JP3128562B2 - 水中ラドン検出器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水中のラドン（Ｒｎ）
量を連続的に測定するための装置に関し、特に装置全体
を水中に投入してするのみでＲｎ量の測定を行うことの
できる水中ラドン連続測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】水中のラドン量を測定することは、素粒
子物理学や宇宙物理学の発展に役立つことは勿論、例え
ば地震予知や地質構造の解析等においても応用の可能性
が高いと考えられている。何故なら、ラドンは地層のラ
ジウムの含有量を反映しているからであり、また、αあ
るいはβ崩壊して放射線を出すため、ニュートリノある
いは荷電粒子の測定に対するノイズ発生源となっている
からである。

【０００３】天文学や素粒子物理学では、超新星や太陽
から地球に向けて飛来してくるニュートリノを観測する
ことによって、星の中心部の光では観測不可能な研究や
宇宙の起源を探ったり、あるいは素粒子そのものの研究
がなされているのであるが、その場合に利用されている
のがニュートリノ反応によって発生した電子によるチェ
レンコフ光の観測である。

【０００４】チェレンコフ光は、電子やパイ中間子等の
荷電粒子が水中を高速で走る際に生ずるものであり、例
えば、岐阜県の神岡の地下１０００ｍにある東京大学宇
宙線研究所神岡地下観測所では、直径１５．６ｍ、高さ
１６ｍの水槽（カミオカンデ）に純水３０００トンを満
たして、この水槽の内壁に約１ｍの間隔で１０００個配
置した光電子増倍管（直径約５０ｃｍ）によって観測さ
れているものである。

【０００５】このような神岡地下観測所の水槽中には、
外部からラドンの侵入が僅かにあって、このラドンがチ
ェレンコフ光観測の所謂「バックグラウンドノイズ」の
発生源となっている。従って、ラドンそのものの除去、
あるいはこの「バックグラウンドノイズ」の発生源を明
確にすることにより、「バックグラウンドノイズ」を限
りなく０に近づけて、正しい観測結果を得るような努力
がなされているのである。そのために、上記水槽中等に
おけるラドンの定量化が望まれているのである。

【０００６】ところで、ラドン（Ｒｎ）は、不活性ガス
であるが、次の順でαあるいはβ崩壊することが知られ
ている。 ここで、ＲａＡ＝²¹⁸Ｐｏ ＲａＤ＝²¹⁰Ｐｂ ＲａＢ＝²¹⁴Ｐｂ ＲａＥ＝²¹⁰Ｂｉ ＲａＣ＝²¹⁴Ｂｉ ＲａＦ＝²¹⁰Ｐｏ ＲａＣ’＝²¹⁴Ｐｏ ＲａＧ＝²⁰⁶Ｐｂ である。

【０００７】このため、本発明では、ラドンの量を検出
するには、現在確立されているラドン娘核の静電捕集法
を採用することとしたのであるが、水中のラドン測定装
置としては、例えば特公昭５５−７１０号公報、特公昭
５５−１０８７２号公報、あるいは特公昭６３−１９０
１５号公報にて提案されているものがある。

【０００８】特に、特公昭６３−１９０１５号公報にて
提案されている「水中ラドン分離装置」は、その公報の
特許請求の範囲の記載からすると、「井戸内に垂下され
井戸水を取込む分離筒と、分離筒下部に接続された所定
深かさの井戸水を採取する採水パイプと、採水パイプに
設けられた逆流防止弁と、分離筒下部に接続され分離筒
内に空気を導入する空気流入パイプと、空気流入パイプ
を介して分離筒内に空気を供給する空気ポンプと、分離
筒下部に設けられラドンガス分離後の排出を排出する排
水弁と、分離筒上部に接続され井戸水中を通ったラドン
含有空気をラドンガス濃度検出器に導く送気パイプと、
送気パイプの途中に設けられたバルブとを有し、分離筒
内に採水された井戸水中に空気を導入し該導入された空
気の空気圧にて排出をしながら井戸水からラドンガスを
分離することを特徴とする水中ラドンガス分離装置」で
あるが、この装置は、基本的には、資料となる水をポン
プによって汲み上げて、この汲み上げた水中のラドンを
検出して、排水を行うものである。

【０００９】このような従来のラドン検出装置は、ポン
プ及び配管等の関連機器を必要とすることから、その全
体の構造が複雑なものになるだけでなく、持ち運びする
ことができないものである。特に前述した神岡地下観測
所の水槽のラドン観測についてこの装置を適用しようと
しても、次のような理由によって非常に困難となるもの
である。 ラドンの濃度は連続的に測定しなければならないが、
そのために、槽中の純水を連続的、つまり大量に汲み出
すことは非常に無駄が多い。 採水パイプ等を固定化しなければならないから、大き
な水槽の定点観測しかできないことになる。 ラドン濃度は、資料である水の温度や槽内に混入する
空気によっても変化するものであるため、槽中の水を汲
み上げる方式・装置では誤差が生じ易く、その誤差の測
定ができない。

【００１０】また、ラドンのα崩壊は、前述したように
種々な段階の娘核になる場合において生ずるものである
が、１つのラドン原子について、ＲａＡ→ＲａＢの段階
（ＲａＡの半減期は約３分）、ＲａＣ’→ＲａＤの段階
（ＲａＣ’の半減期はゼロに近い）及びＲａＦ→ＲａＧ
の段階（ＲａＤの半減期は約２０年であるから、この段
階にくるまでには相当の時間を要する）の三つの段階で
のα崩壊をすることが分かっているが、もしα線の全体
量の検出のみでラドンの量を測定するとすれば、上記三
つの段階のα崩壊を含めて測定していることになり、言
わば雑音の多い検出を行っていることになる。できれ
ば、ＲａＡ→ＲａＢの段階のα崩壊のみを検出すれば、
ラドンの量の正確な検出が行えることになるのである。
つまり、従来のα崩壊の一括測定では、 ラドンのα崩壊の全ての量を同時に測定することにな
って、正確なラドン量の検出ができない。ということに
なるのである。

【００１１】そこで、本発明者等は、ラドン濃度を測定
すべき水中に投入することにより、その水中のラドン濃
度を正確に測定することができるようにするにはどうし
たらよいかについて検討を重ねてきた結果、本発明を完
成したのである。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の実状
に鑑みてなされたもので、その解決しようとする課題
は、水中のラドン濃度を測定する装置の簡略化である。

【００１３】そして、本発明の目的とするところは、静
電捕集法を採用することにより、構造を簡略化して水中
に投入することができ、しかもラドン濃度の測定をリア
ルタイムで正確に行うことのできる装置を簡単な構成に
よって提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
めに、まず、請求項１に係る発明の採った手段は、実施
例において使用する符号を付して説明すると、「一つの
開口１１を除いて液密的に密閉された容器本体１０と、
この容器本体１０内に収納した検出部２０と、開口１１
を覆蓋すべく容器本体１０に液密的に取付けた機能性分
離膜３０とを備えた水中ラドン検出器１００であって、
検出部２０を、機能性分離膜３０に対向するＰＩＮフォ
トダイオード２１と、このＰＩＮフォトダイオード２１
からの信号を増幅するアンプ２２と、このＰＩＮフォト
ダイオード２１のためのバイアス電池２３とにより構成
して、検出部２０側からの信号線２４を容器本体１０外
に液密的に導出したことを特徴とする水中ラドン検出器
１００」である。

【００１５】すなわち、この水中ラドン検出器１００
は、一つの開口１１に機能性分離膜３０を液密的に取付
けることにより、容器本体１０内に一つの液密化された
空間を形成しておき、この空間内にラドン検出用の検出
部２０を配置したものであり、この検出部２０からの信
号を容器本体１０から液密的に延出させた信号線２４に
よって外部に取り出し得るようにしたものである。そし
て、検出部２０としてアンプ２２やバイアス電池２３を
も含むものとすることにより、水中ラドン検出器１００
全体の構造としては、例えばひもやチェーン等によって
吊下げ自在にできるものとしてあるのである。

【００１６】換言すれば、この水中ラドン検出器１００
は、ラドンの量を検出したい水中に投下して得るものと
してあるものであり、かつ持ち運びは勿論、移動も自在
に行えるようにしたものである。

【００１７】また、請求項２に係る発明の採った手段
は、上記請求項１に係る水中ラドン検出器１００につい
て、その検出部２０を構成しているＰＩＮフォトダイオ
ード２１を、その表面のｐｎ接合部及びその周辺部を電
気絶縁材料によって被覆するパッシベーション処理を施
したことである。

【００１８】

【発明の作用】以上のように構成した各請求項に係る水
中ラドン検出器１００の作用について、項を分けて説明
すると、次の通りである。

【００１９】［請求項１の水中ラドン検出器１００につ
いて］まず、この水中ラドン検出器１００の外見的な形
状から考察してみると、この水中ラドン検出器１００
は、機能性分離膜３０によって開口１１が液密的に覆わ
れた容器本体１０から信号線２４を延出させたものとな
っており、しかもバイアス電池２３やアンプ２２を内蔵
しているものであるから、一つの独立した検出機器とな
っているのである。従って、この水中ラドン検出器１０
０の容器本体１０に対してひもやチェーン等の索条を連
結すれば、測定したいラドンを含む水中に直接投下し得
るものとなっているのである。換言すれば、この水中ラ
ドン検出器１００は、容器本体１０全体を水中に入れる
ことにより、その水中のラドン量を測定し得るものなの
であり、従来のように、ポンプやこれに付随するパイプ
・配管を全く必要としないものとなっているのである。

【００２０】勿論、この水中ラドン検出器１００は、そ
の容器本体１０内が約１気圧となっているため、もし水
中深く沈み込ませれば、開口１１を覆っている機能性分
離膜３０に大きな水圧が掛ることになるのであるが、以
下の実施例では、この機能性分離膜３０の内側にバック
アッププレート３１が配置してあるので、ある程度（少
なくとも１００ｍ）の深さまでは十分耐えられる構造の
ものとなっているのである。

【００２１】さて、この水中ラドン検出器１００を、ラ
ドンの混入している水中に入れると、水中に溶け込んで
いるラドン原子が機能性分離膜３０を通して容器本体１
０内に入るのである。機能性分離膜３０は、疎水性の材
料によって形成されていて、しかも孔径が０．０５〜
０．１２５μｍの細孔を多数有しているものであって、
その臨界表面張力が３５ダイン／ｃｍと、水の表面張力
の７２．８ダイン／ｃｍより小さいため、水中のラドン
原子のみを容器本体１０内に通すからである。なお、水
中ラドン検出器１００を水中深く沈み込ませていく、す
なわち機能性分離膜３０に加わる水圧を高くしていく
と、この機能性分離膜３０の水をはじく性質がなくなり
（その時の圧力をｗａｔｅｒ ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ値
という）、水を透過するようになるが、実施例の機能性
分離膜３０はｗａｔｅｒ ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ値が４
０ｋｇｆ／ｃｍ² であるから、この水中ラドン検出器１
００は、水深４００ｍまでは使用可能で十分なものであ
る。

【００２２】以上のように、水中ラドン検出器１００を
水中に沈めていくと機能性分離膜３０に加わる水圧が高
くなり、機能性分離膜３０を隔てて容器本体１０内の気
体圧と外部の水圧との間に（原子）は、機能性分離膜３
０を透過して容器本体１０内に入り込み平衡を保つため
に必要なある時間（約１０時間）の経過後、機能性分離
膜３０を隔てた内外の圧力が等しくなる。つまり、水中
において気相と液相との平衡状態が成立するのである。
一定の圧力において、水中に溶解しているラドンの量
と、容器本体１０内に気体として存在しているラドンの
量との比は一定であるから、これにより水中のラドン濃
度の変化に応じた測定が行えることになるのである。

【００２３】容器本体１０中に入ったラドンガスは、前
述したような段階を経てα崩壊しているものであるが、
このときのα線をＰＩＮフォトダイオード２１が検出し
ている。勿論、この検出は常時なされているのであり、
ＰＩＮフォトダイオード２１が検出したα線による電気
信号は、アンプ電源線２５からの電力により常時作動状
態にあるアンプ２２によって増幅されて、信号線２４を
介して外部の数値処理システムに常時送られているので
ある。なお、本実施例では、水に接触する容器本体１０
それ自体が、アンプ電源線２５に対するグランドとなっ
ているものである。

【００２４】以上の測定を行った結果、ＰＩＮフォトダ
イオード２１から得られた信号パルスの電圧値には、図
４に示したように、三つのピークが観測された。これら
のピークは²²²Ｒｎの三つの娘核種、ＲａＡ、Ｒａ
Ｃ’、及びＲａＦの放出するα線のものと一致した。こ
のことから、本発明の水中ラドン検出器１００は、Ｒａ
Ａの全量を計算することにより、水中の²²²Ｒｎの量を
測定・検出できるものであることが確認されたのであ
る。

【００２５】この水中ラドン検出器１００を、実際にカ
ミオカンデ（前述の岐阜県神岡の神岡地下観測所にある
水槽実験装置）の３０００トンの水槽の純水中に投入し
てラドン濃度を測定した。１９９２年１２月３日に検出
器２台（ＤｅｔｅｃｔｏｒＮｏ．１，Ｎｏ．２）をカミ
オカンデの水槽上部から深さ約５０ｃｍの水中に沈め
て、１０分ごとのＲａＡ、ＲａＣ’のそれぞれのカウン
ト数の測定を開始した。

【００２６】次に、これらのカウントデータから実際の
水中ラドン濃度を求めるために、濃度較正を行なうこと
が必要である。今回は、鉱山内の坑道の側溝を流れる原
水を用いて、１９８６年８月から１９８７年１月までの
期間に測定された液体シンチレーション法での水中ラド
ン濃度データと比較することとした。そのために、１９
９２年１２月１９日に新たに前の２台と同一の３台目の
水中ラドン検出器（Ｄｅｔｅｃｔｏｒ Ｎｏ．３）を神
岡鉱山内の坑道の側溝の深さ約５０ｃｍに設置して、測
定を開始した。この側溝を流れる水は坑道の奥数１００
ｍにある数か所の断層から噴き出したものである。

【００２７】現在神岡鉱山のラドン観測システムは３台
のＺ８０マイコンシステム（最大２４台のラドン検出器
が接続可能）とワークステーションより構成され、これ
らの装置はＡＲＣＮＥＴ、Ｅｔｈｅｒ−ｎｅｔ、ＩＳＤ
Ｎ、ｉｎｔｅｒｎｅｔの通信ネットワークを用いてお
り、オンラインでラドンのデータ解折が可能となってい
る。

【００２８】次に、カミオカンデ水槽に投入した２台の
水中ラドン検出器から得られたデータについて解折を行
なう。正確にラドンを検出しているかどうかを確認する
ために、検出器Ｎｏ．１の１９９２年１２月４日から１
９９３年６月６日までのＡＤ変換器からのデータを重ね
合わせた。使用しているラドン観測用高速ＡＤ変換ボー
ドは、入力電圧範囲は０Ｖから１Ｖで分解能は８ビット
仕様で、入力信号トリガー電圧値は約１００ｍＶにセッ
トされている。図４に検出器Ｎｏ．１のα線スペクトル
を示す。この図４の三つのピークは左からそれぞれＲａ
Ｆ、ＲａＡ、ＲａＣ’の放出するα線に対応するもので
ある。一番左のＲａＦのピークは岐阜大学での１か月間
の動作テストによって、ＰＩＮフォトダイオード２１の
表面に付着したＲａＤ（半減期２０年）によるものであ
る。次に、ＲａＡとＲａＣ’の１日当りのカウント数の
和を求めるために、この図４の横軸に相当してＡＤ変換
器の出力値が１２０から１８０までの面積を１日ごとに
計算した。

【００２９】検出器Ｎｏ．１によるＲａＡとＲａＣ’の
１日当りのカウント数の和の日変動を図６に示す。検出
器Ｎｏ．２についても同様な処理を行い、図７にカウン
ト数の日変動を示す。これらの二つの図では、測定の開
始から１か月は同じようなカウント数の減衰が観測され
ている。神岡鉱山に検出器を搬入して、水中に投入する
までの数時間の間に、鉱山内の高濃度（約３０００Ｂｑ
／ｍ³ ）のラドンを含む空気が機能性分離膜３０を通し
て水中ラドン検出器１００へ入り込んだためであろうと
考えられる。ラドン濃度の非常に低いカミオカンデの純
水中へこの水中ラドン検出器１００を投入すると、侵入
した空気中のラドンは崩壊しながら、やがて新たに水中
から入ってくるラドンと平衡状態に達する。このとき、
カウント数の減衰曲線よりこの放射性元素の半減期を求
めてみると、約４日となった。結果として、この崩壊曲
線の半減期がウラン系列での²²²Ｒｎの半減期３．８日
と誤差の範囲で一致することから、水中ラドン検出器１
００が確かにラドンを捕らえていることを確かめること
ができた。

【００３０】図６および図７からわかるように、２台の
水中ラドン検出器１００のカウント数は１月１０日頃か
らほとんど平衡状態に達し、５月になって少し増加して
いるように思えるが、６月の始めまでの期間ほぼ一定の
値を示している。

【００３１】（坑道の側溝水中のラドン測定）１９９２
年１２月１９日から１９９３年６月６日の期間のデータ
を前述と同じ方法の処理を行い、水中ラドン検出器１０
０Ｎｏ．３によるカウント数の日変動を図８に示す。カ
ウント数は約２日間で急激に増加して最大値に達し、そ
の後少し減少して１月５日頃にはほぼ平衡状態となって
いると考えられる。全体的には１月から５月にかけて徐
々に増加して、５月から６月の間は一定値になってい
る。これは季節変化の影響であろうと解釈される。

【００３２】（純水中のラドン濃度）地下１０００ｍに
ある観測所では年間を通してほぼ一定の気温・水温の値
を保ち、また過去３年間の坑道内の空気中のラドン濃度
は毎年同じような変動を繰り返していることから、側溝
水中のラドン濃度も１９８７年と１９９３年の両年で同
じ値を保っていると仮定すると、カミオカンデの純水中
の設置した水中ラドン検出器１００Ｎｏ．１とＮｏ．２
のカウント数からラドン濃度を求めることができる。 表１ ──────────────────────────────────── Day Month Radon concentration Count(day^-1) Calibration factor (Bq/m³) in 1987；注 in 1993 by ours (Bq/m³ day) ──────────────────────────────────── 20 Jan. 8 250 500 721 0.0165 15 Apr. 11 500 678 760 0.0169 15 May. 13 400 806 081 0.0166 ５ Jun. 12 250 803 456 0.0152 ──────────────────────────────────── Average 11 350 697 255 0.0163 ──────────────────────────────────── 注；金沢大学の山本政儀と坂上正信によって測定された。

【００３３】表１のラドン濃度（Ｂｑ／ｍ³ ）とカウン
ト数（ｄａｙ^-1 ）の１月から５月までの増加の様子が
たいへんよく対応しており、この二つの測定値から較正
ファクターを計算して表１の右端に示した。濃度が変化
しているにもかかわらず４日間のそれぞれの較正ファク
ター値は一定の値を示しており、４日間の値を平均した
較正ファクターＦは、 Ｆ＝１．６３×１０^-2 （Ｂｑ／ｍ³ ｄａｙ） となった。

【００３４】水中ラドン検出器１００Ｎｏ．１とＮｏ．
２による１日当りのカウント数をそれぞれＣ₁ 、Ｃ₂ と
して、これらの値を平均して平均カウント数Ｃを、 Ｃ＝（Ｃ₁ ＋Ｃ₂ ）／２ で求めた。

【００３５】平均カウント数Ｃと較正ファクターＦか
ら、カミオカンデの純水中のラドン濃度Ｑを次式 Ｑ＝Ｃ×Ｆ によって求めることができる。

【００３６】カミオカンデの純水中のラドン濃度Ｑを上
記の手続で計算し、１９９３年１月１０日から６月６日
までの期間におけるラドン濃度Ｑの日変動を図９に示
す。

【００３７】１９９３年１月１０日から６月６日までの
全期間にわたって、カミオカンデ純水中の平均ラドン濃
度は水中ラドン検出器１００Ｎｏ．１による濃度を＜Ｑ
₁ ＞、水中ラドン検出器１００Ｎｏ．２による濃度を＜
Ｑ₂ ＞とすると、それぞれ ＜Ｑ₁ ＞＝０．４３±０．１３（Ｂｑ／ｍ³ ） ＜Ｑ₂ ＞＝０．５８±０．１３（Ｂｑ／ｍ³ ） となる。

【００３８】２台の検出器の平均を求めると、カミオカ
ンデ純粋中のラドン濃度＜Ｑ＞は ＜Ｑ＞＝０．５１±０．１１（Ｂｑ／ｍ³ ） という値が得られた。

【００３９】以上の通り、本発明の水中ラドン検出器１
００は、これによって得られたデータをリアルタイムで
解折して、カミオカンデの純水中のラドン濃度の変動を
連続測定することが可能となった。１９９３年１月１０
日から６月６日までの全期間にわたってのカミオカンデ
純粋中の平均ラドン濃度は０．５１±０．１１（Ｂｑ／
ｍ³ ）という結果が得られた。

【００４０】これによって、現在バックグラウンドノイ
ズであると考えられているラドンの侵入経路を推定する
ことができるようになり、ラドン除去に重要な役割を果
たすこととなるであろう。

【００４１】今回の観測では水中ラドン検出器１００を
水槽上部から深さ５０ｃｍの水中に沈めたにとどまっ
た。今後は水中ラドン検出器１００を増設して、 （１）水槽のさまざまな深さに水中ラドン検出器１００
を沈めてそれぞれのラドン濃度とその変動を調べる。 （２）水槽中のラドン濃度と、水槽内上部および水槽外
部の空気中のラドン濃度の変動を比較する。 （３）水槽内の純水の巡回経路中のさまざまな場所での
ラドン濃度とその変動を調べる。 等の測定・検討が必要となるであろう。

【００４２】今回の実験では３台の水中ラドン検出器よ
り得られたカウント数を側溝水中のラドン濃度と比較し
て、カミオカンデ内のラドン濃度を推定した。しかし、
ラドン濃度の比較データは１９８７年１月から１９８７
年６月のものであったため、われわれが側溝の水のラド
ンを測定した１９９２年１月１０日から１９９３年６月
の濃度がこれと等しいと仮定している。ラドン濃度は一
年を通じて±２０％変化しており、測定値の信頼度をあ
げるためには、水槽中のラドンの測定とともに、比較対
象となる側溝のラドン濃度を液体シンチレーション法な
どによって同時に測定する必要があり、こうすることに
より測定値はより確かなものとなる。

【００４３】もしカミオカンデ水槽内のラドン濃度を下
げることができれば、ＲａＣからのβ線の「バックグラ
ウンドノイズ」が減少してやがて完成するスパーカミオ
カンデの信号とノイズの比を上げることに役立つように
なるのであろう。さらにその結果として、ニュートリノ
観測の精度が上がり、素粒子物理学、宇宙物理学の発展
に対してより一層寄与することになるであろう。

【００４４】［請求項２に係る水中ラドン検出器１００
について］この水中ラドン検出器１００では、上記請求
項１の水中ラドン検出器１００について、そのＰＩＮフ
ォトダイオード２１としてパッシベイション処理を施し
たものを採用したから、上記請求項１の水中ラドン検出
器１００についての作用と同じ作用をなす他、次のよう
な作用をもなすものである。

【００４５】すなわち、このＰＩＮフォトダイオード２
１のｐｎ接合部及びその周辺部に、もしパッシベーショ
ン処理が施していないとすると、水中ラドン検出器１０
０の組立て時あるいは使用途中に容器本体１０内に侵入
するゴミや水分によって、ＰＩＮフォトダイオード２１
のｐ層とｎ層との間に絶縁不良を起こすことになるので
あるが、本発明の水中ラドン検出器１００におけるＰＩ
Ｎフォトダイオード２１ではそのような絶縁不良は絶縁
樹脂によって生ずることはないのである。

【００４６】従って、この水中ラドン検出器１００は、
過酷な使用条件に十分耐えるものとなっているだけでな
く、耐久性にも優れたものとなっているのである。

【００４７】

【実施例】次に、各請求項に係る発明を、図面に示した
実施例に従って説明するが、実施例に係る水中ラドン検
出器１００は、請求項１の水中ラドン検出器１００及び
請求項２の水中ラドン検出器１００のの両方共を実質的
に含むものであるから、以下では、この実施例に係る水
中ラドン検出器１００について説明する。

【００４８】図１には、本発明に係る水中ラドン検出器
１００の概略断面図が示してあり、この水中ラドン検出
器１００は、一つの開口１１を除いて液密的に密閉され
た容器本体１０と、この容器本体１０内に収納した検出
部２０と、開口１１を覆蓋すべく容器本体１０に液密的
に取付けた機能性分離膜３０とを備えた水中ラドン検出
器１００であって、検出部２０を、機能性分離膜３０に
対向するＰＩＮフォトダイオード２１と、このＰＩＮフ
ォトダイオード２１からの信号を増幅するアンプ２２
と、このＰＩＮフォトダイオード２１のためのバイアス
電池２３とにより構成して、検出部２０側からの信号線
２４とアンプ電源線２５を容器本体１０外に液密的に導
出したものである。

【００４９】容器本体１０は、中を１気圧に保持させた
まま水深５０ｍより深い中に沈めても、十分な剛性及び
水密性を有したものとするために、ステンレスあるいは
合成樹脂を材料として形成したものであり、本実施例で
は、図１の上から順に第１本体１１ａ、第２本体１１
ｂ、及び第３本体１１ｃの三つの同径筒状体のものを連
結することにより構成したものである。そして、図示上
端になる第１本体１１ａは、蓋体１３によって気密的に
覆蓋してあり、下端の第３本体１１ｃの下端を開口１１
としたものである。そして、この実施例の容器本体１０
においては、第１本体１１ａと第２本体１１ｂとの間に
支持板１２が液密的に配置してあり、この支持板１２に
後述する検出部２０が取付けてあって、第２本体１１ｂ
と第３本体１１ｃとの間には、後述する機能性分離膜３
０が液密的に取付けてあるのである。

【００５０】以上のような容器本体１０の第１本体１１
ａ内には検出部２０が収納してあるが、検出部２０は、
前述した支持板１２の図示下面に露出すべく設けたＰＩ
Ｎフォトダイオード２１と、このＰＩＮフォトダイオー
ド２１からの信号を受けて外部に伝送するアンプ２２
と、このＰＩＮフォトダイオード２１のためのバイアス
電池２３とを備えたものである。勿論、アンプ２２には
信号を外部へ伝送するための信号線２４とアンプ電源線
２５が接続してあり、この信号線２４とアンプ電源線２
５は容器本体１０を構成している蓋体１３から各防水コ
ネクタ１４を介して容器本体１０の外部に導出させてあ
る。なお、このアンプ電源線２５に対するグランドは、
本実施例では容器本体１０それ自体がなっている。

【００５１】ＰＩＮフォトダイオード２１は、図２に示
したように、セラミックケース２１１内に、ｎ層２１
２、空乏層２１３及び酸化シリコン絶縁層２１９を積層
して構成したものであり、空乏層２１３内にはｎチャン
ネルストッパ２１５が形成してあるものである。また、
ｎ層２１２の一部には、正電極として外部電極２１７が
接続してあり、この外部電極２１７の一端は、他の負電
極としての外部電極２１７とともに、セラミックケース
２１１の外部に導出してあるものである。

【００５２】実施例で採用しているＰＩＮフォトダイオ
ード２１は、浜松フォトニクス株式会社製の型番Ｓ３５
９０−０６のものに、ラドン測定のために、パッシベー
ション処理を施したものである。パッシベーション処理
とは、図２に示した各層間に湿気や塵等が侵入して絶縁
不良を起こさないようにするためのものであり、具体的
には、図２中の酸化シリコン絶縁層２１９の周辺部の空
乏層２１３、ｎチャンネルストッパ２１５、アルミ電極
２１６及びｐ層２１４を、電気絶縁材料であるポリイミ
ド樹脂２１８によって被覆することである。また、この
実施例のＰＩＮフォトダイオード２１は、検出面積が１
０×１０ｍｍ、厚さ５００μｍのものであり、両外部電
極２１７間にバイアス電圧１００ボルトをかけたとき、
暗電流が８ｎＡ、接合容量２１ｐＦとなるものである。

【００５３】最初の段階で、このＰＩＮフォトダイオー
ド２１の窓に取付けてあったガラス製カバーを取り外し
て、神岡地下観測所の坑道内の空気中のラドン濃度測定
の実験を行ったところ、ＰＩＮフォトダイオード２１の
周辺電極部のｎチャンネルストッパ２１５とアルミ電極
２１６の間に空気中のイオン性の塵が付着して、約１か
月で暗電極が約２μＡとなり、測定不可能となった。そ
こで、前述したようなパッシベーション処理を施して、
暗電流増加のバイパス経路を遮断し、素子の耐塵性、耐
湿性を向上させるようにしたのである。このパッシベー
ション処理を施して神岡地下観測所で実用試験した結
果、１年以上のラドン測定に十分耐えることが確認され
たのである。

【００５４】以上のようなＰＩＮフォトダイオード２１
から得られた信号は、アンプ２２によって増幅されて、
各信号線２４を介して外部に送られるのであるが、この
アンプ２２は、図３に示したような回路構成のアンプモ
ジュールを備えているものである。すなわち、このアン
プ２２のアンプモジュールは、大きさが２×５ｃｍで、
ハイブリッドタイプのものとして、ラドン測定用のもの
に特別に製作したものである。

【００５５】アンプ２２を構成しているアンプモジュー
ルは、図３に示したように、プリアンプ、リニアアン
プ、ケーブルドライバーより構成されている。ここでプ
リアンプの入力ＦＥＴ（２ＳＫ５０８）の相互コンダク
タンス（ｇ_m値）は定格で２６ｍＳ（ミリモー）でゲー
トソース間容量を小さくするためにＦＥＴはチップ型
で、モジュールにＰＩＮフォトダイオード２１を直接取
り付けられるように工夫されている。プリアンプの出力
パルスの立上がり時間は３０ｎｓである。また、リニア
アンプの時定数は１μｓである。

【００５６】図３のＲＲ１に抵抗とコンデンサーを外付
して倍率を調整することができて、実際には１２ｋΩと
７０ｐＦを外付けした場合にＲａＡのα線（７．６９Ｍ
ｅＶ）の出力パルスの電圧は約７５０ｍＶとなった。図
３のＪＰＩの２−３と４−５をビットセッター（電子回
路の接続を変更するための部品）で接続すると非反転出
力となり、３−４と１−２を接続すると反転出力とな
る。またコネクターのＣＮＩの７−８番を使用してＰＩ
Ｎフォトダイオード２１に対する逆バイアス電源として
−１２０Ｖをかけており、これは静電捕集電圧にもなっ
ている。この回路の全消費電流は＋１２Ｖが２１ｍＡ、
−１２Ｖが１４ｍＡである。カウント率は最大で２０カ
ウント／秒と低いため、モジュールにはポールゼロキャ
ンセル回路は含まれていない。

【００５７】等価雑音電荷を測定するために、ＰＩＮフ
ォトダイオード２１に²⁴¹ Ａｍのγ線を照射してルクロ
イ製マルチチャンネルアナライザ３００１型（電荷モー
ド）で測定した。図５が測定結果である。右端が５９．
４ｋｅＶのγ線による光電ピークである。このピークの
半値幅より等価雑音電荷は５３０個電子（ＦＷＨＭ）相
当となる。この結果は、上で述べたｇ_m値などの値を雑
音特性の理論式に代入して得られた期待値とよく一致し
た。

【００５８】以上のように構成した検出部２０は、前述
した容器本体１０内に収納してあるものであるが、容器
本体１０内は、前述した通り、蓋体１３や機能性分離膜
３０によって液密性が保たれているものである。実施例
で採用している機能性分離膜３０は、ダイセル化学工業
株式会社製の、商品名「セルガード」というポリプロピ
レン製のマイクロポーラスフィルムである。この機能性
分離膜３０は、疎水性のもので、厚さ２５μｍで最大孔
径０．１２５〜０．０５μｍとなっていることは前述し
た通りである。本実施例では、この機能性分離膜３０の
縦方向の引張強度を大きくするために、表面に厚さ１５
０μｍのポリプロピレン不織布をラミネートしたものを
採用し、使用時にはこのラミネート不織布が水に接触し
ないように内側になるようにして使用した。

【００５９】また、本実施例では、図１に示したよう
に、機能性分離膜３０の内側にバックアッププレート３
１を配置して、このバックアッププレート３１により、
機能性分離膜３０に加わる水圧に十分耐えるようにして
いる。このバックアッププレート３１は、塩化ビニル製
の板に、直径１０ｍｍの穴を、５６個／１２３ｃｍ² の
割合で開けたものである。このようなバックアッププレ
ート３１によって、第２本体１１ｂと第３本体１１ｃ間
に液密的に挟み込むようにした機能性分離膜３０を文字
通りバックアップさせるものであり、機能性分離膜３０
の挟み込んだ部分等から裂けるのを防止しているのであ
る。

【００６０】そして、本実施例では、図１に示したよう
に、以上のような特性を有した機能性分離膜３０及びバ
ックアッププレート３１を、容器本体１０を構成してい
る第２本体１１ｂと第３本体１１ｃ間に挟み込んである
のであるが、第３本体１１ｃそのものが機能性分離膜３
０の物理的衝撃に対する保護を十分なものとしている。
つまり、本発明の水中ラドン検出器１００は、これを種
々な場所に持ち運んで、しかも何度も繰り返えし長期間
使用するものであるから、第３本体１１ｃを利用するこ
とにより、機能性分離膜３０に損傷を与えないで当該水
中ラドン検出器１００を例えば机上にそのまま載置でき
るものなのである。

【００６１】

【発明の効果】以上、詳述した通り、請求項１に係る発
明においては、上記実施例にて例示した如く、「一つの
開口１１を除いて液密的に密閉された容器本体１０と、
この容器本体１０内に収納した検出部２０と、開口１１
を覆蓋すべく容器本体１０に液密的に取付けた機能性分
離膜３０とを備えた水中ラドン検出器１００であって、
検出部２０を、機能性分離膜３０に対向するＰＩＮフォ
トダイオード２１と、このＰＩＮフォトダイオード２１
からの信号を増幅するアンプ２２と、このＰＩＮフォト
ダイオード２１のためのバイアス電池２３とにより構成
して、検出部２０側からの信号線２４を容器本体１０外
に液密的に導出したこと」に構成上の特徴があり、これ
により、構造を簡略化して水中に投入することができ、
しかもラドン濃度の測定をリアルタイムで正確に行うこ
とのできる装置を簡単な構成によって提供することがで
きるのである。

【００６２】すなわち、この請求項１に係る水中ラドン
検出器１００によれば、 ラドンの濃度は連続的に測定しなければならないが、
そのために、槽中の純水を連続的、つまり大量に汲み出
す必要が全くない。 採水パイプ等を固定化する必要がないから、大きな水
槽での垂直分布等のあらゆる場所での観測を行なうこと
ができる。 ラドン濃度は、資料である水の温度や槽内に混入する
空気によっても変化するものであるが、これによる誤差
を生じさせないで測定することができる。 といった優れた効果を発揮することができるのである。

【００６３】また、請求項２に係る発明においては、上
記請求項１に係る水中ラドン検出器１００を構成してい
るＰＩＮフォトダイオード２１について、ＰＩＮフォト
ダイオード２１は、その表面のｐｎ接合部及びその周辺
部を電気絶縁材料によって被覆するパッシベーション処
理したことにその構成上の特徴があり、これにより、請
求項１の水中ラドン検出器１００と同様な効果を発揮す
ることができる他、 ラドンのα崩壊の必要な部分のみを測定するできて、
正確なラドン量の検出を行うことができる。 という効果をも発揮することができるのである。

【００６４】そして、以上のような本発明に係る水中ラ
ドン検出器１００は、ラドンの水中での検出を確実に行
えるものである特性を生かすことにより、地震や火山噴
火予知における利用や、地下水、河川、湖沼などの水文
学への利用も十分可能である。具体的利用分野として
は、次のようにまとめることができる。

【００６５】（１）地震や火山噴火予知における利用 ラドンは地殻に含まれるラジウムが発生源であるから、
地殻の変動、地震や火山噴火などと深い関係がある。地
下深部の地下水中のラドン濃度を測定することにより、
地震予知などの研究に利用される。

【００６６】（２）地質構造の解折 井内のラドン濃度の垂直分布は、各地層中のラジウムの
含有量を反映しているから、井内のラドン濃度を測定す
ることにより、地質構造の解折を行うことができる。こ
の場合、単に水中に投下あるいは沈降させるだけでよい
本発明の水中ラドン検出器１００は、特にラドン濃度の
垂直分布の測定には最適なものとなる。

【００６７】（３）地表水と地下水との混合割合の解折 河川水中のラドン濃度は、ラドンが大気中に散逸してし
まうことから、低いものであるが、地下水中のラドン濃
度はその散逸が比較的少ないことから、河川水中のそれ
より１００倍以上高い。この差を利用して、河川水中へ
の地下水の侵出や、２河川の合流水量比が分る。また、
ダム下流の湧水のラドン濃度から、ダムの漏水量が測定
できる。この場合、持ち運び自在な本発明の水中ラドン
検出器１００は、非常に有効なものとなる。

【００６８】（４）自然の地下水流の乱れの解折 停滞水と循環水とのラドン濃度差により、地盤沈下機構
の解折への利用や、地滑りとの関連の研究を行うことが
できる。この場合にも、本発明の水中ラドン検出器１０
０は、非常に有効なものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る水中ラドン検出器の概略縦断面図
である。

【図２】同水中ラドン検出器を構成しているＰＩＮフォ
トダイオードの概略拡大断面図である。

【図３】同水中ラドン検出器を構成しているアンプのモ
ジュールの電気回路図である。

【図４】同水中ラドン検出器によって得られたα線のピ
ークを示すグラフである。

【図５】図３に示した電気回路での等価雑音電荷を測定
した結果を示すグラフである。

【図６】本発明に係る１台目の水中ラドン検出器による
ＲａＡとＲａＣ’の１日当りのカウント数の日変動を示
すグラフである。

【図７】２台目の水中ラドン検出器によるＲａＡとＲａ
Ｃ’の１日当りのカウント数の日変動を示すグラフであ
る。

【図８】３台目の水中ラドン検出器によるＲａＡとＲａ
Ｃ’の１日当りのカウント数の日変動を示すグラフであ
る。

【図９】ある期間でのラドン濃度Ｑの日変動を示すグラ
フである。

【符号の説明】

１００ 水中ラドン検出器 １０ 容器本体 １１ 開口 １１ａ 第１本体 １１ｂ 第２本体 １１ｃ 第３本体 １２ 支持板 １３ 蓋体 １４ 防水コネクタ ２０ 検出部 ２１ ＰＩＮフォトダイオード ２１１ セラミックケース ２１２ ｎ層 ２１３ 空乏層 ２１４ ｐ層 ２１５ ｎチャンネルストッパ ２１６ アルミ電極 ２１７ 外部電極 ２１８ ポリイミド樹脂 ２１９ 酸化シリコン絶縁層 ２３ バイアス電池 ２４ 信号線 ２５ アンプ電源線 ３０ 機能性分離膜 ３１ バックアッププレート

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中川 雅人 岐阜県岐阜市柳戸１丁目１番地 岐阜大 学工学部内 (56)参考文献 特開 平６−235773（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−6177（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−53583（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−23680（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−64683（ＪＰ，Ｕ) 米国特許5457323（ＵＳ，Ａ) 米国特許4853536（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01T 1/167

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一つの開口を除いて液密的に密閉された容
   器本体と、この容器本体内に収納した検出部と、前記開
   口を覆蓋すべく容器本体に液密的に取付けた機能性分離
   膜とを備えた水中ラドン検出器であって、 前記検出部を、前記機能性分離膜に対向するＰＩＮフォ
   トダイオードと、このＰＩＮフォトダイオードからの信
   号を増幅するアンプと、ＰＩＮフォトダイオードのため
   のバイアス電池とにより構成して、 前記検出部側からの信号線を前記容器本体外に液密的に
   導出したことを特徴とする水中ラドン検出器。
2. 【請求項２】前記ＰＩＮフォトダイオードは、その表面
   のｐｎ接合部及びその周辺部を電気絶縁材料によって被
   覆するパッシベーション処理を施したものであることを
   特徴とする請求項１に記載の水中ラドン検出器。