JP2009198365A - プラスチックシンチレータを検出器とした放射能探査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のＮａＩ（Ｔｌ）検出器のようにγ線のスペクトルを分析できる上に、速中性子の測定も可能であり、また、検出器の価格が、ＮａＩ（Ｔｌ）検出器に比較して安価であり、軽量大型の検出器を提供する。
【解決手段】検出部は、ＰＳ３１・３６と、ライトガイド３３ａ・３３ｂと、ＰＭ部３５ａ・３５ｂと、プリアンプ部３７ａ・３７ｂと、を有している。ＰＳ（プラスチックシンチレータ）３１・３６は、それぞれγ線と中性子とを光エネルギーに変換する。ライトガイド３３ａ・３３ｂは、検出された光を光電子増倍管３５ａ・３５ｂへと導く機能を有する。光電子増倍管３５ａ・３５ｂは、光信号を電気信号に変換する。プリアンプ部３７ａ・３７ｂは、光電子増倍管からの電気信号を増幅する機能を有する。ホウ素入りパラフィン３２は、５ｍｍ検出器３６を通過した中性子を吸収させる機能を有する。
【選択図】図１４Ａ

Description

本発明は、チェルノブイリ事故の影響調査などの原子力施設事故の緊急調査、原子力施設周辺の人工放射性物質の漏洩を監視するために航空機に搭載する放射能探査装置に関するものである。また、本発明は、原子力施設周辺の平常時と緊急時とにおけるγ線と中性子とを、例えば航空機等の高空からモニタリングするための放射能探査装置に関する。

環境中には、例えば、下記の表１に示すようなγ線放出核種（ｉｓｏｔｏｐｅ）が存在する。天然の主要な核種は、²³⁸Ｕ及び²³²Ｔｈ系列の核種であり、系列を作らない⁴⁰Ｋや陽電子の崩壊による放射線等がある。核実験等のフォールアウトの ¹³⁷Ｃｓからのγ線、原子力施設周辺での平常時・異常時の計測では、施設起因の放射性⁸⁵Ｋｒ、¹³⁵Ｘｅ、⁴¹Ａｒ等の希ガス、放射性ヨウ素等からのγ線がある。

放射線の測定方法は、気体や固体、液体との相互作用で生ずる電離作用や励起（蛍光）等を利用している（下記表２参照。）。このうち、γ線を測定する方法は、電離作用を利用した電離箱、ＧＭ計数管、半導体検出器、蛍光作用を利用した、ＮａＩ(Ｔｌ)シンチレーション検出器（以下、「ＮａＩ（Ｔｌ）検出器」と称する。）、熱蛍光線量計（ＴＬＤ）、蛍光ガラス線量計、写真作用を利用するフィルムバッジがある。これらのうち、γ線のエネルギー（γ線スペクトル）を測定できるのは、一般的な検出器は、半導体検出器とＮａＩ（Ｔｌ）シンチレーション検出器とである。

原子力施設周辺における環境ガンマ線モニタリングでは、NaI(Tl)検出器、電離箱式検出器で空間のガンマ線を継続的に測定し、TLDで3ヶ月ごとの放射線積算線量を測定している。しかし、放射線発生源の特性変化など原因究明や、線量に対する核種別の寄与割合の評価のためには、モニタリングデータを補強する野外の環境ガンマ線のエネルギー情報が必要である。文部科学省(1990)では、野外環境におけるγ線スペクトルを測定する方法として、NaI(Tl)検出器とGe半導体スペクトロメータ（以下、半導体検出器）との測定法を示している。

半導体検出器は、エネルギー分解能が高く、環境に存在する放射性核種の同定と定量に適しているが、測定中、液体チッ素で検出器を冷却しなければならないなど現場での取扱に細心の注意が必要である。また、検出効率が低く、測定に時間がかかるなとの欠点がある。ＮａＩ（Ｔｌ）検出器は、半導体検出器に較べてエネルギー分解能が劣るが、常温で測定ができ、環境ガンマ線のスペクトルとエネルギー別の線量寄与の測定や線源核種のおよその同定が可能である。そのため、半導体検出器を航空機やヘリコプターに搭載し、野外で測定に使用することは希である。ＮａＩ（Ｔｌ）検出器は、現状では野外の厳しい環境でγ線スペクトルを測定できる唯一の検出器と考えられている。Rybachaほか (2001) は、スイスの原子力発電所周辺の環境γ線を、航空機に搭載したＮａＩ（Ｔｌ）検出器の放射能探査装置で測定し（エアボーン）、エアボーンが人工放射性物質の漏洩モニタリングに有効であることを示した（図１）。

図１においては、２次元平面を画定するＸ、Ｙ軸（距離：ｋｍ）は、スイスの原子力発電所周辺の人口グロスカウント比で表示した人工放射能の分布の３次元表示であり、Rybacha et al.(2001)による図である。Ｚは、人口グロスカウント比（ＭＭＧＣ比）であり、図１に示されている３つの式で表される。

尚、人口グロスカウント比（ＶＭＭＧＣ）は，原子力施設周辺の人工放射能の分布を図化するための指標である。ＶＭＭＧＣ比は、（人工放射同位体からの低エネルギーグロスカウント）／（環境同位体からの高エネルギーグロスカウント）である。データは、２５０ｍ間隔で、９０ｍの高空から９０ｋｍ／ｈの速度で飛行するヘリコプターにより、毎秒２５ｍ間隔でデータを取得している。

γ線がＮａＩ（Ｔｌ）結晶中に入射した際に、両者の相互作用(光電効果、コンプトン散乱、電子対生成)によって発生した二次電子がＮａＩ（Ｔｌ）結晶物質を励起し、この励起から定常状態に戻る際に、分子がシンチレーションと呼ばれる光を発生する。ＮａＩ（Ｔｌ）検出器は、このことを利用した測定法を用いているものである。光電効果と電子−陽電子対生成は、γ線の全エネルギーEγが電子(および陽電子)に移行するので、エネルギー分布はEγに位置するピークとなる。これを全吸収ピーク(full-energy peak: 図２Ａ参照)またはフォトピークと言う（以下、「フォトピーク」と言う）。全吸収ピーク（ｆｕｌｌ ｅｎｅｒｇｙ ｐｅａｋ）は、線状の分布であるが、統計的な揺らぎにより、ある広がりを持っている。図２Ａは、単一エネルギーのγ線が検出器に与えるエネルギー分布を模式的に示した図である。縦軸はエネルギー、横軸は散乱角度θである。

一方、コンプトン散乱が起こると、Eγ の一部しか電子にエネルギーを移行しないので、散乱されたγ線が検出器の外に逃げてしまった場合には、散乱角度θの分布に応じて連続的なエネルギー分布を示す(図２Ａ参照)。連続分布の「端」をコンプトンエッジ (Compton edge)と言う。コンプトンエッジは、反跳電子の最大エネルギーを表すものであり、γ線のエネルギーから一意的に決められる。コンプトン散乱に基づくブロードな領域ＮａＩには、Ｘ線に基づくピーク、後方散乱に基づくピーク、ｅｓｃａｐｅ ｐｅａｋ、などが観察される。

表３は、単一エネルギーのγ線核種のコンプトンエッジのエネルギーを示すものである。実際には、一回のコンプトン散乱でγ 線が検出器から逃げてしまわずに、多重コンプトン散乱 (multi-Compton scattering) を検出器内で起すことがあり、全吸収ピークとコンプトンエッジとの間にも連続的な分布が見られる(図２Ｂ（ｂ）参照)。

図２Ｂ（ａ）は、理想的なエネルギー分解能を持つ場合の線源のパルス波高スペクトルを示す図である。縦軸がｎ（Ｃ）、横軸がチャンネルである。このように、低チャンネル側からブロードなコンプトン散乱部分と、それよりも大きいチャンネル側に見られる鋭いピークとして光電効果部分のピークが存在することがわかる。

図２Ｂ（ｂ）は、理想的でなく実際のパルス波高スペクトル例を示す図である。統計的な効果が、ピークとコンプトン連続部の両方をブロードにしていることがわかる。

野外の一般環境でのγ線計測では、天然核種²³⁸U、²³²Th、⁴⁰Kからの多数のγ線からなる合成に、さらに核実験等のフォールアウトの ¹³⁷Cs からの ０．６６２ＭｅＶのγ線が重なって観測される。ＮａＩ（Ｔｌ）検出器によるγ線のエネルギー弁別では、全吸収ピークに注目した解析を行う。

ＮａＩ（Ｔｌ）シンチレーションスペクトロメータにおいては、ピーク領域が明確でないので、放出ガンマ線のそれぞれのエネルギーに対応したピークをひろい出すことは一般に容易でない。そのため、スペクトル分析は、比較的単純なガンマ線を放出する、限られた数の核種の存在にのみ適用される。一般には、特別のピークに着目するよりも、全波高分布を入射スペクトルに引き戻し、いくつかのチャンネルをひとまとめにしたエネルギーブロックごとに扱うことが多い（文部科学省、1990)。環境同位体の場合、エネルギー領域は次の範囲を標準とする；カリウム領域（１．３４〜１．６０ＭｅＶ）、ウラン系列領域（１．６１〜２．３０ＭｅＶ）、トリウム系列領域（２．３１〜３．００ＭｅＶ）。

解析方法は、予めエネルギー領域を広い範囲に定め、マトリックス解析やストリッピング法による解析を行うのが一般的である（文部科学省、1990）。ストリッピング法は補正波高分布の高エネルギーチャンネルに対応する単一ピークのレスポンス関数を補正波高分布から差引き、高エネルギーチャンネルの値をほぼ０にするという操作を逐次低エネルギー側に適用する手法である。レスポンス関数は検出系と線源の配置に固有のものである。レスポンス関数を決定するには、主に、１）実験的に決定する方法と２）モンテカルロシミュレーションによる方法がある（文部科学省、1990)。

図３は、実験的にレスポンス関数を決定した場合のストリッピング法の例を示す図である。コンプトン連続部のうち散乱した²⁰⁸Tlの放射線は低エネルギーの²¹⁴Biと⁴⁰Kのチャンネルのカウントに寄与する。散乱した²¹⁴Biは、⁴⁰Kのチャンネルにのみ寄与する。
Tl= Tl_０ (1)
Bi= Bi_０-α・Tl_０ (2)
K = K_０ -β・Tl_０ -γ・Bi (3)

上記の式において、サフィックスのゼロは、ウインドウ（各核種ごとに設定したチャンネル（ch）の幅）の全計数率（グロスカウント）を示す。α、β、γはストリッピング係数と呼ばれ、ウインドウの幅、検出器の大きさ、数、配置に依存するので、装置毎に各核種の標準線源を用いて実験で求める。コンプトン散乱線の影響を除いた²¹⁴Bi、⁴⁰Kを正味計数率（ネットカウント）と呼ぶ（図３）。ストリッピング係数は、地質、地形等により変化するが、一般的には固定して使われるので誤差の原因となる。

シンチレータには、NaI(Tl)結晶などの無機のアルカリハライド結晶以外に、有機の液体およびプラスチックの検出器がある。ある種の有機物には、放射線が入射すると、単一分子のエネルギー準位間での遷移によって螢光過程が生じる。これは分子の種類によって定まるもので、その物理的状態には依存しない（グレン、2001）。この性質は、NaI(Tl)のように規則的な結晶格子がシンチレーション過程の基礎になっている無機結晶シンチレータとは著しく異なる（グレン、2001）。有機シンチレータは、その成分が水素、炭素および酸素というZの低い成分より成るため、通常よく用いられるガンマ線エネルギーに対する光電効果の断面積は事実上ほとんどゼロに等しい。その結果、ガンマ線に対するパルス波高スペクトル（以下、「スペクトル」と称する）ではフォトピークが表れず、コンプトン散乱による連続スペクトルだけを生じる（グレン、2001）(2)。

また、ガンマ線の検出効率が低い（NaI（Tl）検出器の１／３〜１／４）。そのため、有機物のシンチレータは、これまでベータ線スペクトル測定と中性子測定用に用いられてきた（表２）。近年、有機物のシンチレータで、中性子とγ線とを識別できるものが見つかり、γ線と中性子との混合場でのγ線あるいは中性子の検出に用いられている。最もよく研究されているのはNE213 やBC501などの液体シンチレータで、これらはγ線を検出できるほか、陽子反跳法によって高速中性子も検出できる。NE213 やBC501などの液体シンチレータ検出器に関しては、中性子とγ線の分離法、中性子のエネルギーの測定法、γ線のエネルギーの測定法等に関してたくさんの研究がなされている。

例えば、工藤他(2001)は、熱中性子場で混在するγ線のエネルギー分布を正確に把握するために、天然のLiフィルターを外側に装着したNE213液体シンチレータを用いて、熱中性子場に混在するγ線エネルギー分布を測定し、ライズタイムと波高分布の2パラメータ測定によりγ線信号に起因する波高分布だけを切り出し、波高分布をGRAVELおよびMLEKE コード（HEPRO program package）でunfoldingすることにより、γ線のエネルギー分布を求めた。

核燃料サイクル機構では、臨界事故の発生を検知し速やかに退避警報を発生させることを目的とする臨界検出器として、γ線を検出するプラスチックシンチレータ（RD120）と中性子を検出する減速材付き核分裂検出器（RD624）を使用している。辻村ほか(2005)は、中性子とγ線とを単一の検出器で検出し、かつ、両者による合計の吸収線量を測定する臨界検出器を開発している。これは、プラスチックシンチレータと光電子増倍管からなる検出部とを、熱中性子捕獲線コンバータであるCd、さらに厚さ５ｃｍのポリエチレン減速材で覆うことによって検出器の外部から入射するγ線だけでなく、Cd(n，γ) 反応を利用して間接的に中性子も検出することができる検出器である。ポリエチレン減速材の厚さを５０ｍｍとし、厚さ１ｍｍのCdをプラスチックシンチレータと減速材の境界面と減速材表面から深さ３５ｍｍの二層に配置した構造である。しかしながら、この測定器ではγ線のエネルギーを弁別できない。

環境の放射線および放射性物質について、天然ならびに人工のγ線の核種別の内容を航空機やヘリコプターからの遠隔測定で把握する技術の要求が高まっている。原子力施設のモニタリングでは、γ線以外に、中性子に関する情報も得られる技術が要求される。従来の、放射能探査器は環境γ線を測定する装置であり、原子力施設の臨界事故で発生する中性子を航空機やヘリコプターから遠隔測定できる装置は存在しない。航空機やヘリコプターに、γ線スペクトルを測定する装置で高精度の測定をするためには、検出器の大型化と軽量化という、相反する要求が求められる。軽量の材質で、板状の検出器があれば、この要求に応えられる。

現在、ＮａＩ（Ｔｌ）検出器が、野外でのγ線スペクトルを測定する唯一の検出器と考えられている。しかし、NaI(Tl)検出器で大型化と軽量化とを行う場合には、以下の問題点がある。まず、ＮａＩ（Ｔｌ）シンチレーション検出器のＮａＩ（Ｔｌ）結晶は、湿気に対して潮解性を有するのでガラス窓（光学窓）を付けたアルミニウム容器に密封されており、これが検出器の高重量化の要因の１つになっている。また、このシンチレータは、熱的、機械的な衝撃を受けると破損しやすいので、野外での測定では取扱いに慎重さが要求される。一般に入手できるＮａＩ（Ｔｌ）結晶の寸法は3インチ（in）φ球または3inφ×3in、2inφ×2inのものが一般的であり、板状に加工することは、技術的、経済的に困難である。

表４に、よく用いられる無機シンチレータの特性を、表５に代表的有機シンチレータの特性を示す。アルカリハライドの比重は、NaI(Tl)の3.67からCsI(Tl)の.4.51まである。その他の無機質の検出器は、比重が4〜8である。ガラスシンチレーターは、2.64〜3.03でやや軽い。一方、有機液体シンチレータ（NE213）の密度は0.867、有機結晶（アントラセン）で1.25であり、無機シンチレータに比較して1/3〜1/4の密度である。

有機液体シンチレータは、γ線を伴う放射線場での中性子の計測に1960年代から用いられてきた。有機液体シンチレータでは、Nuclear Enterprise 社のNE213が特にγ線弁別性能が優れており、標準的な中性子検出器として使われている（Akimov、1996）。液体シンチレータを野外で使用する場合の問題点は、それらの毒性と、ほぼ室温に近い、かなり低い引火点である（Akimov、1996））。また、シンチレータ容器として、一般に、もろいガラスが使用されており、これも野外測定器としては問題である。また、容器を、鉄鋼かアルミニウムの金属にすれば、高重量になる。これらの理由から、有機液体シンチレータを野外調査に利用することは困難であると思われる。

プラスチックシンチレータ（以下、「PS」と称する。）は、有機シンチレータを溶媒に溶かした後、これを高分子化して固溶体としたものであり、液体シンチレータと同様の性質を示すが、液体に比べて容器を必要としないという利点がある。PSは細い線(fiber)から薄い板(sheet)まで任意の形状と寸法に加工できる。水、空気、多種類の化学薬品と反応しないので、放射性試料と直接接触させて使用できる。材料は安価なので、大体積の固体シンチレータが必要な場合、PS以外選択の余地がないことが多い（グレン、2001）。PSは、大型化と軽量化とが可能な唯一の検出器材である。

有機シンチレータ検出器によるγ線の測定で得られるスペクトルには、フォトピークが生じないことから、スペクトルのエネルギー校正や測定系のゲイン変動の監視を高い精度で実施することは難しく、測定結果に高い精度を期待できない場合が少なくない（門間ほか、1999）。スペクトルのエネルギー校正を十分に高い精度でしかも手軽に行うことのできる方法は未だ確立されていない。

従来から、有機シンチレータ検出器に対して用いられている最も簡単なエネルギー校正法は、適切なRI線源からのγ線を外部照射して得られるコンプトン反跳電子スペクトルのコンプトンエッジをエネルギー尺度として利用するものである（門間ほか、1999）。しかしながら、実際に観測されるパルス波高スペクトルはボケ（分解能による広がり）を含むものであるために、スペクトル上でコンプトンエッジを識別することは一般に困難である（門間ほか、1999）。

従来からスペクトル上のコンプトンエッジの位置を近似的に決定するための方法として、スペクトルの高さがピークに対して一定の比率となる位置を指定する方法がある。これは、パルス波高スペクトルにおいて、スペクトルピークの高さnpの0.5npから0.9npとなる位置がコンプトンエッジに良く対応するというものである。しかしながら、これらの推定値は、どの程度まで正しいものであるか判断する明確な根拠はない。門間ほか(1999）は、パソコン上に作成したノイズ（統計的変動）条件が異なる数組の独立したコンプトンスペクトルを対象に、スプライン関数を用いた平滑化を行ったデータを反復法と逐次近似法とによるデコンボリューションを行うことで、コンプトンエッジを抽出できることを示している。しかしながら、この検討は仮想的なノイズ発生器を利用した種々の異なるノイズ成分（統計的変動）をもつ擬似コンプトンスペクトルでの検討であり、実際の測定データに基づいていないこと、想定する分解能を達成することは困難であること、また、平滑化の係数はノイズの程度により変える必要があること、反復1回でも計算（PentiumII（266MHz）で）に、数秒程度の時間を要することなどの問題がある。

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航空機、ヘリコプターなどによる高空からの高精度放射能探査装置を開発するために、検出器の大型化と軽量化とが可能であり、中性子とγ線との両方が測定可能なPS検出器を利用する必要がある。これまでPS検出器が、環境γ線測定に利用されていない理由は、光電子増倍管（PMT）の動作の不安定性（ゲイン変動）が主因となって、信頼性の高い測定器になり得なかったことであると考えられる（山下、河田、1983）。PS検出器を放射能探査装置の検出器とするための技術的課題としては、１）ゲイン変動を監視、２）中性子−γ線分離、３）γ線のエネルギー弁別（γ線スペクトメトリー）の方法を提供することである。

まず、ゲイン変動の監視法の開発について説明する。検出器のゲインは高圧電源の出力電圧の変動、温度変化その他の影響でNaI(Tl)検出器で数％から10％近くまで変動する。後述するように、PS検出器では、これらの影響は更に大きい。野外の長時間の環境γ線測定では、できるだけドリフトの少ない装置を開発する必要があるが、ゲイン変動をモニタリングし、ゲインスタビライザーにより変動を自動調整する装置の開発が不可欠である。ゲイン変動のモニタリングは、多くの場合、パルス波高スペクトルに適当な基準ピークを導入することにより解決されるが、パルス波高のエネルギー校正を十分に高い精度でしかも手軽に行う方法は未だ確立されていない。

次に、放射能探査に最適なPSの選定について説明する。コンプトンエッジの正確な位置は、検出器の寸法、分解能等の種々の要因に依存する（山下、1981）。そのため、現在市販されているPS（下記表６）から、中性子とγ線とが検出可能な材料を選択する必要がある。PSでγ線の相互作用を起こさせるために極端に薄い検出器を作ることはできない。この厚さによりPSの重量がきまるため、プラスチックの質、シンチレーターの種類の選択が軽量化の重要なポイントになる。

次に、ライトガイドの形態について説明する。平板状の検出器では、シンチレータ検出部より小さい受光部の光電子増倍管を用いる必要がある。そのため、シンチレータと光電子増倍管との接合部のライトガイドをどのような形態にするかが重要になる。

中性子とγ線とを分離するための装置について説明する。有機液体シンチレータでは、発光の減衰時定数（３.７ｎｓ程度）がエネルギー付与dE/dX の差によって異なることを利用して、この減衰時間より時定数の大きい光電増倍管出力回路により立ち上がり時間分析を行うことで粒子弁別が行われている。この方法は、パルス波形弁別(pulse shape discrimination)と呼ばれ、これまで有機シンチレータを中性子検出器として使用する場合にガンマ線が誘起する事象を取り除く方法として検討されているものの、有効な方法は開発されていない（グレン、2001)。この方法は、スペクトルをモンテカルロ法によりアンフォールディングする方法であり、MATXUF、FERDOR/COOLC、SCINFUL-CGなどの計算コードが開発されているが、検出器形状や測定条件の制約があり、室内の安定した状態での測定に使用するものであるので、放射能探査のような厳しい測定現場では適用しにくい。本発明では、システムの構成を検討することにより中性子とγ線を分離するための装置を提供する。

次に、γ線のエネルギー弁別を行うために測定スペクトルを解析する技術開発について説明する。PSでγ線のエネルギーを弁別する一般的な方法は、スペクトルをモンテカルロ法によりアンフォールディングする方法であり、MATXUF、FERDOR/COOLC、SCINFUL-CGなどの計算コードが開発されているが、環境γ線を弁別した例はない。

本発明は、従来のNaI(Tl)検出器のようにγ線のスペクトルを分析できる上に、速中性子の測定も可能であり、また、検出器の価格が、NaI(Tl)検出器に比較して安価であり、軽量大型の検出器を提供することを目的とする。

本発明は、例えば、天然に存在するγ線核種（⁴⁰Ｋ、²¹⁴Ｂｉ、²⁰⁸Ｔｌ）、原子力発電の過程で生成される人工γ線核種、中性子を、飛行機、ヘリコプターなどを利用して、例えば高空から遠隔で測定するための、軽量であり、かつ、大型化が可能なプラスチックシンチレータ検出器および周辺装置（測定値を補正等する演算回路等）からなる放射能探査装置の構成に関するものであり、大型平板状シンチレータと光電子増倍管接合部のライトガイドの形態を有する。この装置により中性子とγ線とを分離することができる。また、遠隔測定でゲインをモニタリンスするためのスペクトルとを解析すること、遠隔測定で取得したスペクトルからγ線のエネルギーを分離し特定の情報を抽出することができる。

本発明の一観点によれば、プラスチックシンチレータを検出器とした放射能探査装置であって、中性子とγ線とが異なる透過能を有することを利用して、中性子とγ線とを分離する放射能探査装置において、第１の厚さを有する第１のプラスチックシンチレータを備えた中性子検出器と、第２の厚さを有する第２のプラスチックシンチレータを備えたγ線検出器と、前記第１と第２の２つのプラスチックシンチレータ間に挟み込まれた中性子吸収部と、を有する３層の構造を備えることを特徴とする放射能探査装置が提供される。

前記第１の厚さは、前記中性子吸収部と協働して中性子を吸収する厚さ以上であり、前記第２のプラスチックシンチレータに中性子フリーのγ線のみを到達させるようにすることが好ましい。

例えば、中性子検出用PSはBC-412PS厚さ５ｍｍ、γ線検出用PSは、厚さ５０ｍｍとする。中性子吸収部は、ホウ素含有プラスチックであっても良い。地上からの中性子とγ線とは、最初の検出器である５ｍｍ検出器に入射するが、¹³⁷Ｃｓの６６７ｋｅＶ以上のエネルギーのγ線は５ｍｍ厚の検出器と中性子吸収部とを通過し、５０ｍｍの検出器でPSと相互作用を起こし、シンチレーションを発する。中性子は、５ｍｍ厚の中性子検出器でシンチレーションを発し、ほとんどのエネルギーを消耗する。５ｍｍ検出器を通過した一部の中性子は、中性子吸収部で吸収されるため、５０ｍｍ検出器に中性子は到達しない。従って、５０ｍｍの検出器には、中性子フリーのγ線のみが到達する。

さらに、前記中性子検出部と、前記γ線検出部と、のそれぞれにより検出された第１及び第２の検出信号に基づいて、それぞれの信号を判別する判別部と、デジタル値から波高分布を保存する保存部と、を備えることが好ましい。

また、前記３層の構造に取り付けられた前記第１及び第２のプラスチックシンチレータを平板状に加工し、シンチレーションを光電子増倍管へ誘導するライトガイド構造であって、前記第１及び第２のプラスチックシンチレータの角部であって２面に接する位置に取り付けられていることを特徴とするライトガイド構造を備えていることが好ましい。

前記プラスチックシンチュレータは、BC-412検出器であり、該BC-412検出器と²⁵²Ｃｆ線源との距離と、バックグランドと各スペクトルの計数の差に基づいて高速中性子を検出することが好ましい。ここで、中性子からの計数を下記の式に基づいて行うことが好ましい。

ここで、ｆはカットオフのチャンネルである。E(Ch)は、各チャンネルの計数、BG(Ch)はバックグランドの各チャンネルの計数である。

さらに、γ線と中性子とを光エネルギーに変換する検出器を有するプラスチックシンチレータと、光信号を電気信号に変換する光電子増倍管と、前記プラスチックシンチレータと前記光電子増倍管との間に設けられ、前記検出器の光を光電子増倍管へ導くライトガイドと、前記光電子増倍管からの電気信号を増幅するプリアンプと、を有する放射能検出部と、該放射能検出部からの２つの信号のノイズ成分を除去し、パルス信号を整形する波形整形アンプと、該波形整形アンプからの２つの信号のタイミングを検出して同時に来たか否かを判別するアンチコインシデンス回路と、該アンチコインシデンス回路からの２つの信号の判別とデジタル値から得たパルス波高の分布とを記憶する制御回路部と、を有することを特徴とする放射能探査装置が提供される。

さらに、前記パルスの波高をＡＤコンバータでデジタル値に変換する波高分析器と、サンプリングタイミング毎に、前記制御回路部のＣＰＵ（制御回路）からメモリーされたパルス波高の分布データを取得するデータ収集回路と、を有することが好ましい。

さらに、前記データ収集回路からのデータを送信するデータ送信回路と、各回路に送る電源からの入力を各回路が必要な電圧に変換し、各回路に供給する電源制御回路と、前記検出器の後段に設けられる前記光電子増倍管に前記プリアンプを通して高圧電源を供給する２チャンネルバイアス電源装置と、前記データ送信回路から送られてくるデータを受け取るデータ受信回路と、を有することが好ましい。

また、上記に記載のプラスチックシンチレータのパルス波高のエネルギー校正装置であって、チャンネル毎の各計数データを入力として、まず、測地値−バックグランド値＝計数値を演算するステップと、計数値が正か否かを判定するステップであって、判定結果が負の場合には計数値を０とし、正の場合にはそのまま、計数値を対数に変換するステップと、ノイズ除去のために対数変換値の複数チャンネルの移動平均により平滑化するステップと、ｎ−チャンネルの平滑化値とｎ−１チャンネルの平滑化値の差（微分値）を計算するステップと、微分値の前記複数チャンネルの移動平均により平滑化するステップと、微分法によるエネルギー校正を行うステップと、を実行する校正回路を有することを特徴とする放射能探査装置が提供される。これらの処理手順により、PSのパルス波高のエネルギー校正を十分に高い精度でしかも手軽に行うことができる。

前記エネルギー校正結果に基づき、１）コンプトンストリッピング法、２）微分曲線面積法、３）人工グロスカウント比（VMMGC）法によりγ線のエネルギーを分離することを特徴とする。コンプトンストリッピング法は、ＰＣ検出器のスペクトルを解析する。２ＭｅＶ以下のエネルギー領域のスペクトルは、様々な核種のコンプトン散乱スペクトルが重なって合成されたスペクトルになっている。

上記に記載の放射能探査装置と、該放射能探査装置を遠隔操作し、遠隔測定によるゲインをモニタリンスするための遠隔操作装置であってスペクトルを解析するスペクトル解析部を有する遠隔操作装置と、を有することを特徴とする放射能探査システムであっても良い。前記放射能探査装置が放射能を検知すると、前記スペクトル解析部が解析処理を開始することを特徴とする。

プラスチックシンチレータは、γ線のフォトピークが形成されないので、エネルギーは弁別する測定器として利用されたことはなかった。したがって、遠隔測定に関するクレームがあるとすると、ＮａＩ検出器へのクレーム（重い、壊れやすい、高価）であり、プラスチック検出器を利用しようという発想はこれまでなかった。プラスチック検出器の遠隔操作利用例としては、スイッチとしての利用（中性子やγ線が測定器に入射されたことを検知し、測定装置を起動させるなど）が好ましい。

本発明によれば、従来のＮａＩ（Ｔｌ）検出器のようにγ線のスペクトルを分析できる上に、速中性子の測定も可能である。また、検出器の価格が、ＮａＩ（Ｔｌ）検出器に比較して安価であり、軽量大型の検出器の製造を可能とするという利点がある。

以下、本発明の実施の形態による放射能探査技術について図面を参照しながら説明を行う。

コンプトンエッジに注目し、以下に説明する方法（「微分法」と称する。）でスペクトルの校正をする。図４は、微分曲線作成手順のフローチャート図である。図４に示す手続きにより微分曲線を求める。1〜1024チャンネル（ch）までの各計数データを入力して、まず、ステップＳ１において、１）測地値−バックグランド値＝計数値を演算する。次いで、ステップＳ２において、２）計数値が正か否かを判定する。ステップＳ２の判定結果が負及び０の場合には（Ｎｏ）、ステップＳ８に進み、計数値を０とし、ステップＳ３に進む（非負値の条件）。ステップＳ２で正の場合には（ＹＥＳ）、そのままステップＳ３に進む。ステップＳ３において、３）計数値を対数に変換する。ステップＳ４において、４）ノイズ除去のために対数変換値の４０ｃｈの移動平均により平滑化し、ステップＳ５において、５）n-chの平滑化値とn-1-chの平滑化値の差（微分値）を計算する。次いで、ステップＳ６において、６）微分値の40chの移動平均により平滑化する。実際測定では、測定器周辺に⁴⁰K、²¹⁴Bi、²⁰⁸Tlの線源からのγ線を外部照射し、恒に３核種のコンプトンエッジを強調し、３核種のコンプトンエッジエネルギーでエネルギー校正する。次いで、ステップＳ７において、微分法によるエネルギー校正を行う。ステップＳ８では、計数値が負及び０の場合は、０とし（非負値の条件）ステップＳ３に進む。

以上の処理手順により、PSのパルス波高のエネルギー校正を十分に高い精度でしかも手軽に行うことができる。

表６は、市販のプラスチックシンレータの特性一覧を示す表である。この表の中から、PSからの光出力が高く、減衰距離の長いBC-400(NE-102)、BC-408、BC-412(NE-110)の3種類を選定し、これらのシンチレータを使った25cm×25cm×5cmの検出部と光ガイドからなる検出器を試作し、¹³⁷Cs（0.02MBq）と²⁵²Cf線源（0.5MBq）とからのγ線と高速中性子とを測定し、測定結果と3インチNaI検出器のスペクトルの比較からγ線測定に関して有効なPSを検討した。また、²⁵²Cf線源からの距離を変化させた測定から、中性子測定の精度を検討した。

図４に示す微分法のエネルギー校正結果に基づき、次の３つの方法：１）コンプトンストリッピング法、２）微分曲線面積法、３）人工グロスカウント比（VMMGC）法でγ線のエネルギーを分離する。

コンプトンストリッピング法は、以下に説明するように、ＰＣ検出器のスペクトルを解析する。２ＭｅＶ以下のエネルギー領域のスペクトルは、様々な核種のコンプトン散乱スペクトルが重なって合成されたスペクトルになっている。図５は、環境で測定できるγ線の核種¹³⁷Cs，⁴⁰K，²¹⁴Bi，²⁰⁸Tlのコンプトン散乱スペクトルとそれらの合成スペクトルの概念図である。横軸はチャンネル番号、縦軸はｎ（Ｃ）である。
環境で測定できるγ線の核種は、⁴⁰K、²¹⁴Bi、²⁰⁸Tl と、原子力施設周辺の¹³⁷Csで構成されていると仮定すると（図５（ａ））、このパルス波形を核種毎に区分すると、図５（ｂ）にように分離することができる。

図６は、コンプトン散乱法を説明する概念図である。図６（ａ）に示すように、１核種からのコンプトン散乱によるパルスは、コンプトンエッジを含む凸部（エッジ部）と、それより低エネルギー側のコンプトンプラトー（プラトー部）からなっている。合成されたスペクトルで（図６（ｂ））、aからfまでのチャンネル番号（ch位置）がわかれば、核種毎のコンプトン散乱計数を知ることができる。

ここで、aは²⁰⁸Tlのエッジ部の高エネルギー側の始点のチャンネルである。このチャンネルの計数をC(a)_Tlと書く。aチャンネル以上の高エネルギー部の計数は宇宙線からのγ線の影響である。bは²⁰⁸Tl のエッジ部の低エネルギー側のチャンネルであり、²¹⁴Biのエッジ部の高エネルギー側の始点のチャンネルである。このチャンネルの計数をC(b)_Tlと書く。ｃは²¹⁴Biのエッジ部の低エネルギー側のチャンネルであり、²⁴⁰Kのエッジ部の高エネルギー側の始点のチャンネルである。このチャンネルの計数をC(c)_Biと書く。dは⁴⁰Kのエッジ部の低エネルギー側のチャンネルであり、¹³⁷Csのエッジ部の高エネルギー側の始点のチャンネルである。このチャンネルの計数をC(d)_Kと書く。eは¹³⁷Csのエッジ部の低エネルギー側のチャンネルである。このチャンネルの計数をC(ｅ)_Csと書く。ｆはカットオフのチャンネルであり、これより下のチャネル番号では、計数が急激に減少する。カットオフのチャンネルは測定器に固有のチャンネルである。

a〜ｅのチャンネルは、スペクトルの微分曲線の谷の位置から決定する（図６上図）。²⁰⁸Tlのコンプトンエッジ部の計数には、宇宙線からのγ線の影響C(a)_Tl×(a-b)があるので、この影響を除去するために、計数から差し引く。²⁰⁸Tlのプラトー部分にも、宇宙線からのγ線の影響C(a)_Tl×(b-f)があるので、これを差し引く。その結果、は、²⁰⁸Tlのみの計数は、下記の式（１）のように表せる。同じように、²¹⁴Bi、⁴⁰K、¹³⁷Csのネットの計数は、それらの核種より高エネルギーの影響を差し引くことにより、それぞれ、下記式（２）から式（４）のように表すことができる。

微分曲線面積法は、微分曲線によるエネルギー校正後の、コンプトンエッジの凸部分の微分曲線の面積を計測するものである（図７（ａ）：微分曲線面積法の解析原理を示す概念図）。図７（ｂ）は、¹³⁷Cs線源から１ｍ、２ｍ、３ｍ、４ｍ、５ｍだけ離れた場合の微分曲線を重ね合わせた例を示す図である。横軸はチャネル数、縦軸は変化率である。¹³⁷Cs線源からの線量は、dとeチャンネル間の微分曲線式をＤ(Ch)、dとeチャンネル間のバックグランドの微分曲線式BG(Ch)とすると、下記の式(５)で示される。

ここで、αは実験から求められる微分面積と線量の間の関係計数である。
Rybachaほか(2001)は、スイスの原子力発電所の放射線漏洩のモニタリングのための指標として、人工グロスカウント比：VMMGCを提案している。彼らはこの指標をNaI(Tl)検出器によるスペクトルに基づき、下記（６）式のように定義している。

MMGC比（VMMGC）の分子は、人工放射同位体の低γ線エネルギーの範囲で、400keV〜1400keVの計数の合計値である。分母は、⁴⁰K、²¹⁴Bi、²⁰⁸Tl と宇宙線からのγ線エネルギー区間（1400keV〜3000keV）の計数の合計値である（図１参照）。PS検出器のスペクトルデータにおける、人工グロスカウント比（CMMGC）は、次式で定義される。

dは2⁴⁰Kのエッジ部の低エネルギー側のチャンネルであり、¹³⁷Csのエッジ部の高エネルギー側の始点のチャンネルで、これより低エネルギー側が人工放射同位体の低γ線エネルギーの範囲である。

次に、検出器の選定について説明する。
BC-400(NE-102)、BC-408、BC-412(NE-110)のγ線に対する応答を発光量と減衰の観点から検討してみる。BC-400は発光量であるアントラセン比：0.65、減衰量：250cm（表６）からシンチレータの中心からライトガイドまでの長さ125cmを考えてフォトマルの受け取る光量の相対値Xは、
BC-400：X400＝0.65×exp(-125/250)＝0.395
である。同じようにBC-408と412とは、
BC-408：X408＝0.64×exp(-125/380)＝0.461
BC-412：X412＝0.60×exp(-125/400)＝0.439
となり、BC-408と412とが、BC-400より大きな光量を得られる。

図８は、プラスチックシンチレータの選定試験の検出器の概略を示す図である。図８に示すように、その左側上の４つの“＊”印は、選定するときにγ線源を４つの位置に置いて測定したことを示している。左側下図は、検出器部及び回路のブロックを示しており、それぞれ、プラスチックシンチレータ１１、ライトガイド１３、フォトマルチプライア１５、プリアンプ１７、バイアス電源２１、波形整形アンプ２３・２５、ＰＨＡ（１）２７・（２）３１、タイミング検出回路３３、データ収集・表示器（パーソナルコンピュータ）３５を有して構成されている。

右側図は、プラスチックシンチレータ検出器部のおよその形状とプリアンプ１７までの構成例を示す図である。

図９（ａ）、（ｂ）は、ＮａＩ（Ｔｌ）検出器とPS検出器とで測定した場合の、オリジナルな測定スペクトルデータを示す図である。これらのスペクトル図は、各チャンネル毎に検出されたデータ数を示す頻度分布図である。より詳細に説明すると、図９は、図８に示すプラスチックシンチレータの選定試験の検出器（φ3インチＮａＩ（Ｔｌ）検出器とＰＳ検出器）とで、¹³⁷Ｃｓ線源（０．０２ＭＢｑ）を測定した時に得られたスペクトルを示す図である。横軸はチャネル（１０２４ｃｈ（１〜３ MeＶ）、縦軸は１０００秒間の計数である。ＮａＩ（Ｔｌ）検出器のスペクトル（図９（ａ））では、¹³⁷Ｃｓ：６６２ｋｅＶの光電効果部分が２００ｃｈに、コンプトンエッジが１３０ｃｈ付近に現れている。¹³⁷Ｃｓからの６６２ｋｅＶのフォトピーク以外に、環境同位体である⁴⁰Ｋ：１４６１ｋｅＶ、²¹⁴Ｂｉ：１７６４ｋｅＶ、²⁰⁸Ｔｌ :２６１５ ｋｅＶ のフォトピークも、４３０ｃｈ、５２０ｃｈ、７７０ｃｈに現れている。

ＢＣ−４１２のＰＳ検出器のスペクトル（図９（ｂ））では、１３０ｃｈ付近にコンプトンエッジのピークが存在する。ＢＣ−４００とＢＣ−４０８のPS検出器のスペクトル（図９（ｂ））は、ほぼ同じスペクトルを示し、コンプトンエッジが１００ｃｈ付近に現れている。

図１０は、ＢＣ−４００、ＢＣ−４０８、ＢＣ−４１２のＰＳ検出器のスペクトルを微分曲線に変換した例を示す図である。各ＰＳ検出器の微分曲線では、¹³⁷Ｃｓのコンプトンエッジが明瞭なピークとして抽出されている。環境同位体である⁴⁰Ｋ、²⁰⁸Ｔｌのコンプトンエッジも抽出できていることがわかる。特に、ＢＣ−４１２は、ＢＣ−４００、ＢＣ−４０８よりも明瞭に²⁰⁸Ｔｌのコンプトンエッジを抽出できていることがわかる。

図１１は、ＢＣ−４１２の¹³⁷Ｃｓ、⁴⁰Ｋ、²⁰⁸Ｔｌのコンプトンエッジのエネルギー（横軸）とチャンネル（ｃｈ）との校正結果を示す図である。ＢＣ−４１２プラスチック検出器のエネルギー校正においては直線関係があり、例えば、ＰＳ５０のchとエネルギーの関係式の決定係数は０．９９６であり、充分な精度を有していることがわかる。従って、エネルギー弁別という観点からみた検出器としては、ＢＣ−４１２が適していると言える。

図１２は、ＢＣ−４１２検出器に対し、²⁵²Ｃｆ線源を３０ｃｍ、９０ｃｍ、２１０ｃｍ、４５０ｃｍだけそれぞれ離した場合の平滑化したスペクトルの変化と、バックグランドと各スペクトルの計数の差と、を示す図である。²⁵²Ｃｆ線源は、数ＭｅＶにピークを持つＭａｘｗｅｌｌ 型の幅広いエネルギースペクトルを有するので（図１３参照）、０〜３ＭｅＶのスペクトルではバックブランドである自然の⁴⁰Ｋ：１４６１ｋｅＶ、²¹⁴Ｂｉ：１７６４ｋｅＶ、²⁰⁸Ｔｌ:２６１５ｋｅＶ のγ線スペクトルに隠れて明瞭なピークは示さない。しかしながら、図１２内の棒グラフで示したように、距離と計数値との間には明瞭な関係があり、ＰＳ検出器で高速中性子が検出できているのがわかる。中性子からの計数は以下の式（８）で示される。

ここで、ｆは、カットオフのチャンネルである。Ｅ（ｃｈ）は、各チャンネルの計数、ＢＧ（ｃｈ）はバックグランドの各チャンネルの計数である。これらの実験から、検出器としてはＢＣ−４１２が適していると判定した。

次に、中性子とγ線とを分離するための装置の構成について説明する。速中性子とγ線とが異なる透過能を有することを利用して、中性子とγ線とを分離する。使用する装置は、中性子検出用ＰＳ３６とγ線検出用ＰＳ３１の２検出器と、２検出器３６・３１の間に中性子吸収部３２を挟み込む３層の構造としたものである（図１４参照）。

図１４Ａの左上図は、検出部の側面図であり、左下図は、検出部を上から見た図である。右図は、制御回路（計測部）である。
図１４Ａに示す装置は、検出部と計測部との２つの構成に大別される。検出部は、ＰＳ３１・３６と、ライトガイド３３ａ・３３ｂと、ＰＭ部３５ａ・３５ｂと、プリアンプ部３７ａ・３７ｂと、を有している。ＰＳ（プラスチックシンチレータ）３１・３６は、それぞれγ線と中性子とを光エネルギーに変換する。ライトガイド３３ａ・３３ｂは、検出された光を光電子増倍管３５ａ・３５ｂへと導く機能を有する。光電子増倍管３５ａ・３５ｂは、光信号を電気信号に変換する。プリアンプ部３７ａ・３７ｂは、光電子増倍管３５ａ・３５ｂの電気信号を増幅する機能を有する。ホウ素入りパラフィン３２は、５ｍｍ検出器３６を通過した中性子を吸収させる機能を有する。

新規な回路構成を有する計測部は、検出部側から順番に以下のように配置・構成されている。すなわち、計測部は、不必要なノイズ成分を除去し、以降の回路が信号処理可能になるように、例えば、約２μ秒幅のパルスに整形する波形整形アンプ３９ａ・３９ｂであって、プリアンプ３５ａ・３５ｂからの信号を増幅し、２種類のガウシアン波形整形を行う。中性子とγ線との分解能をあげるために、高速波形整形と低速波形整形との両方の整形回路を備えたアンプである。ＰＨＡ（波高分析器）４１ａ・４１ｂは、パルスの波高をＡＤコンバータでデジタル値に変換する装置である。

アンチコインシデンス回路４３は、ＰＨＡ４１ａ・４１ｂから入力された２つの信号のタイミングを検出して同時に入力されたか、異なるタイミングで入力されたか否かを判別する。

制御回路部（ＣＰＵ）４５は、入力された２つの信号の判別とデジタル値から波高分布を記憶とを行う。データ収集回路４７は、例えば一定の時間毎にＣＰＵ（制御回路）４５から、そこに記憶された波高分布のデータを受け取り，後段のデータ送信回路５１に送る装置である。

２チャンネルバイアス電源５７は、検出器の直後におかれた光電子増倍管３５ａ・３５ｂに対してプリアンプ３７ａ・３７ｂを通して高圧電源を供給する装置である。データ受信回路６１は、例えば衛星電話を通して送られてくるデータを受け取り、表示及び記録する装置である。電源制御回路５５は、電池電源５３からの入力を各回路が必要な電圧に変換して、各回路に供給する装置である。

信号の流れは、以下のようになる。５０ｍｍ検出器３１→ライトガイド３３ａ→光電子増倍管３５ａ→プリアンプ３７ａ→アンプ３９ａ→ＰＨＡ（コンバータ）４１ａ→アンチコインシデンス回路４３→ＣＰＵ４５→データ収集回路４７→データ送信回路５１→出力。

５ｍｍ検出器３６→ライトガイド３３ｂ→光電子増倍管３５ｂ→プリアンプ３７ｂ→アンプ３９ｂ→ＰＨＡ（コンバータ）４１ｂ→アンチコインシデンス回路４３→ＣＰＵ４５→データ収集回路４７→データ送信回路５１→出力。

中性子検出用ＰＳはＢＣ−４１２ＰＳ厚さ５ｍｍ、γ線検出用ＰＳは、厚さ５０ｍｍである。中性子吸収部３２は、ホウ素含有プラスチックである。地上からの中性子とγ線とは、最初の検出器である５ｍｍ検出器３６に入射するが、¹³⁷Ｃｓの６６７ｋｅＶ以上のエネルギーのγ線は５ｍｍ厚の検出器３６と中性子吸収部３２とを通過し、５０ｍｍの検出器３１でＰＳと相互作用を起こし、シンチレーションを発する。中性子は、５ｍｍ厚の中性子検出器３６でシンチレーションを発し、ほとんどのエネルギーを消耗する。５ｍｍ検出器３６を通過した一部の中性子は、中性子吸収部３２で吸収されるため、５０ｍｍ検出器３１に中性子は到達しない。従って、５０ｍｍの検出器３１には、中性子フリーのγ線のみが到達する。

プラスチックは、水素と炭素とを含んでいる。図１４Ｂは、プラスチックが水素と炭素とから構成されているとし、Ｈ（水素）−断面積とＣ（炭素）−断面積とを、既存の文献（放射線計測ハンドブック第３版”のｐ．６３０の図１５．１５）の図から読みとり、計算した各部分の中性子エネルギーと吸収率との関係とした図である。４ＭｅＶ以下のエネルギーの中性子のほとんどは、５ｍｍ厚の中性子検出器３６と中性子吸収部３２とで吸収され（Ａ１・Ａ２）、５０ｍｍの検出器３１には到達していない（Ａ３）ことがわかる。

次に、ライトガイドの形態について図１５を参照しながら説明を行う。選択したPSを平板状に加工し、シンチレーションを光電子増倍管へ誘導するライトガイドを形成した。一般的には、検出器の1面から光を収集するライドガイドが採用されているが、検出器の2面から光を収集するライドガイドとしている。図１５に示すように、ＰＳの角部であって２面に接する位置に、ライトガイドとフォトマルとを形成した。これにより、２面から光りを収集することができる。下図は、Ａ方向から見た構成を示す図である。
以下に、本発明の実施例について説明する。

図１５に示すように、ＢＣ−４１２ＰＳ中性子検出器（以下「ＰＳ５」と称する。）として、５ｍｍ（厚さ）×５００ｍｍ×５００ｍｍ、ＢＣ−４１２ＰＳのγ線検出器（以下「ＰＳ５０」と称する。）として５０ｍｍ（厚さ）×５００ｍｍ×５００ｍｍのシンチレータと光電子増倍管をライドガイドで接続した検出器を試作した。ライトガイドは、正方形の検出器（ＰＳ）の１隅を切り取り、検出器の２面から光を収集するライドガイドの構造としている。検出器は、外部からの光が入射しないように黒い遮光テープで包装し、シリコンオイルで接合した。図１４に示す中性子吸収部には、１０％ホウ素入りポリエチレンブロック（２００×１００×５０ｍｍ）を、検出器間に敷き詰めた。エネルギー校正のために、¹³⁷Ｃｓ、⁴⁰Ｋ、²⁰⁸Ｔｌの線源を測定器付近に置き、線源からのγ線を検出器に外部照射し、これらの核種のコンプトンエッジエネルギーでエネルギー校正を行った。

図１６に示すように、試験測定は、高さ９ｍの上屋屋内プール（５０ｍ×２５ｍ）の中心に電動リフトで測定システムをつり下げ、コンクリート床に置いた線源を測定し、γ線と中性の分布を観測した。γ線の線源として¹³⁷Ｃｓ（１．８ＭＢｑ）を、中性子の線源として²⁵²Ｃｆ線源（０．５ＭＢｑ）を、⁴⁰Ｋの線源としてカリ肥料（１０袋/１０ｋｇ、２．０ＭＢｑ）を使用した。

尚、図１６（ａ）に示す写真の奥の約６０ｃｍ四方の白いシートの下がプラスチックシンチレータであり、その手前の黒い部分がフォトマルチプライアとプリアンプである。図１６（ｂ）に示す右のケースにおいては、図では色は付されていないが赤色パネルのものが２チャンネルバイアス電源、緑色パネルのものは２台のアンプである。左のケースには青いパネルのものが２台のＰＨＡ、黄色のパネルのものはタイミング回路（出力回路を兼ねる）である。

図１７は、¹³⁷Cs線源からの高度によるCs-γ線の減衰の関係を示す図である。ｘ軸は¹³⁷Ｃｓ線源からの高度差を、y軸は、高度差1ｍでのコンプトンストリッピング法、微分曲線面積法、人工グロスカウント比（ＶＭＭＧＣ）法で解析したCs-γ線のエネルギーを１とした場合の、減衰比率である。高度差３ｍまでは、直線関係で減衰しているが、高度差４ｍ、５ｍでは、γ線が屋根で散乱するために、直線関係が乱れてくる。そのため、性能試験では、高度差３ｍで固定し、地上からの線源の距離により、計数がどのように変化するかを求めた。コンプトンストリッピング法、微分曲線面積法、人工グロスカウント比（ＶＭＭＧＣ）法のいずれもほぼ同様の特性を示し、かつ、線源からの高度によりCs-γ線の減衰が生じていることがわかる。

図１８は、３ｍ上空から、１０ｍ四方の範囲に設けられた測定点と線源との関係を示す図である。実際の測定では、測定点を固定し、線源を移動させた。

図１９は、３ｍの高度から、²⁵²Ｃｆの点線源を、ＰＳ５とＰＳ５０とで測定したときのスペクトルの微分曲線を示す図である。ＰＳ５０の微分曲線（図１９右図）には、検出器付近に置いた¹³⁷Ｃｓ、⁴⁰Ｋ、²⁰⁸Ｔｌ線源の３つのピークが表れている。微分曲線は、北測線を測定したｎ１〜ｎ６までと、南東方向を測定したｓｅ1〜ｓｅ6までの２測線にまとめられる。これについては後述するゲインのジャンプが起こったためである。図１９左図は、ＰＳ５で測定したスペクトルの例を示している。ＰＳ５の微分曲線には、これらの３線源からのγ線を示すピークは表れていない。このことは、３線源からのγ線はＰＳ５を貫通してしまい、相互作用を示さなかったことを示している。

図２０右は、有機液体シンチレータ（ＮＥ−２１３）検出器による²⁵²Ｃｆのスペクトルの例（Bo Nordell、1984）を示す図である。ＰＳ５のスペクトルの形態は（図２０（ａ）左図）、有機液体シンチレータ（ＮＥ−２１３）検出器のスペクトル（図２０（ｂ）右図）と同じ形態を示すことがわかる。

図２１は、²⁵²Ｃｆ点線源の３ｍ上空からの²⁵²Ｃｆの中性子分布図を示す。式(8)により²⁵²Ｃｆ点線源位置が明瞭に測定されている。ここで、図２１は、図１８の測定位置と中性子線源の関係において、PS５で測定し，式(8)：測定値−BG（線源を置かなかったときの測定値）を，計算値をＸ，Ｙ軸（測定位置），Ｚ軸（計算値：測定値−ＢＧの値）でプロットした。

測定中の温度はモニタリングされていないが、ガラス張りの屋内プールの室温は、１８℃〜３０℃程度まで変化していた。図２２は、試験開始後の時間経過を示す図であり、⁴⁰Ｋのγ線のコンプトンエッジのエネルギーチャンネルが、どのように変化したかを示している。⁴⁰Ｋのγ線のコンプトンエッジのエネルギーチャンネルは、１７０分で３３５から３２０チャンネルに変化している。このような遷移的に生じるゲインの変化では、エネルギーに対応するチャンネルは低エネルギー側へシフトする傾向がある。この変化は、測定器周辺の温度変化に関係していると推測される。

図２３（ａ）は、上空３ｍから¹³⁷Ｃｓ線源を測定した１測線の微分曲線を重ね合わせて、ゲインを補正した例を示す図である。¹³⁷Ｃｓのコンプトンエッジがある１６０チャンネル付近に注目すると、最初の測定である１ｍ距離からの微分曲線のピークの位置から、距離が離れるにつれて低エネルギー側にピーク位置がシフトしているのがわかる。図２３（ｂ）は、¹³⁷Ｃｓ、⁴⁰Ｋ、²⁰⁸Ｔｌのコンプトンエッジのチャンネル位置を最初の測定位置に固定するように補正した結果を示している。このように微分曲線を使うことで、ゲインの変動を補正できる。

従来法のNaI検出器のゲイン補正では、参照する微弱な参照γ線（例えば¹³⁷Ｃｓ線源662keVフォトピーク）を常に測定器に照射しておいて（参照線源を内蔵させる）、このピーク位置を追跡する（最初に、６６２ｋｅＶのchが１００ｃｈであるとすると、このchが９５ｃｈに減少すれば，測定器の電圧を上げ，増加すれば電圧を減少させる）。しかし、PSでは、フォトピークが形成されないために、参照γ線のスペクトルを、一旦、微分曲線に変換し、コンプトンエッジを強調したピークを追跡する。

尚、自動補正システムを用いない場合には、測定後に微分曲線を計算し、参照ピーク位置が常に同じチャンネルになるようにマニュアルでch位置を平行移動（１００ｃｈのピーク位置が９５ｃｈに移動したら、全てのチャンネルを−５ｃｈ下方修正）する方法で補正しても良い。自動化のために、例えばＬＥＤを参照エネルギーとした補正と微分曲線による補正との両方又はいずれかを自動化することができる。

図２４Ａ（ａ）は、ゲインの変動が、ジャンプするように起こっている場合を示す図である。図２４Ａでは４０回の測定の測定結果を微分曲線で示している。ゲインの変動は、３回生じている。このような場合にも、微分曲線によりゲインを上記と同様に補正することができる（図２４Ａ（ｂ）下図参照）。

図２４Ａ内のｃ、ｓ１は測点位置を示す記号であり、図２４Ｂに、測定位置（図２４Ｂ（ａ））及びその詳細な配置（図２４（ｂ））を示している。尚、図２４Ａ（ａ）に示すように、「ゲインの変動が３回生じている」との記載は、例えば、セシウムのコンプトンエッジのピークが異なる３つの位置にあることを示す。ゲインの変動が生じていなければ、図２４Ａ（ｂ））に示すようにピーク位置（Ch）は同じになる。

ゲイン変動には、測定環境の温度が徐々に上昇し、エネルギー軸が漸移的に数chづつずらしていく場合と，何らかのショック（電圧の変動等が考えられる）により、エネルギー軸が数１０ｃｈ、一瞬にしてずれる場合がある。

図２５（ａ）〜（ｃ）は、コンプトンストリッピング法、微分曲線面積法、人工グロスカウント比（VMMGC）法で解析した、¹³⁷ＣｓのＣｓ−γ線の分布図である。各方法での解析の前に、測定スペクトルは、微分曲線によりゲイン補正を行っている。いずれの手法でも、¹³⁷Ｃｓ線源の位置と分布を明瞭に検出していることがわかる。人工グロスカウント比（ＶＭＭＧＣ）法が、最もピンポイントで¹³⁷Ｃｓ線源位置を検知している。微分曲線面積法は、線源位置に鋭いピークを形成しているが、ピークの裾野が広がっている。コンプトンストリッピング法は、線源位置のピークはやや不明瞭であるが、裾野の広がりは、微分曲線面積法よりも小さいことがわかる。

図２６（ａ）から（ｄ）までは、¹³⁷Ｃｓ点線源を３ｍ上空から測定したときのコンプトンストリッピング法による¹³⁷Ｃｓ、⁴⁰Ｋ、²¹⁴Ｂｉ、²⁰⁸Ｔｌγ線の分布図を示す図である。環境の⁴⁰Ｋ、²¹⁴Ｂｉ、²⁰⁸Ｔｌのγ線の分布はほとんどフラットであり、¹³⁷Ｃｓの分布とは明瞭な違いを示していることがわかる。

図２７（ａ）は、KCl肥料のブロックを３ｍ上空から測定したときの（図２７（ｂ）参照）⁴⁰Ｋγ線の分布図をコンプトンストリッピング法により解析した結果を示す図である。KCL肥料は１０ｋｇの袋、１０袋を２段に重ねたものであり、点線源になっていないので、¹³⁷Ｃｓ線源の¹³⁷Ｃｓγ線の分布ほど、明瞭なピークを示さないが、中心で凸の分布を示すことがわかる。

これらの試験結果から、以下のことが明らかになった。
１）中性子検出用PS5とγ線検出用PS50の２検出器の間に、中性子吸収部を挟み込む３層構造の測定システムにより、中性子−γ線が分離できる。
２）中性子検出用PS5のスペクトルを上記式(8)により解析することにより、速中性子の分布が把握できる。
３）PS50のスペクトルの微分曲線によりゲインをモニタリングし、ゲインを補正することにより、安定してγ線が測定できる。
４）コンプトンストリッピング法、微分曲線面積法、人工グロスカウント比（VMMGC）法によりγ線のエネルギー弁別が可能である。

以上に説明したように、本実施の形態は、チェルノブイリ事故の影響調査などの原子力施設事故の緊急調査、原子力施設周辺の人工放射性物質の漏洩を監視するために航空機に搭載する放射能探査装置に関するものである。本発明では、従来のNaI(Tl)検出器のようにγ線のスペクトルを分析できる上に、速中性子の測定も可能である。また、検出器の価格が、NaI(Tl)検出器に比較して安価であり、軽量大型の検出器の製造を可能とする。

本発明は、放射能探査装置として利用可能である。

スイスの原子力発電所周辺の人口グロスカウント比で表示した人工放射能の分布の3D表示を示す図である（ Rybacha et al.(2001)による）。 単一エネルギーのγ 線が検出器に与えるエネルギー分布を示す模式図である。 図２Ｂ（ａ）は、理想的なエネルギー分解能を持つ場合の線源のパルス波高スペクトルを示す図である。図２Ｂ（ｂ）は、理想的でなく実際のパルス波高スペクトル例を示す図である。 実験的にレスポンス関数を決定した場合のストリッピング法の例を示す図である。 微分曲線作成手順の流れを示すフローチャート図である。 環境で測定できるγ線の核種¹³⁷Cs、⁴⁰K、²¹⁴Bi、²⁰⁸Tl のコンプトン散乱スペクトルとそれらの合成スペクトルとの概念図である。 コンプトン散乱法を説明するための概念図である。 微分曲線面積法の概念図（ａ）と解析例（ｂ）を示す図である。 プラスチックシンチレータの選定試験の検出器と回路の概略を示す図である。 本実施の形態による試作システムによる¹³⁷³⁷Cs線源の3インチNaI検出器（ａ）とBC-400(NE-102)、BC-408、BC-412(NE-110)プラスチック検出器（ｂ）の測定スペクトル例を示す図である。 BC-400、BC-408、BC-412プラスチック検出器のスペクトルの微分曲線の例を示す図である。 NaI(Tl)検出器とBC-412プラスチック検出器とのエネルギー校正結果を示す図である。 BC-412検出器の²⁵²Cf線源の距離と計数との関係を示す図である。 （α、n）反応および自発核分裂による中性子スペクトル（日本アイソトープ協会、1999より）を示す図である。 PS放射能探査装置のγ線検出部、中性子吸収部、中性子検出部の3層構造を有するシステム構成例を示す図である。 中性子吸収率計算結果の一例を示す図である。 ライドガイドの形態を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、性能試験の状況を示す図である。 ¹³⁷Cs線源からの高度によるCs-γ線の減衰を示す図である。 ３ｍ上空からの測定点と線源との関係を示す図である。 ＰＳ５とＰＳ５０とについて、３ｍの高度から、²⁵²Cfの点線源をPS5とPS50で測定したときのスペクトルの微分曲線を示す図である。 ²⁵²Cf線源のPS5検出器と有機液体シンチレータ（NE-213）検出器のスペクトル例（ａ）を示す図である。有機液体シンチレータ（NE-213）検出器のスペクトル（ｂ）はBo Nordell (1984)による。 ²⁵²Cf点線源の３ｍ上空からの中性子分布図である。 測定時間経過にともなう⁴⁰Kコンプトンエッジエネルギチャンネル位置の変化を示す図である。 ゲインが漸移的に移動する（温度ドリフト）場合のエネルギー補正例（補正前（ａ）、補正後（ｂ））を示す図である。 ゲインがジャンプするように移動する場合のエネルギー補正例（補正前（ａ）、補正後（ｂ））を示す図である。 測定位置（図２４Ｂ（ａ））及びその詳細な配置（図２４（ｂ））を示す概略図である。 ¹³⁷Cs点線源を３ｍ上空から測定したときのコンプトンストリッピング法（ａ）、微分曲線面積法（ｂ）、人工グロスカウント比（VMMGC）法（ｃ）によるCs-γ線の分布図である。 ¹³⁷Cs点線源を３ｍ上空から測定したときのコンプトンストリッピング法による¹³⁷Cs、⁴⁰K、²¹⁴Bi、²⁰⁸Tlγ線の分布図である（ａ〜ｄ）。 KCl肥料のブロックを３ｍ上空から測定したときのコンプトンストリッピング法による⁴⁰Kγ線の分布図（ａ）と測定装置の概要を示す図（ｂ）である。

符号の説明

１１…プラスチックシンチレータ
１３…ライトガイド
１５…光電子増倍管
１７…プリアンプ
２１…バイアス電源
２３・２５…波形整形アンプ
２７・３１…ＰＨＡ
３３…タイミング検出回路
３５…データ収集・表示器（パーソナルコンピュータ）

Claims (13)

1. プラスチックシンチレータを検出器とした放射能探査装置であって、中性子とγ線とが異なる透過能を有することを利用して、中性子とγ線とを分離する放射能探査装置において、
   第１の厚さを有する第１のプラスチックシンチレータを備えた中性子検出器と、
   第２の厚さを有する第２のプラスチックシンチレータを備えたγ線検出器と、
   前記第１と第２の２つのプラスチックシンチレータ間に挟み込まれた中性子吸収部と、を有する３層の構造を備えることを特徴とする放射能探査装置。
2. 前記第１の厚さは、前記中性子吸収部と協働して中性子を吸収する厚さ以上であり、前記第２のプラスチックシンチレータに中性子フリーのγ線のみを到達させることを特徴とする請求項１に記載の放射能探査装置。
3. さらに、前記中性子検出部と、前記γ線検出部と、のそれぞれにより検出された第１及び第２の検出信号に基づいて、それぞれの信号を判別する判別部と、デジタル値から波高分布を保存する保存部と、を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の放射能探査装置。
4. 前記３層の構造に取り付けられた前記第１及び第２のプラスチックシンチレータを平板状に加工し、シンチレーションを光電子増倍管へ誘導するライトガイド構造であって、
   前記第１及び第２のプラスチックシンチレータの角部であって２面に接する位置に取り付けられていることを特徴とするライトガイド構造を備えた請求項１から３までのいずれか１項に記載の放射能探査装置。
5. 前記プラスチックシンチュレータは、ＢＣ−４１２検出器であり、該ＢＣ−４１２検出器と²⁵²Cf線源との距離と、バックグランドと各スペクトルの計数の差に基づいて高速中性子を検出することを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の放射能探査装置。
6. 中性子からの計数を下記の式に基づいて行うことを特徴とする請求項５に記載の放射能探査装置。
   

   

   ここで、ｆはカットオフのチャンネルである。E(Ch)は、各チャンネルの計数、BG(Ch)はバックグランドの各チャンネルの計数である。
7. γ線と中性子とを光エネルギーに変換する検出器を有するプラスチックシンチレータと、
   光信号を電子信号に変換する光電子増倍管と、
   前記プラスチックシンチレータと前記光電子増倍管との間に設けられ、前記検出器の光を光電子増倍管へ導くライトガイドと、
   中性子とγ線との前記プラスチックシンチレータ内で生成された光信号を増幅し、電気信号に変えるプリアンプと、を有する放射能検出部と；
   該放射能検出部からの２つの信号のノイズ成分を除去し、パルス信号を整形する波形整形アンプと、
   該波形整形アンプからの２つの信号のタイミングを検出して同時に来たか否かを判別するアンチコインシデンス回路と、
   該アンチコインシデンス回路からの２つの信号の判別とデジタル値から得たパルス波高の分布とを記憶する制御回路部と、
   を有することを特徴とする放射能探査装置。
8. さらに、
   前記パルスの波高をＡＤコンバータでデジタル値に変換する波高分析器と、
   サンプリングタイミング毎に、前記制御回路部のＣＰＵ（制御回路）からメモリーされたパルス波高の分布データを取得するデータ収集回路と
   を有することを特徴とする請求項７に記載の放射能探査装置。
9. さらに、
   前記データ収集回路からのデータを送信するデータ送信回路と、
   各回路に送る電源からの入力を各回路が必要な電圧に変換し、各回路に供給する電源制御回路と、
   前記検出器の後段に設けられる前記光電子増倍管に前記プリアンプを通して高圧電源を供給する２チャンネルバイアス電源装置と、
   前記データ送信回路から送られてくるデータを受け取るデータ受信回路と
   を有することを特徴とする請求項８に記載の放射能探査装置。
10. 前記プラスチックシンチレータにおけるパルス波高のエネルギー校正装置であって、
    チャンネル毎の各計数データを入力として、まず、測地値−バックグランド値＝計数値を演算するステップと、計数値が正か否かを判定するステップであって、判定結果が負の場合には計数値を０とし、正の場合にはそのまま、計数値を対数に変換するステップと、ノイズ除去のために対数変換値の複数チャンネルの移動平均により平滑化するステップと、ｎ−チャンネルの平滑化値とｎ−１チャンネルの平滑化値の差（微分値）を計算するステップと、微分値の前記複数チャンネルの移動平均により平滑化するステップと、微分法によるエネルギー校正を行うステップと、を実行する校正装置を有することを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項に記載の放射能探査装置。
11. 前記エネルギー校正結果に基づき、１）コンプトンストリッピング法、２）微分曲線面積法、３）人工グロスカウント比（VMMGC）法によりγ線のエネルギーを分離することを特徴とする請求項１０に記載の放射能探査装置。
12. 請求項１から１１までのいずれか１項に記載の放射能探査装置と、
    該放射能探査装置を遠隔操作し、遠隔測定によるゲインをモニタリンスするための遠隔操作装置であってスペクトルを解析するスペクトル解析部を有する遠隔操作装置と、を有することを特徴とする放射能探査システム。
13. 前記放射能探査装置が放射能を検知すると、前記スペクトル解析部が解析処理を開始することを特徴とする請求項１２に記載の放射能探査システム。

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