JP2015010837A - 放射線計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガンマ線量が高い環境下において、小型軽量で容易に制作可能な中性子の強度を計測する放射線計測装置を提供する。
【解決手段】中性子２０２を含む放射線を検出する光輝尽性蛍光体センサ１０１と、光ファイバ７ａ，７ｃを介して前記光輝尽性蛍光体センサ１０１に刺激光を照射するレーザー光源３と、前記光輝尽性蛍光体センサ１０１から放出される光信号を受光する受光部４と、前記受光部４が受光した光信号を計測する計測処理部６とを備えた放射線計測装置において、前記光輝尽性蛍光体センサ１０１は、中性子コンバータ材料と光輝尽性蛍光体材料とを組み合わせたものであって、前記中性子２０２の検出効率がガンマ線２０１の検出効率より高くなる比率で組み合わせ構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は中性子の強度を計測する放射線計測装置に係り、さらに詳しくは、光輝尽性蛍光体（ＯＳＬ：Optically Stimulated Luminescence ）を用いた放射線計測装置に関する。

光輝尽性蛍光体は放射線の照射を受けると放射線によって付与されたエネルギーに応じて多数の電子・正孔対が生成される。一部の電子と正孔は直ちに再結合し、発光現象が起こる。一方、残りの電子は格子欠陥にトラップされ、準安定となる。この時、正孔はイオンにトラップされ、イオンは励起された状態となる。準安定状態の光輝尽性蛍光体に特定の波長の光を照射するとトラップされた電子が解放され、イオンにトラップされていた正孔と再結合する。この過程で励起されたイオンは基底状態に戻るため、発光が起こる。発光強度はトラップされている電子の量に依存する。したがって、光輝尽性蛍光体からの発光強度を調べることで、放射線により光輝尽性蛍光体に照射された放射線量がわかる。また、光輝尽性蛍光体への放射線の照射量は放射線強度と照射時間で決まるため、光輝尽性蛍光体からの発光強度と照射時間から放射線強度を導出することができる。

非常に弱い放射線から瞬時に起こる非常に強い放射線を簡便に精度よくかつ実時間でモニタ可能とした輝尽性蛍光体を用いた放射線計測装置がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−２４９７９６号公報

光輝尽性蛍光体は検出部に高電圧を印加する必要がなく、小型化が可能である。このため、例えば、原子力発電所の過酷事故によって溶融した燃料デブリの位置を特定するためには、光輝尽性蛍光体のセンサをＰＣＶ（格納容器：Primary Containment Vessel）の内部へ搬入し、レーザドライバや制御装置、測定装置をＰＣＶの外部に配置し、光ファイバでＰＣＶの内外の機器を接続して構成する放射線計測装置が適用できる。この場合、燃料デブリからの中性子を測定することで、その位置を特定する。

ところで、上述した光輝尽性蛍光体からの発光強度と照射時間からその強度を導出できる放射線は、光子、陽子、β線、α線であり、中性子はそのままでは計測できない。このため、特許文献１においては、「放射線検出媒体である輝尽性蛍光体に中性子を電離可能な放射線に変換する中性子コンバータ材であるＧｄ、^６Ｌｉあるいは¹⁰Ｂを一種類以上含んだ、あるいは輝尽性蛍光体と混合した、あるいは輝尽性蛍光体と組み合わせた中性子検出用の放射線検出媒体を用いる」（段落００１５）ことが記載されている。

しかし、例えば、燃料デブリからは中性子とともにガンマ線も照射される。このような環境の下で、中性子を適切に測定できる中性子コンバータ材と光輝尽性蛍光体とを備えたセンサが要求される。特許文献１は、中性子コンバータ材と光輝尽性蛍光体との組み合わせあるいは混合で構成されるセンサについての記述はあるが、適切に中性子を測定するための、中性子コンバータ材と光輝尽性蛍光体の体積比率や詳細構成については、何ら言及されていない。

本発明は上述の事柄に基づいてなされたものであって、その目的は、ガンマ線量が高い環境下において、小型軽量で容易に制作可能な中性子の強度を計測する放射線計測装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、中性子を含む放射線を検出する光輝尽性蛍光体センサと、光ファイバを介して前記光輝尽性蛍光体センサに刺激光を照射するレーザー光源と、前記光輝尽性蛍光体センサから放出される光信号を受光する受光部と、前記受光部が受光した光信号を計測する計測処理部とを備えた放射線計測装置において、前記光輝尽性蛍光体センサは、中性子コンバータ材料と光輝尽性蛍光体材料とを組み合わせたものであって、前記中性子の検出効率がガンマ線の検出効率より高くなる比率で組み合わせ構成したことを特徴とする。

本発明によれば、検出部を構成する光輝尽性蛍光体センサを構成する中性子コンバータ材料と光輝尽性蛍光体材料との混合比と光輝尽性蛍光体センサの寸法（体積）とを設置個所の環境によって決めるので、常に合理的な検出部を提供できる。この結果、ガンマ線量が高い環境下において、小型軽量で容易に制作可能な中性子の強度を計測する放射線計測装置を提供することができる。

本発明の放射線計測装置の第１の実施の形態を示すシステム構成図である。 本発明の放射線計測装置の第１の実施の形態における中性子計測の原理の説明に用いる光輝尽性蛍光体センサの一例の概念図である。 本発明の放射線計測装置の第１の実施の形態における中性子計測の原理の説明に用いる光輝尽性蛍光体センサの他の例の概念図である。 本発明の放射線計測装置の第１の実施の形態における光輝尽性蛍光体センサの概念図である。 本発明の放射線計測装置の第２の実施の形態を示すシステム構成図である。 本発明の放射線計測装置の第３の実施の形態を示すシステム構成図である。 本発明の放射線計測装置の第４の実施の形態を構成する検出部の概念図である。 本発明の放射線計測装置の第５の実施の形態を構成する検出部の概念図である。 本発明の放射線計測装置の第６の実施の形態を構成する検出部の概念図である。 本発明の放射線計測装置の第７の実施の形態を構成する検出部の概念図である。 図８のIX-IX矢視から見た検出部の一部断面概念図である。

以下、本発明の放射線計測装置の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は、本発明の放射線計測装置の第１の実施の形態を示すシステム構成図である。
図１に示すように、放射線計測装置の第１の実施の形態は、中性子を含む放射線を検出する検出部１と、検出部１への光源の照射又は検出部１からの光輝尽性蛍光信号の読み出しを分岐する光分岐カプラ２と、刺激光を検出部１の光輝尽性蛍光体に照射するレーザー光源３と、検出部１から出力される光輝尽性蛍光を受光する受光部４と、受光部４が受光した光輝尽性蛍光を増幅し、電気信号とする増幅部５と、増幅部５で増幅された光輝尽性蛍光信号を基に計測処理を行う計測処理部６と、検出部１と光分岐カプラ２とを接続する光ファイバ７ａと、光分岐カプラ２と受光部４とを接続する出力用光ファイバ７ｂと、光分岐カプラ２とレーザー光源３とを接続する入力用光ファイバ７ｃとを備えている。

検出部１は、光輝尽性蛍光体センサ１０１と、ハウジング１０２と、透明フィルム１０３と、スペーサー１０４とで構成される。図１においては、光輝尽性蛍光体センサ１０１にガンマ線２０１と中性子２０２とが入射している様子を示している。中性子２０２は中性子コンバータ材料の中で２次粒子を発生させこの荷電粒子２０３を光輝尽性蛍光体センサ１０１で検出する。

ここで、光輝尽性蛍光体センサ１０１は光輝尽性蛍光体材料と中性子コンバータ材料とが組み合わされた構成である。これらの材料はハウジング１０２、透明フィルム１０３、およびスペーサー１０４によって保持されている。

次に、本発明の放射線計測装置の第１の実施の形態における中性子計測の原理と相対感度向上の原理の概要について図２Ａ〜Ｃを用いて説明する。図２Ａは本発明の放射線計測装置の第１の実施の形態における中性子計測の原理の説明に用いる光輝尽性蛍光体センサの一例の概念図、図２Ｂは本発明の放射線計測装置の第１の実施の形態における中性子計測の原理の説明に用いる光輝尽性蛍光体センサの他の例の概念図、図２Ｃは本発明の放射線計測装置の第１の実施の形態における光輝尽性蛍光体センサの概念図である。図２Ａ〜Ｃにおいて、図１に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図２Ａにおいて、光輝尽性蛍光体センサ１０１は、光輝尽性蛍光体材料のみで構成されていて、中性子コンバータ材料を備えない場合を示している。ここで、光輝尽性蛍光体センサ１０１に入射した中性子２０２は、反応せずに光輝尽性蛍光体センサ１０１を通り抜けてしまう。一方、ガンマ線２０１は、光輝尽性蛍光体センサ１０１中を透過する距離が長いほど光輝尽性蛍光体との反応確率が高くなる。ガンマ線２０１が光輝尽性蛍光体で反応した場合、発生した電子が光輝尽性蛍光体センサ１０１内を移動することによって、光輝尽性蛍光体中に電子・正孔対が生成される。これは電子の阻止能の大きさによらず起こる現象である。

図２Ｂの光輝尽性蛍光体センサ１０１は、図中右側の符号Ａで示す光輝尽性蛍光体材料からなる本体部と、この本体部の左側に塗布した符号Ｂで示す中性子コンバータ材料とで構成している。ここで、ガンマ線２０１は、光輝尽性蛍光体材料または中性子コンバータ材料で反応した場合、発生した電子が光輝尽性蛍光体センサ１０１内を移動することによって、光輝尽性蛍光体中に電子・正孔対が生成される。一方、光輝尽性蛍光体センサ１０１に入射した中性子２０２は、中性子コンバータ材料内で２次粒子２０３を発生させ、発生した２次粒子２０３が光輝尽性蛍光体材料内を移動するときに、光輝尽性蛍光体センサ１０１内に電子・正孔対が生成される。

図２Ｃの光輝尽性蛍光体センサ１０１は、詳細後述するが、光輝尽性蛍光体材料として、BaFBr:Eu^＋２粉末１１１と、中性子コンバータ材料としてLi中の９５%が^６LiであるLiF粉末１１２とで組み合わせて混合粉末で構成している。この場合も、光輝尽性蛍光体センサ１０１に入射した中性子２０２は、中性子コンバータ材料であるLiF粉末１１２と反応して２次粒子２０３を発生させ、BaFBr:Eu^＋２粉末１１１中で電子・正孔対が生成される。

ここで、中性子コンバータ材料内で発生する２次粒子２０３は大きな阻止能をもっているため、中性子コンバータ材料と光輝尽性蛍光体材料とを組み合わせた光輝尽性蛍光体センサ１０１中での到達距離である飛程は短い。
一方、ガンマ線２０１と光輝尽性蛍光体センサ１０１の反応確率は、光輝尽性蛍光体センサ１０１中を透過する距離が長いほど高くなるので、光輝尽性蛍光体センサ１０１の体積を小さくすることで、ガンマ線２０１の感度を低下させることができる。

換言すると、例えば、図２ＢにおけるＡ部の体積を小さくすると、ガンマ線２０１が透過する距離が短くなるので、ガンマ線２０１の感度を低下させることができる。一方中性子２０２と中性子コンバータ材料との反応で発生する２次粒子２０３の飛程は短いので、Ａ部の体積を小さくしても感度への影響は小さい。

したがって、光輝尽性蛍光体センサ１０１を構成する際に、中性子コンバータ材料から発生する２次粒子２０３が光輝尽性蛍光体センサ１０１へ付与するエネルギーと光輝尽性蛍光体センサ１０１の体積の関係、およびガンマ線２０１と光輝尽性蛍光体センサ１０１との反応確率と光輝尽性蛍光体センサ１０１の体積の関係とを考慮することで、中性子計測に有利な光輝尽性蛍光体センサ１０１の体積比を導き出すことができる。

また、中性子コンバータ材料から発生した２次粒子２０３のエネルギーが光輝尽性蛍光体領域以外で失われる確率を低減させるため、バインダを使わずに透明フィルタで中性子コンバータ材料または中性子コンバータ材料を含んだ光輝尽性蛍光体センサ１０１を保持することが望ましい。

また、中性子コンバータ材料から発生する２次粒子の飛程は中性子コンバータ材料の種類に依存する。例えば、B₄CやH₃BO₃やGd₂O₃等を用いても良い。
また、設置箇所の環境によって中性子２０２のエネルギーやガンマ線２０１のエネルギーが異なるため、中性子コンバータ材料の量は設置箇所の環境によって最適値が存在する。したがって、これら複合的な条件から光輝尽性蛍光体センサ１０１の構造を決定することになる。この光輝尽性蛍光体センサ１０１の構造の変更は、例えば、光輝尽性蛍光体材料と中性子コンバータ粉末とを固定することさえできれば、光輝尽性蛍光体センサ１０１を交換することで容易になる。つまり、光輝尽性蛍光体センサ１０１は小型軽量であるが故に、条件に合わせて合理的な中性子コンバータ付き光輝尽性蛍光体を提供できる。

さらに、小型軽量であるため、中性子コンバータ材料を含む光輝尽性蛍光体センサ１０１と中性子コンバータ材料を含まない光輝尽性蛍光体センサ１０１とを隣接して設置し、両センサの出力から、中性子２０２の成分のみを算出することも可能となる。

次に図２Ｃにもどり、本発明の放射線計測装置の第１の実施の形態における光輝尽性蛍光体センサについて詳細に説明する。本実施の形態における中性子検出の原理は、光輝尽性蛍光体センサ１０１に入射した中性子２０２が^６Liと反応し、^６Li(n,α) T反応を起こし、発生した２次粒子であるα粒子と三重水素原子核がBaFBr:Eu^＋２粉末１１１中で電子・正孔対を生成することで、中性子２０２が検出される。ここで、発生する電子・正孔対の数は、２次粒子２０３が光輝尽性蛍光体センサ１０１に付与したエネルギーが高いほど多くなる。

中性子２０２が１回の反応で前記BaFBr:Eu^＋２粉末１１１に付与する最大エネルギーは、入射する中性子２０２のエネルギーと、前述した中性子２０２と^６Liの反応のＱ値を加えたエネルギーとなる。ここで最大エネルギーと表現したのは、２次粒子２０３が全エネルギーを光輝尽性蛍光体粉末１１１に付与する前に光輝尽性蛍光体センサ１０１より外部へ出る場合もあり、また、中性子コンバータ材料であるLiF粉末１１２にエネルギーを付与するため、必ずしも全てのエネルギーをBaFBr:Eu^＋２粉末１１１に付与するわけではないからである。

荷電粒子２０３には、粒子の種類、粒子のエネルギー、透過する物質ごとに飛程と呼ばれる到達距離が決まっている。荷電粒子２０３の種類、光輝尽性蛍光体センサ１０１中で荷電粒子２０３がBaFBr:Eu^＋２領域を通過する距離に加え、光輝尽性蛍光体センサ１０１中で荷電粒子２０３の発生位置がわかっていれば、BaFBr:Eu^＋２に、荷電粒子２０３が付与するエネルギーを最大にする光輝尽性蛍光体センサ１０１の寸法を決めることができる。

本実施の形態においては、荷電粒子２０３の種類と初期エネルギーは決まっているが、発生位置は不明である。したがって、荷電粒子２０３の全エネルギーが光輝尽性蛍光体センサ１０１に付与される最小の光輝尽性蛍光体センサ１０１の寸法を決めることはできない。

入射粒子の反応確率を考えた場合、ガンマ線２０１および中性子２０２は電荷を持たないため、有限の飛程を決定することはできないが、いずれも透過する物質が厚いほど、検出効率は高くなる。ガンマ線２０１の場合はLi粉末１１２で反応する確率よりもBaFBr:Eu^＋２粉末１１１で反応する確率が高く、中性子２０２はLiF粉末１１２で反応する確率がBaFBr:Eu^＋２粉末１１１で反応する確率よりも高い。したがって、光輝尽性蛍光体センサ１０１中のLiF粉末１１２の割合を多くすれば、光輝尽性蛍光体センサ１０１中に中性子２０２がエネルギーを付与する確率が高くなる。

しかしながら、上述したように荷電粒子２０３がBaFBr:Eu^＋２粉末１１１に全エネルギーを付与しない原因の１つにLiF粉末１１２中にエネルギーを付与することが挙げられるため、LiF粉末１１２が多くなると、光輝尽性蛍光体センサ１０１に付与された中性子起因の荷電粒子２０３のエネルギーのうちBaFBr:Eu^＋２粉末１１１に付与されるエネルギーの割合が低くなる。

また、中性子２０２に起因した２次粒子の阻止能よりもガンマ線２０１に起因した２次粒子の阻止能の方が小さいため、LiF粉末１１２で発生した中性子２０２起因の２次粒子よりもガンマ線２０１起因の２次粒子がBaFBr:Eu^＋２粉末１１１にエネルギーを付与する確率は高くなり、LiF粉末１１２の割合が多くなると、ガンマ線２０１の検出効率に対する中性子２０２の検出効率が低下する原因にもなる。

この影響は、BaFBr:Eu^＋２粉末１１１とLiF粉末１１２とを混合した混合粉末をバインダによって保持した場合、バインダにエネルギーを付与することにもなるので顕著になる。本実施の形態においては、BaFBr:Eu^＋２粉末１１１とLiF粉末１１２とをハウジング１０２および透明フィルム１０３で囲み、スペーサー１０４によって保持しているので、バインダを必要としない。このため、光輝尽性蛍光体センサ１０１中に付与されたエネルギーはBaFBr:Eu^＋２粉末１１１からLiF粉末１１２のいずれかに付与され、ガンマ線２０１に対する中性子２０２の検出効率が下がり難い構造となっている。

更に、LiF粉末１１２のBaFBr:Eu^＋２粉末１１１に対する割合に応じて、ガンマ線２０１と中性子２０２の光輝尽性蛍光体センサ１０１に対する透過率も変化する。つまり、LiF粉末１１２の割合が比較的多い光輝尽性蛍光体センサ１０１は薄くても中性子２０２が減衰し易く、光輝尽性蛍光体センサ１０１に多くのエネルギーを付与する。

これらのことから、光輝尽性蛍光体センサ１０１に対するガンマ線２０１と中性子２０２の検出効率の比を決める因子は、BaFBr:Eu^＋２粉末１１１とLiF粉末１１２の混合比と光輝尽性蛍光体センサ１０１の寸法（体積）となる。したがって、LiF粉末１１２中で^６Li(n,α) T反応によって発生する２次粒子２０３がLiF粉末１１２に付与するエネルギーが小さく、中性子２０２が光輝尽性蛍光体センサ１０１に付与するエネルギーが大きく、ガンマ線２０１が光輝尽性蛍光体センサ１０１に付与するエネルギーが小さくなる混合比と寸法（体積）とすることで、ガンマ線２０１に対する相対的な中性子２０２の感度を向上させることができる。

これら混合比と寸法（体積）は、入射する中性子２０２のエネルギーまたはエネルギースペクトル、ガンマ線２０１のエネルギーまたはエネルギースペクトルにも依存する。このエネルギーに関する条件は設置環境に依存するため、混合する粉末の種類が決まれば一意に決まるものではない。本実施の形態において、検出部１は小型に形成されていて、検出部１中の光輝尽性蛍光体センサ１０１はBaFBr:Eu^＋２粉末１１１とLiF粉末１１２のみで構成されているため、容易に混合比、寸法（体積）を変えることが可能である。したがって、環境条件に合わせて適した検出部１を選択することができる。なお、LiF粉末１１２に代えて、B_４C粉末、H_３BO_３粉末やGd_２O_３粉末を用いても良い。

上述した本発明の放射線計測装置の第１の実施の形態によれば、検出部を構成する光輝尽性蛍光体センサ１０１を構成する中性子コンバータ材料と光輝尽性蛍光体材料との混合比と光輝尽性蛍光体センサ１０１の寸法（体積）とを設置個所の環境によって決めるので、常に合理的な検出部を提供できる。この結果、ガンマ線量が高い環境下において、小型軽量で容易に制作可能な中性子２０２の強度を計測する放射線計測装置を提供することができる。

以下、本発明の放射線計測装置の第２の実施の形態を図面を用いて説明する。図３は本発明の放射線計測装置の第２の実施の形態を示すシステム構成図である。図３において図１乃至図２Ｃに示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図３に示す本発明の放射線計測装置の第２の実施の形態は、大略第１の実施の形態と同様の機器で構成されるが、以下の構成が異なる。本実施の形態においては、ガンマ線２０１のみを検出可能な検出部３０１と、光スイッチ３０２の入力側の一方とを光ファイバ７ｄで接続し、検出部１と光分岐カプラ２とを接続していた光ファイバ７ａの光分岐カプラ２側を光スイッチ３０２の入力側の他方に接続している。光スイッチ３０２の出力側は光分岐カプラ２に接続している。

このことにより、光分岐カプラ２と、レーザー光源３と、受光部４と、増幅部５と、計測処理部６と、出力用光ファイバ７ｂと、入力用光ファイバ７ｃとを共用し、光スイッチ３０２を切り換えることで、検出部１による中性子２０２とガンマ線２０１の計測と検出部３０１によるガンマ線２０１の計測が行える。

上述した第１の実施の形態において、検出部１を構成する光輝尽性蛍光体センサ１０１はガンマ線２０１に対して中性子２０２への検出効率が高いセンサであるが、中性子２０２に対してガンマ線２０１の強度が著しく高い環境では、尚、ガンマ線２０１の影響を無視できない場合がある。そこで、本実施の形態のように、ガンマ線２０１のみを検出可能な第２の検出部３０１を隣接させた構造を適用する。

検出部１では、ガンマ線２０１と中性子２０２の計測値が得られ、第２の検出部３０１ではガンマ線２０１のみの計測値が得られる。したがって、第２の検出部３０１の計測値からガンマ線２０１の成分を算出し、検出部１から得られる計測値から、第２の検出部３０１で得られたガンマ線２０１の成分を減算することで、中性子２０２の成分のみを算出することができる。具体的には、中性子２０２の線量または線量率、中性子数を算出することができる。

第２の検出部３０１は、検出部１と同様にハウジング１０２と光輝尽性蛍光体センサ１０１と透明フィルム１０３とで構成されている。検出部１と異なるのは、光輝尽性蛍光体材料がBaFBr:Eu^＋２粉末１１１のみで構成されていることである。第２の検出部３０１は、LiF粉末１１２を含まないため、中性子２０２に対する感度はほとんど無く、ガンマ線２０１のみを検出可能である。

上述した本発明の放射線計測装置の第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、上述した本発明の放射線計測装置の第２の実施の形態によれば、中性子２０２に対してガンマ線２０１の強度が著しく高い環境であっても、正確な中性子の強度を計測することができる。

以下、本発明の放射線計測装置の第３の実施の形態を図面を用いて説明する。図４は本発明の放射線計測装置の第３の実施の形態を示すシステム構成図である。図４において図１乃至図３に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図４に示す本発明の放射線計測装置の第３の実施の形態は、大略第１の実施の形態と同様の機器で構成されるが、以下の構成が異なる。本実施の形態においては、第１の実施の形態における放射線計測装置の系統を２つ備え、一方の系統の放射線計測装置における検出部１をガンマ線２０１のみを検出可能な検出部３０１に置き換えている。このことにより、一方の系統の放射線計測装置では、検出部３０１によるガンマ線２０１の計測が行え、他方の系統の放射線計測装置では、検出部１による中性子２０２とガンマ線２０１の計測が行える。

光輝尽性蛍光体センサ１０１を使った放射線測定では、一定時間の放射線量を積算する必要がある。上述した第２の実施の形態のように、光スイッチ３０２を使用して放射線計測装置を構成した場合、積算と測定とを交互に実行する必要が生じるため、積算時間が短い場合や、両検出部での測定タイミングを合わせたい場合には適用することが難しいという問題があった。そこで、本実施の形態のように、２系統の放射線計測装置を用意した構造を適用する。

上述した本発明の放射線計測装置の第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

以下、本発明の放射線計測装置の第４の実施の形態を図面を用いて説明する。図５は本発明の放射線計測装置の第４の実施の形態を構成する検出部の概念図である。図５において図１乃至図４に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図５に示す本発明の放射線計測装置の第４の実施の形態は、大略第１の実施の形態と同様の機器で構成されるが、以下の構成が異なる。本実施の形態においては、検出部１を構成する光輝尽性蛍光体センサ１０１の構造が異なる。具体的には、BaFBr:Eu^＋２結晶１２の表面に中性子コンバータ材料１１が塗布された構造である。ここでは中性子コンバータ材料１１をLi中の９５％が^６LiであるLiF粉末である場合を例に説明するが、これに限るものではない。例えば、中性子コンバータ材料１１は、B_４C粉末、H_３BO_３粉末やGd_２O_３粉末を用いても良い。

次に、本実施の形態における光輝尽性蛍光体センサ１０１について説明する。本実施の形態において、中性子２０２が中性子コンバータ材料１１で反応し、２次粒子２０３がBaFBr:Eu^＋２結晶１２にエネルギーを付与する。その最大エネルギーは、第１の実施の形態と同様に、入射中性子２０２のエネルギーと、中性子２０２と^６Liの反応のＱ値を加えたエネルギー量となる。

ここで、付与するエネルギーは中性子コンバータ材料１１中で^６Liと中性子２０２が反応した位置と荷電粒子２０３が進んだ方向に依存する。つまり、荷電粒子２０３が中性子コンバータ材料１１中を走った距離が長いほど、BaFBr:Eu^＋２結晶１２に付与するエネルギーは小さくなる。したがって、中性子コンバータ材料１１の層が薄いほど、発生した荷電粒子２０３がBaFBr:Eu^＋２結晶１２に大きなエネルギーを付与する確率が高くなる。

一方、中性子コンバータ材料１１の層が薄いと中性子２０２と^６Liの反応確率が小さくなるため、発生する荷電粒子２０３の量は減少する。多くの中性子２０２が前記中性子コンバータ材料１１中で^６Liと反応したとしても、その多くがBaFBr:Eu^＋２結晶１２に到達する前に全エネルギーを失ってしまうのであれば、光輝尽性蛍光体センサ１０１としての意味をなさない。

したがって、中性子コンバータ材料１１の層の厚さは、中性子コンバータ材料１１中で最もBaFBr:Eu^＋２結晶１２との距離が離れた位置で発生した荷電粒子２０３が、BaFBr:Eu^＋２結晶１２に到達可能な厚さ以下とすることが望ましい。

一方、ガンマ線２０１は、BaFBr:Eu^＋２結晶１２の層が厚いほど反応確率が高くなるため、ガンマ線２０１による付与エネルギーが大きくなる。したがって、ガンマ線２０１の感度を下げるためには、BaFBr:Eu^＋２結晶１２の層は薄い方が良い。中性子検出の観点からBaFBr:Eu^＋２結晶１２の層の厚さを考えた場合、中性子コンバータ材料１１とBaFBr:Eu^＋２結晶１２の境界に存在する^６Liと中性子２０２の反応によって発生した荷電粒子２０３のBaFBr:Eu^＋２中での飛程程度あれば十分である。

BaFBr:Eu^＋２結晶１２に荷電粒子２０３が到達する前に中性子コンバータ材料１１中でエネルギーを失う場合は、BaFBr:Eu^＋２結晶１２中の荷電粒子２０３の飛程は短くなるため、全エネルギーをBaFBr:Eu^＋２結晶１２に付与するために必要なBaFBr:Eu^＋２結晶１２の厚さはより薄くなる。

したがって、BaFBr:Eu^＋２結晶１２の層の厚さは中性子２０２と^６Liによって発生する荷電粒子２０３のうち最大エネルギーの荷電粒子２０３のBaFBr:Eu^＋２結晶１２中の飛程以下とすることで、相対的な中性子感度を向上させることができる。

上述した本発明の放射線計測装置の第４の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

以下、本発明の放射線計測装置の第５の実施の形態を図面を用いて説明する。図６は本発明の放射線計測装置の第５の実施の形態を構成する検出部の概念図である。図６において図１乃至図５に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図６に示す本発明の放射線計測装置の第５の実施の形態は、大略第４の実施の形態と同様の機器で構成されるが、以下の構成が異なる。本実施の形態においては、検出部１を構成する光輝尽性蛍光体センサ１０１の構造が異なる。具体的には、中性子コンバータ材料１１の塗布面を一面だけではなく、周囲全面に塗布した構造である。

上述した第４の実施の形態は、検出部１への放射線の入射方向が定まっている環境であれば、その効果を発揮すると考えられるが、検出部１への放射線の入射方向が未定の場合には、ガンマ線２０１に対する中性子２０２の相対的な検出効率が低下する場合がある。そこで、本実施の形態のような構造を適用する。

本実施の形態においては、第４の実施の形態で述べた中性子コンバータ11とBaFBr:Eu^＋２結晶１２の層の厚さに対する考え方を３次元的に発展させている。つまりBaFBr:Eu^＋２結晶１２の各面に対する中性子コンバータ材料１１の層の厚さを、中性子コンバータ材料１１中で最もBaFBr:Eu^＋２結晶１２との距離が離れた位置で発生した荷電粒子２０３がBaFBr:Eu^＋２結晶１２に到達可能な厚さ以下として、BaFBr:Eu^＋２結晶１２の層の厚さを、中性子コンバータ材料１１中の^６Liと中性子２０２の反応で発生する荷電粒子２０３のBaFBr:Eu^＋２結晶１２中の飛程以下としている。

上述した本発明の放射線計測装置の第５の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、上述した本発明の放射線計測装置の第５の実施の形態によれば、検出部１への放射線の入射方向が未定の場合であっても、ガンマ線２０１に対する中性子２０２の相対的な検出効率を向上できる。

以下、本発明の放射線計測装置の第６の実施の形態を図面を用いて説明する。図７は本発明の放射線計測装置の第６の実施の形態を構成する検出部の概念図である。図７において図１乃至図６に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図７に示す本発明の放射線計測装置の第６の実施の形態は、大略第５の実施の形態と同様の機器で構成されるが、以下の構成が異なる。本実施の形態においては、検出部１を構成する光輝尽性蛍光体センサ１０１の構造が異なる。具体的には、BaFBr:Eu^＋２粉末１１１の層とLiF粉末１１２の層とを交互に複数配置した構造である。

上述した第５の実施の形態は、光輝尽性結蛍光体センサ１０１を小型化して、線量の低い環境で使用する場合、長い積算時間が必要となることがある。また、加工の難易度が高いという問題がある。本実施の形態の構成を適用すれば、複数の方向からの放射線の入射に対応でき、光輝尽性蛍光体センサ１０１の大きさを任意の大きさとすることができる。

本実施の形態におけるLiF粉末１１２の層の厚さは、LiF粉末１１２中の^６Liと中性子２０２の反応で発生した荷電粒子２０３がBaFBr:Eu^＋２粉末１１１に到達する厚さである。このとき、前面に配置したLiF粉末１１２の層以外のLiF粉末１１２の層は隣接するBaFBr:Eu^＋２粉末１１１の層が２つあるが、いずれの方向に荷電粒子２０３が飛んだとしても、BaFBr:Eu^＋２粉末１１１の層に到達する厚さとした。
BaFBr:Eu^＋２粉末１１１の層の厚さは、中性子２０２と^６Liの反応で発生した荷電粒子２０３のBaFBr:Eu^＋２粉末１１１の層中での飛程としている。

本実施の形態の構成は、第４の実施の形態における光輝尽性蛍光体材料１２の表面に中性子コンバータ材料１１が塗布された構成を複数並べたものと等価であるが、中性子２０２とガンマ線２０１の相対効率を保ったまま光輝尽性蛍光体センサ１０１のサイズを大きくした以上の効果が期待できる。なぜならば、表面に配置したLiF粉末１１２の層以外のLiF粉末１１２の層はBaFBr:Eu^＋２粉末１１１の層に挟まれているため、LiF粉末１１２の層で発生した荷電粒子２０３が、BaFBr:Eu^＋２粉末１１１にエネルギーを付与する確率が２倍となるからである。このため、本実施の形態の構造を採用することにより、ガンマ線２０１に対する中性子２０２の相対効率も向上する。

上述した本発明の放射線計測装置の第６の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

以下、本発明の放射線計測装置の第７の実施の形態を図面を用いて説明する。図８は本発明の放射線計測装置の第７の実施の形態を構成する検出部の概念図、図９は図８のIX-IX矢視から見た検出部の一部断面概念図である。図８及び図９において図１乃至図７に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図８及び図９に示す本発明の放射線計測装置の第７の実施の形態は、大略第６の実施の形態と同様の機器で構成されるが、以下の構成が異なる。本実施の形態においては、検出部１を構成する光輝尽性蛍光体センサ１０１の構造が異なる。具体的には、BaFBr:Eu^＋２結晶１２の中にLiF粉末１１２の層を複数配置した構造である。但し、LiF粉末１１２の層は、第１列をBaFBr:Eu^＋２結晶１２の下部から中間高さまで形成し、第２列をBaFBr:Eu^＋２結晶１２の上部から中間高さまで形成し、第３列をBaFBr:Eu^＋２結晶１２の下部から中間高さまで形成するというように交互に方向を変えて形成している。

本実施の形態において、BaFBr:Eu^＋２結晶１２に挿入するLiF粉末１１２の層の間隔は、中性子２０２と^６Liとの反応で発生した荷電粒子２０３のBaFBr:Eu^＋２結晶１２中での飛程としている。

上述した本発明の放射線計測装置の第７の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。

１ 検出部
２ 光分岐カプラ
３ レーザー光源
４ 受光部
５ 増幅器
６ 計測処理部
７ａ 光ファイバ
７ｂ 出力用光ファイバ
７ｃ 入力用光ファイバ
７ｄ 光ファイバ
１１ 中性子コンバータ材料
１２ BaFBr:Eu^＋２結晶
１０１ 光輝尽性蛍光体センサ
１０２ ハウジング
１０３ 透明フィルム
１０４ スペーサー
１１１ BaFBr:Eu^＋２粉末
１１２ LiF粉末
２０１ ガンマ線
２０２ 中性子
２０３ 荷電粒子
３０１ 第２の検出部
３０２ 光スイッチ

Claims (13)

1. 中性子を含む放射線を検出する光輝尽性蛍光体センサと、光ファイバを介して前記光輝尽性蛍光体センサに刺激光を照射するレーザー光源と、前記光輝尽性蛍光体センサから放出される光信号を受光する受光部と、前記受光部が受光した光信号を計測する計測処理部とを備えた放射線計測装置において、
   前記光輝尽性蛍光体センサは、中性子コンバータ材料と光輝尽性蛍光体材料とを組み合わせたものであって、前記中性子の検出効率がガンマ線の検出効率より高くなる比率で組み合わせ構成した
   ことを特徴とする放射線計測装置。
2. 請求項１に記載の放射線計測装置において、
   前記光輝尽性蛍光体センサは、中性子コンバータ材料の粉末と光輝尽性蛍光体材料の粉末とを混合した混合粉末で構成し、前記混合粉末の体積を、前記中性子の検出効率がガンマ線の検出効率より高くなるように設定した
   ことを特徴とする放射線計測装置。
3. 請求項１に記載の放射線計測装置において、
   前記光輝尽性蛍光体センサは、中性子コンバータ材料の粉末と光輝尽性蛍光体材料の粉末とを混合した混合粉末で構成し、前記混合粉末における前記中性子コンバータ材料の粉末と前記光輝尽性蛍光体材料の粉末との割合を、前記中性子の検出効率がガンマ線の検出効率より高くなるように設定した
   ことを特徴とする放射線計測装置。
4. 請求項１に記載の放射線計測装置において、
   前記光輝尽性蛍光体センサは、中性子コンバータ材料の粉末を光輝尽性蛍光体材料の結晶の表面に塗布して構成し、前記光輝尽性蛍光体材料の結晶の厚さを、前記中性子コンバータ材料の粉末と前記中性子の反応によって発生した２次粒子の飛程と同じ寸法に設定した
   ことを特徴とする放射線計測装置。
5. 請求項１に記載の放射線計測装置において、
   前記光輝尽性蛍光体センサは、中性子コンバータ材料の粉末を光輝尽性蛍光体材料の結晶の内部の複数個所に挿入して構成し、前記光輝尽性蛍光体材料における前記中性子コンバータ材料の粉末の挿入位置の間隔を、前記中性子コンバータ材料の粉末と前記中性子の反応によって発生した２次粒子の飛程と同じ寸法に設定した
   ことを特徴とする放射線計測装置。
6. 請求項１に記載の放射線計測装置において、
   前記光輝尽性蛍光体センサは、前記中性子コンバータ材料の層と前記光輝尽性蛍光体材料の層とをそれぞれ形成し、これらの層を交互に複数重ねて配置した
   ことを特徴とする放射線計測装置。
7. 請求項６に記載の放射線計測装置において、
   前記光輝尽性蛍光体センサは、前記中性子コンバータ材料の層の厚さと前記光輝尽性蛍光体材料の層の厚さとを、前記中性子の検出効率がガンマ線の検出効率より高くなるように設定した
   ことを特徴とする放射線計測装置。
8. 請求項６又は７に記載の放射線計測装置において、
   前記光輝尽性蛍光体材料の層の厚さを、前記中性子コンバータ材料と前記中性子の反応によって発生した２次粒子の飛程と同じ寸法に設定した
   ことを特徴とする放射線計測装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の放射線計測装置において、
   前記中性子コンバータ材料は、^６Liまたは^１０BまたはGdのうち、少なくとも１種類の元素を含む材料である
   ことを特徴とする放射線計測装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の放射線計測装置において、
    前記中性子コンバータ材料を含まず前記光輝尽性蛍光体材料のみで構成した第２光輝尽性蛍光体センサをさらに備えた
    ことを特徴とする放射線計測装置。
11. 請求項１０に記載の放射線計測装置において、
    前記第２光輝尽性蛍光体センサと前記光輝尽性蛍光体センサとへの前記刺激光の照射を切り換える光スイッチを更に備え、
    前記レーザー光源と、前記光輝尽性蛍光体センサまたは前記第２光輝尽性蛍光体センサから放出される光信号を受光する受光部と、前記受光部が受光した光信号を計測する計測処理部とを共通で使用するように構成した
    ことを特徴とする放射線計測装置。
12. 請求項１０に記載の放射線計測装置において、
    第２光ファイバを介して前記第２光輝尽性蛍光体センサに刺激光を照射する第２レーザー光源と、前記第２光輝尽性蛍光体センサから放出される光信号を受光する第２受光部と、前記第２受光部が受光した光信号を計測する第２計測処理部とを更に備えた
    ことを特徴とする放射線計測装置。
13. 請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の放射線計測装置において、
    前記光輝尽性蛍光体センサから得られた計測値と、前記第２光輝尽性蛍光体センサから得られた計測値とを基に、前記中性子の線量または線量率、中性子数を算出する
    ことを特徴とする放射線計測装置。

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