JP5920707B2

JP5920707B2 - 放射線量測定装置

Info

Publication number: JP5920707B2
Application number: JP2012042925A
Authority: JP
Inventors: 利夫黒堀
Original assignee: Kanazawa University NUC
Current assignee: Kanazawa University NUC
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2032-02-29
Also published as: JP2013178192A

Description

本発明は、放射線量を二次元的に測定及び解析できる放射線量測定装置及びこれに用いるディスク状のセンサに関する。

銀イオンを含有するリン酸塩ガラスは、銀活性リン酸塩ガラスと称され、放射線量の蛍光ガラス線量計の素子として知られている。
銀活性リン酸塩ガラスはＸ線、β線、γ線等の放射線の照射により銀関連の誘起された誘起蛍光中心が累積的に蓄積され、波長３００〜４１０ｎｍの紫外線等で励起すると蛍光を発光する。
この現象は、ラジオフォトルミネッセンス（ＲＰＬ）と称されている。
放射線量計には熱刺激ルミネッセンス（ＴＳＬ）及び光刺激ルミネッセンス（ＯＳＬ）現象を利用したものも知られているが、銀活性リン酸塩ガラスを用いたＲＰＬは、高感度（最小検知感度：１０μＧｙ）で高空間分解能（１μｍ以下）を有し、広いダイナミックレンジと直線性（１０μＧｙ〜１００Ｇｙ）を有していることを本発明者は確認した。
また、銀活性リン酸塩ガラスは他の材料に比較して放射線照射から時間が経過すると蛍光が減少してしまうフェーディング特性が１％／年以下と優れていて、放射線量の読み出しにおいて誘起蛍光中心が消滅しないことから繰り返し読み出しが可能であり、放射線量の積算も可能である。

特許文献１は銀活性リン酸塩ガラスを用いた円柱状の放射線量計素子を開示し、特許文献２は銀活性リン酸塩ガラスを用いた方形の照合ガラスを開示するが、いずれも二次元放射線量センサとして用いたものではない。

本発明者は、これまでに空間分解能及びフェーディング特性を改善したＢａＦＢｒ：Ｅｕ^２＋系のイメージングプレートを提案している（特許文献３）。
これは光刺激ルミネッセンス現象を用いたものである。

特開２００３−７３１３７号公報特開平７−２９４６４８号公報特開２００６−２５１６９０号公報

本発明は簡単な機構で、放射線量の二次元測定及び当該放射線量の蓄積情報の読み出しが可能な放射線量測定装置の提供を目的とする。
また、この放射線量測定装置内で誘起蛍光中心（放射線量の蓄積情報）の消去が可能であり、繰り返し使用できる放射線量二次元センサの提供を目的とする。

本発明に係る放射線量測定装置は、銀活性リン酸塩ガラス層を有するディスクと、当該ディスクを回転制御する回転機構と、当該ディスクに励起光を照射するためのレーザー光照射手段と、当該ディスクから発する蛍光を検出する蛍光検出手段とを備えたことを特徴とする。

ここで、前記レーザー光照射手段は、放射線照射により前記ディスクに記録された放射線量蓄積情報を消去するための加熱手段にも併用可能にすることもできる。
また、前記レーザー光照射手段は、前記ディスクに記録された放射線量蓄積情報のビルドアップ現象を解消するためのプレヒート手段にも併用可能にすることができる。

本発明の特徴の１つは、ディスク型の放射線量二次元センサに形成した点にある。
例えば、Ｂｌｕ−ｒａｙＤｉｓｃＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎが策定したＢｌｕ−ｒａｙＤｉｓｃは波長４０５ｎｍの青色半導体レーザー光及び開口率（ＮＡ）０．８５程度のレンズを用いて０．３２μｍのトラックピッチの情報読み出し（書き込み）を行っている。
また、銀活性リン酸塩ガラス（以下ＰＧ：Ａｇ材と称する）は紫外線で励起すると放射線量の蓄積量に対応して強度が異なる蛍光を発光する。
従って、ＰＧ：Ａｇ材でディスクを形成すればブルーレイディスクレコーダー等の光ピックアップ装置を用いて、あるいはその簡単な改造にて放射線量二次元情報の読み出しが可能である。

放射線量を二次元的に蓄積し、その蓄積情報を読み取るにはＰＧ：Ａｇ材層の厚みは、０．０５ｍｍ以上あればよい。
しかし、このような薄さでは取扱いが大変であり、ディスクの大きさをＣＤ規格，ＤＶＤ規格と同様の直径１２ｃｍ，厚さ１．２ｍｍにすると共通性があり便利である。
そこで、本発明に用いる放射線量二次元センサディスク（以下、単にディスクと称する）は、例えばポリカーボネート、ホウ素ケイ酸塩ガラス（光学ガラス）等からなる円盤状の基板にＰＧ：Ａｇ材を積層するのが好ましい。
ＰＧ：Ａｇ材層の厚みは０．０５〜０．６ｍｍ、好ましくは０．０５〜０．３ｍｍである。
この場合に全体の厚みを１．２ｍｍにするには、ポリカーボネートの厚みを０．６〜１．１５ｍｍにすることになる。
なお、ＰＧ：Ａｇ材層を０．６ｍｍよりも厚くしたり、ＰＧ：Ａｇ材だけで１．２ｍｍにしてもよい。
また、本発明に用いるディスクの大きさ、厚みを上記ＣＤ規格、ＤＶＤ規格に必ずしも一致させる必要もない。

ＰＧ：Ａｇ材に放射線が照射されると、その電離作用によりガラス中に電子及びホールが生成される。
電子はＡｇ^＋に捕獲され、ブルーＲＰＬ（４７０ｎｍ）の発光中心となるＡｇ^０センターを形成する。
一方、ホールは一旦ガラス網目構造のＰＯ_４センターを経由し、ある時間経過後にＡｇ^＋に捕獲され、オレンジＲＰＬ（５６０ｎｍ）の発光中心となるＡｇ^２＋センターになる。
従って、オレンジＲＰＬを検出信号とする場合には、このようなビルドアップ現象を解消するために５０〜１５０℃、好ましくは６０〜１００℃にプレヒート（低温加熱）するのが好ましい。
このプレヒート手段として放射線量蓄積情報を読み取る際に励起光に用いるレーザー光照射手段の出力を少しアップさせることで併用できる。
レーザー光をビームとしてディスクを回転させながら局所的に照射するから、小さな出力でよい。

ＰＧ：Ａｇ材は、３５０〜４００℃のアニーリング（加熱処理）にて誘起蛍光中心を消去でき、繰り返し使用できる。
そこで、本発明者は前記放射線量の読み取りの際に用いる励起光のレーザー光照射手段の出力を調整することでディスクを回転させながら局所的に加熱でき、このアニーリング処理に併用できることを明らかにした。

ＰＧ：Ａｇ材を円盤状のポリカーボネート基板等の樹脂基板、あるいはホウ素ケイ酸塩ガラス等の光学ガラス基板上に、積層したことにより半導体レーザー光の照射にて局所的に順次３５０〜４００℃に加熱することができる。
ディスクのベース材に光学ガラス等の透明基板を用いると、表面側から励起光を照射し、裏面側から蛍光等を検知し、放射線量蓄積情報を読み取ることができる。

また、ポリカーボネート等の樹脂基板上にＰＧ：Ａｇ材を積層する場合に、このポリカーボネート層とＰＧ：Ａｇ材層との間に例えばＡｌ蒸着膜等の厚さ５〜３０ｎｍの極薄い反射層を形成してもよい。
このようにＰＧ：Ａｇ材層の下に反射層を形成すると、レーザー光照射の出力を相対的に小さくしても約４００℃位までに局所的に加熱しながらディスクを回転加熱処理できる。
アニーリングを目的としてレーザー光を用いる場合には、ＰＧ：Ａｇ材層の厚みを０．６ｍｍ以下にするのが好ましく、０．０５〜０．３ｍｍ程度がさらによい。

本発明で放射線量二次元センサとして銀活性リン酸塩ガラスを用いた、あるいはこのＰＧ：Ａｇ材を積層したディスクにしたことにより、ディスクを回転制御し、半導体レーザー光を励起光に用いて発光する蛍光の強度を順次読み取ることができ、高い分解能にて放射線量の蓄積情報を二次元的に測定することができる。
また、ディスクを回転させながらレーザー光をビームとして局所的に順次照射するので、レーザー光の照射手段の出力を調整することで、プレヒートやアニーリングにも使用できる。

本発明に係るディスクの構造例を示す。本発明に係る装置の測定構成例を示す。試験，評価に用いた装置の配置図を示す。Ｘ線照射後、室温でディスクを放置した時の経過時間とＲＰＬ強度の関係を示す。累積放射線量及びプレヒートとオレンジＲＰＬ強度の関係を示す。（ａ）はＸ線照射前，（ｂ）はＸ線照射後のＰＧ：Ａｇディスクに波長３５２ｎｍのブラックライトを照射した時のＲＰＬを示す。４００ｒｐｍで回転するディスクから測定したオレンジＲＰＬのオシロスコープ波形を示す。図７のデータをディスク形状に描いた時のＲＰＬ強度分布を示す。（ａ）はマスキングしてＸ線照射したＰＧ：Ａｇディスクにブラックライト（３５２ｎｍ）を照射した写真を示し、（ｂ）は測定装置から得られたデータを基にパソコンで再構築した（ａ）の２−Ｄイメージを示す。（ａ）はマスキングしてＸ線照射したＰＧ：Ａｇディスクにブラックライト（３５２ｎｍ）を照射した写真を示し、（ｂ）は測定装置から得られたデータを基にパソコンで再構築した（ａ）の３−Ｄイメージを示す。分解能の測定結果を示す。加熱温度とオレンジＲＰＬ強度の関係を示す。レーザー出力５ｍＷにおける蛍光中心の消去実験結果を示す。

図１に本発明に係る放射線量二次元センサとしてのディスク１０の構造例を示す。
好ましいディスク１０の構造は、厚さ０．９〜１．１５ｍｍ，直径１２ｃｍの円盤状のポリカーボネート基板２に厚さ５〜３０ｎｍのＡｌ蒸着膜からなる反射層３を形成し、この上に０．０５〜０．３ｍｍの銀活性リン酸塩ガラス層（ＰＧ：Ａｇ材層）１を積層したものであるが、今回評価用に試作したディスク１０は、厚み０．６ｍｍのポリカーボネート基板２の上に１０ｎｍのＡｌ蒸着膜を形成し、その上に０．６ｍｍのＰＧ：Ａｇ材層を積層した。
なお、ディスクのベース材としてホウ素ケイ酸塩ガラス（光学ガラス）を用いることもできる。
また、この光学ガラスをベース材として用いた場合に表面にＡｇを蒸着し、熱拡散により表面がＡｇ活性を有するガラスディスクにしてもよい。
さらには、本発明者が特許文献３に開示したように光学ガラスからなるディスクの表面にＢａＦＢｒ：Ｅｕ^２＋系の薄膜をスピンコート法等により形成し、光刺激ルミネッセンス（ＯＳＬ）にて表面から励起光を照射し、裏面側から放射線量蓄積情報を読み取ることもできる。

試作した放射線量測定装置の構成図を図２に示し、図３に装置配置図（写真）を示す。
ディスクを回転機構に保持し、励起レーザー光をレンズを介してこのディスク表面にビーム照射し、発光した蛍光の強度をフィルターやレンズ等を介してオシロスコープにて測定した。
回転するディスクの位置をＸ−Ｙ制御装置で径方向に移動制御しながら、ディスクに記録された放射線量の蓄積情報を二次元データとして読み取ることができる。
なお、蛍光には波長約４７０ｎｍのブルー光と、波長約５６０ｎｍのオレンジ光が発光する。

事前調査として、ビルドアップ現象の確認をすべく、試作したディスクに７．３５Ｇｙの放射線量のＸ線を照射し、室温でディスクを放置した時間とＲＰＬ強度の関係を調査した結果を図４のグラフに示す。
また、図５のグラフはＸ線の照射の経過と、オレンジＲＰＬの蛍光強度の関係を示す。
サンプル１は０．８２Ｇｙの照射後に１．６４Ｇｙ照射し、それをプレヒートし、サンプル２は逆に１．６４Ｇｙ照射後に０．８２Ｇｙ照射し、プレヒートしたものであり、サンプル３は１．６４Ｇｙ照射後にプレヒートし、さらに０．８２Ｇｙ照射した後にプレヒートしたものである。
図４の結果等も考慮して、プレヒート条件は７０℃×３０分程度がよく、図５のグラフからＰＧ：Ａｇ材に照射した放射線量は経過を問わず累積的に蓄積し、７０℃×３０分のプレヒートにより総放射量が一致することが確認できた。
また、波長３７５ｎｍのレーザー光にて出力１０ｍＷ×３〜５分にてプレヒート処理ができた。

次に本発明に係る二次元放射線量センサの分解能を調査した。
ディスクにマスキングし、Ｘ線照射（７．３５Ｇｙ）後の図６は、Ｘ線照射（７．３５Ｇｙ）前（ａ）と後（ｂ）のＰＧ：Ａｇディスクに波長３５２ｎｍのブラックライトを照射した時のＲＰＬを示す。
図７にディスクの回転数４００ｒｐｍでのオレンジＲＰＬのオシロスコープ波形を示し、図８は、図７のデータをディスク形状に変換した時のオシロスコープで測定したＲＰＬ強度分布を示す。
また、図９（ａ）はマスキングしてＸ線照射したＰＧ：Ａｇにブラックライト（３５２ｎｍ）を照射した写真と（ｂ）はパソコンで再構築した（ａ）の２−Ｄイメージを示す。
さらに、図１０に、図９と同様、（ａ）はマスキングしてＸ線照射したＰＧ：Ａｇにブラックライト（３５２ｎｍ）を照射した写真と（ｂ）はパソコンで再構築した（ａ）の３−Ｄイメージを示す。
さらに図１１に分解能の測定結果の１例を示す。
分解能としては１μｍレベル有することが分かる。

次に波長３７１ｎｍ，レーザー光出力１００Ｗ／ｃｍ^２（７．９ｍＷ，φ１００μｍ）を照射し続けながら、温度制御付きヒーター上にＸ線照射したＰＧ：Ａｇ材試料をおいて、そのオレンジＲＰＬ強度の温度依存性を各温度で調査し、その結果を図１２のグラフに示す。
この結果、２００℃以上にてオレンジＲＰＬ強度が弱くなることから、２００℃以上の加熱にて蛍光励起中心が消去し始めることがわかった。
今回の試作装置でレーザー光が最大出力となる、出力７１ｋＷ／ｃｍ^２（５ｍＷ，φ３μｍ）のときのオレンジＲＰＬ強度を図１３のグラフに示す。
この条件では、今回の試作のＰＧ：Ａｇ材層の厚みが０．６ｍｍであったためにオレンジＲＰＬの蛍光中心を完全に消去することはできなかったが、図１２，図１３のグラフからレーザー光の出力をアップするか、ＰＧ：Ａｇ材層の厚みを０．０５〜０．３ｍｍ程度に薄くすれば消去できることが分かった。

本発明に係るディスク型の放射線量二次元センサは、ＲＰＬのみならずＴＳＬやＯＳＬにも展開できる。
二次元的な放射線量の測定及び解析に用いるのが有効であり、例えばＸ線を用いた応力状態の解析や原子力発電所、医療現場における放射線量計としても利用できる。

１ＰＧ：Ａｇ材層
１０ディスク

Claims

銀活性リン酸塩ガラス層を有するディスクと、当該ディスクを回転制御する回転機構と、当該ディスクに励起光を照射するためのレーザー光照射手段と、当該ディスクから発する蛍光を検出する蛍光検出手段とを備えたことを特徴とする放射線量測定装置。
前記レーザー光照射手段は、放射線照射により前記ディスクに記録された放射線量蓄積情報を消去するための加熱手段にも併用可能にしたことを特徴とする請求項１記載の放射線量測定装置。
前記レーザー光照射手段は、前記ディスクに記録された放射線量蓄積情報のビルドアップ現象を解消するためのプレヒート手段にも併用可能にしたことを特徴とする請求項１又は２記載の放射線量測定装置。