JP2006194625A

JP2006194625A - 中性子検出器

Info

Publication number: JP2006194625A
Application number: JP2005004166A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Kita; 好夫北; Shigehiro Kono; 繁宏河野; Akira Yunoki; 彰柚木; Hirotaka Sakai; 宏隆酒井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-01-11
Filing date: 2005-01-11
Publication date: 2006-07-27

Abstract

【課題】特別なガンマ線遮蔽や管理を必要とすることなく高ガンマ線環境下で中性子計測を行うことのできる中性子検出器を提供する。
【解決手段】筒状体１２と、筒状体１２の端部に設けられた端板７ａ，７ｂの中心部に設けられた絶縁体８ａ，８ｂに取り付けられて筒状体１２の中心軸上に設けられた芯線９と、筒状体１２と端板７ａ，７ｂと絶縁体８ａ，８ｂによって形成される容器内に充填された充填ガス１０ａとを備え、筒状体１２は、セラミックスからなる外筒５ａと、外筒５ａの内面に形成されたメタライズ層１１と、メタライズ層１１の内面に設けられたホウ素被膜６とから構成されている構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電用原子炉等において中性子を検出するために設けられる中性子検出器に関する。

原子炉においては低速から高速までいろいろなエネルギーレベルの中性子が発生する。一般に低速中性子検出器としては、³Ｈｅ比例計数管、ＢＦ₃計数管、ホウ素被膜比例計数管、核分裂計数管などが使用されている。ガンマ線環境下で中性子強度が強い場合は³Ｈｅ比例計数管とＢＦ₃計数管は使用が難しく、ガンマ線補償型のホウ素被膜比例計数管あるいは核分裂計数管が使用されている（特許文献１，２および非特許文献１参照）。

³Ｈｅ比例計数管の場合、ガンマ線が計数管の固体壁と相互作用して生じた２次電子が壁から出て計数管中のガスを電離し、イオン対を生成し、計数管内の電界で電子増倍され、ノイズが生じる。一方、³Ｈｅ比例計数管においては、中性子と³Ｈｅとの核反応で得られるエネルギーが小さい。そのため、中性子による信号とガンマ線によるノイズを波高値で弁別することが難しく、ガンマ線環境下では使用できない。

ＢＦ₃計数管の場合、中性子とホウ素との核反応によるエネルギーは比較的大きく、計数管の壁とガンマ線の相互作用で生じる２次電子が原因のノイズと中性子の信号は弁別できるものの、中性子強度が高くなるとＢＦ₃が化学的に分解するため使用できない。

ホウ素被膜比例計数管は、ＢＦ₃計数管と同じくホウ素と中性子の核反応を利用しているが、気体と異なり膜であるため、膜の内部の核反応で生じる^７Ｌｉとα粒子は計数管内部の気体部分に到達したときのエネルギーがＢＦ₃計数管より小さく、計数管の壁とガンマ線との相互作用で生じたガンマ線起源のノイズとの区別はつきにくい。しかし、ＢＦ₃計数管のように中性子強度が高い場合でもホウ素被膜が分解することがないので、ＰＷＲ（加圧型軽水炉）の中間領域（10⁴〜10⁹nv（中性子束））で、ガンマ線補償型検出器として使用されている。ガンマ線の補償は、ホウ素被膜を有する検出器と有しない検出器を同じ位置に配置し、被膜を有しない検出器からのガンマ線だけの電流信号を、被膜を有する検出器の電流信号から差し引き、ガンマ線による信号を相殺し、中性子による電流を求めている。

核分裂計数管の場合、中性子と²³⁵Ｕとの核反応で生じるエネルギーが大きいため、ガンマ線起源の信号との区別が容易である。ＢＷＲ（沸騰水型軽水炉）において、起動領域（〜10⁵nv）でパルス計数、中間領域（10³〜10¹⁰nv）でＭＳＶモード、出力領域（10⁷〜10¹¹nv）では電流モードで使用されている。

ホウ素被膜検出器は、図４に示すように、ステンレス鋼などの金属からなる円筒状の外筒５と、この外筒５の内面に形成されたホウ素被膜６と、外筒５の端部に取り付けられた端板７ａ，７ｂの中心部に設けられた絶縁体８ａ，８ｂ間に張られ一方の端部が一方の絶縁体８ｂを通して導出された金属製の芯線９と、容器内に充填された充填ガス１０から構成されている。充填ガス１０としては、ガンマ線計測用の比例計数管と同じようにアルゴンなどの希ガスが充填されている。

ホウ素被膜検出器において、入射中性子はホウ素被膜６内で下記のような核反応を生じ、
¹⁰Ｂ＋ｎ→⁷ ₃Ｌｉ＋⁴ ₂α
生成したＬｉとα粒子が容器内の希ガスを電離し、イオン対を生成し、陰極である外筒５の壁と陽極である芯線９間の電界で加速される。特に陽極近傍の強い電界で電子増倍され電気信号となり、図５に示すように前置増幅器２で増幅され、さらに信号処理器３で波形整形され、所定の波高値より高い波高のパルスが弁別される。上位のレートメータ４では計数率を計り、所定の値以上になった場合に、警報を発報する。

ガンマ線は、エネルギーが小さい場合は充填ガスを電離してイオン対を生成し、容器内の電界で電子増倍されてノイズとなる。エネルギーが大きい場合は容器の壁（金属）と相互作用（光電効果、コンプトン効果、電子対創生）し、壁から出てきた２次電子が容器内の充填ガスを電離し、イオン対を生成し容器内の電界で電子増倍されてノイズとなる。ガンマ線のエネルギーが小さい場合はエネルギーは大部分吸収されるが、エネルギーが小さく、大きな波高値とならない。ガンマ線のエネルギーが高い場合（数10keV以上）、２次電子のエネルギーも大きい。しかし、エネルギーが高いため充填ガス中で失われるエネルギーが少なく、大きな波高値のノイズにはならない。ガンマ線の数が多い場合には、パイルアップし、大きな波高値のノイズとなる場合がある。また陽極付近に電子雲が生成し、陽極の電界をシールドし中性子信号の波高値が低くなり、結果として中性子感度が低下する現象がある。例えば10Ｇｙ／ｈの場合、10−20％程度感度が低下する。
特開昭61-279050号公報特公平6-68964号公報グレンＦ.ノル著、木村逸郎訳放射線計測ハンドブック第１４章（低速中性子検出法）／2001年3月27日日刊工業新聞社発行

臨界事象のように高いガンマ線環境下で強度が変化する条件で精度の良い測定をするためには、ガンマ線の影響の少ない検出器が必要となる。また、エネルギーの高いガンマ線の遮蔽には厚みのある鉛を使用する必要があり、重量と場所の関係で遮蔽の必要のない検出器が望まれている。

核分裂計数管は、高ガンマ線環境下、高中性子強度で使用できるが、²³⁵Ｕなどの核分裂物質を使用しており、製作、試験、輸送などに特別な管理や認可などが必要であり、制約がある。

ホウ素被膜検出器は、ＣＩＣ（補償型電離箱。ボロン膜のない検出器と信号を相殺しガンマ線の効果を除去する）など構成や動作が複雑になるなどの問題がある。またホウ素被膜検出器には、上記のようにガンマ線による影響を受けやすい。

そこで本発明は、特別なガンマ線遮蔽や管理を必要とすることなく高ガンマ線環境下で中性子計測を行うことのできる中性子検出器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、筒状体と、前記筒状体の端部に設けられた端板の中心部に設けられた絶縁体に取り付けられて前記筒状体の中心軸上に設けられた芯線と、前記筒状体と前記端板と前記絶縁体によって形成される容器内に充填された充填ガスとを備え、前記筒状体は、セラミックスからなる外筒と、前記外筒の内面に形成されたメタライズ層と、前記メタライズ層の内面に設けられたホウ素被膜とを備えている構成とする。

請求項３の発明は、筒状体と、前記筒状体の端部に設けられた端板の中心部に設けられた絶縁体に取り付けられて前記筒状体の中心軸上に設けられた芯線と、前記筒状体と前記端板と前記絶縁体によって形成される容器内に充填された充填ガスとを備え、前記筒状体は、炭化ホウ素からなる外筒と、前記外筒の内面に形成されたメタライズ層とを備えている構成とする。

請求項５の発明は、筒状体と、前記筒状体の端部に設けられた端板の中心部に設けられた絶縁体に取り付けられて前記筒状体の中心軸上に設けられた芯線と、前記筒状体と前記端板と前記絶縁体によって形成される容器内に充填された充填ガスとを備え、前記筒状体は、磁性体で形成された外筒と、前記外筒の内面に形成されたホウ素被膜とを備えている構成とする。

本発明によれば、特別なガンマ線遮蔽や管理を必要とすることなく高ガンマ線環境下で中性子計測を行うことのできる中性子検出器を提供することができる。

以下、本発明の第１ないし第３の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
本実施の形態の中性子検出器は図１に示すように、筒状体１２と、筒状体１２の端部に設けられた端板７ａ，７ｂの中心部に設けられた絶縁体８ａ，８ｂに取り付けられて筒状体１２の中心軸上に設けられた芯線９と、筒状体１２と端板７ａ，７ｂと絶縁体８ａ，８ｂによって形成される容器内に充填された充填ガス１０ａとを備え、筒状体１２は、セラミックスからなる外筒５ａと、外筒５ａの内面に形成されたメタライズ層１１と、メタライズ層１１の内面に設けられたホウ素被膜６とから構成されている。

低エネルギー側のガンマ線の影響を避けるため、充填ガス１０ａとして原子番号の小さい希ガスであるヘリウムを使用している。ガンマ線による電離の頻度は、ガスの原子番号が大きいほど、大きくなるためである。

また、高エネルギーのガンマ線の影響を避けるため、外筒５ａの材料として、ステンレス鋼等の金属ではなく、セラミックス（例えばＳｉ₃Ｎ₄）を使用している。円筒状のセラミックスの内部を陰極とするためにメタライズ層１１を形成し、その上に、ホウ素被膜６をスパッタリングなどで形成している。

中性子は、従来の検出器同様、ホウ素被膜６内部で核反応し、発生したＬｉとα粒子が、容器内部のヘリウムガスを電離し、イオン対を生成し、陰極のメタライズ層１１と陽極の芯線９間の電界で加速される。特に陽極近傍の強い電界で電子増倍され電気信号となる。

一方エネルギーの低いガンマ線は、ヘリウムの原子番号が小さいため電離する頻度が低い。エネルギーの高いガンマ線の場合、外筒５ａとの相互作用がメインとなり、相互作用は原子番号が大きいほど大きい。外筒５ａの材質の原子番号（Ｓｉは１４、Ｎは７）が、金属の原子番号（ステンレス鋼の場合、主としてＦｅ，Ｎｉ，Ｃｒの合金であり、原子番号は、各々２６，２８，２４）の約１／２になる。ガンマ線と外筒５ａの相互作用としては、エネルギーにもよるが、光電効果、コンプトン効果、電子対創生などである。光電効果の場合、原子番号の４ないし５乗に比例するため、原子番号が１／２の場合、相互作用は１／１６〜１／３２になり、ガンマ線による２次電子の影響がかなりの割合で抑制される。

セラミックス材料としては、上記のＳｉ₃Ｎ₄の代わりに、グラファイト（原子番号１２）、ＳｉＣ（原子番号１４、１２）、ＡｌＮ（原子番号１３、７）などの原子番号が小さく、機械的強度のある材料を用いることもできる。グラファイトの場合は、導電性があり、メタライズの必要性がない。

（第２の実施の形態）
本実施の形態の中性子検出器は、図２に示すように、筒状体１２と、筒状体１２の端部に設けられた端板７ａ，７ｂの中心部に設けられた絶縁体８ａ，８ｂに取り付けられて筒状体１２の中心軸上に設けられた芯線９と、筒状体１２と端板７ａ，７ｂと絶縁体８ａ，８ｂによって形成される容器内に充填された充填ガス１０ａとを備え、筒状体１２は、炭化ホウ素からなる外筒５ｂと、外筒５ｂの内面に形成されたメタライズ層１１とを備えている構成である。

外筒５ｂとして、第１の実施の形態と同じくセラミックスであるが、材質に、Ｂ₄Ｃを使用する。この場合、外筒５ｂの材料にホウ素が含まれており、別にホウ素被膜を形成する必要がない。このため、円筒状のセラミックス外筒５ｂの内面にメタライズ層１１を形成するだけで良いため、構造が簡単で信頼性が向上する。

メタライズ層１１の厚さは、Ｌｉおよびα粒子のエネルギーの減衰を防止するため、0.1ミクロン程度とする。材質としては、蒸着、スパッタリングしやすいＡｕ、Ｃｒなどがよい。材質をカーボンとした場合、原子番号１２であり、ガンマ線との相互作用が小さく、金属によるメタライズよりガンマ線の効果を低減できる。ただし、Ｂ₄Ｃのセラミックス外筒は強度の関係からある程度の厚さとする必要があり、外部から中性子をある程度吸収するため感度は低下する。臨界用の中性子検出器の場合、中性子の強度が強く、例えば10⁸nvの場合、従来のホウ素被膜検出器の感度が１cps(count per second)／nvとするとき回路系の最大計数率を10⁵cps程度とすると、感度を１／１０００に落とす必要がある。このように、セラミックス外筒の厚さを調整することにより検出器の感度を調整できるメリットがある。

（第３の実施の形態）
本実施の形態の中性子検出器は、図３に示すように、筒状体１２と、筒状体１２の端部に設けられた端板７ａ，７ｂの中心部に設けられた絶縁体８ａ，８ｂに取り付けられて筒状体１２の中心軸上に設けられた芯線９と、筒状体１２と端板７ａ，７ｂと絶縁体８ａ，８ｂによって形成される容器内に充填された充填ガス１０ａとを備え、筒状体１２は、炭素鋼またはチタン鋼または鉄コバルト系の合金またはサマリウムコバルト系の合金またはネオジ鉄ボロン系の合金からなる磁性体で形成された外筒５ｃと、外筒５ｃの内面に形成されたホウ素被膜６とを備えている構成である。

図４に示した従来の中性子検出器では、高エネルギーのガンマ線と円筒状の金属外筒５との相互作用で生じる高エネルギー電子は、１−２ｍｍの飛程を有するため、外筒５の厚さをこれより薄くすることによりガンマ線の影響を少なくできるが、充填ガス１０を数分の１気圧とする場合があり、圧力に耐える必要があるため、薄くする場合も強度的制約がある。本実施の形態において、外筒５ｃの材料を磁性体とした場合、外筒壁内の残留磁束が10ｋガウス、電子のエネルギーが100keVとすると、電子のラーマ半径は１ｍｍ程度となる。壁の厚さを１ｍｍとすると、ラーマ半径と同程度となる。100keV以下のエネルギーの電子のラーマ半径はさらに小さいため、また、電子の飛程が１−２ｍｍ程度であり、大部分の電子は外筒壁内部から外に出ることができず、ガンマ線の影響は低減される。磁性体の磁場は、永久磁石と同様に外部では急減に減衰するため、外筒内のイオン対の生成および陽極近傍の電子増倍に影響を与えることはない。磁性体としては、永久磁石に使用される材料であればよく、炭素鋼、チタン鋼、鉄コバルト系の合金、ＳｍＣｏ系、ネオジ鉄ボロン系の合金などを用いることができる。

なお、ガンマ線のエネルギーがMeV程度の場合、外筒壁内部で発生する２次電子のエネルギーは数百keVとなり、飛程は１〜２ｍｍと言われている。仮に外筒壁の厚さが１ｍｍとすると、大部分の電子が、外筒内のガス領域に入る直前のエネルギーは、かなり低下しており、上記の検討では例えば100keVと仮定した。

本発明の第１の実施の形態の中性子検出器の構成を示す断面図。本発明の第２の実施の形態の中性子検出器の構成を示す断面図。本発明の第３の実施の形態の中性子検出器の構成を示す断面図。従来の中性子検出器の構成を示す断面図。従来の中性子計測装置の構成を示すブロック図。

符号の説明

１…中性子検出器、２…前置増幅器、３…信号処理器、４…レートメータ、５，５ａ，５ｂ，５ｃ…外筒、６…ホウ素被膜、７ａ，７ｂ…端板、８ａ，８ｂ…絶縁体、９…芯線、１０，１０ａ…充填ガス、１１…メタライズ層、１２…筒状体。

Claims

筒状体と、前記筒状体の端部に設けられた端板の中心部に設けられた絶縁体に取り付けられて前記筒状体の中心軸上に設けられた芯線と、前記筒状体と前記端板と前記絶縁体によって形成される容器内に充填された充填ガスとを備え、前記筒状体は、セラミックスからなる外筒と、前記外筒の内面に形成されたメタライズ層と、前記メタライズ層の上に設けられたホウ素被膜とを備えていることを特徴とする中性子検出器。
前記セラミックスは、窒化珪素または炭化珪素または窒化アルミニウムまたはアルミナであることを特徴とする請求項１記載の中性子検出器。
筒状体と、前記筒状体の端部に設けられた端板の中心部に設けられた絶縁体に取り付けられて前記筒状体の中心軸上に設けられた芯線と、前記筒状体と前記端板と前記絶縁体によって形成される容器内に充填された充填ガスとを備え、前記筒状体は、炭化ホウ素からなる外筒と、前記外筒の内面に形成されたメタライズ層とを備えていることを特徴とする中性子検出器。
前記充填ガスはヘリウムガスであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の中性子検出器。
筒状体と、前記筒状体の端部に設けられた端板の中心部に設けられた絶縁体に取り付けられて前記筒状体の中心軸上に設けられた芯線と、前記筒状体と前記端板と前記絶縁体によって形成される容器内に充填された充填ガスとを備え、前記筒状体は、磁性体で形成された外筒と、前記外筒の内面に形成されたホウ素被膜とを備えていることを特徴とする中性子検出器。
前記磁性体は、炭素鋼またはチタン鋼または鉄コバルト系の合金またはサマリウムコバルト系の合金またはネオジ鉄ボロン系の合金であることを特徴とする中性子検出器。