JP2010249753A - Method for analyzing transuranium element contained in substance - Google Patents
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Description
本発明は、超伝導相転移端温度計型マイクロカロリーメータを使用して、物質中の超ウラン元素を直接分析する方法に関するものである。 The present invention relates to a method for directly analyzing a transuranium element in a substance using a superconducting phase transition edge thermometer type microcalorimeter.
プルトニウムはα線放出核種であり、通常、プルトニウム分析はα線測定による計測によって行われている。しかしながら、α線は物質の透過能力が低く、物質によるエネルギーの減衰が大きい。そのため、物質内に存在するプルトニウムから放出されるα線を外部から測定することは、事実上不可能である。また、α線測定では、天然放射性物質のラドン子孫核種の妨害を受けることもある。そこで、α線測定によりプルトニウムを定量する場合には、専ら化学的な破壊分析によって行われている。 Plutonium is an α-ray emitting nuclide, and usually plutonium analysis is performed by measurement by α-ray measurement. However, α rays have a low ability to penetrate a substance, and the attenuation of energy by the substance is large. Therefore, it is practically impossible to measure α rays emitted from plutonium existing in the substance from the outside. In addition, the α-ray measurement may be affected by radon progeny nuclides of natural radioactive materials. Therefore, when plutonium is quantified by α-ray measurement, it is performed exclusively by chemical destruction analysis.
ところで、超ウラン元素からはα崩壊に伴い微量なKX線やLX線が放出される。特にプルトニウム同位体は、10〜20keVのLX線の放出率が比較的高い。LX線は低エネルギーではあるが、ある程度は物質の外部から測定できることから、これまでも破壊分析が不可能な人体の肺中のプルトニウムに対して半導体検出器を用いたLX線測定が行われている。 By the way, a trace amount of KX rays and LX rays are emitted from the transuranium element with α decay. In particular, plutonium isotopes have a relatively high emission rate of 10 to 20 keV LX rays. Although LX rays are low energy, they can be measured to some extent from the outside of the material. Therefore, LX rays measurement using a semiconductor detector has been performed on plutonium in the human lung, which has been impossible to analyze destructively. Yes.
しかしながら、プルトニウムのLX線測定に関しては、半導体検出器はエネルギー分解能が十分ではない。因みに、半導体検出器のエネルギー分解能は、半導体がもつエネルギーギャップ幅に依存するために、240eV程度が理論的限界値であり、通常の製品では400eV程度である。そのため、検出限界が高く、しかもPu−241の放射線崩壊により生成されるAm−241からのLX線による妨害を受ける。具体的には、プルトニウム同位体のLX線のエネルギーが13.6keV、17.4keV、及び20.5keVであるのに対して、Am−241のLX線のエネルギーは13.9keV、17.8keV、及び20.8keVである。従って、半導体検出器を用いるプルトニウムのLX線測定では、プルトニウム同位体とAm−241との識別分離は不可能である。 However, for the plutonium LX-ray measurement, the semiconductor detector has insufficient energy resolution. Incidentally, since the energy resolution of the semiconductor detector depends on the energy gap width of the semiconductor, the theoretical limit value is about 240 eV, and about 400 eV in a normal product. Therefore, the detection limit is high, and it is also disturbed by LX rays from Am-241 generated by the radiation decay of Pu-241. Specifically, the energy of LX rays of plutonium isotopes is 13.6 keV, 17.4 keV, and 20.5 keV, whereas the energy of LX rays of Am-241 is 13.9 keV, 17.8 keV, And 20.8 keV. Therefore, plutonium isotopes and Am-241 cannot be discriminated and separated by plutonium LX-ray measurement using a semiconductor detector.
近年、半導体検出器よりも優れたエネルギー分解能を有する放射線分析装置として、超伝導相転移端温度計型(TES型:Superconducting Phase Transition Edge Sensor)マイクロカロリーメータが開発され、それにより高分解能の測定が可能となってきた(特許文献1参照)。マイクロカロリーメータは、物体(吸収体)に入射した放射線が、該吸収体で吸収されて熱になることによる温度上昇を測定し、その温度上昇から放射線が持っていたエネルギーを求める装置である。通常、放射線吸収による温度上昇は僅かであることから、高感度の温度計で測定される。温度計としては、電気抵抗の変化を利用する方式が一般的であり、とりわけ物質の常伝導から超伝導への抵抗値の急激な変化を利用したTES型が注目されている。 In recent years, a superconducting phase transition edge sensor (TES) microcalorimeter has been developed as a radiation analyzer with energy resolution superior to that of semiconductor detectors. It has become possible (see Patent Document 1). A microcalorimeter is a device that measures the temperature rise caused by radiation incident on an object (absorber) being absorbed by the absorber and becomes heat, and determines the energy that the radiation has from the temperature rise. Usually, since the temperature rise due to radiation absorption is slight, it is measured with a highly sensitive thermometer. As a thermometer, a method using a change in electric resistance is generally used, and in particular, a TES type using a rapid change in resistance value from normal to superconductivity of a material has attracted attention.
このようなTES型マイクロカロリーメータは、元素分析や不純物検査に利用されているものの、プルトニウムなどの超ウラン元素のLX線(10〜20keV)を分析した例はない。従って、プルトニウム同位体のLX線放出率の実測データは得られていないし、プルトニウム同位体とAm−241の識別分離が可能であることも実証されていない。これは、超ウラン元素のLX線分析を目的とするようなTES型マイクロカロリーメータが開発されていないことによる。 Although such a TES type micro calorimeter is used for elemental analysis and impurity inspection, there is no example in which LX rays (10 to 20 keV) of transuranium elements such as plutonium are analyzed. Therefore, actual measurement data of the plutonium isotope LX-ray emission rate has not been obtained, and it has not been proved that the plutonium isotope and Am-241 can be discriminated and separated. This is because a TES type micro calorimeter for the purpose of LX ray analysis of transuranium element has not been developed.
本発明が解決しようとする課題は、超ウラン元素のLX線計測を行うことができ、高精度で且つ非破壊でプルトニウムを測定可能とすることである。本発明が解決しようとする他の課題は、エネルギー弁別によりプルトニウム同位体とAm−241の識別分離を行うことである。 The problem to be solved by the present invention is that it is possible to perform LX-ray measurement of a transuranium element and to measure plutonium with high accuracy and non-destructiveness. Another problem to be solved by the present invention is to identify and separate plutonium isotopes and Am-241 by energy discrimination.
本発明は、超伝導相転移端温度計型(TES型)マイクロカロリーメータを用いて、物質中の超ウラン元素からα線崩壊に伴い放射されるLX線を検出し、エネルギー弁別を行うことによりプルトニウム同位体の直接測定を行う物質中の超ウラン元素の分析方法である。このように、LX線の検出器としてTES型マイクロカロリーメータを用いる点に、本発明の主要な特徴がある。 The present invention uses a superconducting phase transition thermometer type (TES type) microcalorimeter to detect LX rays radiated from α-ray decay from superuranium elements in a substance and perform energy discrimination. This is a method for analysis of transuranium elements in substances that directly measure plutonium isotopes. Thus, the main feature of the present invention is that the TES type micro calorimeter is used as the LX ray detector.
本発明の超ウラン元素の分析方法は、TES型マイクロカロリーメータを用いて、物質中の超ウラン元素からα線崩壊に伴い放射されるLX線を検出し、エネルギー弁別を行うことによりプルトニウム同位体の測定を行う方法であるから、核燃料物質中に混在するプルトニウムとAm−241を識別分離できる。また、天然のラドン子孫核種の妨害を受けずに、プルトニウムの直接測定が行える。これらにより、LX線測定によるプルトニウムの高感度測定、非破壊分析が可能となる。 The method for analyzing a transuranium element of the present invention uses a TES microcalorimeter to detect LX rays emitted from a transuranium element in a substance along with α-ray decay and perform energy discrimination to thereby detect plutonium isotopes. Therefore, plutonium and Am-241 mixed in the nuclear fuel material can be discriminated and separated. In addition, plutonium can be measured directly without interference from natural radon progeny. These enable high-sensitivity measurement and non-destructive analysis of plutonium by LX-ray measurement.
そのため、本発明方法は、
(1)超ウラン元素のLX線放出率などの学術的基礎データの収集
(2)施設内あるいは環境試料中の超ウラン元素の評価
(3)人体内プルトニウム量の評価
(4)廃棄物中の超ウラン元素の評価
などに有用である。
Therefore, the method of the present invention is
(1) Collection of basic academic data such as LX-ray emission rate of transuranium elements (2) Evaluation of transuranium elements in facilities or environmental samples (3) Evaluation of human plutonium content (4) In waste Useful for evaluation of transuranium elements.
本発明は、TES型マイクロカロリーメータを用いて、物質中の超ウラン元素からα線崩壊に伴い放射されるLX線を検出し、エネルギー弁別を行うことによりプルトニウム同位体の直接測定を行うことを特徴とする物質中の超ウラン元素の分析方法である。典型的な例としては、10〜20keVのLX線を、100eV以下の分解能で測定することにより、プルトニウム同位体とAm−241の識別分離を行う方法がある。 The present invention uses a TES-type microcalorimeter to detect LX rays radiated from α-ray decay from transuranium elements in a substance and perform direct discrimination of plutonium isotopes by performing energy discrimination. This is a method for analyzing transuranium elements in a characteristic substance. A typical example is a method for discriminating and separating plutonium isotopes from Am-241 by measuring 10 to 20 keV LX rays with a resolution of 100 eV or less.
本発明で使用する分析装置の一例を図1に示す。マイクロカロリーメータ10は、LX線を吸収する吸収体12と、吸収体により発生する熱により抵抗値が変化する薄膜温度計14と、吸収体12と薄膜温度計14で発生した熱がコールドステージ(熱浴)16に逃げる熱流量を制御する熱リンク18などから構成される。試料物質から放射されたLX線が吸収体12に入射し吸収されると、温度が僅かに上昇し、その温度上昇を薄膜温度計14で測定することでLX線が持っていたエネルギーが分かる。これが測定の原理である。高感度の薄膜温度計として、常伝導から超伝導への抵抗値の急激な変化を利用するのがTES型である。装置全体は冷却装置20で100mK程度まで冷却されており、マイクロカロリーメータに流れる電流は、入力コイル22を介してSQUID(超電導量子干渉素子)増幅器24で磁場信号として増幅され、アンプ26で電気信号に変換し増幅される。この信号が取り出され、波高分析器28でエネルギーの分析が行われスペクトル表示などが行われる。
An example of the analyzer used in the present invention is shown in FIG. The
ここでTES型マイクロカロリーメータとしては、例えば、Au/Tiの2層からなる超伝導薄膜温度計と、その上に積層したAu吸収体を具備した構造とし、該Au吸収体の膜厚は10μm以下、例えば5μm程度に設定されているのが好ましい。 Here, as the TES type micro calorimeter, for example, a superconducting thin film thermometer composed of two layers of Au / Ti and a structure in which an Au absorber laminated thereon is provided, and the film thickness of the Au absorber is 10 μm. Hereinafter, for example, it is preferable to set the thickness to about 5 μm.
プルトニウム同位体のLX線測定のために、数keV以下のX線計測で実績のあるTiとAuの2層からなる薄膜温度計を利用したTES型マイクロカロリーメータの設計・作製・試験を行った。TES型マイクロカロリーメータ10は、図2に示すように熱リンク18となるSiNx膜上に薄膜温度計14、更にAu吸収体12を積層した構造を具備している。
For the LX-ray measurement of plutonium isotopes, a TES-type microcalorimeter using a thin-film thermometer consisting of two layers of Ti and Au, which has been proven in X-ray measurement of several keV or less, was designed, fabricated and tested. . The
薄膜温度計14の部分は、
・厚さ:Au(120−70nm)/Ti(40−50nm)
・動作温度:Tc=190mK
・面積:縦500μm×横500μm
であり、Au吸収体12の部分は、
・厚さ:Au(5.0μm)
・20keV光子の吸収率:50%
・面積:縦300μm×横300μm
である。
The
Thickness: Au (120-70 nm) / Ti (40-50 nm)
・ Operating temperature: Tc = 190mK
・ Area: 500μm in length × 500μm in width
The portion of the Au absorber 12 is
・ Thickness: Au (5.0μm)
-Absorption rate of 20 keV photons: 50%
・ Area: 300μm in length × 300μm in width
It is.
作製した超ウラン元素LX線分析用TES型マイクロカロリーメータを用いてPu−239及びAm−241の測定試験を実施した。その測定結果(エネルギースペクトル)を図3に示す。AはPu−239のスペクトル、BはAm−241のスペクトルである。エネルギーが10〜20keVのX線光子のエネルギー分解能は約50〜60eVであり、核燃料物質中に混在するPu−239とAm−241のエネルギー弁別が可能であることが確認できた。また、高分解能であることから、少ないカウントでプルトニウムの識別が可能となり、高感度を実現することができた。これにより、プルトニウムLX線測定による非破壊分析が可能となる。 The measurement test of Pu-239 and Am-241 was carried out using the produced TES microcalorimeter for transuranium element LX-ray analysis. The measurement result (energy spectrum) is shown in FIG. A is the spectrum of Pu-239, and B is the spectrum of Am-241. The energy resolution of X-ray photons with an energy of 10 to 20 keV is about 50 to 60 eV, and it was confirmed that the energy discrimination between Pu-239 and Am-241 mixed in the nuclear fuel material was possible. In addition, since the resolution is high, plutonium can be identified with a small count, and high sensitivity can be realized. Thereby, nondestructive analysis by plutonium LX ray measurement becomes possible.
因みに、従来の半導体検出器のエネルギー分解能(約400eV)では、Pu−239とAm−241のエネルギー弁別は不可能であった。半導体検出器による測定結果(エネルギースペクトル)を図4に示す。 Incidentally, with the energy resolution (about 400 eV) of the conventional semiconductor detector, it was impossible to discriminate between Pu-239 and Am-241. The measurement result (energy spectrum) by the semiconductor detector is shown in FIG.
これらの結果から、TES型マイクロカロリーメータによる超ウラン元素測定の実証により、新しい分析・測定技術の開発が期待できると共に、LX線放射率データなど基礎的なデータの整備にも有用である。 From these results, the development of new analysis and measurement technology can be expected by demonstrating the measurement of transuranium elements using a TES microcalorimeter, and it is also useful for the preparation of basic data such as LX-ray emissivity data.
10 マイクロカロリーメータ
12 吸収体
14 薄膜温度計
16 コールドステージ(熱浴)
18 熱リンク
20 冷却装置
22 入力コイル
24 SQUID(超電導量子干渉素子)増幅器
26 アンプ
28 波高分析器
10 Microcalorimeter 12
18
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