JP2018017613A - 放射線計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】核燃料物質を取り扱う施設の非常に強い放射線環境下において、核燃料物質由来のγ線や中性子、それに伴うγ線線量率を高精度に弁別して計測可能な、小型軽量の放射線計測装置を実現する。
【解決手段】放射線検出器として小型軽量であり非常に強い放射線環境下でも安定した動作が可能な半導体検出器１０１を使用し、信号処理回路１０４を用いることで前置増幅器１０２の信号の立ち上がり時間と波高値を同時に収集することができる。解析回路１０５にて、半導体検出器１０１からの信号の立ち上がり時間と波高値とにより設定される弁別領域を用いてγ線と中性子とを弁別する。表示装置１０６で解析結果を表示することで解析結果における使用者の理解を容易にすることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、中性子やγ線を測定することで、各燃料物質の有無やその特性を評価するための放射線計測装置に関する。

放射性物質を取り扱う施設として原子力発電プラントや廃棄物処理施設、加速器施設、放射性物質等管理区域を有する施設などがある。これらの施設の一部では、ウランやプルトニウムなどの核燃料物質が発電用や基礎研究用として使用されている。

また、原子力発電所で事故が発生した場合、原子炉圧力容器や原子炉格納容器に溶融した後に固まった核燃料の一部が堆積している可能性がある。このため、核燃料物質を取り扱う施設においては、核燃料物質の高精度な管理が要求される。

核燃料物質の管理の観点で、特に原子力発電所においては、核燃料物質の検知技術が求められている。核燃料物質の有無を検知する方法の一つとして、核燃料に付随して存在する放射性物質から放出される特有の放射線を計測する手段がある。その代表的な放射性物質として、Ｃｅ−１４４やＥｕ−１５４等のγ線源、Ｃｍ−２４４等の中性子線源がある。

原子力発電所における過去の事故においては、Ｃｅ−１４４から放射されるγ線を計測することで、燃料デブリを調査したとする報告書もある。ただしＣｅ−１４４は半減期が短く（約２３９日）、適用性に制限がある。一方でＥｕ−１５４は半減期が長く（約８．６年）、燃料集合体内部の含有量も比較的多いため、核燃料有無の検知のための測定対象として有力である。

γ線計測として、使用済み燃料集合体由来の核燃料物質においては、原子炉運転中に生じた核分裂生成物が多く含まれていることから、核燃料物質のγ線線量率は非常に高いことから、γ線線量率の情報も有用と考えられる。また、Ｃｍ−２４４は自発核分裂によって中性子を放出し、その半減期は約１８年である。核燃料に付随して存在するため、核燃料有無の検知のための測定対象として有力である。

Ｅｕ−１５４から放射されるγ線やγ線線量率、Ｃｍ−２４４から放射される中性子を計測するには、それぞれの線種に対応した放射線検出器での測定が必要である。これらの放射線検出器には、非常に強い放射線環境下（例えば、１Ｇｙ／ｈ）での動作が要求される。更に、遠隔操作装置を利用したアクセスが必要とされるため、これらの放射線検出器には小型であること、更に軽量であることが要求される。これらの条件において、これらの線種や線量率を計測するには、１台の小型軽量の放射線検出器を用いて、且つ非常に強い放射線環境下において安定して動作するための手法が必要となる。

非特許文献１では、γ線や中性子を計測するための一般的な放射線検出器が記述されている。非常に強い放射線環境下で動作する検出器としてはγ線線量率を計測するための電離箱や、中性子検出器として運転中の原子炉中で使用される核分裂電離箱が挙げられる。また、γ線計測による核種分析を実現するために、Ｇｅ半導体やＣｄＴｅ半導体、ＣｄＺｎＴｅ半導体を用いた放射線検出器、中性子計測を実現するための、Ｈｅ−３ガス検出器やボロン塗布型比例計数管、ＢＦ３ガス検出器が挙げられる。

また、特許文献１では、検出器の信号をデジタル信号に変換し、信号を演算処理する計測装置について述べられている。ここでは、検出器のパルス信号の時間間隔とエネルギー値を得るとともに、解析対象のパルスの前に取得したパルス信号波高値から解析対象の信号波高値を補正している。

また、特許文献２では、単結晶基盤上に製作された超伝導トンネル接合素子による放射線吸収により基盤で発生したフォノンを検出する放射線検出器において、ガンマ線またはＸ線または電子線と、粒子線とを電荷パルス信号の立ち上がり時間が異なることを利用して弁別することを特徴とする。

放射線計測ハンドブック（第４版）；Ｇｌｅｎｎ Ｆ．Ｋｎｏｌｌ、神野郁夫、木村逸郎

特許第５６１１３５７号公報 特開２００５−１９５５５２号公報

非常に強い放射線環境下において、核燃料物質由来のγ線や中性子、それに伴うγ線線量率を計測するには、１台の小型軽量の放射線検出器を用いて、非常に強い放射線環境下においても安定して動作するための手法が必要となる。

非特許文献１は、一般的な放射線検出器に対する記述はなされているが、１台の小型軽量の放射線検出器で、γ線や中性子、それに伴うγ線線量率を計測する手法については記載されていない。したがって、非特許文献１における構成では、非常に強い放射線環境下において、核燃料物質由来のγ線や中性子、それに伴うγ線線量率を１台の小型軽量の放射線検出器で計測することは困難である。

また、特許文献１では、検出器のパルス信号の時間間隔から、解析対象のパルス信号の波高値を補正する記述はなされている。このため、波高値情報に基づく高精度のγ線核種分析の実現性が示唆される。しかしながら、γ線や中性子の弁別に関して記述されていない。また、非常に強い放射線環境下における動作に関して記述されていない。したがって、特許文献１における構成では、非常に強い放射線環境下において、核燃料物質由来のγ線や中性子、それに伴うγ線線量率を計測することは困難である。

また、特許文献２では、超電導トンネル接合素子の基盤で発生したフォノンの信号立ち上がり時間を利用することで、γ線との相互作用で生じる二次電子やＸ線、中性子を弁別することが記述されている。

しかしながら、特許文献２の図２に示されているように、γ線の信号立ち上がり時間と、中性子線の信号立ち上がり時間とは、互いに重複する部分が有る。このため、立ち上がり時間を利用した弁別では、γ線と中性子線とを高精度に弁熱することは困難である。

また、特許文献２は、非常に強い放射線環境下における動作に関しては考慮されていない。また、超電導トンネル接合素子は極低温まで素子を冷却する必要があることから、大型の冷凍機が必要となる。

したがって、特許文献２に記載の技術では、非常に強い放射線環境下において適用可能な小型軽量の放射線検出器を用いて、核燃料物質由来のγ線や中性子、それに伴うγ線線量率を高精度に計測することは困難である。

本発明の目的は、核燃料物質を取り扱う施設の非常に強い放射線環境下において、核燃料物質由来のγ線や中性子、それに伴うγ線線量率を高精度に弁別して計測可能な、小型軽量の放射線計測装置を実現することである。

上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。

放射線計測装置において、平板薄膜型の半導体素子の平面部分の一方に（ｎ，α）反応を示す中性子コンバータを有し、測定対象物から発生される放射線を検知する放射線検出器と、上記放射線検出器に電圧を印加する電圧源と、上記放射線検出器の出力信号を増幅する前置増幅器と、上記前置増幅器の出力信号の立ち上がり時間と波高値を演算する信号処理回路と、上記信号処理回路が演算した上記立ち上がり時間及び上記波高値と、これらの信号の放射線計数値を解析する解析回路と、上記解析回路から出力される解析結果を出力する表示装置とを備え、上記解析回路は、上記立ち上がり時間及び上記波高値のそれぞれに複数の領域を指定し、上記複数の領域に含まれる放射線計数値から中性子計数値及びγ線計数値を算出し、上記中性子計数値から熱中性子束を算出し、上記γ線計数値からγ線線量率を算出して解析結果として出力する。

核燃料物質を取り扱う施設の非常に強い放射線環境下において、核燃料物質由来のγ線や中性子、それに伴うγ線線量率を高精度に弁別して計測可能な、小型軽量の放射線計測装置を実現するができる。

本発明の実施例１による放射線計測装置の概略構成図である。 本発明の実施例１における放射線計測装置に使用する放射線検出器内の電子及び正孔ドリフトの概念図である。 図１に示した前置増幅器の信号の概念図である。 前置増幅器の信号データ取得の概念図である。 信号の立ち上がり時間と波高値との計数値分布を表示する図である。 各弁別領域における波高値スペクトルを示す図である。 実施例２における中性子起因α線による前置増幅器の波形立ち上がり領域の時間微分波形の概念図である。 実施例２におけるγ線による前置増幅器の波形立ち上がり領域の時間微分波形の概念図である。 波形立ち上がり領域の正孔ドリフト時間幅の算出に関する概念図である。 正孔ドリフト時間幅と波高値による計数値分布を示す図である。 実施例３における電荷収集効率のバイアス電圧依存性を示す図である。 実施例４における各弁別領域における波高値スペクトルを示す図である。 実施例４における各弁別領域における波高値スペクトルを示す図である。

本発明は、核燃料物質を取り扱う施設において、非常に強い放射線環境下においても、１台の小型軽量の放射線検出器を用いて、測定対象物である核燃料物質由来の中性子、γ線線量率を高精度に弁別し、それぞれ線種における応答を安定して計測することで、核燃料物質の管理を容易にすることができる放射線計測装置に関して種々検討して得た新たな知見に基づいてなされたものである。

上記知見から、中性子及びγ線を計測する放射線計測装置において、信号の立ち上がり時間と波高値とを指定した複数の範囲から、中性子計数値及びγ線計数値を弁別して算出し、中性子計数値から熱中性子束、γ線計数値からγ線線量率を算出することで、非常に強い放射線環境下においても、１台の小型軽量の放射線検出器を用いて、核燃料物質由来の中性子、γ線線量率を高精度に弁別し、それぞれ線種における応答を安定して計測することを可能とし、核燃料物質の管理を容易にすることができる。

以下、本発明に係る放射線計測装置の好適な実施例を、図面を参照して具体的に説明する。

（実施例１）
本発明の実施例１である放射線計測装置を図１から図６を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例１による放射線計測装置の概略構成図である。

図１において、放射線計測装置１００は、放射線検出器１０１と、前置増幅器１０２と、電圧源１０３と、信号処理回路１０４と、解析回路１０５と、表示装置とを備える。

放射線検出器１０１では、外部から到来する（測定対象物から発生される）放射線１６５を検知し、検知に伴う電気信号を発生させる。放射線検出器１０１で使用される放射線センサとしては、ダイヤモンド半導体、シリコン半導体、ＣｄＴｅ半導体、ＣｄＺｎＴｅ半導体、ＧａＡｓ半導体、ＳｉＣ半導体のいずれかが使用される。これらの半導体検出器を用いることで、放射線検出器１０１の小型化が容易となる。

この放射線検出器１０１には電圧源１０３によって所定の極性のバイアス電圧が印加される。放射線検出器１０１で発生した電気信号は前置増幅器１０２で整形、増幅される。ここで前置増幅器１０２として、半導体検出器用に一般的に使用される電荷有感型前置増幅器が使用され、テールを有するパルス信号に変換される。前置増幅器１０２の出力信号は信号処理回路１０４に入力され、出力信号の波高値や立ち上がり時間を演算する。

ここで、信号処理回路１０４はアナログデジタル変換器を備え、前置増幅器１０２の出力信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。アナログデジタル変換器には、使用する放射線センサの応答速度に応じて、１ＭＳ／ｓ以上のサンプリング周期や１０ｂｉｔ以上の分解能を有するアナログデジタル変換器を使用する。デジタル変換した出力信号は、ＦＰＧＡやＡＳＩＣを用いたプログラマブルアレイ等を用いて、取得すべき信号成分である波高値や立ち上がり時間を抽出する。出力信号の波高値や立ち上がり時間は後段の解析回路１０５に伝送される。解析回路１０５ではこれらの情報に加え、放射線計数値を取得する。解析回路１０５は、波高値や立ち上がり時間、放射線計数値を解析し、解析結果を出力する。この解析結果を表示装置１０６で出力する。

図２は、本発明の実施例１における放射線計測装置に使用する放射線検出器１０１内の電子及び正孔ドリフトの概念図である。

図２において、放射線センサを半導体素子１０７とし、形状を平面薄膜型とする。放射線センサ１０７の膜厚を１００μｍ〜１μｍとすることで、γ線に対する応答を低減しつつ、中性子起因のα線の応答を数え落とし無く計測することが可能となる。これによって、γ線による高バックグラウンド下での中性子計測が可能となる。

中性子に対する応答を効率良く取得するため、半導体素子１０７の一方の平面に中性子コンバータ１０８を塗布もしくは蒸着させる。ここで中性子コンバータ１０８の材料として、（ｎ，α）反応を示す材料として、リチウム６（Ｌｉ−６）もしくはボロン１０（Ｂ−１０）を含有する材料を選定する。

半導体素子１０７には電圧源１０３を用いてバイアス電圧が印加される。ここでは一例として電界向き１０９を図２のように設定し、正孔ドリフト向き１１０を中性子コンバータ１０８向き、電子ドリフト向き１１１を中性子コンバータ１０８向きとは反対向きのもう一方の向きであると設定した。この半導体素子１０７に熱中性子１１２やγ線１１３を照射する。熱中性子１１２は中性子コンバータ１０８との（ｎ，α）反応によってα線を放出する。このα線と半導体素子１０７との相互作用によって生じる電子及び正孔を電気信号として検出することで、熱中性子１１２を検出する。

α線の飛程は短いため、半導体素子１０７の表層部で相互作用を生じさせる。図２の場合、α線との相互作用位置１１４から電子及び正孔が電界向き１０９に沿ってドリフトを開始する。ここで正孔ドリフト距離は短く、半導体素子１０７内では電子ドリフトが支配的となる。半導体素子１０７の電気的特性の一部である電子移動度μ_ｅが高い場合、電子が半導体素子１０７内を高速に移動することを示す。また、電子寿命τ_ｅが長い場合、電子は半導体素子１０７内で捕獲されにくいことを示す。

これらの積であるμ_ｅτ_ｅ積は、電子の収集効率とその速度を示す指標となる。このことから、μ_ｅτ_ｅ積が大きい場合には、電子が半導体素子１０７内で高速で移動し、捕獲される確率が低いと考えられる。

γ線１１３では、γ線１１３と半導体素子１０７との相互作用によって生じる電子及び正孔を電気信号として検出することで、γ線１１３を検出する。図２の場合、γ線１１３と半導体素子１０７との相互作用位置１１５から電子及び正孔が電界向き１０９に沿ってドリフトを開始する。γ線１１３との相互作用位置１１５の発生箇所はγ線１１３のエネルギーに依存する。実施例１では半導体素子１０７を平面薄膜型としていることから、半導体素子１０７内でのγ線１１３との相互作用位置１１５はほぼ一様であると考えられる。

半導体素子１０７の電気的特性の一部である正孔移動度μ_ｈが高い場合、正孔が半導体素子１０７内を高速に移動することを示す。また、正孔寿命τ_ｈが長い場合、正孔は半導体素子１０７内で捕獲されにくいことを示す。これらの積であるμ_ｈτ_ｈ積は、正孔の収集効率とその速度を示す指標となる。正孔のμ_ｈτ_ｈ積が小さい場合には、正孔が半導体素子１０７内で低速で移動し、捕獲される確率が高いと考えられる。例えば、正孔捕獲位置１１６において、正孔の一部が捕獲される。これらの放射線との半導体素子１０７との相互作用で生じる電子及び正孔は各平面に取り付けられた電極（図示せず）を介して信号線１１７に伝送される。

図３は、図１に示した前置増幅１０２の信号の概念図である。図３において、縦軸を波高値、横軸を時刻とする。

半導体素子１０７における各電荷のμτ積の違いによって、前置増幅器１０２の信号波形には変化が生じる。ここでは一例として、半導体素子における電子のμ_ｅτ_ｅ積が高く、正孔のμ_ｈτ_ｈ積が低い場合で説明する。ただし、使用する半導体素子によっては、正孔のμ_ｈτ_ｈ積が高く、電子のμ_ｅτ_ｅ積が低い場合もある。

中性子起因パルス信号１１８（破線）は、電子ドリフトによる立ち上がり波形１１９が観測される。一方でγ線起因パルス信号１２０（実線）は、電子ドリフトによる立ち上がり波形１１９（破線）と正孔ドリフトによる立ち上がり波形１２１（実線）が観測される。

正孔のμ_ｈτ_ｈ積が低いことから、正孔ドリフトによる立ち上がり波形１２１は電子ドリフトによる立ち上がり波形１１９と異なる波形が観測される。

この立ち上がり波形の違いを利用して、信号処理回路１０４にて中性子起因の出力信号とγ線起因の出力信号とを弁別させる。

実施例１では図４で示すように、波形立ち上がり時間１２２と、波形立ち上がり時間１２２と連動した波高値１２３を取得する。図４は、前置増幅器１０２の信号データ取得の概念図であり、縦軸は波高値１２３を示し、横軸は時刻を示す。

図４において、測定対象となる信号波形１２４に対して、波高値のベースライン１２５に対して信号が立ち上がるタイミングから波高値が波高値最大値１２６となるタイミングまでの時間間隔を波形立ち上がり時間１２２とする。波高値のベースライン１２５に対して信号が立ち上がるタイミングは、コンパレータ等を用いて任意の波高値のしきい値を超えたタイミングとする方式であるリーディングエッジタイミング方式や、信号のウォークの影響を低減してしきい値を超えたタイミングを高精度に検出できるコンスタントフラクションタイミング方式が使用される。

解析回路１０５では、信号処理回路１０４で取得された波形立ち上がり時間１２２と波高値１２３とを解析する。図５は、これらの信号の立ち上がり時間と波高値との計数値分布を表示する図である。図５において、縦軸は波形立ち上がり時間であり、横軸は波高値を示す。図５に示した分布には中性子による応答１２７及びγ線による応答１２８による計数値の分布が示される。

核燃料物質やその周辺から放出されるγ線のうち、２ＭｅＶを超えるγ線エネルギーを有する放射性物質は少量である。このため、γ線エネルギーと比例関係である波高値においては、低から中領域の波高値にγ線による寄与が支配的となる。

一方、中性子起因のα線エネルギーは数ＭｅＶと高く、波高値でγ線と弁別することが可能である。ただし、γ線による高バックグラウンド下で測定する場合、パイルアップ影響１３１で中性子起因のα線と同等の波高値にもγ線による波高値が記録される。

そこで、本発明の実施例１では、波高値１２３だけではなく、立ち上がり時間１２２も利用して、γ線による高バックグラウンド下での中性子計測性を向上させる。図３に示したように、中性子起因のパルス信号は立ち上がり時間が短くなる。そこで、立ち上がり時間の任意の領域に立ち上がり時間弁別領域１２９を設定する。また、波高値にも波高値弁別領域１３０を設定する。

図５に示した計数率分布を任意の立ち上がり時間で抽出し、波高値スペクトルで表示することができる。図６は各弁別領域における波高値スペクトルを示す図である。

図６において、波高値スペクトル１３２は図５で示した立ち上がり時間の弁別領域１２９を適用した際の波高値スペクトルである。もう一方の波高値スペクトル１３３は図５において弁別領域を設定しない場合の波高値スペクトルである。波高値スペクトル１３２では、中性子による波高値領域１３４において、波高値ピーク１３６を観測できる。これは中性子起因α線によるものである。

γ線による波高値領域１３５においては、例えば半導体素子１０７にダイヤモンド半導体やシリコン半導体、ＳｉＣ半導体といった低い原子番号の元素から構成される半導体を用いた場合、コンプトン効果による半導体素子１０７へのエネルギー付与が支配的となるため、波高値スペクトルにはコンプトン分布１３７が観測される。

図６においては、中性子起因α線の波高値ピーク１３６より低い波高値領域にγ線によるコンプトン分布１３７が測定できる。一方で弁別領域を設定しない場合の波高値スペクトル１３３では、γ線によるパイルアップ影響によって、広い波高値領域にてコンプトン分布１３８が測定される。この影響によって、中性子による波高値領域１３４において中性子起因α線の波高値ピーク１３６は観測できない。これらから、波高値スペクトル１３２では中性子による計数値とγ線による計数値を高精度に弁別することができるといえる。

図６における中性子による波高値領域１３４における計数値と、γ線による波高値領域１３５における計数値から、次式（１）及び次式（２）を用いて、解析回路１０５が、それぞれを熱中性子束及びγ線線量率に変換する（演算する）。
Ｆ_ｔｈ＝（Ｎ_ｔｈ×α_ｔｈ）／ｔ ・・・（１）
Ｆ_ｇ ＝（Ｎ_ｇ×α_ｇ×３６００）／ｔ ・・・（２）
ただし、上記式（１）及び（２）において、Ｆ_ｔｈは熱中性子束（／ｃｍ^２／ｓ）、Ｎ_ｔｈは熱中性子束による計数値、α_ｔｈは熱中性子束変換係数（／ｃｍ^２）、ｔは測定時間（ｓ）、Ｆ_ｇはγ線線量率（Ｇｙ／ｈ）、Ｎ_ｇはγ線による計数値、α_ｇは線量率変換係数（Ｇｙ／ｈ）である。

解析回路１０５で演算された熱中性子束Ｆ_ｔｈ（／ｃｍ^２／ｓ）及びγ線線量率Ｆ_ｇ（Ｇｙ／ｈ）は、表示装置１０６に表示される。

本発明の実施例１によれば、電圧源１０３を用いて放射線センサである放射線検出器１０１に電圧を印加することで、放射線と放射線検出器１０１との相互作用で生じる電子と正孔を高効率に収集することが可能となる。

また、前置増幅器１０２を用いることで、放射線検出器１０１の信号を適切に増幅することが可能となる。

また、信号処理回路１０４を用いることで、前置増幅器１０２の信号の立ち上がり時間と波高値を同時に収集することができ、後段の解析回路１０５において、これらの信号の立ち上がり時間と波高値とにより設定される複数の弁別領域を用いて、計数値でその大小を比較する分布を取得することが可能となる。表示装置１０６ではこの解析結果を表示することで、解析結果における使用者の理解を容易にすることが可能となる。

また、放射線検出器１０１内で生じる電子と正孔において、放射線検出器１０１内での寿命を示すμτ積が短い電荷を、中性子コンバータ１０８を備えた平面部分にドリフトさせる電界を印加する電圧源１０３を備えることで、中性子コンバータで発生するα線と放射線検出器１０１との相互作用で生じる電子と正孔のうち、μτ積が長い電荷をドリフトさせることになる。このため、中性子による計数を取得する場合の信号立ち上がり時間は速くなる。一方でγ線との相互作用で生じる電子と正孔は放射線検出器１０１内でほぼ一様であると仮定できることから、信号立ち上がり時間にμτ積が短い電荷の影響が発現し、信号立ち上がり時間が遅くなる。放射線検出器１０１が有する電子及び正孔のμτ積の特性を利用することで、これらの信号立ち上がり時間の差異を明確化させることが可能となる。これによって、中性子とγ線による信号弁別の精度を向上することができ、高精度の核燃料物質の管理が可能となる。

また、中性子コンバータ１０８として、リチウム６（Ｌｉ−６）あるいはボロン１０（Ｂ−１０）を含むように構成したので、中性子コンバータ１０８から発生する粒子をα線とすることができ、電子及び正孔の発生箇所を中性子コンバータ１０８近傍の放射線検出器領域とすることができる。これによって、中性子とγ線による信号弁別の精度を向上することができ、高精度の核燃料物質の管理が可能となる。

以上のように、本発明の実施例１は、放射線検出器として小型軽量であり、非常に強い放射線環境下でも安定した動作が可能な半導体検出器１０１を使用することにより放射線計測装置全体として小型軽量化を可能とし、半導体検出器の出力信号を、波形立ち上がり時間弁別領域と波高値弁別領域とからなる弁別領域に弁別し、γ線と中性子とを弁別するように構成されている。

したがって、核燃料物質を取り扱う施設の非常に強い放射線環境下において、核燃料物質由来のγ線や中性子、それに伴うγ線線量率を高精度に弁別して計測可能な小型軽量の放射線計測装置を実現することができる。

なお、上述した実施例１においては、信号処理回路１０４は、前置増幅器１０２の信号をＡ／Ｄ変換するアナログデジタル変換器を備えるように構成したが、信号処理回路１０４は、必ずしもアナログデジタル変換器を備える必要は無く、前置増幅器１０２から出力されたアナログ信号のまま信号処理を行うことも可能である。

（実施例２）
次に、本発明の実施例２について説明する。

実施例２における放射線検出装置の概略構成及び半導体検出器は、図１及び図２に示した例と同様であるので、図示及び詳細な説明は省略する。

本発明の実施例２は、波高値の時間微分値を用いて波形立ち上がり時間を取得するものである。図７は、実施例２における中性子起因α線による前置増幅器１０２の波形立ち上がり領域の時間微分波形の概念図である。

図７において、中性子起因パルス信号１３９（破線）に対して、その波高値の時間微分をすることで、時間微分波形１４０（実線）を取得する。

図８は、実施例２におけるγ線による前置増幅器１０２の波形立ち上がり領域の時間微分波形の概念図である。

図８において、γ起因パルス信号１４１（実線）に対して、その波高値の時間微分をすることで、時間微分波形１４２を取得する。ここで、実施例１と同様に、正孔ドリフトμ_ｈτ_ｈ積が電子ドリフトに対して低いものとして説明する。図８では正孔ドリフトμ_ｈτ_ｈ積が低いことから、波形立ち上がり時間が長くなる。このことから、時間微分波形が変化する。本発明の実施例２ではγ線による寄与は正孔ドリフト時間を利用して弁別性を向上するものである。

図９は、波形立ち上がり領域の正孔ドリフト時間幅の算出に関する概念図である。図９において、時間微分値１４２に対して弁別しきい値１４３を設ける。正孔ドリフトが存在する場合、時間微分値が低下し、弁別しきい値１４３を下回る。弁別しきい値１４３を下回ったタイミングを起点とし、波高値が飽和するタイミングまでを正孔ドリフト時間幅１４４と設定する。この正孔ドリフト時間幅１４４を利用して、計数値分布を算出する。

時間微分値の演算は信号処理回路１０４が実行する。

図１０は、正孔ドリフト時間幅と波高値による計数値分布を示す図である。図５と同様に、図１０に示した分布には中性子による応答１４５及びγ線による応答１４６による計数値の分布が示される。γ線による高バックグラウンド下測定時におけるパイルアップ影響１３１を受ける条件において、中性子とγ線の寄与を高精度に弁別するために、正孔ドリフト時間幅の弁別領域１４７と波高値弁別領域１４８を設定する。これらの設定領域に存在する計数値を利用して中性子による計数値を算出する。γ線による計数値も図５と同様に、低中領域の波高値領域からその計数値を算出する。熱中性子束及びγ線線量率への変換方法は実施例１と同様である。また、実施例１と同様に、解析結果は表示装置１０６に表示される。

本発明の実施例２においては、実施例１と同様な効果を得ることができる他、パルス信号の時間微分値を用いて、正孔ドリフト時間幅を決定し、弁別領域を、正孔ドリフト時間幅の弁別領域と波高値弁別領域としたので、より高精度に中性子とγ線とを弁別できる放射線計測装置を実現することができる。

（実施例３）
次に、本発明の実施例３について説明する。

実施例３における放射線検出装置の概略構成及び半導体検出器は、図１及び図２に示した例と同様であるので、図示及び詳細な説明は省略する。

本発明の実施例３は電圧源１０３を用いて半導体素子１０７に印加するバイアス電圧値を最適化することで弁別性を向上させるものである。

図１１は、電荷収集効率のバイアス電圧依存性を示す図である。電荷収集効率は各電荷のμτ積と相関があるパラメータである。図１１の横軸はバイアス電圧値を示す。

図１１において、電子ドリフトによる電荷収集効率曲線１４９と正孔ドリフトによる電荷収集効率曲線１５０（破線）、これらの曲線の比として電荷収集効率比曲線１５１を示す。

本発明においては、図４に示す波形立ち上がり時間１２２や図９に示す正孔ドリフト時間１４４等の弁別領域を用いて、中性子とγ線の弁別性を向上するものである。この弁別性を向上させるために、図１１に示す電荷収集効率比曲線１５１において、電荷取集効率比が高くなるバイアス電圧設定領域１５２のバイアス電圧値を電圧源１０３により放射線検出器１０１の半導体素子１０７に印加する。ここで、本実施例３では一例として、バイアス電圧設定領域１５２を電荷収集効率比曲線１５１の極大値に対して半値となるバイアス電圧で領域を設定する。

バイアス電圧設定領域１５２のバイアス電圧を電圧源１０３から半導体素子１０７に印加することによって、波形立ち上がり時間の差異が拡がることから、中性子とγ線の弁別性を向上することができる。

以上の本実施例３の構成を備えることで、実施例１と同様な効果を得ることができる他、中性子とγ線の弁別性をより向上することが可能な放射線計測装置を実現することができる。

（実施例４）
次に、本発明の実施例４について説明する。

実施例４における放射線検出装置の概略構成及び半導体検出器は、図１及び図２に示した例と同様であるので、図示及び詳細な説明は省略する。

本発明の実施例４はγ線による波高値スペクトルから核種情報を収集するものである。

図１２は、各弁別領域における波高値スペクトルを示す図である。波高値スペクトル１５３は、波形立ち上がり時間等による弁別したスペクトルである。図６で示したように、中性子による波高値領域１５４を設定し、この領域から中性子による計数値を導出する。

波高値スペクトル１５５は、弁別領域を設定しない場合の波高値スペクトルである。半導体素子１０７にＣｄＴｅ半導体やＣｄＺｎＴｅ半導体を適用することで、波高値スペクトルからγ線エネルギーを算出し、そのγ線を放出する核種を同定することが可能となる。例えば、低中波高値領域において、波高値ピーク１５６、１５７が観測された場合、これらの波高値ピーク１５６、１５７の波高値中心値からγ線エネルギーを推定する。また、その強度をγ線ピーク領域１５８、１５９の計数値から導出する。これら２種類の波高値スペクトルを取得することで、１台の検出器においても高精度に中性子とγ線の情報を抽出することができる。図１２に示す各弁別領域における波高値スペクトルから核種情報を収集する演算は、解析回路１０５で行うものである。

ここで、半導体素子１０７にダイヤモンド半導体やシリコン半導体、ＳｉＣ半導体を使用した場合、波高値ピークはほぼ形成されないが、コンプトン分布の端部にコンプトンエッジが形成される。

図１３は、各弁別領域における波高値スペクトルを示す図である。図１３において、波高値スペクトル１６０は、波形立ち上がり時間等により弁別したスペクトルである。図６と図１２で示したように、中性子による波高値領域１６１を設定し、この領域から中性子による計数値を導出する。

波高値スペクトル１６２は、弁別領域を設定しない場合の波高値スペクトルである。例えば、γ線エッジ領域１６３と１６４にコンプトンエッジが観測された場合、コンプトンエッジの中心値からγ線エネルギーを推定することができる。図１３に示す各弁別領域における波高値スペクトルのコンプトンエッジからγ線エネルギーを推定する演算は、解析回路１０５で行うものである。

γ線による波高値スペクトルから収集された核種情報は、表示装置１０６に表示される。

本発明の実施例４においても、実施例１と同様な効果が得られる他、中性子とγ線の弁別性を維持しつつ、γ線エネルギーからγ線放出核種の情報を抽出できる放射線計測装置を実現することができる。

なお、上述した実施例１〜４は、それぞれを互いに組み合わせて構成することも可能である。

１００・・・放射線計測装置、１０１・・・放射線検出器、１０２・・・前置増幅器、１０３・・・電圧源、１０４・・・信号処理回路、１０５・・・解析回路、１０６・・・表示装置、１０７・・・半導体素子、１０８・・・中性子コンバータ、１０９・・・電界向き、１１０・・・正孔ドリフト向き、１１１・・・電子ドリフト向き、１１２・・・熱中性子、１１３・・・γ線、１１４・・・α線との相互作用位置、１１５・・・γ線との相互作用位置、１１６・・・正孔捕獲位置、１１７・・・信号線、１１８・・・中性子起因パルス信号、１１９・・・電子ドリフトによる立ち上がり波形、１２０・・・γ線起因パルス信号、１２１・・・正孔ドリフトによる立ち上がり波形、１２２…波形立ち上がり時間、１２３…波高値、１２４・・・信号波形、１２５・・・波高値のベースライン、１２６・・・波高値最大値、１２７、１４５・・・中性子による応答、１２８、１４６・・・γ線による応答、１２９・・・立ち上がり時間弁別領域、１３０・・・波高値弁別領域、１３１・・・パイルアップ影響、１３２、１３３、１５３、１５５、１６０、１６２・・・波高値スペクトル、１３４、１５４、１６１・・・中性子による波高値領域、１３５・・・γ線による波高値領域、１３６、１５６、１５７・・・波高値ピーク、１３７、１３８・・・コンプトン分布、１３９・・・中性子起因パルス信号、１４０・・・時間微分波形、１４１・・・γ線起因パルス信号、１４２・・・時間微分値、１４３・・・弁別しきい値、１４４・・・正孔ドリフト時間幅、１４７・・・正孔ドリフト時間幅の弁別領域、１４８・・・波高値弁別領域、１４９・・・電子ドリフトによる電荷収集効率曲線、１５０・・・正孔ドリフトによる電荷収集効率曲線、１５１・・・電荷収集効率比曲線、１５２・・・バイアス電圧設定領域、１５８、１５９・・・γ線ピーク領域、１６３、１６４・・・γ線エッジ領域、１６５・・・放射線

Claims (11)

1. 平板薄膜型の半導体素子の平面部分の一方に（ｎ，α）反応を示す中性子コンバータを有し、測定対象物から発生される放射線を検知する放射線検出器と、
   上記放射線検出器に電圧を印加する電圧源と、
   上記放射線検出器の出力信号を増幅する前置増幅器と、
   上記前置増幅器の出力信号の立ち上がり時間と波高値を演算する信号処理回路と、
   上記信号処理回路が演算した上記立ち上がり時間及び上記波高値と、これらの信号の放射線計数値を解析する解析回路と、
   上記解析回路から出力される解析結果を出力する表示装置と、
   を備え、上記解析回路は、上記立ち上がり時間及び上記波高値のそれぞれに複数の領域を指定し、上記複数の領域に含まれる放射線計数値から中性子計数値及びγ線計数値を算出し、上記中性子計数値から熱中性子束を算出し、上記γ線計数値からγ線線量率を算出して解析結果として出力する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、
   上記電圧源は、上記放射線検出器内で生じる電子と正孔の、上記放射線検出器内での寿命を示すμτ積が短い電荷を、上記中性子コンバータを有する平面部分にドリフトさせる電界を上記放射線検出器に印加することを特徴とする放射線計測装置。
3. 請求項１に記載の放射線検出装置において、
   上記中性子コンバータは、リチウム６（Ｌｉ−６）あるいはボロン１０（Ｂ−１０）を含む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、
   上記放射線検出器は、ダイヤモンド半導体、シリコン半導体、ＣｄＴｅ半導体、ＣｄＺｎＴｅ半導体、ＧａＡｓ半導体及びＳｉＣ半導体のうちのいずれかを備える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、
   上記信号処理回路は、上記前置増幅器の出力信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器を有する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、
   上記信号処理回路は、上記前置増幅器の出力信号の立ち上がり時間の領域にて、上記波高値の時間微分値を演算し、
   上記解析回路は、上記時間微分値、記波高値及びこれらの信号の計数値を解析し、上記時間微分値と上記指定した上記波高値の複数の領域から、中性子計数値及びγ線計数値を算出し、上記中性子計数値から熱中性子束を算出し、上記γ線計数値からγ線線量率を算出することを特徴とする放射線計測装置。
7. 請求項１又は６に記載の放射線計測装置において、
   上記解析回路は、上記立ち上がり時間と上記指定した波高値の複数の領域から算出された上記中性子計数値に中性子束変換係数を乗ずることで熱中性子束を算出することを特徴とする放射線計測装置。
8. 請求項１、６及び７のうちのいずれか一項に記載の放射線計測装置において、
   上記解析回路は、上記立ち上がり時間と上記指定した波高値の複数の領域から算出された上記γ線計数値にγ線線量率変換係数を乗ずることでγ線線量率を算出することを特徴とする放射線計測訴装置。
9. 請求項１、６及び７のうちのいずれか一項に記載の放射線計測装置において、
   上記解析回路は、上記指定した波高値の複数の領域から算出された上記γ線計数値から、上記測定対象物に含まれる放射性物質を同定することを特徴とする放射線計測装置。
10. 請求項１、６、７、８及び９のうちのいずれか一項に記載の放射線計測装置において、
    上記放射線検出器の上記半導体素子は膜厚が１００μｍ〜１μｍであることを特徴とする放射線計測装置。
11. 請求項１、６、７、８、９及び１０のうちのいずれか一項に記載の放射線計測装置において、
    上記電圧源は、上記放射線検出器内で生じる電子と正孔の、上記放射線検出器内での寿命を示すμτ積の比が極大値となる電界を印加することを特徴とする放射線計測装置。

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