JP2017110952A

JP2017110952A - 放射線検出器及びそれを用いた放射線の検出方法

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Publication number: JP2017110952A
Application number: JP2015243736A
Authority: JP
Inventors: 小松　正明; Masaaki Komatsu; 正明小松; 今村　伸; Shin Imamura; 伸今村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2015-12-15
Filing date: 2015-12-15
Publication date: 2017-06-22
Anticipated expiration: 2035-12-15
Also published as: JP6681184B2

Abstract

【課題】シンチレータのバックグラウンドを制御し、放射線検出器の検出精度を向上することを目的とする。【解決手段】上記課題を解決するために本発明に係る放射線検出器は、シンチレータと、シンチレータで発光した光を伝送する光伝送路と、光伝送路を通過してきた光を電気信号に変換する光検出器と、シンチレータの周囲に配置され、シンチレータを１００℃以上に加温する加熱装置と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、放射線検出器、及びそれを用いた放射線の検出方法の検出方法に関する。

放射線検出器の検出精度は、放射線検出器の周辺温度によって変化することが知られている。そのため、放射線検出器には温度をモニターする設備が備えられ、周辺温度によって検出器により計測される値を補正する技術が備えられている場合がある。

例えば、特許文献１には、測定部の周囲に設けたサーミスタにより当該測定部の周囲の温度を測定し、その温度によって測定部から出力された放射線データを補正する方法が記載されている。また、特許文献２には、温度変化による放射線検出器の温度ムラを抑制するため、冷却部を備えて装置の温度を一定に保つ工夫が記載されている。特許文献３には、環境温度を調整するために、検出器ケースの側面の外側にヒータが設けられた放射線検出器が開示されている。

特開２０１４−２１０４０号公報特開２０１４−３５２５０号公報特開２００６−７８３３８号公報

シンチレータを用いた放射線検出器では、高強度の放射線を照射した直後に、弱い放射線を測定することが困難であるという課題がある。これは、高強度放射線の入射により長時間の残光が生じ、残光によりバックグラウンドが高くなるためである。残光によりバックグランドが上昇した場合、精度よく検出するためには、放射線の計測間隔を１日以上あける必要がある。

特許文献１のように温度変化をモニターし補正する方法、特許文献２、３のように検出器の温度そのものを制御して検出精度を上げる方法は、高強度放射線の入射により生じる残光について検討されていない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、短時間で、精度よく検出できる放射線検出器を提供することを目的とする。

本発明に係る放射線検出器は、シンチレータと、シンチレータで発光した光を伝送する光伝送路と、光伝送路を通過してきた光を電気信号に変換する光検出器と、シンチレータの周囲に配置され、シンチレータを１００℃以上に加温する加熱装置と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、短時間で精度よく検出できる放射線検出器を提供できる。

放射線検出器の模式図シンチレータのバンド図シンチレータの熱発光曲線

＜放射線検出器の構造＞
本発明の一実施形態に係る放射線検出器の模式図を図１に示す。放射線検出器１はシンチレータ２、光ファイバ５、及び光検出器６で構成されており、シンチレータ２の周囲には、シンチレータ２の温度を上げるためのヒータ３が設置されている。放射線は放射線受面４より取り込まれ、シンチレータ２により放射線が光に変換される。変換された光は光ファイバ５により光検出器６に送り込まれ、光検出器６により光電変換されて出力される。

ここで、シンチレータ２の材料としては、ＹＡＧ：Ｎｄ、プラスチックシンチレータ、ＬｕＡＧ：Ｃｅ、ＬｕＡＧ：Ｐｒ、ＬｕＡＧ：Ｎｄ、ＹＡＧ：Ｃｅ、ＹＡＰ：Ｃｅ、ＬＳＯ、ＧＳＯ、ＢＧＯ、ＢａＦ_２、ＣａＦ_２：Ｅｕ、Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｐｒなどを用いることができる。ＹＡＧ：Ｎｄ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｎｄ）は、γ線の検出感度はそれほど高くはなく、高強度のγ線検出に適している。また、光ファイバの導光性に優れている。ＬＳＯ（Ｌｕ_２ＳｉＯ_５：Ｃｅ）は密度が高く、蛍光減衰時間が短い特徴がある。ＧＳＯ（Ｇｄ_２ＳｉＯ_５：Ｃｅ）は蛍光減衰時間が短い特徴があり、ＢＧＯ（Ｂｉ_４Ｇｅ_３Ｏ_１２）はγ線のストッピングパワーに優れており、感度が高い特徴がある。シンチレータ２の材料は検出するγ線の強度などの条件に適したものを選択すればよく、高強度のγ線を計測する場合には、ＹＡＧ：Ｎｄなどの材料を選択すればよい。以下、シンチレータ２の材料としてＹＡＧ：Ｎｄを用いたものを例として説明する。

光ファイバ５はシンチレータで発光した光を伝送する光伝送路である。光伝送路としては、光ファイバの他に、ライドガイド等を用いることができる。

光検出器は、光伝送路を通過してきた光を電気信号に電気信号に変換する。光検出器６としては、光電子増倍管、シリコンフォトダイオード、シリコンＰＩＮフォトダイオード、ＩｎＧａＡｓＰＩＮフォトダイオードなどを用いることができる。

光検出器からの電気信号は、信号処理回路等により処理される。

ヒータ３は、シンチレータを加温する加熱装置として機能するものであればよい。加熱装置としては、例えば、マイクロヒータ、コイルヒータ、バンドヒータ、リボンヒータ、シリコーンラバーヒータなどのヒータ、赤外線放射器、赤外線レーザを用いることができる。安定してシンチレータの温度を上げられるものが好ましい。また、シンチレータ２全体の温度を、均一に上げられるものが、より好ましい。また、加熱装置は、発熱体と、シンチレータの温度を検知する温度センサと、温度センサにより得られたシンチレータの温度に基づき発熱体の温度を調整する温度調節器と、を備えていても良い。発熱体及び温度センサは、温度調節器に接続されている。温度センサとしては、例えば、熱電対を用いることができる。加熱装置は、さらに保温材を備えていても良い。保温材を用いることにより、所望の温度に保持することが容易となる。

調整するシンチレータの温度は、用いるシンチレータの材料によって異なる。例えば、シンチレータ２がＹＡＧ：Ｎｄの場合には、ヒータ３はシンチレータ２の温度を１００℃以上３００℃以下の範囲で安定して保持することが好ましい。放射線計測時のバックグラウンドを小さくしたい場合には、シンチレータ２の温度を１００℃以上３００℃以下の範囲、より望ましくは１６０℃以上１８０℃以下の範囲で安定して保持できることが望ましい。ＹＡＧ：Ｎｄ以外の材料を用いた場合、加熱温度はシンチレータのトラップ準位のピーク温度よりも高い温度にすることが好ましい。ただし、３００℃より高い温度では輻射熱による光が入るため、シンチレータの温度を、トラップ温度以上３００℃以下とすることがより好ましい。

シンチレータを加温するタイミングは、特に限定されない。例えば、放射線検出前に、シンチレータを加温することにより、前回測定時の残光によるバックグラウンドを低減できる。また、放射線測定後に、シンチレータを加温してもよい。測定後にシンチレータを加温することにより、次回の計測で残光を少なくし、バックグラウンドを小さくできる。また、シンチレータを加温した状態のまま、計測しても良い。また、繰り返し計測の場合には、例えば、１回計測後にシンチレータ２の温度を２５０℃以上３００℃以下の範囲に上げることで、次回の計測時にバックグラウンドが小さくなる。

以上のように、放射線検出器１のシンチレータ２の周囲にヒータ３を設置して、シンチレータ２の温度を１００℃以上に上げることによって、バックグラウンドが小さくなり、精度よく放射線を計測できる。

放射線検出器は、放射線計測後に加熱装置を稼働させる制御装置を備えていても良い。放射線計測後に加熱装置を稼働させる制御装置を備えることにより、次回計測時に残光によるバックグラウンドを低減した状態で計測できる。その結果、検出精度の高い放射線検出器を提供できる。

放射線検出器は、加熱装置の他に冷却機構を備えていても良い。冷却機構を設けることにより、輻射熱による光が小さい温度まで、速やかに下げることができる。

以下、残光によるバックグラウンドが低減する原理を説明する。原理図を図２に示す。放射線により励起された電子８は、価電子帯９から伝導帯１０に励起され、発光中心１１に捕捉されて発光するが、一部はトラップ１２に捕捉される。トラップに捕捉された電子は、トラップ準位の深さが浅い場合には、室温によりじわじわと伝導帯に励起され、発光中心に捕捉されて残光となる。すなわち、シンチレータ材料にトラップが存在することで、残光が起きてバックグラウンドが大きくなり、それはシンチレータ周囲の温度によって変化する。

図３にシンチレータＹＡＧ：Ｎｄの熱発光曲線を示す。照射線量約２００ｋＧｙでシンチレータを励起した後に、温度をリニアに上げながら、発光を光電子増倍管で計測した。熱発光曲線では、１３０℃付近、及び２００℃付近にピークが観測された。熱発光曲線の温度からトラップの深さが分かり、その面積はトラップ濃度に対応している。１３０℃付近のトラップはピーク強度が大きく面積が広いため、トラップ濃度が高い。室温付近で放射線計測を行っても、１３０℃付近のトラップから電子が室温によりじわじわと放出されるため、残光が大きい。特に、高い放射線量でシンチレータが励起された場合には、より高濃度にトラップされるため、より残光強度は強くなり、バックグラウンドが大きくなる。

従って、残光を少なくし、バックグラウンドを小さくするには、シンチレータの温度を１００℃以上、３００℃以下に保持すれば、１３０℃付近のトラップによる残光の影響を少なくできる。これは、トラップの深さ以上の温度にすれば、トラップに捕捉された電子が開放されるためである。さらに、より好ましくは１６０℃以上、１８０℃以下に保持することである。１８０℃以上では２００℃付近にトラップが存在すること、及び輻射成分が存在するため、バックグラウンドが大きくなる。

また、繰り返し計測する場合には、トラップ準位の電子を全て開放するのがよく、シンチレータの温度を一度、２５０℃以上、３００℃以下でリフレッシュすれば、次回の計測で残光を少なくし、バックグラウンドを小さくできる。図３に熱発光曲線を繰り返し測定した結果を示す。１度加熱すれば、加熱後にはトラップは観測されず、１回の温度上昇で捕捉された電子が全て開放されたことが分かる。

以上のように、シンチレータ材料のトラップ評価により、そのピーク温度が観測できれば、残光の影響の少ない温度が分かり、ヒータなどによりシンチレータの温度を制御することで、バックグラウンドを小さくし、高い放射線量においても、精度よく放射線量を計測することができる。

（実施例１）
図１に係る放射線検出器を用い、放射線検出器の測定精度を評価した。シンチレータとしてはＹＡＧ：Ｎｄを用いた。ヒータはマイクロヒータを用い、シンチレータの周囲に配置した。マイクロヒータはシンチレータ全体を均一に加熱するように、シンチレータ全体に巻きつけ、保温材を取り付けた。そして、シンチレータ部に熱電対を設け、その温度を計測した。また、ヒータ及び熱電対を温度調節器に接続し、その温度をコントロールした。

１ＭｅＶのγ線を計測した後に、繰り返し計測時の次回の計測前に、温度調節器により、シンチレータの温度を３００℃まで上げて３０分間保持した。その後、ヒータを切って、再びγ線の計測を行った。３００℃まで温度を一旦上げることにより、バックグラウンドは減少し、測定精度が向上した。

（実施例２）
シンチレータの温度を２５０℃まで上げたこと以外、実施例１と同様に放射線検出器の検出精度を評価した。

２５０℃まで温度を一旦上げることにより、バックグラウンドは減少し、測定精度が向上した。

（比較例１）
γ線を計測した後に繰り返し計測時の次回の計測前に、シンチレータの温度を温度調節器により２５℃に調整したこと以外、実施例１と同様に放射線検出器の検出精度を評価した。バックグラウンドは大きく、測定精度が悪かった。

（実施例３）
ヒータとしてシリコーンラバーヒータを用いたこと、γ線を計測する際に、温度調節器によりシンチレータの温度を１７０℃に設定して３０分間保持し、その状態でγ線を計測したこと以外、実施例１と同様に放射線検出器の検出精度を評価した。バックグラウンドは温度が室温の場合よりも小さく、測定精度が向上した。

（実施例４）
γ線を計測する際に、温度調節器によりシンチレータの温度を１００℃に設定して３０分間保持し、その状態でγ線を計測したこと以外、実施例３と同様に放射線検出器の検出精度を評価した。バックグラウンドは温度が室温の場合よりも小さく、測定精度が向上した。

（比較例２）
γ線を計測する際に、温度調節器によりシンチレータの温度を３０℃に設定して３０分間保持し、その状態でγ線を計測したこと以外実施例３と同様に放射線検出器の検出精度を評価した。温度を３０℃とした場合には、バックグラウンドが大きく、測定精度が悪かった。

以上のように、放射線計測前、或いは放射線計測時にシンチレータの温度を１００℃以上に加熱することにより、残光によるバックグランドを低減できた。

また、実施例１〜４を比較すると、繰り返し計測の場合には、実施例１の測定方法が最も効果が高かった。これは、トラップされた電子がより放出され、残光が減少したためである。また、通常の１回計測では、実施例３の測定方法が最も効果が高かった。これは、１３０℃付近のトラップに捕捉された電子が開放され、残光が減少したためである。

本発明は、放射線レベルの高い環境で使用することが可能な放射線検出器に利用することができる。また、原子力関係の設備用途の他、医療用途、計測用途などに応用できる。

１…放射線検出器、２…シンチレータ、３…ヒータ、４…放射線受面、５…光ファイバ、６…光検出器、７…正孔、８…電子、９…価電子帯、１０…伝導帯、１１…発光中心、１２…トラップ、

Claims

シンチレータと、
前記シンチレータで発光した光を伝送する光伝送路と、
前記光伝送路を通過してきた光を電気信号に変換する光検出器と、
前記シンチレータの周囲に配置され、前記シンチレータを１００℃以上に加温する加熱装置と、を備えることを特徴とする放射線検出器。
請求項１に記載の放射線検出器であって、
前記光伝送路は光ファイバであることを特徴とする放射線検出器。
請求項１又は２に記載の放射線検出器であって、
前記加熱装置は、発熱体と、前記シンチレータの温度を検知する温度センサと、前記温度センサにより得られた前記シンチレータの温度に基づき前記発熱体の温度を調整する温度調節器と、を備えることを特徴とする放射線検出器。
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の放射線検出器であって、
前記シンチレータはＹＡＧ：Ｎｄであることを特徴とする放射線検出器。
請求項４に記載の放射線検出器であって、
前記加熱装置は前記シンチレータを１６０℃以上１８０℃以下に制御することを特徴とする放射線検出器。
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の放射線検出器であって、
放射線測定後に前記加熱装置を稼働させる制御装置を備えることを特徴とする放射線検出器。
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の放射線検出器を用いた放射線の検出方法であって、
前記加熱装置を稼働させることにより前記シンチレータを１００℃以上に加温した状態を３０分以上保持した後、放射線量を測定することを特徴とする放射線の検出方法。
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の放射線検出器を用いた放射線の検出方法であって、
前記加熱装置を稼働させたまま放射線量を測定することを特徴とする放射線の検出方法。