JP4189505B2 - 中性子・γ線非弁別式臨界検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、γ線検出器に中性子減速材と熱中性子−捕獲γ線変換材を組み合わせ、電流モードで動作させることにより、γ線と中性子を弁別することなく両放射線による吸収線量（率）を同時に測定する中性子・γ線非弁別式臨界検出装置に関するものである。この技術は、原子炉施設や再処理施設など各種の核燃料物質使用施設の周辺に設置する臨界警報装置として有用である。

原子炉施設や再処理施設など核燃料物質を取扱う各種施設では、万一の臨界事故に備えて、施設内各所に、臨界事故を速やかに検知して作業者に退避を促すための警報を発する臨界警報装置が設置されている。これらの臨界警報装置には、臨界事故の検知のために、シンチレーション検出器、電離箱、ＧＭ計数管、あるいは半導体検出器など様々な形式の放射線検出器が用いられているが、いずれにしても臨界に伴って放出されるγ線または中性子を検出する放射線検出器である。但し、これらの放射線検出器の測定対象量は、線量当量（単位Ｓｖ）ではなく吸収線量（単位Ｇｙ）であることが、放射線防護または放射線管理の目的で使用する放射線検出器とは大きく相違している。

一般に、臨界事故時に放出されるγ線と中性子の相対的な混在割合は、臨界の体系に大きく依存して変化する。例えば、金属系臨界事故では中性子が支配的であり、他方、溶液系臨界事故ではγ線が支配的である。また、これらの混在割合は、遮へいの有無、さらに遮へいの組成や厚さなどによっても変化する。このため、臨界の体系あるいは臨界事故の発生を監視する場所の条件に応じて、γ線検出器を利用した臨界警報装置と、中性子検出器を利用した臨界警報装置を使い分けているのが現状である。

ところで、中性子とγ線を同時に測定できる技術として、γ線検出に用いられているＧｅ検出器を使用し、ホウ素やカドミウムを混入したポリエチレンの覆いと組み合わせた構造の中性子検出器が提案されている（特許文献１参照）。ここでは、Ｂ（ｎ，γ）反応による４７７ｋｅＶのγ線、Ｃｄ（ｎ，γ）反応による５５８ｋｅＶのγ線を検出することで中性子を検出している。なお、中性子とγ線を同時に測定する場合には、穴の開いた覆いを用いることで、γ線に対する覆いの影響を低減できるとしている。このような中性子検出器も含めて、従来からある様々な放射線検出器は、基本的にはパルス波高弁別などの手法により、中性子とγ線を分離して測定するように構成されている。

しかし、このような中性子とγ線を分離して個別に測定する従来の技術では、臨界事故の検知を行うためには、２種類の検出器系を同時に運用する必要があるため、保守性などに課題があった。

それに対して、γ線と中性子の両放射線を区別無く、しかも同程度の吸収線量当たりの感度で検出する放射線検出器が実現できれば、臨界の体系、遮へい及び設置場所といった条件に関係なく、単一種類の放射線検出器によって臨界事故の検知を行うことができる。しかし、単一種類の放射線検出器を用いた、γ線と中性子による吸収線量の両方を区別無く測定できる臨界検出装置は、未だ実現されていない。
特開２００１−３４９９５１号公報

本発明が解決しようとする課題は、γ線に対する感度に加えて中性子に対する感度を持たせ、γ線と中性子の両放射線を区別無く検出できるようにすることで、単一種類の検出器によって臨界事故の検知を可能とすることである。また、γ線と中性子による吸収線量を同程度の感度で測定できるようにすることで、臨界の体系、遮へい及び設置場所といった条件に関係なく、臨界事故の検知を可能とすることである。

本発明は、入射するγ線を検出するγ線検出器と、該γ線検出器を覆うように配置されて外部から入射する中性子を減速して熱中性子に変換する中性子減速材と、該中性子減速材と前記γ線検出器との境界に該γ線検出器全体を取り囲むように介装した熱中性子−捕獲γ線変換材を具備し、前記γ線検出器からの検出出力を電流変換部で電流に変換し、変換された電流を電流計測部で計測するようにして電流モードで動作させることを特徴とする中性子・γ線非弁別式臨界検出装置である。

ここで本発明では、中性子減速材内の中間位置にγ線検出器を取り囲むように第２の熱中性子−捕獲γ線変換材を配置した複層構造とし、中性子に対する感度がγ線に対する感度と同程度となるように設定する。実際には、γ線検出器が円柱形プラスチックシンチレータ、電流変換部が光電子増倍管であり、中性子減速材がポリエチレン、熱中性子−捕獲γ線変換材がカドミウム（Ｃｄ）からなる構成が好ましい。

入射した中性子は、中性子減速材により減速されて熱中性子となり、その熱中性子は熱中性子−捕獲γ線変換材によってγ線に変換され、中心部に位置するγ線検出器によって検出される。一方、外部から入射したγ線は、中性子減速材及び熱中性子−捕獲γ線変換材によって一部は減衰するが、残る大部分は、そのまま中心部に位置するγ線検出器まで到達して検出される。これらの検出は、個々の電気パルスを計測するパルスモードではなく、電気パルスを電流として計測する電流モードで動作させることで行う。従って、本装置では、中性子起源の信号とγ線起源の信号とを分離せず（非弁別で）検出することになる。ここで、γ線による信号と中性子による信号（ここでは変換された捕獲γ線による信号）を、同じ吸収線量あたりで同等の信号になるように、熱中性子−捕獲γ線変換材の配置と中性子減速材の厚さなどを調整することによって、臨界事故発生時におけるγ線と中性子の混在割合に関係なく、両放射線による吸収線量に比例した信号出力が得られる。

本発明における中性子・γ線非弁別式臨界検出装置は、γ線検出器に適切な配置の中性子減速材と熱中性子−捕獲γ線変換材を付加した構造であるため、中性子減速材の外部から入射するγ線のみならず中性子についても、それらによる吸収線量を、単一の検出器だけで測定することが可能になる。本発明では、γ線と中性子による吸収線量を分離することなく測定するため、γ線検出器と中性子検出器を併用したり、あるいは信号の波高弁別によってγ線による信号と中性子による信号を分離するなどの処理を必要とせず、極めて単純な構成で済む。

また本発明では、γ線と中性子による吸収線量を同程度の感度で測定することで、臨界の体系、遮へい及び設置場所といった条件に関係なく、単一種類の検出器によって臨界事故を検知できる。臨界事故の特徴の一つとして、事故発生時に瞬間的に（短い場合はミリ秒オーダーで）放射線が放出される（これはバーストまたはスパイクとも呼ばれる）が、個々のパルスの高さに関係なくトータルの電流として計測する電流モードで動作させるため、応答性に優れ、精度の良い検出が可能となる。

本発明に係る中性子・γ線非弁別式臨界検出装置の典型的な構成例を図１に示す。Ｂは縦断面を表し、Ａはｘ−ｘ位置での断面を表している。本装置は、γ線を検出するγ線検出器１０が中心に位置し、該γ線検出器１０を、中性子を効率的に熱中性子に減速する中性子減速材１２で完全に覆い、更にγ線検出器１０と中性子減速材１２の境界に、該γ線検出器を完全に覆うようにカドミウム（Ｃｄ）からなる第１の熱中性子−捕獲γ線変換材１４を配置した構造を有する。ここで、中性子減速材１２の外部から入射するγ線と中性子に対する吸収線量当りの感度の相材的な大小関係を調節するため、該中性子減速材１２の中間位置に前記熱中性子−捕獲γ線変換材１４とは別の、カドミウムからなる第２の熱中性子−捕獲γ線変換材１６を配置している。ここで、γ線検出器１０は円筒型プラスチックシンチレータであり、γ線検出に伴うシンチレーション光は、電流変換部である光電子増倍管１８に導かれ、該光電子増倍管１８は、電流計測部である電流計２０（もしくは電位計）に接続される。なお、中性子減速材１２はポリエチレンからなる。

中性子減速材１２の外部からγ線が入射したとき、その一部は中性子減速材１２及び熱中性子−捕獲γ線変換材１４、１６によって減衰するが、残る大部分はγ線検出器１０であるプラスチックシンチレータに到達する。プラスチックシンチレータは、それが吸収したエネルギー（すなわち吸収線量に相当する）に比例したシンチレーション光を放出し、そのシンチレーション光は光電子増倍管１８によって電流に変換される。一方、中性子減速材１２の外部から中性子が入射したとき、エネルギーの低い中性子については第２の熱中性子−捕獲γ線変換材１６でγ線に変換され、エネルギーの高い中性子については第１の熱中性子−捕獲γ線変換材１４でγ線に変換され、両γ線はγ線検出器１０のプラスチックシンチレータに到達する。プラスチックシンチレータは、捕獲γ線によるプラスチックシンチレータ中における吸収線量に比例したシンチレーション光を放出し、そのシンチレーション光は光電子増倍管１８によって電流に変換される。変換された電流は、電流計２０でトータルの電流として計測される。

本装置において、中性子減速材１２の材質と厚さ、熱中性子−捕獲γ線変換材１４，１６の配置は、中性子減速材１２の外部から入射する中性子による吸収線量と、その中性子が熱中性子−捕獲γ線変換材１４，１６によって変換された捕獲γ線による吸収線量とが同等になるよう調節されているため、電流計２０で測定される電流は、中性子減速材１２の外部から入射する放射線の種類がγ線であるか中性子であるかに関係なく、その放射線による吸収線量に比例することになる。なお、減速材の厚さなどは、臨界検出器の設置場所における事故時の中性子スペクトルを考慮しつつ、γ線と中性子のそれぞれに対する周辺吸収線量レスポンスが同等となるようにＭＣＮＰ（モンテカルロ輸送計算コード）による計算から決定することができる。

図１に示す構造の中性子・γ線非弁別式臨界検出装置を試作した。γ線検出器１０は、直径３８ｍｍ、長さ５１ｍｍの円柱形プラスチックシンチレー夕である。中性子減速材１２は、先端が閉じた円筒状であって、厚さ５０ｍｍ、比重０．９２のポリエチレンからなる。第１の熱中性子−捕獲γ線変換材１４は、厚さ１ｍｍのカドミウム（Ｃｄ）であり、γ線検出器１０と中性子減速材１２の境界に、γ線検出器１０の表面を完全に覆うように配置されている。第２の熱中性子−捕獲γ線変換材１６も、厚さ１ｍｍのカドミウム（Ｃｄ）であり、該第２の熱中性子−捕獲γ線変換材１６は、γ線検出器１０の表面から中性子減速材１２側に１５ｍｍの位置に配置されている。

上記の臨界検出装置の感度の中性子エネルギー特性を図２に示す。これは、中性子による吸収線量当たりの感度の中性子エネルギー依存性を示したものであり、中性子減速材１２の外部から入射するγ線による吸収線量当りの感度を１に規格化して示している。中性子減速材１２の外部から入射する中性子のエネルギーに関係なく、感度は概ね０．５から５の範囲に収まっており、このことは、中性子がγ線による吸収線量当たりの感度と同じオーダの感度を有することを意味している。なお、実際の臨界事故においては、測定の対象とする中性子は、約２ＭｅＶのエネルギーを持つ核分裂中性子から熱中性子まで幅広いエネルギーの分布を持つが、図２の特性は、溶液系臨界事故かつ厚さ１０ｃｍ程度の鉄遮へいのなされた区域における中性子エネルギー分布を想定したものであり、上記中性子エネルギー分布の場合、図２の特性カーブの中性子エネルギー分布にわたるエネルギー積分値は１となり、γ線に対する感度と等しい。

本発明に係る中性子・γ線非弁別式臨界検出装置の典型例を示す説明図。 試作した臨界検出装置の感度の中性子エネルギー特性を示すグラフ。

符号の説明

１０ γ線検出器
１２ 中性子減速材
１４ 第１の熱中性子−捕獲γ線変換材
１６ 第２の熱中性子−捕獲γ線変換材
１８ 光電子増倍管
２０ 電流計

Claims (2)

1. 入射するγ線を検出するγ線検出器と、該γ線検出器を覆うように配置されて外部から入射する中性子を減速して熱中性子に変換する中性子減速材と、該中性子減速材と前記γ線検出器との境界に該γ線検出器全体を取り囲むように介装した第１の熱中性子−捕獲γ線変換材を具備し、前記γ線検出器からの検出出力を電流変換部で電流に変換し、変換された電流を電流計測部で計測するようにして電流モードで動作させる臨界検出装置であって、前記中性子減速材内の中間位置にγ線検出器を取り囲むように第２の熱中性子−捕獲γ線変換材を配置し、それによって熱中性子−捕獲γ線変換材が、中性子減速材と前記γ線検出器との境界に該γ線検出器全体を取り囲むように介装した第１の熱中性子−捕獲γ線変換材と、前記第２の熱中性子−捕獲γ線変換材との複層になると共に、中性子減速材が、前記第２の熱中性子−捕獲γ線変換材を境界として内側と外側に分かれた複層構造となり、中性子に対する感度がγ線に対する感度と同程度に揃えられていることを特徴とする中性子・γ線非弁別式臨界検出装置。
2. γ線検出器が円柱形プラスチックシンチレータ、電流変換部が光電子増倍管であり、中性子減速材がポリエチレン、第１の熱中性子−捕獲γ線変換材及び第２の熱中性子−捕獲γ線変換材の両方がカドミウムからなる請求項１記載の中性子・γ線非弁別式臨界検出装置。
   
   
   

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