JP2022187533A

JP2022187533A - 中性子検出器

Info

Publication number: JP2022187533A
Application number: JP2021095554A
Authority: JP
Inventors: 翔平片山; Shohei Katayama
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-06-08
Filing date: 2021-06-08
Publication date: 2022-12-20

Abstract

【課題】従来の中性子検出器では、中性子の入射位置が、シンチレータ両端付近と中央付近とでは、検出器の出力信号であるパルス信号の波高値が異なり、前者の場合が後者の場合よりも小さくなっていた。【解決手段】中性子検出器において、筐体３と、筐体の内部に設けられ、ＺｎＳ蛍光体と６Ｌｉあるいは１０Ｂを含む中性子コンバータから構成され、中性子を検出した際に蛍光を放出する中性子シンチレータ１４と、筐体の内部に設けられ、中性子シンチレータからの蛍光を検出する光電子増倍管５と、筐体の内部に設けられ、中性子シンチレータを光学接合により支持して中性子シンチレータからの蛍光を光電子増倍管に導くライトガイド１５と、筐体の内部に設けられ、ライトガイドの周囲を取り囲む反射材１３と、を有する検出部１、及び検出部の外側に設けられ、光電子増倍管からの信号を中性子の検出信号として取り出す信号処理部２、を備えるようにした。【選択図】図１

Description

本願は中性子検出器に関するものである。

従来、原子力発電所、あるいは核燃料再処理工場において出力監視、あるいは臨界検知のために用いる中性子検出器には、ＢＦ_３計数管、あるいは^３Ｈｅ比例計数管といったガス入り検出器が、ガンマ線弁別特性、あるいは広い動作範囲、長期間の安定性の観点で使用されてきた。

ガス入り検出器のうち^３Ｈｅ比例計数管は熱中性子に対する感度が最も高く、優れた検出感度を有するため最も普及している中性子検出器であるが、近年、^３Ｈｅガスが世界的に入手困難な状況にあり、近い将来には入手不可能となる可能性が生じている。このため、^３Ｈｅガス代替の中性子検出器の開発が世界的に取り組まれており、この中でもっとも期待されている方式としてシンチレータを用いた代替検出器が開発されている。

^３Ｈｅガスに代わる検出媒体としてシンチレータを用いた中性子検出器として、Ｚ_ｎＳ蛍光体と^６Ｌｉあるいは^１０Ｂを含む中性子コンバータから構成される、板状で両面から蛍光が放出可能とした構造の半透明型中性子シンチレータを検出器筐体の内部に配置し、中性子がこのシンチレータに入射した際に、放出される蛍光を、上記半透明型中性子シンチレータの端側に配置した光電子増倍管で検出し、この光電子増倍管から出力される信号を信号処理し中性子信号として取り出すように構成している。（例えば、特許文献１参照）

特開２０１４－２０８６０号公報（第１図、第２図、第３図）

従来の^３Ｈｅガスに代わる検出媒体として、シンチレータを用いた中性子検出器は、以上のように構成されているので、板状のシンチレータにおいて、中性子との相互作用により発生したシンチレーション光に対して、シンチレータの両端に配置された光電子増倍管の集光率が異なるため、光電子増倍管近傍であるシンチレータ両端付近に中性子が入射した場合と、光電子増倍管から離れたシンチレータ中央付近に中性子が入射した場合とでは、検出器の出力信号として得られるパルス信号の波高値が異なり、シンチレータ中央付近に中性子が入射した場合のパルス波高値はシンチレータ両端付近に中性子が入射した場合と比較して小さくなる。

シンチレータを用いた中性子検出器では、ガンマ線との相互作用により発生するパルス信号はノイズ信号となるため、中性子によるパルス信号とガンマ線によるパルス信号を弁別するために、波高弁別レベルを設定している。

ここで、中性子によるパルス波高値はガンマ線によるパルス波高値よりも大きいため、設定した波高弁別レベル未満のパルス波高値のパルス信号についてはガンマ線によるパルス信号とみなして後段の計数回路にて計数処理をしないが、板状のシンチレータにおいて、中央付近に中性子が入射した場合のパルス波高値が波高弁別レベルよりも低い場合には、中性子による信号として処理されず、計数効率が低くなるという問題点がある。

また、従来のガス入り検出器の場合、検出器の有感領域にガスを充填するため、検出器の指向性は問題とならなかったが、板状のシンチレータを用いた検出器の場合、中性子が板状のシンチレータの正面方向から入射する場合と側面方向から入射する場合とでは、検出感度が異なるという問題点がある。

さらに、^３Ｈｅガスの代替検出器とする場合、これまでに原子力発電所、あるいは核燃料再処理工場において、実際に適用された^３Ｈｅ比例計数管の定期取替に対応可能である必要性が考えられるため、既存の^３Ｈｅ比例計数管の外形寸法と同等以下で、^３Ｈｅ比例計数管と同等以上の検出感度を有する必要性があるという制約条件がある。

本願は上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、^３Ｈｅガスを用いることなく、既存の^３Ｈｅ比例計数管の代替となり得る、小型かつ中性子検出効率の高い中性子検出器を得ることを目的とする。

本願に開示される中性子検出器は、
筐体と、
前記筐体の内部に設けられ、Ｚ_ｎＳ蛍光体と^６Ｌｉあるいは^１０Ｂを含む中性子コンバータから構成され、中性子を検出した際に蛍光を放出する中性子シンチレータと、
前記筐体の内部に設けられ、前記中性子シンチレータからの前記蛍光を検出する光電子増倍管と、
前記筐体の内部に設けられ、前記中性子シンチレータを光学接合により支持して前記中性子シンチレータからの蛍光を前記光電子増倍管に導くライトガイドと、
前記筐体の内部に設けられ、前記ライトガイドの周囲を取り囲む反射材と、
を有する検出部、
前記検出部の外側に設けられ、前記光電子増倍管からの信号を中性子の検出信号として取り出す信号処理部、
を備えた、
ことを特徴とするものである。

本願に開示される中性子検出器によれば、^３Ｈｅガスを用いることなく、既存の^３Ｈｅ比例計数管の代替となり得る小型かつ中性子検出効率の高い中性子検出器を得ることができる。

実施の形態１に係る中性子検出器の一例を示した図である。実施の形態１に係る中性子検出器で測定した測定結果の一例を示す図である。実施の形態２に係る中性子検出器の一例を示した図である。実施の形態３に係る中性子検出器の一例を示した図である。実施の形態４に係る中性子検出器の一例を示した図である。

本願は、原子力発電所、あるいは核燃料再処理工場のような高い放射線照射環境下で、測定対象場における放射線線量率を測定する放射線検出器に係り、特に、シンチレータを用いた中性子検出器に関するものである。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る中性子検出器の構成の一例を示した図である。図１において、中性子検出器は、検出部１と信号処理部２により構成される。なお、図１において、図１（ａ）は、本実施の形態１の中性子検出器全体を示した概要構成図であり、図１（ｂ）は上記検出部１のうち、以下で詳しく説明するシンチレータの中央部（図１（ａ）の一点鎖線ＡＡを参照）の断面を示す断面図である。

検出部１は中性子に反応し発光を生じるシンチレータ部４と、光電子増倍管５と、光電子増倍管ブリーダー回路６とを、遮光および電磁遮蔽効果のある検出器筐体３（以下、単に「筐体３」と呼ぶ）に組み込んだ構造となっている。

シンチレータ部４は角柱状のライトガイド１５の側面に、^６Ｌｉあるいは^１０Ｂを含む中性子シンチレータ１４を光学接合にて貼り合わせ、周囲を反射材１３で覆う構造とする。反射材１３には、白色の塗料のほか、フッ素樹脂製のテープなどを使用してもよい。

信号処理部２は、上記検出部１からの信号である出力された電荷を増幅する増幅回路７と、中性子のパルスをノイズ、あるいはγ線のパルスと弁別する波高弁別回路８と、出力波形を矩形波に整形する波形整形回路９と、パルス数を計数するカウンタ１０と、検出部１へ高電圧を供給する高圧電源１１により構成される。

検出部１へ中性子線（中性子）が入射すると、中性子シンチレータ１４で発光が生じ、反射材１３およびライトガイド１５により、効率よく、光がシンチレータ部４の内部を反射しながら光電子増倍管５へ伝達されることで感度の向上が期待できる。

図２は実施の形態１に係る中性子検出器の検出性能を確認するため、中性子検出器による中性子検出に関わる計数率の照射位置依存性を測定した結果である。
ライトガイド１５が有る検出器、およびライトガイド１５が無い検出器の、計２種類の検出器を用意し、それぞれの検出器に対し、放射線を照射する位置を変化させながら、本実施の形態１に係る中性子検出器の計数率を測定した。

放射線源は^６０Ｃｏを用い、５ｍｍ幅にコリメートして検出器側面より照射した。
その結果、検出器の中央位置（光電子増倍管から約４５ｍｍ離れた位置）では、ライトガイドが無い検出器での計数率の測定結果に比べ、ライトガイドが有る検出器での計数率の測定結果が約５倍となり、検出器先端近傍（光電子増倍管から８０ｍｍの位置）では、ライトガイドが無い検出器に比べ、ライトガイドが有る検出器では約８倍の感度向上効果が認められた。

なお、ライトガイドは、アクリル製で１０ｍｍ×１０ｍｍ×９２ｍｍのものを、中性子シンチレータは^６Ｌｉ含有ガラスシンチレータ（６．６ｍｍ×９０ｍｍ×ｔ１．３ｍｍ）を使用した。

実施の形態２．
次に、実施の形態２に係る中性子検出器について図３を用いて説明する。図３は実施の形態２に係る中性子検出器の構成の一例を示した図である。図３においても、中性子検出器は、検出部１と信号処理部２により構成される。本実施の形態２の中性子検出器の特徴について、実施の形態１と異なる点を中心に、以下詳しく説明する。なお、図３において、図３（ａ）は、本実施の形態２の中性子検出器全体を示した概要構成図であり、図３（ｂ）は上記検出部１のシンチレータ部４の中央部（図３（ａ）の一点鎖線ＢＢを参照）の断面を示す断面図である。

上記実施の形態１に係る中性子検出器では、ライトガイド１５の側面のうち１面に対し、中性子シンチレータ１４を貼り合わせる構造について述べたが、本実施の形態２に係る中性子検出器では、図３に示すように、ライトガイド１５の側面のうち、４面に対し中性子シンチレータ１４１、１４２、１４３、１４４を張り合わせる構造としたことにより、実施の形態１に係る中性子検出器に比較して、更なる感度向上が期待できる。

また、実施の形態１に係る中性子検出器では、中性子シンチレータの面に対し垂直方向に入射する中性子に対しては高い感度が得られるが、水平方向に入射する中性子に対しての感度が低下する欠点があったが、実施の形態２に係る中性子検出器によれば、全周方向に対して均一な感度が得られ、方向特性の向上が期待できる。

実施の形態３．
次に、実施の形態３に係る中性子検出器について図４を用いて説明する。図４は実施の形態３に係る中性子検出器の構成の一例を示した図である。図４においても、中性子検出器は、検出部１と信号処理部２により構成される。本実施の形態３の中性子検出器の特徴について、実施の形態１および２と異なる点を中心に、以下詳しく説明する。なお、図４において、図４（ａ）は、本実施の形態３の中性子検出器全体を示した概要構成図であり、図４（ｂ）は上記検出部１のシンチレータ部４の中央部（図４（ａ）の一点鎖線ＣＣを参照）の断面を示す断面図である。

上記実施の形態１および２に係る中性子検出器では、シンチレータ部４の一方の端面に対し光電子増倍管５を組み合わせる構造であったが、実施の形態３に係る中性子検出器では、図４に示すようにシンチレータ部４の両方の端面に対し光電子増倍管５１、５２を有していることが構成上、大きく異なる。そして、実施の形態３に係る中性子検出器では、これらの光電子増倍管５１、５２を組み合せることで、更なる感度向上が期待できる。

すなわち、図４に示したように、光電子増倍管５１には、光電子増倍管ブリーダー回路６１と電荷を増幅する増幅回路７１と高圧電源１１１とを組み合わせ、光電子増倍管５２には、光電子増倍管ブリーダー回路６２と電荷を増幅する増幅回路７２と高圧電源１１２とを組み合わせる。

また、検出部１の光電子増倍管５１を通じて出力される電荷を増幅する増幅回路７１には、中性子のパルスをノイズ、あるいはγ線のパルスと弁別する波高弁別回路８１、出力波形を矩形波に整形する波形整形回路９１、パルス数を計数するカウンタ１０１が接続され、検出部１の光電子増倍管５２を通じて出力される電荷を増幅する増幅回路７２には、中性子のパルスをノイズ、あるいはγ線のパルスと弁別する波高弁別回路８２、出力波形を矩形波に整形する波形整形回路９２、パルス数を計数するカウンタ１０２が接続される。

つまり、実施の形態１に係る中性子検出器では、ライトガイドが有るので、図２に示したように、ライトガイド無のものに比べると感度は高くなるが、光電子増倍管から遠い位置の反応に対して感度が低い欠点があった（実施の形態２に係る中性子検出器でも同様）。

これに対して、実施の形態３に係る中性子検出器では、上述のように、シンチレータ部４の両方の端面に対し光電子増倍管５１、５２を組み合せるようにしたので、両端で高い感度が得られるという特徴を持つ。

実施の形態４．
次に、実施の形態４に係る中性子検出器について図５を用いて説明する。図５は実施の形態４に係る中性子検出器の構成の一例を示した図である。図５においても、中性子検出器は、上述の実施の形態１～３と同様、検出部１と信号処理部２により構成される。また、実施の形態３に係る中性子検出器と同様、シンチレータ部４の両方の端面に対し光電子増倍管５１、５２を有している。そこで、本実施の形態４の中性子検出器の特徴について、実施の形態３と異なる点を中心に、以下詳しく説明する。なお、図５において、図５（ａ）は、本実施の形態４の中性子検出器全体を示した概要構成図であり、図５（ｂ）は上記検出部１のシンチレータ部４の中央部（図５（ａ）の一点鎖線ＤＤを参照）の断面を示す断面図である。

上記実施の形態３に係る中性子検出器では、検出部１の両端から出力される構造について説明したが、パイプの内部などを測定する場合には検出器出力は片側からしか取れない場合がある。このような場合でも、図５に示すとおり、検出器先端側の配線を折り返し、筐体３の内部に収め、片側から引き出す構造とすることで、実施の形態４に係る中性子検出器では、適用範囲が実施の形態３の中性子検出器よりも、さらに広くなった中性子検出器を得ることができる。

また、実施の形態４の中性子検出器では、上述のような構造を採用したため、シンチレータ部４の両方の端面に対し光電子増倍管５１、５２を有していても、検出部１へ電圧を供給する電源は、１個の高圧電源１１３だけで済み、実施の形態３の場合のように、２個必要とはしない（図５参照）。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１検出部、２信号処理部、３筐体（検出器筐体）、４シンチレータ部、５、５１、５２光電子増倍管、６、６１、６２光電子増倍管ブリーダー回路、７、７１、７２増幅回路、８、８１、８２波高弁別回路、９、９１、９２波形整形回路、１０、１０１、１０２カウンタ、１１、１１１、１１２、１１３高圧電源、１３反射材、１４、１４１、１４２、１４３、１４４中性子シンチレータ、１５ライトガイド

Claims

筐体と、
前記筐体の内部に設けられ、Ｚ_ｎＳ蛍光体と^６Ｌｉあるいは^１０Ｂを含む中性子コンバータから構成され、中性子を検出した際に蛍光を放出する中性子シンチレータと、
前記筐体の内部に設けられ、前記中性子シンチレータからの前記蛍光を検出する光電子増倍管と、
前記筐体の内部に設けられ、前記中性子シンチレータを光学接合により支持して前記中性子シンチレータからの蛍光を前記光電子増倍管に導くライトガイドと、
前記筐体の内部に設けられ、前記ライトガイドの周囲を取り囲む反射材と、
を有する検出部、
前記検出部の外側に設けられ、前記光電子増倍管からの信号を中性子の検出信号として取り出す信号処理部、
を備えた、
ことを特徴とする中性子検出器。
前記中性子シンチレータは板状に構成され、前記ライトガイドは角柱状に構成されるとともに、当該ライトガイドの全側面に板状の前記中性子シンチレータが光学接合されていることを特徴とする請求項１に記載の中性子検出器。
前記光電子増倍管を前記中性子シンチレータの長手方向の端部両側に配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の中性子検出器。
前記検出部の長手方向の端部両側に設けられた前記検出部の出力端子のうち、一方の側の端子が、他方の側の端子とともに前記検出部の外部に引き出される構造を有していることを特徴とする請求項３に記載の中性子検出器。