JP2013130418A - Nuclear material detection device and nuclear material detection method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、核燃料物質(核物質)を高精度かつ非接触、非破壊で検出する核物質検出装置、核物質検出方法に関する。 The present invention relates to a nuclear material detection apparatus and a nuclear material detection method for detecting nuclear fuel material (nuclear material) with high accuracy, non-contact and non-destructive.
原子力において用いられる核燃料物質(核物質)は、兵器においても使用可能であり、特にこうした兵器がテロ活動において使用されることが懸念されている。このため、例えば空港においてこうした物質を検知する技術はテロ活動の防止のために極めて有効である。特にこうした場合には、容器の中に隠された物品に対して、核物質が含まれるか否かを、非接触かつ非破壊で判断することが必要となる。 Nuclear fuel materials (nuclear materials) used in nuclear power can also be used in weapons, and there is concern that such weapons will be used in terrorist activities. For this reason, for example, technology for detecting such substances at airports is extremely effective for preventing terrorist activities. Particularly in such a case, it is necessary to determine whether or not the nuclear material is contained in the article hidden in the container in a non-contact and non-destructive manner.
また、こうした場合だけでなく、例えば原子炉の事故等によって発生した溶融核燃料の分析においても、同様の技術が必要である。例えば、溶融核燃料に人間が近づく、あるいは溶融核燃料を取り出して分析を行うことは、有害な放射線の存在によって、実質的には不可能である。こうした場合においても、例えば遮蔽物の外側から非接触、非破壊でその内部の溶融核燃料を分析することができれば、その処理において極めて有効である。 Further, not only in such a case, a similar technique is required for analysis of molten nuclear fuel generated by, for example, a nuclear accident. For example, it is virtually impossible for humans to approach molten nuclear fuel or to take out molten nuclear fuel for analysis due to the presence of harmful radiation. Even in such a case, for example, if the molten nuclear fuel in the inside can be analyzed in a non-contact and non-destructive manner from the outside of the shield, it is extremely effective in the processing.
ここで分析対象となる核種は、核分裂物質であるPu−239やU−235である。例えば、特許文献1には、X線等を試料に照射して、その透過画像を得ることにより、これらの核種を非破壊、非接触で検出する技術が記載されている。しかしながら、この技術は元素の識別には有効であるが、X線の透過特性は核種(同位体)の違いに依存しないため、同位体の識別は現実には不可能である。
The nuclide to be analyzed here is Pu-239 and U-235 which are fission materials. For example,
一方、これらの核種が自発的に発するγ線や中性子を検出することにより、これらの核種を検出することも可能である。例えば、特許文献2にはγ線を検出する技術が、特許文献3には中性子を検出する技術が記載されている。これらの場合には、γ線や中性子線のスペクトル(エネルギー)を調べることにより、これを発した核種を特定することができる。しかしながら、これらの核種が自発的に発するγ線や中性子線のエネルギーは、1MeV以下と低い場合が多い。このため、例えば試料が遮蔽物の中にある場合には、このγ線や中性子線は遮蔽物を透過することができないため、これらを充分な強度で検出することが困難である。また、特定エネルギーをもつγ線等と異なり、中性子のエネルギーは一般には連続的な広がりをもつため、中性子のエネルギーを計測して中性子を放出した核種を同定することは困難である。このため、やはり高い検出感度を得ることは困難である。 On the other hand, these nuclides can be detected by detecting γ-rays and neutrons spontaneously emitted by these nuclides. For example, Patent Document 2 describes a technique for detecting γ rays, and Patent Document 3 describes a technique for detecting neutrons. In these cases, by examining the spectrum (energy) of γ-rays and neutrons, the nuclide that emitted them can be identified. However, the energy of γ rays and neutron rays spontaneously emitted by these nuclides is often as low as 1 MeV or less. For this reason, for example, when the sample is in the shield, the γ rays and neutron rays cannot pass through the shield, and it is difficult to detect them with sufficient intensity. In addition, unlike γ-rays with specific energy, neutron energy generally has a continuous spread, so it is difficult to measure the neutron energy and identify the nuclide that emitted the neutron. For this reason, it is difficult to obtain high detection sensitivity.
このように遮蔽された試料の分析を高精度で行うことのできる方法として、非特許文献1に記載されたウィットネスフォイル法が知られている。図5は、ウィットネスフォイル法の原理を示す図である。ウィットネスフォイル法では、試料100に対して、入射γ線91が照射される。入射γ線91としては、レーザーコンプトンγ線が用いられる。レーザーコンプトンγ線は、例えば非特許文献2に記載されるように、加速器によって高エネルギー化された電子(高エネルギー粒子)とレーザー光(可視光)を衝突させることによって、レーザー光の光子にエネルギーを与えて高エネルギー化したγ線である。このγ線(エネルギーEγ)は、準単色のスペクトルをもち、そのピークエネルギーは、電子のエネルギーを調整することによって適宜設定することができる。ここでは、図5に示されるように、このピークエネルギーをEγ0、ピーク強度をaとする。ピークエネルギーEγ0は、検出対象とする核種の原子核が核共鳴蛍光散乱を起こす共鳴エネルギーENRFに一致させる。核共鳴蛍光散乱においては、原子核は、核種によって定まるある共鳴エネルギーの光子(γ線)を吸収して励起状態となり、γ線を放射して脱励起する。この共鳴エネルギーENRFは、例えばPu−239の場合には、2.143MeVとすることができる。このエネルギーのγ線は、透過力が高いため、遮蔽物が存在しても、これを透過することができる。
A Witness foil method described in
入射γ線91において、核共鳴蛍光散乱を起こす光子は吸収されるため、試料100を透過した透過γ線92のスペクトルにおいては、図5に示されるように、Eγ0における強度がc(=a−b)に減少するように吸収ラインが形成される。bは検出対象となる核種の原子核の試料100における存在量に応じて大きくなり、cは逆に小さくなる。すなわち、入射γ線91のスペクトルにおける、Eγ0(=ENRF)近辺の狭い範囲のエネルギーをもつ光子のみがこの核共鳴蛍光散乱に寄与し、吸収される。
Since the photon that causes nuclear resonance fluorescence scattering is absorbed in the incident γ-
ここでは、この透過γ線92を、ウィットネスフォイル110に入射させる構成とする。ウィットネスフォイル110は、検出対象とする核種(例えば上記の場合にはPu−239)を多量含む薄膜である。このため、透過γ線92は、ウィットネスフォイル110において、試料100においてと同様に、核共鳴蛍光散乱を発生させる。このため、ウィットネスフォイル110を透過後のγ線(ウィットネスフォイル透過γ線93)のスペクトルにおいては、Eγ0(=ENRF)における吸収が更に大きくなる。ただし、この場合に、試料100における検出対象となる核種の存在量が多ければcは小さくなり、Eγ0における光子の絶対量が少なくなるために、核共鳴蛍光散乱の発生は少なくなる。
Here, the transmission γ-
そこで、ウィットネスフォイル110に近接させたγ線検出器120によって、核共鳴蛍光散乱によってウィットネスフォイル110から発生した蛍光γ線94(ピークエネルギーEγ1、ピーク強度d)を検出すれば、そのピーク強度dはc(=a−b)に依存する。ここで、γ線検出器120がウィットネスフォイル透過γ線93を検出せずに蛍光γ線94のみを選択的に検出するように、γ線検出器120は、入射γ線91の光軸から外して配置される。試料100に検出対象の核種が存在しなければdは大きくなり、検出対象の核種が多量に存在すればdは小さくなる。このため、γ線検出器120の出力(蛍光γ線94によるカウント数)からbを算出することが可能であり、これによって検出対象となる核種の存在量を求めることができる。なお、γ線検出器120において検出されるのは、図5における蛍光γ線94のスペクトルにおけるピークエネルギーをもつ光子だけではなく、ハッチングされた領域に含まれる全ての光子である。
Therefore, if the fluorescent γ-ray 94 (peak energy E γ1 , peak intensity d) generated from the
この際、試料100からもウィットネスフォイル110からと同様に蛍光γ線94は放射されるが、例えば試料100において検出対象の核種を含む物品が遮蔽されていた場合には、この蛍光γ線の検出を高効率で行うことは困難である。これに対して、ウィットネスフォイル100とγ線検出器120との間の関係は、蛍光γ線94を高効率で検出することが可能なように設定することができる。
At this time, the
また、図5に示された吸収ライン(ディップ)が含まれる透過γ線92のスペクトルを精密に測定することができれば、図5におけるbやcをこれから求めることが可能であり、この場合にはウィットネスフォイル110等を用いる必要はない。しかしながら、この吸収ラインの幅は非常に狭いために、このスペクトルを精密に計測できる程度にエネルギー分解能の高いγ線検出器は、現実には存在しない。ウィットネスフォイル法においては、スペクトルを精密に計測する代わりに、ウィットネスフォイル110が発した蛍光γ線94を検出することによって間接的にb、cを測定することができる。これによって、試料100に含まれる検出対象の核種を検出する、あるいはその含有量を算出することが可能となる。
If the spectrum of the transmitted γ-
なお、上記の例では、入射γ線91のピークエネルギーEγ0が核共鳴蛍光散乱の共鳴エネルギーENRFと等しいものとしたが、これらを厳密に等しくする必要はない。ただし、これらを一致させた方が検出精度が向上することは明らかである。また、図5においては、核共鳴蛍光散乱による吸収ラインを単純化して1本としているが、実際にはエネルギーが近接した複数の吸収ライン(エネルギーENRF1、ENRF2、・・・)が存在する。こうした場合であっても、個々の吸収ラインにおいて上記の関係が成立するため、蛍光γ線94の強度と検出対象の核種の含有量との間の相関関係は同様である。この場合には、例えば最も吸収が大きくなる吸収ラインのエネルギーにEγ0を適合させればよい。
In the above example, the peak energy E γ0 of the incident γ-
このように、特にウィットネスフォイル法によれば、核物質を非接触かつ非破壊で検知することができ、遮蔽された物品の中にある核物質も高精度に検知することができる。 As described above, in particular, according to the witness foil method, the nuclear material can be detected in a non-contact and non-destructive manner, and the nuclear material in the shielded article can be detected with high accuracy.
しかしながら、入射γ線は、検出対象の核種以外の原子核や原子とも、核共鳴蛍光散乱以外のメカニズムで反応をする。この際、前記のウィットネスフォイル法で利用される核共鳴蛍光散乱の反応断面積は、各種の原子核、原子とγ線が他のメカニズムで反応する際の反応断面積と比べると、顕著に大きくなってはいない。このため、例えば遮蔽物を通してこの検知を行う場合においては、透過γ線は、実際には図5のように対象核種の原子核の核共鳴蛍光散乱の影響のみを受けるのではなく、検出対象となる核種の原子核をもつ原子以外の原子の影響も大きく受ける。このため、やはり核物質の高精度な検出は困難であった。 However, incident γ rays react with nuclei and atoms other than the nuclide to be detected by a mechanism other than nuclear resonance fluorescence scattering. At this time, the reaction cross section of nuclear resonance fluorescence scattering used in the witness foil method is significantly larger than the reaction cross section when various nuclei, atoms and γ-rays react by other mechanisms. It is not. For this reason, for example, when this detection is performed through a shield, the transmitted γ-ray is not only affected by the nuclear resonance fluorescence scattering of the nucleus of the target nuclide as shown in FIG. 5, but is a detection target. It is also greatly affected by atoms other than those with nuclides. For this reason, it has been difficult to detect nuclear materials with high accuracy.
すなわち、核物質を非接触かつ非破壊で高精度に検出することは困難であった。 That is, it has been difficult to detect nuclear material with high accuracy in a non-contact and non-destructive manner.
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an invention that solves the above problems.
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の核物質検出装置は、γ線を試料に照射することによって試料に含まれる核物質を検出する核物質検出装置であって、検出対象となる核物質の原子核に照射されることによって当該原子核において光核分裂反応を発生させる入射γ線を発生して前記試料に照射するγ線発生手段と、前記入射γ線が前記試料を透過した後の透過γ線が照射され、当該透過γ線が照射されることによって中性子線を発するウィットネスフォイルと、前記ウィットネスフォイルから発せられた前記中性子線を前記入射γ線の光軸から外れた方向において検出する中性子検出手段と、を具備することを特徴とする。
本発明の核物質検出装置において、前記γ線発生手段は、高エネルギー粒子とレーザー光とを衝突させた際のコンプトン効果によって前記入射γ線を発生させるレーザーコンプトンγ線源であることを特徴とする。
本発明の核物質検出装置において、前記ウィットネスフォイルは、前記検出対象となる核物質を含むことを特徴とする。
本発明の核物質検出装置において、前記ウィットネスフォイルは、2重水素を含むことを特徴とする。
本発明の核物質検出装置において、前記入射γ線のピークエネルギーは3MeV〜5MeVの範囲にあることを特徴とする。
本発明の核物質検出方法は、γ線を試料に照射することによって試料に含まれる核物質を検出する核物質検出方法であって、検出対象となる核物質の原子核に照射されることによって当該原子核において光核分裂反応を発生させる入射γ線を前記試料に照射し、前記入射γ線が前記試料を透過した後の透過γ線を、当該透過γ線が照射されることによって中性子線を発する材料で構成されたウィットネスフォイルに照射し、前記入射γ線の光軸から外れた方向における前記ウィットネスフォイルから発せられた前記中性子線の強度から、前記試料に含まれる核物質を検出することを特徴とする。
本発明の核物質検出方法において、前記ウィットネスフォイルは、前記検出対象となる核物質を含むことを特徴とする。
本発明の核物質検出方法において、前記ウィットネスフォイルは、2重水素を含むことを特徴とする。
本発明の核物質検出方法は、前記入射γ線のピークエネルギーを3MeV〜5MeVの範囲とすることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configurations.
The nuclear material detection device of the present invention is a nuclear material detection device that detects nuclear material contained in a sample by irradiating the sample with γ rays, and the nuclear material detection device irradiates the nucleus of the nuclear material to be detected. Γ-ray generating means for generating an incident γ-ray that generates a photo-fission reaction in the nucleus and irradiating the sample; and a transmitted γ-ray after the incident γ-ray passes through the sample is irradiated; A witness foil that emits a neutron beam when irradiated, and a neutron detection means that detects the neutron beam emitted from the witness foil in a direction away from the optical axis of the incident γ-ray. Features.
In the nuclear material detection device of the present invention, the γ-ray generation means is a laser Compton γ-ray source that generates the incident γ-rays by a Compton effect when high energy particles collide with laser light. To do.
In the nuclear material detection device of the present invention, the witness foil includes a nuclear material to be detected.
In the nuclear material detection device of the present invention, the witness foil contains deuterium.
In the nuclear material detection device according to the present invention, the peak energy of the incident γ-ray is in the range of 3 MeV to 5 MeV.
The nuclear material detection method of the present invention is a nuclear material detection method for detecting nuclear material contained in a sample by irradiating the sample with γ-rays, and the nuclear material is detected by irradiating the nucleus of the nuclear material to be detected. A material that irradiates the sample with incident γ-rays that generate a photo-fission reaction in the nucleus, and emits neutrons by irradiating the transmitted γ-rays after the incident γ-rays have passed through the sample. The nuclear material contained in the sample is detected from the intensity of the neutron beam emitted from the witness foil in a direction deviating from the optical axis of the incident γ-ray. Features.
In the nuclear material detection method of the present invention, the witness foil includes a nuclear material to be detected.
In the nuclear material detection method of the present invention, the witness foil contains deuterium.
The nuclear material detection method of the present invention is characterized in that the peak energy of the incident γ-ray is in the range of 3 MeV to 5 MeV.
本発明は以上のように構成されているので、核物質を非接触かつ非破壊で高精度に検出することができる。 Since the present invention is configured as described above, the nuclear material can be detected with high accuracy in a non-contact and non-destructive manner.
以下、本発明の実施の形態に係る核物質検出装置の構成、核物質検出方法について説明する。ここで検出される核物質は、核分裂物質であるPu−239やU−235等である。この核物質検出方法においては、試料に対してレーザーコンプトンγ線が照射される点、ウィットネスフォイルが使用される点については、前記のウィットネスフォイル法と同様である。ただし、核物質の検出のために利用する反応が異なり、これに応じて、検出器が検出する対象も異なる。 Hereinafter, a configuration of a nuclear material detection device and a nuclear material detection method according to an embodiment of the present invention will be described. The nuclear material detected here is a fission material such as Pu-239 or U-235. This nuclear matter detection method is the same as the witness foil method described above in that the sample is irradiated with laser Compton γ rays and a witness foil is used. However, the reaction used for detection of the nuclear material is different, and the target to be detected by the detector is also different according to this.
図1は、第1の実施の形態となる核物質検出方法の原理を示す図である。この核物質検出方法においても、プローブとして用いられる入射γ線11としては、レーザーコンプトンγ線が特に好ましく用いられる。試料100を透過した透過γ線12は、ウィットネスフォイル20に照射される。ウィットネスフォイル20は、検出対象となる核種(例えばPu−239)を多量含む薄膜である。
FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of the nuclear material detection method according to the first embodiment. Also in this nuclear matter detection method, laser Compton γ rays are particularly preferably used as the
図5に示した従来のウィットネスフォイル法においては、ウィットネスフォイル110が発した蛍光γ線94を検出したのに対して、この核物質検出方法においては、ウィットネスフォイル20が発した中性子線13を、中性子検出器(中性子検出手段)30で検出する。この中性子線13は、ウィットネスフォイル20に含まれる検出対象である核種の原子核が光核分裂する際に発せられる。このため、検出対象である核種の原子核が光核分裂するように入射γ線11は設定される。この設定は、前記のウィットネスフォイル法における場合と同様に、レーザーコンプトンγ線においては容易である。
In the conventional witness foil method shown in FIG. 5, the fluorescent γ-
以下に、この核物質検出方法における作用について説明する。まず、非特許文献1に記載のウィットネスフォイル法において利用されたのは検出対象の核種によるγ線の核共鳴蛍光散乱であったのに対して、この核物質検出方法においては、γ線による光核分裂を利用する。光核分裂は原子核がγ線を吸収することによって分裂をする現象であり、アクチノイド元素に特有の現象である。この光核分裂が発生する際には、数個の即発中性子や遅発中性子が放射されるため、ここではこの中性子が検出される。
Below, the effect | action in this nuclear material detection method is demonstrated. First, in the witness foil method described in
図2は、同一の核種における核共鳴蛍光散乱と光核分裂の反応断面積を、横軸を入射γ線のエネルギーEγとして模式的に示した結果である。図2より特徴的なのは、まず、核共鳴蛍光散乱の反応断面積はデルタ関数的となっているのに対し、光核分裂の反応断面積は、ある閾値よりも上側で連続的に大きくなっている点である。また、光核分裂が起きるエネルギー域は、核共鳴蛍光散乱が起きるエネルギー域よりも高い。また、核共鳴蛍光散乱は多くの核種で発生するのに対し、光核分裂は、核物質を含むアクチノイドで特有の現象である。 FIG. 2 is a result schematically showing the reaction cross section of nuclear resonance fluorescence scattering and photofission in the same nuclide with the horizontal axis as the energy E γ of incident γ rays. The characteristic of FIG. 2 is that, first, the reaction cross section of nuclear resonance fluorescence scattering is a delta function, whereas the reaction cross section of photo-fission continuously increases above a certain threshold. Is a point. In addition, the energy region where photo-fission occurs is higher than the energy region where nuclear resonance fluorescence scattering occurs. Nuclear resonance fluorescence scattering occurs in many nuclides, whereas photo-fission is a phenomenon unique to actinoids containing nuclear materials.
図1においては、図5と同様に、入射γ線11、透過γ線12、中性子線13、ウィットネスフォイル透過γ線14のスペクトルがそれぞれ示されている。入射γ線11(ピークエネルギーEγ0、ピーク強度a)の形状は図5と同様であるが、図2より、Eγ0は特定のエネルギーに合致させる必要はなく、光核分裂の反応断面積が大きな範囲で設定することができ、例えば3〜5MeVとすることができる。ただし、このエネルギーは核共鳴蛍光散乱のエネルギーよりも高い。すなわち、従来のウィットネスフォイル法と比べてEγ0は高くする。
In FIG. 1, as in FIG. 5, the spectra of incident γ rays 11, transmitted
光核分裂の反応断面積は連続的に大きな値を示すために、核共鳴蛍光散乱を利用する図5の場合とは異なり、入射γ線11のスペクトルにおける広いエネルギー範囲の光子が、光核分裂反応に寄与して失われる。このため、透過γ線12のスペクトルは、図1に示されるように、図5における透過γ線92のスペクトルとは大きく異なった形状となる。透過γ線12は、図5における透過γ線92のように狭いエネルギー範囲(吸収ライン)でのみ強度が減少している形態ではなく、エネルギー範囲全体にわたり減少した形状(ピーク強度y:y=a−x)となる。
Since the reaction cross section of the photofission continuously shows a large value, unlike the case of FIG. 5 using nuclear resonance fluorescence scattering, photons in a wide energy range in the spectrum of the incident γ-
この透過γ線12がウィットネスフォイル20に入射した場合、試料100においてと同様に、検出対象の核種の原子核が光核分裂を起こす。ここでも、透過γ線12のスペクトルにおける広いエネルギー範囲の光子がこの光核分裂に寄与して失われる。このため、ウィットネスフォイル透過γ線14のスペクトルは、図1に示されるように、透過γ線12を更にエネルギー範囲全体にわたり一様に減少させた形状となる。
When this transmitted γ-
この失われた光子の分だけ光核分裂反応が発生し、この発生量に比例して中性子が放出される。この中性子が中性子線13として中性子検出器(中性子検出手段)30で検出される。ここで検出される中性子は、図1における中性子線13のスペクトル(中性子エネルギーEnにおけるピークがEn1)におけるハッチングされた領域に含まれる全ての中性子である。
A photo-fission reaction occurs by the amount of the lost photons, and neutrons are emitted in proportion to the amount of generation. This neutron is detected as a
中性子検出器30としては、例えば、比例計数管やシンチレータと光電子増倍管を組み合わせたものを用いることができる。この場合、中性子だけでなく、γ線等も検出されるため、透過γ線12が更にウィットネスフォイル20を透過した後のウィットネスフォイル透過γ線14が検出されないように、図5の場合と同様に、中性子検出器30を入射γ線11の光軸から外して配置することが好ましい。
As the
なお、一般的に、図5において用いられるγ線検出器120の検出効率と図1において用いられる中性子検出器30を比べると、γ線検出器120の検出効率は著しく低い。これは、γ線検出器の検出器として使用されるGe半導体検出器においては、検出効率は使用されるGe半導体結晶の大きさに依存し、現時点ではこの大きさの上限値に達しているためである。このため、γ線検出器の検出効率は典型的に0.5%程度である。一方、中性子検出器30としては、3He比例計数管やBF3比例計数管が用いられ、この場合には検出効率は50%程度の高い値が得られている。
In general, when the detection efficiency of the γ-
また、入射γ線11をパルス化し、これが照射されている短時間の間で発生した中性子をモジュレーターで減速した上で、γ線に対して感度が非常に低い3He比例計数管等を中性子検出器30として用いて測定することができる。この場合、中性子が減速されるために、中性子はγ線よりも大きく遅延するため、γ線のパルスが来ていない時間に中性子を検出することができる。このため、γ線のバックグラウンドが低い低バックグランドの状態で中性子線13を検出することができる。こうした点から、中性子線13を高効率で検出することが可能である。
In addition, the incident γ-
更に、核分裂では、核分裂の発生から遅延して遅発中性子が放出される場合がある。この場合も、入射γ線をパルス化し、γ線が来ていないタイミングで、遅発中性子を検出することで、γ線の影響を除去して中性子検出の測定感度を更に上げることもできる。 Furthermore, in fission, delayed neutrons may be emitted with a delay from the occurrence of fission. Also in this case, the incident γ-rays are pulsed and the delayed neutrons are detected at the timing when the γ-rays do not come, so that the influence of γ-rays can be removed and the measurement sensitivity of neutron detection can be further increased.
このように、上記の構成においては、中性子線13の中性子検出器30による検出効率を極めて高くすることができる。一方、図5の構成において蛍光γ線94を同様の手法で低バックグラウンドで高感度で検出することは不可能である。
Thus, in said structure, the detection efficiency by the
この構成によれば、中性子検出器30の出力(中性子線13によるカウント数)より、透過γ線12の強度(yに対応)を算出することが可能である。これにより、試料100で失われたγ線の強度(xに対応)を算出することが可能であり、これより、試料100における検出対象の核種の存在量を算出することが可能である。すなわち、非接触で試料100における核物質を検出することができる。この際、図2より、光核分裂反応に寄与する光子の数は核共鳴蛍光散乱を用いる場合と比べて多く、かつその検出効率も高いため、従来のウィットネスフォイル法による場合と比べて高感度の検出が可能である。
According to this configuration, the intensity of the transmitted γ-ray 12 (corresponding to y) can be calculated from the output of the neutron detector 30 (the number of counts by the neutron beam 13). Thereby, it is possible to calculate the intensity of γ rays lost in the sample 100 (corresponding to x), and from this, it is possible to calculate the abundance of the detection target nuclide in the
なお、この検出の際に、試料100における検出対象となる核種の原子核は、光核分裂反応を起こして壊変する。しかしながら、光核分裂を起こさない他の原子核は壊変しないため、実質的にこの核物質検出方法においては、試料100は破壊されない。すなわち、非破壊で核物質を検出することが可能である。例えば原子炉では、核分裂で発生した中性子が別の原子核の核分裂を誘発し、連続的に核分裂を発生させる。しかし、そのためには水等の減速材で中性子のエネルギーを下げて核分裂が続くような条件を整える必要がある。本検出装置では、そのような減速材が特定の条件下で試料100中に存在しない限り、連続的に核分裂反応が発生することはない。そのため、光核分裂反応が試料100やウィットネスフォイル20中で発生しても、危険性はない。また、入射γ線11としてレーザーコンプトンγ線を用いれば、その指向性が極めて高いために、試料100における特定の領域のみにこれを照射することが容易であり、光核分裂反応を狭い領域においてのみ発生させることができる。
At the time of this detection, the nucleus of the nuclide to be detected in the
ここで、前記の通り、この核物質検出方法によって、光核分裂反応を起こすアクチノイドのみが検出可能である。この中で、例えば特にPu−239を選択的に検出するためには、光核分裂の反応断面積が光核分裂反応を起こす他の核種と比べてPu−239の反応断面積が大きくなるエネルギー範囲に入射γ線11を設定すればよい。ただし、例えば核物質の代表例であるPu−239とU−235を共に検出したい場合には、入射γ線11を、これらの核種における光核分裂の反応断面積が共に大きくなるエネルギー範囲に設定すればよい。いずれの場合においても、アクチノイド以外の原子核の存在は、ウィットネスフォイル20における中性子線13の発生に影響を与えないため、核共鳴蛍光散乱を用いる従来のウィットネスフォイル法と比べて高感度で核物質を検出することができる。このように、入射γ線11のエネルギーEγ0あるいはその半値幅等は、検出する対象や目的に応じて適宜設定することができる。レーザーコンプトンγ線を用いる場合には、使用する高エネルギー電子のエネルギー等を調整することによって、この設定を容易に行うことができる。
Here, as described above, only the actinide that causes the photo-fission reaction can be detected by this nuclear material detection method. Among them, for example, in order to selectively detect Pu-239, for example, the reaction cross-section of photo-fission is within an energy range in which the reaction cross-section of Pu-239 is larger than that of other nuclides that cause a photo-fission reaction. The
また、前記の通り、検出対象となる核種の原子核が光核分裂を起こす(光核分裂の反応断面積が大きくなる)ように、入射γ線11のエネルギー域は設定される。図2より、このエネルギー域は、核共鳴蛍光散乱が起きるエネルギー域よりも高エネルギー側にある。このため、従来のウィットネスフォイル法における場合よりも、入射γ線11のエネルギー域は高くなり、試料100に対する透過能力はより高くなる。すなわち、遮蔽された物品に含まれる核物質の検出能力がより高くなる。
In addition, as described above, the energy region of the incident γ-
次に、上記の核物質検出方法を実現する核物質検出装置の構成について説明する。図3は、この核物質検出装置10の構成の入射γ線11の光軸に沿った断面図である。ここでは、γ線源(γ線発生手段)40から発せられた前記の入射γ線11は、鉛等で構成された放射線シールド51中の開口を通して試料100に照射される。放射線シールド51は、入射γ線11の一部や試料100から発せられたγ線を遮蔽するために用いられる。γ線源40としては、従来のウィットネスフォイル法と同様に、レーザーコンプトンγ線源が特に好ましく用いられる。
Next, the configuration of a nuclear material detection apparatus that realizes the above-described nuclear material detection method will be described. FIG. 3 is a cross-sectional view along the optical axis of the incident γ-
前記の通り、入射γ線11は試料100を透過して透過γ線12となる。この際、試料100から光軸から外れた方向には、散乱されたγ線や中性子線が発せられる。これらは、ウィットネスフォイル20から発せられる中性子線13を検出するに際してはノイズとなるために、放射線シールド52、中性子シールド53で遮られる。
As described above, the
その後、透過γ線12は、モニター用γ線検出器60を通り、その強度が検出される。モニター用γ線検出器60としては、これによる透過γ線12の減衰が無視できるように、ガスカウンターや、薄いプラスチックシンチレータを用いた検出器等を使用することができる。ただし、これによる透過γ線12の減衰が無視できない程度であっても、その減衰の状況が予測できるものであれば、この減衰の状況を考慮してデータ処理を行うことが可能である。また、モニター用γ線検出器60の出力によって中性子検出器30の検出タイミングを設定することができる。モニター用γ線検出器60からもγ線や中性子が放出されるため、これらを遮蔽するために放射線シールド54がその周囲に、放射線シールド55、中性子シールド56がその後方に設けられる。
Thereafter, the transmitted γ-
前記の通り、この透過γ線12は、ウィットネスフォイル20に照射される。ウィットネスフォイル20の周囲には、前記の通り中性子検出器30が設けられる。中性子検出器30は、入射γ線11(透過γ線12)の光軸から外れた方向の中性子を検出するために、ウィットネスフォイル20を囲んで光軸の周囲に設けられる。また、中性子検出器30に隣接してモニター用γ線検出器61を設けることにより、ウィットネスフォイル20から発せられた散乱γ線や蛍光γ線を検出すれば、これらのγ線に関する情報も解析に利用することもできる。
As described above, the transmitted
なお、図1と同様の関係で入射γ線11、試料100、透過γ線12、ウィットネスフォイル20、中性子検出器30が設けられる限りにおいて、これら以外の構成要素の有無やその配置は任意である。例えば、モニター用γ線検出器60、61は、これらによって検出されるγ線による情報を、中性子検出器30の動作や解析において使用する必要がなければ、設ける必要はない。あるいは、モニター用γ線検出器61はウィットネスフォイル20の後方に設けることもできる。その他、放射線シールド、中性子シールドは、ウィットネスフォイル20に透過γ線12以外の放射線(γ線、中性子線)が照射されないように、あるいは、γ線や中性子が外部に漏れないように適宜配置することができる。
As long as the incident γ-
また、ウィットネスフォイル20には、前記の通り、検出対象となる核種が多量に含まれていることが好ましい。この点については従来のウィットネスフォイル法と同様である。しかしながら、幅の狭い吸収ラインにおける透過γ線の強度を測定することが目的であった従来のウィットネスフォイル法とは異なり、この核物質検出方法においては、透過γ線の広いエネルギー範囲における積分強度を測定すればよい。このため、ウィットネスフォイル20において、透過γ線12が照射されることによって中性子線13を発する核種が含まれれば、同様に使用することが可能である。この場合、検出対象となる核物質以外の材料を使用することができる。こうした材料としては、例えば2重水素を含む材料(重水等)がある。この場合には、ウィットネスフォイル20の取り扱いが安全かつ容易、かつこれを安価とすることができる。ウィットネスフォイル20をこうした材料で構成するに際しては、例えばこうした材料が含まれる気体や液体を封止して薄板状とした形態とすることができる。
Further, as described above, the
また、前記の通り、γ線源40としては、ピークエネルギーや半値幅が可変であるレーザーコンプトンγ線源が特に好ましく用いられるが、他のγ線源であっても、所望のエネルギー範囲、強度のγ線を発することができ、局所的に試料にこれを照射することができるγ線源であれば、同様に用いることができることは明らかである。
As described above, as the γ-
上記の通り、この核物質検出方法、核物質検出装置によれば、遮蔽された物品の中にある核物質を、非破壊、非接触で高精度に検知することができる。このため、これを用いて、隠された核兵器を検出することが可能である。また、例えば事故によって発生した原子炉の溶融燃料等は、熔融燃料から発生する高い放射線を防護するために各種の構造物の中において存在するため、こうした溶融燃料の分析においても極めて有効である。 As described above, according to the nuclear material detection method and the nuclear material detection device, the nuclear material in the shielded article can be detected with high accuracy in a non-destructive and non-contact manner. This can be used to detect hidden nuclear weapons. In addition, for example, the molten fuel of a nuclear reactor generated by an accident exists in various structures in order to protect the high radiation generated from the molten fuel, so that it is extremely effective in the analysis of the molten fuel.
(実施例)
従来の核蛍光共鳴散乱法を使った場合と、光核分裂を用いた本発明の核物質検出方法による測定精度についての比較を計算により行った。ここで、試料や統一とすることができる測定条件は同一とした。試料としては、直方体(1cm×1cm×4cm、重量64g)における1cm×1cmの面からγ線を照射するものとした。試料の主成分は酸化ウランであり、検出対象は含有量1%の酸化プルトニウム(Pu−239)である。入射するレーザーコンプトンγ線のエネルギー幅はdE/E=3%とし、入射したγ線全体で108光子/sのフラックスをもつものとした。このフラックスは輝度にすると7×104光子/s/eVとなる。測定時間は300秒とした。核共鳴蛍光散乱法に対しては、入射γ線の中心エネルギーを2.2MeV、本発明の核物質検出方法においては、エネルギーをこれよりも高い5.4MeVとした。ウィットネスフォイルからの散乱γ線を測定する検出器の検出効率は0.5%を仮定し、前記の通り、中性子検出器の検出効率はこれよりも高い50%とした。また、ここで用いられたPu−239の光核分裂の反応断面積のγ線エネルギー依存性(図2に対応)を図4に示す。
(Example)
A comparison was made by calculation between the case of using the conventional nuclear fluorescence resonance scattering method and the measurement accuracy of the nuclear material detection method of the present invention using photo-fission. Here, the sample and the measurement conditions that can be unified were the same. As a sample, γ rays were irradiated from a 1 cm × 1 cm surface of a rectangular parallelepiped (1 cm × 1 cm × 4 cm, weight 64 g). The main component of the sample is uranium oxide, and the detection target is plutonium oxide (Pu-239) with a content of 1%. The energy width of the incident laser Compton γ-ray was dE / E = 3%, and the entire incident γ-ray had a flux of 10 8 photons / s. This flux is 7 × 10 4 photons / s / eV in luminance. The measurement time was 300 seconds. For the nuclear resonance fluorescence scattering method, the center energy of incident γ rays was 2.2 MeV, and in the nuclear material detection method of the present invention, the energy was 5.4 MeV, which is higher than this. The detection efficiency of the detector for measuring scattered γ rays from the witness foil is assumed to be 0.5%, and as described above, the detection efficiency of the neutron detector is set to 50%, which is higher than this. In addition, FIG. 4 shows the γ-ray energy dependence (corresponding to FIG. 2) of the photo-fission reaction cross section of Pu-239 used here.
上記の仮定のもとで、従来の光核共鳴散乱法によれば、300秒の測定時間で、1%のPu−239を約25%の誤差(γ線検出器のカウントの統計誤差)で測定できる。一方、本発明の核物質検出方法によれば、12%の誤差(中性子検出器のカウントの統計誤差)で測定でき、精度が2倍以上改善する。すなわち、Pu−239の高精度の検出が可能である。 Under the above assumption, according to the conventional photonuclear resonance scattering method, 1% Pu-239 is obtained with an error of about 25% (statistical error in counting of the γ-ray detector) in a measurement time of 300 seconds. It can be measured. On the other hand, according to the nuclear material detection method of the present invention, measurement can be performed with an error of 12% (statistical error of neutron detector count), and the accuracy is improved more than twice. That is, it is possible to detect Pu-239 with high accuracy.
10 核物質検出装置
11、91 入射γ線
12、92 透過γ線
13 中性子線
14、93 ウィットネスフォイル透過γ線
20、110 ウィットネスフォイル
30 中性子検出器(中性子検出手段)
40 γ線源(γ線発生手段)
51、52、54、55 放射線シールド
53、56 中性子シールド
60、61 モニター用γ線検出器
94 蛍光γ線
120 γ線検出器
DESCRIPTION OF
40 gamma ray source (gamma ray generation means)
51, 52, 54, 55
Claims (9)
検出対象となる核物質の原子核に照射されることによって当該原子核において光核分裂反応を発生させる入射γ線を発生して前記試料に照射するγ線発生手段と、
前記入射γ線が前記試料を透過した後の透過γ線が照射され、当該透過γ線が照射されることによって中性子線を発するウィットネスフォイルと、
前記ウィットネスフォイルから発せられた前記中性子線を前記入射γ線の光軸から外れた方向において検出する中性子検出手段と、
を具備することを特徴とする核物質検出装置。 A nuclear material detection device that detects nuclear material contained in a sample by irradiating the sample with gamma rays,
Γ-ray generating means for generating incident γ-rays that irradiate the nucleus of the nuclear material to be detected to generate a photofission reaction in the nucleus and irradiating the sample;
A witness foil that emits a neutron beam when irradiated with the transmitted γ-ray after the incident γ-ray passes through the sample, and
Neutron detection means for detecting the neutron beam emitted from the witness foil in a direction away from the optical axis of the incident γ-ray;
A nuclear material detection apparatus comprising:
検出対象となる核物質の原子核に照射されることによって当該原子核において光核分裂反応を発生させる入射γ線を前記試料に照射し、
前記入射γ線が前記試料を透過した後の透過γ線を、当該透過γ線が照射されることによって中性子線を発する材料で構成されたウィットネスフォイルに照射し、
前記入射γ線の光軸から外れた方向における前記ウィットネスフォイルから発せられた前記中性子線の強度から、前記試料に含まれる核物質を検出することを特徴とする核物質検出方法。 A nuclear material detection method for detecting nuclear material contained in a sample by irradiating the sample with gamma rays,
The sample is irradiated with incident γ-rays that generate a photofission reaction in the nucleus by irradiating the nucleus of the nuclear material to be detected,
Irradiating a witness foil made of a material that emits a neutron beam by irradiating the transmitted γ-ray after the incident γ-ray has passed through the sample,
A nuclear material detection method, comprising: detecting nuclear material contained in the sample from the intensity of the neutron beam emitted from the witness foil in a direction off the optical axis of the incident γ-ray.
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