JP4548732B2 - 中性子検出器および中性子線量計 - Google Patents
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Description
熱中性子検出器の中性子の検出原理は、入射した熱中性子と比例計数管内の封入気体との核反応によって生じた荷電粒子により封入気体(BF3,3He)が電離してパルス状の検出信号を得る、というものである。
さらに、ポリエチレン減速材の内部にカドミウム(Cd)やボロン(B)などの熱中性子吸収材を適当に配置することにより、熱中性子検出器の感度を表す感度特性(フルエンス当たりの計数率)である中性子エネルギー−レスポンス特性が、法令に定める中性子フルエンス−周辺線量当量(1cm線量当量)換算係数曲線に近づくようにしている。この中性子フルエンス−周辺線量当量(1cm線量当量)換算係数曲線は、ある中性子エネルギーに対して検出された中性子フルエンスを周辺線量当量(1cm線量当量)へ換算する換算係数を中性子エネルギー別にプロットした曲線であり、例えば図8で示すような太線による曲線である。なお、この中性子フルエンス−周辺線量当量(1cm線量当量)換算係数曲線は、この図では、単位を併せて中性子エネルギー−ICRP74 H*(10)レスポンス曲線として図示されている。
さて、検出信号はこのような中性子フルエンス−周辺線量当量(1cm線量当量)換算係数曲線に基づいて近似することにより、フルエンス当たりの計数率を表す検出信号から周辺線量当量(1cm線量当量)を直読できるようにしている。このような中性子線量計は広く市販されており、中性子被ばくの恐れがある様々な環境中で用いられている。
特許文献1には、熱中性子検出器を筒状に形成し、その中央に減速材を配置することで、飛来した熱中性子は直接熱中性子検出器に入射して検出され、また、熱中性子よりも中性子エネルギーが大きいエピサーマル中性子や速中性子は、熱中性子検出器に入射した後に中央の減速材で減速されて熱中性子化され、その後に再度熱中性子検出器に入射して検出される。熱中性子検出器の中央の減速材を通過させることで減速を行うものであり、熱中性子検出器の外周に配置する場合よりも減速材の減容を可能としている。
1.新規な検出原理により、中性子の検出器が、熱中性子や中高速中性子に至る広範囲の中性子エネルギーを検出できるようにするとともに、法令に定める中性子フルエンス−周辺線量当量(1cm線量当量)換算係数曲線によく一致した検出感度を持ち、特に1eVから100keVまでの間で既存の中性子検出器の検出感度よりもよい特性をもつようにする。
2.この中性子検出器が中高速中性子に対しても検出感度を有するようにして、従来技術のように中高速中性子を減速して熱中性子を生成するための減速材の使用を最小限に抑え、さらに中性子検出器の検出感度が中性子フルエンス−周辺線量当量(1cm線量当量)換算係数曲線によく一致するようにして熱中性子吸収材の使用も最小限に抑えることで軽量化を図る。好ましくは重量を2kg程度かそれ以下の軽量可搬型のものとする。
窒素ガスと、有機化合物ガスと、からなり、窒素ガスの混合比αと有機化合物ガスの混合比βとの混合比の総和が1.0であるとき、窒素ガスの混合比αが0.05≦α≦0.5を、また、有機化合物ガスの混合比βが1.0−αを満たすように混合してなる混合ガスを封入した比例計数管を備え、
比例計数管の検出感度である中性子エネルギー−レスポンス特性を、放射線障害防止関係法令(放射性同位元素等による放射線障害の防止に関する法律等)に定める中性子フルエンス−周辺線量当量(1cm線量当量)換算係数曲線に近似させることを特徴とする。
約100keVを下回る低エネルギー中性子は、主に窒素ガス分子との衝突でN(n,p)核反応により陽子pを生成する。
約100keVから約10MeVまでの中エネルギー中性子は、主に有機化合物ガス(メタン、エタン、プロパン、およびこれらの混合ガス)分子との衝突でH(n,n)p弾性散乱が起こって反跳陽子pを生成する。
約10MeVを上回る高エネルギー中性子の場合はH(n,n)p弾性散乱に加えてC(n,p),C(n,α)などの核反応が起こって、陽子pやα粒子を生成する。
これらの生成された荷電粒子が比例計数管中で電離作用によりイオン対を作り、それがガス増幅されることによって、電流パルスとして出力される。窒素ガスと有機化合物ガスとの混合比・封入気圧を適切に選ぶことによって、この比例計数管の中性子エネルギーに対する検出感度(フルエンス当たりの計数率)を表す中性子エネルギー−レスポンス特性を、中性子フルエンス−周辺線量当量(1cm線量当量)換算係数曲線に良く近似させた特性を得て、中性子の周辺線量当量(1cm線量当量)を直読することができる。なお、低エネルギー中性子、中エネルギー中性子および高エネルギー中性子は本明細書中における便宜上の分類である。
請求項1に記載の中性子検出器において、
前記有機化合物ガスは、メタン、エタン、または、プロパンのすくなくとも一つを含むガスであることを特徴とする。
請求項1または請求項2記載の中性子検出器において、
前記比例計数管の周囲に厚さが2.0cm以下となるように設けられたポリエチレン減速材を備えることを特徴とする。
請求項1〜請求項3の何れか一項に記載の中性子検出器と、
前記中性子検出器から出力される検出信号を増幅するアンプと、
n個の第1波高弁別器〜第n波高弁別器を有しており、これらn個の波高弁別器が分別できるような波高レベルまでアンプにより増幅された検出信号に対し、第1波高弁別器〜第n波高弁別器がそれぞれ予め定められた下側の波高レベルから上側の波高レベルまでの検出信号を出力することで検出信号を波高レベル別にn分割する多段式波高弁別器と、
n個の第1カウンタ〜第nカウンタを有しており、第1波高弁別器〜第n波高弁別器から出力されるそれぞれの検出信号を第1カウンタ〜第nカウンタがそれぞれ計数して波高レベル別のカウント値を出力するカウンタと、
n個の第1倍率器〜第n倍率器を有しており、第1カウンタ〜第nカウンタから出力されるそれぞれの波高レベル別のカウント値に対して第1倍率器〜第n倍率器のそれぞれが予め定められた係数を乗じて波高レベル別の補正カウント値を出力する倍率器と、
第1倍率器〜第n倍率器から出力された波高レベル別の補正カウント値を合算して周辺線量当量(1cm線量当量)を出力する加算器と、
周辺線量当量(1cm線量当量)を表示する表示器と、
を備え、
第1倍率器〜第n倍率器のそれぞれの係数は、波高レベル別の補正カウント値をつなげた折れ線を中性子フルエンス−周辺線量当量(1cm線量当量)換算係数曲線に近似させるような係数とすることを特徴とする。
比例計数管11は、円管の両側に電極が形成されて後述する混合ガスが封止されており、高い電界を利用して多数の電子を発生させる放射線検出器である。比例計数管11では電界が十分に高いため、一次電離過程で生じた電子が加速される。加速された電子のエネルギーは、中性ガス分子との衝突時に電子イオン対を作ることが可能である。このため、電子が中性ガス分子と多数の衝突を行うことにより、イオン対がさらに作られる(二次電離過程)。これはガス増幅と呼ばれている。カウント当りの全電離量が最初の電離現象で生み出された電離量に比例するよう印加電圧が調整される。印加電圧を調整することにより、放射線が比例計数管11内の混合ガスと衝突することによって生じた電離量を、カウント当りの全電離量が最初の電離現象で生み出された電離量に比例させたものである。適切なガス増幅率(充分高い印加電圧)を選べば、後段のプリアンプや波形成形アンプの増幅率を下げることができ、S/N比が良くなる。比例計数管11の出力は一次電離量に比例するため、粒子の識別及びエネルギー測定が可能である。
窒素ガスは、低エネルギー中性子(約100keV以下)との反応により中性子を検出する。
有機化合物ガス(メタン、エタン、プロパン)は、中エネルギー中性子(約100keV〜10MeV)および高エネルギー中性子(約10MeV以上)との反応により中性子を検出する。有機化合物ガスは、メタン、エタン、または、プロパンの何れかを封入したものである。または、メタン、エタン、または、プロパンの何れか二種を組み合わせて封入したものである。またはメタン、エタン、および、プロパンを全て封入したものである。
約100keVから約10MeVまでの中エネルギー中性子は、主に有機化合物ガス分子との衝突でH(n,n)p弾性散乱が起こって反跳陽子pという荷電粒子を生成する。
10MeVを上回る高エネルギー中性子の場合は有機化合物ガス分子との衝突でのH(n,n)p弾性散乱による反跳陽子pに加えて、C(n,p),C(n,α),N(n,α)などの核反応による陽子pやα粒子という荷電粒子も生成する。
これらの生成された荷電粒子が比例計数管11中で電離作用により、イオン対を作り、それがガス増幅されることによって、電流パルスとして出力される。
ここで有機化合物ガスがメタン、エタン、または、プロパンの何れか二以上を組み合わせて封入した場合には、さらにこれらの混合比も調整される。例えば、水素原子が少ないメタン(CH4)よりも水素原子が多いエタン(C2H6)やプロパン(C3H8)を封入した方がH(n,n)p弾性散乱が起こり易いと予想され、反跳陽子pによる荷電粒子が増えて、検出感度を増加させる調整ができると推定される。メタン、エタン、または、プロパンの混合比も調整に利用できる。このような範囲を満たすようにすれば、従来技術よりも良好な検出感度である中性子エネルギー−レスポンス特性を得ることができる。
なお、ポリエチレン減速材12がない場合でも混合比の調節で検出感度の中性子エネルギー−レスポンス特性が良好に近似される場合はポリエチレン減速材12の厚みを0cm(ポリエチレン減速材12なし)とする。このように構成することでポリエチレン減速材12は0cmから2cmまでに抑えられ、従来よりも厚みを少なくできる。中性子検出器10はこのように構成される。
図1で示したような中性子検出器10(ポリエチレン減速材なし。つまり厚さ0cm)に対し、マルチチャンネル波高分析器を用いて、137Cs線源からの662keVのエネルギーを持つγ線を8mSv/hの強度で120秒間入射したときの波高分布(特性a)を得る。同じ図2には、252Cf線源から自発核分裂反応で放出される平均2.2MeVのエネルギーを持つ中性子を、検出器に入射したときの波高分布(特性b)を比較して示す。
中性子と検出ガスとの核反応により生成された荷電粒子による出力波高(特性b)は、ディスクリレベル(例えば500keV)より高い波高値に分布しており、本発明による中性子検出器10では、γ線と中性子が同時に入射しても、両者を分離して中性子だけを測定できることを示している。
このようにディスクリレベルを適切に選べば(ディスクリレベルは後述する周知の波高弁別技術によって任意の値に設定できる)、γ線による出力波高は当該ディスクリレベル以下にしか現れないから、これを完全に除去できることを示している。
プリアンプ22は、検出信号を波形成形アンプ22で利用できる波高とするまで増幅する。
波形成形アンプ23は、検出信号を多段式波高弁別器24で分別できる波高の波形となるように増幅した検出信号を出力する。これらプリアンプ22および波形成形アンプ23は本発明のアンプを構成するものである。
10:中性子検出器
11:比例計数管
12:ポリエチレン減速材
20:処理回路部
21:高圧電源
22:プリアンプ
23:波形整形アンプ
24:多段式波高弁別器
24−1:第1波高弁別器
24−2:第2波高弁別器
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26−n:第n倍率器
27:加算器
28:表示器
Claims (4)
- 窒素ガスと、有機化合物ガスと、からなり、窒素ガスの混合比αと有機化合物ガスの混合比βとの混合比の総和が1.0であるとき、窒素ガスの混合比αが0.05≦α≦0.5を、また、有機化合物ガスの混合比βが1.0−αを満たすように混合してなる混合ガスを封入した比例計数管を備え、
比例計数管の検出感度である中性子エネルギー−レスポンス特性を、放射線障害防止関係法令(放射性同位元素等による放射線障害の防止に関する法律等)に定める中性子フルエンス−周辺線量当量(1cm線量当量)換算係数曲線に近似させることを特徴とする中性子検出器。 - 請求項1に記載の中性子検出器において、
前記有機化合物ガスは、メタン、エタン、または、プロパンのすくなくとも一つを含むガスであることを特徴とする中性子検出器。 - 請求項1または請求項2記載の中性子検出器において、
前記比例計数管の周囲に厚さが2.0cm以下となるように設けられたポリエチレン減速材を備えることを特徴とする中性子検出器。 - 請求項1〜請求項3の何れか一項に記載の中性子検出器と、
前記中性子検出器から出力される検出信号を増幅するアンプと、
n個の第1波高弁別器〜第n波高弁別器を有しており、これらn個の波高弁別器が分別できるような波高レベルまでアンプにより増幅された検出信号に対し、第1波高弁別器〜第n波高弁別器がそれぞれ予め定められた下側の波高レベルから上側の波高レベルまでの検出信号を出力することで検出信号を波高レベル別にn分割する多段式波高弁別器と、
n個の第1カウンタ〜第nカウンタを有しており、第1波高弁別器〜第n波高弁別器から出力されるそれぞれの検出信号を第1カウンタ〜第nカウンタがそれぞれ計数して波高レベル別のカウント値を出力するカウンタと、
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第1倍率器〜第n倍率器から出力された波高レベル別の補正カウント値を合算して周辺線量当量(1cm線量当量)を出力する加算器と、
周辺線量当量(1cm線量当量)を表示する表示器と、
を備え、
第1倍率器〜第n倍率器のそれぞれの係数は、波高レベル別の補正カウント値をつなげた折れ線を中性子フルエンス−周辺線量当量(1cm線量当量)換算係数曲線に近似させるような係数とすることを特徴とする中性子線量計。
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