JP2000507698A - α粒子源の位置を遠隔的に特定するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 α線源の位置を遠隔的に特定するための方法、および、そのための装置が開示されている。環境内におけるα粒子源（１４）の位置を遠隔的に特定するための方法においては、α粒子源（１４）から放出されたα粒子を紫外放射に変換するために、環境（１０、３０）を充填するガスとして窒素を含有するガスを使用し、紫外放射のイメージを、感光性表面（２０）上に形成する。イメージは、ビデオスクリーン上に表示することができ、観測された背景の可視イメージ上に重ね合わせることができる。このような方法および装置は、放射線防護に対して、および、放射性ガスの存在の検出に対して有効である。

Description

【発明の詳細な説明】 α粒子源の位置を遠隔的に特定するための装置および方法発明の属する技術分野 本発明は、概して１０ＭｅＶ以下のエネルギーの粒子からなるα粒子源の位置 を、遠隔的に特定するための装置および方法、および、そのようなα粒子源を表 示するための装置および方法に関するものである。 本発明は、表面上のまたは容積内の放射線源の位置を特定し得るよう、放射線 防護の分野において有利に使用することができる。 本発明の目的をなす装置は、原子炉の廃炉、装備除去の操作およびメンテナン ス操作、放射線の管理、事故後の操作、あるいは、操作時における操作者の補助 、といった多くの他の分野において応用可能である。 本発明は、また、放射性ガスの漏れ検出や、放射性ガスの存在の検出（特に、 ラドン）、あるいは、エアロゾルの形態での放射性汚染物の検出に応用すること ができる。 概して、本発明は、本質的に、（大きな線形エネルギー搬送を伴った）電離度 の大きな電離粒子放射線の検出および位置の特定に関するものである。従来技術の説明 α線は、原子量が２００よりも大きな原子核が崩壊する際に、最も頻繁に発生 する自然の放射線である。 粒子検出器は、一般的に、粒子検出器の検知部分を通過する粒子と検知部分と の相互作用から得られる情報を提供する。 α粒子が媒質を通過するときには、α粒子は、通過する媒質のイオン化および 励起のために、本質的に、エネルギーを損失する。拡散現象および制動放射現象 は、無視できるように思われる。 イオン化は、元々は中性であった原子からの、１つまたは複数の電子の除去と して理解することができる。除去された電子は、自由電子として留まることもで きるし、または、他の原子にくっついてマイナスイオンを形成することもできる 。 このようなプラスイオンとマイナスイオンとの対の生成時には、２つの主要な 現象が起こる。すなわち、イオン化のうちの約３分の１は、一次イオン化、つま り、α粒子との直接的な相互作用によって形成され、イオン化のうちの残りの約 ３分の２は、二次イオン化、つまり、一次イオン化の際に放出される高速電子に よって引き起こされる。このような高速電子は、「δ線」と称される。 上述のように、媒質内のα粒子の通過は、媒質の単なる励起によって表現する こともできる。 原子は、基底エネルギー状態から高エネルギー状態へと移行した場合、励起さ れたものと考えることができる。励起エネルギーは、それでもなお、電子の放出 には不十分である。一般に、励起に使用されたエネルギーは、その後、非放射形 態、つまり振動または並進移動の熱エネルギーの形態で消費されるか、あるいは 、放射形態、つまり光子の放出によって消費されるか、のいずれかである。 吸収エネルギーの無視できない一部が光子放出によって放射形態で解放される ような媒質は、シンチレータと称される。 すなわち、公知のα粒子検出器は、一般に、α粒子を光子へと「変換」すること ができる固体または液体のシンチレータ媒質と、シンチレータによって放出され た光子を検出するための光増倍システムまたは感応性表面と、を備えている。 しかしながら、このような検出器は、α線源の位置を遠隔的に特定することが できない。実際、空気中におけるα粒子の自由行程は、非常に短く、観測を行う ためには、検出器をα線源のごく近傍にもっていく必要がある。 シンチレータは、必ずしも、固体または液体であるわけではない。シンチレー タは、気体の形態とすることもできる。 核粒子によって励起されることによるガス状シンチレータの閃光は、放射線研 究の初期から知られていた。しかしながら、光増倍管の使用のおかげで、ガス内 の粒子通過に関連した発光機構の研究ができるようになったのは、１９５１年に なってからにすぎない。この研究は、Ｇｒｕｎ氏およびＳｃｈｏｐｐｅｒ氏によ ってなされた。その１年後、Ｃ．Ｍｕｅｈｌｈａｕｓｅ氏は、核物理学において 、シンチレータとして、ガスを使用した。 多数の研究が、希ガスのシンチレーションに関してなされている。実際、すべ てのガスにおいて、原子は、互いに相互作用することができ、そうすることで、 励起エネルギーの一部を移送することができる。原子が複雑な分子である場合に は、エネルギー移送は、振動または回転の熱エネルギーの形態で起こることがで きる。これにより、いかなる発光も起こることがない。これに対して、希ガスの 場合には、高度に安定な電子構造に基づいて、衝突の時に、ある励起原子のエネ ルギーが他の原子に対して移送することができる。 研究によって、空気もシンチレーション特性を有していること、および、α線 源によって励起された空気のスペクトルは、窒素の発光スペクトルにおいて観測 される一連のバンドと同じ一連のバンドから構成されていること、が示された。 空気内に存在しているアルゴンは、優秀な発光特性を有している。しかしなが ら、存在比率が非常に小さいことにより、空気の発光に対する寄与は、無視でき る程度である。 空気中の酸素は、蛍光を放出することはない。逆に、発光を消滅させる材料と して機能する。実際、ガスに少量の酸素が添加されるだけで、ガスのシンチレー ション特性を妨害することができる。例えば、酸素が２％添加されたキセノンと 酸素との混合ガスであると、キセノンのシンチレーション強度の、７０％程度が 減少してしまう。 このような消光現象のために、空気は、非常に小さなシンチレーション効率し か有していない。シンチレーション効率は、１個のα粒子あたり、数個の光子で ある。 純粋な窒素の場合には、放出される光子の数は、空気の場合に放出される光子 数よりも、ずっと多い。しかしながら、シンチレーション現象は、比較的弱いも のに留まっている。 以下の表Ｉは、ガスのシンチレーション効果に対して、特に窒素の場合に、ガ ス圧力が、また、重要であることを示している。 表Ｉは、特定の放射線源に関して、シンチレータガス（窒素）の圧力の関数と して、α粒子によって放出される光子数の例を、示している。 圧力が増大すると総光子数が減少することは、明らかである。これは、高圧に おいては、原子とガス分子との衝突回数が増大することによる。衝突数が多くな ると、非放射エネルギーという損失が多くなってしまう。 窒素および特に空気のシンチレーション特性が小さいこと、および、希ガスの コストが高いこと、のために、シンチレータとしてのガスの唯一の使用は、実験 的計測装置に制限されている。 文末に与えられた参考文献（１）（２）には、シンチレータとして、例えば窒 素のようなガスを使用した検出装置の例が記載されている。これらの装置におい ては、放射線源およびシンチレータは、例えば写真チャンバまたは光増倍管とい った検出器の近傍に配置されている。これにより、カウントや、ガス状シンチレ ータの発光のスペクトル研究を行うことができる。 また、文末に与えられた参考文献（３）には、窒素も空気も、シンチレータと して実用的な興味がもてないことが開示されている。希ガスを使用したシンチレ ーションカウンタ内における窒素の存在は、望ましくないものとさえ考えられて いる。発明の説明 本発明は、窒素や、空気のような窒素−酸素の混合ガスのシンチレーション特 性が非常に悪いものであるにもかかわらず、これらのガスを大きく帯電した粒子 を放出している放射線源の位置を遠くから特定するためのシンチレータとして使 用できないことはないという、本発明者らによって発見された驚くべき事実に由 来している。 遠くからの特定というのは、α線源に対して、ガス中または空気中におけるα 粒子の行程（数ｃｍ）よりは実質的にずっと離れた位置からの特定のことである ことは理解されるであろう。 実際、本発明は、環境内におけるα粒子源の位置を遠隔的に特定するための方 法に関するものであって、α粒子源から放出されたα粒子を、例えば紫外領域の 波長を有したような光子放射に変換するために、周囲空間を充填するガスとして 窒素を含有するガスを使用し、放射のイメージを、感光性表面上に形成する。 本発明は、光子放射が紫外領域内の波長を有している場合に制限されるもので はないが、説明の単純化のために、以下の説明においては、この放射は、紫外放 射として表現されることとなる。 α粒子源の位置特定は、とりわけ、α線源が検出器の下方や近傍に必ずしも配 置される必要がないだけに留まらず、環境内におけるα線源の分散具合を特定で きるという点において、単なるα粒子の検出とは区別される。例えば、位置特定 とは、環境内における、１つまたは複数の汚染領域の場所および形態を、決定し たり表示したりすることである。 これは、紫外放射からのイメージによって行うことができる。検出に関する距 離制限は、雰囲気による紫外吸収だけによってもたらされる。検出距離は、数百 メートルとすることもでき、数キロメートルとすることも想定できる。 非常に有利には、特にコスト的に非常に有利には、特定の応用に対するシンチ レーションガスとして、空気を使用することができる。 本発明の１つの形態においては、環境は、実質的にガス不透過性とされている とともに、少なくとも一部が光子放射に対して透明な壁を備えた、容器によって 画定することができる。容器は、窒素を含有するガスによって充填され、感光性 表面上に、誘起された光子放射からのイメージが、透明壁を通して形成される。 本発明の範疇においては、この場合、環境は、容器の内部容積に限定される。 この応用の場合には、容器の容積は、人が操作している部屋の総容積よりも小さ い。 例えば、容器を充填しているガスの漏洩を制限するために、あるいは、ガスの 汚染を避けるために、容器内の圧力を、実質的に、増加または減少させ得ること は、想定されるであろう。 よって、環境を充填しているガスをより容易に制御することができ、組成や圧 力を制御することができる。 感応性表面が使用される場合には、この表面の検知スペクトルは、α粒子によ つて励起される窒素の紫外発光スペクトルにわたって延在しており、可視光がな い状態で、紫外放射からイメージを形成することができて有利である。この測定 によって、イメージの信号雑音比を向上させることができる。 イメージの質を向上させ得る他の測定は、イメージを、紫外放射を選択的に透 過させ得るフィルタ、特に、窒素のシンチレーションに対応した波長を選択的に 透過させるフィルタを通して形成することである。 また、有利には、遠隔位置特定システムの活用を容易とするために、光子放射 （紫外放射）のイメージを、人工的な可視光の存在下で形成することができる。 この人工的な可視光は、電流供給の周波数に関連した振動性のために、紫外イメ ージと可視イメージとからなる総イメージから、数値的に差し引くことができる 。 紫外放射イメージ上におけるα線源の分類を容易とするために、イメージ上に 、位置決定用格子を重ね合わせることができる。 特に興味のある手段は、紫外放射からのイメージと同様に、環境の可視光から のイメージを形成することである。この場合、α線源の環境に配置された対象物 に関連した位置をより容易に見いだすために、これら２つのイメージを、重ね合 わせることができる。 その場合、とりわけ、可視光イメージを、環境の人工照明のもとで形成するこ とができる。 人工照明は、発光が供給電流の周波数に敏感なものであって、実際、必要であ れば、感光性部材が電子的センサである場合には、紫外放射イメージからデジタ ル的に差し引くことができる。 本発明は、また、α粒子源の位置を遠隔的に特定するための装置に関するもの である。この装置は、紫外放射に対して感応性のある表面と、窒素を含有してい るとともに環境を充填しているガス状シンチレータ媒質と、感応性表面上に環境 の紫外放射イメージを形成するための光学手段と、を具備している。紫外放射は 、１つまたは複数のα線源から放出されたα粒子によって励起されたガス状媒質 のシンチレーションに由来するものである。 装置は、感応性表面が取り付けられているカメラを具備することができる。感 応性表面は、例えば、紫外放射に対して感応性のある、可能であれば可視光に対 して感応性のある、フォトダイオードからなるマトリクスである。 本発明の他の特徴点および利点は、添付図面を参照しかつ単に非制限的な例示 として示される以下の説明によって理解されるであろう。図面の簡単な説明 唯一の図面は、環境内においてα線源の位置を特定するための、本発明の装置 の部材を、概略的に示している。本発明による実施形態の詳細な説明 唯一の図面は、部屋を示している。部屋の壁１２は、１つまたは複数のα線源 １４を有している。このα線源１４は、例えば、放射性汚染物質である。α線源 から放出されるα粒子は、部屋１０内の空気によって急速に停止される。α線源 を囲んでいるドームは、α粒子の最大平均範囲を概略的に示しており、「シンチ レーション効果領域」と称される領域を画定している。 領域１６内においては、α粒子は、窒素原子と相互作用して、シンチレーショ ンを引き起こす。このシンチレーションは、紫外光子の放出によって表現される 。このような紫外光子は、部屋内を自由に伝搬することができる。実際、紫外光 子は、部屋１０内を充填しているガスに対して、実質的に一切の相互作用を示さ ない。断面図でもって示されているカメラまたは写真チャンバ１８は、紫外放射 に対して感応性のある表面２０と、紫外放射を受けて感応表面２０上にイメージ を形成するための光学システム２２と、を備えている。 実用的には、光学システム２２は、通常２００〜４００ｎｍの放射波長に関し て、壁１２および領域１６のイメージを、感応表面２０上に形成するよう構成さ れている。任意の光学システム、または、例えばＵＶ ＮＩＫＫＯＲタイプの対 象をなすような側方屈折システム（catadioptric system）が適切である。 感応表面２２は、写真フィルムとすることができる。あるいは、好ましくは、 フォトダイオードのような電子的光学センサからなるマトリクスとすることがで きる。 それは、例えば、１２．３×１２．３ｃｍのマトリクスであって５１２×５１ ２個の画素からなる（電荷移送タイプの）ＣＣＤタイプの検出器とすることがで きる。この場合、各画素は、２４μｍ×２４μｍの大きさである。 検出器は、公知のタイプの検出器のための、取得および管理システム２４に接 続されている。 これは、例えば、ＳＴ １３８タイプのコントローラとすることができる。 測定を行うには、５０ｋＨｚの周波数で十分であるように思われる。実際、窒 素のシンチレーションという現象が数個の光子を生成する場合には、一般に、検 出器は、大きな周波数で読出を行う必要はない。しかしながら、人工的な光の影 響をデジタル的に差し引くために、必要であれば、得られたイメージを加えつつ 、より大きな周波数で動作することが有効である。 少量の核事象が装置による検出に対して有害であるけれども、背景の「放射イ メージ」を再構成するために、事象の発生の統計的性質の恩恵を受けることがで きる。取得によって、多数の補正していないイメージをまたは補正したイメージ を加算することによって、信号を積分する。 取得システム２４は、また、例えば、モニターやビデオスクリーンといった、 検出によって形成されたイメージを表示するための手段を備えている。その場合 、イメージの表示は、リアルタイムで行うことができる。 表面２０の検知スペクトルは、例えば、２００ｎｍ〜４００ｎｍにわたる波長 範囲に対応している。しかしながら、より大きなスペクトルに対して感応可能な 表面を使用することもでき、選択された波長範囲の紫外放射だけが通過できるよ うな干渉フィルタ２３を、光学システム２２に対して接続することができる。 また、ある特別の実施形態においては、加えて、可視光から部屋１０のイメー ジを形成するために、感応表面として、さらに拡張されたスペクトルに対応する ものを有利に使用することもできる。この可視イメージは、また、ビデオスクリ ーン上に表示することもできる。 この可視光イメージは、紫外放射イメージに対して重ね合わされたときには、 α放射線源の位置を、より容易に認識することを可能とする。とりわけ、部屋の 壁に対しての、あるいは、部屋内に設けられた他の対象物に対しての、α放射線 源の位置を、より容易に認識することを可能とする。 検出器からの取得および検出器の管理のためのシステムのおかげで、可視光イ メージに対応するデータと、紫外放射イメージとを、デジタル的に、足したり引 いたりすることができる。また、イメージから、個別に記録された「ベースノイ ズ」を差し引くことも可能である。 取得および管理システムにより、操作者は、イメージの感度や解像度をデジタ ル的に修正したり、イメージの全部または一部を拡大したりすることができる。 空気内に存在している酸素は、空気内に含有されている窒素のシンチレーショ ン現象に対して負の影響を有している。図に示すように、この影響を制限するた めに、α線源を囲むガスの組成を容易に制御し得るような小さな空間を、部屋内 に画定することができる。 すなわち、実質的にガスを透過させない容器３０が、部屋１０内において、操 作者が位置の探求をしようとしているα線源が存在していると思われる場所に、 配置されている。図示の例においては、容器３０は、壁１２に押しつけて配置さ れており、部屋１０の容積よりも小さな容積空間を画定している。この場合、こ の空間は、本発明の範囲においては、内部において放射線源が特定されるべき環 境空間を構成している。この容器は、有利には、操作者が調査しようとしている 放射線で内壁が汚染されているような、グローブボックスまたは遮蔽容器によっ て構成することができる。 容器は、ガス中でのα粒子の最大平均行程よりも大きな寸法とされている。す なわち、シンチレーション効果領域１６の寸法よりも大きな寸法とされている。 容器３０内での窒素含有量を増加させるために、容器３０に対しては、窒素発 生器３２が接続されている。Ａｒ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅといったある種の希ガスあ るいはこれらの任意の混合ガスのような、窒素以外のガスを、また、容器３０内 に吹き込むこともでき、シンチレーション現象を改良することができる。 また、燃焼反応あるいは触媒酸化反応を引き起こすことによって、容器３０内 に含有されている酸素の少なくとも一部を除去することができる。 容器は、カメラに対してシンチレーション光子を到達させ得るよう、紫外放射 に対して透明な材料から形成されている、あるいは、覗き窓３３を備えている。 最後に、本発明による装置およびその動作方法のおかげで、α線源の位置を、 α粒子の平均自由行程よりもずっと離れたところからでも特定できることがわか る。 実際、相互作用の前にα粒子が到達し得る距離は、数ｃｍの程度であるけれど も、放射線源と測定カメラとの離間距離Ｌは、数ｋｍとすることができる。とり わけ光学システムの焦点距離を選択することにより、離間距離は、調節可能であ る。 上述のように、本発明による装置は、放射線源の検出のために使用できること がわかる。また、有利なことに、環境内において、α粒子を放出する放射性ガス を検出するために使用することもできる。 例えば、メタン保持タンクのようなタンクにおける漏れを検出するために、タ ンクの外側二重壁内に、ラドンのようなα線源を含むガスを注入して、タンクの 内壁のイメージを形成することができる。このイメージにより、漏れ箇所を明ら かとすることができる。というのは、ラドンによって放出されたα粒子と雰囲気 空気との間の相互作用によって、シンチレーションが引き起こされるからである 。説明中において引用された参考文献

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アンバール，ジェラルド フランス国 84000 アヴィニョン シュ マン デ ゾネーユ（番地なし)

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．環境（１０，３０）内におけるα粒子源（１４）の位置を遠隔的に特定する ための方法であって、 前記α粒子源（１４）から放出されたα粒子を光子放射に変換するために、前 記環境を充填するガスとして窒素を含有するガスを使用し、 前記光子放射のイメージを、感光性表面上に形成することを特徴とする方法。 ２．窒素を含有したガスを、前記α粒子源（１４）から放出されたα粒子を紫外 光子放射に変換するために使用することを特徴とする請求項１記載の方法。 ３．前記環境は、実質的にガス不透過性とされているとともに、少なくとも一部 が前記光子放射に対して透明な璧（３２）を備えた、容器（３０）によって画定 され、 前記容器を、窒素を含有するガスによって充填し、 前記光子放射のイメージを、前記壁（３２）を通して前記感光性表面上に形成 することを特徴とする請求項１または２記載の方法。 ４．前記光子放射のイメージを、可視光のない状態で形成することを特徴とする 請求項１〜３のいずれかに記載の方法。 ５．前記光子放射のイメージを、紫外放射を選択的に透過させ得るフィルタ（２ ３）を通して形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の方法。 ６．前記光子放射のイメージを、人工的な可視光の存在下で形成することを特徴 とする請求項１〜３のいずれかに記載の方法。 ７．前記環境の可視光イメージを、付加的に形成することを特徴とする請求項１ 〜３のいずれかに記載の方法。 ８．前記可視光イメージを、前記環境の人工照明のもとで形成することを特徴と する請求項７記載の方法。 ９．前記可視光イメージと前記光子放射イメージとを、重ね合わせることを特徴 とする請求項７記載の方法。 １０．前記α粒子源（１４）から放出されたα粒子を紫外光子放射に変換するた めのシンチレータとして、空気を使用することを特徴とする請求項１〜９のいず れかに記載の方法。 １１．環境内におけるα粒子源の位置を遠隔的に特定するための装置であって、 紫外放射に対して感応性のある表面（２０）と、 窒素を含有しているとともに、前記環境を充填している、ガス状シンチレータ 媒質と、 前記感応性表面上に前記環境の紫外放射イメージを形成するための光学手段（ ２２）と、 を具備することを特徴とする装置。 １２．前記環境を画定するために、ガス不透過性とされた容器（３０）を具備し 、該容器には、該容器の外側に配置された前記感応性表面上に前記放射のイメー ジを形成するために、紫外放射に対して少なくとも一部が透明とされた壁が設け られていることを特徴とする請求項１１記載の装置。 １３．カメラを具備し、該カメラに、前記感応性表面が取り付けられていること を特徴とする請求項１１記載の装置。 １４．前記感応性表面は、フォトダイオードからなるマトリクスであることを特 徴とする請求項１１記載の装置。 １５．前記マトリクスは、付加的に紫外光に対して感応性のあるフォトダイオー ドを備えていることを特徴とする請求項１４記載の装置。 １６．付加的に、前記環境の可視光イメージを形成するための手段を具備してい ることを特徴とする請求項１１記載の装置。 １７．付加的に、前記紫外放射と前記可視光イメージとの少なくとも一方を表示 するためのビデオスクリーンを具備していることを特徴とする請求項１６記載の 装置。