JPH02208528A - 光パルス強度分布測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、光パルスの光強度分布を光検出器のもつ固
有の分解能に制限されることない分解能で測定すること
ができる光パルス強度分布測定装置および光パルス強度
分布測定方法に関するものである。

（従来の技術） 光パルス強度分布の測定の代表的な例として、従来シン
チレーション現象を利用した放射線エネルギー分布の測
定があげられる。

この場合、放射線の作用によってシンチレータから短時
間に発せられるシンチレーション光は、通常、数多くの
光子からなるものであり、個々のシンチレーション光は
、それぞれ光パルスと見なされる。シンチレーション光
の強度、すなわち光パルス強度は、放射線作用によりシ
ンチレータに与えられたエネルギーの大きさに比例して
いることから、光パルス強度分布の測定は、シンチレー
ション放射線検出器を用いた放射線エネルギー分布測定
の基本技術となっている。

今日、理工学および原子力産業等のいろいろな分野にお
いて、放射線エネルギー分布を測定する技術は、重要な
放射線計測技術の１つに数えられるものであり、このた
め、光パルス強度分布の測定技術についてはその技術の
向上のために長年にわたり世界的規模で数多くの研究開
発が行われてきた。

従来、光パルス強度分布の測定は、何れの場合も、光検
出器から光パルス強度に比例した大きさの波高（振幅）
をもつ電気パルスを得、これを比例増幅器により適当な
大きさに増幅して得られるパルスの波高分布を、マルチ
チャネル・パルス波高分析器を使用して測定する仕方に
より行われている。この従来の方法においては、光パル
ス強度分布が直接に測定できる利点を有しているが、分
解能は光検出器の固有の分解能によって制限されている
。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述したように、従来光パルス強度分布の測定は、光検
出器から得られる電気パルスを比例増幅器により増幅し
た後、そのパルスの波高分布をマルチチャネル・パルス
波高分析器により測定しているが、 ■　一般にマルチチャネル・パルス波高分析器は、比較
的高価である。

■　光検出器となる光電子増倍管のゲイン（利得）変動
のため、電気パルスの波高に高い安定性を保証すること
が容易でなく、またそれを克服するためには測定装置の
構造が複雑になるばかコストが高くなる。

■　さらに、光検出器からの電気パルスの波高分布の測
定における分解能は、光検出器の固有の°分解能によっ
て制限されており、光検出器の固有の分解能は光パルス
の光強度が低くなるにつれて低下するため、光強、度が
低い光パルスに対してはその光強度分布を高分解能で測
定することは不可能である等の極めて重大な問題点があ
った。

この発明は、上記の問題点を解決するためになされたも
ので、光強度が低い光パルスの光強度分布を高分解能に
測定できる光パルス強度分布測定装置および光パルス強
度分布測定方法を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る光パルス強度分布測定装置は、光パルス
を光学的に減衰させる光減衰手段と、この光減衰手段に
よって得られる光パルスを電気パルスに変換する光電変
換手段と、この光電変換手段により変換されて出力され
る電気パルスの個数を測定する測定手段とから構成した
ものである。

また、光パルスを光学的に減衰させる光減衰手段と、こ
の光減衰手段によって得られる光パルスを電気パルスに
変換する光電変換手段と、この光電変換手段により変換
されて出力される電気パルスの個数を測定する測定手段
とからなる測定系を複数系統備えてもよい。

さらに、各測定系統に対応する光減衰手段から出力され
る各電気パルスを同時または多重同時に計数する計数手
段を設けても良い。

また、この発明に係る光パルス強度分布測定方法は、光
パルスを光学的に異なる減衰率で減衰させ、この光減衰
によって得られた光パルスを電気パルスに変換し、これ
らの電気パルスの個数を測定し、前記光減衰の程度に応
じて得られた該電気パルスの一定時間当たりの個数から
なる１組の測定データに基づいて光パルス強度分布を決
定する。

（作用） この発明においては、光減衰手段によって減衰出力され
る光パルスが光電変換手段により電気バルスに変換され
ると、測定手段が変換されて出力される電気パルスの個
数を測定し、１組の測定データを確保する。

また、複数の光減衰手段によって減衰出力される各光パ
ルスがそれぞれ対応する光電変換手段によりそれぞれ電
気パルスに変換されると、各測定手段が変換されて出力
されるそれぞれの電気パルスの個数を各測定系統で測定
し、１組の測定データを確保する。

さらに、各測定系統に対応する光減衰手段から出力され
る各電気パルスを計数手段が同時または多重同時に計数
し、１組の測定データを確保する。

また、光パルスを光学的に減衰させ、この光減衰によっ
て得られた光パルスを電気信号パルスに変換し、これら
の電気パルスの個数を測定し、前記光減衰の程度に応じ
て得られた電気パルスの一定時間当たりの個数からなる
１組の測定データに基づいて光パルス強度分布を決定す
る。

（実施例） 第１図はこの発明の一実施例を示す光パルス強度分布測
定装置の構成を説明するブロック図であり、１は光フア
イバライトガイドで、着目する光源から発生する光パル
スを可変光減衰器２に導く。可変光減衰器２は、光フア
イバライトガイド１に導かれた光パルスの光強度を後述
する範囲内で所望とする減衰率で減衰させる、すなわち
、いろいろな光減衰比をもつものである。３は例えば光
電子増倍管で構成される光検出器（光電変換手段を兼ね
る）で、減衰された光パルスを電気パルス（出力パルス
）に変換する。４は比例増幅器で、電気信号化された電
気パルスを増幅する。５は波高分析器で、増幅された電
気パルスの波高を分析する。

６は測定手段を兼ねる計数器で、可変光減衰器２によっ
て減衰出力される光パルスが光検出器３により電気パル
スに変換されると、変換されて出力される電気パルスの
個数を各光強度毎に測定し、後述する観測方程式に基づ
いて光パルス強度分布を決定する。

なお、光電子増倍管で構成される光検出器３は、入射光
パルスの光強度の絶対値が低強度領域のある限られた範
囲にある場合には、入射光パルス毎に、光電子増倍管の
光電陰極に１個以上の光電子を発生する確率が入射光パ
ルスの光強度を変数とする非線形関数に従って定めるこ
とが出来る特性（その光電陰極において、入射光パルス
１個当り１個以上の光電子が発生したときは、必ず出力
パルスを発生する特性）を有している。そこで、この実
施例では、入射される光パルスを光学的に減衰せしめて
光パルスの光強度を後述するある定められた範囲内で少
しずつ変化させた際に、光電子増倍管からの出力パルス
の単位時間当たりの個数を測定して得られる一連のデー
タに基づいて光パルスの光強度分布を決定する。

以下、第２図〜第４図を逐次参照しながら第１図の動作
について説明する。

あるヒストグラムで表される光強度分布をもつ光パルス
は、光フアイバライトガイド１を介して可変光減衰器２
に導かれる。

そして、光学的に減衰されて光検出器３に入射され、こ
こで、その光強度に応じて決定される発生確率で電気パ
ルスに変換される。このとき、電気パルスの発生確率が
光検出器３に入射する光パルスの光強度を変数とするあ
る非線形関数に従って定められる条件の下では、光減衰
比の変化に対して各ヒストグラム成分に対応する光パル
スの電気パルス発生確率は相互に異なる割合で変化する
。そこで、その条件の下で、いろいろな光、減衰比に対
応して光検出器３から出力される電気パルスは、比例増
幅器４によって適当な大きさに増幅された後、波高分析
器５に入射される。そして、波高分析器５から出力され
る電気パルスの単位時間当たりの個数を計数器６に計数
させて、ヒストグラムの各成分の相対強度を未知数とす
る多元１次連立方程式を満足するデータを確保し、この
多元１次連立方程式を演算して光パルス強度分布を決定
する。

第２図は、第１図に示した光検出器３の出力パルス発生
確率Ｐと入射光パルス強度ｍの関係を示す図であり、縦
軸は光検出器３の出力パルス発生確率Ｐを示し、横軸は
入射光パルス強度ｍ、つまり入射光パルスの１パルス当
たり光電陰極から発生する光電子の平均個数を示す。

この図における出力パルス発生確率Ｐは、下記第　（１
）式により表わされる。

Ｐ＝１−ｅｘｐ　（−ｍ）　……（１）なお、この図か
ら分かるように、入射光パルス強度ｍが５程度より大ぎ
くなると、すなわちｍ２：。

５の場合には、出力パルス発生確率Ｐは実際上１になる
。

また、ｍが０．１程度より小さくなると、すなわちｍ≦
０．１の場合には、出力パルス発生確率Ｐは近似的にｍ
に等しくなる。

第３図は、第１図に示した光検出器３の出力パルスの波
高分布を示す特性図であり、縦軸は出力パルス数を示し
、横軸は出力パルス波高を示す。

なお、波高分布Ａは光検出器３の光！陰極における１パ
ルス当りの光電子の平均個数ｍが０．２程度である場合
の光検出器３の出力パルスの波高分布に対応する。

この図において、Ａはゲインが安定した状態における出
力パルスの波高分布を示し、Ｂはゲインがドリフトして
増加した状態における出力パルスの波高分布（破線）を
示す。

光検出器３の高分解能型光電子増倍管に入射する光パル
スの強度（入射光パルス強度ｍ）が０．２程度と十分に
低い場合、その出力パルスの波高分布Ａは単一光電子に
対応する顕著なピークＰ１と２個の光電子に対応する比
較的低いピークＰ、を有する特徴的な形をとる。なお、
入射光パルス強度ｍが０．２よりも高くなるにつれて、
ピークＰ２の高さは相対的に高くなり、同時に３個の光
電子に対応する第３のピークが現れる。

波高分布Ａと横軸とで囲まれる全面積は、先験い値Ｈ２
を設定すると、出力パルス数を値Ｈ１から値Ｈ２までの
区間で積分した面積Ｓは、近似的に全面積Ｓｏに等しく
なる。また、この面積Ｓは光検出器３のゲイン変化が生
じても、これによって影響されることなく略一定に保た
れる。この事実によって、光パルス強度分布測定方法に
よる光パルス強度分布の測定の精度を保証することが可
能となる。上述したように、光検出器３の出力パルスは
比例増幅器４により適当な大きさに増幅されて波高分析
器５に加えられるが、波高分析器５の２つの弁別レベル
を前述の下限値および上限値となる値Ｈ１，Ｈ２に相当
するように設定すると、波高分析器５の出力パルスの計
数率ｎ（すなわち、単位時間当りの個数）は、光検出器
３のゲイン変化にほとんど影響されることなく、光検出
器３の出力パルスの計数率を表すこととなる（ただし、
上記面積Ｓ、全面積Ｓ０との関係が近似的に一致すると
した場合に限る）。

そして、波高分析器５の出力パルスの計数率は、計数器
６により測定される。

次に減衰比を可変可能な可変光減衰器２の光減衰比をい
ろいろに変化させながら波高分析器５からの電気パルス
の計数率を測定して得られる一連の測定データから、光
パルスの光強度分布に関する情報を下記のように得る。

光パルスの光強度は、０〜Ｌｍまでの範囲（ただし、Ｌ
ｍは光強度の上限値）に分布するものとし、これをｍ個
の成分を有するヒストグラムで表す。また、ヒストグラ
ムの各成分の幅は等しいものとし、ｉ番目の成分の強度
Ｈｉ　　（ただし、ｉ＝１．２．・・・、ｍ）はその成
分に対応する光強度をもつ光パルスの単位時間当りの個
数（計数率）を示すものとする。

第４図は光強度と出力パルス発生確率との関係を示す図
であり、横軸は光強度（光強度の上限値Ｌｍ）を示し、
縦軸は出力パルス発生確率Ｐを示す。

この図において、ｍは入射光パルス強度（ただし、入射
光パルスの１パルス当り光電陰極に生じる光電子の平均
個数で示した光強度を示す）で、光パルスを可変光減衰
器２により光学的に減衰させ、光強度の上限値Ｌｍに対
応する入射光パルス強度ｍが２０．１０，５，２，１，
０．５゜０．２のそれぞれについて上記第（１）式に基
づいて出力パルス発生確率Ｐを演算して得られた関数値
をプロットしたものである。

これにより、光パルスを可変光減衰器２により光学的に
減衰させて光強度の上限値Ｌｍに対応する光強度が、例
えばｍ＝１０である場合、ヒストグラムの各成分の光強
度に対する出力パルス発生確率は、第４図に示した入射
光パルス強度値ｍ＝１０の曲線から容易に決定すること
ができる。

そこで、ヒストグラムのｉ番目の成分に対応する光パル
スに対する出力パルス発生確率をε１１とすると、これ
らの光パルスによる光検出器３からの出力パルスの単位
時間当りの個数は、Ｈｉε１１と表される。従って、光
検出器３からの出力パルスの単位時間当りの個数ｎ、は
、ヒストグラムの各成分毎の個数を合計したものであり
、下記第（２）式（観測方程式）により表される。

ｎ、　ｍＨ，・εＩｆ”　Ｈ２’ε、２４　＊＊＊　＋
Ｈ，＊ε１ｍ　　−（２）また、光パルスを光学的に減
衰させて、光強度の上限値Ｌｍに対応する光強度がｍ＝
５である場合、光検出器３からの出力パルスの単位時間
当りの個数をＨ２とすると、下記第（３）式より光強度
がｍ＝５に対する観測方程式を得る。

ｎ、　ｍＨ，・ε２１”　Ｈ２”ε２２　＋　＊−ｅ　
＋　１　、　＊ε２−　　・・・（３）ここで、ε２１
（ただし、ｉ　＝１．　２．　・・・、　ｍ　）はヒス
トグラムの各成分に対応する光強度を持つ光パルスに対
する出力パルス発生確率であり、第４図のｍ＝５の曲線
から直接または上記第（１）式より計算で求めることが
できる。

同様に、光パルスを光学的に減衰させて光強度の上限値
Ｌｍに対応する光強度が、例えばｍ＝４．３．５．３に
設定し、その都度、光検出器３からの出力パルスの単位
時間当りの個数を測定した結果をそれぞれｎ　ｋ−２＊
　　ｎ　ｋ−１，１ｋで表し、それぞれの場合にヒスト
グラムの各成分に対応した光強度の光パルスに対する出
力パルス発生確率として上記第（１）式から計算される
値を、それぞれε（ｋ−２目、ε（ｋ−１＋　ＩＩ　ε
に１で表すと、下記観測方程式が得られる。

ｎｋ−２：Ｈ１’　ε（ｋ−２）　ｌ”　Ｈ２”　ε（
ｋ−２１２”　”’　”Ｈ６・ε（ｋ−２）ａ　　　・
・・（４）ｎｋ−１＝ｌ、−ε＋に−ｎ　＋＋　Ｈｘｌ
ｌ　ε（ｋ−１１２４＝　＋）１．・ε（ｋ−１１１１
・・・（５）ｎｌ、＝Ｈ，・　εｋｌ”　Ｈ２’εに２
４ｐ　＃＃＃　４Ｈ１，ｌ・εに、　　・・・（６） 上記第（２）〜（６）式はｍ個の未知数）ＩＩ　、　Ｈ
２・・・、Ｈ，を含む多元連立方程式を構成する。

そして、上記多元連立方程式を下記条件（ａ）および条
件（ｂ）に従って演算することにより、光パルスの強度
分布を決定する。

（ａ）基本的条件 連立方程式は、ｍ個以上の等式（観測方程式）で構成さ
れること。

（ｂ）各等式が独立であるための必要条件連立方程式を
構成する等式のうち、任意の２個の等式に関して、各未
知数の係数εハ、εｋｌの比εＪｌ／εに＋（ただし、
ｉ＝１．２．　・・−、ｍであり、ｊ、には任意の２個
の等式を表す）がすべてのｌに対して一定になることが
ないこと。すなわち、下記第（７）式が成立しないこと
。

ε　Ｊ　Ｉ　Ｌｒ　Ｃ・　ε　ｈ＋　　　　　　　　　
　　　　　”　・　（７）ただし、Ｃは任意の定数であ
る。

例えば上記第（２）式、第（３）式の各未知数の係数間
に第（ア）式の関係が近似的に成立する場合には、出力
パルスの個数の測定値ｎ１およびＨ２の間にも近似的に
０１〜Ｃ−Ｈ２の関係が成立することが予想され、上記
第（２）式、第（３）式は実質上同じ等式になる。

光パルスを光学的に減衰させて、光強度の上限値Ｌｍに
対応する光強度が、例えばｍ＝０．５またはｍ＝０．２
となった場合、光パルス強度分布を表すヒストグラムの
各成分に対応する光パルスに対する光検出器３の出力パ
ルス発生確率は、第４図に示した入射光パルス強度ｍが
ｍ＝０．５およびｍ＝０．２の曲線から決定されるが、
これらの曲線はいずれも原点を通る直線で近似的に表わ
されることから、これらの２つの場合に対する観測方程
式には上記第（７）式の関係が成立するので、両者はほ
とんど同じ等式となる。

すなわち、光パルスを光学的に減衰させて、光強度の上
限値Ｌｍに対応する入射光パルス強度ｍが０．５程度以
下であるようにした場合には、入射光パルス強度ｍの値
とは無関係に観測方程式は実際上同じになる。

一方、光強度の上限値Ｌｍに対応する入射光パルス強度
値ｍが２０程度以上となるように光パルを減衰させた場
合、第４図に示した入射光パルス強度ｍが２０の曲線か
ら予想されるように、光検出器３の出力パルス発生確率
は大部分の光パルスに対して１　（確率１００％）とな
り、これらの場合に対する観測方程式はすべてほとんど
同じものとなる。

従って、上記条件（ｂ）を満足する観測方程式を得るに
は、光パルスを光学的に減衰させ、光強度の上限値Ｌｍ
に対応する入射光パルス強度値ｍが０．５〜２０の範囲
になるように観測方程式を作成する必要がある。そして
、上記観測方程式を演算することにより、所望とする光
パルスの強度分４茗剋わる。

なお、上記実施例においては、１個の光検出器３を使用
して光パルスを光学的にいろいろな程度まで減衰させて
、光検出器３から出力パルスの個数を観測することによ
り観測方程式を作成する場合について説明したが、光検
出器３の個数を増加するとともに、各光検出器３（各光
検出器３は異なり、入射光パルス強度ｍが０．５〜２０
の範囲内の相互に異なる種々の値になるように光減衰比
が調整される）に対応する比例増幅器４．波高分析器５
．計数器６からなる出力パルス数測定系統をそれぞれ独
立して設け、光フアイバライトガイれ１個の観測方程式
を作成できるほか、複数個の光検出器３の出力パルスの
同時計数（または多重同時計数）を行うことによって観
測方程式を作成できる。なお、この場合のパルス発生確
率は、各光検出器３のパルス発生確率の積で与えられる
。

このように、複数個の光検出器３の出力パルスの同時計
数（または多重同時計数）を行うことによって比較的多
くの観測方程式を作成できる。

例えばＡ、Ｂ、Ｃの３個の光検出器３を用いた場合には
、各光検出器３の出力パルスに対する３個の観測方程式
に加えてＡＢ、ＡＣ，ＢＣのそれぞれ２個の光検出器３
の同時計数に対する３個の観測方程式およびＡＢＣの３
個の光検出器３の３重同時計数に対する１個の観測方程
式を作成できる。すなわち、１回の測定から合計７個の
観測方程式を作成できるので、７成分のヒストグラムで
表される光パルス強度分布を得ることができる。

同様に、Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄの４個の光検出器３を用いた場
合には、１回の測定から多重同時計数に帯するものも含
めて１５個の観測方程式を得ることができ、１５成分の
ヒストグラムで表される光パルス強度分布を得ることが
できる。。

〔発明の効果） 以上説明したように、この発明は光パルスを光学的に減
衰させる光減衰手段と、この光減衰手段によって得られ
る光パルスを電気パルスに変換する光電変換手段と、こ
の光電変換手段により変換されて出力される電気パルス
の個数を測定する測定手段とから構成したので、測定さ
れた光パルス強度分布の分解能が光検出器の固有の分解
能によって制限されることがなく、強度分布を表すヒス
トグラムの各成分の個数の大小として得ることができる
。すなわち、パルス波高測定に基づ〈従来の光パルス強
度分布測定方法においては、分解能は光検出器の固有の
分解能によって制限されるので、例えば光パルスの入射
光強度がｍ＝１００程度以下の場合には、１０％よりも
良好な分解能を得ることは原理的に不可能であるのに対
して、この発明の多成分のヒストグラムを用いることに
より１０％よりも良好な分解能で光強度分布を安価な装
置で測定することがで各る。

また、光パルスを光学的に減衰させる光減衰手段と、こ
の光減衰手段によって得られる光パルスを電気パルスに
変換する光電変換手段と、この先電変換手段により変換
されて出力される電気パルスの個数を測定する測定手段
とからなる測定系を複数系統備えたので、１回の測定に
より必要な個数の観測方程式を効率よく作成できる。

さらに、各測定系統に対応する光減衰手段から出力され
る各電気パルスを同時または多重同時に計数する計数手
段を設けたので、少ない光検出機構であっても、比較的
多くの観測方程式を作成できる。

また、この発明に係る光パルス強度分布測定方法は、光
パルスを光学的に異なる減衰率で減衰させ、この光減衰
によって得られた光パルスを電気パルスに変換し、これ
らの電気パルスの個数を測定し、前記光減衰の程度に応
じて得られた電気パルスの一定時間当りの個数からなる
１組の測定データに基づいて光パルス強度分布を演算決
定するので、光検出機構の分解能に左右されない光強度
分布を測定することができる等の優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す光パルス強度分布測
定装置の構成を説明するブロック図、第２図は、第１図
に示した光検出器の出力パルス発生確率と入射光パルス
強度の関係を示す図、第３図は、第１図に示した光検出
器の出力パルスの波高分布を示す特性図、第４図は光強
度と出力パルス発生確率との関係を示す図である。 図中、１は光フアイバライトガイド、２は可変光減衰器
、３は光検出器、４は比例増幅器、５は第２図 ｍ（八１１ｔｈ）Ｙルス強度） 第３図 □出カッＹルス反無

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）光パルスを光学的に減衰させる光減衰手段と、こ
   の光減衰手段によって得られる光パルスを電気パルスに
   変換する光電変換手段と、この光電変換手段により変換
   されて出力される電気パルスの個数を測定する測定手段
   とから構成したことを特徴とする光パルス強度分布測定
   装置。
2. （２）光パルスを光学的に減衰させる光減衰手段と、こ
   の光減衰手段によって得られる光パルスを電気パルスに
   変換する光電変換手段と、この光電変換手段により変換
   されて出力される電気パルスの個数を測定する測定手段
   とからなる測定系を複数系統備えたことを特徴とする光
   パルス強度分布測定装置。
3. （３）各測定系統に対応する光減衰手段から出力される
   各電気パルスを同時または多重同時に計数する計数手段
   を具備したことを特徴とする請求項（２）記載の光パル
   ス強度分布測定装置。
4. （４）光パルスを光学的に異なる減衰率で減衰させ、こ
   の光減衰によって得られた光パルスを電気パルスに変換
   し、これらの電気パルスの個数を測定し、前記光減衰の
   程度に応じて得られた電気パルスの一定時間当たりの個
   数からなる１組の測定データに基づいて光パルス強度分
   布を決定することを特徴とする光パルス強度分布測定方
   法。