JP2020193832A - 放射線モニタ装置 - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、高い測定機能を実現できる放射線モニタ装置を提供することを目的とする。
なお、以下の説明において、「電気パルス信号の計数率」とは、単位時間あたりに測定された電気パルス信号の数を意味している。また、「波高値」とは、電気パルス信号が立ち上がり始めてから立ち下がり始めるまでの波形の高さを表す。具体的には、例えば、電気パルス信号における最大の波形の高さ(最大波高値)を表す。また、「単一光子」とは、放射線の入射によって蛍光体内部で生成された一つ一つの光子を指す。また、「光子群」とは、放射線の入射によって蛍光体内部で生成された一つ一つの光子が重なることにより、2つ以上の単一光子を有する状態を指す。また、「減衰時定数」とは、1つの放射線入射により蛍光体に含まれる蛍光分子が励起準位に遷移し、励起準位から基底準位に遷移する際に生じる発光の強度が、最大発光強度から1/e(約0.37倍)に到達するまでの時間を表す。なお、eはネイピア数である。また、本明細書において「所定の範囲内の波長」とは、例えば光学フィルタ41(図12参照)において透過可能な波長範囲を示す。これにより、例えば特定波長範囲の光子のみを透過させることで光子を制御することができる。
〈第1実施形態の構成〉
(全体構成)
図1は、本発明の第1実施形態による放射線モニタ装置101の概略ブロック図である。
放射線モニタ装置101は、図1に示すように、概略的に、放射線検知部2と、光伝送部3と、光検出器4と、解析部5と、を備えている。また、解析部5は、信号弁別回路6と、線量率算出回路7と、付与エネルギ算出回路8と、を備えている。本実施形態の放射線モニタ装置101で計測することができる放射線としては、例えば、X線、γ線等の電磁波と、α線、β線、中性子線等の粒子線と、が挙げられる。
図2は、上述した放射線検知部2の模式的な断面図である。
図2に示すように、放射線検知部2は、蛍光体51と、ハウジング52と、を備えている。蛍光体51は、入射した放射線の線量率に対応する強度の光を発生する。ハウジング52は、蛍光体51を収納し、蛍光体51は、光伝送部3に接続されている。蛍光体51は、減衰時定数の異なる複数種類の発光現象が生じる組成物であれば、特に限定されない。例えば、蛍光体51には、紫外線等の光による光ルミネッセンス、放射線によるラジオルミネッセンス、電子ビームによるカソードルミネッセンス、電場によるエレクトロルミネッセンス、化学反応による化学ルミネッセンス等を適用することができる。
蛍光体51に含有させる元素イオンの価数は、発光に利用可能なものであれば特に限定されず、例えば、1価、2価、3価、4価等を利用することができる。
上述のように、ハウジング52は、蛍光体51を収納する容器であり、ハウジング52を構成する材料としては、計測対象の放射線を透過可能であれば特に限定されず、例えば、アルミニウムやステンレス鋼等を採用することができる。
図1において、光伝送部3は、放射線検知部2と光検出器4とに接続され、蛍光体51(図2参照)から放出された光を伝送する。光伝送部3は、蛍光体51から放出された光を伝送可能であれば特に限定されず、例えば、光ファイバ、ライトガイド等を採用することができる。また、光ファイバ、ライトガイド等を構成する材料としては、例えば、石英、プラスチック等が挙げられる。
光検出器4は、光伝送部3と解析部5とに接続され、光伝送部3から伝送された光子を電気パルス信号に変換し、解析部5に供給する。光検出器4としては、例えば、光電子増倍管、アバランシェフォトダイオード等を採用することができる。より詳細に述べると、光検出器4は単一光子または光子群を、電流増幅された一連の電流パルス信号に変換して出力する。
解析部5は、光検出器4から入力された電気パルス信号を計数し解析する装置である。解析部5の内部において、信号弁別回路6は、光検出器4と接続され、光検出器4から入力された電気パルス信号を弁別する。ここで「弁別する」とは、「電気パルス信号が、単一光子または光子群の何れに起因するかを判別する」という意味と、「電気パルス信号を、単一光子に基づく成分と、光子群に基づく成分とに分離する」という意味と、を総称したものである。また、線量率算出回路7は、信号弁別回路6の弁別結果に基づいて、放射線の線量率を算出する。また、付与エネルギ算出回路8は、信号弁別回路6の弁別結果に基づいて入射放射線に付与された付与エネルギを算出する。
上述のように、信号弁別回路6は、光検出器4から入力された電気パルス信号を弁別する機能を有する。電気パルス信号の弁別手法は、光検出器4から入力された電気パルス信号を弁別可能であれば特に限定されないが、例えば以下のような弁別方法が考えられる。
まず、電気パルス信号の波高値を、所定の波高値閾値と比較することにより、測定された電気パルス信号を弁別することができる。ここで、波高値閾値は、予め設定された値であってもよく、測定された電気パルス信号を用いて算出した値であってもよい。波高値閾値を算出によって決定する場合、その算出手法は、信号の波高値を算出可能な方法であれば、特に限定されない。例えば、波高値スペクトル上で単一光子計数値の統計分布の裾が広がる最大チャネル、あるいは、2項分布、ポアソン分布、ガウス分布(正規分布)等の統計モデルを用いて波高値閾値を算出することができる。
また、電気パルス信号の信号時間幅を、所定の時間幅閾値と比較することにより、測定された電気パルス信号を弁別することができる。ここで、電気パルス信号の信号時間幅とは、電気パルス信号の波高値が所定値以上である時間幅である。時間幅閾値は、予め設定された値であってもよく、測定された電気パルス信号を用いて算出した値であってもよい。時間幅閾値を算出によって決定する場合、その算出手法は、時間幅を算出可能であれば特に限定されない。例えば、光検出器4で測定された電気パルス信号の立ち上がり開始時間から立ち下がるまでの時間、あるいは立ち上がり開始時間から波高値が最大波高値の1/e倍(約0.37倍)に到達するまでの時間等を用いて、時間幅閾値を算出することができる。
また、電気パルス信号の波高値の積分結果を、所定の積分結果閾値と比較することにより、測定された電気パルス信号を弁別することができる。積分結果閾値は、予め設定された値であってもよく、測定された電気パルス信号を用いて算出した値であってもよい。積分結果閾値を算出によって決定する場合、その算出手法は、積分結果を算出可能であれば特に限定されない。
また、電気パルス信号に対してフィルタ処理を施し、その結果に基づいて電気パルス信号を弁別できる。フィルタ処理は、電気パルス信号の周波数特性に基づいて信号を弁別可能であれば特に限定されず、例えば、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタ、バンドエリミネーションフィルタ、オールパスフィルタ、櫛形フィルタ、マルチバンドフィルタ等を採用することができる。
図3は、電気パルス信号の波高値スペクトルの一例を示す図である。
図3の横軸における「チャネル」とは、光検出器4から出力される電気パルス信号の波高値を所定範囲毎に区切ったものである。この横軸上で右に向かうほど、波高値が高くなっている。また、図3の縦軸は、各チャネルの計数値である。図示の例において、波高値スペクトルには、2つの計数ピーク20,21が生じている。ここで、波高値が高い側の計数ピーク21は、光子群によるものと考えられ、付与エネルギ算出回路8に供給される計数ピークに対応する。また、波高値が低い側の計数ピーク20は、単一光子によるものと考えられるため、線量率算出回路7に供給される。
線量率算出回路7は、信号弁別回路6で弁別された単一光子電気パルス信号の計数率から、放射線の線量率を換算する。線量率算出回路7としては、信号弁別回路6で弁別された単一光子の計数率から、放射線の線量率を換算可能であれば特に限定されない。例えば、上述した機能を有するトランジスタ、抵抗、コンデンサ、コイル、トランス、キャパシタ、ダイオード、オペアンプ等の回路素子や、デジタルシグナルプロセッサ、マルチチャネルアナライザ、パーソナルコンピュータ等を線量率算出回路7として採用することができる。
図1に戻り、付与エネルギ算出回路8は、信号弁別回路6で弁別された光子群電気パルス信号に基づいて、入射放射線によって蛍光体51に付与されたエネルギを算出する。付与エネルギの算出手法は蛍光体51に付与されたエネルギを算出可能であれば特に限定されず、例えば、信号弁別回路6で弁別された光子群電気パルス信号の波高値スペクトル(図3参照)等から算出できる。
図5に示すように、光検出器4で検出される電気パルス信号の波高値と、蛍光体51に付与されたエネルギとは、概ね比例関係を有する。従って、この関係を用いることで算出した電気パルス信号の波高値から放射線の付与エネルギを算出することができる。蛍光体51(図2参照)で生成された時定数の異なる複数の発光のうち、減衰時定数の短い発光成分は単一光子への分解が困難なため、光検出器4においては、光子群を、高い波高値の電気パルス信号として検出する。従って、減衰時定数の長い発光成分を放射線の線量率の算出に、また、減衰時定数の短い発光成分を放射線の付与エネルギの算出に利用すると、単一素子の放射線検知部2によって、線量率測定、および入射放射線のエネルギを分析できる。さらに、算出した付与エネルギ情報に基づいて線量率測定精度を向上できる。
次に、本実施形態の放射線モニタ装置101の動作について説明する。図6は、放射線9が蛍光体51に入射した際の光生成過程の一例を示す模式図である。
図6において、放射線9が蛍光体51に入射すると、相互作用10が生じる。この相互作用10に伴い、複数の単一光子11が発生する。減衰時定数の長い発光成分は、相互作用10により生成された個々の単一光子11を光検出器4で検出可能になる。また、減衰時定数の短い発光成分は、相互作用10により生成された単一光子11が重なるため、光子群から成る高い波高値を持つ信号として、光検出器4で検出可能になる。
電気パルス信号13は、減衰時定数の長い発光現象が生じる蛍光体を用いて、光検出器の出力を計測したと仮定した場合の、波形である。一方、電気パルス信号12は、減衰時定数の短い発光現象が生じる蛍光体を用いて、光検出器の出力を計測したと仮定した場合の、波形である。
一般に、減衰時定数の異なる発光現象は、蛍光分子の遷移過程が異なるため、異なる発光波長を有する。例えば、図8において、波長が500nm未満の発光成分14は母材に含まれる元素、欠陥、または不純物の影響による発光成分であり、減衰時定数の短い発光現象を伴う。
図10は、放射線モニタ装置101の一使用例を示す概略図である。図10に示すように、放射線検知部2は所定の測定対象エリア31内に設置され、光検出器4および後段の要素が測定対象エリア外に設置され、光伝送部3は放射線検知部2と光検出器4とを接続する。これにより、例えば、高温・高線量率環境下に達する原子炉圧力容器、原子炉格納容器、原子炉建屋を有する原子力発電プラントや核燃料再処理施設、放射性同位元素を使用する医療施設、産業施設、研究用加速器施設における内部の放射線の線量率測定およびエネルギ分析を、遠隔でリアルタイムに実現できる。
図11において、2台の放射線モニタ装置101−1,101−2は、各々上述した放射線モニタ装置101と同様のものである。そして、図示のように、放射線モニタ装置101−1,101−2に含まれる合計2個の放射線検知部2が、測定対象エリア31内の異なる位置に設置されている。放射線モニタ装置101−1,101−2は、それぞれ測定対象エリア31の線量率およびエネルギを計測する。なお、図11においては、2台の放射線モニタ装置101−1,101−2を適用したが、放射線モニタ装置101の数は3台以上であってもよい。このように、複数の放射線モニタ装置101を適用することにより、測定対象エリア31における線量率分布およびエネルギ分布を計測することができる。これらの効果から、原子力発電プラントや核燃料再処理施設、放射性同位元素を使用する医療施設、産業施設、研究用加速器施設、一般環境モニタリング装置等に当該放射線モニタ装置101を適用できる。
以上のように本実施形態によれば、放射線検知部2の蛍光体51は減衰時定数の異なる複数の発光現象に基づいて発光するものであり、解析部5は、光検出器4が出力した電気パルス信号を弁別する信号弁別回路6と、弁別された電気パルス信号の計数率に基づいて、放射線の線量率を算出する線量率算出回路7と、弁別された電気パルス信号の波高値に基づいて、放射線の付与エネルギを算出する付与エネルギ算出回路8と、を有する。
従って、本実施形態によれば、単一素子の放射線検知部2の発光に基づいて、線量率測定と、入射放射線のエネルギ分析とを実現でき、また、線量率測定精度を向上させることができ、高い測定機能を実現できる。
図12は、本発明の第2実施形態による放射線モニタ装置102の概略ブロック図である。なお、以下の説明において、第1実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
放射線モニタ装置102は、第1実施形態の放射線モニタ装置101(図1参照)と比較して、光伝送部3と光検出器4との間に光学フィルタ41を備える点が異なっている。なお、放射線検知部2、光伝送部3、光検出器4、解析部5、信号弁別回路6、線量率算出回路7、および付与エネルギ算出回路8の構成は、第1実施形態のものと同様である。
図13は、本発明の第3実施形態による放射線モニタ装置103の概略ブロック図である。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
放射線モニタ装置103は、第1実施形態の放射線モニタ装置101(図1参照)と比較して、光分岐装置42を備える点と、複数の(図示の例では2台の)光検出器4−1,4−2を備える点とで異なっている。光検出器4−1,4−2は、光検出器4と同様に構成されている。但し、光検出器4−1,4−2の特性は相違させることが好ましい。なお、放射線検知部2、光伝送部3、解析部5、信号弁別回路6、線量率算出回路7、付与エネルギ算出回路8は、第1実施形態のものと同様である。
これにより、第1実施形態と同様の効果に加えて、分岐された光子の経路毎に、光検出器4−1,4−2において最適な光検出器特性を適用することができ、線量率測定精度、およびエネルギ分析精度を一層向上できるという効果を奏する。
図14は、本発明の第4実施形態による放射線モニタ装置104の概略ブロック図である。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
放射線モニタ装置104は、第1実施形態の放射線モニタ装置101(図1参照)と比較して、光分岐装置42と、複数の(図示の例では2台の)光学フィルタ41−1,41−2と、複数の(図示の例では2台の)光検出器4−1,4−2と、を備える点とで異なっている。
図15は、本発明の第5実施形態による放射線モニタ装置105の概略ブロック図である。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
放射線モニタ装置105は、第1実施形態の放射線モニタ装置101(図1参照)と比較して、光分岐装置42と、複数の(図示の例では2台の)光検出器4−1,4−2と、複数の(図示の例では2台の)解析部5−1,5−2と、を備える点とで異なっている。
図16は、第6実施形態による放射線モニタ装置106の概略ブロック図である。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
放射線モニタ装置106は、第5実施形態の放射線モニタ装置105(図15参照)と比較して、光分岐装置42と、光検出器4−1,4−2との間に光学フィルタ41−1,41−2がそれぞれ挿入されている点で異なっている。これら光学フィルタ41−1,41−2は、第4実施形態(図14参照)のものと同様である。なお、放射線検知部2、光伝送部3、光分岐装置42、光検出器4−1,4−2および解析部5−1,5−2は、第5実施形態のものと同様に構成されている。
図17は、第7実施形態による放射線モニタ装置107の概略ブロック図である。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
放射線モニタ装置107は、第1実施形態の放射線モニタ装置101(図1参照)と比較して、光伝送部3と光検出器4との間に複数の光学フィルタ41と、光学フィルタ選択部43と、を備える点が異なっている。なお、放射線検知部2、光伝送部3、光検出器4、解析部5、信号弁別回路6、線量率算出回路7、および付与エネルギ算出回路8の構成は、第1実施形態のものと同様である。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、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、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、もしくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
3 光伝送部
4,4−1,4−2 光検出器
5,5−1,5−2 解析部
6 信号弁別回路
7 線量率算出回路
8 付与エネルギ算出回路
31 測定対象エリア
41,41−1,41−2 光学フィルタ
42 光分岐装置
43 光学フィルタ選択部
51 蛍光体
101,101−1,101−2,102〜107 放射線モニタ装置
Claims (12)
- 入射した放射線によって発光する蛍光体を有する放射線検知部と、
前記放射線検知部が発生した単一光子または複数の前記単一光子を有する光子群を電気パルス信号に変換する光検出器と、
前記電気パルス信号を解析する解析部と、を備え、
前記蛍光体は減衰時定数の異なる複数の発光現象に基づいて発光するものであり、
前記解析部は、前記光検出器が出力した前記電気パルス信号を弁別する信号弁別回路と、弁別された前記電気パルス信号の計数率に基づいて、前記放射線の線量率を算出する線量率算出回路と、弁別された前記電気パルス信号の波高値に基づいて、前記放射線の付与エネルギを算出する付与エネルギ算出回路と、を有する
ことを特徴とする放射線モニタ装置。 - 前記信号弁別回路は、前記光検出器が出力した前記電気パルス信号の波高値と、所定の波高値閾値との関係に基づいて前記電気パルス信号を弁別する
ことを特徴とする請求項1に記載の放射線モニタ装置。 - 前記波高値閾値は、前記電気パルス信号が単一光子による信号であるのか光子群による信号であるのかを弁別するレベルに設定されている
ことを特徴とする請求項2に記載の放射線モニタ装置。 - 前記信号弁別回路は、前記光検出器が出力した前記電気パルス信号の時間幅と、所定の時間幅閾値との関係に基づいて前記電気パルス信号を弁別する
ことを特徴とする請求項1に記載の放射線モニタ装置。 - 前記信号弁別回路は、前記光検出器が出力した前記電気パルス信号の積分結果と、所定の積分結果閾値との関係に基づいて前記電気パルス信号を弁別する
ことを特徴とする請求項1に記載の放射線モニタ装置。 - 前記信号弁別回路は、前記光検出器が出力した前記電気パルス信号の周波数特性に基づいて前記電気パルス信号を弁別する
ことを特徴とする請求項1に記載の放射線モニタ装置。 - 前記信号弁別回路は、前記光検出器が出力した前記電気パルス信号の波高値スペクトルに基づいて前記電気パルス信号を弁別する
ことを特徴とする請求項1に記載の放射線モニタ装置。 - 前記放射線検知部から伝送された光子をフィルタ処理する光学フィルタをさらに備える
ことを特徴とする請求項1に記載の放射線モニタ装置。 - 前記放射線検知部から伝送された光子を分岐する光分岐装置をさらに備え、
前記光検出器は複数設けられ、前記光分岐装置によって分岐された光子を各々前記電気パルス信号に変換するものであり、
複数の前記光検出器は、前記解析部に接続されている
ことを特徴とする請求項1に記載の放射線モニタ装置。 - 前記解析部は、前記光検出器に対応して複数設けられ、
複数の前記光検出器は、各々対応する前記解析部に接続されている
ことを特徴とする請求項9に記載の放射線モニタ装置。 - 前記放射線検知部から伝送された光子をフィルタ処理する複数の光学フィルタと、
何れかの前記光学フィルタを選択する光学フィルタ選択部と、をさらに備える
ことを特徴とする請求項1に記載の放射線モニタ装置。 - 前記放射線検知部は所定の測定対象エリアの内部に設けられ、
前記光検出器と前記解析部とは前記測定対象エリアの外部に設けられ、
前記放射線検知部と前記光検出器とを接続する光伝送部をさらに備え、
これによって前記測定対象エリアの内部における前記線量率および前記付与エネルギを測定する
ことを特徴とする請求項1ないし11の何れか1項に記載の放射線モニタ装置。
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