JP2005049144A - Radiation measuring method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は放射線検出器を利用して放射線の定性・定量分析を行なう放射線計測方法に係り、特に、原子力施設や放射線利用施設の建屋内における放射線強度を連続的に監視するためのX線およびγ線等の放射線用エリアモニタに用いることに適した放射線計測方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
原子力発電所等のプラントの管理区域内における環境放射線を連続的に監視する放射線監視設備として、エリアモニタ,ダストモニタ,ガスモニタ等が挙げられる。
【0003】
エリアモニタは、放射線作業従事者の被ばく低減を目的として、作業環境における線量当量率や計数率を連続的に監視するためのモニタである。線量当量率とは、単位時間当りの人体に対する放射線量を表す。線量当量率や計数率があらかじめ設定されたレベルを超えると、エリアモニタが放射線作業従事者に警告を行なう。
【0004】
エリアモニタの放射線検出器として、半導体検出器,GM(Geiger Muller)計数管,電離箱検出器,NaI(Tl)シンチレーション検出器等が用いられる。また、エリアモニタでは、管理区域内における放射線のエネルギーや放射線量を計測することができる。
【0005】
放射線の検出は、放射線のエネルギーを電気信号等に変換して行なわれる。このため、放射線検出器の動作は、放射線検出器を構成する検出素子の材料が計測すべき放射線とどのように相互作用するかに依存する。特に、放射線としてのγ線はエネルギーの高い電磁波で原子核自体の遷移に起因し、検出素子内部で相互作用して電子正孔対を生成する。
【0006】
放射線検出器としての半導体検出器は、検出素子である半導体結晶が一対の電極(陽極,陰極)に狭持される構成である。検出素子にγ線が入射することによって、陽極と陰極とには誘起電荷が生じ、半導体検出器の外部に出力パルスとして出力される。出力パルスの波形は、半導体結晶を構成する原子がγ線と衝突する位置に従って様々である。半導体検出器では、エネルギーギャップが絶縁体に比べて微小であるため、伝導帯に移る電子の個数を稼ぐことができ、高いエネルギー分解能を有することが知られている。
【0007】
一般に、半導体検出器を用いたエリアモニタでは、時系列に対して、パルス波高が電荷量と比例するようにパルス波形整形を行ない、その後、パルス波高弁別を行なう。パルス波高弁別では、しきい値以上のパルス波高値をもつパルスを出力する。次いで、計数器にて、パルス波高のピーク値(パルス波高値)がしきい値以上である場合、パルス波高値を計数し、計数値を時系列変化としてモニタするか、一定時間あたりの計数値である計数率からパルス波高分布を作成してモニタする。
【0008】
ここで、半導体検出器を構成する検出素子としてCdTe(テルル化カドミウム)単結晶を用いたCdTe半導体検出器に、高エネルギーのγ線を模擬した137Csγ線(661keV)12aと、低エネルギーのγ線を模擬した241Amγ線(60keV)12bとを入射させる。CdTe半導体検出器から得られる出力パルスについてパルス波形整形を行なう。
【0009】
低エネルギーに相当する241Amγ線12bと、CdTe単結晶を構成する原子との衝突確率は高くなるため、241Amγ線12bがCdTe単結晶内部でエネルギーを全て失い消滅する確率が高くなる。よって、241Amγ線12bのパルスは、241Amγ線12bのエネルギーに比例したパルス波高値を示す。
【0010】
一方、高エネルギーに相当する137Csγ線12aと、CdTe単結晶を構成する原子との衝突確率は低くなるため、137Csγ線12aが半導体結晶内部にエネルギーの一部を付与した後、消滅せずにCdTe単結晶から放射される確率が高くなる。よって、137Csγ線12aのパルスは、137Csγ線12aのエネルギーに比例したパルス波高値を示すのではなく、CdTe単結晶内部で全てのエネルギーを付与したときのパルス波高値を基準として、低波高側に連続的な分布を示す。
【0011】
その後、137Csγ線12a,241Amγ線12bのそれぞれのパルスのパルス波高値がしきい値以上の場合、パルス波高値を計数する。そして、一定時間あたりの計数値である計数率から得られたパルス波高分布を作成する。(例えば、特許文献1参照。)
【0012】
図7は、従来の放射線計測手段におけるスペクトルのパルス波高分布を示すグラフである。
【0013】
図7に示されたスペクトルのように、エネルギーが異なるγ線(137Csγ線12a,241Amγ線12b)のパルス波高分布を同時に得るためには、パルス波高値の小さい低エネルギーの241Amγ線12bが計測できるように、パルス波高弁別器のパルス波高値にしきい値を設定する。
【0014】
他方、γ線のエネルギーを波高分析器にて連続的にモニタする方法があり、波高分析器としてマルチチャンネルパルス波高分析器がある。このマルチチャンネルパルス波高分析器では、半導体検出器にて検出したγ線から、各エネルギー(チャンネル)に弁別し、各チャンネルに蓄積された電気信号の数をヒストグラムとしてモニタできる。
【0015】
マルチチャンネルパルス波高分析によって、γ線の各波長における放射線の強度を解析することができ、波長から核種の定性(放射線のエネルギー)が、また、放射線の強度から核種の定量(放射線量)が測定できる。
【0016】
【特許文献1】
特公平3−75833号公報(第2頁−第4頁、第3図,第5図)
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
従来の放射線計測手段では、低エネルギーに相当する241Amγ線12bを計測可能とするしきい値を利用して、241Amγ線12bと、高エネルギーに相当する137Csγ線12aとを計測している。よって、図7に示されるように、137Csγ線12aのパルス波高値がしきい値付近に集中する。したがって、パルスに含まれる回路系のノイズ成分、ノイズ成分のゲイン,オフセット成分等に強く影響される。ノイズ成分、ノイズ成分のゲイン,オフセット成分の僅かな変化によって、しきい値付近での計数値の変化(振れ)が大きくなる。すなわち、137Csγ線12aの計数率をモニタする場合、ノイズ成分、ノイズ成分のゲイン,オフセット成分の時間的変動によって、指示器に表示される計数率が時間的に大きく振れて不安定になる。
【0018】
さらに、γ線のエリアモニタでは、未知線源からでているγ線を計測するので、137Csγ線12a,241Amγ線12b以外のγ線を区別なく計測してモニタできることが望まれる。しかし、図7に示されるスペクトルのパルス波高分布のように、ノイズ成分、ノイズ成分のゲイン,オフセット成分の影響を強く受けてしまうことから、241Amγ線101の計数率と137Csγ線12aの計数率を同時にモニタすることはできない。
【0019】
また、1個のγ線が半導体検出器にて検出されてから、A/D変換によるパルス波高分析、データ解析を経て記録作業が終了するまで、短いながらもある一定の時間、すなわち不感時間(Dead time)がある。この不感時間内に、次のタイミングの別のγ線が検出されてもこのγ線は数え落とされる。特に、原子力発電所等のプラントの管理区域内における環境放射線を連続的に監視するときのようなランダムな事象のデータ収集では、不感時間中の数え落としを防止することが必要である。
【0020】
加えて、パルスの計数率と同時にパルス波高分布をモニタする場合、パルスの計数率だけをモニタする場合に比べて、測定回路系の不感時間が長くなる。よって、γ線の計測精度が問題となる。
【0021】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、ノイズ成分,オフセット成分等によって計数率の時間的な振れを抑えることができると共に、エネルギーが異なる放射線を同時にモニタする放射線計測方法を提供することを目的とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る放射線計測方法は、上述した課題を解決するために、陽極と陰極とを有する検出素子に電圧を印加することにより前記検出素子の前記陰極から放射線が入射され、前記検出素子を構成する原子と前記放射線との相互作用によって前記陽極に誘起された誘導電荷の電子パルスと前記陰極に誘起された誘導電荷の正孔パルスとの和である出力パルスから、環境放射線を計測する放射線計測方法において、前記出力パルスをパルス量に比例する電圧パルスに変換・増幅する第1の工程と、前記放射線と前記検出素子との相互作用によって生じた正孔の最大移動時間より小さい時定数にて前記電圧パルスを微分整形して微分パルスを得る第2の工程と、前記微分パルスのパルス波高値がしきい値を超えた超パルス波高値である場合に、前記超パルス波高値を計数して計数値を得ることにより放射線を計測する第3の工程とを有することを特徴とする。
【0023】
また、本発明に係る放射線計測方法は、陽極と陰極とを有する検出素子に電圧を印加することにより前記検出素子の前記陰極から放射線が入射され、前記検出素子を構成する原子と前記放射線との相互作用によって前記陽極に誘起された誘導電荷の電子パルスと前記陰極に誘起された誘導電荷の正孔パルスとの和である出力パルスから、環境放射線を計測する放射線計測方法において、前記出力パルスをパルス量に比例する電圧パルスに変換・増幅する第1の工程と、前記放射線と前記検出素子との相互作用によって生じた正孔の最大移動時間より小さい時定数にて前記電圧パルスを微分整形して微分パルスを得る第2の工程と、前記微分パルスのパルス波高値がしきい値を超えた超パルス波高値である場合には、前記超パルス波高値をトリガーとして、前記微分パルスのパルス波高値をデジタルパルス波高値に変換する第3の工程と、前記デジタルパルス波高値を演算処理して演算値を得ることにより放射線を計測する第4の工程とを有することを特徴とする。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る放射線計測方法の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
【0025】
なお、添付図面中、同一の構成要素には同一符号を付して重複した説明を省略する。
【0026】
図1は、本発明の放射線計測方法に用いられる放射線計測手段の第1の実施形態を示す概略図である。
【0027】
図1中の放射線計測手段11には、入射される放射線、例えば、未知線源のγ線12の入射によって相互作用を起こしてキャリア(電子(−)と正孔(+))を発生させ、誘導電荷の出力パルスbを生じさせる放射線検出器(検出素子)、例えば、CdTe(テルル化カドミウム)半導体検出器14と、生じた出力パルスbを積分して出力パルスbのパルス量に比例する電圧パルスcに変換・増幅させる入力インピーダンスの高いプリアンプ15と、コンデンサの容量(C)と抵抗(R)とから構成され、プリアンプ15から出力された電圧パルスcの減衰時間を短くして微分パルスdを得る微分パルス整形回路16とがそれぞれ備えられる。
【0028】
また、微分パルスdのパルス波高値がパルスのしきい値を超えた超パルス波高値eである場合、タイミング信号である超パルス波高値eを出力するパルス波高弁別器17と、超パルス波高値eを計数して計数値を得る計数器18とが備えられる。
【0029】
CdTe半導体検出器14には、未知線源のγ線12、例えば、高エネルギーのγ線12を模擬した137Csγ線(661keV)12aが入射される。CdTe半導体検出器14には、検出素子としてのCdTe単結晶(図示しない)が備えられ、CdTe単結晶が、図示しない一対の電極(陽極,陰極)によって狭持される構成とする。そして、陽極に誘起された誘導電荷による電子パルスb1と、陰極に誘起された誘導電荷による正孔パルスb2との和が出力パルスbとしてプリアンプ15に出力できるようになっている。
【0030】
プリアンプ15から出力される電圧パルスcは、指数的に比較的にゆっくりと減衰するパルスである。プリアンプ15として、電荷感応型としてのパルス光リセット方式,トランジスタリセット方式等の増幅器が利用される。
【0031】
微分パルス整形回路16は、パルスの減衰時間を短くするために、電圧パルスcを所要の時定数によって微分整形する微分回路である。
【0032】
続いて、放射線計測手段11の動作について説明する。
【0033】
放射線計測手段11に備えられるCdTe半導体検出器14の陽極と陰極とに電圧が印加され、静電界を発生させる。
【0034】
CdTe半導体検出器14に電圧が印加されると、電圧印加されたCdTe単結晶の陰極からCdTe単結晶に未知線源のγ線12、例えば、高エネルギーのγ線12を模擬した137Csγ線(661keV)12aが入射される。CdTe単結晶を構成する原子と137Csγ線12aとの相互作用によってキャリア(電子(−),正孔(+))を生じる。CdTe単結晶は電圧印加されているので、CdTe単結晶内部に生じた電子は陽極に、正孔は陰極にそれぞれ移動(ドリフト)する。
【0035】
ここで、CdTe単結晶を構成する原子と137Csγ線12aとの相互作用は、入射する137Csγ線12aのエネルギーに応じて、CdTe単結晶内部の全範囲で起こる。
【0036】
高エネルギーに相当する137Csγ線12aが入射されると、CdTe単結晶を構成する原子との衝突確率が低くなる。よって、137Csγ線12aは、CdTe単結晶を構成する原子と1回または複数回衝突することによって1回または複数回相互作用し、相対的に陰極から離れた位置(陽極付近の位置)まで侵入する間にエネルギーの全部または一部を失う。
【0037】
次いで、相互作用位置にて生じた電子が陽極に、正孔が陰極にそれぞれドリフトすることによって、陽極に誘導電荷としての電子パルスb1が、陰極に誘導電荷としての正孔パルスb2がそれぞれ生じる。出力パルスbは、電子パルスb1と正孔パルスb2との和であるが、高エネルギーに相当する137Csγ線12aでは相互作用位置が陽極に近いので、正孔の陰極へのドリフト距離が長くなり、正孔パルスb2の寄与が大きくなる。
【0038】
よって、137Csγ線12aが陽極付近の位置にて相互作用するので、CdTe半導体検出器14から得られる出力パルスbは、正孔パルスb2の寄与が主成分となり、立ち上がり時間の長い出力パルスbとして出力される。
【0039】
陽極からの電子パルスb1と、陰極からの正孔パルスb2との和である出力パルスbはプリアンプ15に出力され、プリアンプ15によって増幅される。
【0040】
プリアンプ15からの出力信号である電圧パルスcは、137Csγ線12aが入射する毎にステップ状に上昇する減衰の緩やかな階段状の波形となって微分パルス整形回路16に出力される。
【0041】
微分パルス整形回路16では、入力された電圧パルスcが所要の時定数にて微分整形される。
【0042】
続いて、所要の時定数を設定する方法について説明する。
【0043】
高エネルギーである137Csγ線12aが陽極付近の位置にて相互作用すると、CdTe半導体検出器14から得られる出力パルスbのパルス量は、正孔パルスb2の寄与が主成分となるので、立ち上がり時間の長い出力パルスbとして出力される。
【0044】
ここで、ドリフト時間として長時間を有する正孔の最大移動時間tMAXは、CdTe単結晶の厚さd、正孔の移動度(CdTe単結晶の物質固有の値)m、印可電圧Eによって、
【数1】
tMAX=d/m/E
と表すことができる。
【0045】
微分パルス整形回路16にて、出力パルスbが所要の時定数、例えば、正孔の最大移動時間tMAXより短い時定数にて微分整形される。すなわち、137Csγ線12aの電圧パルスcは、正孔のドリフト時間に起因する立ち上がり時間分(0〜tMAX)が除去されて微分整形される。また、パルス波高値の低下の程度は、相互作用の位置が、陽極に近い程顕著である結果が得られている。
【0046】
図1に示された微分パルス整形回路16にて微分整形された微分パルスdは、パルス波高弁別器17に出力される。
【0047】
パルス波高弁別器17では、微分パルスdのパルス波高のピーク(パルス波高値)がしきい値を超えた超パルス波高値eである場合、タイミング信号としての超パルス波高値eを計数器18に出力する。ここで、しきい値とは、CdTe単結晶を構成する原子が137Csγ線12aと相互作用を起こしうる限界線量を指し、任意に設定される。
【0048】
計数器18では、パルス波高弁別器17にてしきい値を超えた超パルス波高値eを計数する。単位時間あたりの超パルス波高値eのカウント数である計数率(計数値/時間)は放射線計測量の指標であり、指示器を介してモニタされる。計数率は指示器にて表示されると共に、計数率があらかじめ設定したレベルを超えると警報が発せられ、放射線作業従事者に警告する。
【0049】
さらに、図1に示された放射線計測手段11では、137Csγ線12aのモニタと同様に、低エネルギーのγ線12を模擬した241Amγ線(60keV)12bをモニタすることができる。
【0050】
低エネルギーに相当する241Amγ線12bが電圧印加されたCdTe単結晶の陰極から入射されると、CdTe単結晶を構成する原子との衝突確率が高くなる。よって、241Amγ線12bは、CdTe単結晶を構成する原子と1回原子と衝突することによって1回相互作用し、相対的に陰極付近の位置(陽極から離れた位置)にてエネルギーの全部を失い消滅する。
【0051】
次いで、相互作用位置にて生じた電子が陽極に、正孔が陰極にそれぞれドリフトすることによって、陽極に誘導電荷としての電子パルスb1が、陰極に誘導電荷としての正孔パルスb2がそれぞれ生じる。低エネルギーに相当する241Amγ線12bでは相互作用位置が陰極に近いので、電子の陽極へのドリフト距離が長くなり、電子パルスb1の寄与が大きくなる。
【0052】
よって、241Amγ線12bが陰極付近の位置にて相互作用すると、CdTe半導体検出器14から得られる出力パルスbのパルス量は、電子パルスb1の寄与が主成分となるので、立ち上がり時間の短い出力パルスbとして出力される。
【0053】
放射線計測手段11にて計測される高エネルギーに相当する137Csγ線12a,低エネルギーに相当する241Amγ線12bでは、エネルギーに応じて相互作用する位置に差異がある。よって、相互作用された位置にて生じた電子が陽極に達するまでの時間(ドリフト時間)には差異が生じる。また、相互作用された位置にて生じた正孔も同様に、エネルギーに応じてドリフト時間に差異が生じる。
【0054】
図2は、放射線計測手段11におけるスペクトルのパルス波高分布を示すグラフである。
【0055】
図2に示されたスペクトルは、単位時間あたりの計数値である計数率によって、パルス波高分布を示したものである。計数値は、図1に示された放射線計測手段11の動作によって得られ、137Csγ線12a,241Amγ線12bのそれぞれの微分パルスdのパルス波高値がしきい値を超える超微分パルスeの場合、タイミング信号としての超パルス波高値eを計数することによって得られる。
【0056】
図2に示されたパルス波高分布は、図7に示された従来のパルス波高分布と比べて、高エネルギーに相当する137Csγ線12aのしきい値付近での計数率の変化が低減していることが分かる。微分パルス整形回路16にて、電圧パルスcを正孔の最大移動時間tMAXより短い時定数で微分整形を行ない、主成分が正孔パルスb2である出力パルスbの立ち上がり時間分以降(0〜tMAX)が除去されたためである。
【0057】
図3は、137Csγ線12aにおける微分パルスのパルス波高値の変動率を時系列推移として示すグラフである。
【0058】
図3は、高エネルギーのγ線12を模擬した137Csγ線12aについて、微分パルスdのパルス波高値を測定し、変動率(微分パルスdのパルス波高値/しきい値)の時系列推移を示す。すなわち、変動率が1以上である微分パルスdのパルス波高値は、しきい値以上のパルス波高値となるので、超パルス波高値eとして計数されることになる。なお、変動率は、従来の放射線計測手段と、図1に示された放射線計測手段11とが同等の環境放射線にて動作され、動作開始時からの時系列推移として示す。
【0059】
図3に示された変動率のように、放射線計測手段11の微分パルス整形回路16にて正孔の最大移動時間tMAXを時定数として電圧パルスcが微分整形されると、しきい値(変動率=1)付近での微分パルスdのパルス波高値の振れが減少する。
【0060】
一方、図2のスペクトルのように、241Amγ線12bのパルス波高分布では、計数率の変化の低減はほとんどないことが分かる。計数率の変化がほとんどないのは、低エネルギーに相当する241Amγ線12bが、陰極付近の位置、特に陰極表面にて相互作用するので、正孔パルスb2が微小成分である出力パルスbの電荷の減少が計数率にほとんど影響しないためである。
【0061】
図1に示された放射線計測手段11を用いると、微分パルス整形回路16にて、電圧パルスcが正孔の最大移動時間tMAXより短い時定数で微分整形される。よって、高エネルギーに相当する137Csγ線12aが入射された場合、ノイズ成分,オフセット成分等によって計数率の時間的な振れを抑えることができる。また、137Csγ線12aと241Amγ線12bとを同時にモニタできる。
【0062】
なお、図1に示された放射線計測手段11では、CdTe半導体検出器14に備える陽極から得られる電子パルスb1と、陰極から得られる正孔パルスb2との和を誘導電荷の出力パルスbのパルス量として用いているが、陰極から得られる正孔パルスb2のみを誘導電荷の出力パルスbのパルス量としてもよい。
【0063】
図4は、本発明の放射線計測方法に用いられる放射線計測手段の第2の実施形態を示す概略図である。
【0064】
図4中の放射線計測手段11Aには、未知線源のγ線12が入射される。
【0065】
また、放射線計測手段11Aには、微分パルス整形回路16から出力される微分パルスdのパルス波高値をデジタル変換するA/D変換器22と、A/D変換されたデジタルパルス波高値gを収集して演算処理を行なう演算器23とが備えられる。
【0066】
A/D変換器22にはゲート(図示しない)が装備され、コインシデンス,アンチコインシデンスをスイッチによって切り換える。入力信号である微分パルスdが入力されるA/D変換器22は、パルス波高弁別器17から出力される超パルス波高値eで動作する。
【0067】
図4に示されたパルス波高弁別器17では、しきい値を超える超パルス波高値eが発生すると、パルス波高弁別器17から超パルス波高値eが出力される。超パルス波高値eをトリガーとして、微分パルス整形回路16からA/D変換器22に微分パルスdが出力され、A/D変換器22にて、微分パルスdのパルス波高値がデジタルパルス波高値gに変換される。超パルス波高値eをトリガーとして微分パルスdをデジタル変換するのは、しきい値に満たない波高の微分パルスdに対してはデジタル変換を行わないようにするためで、波高分布へのノイズ成分の混入を防ぎ、また、変換負荷を縮小させるためである。なお、デジタルパルス波高値gは放射線計測量の指標である。
【0068】
また、図1に示された放射線計測手段11で説明したように、パルス波高弁別器17からA/D変換器22への超パルス波高値eは、安定した出力信号となる。
【0069】
演算器23では、A/D変換器22から入力されるデジタルパルス波高値gに演算処理が実施される。そして、デジタルパルス波高値gをカウントして、デジタルデータである演算値を得る。
【0070】
さらに、演算器23にて得られた演算値から波高分析や時間分布測定等を行なうことができる。
【0071】
図4に示された放射線計測手段11Aを用いると、微分パルス整形回路16にて、電圧パルスcが正孔の最大移動時間tMAXより短い時定数で微分整形される。よって、高エネルギーに相当するγ線12が入射された場合、ノイズ成分,オフセット成分等によって計数率の時間的な振れを抑えることができる。また、エネルギーが異なるγ線12を同時にモニタできる。
【0072】
なお、図1に示された放射線計測手段11Aでは、CdTe半導体検出器14に備える陽極から得られる電子パルスb1と、陰極から得られる正孔パルスb2との和を誘導電荷の出力パルスbのパルス量として用いているが、陰極から得られる正孔パルスb2のみを誘導電荷の出力パルスbのパルス量としてもよい。
【0073】
図5は、本発明の放射線計測方法に用いられる放射線計測手段の第3の実施形態を示す概略図である。
【0074】
図5中の放射線計測手段11Bには、未知線源のγ線12が入射される。
【0075】
また、放射線計測手段11Aには、プリアンプ15から出力される電圧パルスcのパルス波高値をデジタル変換するA/D変換器22と、A/D変換されたデジタルパルス波高値gを収集して演算処理を行なう演算器23とが備えられる。
【0076】
図5に示されたパルス波高弁別器17では、しきい値を超える超パルス波高値eが発生すると、パルス波高弁別器17から超パルス波高値eが出力される。超パルス波高値eをトリガーとして、プリアンプ15からA/D変換器22に電圧パルスcが出力され、A/D変換器22にて、電圧パルスcのパルス波高値がデジタルパルス波高値gに変換される。
【0077】
また、図1に示された放射線計測手段11で説明したように、パルス波高弁別器17からA/D変換器22への超パルス波高値eは安定した出力信号となる。
【0078】
演算器23では、A/D変換器22から入力されるデジタルパルス波高値gに演算処理が実施される。そして、デジタルパルス波高値gをカウントして、デジタルデータである演算値を得る。
【0079】
ここで、一般に、演算器23では、検出したγ線12のエネルギー情報に基づく演算を行なう。演算器23にて施される演算の高精度化のためには、γ線12のエネルギーをできるだけ明確に知り区別する必要があり、パルス波高値のエネルギーによる差異が大きい方が望ましい。よって、図4に示された放射線計測手段11Aの微分パルス整形回路16にて微分・整形された微分パルスdよりも、プリアンプ15からの微分・整形されていない電圧パルスcをA/D変換する方が望ましい。微分パルスdよりも電圧パルスcの方がパルス波高値のエネルギーによる差異が大きいためである。
【0080】
図5に示された放射線計測手段11Bを用いると、微分パルス整形回路16にて、電圧パルスcが正孔の最大移動時間tMAXより短い時定数で微分整形される。よって、高エネルギーに相当するγ線12が入射された場合、ノイズ成分,オフセット成分等によって計数率の時間的な振れを抑えることができる。また、エネルギーが異なるγ線12を同時にモニタできる。
【0081】
図6は、本発明の放射線計測方法に用いられる放射線計測手段の第4の実施形態を示す概略図である。
【0082】
図6中の放射線計測手段11Cには、未知線源のγ線12が入射される。
【0083】
また、放射線計測手段11Cには、プリアンプ15から出力される電圧パルスcのパルス波高値をデジタル変換するA/D変換器22と、A/D変換されたデジタルパルス波高値gを収集して演算処理を行なう演算器23とが備えられる。
【0084】
さらに、計数器18から出力される計数値hによって、演算器23から出力される演算値iを規格化する規格化処理器24が設けられる。
【0085】
1個のγ線12が検出されてから、A/D変換器22によるデジタル変換、演算器23による演算を行なうために、短いながらもある一定の時間(不感時間)がある。この不感時間中に、別のγ線12がCdTe半導体検出器14にて検出されると、別のγ線12は数え落とされる。特に、原子力発電所等のプラントの管理区域内における環境放射線、例えばγ線12を連続的に監視するときのようなランダムな事象のデータ収集では、不感時間中に入射される別のγ線12の数え落としを防止することが必要である。
【0086】
規格化処理器24は、計数器18から出力され不感時間がほとんどないアナログ信号である計数値hによって、演算器23から出力され不感時間のあるデジタル信号である演算値iの規格化を行なう。演算値iには含まれない不感時間中の事象を、真の値である計数値hにて補正することができる。
【0087】
図6に示された放射線計測手段11Cを用いると、微分パルス整形回路16にて、電圧パルスcが正孔の最大移動時間tMAXより短い時定数で微分整形される。よって、高エネルギーに相当するγ線12が入射された場合、ノイズ成分,オフセット成分等によって計数率の時間的な振れを抑えることができる。また、エネルギーが異なるγ線12を同時にモニタできる。
【0088】
また、放射線計測手段11Cを用いると、計数値hと演算値iとの測定を並行して行ない、不感時間のある演算値iを計数値hにて規格化することで、規格化された演算値iを用いる波高分析の計測精度を向上できる。
【0089】
なお、図6に示された放射線計測手段11Cでは、プリアンプ15から出力される電圧パルスcのパルス波高値をA/D変換器22にてデジタル変換する方法を用いることが望ましいが、微分パルス整形回路16から出力される微分パルスdのパルス波高値をA/D変換器22にてデジタル変換する方法を用いてもよい。
【0090】
【発明の効果】
本発明に係る放射線計測方法によると、ノイズ成分,オフセット成分等によって計数率の時間的な振れを抑えることができると共に、エネルギーが異なる放射線を同時にモニタできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の放射線計測方法に用いられる放射線計測手段の第1の実施形態を示す概略図。
【図2】放射線計測手段におけるスペクトルパルス波高分布を示すグラフ。
【図3】137Csγ線における微分パルスのパルス波高値の変動率を時系列推移として示すグラフ。
【図4】本発明の放射線計測方法に用いられる放射線計測手段の第2の実施形態を示す概略図。
【図5】本発明の放射線計測方法に用いられる放射線計測手段の第3の実施形態を示す概略図。
【図6】本発明の放射線計測方法に用いられる放射線計測手段の第4の実施形態を示す概略図。
【図7】従来の放射線計測手段におけるスペクトルのパルス波高分布を示すグラフ。
【符号の説明】
11,11A,11B,11C 放射線計測手段
14 CdTe半導体検出器(検出素子)
15 プリアンプ
16 微分パルス整形回路
17 パルス波高弁別器
18 計数器
22 A/D変換器
23 演算器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a radiation measurement method for performing qualitative and quantitative analysis of radiation using a radiation detector, and in particular, X-rays and γ for continuously monitoring radiation intensity in buildings of nuclear facilities and radiation utilization facilities. The present invention relates to a radiation measurement method suitable for use in a radiation area monitor such as a line.
[0002]
[Prior art]
Examples of radiation monitoring equipment for continuously monitoring environmental radiation in a management area of a plant such as a nuclear power plant include an area monitor, a dust monitor, and a gas monitor.
[0003]
The area monitor is a monitor for continuously monitoring the dose equivalent rate and the count rate in the work environment for the purpose of reducing the exposure of radiation workers. The dose equivalent rate represents the radiation dose to the human body per unit time. If the dose equivalent rate or count rate exceeds a preset level, the area monitor warns the radiation worker.
[0004]
As a radiation detector for the area monitor, a semiconductor detector, a GM (Geiger Muller) counter, an ionization chamber detector, a NaI (Tl) scintillation detector, or the like is used. In addition, the area monitor can measure the energy and dose of radiation in the management area.
[0005]
The detection of radiation is performed by converting the energy of the radiation into an electric signal or the like. For this reason, the operation of the radiation detector depends on how the material of the detection elements constituting the radiation detector interacts with the radiation to be measured. In particular, γ-rays as radiation are high-energy electromagnetic waves resulting from the transition of the nucleus itself, and interact with each other inside the detection element to generate electron-hole pairs.
[0006]
A semiconductor detector as a radiation detector has a configuration in which a semiconductor crystal as a detection element is sandwiched between a pair of electrodes (anode and cathode). When γ rays are incident on the detection element, an induced charge is generated at the anode and the cathode, and is output as an output pulse to the outside of the semiconductor detector. The waveform of the output pulse varies depending on the position where the atoms constituting the semiconductor crystal collide with the γ-ray. In the semiconductor detector, since the energy gap is smaller than that of the insulator, it is known that the number of electrons transferred to the conduction band can be increased and the energy resolution is high.
[0007]
Generally, in an area monitor using a semiconductor detector, a pulse waveform is shaped so that the pulse wave height is proportional to the amount of charge with respect to time series, and then pulse wave height discrimination is performed. In pulse height discrimination, a pulse having a pulse height value equal to or higher than a threshold value is output. Next, when the peak value of the pulse height (pulse peak value) is equal to or greater than the threshold value, the counter counts the pulse peak value and monitors the count value as a time-series change or count value per fixed time. A pulse height distribution is created from the counting rate and monitored.
[0008]
Here, a CdTe semiconductor detector using CdTe (cadmium telluride) single crystal as a detection element constituting the semiconductor detector was simulated with high energy γ-rays. 137 Simulated Csγ ray (661 keV) 12a and low energy γ ray 241 An Amγ ray (60 keV) 12b is incident. Pulse waveform shaping is performed on the output pulse obtained from the CdTe semiconductor detector.
[0009]
Corresponds to low energy 241 Since the collision probability between the
[0010]
On the other hand, it corresponds to high energy 137 Since the collision probability between the
[0011]
afterwards, 137
[0012]
FIG. 7 is a graph showing the pulse height distribution of the spectrum in the conventional radiation measuring means.
[0013]
As in the spectrum shown in FIG. 7, gamma rays with different energies ( 137
[0014]
On the other hand, there is a method of continuously monitoring the energy of γ rays with a pulse height analyzer, and there is a multi-channel pulse height analyzer as the pulse height analyzer. In this multichannel pulse height analyzer, the number of electrical signals accumulated in each channel can be monitored as a histogram by discriminating each energy (channel) from γ rays detected by a semiconductor detector.
[0015]
Multi-channel pulse height analysis can analyze the intensity of radiation at each wavelength of γ-rays, measuring the qualities of nuclides (energy of radiation) from the wavelengths, and quantifying the nuclides (radiation dose) from the intensity of radiation it can.
[0016]
[Patent Document 1]
Japanese Examined Patent Publication No. 3-75833 (
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
With conventional radiation measurement means, it corresponds to low energy 241 By using a threshold value that enables measurement of the
[0018]
In addition, the γ-ray area monitor measures γ-rays emitted from unknown sources, 137
[0019]
In addition, after a single gamma ray is detected by the semiconductor detector, a short period of time, that is, a dead time (ie, dead time), from the pulse height analysis by A / D conversion and the data analysis to the end of the recording operation. Dead time). Even if another gamma ray at the next timing is detected within this dead time, this gamma ray is counted off. In particular, data collection of random events, such as when environmental radiation is continuously monitored in a management area of a plant such as a nuclear power plant, it is necessary to prevent counting down during dead time.
[0020]
In addition, when the pulse wave height distribution is monitored simultaneously with the pulse count rate, the dead time of the measurement circuit system becomes longer than when only the pulse count rate is monitored. Therefore, the measurement accuracy of γ rays becomes a problem.
[0021]
The present invention has been made in consideration of the above-described circumstances, and provides a radiation measurement method capable of suppressing temporal fluctuations in the count rate due to noise components, offset components, and the like, and simultaneously monitoring radiations having different energies. The purpose is to do.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problem, the radiation measurement method according to the present invention configures the detection element by applying a voltage to a detection element having an anode and a cathode so that radiation is incident from the cathode of the detection element. Measurement of environmental radiation from an output pulse, which is the sum of an induced charge electron pulse induced at the anode and an induced charge hole pulse induced at the cathode due to the interaction between the atom and the radiation. In the method, a first step of converting and amplifying the output pulse into a voltage pulse proportional to a pulse amount, and a time constant smaller than a maximum movement time of holes generated by the interaction between the radiation and the detection element A second step of differentially shaping the voltage pulse to obtain a differential pulse, and a pulse height value of the differential pulse is a super pulse peak value exceeding a threshold value, And having a third step of measuring the radiation by obtaining a count value by counting the super pulse peak value.
[0023]
In the radiation measurement method according to the present invention, radiation is incident from the cathode of the detection element by applying a voltage to the detection element having an anode and a cathode, and the atoms constituting the detection element and the radiation In a radiation measurement method for measuring environmental radiation from an output pulse that is a sum of an electron pulse of induced charge induced in the anode by interaction and a hole pulse of induced charge induced in the cathode, the output pulse is A first step of converting and amplifying the voltage pulse proportional to the pulse amount, and differential shaping the voltage pulse with a time constant smaller than the maximum movement time of holes generated by the interaction between the radiation and the detection element. A second step of obtaining a differential pulse, and if the pulse peak value of the differential pulse is a super pulse peak value exceeding a threshold value, the super pulse peak value is -A third step of converting the pulse peak value of the differential pulse into a digital pulse peak value, and a fourth step of measuring radiation by calculating the digital pulse peak value to obtain a calculated value. It is characterized by having.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a radiation measurement method according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0025]
In the accompanying drawings, the same constituent elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0026]
FIG. 1 is a schematic view showing a first embodiment of radiation measuring means used in the radiation measuring method of the present invention.
[0027]
In the radiation measuring means 11 in FIG. 1, incident radiation, for example, γ-
[0028]
Further, when the pulse peak value of the differential pulse d is the super pulse peak value e exceeding the pulse threshold value, the
[0029]
The CdTe semiconductor detector 14 simulates
[0030]
The voltage pulse c output from the
[0031]
The differential
[0032]
Next, the operation of the
[0033]
A voltage is applied to the anode and cathode of the CdTe semiconductor detector 14 provided in the radiation measuring means 11 to generate an electrostatic field.
[0034]
When a voltage is applied to the CdTe semiconductor detector 14, an unknown
[0035]
Here, the atoms constituting the CdTe single crystal and 137 Interaction with
[0036]
Equivalent to high energy 137 When the
[0037]
Next, electrons generated at the interaction position drift to the anode and holes drift to the cathode, respectively. As a result, an electron pulse b1 as an induced charge is generated at the anode and a hole pulse b2 as an induced charge is generated at the cathode. The output pulse b is the sum of the electron pulse b1 and the hole pulse b2, and corresponds to high energy. 137 In the
[0038]
Therefore, 137 Since the
[0039]
An output pulse b, which is the sum of the electron pulse b1 from the anode and the hole pulse b2 from the cathode, is output to the
[0040]
The voltage pulse c which is an output signal from the
[0041]
In the differential
[0042]
Next, a method for setting a required time constant will be described.
[0043]
High energy 137 When the
[0044]
Here, the maximum movement time t of holes having a long time as a drift time MAX Is determined by the thickness d of the CdTe single crystal, the mobility of holes (value specific to the substance of the CdTe single crystal) m, and the applied voltage E.
[Expression 1]
t MAX = D / m / E
It can be expressed as.
[0045]
In the differential
[0046]
The differential pulse d subjected to differential shaping by the differential
[0047]
In the
[0048]
In the
[0049]
Furthermore, in the radiation measuring means 11 shown in FIG. 137 Similar to the monitor of the
[0050]
Corresponds to low energy 241 When the
[0051]
Next, electrons generated at the interaction position drift to the anode and holes drift to the cathode, respectively. As a result, an electron pulse b1 as an induced charge is generated at the anode and a hole pulse b2 as an induced charge is generated at the cathode. Corresponds to low energy 241 In the
[0052]
Therefore, 241 When the
[0053]
Corresponds to high energy measured by the radiation measuring means 11 137
[0054]
FIG. 2 is a graph showing the pulse height distribution of the spectrum in the radiation measuring means 11.
[0055]
The spectrum shown in FIG. 2 shows a pulse wave height distribution according to a count rate which is a count value per unit time. The count value is obtained by the operation of the radiation measuring means 11 shown in FIG. 137
[0056]
The pulse wave height distribution shown in FIG. 2 corresponds to higher energy than the conventional pulse wave height distribution shown in FIG. 137 It can be seen that the change in the count rate near the threshold value of the
[0057]
FIG. 137 It is a graph which shows the fluctuation rate of the pulse peak value of the differential pulse in the
[0058]
FIG. 3 simulates high
[0059]
Like the variation rate shown in FIG. 3, the maximum hole movement time t in the differential
[0060]
On the other hand, like the spectrum of FIG. 241 In the pulse wave height distribution of the
[0061]
When the radiation measuring means 11 shown in FIG. 1 is used, the differential
[0062]
In the radiation measuring means 11 shown in FIG. 1, the sum of the electron pulse b1 obtained from the anode provided in the CdTe semiconductor detector 14 and the hole pulse b2 obtained from the cathode is the pulse of the output pulse b of the induced charge. However, only the hole pulse b2 obtained from the cathode may be used as the pulse amount of the output pulse b of the induced charge.
[0063]
FIG. 4 is a schematic view showing a second embodiment of the radiation measuring means used in the radiation measuring method of the present invention.
[0064]
The γ rays 12 of the unknown radiation source are incident on the radiation measuring means 11A in FIG.
[0065]
The radiation measuring means 11A collects an A /
[0066]
The A /
[0067]
In the
[0068]
Further, as described in the radiation measuring means 11 shown in FIG. 1, the superpulse peak value e from the
[0069]
In the
[0070]
Furthermore, wave height analysis, time distribution measurement, and the like can be performed from the calculated values obtained by the
[0071]
When the radiation measuring means 11A shown in FIG. 4 is used, the differential
[0072]
In the radiation measurement means 11A shown in FIG. 1, the sum of the electron pulse b1 obtained from the anode provided in the CdTe semiconductor detector 14 and the hole pulse b2 obtained from the cathode is the pulse of the output pulse b of the induced charge. However, only the hole pulse b2 obtained from the cathode may be used as the pulse amount of the output pulse b of the induced charge.
[0073]
FIG. 5 is a schematic view showing a third embodiment of radiation measuring means used in the radiation measuring method of the present invention.
[0074]
The γ rays 12 of the unknown radiation source are incident on the radiation measuring means 11B in FIG.
[0075]
The radiation measuring means 11A collects and calculates an A /
[0076]
In the
[0077]
Further, as described in the radiation measuring means 11 shown in FIG. 1, the superpulse peak value e from the
[0078]
In the
[0079]
Here, in general, the
[0080]
When the radiation measuring means 11B shown in FIG. 5 is used, the differential
[0081]
FIG. 6 is a schematic view showing a fourth embodiment of radiation measuring means used in the radiation measuring method of the present invention.
[0082]
The γ rays 12 of the unknown radiation source are incident on the radiation measuring means 11C in FIG.
[0083]
Further, the radiation measuring means 11C collects and calculates an A /
[0084]
Further, a
[0085]
Since one γ-
[0086]
The
[0087]
When the radiation measuring means 11C shown in FIG. 6 is used, the differential
[0088]
In addition, when the
[0089]
In the radiation measuring means 11C shown in FIG. 6, it is desirable to use a method in which the pulse peak value of the voltage pulse c output from the
[0090]
【The invention's effect】
According to the radiation measurement method according to the present invention, temporal fluctuations in the count rate can be suppressed by noise components, offset components, and the like, and radiations having different energies can be monitored simultaneously.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a first embodiment of radiation measurement means used in the radiation measurement method of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a spectral pulse wave height distribution in the radiation measuring means.
[Fig. 3] 137 The graph which shows the fluctuation rate of the pulse peak value of the differential pulse in Csγ rays as a time series transition.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a second embodiment of radiation measuring means used in the radiation measuring method of the present invention.
FIG. 5 is a schematic view showing a third embodiment of radiation measuring means used in the radiation measuring method of the present invention.
FIG. 6 is a schematic view showing a fourth embodiment of radiation measuring means used in the radiation measuring method of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing a pulse height distribution of a spectrum in a conventional radiation measuring means.
[Explanation of symbols]
11, 11A, 11B, 11C Radiation measurement means
14 CdTe semiconductor detector (detection element)
15 Preamplifier
16 Differential pulse shaping circuit
17 Pulse height discriminator
18 counter
22 A / D converter
23 Calculator
Claims (3)
前記出力パルスをパルス量に比例する電圧パルスに変換・増幅する第1の工程と、
前記放射線と前記検出素子との相互作用によって生じた正孔の最大移動時間より小さい時定数にて前記電圧パルスを微分整形して微分パルスを得る第2の工程と、
前記微分パルスのパルス波高値がしきい値を超えた超パルス波高値である場合に、前記超パルス波高値を計数して計数値を得ることにより放射線を計測する第3の工程とを有することを特徴とする放射線計測方法。By applying a voltage to a detection element having an anode and a cathode, radiation is made incident from the cathode of the detection element, and induced charges are induced in the anode by the interaction between the atoms constituting the detection element and the radiation. In a radiation measurement method for measuring environmental radiation from an output pulse that is the sum of an electron pulse of the above and a hole pulse of induced charge induced in the cathode,
A first step of converting and amplifying the output pulse into a voltage pulse proportional to the pulse amount;
A second step of differentially shaping the voltage pulse with a time constant smaller than the maximum movement time of holes generated by the interaction between the radiation and the detection element to obtain a differential pulse;
And a third step of measuring radiation by counting the superpulse peak value and obtaining a count value when the pulse peak value of the differential pulse is a superpulse peak value exceeding a threshold value. A radiation measurement method characterized by the above.
前記出力パルスをパルス量に比例する電圧パルスに変換・増幅する第1の工程と、
前記放射線と前記検出素子との相互作用によって生じた正孔の最大移動時間より小さい時定数にて前記電圧パルスを微分整形して微分パルスを得る第2の工程と、
前記微分パルスのパルス波高値がしきい値を超えた超パルス波高値である場合には、前記超パルス波高値をトリガーとして、前記微分パルスのパルス波高値をデジタルパルス波高値に変換する第3の工程と、
前記デジタルパルス波高値を演算処理して演算値を得ることにより放射線を計測する第4の工程とを有することを特徴とする放射線計測方法。By applying a voltage to a detection element having an anode and a cathode, radiation is made incident from the cathode of the detection element, and induced charges are induced in the anode by the interaction between the atoms constituting the detection element and the radiation. In a radiation measurement method for measuring environmental radiation from an output pulse that is the sum of an electron pulse of the above and a hole pulse of induced charge induced in the cathode,
A first step of converting and amplifying the output pulse into a voltage pulse proportional to the pulse amount;
A second step of differentially shaping the voltage pulse with a time constant smaller than the maximum movement time of holes generated by the interaction between the radiation and the detection element to obtain a differential pulse;
When the pulse peak value of the differential pulse is a super pulse peak value exceeding a threshold value, the pulse peak value of the differential pulse is converted into a digital pulse peak value using the super pulse peak value as a trigger. And the process of
And a fourth step of measuring radiation by calculating the digital pulse peak value to obtain a calculated value.
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