JP2007093471A - ガンマ線源を利用した可視化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機器等に内包されているガンマ線源の放射性核種の識別、放射性核種別のガンマ線濃度及び空間分布を非破壊で計測し、画像化する。
【解決手段】ガンマ線源２を内包する容器１と、その周囲に配置されてガンマ線源から放出されるガンマ線をコリメータ６を通して検出するガンマ線検出器７と、検出したガンマ線検出信号を処理してエネルギーと計数値を計測するガンマ線検出信号処理装置９と、単位時間あるいは単位位置毎に計測したガンマ線エネルギーとガンマ線強度とのスペクトル分析により放射性核種の識別と放射性核種の強度とを解析するエネルギー弁別処理装置１０と、識別された放射性核種毎にガンマ線源の濃度及び空間分布を画像化する画像化計算処理装置１１と、その計算処理の結果に基づき可視化表示する画像化表示装置１２とを有する可視化装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定対象に内包されているガンマ線源を利用して被測定対象を可視化する装置に関するものである。この技術は、核燃料サイクル分野（例えば濃縮、再処理、廃棄物管理・処理・処分）などにおける放射性同位元素の取扱機器、設備等のガンマ線源の可視化に有用である。

被測定対象の内部を画像化する検査装置としては、工業用Ｘ線ＣＴ装置がある。工業用Ｘ線ＣＴ装置は、被測定対象の外部にＸ線源を必要とし、発生するＸ線を被測定対象に照射する方式である。そのために、線形加速器などを用いた大掛かりなＸ線発生装置を使用している。従って、Ｘ線発生のために、エネルギー供給装置等の付帯機器が必要となるなど、装置全体として大型化が不可避である。また、工業用Ｘ線ＣＴ装置では、Ｘ線の発生方向とＸ線検出器とは正確な位置決めをする必要があり、装置を固定して使用することが前提となる。従って、被測定対象を移動できるように配置しなければならないという制約がある。また、大型の常設設備となることからメンテナンスが困難である。

このような問題を解決できる技術として、被検査伝熱管内に放射線源を挿入し、それを利用して被検査伝熱管の断面を画像化し、欠陥や肉厚等の検査を容易に且つ非破壊で実施できるようにした装置がある（特許文献１参照）。しかしながら、この従来技術は、被検査伝熱管自体の欠陥検査を行うものであり、そのため単に放射線の有無を検出することにより断面を画像化している。ここでは放射線源は既知であり、検査時に挿入するものであることから、核種の特定などは不要である。このような技術では、放射性核種の特定を含めた分析は実現できないし、その必要もない。従って、放射線源を内包する被測定対象について、線源核種の識別、濃度および空間分布を計測することは不可能である。
特開２００３−１９４７４０号公報

本発明が解決しようとする課題は、機器など被測定対象に内包されているガンマ線源の放射性核種の識別が可能で、しかも放射性核種別のガンマ線濃度及び空間分布を非破壊で計測し、画像化できるようにすることである。

本発明は、ガンマ線源を内包する被測定対象の周囲に配置されて前記ガンマ線源からの特定到来方向のガンマ線を通すコリメータと、該コリメータを通ったガンマ線を検出するガンマ線検出器と、前記ガンマ線検出器で検出したガンマ線検出信号を処理してエネルギーと計数値を計測するガンマ線検出信号処理装置と、単位時間あるいは単位位置毎に計測したガンマ線エネルギーとガンマ線強度とのスペクトル分析により放射性核種の識別と放射性核種の強度とを解析するエネルギー弁別処理装置と、識別された放射性核種毎に被測定対象中のガンマ線源の濃度及び空間分布を画像化する画像化計算処理装置と、その計算処理の結果に基づき可視化表示する画像化表示装置とを有するガンマ線源を利用した可視化装置である。

ここで、ガンマ線源を内包する被測定対象とコリメータを備えたガンマ線検出器は、相対的な回転運動あるいは直線運動を行い、エネルギー弁別処理装置では、前記回転運動あるいは直線運動の位置、時間の信号を加味して放射性核種の識別と放射性核種の強度との解析を行い、画像化計算処理装置では、ガンマ線強度を示す画素値の反復計算を行うことにより離散的な画素の集合体として画像化するのが好ましい。

本発明に係る可視化装置は、被測定対象に内包されているガンマ線源から放出されるガンマ線を計測し、単位時間あるいは単位位置毎に計測したガンマ線エネルギーとガンマ線強度とのスペクトル分析により放射性核種の識別と放射性核種の強度とを解析し、識別された放射性核種毎に被測定対象中のガンマ線源の濃度及び空間分布を画像化するように構成されているので、線源核種の識別、ガンマ線の濃度および空間分布を画像として確認でき、且つ結果として線源が存在しない領域も可視化されることになるため、被測定対象内部の構造物の形状や状態などを監視することも可能となる。また、回転体や移動体の場合にも、ガンマ線検出器との回転・移動の同期を取ることで計測できる。

更に、ガンマ線源を移動させてガンマ線を計測する場合には、一方向からの計測でも可視化が可能であり、狭隘な箇所においても利用することが可能となる。この場合、コリメータやガンマ線検出器を移動する必要がないことから、移動のための軌道および制御装置が不要となり、装置の小型化、安価な装置が実現できるばかりでなく、移動による画質劣化の要因を排除することができ、高画質化を実現できる。

本発明に係るガンマ線源を利用した可視化装置の基本的な構成と動作を図１に示す。ここでは被測定対象として、円筒状の容器１内にガンマ線源２が収容されている例を示しているが、容器の形状、材質などは任意であってよい。被測定対象の周囲には、コリメータ６とガンマ線検出器７とが配置され、それらによってガンマ線の到来方向およびエネルギーを検出できるようになっている。そして、ガンマ線検出器７の出力は、ガンマ線検出信号処理装置９、エネルギー弁別処理装置１０、画像化計算処理装置１１で処理され、画像表示装置１２で画像表示されるように構成されている。なお、説明を簡略化するため、以下の各図において同様の部材・装置などについては、同一符号を付している。

ガンマ線源２を内包する容器１の周りにコリメータ６とガンマ線検出器７を配置する。ガンマ線源２から放出されたガンマ線は、容器１の外へ透過する。ガンマ線は内部から等方的に放出されるが、コリメータ６によってある到来方向のみのガンマ線がガンマ線検出器７に入射する。ガンマ線検出器７に入射したガンマ線は、エネルギーおよび計数値がガンマ線検出信号処理装置９で計測される。計測された信号はエネルギー弁別処理装置１０によりエネルギーに応じて弁別され、その計数値とともに記録される。

ここで、ガンマ線検出器７を移動もしくは回転するか、複数のガンマ線検出器７を用いるか、あるいは被測定対象を移動して、容器１に内包されているガンマ線源２に対して様々な方向から計測したガンマ線のエネルギー強度のデータを収集する。あるいは、ガンマ線検出器７を移動もしくは回転する代わりに被測定対象を移動または回転してもよい。個々の計測データは、ガンマ線の存在率や物質の密度に依存するガンマ線の吸収率に応じて計数値が変化するため、様々な方向から計測することで、ガンマ線の存在する場所や、物質の存在する場所を画像として再現することが可能となる。

まず、本発明の主要部分をなすエネルギー弁別処理および画像化計算処理について説明する。エネルギー弁別処理の内容を図１のｂ）に示すが、ガンマ線源は、説明をわかりやすくするために、ここでは図１のａ）とは異なる３種類のガンマ線源（核種Ａ、核種Ｂ、核種Ｃ）として説明する。コリメータ６及びガンマ線検出器７がＸの位置にあるとき、ガンマ線検出器７には、Ｘの位置でのガンマ線計測可能領域（図１のｂ）で破線にはさまれている領域）にある核種Ａと核種Ｂから放射されるガンマ線が入ってくる。更に、コリメータ６及びガンマ線検出器７がＹの位置にきたとき、ガンマ線検出器７には、Ｙの位置でのガンマ線計測可能領域にある核種Ｃから放射されるガンマ線が入ってくる。このようにして、これらのガンマ線は、コリメータ６及びガンマ線検出器７の移動に伴なって、微小移動時間毎あるいは微小位置移動毎にガンマ線検出器７に入ってくる。ガンマ線検出器７に入ってくるガンマ線は、単位時間あるいは単位位置毎にエネルギー弁別処理される。

このエネルギー弁別処理は、図１のｂ）の下部に示すように、単位時間あるいは単位位置毎にガンマ線エネルギーとガンマ線強度とのエネルギースペクトルを作成するものである。この段階で、エネルギースペクトルのガンマ線エネルギー毎のガンマ線強度のピークを解析することにより、ガンマ線源（核種Ａ、核種Ｂ、核種Ｃ）特定が可能となる。これらの解析データはその後の画像化計算処理装置１１の解析用データとして利用する。

次に、画像化について説明する。エネルギー弁別処理装置１０により解析されたデータを、放射性核種毎に、核種の位置及びガンマ線検出器７の移動の位置等による位相を同期させることにより画像化処理を行う。具体的には、下記の数１に示す式を用いて反復計算を行い、離散的な画素の集合体として画像化することが可能となる。上記式による画像計算処理を経た後、画像表示装置１２によってガンマ線源自身を可視化することができる。画像計算処理のフローチャートを図２に示す。

図３は、数値シミュレーションによる第１の検証例である。図３のａ）は被測定対象のモデル図である。被測定対象としては、直径１ｍ程度の容器１（金属製円筒形状で肉厚１５ｍｍ）内に液体金属からなるガンマ線源２が一様に分布し、内部に複数の金属板１３（肉厚１０ｍｍ）が存在する場合を想定した。ガンマ線のエネルギーはＮａ−２４が放出するガンマ線相当の２．７５ＭｅＶとし、容器１の外周においてコリメータ６とガンマ線検出器７で計測されるガンマ線をシミュレーションし、得られたデータを用い画像化計算処理を行った。結果を図３のｂ）に示す。容器１の形状である円形状に線源領域が可視化されているとともに、光学的に不透明である液体金属内にある金属板１３も可視化されている。また、図３のｃ）に示すように、図３のｂ）のＡ’−Ａ’の画素データを解析することで形状に関する定量的情報（存在位置等）も得ることができる。

この数値シミュレーションにより、線源領域が可視化されると同時に、線源を内包する容器１および線源が存在しない領域として金属板１３が可視化されていることは明らかであり、非接触で線源の分布状態、線源を内包する容器の形状、線源を内包する機器の内部構造の状態確認等への応用が可能であることが分かる。

図４は、数値シミュレーションによる第２の検証例である。図４のａ）は被測定対象のモデル図である。被測定対象としては、金属製で肉厚２０ｍｍ程度の収納容器（筐体）内に複層の容器１内（金属製容器で１ｍｍ程度の薄肉容器）にウランがドーナツ状に分布した場合を想定している。ガンマ線のエネルギーは、Ｕ−２３５が放出するガンマ線相当の１８６ＫｅＶとし、容器１の外周においてコリメータ６とガンマ線検出器７で計測されるガンマ線をシミュレーションし、得られたデータを用いて画像化を行った。結果を図４のｂ）に示す。ウランがドーナツ状の分布状態として位置及び濃度が可視化されると共に、数値シミュレーションによる前記第１の検証例とは異なるガンマ線エネルギーにおいても可視化が可能であることが示された。本結果により核種の識別（この場合、ウランであるということ）も可能であることがわかる。

図５は本発明に係るガンマ線源を利用した可視化装置の一実施例を示す説明図であり、回転体内のガンマ線源の可視化の例を示している。容器１内にガンマ線源２が存在し、回転軸３を中心として回転自在となっている。容器１は、ここでは円筒状であるが、形状や材質に関しては特に制約はない。容器１の外周には回転位置検出用マーカー４が設けられている。マーカーは塗料、磁性体、凹凸等で形成されており、光学式、磁気式、接触式センサーで検出可能な対象であればよい。この例では等間隔で複数箇所にマーカーが付けられているが、最低１箇所あればよい。容器１の外側には、該容器１の回転位置を検出するための回転位置検出用センサー５が設置されている。回転位置検出用センサー５は、回転位置検出用マーカー４に応じて、それを検出可能であれば光学式、磁気式、あるいは接触式センサーなどいずれでもよい。

容器１の周囲には、コリメータ６とガンマ線検出器７とが配置され、それらによってガンマ線の到来方向およびエネルギーを検出できるようになっている。ガンマ線源２から放出されたガンマ線は、等方的に放出され、容器１の外へ透過するが、コリメータ６によってある到来方向のみのガンマ線がガンマ線検出器７に入射する。

この実施例では、回転体計測の場合の同期系８を付設している。具体的には、回転体位置検出用センサー５の信号から容器１の回転位置を計測し、ガンマ線検出器７の信号取り込み用同期信号を出力するための回転位置検出処理装置８ａを設けている。ガンマ線検出信号処理装置９は、回転位置検出処理装置８ａから出力された同期信号に基づいたタイミングでガンマ線計測データを取り込む。即ち、ガンマ線検出器７に入射したガンマ線は、ガンマ線検出器信号処理装置９において、回転位置検出処理装置８ａから出力された同期信号が入力された時刻、あるいは同期信号が入力されてからある設定時間をおいた時刻に、そのエネルギーおよび計数値が計測される。

計測された信号はエネルギー弁別処理装置１０によりエネルギーに応じて弁別され、その計数値とともに記録される。回転位置検出処理装置８ａにより多数の回転位置おいてガンマ線データであるエネルギーおよびその強度を計測した後、コリメータ６およびガンマ線検出器７を移動あるいは異なる方向に向けて、再び回転位置検出処理装置８ａにより多数の回転位置においてガンマ線データを計測する。コリメータ７およびガンマ線検出器７の移動または計測方向を換えることにより、様々な位置、方向から画像化に必要なデータを収集する。収集したデータは、画像化計算処理装置１１により画像化され、可視化結果は画像表示装置１２により表示される。

図６は、本発明に係るガンマ線源を利用した可視化装置の他の実施例を示す説明図であり、この例も回転体内のガンマ線源の可視化の例を示している。容器１内にガンマ線源２が存在し、回転軸３を中心として回転自在となっている。容器１は、ここでは円筒状であるが、形状や材質に関しては特に制約はない。容器１の周囲には、コリメータ６とガンマ線検出器７とが時系列に移動できるように配置され、それらによってガンマ線の到来方向およびエネルギーを検出できるようになっている。ガンマ線源２から放出されたガンマ線は、等方的に放出され、容器１の外へ透過するが、コリメータ６によってある到来方向のみのガンマ線がガンマ線検出器７に入射する。

ガンマ線検出器７に入射したガンマ線は、ガンマ線検出信号処理装置９で計測される。計測された信号は、エネルギー弁別処理装置１０によりエネルギーに応じて弁別され、その計数値とともに記録される。ガンマ線検出器７を移動し、画像化に必要なデータを収集する。データの計測の際に、エネルギー強度の時系列を記録すると、線源が存在する領域の大きさとデータの計測時間には相関があることから、回転方向に対しての存在領域の大きさに関する情報を得ることが可能となる。このデータを用い可視化計算処理１１により画像化し、可視化結果は画像表示装置１２により表示される。これにより、静止状態と等価な画像を得ることが可能となる。

本発明の更に他の実施例として容器１内の数種類のガンマ線源の核種識別および分布状態を３次元的に計測する場合を図７に示す。コリメータ６及びガンマ線検出器７の相対的な移動方向を上下方向または斜め方向にも移動することで、異なる高さ方向に対してもガンマ線のデータを収集する。計測データはエネルギー弁別処理装置によりエネルギー強度に応じた情報を得ることができるため、ガンマ線源の識別および分布状態を３次元的に可視化することが可能となる。

以上述べた内容について、本発明と従来技術（例えば特許文献１）との概念的な比較を図８に示す。被測定対象である可視化対象が、核種Ａ（濃度：低）、（濃度：中）、（濃度：高）、核種Ｂ、核種Ｃである場合における可視化結果は、従来技術では、放射線源の有無の検出のみであるのに対して、本発明では、可視化対象の核種Ａ（濃度：低）、（濃度：中）、（濃度：高）、核種Ｂ、核種Ｃのすべてに対して、放射線核種の特定、ならびにその濃度についての可視化が可能となる。

その結果、本発明は放射性廃棄物貯蔵容器内のガンマ線源の識別および分布状態の可視化への応用、内容物が不明な密閉容器内のガンマ線源の識別および分布状態の可視化、更には、遠心分離機稼動中におけるガンマ線源の識別および分布状態の可視化、その他の分野にも幅広く活用が可能である。

本発明に係る可視化装置の基本的な構成と動作を示す説明図。 画像計算処理のフローチャート その数値シミュレーションによる第１の検証例を示す説明図。 その数値シミュレーションによる第２の検証例を示す説明図。 本発明に係る可視化装置の一実施例を示す説明図。 本発明に係る可視化装置の他の実施例を示す説明図。 本発明に係る可視化装置の更に他の実施例を示す説明図。 本発明と従来技術との可視化の概念比較図。

符号の説明

１ 容器
２ ガンマ線源
３ 回転軸
４ 回転位置検出用マーカー
５ 回転位置検出用センサー
６ コリメータ
７ ガンマ線検出器
８ 回転体計測の場合の同期系
８ａ 回転位置検出処理装置
９ ガンマ線検出信号処理装置
１０ エネルギー弁別処理装置
１１ 画像化計算処理装置
１２ 画像表示装置

Claims (2)

1. ガンマ線源を内包する被測定対象の周囲に配置されて前記ガンマ線源からの特定到来方向のガンマ線を通すコリメータと、該コリメータを通ったガンマ線を検出するガンマ線検出器と、前記ガンマ線検出器で検出したガンマ線検出信号を処理してエネルギーと計数値を計測するガンマ線検出信号処理装置と、単位時間あるいは単位位置毎に計測したガンマ線エネルギーとガンマ線強度とのスペクトル分析により放射性核種の識別と放射性核種の強度とを解析するエネルギー弁別処理装置と、識別された放射性核種毎に被測定対象中のガンマ線源の濃度及び空間分布を画像化する画像化計算処理装置と、その計算処理の結果に基づき可視化表示する画像化表示装置とを有することを特徴とするガンマ線源を利用した可視化装置。
2. ガンマ線源を内包する被測定対象とコリメータを備えたガンマ線検出器は、相対的な回転運動あるいは直線運動を行い、エネルギー弁別処理装置では、前記回転運動あるいは直線運動の位置、時間の信号を加味して放射性核種の識別と放射性核種の強度との解析を行い、画像化計算処理装置では、ガンマ線強度を示す画素値の反復計算を行うことにより離散的な画素の集合体として画像化するようにした請求項１記載のガンマ線源を利用した可視化装置。
   

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