JP4639314B2 - 粉末状減速材型中性子測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、粉末状減速材を使用することで減速材層の直径を可変とした中性子測定装置に関し、更に詳しく述べると、直径の異なる複数の球形カプセルを同心状に重畳配置すると共に、その中心に中性子検出器を収納し、球形カプセルで区切られた各球殻状空間に粉末状減速材の充填・排出を可能とした構造の粉末状減速材型中性子測定装置に関するものである。この技術は、中性子スペクトロメータやエネルギー測定可能な中性子エリアモニタなどに有用である。

中性子スペクトル測定（中性子エネルギー及び線量率測定）は、異なる中性子エネルギーに対して感度が高い複数の中性子測定装置を用いて行われている。このような中性子スペクトロメータは、具体的には、中性子検出器の外側を覆う減速材層（例えば球形のポリエチレン）の厚みを変えた複数の中性子測定装置で対応している。減速材層中で減速されて熱中性子になる割合は、減速材層の厚さと中性子のエネルギーに依存するので、減速材層の厚みを変えると、熱中性子になる割合が最も多い中性子の中性子エネルギーがそれぞれ異なり、異なるエネルギー範囲の中性子を計数することができる。

例えば特許文献１には、中性子減速材層の厚みが異なる複数の中性子測定装置を用いて測定する技術が開示されている。しかし、このような技術では、中性子測定装置を予め複数種類準備しておかなければならず、保管などに大きなスペースを必要とするばかりでなく、測定に際してその都度、中性子測定装置を交換・設置しなければならず、煩瑣な作業が要求される。

その他、厚みの異なる球形のポリエチレン（中性子減速材層）を測定位置で交換する方法も考えられるが、単一の中性子検出器をポリエチレン球に入れ替える作業は、かなり困難である。また、ポリエチレン球の交換の際、中性子による被ばくを受ける恐れもある。

いずれにしても、このような構成では、ポリエチレン球自体が重いため、測定位置までの運搬には多大の労力を要し、頻繁に測定を行うことは難しい。

中性子エリアモニタは、減速材と電子回路を工夫し、エネルギーに対する１ｃｍ線量当量曲線に近い感度を持つようにしたものであり、エネルギー範囲も熱中性子から速中性子まで１つの検出器で測定できるようになっている。しかしながら、中性子線のエネルギーによっては、過小評価又は過大評価を行うことがあり、正確に中性子線量率を評価しなければならない場合は、中性子スペクトロメータ等により、発生中性子のエネルギー測定を行い、中性子エリアモニタで測定した線量率を補正する必要があった。
特開２００２−３１１１４７号公報

本発明が解決しようとする課題は、中性子スペクトル測定の自動化が可能で、測定時の被ばくを低減でき、容易に且つ頻繁に測定できるようにすることである。本発明が解決しようとする他の課題は、中性子エリアモニタ設置位置における中性子エネルギー測定が可能で、計算コードによる正確な線量率評価が行えるようにすることである。

本発明は、直径の異なる複数の球形カプセルを同心状に重畳配置すると共に、その中心に中性子検出器を収納し、球形カプセルで区切られた各球殻状空間内に粉末状減速材を充填可能並びに各球殻状空間から粉末状減速材を排出可能とし、充填状況により減速材層の直径を可変とした中性子検出部を具備していることを特徴とする粉末状減速材型中性子測定装置である。

本発明では、４個以上の球形カプセルを組み合わせ、球形カプセルで区切られた球殻状空間を４層以上形成することにより、４種類以上の直径の異なる球状の減速材層をもつ中性子検出部を構成するのが好ましい。例えば、各球形カプセルを２つ割り構造とし、２個の半球体が上下球結合フランジで接合・切離自在となっており、中心の中性子検出器として中性子用球形比例計数管を用い、カプセル外装に熱中性子成分をカットするＣｄ層を設ける。

また本発明では、各球殻状空間内に粉末状減速材を供給する減速材供給手段と、各球殻状空間に充填されている粉末状減速材を保持・排出する減速材保持・排出機構とを具備している構成とする。具体的には、前記減速材供給手段は、粉末状減速材を回収するホッパと、該ホッパ内の粉末状減速材を搬送する粉体ポンプと、該粉体ポンプと中性子検出部の各球殻状空間とを連通する減速材供給流路と、各減速材供給流路に組み込まれた流路切替バルブとで構成する。減速材保持・排出機構から排出された粉末状減速材をホッパで回収することで、循環使用が可能となる。

本発明に係る中性子測定装置は、同心状に重畳配置した複数の球形カプセルにより形成される球殻状空間内に粉末状減速材を充填・排出可能とし、中心に中性子検出器を収納するように構成されているので、球殻状空間内での粉末状減速材の充填状況により減速材層の直径を変えることができ、球形減速材（厚みや素材が異なるもの）及び検出器（性能の異なるもの）の交換を必要とせず、単一の中性子検出部（検出器と粉末状減速材で構成）で中性子スペクトル測定が可能となる。また、使用する粉末状減速材として、様々な素材（ポリエチレン、パラフィン、ボロン、それらを混合したもの）を使用することが可能であり、様々な中性子エネルギー環境、様々な中性子束分布の中性子スペクトル測定に対応できる。

また粉末状減速材の充填・排出を自動化するように構成すると、測定者の被ばく低減を図ることができ、容易に繰り返し測定が行えるし、ＬＡＮ環境が整備されていれば遠隔操作・遠隔測定も可能となる。

また中性子エリアモニタに適用した場合、万一、中性子線量率が上昇しても、その中性子エネルギー測定及び精度の高い線量率評価が可能となる。

本発明に係る粉末状減速材型中性子測定装置で用いる中性子検出部の典型的な例を図１に示す。この中性子検出部１０は、直径の異なる４個の球形カプセル１２（内側から順に１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）を同心状に重畳配置すると共に、その中心に中性子検出器１４を収納し、球形カプセル１２で区切られた各球殻状空間１６（内側から順に１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ）内に粉末状減速材を充填可能、並びに各球殻状空間１６から粉末状減速材を排出可能とした構造である。球殻状空間１６内での粉末状減速材の充填状況によって減速材層の直径を変更できるように構成している。

各球形カプセル１２は加工しやすいアルミニウム合金などからなり、２つ割り構造であって、２個の半球体が上下球結合フランジ１８で接合・切離自在となっている。また各球形カプセル１６には、それぞれ粉体供給パイプ２０（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）が接続されている。中心に位置する中性子検出器１４には中性子用球形比例計数管を組み込む。球形カプセル１２が２つ割り構造であるため、中性子検出器１４の交換は容易に行える。またカプセル外装には熱中性子成分をカットするＣｄ層２２を設ける。

なお、重畳している球形カプセル１２を下方から中心に向かって貫入するように、粉末状減速材を充填状態のまま保持し、あるいは排出する減速材保持・排出機構２４が設けられている。４個の球形カプセル１２で区切られた各球殻状空間１６内に粉体供給パイプ２０から粉末状減速材を供給し充填することで、必要な厚みの減速材層が形成される。また球殻状空間１６内に充填された粉末状減速材を減速材保持・排出機構２４で排出することで、球殻状空間１６を元の空の状態に戻すことができる。本発明では、粉末状減速材として、ポリエチレン、パラフィン、ボロン、あるいはそれらの組み合わせが使用できる。

このように、球殻状空間１６内への粉末状減速材の充填によって減速材層が形成され、その充填状況によって減速材層の直径を自由に変えることができる。球形カプセル１２の数は任意であるが、中性子スペクトロメータとして使用する場合には、４個以上とする必要がある。なお、粉末状減速材の粒度や粒径分布などは、球殻状空間１６内への供給、球殻状空間からの排出などが円滑に行えるように適宜選定する。

図２は、本発明に係る中性子スペクトロメータの一実施例を示す全体構成図である。その主要部となる中性子測定部は、基本的に図１に示すものと同様でよいので、対応する部分に同一符号を付し、詳細な説明は省略する。

中性子検出部１０は、４重の球形カプセル１２によって４層の減速材層を形成しうる構成である。なお、各減速材層は、球殻状空間１６内に粉末状減速材が充填されることによって形成される。減速材保持・排出機構２４の下方には、排出されてくる粉末状減速材を回収するホッパ２６が位置し、その下部に粉体ポンプ２８が装備されている。該粉体ポンプ２８の出口配管には流量チェッカ３０を介して４個の流路切替バルブ３２（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ）が直列に設置され、各流路切替バルブ３２からの各粉体供給パイプ２０が、それぞれ各球形カプセル１２に接続され開口している。流量チェッカ３０は、粉体ポンプ２８によって粉末状減速材が確実に搬送されていることを確認するために組み込まれている。球形カプセル１２の中心には、中性子検出器１４として中性子用球形比例計数管を配置する。また、カプセル外装にはＣｄ層２２を配置し、熱中性子成分をカットする。

ここで、図１の場合と同様、各球殻状空間を区別して説明する場合には、内側から順にａ、ｂ、ｃ、ｄの添え字で区別し、それらに粉体供給パイプ、及び該粉体供給パイプを介して接続されている各流路切替バルブも区別して説明する場合にもａ、ｂ、ｃ、ｄの添え字を付けて表記し説明する。従って、それらに対応して、球殻状空間１６に粉末状減速材が充填された場合は、形成された減速材層を内側から順に減速材層ａ、減速材層ｂ、減速材層ｃ、減速材層ｄと表記する。中性子スペクトロメータの場合には、最低でも４種類の球殻状空間を形成できるようにすることが必要である。

減速材保持・排出機構２４の一例を図３に示す。Ａは粉末状減速材の保持時（充填・測定時）の状態を示しており、Ｂは粉末状減速材の排出時の状態を示している。球形カプセルなどに固定されている外筒部材４０と、それに対して軸方向に摺動自在の内筒部材４２との二重構造を有し、内筒部材４２が内筒駆動モータ４４によって上下に変位する構成である。外筒部材４０と内筒部材４２には、それぞれ各球殻状空間に対応する位置に粉末状減速材の排出口４６（上から順に４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄ）が開口している。図３のＡに示すように、それら外筒部材４０と内筒部材４２の排出口４６の開口位置がずれていれば、粉末状減速材の排出が阻止され、充填状態が維持される（減速材層が形成されたままとなる）。図３のＢに示すように、それら外筒部材４０と内筒部材４２の排出口４６の開口位置が一致すれば、粉末状減速材の排出が許容される。排出口位置が一致した状態では、粉末状減速材は自然落下にて排出され、ホッパ２６に回収される。ここでは、外筒部材４０と内筒部材４２の全ての排出口４６は、内筒部材４２を軸方向に変位させたときに、同時に一致か、もしくは同時に不一致となるように設計されている。なお、符号４８は、検出器ケーブルを引き出すための検出器ケーブル出口である。なお、上記の例は内筒部材が軸方向に変位する構成であるが、周方向に変位するように構成することも可能である。

各球殻状空間に内側から順に粉末状減速材を充填することにより、直径が異なる減速材層が形成される。直径が異なる５状態（粉末状減速材が全く充填されていない状態も含めて）のエネルギー応答関数は、モンテカルロ計算コード（ＭＣＮＰ４Ｃ）等で計算する。エネルギー応答関数の検証は、必要に応じて、単色中性子が照射可能な加速器にて試験する。

中性子スペクトルメータ測定系の制御ブロックを図４に示す。中性子検出器（中性子用球形比例計数管）１４は、高圧電源５０から必要な高電圧が印加され動作する。中性子検出器１４の出力は、プリアンプ５２で増幅され、リニアアンプ５４で波形整形及び増幅が行われ、ＭＣＡ（マルチチャンネルアナライザ）５６又はカウンタにて計数率が計測される。ＭＣＡ５６又はカウンタは、ＢＯＸ−ＰＣ（パーソナルコンピュータ）５８に接続され動作する。ＢＯＸ−ＰＣ５８をＬＡＮ環境に接続することにより、居室ＰＣ６０等でも遠隔操作が可能となる。なお、プリアンプ５２、リニアアンプ５４、高圧電源５０等は、低圧電源６２から電源が供給され、動作する。

粉体制御系の制御ブロックを図５に示す。粉体ポンプ２８の動作を制御するポンプ制御回路６４、流路を自動的に切り替える流路切替バルブ３２、粉末状減速材の流量をチェックし、目詰まりなく流路内を流れていることを確認する流量チェッカ３０は、ＤＩＯカード６６を介してＢＯＸ−ＰＣ５８との間でデータの授受が行われる。粉体ポンプ２８のオン／オフ及び流路切替バルブ３２の動作は、ＢＯＸ−ＰＣ５８内のプログラムにより制御され、中性子測定及び粉末状減速材の搬送が繰り返し行われる。

中性子スペクトロメータの測定制御および粉末制御のフローチャートを図６に示す。まず、粉末状減速材を全く充填していない状態で中性子測定を行うＳ０−１〜Ｓ０−２のステップ、最も内側の球殻状空間１６ａのみに粉末状減速材を充填して減速材層ａを形成し中性子測定を行うＳ１−１〜Ｓ１−３のステップ、次の球殻状空間１６ｂにも粉末状減速材を充填して減速材層ａ＋減速材層ｂを形成し中性子測定を行うＳ２−１からＳ２−３のステップ、次の球殻状空間１６ｃにも粉末状減速材を充填して減速材層ａ＋減速材層ｂ＋減速材層ｃを形成し中性子測定を行うＳ３−１からＳ３−３のステップ、最も外側の球殻状空間１６ｄにも粉末状減速材を充填して減速材層ａ＋減速材層ｂ＋減速材層ｃ＋減速材層ｄを形成し中性子測定を行うＳ４−１からＳ４−３のステップ、その後、全ての測定データをモンテカルロ計算コード（ＭＣＮＰ）で推定スペクトルを計算するＳ５のステップ、上記のＳ０からＳ４までのステップによる５つの中性子測定結果を用いて、中性子スペクトル評価コード（ＳＡＮＤ−ＩＩ）にて中性子エネルギーおよび線量率を計算するＳ６のステップを有する。これによって評価が終了する。測定終了後、減速材層ａ〜減速材層ｄの粉末状減速材をホッパ２６へ回収する（Ｓ８のステップ）。これにより中性子検出部は初期の状態に戻る。

次に、本発明を中性子エリアモニタに適用する場合の実施例について説明する。中性子検出部の基本的な構造は、減速材保持・排出機構を除けば、前記中性子スペクトロメータの場合と同様でよい。直径の異なる４個の球形カプセルを重畳することで４層の球殻状空間を形成し、各球殻状空間に粉末状減速材を充填して減速材層を形成し使用する。また、減速材保持・排出機構の下方には、排出されてくる粉末状減速材を回収するホッパが位置し、その下部に粉体ポンプが装備されている。粉体ポンプの出口配管には流量チェッカを介して４個の流路切替バルブが直列に設置され、各流路切替バルブからの各粉体供給パイプが、それぞれ各球形カプセルに接続されている。

減速材保持・排出機構の一例を図７に示す。Ａは垂直断面を円周方向で透視的に表しており、Ｂは水平断面を軸方向上方から透視的に表している。球形カプセルなどに固定されている外筒部材７０と、それに対して周方向に摺動自在の内筒部材７２との二重構造を有し、つまみ７４を手動で回転することによって内筒部材７２が回転する構成である。外筒部材７０と内筒部材７２には、各球殻状空間に対応する位置に粉末状減速材の排出口７４が開口しており、それらの排出口位置の不一致により粉末状減速材の排出が阻止され、それらの排出口位置の一致により粉末状減速材の排出が許容される。排出口位置が一致した状態では、粉末状減速材は自然落下にて排出され、ホッパに回収される。ここでは、内筒部材７４を反時計回りに回転することにより、各球殻状空間に対応して外筒部材７０と内筒部材７２の排出口が順に一致し、その球殻状空間内の粉末状減速材のみが排出されるように設計されている。なお、符号７６は、検出器ケーブルを引き出すための検出器ケーブル出口である。

中性子エリアモニタ測定系の制御ブロックを図８に示す。中性子検出器（中性子用球形比例計数管）は、高圧電源から高電圧が印加され動作する。中性子検出器の出力は、プリアンプで増幅され、リニアアンプで波形整形及び増幅が行われ、ＳＣＡ（波高分析器）にて雑信号を弁別する。さらに、感度調整回路で１ｃｍ線量当量曲線に近似した性能とするように調整し、指示計にて測定値を表示する。測定結果は外部に出力される。なお、プリアンプ、リニアアンプ、高圧電源、ＳＣＡ、感度調整回路、指示計（カウンタタイマー機能付き）は、低圧電源から電源が供給され、動作する。

粉体制御系の制御ブロックを図９に示す。ポンプ手動制御回路は粉体ポンプの動作を制御し、流量チェッカは粉末状減速材流量をチェックし、目詰まりなく流路内を流れていることを確認する。

このような構成の中性子エリアモニタにて中性子エネルギー及び線量率を評価する場合は、まず全ての球殻状空間に粉末状減速材が充填されている状態で、中性子測定（カウンタタイマによる計数測定）を行う。次に、減速材保持・排出機構のつまみを操作し、外側の球殻状空間内の粉末状減速材から順に排出し、その都度、中性子測定を実施する。最後に、粉末状減速材を全て排出した状態で中性子測定を実施し、合計５つのデータを取得する。５つのデータ取得後は、中性子スペクトロメータの場合と同様に計算コードで中性子エネルギー及び線量率を評価する。また、粉末状減速材が各球殻状空間に充填され、直径が異なる減速材層の状態でのエネルギー応答関数の計算や単色中性子場における検証の方法も中性子スペクトロメータの場合と同様である。

測定終了後は、粉体ポンプにて各球殻状空間に粉末状減速材を搬送し充填することで初期状態に戻る。ここでは、各球殻状空間への粉末状減速材の搬送のための流路切替バルブ及び粉体ポンプのオン／オフは手動にて行う。この実施例では、流路切替バルブ及び粉体ポンプ、粉末状減速材の保持・排出機構など全てを手動で操作しているが、中性子スペクトロメータの場合と同様、それら全てを自動化することが可能であることはいうまでもない。

本発明に係る中性子検出部の一例を示す説明図。 本発明に係る中性子スペクトロメータの一実施例を示す全体構成図。 粉末状減速材の保持・排出機構の一例を示す説明図。 中性子スペクトルメータ測定系の制御ブロック図。 中性子スペクトルメータ粉体制御系の制御ブロック図。 中性子スペクトロメータの測定制御および粉末制御のフローチャート。 本発明に係る中性子エリアモニタで用いる粉末状減速材の排出機構の詳細説明図。 中性子エリアモニタ測定系の制御ブロック図。 中性子エリアモニタ粉体制御系の制御ブロック図。

符号の説明

１０ 中性子検出部
１２ 球形カプセル
１４ 中性子検出器
１６ 球殻状空間
１８ 上下球結合フランジ
２０ 粉体供給パイプ
２２ Ｃｄ層
２４ 減速材保持・排出機構
２６ ホッパ
２８ 粉体ポンプ
３０ 流量チェッカ
３２ 流路切替バルブ

Claims (3)

1. 直径の異なる複数の球形カプセルを同心状に重畳配置すると共に、その中心に中性子検出器を収納し、球形カプセルで区切られた各球殻状空間内に粉末状減速材を充填可能並びに各球殻状空間から粉末状減速材を排出可能とし、充填状況により減速材層の直径を可変とした中性子検出部を具備している中性子測定装置であって、
   各球殻状空間内に粉末状減速材を供給する減速材供給手段と、各球殻状空間に充填されている粉末状減速材を保持・排出する減速材保持・排出機構とを有し、前記減速材供給手段は、粉末状減速材を回収するホッパと、該ホッパ内の粉末状減速材を搬送する粉体ポンプと、該粉体ポンプと中性子検出部の各球殻状空間とを連通する減速材供給流路と、各減速材供給流路に組み込まれた流路切替バルブとを具備し、減速材保持・排出機構から排出された粉末状減速材をホッパで回収し、循環使用するようにしたことを特徴とする粉末状減速材型中性子測定装置。
2. ４個以上の球形カプセルを組み合わせ、球形カプセルで区切られた球殻状空間を４層以上形成することにより、４種類以上の直径の異なる球状の減速材層をもつ中性子検出部を構成する請求項１記載の粉末状減速材型中性子測定装置。
3. 各球形カプセルは２つ割り構造であり、２個の半球体が上下球結合フランジで接合・切離自在となっており、中心の中性子検出器として中性子用球形比例計数管を用い、カプセル外装に熱中性子成分をカットするＣｄ層を設けた請求項１又は２記載の粉末状減速材型中性子測定装置。
   
   
   

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