JP4766263B2 - 放射線の全天球型入射方向検出装置、及び、放射線モニタリング方法、装置 - Google Patents

Description

本発明は、放射線の全天球型入射方向検出装置、及び、放射線モニタリング方法、装置に係り、特に、通常の放射線モニタリングポストに収容するのに好適な、原子力施設等からの放射線あるいは放射性物質の漏洩・散逸や、核実験等による放射性プルームの接近を検知可能な、全天球からの放射線、特にガンマ線の入射方向を求めるための放射線の全天球型入射方向検出装置、及び、この全天球型入射方向検出装置を用いた放射線モニタリング方法、装置に関するものである。

（１）本願の背景
本発明は、アロカ株式会社が独立行政法人科学技術振興機構から委託された「全方向性ガンマ線検出器」に関する新技術開発を実施する過程において、その成果として生み出されたものである。
（２）従来の技術
検出器に対する水平面の方向からの放射線を検出する従来技術が、特許文献１〜５に記載されている。

又、全天球からの入射方向の特定を可能にする従来技術が、特許文献６及び７に記載されている。

特開２００４−１７０１２１号公報 特開２００４−１７０１２２号公報 特開２００４−１７０１２５号公報 特開２００４−３６１２９０号公報 特開２００６−２０１０８６号公報 特開２００４−１７０１１６号公報 特開２００４−１７０１０７号公報

しかしながら、特許文献１〜５の従来技術では、水平の入射方向しか検出できず、山や地平線又は水平線等の陰になって、見通しが効かない場所から大気中を流れてくる放射性物質や、大気中の飛散物質に含まれる放射性プルーム等からの放射線を検出できない。

一方、特許文献６又は７の従来技術によれば、全天球からの入射方向の検出が可能であるが、放射線を検知するシンチレータが２５個という多数必要であり、また球状の外郭にシンチレータを取り付けるためシンチレータの体積が十分に確保できず、よって放射線、特にガンマ線の検出効率が低い。また多くのシンチレータを設置することから検出器が大きくなり、通常の放射線モニタリングポスト（直径７．６２ｃｍ（３インチ）、厚さ７．６２ｃｍ（３インチ）のシンチレータを装備）と形状的に互換性が無い等の問題があった。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、例えば水平方向の周角と仰角で規定される放射線の入射方向を検出でき、しかも、通常の放射線モニタリングポストに収容可能な、小型の全天球型入射方向検出装置を提供することを課題とする。

本発明は、放射線の入射方向を検出するための全天球型入射方向検出装置において、同じ材質の独立した柱状の複数本のシンチレータが一本の柱を形成するように束ねて配置された検出部であって、該複数本のシンチレータが、該検出部の軸線と直交する方向から入射する放射線に対して互いに影を形成するように並べて配置され、各シンチレータに対して直接入射する放射線と他のシンチレータの影になって間接的に入射する放射線の割合の組み合わせが、前記検出部の軸線と直交する方向における周角と該検出部の軸線と直交する方向から軸線方向への仰角で示される入射方向によって変化するようにされた検出部と、各シンチレータと光学的に接合された受光素子と、各シンチレータにより発生するスペクトルを解析するスペクトル解析手段と、該スペクトル解析手段より出力される光電吸収ピーク計数値のシンチレータ間の比率を求める比率計算手段と、各比率に対応する周角と仰角からなる関数を記憶した関数記憶手段と、該関数記憶手段を参照して前記比率計算手段が求めた比率に対応する関数を求める関数参照手段と、その求めた周角と仰角とを出力する出力手段と、を備えるようにして、前記課題を解決したものである。

前記シンチレータを３つ以上とし、０度から３６０度に亘る周角と０度から９０度に亘る仰角で示される入射方向を検出可能とすることができる。

又、各シンチレータが扇形の断面を持ち、全てのシンチレータを結合して円柱とすることにより、０度から３６０度に亘る周角と０度から９０度に亘る仰角で示される入射方向を検出可能とすることができる。

更に、各シンチレータが同一の形状を持つようにして、周方向の分解能を均一にすることができる。

又、前記検出部の側面に、該検出部の軸線と直交する方向から入射する放射線の透過率を調整するための筒状部材（例えば鉄製で厚さ５ｍｍの帯を巻き付けたもの）を配設することにより、周辺での非破壊検査による放射線の漏洩、あるいは、放射性同位元素投与患者の接近による周辺放射線量の増加等の影響を避け、相対的に頂部方向の感度を高めることができる。

又、前記検出部の頂部に、該検出部の軸線方向から入射する放射線の透過率を調整するための蓋状部材（例えば鉄製で厚さ１ｃｍの板）を配設することにより、宇宙線等の影響を減じ、相対的に仰角の小さい側面方向に近い方向での感度を高めることができる。

本発明は、又、前記の全天球型入射方向検出装置を用いることを特徴とする放射線モニタリング方法を提供するものである。

又、前記の全天球型入射方向検出装置を備えたことを特徴とする放射線モニタリング装置を提供するものである。

本発明によれば、例えば水平方向の周角と仰角で表される全天球からの放射線の入射方向を特定でき、線量率増加が、原子力施設等からの放射線あるいは放射線物質の漏洩・散逸や、核実験等による放射性プルームの接近か、その他の原因、例えば自然現象、放射性同位元素投与患者の接近、近隣での放射線非破壊検査等によるものかを、全天球からの入射方向をもとに迅速に判断でき、水平方向の周角と仰角での追跡も可能になる。

これにより近隣住民や一般市民の安全と安心の確保に大いに貢献することができる。

以下図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明に係る放射線の全天球型入射方向検出装置の実施形態の検出部１０である。同時に天球上からの放射線の入射方向を水平方向の周角と仰角で示すことを定義したものである。

同じ材質、形状の独立した、水平断面が扇形の柱状シンチレータ１１と同様のシンチレータ１２と同様なシンチレータ１３を、互いに、ある方向に対して影になるように配置する。図において、１４は、放射線を透過する、例えば薄いアルミニウム又は不透明なプラスチック製のケースである。

放射線の入射の基準方向０度Ａに対して、放射線の入射方向Ｂは周角３０度、仰角０度を示している。同様に放射線の入射方向Ｃは、周角３０度、仰角６０度を示している。同様に、放射線の入射方向Ｄは、周角不定、仰角９０度、即ち真上からの入射を表している。

図２に、スペクトルが得られる様子を示す。図２は、横軸がエネルギー、縦軸が計数を示す。シンチレータ１１、１２、１３からなる検出部１０に放射線が入射し、シンチレータ１１、１２、１３が発光する。その光を変換部２０の受光素子２１、２２、２３で、それぞれ電気的に増幅し、スペクトル解折手段３０のマルチチャンネルアナライザー（ＭＣＡ）３１、３２、３３でスペクトルＳ１、Ｓ２、Ｓ３をそれぞれ生成する。

例えば放射線の入射方向Ｃ（周角３０度、仰角６０度）の場合を考えると、シンチレータ１１に最も多くの放射線が直接的に入射する。従って、ＭＣＡ３１で生成されるスペクトルＳ１には、大きな光電吸収ピークｐ１が観察される。一方、シンチレータ１２、１３は、シンチレータ１１の一部陰になるので、直接的に入射する放射線は相対的に少なくなり、シンチレータ１１と反応後、一部のエネルギーを吸収された状態で入射する放射線が相対的に多くなる。故にＭＣＡ３２、３３で生成されるスペクトルＳ２、Ｓ３の光電吸収ピークｐ２、ｐ３は小さくなる。

又、例えば放射線の入射方向Ｂ（周角３０度、仰角０度）の場合を考えると、前述の現象が一層顕著になる。

一方、例えば放射線の入射方向Ｄ（周角不定、仰角９０度）の場合を考えると、シンチレータ１１、１２、１３に対して直接入射、間接入射が、それぞれ同一条件になるので、ＭＣＡ３１、３２、３３では同じ大きさの光電吸収ピークｐ１、ｐ２、ｐ３が観察される。

ここで入射方向を特定するための指標である比率ｒを定義する。ＭＣＡ３１、３２、３３で得られるスペクトルＳ１、Ｓ２、Ｓ３の光電吸収ピークの計数値をそれぞれｐ１、ｐ２、ｐ３とし、３つのスペクトル光電吸収ピークの計数値の合計値をＴ（＝ｐ１＋ｐ２＋ｐ３）とする。そしてｐ１／Ｔをｒ１、ｐ２／Ｔをｒ２、ｐ３／Ｔをｒ３として比率ｒを(ｒ１、ｒ２、ｒ３）と定義する。

図３は、放射線の入射方向Ｂ（周角３０度、仰角０度）の場合の、前記比率ｒ１、ｒ２、ｒ３（縦軸）と水平方向の周角（横軸）の関係を示す全体図である。ｒ１と周角の関係を示すのはグラフＢ１、ｒ２と周角の関係を示すのはグラフＢ２、ｒ３と周角の関係を示すのはグラフＢ３である。

図４は、放射線の入射方向Ｃ（周角３０度、仰角６０度）の場合の、前記比率ｒ１、ｒ２、ｒ３と水平方向の周角の関係を示す全体図である。ｒ１と周角の関係を示すのはグラフＣ１、ｒ２と周角の関係を示すのはグラフＣ２、ｒ３と周角の関係を示すのはグラフＣ３である。

図５は、放射線の入射方向Ｄ（周角不定、仰角９０度）の場合の、「前記比率ｒ１、ｒ２、ｒ３と水平方向の周角の関係」を示す全体図である。ｒ１と周角の関係を示すのはグラフＤ１、ｒ２と周角の関係を示すのはグラフＤ２、ｒ３と周角の関係を示すのはグラフＤ３である。この場合は３本のグラフが重なっている。

図６は、仰角０度、仰角６０度、仰角９０度の場合の比率ｒ１と水平方向の周角の関係を示す全体図である。仰角０度の場合は図３と同じグラフＢ１、仰角６０度の場合は図４と同じグラフＣ１、仰角９０度の場合は図５と同じグラフＤ１が対応する。図６に見られるように、仰角が大きくなるに従い、グラフの振幅は小さくなり、水平線に近づくことが示される。

ここで図７を用い、本発明の装置により入射方向が検出される手順を示す。図７は、測定開始（ステップＳ１００）から、入射方向、即ち解である周角と仰角の組み合わせが求まるまでのフローを示している。

ステップＳ１００の測定開始により一定時間、シンチレータ１１、１２、１３により放射線が検出され、ＭＣＡ３１、３２、３３によってスペクトルＳ１、Ｓ２、Ｓ３が生成される（ステップＳ１１０、Ｓ１２０、Ｓ１３０）。

各スペクトルＳ１、Ｓ２、Ｓ３から、汎用のスペクトル解析ソフトによって、ピーク計数値ｐ１、ｐ２、ｐ３、及び、ピーク位置に対応する放射線のエネルギーが求められる（ステップＳ１４０、Ｓ１５０、Ｓ１６０）。

これらの値から、比率ｒ（ｒ１、ｒ２、ｒ３）が計算される（ステップＳ１７０）。この比率ｒを用いて、比率合致計算が行なわれる（ステップＳ１８０）。

この比較合致計算の概念を図３を用いて説明する。図３に於いて各比率ｒに対し、必ず二つの周角が合致することがわかる。そこで、求まったエネルギーにおける所定仰角ごとに用意された「比率と水平方向の周角の関係」を示す全ての図から、全ての比率（ｒ１、ｒ２、ｒ３）に合致する周角の存在する図を探す。見つかった図の仰角とその周角とが解となる。

実際には、エネルギー毎に予め作成された周角、仰角と、ｒ１、ｒ２、ｒ３の関係を表すグラフの集合である応答関数群（図８参照）あるいは数値テーブル（図９参照）と比率ｒの比較が行なわれ、合致する周角と仰角が解として求められ、入射方向が検出される（ステップＳ２００、Ｓ２１０）。

図８は、実験により、一番単純な関数である正弦波曲線で近似した、エネルギー６６２ｋｅＶの応答関数群の一例である。なお、正弦波の代りに、例えば多項式を用いることもできる。

図９は、図８の応答関数群を用いて作成（必要により内挿）した数値テーブルの一例である。

以上示した装置の構成例を図１０に示す。

この装置は、検出部１０の各シンチレータ１１、１２、１３で発生し、変換部２０の各受光素子２１、２２、２３により電気信号に変換されたスペクトルを解析するスペクトル解析手段３０と、該スペクトル解析部３０より出力される光電吸収ピーク計数値のシンチレータ間の比率を求める比率計算手段４０と、各比率に対応する周角と仰角からなる関数を記憶した関数記憶手段５０と、該関数記憶手段５０を参照して前記比率計算手段４０が求めた比率ｒ１、ｒ２、ｒ３に対応する関数を求める関数参照手段６０と、その求めた周角と仰角とを出力する出力手段７０と、を備えたＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、インターフェイス及びソフトウエア等で構成されている。

上述した本発明の放射線の全天球型入射方向検出装置の実施例について説明する。

図１のシンチレータ１１、１２、１３を、沃化ナトリウムＮａＩ（Ｔｌ）なる材質で作成し、半径３７．５ｍｍ、頂角１２０度の扇形で高さ７５ｍｍとした。これらを結合して円柱とし、検出部１０を構成した。検出部１０を変換部２０に結合し、電気信号をＭＣＡ３１、３２、３３に伝送し、スペクトルＳ１、Ｓ２、Ｓ３を得た。

ＨＤＤ（ＲＡＭ）に格納した汎用のスペクトル解析ソフトを用いて、各スペクトルＳ１、Ｓ２、Ｓ３のピークの計数値ｐ１、ｐ２、ｐ３とエネルギーを求めた。各ピークの計数値ｐ１、ｐ２、ｐ３と各ピークの計数値の合計値Ｔを用い、比率ｒ（０．４６３、０．２０４、０．３３２）を得た。同時にエネルギーとして６２２ｋｅＶを得た。エネルギー毎に予め作成しＨＤＤあるいはＲＯＭに格納しておいた、周角、仰角と比率ｒ１、ｒ２、ｒ３の関係を表すグラフの集合である図８の応答関数群と、ＲＡＭに一時格納された比率ｒ（０．４６３、０．２０４、０．３３２）とを合致計算して、インターフェイスより周角３０度、仰角０度の出力が得られた。

実施例１と同様にして、汎用のスペクトル解析ソフトを用いて、各スペクトルＳ１、Ｓ２、Ｓ３のピークの計数値ｐ１、ｐ２、ｐ３とエネルギーを求めた。各ピークの計数値ｐ１、ｐ２、ｐ３と各ピークの計数値の合計値Ｔを用い、比率ｒ（０．３９８、０．２６９、０．３３２）を得た。同時にエネルギーとして６２２ｋｅＶを得た。エネルギー毎に予め作成された、周角、仰角と比率ｒ１、ｒ２、ｒ３の関係を表すグラフの集合である図８の応答関数群と比率ｒ（０．３９８、０．２６９、０．３３２）を合致計算すると、周角３０度、仰角６０度が得られた。

実施例１と同様にして、汎用のスペクトル解析ソフトを用いて、各スペクトルＳ１、Ｓ２、Ｓ３のピークの計数値ｐ１、ｐ２、ｐ３とエネルギーを求めた。各ピークの計数値ｐ１、ｐ２、ｐ３と各ピークの計数値の合計値Ｔを用い、比率ｒ（０．３３３、０．３３３、０．３３３）を得た。同時にエネルギーとして６２２ｋｅＶを得た。エネルギー毎に予め作成された周角、仰角と比率ｒ１、ｒ２、ｒ３の関係を表すグラフの集合である図８の応答関数群と比率ｒ（０．３３３、０．３３３、０．３３３）と合致計算すると、周角不定、仰角９０度が得られた。

図８の応答関数群と比率ｒの関係は、図８に示す計算式のまま関数記憶手段５０に記憶させておいてもよいが、図９に示した数値テーブル５１、５２、５３として関数記憶手段５０に記憶させておく方が、処理速度が速くなるので好ましい。この場合、図９の各角度の最小設定単位は、必要とする検出角度に応じて設定しておく。

なお、図８、図９に示した周角、仰角の刻みは、内挿法によって所定の精度に鑑みて変更可能である。

又、図１１の如く、シンチレータ１１、１２、１３の周囲に、例えば厚さ５ｍｍの鉄製の帯１５を巻くと、周辺での非破壊検査による１００ｋｅＶ程度のＸ線、あるいは放射性同位元素投与患者からの１００ｋｅＶ程度のガンマ線、即ち入射放射線Ｒｉに対して、図１２（縦軸は左から入射するガンマ線の垂直位置、横軸は水平位置）に例示する如く、透過放射線Ｒ_０が減少し、水平方向の感度が下がり、相対的に上空での感度が上がり、放射線物質の上空での挙動を把握するのに好適となる。

あるいは、図１３の如く、シンチレータ１１、１２、１３の上部に、例えば厚さ１ｃｍの鉄製の蓋１６を配設すると、宇宙線等の影響を減じ、相対的に仰角の小さい水平に近い方向での感度を高めることができる。

又、帯１５や蓋１６の材質は鉄に限定されず、アルミニウム等、他の金属を用いることもできる。更に厚さや材質を部分的に変えて、特定の方向の感度を高めたり、低めることもできる。

又、シンチレータの形状を周方向で変えても良い。

又、出力手段より出力される出力信号は、特に限定するものではなく、視認可能なアナログあるいはデジタル表示でもよいし、他のコンピュータと通信可能な出力信号であってもよい。

なお、シンチレータの構成数が多くなりピーク数が多くなっても、上述の方法に従い、周角と仰角を求めることができる。例えば４分割の場合、図１４に示す如く、（ｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ４）で「ｒ１＋ｒ２＋ｒ３＋ｒ４＝１」より、任意の３個のグラフ（もちろん４個でもいい）、即ち、シンチレータ数−１のグラフ（応答関数）から解が求まる。

又、スペクトルはエネルギー情報を持っているので、複数のピークがある場合はそれぞれのピークに対応する応答関数群か数値テーブルを選択し、同様な処理をすれば、複数の方向を同時に求めることができる。

又、シンチレータの直径は１ＭｅＶ以上の比較的大きいエネルギーのガンマ線のみを対象とするときは１００ｍｍ以上が望ましく、１ＭｅＶ未満の比較的小さなエネルギーを対象とするときは５０ｍｍ以下が望ましく、モニタリングポストのように５０ＫｅＶから３ＭｅＶを対象とするときは７５ｍｍ前後が好適である。高さは、２５ｍｍから１００ｍｍが経済的である。

本発明に係る全天球型入射方向検出装置の検出部と入射方向を定義する図 同じくスペクトルの生成を示す図 本発明の原理を説明するための、周角３０度、仰角０度の場合の比率ｒ１、ｒ２、ｒ３の変化を示す図 同じく、周角３０度、仰角６０度の場合の比率ｒ１、ｒ２、ｒ３の変化を示す図 同じく、周角不定、仰角９０度の場合の比率ｒ１、ｒ２、ｒ３の変化を示す図 同じく、シンチレータの仰角０、６０、９０度の場合の比率ｒ１の変化を示す図 本発明の実施形態において、入射方向を得るまでの手順を示す流れ図 本発明の実施形態における応答関数群の例を示す図 同じく数値テーブルの例を示す図 本発明に係る放射線の全天球型入射方向検出装置の実施形態の構成を示すブロック図 変形例の要部を示す斜視図 変形例の原理を示す図 他の変形例の要部を示す縦断面図 ４分割の変形例の比率ｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ４の変化を示す図

符号の説明

１０…検出部
１１、１２、１３…シンチレータ
１４…ケース
１５…帯
１６…蓋
２０…変換部
２１、２２、２３…受光素子
３０…スペクトル解折手段
３１、３２、３３…マルチチャンネルアナライザー（ＭＣＡ）
４０…比率計算手段
５０…関数記憶手段
５１、５２、５３…テーブル
６０…関数参照手段
７０…出力手段

Claims (8)

1. 放射線の入射方向を検出するための入射方向検出装置において、
   同じ材質の独立した柱状の複数本のシンチレータが一本の柱を形成するように束ねて配置された検出部であって、該複数本のシンチレータが、該検出部の軸線と直交する方向から入射する放射線に対して互いに影を形成するように並べて配置され、各シンチレータに対して直接入射する放射線と他のシンチレータの影になって間接的に入射する放射線の割合の組み合わせが、前記検出部の軸線と直交する方向における周角と該検出部の軸線と直交する方向から軸線方向への仰角で示される入射方向によって変化するようにされた検出部と、
   各シンチレータと光学的に接合された受光素子と、
   各シンチレータにより発生するスペクトルを解析するスペクトル解析手段と、
   該スペクトル解析手段より出力される光電吸収ピーク計数値のシンチレータ間の比率を求める比率計算手段と、
   各比率に対応する周角と仰角からなる関数を記憶した関数記憶手段と、
   該関数記憶手段を参照して前記比率計算手段が求めた比率に対応する関数を求める関数参照手段と、
   その求めた周角と仰角とを出力する出力手段と、
   を備えたことを特徴とする放射線の全天球型入射方向検出装置。
2. 前記シンチレータが３つ以上とされ、０度から３６０度に亘る周角と０度から９０度に亘る仰角で示される入射方向を検出するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の放射線の全天球型入射方向検出装置。
3. 各シンチレータが扇形の断面を持ち、全てのシンチレータを結合すると円柱になることを特徴とする請求項２に記載の放射線の全天球型入射方向検出装置。
4. 各シンチレータが同一の形状を持つことを特徴とする請求項２又は３に記載の放射線の全天球型入射方向検出装置。
5. 前記検出部の側面に、該検出部の軸線と直交する方向から入射する放射線の透過率を調整するための筒状部材が配設されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の放射線の全天球型入射方向検出装置。
6. 前記検出部の頂部に、該検出部の軸線方向から入射する放射線の透過率を調整するための蓋状部材が配設されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の放射線の全天球型入射方向検出装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の全天球型入射方向検出装置を用いることを特徴とする放射線モニタリング方法。
8. 請求項１乃至６のいずれかに記載の全天球型入射方向検出装置を備えたことを特徴とする放射線モニタリング装置。

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