JP2018136317A

JP2018136317A - 中性子線量測定用素子及び中性子線量の測定方法

Info

Publication number: JP2018136317A
Application number: JP2018030227A
Authority: JP
Inventors: 眞正浄光; Kiyomitsu Shinsho; 古場裕介; Yusuke Koba
Original assignee: Tokyo Metropolitan Public University Corp
Current assignee: Tokyo Metropolitan Public University Corp
Priority date: 2017-02-23
Filing date: 2018-02-23
Publication date: 2018-08-30

Abstract

【課題】同じ場所での測定が実施でき、誤差が生じず、手間や精度に問題が生じにくい、中性子線量測定用素子及び中性子線量の測定方法を提供することにある。【解決手段】ＣａＳＯ４：Ｘ（式中、Ｘは希土類又はＭｎを示し、Ｘの添加量は化合物全体中０．０１mol％から１mol％である）で表される化合物を主成分としてなる、中性子線量測定用素子、及び中性子線量測定用素子を用いてなる中性子線量の測定方法であって、特に特定の線種を遮ることなく上記中性子線量測定用素子に放射線を照射する照射工程と、照射工程の終了後の上記中性子線量測定用素子を加熱してグロー曲線を得る熱蛍光検出工程と、得られたグロー曲線から中性子線量を検出する線量検出工程とを具備し、上記熱蛍光検出工程における加熱の速度が０．０１〜１℃／秒であることを特徴とする中性子線量の測定方法。【選択図】なし

Description

本発明は、特定の成分を用いた熱蛍光特性を利用した中性子線量測定用素子及び中性子線量の測定方法に関する。

従来の熱蛍光体による中性子検出は、主に既存の熱蛍光素子と中性子捕獲断面積の大きい⁶Ｌｉや¹⁰Ｂ、Ｇｄなどの中性子の核反応によって生じるα線やβ線、γ線等の二次放射線を利用した手法が行われてきた。
例えば、特許文献１には一つの熱蛍光線量測定素子で、ガンマ線及び中性子線を他の放射線と分別して、その照射量を定量評価する方法として、ＣａＦ_２粉末に、０．０６重量％のＴｂ_４Ｏ_７粉末、０．０３重量％のＳｍ_２Ｏ_３粉末及び０．３６重量％のＧｄ_２Ｏ_３粉末を均一に混合し、この混合粉末を型枠に充填して円板状に加圧成形し、さらに、１１００℃で２時間、大気雰囲気中で焼結してなる、熱蛍光線量測定素子の焼結体を用いる測定方法が提案されている。

特開２００８-２５６４０４号公報

しかし、上述の提案にかかる測定方法ではγ線と中性子線との分別までは達成できておらず、中性子のみを測定するには、他の線種との弁別が不可欠であった。そのため、中性子線に感度を有する熱蛍光体（中性子とその他の線種を含んだ線量測定）と、感度を持たない熱蛍光体（中性子以外の線量測定が可能）を用いて、その差から中性子束または、線量を導出する手法がもちいられており、そのため、二つの素子を同時に利用しなければならないという問題があった。
さらにこの問題から、厳密には同じ場所での測定が実施できないため、無視できない程度の誤差が生じる可能性があった、使用する二つの熱蛍光体それぞれに、感度補正、線量変換テーブルの作成、再現性などの補正項が生じるため、手間や精度に問題が生じやすい等の問題があった。

したがって、本発明の目的は、同じ場所での測定が実施でき、誤差が生じず、手間や精度に問題が生じにくい、中性子線量測定用素子及び中性子線量の測定方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するものであり、下記発明を提供するものである。
１．ＣａＳＯ_４：Ｘ（式中、Ｘは希土類又はＭｎを示し、Ｘの添加量は化合物全体中０．０１mol％から１mol％である）で表される化合物を主成分としてなる、中性子線量測定用素子。
２．１記載の中性子線量測定用素子を用いてなる中性子線量の測定方法であって、
特に特定の線種を遮ることなく上記中性子線量測定用素子に放射線を照射する照射工程と、照射工程の終了後の上記中性子線量測定用素子を加熱してグロー曲線を得る熱蛍光検出工程と、得られたグロー曲線から中性子線量を検出する線量検出工程とを具備し、上記熱蛍光検出工程における加熱の速度が０．０１〜１℃／秒であることを特徴とする中性子線量の測定方法。

本発明に係る中性子線量測定用素子は、同じ場所での測定が実施でき、誤差が生じず、手間や精度に問題が生じにくい、ものである。
また、本発明の中性子線量の測定方法によれば、１回の測定で正確に誤差なく、簡易且つ簡便に中性子線の測定を行うことができる。

図１は、実施例１において、中性子線・γ線混在照射を行った際のグロー曲線を示すグラフである。図２は、実施例２におけるアニール処理の温度を変えて得られた中性子線量測定用素子の熱蛍光の再現性を示すチャートである。図３は、実施例２におけるアニール処理の温度を変えて得られた中性子線量測定用素子の熱蛍光感度を示すチャートである。図４は、実施例２におけるアニール処理の温度を変えて得られた中性子線量測定用素子のグローピークを示すチャートである。図５は、実施例２におけるアニール処理温度７００℃の中性子線量測定用素子のグローピークを示すチャート（試験例）である。

以下、本発明の熱蛍光体及び中性子線・γ線弁別測定法について詳述する。
本発明の中性子線量測定用素子は、ＣａＳＯ_４：Ｘ（式中、Ｘは希土類又はＭｎを示し、Ｘの添加量は化合物全体中０．０１mol％から１mol％である）で表される化合物を主成分としてなるものである。
以下、詳細に説明する。

（主成分）
本発明において主成分として用いられる上記化合物は、上述の通り、ＣａＳＯ_４：Ｘ（式中、Ｘは希土類又はＭｎなどの遷移金属を示し、Ｘの添加量は化合物全体中０．０１mol％から１mol％である）で表される化合物である。これらの化合物としては、通常市販されているものをそのまま用いてもよく、また配合比などを後述する製造方法により適宜調整してなる化合物を用いることもできる。
上記Ｘとして用いられる上記希土類としては、Ｔｍ、Ｄｙ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ等を挙げることができる。また、Ｘの添加量は化合物全体中０．０１mol％から１mol％であるが、好ましくは０．０５mol％から０．２mol％が望ましい。
また、後述する製造方法におけるアニール処理により上記化合物の結晶構造に変化が生じるか、または空気中の水と反応SO₄ ^2-+H₂O→H₂SO₄+O^2-→O^2-＋SO₃↑＋H₂O↑（Kiyomitsu Shinsho et.al., J.Appl.Phys.100,093514(2006)）が生じるためなるべく高温でのアニール処理を行ったもの、特に６００℃以上９００℃以下の温度でアニール処理を行ったものが好ましい。このように高温でアニール処理を行った場合には、化合物の化学構造式における差異はなく、通常の分析では明確な差異を認めることはできない。しかし、後述する実施例において示すように、その機能においては明確な差異があり、アニール処理を６００℃以上の温度で行ったものが特に好ましい。
ＣａＳＯ_４の添加物が異なると熱蛍光波長が異なるが、上述のＸはそれぞれ共通の捕獲準位を有している。すなわち、Ｘは発光準位となる働きを持つため熱蛍光波長に違いが生じるが、上述のＸを用いる限りは、Ｘによって生成される捕獲準位の種類はＸの種類に依存しにくいので、上述のＸとして挙げられる各成分を用いることができる。
（第３成分）
本発明の中性子線量測定用素子には、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で通常熱蛍光体に含有される種々成分（化合物）を適宜添加、混合することができる。たとえば、^１０Ｂ、^６Ｌｉ、^７Ｌｉ等の中性子捕獲材を用いることができる。

（製造方法）
上記の本発明において主成分として用いられる上記化合物は、例えば、原料であるＣａＳＯ_４に対し、Ｔｍ_２Ｏ_３等のＸの供給源である原料成分所定量を添加し、硫酸を加え、加熱溶解したのち硫酸を蒸発させるなどして製造することができる。具体的には以下の各工程を行うことにより得ることができる。
ＣａＳＯ_４中とＸの供給源である原料成分と酸成分（硫酸など）とを混合する混合工程、
混合終了後、加熱処理を行う加熱工程、及び
加熱処理後にさらにアニール処理を行うアニール工程。
上記混合工程においては、単に各成分を撹拌混合するのみではなく、加熱して撹拌混合するのが好ましい。この際の混合時の温度は２００〜３００℃とするのが、各成分の混合を促進する観点から好ましい。混合時間は特に制限されないが、混合液が透明になるまで撹拌混合を行うのが好ましい。
また、加熱工程における加熱温度は、２００〜３００℃とするのが好ましい。また加熱時間は硫酸などの酸成分が蒸散しなくなるまでとするのが好ましい。
また、アニール工程におけるアニール温度は、４００℃以上とするのが好ましく、５００℃以上とするのがさらに好ましく、５００℃よりも高い温度とするのが最も好ましい。また、アニール処理時間は１〜３時間とするのが好ましい。
また、アニール処理の後、粒径の調整を行うのが好ましい。具体的にはふるいにかけると共に、大きい粒子はすりつぶしてさらにふるいにかける粒径調整工程を行うのが好ましい。中性子と^１０Ｂ、^６Ｌｉ、^７Ｌｉ等の中性子捕獲材との核反応により生じたα線等を捕獲する場合、結晶の表面でそのエネルギーが捕獲される。そのため、結晶の表面積は中性子感度をコントロールする要因と考えられる。これにより、使用態様にもよるものの粒径を２５０μｍ以下とするのが好ましい。ここで粒径とは、いわゆる最大粒径のことであり、ふるいの径を２５０μｍとすることでこれよりも径の大きい粒子を除外することができ、このようにふるいにかけることで規定できる。

＜中性子線量測定方法＞
また、本発明の中性子線量の測定方法は、上記の本発明の中性子線量測定用素子を用いてなる中性子線量の測定方法であって、
特に特定の線種を遮ることなく上記中性子線量測定用素子に放射線を照射する照射工程と、
照射工程の終了後の上記中性子線量測定用素子を加熱してグロー曲線を得る熱蛍光検出工程と、
得られたグロー曲線から中性子線量を検出する線量検出工程とを行うことにより実施できる。
以下、詳述する。
＜照射工程＞
上記照射工程は、中性子線と他の放射線（おもにγ線）とを分離することなく、上記中性子線量測定用素子に放射線（群）を照射する工程であり、その時間や照射する面積は測定用途に応じて任意である。なお、本明細書において「照射」とは、何らかの線源から人工的に照射する場合の他、自然にまたは人工物の周辺に存在する中性子線を検出するために環境下に設置して被ばくさせる場合も含む。
＜熱蛍光検出工程＞
上記熱蛍光検出工程における加熱の速度は、０．０１〜１℃／秒であり、この範囲とすることで中性子線と他の線種とを分離せずともグロー曲線上の線種の差異が生じる。昇温速度が遅いことで、素子の温度と熱蛍光量の関係を正確に把握できるため、グロー曲線の線質依存性を明らかにすることができ、かつ、利用することを可能にした。昇温速度が遅い方が正確な測定は行えるが、単位時間当たりの熱蛍光量が小さくなること、測定時間が長くなることから、０．０１〜０．４℃／秒であることが望ましい。
＜線量検出工程＞
文献（Kiyomitsu Shinsho et. al, J. Appl. Phys., vol.97, 123523-1-4, 2005）記載の手法を用いてグロー曲線のメインピークの成分を特定することにより中性子線の線量を特定することができる。

以下、本発明について実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はこれらに何ら制限されるものではない。
〔実施例１〕
ＣａＳＯ_４:Ｔｍ，^６Ｌｉ（UD-136N Panasonic）とＣａｓＯ_４:Ｔｍ，^７Ｌｉ（UD-137N Panasonic）に中性子発生用加速器ＮＡＳＢＥＥを用い、中性子の照射を行った。昇温速度を０．１℃・s-1としグロー曲線の測定を行った。その結果を図１に示す。
図 1 に中性子、γ線混在照射を行ったＣａＳＯ₄:Ｔｍ,⁶ＬｉとＣａＳＯ₄:Ｔｍ,⁷Ｌｉのグロー曲線を示す。ＣａＳＯ₄:Ｔｍ,⁶ＬｉとＣａＳＯ₄:Ｔｍ,⁷Ｌｉのグローピーク温度は２１８℃ で同一であったが、半値幅に違いが見られた。PanasonicのUD-136NとUD-137Nのアニール温度は４００℃である。
今回の結果は６Ｌｉ（ｎ,α）３Ｈ反応で生じたα線によって生成された電子の捕獲準位とその効率が、γ線によるものと異なることを示唆した。そこで、合成したＣａＳＯ_４:Ｔｍ（７００℃アニール）に対してα線とγ線を照射したところ、グロー曲線の形状は図1と同様に変化した。
このことから、ＣａＳＯ_４:Ｔｍに^６Ｌｉなどの中性子−α コンバータを混合させると、グロー曲線の形状から中性子線の線量を導出できることが示された。エックス線やガンマ線を照射した場合、グロー曲線の形状に変化は見られず、強度のみが変化する。ここに、α線による寄与が加わるとグロー曲線の形状が変化し、その変化量から中性子線量を見積もることができる。

〔実施例２〕
ＣａＳＯ_４中のＴｍの添加量が０．１mol%の時、ＴＬの発光効率が最も高いとされているので、添加量が０．１mol%となるように、高純度のＣａＳＯ_４１０ gとＴｍ_２Ｏ_３０．０２７gを電子天秤で計量し、混合した。その後、硫酸１４０ｍｌを加え、よく撹拌し、混合液を得た。得られた混合液をホットプレートで加熱し、初めはガラス棒で撹拌しながら３００℃ で加熱し、白濁した混合液が透明になるまで撹拌を続けた（混合工程）。
混合液が透明になったら、ホットプレートの温度を５００℃ まで上げ、硫酸が蒸発するまでさらに加熱した。その際、有毒な亜硫酸ガスが発生するため、作業は陰圧キャビネット内で行った（加熱工程）。
加熱終了後、得られたＣａＳＯ_４:Ｔｍを電気炉で加熱してアニール処理を行い、残留硫酸を完全に蒸発させた。なお、アニール処理の温度は、４００℃、５００℃、及び７００℃の３種行った。アニール処理時間は２時間とした。その後、得られたアニール処理物を振るい(アズワン株式会社製、商品名「ＭＶＳ―１」)にかけて２５０μｍ以下に粒径を揃えた。大きい粒子はすり鉢で小さく砕いた後再度振るいにかけた。完成した粒径２５０μｍ以下のＣａＳＯ_４:Ｔｍ（化合物）をもって本発明の中性子線量測定用素子とした。
（再現性・感度）
得られた中性子線量測定用素子４０ｍｇを計量し、白金パンに移した。Ｘ線照射装置(ｍｅｄｉＸｔｅｃＪａｐａｎ製、商品名「ＭＸ―８０ｅｃｏ」改)を用いてＸ線の照射を行った。照射条件は管電圧８０ｋＶ, 管電流１．２５ｍＡ, 時間３００ｓｅｃとした。照射後は中性子線量測定用素子の線量分布を均等にするため、撹拌した。それぞれ照射から測定までを４回繰り返した。ついで中性子線量測定用素子を暗室内にて加熱し（徐々に昇温することで加熱）、その際の発光をカメラで観測することで蛍光を測定した。その結果を図２に示す。
また、その際の感度について図３に、グロー曲線における縦軸をＴＬ地で相対化した相対値を示すチャートを図４に示す。
図２に示す結果から明らかなように、アニール温度が４００℃と５５０℃のものに比して７００℃のアニール温度でアニール処理を行ったものは高い再現性（約１０％の誤差範囲内）を示した。また、図３に示す結果から明らかなように、７００℃のアニール温度でアニール処理を行ったものは高い感度を示した。また、図４に示すように、いずれの温度でアニール処理したものもグローピーク温度は８０℃付近、１１０℃付近、２２０℃付近に観測された。アニール温度の変化によりグロー曲線の形状は大きく変化し、サブピーク温度は１００℃付近で一致しているが、メインピーク温度はアニール温度が高いほど高温側に遷移した。また、半値幅についてはアニール温度４００℃のものが広く、５５０℃のもの、７００℃のものは狭かった。サブピーク強度については４００℃のものが最も高く、７００ ℃のものがメインピークに比して最も低くなった。
（直線性）
また、アニール温度７００℃の中性子線量測定用素子について、照射を行った。照射のは、４ＭＢｑの２４１Ａｍ線源を使用した。２４１Ａｍは半減期４３２．２年でα崩壊して２３７Ｎｐとなる。２４１Ａｍのα線のエネルギーは５．４ＭｅＶ、γ線の放射線エネルギーは低く０．０６ＭｅＶであるため、優れたα線源として、また低エネルギーγ線源として広く用いられている。α線・γ線の混在照射と、０．７ｍｍ厚の紙片でα線を遮蔽することによるγ線の照射の２種類の照射を行い、それぞれの線質について測定を行った。線量分布の偏りを低減するため、測定前に白金パン内の素子はよく撹拌した。照射から測定までの時間は２時間とした。その結果、高い直線性が認められた。

〔試験例〕
実施例２で得られたアニール温度７００℃の中性子線量測定用素子に照射を行った。照射は、α線とγ線の混在照射であり、²⁴¹Ａｍ α線源を用いた。また照射に際してはアルファ線を除去する紙を所定時間介在させることにより４種類の照射を行った。すなわち、全体で１時間の照射を行い、そのうち紙の介在を、０秒、２０秒、１分、１時間として、それぞれ照射を行った。
照射後の中性子線量測定用素子は、線量分布を均一にするため撹拌し、冷暗所で2時間保存した後、測定を行った。測定の昇温速度は０．１℃ ／ｓｅｃとし、グロー曲線を精密に測定した。その結果を図５に示す。
図５に示す結果から明らかなように、γ線量を一定でα線量を増加させた照射では、いずれの場合もグローピーク温度は８０℃付近、１１０℃付近、２２０℃付近に観測された。また、α線量の割合の増加に伴いメイングローピークの半値幅は６２．１２から５９．９６まで減少し、サブピーク/メインピークのＴＬ強度比は０．１８から０．４２まで２倍以上の顕著な増加が観測された。また、γ線の照射時間が長くなるほど、ピーク強度比は緩やかに減少することがわかる。この結果から、本発明の中性子線量測定用素子の低温側のグローピークの強度を計測することでα線の混在率を算出することができるため、中性子線量測定用素子として優れた特性を有することがわかる。

Claims

ＣａＳＯ_４：Ｘ（式中、Ｘは希土類又はＭｎを示し、Ｘの添加量は化合物全体中０．０１mol％から１mol％である）で表される化合物を主成分としてなる、中性子線量測定用素子。
請求項１記載の中性子線量測定用素子を用いてなる中性子線量の測定方法であって、
特に特定の線種を遮ることなく上記中性子線量測定用素子に放射線を照射する照射工程と、
照射工程の終了後の上記中性子線量測定用素子を加熱してグロー曲線を得る熱蛍光検出工程と、
得られたグロー曲線から中性子線量を検出する線量検出工程とを具備し、
上記熱蛍光検出工程における加熱の速度が０．０１〜１℃／秒であることを特徴とする中性子線量の測定方法。