JP2018044874A

JP2018044874A - 放射能測定装置及び放射能測定方法

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Publication number: JP2018044874A
Application number: JP2016180289A
Authority: JP
Inventors: 中山　幸一; Koichi Nakayama; 幸一中山; 内藤　晋; Susumu Naito; 晋内藤; 修治山本; Shuji Yamamoto
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2016-09-15
Filing date: 2016-09-15
Publication date: 2018-03-22

Abstract

【課題】測定対象内部の放射能強度を高精度に測定する。【解決手段】本実施形態の放射能測定装置は、放射線を放出する測定対象の外部において測定対象の内部の密度分布を測定する密度分布測定部１と、密度分布に基づき、測定対象の内部に放射線源位置を仮定して測定対象の外部において測定対象の内部から漏洩する放射線のエネルギースペクトルを測定することを模擬して、放射線エネルギースペクトルを解析する放射線エネルギースペクトル解析部２と、測定対象の放射線エネルギースペクトルを測定する放射線エネルギースペクトル測定部３と、放射線エネルギースペクトル測定結果と、放射線エネルギースペクトル解析結果に基づき、測定対象の内部の放射線源位置を特定する放射線源位置特定部４と、放射線源位置に基づき、放射能量又は放射能濃度を決定する放射能決定部５と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、放射能を測定する放射能測定装置及び放射能測定方法に関する。

従来の放射能測定装置には、例えば放射性廃棄物モニタがある。この放射性廃棄物モニタは、測定対象の形状に合わせた専用計測システムを構築するか、あるいは測定対象の形状を事前に評価することを前提としている。そのため、従来の放射性廃棄物モニタは、多様な形状の放射性廃棄物が対象となる原子力発電所の廃止措置に、そのままでは組み込むことができない。

放射性廃棄物の形状が設定外の形状の場合は、定量誤差が大きくなるため、安全性を考慮して過大に評価する必要がある。その結果、本来不要であった放射性廃棄物まで長期に亘って保管することとなり、放射性廃棄物の保管量の増大につながる。そのため、従来から放射性廃棄物が不均一に収納された大型容器内部の放射能強度を高精度に求める手法が複数提案されている。

特許第２７０３４０９号公報特開２０１５−６８６７７号公報特開２０１５−２１９０４６号公報

複数の手法のうち、第１の手法は、ＥＣＴ（Emission Computed Tomography:放射断層撮影）法と呼ばれる手法を応用し、複数の測定位置でのガンマ線スペクトルにおける光電ピークの測定結果から測定対象内部の放射能量及び放射能密度を求めている。しかし、放射性廃棄物の充填密度が高く、かつガンマ線スペクトルに光電ピークが見られない場合は、本手法を適用することができない。

一方、その他の手法では、放射性廃棄物が収納されている大型容器外部で測定されるガンマ線スペクトルを予め解析で求めておき、それらの解析結果をデータベースに格納する。その後、上記解析で求めたガンマ線スペクトルと実測した実測スペクトルとの照合を行い、放射能強度を評価している。しかし、この手法では、放射性廃棄物が大型容器に密閉されていることから、大型容器内の放射性廃棄物の充填状況が分からず、誤った放射能強度を算出してしまう可能性がある。

本実施形態が解決しようとする課題は、測定対象内部の放射能強度を高精度に測定可能な放射能測定装置及び放射能測定方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本実施形態に係る放射能測定装置は、放射線を放出する測定対象の外部において前記測定対象の内部の密度分布を測定する密度分布測定部と、前記密度分布測定部で得られた密度分布に基づき、前記測定対象の内部に放射線源位置を仮定して前記測定対象の外部において前記測定対象の内部から漏洩する放射線のエネルギースペクトルを測定することを模擬して、放射線エネルギースペクトルを求める放射線エネルギースペクトル解析部と、前記測定対象の外部において前記測定対象の内部から漏洩する放射線エネルギースペクトルを測定する放射線エネルギースペクトル測定部と、前記放射線エネルギースペクトル測定部で得られた放射線エネルギースペクトル測定結果と、前記放射線エネルギースペクトル解析部で得られた放射線エネルギースペクトル解析結果に基づき、前記測定対象の内部の放射線源位置を特定する放射線源位置特定部と、前記放射線源位置特定部で得られた放射線源位置に基づき、放射能量又は放射能濃度を決定する放射能決定部と、を備えることを特徴とする。

本実施形態の放射能測定方法は、放射線を放出する測定対象の外部において密度分布測定部が前記測定対象の内部の密度分布を測定する密度分布測定工程と、前記密度分布測定工程で得られた密度分布に基づき、放射線エネルギースペクトル解析部が前記測定対象の内部に放射線源位置を仮定して前記測定対象の外部において前記測定対象の内部から漏洩する放射線のエネルギースペクトルを測定することを模擬して、放射線エネルギースペクトルを求める放射線エネルギースペクトル解析工程と、前記測定対象の外部において放射線エネルギースペクトル測定部が前記測定対象の内部から漏洩する放射線エネルギースペクトルを測定する放射線エネルギースペクトル測定工程と、放射線源位置特定部が前記放射線エネルギースペクトル測定工程で得られた放射線エネルギースペクトル測定結果と、前記放射線エネルギースペクトル解析部で得られた放射線エネルギースペクトル解析結果に基づき、前記測定対象の内部の放射線源位置を特定する放射線源位置特定工程と、前記放射線源位置特定工程で得られた放射線源位置に基づき、放射能決定部が放射能量又は放射能濃度を決定する放射能決定工程と、を有することを特徴とする。

本実施形態によれば、測定対象内部の放射能強度を高精度に測定することが可能になる。

一実施形態の放射能測定装置を示すブロック図である。図１の密度分布測定部及び測定対象を示す説明図である。一実施形態の放射線エネルギースペクトル解析部を示すブロック図である。一実施形態の放射線エネルギースペクトル解析部のシミュレーション結果をエネルギーとカウント数で示す波形図である。一実施形態の放射線エネルギースペクトル測定部を示すブロック図である。一実施形態の放射線エネルギースペクトル測定部の実測結果をエネルギーとカウント数で示す波形図である。一実施形態の放射線源位置特定部による最小二乗フィッティングの結果をエネルギーとカウント数で示す波形図である。一実施形態の放射線源位置特定部による線源位置を特定するための線源位置とスペクトル成分比との関係を示すグラフである。

以下、本実施形態に係る放射能測定装置及び放射能測定方法について、図面を参照して説明する。

図１は一実施形態の放射能測定装置を示すブロック図である。図２は図１の密度分布測定部及び測定対象を示す説明図である。図３は一実施形態の放射線エネルギースペクトル解析部を示すブロック図である。図４は一実施形態の放射線エネルギースペクトル解析部のシミュレーション結果をエネルギーとカウント数で示す波形図である。なお、本実施形態では、放射線源の一例としてガンマ線源について説明する。

図１に示すように、本実施形態の放射能測定装置は、密度分布測定部１と、放射線エネルギースペクトル解析部２と、放射線エネルギースペクトル測定部３と、放射線源位置特定部４と、放射能決定部５とを備える。放射線源位置特定部４は、放射線エネルギースペクトル決定部６を有する。

これら放射線エネルギースペクトル解析部２、放射線源位置特定部４、及び放射能決定部５は、例えばパーソナルコンピュータ等のコンピュータ資源によって構成され、図示しないハードディスク装置等の記録媒体に記憶された動作プログラム及び各種データ等をＣＰＵ（Central Processing Unit）が読み出してメインメモリに展開し、この展開した動作プログラムを順次ＣＰＵが実行する。

本実施形態では、測定対象を放射性廃棄物とした例について説明する。図２に示すように、放射性廃棄物である測定対象１０は、立方体状に形成されている。測定対象１０は、放射線を放出するため、図示しない立方体状の廃棄物容器に収納されているものとする。測定対象１０は、一辺が例えば数メートルであり、測定領域として８×８×８個の小領域に仮想的に分割されている。この分割数及び分割サイズは、測定対象１０の大きさ及びどの程度の精度で評価するかに応じてユーザにより適宜設定される。

密度分布測定部１は、測定対象１０の外部において測定対象１０の内部の密度分布を測定する。密度分布測定部１は、図２に示すように２本の検出器１ａを有し、これら２本の検出器１ａが測定対象１０の設置状態において上下に互いに対向して配置されている。

具体的には、本実施形態の密度分布測定部１は、透過力の高い宇宙線ミュオン等を用いて測定対象１０の内部の密度分布を、少なくとも小領域単位の分解能で測定する。密度分布測定部１は、分割した各々の小領域ごとに密度分布を測定する。

すなわち、２本の検出器１ａは、例えばミュオン検出器である。これらのミュオン検出器を測定対象１０の上下に対向して設置し、測定対象１０を通過して２本の検出器１ａに到達するミュオンの方向及び数を測定する。得られたミュオンの検出数を画像化することで、測定対象１０の内部の密度分布が測定される。

この密度が分かれば、物質成分比が分かるということである。測定対象１０の小領域ごとの物質成分比が分かると、どの小領域でガンマ線が散乱されるか、あるいは減衰されたりすることが演算により求まる。その結果、測定対象１０の全体のエネルギーとカウント数が分かることになる。上記物質成分比は、後述する放射線エネルギースペクトル解析部２においてシミュレーション条件として用いられる。

なお、本実施形態では、測定対象１０の内部の密度分布を測定するために２本の検出器１ａを用いたが、これ以外にガンマ線ＣＴ（Computed Tomography）又は中性子線ＣＴを用いて３次元的に密度分布を測定してもよい。

放射線エネルギースペクトル解析部２は、図３に示すように測定対象１０を模擬した測定対象解析モデル７と、この測定対象解析モデル７の近傍に配置された仮想コリメータ１１と、仮想ガンマ線スペクトル検出器としての仮想ゲルマニウム（Ｇｅ）検出器１２と、仮想ＡＤ変換器１３と、仮想波高分析器１４と、仮想パーソナルコンピュータ（以下、仮想ＰＣと記す。）１５と、を備える。仮想コリメータ１１は、測定対象解析モデル７の内部から漏洩する放射線のうち、仮想ゲルマニウム検出器１２に対して直進する放射線成分のみを検出させる機能を有する。

したがって、上記の構成において、仮想ゲルマニウム検出器１２により検出された微弱な信号は、図示しない仮想増幅器で増幅される。この増幅された信号は、仮想ＡＤ変換器１３によりデジタル信号に変換される。このデジタル信号は、仮想波高分析器１４によってガンマ線エネルギーごとのデータに仕分けされる。仮想ＰＣ１５は、仮想波高分析器１４を制御し、かつ仕分けされたデータを保存する。このようにしてガンマ線を測定することで、ガンマ線の仮想エネルギースペクトルが得られる。

放射線エネルギースペクトル解析部２は、密度分布測定部１で得られた密度分布に基づき、測定対象解析モデル７の内部にガンマ線源位置を仮定して測定対象解析モデル７の外部において測定対象解析モデル７の内部から漏洩するガンマ線のエネルギースペクトルを測定することを模擬して、ガンマ線のエネルギースペクトルを解析する。

すなわち、放射線エネルギースペクトル解析部２は、上述したように密度分布測定部１によって測定対象解析モデル７内の各小領域の物質成分比が分かると、ガンマ線が各小領域において如何なる程度散乱されるか、又は減衰されたかが計算により求まる。これにより、測定対象解析モデル７の全体のガンマ線のエネルギースペクトルが解析的に求められる。

より具体的には、放射線エネルギースペクトル解析部２は、密度分布測定部１で得られた密度分布情報に基づき、図３に示すように測定対象解析モデル７の内部の小領域Ａ_１，Ａ_２，Ａ_３ごとに仮想ガンマ線源１６ａ，１６ｂ，１６ｃを仮定し、測定対象解析モデル７の外部で測定されるガンマ線のエネルギースペクトルを解析的に求める。そして、図４において、Ｆγ（Ａ_１），Ｆγ（Ａ_２），Ｆγ（Ａ_３）は、各小領域Ａ_１，Ａ_２，Ａ_３に仮定した放射線源に対するガンマ線のスペクトルの解析値である。

本実施形態では、例えば放射線源にガンマ線源を仮定した上で、モンテカルロシミュレーションを実施し、測定対象１０の内部の密度分布を反映した散乱ガンマ線のシミュレーションを実施する。

図５は一実施形態の放射線エネルギースペクトル測定部を示すブロック図である。図６は一実施形態の放射線エネルギースペクトル測定部の実測結果をエネルギーとカウント数で示す波形図である。

放射線エネルギースペクトル測定部３は、測定対象１０の外部において測定対象１０の内部から漏洩する放射線エネルギースペクトルを測定する。

具体的には、図５に示すように、放射線エネルギースペクトル測定部３は、測定対象１０の近傍に配置されたコリメータ２１と、放射線スペクトル検出器としてのゲルマニウム（Ｇｅ）検出器２２と、ＡＤ変換器２３と、波高分析器２４と、パーソナルコンピュータ（以下、ＰＣと記す。）２５と、を備える。コリメータ２１は、測定対象１０の内部のガンマ線源３０から漏洩するガンマ線のうち、ゲルマニウム検出器２２に対して直進するガンマ線成分のみを導く機能を有する。なお、ゲルマニウム検出器２２には、図示しない高電圧電源から高電圧が印加される。

したがって、上記の構成において、ゲルマニウム検出器２２により検出された微弱な信号は、図示しない増幅器で増幅される。この増幅された信号は、ＡＤ変換器２３によりデジタル信号に変換される。このデジタル信号は、波高分析器２４によってガンマ線エネルギーごとのデータに仕分けされる。ＰＣ２５は、波高分析器２４を制御し、かつ仕分けされたデータを保存する。このようにしてガンマ線を測定することにより、図６に示す実測のガンマ線スペクトルＥγ（Ａ）が得られる。

図７は一実施形態の放射線源位置特定部による最小二乗フィッティングの結果をエネルギーとカウント数で示す波形図である。図８は一実施形態の放射線源位置特定部による線源位置を特定するための線源位置とスペクトル成分比との関係を示すグラフである。

放射線源位置特定部４は、放射線エネルギースペクトル測定部３で得られたガンマ線のエネルギースペクトル測定結果と、放射線エネルギースペクトル解析部２で得られたガンマ線のエネルギースペクトル解析結果に基づき、測定対象１０の内部のガンマ線源３０の位置を特定する。

すなわち、放射線源位置特定部４は、図１に示すように放射線エネルギースペクトル決定部６を有する。この放射線エネルギースペクトル決定部６は、放射線エネルギースペクトル解析部２で得られたガンマ線のエネルギースペクトル解析結果を用いて、放射線エネルギースペクトル測定部３で得られたガンマ線のエネルギースペクトル測定結果に対し、最小二乗フィッティングを行い、最も差異が小さくなるガンマ線のエネルギースペクトル解析結果を決定する。

放射線源位置特定部４は、放射線エネルギースペクトル決定部６で決定したガンマ線のエネルギースペクトル解析結果に基づき、測定対象１０の内部のガンマ線源３０の位置を特定する。

具体的には、放射線エネルギースペクトル決定部６は、放射線エネルギースペクトル解析部２で得られたガンマ線のエネルギースペクトルの解析値を用いて、ガンマ線スペクトルの実測値に対する最小二乗フィッティングを行う。これを示したものが下記の式（１）である。
Ｅγ（Ａ）＝ａ１×Ｆγ（Ａ_１）＋ａ２×Ｆγ（Ａ_２）＋ａ３×Ｆγ（Ａ_３）…（１）

式（１）において、Ｅγ（Ａ）は、実測のガンマ線スペクトル、Ｆγ（Ａ_１）、Ｆγ（Ａ_２）、Ｆγ（Ａ_３）は、各小領域Ａ_１，Ａ_２，Ａ_３に仮定した放射線源に対するガンマ線スペクトルの解析値、ａ１，ａ２，ａ３は係数（スペクトル成分比：任意の値）である。

上記最小二乗フィッティングの結果、図７及び図８に示すように実測のガンマ線スペクトルと、ガンマ線スペクトルの解析値の線形結合との差異が最も小さくなるときの係数から各小領域Ａ_１，Ａ_２，Ａ_３ごとの放射線源のスペクトル成分比を求め、放射線源の位置をＡ_２と特定する。

放射能決定部５は、放射線源位置特定部４で得られた放射線源の位置Ａ_２に基づき、放射能量又は放射能濃度を決定する。

具体的には、放射能決定部５は、上記手法で求めた線源位置の情報に基づいて、各線源強度を求めるとともに、測定対象１０の内部の放射能量又は放射能濃度を求める。これにより、従来よりも高精度に放射能強度を測定することが可能になる。

このように本実施形態によれば、密度分布測定部１により測定対象１０の内部の充填状況を測定した上で、測定対象１０の内部のガンマ線源３０の位置が求まるので、測定対象１０全体での放射能強度の測定を高精度に行うことが可能になる。

なお、上記実施形態では、測定対象１０の外部の任意の１箇所で得られるガンマ線スペクトルの実測値及び解析値で線源位置を特定しているが、これに限らず複数個所又は複数台での測定及び解析も可能である。この場合、複数の線源位置の特定結果が得られるため、これらの結果から線源位置の特定誤りの防止や線源強度の特定が可能となる。

なお、複数個所又は複数台での測定した場合、線源位置の解が複数得られる可能性がある。そのため、複数個所又は複数台で測定して共通解となった線源位置を実際の線源位置と特定する。

また、本実施形態において、ガンマ線のエネルギースペクトルの解析値を用いて、ガンマ線スペクトルの実測値に対する最小二乗フィッティングを行う場合、行列演算を実行することで、演算時間を大幅に短縮することができる。

（その他の実施形態）
本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

なお、上記実施形態では、測定対象１０が図示しない廃棄物容器内に収納されている場合について説明したが、これに限らず例えば大径の配管内に放射線源がある場合についても適用可能である。この場合には、大径の配管は廃棄物容器内に収納されていない。そのため、廃棄物容器は、必要な場合と不要な場合とがある。

また、上記実施形態では、測定対象の大きさが比較的大きい数メートル単位のものについて説明したが、これに限らず例えば数十センチ、数センチ単位のものについても適用可能である。

１…密度分布測定部、１ａ…検出器、２…放射線エネルギースペクトル解析部、３…放射線エネルギースペクトル測定部、４…放射線源位置特定部、５…放射能決定部、６…放射線エネルギースペクトル決定部、７…測定対象解析モデル、１０…測定対象、１１…仮想コリメータ、１２…仮想ゲルマニウム検出器、１３…仮想ＡＤ変換器、１４…仮想波高分析器、１５…仮想ＰＣ、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ…仮想ガンマ線源、２１…コリメータ、２２…ゲルマニウム検出器、２３…ＡＤ変換器、２４…波高分析器、２５…ＰＣ、３０…ガンマ線源

Claims

放射線を放出する測定対象の外部において前記測定対象の内部の密度分布を測定する密度分布測定部と、
前記密度分布測定部で得られた密度分布に基づき、前記測定対象の内部に放射線源位置を仮定して前記測定対象の外部において前記測定対象の内部から漏洩する放射線のエネルギースペクトルを測定することを模擬して、放射線エネルギースペクトルを求める放射線エネルギースペクトル解析部と、
前記測定対象の外部において前記測定対象の内部から漏洩する放射線エネルギースペクトルを測定する放射線エネルギースペクトル測定部と、
前記放射線エネルギースペクトル測定部で得られた放射線エネルギースペクトル測定結果と、前記放射線エネルギースペクトル解析部で得られた放射線エネルギースペクトル解析結果に基づき、前記測定対象の内部の放射線源位置を特定する放射線源位置特定部と、
前記放射線源位置特定部で得られた放射線源位置に基づき、放射能量又は放射能濃度を決定する放射能決定部と、
を備えることを特徴とする放射能測定装置。
前記測定対象が複数の小領域に分割され、前記密度分布測定部は、分割した各々の小領域ごとに密度分布を測定することを特徴とする請求項１に記載の放射能測定装置。
前記放射線エネルギースペクトル解析部は、前記測定対象内の小領域ごとに仮想線源を仮定し、各々の仮想線源から得られる放射線エネルギースペクトルの解析値を求めることを特徴とする請求項１又は２に記載の放射能測定装置。
前記放射線エネルギースペクトル測定部は、その放射線エネルギースペクトル測定部に対して直進する放射線成分のみを導くコリメータを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の放射能測定装置。
前記放射線源位置特定部は、前記放射線エネルギースペクトル解析部で得られた放射線エネルギースペクトル解析結果を用いて、前記放射線エネルギースペクトル測定部で得られた放射線エネルギースペクトル測定結果に対し、最小二乗フィッティングを行い、前記放射線エネルギースペクトル測定結果に最も差異が小さくなる前記放射線エネルギースペクトル解析結果を決定する放射線エネルギースペクトル決定部を有し、
前記放射線源位置特定部は、前記放射線エネルギースペクトル決定部で決定した放射線エネルギースペクトル解析結果に基づき、前記測定対象の内部の放射線源位置を特定することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の放射能測定装置。
前記放射線エネルギースペクトル決定部は、各々の仮想線源から得られる放射線エネルギースペクトルの解析値に係数を乗算し、それらの線形結合の結果を用いて前記最小二乗フィッティングを行うことを特徴とする請求項５に記載の放射能測定装置。
前記放射線エネルギースペクトル測定部を複数備え、前記放射線エネルギースペクトル決定部に基づいて複数の放射線源位置情報を取得することを特徴とする請求項５又は６に記載の放射能測定装置。
放射線を放出する測定対象の外部において密度分布測定部が前記測定対象の内部の密度分布を測定する密度分布測定工程と、
前記密度分布測定工程で得られた密度分布に基づき、放射線エネルギースペクトル解析部が前記測定対象の内部に放射線源位置を仮定して前記測定対象の外部において前記測定対象の内部から漏洩する放射線のエネルギースペクトルを測定することを模擬して、放射線エネルギースペクトルを求める放射線エネルギースペクトル解析工程と、
前記測定対象の外部において放射線エネルギースペクトル測定部が前記測定対象の内部から漏洩する放射線エネルギースペクトルを測定する放射線エネルギースペクトル測定工程と、
放射線源位置特定部が前記放射線エネルギースペクトル測定工程で得られた放射線エネルギースペクトル測定結果と、前記放射線エネルギースペクトル解析部で得られた放射線エネルギースペクトル解析結果に基づき、前記測定対象の内部の放射線源位置を特定する放射線源位置特定工程と、
前記放射線源位置特定工程で得られた放射線源位置に基づき、放射能決定部が放射能量又は放射能濃度を決定する放射能決定工程と、
を有することを特徴とする放射能測定方法。