JP2023081439A - 放射線モニタ、および放射線の検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型かつ単一の放射線検知部で、入射した放射線に対して光子を放出する感度のエネルギー特性を平坦化可能な放射線モニタを提供する。【解決手段】入射した放射線に対して光子を放出する蛍光体を有する放射線検知部２と、前記放射線検知部の蛍光体から放出された光子を伝送する光子伝送部７と、を備え、前記蛍光体は、第１の蛍光体４と第２の蛍光体５とを有し、前記第１の蛍光体と前記第２の蛍光体は、互いに隣接して、並列に配置され、前記第１の蛍光体と前記第２の蛍光体との間に光子反射層６を有し、前記第１の蛍光体と前記光子反射層と前記第２の蛍光体が、前記光子伝送部と接する。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、放射線モニタ、および放射線の検出方法に関する。

従来、放射線の線量率を測定する放射線モニタとして、電離箱、ＧＭ計数管（ガイガー・ミュラーカウンタ）、シンチレーション検出器、半導体検出器が用いられている。
特に低線量率環境下を測定可能な放射線モニタには、半導体検出器が適用される。
半導体検出器を用いた放射線モニタは、例えば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で利用されている。

半導体検出器を用いた放射線モニタは、放射線入射により生成される電子正孔対を利用し、半導体への印加電圧により生じた電気パルスの計数率から線量率を導出する。
一方、半導体検出器は高電圧を印加するため、空気中の水素濃度が高い場合に爆発の危険性を伴う。また、半導体から生成される電気パルス信号を利用するため、他計測機器へ電気ノイズを発信、および受信する可能性がある。

また、防爆、および電気ノイズを抑制可能な検出器として、光ファイバ型放射線検出器がある。光ファイバ型放射線検出器は、入射放射線に対して生成された複数の光子を光ファイバで伝送し、単一光子計数率から線量率を計測するため、放射線検知部への給電が不要、及び電気ノイズの受発信を抑制可能である。この分野の技術として、例えば特許文献１がある。

特許文献１の［要約］には、「［課題］爆発等の危険性を抑制し、放射線の線量率を簡易かつ正確に計測可能な放射線モニタの提供を目的とする。［解決手段］本発明の放射線モニタ１００は、入射した放射線の線量率に対応する強度の光を発する発光部１１を有する放射線発光素子１０と、放射線発光素子１０に接続され、発光部１１から放出された光を伝送する光ファイバ２０と、光ファイバ２０に接続され、伝送された光の光子１個に対して１個の電気パルスを発信する電気パルス変換器３０と、電気パルス変換器３０に接続され、電気パルス変換器３０から発信された電気パルスを計数する電気パルス検出器４０と、電気パルス検出器４０に接続され、電気パルス検出器４０で計数された電気パルスの計数率を放射線の線量率に換算する解析機５０とを備えている。」と記載され、放射線モニタの技術が開示されている。また、特許文献１には、入射した放射線の線量率に対応する強度の光を発する発光部として、例えば、母材としての透明イットリウム・アルミ・ガーネットの光透過性材料と、この光透過性材料中に含有されたイッテルビウム、ネオジム、セリウム、プラセオジウム等の希土類元素とにより形成させる技術が示されている。

また、放射線モニタの線量率測定は、様々なエネルギー及び照射方向の放射線が混在する環境下で使用され、線量率の測定精度の向上が望まれている。その理由は、放射線検知部が入射する放射線のエネルギーに依存して異なる測定感度を有することに起因する。
一般に、放射線の強度を減衰可能な金属遮蔽体の利用や補正用検知部の並列設置によるエネルギー特性の平坦化が有用と考えられる。

特開２０１６－１１４３９２号公報

しかしながら、エネルギー特性の平坦化のために放射線検知部の大型化と重量化による取扱性、および並列化によるシステムの複雑化とコストの増大が課題（問題）となる。
あるいは、小型かつ単一の放射線検知部でのエネルギー特性の平坦化が課題（問題）となる。

本発明は、小型かつ単一の放射線検知部で、入射した放射線に対して光子を放出する感度のエネルギー特性を平坦化可能な放射線モニタを提供することを課題（目的）とする。

前記の課題を解決するために、本発明を以下のように構成した。
すなわち、本発明の放射線モニタは、入射した放射線に対して光子を放出する蛍光体を有する放射線検知部と、前記放射線検知部の蛍光体から放出された光子を伝送する光子伝送部と、を備え、前記蛍光体は、第１の蛍光体と第２の蛍光体とを有し、前記第１の蛍光体と前記第２の蛍光体は、互いに隣接して、並列に配置され、前記第１の蛍光体と前記第２の蛍光体との間に光子反射層を有し、前記第１の蛍光体と前記光子反射層と前記第２の蛍光体が、前記光子伝送部と接することを特徴とする。

また、その他の手段は、発明を実施するための形態のなかで説明する。

本発明によれば、小型かつ単一の放射線検知部で、入射した放射線に対して光子を放出する感度のエネルギー特性を平坦化可能な放射線モニタを提供できる。

本発明の第１実施形態に係る放射線モニタの概略の構成例を横方向から示す図である。 本発明の第１実施形態に係る放射線モニタの概略の構成例を正面方向から示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る放射線モニタと関連機材との構成例を示すブロック図である。 放射線の線量率と単一光子の計数率との概略の関係例を示す図である。 放射線が放射線検知部に入射した際の光の生成についての概略例を示す図である。 本実施形態の光検出器の出力を計測したと仮定した場合の電気パルス信号と、従来例の計測装置で光検出器の出力を計測した場合の電気パルス信号とを、比較した概略例を示す図である。 光子の計数率のエネルギー依存性について、その一例を示す概略図である。 付与エネルギー割合の蛍光体の厚さ依存性について、その概略の関係例を示す図である。 放射線が第１の蛍光体、および第２の蛍光体に入射した際の光の生成についての概略例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る放射線モニタの概略の構成例を横方向から示す図である。 本発明の第２実施形態に係る放射線モニタの概略の構成例を正面方向から示す図である。 本発明の第３実施形態に係る放射線モニタの概略の構成例を横方向から示す図である。 本発明の第４実施形態に係る放射線モニタの概略の構成例を横方向から示す図である。 本発明の第５実施形態に係る放射線モニタの概略の構成例を横方向から示す図である。 本発明の第６実施形態に係る放射線モニタの概略の構成例を横方向から示す図である。 放射線モニタの実際の測定対象である放射線環境下における使用例の概略を示すブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下においては「実施形態」と表記する）を、適宜、図面を参照して説明する。
以下の説明において参照する図面は、実施形態を概略的に示したものであるため、各部材のスケールや間隔、位置関係などが誇張、あるいは部材の一部の図示が省略されている場合もある。
また、本発明は、ここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で、適宜、組合せや改良が可能である。

≪第１実施形態≫
本発明の第１実施形態に係る放射線モニタ１の構成について、図を参照して説明する。
図１Ａと図１Ｂは、本発明の第１実施形態に係る放射線モニタ１の概略の構成例を示す図である。
なお、図１Ａは、後記する放射線検知部２と光子伝送部７が並ぶ横方向から見た図である。また、図１Ｂは、図１Ａにおける放射線検知部２を紙面視の左側からの正面方向として見た図である。

図１Ａにおいて、放射線モニタ１は、放射線検知部２と光子伝送部７を備えて構成されている。
放射線検知部２は、第１の蛍光体４と、第２の蛍光体５と、光子反射層６とを備えて構成されている。
放射線モニタ１で検出する放射線は、基準照射方向３と記載した方向から原則として入射するものを基準とする。なお、放射線モニタ１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が挙げられる。

図１Ａに示すように、放射線検知部２は、入射した放射線の線量率に対応する強度の光を発する第１の蛍光体４と、第２の蛍光体５と、蛍光体から放出された光子を反射する光子反射層６とを有する素子である。
なお、図１Ｂに示すように、図１Ａにおける放射線検知部２を紙面視の左側からの正面方向からみると、方形（正方形、長方形）の形状で構成されている。
図１Ａ、図１Ｂにおいて、第１の蛍光体４と第２の蛍光体５は、隣接して並列に配置される構造を有している。
光子反射層６は、第１の蛍光体４と第２の蛍光体５の間に配置される構造を有する。
放射線検知部２の構成と機能の詳細は後記するが、概要は次のとおりである。

＜放射線検知部２の概要＞
図１Ａに示すように、放射線検知部２において、第１の蛍光体４に入力した放射線の一部は、蛍光体に反応し、蛍光体から放出された光子の一部が光子伝送部７に到達する。
また、第１の蛍光体４に入力した放射線で、蛍光体に反応しなかった放射線は、光子反射層６を通過し、第２の蛍光体５に向かう。第２の蛍光体５において、放射線が蛍光体に反応し、蛍光体から放出された光子の一部が光子伝送部７に到達する。
また、光子反射層６は、第２の蛍光体５で発生した光子を第１の蛍光体４に戻らないように機能する。また、光子反射層６は、第１の蛍光体４で発生した光子を第２の蛍光体５に入らないように機能する。なお、光子反射層６は、光子を反射するが、放射線は透過する。

＜放射線検知部２の詳細＞
放射線検知部２における「第１の蛍光体４と第２の蛍光体５」、「光子反射層６」について詳しく説明する。

《第１の蛍光体４と第２の蛍光体５》
第１の蛍光体４と第２の蛍光体５は、ルミネッセンス（ルミネセンス、冷光）を示す組成物で構成される。ルミネッセンスの現象、作用を示す組成物であれば、特に蛍光現象の対象や材料は限定されない。
例えば、紫外線など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などが挙げられる。

具体的には、第１の蛍光体４と第２の蛍光体５は、例えば、母材としてNaI、CsI、LiI、SrI₂、Bi₄Ge₃O₁₂、Bi₄Si₃O₁₂、CdWO₄、PbWO₄、ZnS、CaF₂、LuAG、LuAP、Lu₂O₃、Y₃Al₅O₁₂、YAlO₃、Lu₂SiO₅、LYSO、Y₂SiO₅、Gd₂SiO₅、BaF₂、CeF₃、CeBr₃、CsF、LiF、Gd₂O₂S、LaBr₃、CeBr₃、Gd₃Al₂Ga₃O₁₂、Cs₂LiYCl₆、Cs₂HfI₆、ScTaO₄、LaTaO₄、LuTaO₄、GdTaO₄、YTaO₄、サイアロン蛍光体（Si-Al-O-N物質の総称）などの光透過性材料が挙げられる。

あるいは、これらの光透過性材料の中にLa、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Yなどの希土類元素、または、Tl、Na、Ag、W、CO₃などの元素や、粉末状の蛍光材料が含有された光透過性材料が挙げられる。

また、第１の蛍光体４と第２の蛍光体５に含有され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。

第１の蛍光体４と第２の蛍光体５の製造方法としては、ルミネッセンスを示す組成物を育成可能であれば特に限定されない。
例えば、フローティングゾーン法、チョクラルスキー法（引き上げ法）、マイクロ引下げ法、ブリッジマン法、ベルヌーイ法等を採用することができる。

《光子反射層６》
光子反射層６は、第１の蛍光体４と第２の蛍光体５との間に挟まれていることが望ましい。この挟まれている構造によって、第１の蛍光体４で生成された光子を第２の蛍光体５の内部へ透過することなく光子伝送部７へ伝送可能となる。
また、前記の構造によって、第２の蛍光体５で生成された光子を第１の蛍光体４の内部へ透過することなく、光子伝送部７へ伝送可能である。

光子反射層６は、蛍光体の内部で生成された光子を反射可能であれば、その組成や構成を特に限定されない。
例えば、テフロン（登録商標）等のフッ素樹脂製のテープ、アルミ箔、硫酸バリウム、光学フィルム、光学フィルタ、薄膜、多層膜、蛍光体、グリース、粉末、塗料、空気、バルク状の金属等を利用することができる。なお、バルク状の金属とは、例えば、厚みが１ｍｍ未満で、前記のアルミ箔よりも厚い金属で構成される。
また、第１の蛍光体４と第２の蛍光体５の表面状態を、光子反射層６として利用することができる。例えば、第１の蛍光体４と第２の蛍光体５の外側の表面加工等を施した構造を光子反射層として採用することができる。
また、採用可能な表面加工法としては、研磨等による機械加工、スパッタリング、蒸着、メッキやコーティング等による皮膜処理、熱処理、化学処理や塗装等が挙げられる。

光子反射層６の屈折率は、光子を反射可能であれば特に限定されない。
例えば、第１の蛍光体４（第２の蛍光体５）と比較して屈折率の小さい材質を光子反射層６に用いることによって、第１の蛍光体４（第２の蛍光体５）で生成された光子の反射確率を向上できる。また、効果的に低エネルギー放射線に対する感度を抑制可能である。

＜放射線検知部２に関連するその他の事項＞
放射線検知部２に関連するその他の事項として、「ハウジング」と「基準照射方向」について、次に説明する。

《ハウジング》
図１Ａには、図示していないが、放射線モニタ１は、放射線検知部２（第１の蛍光体４、第２の蛍光体５、および光子反射層６）がハウジング（保護容器、外殻容器）に収納されている。
放射線検知部２は、外来光と、第１の蛍光体４および第２の蛍光体５からの光と、を区別するため、ハウジングで遮光されていることが望ましい。
ハウジングは、放射線検知部を収納する容器である。ハウジングを構成する材料としては、光を反射可能なものであれば特に限定されない。例えば、テフロンテープ、硫酸バリウム、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。

《基準照射方向３》
図１Ａにおいて、基準照射方向３は、放射線モニタ１が測定対象とする放射線の入射方向の基準(０°方向)の一例を表す。この基準照射方向３からの放射線に対して、放射線モニタ１の特性、性能を定めている。ただし、放射線が基準照射方向３以外の方向から来ても、特性、性能の差や変化はあるが、放射線モニタ１は作用する。
基準照射方向３は、第１の蛍光体４、第２の蛍光体５、光子反射層６、および光子伝送部７の軸方向（伝送方向）に対して垂直であることが望ましい。

＜光子伝送部７＞
図１Ａにおける光子伝送部７について説明する。
図１Ａに示すように、光子伝送部７は、第１の蛍光体４、第２の蛍光体５、および光子反射層６に接続されている。そして、放射線検知部２から放出された光を伝送する。
光子伝送部７は、後記（図２）する光検出器８に接続されている。
光子伝送部７は、光子を伝送可能であれば、特に限定されない。例えば、光ファイバ、光ガイド、光パイプ等を採用できる。
また、光子伝送部７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。

＜用語の補足説明＞
以下において、放射線や光子や解析機材の説明において用いる語句の意味について、先に補足説明をする。
本明細書の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、「所定の規格範囲」とは、光子の計数率範囲を示し、各規格において定められた範囲を表す。
また、「所定の範囲内の波長」とは、透過可能な波長範囲を示す。なお、特定波長の光子のみを透過させることで、光子を制御する。
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。

＜放射線モニタと関連機材とのブロック図＞
次に、放射線モニタと関連機材について説明する。
図２は、第１の実施形態に係る放射線モニタ１と関連機材との構成例を示すブロック図である。
図２においては、放射線検知部２と光子伝送部７とを備えた放射線モニタ１が、さらに、光検出器８とカウンタ９と解析・表示装置１０とを備えて、放射線モニタ１Ｂを構成している。

図２において、光検出器８は、光子伝送部７に接続され、光子伝送部７から伝送された光子を電気パルス信号に変換する検出器（光検出器）である。
光検出器８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。
光検出器８として光電子増倍管等を用いることで、単一光子を電流増幅された一つの電流パルス信号として検出できる。

カウンタ９は、光検出器８と接続され、光検出器８から入力された電気パルス信号を計数する装置である。
カウンタ９としては、例えば、デジタルシグナルプロセッサを採用することができる。

解析・表示装置１０は、カウンタ９に接続され、カウンタ９で計数された電気パルス信号の計数率を放射線の線量率に換算（解析）し、その値を表示する装置である。
解析・表示装置１０は、電気パルス信号の計数率と放射線の線量率を対応付けるデータベースを保有している記憶装置（不図示）と、前記データベースを用いて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演算装置（不図示）と、換算した放射線の線量率を表示する表示装置（不図示）とを備えている。
解析・表示装置１０としては、例えば、前記した機能（記憶、演算、表示）を有するパーソナルコンピュータを採用することができる。

本発明の第１実施形態に係る放射線モニタ１（１Ｂ）では、例えばγ線の入射によって、第１の蛍光体４と第２の蛍光体５で生成された複数の光子に含まれる単一光子の計数率から、放射線の線量率を換算する。
この本発明の第１実施形態に係る放射線モニタ１（１Ｂ）の手法は、従来のγ線の計数率から放射線の線量率を換算する手法と異なる。

＜放射線の線量率と単一光子の計数率の関係＞
図３は、放射線の線量率と単一光子の計数率との概略の関係例を示す図である。
図３において、横軸は「放射線の線量率」を、縦軸は「光子の計数率（単一光子の計数率）」を示している。
図３に示すように、この単一光子の計数率を計測できれば、放射線の線量率を取得することができる。
したがって、この図３の関係を用いることで算出した単一光子の計数率から、放射線の線量率を換算することができる。

＜放射線が蛍光体に入射した際の光の生成＞
次に、放射線モニタ１における放射線検知部２の動作について説明する。
図４は、放射線１１が放射線検知部２に入射した際の光の生成についての概略例を示す図である。
図４において、放射線１１が放射線検知部２に入射すると、放射線検知部２に備えられた蛍光体（４，５：図１）において、相互作用１２が生じる。この相互作用１２に伴い、複数の単一光子１３が発生する。

＜光検出器の出力計測の電気パルス信号における従来例と本実施形態例の比較＞
図５は、本実施形態の光検出器８の出力を計測したと仮定した場合の電気パルス信号１５と、従来例の計測装置で光検出器８の出力を計測した場合の電気パルス信号１４とを、比較した概略例を示す図である。なお、図５において、横軸は「時間」を、縦軸は「電圧」を示している。
図５において、従来例の計測装置で光検出器（８）の出力を計測した場合の電気パルス信号１４は、従来においては、通常、放射線検知部（２）に一つの放射線１１（図４）が入射すると複数の単一光子１３が生成され、光検出器（８）を用いて一つの電気パルス信号１４として測定される。
すなわち、従来例の計測装置における光検出器では、単一光子のパルスを検出するのではなく、複数のパルスの集合を一括して計測して、電気信号の波形として捉えていた。

一方、本実施形態では、光子伝送部７（図１、図２）から伝送された一つ一つの単一光子１３を光検出器８（図２）で測定する。
図５に示すように、単一光子１３は、光検出器８（図２）で約２ｎｓの時間幅を持った電気パルス信号１５として測定する。なお、約２ｎｓの時間幅は、光検出器８の性能に依存している。
そして、図２で示したカウンタ９は、１発ごとの電気パルス信号１５（図５）で単一光子１３の個数をカウント（計測）する。

すなわち、従来例の計測装置では、放射線の入力によって発生する複数の単一光子１３（図４）を光検出器（８）で一括して波形としての電気パルス信号１４（図５）で計測していた。それに対して、本実施形態では、一つ一つの単一光子１３を約２ｎｓの時間幅を持った電気パルス信号１５（図５）として光検出器８（図２）で測定する。
このように、一つ一つの単一光子１３を一つ一つの電気パルス信号として、測定し、カウントするためには、光検出器８（図２）の性能と、第１の蛍光体４、第２の蛍光体５の蛍光体としての反応の際の時定数の特性にもよる。

また、従来の光検出器（８）で一括して波形としての電気パルス信号１４（図５）で計測する方法を採用する場合にも、蛍光体の特性が関係する。
図５における一括して波形としての電気パルス信号１４で検出する場合には、一般に蛍光の反応において、時定数の短い材質の蛍光物質を採用し、発生した複数の光子を一括して測定することによって、波形信号として検出することが一般的であった。
この時定数の短い材質の蛍光物質を光検出器として用いた場合に、３００℃程度の高温や、高い放射線の環境に耐えられないことがあった。
また、逆に、高温や高い放射線の環境に耐える蛍光物質があったとしても、反応の際の時定数が大きい（長い）ために、従来の光検出器では採用されないことがあった。

それに対して、図５で示した一つ一つの単一光子１３を約２ｎｓの時間幅を持った電気パルス信号１５（図５）として光検出器８（図２）で測定する場合における蛍光体には、反応の際の時定数が長いものが採用される。この反応が長く続く間にパルス状に検出する方法をとっている。
この蛍光体の反応の際の時定数の長いものは、前記の理由で、従来の計測方法では、採用されなかった蛍光物質もある。
それに対して、本実施形態では、一つ一つの単一光子１３を一つ一つの電気パルス信号として測定する方法によって、蛍光体の反応の際の時定数の長いものが採用できる。

そのため、従来では採用を見合わせていた高温や高放射能の条件で有用な特性を有する蛍光体も採用できる可能性がある。
すなわち、本実施形態の放射線モニタ１では、高温や高放射能の環境でも採用ができる可能性があり、蛍光物質の選択の幅が広がる。その結果、高温や高放射能の環境でも耐えられる放射線モニタが実現する可能性がある。
また、パルス状に検出する方法であるので、高速に測定できて、測定感度が上がり、計測レンジが拡がる可能性のある計測方法である。

＜光子の計数率の放射線エネルギー依存性＞
図６は、光子の計数率の放射線エネルギー依存性について、その一例を示す概略図である。図６において、横軸は「放射線のエネルギー」であり、縦軸は「光子の計数率」である。なお、「光子の計数率」とは、放射線が蛍光体を通過した場合に、放射線を光子に変換してカウンタ９（図１）で計測する割合である。

図６に示すように、光検出器８で検出される光子の計数率は、入射する放射線のエネルギーに依存して変化する。一般に、放射線のエネルギーが低下するにつれて光子の計数率が増加し、放射線のエネルギーが増加するにつれて光子の計数率が低下する。
その理由は、入射する放射線のエネルギーに依存して、放射線検知部２に含まれる蛍光体が異なる測定感度を有するためである。
ただし、蛍光体から発生する光子の波長は、放射線のエネルギーの高低には関係せず、蛍光体の材質の特性によって所定の値となる。

蛍光体（第１の蛍光体４、第２の蛍光体５）は、低いエネルギーの放射線の方が補足しやすく、反応しやすい。あるいは、放射線からのエネルギーを付与されやすい。
逆に、高いエネルギーの放射線は、蛍光体を素通りしやすい。
エネルギーを付与された蛍光体は、光子を発生する。この放射線に反応して単一光子を発生する相互作用は、前記したように、放射線の低いエネルギーの方が起きやすい。
特に密度の高い蛍光体を放射線検知部２に適用した場合に、この放射線の低いエネルギーの方が、相互作用は起きやすくなるという傾向は顕著となる。

ただし、放射線モニタの線量率測定は、様々なエネルギーの放射線が混在する環境下で使用される。
そのため、様々な放射線のエネルギーに対して、測定される光子の計数率が、例えば図６に示す所定の規格範囲３１の間に収まるように、放射線検知部２の感度を平坦化する必要がある。
この平坦化の具体策については、後記する。

＜付与エネルギー割合の蛍光体の厚さ依存性＞
図７は、付与エネルギー割合の蛍光体の厚さ依存性について、その概略の関係例を示す図である。
なお、付与エネルギー割合とは、蛍光体の中を放射線が通った場合に、その放射線エネルギーが、蛍光体に蛍光体のエネルギーとして付与されるエネルギーの割合である。
図７において、横軸は「蛍光体の厚さ」を、縦軸は「付与エネルギー割合」を示している。また、放射線のエネルギーが低い特性を、低エネルギー放射線３２で示し、放射線のエネルギーが高い特性を、高エネルギー放射線３３で示している。

図７に示すように、低エネルギー放射線３２は、放射線の透過力が弱いため、放射線の入射面における蛍光体の表面の近傍で、放射線の主なエネルギーが付与される。
一方、高エネルギー放射線３３は、放射線の透過力が強く、低エネルギー放射線３２と比較して、蛍光体の厚さ方向の深部までエネルギーが付与される。
なお、図７の「付与エネルギー割合」は、付与エネルギーが蛍光体の表面で反応したものか、蛍光体の奥の方まで届いたかの「割合」に対応するが、「付与エネルギー」そのものを表記している訳ではない。

＜放射線が第１の蛍光体および第２の蛍光体に入射した際の光の生成＞
図８は、放射線が第１の蛍光体４、および第２の蛍光体５に入射した際の光の生成についての概略例を示す図である。
図８に示すように、低エネルギー放射線３２が放射線検知部２に入射すると、第１の蛍光体４で相互作用１２が生じ、生成された光子４０は、第１の蛍光体４と光子伝送部７との接触する領域Ｓ１を介して、光子伝送部７へ伝送される。なお、光子４０は、単一光子（１３：図４）とは限らない。

また、高エネルギー放射線３３は、放射線のエネルギーが高いので、放射線検知部２の奥の方（第２の蛍光体５）まで到達する。
高エネルギー放射線３３が放射線検知部２に入射すると、第２の蛍光体５で相互作用１２が生じ、生成された光子４０は、第２の蛍光体５と光子伝送部７との接触する領域Ｓ２を介して、光子伝送部７へ伝送される。
これらの反応において、光子反射層６は、第１の蛍光体４で生成された光子４０が第２の蛍光体５へ透過することを防ぎ、また、第２の蛍光体５で生成された光子４０が第１の蛍光体４へ透過することを防ぐ役割を果たす。
なお、光子反射層６は、第１の蛍光体４、および第２の蛍光体５と比較して、光の屈折率の小さい材質を用いる。

また、第１の蛍光体４と第２の蛍光体５で生成された光子４０が光子伝送部７へ伝送される光子数は、蛍光体と光子伝送部７との接触面積に比例する。なお、第１の蛍光体４と光子伝送部７との接触面積を「ＳＳ１」とし、第２の蛍光体５と光子伝送部７との接触面積を「ＳＳ２」とする。
そのため、光子伝送部７と第１の蛍光体４と第２の蛍光体５との接触面積比（ＳＳ１：ＳＳ２）を調整することで、低エネルギー放射線３２と高エネルギー放射線３３に対する感度を調整可能である。

このように、放射線モニタ１は、第１の蛍光体４と第２の蛍光体５とが互いに隣接して並列に配置され、第１の蛍光体４と第２の蛍光体５との間に光子反射層６を有し、第１の蛍光体４と光子反射層６と第２の蛍光体５が光子伝送部７と接する構造を有している。
この構造において、それぞれの接触面積比（ＳＳ１：ＳＳ２）を適正に選択した構成とすることによって、放射線検知部２の感度のエネルギー特性が平坦化可能となる。

なお、図８においては、高エネルギー放射線３３が第１の蛍光体４で相互作用をして、単一光子を発生する状況を、説明の都合上、省略して記載している。
図７に示した「蛍光体の厚さ」と「付与エネルギー割合」の関係のように、高エネルギー放射線３３においても、第１の蛍光体４における相互作用による光子の発生は、第２の蛍光体５における相互作用による光子の発生よりは頻度が高い。すなわち、第１の蛍光体４における相互作用による光子の発生は、低エネルギー放射線３２のみならず高エネルギー放射線３３においても頻度が高い。
この理由からも、放射線検知部２の感度のエネルギー特性を平坦化するためには、第１の蛍光体４と光子伝送部７との接触面積ＳＳ１を、第２の蛍光体５と光子伝送部７との接触面積ＳＳ２よりも小さくするように、調整する必要がある。

＜第１実施形態の効果＞
本発明の第１実施形態によれば、小型かつ単一の放射線検知部で、入射した放射線に対して光子を放出する感度のエネルギー特性を平坦化可能な放射線モニタを提供できる。

≪第２実施形態≫
本発明の第２実施形態に係る放射線モニタ１Ｃの構成について、図９Ａ、図９Ｂを参照して説明する。
図９Ａと図９Ｂは、本発明の第２実施形態に係る放射線モニタ１Ｃの概略の構成例を示す図である。
なお、図９Ａは、放射線検知部２Ｃと光子伝送部７が並ぶ横方向から見た図である。また、図９Ｂは、図９Ａにおける放射線検知部２Ｃを紙面視の左側からの正面方向として見た図である。

図９Ａにおいて、放射線モニタ１Ｃは、放射線検知部２Ｃと光子伝送部７とを備えて構成されている。
また、放射線検知部２Ｃは、第１の蛍光体４Ｃ、第２の蛍光体５Ｃ、光子反射層６Ｃを備えて構成されている。
図９Ａにおける放射線モニタ１Ｃの構成は、放射線検知部２Ｃの構成に違いがあるが、図１Ａにおける放射線モニタ１の構成と、見かけ上、同一の構成であるので、重複する説明は、省略する。なお、図９Ａ、図９Ｂにおける放射線検知部２Ｃの構成と、図１Ａ、図１Ｂにおける放射線検知部２の構成との相違は、図９Ｂを参照して説明する。

図９Ｂにおいて、図１Ｂと異なるのは、図１Ｂが放射線検知部２を正面方向から観ると方形（正方形、長方形）の形状で構成されていたのに対し、図９Ｂでは、放射線検知部２Ｃ（第１の蛍光体４Ｃ、第２の蛍光体５Ｃ、光子反射層６Ｃ）を正面方向から観ると円形の形状で構成されていることである。
すなわち、図９Ａと図９Ｂを併せると、本発明の第２実施形態に係る放射線モニタ１Ｃの放射線検知部２Ｃは、円柱の形状（円柱形状）をしていることである。
そのため、図９Ｂにおいて、放射線検知部２Ｃと基準照射方向３との相対的関係が円周方向に変動したとしても、図１Ｂにおける基準照射方向３の角度の変動よりは、特性の変化が小さいという特徴がある。

＜第２実施形態の効果＞
本発明の第２実施形態によれば、放射線検知部２Ｃと基準照射方向３との相対的関係が図９Ｂにおける円周方向に変動したとしても、図１Ｂにおける基準照射方向３の角度の変動よりは、特性の変化が小さいという効果がある。

≪第３実施形態≫
本発明の第３実施形態に係る放射線モニタ１Ｄの構成について、図１０を参照して説明する。
図１０は、本発明の第３実施形態に係る放射線モニタ１Ｄの概略の構成例を、放射線検知部２Ｄと光子伝送部７が並ぶ横方向から示す図である。
図１０において、放射線モニタ１Ｄは、放射線検知部２Ｄと光子伝送部７を備えて構成されている。
放射線検知部２Ｄは、第１の蛍光体４Ｄと、第２の蛍光体５Ｄと、光子反射層６Ｄとを備えて構成されている。また、基準照射方向３は、第１の蛍光体４Ｄ、第２の蛍光体５Ｄ、光子反射層６Ｄに対して、垂直方向とする。

図１０において、第２の蛍光体５Ｄは、半球体の形状をしている。また、光子反射層６Ｄは、第２の蛍光体５Ｄを覆うように半球体の外殻の形状をしている。さらに、第１の蛍光体４Ｄは、光子反射層６Ｄを覆うように半球体の厚い外殻の形状をしている。
そのため、第１の蛍光体４Ｄと光子反射層６Ｄと第２の蛍光体５Ｄとで構成される放射線検知部２Ｄは、全体として、球体の半分からなる球体形状（半球体形状）で構成されている。ただし、単に球体形状とも呼称する。
また、光子伝送部７は、放射線検知部２Ｄを構成する第１の蛍光体４Ｄ、光子反射層６Ｄ、第２の蛍光体５Ｄのそれぞれに接している。

以上のように、第２実施形態に係る放射線モニタ１Ｄは、第１実施形態に係る放射線モニタ１と、放射線検知部（２，２Ｄ）と光子伝送部７との関係において、位相幾何学的には同一の構成であるが、放射線検知部２Ｄの形状が半球体の形状をしている点が異なる。また、基準照射方向３が半球体の形状の放射線検知部２Ｄの中心であることが異なる。
このように、放射線検知部２Ｄが球体形状の蛍光体と光子反射層を有することにより、基準照射方向３との相対的な関係が変化しても、放射線を放射線検知部２Ｄに取り込みやすいので、放射線の方向特性を向上させることが可能である。

＜第３実施形態の効果＞
本発明の第３実施形態によれば、放射線検知部２Ｄが球体形状の蛍光体と光子反射層を有することにより、放射線の方向特性を向上することが可能となる効果がある。

≪第４実施形態≫
本発明の第４実施形態に係る放射線モニタ１Ｅの構成について、図１１を参照して説明する。
図１１は、本発明の第４実施形態に係る放射線モニタ１Ｅの概略の構成例を、放射線検知部２Ｄと光子伝送部７Ｅ１，７Ｅ２が並ぶ横方向から示す図である。
図１１において、放射線モニタ１Ｅにおける放射線検知部２Ｄは、第１の蛍光体４Ｄと、第２の蛍光体５Ｄと、光子反射層６Ｄとを備えて構成されている。
ただし、放射線検知部２Ｄ、および第１の蛍光体４Ｄと、第２の蛍光体５Ｄと、光子反射層６Ｄは、第３実施形態を示す図１０の放射線検知部２Ｄ、および第１の蛍光体４Ｄと、第２の蛍光体５Ｄと、光子反射層６Ｄと、それぞれ実質的に同じ構成であるので、重複する説明は省略する。

図１１における放射線モニタ１Ｅが、図１０における放射線モニタ１Ｄと異なるのは、光子伝送部が、光子伝送部７Ｅ１と光子伝送部７Ｅ２とに分かれて構成されていることである。
図１１において、光子伝送部７Ｅ１と光子伝送部７Ｅ２との間には、隙間があるので、第２の蛍光体５Ｄから出力された光子の一部が、光子伝送部７Ｅ１と光子伝送部７Ｅ２との間の隙間を通過することがある。この隙間を通過する、あるいは漏洩した光子は、カウントされないことになる。すなわち、第２の蛍光体５Ｄから出力された光子の計数率は、低下することになる。

このように、２つ以上の光子伝送部（７Ｅ１，７Ｅ２）を有する構成により、光子伝送部（７）と第１の蛍光体４Ｄと第２の蛍光体５Ｄとの接触面積比の調整が容易となり、放射線検知部２Ｄの感度のエネルギー特性をより効果的に平坦化可能となる。

なお、図１１において、光子伝送部７Ｅ１と光子伝送部７Ｅ２とに別れた光子伝送部の取り扱いについては、様々な方法がある。例えば、以下の方法がある。
<1> 光子伝送部７Ｅ１と光子伝送部７Ｅ２を束ねて光検出器８（図１Ｂ）に入れる。
<2> 光ファイバカプラーに入力して１本のファイバに纏める。
<3> 集光レンズを用いて光検出器８（図１Ｂ）に入力する。

＜第４実施形態の効果＞
本発明の第４実施形態によれば、放射線モニタ１Ｅは、第１の蛍光体４Ｄ、第２の蛍光体５Ｄ、光子反射層６Ｄを有するとともに、２つ以上の光子伝送部（７Ｅ１，７Ｅ２）を有することによって、様々なエネルギーの放射線に対して感度を平坦化でき、線量率の測定精度を向上することが可能となる効果がある。

≪第５実施形態≫
本発明の第５実施形態に係る放射線モニタ１Ｆの構成について、図１２を参照して説明する。
図１２は、本発明の第５実施形態に係る放射線モニタ１Ｆの概略の構成例を、放射線検知部２Ｆと光子伝送部７が並ぶ横方向から示す図である。
図１２において、図１と異なるのは、放射線検知部２Ｆの構成である。その他の構成は、図１と概ね同じ構成であるので、重複する説明は、適宜、省略する。

図１２において、放射線検知部２Ｆは、第１の蛍光体４Ｆ、第２の蛍光体５、第３の蛍光体１６、光子反射層６、第２の光子反射層１７を備えて構成されている。
図１に比較して、図１２における新たな構成要素は、第３の蛍光体１６と第２の光子反射層１７が備えられたことである。ただし、第３の蛍光体１６が設けられたことによって、第１の蛍光体４Ｆの占める割合が相対的に減少している。

第３の蛍光体１６と第２の光子反射層１７は、互いに隣接して並列に配置されている。そのため、第３の蛍光体１６に入射した放射線で発生した光子は、第２の光子反射層１７で反射され、光子伝送部７に到達しない。
このように、図１２における放射線モニタ１Ｆは、第３の蛍光体１６と第２の光子反射層１７を有することで、第１の蛍光体４Ｆの有感体積を小さくできる。ただし、第２の蛍光体５は、第１の蛍光体４Ｆと第３の蛍光体１６を透過してくる高エネルギー放射線３３（図７、図８）で相互作用１２（図８）を起こし、光子４０（図８）を発生する。
そのため、高エネルギー放射線３３（図７、図８）の計数率を保ちながら、感度が増加する低エネルギー放射線３２（図７、図８）に対する計数率を抑制し、放射線検知部２Ｆ（図１２）の感度のエネルギー特性の更なる平坦化が可能となる。

なお、図１２において、第３の蛍光体１６、および第２の光子反射層１７は、互いに隣接して並列に配置される構造を有していることが重要である。
また、第３の蛍光体１６は、放射線を吸収可能な材質であれば特に限定されない。例えば、蛍光体、金属、樹脂等を使用可能である。
第２の光子反射層１７は、蛍光体の内部で生成された光子を反射可能であれば、特に限定されない。例えば、テフロンテープ、アルミ箔、硫酸バリウム、光学フィルム、光学フィルタ、薄膜、多層膜、蛍光体、グリース、粉末、塗料、空気、バルク状の金属等を利用することができる。

＜第５実施形態の効果＞
本発明の第５実施形態によれば、放射線モニタ１Ｆは、第３の蛍光体１６、および第２の光子反射層１７が互いに隣接して並列に配置される構造を有することで、様々なエネルギーの放射線に対して感度を平坦化でき、線量率の測定精度を向上させる効果がある。

≪第６実施形態≫
本発明の第６実施形態に係る放射線モニタ１Ｇの構成について、図１３を参照して説明する。
図１３は、本発明の第６実施形態に係る放射線モニタ１Ｇの概略の構成例を、放射線検知部２Ｇと光子伝送部７が並ぶ横方向から示す図である。
図１３において、図１と異なるのは、放射線検知部２Ｇの構成である。その他の構成は、図１と概ね同じ構成であるので、重複する説明は、適宜、省略する。

図１３において、放射線検知部２Ｇは、第１の蛍光体４Ｇ、第２の蛍光体５、光子反射層６、光子吸収層１８を備えて構成されている。
図１に比較して、図１３における新たな構成要素は、光子吸収層１８が備えられたことである。
光子吸収層１８は、第１の蛍光体４Ｇと光子反射層６と光子伝送部７とに接続されている。光子吸収層１８は、通過する光子数を減衰させる。あるいは、所定の範囲内の波長を透過させる機能を有している。
この機能によって、第１の蛍光体４Ｇから光子伝送部７へ伝送される光子数を低減でき、感度が増加する低エネルギー放射線３２に対する計数率を抑制し、放射線検知部２Ｇの感度のエネルギー特性を平坦化することが可能である。

なお、光子吸収層１８は、第１の蛍光体４Ｇから伝送された光子に対し、光子数を減衰させる、あるいは所定の範囲内の波長を透過可能とする機能を有していれば、材質は特に限定されない。
例えば、光学フィルム、光学フィルタ、薄膜、多層膜、蛍光体、グリース、粉末、塗料、空気等を適用可能である。

＜第６実施形態の効果＞
本発明の第６実施形態によれば、放射線モニタ１Ｇは、光子吸収層１８で光子数を減衰させる、あるいは所定の範囲内の波長を透過させる機能を有することで、様々なエネルギーの放射線に対して感度を平坦化でき、線量率の測定精度を向上させる効果がある。

＜放射線モニタの好適な使用例＞
次に、本発明の放射線モニタ（１，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ）の好適な使用例について説明する。
図１４は、例えば図１、あるいは図２の放射線モニタ１の実際の測定対象である放射線環境下における使用例の概略を示すブロック図である。
図１４において、放射線検知部２が測定対象エリア３４内に設置されている。また、光子伝送部７と接続された光検出器８と、カウンタ９と、解析・表示装置１０とが一般エリア３５内に設置されている。

これらの構成によって、測定対象エリア３４に相当する、例えば、原子炉建屋、原子炉格納容器内部の様々な放射線のエネルギーに対する線量率を、放射線の影響の少ない一般エリア３５内で、高精度で測定することができる。
さらには、例えば、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おける放射線測定において、本発明の放射線モニタ（１，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ、１Ｇ）を適用できる。

なお、図１４において、基準照射方向３は、測定対象エリア３４の様々な場所から来る放射線の方向と必ずしも一致するわけではないので、測定精度や測定方法には様々な工夫を要する場合もある。
例えば、図１０に示した半球面体の放射線検知部２Ｄを備える放射線モニタ１Ｄを用いれば、放射線の方向特性が改善し、測定精度が向上する可能性はある。

≪その他の実施形態≫
なお、本発明は、以上に説明した実施形態に限定されるものでなく、さらに様々な変形例が含まれる。例えば、前記の実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために、詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべ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の一部で置き換えることが可能であり、さらに、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成の一部または全部を追加・削除・置換をすることも可能である。
以下に、その他の実施形態や変形例について、さらに説明する。

《第１の蛍光体、第２の蛍光体、光子反射層の構造》
図１Ａ、図１Ｂにおいて、第１の蛍光体４、第２の蛍光体５、光子反射層６は、それぞれ１個の場合を示した。しかし、第１の蛍光体４、第２の蛍光体５、および光子反射層６の個数は、隣接して配置される構造を有していれば特に限定されない。２個以上の蛍光体、および反射層を重ねることも可能である。
第１の蛍光体４、第２の蛍光体５、及び光子反射層６の形状は、隣接し配置される構造であれば、形状は特に限定されない。具体的には、一部を前記したように、立方体、直方体、角柱、円柱、半球体などの形状を利用することができる。

《複数の光子伝送部》
図１１においては、二つの光子伝送部７Ｅ１、光子伝送部７Ｅ２で説明したが、３つ以上の光子伝送部で構成してもよい。また、複数の光子伝送部において、放射線検知部（２Ｄ）との接触面積は、それぞれ異なってもよい。

《第３の蛍光体、第２の光子反射層》
図１２において、第３の蛍光体１６、および第２の光子反射層１７は、隣接し並列に配置される構造を有していることが重要である。
例えば、第３の蛍光体１６、および第２の光子反射層１７の個数は、隣接し配置される構造を有していれば特に限定されず、２個以上の蛍光体および反射層を重ねることも可能である。

《第１の蛍光体、第２の蛍光体の材質》
図１を参照した第１実施形態の放射線モニタ１の放射線検知部２の説明において、第１の蛍光体４と第２の蛍光体５の組成物について、同じ組成として説明した。しかし、第１の蛍光体４と第２の蛍光体５とが異なる組成物であってもよい。第２の蛍光体５を第１の蛍光体４よりも、高エネルギー放射線に対する反応が起きやすい組成物を用いることによって、エネルギー特性を平坦化することに更なる効果がある。

１，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ 放射線モニタ
２，２Ｃ，２Ｄ，２Ｆ，２Ｇ 放射線検知部
３ 基準照射方向
４，４Ｃ，４Ｄ，４Ｆ，４Ｇ 第１の蛍光体
５，５Ｃ，５Ｄ 第２の蛍光体
６，６Ｃ，６Ｄ 光子反射層
７，７Ｅ１，７Ｅ２ 光子伝送部
８ 光検出器
９ カウンタ
１０ 解析・表示装置
１１ 放射線
１２ 相互作用
１３ 単一光子（光子）
１６ 第３の蛍光体
１７ 第２の光子反射層（光子反射層）
１８ 光子吸収層
３０ 基準計数率
３１ 規格範囲
３２ 低エネルギー放射線（放射線）
３３ 高エネルギー放射線（放射線）
３４ 測定対象エリア
３５ 一般エリア
４０ 光子

Claims (12)

1. 入射した放射線に対して光子を放出する蛍光体を有する放射線検知部と、
   前記放射線検知部の蛍光体から放出された光子を伝送する光子伝送部と、
   を備え、
   前記蛍光体は、第１の蛍光体と第２の蛍光体とを有し、
   前記第１の蛍光体と前記第２の蛍光体は、互いに隣接して、並列に配置され、
   前記第１の蛍光体と前記第２の蛍光体との間に光子反射層を有し、
   前記第１の蛍光体と前記光子反射層と前記第２の蛍光体が、前記光子伝送部と接する、
   ことを特徴とする放射線モニタ。
2. 請求項１において、
   前記放射線検知部は、放射線が前記第１の蛍光体、前記光子反射層、前記第２の蛍光体の順に入射する構造で構成され、
   前記第２の蛍光体と前記光子伝送部の接触面積が、前記第１の蛍光体と前記光子伝送部の接触面積と比較して大きい、
   ことを特徴とする放射線モニタ。
3. 請求項１において、
   前記光子反射層の屈折率は、前記第１の蛍光体の屈折率より小さい、
   ことを特徴とする放射線モニタ。
4. 請求項１において、
   前記光子反射層は、バルク状の金属材料で構成される、
   ことを特徴とする放射線モニタ。
5. 請求項１において、
   前記第１の蛍光体と前記第２の蛍光体と前記光子反射層は、円柱形状を有する、
   ことを特徴とする放射線モニタ。
6. 請求項１において、
   前記第１の蛍光体と前記第２の蛍光体と前記光子反射層は、球体形状を有する、
   ことを特徴とする放射線モニタ。
7. 請求項１において、
   前記光子伝送部は、前記放射線検知部との接続部分において、複数の光子伝送部を備えて構成される、
   ことを特徴とする放射線モニタ。
8. 請求項１において、
   前記放射線検知部に、第３の蛍光体と第２の光子反射層とを有し、
   前記第２の光子反射層は、前記第３の蛍光体と前記第１の蛍光体との間に配置される、
   ことを特徴とする放射線モニタ。
9. 請求項１において、
   前記第１の蛍光体と前記光子伝送部との間に光子吸収層を有する、
   ことを特徴とする放射線モニタ。
10. 請求項１において、
    前記第１の蛍光体と前記第２の蛍光体とは、異なる組成物で構成されている、
    ことを特徴とする放射線モニタ。
11. 請求項１において、
    前記光子伝送部から伝送された光子を電気パルス信号に変換する光検出器と、
    前記光検出器から入力された電気パルス信号を計数するカウンタと、
    前記カウンタで計数された電気パルス信号の計数率を放射線の線量率に換算して表示する解析・表示装置と、
    を備える、
    ことを特徴とする放射線モニタ。
12. 請求項１に記載の放射線モニタを用いた放射線の検出方法であって、
    前記第２の蛍光体と前記光子伝送部の接触面積と、前記第１の蛍光体と前記光子伝送部の接触面積との比率を調整することによって、低エネルギー放射線と高エネルギー放射線に対する感度を調整する、
    ことを特徴とする放射線の検出方法。

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