JP4886662B2 - 放射線測定装置 - Google Patents

Description

本発明は放射線を測定して放射能汚染の有無を検査する放射線測定装置に関し、特に細径管等に対してその管の内表面汚染を直接測定することができる放射線測定装置に関する。

放射能取扱施設等においては、法令で放射線管理区域を設定しなければならない。また、この放射線管理区域より外部に搬出される全ての物に対して放射能汚染の検査が同様に法令で義務付けられている。ここで、放射能汚染の有無を検査するための主な装置としては表面汚染サーベイメータがある。表面汚染サーベイメータは、放射線の強さや線種に応じて選択的に用いるように分類・管理されており、常に最適な条件で測定ができるようになっている。

表面汚染サーベイメータの代表的な構成例を図６に示す。図６記載のサーベイメータは、測定対象１６の表面からの放射線によって蛍光を発するシンチレータ部２と、この蛍光を集光するライトガイド部１と、蛍光を電気信号に変換する光電変換部３と、波高値からあらかじめ設定した閾値でノイズと信号を弁別する波高弁別部７と、その信号出力を計数するカウンタ部８と、信号計数率を表示する表示部１０と、から構成されている。

この従来例は検出対象が平板状で、サーベイメータの放射線検出部の形状も平板状となっているが、サーベイメータの放射線検出部の形状は、対象となる被検出部材の形状等に応じて設計されている。

例えば、細径管等の管も放射能汚染廃棄物として多量に発生するが、この管の内表面の汚染を測定する場合は、棒状の放射線検出器を有するサーベイメータが用いられる。管の内表面の汚染を検出するサーベイメータの従来例として、特許文献１及び２があげられる。

特許文献１に記載のサーベイメータは、シンチレータを備えた細長平板状の放射線検出部と光電子増倍管を備えた放射線計測部との間を波長変換光ファイバケーブルで接続し、放射線検出部でα線により生じたシンチレーション光を波長変換光ファイバで放射線計測部に伝送するように構成される。

また、特許文献２の表面汚染測定装置及び放射線検出器は、細長い筒状で光を伝搬するパイプの外周面にシンチレータを取り付け、パイプの内部に光電子増倍管を１つないし複数個をランス状に固定し、後者では隣接する光電子増倍管の出力信号を加算して補正し、検出感度の低下による検出精度の劣化を抑制できるとしている。
特開２００５−２４１４４７号公報 特開２００５−２６５４９８号公報

しかしながら、特許文献１に記載のサーベイメータは、放射線検出部が平板状のため、管の内表面を測定する場合、どうしても管内表面と検出面間の距離が離れるため放射線が減衰してしまい検出効率が低下する。特に、放射線がα線や低エネルギーのβ線の場合、測定対象面と検出面が密接した場合と比べて検出効率の低下は顕著である。さらに、波長変換光ファイバは光透過損失が大きく、ここでの光損失増加は検出効率低下の要因になるから、放射線検出部と放射線計測部の距離を長くとれないという問題がある。

また、特許文献２に記載のサーベイメータは、検出部の径を光電子増倍管以下に小さくすることができないという制約があるため、検出部を細径化することができない問題がある。また、検出部を長くすると複数の光電子増倍管が必要になるためコストが高くなり、また重量も増すため取扱が容易でなくなるという問題がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、低コストで容易に長尺化かつ細径化することができ、かつ、管内の放射能汚染を効率的に測定できる放射線検出部を有する放射線測定装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、管内表面汚染を測定する放射線測定装置において、波長シフト部材からなる第一ライトガイド部と透明部材から成る第二ライトガイド部とからなり、長手方向の端面部同士が接続された所定長さを有する多角形状の棒状のライトガイド部と、前記第一ライトガイド部側の端面部に接続される反射部と、前記第二ライトガイド部側の端面部に接続される光電変換部と、前記ライトガイド部の周囲に配置されるシンチレータ部と、前記シンチレータ部の周囲に配置され放射線を透過しかつ外部からの光を阻止する機能を持つ遮光部と、前記光電変換部から出力された信号を処理する信号処理表示部と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、低コストで容易に長尺化かつ細径化することができ、かつ、管内の放射能汚染を効率的に測定できる放射線検出部を有する放射線測定装置を提供することができる。

以下、本発明の放射能測定装置に係るサーベイメータの実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施の形態に係るサーベイメータの全体構成図である。

サーベイメータ２０は、放射線検出部１７と信号処理表示部１８とから構成される。放射線検出部１７は、所定長さを有する棒状の透明部材からなるライトガイド部１と、このライトガイド部１に空気層を介して密着配置されるシンチレータ部２と、ライトガイド部１の端面に光学接合（光の反射や透過損失を抑制するための接合であり、光学グリースや光学接着剤などを接合媒体とし、状況に応じて選択できる。以下省略）され蛍光を検出して電気パルスに変換する光電変換部３と、ライトガイド部１のもう一方の端面に光学接合され蛍光を反射する反射部４と、シンチレータ部２の側端面部に光学接合された波長シフトファイバ５と、これらの部材を包囲して外光を遮光し放射線を透過させる遮光部６と、から構成される。また、この遮光部６に内部の光を反射する機能を持たせてもよい。

ライトガイド部１とシンチレータ部２は空気層を介して密着することで、ライトガイド部１にとって空気層が例えば光ファイバでいうクラッド層の役割を果たし、ライトガイド部１内部で蛍光を全反射条件によって内部捕獲して集光することができる。

さらに、ライトガイド部１の一方の端面には蛍光を反射する反射材からなる反射部４が光学接合され、反射部４で反射された蛍光は直接光としてあるいは全反射条件によって光電変換部３に集光される。反射部４は鏡面反射の効果が得られる反射率の高い材料（例えばアルミマイラ膜などのアルミ蒸着膜）を用いることができる。

また、シンチレータ部２の側端面に蛍光変換材から成る波長シフトファイバ５を光学接続する。波長シフトファイバ５の長さはライトガイド部１と同じで良く、その端面を光電変換部３並びに反射部４と光学接続する。シンチレータ部２の側端面から放出された蛍光は波長シフトファイバ内で吸収され、より長波長の蛍光に変換されて波長シフトファイバ５内を全反射条件で伝播しながら光電変換部３に入射するため集光効率が向上する。

光電変換部３は高圧電源部１１より高電圧を供給され動作し、光電変換部３から出力される電気信号には、光電変換部３自身が出すノイズ成分と測定する放射線による信号成分と、あるいは目的としない放射線の信号成分（妨害成分）が混在する。これらは、あらかじめ測定する放射線に対して高い感度が得られるようにシンチレータ部２の材料や厚さを制御しているため、測定する信号成分の波高は他の信号成分の波高よりも十分に大きくなっている。

また、光電変換部３として、紫外域である蛍光の波長帯域で高い検出感度を得るように設計されている光電子増倍管（photo multiplier tube）を用いることが望ましい。光電子増倍管からなる光電変換部３には、光電効果によって光を電子に変換する量子効率を確保するために高圧電源部１１から約１０００Ｖ程度の高電圧が供給される。

遮光部６の部材には、α線およびβ線を透過させることが可能で、光の入射を阻止し得ることのできる厚さ数μｍのポリエステルフィルムにアルミを数μｍオーダで蒸着したアルミ蒸着マイラシートが使用できる。それぞれの厚さや重ねるシート枚数は、放射線の線種やエネルギーに応じて最適化すれば良い。

信号処理表示部１８は、光電変換部３の電気信号が閾値を超えたときにロジック信号を出力する波高弁別部７と、ロジック信号の数を計数するカウンタ部８と、計数値から汚染の有無を判定する汚染判定処理部９と、計数値と汚染判定結果を表示する表示部１０と、光電変換部３に高電圧を供給する高圧電源部１１とから構成される。

波高弁別部７では測定する信号成分とその他の信号成分を弁別できるようにあらかじめ波高閾値を設定し、１つの信号波高が閾値を超えると１つのロジック信号を出力する。波高弁別部７より出力されたロジック信号はカウンタ部８で所定の測定時間計数される。汚染判定処理部９は、カウンタ部８で得た計数値を測定時間で割って求めた計数率から、あらかじめ測定により得たバックグラウンド計数率を差し引いて正味計数率を算出し、あらかじめ設定した汚染計数率に対して正味計数率が大きい場合に汚染有とその正味計数率を表示部１０に出力表示するものである。

（第１の実施の形態）
図２に本発明の第１の実施の形態に係るサーベイメータの放射線検出部１７を示す。
本第１の実施の形態において、ライトガイド部１は六角形状であり、蛍光変換材の波長シフト部材からなる所定長さの第一ライトガイド部１２と、透明アクリル材から成る所定長さの第二ライトガイド部１３とから構成され、互いの端面同士を光学的に接続してある。

第一ライトガイド部１２の開放端面に蛍光を反射する反射部４を光学結合し、第二ライトガイド部１３の開放端面には蛍光を検出して電気パルスに変換する光電変換部３を光学結合する。平板状のシンチレータ部２はライトガイド部１の平坦面に密着配置し、シンチレータ部２の側端面部は波長シフトファイバ部５と光学接続され、遮光部６はこれらを一括して覆い遮光する。

このような長尺細径のサーベイメータ（シンチレーション検出器）は光電変換部から遠くなるに従い検出感度が低下する。検出下限は最も低い検出感度を用いて評価するため、検出下限を向上するには、最低検出感度の改善が必要となる。このため、本第１の実施の形態では、異なる特性を持つ２つの部材でライトガイド部１を構成して集光効率を向上させている。

次に、上記第１の実施の形態に係るライトガイド部の集光効率について具体的に説明する。
図４は、長さ430mmで１辺が4.5mmの六角形状のライトガイド部１にシンチレータ部２として厚さ0.1mmのプラスチックシンチレータを密着配置し、ライトガイド部１の材質を（１）透明アクリル、（２）波長シフト部材、（３）透明アクリル(230mm)＋波長シフト部材(200mm)とした条件で、光電変換部３からの距離に対する検出感度(60Coβ線)を測定した図である。

図４より、（１）透明アクリルと（２）波長シフト部材とを比較すると、（１）透明アクリルでは中間から末端部にかけて感度低下が著しく、末端部で感度が改善している。一方、（２）波長シフト部材では、感度の著しい低下は見られないが距離に依存して低下していく様子が見られる。

これは、（１）透明アクリルでは、シンチレータ部２と遮光部６の間で相互反射によって伝播してきた蛍光と、表面形状が完全な平坦でないために透明アクリル内の全反射条件が成立した僅かな蛍光が主となって光電変換部３に入射する。このため、光電変換部３の近傍から遠方となるに従い感度が低下する。

また、端部で感度が改善するのは端部に光学接続した反射材の効果で一部の蛍光の全反射条件が成立するためである。一方、（２）波長シフト部材は自発光するので距離による全反射条件は一様であるが、自己吸収による透過損失が影響するためである。

一方、（３）透明アクリル(230mm)＋波長シフト部材(200mm)は、本発明の第１の実施の形態に係るライトガイド部に適用されるものであるが、ここで明記した両者の長さは何ら最適条件を示すものではない。第一ライトガイド部１１と第二ライトガイド部１２の最適長さは、光電変換部３に到達する最低光量が最も大きく得られる条件で決定される。

上記（３）の形態では、自己吸収による蛍光の透過損失が（１）＜（２）の関係であることに着目し、透明アクリルと波長シフト部材を光学的に連結させて波長シフト部材からの全反射条件による蛍光を透明アクリルを介して光電変換部３に伝送する。透明アクリルを介すことで自己吸収による蛍光の透過損失が抑制される。

一方、透明アクリルの部分では光電変換部３より遠くなるにつれ集光が低下するはずであるが、透明アクリルから波長シフト部材内に入射した蛍光は波長シフト部材で再発光され、全反射伝播するため、透明アクリル単体の場合よりも集光は向上する。その結果、（３）の形態は光電変換部３に到達する全体的な光量が（１）透明アクリル及び（２）波長シフト部材単体の場合よりも向上する。

さらに、ライトガイド部１は、表面の小さな凹凸を抑制するために平坦となるように鏡面研磨処理することで、全反射条件によって内部捕獲された蛍光の伝播効率をさらに向上させることができる。

また、シンチレータ部２は放射線の線種がβ線又はα線であっても、以下のように構成することにより効率よく測定することができる。

測定対象の放射線がα線であれば、図示しないが薄い透明樹脂フィルム上にZnS(Ag)粉体を透明固化材と混合させて所定厚さとなるように均一に塗布したシート状に加工されたものをシンチレータ部として用いる。その際、放射線が透明樹脂フィルム層に吸収されて減衰してしまわないようにZnS(Ag)層を放射線の入射面に向ける。

さらに、シンチレータの厚さを変えることが容易なため、放射線感度が高い箇所のシンチレータ層を薄くするなどして感度を下げて感度分布特性をより平坦化することもできる。また、サイズなどの加工が容易でかつ曲げ変形もできるため、例えば空気層を介在させてライトガイド部１に密着状態にして巻くだけでも容易に細径化された検出部を構成できる。

この場合、ライトガイド部の形状は図３に示すように円柱状にすると密着度が高まり集光が良くなる。また、ZnS(Ag)は不透明な粉体であるため、ライトガイド部１との間に空気層を介在させないとライトガイド部１の中を伝播してきた全反射光が吸収および散乱して集光が低下する。

次に、測定対象の放射線がβ線であれば、シンチレータとしてプラスチックシンチレータを用いる。特に、厚さ0.3mm以下のプラスチックシンチレータがγ線に対する感度を抑制できるのでサーベイメータとしてのバックグラウンド値を下げることができる。

放射線の入射によってプラスチックシンチレータの内部で発光した蛍光は等方的角度に一様に広がるため、蛍光は上下の面と全反射条件を満たすものは内部捕獲によって全周囲の側端面から放出される。この側端面に集まる蛍光を集光するには、長手方向の側端面に図示しないが例えば酸化チタンから成る乱反射材を光学接続する。これを鏡面反射材にしてしまうと、主な蛍光は側端面間を全反射条件で内部捕獲された状態のまま繰り返し往復するだけで減衰によっていずれ自己消滅する。乱反射によって蛍光の一部は内部捕獲を逃れてライトガイドに入射し、一方、全反射条件で捕獲されている蛍光の一部は、末端両面からも放出されるため、光電変換部３を光学接続して光電面に蛍光を直接入射させる。

もう一方の末端面は反射部４と光学結合して全反射させることで集光が向上する。プラスチックシンチレータをライトガイド部１に密着させる場合、プラスチックシンチレータの表面に空気層があればプラスチックシンチレータを介して全反射条件が成立するため、プラスチックシンチレータとライトガイド部１は空気層を介在させずに光学接続しても良い。図３に示すようにシンチレータ部２を薄く円筒形状に加工できる場合、円柱状に加工したライトガイドを円筒のシンチレータ内に配置し、円柱の検出部が構成できる。これは、配管の内表面を測定する際、検出面との距離を均等かつ最小にできるため測定効率が向上する。しかし薄く加工することが困難な場合は、ライトガイド部１を多角形状とすることで、加工が容易な平板形状のシンチレータを適用できる。

また、シンチレータ部２と遮光部６は光学接続せずに空気層を介在させて密着させる。
これは、シンチレータ部２をプラスチックシンチレータとした場合にライトガイド部１の透明アクリル部分に対して顕著で、透明アクリルは自発光による全反射条件が成立しないため、光電変換部３に到達する蛍光はシンチレータ部２と遮光部６の間で相互反射しながら伝播してきたものが主となる。

このため、シンチレータ部２と遮光部６を光学接続させると相互反射による蛍光伝播が成立しなくなる。よって光電変換部３に入射するのは、シンチレータ部２からの直接光と表面形状が完全な平坦でないために透明アクリル内で全反射条件が成立した僅かな蛍光が主となり、結果的に集光が低下する。

以上のように本第１の実施の形態によれば、放射線検出部を容易に長尺かつ細径化することができるとともに、長さ方向の検出感度が平坦化されかつ最低感度が向上するため、検出下限を向上することができる。その結果、低コストで容易に長尺化かつ細径化することができ、かつ、管内の放射能汚染を効率的に測定できる放射線検出部を有するサーベイメータを提供することができる。

（第２の実施の形態）
図５は本発明の第２の実施の形態に係るサーベイメータを示す図である。
図５に示す本第２の実施の形態に係るサーベイメータは、上記第１の実施の形態の構成に、ライトガイド部１と、２つの光電変換部３を介して双方と光学接続して設けられた透明部材からなるライトアダプタ部１４と、２つの光電変換部３と接続される独立した２つの波高弁別部７と、２つの波高弁別部７から出力されたそれぞれのロジック信号が時間的に同時に存在した場合に１つのロジック信号を出力する同時計数処理部１５とを備える。

ライトアダプタ部１４の部材は透明アクリルが良く、全表面を鏡面研磨処理した後に、図示しないが光学接続されていない全ての表面に酸化チタンから成る乱反射材を塗布することでライトアダプタ部１４の内部に閉じ込められた蛍光が、２つの光電変換部３に入射する確率が向上する。

また、図５に示す実施の形態は、ライトガイド部１の両端面にそれぞれ光電変換部３を光学接続してある。例えば放射線の強度が弱いと蛍光量も少ないため、信号成分とノイズ成分の波高レベルは近づく傾向となり、そうなると波高弁別部７だけでは信号成分とノイズ成分を弁別できなくなる。本実施の形態で観測されるノイズ成分としては、光電変換部３のリーク電流に起因するランダムなノイズ成分が主を占めている。このため光電変換部３を２つ使用して、その出力信号の同期性を取ることで、蛍光からの同期性のある信号と同期性のないノイズ信号とを簡単に弁別することができる。

以上のように本第２の実施の形態によれば、放射線検出部を容易に長尺かつ細径化することができるとともに、サーベイメータとしてのバックグランド値を下げることができるので、長さ方向の検出感度が平坦化されかつ最低感度が向上するため、検出下限をさらに向上することができる。その結果、低コストで容易に長尺化かつ細径化することができ、かつ、管内の放射能汚染を効率的に測定できる放射線検出部を有するサーベイメータを提供することができる。

本発明の実施の形態に係るサーベイメータの全体構成図。 本発明の第１の実施の形態に係る多角形状のサーベイメータ。 本発明の第１の実施の形態に係る円筒形状のサーベイメータ。 本発明の第１の実施の形態に係るサーベイメータの計数効率特性図。 本発明の第２の実施の形態に係るサーベイメータを示す図。 従来のサーベイメータ。

符号の説明

１…ライトガイド部、２…シンチレータ部、３…光電変換部、４…反射部、５…波長シフトファイバ、６…遮光部、７…波高弁別部、８…カウンタ部、９…汚染判定処理部、１０…表示部、１１…高圧電源部、１２…第一ライトガイド部、１３…第二ライトガイド部、１４…ライトアダプタ部、１５…同時計数処理部、１６…測定対象、１７…放射線検出部、１８…信号処理表示部、２０…サーベイメータ。

Claims (6)

1. 管内表面汚染を測定する放射線測定装置において、波長シフト部材からなる第一ライトガイド部と透明部材から成る第二ライトガイド部とからなり、長手方向の端面部同士が接続された所定長さを有する多角形状の棒状のライトガイド部と、前記第一ライトガイド部側の端面部に接続される反射部と、前記第二ライトガイド部側の端面部に接続される光電変換部と、前記ライトガイド部の周囲に配置されるシンチレータ部と、前記シンチレータ部の周囲に配置され放射線を透過しかつ外部からの光を阻止する機能を持つ遮光部と、前記光電変換部から出力された信号を処理する信号処理表示部と、を備えたことを特徴とする放射線測定装置。
2. 前記信号処理表示部は、前記光電変換部からのパルス波高値が閾値以上の場合にロジック信号を出力する波高弁別部と、前記波高弁別部からのロジック信号を計数するカウンタ部と、前記カウンタ部の計数値から汚染の有無を判定処理する汚染判定処理部と、前記カウンタ部の数値並びに前記汚染判定処理部の汚染判定結果を表示する表示部と、からなることを特徴とする請求項１記載の放射線測定装置。
3. 前記シンチレータ部は平板形状であり、前記シンチレータ部の長手方向の側端面に反射部を備えたこと、を特徴とする請求項１又は２記載の放射線測定装置。
4. 前記シンチレータ部は平面形状であり、２枚の前記シンチレータ部の間に波長シフト部材からなるファイバ部を配置し、前記ファイバ部の端面部に反射部を、前記ファイバ部のもう一方の端面部に光電変換部を接続したことを特徴とする請求項１又は２記載の放射線測定装置。
5. 前記光電変換部を複数個設置し、前記波高弁別部からのロジック信号を同時計数処理する同時計数処理手段とを有することを特徴とする請求項１又は２記載の放射線測定装置。
6. 前記ライトガイド部と光電変換部との間にライトアダプタ部を設け、前記ライトアダプタ部は前記ライトガイド部ならびに前記光電変換部と接続され、前記ライトアダプタ部の接続面以外の面に反射部を備えたこと、を特徴とする請求項５記載の放射線測定装置。

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