JP2007114067A - 放射線検出システム、及び放射線検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】放射線が光ファイバに入射したときに、その放射線の飛来方向に関する情報を取得することができる放射線検出システムを提供する。
【解決手段】本発明による放射線検出システムは、放射線が入射した入射位置で発光し、且つ、発光によって発生した光を伝送するように構成された複数の光ファイバ（２_１、２_２）と、前記複数の光ファイバ（２_１、２_２）の第１端にそれぞれに接続された複数の光電変換手段（６_１、６_２）と、前記複数の光電変換手段（６_１、６_２）からそれぞれに出力される出力信号を処理する信号処理手段（８）とを具備する。前記信号処理手段（８）は、前記出力信号から前記放射線の飛来方向に関する情報である飛来方向情報を生成するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射線検出システムに関しており、特に、光ファイバを用いて放射線を検出するシステムに関する。

原子力発電所その他の原子力関連施設の安全性を担保するためには、放射線の漏洩を確実に検知することが重要である。このような背景から、様々な放射線検出システムが提案されている。

放射線を検出する最も簡便、且つ効果的な方法の一つは、例えば、特開平４−２４５８２号公報、及び特開昭５４−１２８８２号公報に開示されているように、放射線の入射によって発光するシンチレータを含有する光ファイバを使用する方法である。シンチレータを含有する光ファイバに放射線が入射すると、その入射位置で光が発生する。その光を光電変換装置に伝送して光電変換装置で検出することにより、放射線の存在を検出することができる。更に特開２０００−６５９３９号公報及び特開２００２−２７７５５４号公報は、放射線の入射によって発生した光の減衰を抑制するための光ファイバの構造を開示している。

このような放射線検出システムへの一つの要求は、放射線の有無を検出することにとどまらず、放射線が光ファイバに入射した入射位置を特定できることである。例えば放射線の漏洩の検知のために放射線検出システムが使用される場合、入射位置の特定は、放射線の漏洩位置の特定を容易にする。これは、原子力関連施設の安全性を担保するために極めて有効である。

放射線が光ファイバに入射した入射位置を特定する一つの公知の方法は、特開平８−９４７５８号公報に開示されているように、シンチレーションファイバの両端に受光素子を設ける方法である。シンチレーションファイバに放射線が入射すると入射位置で発光し、互いに反対方向に伝播する２つの光信号が発生する。その２つの受光素子が２つの光信号をそれぞれに受光した時間差から放射線の入射位置が特定される。

他の公知の方法は、特開２０００−６５９３８号公報に開示されているように、光ファイバの一端にリフレクタを、他端に光電変換装置を接続する方法である。光ファイバに放射線が入射すると入射位置で発光し、互いに反対方向に伝播する２つの光信号が発生する。その一方の光信号は直接に光電変換装置に入射し、他方はリフレクタによって反射された後に光電変換装置に入射する。光電変換装置が２つの光信号が順次に受け取った時間差から放射線の入射位置が特定される。加えて、上述の特開平８−９４７５８号公報は、シンチレーションファイバの一方の端に遅延用光ファイバを接続し、その遅延用光ファイバの先端にリフレクタを接続する技術を開示している。

このような放射線検出システムでは、放射線が光ファイバに入射した入射位置に加えて、放射線の飛来方向が推定できればより便利である。例えば放射線の漏洩の検知のために放射線検出システムが使用される場合、入射位置に加えて放射線の飛来方向が特定できれば、放射線の漏洩位置の特定を一層に簡便にすることができる。
特開平４−２４５８２号公報 特開昭５４−１２８８２号公報 特開２０００−６５９３９号公報 特開２００２−２７７５５４号公報 特開平８−９４７５８号公報 特開２０００−６５９３８号公報

したがって、本発明の目的は、放射線が光ファイバに入射したときに、その放射線の飛来方向に関する情報を取得することができる放射線検出システムを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、以下に述べられる手段を採用する。その手段を構成する技術的事項の記述には、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］の記載との対応関係を明らかにするために、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号が付加されている。但し、付加された番号・符号は、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲を限定的に解釈するために用いてはならない。

本発明による放射線検出システムは、放射線が入射した入射位置で発光し、且つ、発光によって発生した光を伝送するように構成された複数の光ファイバ（２_１、２_２）と、前記複数の光ファイバ（２_１、２_２）の第１端にそれぞれに接続された複数の光電変換手段（６_１、６_２）と、前記複数の光電変換手段（６_１、６_２）からそれぞれに出力される出力信号を処理する信号処理手段（８）とを具備する。前記信号処理手段（８）は、前記出力信号から前記放射線の飛来方向に関する情報である飛来方向情報を生成するように構成されている。

好適な実施形態では、前記信号処理手段（８）は、前記放射線が前記複数の光ファイバ（２_１、２_２）のそれぞれに入射した入射時刻を前記出力信号から算出し、前記入射時刻に基づいて前記飛来方向情報を生成する。

他の好適な実施形態では、前記信号処理手段（８）は、放射線が前記複数の光ファイバ（２_１、２_２）に入射することによって前記複数の光ファイバ（２_１、２_２）に発生した光信号が前記複数の光電変換手段（６_１、６_２）に到達した到達時刻を前記出力信号から算出し、前記到達時刻から前記飛来方向データを生成する。

好適には、当該放射線検出システムは、前記複数の光ファイバ（２_１、２_２）の第２端にそれぞれに接続された複数の反射手段を更に具備する。この場合、前記信号処理手段（８）は、前記放射線が前記複数の光ファイバ（２_１、２_２）のそれぞれに入射することによって前記光ファイバ（２_１、２_２）に発生する発生光信号のうち、直接に前記複数の光電変換手段（６_１、６_２）に到達する第１光信号（９_１、９_２）が前記複数の光電変換手段（６_１、６_２）に到達する第１到達時刻と、前記発生光信号のうち前記複数の反射手段によって反射されて前記複数の光電変換手段（６_１、６_２）に到達する第２光信号（１０_１、１０_２）が前記複数の光電変換手段（６_１、６_２）に到達する第２到達時刻とを、前記複数の光電変換手段（６_１、６_２）からそれぞれに出力される前記出力信号から算出し、前記第１到達時刻と前記第２到達時刻から前記放射線が前記複数の光ファイバ（２_１、２_２）に入射した放射線入射位置を算出し、且つ、前記放射線入射位置から前記飛来方向情報を生成する。

本発明によれば、放射線が光ファイバに入射したときに、その放射線の飛来方向に関する情報を取得することができる放射線検出システムが提供される。

（放射線検出システムの構成）
図１は、本発明の一実施形態に係る放射線検出システム１の構成を示すブロック図である。本実施形態に係る放射線検出システム１は、放射線検出の対象領域３に延設された２本の光ファイバ２_１、２_２を備えている。光ファイバ２_１、２_２は、対象領域３において、所定の距離を離して平行に延設されている。ただし、光ファイバ２_１、２_２の全体が互いに平行であることを意味していると解釈されてはならない。対象領域３の外部では、光ファイバ２_１、２_２が平行に配置されないことが許容される。光ファイバ２_１、２_２は、放射線が入射されると、その入射位置で発光するように構成されている。光ファイバ２_１、２_２の構成については、後に詳細に説明される。

光ファイバ２_１、２_２それぞれの一端には、リフレクタ４_１、４_２がそれぞれに接続されており、他端には光電子増倍管６_１、６_２がそれぞれに接続されている。光電子増倍管６_１、６_２の出力は、信号処理装置８に接続されている。光電子増倍管６_１、６_２は、光ファイバ２_１、２_２から光信号を受け取ると、その光信号を電気信号に変換する。信号処理装置８は、光電子増倍管６_１、６_２から受け取った電気信号に対して信号処理を行い、放射線の入射位置の特定、及び放射線の線源の位置の推定に関する処理を行う。

図２は、好適な光ファイバ２_１、２_２の構成を示す断面図である。好適な実施形態では、光ファイバ２_１、２_２は、コア１２と、このコア１２の外周面を被覆する第１クラッド層１４と、第１クラッド層１４の外周面を被覆する第２クラッド層１６と、第２クラッド層１６の外周面を被覆する保護層１８とを備えている。第１クラッド層１４及び第２クラッド層１６の屈折率は、コア１２の屈折率よりも低く、これにより、コア１２は光を伝播する経路として機能する。好適な実施形態では、コア１２は、純石英ガラス、高ＯＨ基含有石英ガラス、またはフッ素ドープ石英ガラスで形成され、第１クラッド層１４及び第２クラッド層１６は、高分子合成樹脂、例えば、フッ素樹脂、ＵＶアクリレイト、パイロコート（ＯＦＳ スペシャリティ・フォトニクス・ディビジョンの商標）で形成される。保護層１８は、所望の機械的強度を有する合成樹脂、例えば、テフゼル（商標名：ＯＦＳ スペシャリティ・フォトニクス・ディビジョン製）から形成される。

第２クラッド層１６には、放射線の照射によって発光するシンチレータ２０がドープされている。シンチレータ２０の材料は、検出対象の放射線に応じて適切に選択される。検出対象がＸ線である場合、シンチレータ２０としては、例えば、ＮａＩ：Ｔｌ、ＣａＦ_２：Ｅｕ、ＹＡＰ：Ｃｅ等が使用される。検出対象がα線である場合、シンチレータ２０としては、例えばＣｓＩ：Ｔｌ、ＢａＦ_２等が使用される。検出対象がβ線である場合には、シンチレータ２０としては、例えば、ＣａＦ_２：Ｅｕ、及びＢａＦ_２等が使用される。また、検出対象がγ線である場合、シンチレータ２０としては、例えば、ＮａＩ：Ｔｌ、ＣｓＩ：Ｔｌ、ＢａＦ_２、ＣｅＦ_３、Ｂ_４Ｇ_３Ｏ_１２、ＣｄＷＯ_４等が使用される。コア１２の材料は、シンチレータ２０が発生する光の波長に応じて適切に選択されることが好適であり、純石英ガラスをコア１２として使用することは、上述した材料のシンチレータ２０が発光する光の波長域における減衰が小さい点で好適である。

光ファイバ２_１、２_２に対する一つの要求は、第２クラッド層１６に含まれたシンチレータ２０によって発生された光の減衰を抑制することである。この要求を満足するために、光ファイバ２_１、２_２は、下記のような構成を採用している。

第１に、光ファイバ２_１、２_２のコア１２からシンチレータが排除されている。シンチレータは、放射線の入射によって光を発生する一方で、発生した光を吸収する作用も有している。従って、光を伝播する経路であるコア１２がシンチレータを含んでいると、第２クラッド層１６において発生した光がシンチレータによって吸収されて減衰してしまう。本実施形態では、コア１２からシンチレータが排除されることにより、シンチレータ２０によって発生された光の減衰が有効に抑制されている。

加えて、コア１２と直接に接する第１クラッド層１４からもシンチレータが排除されている。これは、コア１２と第１クラッド層１４との界面で光が全反射されたときに光が減衰することを防ぐ。コア１２を伝播する光は、コア１２と第１クラッド層１４との界面で全反射されるが、これは第１クラッド層１４に全く侵入しないことを意味しない。量子光学から理解されるように、コア１２を伝播する光は、コア１２と第１クラッド層１４との界面で全反射されるときに第１クラッド層１４のごく表面に侵入する。従って、第１クラッド層１４にシンチレータが含まれていると、コア１２を伝播する光は、コア１２と第１クラッド層１４との界面で全反射されたときに減衰されてしまう。本実施形態では、第１クラッド層１４からシンチレータが排除されることにより、シンチレータ２０によって発生された光の減衰が有効に抑制されている。

好適には、第１クラッド層１４と第２クラッド層１６は、（第２クラッド層１６にシンチレータ２０がドープされることを除いて）、同一の樹脂材料で形成される。これには２つの技術的意義がある。一つは、第１クラッド層１４と第２クラッド層１６の屈折率を同一に近づける、理想的には同一にできることである。第１クラッド層１４と第２クラッド層１６の屈折率が相違すると、第２クラッド層１６で発生した光が第１クラッド層１４と第２クラッド層１６の界面で反射し得る。これは、第２クラッド層１６からコア１２への光の注入効率を低下させるため好ましくない。もう一つの技術的意義は、機械的強度の向上である。第１クラッド層１４と第２クラッド層１６とを同一の樹脂材料で形成することにより、第１クラッド層１４と第２クラッド層１６との間で樹脂材料を架橋させ、第１クラッド層１４と第２クラッド層１６との間の接合強度を高めることができる。これは、光ファイバ２_１、２_２の曲げ強度を高めて好適である。

このように構成された光ファイバ２_１、２_２は、第２クラッド層１６で発生した光の減衰が小さく、且つ、第２クラッド層１６からコア１２への光の注入効率が高いため、本実施形態に係る放射線検出システム１に好適である。

（放射線の入射位置及び飛来方向の特定）
続いて、本実施形態における放射線の入射位置及び飛来方向の特定方法を説明する。図１を再度に参照して、ある線源から放射線の照射が開始し（例えば、ある装置からの放射線の漏洩が開始し）、その放射線が光ファイバ２_１、２_２に入射すると、放射線の入射位置のシンチレータ２０が発光する。シンチレータ２０の発光により、互いに反対の方向に伝播する２つの光信号が光ファイバ２_１、２_２のそれぞれにおいて発生する。発生した光信号のうちの一方の光信号９_１、９_２は直接に光電子増倍管６_１、６_２に伝送され、他方の光信号１０_２、１０_２は、リフレクタ４_１又は４_２によって反射された後に光電子増倍管６_１、６_２に伝送される。

図３Ａ、図３Ｂは、それぞれ、光ファイバ２_１、２_２から光電子増倍管６_１、６_２に入射される光信号の強度を示すグラフである。図３Ａのグラフ３１は、光ファイバ２_１の放射線の入射位置から光電子増倍管６_１に直接に到達した光信号９_１の強度を示しており、グラフ３２は、リフレクタ４_１によって反射された後に光電子増倍管６_１に到達した光信号１０_１の強度を示している；光電子増倍管６_１が出力する電気信号は、実際には、これら２つの光信号９_１、１０_１が重畳された光信号の波形に対応する波形を有していることに留意されたい。同様に、図３Ｂのグラフ３３は、光ファイバ２_２の放射線の入射位置から光電子増倍管６_２に直接に到達した光信号９_２の強度を示しており、グラフ３４は、リフレクタ４_２によって反射された後に光電子増倍管６_２に到達した光信号１０_２の強度を示している。図３Ａ、図３Ｂに示されているように、放射線の入射によって光ファイバ２_１、２_２のそれぞれにおいて発生した２つの光信号は、ある時間間隔で光電子増倍管６_１、６_２に到達する。光電子増倍管６_１、６_２が出力する電気信号の波形は、光ファイバ２_１、２_２から光電子増倍管６_１、６_２に入射される光信号の波形に対応している。

信号処理装置８は、光電子増倍管６_１、６_２から出力される電気信号の波形から、それぞれ、光ファイバ２_１、２_２の放射線の入射位置を特定する。

具体的には、信号処理装置８は、光電子増倍管６_１から受け取った電気信号から、直接に光電子増倍管６_１に伝播された光信号９_１が光電子増倍管６_１に到達した時刻Ｔ_１１と、リフレクタ４_１によって反射された光信号１０_１が光電子増倍管６_１に到達した時刻Ｔ_１２とを特定する。一の好適な実施形態では、信号処理装置８は、電気信号の信号レベル及び信号レベルの微分値の両方が最初に所定値を超えた時刻を時刻Ｔ_１１と判定し、電気信号の信号レベルが一旦低下した後、電気信号の信号レベル及び信号レベルの微分値の両方が次に所定値を超えた時刻を時刻Ｔ_１２と判定する。更に信号処理装置８は、時刻Ｔ_１１と時刻Ｔ_１２の時間差ΔＴ_１（＝Ｔ_１２−Ｔ_１１）を算出する。この時間差は、光電子増倍管６_１から放射線の入射位置までの距離に対応している。信号処理装置８は、時間差ΔＴ_１から光ファイバ２_１の放射線の入射位置を特定する。

同様に、信号処理装置８は、光電子増倍管６_２に直接に到達した光信号９_２が光電子増倍管６_２に到達した時刻Ｔ_２１と、リフレクタ４_２によって反射された光信号１０_２が光電子増倍管６_２に到達した時刻Ｔ_２２との時間差ΔＴ_２（＝Ｔ_２２−Ｔ_１２）から光ファイバ２_２の放射線の入射位置を特定する。

更に、信号処理装置８は、放射線の飛来方向を推定するための処理を行う。最も簡便には、信号処理装置８は、放射線が光ファイバ２_１に入射し始めた時刻ｔ_１、及び放射線が光ファイバ２_２に入射し始めた時刻ｔ_２の先後から、光ファイバ２_１、２_２のいずれの側から放射線が飛来しているかを判定する。

具体的には、信号処理装置８は、光電子増倍管６_１、６_２に直接に到達する光信号９_１、９_２が光電子増倍管６_１、６_２に到達した時刻Ｔ_１１、Ｔ_１２と、上述の処理によって算出された放射線の入射位置とを用いて、放射線が光ファイバ２_１、２_２に入射し始めた時刻ｔ_１、ｔ_２を算出する。時刻ｔ_１、ｔ_２は、下記式で表される：
ｔ_１＝Ｔ_１１−ｄ_１／ｃ，
ｔ_１＝Ｔ_２１−ｄ_２／ｃ，
ここで、ｄ_１は、光ファイバ２_１の放射線の入射位置から光電子増倍管６_２までの（光ファイバ２_１に沿った）距離であり、ｄ_２は、光ファイバ２_１の放射線の入射位置から光電子増倍管６_２までの（光ファイバ２_１に沿った）距離であり、ｃは、光ファイバ２_１、２_２における光信号の伝送速度である。

時刻ｔ_１が時刻ｔ_２よりも先である場合、信号処理装置８は、放射線の飛来方向が、光ファイバ２_１から光ファイバ２_２に向かう方向であると判定する。一方、時刻ｔ_２が時刻ｔ_１よりも先である場合、信号処理装置８は、放射線の飛来方向が光ファイバ２_２から光ファイバ２_１に向かう方向であると判定する。信号処理装置８は、このようにして得られた放射線の飛来方向に関する情報（飛来方向情報）を出力装置（例えば、表示装置）に出力する。

放射線が光ファイバ２_１、２_２に入射し始めた時刻ｔ_１、ｔ_２の代わりに、（リフレクタ４_１、４_２によって反射されずに）直接に光電子増倍管６_１、６_２に到達した光信号９_１、１０_２が光電子増倍管６_１、６_２に到達した時刻Ｔ_１１、Ｔ_２１を用いても良い。光ファイバ２_１、２_２の間隔が充分に離れている場合、時刻Ｔ_１１が時刻Ｔ_２１よりも先であれば、放射線の飛来方向は、光ファイバ２_１から光ファイバ２_２に向かう方向であると判定してよい。同様に、時刻Ｔ_１１が時刻Ｔ_２１よりも先であれば、放射線の飛来方向は、光ファイバ２_２から光ファイバ２_１に向かう方向であると判定してよい。信号処理装置８は、このような判定によって放射線の飛来方向情報を生成し、生成した飛来方向情報を出力装置（例えば、表示装置）に出力する。

放射線が光ファイバ２_１、２_２に入射し始めた時刻ｔ_１、ｔ_２の先後に加え、光ファイバ２_１、２_２への放射線の入射位置を用いることにより、放射線の飛来方向に関するより詳しい情報を得ることができる。即ち、放射線源が、光ファイバ２_１、２_２が平行に設置されている設置面の上にある、又は、当該設置面の近傍にある場合、図４に示されているように、放射線の飛来方向は、概ね、（１）光ファイバ２_１の放射線の入射位置から光ファイバ２_２の放射線の入射位置に向かう方向Ａ、又は（２）光ファイバ２_２の放射線の入射位置から光ファイバ２_１の放射線の入射位置に向かう方向Ｂのいずれかであると考えてよい。

信号処理装置８は、上記の方向Ａ、Ｂのいずれが適切であるかを、放射線が光ファイバ２_１、２_２に入射し始めた時刻ｔ_１、ｔ_２の先後から判定する。信号処理装置８は、時刻ｔ_１が時刻ｔ_２よりも先である場合、放射線の飛来方向が、上記の方向Ａであると判定する。一方、時刻ｔ_２が時刻ｔ_１よりも先である場合、信号処理装置８は、放射線の飛来方向が上記の方向Ｂであると判定する。信号処理装置８は、このような判定によって放射線の飛来方向情報を生成し、生成した飛来方向情報を出力装置（例えば、表示装置）に出力する。

以上に説明されているように、本実施形態の放射線検出システム１は、放射線の入射位置に加え、放射線の飛来方向に関する情報を得ることができる。これは、例えば、原子力関連施設において放射線の漏洩位置を特定するために有効である。

なお、本発明は上記の実施形態に限定して解釈されてはならない。特に、上記の実施形態では、放射線検出システムにおいて２本の光ファイバが使用されているが、３以上の光ファイバも使用され得ることに留意されたい。

図１は、本発明の一実施形態に係る放射線検出システムの構成を示すブロック図である。 図２は、本実施形態において使用される光ファイバの構成を示す断面図である。 図３Ａは、一の光ファイバで伝送される光信号の波形を示すグラフである。 図３Ｂは、他の光ファイバで伝送される光信号の波形を示すグラフである。 図４は、放射線の飛来方向の推定方法を説明する概念図である。

符号の説明

１：放射線検出システム
２_１、２_２：光ファイバ
３：対象領域
４_１、４_２：リフレクタ
６_１、６_２：光電子増倍管
８：信号処理装置
９_１、９_２、１０_１、１０_２：光信号
１２：コア
１４：第１クラッド層
１６：第２クラッド層
１８：保護層
２０：シンチレータ

Claims (4)

1. 放射線が入射した入射位置で発光し、且つ、発光によって発生した光を伝送するように構成された複数の光ファイバと、
   前記複数の光ファイバの第１端にそれぞれに接続された複数の光電変換手段と、
   前記複数の光電変換手段からそれぞれに出力される出力信号を処理する信号処理手段
   とを具備し、
   前記信号処理手段は、前記出力信号から前記放射線の飛来方向に関する情報である飛来方向情報を生成するように構成された
   放射線検出システム。
2. 請求項１に記載の放射線検出システムであって、
   前記信号処理手段は、前記放射線が前記複数の光ファイバのそれぞれに入射した入射時刻を前記出力信号から算出し、前記入射時刻に基づいて前記飛来方向情報を生成する
   放射線検出システム。
3. 請求項１に記載の放射線検出システムであって、
   前記信号処理手段は、放射線が前記複数の光ファイバに入射することによって前記複数の光ファイバに発生した光信号が前記複数の光電変換手段に到達した到達時刻を前記出力信号から算出し、前記到達時刻から前記飛来方向データを生成する
   放射線検出システム。
4. 請求項１に記載の放射線検出システムであって、
   更に、前記複数の光ファイバの第２端にそれぞれに接続された複数の反射手段を具備し、
   前記信号処理手段は、前記放射線が前記複数の光ファイバのそれぞれに入射することによって前記光ファイバに発生する発生光信号のうち、直接に前記複数の光電変換手段に到達する第１光信号が前記複数の光電変換手段に到達する第１到達時刻と、前記発生光信号のうち前記複数の反射手段によって反射されて前記複数の光電変換手段に到達する第２光信号が前記複数の光電変換手段に到達する第２到達時刻とを、前記複数の光電変換手段からそれぞれに出力される前記出力信号から算出し、前記第１到達時刻と前記第２到達時刻から前記放射線が前記複数の光ファイバに入射した放射線入射位置を算出し、且つ、前記放射線入射位置から前記飛来方向情報を生成する
   放射線検出システム。

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