JP4759755B2 - Device for measuring solid uranium in equipment - Google Patents
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Description
本発明は、遠心機などの機器内に存在している固体ウランの量を外部から簡便に測定できる小型の測定装置に関するものである。 The present invention relates to a small measuring apparatus that can easily measure the amount of solid uranium present in a device such as a centrifuge from the outside.
ガス遠心分離法のウラン濃縮施設では、多数の遠心機が狭小間隔で配列され、配管で相互接続されてカスケードを構成している。このような施設において、遠心機群の運転に伴って、各遠心機内に固体ウランがどの程度の量、存在しているかなどについてモニタリングできれば、システムの安全性や運転効率などの面で有用な情報が得られることになる。しかし、この種の遠心機内に存在している固体ウラン量は一般にかなり少なく、しかも遠心機の周囲には高感度の大型検出器を設置するような余分なスペースは殆どない。 In a uranium enrichment facility using gas centrifugation, a large number of centrifuges are arranged at narrow intervals and interconnected by pipes to form a cascade. In such facilities, if you can monitor the amount and amount of solid uranium present in each centrifuge as the centrifuges operate, it will be useful information in terms of system safety and operational efficiency. Will be obtained. However, the amount of solid uranium present in this type of centrifuge is generally quite small, and there is almost no extra space around the centrifuge for installing a large sensitive detector.
ところで、極低線量で且つ複数核種が存在する条件での、核種識別及び線量測定などを目的とするγ線測定のためには、従来、エネルギー分解能が高く、計数効率も高いGe結晶を検出器母材とした半導体検出器が用いられている。しかし、Ge結晶を用いた検出器は、液体窒素や電気的手段によりGe結晶を冷却しつつ測定する必要があるため、測定時にはGe結晶を冷却装置と結合させなければならない。Ge検出器の冷却の必要性並びに液体窒素による冷却設備に関しては、例えば特許文献1などに記載がある。このように、付設する冷却機構のためにγ線検出装置が大型化し、測定現場において検出装置の設置空間を確保できないことがあった。特に、ガス遠心分離法のウラン濃縮施設では、多数の遠心機が狭小間隔で配列され、配管などで相互接続されているため、γ線検出装置が大型だと、その設置空間を確保することができない問題があった。
本発明が解決しようとする課題は、検出器設置空間が狭隘であっても、極低線量で複数核種が存在する条件で、遠心機などの機器内に存在しているウラン235の識別及び線量測定を外部から簡便に行えるようにすることである。 The problem to be solved by the present invention is to identify and detect the dose of uranium 235 present in a device such as a centrifuge under the condition that a plurality of nuclides exist at an extremely low dose even if the detector installation space is narrow. It is to make it easy to measure from outside.
本発明は、被測定機器の近傍に設置されるγ線検出器と、その検出信号を伝送するケーブルと、伝送されてきた検出信号を分析・演算処理する信号処理装置とを具備し、前記γ線検出器は、電極で挟まれた化合物半導体からなる薄板状の検出器母材を複数枚積層して1系統分の検出素子とし、該検出素子を複数並置して複数系統の検出要素を形成し、該検出要素の各系統毎にプリアンプを設置して独立に検出信号を出力させる構造であり、前記信号処理装置は、各系統毎の検出信号を独立に増幅するメインアンプと、各メインアンプで増幅したパルス信号をそれぞれ独立に波高分析処理してウラン235に起因するγ線を計測する波高分析部と、それぞれの計測結果を加算して信号強度をウラン量に換算する加算処理部と、その結果を表示する表示部とからなることを特徴とする機器内の固体ウラン測定装置である。 The present invention comprises a γ-ray detector installed in the vicinity of a device under test, a cable for transmitting the detection signal, and a signal processing device for analyzing and calculating the transmitted detection signal, A line detector is made by laminating a plurality of thin plate-shaped detector base materials made of compound semiconductor sandwiched between electrodes to form a detection element for one system, and a plurality of detection elements are juxtaposed to form a plurality of detection elements. In addition, a preamplifier is installed for each system of the detection elements and a detection signal is output independently, and the signal processing device includes a main amplifier that amplifies the detection signal for each system independently, and each main amplifier A pulse height analysis unit for measuring the γ-rays caused by uranium 235 by independently performing pulse height analysis processing on each of the pulse signals amplified in step 1, an addition processing unit for adding the respective measurement results and converting the signal intensity into a uranium amount, Display the result A solid uranium measuring device in the device, characterized in that it consists of a radical 113.
ここでγ線検出器は、Pt電極とIn電極で挟まれたCdTeからなる薄板状の検出器母材を3〜7枚積層して1系統分の検出素子とし、その検出素子を2〜6個並置して並置数に対応した系統数の検出要素を形成し、該検出要素の検出器母材重ね合わせ面がγ線飛来方向と平行になるようにプリアンプと共に検出器筐体内に組み込まれる。検出要素の数が多すぎると、装置が複雑になるしコストアップとなるため、より好ましくは3〜4個程度とするのがよい。各プリアンプ間には電磁シールドが施されている構造が好ましい。なお、波高分析部は、ウラン235に起因する185.7keVのγ線に対応し且つバックグラウンドを除去するため、185.7keVの中心チャンネルと、その上側チャンネルと下側チャンネルの計測値を求めるものである。 Here, the γ-ray detector is formed by stacking 3 to 7 thin plate-like detector base materials made of CdTe sandwiched between a Pt electrode and an In electrode to form a detection element for one system. The detection elements of the number of systems corresponding to the number of juxtapositions are formed side by side, and the detector base material overlapping surface of the detection elements is incorporated in the detector housing together with the preamplifier so that the γ-ray flying direction is parallel. If the number of detection elements is too large, the apparatus becomes complicated and the cost is increased. Therefore, the number is preferably about 3 to 4. A structure in which an electromagnetic shield is provided between the preamplifiers is preferable. Note that the wave height analysis unit obtains the measured values of the 185.7 keV central channel and its upper and lower channels in order to remove the background corresponding to 185.7 keV gamma rays caused by uranium 235. It is.
本発明に係る測定装置が測定対象とする機器は、典型的にはガス遠心法のウラン濃縮施設における遠心機であるが、その他、原子力関連施設で固体ウランが蓄積される、あるいは蓄積される恐れがある機器や配管などもある。 The device to be measured by the measuring apparatus according to the present invention is typically a centrifuge in a gas uranium enrichment facility, but solid uranium may be accumulated or accumulated in other nuclear facilities. There are also equipment and piping.
本発明で用いるγ線検出器は、検出器母材としてバンドギャップが大きく高密度で高原子番号の化合物半導体を使用し、電極間の検出器母材を薄板状としたことにより、常温で測定可能なため冷却装置が不要であり、小型化と高エネルギー分解能を両立させることができる。また、肉厚の薄い検出器母材を、電極を介して複数枚積層することで、γ線入射面積をかせぎ、しかもγ線と反応し生じた電子と正孔が高い割合で電極まで到達するため高いエネルギー分解能を維持することができる。更に本発明は、検出器母材を複数枚積層した検出素子を複数並置して複数系統の検出要素とし、各系統毎にプリアンプを設置して独立に検出信号を出力させる構造なので、検出要素の静電容量を制限しノイズレベルを抑制することができ、しかも十分に大きなγ線入射面積を得ることができる。 The gamma ray detector used in the present invention uses a compound semiconductor having a large band gap, a high density and a high atomic number as a detector base material, and the detector base material between the electrodes is made into a thin plate shape, so that it is measured at room temperature. Since it is possible, a cooling device is unnecessary, and both downsizing and high energy resolution can be achieved. In addition, by stacking a plurality of thin detector base materials through the electrodes, the γ-ray incident area is increased, and electrons and holes generated by reaction with γ-rays reach the electrodes at a high rate. Therefore, high energy resolution can be maintained. Furthermore, the present invention has a structure in which a plurality of detector elements in which a plurality of detector base materials are stacked are juxtaposed to form a plurality of detection elements, and a preamplifier is installed for each system to output detection signals independently. Capacitance can be limited to suppress the noise level, and a sufficiently large γ-ray incident area can be obtained.
また、各系統毎の検出信号を独立に増幅して波高分析処理した後、それぞれの波高分析処理結果を加算するように構成しているので、それによってもS/Nが向上する。波高処理部は、全体のスペクトルを計測するのではなく、ウラン235に起因するγ線の計測に特化しているので、回路構成は簡素化され、安価に製作できる。 In addition, since the detection signals for each system are independently amplified and subjected to the pulse height analysis process, the respective pulse height analysis processing results are added, so that the S / N is also improved. Since the wave height processing unit does not measure the entire spectrum but specializes in the measurement of γ rays caused by uranium 235, the circuit configuration is simplified and can be manufactured at low cost.
これらによって、本発明に係る機器内の固体ウラン測定装置は、γ線検出器が小型化できるため、従来の大型Ge検出器では測定できなかった狭隘な測定現場におけるγ線測定が可能となり、ガス遠心法のウラン濃縮施設における遠心機内に存在している固体ウランなど極低線量で複数核種が存在する条件でもウラン235の識別及び線量測定を行うことが可能となる。 As a result, the solid uranium measuring device in the apparatus according to the present invention can reduce the size of the γ-ray detector, so that γ-ray measurement can be performed in a narrow measurement site that cannot be measured by a conventional large Ge detector. It becomes possible to identify and measure the dose of uranium 235 even under conditions in which multiple nuclides are present at extremely low doses such as solid uranium present in a centrifuge at a uranium enrichment facility using the centrifuge method.
また、γ線検出器が小型のため、被測定機器に対してγ線検出器を移動させたり、測定方向を変えたりすることも可能であり、複数個配列して測定することも可能となり、γ線源の可視化に利用することも可能になる。 In addition, since the γ-ray detector is small, it is possible to move the γ-ray detector with respect to the device under test or to change the measurement direction, and it is also possible to measure a plurality of arrays, It can also be used for visualization of γ-ray sources.
図1は本発明に係る機器内の固体ウラン測定装置の一実施例を示すブロック図である。この測定装置は、被測定機器の近傍に設置される(例えば遠心機の場合は、その端板の斜め上側に、該遠心機に向けて設置するのが好ましい)γ線検出器10と、その検出信号を光通信で伝送する光ケーブル12と、伝送されてきた検出信号を分析・演算処理する信号処理装置14とからなる。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a solid uranium measuring apparatus in an apparatus according to the present invention. This measuring apparatus is installed in the vicinity of the device under test (for example, in the case of a centrifuge, it is preferable to install the
γ線検出器の要部の詳細を図2に示す。Aは検出要素であり、Bは検出素子の断面を表している。Pt電極20とIn電極22で挟まれたCdTeからなる薄板状の検出器母材24を5枚積層して1系統分の検出素子26を構成する。このような検出素子26を4個並置して4系統の検出要素28とする。この検出要素28は、検出器母材重ね合わせ面がγ線飛来方向と平行になるようにプリアンプと共に検出器筐体内に組み込まれる。
The detail of the principal part of a gamma ray detector is shown in FIG. A is a detection element, and B represents a cross section of the detection element. Five
ここで薄板状の検出器母材は、それぞれ10mm×10mm×0.5mm(厚さ)の大きさで、それを5枚積層したものが1系統分となり、4系統分を並置することで10mm×10mm×10mmの実効体積となる。吸収長(検出器母材の長さに対するγ線の吸収割合)を考慮して、γ線入射方向の検出素子寸法(奥行き寸法)を10mm程度に設定することで、ウラン235に起因する185.7keVのγ線の吸収割合を90%以上となるようにし、しかも検出器母材の肉厚を薄く(典型的には0.5mm程度)することで検出器母材内でγ線と反応し生じた電子と正孔が高い割合で電極まで到達することになり、それらによって、高いエネルギー分解能を得ることが可能となり、適切な計数効率が得られることになる。また検出器母材を積層・並置することで、10mm×10mm程度の十分大きなγ線入射面積を確保して感度を向上させている。 Here, each of the thin plate-shaped detector base materials has a size of 10 mm × 10 mm × 0.5 mm (thickness), and a stack of five of them becomes one line, and 10 mm is obtained by juxtaposing four lines. The effective volume is × 10 mm × 10 mm. Considering the absorption length (absorption ratio of γ rays with respect to the length of the detector base material), the detection element size (depth size) in the γ ray incident direction is set to about 10 mm, resulting in 185. By making the absorption ratio of 7 keV γ rays 90% or more and reducing the thickness of the detector base material (typically about 0.5 mm), it reacts with γ rays in the detector base material. The generated electrons and holes reach the electrode at a high rate, and thereby, high energy resolution can be obtained, and appropriate counting efficiency can be obtained. In addition, by stacking and juxtaposing detector base materials, a sufficiently large γ-ray incident area of about 10 mm × 10 mm is secured to improve sensitivity.
更に、検出器母材にバンドギャップの大きな化合物半導体を用いることで、常温での測定を可能(冷却装置が不要)とし、プリアンプも内蔵させた状態で、検出器筐体の全長を15cm程度に小型化できるため、被測定機器である遠心機の周囲に設置することが可能となる。 Furthermore, by using a compound semiconductor with a large band gap as the detector base material, measurement at room temperature is possible (no cooling device is required), and the total length of the detector housing is reduced to about 15 cm with a built-in preamplifier. Since it can be reduced in size, it can be installed around a centrifuge, which is a device to be measured.
各系統の検出素子26の出力は、それぞれ対応するプリアンプ30に個別に入力し、信号の増幅、S/Nの改善、インピーダンス整合などが行われる。検出素子での信号の減衰やS/Nの劣化を抑えるため、プリアンプ30は検出素子26の直近に配置され、それらは検出器筐体内に収められる。本発明では検出器母材として半導体を使用しており、半導体検出器では検出素子の静電容量が印加電圧によって変化するので、プリアンプにはその影響を受けない電荷有感型のプリアンプ(チャージ・センシティブ・アンプ)を用いている。このような構成で、各プリアンプからは対応する各系統毎に独立に検出信号が出力する。対応する各系統毎に独立に検出信号を出力させるように構成することで、各検出素子における検出器母材の積層枚数を適切にし静電容量を制限してノイズレベルを抑制する。
なお、系統間のクロストークを防ぐため、プリアンプ30間に電磁シールド31を施している。
The outputs of the
In order to prevent crosstalk between systems, an
前述のように、γ線検出器10と信号処理装置14との間の信号の伝送は、電磁的な外乱を抑制するため、光ファイバケーブル12による光通信で行っている。
As described above, signal transmission between the γ-
信号処理装置14は、各系統毎の検出信号を独立に増幅するメインアンプ32と、各メインアンプで増幅したパルス信号をそれぞれ独立に波高分析処理してウラン235に起因するγ線を計測する波高分析部34と、それぞれの計測結果を加算して信号強度をウラン量に換算する加算処理部36と、その結果を表示する表示部38とからなる。
The
各メインアンプ32は、各系統毎のプリアンプ出力に対して、それぞれ個別にパルス処理を行う。具体的には、パルス波高の増幅、S/Nの改善などの処理であり、直線性に優れた線形アンプ(スペクトロスコピー・アンプ)を用いる。各メインアンプ32で増幅されたパルス信号は、対応する波高分析部34で、それぞれ独立に波高分析処理される。波高分析部34では、メインアンプ32からのパルス信号の波高値(アナログ量)をADC(アナログ−デジタル変換器)でデジタル量(ch単位)に高速変換する。ここでは、波高分析部34は、ウラン235に起因する185.7keVのγ線に対応する計数値を得るものであり、185.7keVの中心チャンネルと、それに対して下側チャンネルと上側チャンネルのデータメモリに計数値が累積される。下側チャンネルと上側チャンネルの計数値は、バックグラウンドの算出などに用いられる。このように本発明装置では固体ウランのみの計測機能を具備していればよく、スペクトルとしては計測する必要はない。そのため、信号処理装置も大幅に簡素化できる。
Each
加算処理部36では、最終的に4系統の3チャンネル(185.7keVの中心チャンネルと、その下側チャンネル及び上側チャンネル)での累積計数値を加算する。これによって、バックグラウンドを除去してウラン235に起因する185.7keVのγ線の信号強度を求める。このようにして得られる信号強度は、ウラン量との間に相関(両対数グラフで直線性)があることから、それを利用してウラン量に換算し、表示部38でウラン量を表示させる。なお、信号強度の校正は、別途、高感度Ge検出器などを利用してを行えばよい。
The
本発明で用いているγ線検出器(1系統分)の有効性を確認するため、遠心機内のウラン線源量を測定した結果(エネルギースペクトル:パルス波高分布)を図3に示す。測定対象核種はウラン235であり、そのγ線のエネルギーは185.7keVである。ここでは、γ線検出器としての有効性を示すため、計測したスペクトルを示している。Aは遠心機内のウラン量が少ない場合、Bは遠心機内のウラン量が多い場合である。図3から、ウラン235のγ線である185.7keVの信号が得られる(ウラン235のγ線がバックグラウンドと識別して計測できる)と共に、機器内の固体ウラン内包量に応じた強度が得られることが確認できた。 In order to confirm the effectiveness of the γ-ray detector (for one system) used in the present invention, the results (energy spectrum: pulse wave height distribution) of the amount of uranium source in the centrifuge are shown in FIG. The measurement target nuclide is uranium 235, and the energy of the γ-ray is 185.7 keV. Here, in order to show the effectiveness as a gamma ray detector, the measured spectrum is shown. A is when the amount of uranium in the centrifuge is small, and B is when the amount of uranium in the centrifuge is large. From FIG. 3, a signal of 185.7 keV, which is a gamma ray of uranium 235, is obtained (gamma ray of uranium 235 can be measured by being distinguished from the background), and an intensity corresponding to the amount of solid uranium contained in the device is obtained. It was confirmed that
図4は、天然ウラン量と信号強度の相関を示すグラフである。両対数グラフでプロットすると、ウラン量と信号強度とは直線性がある。本発明は、この相関を利用しており、それによって信号強度からウラン量を求めている。 FIG. 4 is a graph showing the correlation between the amount of natural uranium and the signal intensity. When plotted in a log-log graph, the amount of uranium and the signal intensity are linear. The present invention utilizes this correlation, thereby obtaining the amount of uranium from the signal intensity.
以上、遠心機内に存在している固体ウランの測定を例にとって説明したが、本発明は、原子力関連施設内での機器や配管に内包されている固体ウランの量の測定に使用できることは言うまでもない。また、検出器が小型化できることから、複数の検出器を配置して測定したり、移動して測定することで、固体ウランの分布状況を可視化することも可能となる。 As described above, the measurement of solid uranium existing in the centrifuge has been described as an example. However, it goes without saying that the present invention can be used for measuring the amount of solid uranium contained in equipment and piping in a nuclear facility. . In addition, since the detector can be reduced in size, it is possible to visualize the distribution state of solid uranium by arranging and measuring a plurality of detectors or moving and measuring.
10 γ線検出器
12 光ファイバ
14 信号処理装置
20 Pt電極
22 In電極
24 検出器母材
26 検出素子
28 検出要素
30 プリアンプ
32 メインアンプ
34 波高分析部
36 加算処理部
38 表示部
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記γ線検出器は、電極で挟まれた化合物半導体からなる薄板状の検出器母材を複数枚積層して1系統分の検出素子とし、該検出素子を複数並置して複数系統の検出要素を形成し、該検出要素の各系統毎にプリアンプを設置して独立に検出信号を出力させる構造であり、前記信号処理装置は、各系統毎の検出信号を独立に増幅するメインアンプと、各メインアンプで増幅したパルス信号をそれぞれ独立に波高分析処理してウラン235に起因するγ線を計測する波高分析部と、それぞれの計測結果を加算して信号強度をウラン量に換算する加算処理部と、その結果を表示する表示部とからなることを特徴とする機器内の固体ウラン測定装置。 A γ-ray detector installed in the vicinity of the device under measurement, a cable for transmitting the detection signal, and a signal processing device for analyzing and calculating the transmitted detection signal;
The γ-ray detector is formed by stacking a plurality of thin plate-like detector base materials made of a compound semiconductor sandwiched between electrodes to form a detection element for one system, and a plurality of detection elements are juxtaposed to form a plurality of detection elements Is formed, and a preamplifier is installed for each system of the detection elements to independently output a detection signal, the signal processing device includes a main amplifier that independently amplifies the detection signal for each system, and each A pulse height analysis unit for measuring the γ-rays caused by uranium 235 by independently performing pulse height analysis processing on the pulse signals amplified by the main amplifier, and an addition processing unit for adding the respective measurement results to convert the signal intensity into a uranium amount And a display unit for displaying the result, a solid uranium measuring device in equipment.
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