアス電圧で検出器を分極する。電源回路４は、例えば＋／−１２Ｖ、４０ｍＡの電源により、カメラ１の電気回路１０及び１１、並びに受信シャーシ２の電気回路１２及び１３に電力供給する。処理回路６は１組の識別器Ｄ１〜Ｄ８、１組の計数器Ｃ１〜Ｃ８、及びデータ収集ユニット１４を備える。

検出器９は、その中でプラズマによって放出された光子Ｐがそのエネルギの全て又は一部を伝達する物理的媒体である。検出器に伝達されたエネルギは電気的パルスに変換される。検出器から出たパルスは、次いでＣｄＴｅ専用に最適化された電子計数システムにより処理される。電荷担体は、前増幅器１０により半導体に収集される。差動発信器１１は、前増幅器１０により出力された信号を、差動受信器１２を介して一般的にはシェーパと呼ばれる線形増幅器１３に伝達する。シェーパの機能は、通常非常に長い緩和時間を有し、計数速度が大き過ぎると結果的にオーバーラップし得る受信パルスを、収集システムの後続部分で計数し易い比較的短いパルスに変形することである。シェーパの利得は、信号エネルギの較正のために手動で調節可能である。
測定状態の間、スイッチ８は、受信シャーシ２の出力を処理回路６の入力に接続している。次いで、受信パルスの高さを８つの集積識別器Ｄ１〜Ｄ８で分析する。集積識別器Ｄ１〜Ｄ８は、パルス立上がりのフロントの振幅が識別閾値より大きいとき、接続先の計数器Ｃ１〜Ｃ８に論理的信号を送信する。計数器Ｃｉ（ｉは１〜８の整数）が論理的信号を受信することにより、計数器Ｃｉのバッファメモリに１が加えられ、その結果計数器Ｃｉのバッファメモリは識別閾値より大きいエネルギで記録されたヒット数を含む。各サンプリングステップ（例えば１６ｍｓのステップ）では、各計数器のバッファメモリが読み取られ、次いで８つの計数結果をデータ格納ユニット７に送信するデータ収集ユニット１４によりリセットされる。

このシステムにはいくつかの短所がある。
第１に、入力信号に関する情報がないので、形成されるパルスを表示できず、２つの光子が同時に検出器に到着したことによる重なりが識別不可能になる。この場合、測定された信号はリアルタイムで利用不能であり、それによってリアルタイムでのいかなるプロフィール反転も阻止され、その結果、複合波の堆積パワーの従属及び電流プロフィールの従属が阻止される。

較正ステップは信頼性のある測定を得るために必要である。受信シャーシ２からの出力は従って較正回路５の入力に接続される。
較正は、受信シャーシ２により出力されたパルスの振幅と入射光子のエネルギとの間に良好な相関関係を得るため、シェーパ回路の利得を調節することからなる。上述したように、従来技術で公知のＸ線断層撮影システムは、垂直方向のカメラと水平方向のカメラからなる２台のカメラを備え、垂直方向のカメラに２１の検出器を具備し、水平方向のカメラに３８の検出器を具備し、即ち合計５９の検出器を具備する。従って較正は各検出器に対して行われる。

較正は、種々のエネルギチャンネルにＸ線放射率プロフィールの精密な再生を得ることを可能にするために不可欠である。この場合、較正は、１０２４チャンネルを有するデジタル分光計と、３つの放射線源とを用いて行うことができる。シェーパの利得を調節することにより、各放射線源の主ピークを正しいエネルギに位置させる。
較正ステップは短所も有する。較正ステップのためには、収集システムの一部の電子回路を切断しなければならず、よってこれらの回路は較正に用いられない。その結果、較正エラーとなる。更にこの切断により、システムの操作が増加し、その結果システムを損傷するリスクが増大する。更に、カメラ１は、較正台が接続される収集システムから遠く離れている。それにより、カメラに対して放射線源の位置を調整しなければならない時、オペレータは移動の操作を多数回行うことを強いられる。

本発明による分光測定診断用電子回路は上述のような短所を有さない。
本発明の提示
本発明は、検出されたパルスに対応するデジタルデータ検出手段、及び測定された振幅を検出されたパルスに関連付ける振幅測定手段を備える分光測定診断用電子回路に関する。診断用電子回路は、検出されたデジタルデータを用い、パルス幅閾値を超える幅を有するパルスと、プログラムされた時間間隔の間において当該時間間隔の第１パルスが検出された後の全ての新規パルスとを拒絶するパルス拒絶手段を含む。

本発明の別の特徴によれば、本分光測定診断用電子回路は、パルス拒絶手段により拒絶されなかった検出パルスに対応するデジタルデータを、検出されたパルスが標準線源に由来する場合は較正エネルギ範囲別に分類するための、ヒストグラムメモリを含む較正手段を備える。
本発明のまた別の特徴によれば、分光測定診断用電子回路は、
− 第１に全ての検出パルスを、第２にパルス拒絶手段により拒絶されなかった検出パルスを検出エネルギ範囲別に、分類するための分類手段、及び
− 第１に全ての検出パルスを、第２にパルス拒絶手段により拒絶されなかった検出パルスを検出エネルギ範囲別に、計数するための計数手段
を備える。

本発明のまた別の特徴によれば、本分光測定診断用電子回路は、設定可能な速度でデジタルデータを格納する少なくとも１つの回状メモリを含む。
本発明のまた別の特徴によれば、本分光測定診断用電子回路は、測定された振幅が振幅閾値未満であるパルスを除外する手段を含む。

本発明のまた別の特徴によれば、本分光測定診断用電子回路は、検出されたアナログパルスを増幅させるための少なくとも１つの入力増幅器、及び検出されたアナログパルスを前記デジタルデータに変換するための少なくとも１つのアナログ／デジタル変換器を含む。
本発明のまた別の特徴によれば、本回状メモリは、アナログ／デジタル変換器からのデータ出力の履歴を記憶する。

本発明はまた、検出されたパルスを形成するための粒子検出手段及び検出パルスの処理手段を含む粒子計数システムに関する。本処理手段は、本発明による分光測定診断用電子回路を含む。
本発明の別の特徴によれば、本処理手段は、通信ネットワークに接続される共用ランダムアクセスメモリを含む。
本発明の別の特徴によれば、粒子はかたいＸ線である。

本発明による診断用電子回路のパルス拒絶手段は、多数の利点を有する。本発明による較正手段と組み合わせたとき、本パルス拒絶手段は、測定システムを分解又は切断することなく現位置較正の使用を可能とし、それによってエラーの危険が著しく低減される。これにより、常套的な方法で過酷な媒体において高品質な較正を行なうことが可能である。較正は、全ての視線チャンネルに関連し得る。また、本発明による分類手段及び計数手段と組み合わせて本発明によるパルス拒絶手段を使用することにより、検出パルスのリアルタイム識別及び計数を実行することができる。検出パルスのリアルタイムの測定が有する主要な利点は、適切なプログラムを使用することで、アベル法を用いたリアルタイムデータの反転により、局部的な放射率プロフィールを得ることが可能なことである。このとき、超熱プロフィールを従属させることが可能であり、その結果電流プロフィールの直接制御が可能であるので、「新型トカマク」に設定された目標が達成される。
本発明の他の特徴及び利点は、添付図面を参照する以下の発明の好適な実施モードに関する記述から明らかになる。
全図面において、同じ記号は同じ構成要素を表す。

発明の実施形態の詳細な説明
図２は、例えばかたいＸ線の放射線に基づく、本発明による１チャンネル用の分光診断測定システムを表す。
本測定システムは、カメラ１、受信シャーシ２、バイアス回路３、電源回路４、データ処理回路１５、及びデータ格納ユニット７を含む。本発明による測定システムは、データ処理回路１５を含んでいる点で従来技術による測定システムと異なっている。データ処理回路１５は、本発明による診断用電子回路１６を含み、本診断用電子回路は、データ収集及び処理ユニット１７及び管理ユニット１８と直列に接続される。本発明の１つの改良型によれば、データ処理回路１５は共用ＲＡＭ１９も含むことができる。従って、共用ＲＡＭ１９、例えばＳＣＲＡＭＮＥＴ（共用共通ランダムアクセスメモリ通信ネットワーク）カードを有利に使用して、通信ネットワーク２０を通じて他の収集ユニットとデータを共有することができる。

図３は、本発明による例示的な診断用電子回路１６ａのブロック図を表す。処理回路１６ａには、２つのデータ処理モジュール２１、２２、並びにプログラム可能なインタフェース及び制御ロジック部材２３が含まれる。各データ処理モジュール２１、２２は、カード内蔵のバスＢｉを通じてプログラム可能インタフェース及び制御ロジック部材２３に接続される。データ処理モジュールは、例えば平行な４つの入力増幅器Ａ、４つの入力増幅器Ａそれぞれに直列に装着された４つのアナログ／デジタル変換器Ａ／Ｎ、及びプログラム可能パルス処理ロジック部材ＰＲＯＧ−Ｉを含む。プログラム可能インタフェース及び制御ロジック部材２３は、データ収集速度を制御する制御ＫＩにより制御される。ＶＭＥ（仮想電子計算機）バスＢは、プログラム可能インタフェース及び制御ロジック部材２３を、同じＶＭＥバスＢを通じて制御ユニット１８（図３には図示されていない）に接続されるデータ収集処理ユニット１７（図３には図示されていない）に接続する。各プログラム可能パルス処理ロジック部材ＰＲＯＧ−Ｉは、それが受信するデジタルデータに対して１組の操作を加える。これについては図５の説明に後述する。

図４は、本発明による診断用電子回路の入力に信号が到着したときの信号を示す標準的なグラフであり、図５は、図３に示す信号処理チャンネルの詳細な線図である。
図４の曲線は、時間ｔの変化に伴う信号のエネルギＥを表す。エネルギＥの曲線は、正のパルス形部分及び負のパルス形部分から成る。信号の「有用」な部分は正の部分である。正の部分の継続時間は１マイクロ秒のオーダーである。継続時間が数マイクロ秒（一般的に３又は４μｓ）のオーダーである負の部分は、処理電子工学によるものである。複数の時間パラメータを図４に示し（ｔａ、ｔｂ、ｔｃ、ｔｄ、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）、これについて後述する。

図５は、処理チャンネル２１、２２の詳細図を表す。
処理モジュール２１、２２は、複数の処理チャンネルを含む。図５には、図が煩雑にならないようにするために便宜上、入力増幅器Ａ、単一のアナログ／デジタル変換器Ａ／Ｎ、変換器の利得調節回路Ｇ、及び関連するプログラム可能パルス処理ロジック部材ＰＲＯＧ−Ｉの一部からなる処理チャンネルを１つだけ示す。

部材ＰＲＯＧ−Ｉは、以下の機能モジュール、即ち、
− パルス検出及び検出パルスの振幅測定モジュール２４、
− パイルアップ式拒絶モジュール２５、
− ２つのエネルギ範囲別分類モジュール２６、２８、
− ２つのデジタル計数モジュール２７、２９、及び
− ヒストグラムメモリ３０
を含む。
入力増幅器Ａは、増幅機能以外にインピーダンス整合機能を有し、受信信号の負の部分（図４参照）を削除する。アナログ／デジタル変換器Ａ／Ｎは、増幅器Ａから出力された信号を定量化する。利得調節回路Ｇは、ＶＭＥバスを通じて変換器の利得をプログラムする。変換器の利得は、較正ステップの間にプログラムされる。処理モジュール２４は、第１にパルスを検出し、第２にパルスの振幅を測定する。本発明の好ましい一実施形態によれば、パルスエネルギ閾値Ｅｓを検出段階に用いることにより、測定に対する雑音の影響を排除する（図４参照）。エネルギレベルが閾値Ｅｓ以上であるパルスを考慮に入れ、エネルギレベルの低いパルスを除外する。１のパルスを考慮に入れるとき、その幅Ｔ１を測定する（図４参照）。パルス幅を測定し始める開始時間は、パルスエネルギが閾値Ｅｓを超えて増加し始める時間ｔａである。ここで、パルスの振幅が閾値Ｅｓより下に低下し始める時間ｔｂを用いて、パルス幅Ｔ１を以下の式に示すように規定する。
Ｔ１＝ｔｂ−ｔａ

パルス幅時間閾値ｔｃを使用して、その幅の変化によりパルスを分類する。パルスの最大幅Ｔ２（Ｔ２＝ｔｃ−ｔａ）は、例えば１.５μｓに等しい。
パルス幅の測定を始める開始時間ｔａは、いかなる新規パルスも計数しない、プログラム可能な時間帯Ｔ３の開始点でもある。時間Ｔ３は、例えば５μｓに等しい。遅れＴ３（Ｔ３＝ｔｄ−ｔａ）を制限するプログラム可能な時間ｔｄは、例えば元のパルス、即ち負の部分が削除される前のパルスがほぼゼロに戻る時間に相当する（図４参照）。

パイルアップ式拒絶モジュール２５は、パルス幅閾値ｔｃを超える幅を有する全てのパルスを拒絶し、プログラムされた時間間隔の間、例えば間隔Ｔ３の間、第１パルスが検出された後の全ての新規パルスを拒絶する。パイルアップ式拒絶モジュール２５により拒絶されなかったパルスは受容され、プログラム可能なエネルギ範囲（分類モジュール２６）により分類される。例えば、次のエネルギ範囲が使用可能である。
− ２０キロ電子ボルト〜４０キロ電子ボルト
− ４０キロ電子ボルト〜６０キロ電子ボルト
− ６０キロ電子ボルト〜８０キロ電子ボルト
− ８０キロ電子ボルト〜１００キロ電子ボルト
− １００キロ電子ボルト〜１２０キロ電子ボルト
− １２０キロ電子ボルト〜１４０キロ電子ボルト
− １４０キロ電子ボルト〜１６０キロ電子ボルト
− １６０キロ電子ボルト以上
この場合、各エネルギ範囲のパルスは計数モジュール２７内で計数される。例えば、上記のような８つのエネルギ範囲を設ける場合、計数モジュール２７は、８つの１２ビット計数器を有し、即ち１つのエネルギ範囲に１つの計数器を含むことができる。電流パルスに検出されたエネルギ範囲に関連する計数器の値だけを増加させる。

拒絶された検出パルスもエネルギ範囲により分類され、よって全ての検出パルスが分類（分類モジュール２８により）及び計数される（計数モジュール２９により）。
ヒストグラムメモリ３０を較正測定の間に用いる。このとき、分光測定診断用電子回路を較正モードにする。

次に、較正方法について説明する。データ収集は既知の外部刺激（標準線源）から開始する。ヒストグラムメモリ３０は、較正エネルギの範囲別に信号を分類する。例えば、較正エネルギ範囲は１キロ電子ボルトのオーダーである。この較正では、パイルアップ式拒絶後に分類されたパルスだけを考慮に入れる。ヒストグラムメモリ中に入力された各パルスは、そのエネルギの最大振幅に応じたメモリボックスの値を増加させる。これにより、最大数のパルスが発生するボックス又はボックス群を見つけ出すために検索を行うことができる。ここでＶＭＥバスを通じて利得を調節することにより、この最大数を標準線源に期待される既知のエネルギと一致させることができる。
図６は、ヒストグラムメモリの内容の一例を表す。横座標はエネルギレベルＥを表し、縦座標は各エネルギレベルについて収集されたパルスの数Ｎ１を表す。

図７は、本発明の一改良型による分光測定診断用電子回路を表す。
本発明の改良型による診断用電子回路は、図３を参照して上述した要素に加え、２つの回状バッファメモリＭ１及びＭ２を含み、これらのメモリの入力は、それぞれ対応する処理モジュール２１及び２２から出力されたデジタルデータを受容する。内部バスＢｉは、各回状メモリＭ１及びＭ２をプログラム可能インタフェース及び制御ロジック部材２３に接続する。プログラム可能ロジック部材２３に適用された制御Ｋ２は、処理モジュール２１及び２２から出力されたデータの、対応する回状メモリＭ１及びＭ２中への格納を開始する。例えば、回状メモリＭ１及びＭ２は、対応する処理モジュール２１及び２２中に含まれるＡ／Ｎ変換器から出力されたデータの履歴を、ＶＭＥバスＢを通じて設定可能な速度で格納するか、又はバスＢを通じて設定可能な速度で計数器２７及び２９の状態変化の履歴を格納することができ、この速度は基本的収集速度より高くすることができるので、２つの収集の間の計数器の変化を観察することができる。

従来技術によるかたいＸ線分光診断測定システムを表す。 本発明による分光診断測定システムを表す。 本発明による診断用電子回路の一実施例のブロック図を表す。 本発明による診断用電子回路の入力にパルスが到着したときの、標準的なパルスのグラフである。 本発明による診断用電子回路のための処理チャンネルの一実施例の詳細図を表す。 本発明による診断用電子回路を用いて得られる較正ヒストグラムを表す。 図３に表す本発明による診断用電子回路の一改良型のブロック図を表す。

Claims (10)

1. 検出されたパルスに対応するデジタルデータ検出手段、及び測定された振幅を検出されたパルス（２４）に関連付ける振幅測定手段を備える分光測定診断用電子回路であって、パルス拒絶手段（２５）が、検出されたデジタルデータを用いて、パルス幅閾値（ｔｃ）を超える幅を有する全てのパルスと、プログラムされた時間間隔（Ｔ３）の間において当該時間間隔の第１パルスが検出された後の全ての新規パルスとを拒絶する、分光測定診断用電子回路。
2. 較正手段が、パルス拒絶手段により拒絶されなかった検出パルスに対応するデジタルデータを、検出されたパルスが標準線源に由来する場合に較正エネルギ範囲別に分類するヒストグラムメモリ（３０）を含む、請求項１に記載の分光測定診断用電子回路。
3. − 分類手段（２８、２６）が、第１に全ての検出パルスを、第２にパルス拒絶手段により拒絶されなかった検出パルスを検出エネルギ範囲（２５）別に分類し、
   − 計数手段（２９、２７）が、第１に全ての検出パルスを、第２にパルス拒絶手段により拒絶されなかった検出パルスを検出エネルギ範囲（２５）別に計数する
   請求項１又は２に記載の分光測定診断用電子回路。
4. 少なくとも１つの回状メモリ（Ｍ１、Ｍ２）が、設定可能な速度（Ｋ２）でデジタルデータを格納する、請求項１に記載の分光測定診断用電子回路。
5. パルスを排除するための手段が、測定された振幅が振幅閾値（Ｅｓ）未満であるパルスを排除する、請求項１に記載の分光測定診断用電子回路。
6. 少なくとも１つの入力増幅器（Ａ）が検出されたアナログパルスを増幅させ、少なくとも１つのアナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｎ）が検出されたアナログパルスをデジタルデータに変換する、請求項１に記載の分光測定診断用電子回路。
7. 回状メモリ（Ｍ１、Ｍ２）が、アナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｎ）から出力されたデータの履歴を記憶する、請求項６に記載の分光測定診断用電子回路。
8. 検出されたパルスを形成する粒子検出手段及び検出パルスの処理手段（１５）を含む粒子計数システムであって、処理手段（１５）が請求項１ないし７のいずれか１項に記載の分光測定診断用電子回路を含む、粒子計数システム。
9. 処理手段（１５）が通信ネットワーク（２０）に接続される共用ランダムアクセスメモリ（１９）を含む、請求項８に記載の粒子計数システム。
10. 粒子がかたいＸ線である、請求項８又は９に記載の粒子計数システム。

Images