JP5161141B2

JP5161141B2 - 熱中性子に有感な蛍光ガラス線量計用ガラス及び蛍光ガラス線量計

Info

Publication number: JP5161141B2
Application number: JP2009055193A
Authority: JP
Inventors: 敏行飯田; 文信佐藤; 幸佳山本; 大介牧
Original assignee: Osaka University NUC; Chiyoda Technol Corp
Current assignee: Osaka University NUC; Chiyoda Technol Corp
Priority date: 2009-03-09
Filing date: 2009-03-09
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2029-03-09
Also published as: JP2010210336A

Description

本発明は、放射線被ばく量を測定するための蛍光ガラス線量計に用いるに好適な、熱中性子に有感な蛍光ガラス線量計用ガラス、及び、これを利用した熱中性子に有感な蛍光ガラス線量計に関する。

放射線被ばく量を測定するための線量計の一つに蛍光ガラス線量計がある。

この蛍光ガラス線量計は、銀イオンを含有したりん酸塩ガラス（銀活性りん酸塩ガラスと称する）からなるガラス素子（以下、蛍光ガラス素子と称する）を検出子として用いており、この蛍光ガラス素子は波長３００〜４００ｎｍの紫外線励起により、オレンジ色の蛍光（Radiophotoluminesence：ＲＰＬとも称する）を発することが知られている。この蛍光量は照射した放射線量に比例するので、この蛍光量を測定することで放射線被ばく量を知ることができる。この蛍光は、何度でも繰り返し測定することができる。

我が国における蛍光ガラス線量計の進歩は、蛍光計測技術の開発と蛍光ガラス素子素材開発の両輪で進められてきた。蛍光計測技術の開発においては、例えば特許文献１及び特許文献２に記載されているように、紫外線レーザーを利用したパルス測定方式が導入されたことで、高精度な蛍光計測ができるようになった。

一方素材開発においては、非特許文献１で示すように様々なタイプの蛍光ガラス素子が作られ、放射線に起因しない素材自身からのバッググランド蛍光を低減するための努力が行われてきた。しかしながら、これら素材開発・改良は、Ｘ線やガンマ線、ベータ線といった放射線による被ばく量計測を目的に行われたものであった。

蛍光ガラス線量計を用いた熱中性子線被ばく量測定法として、例えば特許文献３に記載されているように、熱中性子線をガンマ線に変換するフィルタ（（ｎ，γ）変換フィルタ）で表面を覆った蛍光ガラス線量計と、熱中性子線とガンマ線を透過するフィルタ（（ｎ，γ）透過フィルタ）で表面を覆った蛍光ガラス線量計からなる複合素子を利用し、２種類の蛍光ガラス線量計の感度差から熱中性子線被ばく量を計測する方法があった。

また、非特許文献１で示されているように、リチウムを２〜５ｗｔ％と多く含有している蛍光ガラス素子も作られたことがある。これらは、熱中性子吸収断面積が極めて大きなリチウムの同位体⁶Ｌｉを含んでいる。⁶Ｌｉは熱中性子との原子核反応により、アルファ線及び反跳原子核を生成し、これらを計測することで、熱中性子線を検出することができる。

一般には熱中性子線による被ばく量の測定では、熱ルミネセンス線量計（Thermoluminesence dosimeter：ＴＬＤとも称する）が用いられている。放射線を照射した熱ルミネセンス線量計に熱を与えると、蛍光が放出される(熱ルミネセンス現象)。放出される光の量は放射線量に比例するので、蛍光の量を測定することで放射線被ばく量を計測できる。熱中性子線の測定には、⁶ＬｉＦ（Ｍｇ,Ｔｉ）、Ｍｇ₂ＳｉＯ₄（Ｔｂ）＋Ｇｄ、Ｍｇ₂ＳｉＯ₄（Ｔｂ)＋⁶ＬｉＦといった熱中性子線用熱ルミネセンス線量計が使われる。Ｇｄは⁶Ｌｉと同じく熱中性子吸収断面積が大きな物質であり、熱中性子と原子核反応を起こし、ガンマ線を放出する。

中性子線が存在する環境ではガンマ線も同時に存在することが多い。そのため、熱中性子線用熱ルミネセンス線量計を使用する場合は、ガンマ線補償用熱ルミネセンス線量計を併用する必要がある。たとえば、⁶ＬｉＦ（Ｍｇ,Ｔｉ）の補償用線量計は⁷ＬｉＦ（Ｍｇ,Ｔｉ）であり、Ｍｇ₂ＳｉＯ₄（Ｔｂ）＋Ｇｄ、Ｍｇ₂ＳｉＯ₄（Ｔｂ）＋⁶ＬｉＦの補償用線量計はＭｇ₂ＳｉＯ₄（Ｔｂ）である。熱中性子線による被ばく量は、熱中性子線検出用熱ルミネセンス線量計の指示値からガンマ線補償用熱ルミネセンス線量計の指示値を差し引くことで求められる。

特公昭４７−５１９１９号公報特公昭５０−３８３５２号公報特公平５−１２６７３号公報

横田良助「蛍光ガラス線量計の最近の進歩」応用物理第４０巻第１２号（１９７１）１２９２−１３０６頁

前記の従来技術のうち、特許文献３に記載の手法においては、（ｎ，γ）変換フィルタで生じたガンマ線が、（ｎ，γ）透過フィルタで表面を覆った蛍光ガラス線量計に入らないようにガンマ線遮へい体を設ける工夫をしていた。しかしながら、ガンマ線の減衰率は指数関数的であり、遮へいを経ても０にはならないため、わずかながらではあるが（ｎ，γ）透過フィルタで表面を覆った蛍光ガラス線量計に入射する可能性がある。

又、非特許文献１に記載されているように、リチウム含有量が多い蛍光ガラス素子を使う方法では、リチウムの含有量が多くなるとガラス素子の物理的性質が変化してくるため、蛍光の波長特性及び減衰時間特性が変化する可能性があり、紫外線レーザーを利用したパルス測定方式の読取装置を使用する場合、測定条件を変更する必要が出てくる。そのため汎用性に欠ける。

又、蛍光ガラス線量計は繰り返し測定ができるのに対し、熱ルミネセンス線量計は、蛍光量の読取に１度失敗すると、２度と読むことができないという短所を持つ。

本発明は、上記従来技術の問題点を解決すべく行われたものであり、蛍光特性を大きく損なうことなく、熱中性子と熱中性子・アルファ線変換剤の反応により生じるアルファ線並びに反跳原子核を検出することで、ガンマ線補償用蛍光ガラス素子に対する影響を与えることなく、一般的に使われている熱ルミネセンス線量計と同等の熱中性子感度を持つ新たな蛍光ガラス線量計用ガラス、及び、これを用いた蛍光ガラス線量計を提供することを課題とする。

放射線に曝露された銀活性りん酸塩ガラスは、紫外光で励起するとオレンジ色の蛍光（ＲＰＬ）を発する。従来の蛍光ガラス素子は、放射線のうちＸ線、ガンマ線、ベータ線の検出を目的に開発されてきた。本発明は、上記の放射線の他に、熱中性子の検出も可能とする銀活性りん酸塩ガラスを開発したものである。

具体的には、メタりん酸ナトリウム、メタりん酸アルミニウム、塩化銀およびメタりん酸リチウムを高温下（例えば１２００℃、３時間保持）で溶融し、ゆっくりと室温まで冷却することによって、ヒビが全く入らない透明な蛍光ガラス素子を製作できた。

よく知られているように、リチウムは天然において、同位体存在比（ｍｏｌ比）
⁶Ｌｉ：⁷Ｌｉ＝７．６：９２．４で存在しており、このうち⁶Ｌｉは熱中性子吸収断面積が大きいために、熱中性子検出材料としてよく使われる。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、銀活性りん酸塩ガラスに、熱中性子・アルファ線変換剤を添加することにより、放射線照射後に紫外光励起をすると波長５００〜８００ｎｍ領域の蛍光を放出し、蛍光の時間特性が熱中性子・アルファ線変換剤の濃度に依存しないことを特徴とする、熱中性子に有感な蛍光ガラス線量計用ガラスを得たものである。

ここで、前記蛍光ガラス線量計用ガラスが、前記銀活性りん酸塩ガラスとして、メタりん酸ナトリウムを３９〜５２．４重量％、メタりん酸アルミニウムを３７．４〜５０．８重量％、塩化銀を０．１４〜０．２３重量％含み、前記熱中性子・アルファ線変換剤としてメタりん酸リチウムを１〜２０重量％含むものとすることができる。

なお、ガラス材料の混合比率の上限及び下限値は次のようにして定めた。

発明者が作製した数十点のガラス素子の作製点を図１の三角図に示す。市販のガラス素子と作製したガラス素子を、ガンマ線で同じ線量（１０Ｇｙ）だけ照射し、蛍光強度（ＲＰＬ強度）を測定した。図中◎、○、△の点は、それぞれ市販のガラス素子に比べてＲＰＬ強度が１〜０．１倍、０．１〜０．０１倍、０．０１倍未満の点である。又、●の点は、ガラス化しなかった点を示す。実用的にはＲＰＬ強度が一桁以上落ちると使えないと考えて、◎の点を実用素子とした。

又、◎の点は、○の点に囲まれているので、○の点のメタりん酸ナトリウムＮａＰＯ₃及びメタりん酸アルミニウムＡｌ（ＰＯ₃）₃混合比率を閾値とした。図１より、ＮａＰＯ₃の下限が３９ｗｔ（重量）％、上限が５２．４ｗｔ％とした。又、Ａｌ（ＰＯ₃）₃の下限は３７．４ｗｔ％、上限は５０．８ｗｔ％とした。

一方、メタりん酸リチウムＬｉＰＯ₃の混合比率に関しては、○の点のうち、ＬｉＰＯ₃含有量が最大の点を上限値２０ｗｔ％とした。一方、下限値であるが、これは表１に示す実際に熱中性子を照射した結果の熱中性子／ガンマ線分離能力から決定した。

表１において、ＮａＰＯ₃１ｗｔ％混合物は、熱ルミネセンス線量計ＴＬＤに比べて分離能力が劣っているので、ＬｉＰＯ₃の下限値を１ｗｔ％とした。

一方、塩化銀の濃度範囲は、０．１４ｗｔ％（銀換算濃度で０．１ｗｔ％）未満では、蛍光量が減少するので実用的ではない。一方、非特許文献１で紹介されているように、過去には銀濃度が大きなタイプもあったが、フェーディング現象（放射線被ばくに起因するＲＰＬが時間経過につれて、消失していく現象）が大きいため、銀濃度を下げていき、０．１７ｗｔ％で最適化されたという経緯がある。そこで、上限は、市販ガラスに含まれる銀濃度０．１７ｗｔ％（塩化銀換算で０．２３ｗｔ％）とした。

なお、熱中性子・アルファ線変換剤としては、天然Ｌｉの他、濃縮⁶Ｌｉや、¹⁰Ｂ化合物も使用可能であると考えられる。

本発明は、又、蛍光ガラス線量計用ガラスを備えたことを特徴とする、熱中性子に有感な蛍光ガラス線量計を提供するものである。

又、蛍光ガラス線量計用ガラスと、熱中性子・アルファ線変換剤を含まないガンマ線補償用ガラスが並設されていることを特徴とする、熱中性子に有感な蛍光ガラス線量計を提供するものである。

ここで、前記ガンマ線補償用ガラスを、リチウムを含有しないものとすることができる。

又、前記ガンマ線補償用ガラスを、天然同位体存在比を超えるモル濃度に⁷Ｌｉを濃縮したリチウムを含有するものとすることができる。

よく使われている熱中性子検出用熱ルミネセンス線量計は、濃縮⁶Ｌｉを使用して熱中性子を検出しているのに対して、本発明は、天然存在比の⁶Ｌｉを利用しているにもかかわらず、従来検出子と同等の熱中性子検出感度を有する。なお、濃縮⁶Ｌｉを利用して、さらに感度を高めることも可能である。

又、リチウム含有量が多い非特許文献１に記載の技術に比べて、リチウム含有量がはるかに少量でも、実用に耐えうる熱中性子感度を有する。

又、特許文献３に記載されているように、（ｎ，γ）反応を利用して熱中性子を計測する方法もあるが、その場合は、生じるガンマ線がガンマ線補償用検出子まで飛来し、そのガンマ線感度に影響を及ぼす。しかし、本発明の場合は、例えば⁶Ｌｉの（ｎ，α）反応を利用して熱中性子を荷電粒子に変換しており、荷電粒子の飛程の短さから、ガンマ線補償用検出子まで到達し得ないため、そのガンマ線感度に影響を及ぼさない。

又、紫外線レーザーで励起した場合、従来からある蛍光ガラス素子と波長及び減衰時間が近似した蛍光を発する。従って、既存の蛍光ガラス線量計用の読み取り装置を構造変更することなく、使用できる。

実験で作製したガラス素子のメタりん酸ナトリウム、メタりん酸アルミニウム、及びメタりん酸リチウムの混合比率を示す三角図ガンマ線照射後におけるＬｉＰＯ₃濃度による（Ａ）蛍光強度の減衰時間特性及び（Ｂ）蛍光スペクトルの違いを比較して示す図本発明の実施形態である蛍光ガラス線量計のガラス素子セットを示す（Ａ）容器と蓋の斜視図及び（Ｂ）断面図

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

まず蛍光ガラス素子の製作方法について説明する。

本実施形態のＬｉ含有蛍光ガラス素子は，メタりん酸ナトリウムＮａＰＯ₃、メタりん酸アルミニウムＡｌ（ＰＯ₃）₃、メタりん酸リチウムＬｉＰＯ₃および塩化銀ＡｇＣｌから製作した。そして、各成分の重量比を系統的に変化させて混合した。ただし、市販の蛍光ガラス素子に近い銀含有量にするために、Ａｇの重量比は０．１ｗｔ％一定とした。

ガラス材料をアルミナ製るつぼに入れて混ぜ合わせ、２５０℃で１５分間加熱することにより水分を蒸発させた後、１２００℃で３時間溶融した。溶融の際は、るつぼにアルミナ製蓋をした。続いて、溶融したガラス材料を石英ガラス上に流して成型し、徐冷作業を行った。徐冷点Ｔｃは４５０℃〜５００℃である。Ｔｃ＋５℃で３０分間一定温度を保持した後、３段階に分けて室温までガラスの温度を下げた。すなわち、
（１）Ｔｃ＋５℃から−１℃／ｍｉｎの速度でＴ_c−６０℃まで温度を下げる
（２）Ｔｃ−６０℃から−２℃／ｍｉｎの速度でＴ_c−１１０℃まで温度を下げる
（３）Ｔｃ−１１０℃から−１０℃／ｍｉｎの速度で室温までゆっくりと冷却することにより蛍光ガラス素子を製作した。実証試験のために作製したＲＰＬガラス素子の成分を表２に示す。

次に、熱中性子の検出方法について説明する。

熱中性子用蛍光ガラス素子と市販のリチウムを含まない蛍光ガラス素子をガンマ線で照射した。照射後、３５５ｎｍ紫外線パルスレーザーにより蛍光ガラス素子を励起し、放出されるＲＰＬの特性を調べた。図２（Ａ）はガンマ線照射後におけるＲＰＬの減衰時間特性、図２（Ｂ）はガンマ線照射後におけるＲＰＬの波長特性である。ＬｉＰＯ₃の重量％濃度が増えても、市販のリチウムを含まないガラス素子のＲＰＬ特性に近似していることがわかった。このことは、既存の蛍光ガラス線量計用読み取り装置が、構造変更することなしにそのまま使えることを意味する。

次に熱中性子用蛍光ガラス素子の熱中性子に対する感度を調べるために、熱中性子場において熱中性子を照射した。一般的に中性子場には、中性子とガンマ線が共存する。従って、こういった場における中性子線量を測定する場合は、ガンマ線の影響を補償する必要がある。

熱中性子用蛍光ガラス素子はガンマ線にも有感なので、蛍光ガラス線量計として図３に示すガラス素子セットを用いて、ガンマ線補償用蛍光ガラス素子として、市販のリチウムを含まない蛍光ガラス素子も同時に照射した。図において、１０は２つのガラス収容部が形成された、一般的な合成樹脂（例えばＡＢＳ樹脂）製の容器、１２は同じく一般的な合成樹脂製の蓋、２０は本発明に係る熱中性子用蛍光ガラス素子、２２はガンマ線補償用蛍光ガラス素子である。

照射後、蛍光ガラス素子を３５５ｎｍ紫外線パルスレーザーにより励起し、ＲＰＬ量を計測した。熱中性子用蛍光ガラス素子２０から放出されるＲＰＬは熱中性子及びガンマ線によるものであり、ガンマ線補償用蛍光ガラス素子２２から放出されるＲＰＬはガンマ線によるものである。熱中性子線量の評価は次の式で行う。

Ｄ’_S＝Ｄ_S／ａ …（１）
Ｄ_H＝Ｄ’_S−Ｄ_G …（２）
Ｄ_S：熱中性子用蛍光ガラス素子２０のＲＰＬ計数値
Ｄ’_S：ｎ＋γ合計線量値
ａ：感度補正係数
Ｄ_G：ガンマ線補償用蛍光ガラス素子２２が示したガンマ線量値
Ｄ_H：ｎ線量値

前出表１に、熱中性子線量値とガンマ線量値の比を示した。対比のために、熱ルミネセンス線量計ＴＬＤの結果も載せている。表１の結果から、本発明にかかる熱中性子用蛍光ガラス素子は、熱ルミネセンス線量計とほぼ同等の熱中性子感度を有することが確認できた。

なお、前記実施形態においては、熱中性子・アルファ線変換剤としてメタりん酸リチウムを用いていたが、熱中性子・アルファ線変換剤の種類はこれに限定されず、濃縮した⁶Ｌｉを含んだものや、¹⁰Ｂ化合物を用いることも可能である。

又、ガンマ線補償用蛍光ガラス素子も、リチウムを含有しないものに限定されず、天然同位体存在比を超えるモル濃度に⁷Ｌｉを濃縮したリチウムを含有するものでも良い。

１０…容器
１２…蓋
２０…熱中性子用蛍光ガラス素子
２２…ガンマ線補償用蛍光ガラス素子

Claims

銀活性りん酸塩ガラスに、熱中性子・アルファ線変換剤を添加してなり、放射線照射後に紫外光励起をすると波長５００〜８００ｎｍ領域の蛍光を放出し、蛍光の時間特性が熱中性子・アルファ線変換剤の濃度に依存しないことを特徴とする、熱中性子に有感な蛍光ガラス線量計用ガラス。
前記蛍光ガラス線量計用ガラスが、前記銀活性りん酸塩ガラスとして、メタりん酸ナトリウムを３９〜５２．４重量％、メタりん酸アルミニウムを３７．４〜５０．８重量％、塩化銀を０．１４〜０．２３重量％含み、前記熱中性子・アルファ線変換剤としてメタりん酸リチウムを１〜２０重量％含むことを特徴とする、請求項１に記載の熱中性子に有感な蛍光ガラス線量計用ガラス。
請求項１又は２に記載の蛍光ガラス線量計用ガラスを備えたことを特徴とする、熱中性子に有感な蛍光ガラス線量計。
請求項１又は２に記載の蛍光ガラス線量計用ガラスと、熱中性子・アルファ線変換剤を含まないガンマ線補償用ガラスが並設されていることを特徴とする、熱中性子に有感な蛍光ガラス線量計。
前記ガンマ線補償用ガラスがリチウムを含有しないことを特徴とする、請求項４に記載の熱中性子に有感な蛍光ガラス線量計。
前記ガンマ線補償用ガラスが、天然同位体存在比を超えるモル濃度に⁷Ｌｉを凝縮したリチウムを含有することを特徴とする、請求項４に記載の熱中性子に有感な蛍光ガラス線量計。