JP2012103179A - 放射線検出装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】原子力発電所における高いバックグラウンド下で、多核種分析に好適な放射線検出器および検出方法を提供することである。
【解決手段】複数（３台以上）の核種分析可能な放射線検出器を用い、複数の放射線検出器のうち、対向位置に設置した検出器組と非対向位置に設置した検出器組で放射線検出装置を構成し、各放射線検出器でガンマ線の測定時刻と波高値を測定する機能を有し、各検出器によりガンマ線の測定時刻と波高値を測定し、対向位置に設置した検出器組及び非対向位置に設置した検出器組で、それぞれ同時計数及び非同時計数の判定を行い、同時計数及び非同時計数判定の情報と、波高値情報から求めるガンマ線エネルギー情報をもとに、放射性核種分析を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、原子力発電所において使用される放射線検出器及び検出方法に係り、特に、高いバックグラウンドの環境で、多核種分析に好適な放射線検出装置及びその方法に関する。

従来、原子力発電所における炉水内放射性核種の分析では、炉水をポリ容器等にサンプリングした後、１日程度放置し、短半減期核種（窒素１３，酸素１９等）を減衰させた後、ゲルマニウム半導体検出器を用いて分析していた。

炉水内放射性核種分析の省力化及び低被曝化のため、オンライン化が望まれているが、炉水中の主放射性核種である窒素１３，酸素１９の強度が強いため、炉水中の微量放射性核種であるコバルト５８及び６０，マンガン５４及び５６，よう素１３１，１３３，セシウム１３４，１３７等を、オンラインで精度良く測定するのが困難だった。

原子力発電所において、オンラインの放射性核種モニタとしては、〔特許文献１〕に記載のような、ゲルマニウム半導体検出器を適用した高感度オフガスモニタが製品化されており、バックグランドとなっている窒素１３の抑制には、１８０°方向に設置した２台の検出器を用いたアンチ同時計数法が採用されている。又、〔特許文献２〕に記載のような、１台の検出器の周囲を他の検出器で囲んだコンプトン抑制法等が適用されている。

しかし、これらの方法では、窒素１３の抑制は可能であるが、他の核種を精度良く測定することはできない。また、高感度オフガスモニタは、エネルギーの低いガンマ線放出核種を測定対象としているため、低いエネルギーのガンマ線の測定感度が相対的に高くなるように薄い板状のゲルマニウム半導体検出器を適用しているが、高いエネルギーのガンマ線の測定も必要な炉水中の放射性核種分析には適用できない。

原子力発電所における放射線のオンラインモニタとしては、ＮａＩシンチレーション検出器を用いた各種漏えい放射線検知モニタが使用されているが、エネルギー分解能が不十分なために、精度良い核種分析が困難である。また、シリコン半導体検出器を用いたエリアモニタ，イオンチェンバーを用いた主蒸気線量モニタ等が使用されているが、いずれも、核種分析が困難であることから、オンラインでの炉水中核種を分析することは困難である。

特開２００１−２３５５４６号公報 特開平１１−１９４１７０号公報

本発明の目的は、原子力発電所において使用され、高いバックグラウンドの環境で、多核種分析に好適な放射線検出装置及びその方法を提供することである。

上記の目的を達成するための本発明は、複数（３台以上）の核種分析可能な放射線検出器を用い、複数の放射線検出器のうち、対向位置に設置した検出器組と非対向位置に設置した検出器組で放射線検出装置を構成し、各放射線検出器によりガンマ線の測定時刻と波高値を測定し、対向位置に設置した検出器組及び非対向位置に設置した検出器組で、それぞれ同時計数及び非同時計数の判定を行い、同時計数及び非同時計数判定の情報と、波高値情報から求めるガンマ線エネルギー情報をもとに、放射性核種分析を行う。

本発明によれば、原子力発電所において、高バックグラウンド下で多核種分析に好適な放射線検出装置及びその方法を提供できる。

本発明の実施例１の放射線検出装置の構成図である。 実施例１の放射線検出装置における同時計数，非同時計数判定の一例である。 実施例１の放射線検出装置における同時計数，非同時計数判定の一例である。 実施例１の対向方向に設置した検出器の波高値スペクトルの一例である。 実施例２の非対向方向に設置した検出器の波高値スペクトルの一例である。 実施例３の放射線検出装置の構成図である。 実施例４の放射線検出装置の構成図である。

以下に説明する各実施例では、ゲルマニウム半導体検出器、またはＬａＢｒ₃（Ｃｅ）シンチレーション検出器等である放射線検出器を３台以上用い、放射線検出装置を検出対象物の周囲の対向位置に設置した検出器組と、非対向位置に設置した検出器組で構成し、各放射線検出器のガンマ線の測定時刻と波高値を測定することで、対向位置に設置した検出器組及び非対向位置に設置した検出器組で、それぞれ同時計数及び非同時計数を行う。

後述するように、前置増幅器からの出力信号を２つに分岐し、分岐した一つの信号を増幅器を通して波高値測定を行い、分岐した他の一つの信号を波高弁別器を通して時刻情報を含むパルス信号に変換し、パルス信号の立ち上がり時刻を用いて時刻測定を行う。

シンチレーション検出器を用いる場合は、前置増幅器を用いず、シンチレーション素子の後段に設置した光電子増倍管の出力信号を用いても良い。予め決定しておいた時刻範囲以内に、複数の放射線検出器でガンマ線を検出した場合は、同時計数したと判定し、それ以外の場合は、非同時計数したと判定する。予め決定しておく時刻範囲の幅を、各検出器の計数率、又は出力信号の時間幅に応じて可変にすることで、適切な時刻幅を設定できる。同時計数、及び非同時計数の判定は、データ収集用パソコンに取り込む前にハード的に行っても良いし、パソコンに各放射線検出器の波高値データと検出時刻データを取り込んだ後で、ソフト的に行っても良い。

炉水中の核種分析は、各放射線検出器で検出した波高値データで求まるガンマ線エネルギーと、複数の放射線検出器の測定時刻データで判定される。この判定は、複数の放射線検出器間の同時計数、または非同時計数の測定結果を用いて行う。

ガンマ線を放出する放射性の核種は、β⁺崩壊してほぼ１８０°方向に同時に２本の５１１ｋｅＶのエネルギーのガンマ線を放出する第１の核種群（窒素１３等）、ほぼ同時にエネルギーの異なる２本以上のガンマ線を放出する第２の核種群（コバルト６０等）、ほぼ同時に２本以上のガンマ線を放出しない第３の核種群（マンガン５４，セシウム１３７等）、第１の核種群と第３の核種群の複数の核種群に含まれる核種群（コバルト５８）、及び第２の核種群と第３の核種群の複数の核種群に含まれる核種群（酸素１９，マンガン５６，よう素１３１，よう素１３３，セシウム１３４等）に分類できる。ここで、第２の核種群（コバルト６０等）は、カスケードガンマ線を４π方向に放出する。

対向位置に設置した検出器組に入射するガンマ線を同時計数することで、第１の核種群の核種（窒素１３等）を選択的に測定することができる。

第２の核種群は、エネルギーの異なるガンマ線を確率的に等方に放出する。したがって、非対向位置に設置した検出器組の同時計数すること、及び同時計数したガンマ線のエネルギーを用いることで、第２の核種群の核種（コバルト６０等）を選択的に測定できる。

第３の核種群は、同時に放出するガンマ線が無いことから、対向位置または非対向位置に設置した検出器組に入射するガンマ線を非同時計数すること、及び非同時計数したガンマ線のエネルギーを用いて、第３の核種群の核種（マンガン５４，セシウム１３７等）を選択的に測定することでき、精度良い多核種分析が可能となる。

非対向位置に設置した検出器組に入射するガンマ線を非同時計数すること、対向位置に設置した検出器組に入射するガンマ線を同時計数することの両方を用い、それぞれの場合のガンマ線エネルギーを用いることで、第１の核種群と第３の核種群の複数の核種群に含まれる核種（コバルト５８等）を精度良く分析でき、β⁺崩壊してほぼ１８０°方向に同時に２本の５１１ｋｅＶのエネルギーのガンマ線を放出する核種中の寄与が評価可能となる。対向位置及び非対向位置に設置した検出器組に入射するガンマ線を同時計数すること、対向位置及び非対向位置に設置した検出器組に入射するガンマ線を非同時計数することの両方を用いること、それぞれの場合におけるガンマ線エネルギーを用いることで、２の核種群と第３の核種群の複数の核種群に含まれる核種群（酸素１９，マンガン５６，よう素１３１，よう素１３３，セシウム１３４等）を精度良く分析できる。

以下、本発明の各実施例を、図面を参照して説明する。

本発明の実施例１の放射線検出装置の構成を、図１に基づいて説明する。本実施例の放射線検出装置は、図１に示すように、検出対象物１の周囲に複数台（３台以上）設置したガンマ線を検出する放射線検出器２、各放射線検出器２からの信号を増幅するための前置増幅器３、前置増幅器３からの信号の増幅と波形を整形する増幅器４、前置増幅器３からの信号を時刻情報を含むパルス信号（時刻信号）に変換する波高弁別器５、増幅器４により波形整形されたパルスの波高値及び時刻信号から、波高値及び検出時刻を測定する波高値及び検出時刻の測定器６、測定器６に接続されたデータ収集用パソコン７を備えている。

複数の放射線検出器２は、検出対象物１の周囲に、対向位置に設置した検出器組と非対向位置に設置した検出器組で構成され、測定器６により各放射線検出器２が波高値及び検出時刻の測定器６によりガンマ線の測定時刻と波高値を測定する。

図２に、放射線検出装置における同時計数及び非同時計数判定の一例を示す。予め決定しておいた同時計数時刻範囲以内に、複数の放射線検出器２でガンマ線を検出した場合は同時計数したと判定し、それ以外の場合は、非同時計数したと判定する。同時計数、及び非同時計数の判定は、前述したように、データ収集用パソコン７に取り込む前にハード的に行っても良いし、データ収集用パソコン７に各放射線検出器２の波高値データと検出時刻データをリストデータとして取り込んだ後で、ソフト的に行っても良い。

図２に示す例では、検出器１の波高値１と検出器３の波高値３が小さく、検出器１の時刻信号１と検出器３の時刻信号３が予め決定しておいた同時計数時刻範囲内にあり、同時係数であることを示している。検出器２の波高値２は大きく、検出器２の時刻信号２は、予め決定しておいた同時計数時刻範囲内になく、非同時係数であることを示している。

図３に、放射線検出器を対向位置に設置した場合の波高値スペクトルの一例を示す。横軸に波高値を、縦軸に計数率をとって波高値スペクトルを示している。

この例では、非同時計数と同時計数の両方を合わせた波高値スペクトルに対して、同時計数における波高値スペクトルは、β⁺崩壊で生成する５１１ｋｅＶのエネルギーのガンマ線を選択的に測定しているので、前述した第１の核種群（窒素１３等）を精度良く測定可能である。

図４に、放射線検出器を非対向位置に設置した場合の波高値スペクトルの一例を示す。この例では、非同時計数と同時計数の両方を合わせた波高値スペクトルに対して、同時計数における波高値スペクトルは、ほぼ同時にエネルギーの異なる２本以上のガンマ線を放出する前述の第２の核種群（コバルト６０等）からのガンマ線を選択的に測定でき、第２の核種群（コバルト６０等）を精度良く測定可能である。

また、前述の第３の核種群は、同時に放出するガンマ線が無いことから、対向位置または非対向位置に設置した検出器組に入射するガンマ線を非同時計数すること、及び非同時計数したガンマ線のエネルギーを用いて、第３の核種群の核種（マンガン５４，セシウム１３７等）を選択的に測定することでき、精度良い多核種分析が可能となる。

このように、第１の核種群（窒素１３等），第２の核種群（コバルト６０等），第３の核種群の核種（マンガン５４，セシウム１３７等）を選択的に測定できるので、対向位置に設置した検出器組に入射するガンマ線を非同時計数すること、対向位置に設置した検出器組に入射するガンマ線を同時計数することの両方を用い、それぞれの場合のガンマ線エネルギーを用いることで、第１の核種群と第３の核種群の複数の核種群に含まれる核種（コバルト５８等）を精度良く分析でき、β⁺崩壊してほぼ１８０°方向に同時に２本の５１１ｋｅＶのエネルギーのガンマ線を放出する核種中の寄与が評価可能となる。対向位置及び非対向位置に設置した検出器組に入射するガンマ線を同時計数すること、対向位置及び非対向位置に設置した検出器組に入射するガンマ線を非同時計数することの両方を用いること、それぞれの場合におけるガンマ線エネルギーを用いることで、２の核種群と第３の核種群の複数の核種群に含まれる核種群（酸素１９，マンガン５６，よう素１３１，よう素１３３，セシウム１３４等）を精度良く分析できる。

本発明の実施例２の放射線検出装置の構成を、図５に基づいて説明する。本実施例の実施例１と同様に、検出対象物１の周囲に、対向位置に設置した検出器組と非対向位置に設置した検出器組で構成され、測定器により各放射線検出器２が波高値及び検出時刻の測定器によりガンマ線の測定時刻と波高値を測定する。

実施例２では、放射線検出器２を検出対象物１の中心から等距離に設置する。同じ検出効率の複数台の放射線検出器２を用い、検出対象物１の中心から等距離に設置することで、検出対象物１中の核種の濃度が計数率の補正をすることなく測定可能となる。

本発明の実施例３の放射線検出装置の構成を、図６に基づいて説明する。実施例３は、実施例２と同様に構成しており、検出対象物１の体積を大きくなるように径の大きい円筒で形成している。

検出対象物１の体積が少ない場合、検出対象の核種の絶対数が少ないことから、各検出器の計数率が低くなり測定時間が長くなる。検出対象物１の体積を大きくすることで、各検出器の計数率が高くなり測定時間を短くできる。また、同じ測定時間においては、検出対象物中の核種の濃度のより精度良い測定が可能となる。

本発明の実施例４の放射線検出装置の構成を、図７に基づいて説明する。実施例４は、実施例１と同様に構成している。

実施例４では、検出対象物１が流れている配管から、配管を分岐し、分岐した配管の分岐口８から測定位置９までの時間差を設けることで、検出したい核種に対して、短半減期核種がバックグラウンドとなっている場合は、そのバックグラウンドを低減できる。また、検出位置を雰囲気のバックグラウンドが低い場所に設定することで、精度良い測定が可能となる。

１ 検出対象物
２ 放射線検出器
３ 前置増幅器
４ 増幅器
５ 波高弁別器
６ 測定器
７ データ収集用パソコン
８ 配管の分岐口
９ 検出位置

Claims (8)

1. ３台以上の放射線検出器のうち、対向位置に設置した検出器組と非対向位置に設置した検出器組で放射線検出装置を構成し、各検出器によりガンマ線の測定時刻と波高値を測定し、対向位置に設置した検出器組及び非対向位置に設置した検出器組で、それぞれ測定対象物のガンマ線を同時刻に計数したときの波高値情報及びガンマ線を同時刻に計数しなかった波高値情報のそれぞれの情報を用いて核種を同定することを特徴とする放射線検出装置。
2. ガンマ線放出核種を、β⁺崩壊をしてほぼ１８０°方向に５１１ｋｅＶのエネルギーのガンマ線を放出する第１の核種群、カスケードガンマ線を４π方向に放出する第２の核種群、第１の核種群及び第２の核種群のいずれでもない第３の核種群、第１の核種群及び第２の核種群に含まれる核種、第２の核種群及び第３の核種群に含まれる核種に分類し、対向位置に設置した検出器組でガンマ線を同時刻に計数したガンマ線の波高値情報、対向位置に設置した検出器組で同時刻に計数しなかった測定対象物のガンマ線の波高値情報、非対向位置に設置した検出器組で同時刻に計数した測定対象物のガンマ線の波高値情報、及び非対向位置に設置した検出器組で同時刻に計数しなかった測定対象物のガンマ線の波高値情報を用いて、前記分類した核種を同定することを特徴とする放射線検出方法。
3. 前記同時刻に計数したか否かを判定するための判定用時刻範囲が、２つの放射線検出器の検出時刻差の範囲であって、該判定用時刻範囲を、各放射線検出器の計数率又は出力信号の時間幅に応じて可変にすることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出装置。
4. 前記放射線検出器に、ゲルマニウム半導体検出器又はＬａＢｒ₃（Ｃｅ）シンチレーション検出器を用いることを特徴とする請求項１又は３に記載の放射線検出装置。
5. 検出対象物が配管内部の流体又は配管の一部の断面積を広くしたセルの内部流体であることを特徴とする請求項１，３，４のいずれかに記載の放射線検出装置。
6. 検出対象物が流れている配管から分岐した配管の分岐口から測定位置までの時間差を設けることを特徴とする請求項１，３〜５のいずれかに記載の放射線検出装置。
7. 前記複数の放射線検出器を検出対象物から等距離の位置に設置することを特徴とする請求項１，３〜６のいずれかに記載の放射線検出装置。
8. 前記第１の核種群に含まれる核種として窒素１３を、第２の核種群に含まれる核種としてコバルト６０を、第３の核種群に含まれる核種としてマンガン５４，セシウム１３７を、前記第１の核種群と第３の核種群の複数の核種群に含まれる核種としてコバルト５８を、前記第２の核種群と第３の核種群の複数の核種群に含まれる核種として酸素１９，マンガン５６，よう素１３１，よう素１３３，セシウム１３４を測定対象とすることを特徴とする請求項２に記載の放射線検出方法。

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