JP4845680B2

JP4845680B2 - 放射線検出器

Info

Publication number: JP4845680B2
Application number: JP2006303452A
Authority: JP
Inventors: 広基浜口; 正一中西; 健一茂木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-11-09
Filing date: 2006-11-09
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2026-11-09
Also published as: JP2008122111A

Description

本発明は、外部から入射する放射線を検出する放射線検出器に関する。

一般に、原子炉施設、使用済燃料再処理施設、放射性同位元素取扱施設、粒子線使用施設等においては、放射性物質の濃度を測定して管理するために放射線検出器が使用されている。

特に、希ガスに含まれる放射性物質の濃度を高感度で測定する場合には、１壊変当たりの放射線の放出割合が高いβ線を測定対象とすることが多く、このため、放射線検出器としては、β線を吸収して光に変換するプラスチックシンチレータが測定用シンチレータとして適用されている。すなわち、このプラスチックシンチレータは、β線に対する応答性が良いだけでなく、加工性に優れ、安価で容易に入手でき、かつ物理的に安定であるなどの利点がある。

そして、測定用シンチレータが測定対象の放射線に反応した結果として得られる光（以下、測定光という）をさらに電子に変換増幅して取り出すために光電子増倍管が使用され、続いて、この光電子増倍管から出力される電流パルスを電圧パルスに変換して出力するために前置増幅器が設けられている。

また、この光電子増倍管は測定用シンチレータに比べて高価であるので、当該シンチレータよりも口径の小さいものが使用される。したがって、測定用シンチレータからの測定光を光電子増倍管に効率良く導く必要があり、そのため、測定用シンチレータと光電子増倍管との間にはライトガイドが介在されている。

ところで、上記の光電子増倍管は、経年劣化や温度変化に伴ってドリフトを生じ易い。例えば経年劣化ではゲインが年間で１０％変動することがあり、また、温度変化により測定対象となる放射線のパルス波高値が約−０．３％／℃程度変動することがある。

そこで、従来より、光電子増倍管の光電面に向けて検出器校正用の光を発する光源としてのライトパルサを設けている。このライトパルサは、指標線源と、この指標線源から放射された指標放射線を光に変換する指標用シンチレータとを有している。この場合の指標線源としては入手が容易で半減期が４３２年と長いＡｍ−２４１のα線源が使用され、また、指標用シンチレータとしては、潮解性がなく、物理的にも安定で加工性の良く、さらにα線源に対する発光効率の高いＣａＦ_２（Ｅｕ）シンチレータが適用されている。

そして、このライトパルサの指標用シンチレータが指標線源に反応した結果として得られる光を指標に、この光（以下、指標光という）に基づいて前置増幅器から出力される信号パルス（以下、指標パルスという）のパルス波高値が常に一定になるように、光電子増倍管のゲインや放射線検出器の後段に設けられている測定部の増幅器のゲインを調整して検出出力の安定化を図っている。

ここで、ライトパルサの指標用シンチレータからの指標光に基づいて前置増幅器から出力される指標パルスの波高分布スペクトルが、測定用シンチレータからの測定光に基づいて前置増幅器から出力される信号パルス（以下、測定パルスという）の波高分布スペクトルの測定範囲と過大に重複すると、測定パルスの波高分布スペクトルのバックグラウンドを押し上げ、測定対象となる放射線の検出精度が劣化する。

この不具合を無くすには、指標パルスの波高分布スペクトルのピーク位置におけるパルス波高値を確実に検出でき、かつ、測定パルスと指標パルスの各波高分布スペクトルができるだけ互いに干渉しないようにする必要がある。すなわち、指標パルスの波高分布スペクトルのピーク位置におけるパルス波高値が前置増幅器のダイナミックレンジ内に十分に収まり、かつ、指標パルスの波高分布スペクトルが、測定パルスの波高分布スペクトルから十分に離れるように調整する必要がある。

そこで、従来技術では、測定パルスと指標パルスの波高分布スペクトルの各ピーク位置が最適になるように、ライトガイドの上面に遮光膜を形成し、この遮光膜によりライトガイドから光電子増倍管に入射する測定光の光量調節を行うことにより、指標パルスの波高分布スペクトルのピーク位置におけるパルス波高値が前置増幅器のダイナミックレンジ内に十分に収まり、かつ、指標パルスの波高分布スペクトルのピーク位置が、測定パルスの波高分布スペクトルのピーク位置よりも十分に高くなるように調整している（例えば、特許文献１参照）。

また、他の従来技術では、ライトガイドから光電子増倍管に入射する光量を増加させて信号レベルとノイズレベルとの比（Ｓ／Ｎ比）を高めるために、ライトガイドと光電子増倍管との間を光結合オイルで接合することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特許第２８８６０２７号公報特許第３３８３１０１号公報

上記のように、特許文献１記載の従来技術では、ライトガイドの上面に形成した遮光膜を取り替えながら適合するものを選択して、ライトガイドから光電子増倍管に入射する測定光の光量調節を行っているが、この場合には、本来、測定に必要な放射線（ここではβ線）に基づく測定光が光電子増倍管に入射する光量が少なくなるので、これに伴い、光電子増倍管から出力される測定パルスの信号レベルも相対的に低下してＳ／Ｎ比が劣化する。このため、放射線に基づく測定パルスの弁別レベルを上げざるを得なくなり、その結果、低エネルギの放射線の感度が低下したり、あるいは低エネルギの放射線が測定できないといった問題がある。

また、特許文献２記載の従来技術のように、Ｓ／Ｎ比を良好に維持するために、ライトガイドと光電子増倍管を光結合オイルで接合する構成にすると、光量調整の度に光結合オイルで接合しなければならず、調整のために手間がかかるという問題がある。

さらに、ライトパルサを構成する指標用シンチレータがＣａＦ_２（Ｅｕ）シンチレータの場合、α線源のα線に反応して発する光量の温度特性が約−０．３％／℃であるのに対して、測定対象のβ線を検出するプラスチックシンチレータが測定対象の放射線を検出して発する光量の温度特性は約−０．１％／℃であり、両者の温度特性に差がある。このため、光電子増倍管のドリフトをライトパルサによって高精度で補償しても、両シンチレータ相互間には温度特性に差があるため、放射線検出器全体のドリフト補償精度が低下するという問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、測定対象の放射線を低エネルギまで高感度で、かつ安定した放射線計測が可能な放射線検出器を提供することを課題とする。

上記の目的を達成するために、外部から入射した放射線を吸収して光に変換する測定用シンチレータと、この測定用シンチレータからの光を電子に変換増幅する光電子増倍管と、上記測定用シンチレータからの光を上記光電子増倍管に導くライトガイドと、上記光電子増倍管から出力される電流パルスを電圧パルスに変換して出力する前置増幅器と、検出器校正用の光源としてのライトパルサとを備え、上記ライトパルサは、指標線源と、この指標線源から放射された指標放射線を光に変換する指標用シンチレータとを有する放射線検出器において、次の構成を採用している。

すなわち、本発明において、上記指標用シンチレータは、上記測定用シンチレータよりも、α線の単位エネルギを光量に変換する効率とβ線の単位エネルギを光量に変換する効率の比であるα／βレシオが大きく、かつ、上記測定用シンチレータと同じ温度特性を有するものであり、また上記ライトパルサには上記指標用シンチレータから上記光電子増倍管に向かう放射光の光量を調整する光学フィルタが設けられていることを特徴としている。

本発明によれば、指標用シンチレータとして、上記測定用シンチレータよりも、α線の単位エネルギを光量に変換する効率とβ線の単位エネルギを光量に変換する効率の比であるα／βレシオが大きく、かつ、上記測定用シンチレータと同じ温度特性を有するものを使用するとともに、放射線検出器毎に適合する光学フィルタを選定して光電子増倍管に入射する指標光パルスの光量を調節するようにしたので、両シンチレータの温度特性の影響が少なくなるとともに、測定対象となる放射線の信号レベルを低下させることがない。このため、測定対象の放射線を低エネルギまで高感度で、かつ安定した測定が可能な放射線検出器を提供することができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における放射線検出器の構成を示す断面図、図２は同放射線検出器のライトパルサの構成を示す断面図である。

この実施の形態１の放射線検出器は、外部から入射した放射線を吸収して光に変換する測定用シンチレータ１と、この測定用シンチレータ１からの放射光を電子に変換増幅して電気信号として取り出すための光電子増倍管２と、測定用シンチレータ１からの測定光を光電子増倍管２に導くライトガイド３と、光電子増倍管２から出力される電流パルスを電圧パルスに変換して出力する前置増幅器４と、検出器校正用の光源としてのライトパルサ５とを主体に構成されている。

上記の測定用シンチレータ１は、本例では、β線に対する応答性に優れるとともに加工性が良く、安価で容易に入手できかつ物理的に安定であるプラスチックシンチレータが適用されている。光電子増倍管２は、ライトガイド３との間に配置されたリング状のスペーサ８により空気層を介してライトガイド３と光学的に接合されている。ライトガイド３は、例えばアクリル樹脂を機械加工して成形されたもので、その周側面にはＴｉＯ_２微粉末を含む反射材を塗布してなる反射層（図示せず）が形成されている。前置増幅器４は、光電子増倍管２から出力される電流パルスをソケット９を経由して入力し、電圧パルスに変換してコネクタ１０から出力するようになっている。ライトパルサ５は、ライトガイド３の光電子増倍管２との対向面上に形成された穴に埋め込まれて接着固定されており、これにより、光電子増倍管２の光入射面に向けて指標光を放射する。そして、上記の各部１〜９は、検出器ケース１１内に収納されており、この検出器ケース１１によって各部１〜９が電気的にシールドされるとともに、外部からの光の進入が遮断されている。

上記のライトパルサ５は、図２に示すように、指標線源５１と、この指標線源５１から放射される指標放射線のエネルギを吸収して指標光に変換する指標用シンチレータ５２と、この指標用シンチレータ５２からの指標光を集光して透過させる光学窓５３とを有し、指標線源５１と指標用シンチレータ５２とは線源容器５４内に収納されて光学窓５３で蓋をすることで内部が密閉されている。また、この実施の形態１の特徴として、光学窓５３の上には、これを覆うように光学フィルタ５５が接合されている。

ここに、指標線源５１としては、入手が容易で半減期が４３２年と長いＡｍ−２４１のα線源が使用されている。なお、Ａｍ−２４１から放射されるα線のエネルギは約５．５ＭｅＶである。また、指標用シンチレータ５２としては、潮解性がなく、物理的にも安定で加工性が良く、さらにα線源に対する発光効率が高いことが望ましく、このため本例ではＣａＦ_２（Ｅｕ）シンチレータが適用されている。光学フィルタ５５は、指標用シンチレータ５２から光電子増倍管２に向かう指標光の光量を調整する一種の曇りガラスであって、透過率が５％刻みのものを容易に入手することが可能である。

図３は測定対象の放射線に基づいて得られる測定パルスの波高分布スペクトル、およびライトパルサ５の指標光に基づいて得られる指標パルスの波高分布スペクトルを示したものである。

測定パルスの波高分布スペクトルＳｍのピーク位置のパルス波高値はＶｍにあり、パルス波高値の低い領域のノイズを除くために、波高分布スペクトルＳｍの測定範囲（ウィンドウ幅）は符号ΔＶ１に示す領域に設定されている。

一方、指標パルスの波高分布スペクトルＳｉは、光学フィルタ５５の指標光に対する光透過率によって変化する。例えば、光学フィルタ５５の光透過率を下げて図中破線で示すように波高分布スペクトルＳｉが測定パルスの波高分布スペクトルＳｍに近付くようにし過ぎると、測定パルスの波高分布スペクトルＳｍの測定範囲ΔＶ１に指標パルスの波高分布スペクトルＳｉが干渉するようになり、測定パルスの波高分布スペクトルＳｍのバックグラウンドを押し上げて測定対象となる放射線の検出精度が劣化する。

これとは逆に、測定パルスの波高分布スペクトルＳｍの測定範囲に指標パルスの波高分布スペクトルＳｉが干渉しないようにするため、光学フィルタ５５の光透過率を上げ過ぎると、指標パルスの波高分布スペクトルＳｉのピーク位置のパルス波高値Ｖｉが前置増幅器４のダイナミックレンジΔＶ３内に収まり切らなくなってピーク位置を特定できず、検出器の校正が不能になる。

したがって、指標パルスの波高分布スペクトルＳｉについては、そのピーク位置におけるパルス波高値Ｖｉが前置増幅器４のダイナミックレンジΔＶ３内に十分に収まり、かつ、パルス波高値Ｖｉが、測定パルスの波高分布スペクトルＳｍのピーク位置におけるパルス波高値Ｖｍよりも十分に高いという条件を満たす必要がある。

そこで、この実施の形態１では、測定パルスの波高分布スペクトルＳｍのピーク位置のパルス波高値Ｖｍに対する指標パルスの波高分布スペクトルＳｉのピーク位置のパルス波高値Ｖｉの比が“３”〜“８”の範囲になるように、光学フィルタ５５を透過する指標光の光量を調整している。すなわち、図３において、３Ｖｍ〜８Ｖｍの範囲、すなわち図中符号ΔＶ２で示す範囲に指標パルスの波高分布スペクトルＳｉのパルス波高値Ｖｉが位置するように指標光の光量を光学フィルタ５５で調整する。

具体例として、本例のように、測定用シンチレータ１がプラスチックシンチレータ、指標用シンチレータ５２がＣａＦ_２（Ｅｕ）シンチレータの場合、β線の単位エネルギを光量に変換する効率の前者に対する後者の比は約２．２である。また、プラスチックシンチレータからの測定光の光電子増倍管２への収集率と、ＣａＦ_２（Ｅｕ）シンチレータからの指標光の光電子増倍管２への収集率との比が０．７の場合、プラスチックシンチレータの厚みを飛程４００ｋｅＶ相当として、これを前置増幅器４の出力で０．４Ｖとなるようにすると、指標線源５１であるＡｍ−２４１から放射されるα線のエネルギ約５．５ＭｅＶは、前置増幅器４５の出力で次式に示すように３．５Ｖとなる。
５．５ＭｅＶ×０．４Ｖ／０．４ＭｅＶ×２．２×０．２÷０．７＝３．５Ｖ
なお、上式の０．２は後述のＣａＦ _２（Ｅｕ）のα／βレシオである。

したがって、前置増幅器４のダイナミックレンジΔＶ３が０〜２．５Ｖで、ライトパルサ５で得られる指標パルスのパルス波高値Ｖｉがダイナミックレンジ内の１．８Ｖ程度にするためには、光学フィルタ５５により指標光に基づいて得られるパルス波高値を５０％程度減衰させればよい。

以上のように、この実施の形態１では、ライトパルサ５に設けた光学フィルタ５５によって指標光の光量を調節するようにしたので、従来のように測定用シンチレータ１の測定光の光量を低下させるといった不具合がなくなり、光量調整によってＳ／Ｎ比が劣化することがない。これにより、低エネルギの放射線まで高感度で測定することが可能な放射線検出器を提供することができる。

特に、ここでは、図３に示したように、測定パルスの波高分布スペクトルＳｍのピーク位置の波高値Ｖｍに対する指標パルスの波高分布スペクトルＳｉのピーク位置の波高値Ｖｉの比が３〜８倍の範囲となるように、光学フィルタ５５を透過する光量を調整しているので、指標パルスの波高分布スペクトルＳｉのテール（尾）が測定パルスの波高分布スペクトルＳｍの測定範囲ΔＶ１内と重複してバックグラウンドを押し上げるのを抑制することができ、その結果、両者Ｓｍ，Ｓｉは好適なパルス波高配置になるため、電源電圧の変動や温度変化に伴う影響を低減することができ、測定対象となる放射線を高精度で測定することができる。

また、上記のように、ライトパルサ５を取り付けるライトガイド３と光電子増倍管２はスペーサ８を介して空気層で光学接合し、従来のような光結合オイルを使用しない構成としたので、個々の検出器毎の光量調整を容易に行うことができる。

なお、この実施の形態１の特徴は、測定対象の放射線に基づく光量と指標線源５１の放射線に基づく光量とを相対的に調整するために、ライトパルサ５に光学フィルタ５５を設けたことであり、測定対象となる放射線や、指標線源５１は上記のものに限定されるものではなく、また、測定用シンチレータ１はプラスチックシンチレータに限定されるものではなく、さらにライトパルサ５の指標用シンチレータ５２もＣａＦ_２（Ｅｕ）シンチレータに限定されるものでないことは勿論である。

実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２における放射線検出器の構成を示す断面図であり、図１および図２に示した実施の形態１と対応する構成部分には同一の符号を付す。

この実施の形態２の放射線検出器の特徴は、図１に示した実施の形態１におけるリング状のスペーサ８の代わりに、硬化後に円板状となる透明ゲル状接合剤１２を設けたことである。この場合の透明ゲル状接合剤１２としては、２液型ＲＴＶゴムで用途が透明用ゲルとして、例えば信越化学工業（株）から市販されており容易に入手することができる。
その他の構成は、実施の形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

このように、透明ゲル状接合剤１２を適用すると空気の混入が殆どなくてライトガイド３を介して伝達された測定用シンチレータ１の測定光に対する散乱が少なくなり、測定光を効率よく光電子増倍管２に伝達することができる。その結果、Ｓ／Ｎ比を向上させることができ、測定対象の放射線を高感度で低エネルギ領域まで測定することができる。

実施の形態３．
この実施の形態３における放射線検出器の特徴は、ライトパルサ５の指標用シンチレータ５２として、実施の形態１で使用したＣａＦ_２（Ｅｕ）シンチレータに代えてＹＡｌＯ _３（Ｃｅ）シンチレータを使用したことである。

シンチレータが放射線の単位エネルギを光量に変換する効率は、一般にβ線よりα線の方が低く、両者の比はα／βレシオと言われている。この実施の形態３において、指標用シンチレータ５２として今回使用するＹＡｌＯ _３（Ｃｅ）シンチレータは、そのα／βレシオが従来から使用されているＣａＦ_２（Ｅｕ）シンチレータと同等で、α線用シンチレータとして優れている。また、潮解性がなく、物理的にも安定で加工性が良く、ライトパルサ５用シンチレータとして好適である。
その他の構成は、実施の形態１と同様であるからここでは詳しい説明は省略する。

図５はシンチレータに放射線が入射して生成される光量の温度特性を概念的に示すもので、符号ｈはＣａＦ_２（Ｅｕ）シンチレータの温度特性を、符号ｉはＹＡｌＯ _３（Ｃｅ）シンチレータの温度特性を、符号ｊはプラスチックシンチレータの温度特性を示す。使用温度範囲の０〜５０℃において、プラスチックシンチレータ（符号ｊ）とＹＡｌＯ _３（Ｃｅ）シンチレータ（符号ｉ）の温度特性は約−０．１％／℃で良く一致しており温度特性の差は小さい。これに対して、ＣａＦ_２（Ｅｕ）シンチレータ（符号ｈ）の温度特性は約−０．３％／℃と大きい。

このように、測定用シンチレータ１としてプラスチックシンチレータを使用する際には、ライトパルサ５を構成する指標用シンチレータ５２としてＹＡｌＯ _３（Ｃｅ）シンチレータを適用することにより、両方のシンチレータ１，５２の温度特性の差はほとんどなくなり、ライトパルサ５によるゲイン安定化制御においてシンチレータの温度特性が影響することがなくなる。しかも、上記のように、ＹＡｌＯ _３（Ｃｅ）シンチレータは、そのα／βレシオが従来から使用されているＣａＦ_２（Ｅｕ）シンチレータと同等で、α線用シンチレータとして優れている。このため、測定対象の放射線を高精度で連続して測定できる放射線検出器を提供することが可能となる。

なお、ライトパルサ５の指標用シンチレータ５２として測定用シンチレータ１と同じプラスチックシンチレータを適用すると、両シンチレータ１，５２の温度特性は一致するものの、ＣａＦ_２（Ｅｕ）やＹＡｌＯ _３（Ｃｅ）シンチレータのα／βレシオは約０．２であるのに対して、プラスチックシンチレータのα／βレシオは０．０２で、α線に対する発光効率が低い。したがって、プラスチックシンチレータは指標用シンチレータ５２としては適用し難い。

本発明は上記の各実施の形態１〜３の構成のみに限定されるものではなく、各実施の形態１〜３の構成を適宜組み合わせることも可能である。

本発明の実施の形態１における放射線検出器の構成を示す断面図である。同放射線検出器のライトパルサの構成を示す断面図である。本発明の実施の形態１における放射線検出器で得られる波高分布スペクトルの特性図である。本発明の実施の形態２における放射線検出器の構成を示す断面図である。本発明の実施の形態３における放射線検出器のシンチレータの温度特性を示す図である。

符号の説明

１測定用シンチレータ、２光電子増倍管、３ライトガイド、４前置増幅器、
５ライトパルサ、１２透明ゲル状接合剤、５１指標線源、
５２指標用シンチレータ、５５光学フィルタ。

Claims

外部から入射した放射線を吸収して光に変換する測定用シンチレータと、この測定用シンチレータからの光を電子に変換増幅する光電子増倍管と、上記測定用シンチレータからの光を上記光電子増倍管に導くライトガイドと、上記光電子増倍管から出力される電流パルスを電圧パルスに変換して出力する前置増幅器と、検出器校正用の光源としてのライトパルサとを備え、上記ライトパルサは、指標線源と、この指標線源から放射された指標放射線を光に変換する指標用シンチレータとを有する放射線検出器において、
上記指標用シンチレータは、上記測定用シンチレータよりも、α線の単位エネルギを光量に変換する効率とβ線の単位エネルギを光量に変換する効率の比であるα／βレシオが大きく、かつ、上記測定用シンチレータと同じ温度特性を有するものであり、また上記ライトパルサには上記指標用シンチレータから上記光電子増倍管に向かう放射光の光量を調整する光学フィルタが設けられていることを特徴とする放射線検出器。
上記指標用シンチレータは、ＹＡｌＯ_３（Ｃｅ）シンチレータであることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出器。