JP2012511712A - β線モニタおよび方法 - Google Patents

Abstract

検出器の外部のβ放射体により放射されるβ線を検出するためのガスフロー比例検出器（６０）と、検出器に充填ガスを供給するように構成された充填ガス供給源（５１）であって、充填ガスは窒素を含む、供給源と、温度を測定するための温度センサ（７２）と、測定温度に従い、モニタの動作パラメータを調節するために、温度センサと連絡された制御装置（６４）と、を備えるβ線モニタ（７０、９０）。動作パラメータは、サーミスタ制御され得る、充填ガスを横切って印加される電圧、または検出器のβ線検出しきい値を含んでもよい。充填ガスは窒素発生器により供給される。ガスフロー比例検出器は大面積検出器としてもよい。
【選択図】図３

Description

本発明はβ線モニタおよびβ線をモニタする方法に関し、より詳細には、ガスフロー比例検出を用いたβ線モニタリングに関する。

β崩壊を受けた放射性核はイオン化放射線をβ粒子の形態で放射し、これは高速電子または陽電子である。β放射体は医学診断および治療ならびに工業用厚さ計において使用され、これらはまた、核反応から核分裂生成物として形成される。β線のイオン化性質は、重篤なヒト組織の損傷を、とりわけ体内から引き起こす可能性があるという点で潜在的な健康危害を示す。そのようなものとして、放射能汚染モニタが、放射線に曝露された可能性のある個人の汚染をモニタするために重要である。

放射能汚染モニタは、様々な検出器技術、例えば、シンチレーション検出器、固体検出器およびガス検出器を使用することができる。シンチレーション検出器は、シンチレータを含み、イオン化放射線により励起された場合その蛍光が光電子増倍管により測定される。

固体検出器では、イオン化放射線は、半導体材料と相互作用し、価電子帯から伝導帯へ電子を励起する。印加された電場は電子および取り残された正孔の測定可能な正味の移動を引き起こす。

ガス検出器はガイガーミュラー（ＧＭ）管、イオン化チャンバ、密閉ガス比例計数管およびガスフロー比例計数管を含む。ガス検出器は、充填ガスを横切る電場を発生させ、イオン化事象により生じる電気出力を測定することにより、イオン化放射線による充填ガス（計数ガスとも呼ばれる）のイオン化を測定する。

ＧＭ管は、充填ガスを横切る、陰極管壁と中央アノードの間の大きな電圧により動作する。充填ガスは不活性ガス、例えば、ヘリウム、ネオンまたはアルゴンを含む。管に入るいずれのイオン化放射線も充填ガスをイオン化させ、得られたイオンおよび電子はそれぞれ、カソードおよびアノードに向かって加速される。電子はさらなるイオン化を引き起こすのに十分な運動エネルギーを獲得し、得られた電子なだれはアノードで大きな電流パルスを発生させる。パルスは増幅され、検出されるが、パルスを引き起こした放射線の型についてのパルス振幅または形状の情報はなく、パルスはパルスを引き起こすイオン化放射線の型（タイプ）に関係なく（すなわち、イオン化放射線により生成される元のイオン対の数に関係なく）同じである。放射線レベルは、計数されたパルス数により（必要に応じて、バックグラウンド計数率を測定させ、減算させることにより）測定される。

対照的に、イオン化チャンバは典型的には、その電極間に印加された比較的より低い電圧を有する。そのようなものとして、イオン化放射線により生成された個々のイオンおよび電子はそれらの個々の電極に移動するが、イオン対または電子なだれの増幅はない。イオンおよび電子の比較的低い速度は、１つのイオン化事象が次の事象と重なり、イオンのドリフトが電流（おそらく、１０^−１５Ａと低い）を構成し、これが増幅され測定されるようなものである。また、イオン化放射線の異なる型の間で識別することは不可能である。

これらの検出器の型の間に比例計数管が存在する。比例計数管では、電極間で設定される電場強度はイオン化チャンバ内よりも高く、そのため、電子なだれが発生する可能性がある。しかしながら、電場強度はＧＭ管に対するものほど高くなく、そのため、ガス増幅はより制御される。イオン化放射線の充填ガスとの初期相互作用により生成される電子数を増大させるために比例計数管はガス増幅に頼っている。電場が存在すると、自由電子がワイヤアノードに向かって移動する。ワイヤは非常に細く、典型的には約５０μｍ直径であり、そのため、ワイヤに近接する電場強度は非常に大きい。アノードから一定半径、典型的には約１００μｍ内にある電子は、充填ガス分子のイオン化電位よりも大きな運動エネルギーまで加速され、そのため、充填ガスのさらなるイオン化が起こる。電子がこのように移動してアノードにより近接するにつれ、一次イオン対から二次およびそれ以上のイオン対が生成し、これはタウンゼンド（Ｔｏｗｎｓｅｎｄ）なだれと呼ばれる。

比例計数管を用いる重要な点は、ガス増幅（すなわち、単一の一次イオン対がその電子なだれにより自由電子数を増加させる要因）が、所定の動作パラメータ下では実質的に一定であることである。そのようなものとして、アノードでの電荷パルス（ｃｈａｒｇｅ ｐｕｌｓｅ）のサイズは、放射線により引き起こされる初期のイオン化事象の数に比例する。α粒子はβ粒子よりも充填ガス中で、著しくより多くのエネルギーを提供し、そのため、検出器においてより多くのイオン化、そのためより大きなパルスを引き起こす。したがって、パルスサイズはイオン化放射線の型、およびそれにより充填ガスに付与されるエネルギーの測定値を提供することができる。

密閉ガス比例計数管は密閉充填ガス、典型的にはキセノンまたはクリプトンのいずれかを含み、密閉目的のために比較的厚い検出器窓を有する（例えば、チタン、５〜６ｍｇ／ｃｍ^２）。ガスフロー比例計数管は検出器を通る充填ガス、典型的にはアルゴンおよびメタンまたはアルゴンおよび二酸化炭素のいずれかの連続フローにより動作し、一般的に、比較的薄い検出器窓（例えば、アルミめっきｂｏＰＥＴ（二軸延伸ポリエチレンテレフタレート）、商品名マイラー（Ｍｙｌａｒ、登録商標）で入手可能、約１ｍｇ／ｃｍ^２）を有する。

上記型の検出器に関する１つの問題は、それらがβ粒子とγ線との間で識別できないことである。これは、γ線が、一般に、充填ガス中で直接、または検出器チャンバそれ自体の材料と相互作用し、エネルギー電子を生成させることにより、β線と同様の程度のイオン化を生成させることができ、同様の検出出力が得られるからである。

さらに、密閉比例計数管は、限られた寿命を有する傾向があり、というのも、微視的な漏れがそれらの充填ガスの汚染に至る可能性があるからである。また、入射窓は一般に、ガスを含むために厚いことが必要であり、その結果、窓は低エネルギーβ線を除外する可能性がある。さらなる不利点は、その製造および修理コストである（検出器を真空にし、ベークアウトすること、およびネジ留めでなく窓を接着することが要求されるため）。密閉ガス検出器を再充填するには、新しい検出器のためのコストの半分を超えるコストがかかる可能性がある。

ガスフロー比例計数管は、これらの問題を有しておらず、β線に対し最も良好な感度を提供し、と同時に、バックグラウンドγ線に対しては比較的低い感度を有する。第１に、窓は薄く、そのため、低エネルギーβ線が除外されず、そのため検出され得る。第２に、ガスフロー比例計数管内の充填ガス中での（よりエネルギーの高い）γ線の光子相互作用の可能性が比較的低くなる。

そうは言っても、ガスフロー比例計数管は充填ガスの連続フローを必要とする。充填ガスは典型的にはアルゴンとメタン（９０％（体積）Ａｒおよび１０％ＣＨ_４であるＰ１０または、９２．５％Ａｒおよび７．５％ＣＨ_４のＰ７．５のいずれか）またはアルゴンと二酸化炭素の混合物であり、高圧シリンダ内に保存される。シリンダの物理的サイズおよびそれらが高圧であり、可燃性物質を含む可能性があるという事実は、とりわけ、核施設において、健康および安全に関する懸念事項を示す。さらに、発展途上世界の国の中には、そのようなシリンダを入手する、またはその代わりに充填ガス混合物を十分な純度で生成することが困難である可能性がある。

そのため、別の、または改善されたβ線モニタを提供することが望ましい。

本発明の第１の観点によれば、ガスフロー比例検出器と、ガスフロー比例検出器の外部のβ放射体により放射されるβ線を検出するためのガスフロー比例検出器と、充填ガスをガスフロー比例検出器に供給するように構成された充填ガス供給源であって、充填ガスは窒素を含む、供給源と、温度を測定するための温度センサと、測定温度に従いモニタの動作パラメータを調節するために、温度センサと連絡された制御装置と、を備えるβ線モニタが提供される。

ガスフロー比例検出器は一般に、β線に対し最も良好な感度を提供すると同時に、バックグラウンドγ線に対し比較的低い感度を有する。窒素を含む充填ガスフローをガスフロー比例検出器に提供するように充填ガス供給源を構成することは多くの利点を有する。もはや、コストのかかるガス瓶が必要なくなり、関連する、それらを貯蔵し、輸送する必要もなくなる。また、可燃性ガスの使用も避けることができる。

窒素充填ガスを用いると、アルゴン／メタン混合物を用いた場合と同様の計数効率を得ることができる。計数効率は、実際に放射体により放出されたβ粒子数に対する検出されたパルス（計数）率である。しかしながら、窒素充填ガスを用いると、バックグラウンド計数率がより低いγ光子エネルギー（＜２００ｋｅＶ）に対し著しくより低くなる可能性がある。バックグラウンド放射線の重要な成分は、コンプトン散乱された光子に由来し、そのため、より低いエネルギーを有する。これらのより低い光子エネルギーでは、光子は、検出器のチャンバ壁よりむしろ、充填ガスと相互作用する傾向がある。窒素はアルゴンよりも著しく低い減衰係数を有し、そのため、光子と窒素充填ガスとの相互作用により、より少ないイオン化、そのため、より低いバックグラウンド係数率に至る。窒素充填ガスとの改善された信号雑音比により、同じ測定時間および統計的精度で検出下限が低くできる。これは、β対バックグラウンド係数率が重要であるβ線モニタリングに対し有利である。

本発明者らはまた、特により高エネルギーのβ粒子のβ検出効率は、温度と共に著しく変化し得ることを見出した。そのようなものとして、モニタは有利なことに、制御装置と連絡した温度センサを備え、そのため、制御装置は温度に基づいて印加電場強度を調節し得る。ある検出器構成では、所望のβ検出効率に対する印加電位差と温度の間の関係が最初に決定されてもよく、そのため、制御装置はこの関係に基づいて印加電位差を制御することができる。モニタされる温度は充填ガス温度自体でもよく、またはより都合よく、周囲温度であってもよい。

その代わりに、温度補償はハードウェアにおいて、その温度依存抵抗に基づいて高圧電源により供給される印加電位差を調節するサーミスタを用いて実施されてもよい。

その代わりに、またはさらになお、検出器からの出力パルスを増幅する増幅器のコンパレータの検出しきい値は、温度測定に基づいて調節され得る。補償工程の目的は、検出器の比例応答を維持することであり、これは、充填ガスにおいて電場強度を増加させ、ガス増幅を所望のレベルまで回復させることにより、および／または計数される信号パルス（ノイズレベル超）に対する検出しきい値を減少させることにより、達成され得る。

有利なことに、充填ガスはさらに、アルゴン部分を含む。充填ガスは、その代わりに、またはさらに、二酸化炭素部分を含む。電子なだれの形成中、充填ガス分子／原子のいくらかは、イオン化されるよりもむしろ励起される可能性がある。その後、脱励起されると、光量子が放出され、他の分子／原子のイオン化が引き起こされ、検出器による偽測定に至る可能性がある。二酸化炭素は多原子クエンチングガスとして作用し、これは光量子を優先的に吸収し、イオン化されない。

有利なことに、充填ガス供給源は窒素発生器を含む。そのようなものとして、モニタは窒素シリンダを使用せずに動作させることができ、窒素は単に、必要に応じて、かつ必要な場合に、その場で生成させることができる。窒素発生器は、周囲空気から実質的に酸素を含まない窒素を生成するように構成され、β線モニタは、前に物流、コストまたは健康および安全性の懸案事項が示された場所および用途において都合よく使用され得る。

周囲空気は典型的には、約７８％（体積）の窒素と、２１％の酸素と、０．９％のアルゴンと、０．０４％の二酸化炭素とを含む。酸素は電気陰性であり、充填ガス中でイオン化放射線により生成される自由電子を除去する傾向があり、これによりガス増幅が低下する。そのようなものとして、酸素はβ線モニタのための充填ガスの一部を形成してはならない。窒素発生器は選択的に酸素および他の望ましくない成分を周囲空気から除去し、ほとんど酸素を有さない（局所条件および動作パラメータに依存する）窒素充填ガスを生成させることができる。主に酸素を除去するように動作する窒素発生器を用いると、周囲空気由来の二酸化炭素および／またはアルゴンが、発生器由来の充填ガス中に有利に保持され得る。

有利なことに、所定の検出器構成では、高圧電源が充填ガスを横切る電位差を印加するために使用され、制御装置が印加される電位差、よってアノードでの電場強度を制御するために使用される。窒素を含む充填ガスを用いる場合、従来の電場強度よりも高いものが望ましいことが見出されている。

例示的な検出器構成（図２に示される）は、１９ｍｍの高さ（後壁から検出器窓まで）を有し、検出エンクロージャ（ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ）内のワイヤアノードは５０μｍの直径を有する。アルゴン／メタンまたはアルゴン／二酸化炭素の充填ガス混合物を使用して従来通りに動作する場合、所望の電場強度は一般に、カソード（特に、検出器の後壁および検出器窓）とワイヤアノードの間の１．７ｋＶの印加電位差により達成される。しかしながら、発明者らは、この印加電位差（すなわち、電場強度）を用いた、窒素充填ガスを使用する動作では、上記構成を有する十分感度の高いβ線モニタが得られなかったことを見出した。これは、イオン対を生成するのに窒素がより多くのエネルギーを必要とするからであり、かつ窒素がアルゴンより低い密度を有し、窒素中の自由電子に対する平均自由行程長がより長くなったからであると理解される。そのようなものとして、本発明者らは、同様のガス増幅を得るためには、より高い電場強度が望ましいことを見出した。上記検出器構成を使用する場合、好ましくは３．２ｋＶから３．５ｋＶまでの範囲の印加電位差は十分な電場強度を生じさせることが見出されている。

汚染を検出するために使用されるβ線モニタは、有利なことに、大面積検出器を備えることができる。大面積検出器という用語は、典型的には、１００ｃｍ²以上の検出器感知面積（例えば、検出器窓のサイズ）を示すために使用される。

有利なことに、複数のガスフロー比例検出器をモニタにおいて提供させてもよく、直列または並列の組み合わせで、またはその両方で配列させてもよい。そのようなモニタはその後、手足モニタとして、または全身モニタとして、例えば、設置されたパーソナルモニタとして、またはパーソナル汚染モニタとして使用され得る。

ガスフロー比例検出器は典型的には、充填ガスを含むが、β線を透過させることができるように使用される薄い検出器窓を有する。薄い窓は、鋭利な物体からの損傷およびその結果としてのガスの漏れを受けやすい。アルゴン／メタンまたはアルゴン／二酸化炭素充填ガスを使用する従来のモニタでは、これらのガスの漏れを検出するためにガス探知器を使用することができる。しかしながら、周囲空気中の窒素の漏れを検出することはできず、周囲空気は言うまでもなく約８０％の窒素をすでに含んでいる。

本発明者らは、窒素充填ガスを含むガスフロー比例計数管中への空気の漏れは検出器のバックグラウンド計数率の測定可能な量の変化を引き起こすことを見出している。そのため、有利なことに、モニタは下記のように配列され得る。充填ガス入口流量計が１つまたは複数の検出器の上流に設置され、充填ガス出口流量計が１つまたは複数の検出器の下流に設置され得る。入口および出口流量計の間の測定された流量の差（特に、出口流量計での減少した流量）はガスの漏れを示すと考えられる。

多くのガスフロー比例検出器を組み合わせて使用する場合、漏れを有する実際の検出器が識別される必要がある。有利なことに、各ガスフロー比例検出器により検出される個々のバックグラウンド計数率をモニタするためのガス漏れモニタが使用される。ガス漏れモニタは、任意の特定の検出器から検出されたバックグラウンド計数率を、その検出器に対し前に検出されたバックグラウンド計数率と比較するように配列させることができ、検出器のガス漏れ特有のバックグラウンド計数率の変化が起きたかどうかが決定される。

その代わりに、１つの検出器に対する検出されたバックグラウンド計数率は、組み合わせられた他の検出器に対し同時に検出されたバックグラウンド計数率と比較されてもよく、その検出器のバックグラウンド計数率が他の検出器のバックグラウンド計数率と著しく異なるかどうかが確認される。組み合わせの全ての検出器と比較してもよく、組み合わせの隣接検出器のみと、あるいは特定の検出器の上流に配置された検出器のみ（直列組み合わせの場合）と比較してもよい。

このように、ガス漏れの存在は確認することができ、修理／交換のために、故障検出器を位置決めすることができる。

本発明の第２の観点によれば、ガスフロー比例検出器の外部のβ放射体により放射されるβ線を検出するようにガスフロー比例検出器を構成する工程と、ガスフロー比例検出器に充填ガスを供給する工程であって、充填ガスは窒素を含む工程と、温度を測定する工程と、測定温度に従い、検出器の動作パラメータを制御する工程と、を含むβ線をモニタする方法が提供される。

本発明の他の好ましい特徴および利点は、説明および添付の従属クレームにおいて明確にされる。

本発明は多くの様式で実施することができ、いくつかの実施形態が単なる非制限的な例として、下記図面を参照して、以下で記載される。

多くのガスフロー比例検出器を使用する、従来のβ線モニタの概略図である。 その窓を除去した、既知のガスフロー比例検出器の斜視図である。 本発明の第１の実施形態によるβ線モニタの概略図である。 多くのβ放射体に対する、印加電圧に伴うβ検出効率のグラフである。 多くの周囲温度での、印加電圧に伴うβ検出効率のグラフである。 周囲温度に伴う、β検出効率曲線におけるプラトーの中点に存在する印加電圧変化のグラフである。 本発明の第２の実施形態によるβ線モニタの概略図である。 本発明の別の実施形態によるβ線モニタを示す図である。 本発明のさらに別の実施形態によるβ線モニタを示す図である。

図１はβ汚染を検出するための既知のβ線モニタ１０を示す。モニタ１０は、減圧弁１４に接続された高圧シリンダ１２、流量制御弁１６および入口流量計１８を備える。入口流量計１８は、直列に接続されている（が、その代わりに、並列に、あるいは直列と並列の組み合わせで接続され得る）ガスフロー比例検出器（計数管）２０ａ〜ｎのアレイに接続される。出口流量計３０が最終ガスフロー比例検出器２０ｎに接続される。このように、アルゴン／メタンまたはアルゴン／二酸化炭素の充填ガス（計数ガス）がシリンダ１２から供給され、上記構成要素の各々を順に通って、出口流量計３０まで流れることができ、その後、大気に放出され得る。

各ガスフロー比例検出器２０ａ〜ｎは高圧電源２２に接続され、この高圧電源は制御装置２４により制御される。各ガスフロー比例検出器２０ａ〜ｎはまた、各検出器からの電気出力を増幅し、測定可能な信号を制御装置２４に提供するために個々の増幅器２６ａ〜ｎに接続される。

図２は、β汚染モニタリングのための典型的なガスフロー比例検出器２０ａの斜視図である。検出器２０ａは、検出エンクロージャを規定する検出器本体３２を備え、そこを通って充填ガスが流れることができる。検出エンクロージャは薄い検出器窓（図示せず）により被覆され、これは検出器本体３２に固定され、検出エンクロージャをシール４０で密閉する。検出器２０ａは、単一の充填ガス入口ポート３８および単一の充填ガス出口ポート（図示せず）を有する。

検出器２０ａは、電気フィードスルー３６を介して高圧電源２２に接続された５つのアノードワイヤ３４ａ〜ｅを有する。検出器本体３２それ自体および検出器窓（図示せず）はカソードとして使用され、そのため、高圧電源２２は、ワイヤアノードと検出器本体カソード間に電位差（バイアス電圧）を印加するように構成される。

検出器構成は、直方体の全体形状および１９ｍｍの高さ（後壁から入射窓まで）を有する。検出エンクロージャ内のワイヤアノードは５０μｍの直径を有する。この構成を用いる場合、充填ガスにおいて許容される電場強度を提供するのに望ましい電位差は典型的には約１．７ｋＶである。

ガスフロー比例検出器２０ａは大面積検出器であり、この例では、検出器窓は約６００ｃｍ²の面積を有し、手足、または全身汚染モニタリングを対象とする。

使用時には、減圧弁１４および流量制御弁１６がシリンダ１２から適した弁までの充填ガスの流量を、典型的には、約２５から５０ｃｍ³／分に調節するが、いくつかのシステムでは、これは最大２００ｃｍ³／分までとしてもよい。充填ガスは連続して、ガスフロー比例検出器２０ａ〜ｎの検出エンクロージャを通って流れ、その間、検出器に入る流量は入口流量計１８によりモニタされ、検出器から出て行く流量は出口流量計３０によりモニタされる。

外部β放射体から放射されるβ粒子は、ガスフロー比例検出器２０ａ〜ｎの１つにその検出器窓（図示せず）を通って入り、充填ガスと相互作用し、一次イオン対を形成し得る。電場はアノードワイヤに向かう自由電子を加速し、電子なだれを発生させる。アノードで得られた電気パルスは個々の増幅器２６ａ〜ｎにより増幅され、所定の振幅しきい値を超えるパルスが制御装置２４により計数される。バックグラウンド計数率が定期的にモニタされ、そのため、測定された計数率から差し引かれ、試験対象の汚染による正味の計数率が提供され得る。

本発明の１つの実施形態によれば、図３は、β線モニタ５０を示し、このモニタのために使用される充填ガスは窒素を含む。モニタ５０は、流量制御弁５２に接続された窒素発生器５１、および入口流量計５４を備える。入口流量計５４はβ線を検出するように構成されたガスフロー比例検出器６０に接続され、検出器はその後、出口流量計５６に接続され、その後、大気に放出される。このように、窒素充填ガスは窒素発生器５１から直列の各構成要素を通過することができ、出口流量計５６から放出され得る。

ガスフロー比例検出器６０は高圧電源６２に接続され、これは制御装置６４により制御される。検出器６０の出力は、検出器からの出力パルスを増幅するために増幅器６６に接続され、制御装置６４で測定可能な信号が提供される。

使用時には、窒素発生器は窒素充填ガスをガスフロー比例計数管６０に供給する。窒素充填ガスの流量は流量制御弁５２により調節され、検出器６０に入る流量は入口流量計５４により測定される。高圧電源６２は窒素充填ガスを横切って、ワイヤアノード（または１つを超えるワイヤアノードが使用される場合は複数のアノード）と検出器本体カソード間に高電圧電位差を印加する。窒素充填ガスはガスフロー比例検出器６０から出て行き、その流量が出口流量計５６により測定され、その後、ガスが大気に放出される。

ガスフロー比例検出器６０にその検出器窓（図示せず）を通って入るβ粒子は、窒素充填ガスと相互作用し得る。充填ガスのイオン化により一次イオン対が得られ、その自由電子がワイヤアノードに引き寄せられ、その過程で電子なだれを生じさせる。アノードでの電荷パルスが増幅器６６により増幅され、制御装置６４による測定のために、所定の振幅しきい値を超える信号が提供される。

検出される、ワイヤアノードでのパルスの発生から、出力信号は増幅器、コンパレータおよび計数管を通過する。増幅器６６は、プロセッサにより、これらの機能全てをそれ自体に組み込むように構成され得る。増幅器はその後、知的に制御装置６４と連絡し、実際の計数を提供することができる。その代わりに、増幅器は、増幅器とコンパレータ機能のみを組み込んでもよく、そのため、制御装置が計数を検出する。

窒素を含む充填ガスを用いると、アルゴン／メタン混合物と同様の計数効率を得ることができる。さらに、窒素はアルゴンよりも著しく低い減衰係数を有し、そのため、検出器に入るより低いエネルギーのバックグラウンド光子は、より少ないイオン化につながり、そのため、バックグラウンド計数率がより低くなる。改善された源対バックグラウンド比は有利なことに、同じ計数時間および統計学的確実性に対し最小の検出可能な活性を減少させる。さらに、瓶入りの窒素が使用され得るが、窒素発生器の使用により高圧ガスシリンダの必要性、ならびに関連するコスト、物流および健康および安全性懸念事項が排除される。

窒素発生器５１の代わりに、任意の適した窒素発生器を使用してもよい。現在好ましい発生器は、スコットランド、ダンディのテキソールプロダクツ社（Ｔｅｘｏｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｌｔｄ．）から入手可能なＧｅｎｉＳｙｓ ＭｉｒｃｒｏＧｅＮ_２である。この窒素発生器は、都合よく小型で、組み込みコンプレッサを有し、そのため、外部管類が必要とされない。圧縮された周囲空気は濾過され、汚染物質およびバルク水分が除去され、炭素モレキュラーシーブを含むカラム中に入る。シーブは酸素を吸着し、乾燥窒素を自由にリザーバ内に流れ込ませる。リザーバから、窒素は圧力および流量調節器を介して、発生器から流れ出る。

そのような窒素発生器を用いると、実質的に酸素を含まない窒素の２００ｃｍ^３／分までの流れを生成させることが可能になる。実際、本発明者らは、７００ｃｍ³／分までの流量、許容される低いレベルの酸素で窒素発生器を動作させることができることを見出した。これより高い流量は、多すぎる酸素を含む傾向があった。

当然、対象とする用途によって、他の窒素発生器を使用してもよい。例えば、更衣室での汚染モニタリングでは、より大きな窒素発生を使用することが好ましい場合がある。

周囲空気からこのように生成される充填ガスは主に窒素を含む。しかしながら、周囲空気から保持された、少しの割合のアルゴン（知られているように、計数ガスとして機能することができる）および／または二酸化炭素（クエンチングガスとして機能することができる）を含み得る。

図２の検出器構成を用いると、従来のガスフロー比例検出器の電極間に印加される典型的な電圧バイアスは約１．７ｋＶである。しかしながら、本発明者らは、単に窒素充填ガスを使用し、他の点では、従来のβ線モニタ構成を使用すると、０でなければ、非常に低いβ検出効率が得られることを見出した。本発明者らは、これは、イオン対を生成させるために窒素がより多くのエネルギーを必要するため、かつ電子がアルゴンよりも窒素においてより長い平均自由行程を有するためであると理解している。発明者らは、窒素充填ガスを横切る電場強度を増加させることにより（より高い電圧バイアスを印加することにより）、イオン化応答をガイガー領域（ここでは、出力パルスはもはや、パルスに関与するβ粒子により引き起こされるイオン化に比例しない）まで移動させずに、アルゴンと同様のレベルまでガス増幅を増加させることができることを見出した。

本発明者らは、窒素を含む充填ガスを図２の検出器構成と共に使用する場合、印加電位差は、好ましくは３．２ｋＶから３．５ｋＶの範囲内にあるべきであること見出した。そのため、高圧電源６２は、制御装置６４により、この範囲の充填ガスを横切る電位差を印加するように制御される。比例検出のために重要なのはアノードでの電場強度であるので、他の検出器構成（例えば、異なる検出器高さまたは異なるワイヤアノード直径）を使用する場合、望ましい印加電圧は、上記範囲外に存在する可能性があり、図４で示したものと同様のグラフを作成することにより決定することができる。

図４は、窒素充填ガスを横切る印加電位差に伴うβ検出効率の変化のグラフを示す（本明細書で記載する実施例は全て、図２で示される検出器の寸法構成に基づく）。グラフは３つの異なるβ放射同位体、すなわち、炭素−１４、塩素−３６、およびストロンチウム−９０（崩壊して別のβ放射体、イットリウム−９０となる）に対するプロットを含む。炭素−１４は崩壊して、低エネルギーβ粒子を生成し、塩素−３６は崩壊して中間エネルギーβ粒子を生成し、ストロンチウム−９０は崩壊して高エネルギーβ粒子を生成する。

グラフは、３．０ｋＶから３．５ｋＶの印加電圧範囲を示す。より高い印加電圧はグラフで示されておらず、これは、出力応答がガイガー領域に入ると検出器計数率が劇的に増加し、そのため比例検出には適していないからである。

効率プロットのプラトー領域から電位差を印加することが好ましい。というのは、ここで、比例領域では効率は最大値に向かっており、または最大値にあり、印加電圧のわずかな変化では有意に変化しないからである。図４からわかるように、プラトーは低エネルギーβ粒子（炭素−１４由来）に対しては比較的長いが、中間および高エネルギーβ粒子（それぞれ、塩素−３６およびストロンチウム−９０由来）は比較的短いプラトーを有する。３つの放射性核種に対するプラトー領域は一般に、３．２ｋＶから３．５ｋＶの印加電圧間に延在することがわかる。そのため、これらの３つのβ放射体（より一般的には、任意の所定の検出器構成で実施できるものと同数の普通に遭遇されるβ放射体）のプラトー領域内に存在する電圧を印加することが望ましい。

図５は３．０ｋＶから３．５ｋＶの間の印加電圧に伴うβ検出効率の変化を示すグラフである。使用したβ放射体は、活性が知られている標準源として使用される、塩素−３６とした。３つの組の測定が示されており、それぞれβ線モニタの異なる周囲温度、すなわち、世界中のβ汚染モニタのための使用温度の典型的な範囲を表す５℃、２０℃、および４０℃で得られたものである。

グラフから、β検出効率は周囲温度に伴い著しく変化することが明らかである。約室温までのより低い温度では、グラフは３．３ｋＶから３．５ｋＶの間の印加電圧に伴うプラトーを示す。しかしながら、より高い周囲温度では、ベター検出効率は３．２８ｋＶの印加電圧を超えると著しく降下する。そのようなものとして、４０℃の周囲温度での望ましい印加電圧は、一般に３．２ｋＶから３．２８ｋＶの範囲に存在するであろう。

本発明のさらなる実施形態では、印加電位差は、β線モニタの周囲温度に依存して調節され、最適または所望の検出効率が維持される。β検出モニタの温度特性は、対象の範囲全体の多くの周囲温度で、印加電圧に対してβ検出効率をプロットすることにより最初に決定される。その後、各プロットに対する検出効率プラトーが見出され、各プラトーの中点が記録される（ｌｏｇｇｅｄ）。「中点」という用語は必ずしも、プラトー中の数学的中間値である必要はないことに注意すべきであり、特にこれは、各プラトーが開始し、終了するところを決定するのは容易ではないからである。そのようなものとして、この用語はプラトー領域内からの所望の、選択点を意味するために使用される。各プラトーの中点を選択すると、検出効率に有意に影響を与えずに、いくらかの程度の印加電圧の変化が許容される。このように、周囲温度に対するプラトー中点電圧のプロットの形態で、β検出モニタに対する温度特性が決定され得る。

図６はそのような温度特性を示す。５℃から４０℃の範囲の６つの異なる温度での塩素−３６に対するプラトー中点電圧を、複数の検出器を用いて測定した。その後、各温度点でのプラトー中点電圧の平均を得た。図６は温度に対する平均中点電圧のプロットを示す。所望のβ検出効率のための印加電位差と周囲温度の間の関係は非線形であり、そのため、結果にフィッティングさせるために多項式が計算される。多項式フィッティングのプロットもまた図６に示される。

図７は上記温度補償技術を使用する本発明の１つの実施形態を示す。図３からの同様の特徴は同じ参照番号で示される。図７で示した実施形態は、図３で示したものと、β検出モニタ７０がモニタの周囲温度を測定するための温度センサ７２を含むことを除き同様である。温度センサ７２は制御装置６４と連絡しており、制御装置は特定のβ線モニタに対して測定された温度特性に基づき、高圧電源６２によりガスフロー比例検出器６０に印加されるバイアス電圧を調節するように構成される。

使用時には、β線モニタ７０はβ線モニタ５０と同様に動作する。しかしながら、動作中、温度センサ７２はモニタ７０の周囲温度を測定する。制御装置６４は温度センサ７２からの温度読み取り値を受理し、確実に、前に決定された温度特性に従い、高圧電源６２が適当なバイアス電圧をガスフロー比例検出器６０に印加するようにする。

上記で記載されるように、温度補償技術はソフトウェア制御下で管理させてもよい。ソフトウェア制御装置は、温度をモニタし、印加する所望のバイアス電圧を決定し、それに応じて高圧電源を調節するアルゴリズムに従う。バイアス電圧調節の効果は、比例検出のために所望のレベルでガス増幅を維持することであり、そのため、制御装置６４は、β粒子検出を表す増幅器６６からのパルスを受理することができる。

他の実施形態では、この効果は、異なる様式で達成され得る。増幅器６６は増幅器およびコンパレータとして動作する。ガスフロー比例検出器６０から受理されたパルスは所定のゲインで増幅される。コンパレータはその後、増幅された信号が検出しきい値を超えるかどうか（すなわち、信号が単なる雑音ではないこと）を確認する。コンパレータはまた、典型的には、α粒子（β粒子より多くのエネルギーを提供し、著しく大きな出力パルスを生じさせる）により引き起こされるパルスを考慮に入れないように上限カットオフを有する。そのため、高圧電源を調節する代わりに（または、いくつかの実施形態では、それに加えて）、制御装置６４は増幅器６６の検出しきい値を調節してもよい。コンパレータにおける検出しきい値を低下させることにより、充填ガスはより低いガス増幅で動作し得るが、そのため、出力パルスが小さくなり、より低い検出しきい値は、それらのパルスが依然として検出され得ることを意味することになるであろう。

その代わりに、さらに、温度補償は、ソフトウェアよりむしろハードウェアで実施され得る。例えば、温度センサは高圧電源６２と共に構成されたサーミスタを含んでもよい。例えば、このように、サーミスタの抵抗はその温度に従い変化し、これによって、高圧電源６２により印加される電圧バイアスが調節される。

本発明者らは、β線モニタ７０の周囲温度をモニタすることは、温度補償のための有効なテンパレチャゲージを提供するが、別の実施形態では、温度センサがβ線モニタのガスフロー回路内（例えば、ガス管内またはガスフロー比例検出器の検出エンクロージャー内）に設置され、充填ガス自体の温度が測定される。

図８は本発明の別の実施形態による、β線モニタ８０を示す。β汚染モニタは典型的には、組み合わされた複数のガスフロー比例検出器を使用する。例えば、手足モニタは、各足に対し１つの５７０ｃｍ²の大面積検出器および各手に対し２つの４６０ｃｍ²の大面積検出器（１つは上方および１つは下方）を使用する。全身β汚染モニタは典型的には１８のボディ検出器、４つの手検出器、１つまたは２つの足検出器、および１つの頭検出器を使用する。したがって、β線モニタ８０は２つ以上のガスフロー比例検出器（６０ａ、６０ｂ、．．．、６０ｎ）を備える。各検出器６０ａ〜ｎはそれと関連して個々の増幅器６６ａ〜ｎを有する。この実施形態では、高圧電源６２および制御装置６４が検出器および増幅器ユニットの各々と連絡されている。

β線モニタ８０の窒素発生およびガスフロー構成は、モニタ５０のそれと同様であるが、窒素を含む充填ガスは直列の各ガスフロー比例計数管６０ａ〜ｎを通って流れる。また、出口流量計５６が最終ガスフロー比例検出器６０ｎの下流に配置され、全体として検出器アレイから出て行く流量を測定する。任意の特定のモニタにおけるガスフロー比例検出器の構成および配置によって、検出器６０ａ〜ｎは完全に直列に、完全に並列に、または長列と並列の組み合わせで配列され得ることが認識されるであろう。

図９は本発明の別の実施形態を示し、この場合、図８を参照して記載されるように、いくつかのガスフロー比例検出器６０ａ〜ｎが使用され、そのための温度補償が提供される。β線モニタ９０はモニタ８０と同様であるが、温度変化を考慮するようにモニタの動作を調節するために、制御装置６４と連絡された温度センサ７２を含む。上記で記載された温度−補償技術を実行するための様々な代替案がβ線モニタ９０に同様に適用可能であることは理解されるであろう。

ガスフロー比例計数管は薄い入射窓を有する。この窓は使用時に、鋭利な物体などから容易に損傷を受ける可能性がある。検出器窓に障害が起きた場合、生じたガス漏れにより空気が窒素充填検出エンクロージャ内に入ってくる。これにより偽測定が生じ得る。上記実施形態では、入口および出口流量計５４、５６は充填ガスの入口および出口流量をモニタする。入口流量に比べ出口流量に変化（特に、出口流量の減少）があった場合、これは、ガス漏れの存在を示す。そのようなものとして示されていないが、流量計５４、５６は好ましくは制御装置６４と連絡された電子流量計である。このように、ガス漏れの存在は自動的に検出され、制御装置は自動的にガス漏れのある検出器を見出すための定期動作を開始し得る。ガス漏れが示されて直ちにガス漏れ検出定期動作が開始されない場合、漏れの影響は故障検出器から他の検出器まで広がる可能性があり、故障検出器を識別することが容易でなくなる。流量変化が初期に（自動的に）検出された場合、漏れの進行が最初からモニタできる。

アルゴン／メタンまたはアルゴン／二酸化炭素の充填ガスを使用して、従来のガスフロー比例計数管を用いる場合、これらのガスの検出器からの漏れを検出するためにガス探知器が使用され得る。しかしながら、周囲空気中の窒素の割合が高いことを考えると、これは窒素充填ガスを使用する場合不可能である。

本発明者らは、窒素充填ガスフロー比例検出器への空気の漏れの存在によりバックグラウンド計数率が検出可能な量変化することに注目した。検出エンクロージャ内で複数のアノードが使用される場合、それらのアノードの全てが、漏れが生じてから短い時間間隔内で計数率の変化を検出するが、その短い時間間隔内では、周囲の検出器は検出しないであろう。全ての検出器が同時に計数率の変化を測定した場合、これは、漏れではなく、例えば放射線源の移動に由来するバックグラウンド放射線の一般的変化を示すであろう。

完全に並列な検出器構成では、漏れている検出器は単離され、かつ修理または交換され得る。検出器の直列構成では、最初の漏れからの時間の経過に伴い、計数率の変化が、他の下流検出器に移動するが、入口に向かって検出器に移動しない。

したがって、複数のガスフロー比例検出器６０ａ〜ｎを使用する本発明の実施形態、例えば図８および９に示されるモニタ８０、９０では、各ガスフロー比例検出器により測定されるバックグラウンド計数率は、制御装置６４により定期的に確認される。バックグラウンド計数率の変化が検出された場合、１つの実施形態では、制御装置６４はその後、各ガスフロー比例検出器６０ａ〜ｎからのバックグラウンド計数率を確認し、保存する。この工程は、典型的には数分程度の短い間隔で繰り返される。ガス漏れは、初期の検出された変化から保存された一連のバックグラウンド計数率を分析することにより検出することができ、例えば、増幅器またはアノードの故障によるものではなく、ガス漏れ特有の様式で、バックグランド計数率変化が他の検出器を介して移動したかどうか、かつどのように移動したかが決定される。ガス漏れ検出定期動作の結果を表す好ましい様式は、検出器配置のグラフ表示を提供することであり、どのようにガス流が検出器から検出器に流れるかが示され、各検出器に対する計数率変化が示される。この技術を用いると、故障がガス漏れによるものか、どの検出器が故障の始まりであり、交換または修理の必要があるかを確認することが可能である。

示されるように、ガス漏れモニタ（制御装置６４）は各個々のガスフロー比例検出器６０ａ〜ｎに対し時間経過に伴うバックグラウンド計数率の変化をモニタすることができる。その代わりに、ガス漏れモニタは、ある所定の検出器およびその隣近所から同時に検出されるバックグラウンド計数率をモニタするように配列させることができる。このように、バックグラウンド計数率が正常な動作下では検出器のそれぞれに対し同じであると仮定すると、この比較により、バックグラウンド計数率が上流検出器に対して増加したか、バックグラウンド計数率の増加が下流検出器に移動したかが決定されるであろう。他の検出器比較の任意選択は容易に明らかになるであろう。

ガスフロー比例検出器は、上記で、単一の電極として作用する、単一での電気フィードスルーを介して接続された１つ以上のアノードワイヤを有するものとして記載されてきたが、その代わりに、それら自体の、個々の増幅回路に個々のフィードスルーを介して接続された複数のアノードワイヤが使用され得る。複数のアノードワイヤは、バックグラウンド計数率を減少させ、統計学的精度を改善するために使用することができる。

上記実施形態の特徴に対する多くの組み合わせ、改変または変更は、当業者にとって容易に明らかになり、本発明の一部を形成することが意図される。

Claims (26)

1. ガスフロー比例検出器の外部のβ放射体により放射されるβ線を検出するためのガスフロー比例検出器と、
   前記ガスフロー比例検出器に充填ガスを供給するように構成された充填ガス供給源であって、前記充填ガスは窒素を含む、供給源と、
   温度を測定するための温度センサと、
   前記測定温度に従い、モニタの動作パラメータを調節するために、前記温度センサと連絡された制御装置と、
   を備えるβ線モニタ。
2. 前記動作パラメータは前記充填ガスを横切って印加される電位差を含む、請求項１記載のβ線モニタ。
3. サーミスタを含み、前記充填ガスを横切って電位差を印加するように構成された高圧電源をさらに備え、前記温度センサおよび前記制御装置は前記サーミスタにより一緒に提供される、請求項２記載のβ線モニタ。
4. 前記動作パラメータは前記検出器のβ線検出しきい値を含む、請求項１ないし３のいずれかに記載のβ線モニタ。
5. 前記充填ガス供給源は窒素発生器を含む、請求項１ないし４のいずれかに記載のβ線モニタ。
6. 前記充填ガスは第１の割合のアルゴンおよび／または第２の割合の二酸化炭素をさらに含む、請求項１ないし５のいずれかに記載のβ線モニタ。
7. 前記充填ガスを横切って３．２ｋＶから３．５ｋＶの電位差を印加するように構成された高圧電源をさらに備える、請求項１ないし６のいずれかに記載のβ線モニタ。
8. 前記ガスフロー比例検出器は大面積検出器である、請求項１ないし７のいずれかに記載のβ線モニタ。
9. 複数のそのようなガスフロー比例検出器を備える、請求項１ないし８のいずれかに記載のβ線モニタ。
10. 各ガスフロー比例検出器により検出される個々のバックグラウンド計数率をモニタし、前記検出されたバックグラウンド計数率を個々の前に検出されたバックグラウンド計数率と比較し、検出器のガス漏れ特有の１つ以上のバックグラウンド計数率の変化を決定するためのガス漏れモニタをさらに備える、請求項９記載のβ線モニタ。
11. 各ガスフロー比例検出器により検出される個々のバックグラウンド計数率をモニタし、１つ以上の検出されたバックグラウンド計数率を選択された個々の他の検出されたバックグラウンド計数率と比較し、検出器のガス漏れ特有の１つ以上のバックグラウンド計数率における差を決定するための漏れモニタをさらに備える、請求項９記載のβ線モニタ。
12. ガスフロー比例検出器上流の充填ガス入口流量計と、前記検出器の下流の充填ガス出口流量計とをさらに備え、前記入口および出口流量計は、検出器のガス漏れを示す、前記モニタを通る充填ガス流量の変化を検出するためのものであり、前記ガス漏れモニタと連絡するように構成され、前記ガス漏れモニタは、前記出口流量計が検出器のガス漏れを示す変化を検出すると自動的に、前記バックグラウンド計数率のモニタリングを開始し、検出器のガス漏れ特有の１つ以上のバックグラウンド計数率の差を決定するように配列される、請求項１０または１１記載のβ線モニタ。
13. ガスフロー比例検出器の外部のβ放射体により放射されるβ線を検出するようにガスフロー比例検出器を構成させる工程と、
    前記ガスフロー比例検出器に充填ガスを供給する工程であって、前記充填ガスは窒素を含む工程と、
    温度を測定する工程と、
    前記測定温度に従い、前記検出器の動作パラメータを制御する工程と、
    を含む、β線をモニタする方法。
14. 前記動作パラメータは前記充填ガスを横切って印加される電位差を含む、請求項１３記載の方法。
15. 前記温度測定工程および動作パラメータ制御工程は、サーミスタにより実施される、請求項１４記載の方法。
16. 前記動作パラメータは前記検出器のβ線検出しきい値を含む、請求項１３ないし１５のいずれかに記載の方法。
17. 前記充填ガスは窒素発生器から供給される、請求項１３ないし１６のいずれかに記載の方法。
18. 前記充填ガスは第１の割合のアルゴンおよび／または第２の割合の二酸化炭素をさらに含む、請求項１３ないし１７のいずれかに記載の方法。
19. 前記充填ガスを横切って電位差を印加する工程であって、前記印加電位差は３．２ｋＶから３．５ｋＶである、請求項１３ないし１８のいずれかに記載の方法。
20. 前記ガスフロー比例検出器は大面積検出器である、請求項１３ないし１９のいずれかに記載の方法。
21. ガスフロー比例検出器の外部のβ放射体により放射されるβ線を検出するように複数のそのようなガスフロー比例検出器を構成させる工程と、
    前記充填ガスを前記ガスフロー比例検出器の各々に供給する工程と、
    をさらに含む、請求項１３ないし２０のいずれかに記載の方法。
22. 各ガスフロー比例検出器により検出される個々のバックグラウンド計数率をモニタする工程と、
    検出されたバックグラウンド計数率を個々の前に検出されたバックグラウンド計数率と比較し、検出器のガス漏れ特有の１つ以上のバックグラウンド計数率の変化を決定する工程と、
    をさらに含む、請求項２１記載の方法。
23. 各ガスフロー比例検出器により検出される個々のバックグラウンド計数率をモニタする工程と、
    １つ以上の検出されたバックグラウンド計数率を選択された個々の他の検出されたバックグラウンド計数率と比較し、検出器のガス漏れ特有の１つ以上のバックグラウンド計数率における差を決定する工程と、
    をさらに含む、請求項２１記載の方法。
24. 前記ガスフロー比例検出器に入る、および検出器から出て行く充填ガスの入口および出口流量をそれぞれモニタする工程と、
    前記入口および出口流量を比較し、検出器のガス漏れを示す差を決定する工程と、
    検出器のガス漏れを示す差が決定されると自動的に、前記バックグラウンド計数率のモニタリングおよび比較を開始し、検出器のガス漏れ特有の１つ以上のバックグラウンド計数率の差を決定する工程と、
    をさらに含む、請求項２２また２３記載の方法。
25. 図３から９を参照して、実質的に本明細書で記載されるβ線モニタ。
26. 図３から９を参照して、実質的に本明細書で記載されるβ線をモニタする方法。

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