JP6062268B2 - 光検出ユニットおよびアルファ線観測装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、アルファ線によって発生する発生光を計測することによってアルファ線を観測する光検出ユニットおよびこれを用いたアルファ線観測装置に関する。

放射線のうちアルファ線の検出器として、たとえば、アルファ線が入射すると発光するＺｎＳシンチレーターを用いた検出器が知られている。これに対して、アルファ線が大気中の窒素を発光させることを利用し、窒素の発光を観測してアルファ線を検出し遠隔からでもアルファ線を観測できるアルファ線観測装置がある。この発光は紫外光である。

図９は、窒素の発光を観測してアルファ線を検出するアルファ線観測装置の従来の構成の例を示す横断面図である。

図９のように、窒素の発光を集光する集光レンズ１０１、集光した光から窒素の発光を抽出する波長選択素子１０２、抽出された窒素の発光を透過光と反射光に分ける光学素子１０３、反射光の伝搬方向を変える方向変更部１０４、透過光と反射光を受光して光子数を計数する光検出器１０５ａ、１０５ｂ、光検出器１０５ａ、１０５ｂにおいて透過光と反射光を同時計測することによりアルファ線による窒素の発光を選択する信号処理装置１０６とから構成されるアルファ線観測装置が知られている。

特表２０００−５０７６９８号公報

Ｒｅｍｏｔｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ａｌｐｈａ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ， ＩＡＥＡ―ＣＮ−１８４／２３

前記のような装置は、測定環境の変動で測定値に誤差が生じてしまうという課題があった。たとえば、アルファ線以外に、検出器が検出する対象にガンマ線等が含まれている場合、ガンマ線の影響を受けノイズ信号が発生し測定結果に誤差が生じるという課題があった。

図９に示されるように、窒素の発光を測定することでアルファ線の計測を行っているが、アルファ線の線源近傍の窒素の発光により、この発光が光検出器に直進する体系である。アルファ線源の核種の多くはガンマ線源でもあり、この場合は、ガンマ線も検出器に到達することになる。また、アルファ線源がガンマ線源ではない場合でも、環境からのガンマ線がアルファ線の計測結果に影響を与えることになる。

本発明の実施形態は、上述の課題を解決するためになされたものであり、アルファ線によって発生する発生光を計測することによってアルファ線を観測する際に、ガンマ線等の測定環境のもとでも、アルファ線由来の信号を正確に測定可能とすることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の実施形態は、計測対象の領域において生じたアルファ線によって発生する発生光を計測することによって前記アルファ線を観測する光検出ユニットであって、前記発生光の進行方向を変更する進行方向変更部と、前記発生光の進行方向変更後の転進光を検出する光検出部と、前記光検出部の周囲を包囲し、前記計測対象から前記光検出部に至る直線上に設けられた部分と、前記発生光が前記進行方向変更部に到達するための侵入口と、前記侵入口と反対側に開口部と、を有して前記光検出部を放射線から遮へいする遮へい部材と、を備えることを特徴とする。
また、本発明の実施形態は、計測対象の領域において生じたアルファ線によって発生する発生光を計測することによって前記アルファ線を観測する光検出ユニットであって、前記発生光の進行方向を変更する進行方向変更部と、前記発生光の進行方向変更後の転進光を検出する光検出部と、前記光検出部の周囲を包囲し、前記計測対象から前記光検出部に至る直線上に設けられた部分と、前記発生光が前記進行方向変更部に到達するための侵入口と、前記進行方向変更部からみて前記光検出部の反対側に窪みと、を有して前記光検出部を放射線から遮へいする遮へい部材と、を備えることを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、アルファ線によって発生する発生光を計測することによってアルファ線を観測する際に、ガンマ線等の測定環境のもとでも、アルファ線由来の信号を正確に測定することができる。

本発明の第１の実施形態の構成を示す横断面図である。 本発明の第１の実施形態の変形例の構成を示す横断面図である。 本発明の第２の実施形態の構成を示す横断面図である。 本発明の第３の実施形態の構成を示す横断面図である。 本発明の第４の実施形態の構成を示す横断面図である。 本発明の第５の実施形態の構成を示す横断面図である。 本発明の第６の実施形態の構成を示す横断面図である。 本発明の第７の実施形態の構成を示す横断面図である。 アルファ線観測装置の従来の構成の例を示す横断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る光検出ユニットおよびアルファ線観測装置について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態の構成を示す横断面図である。なお、図１の名称を横断面図と呼んでいるが必ずしも鉛直方向に対して横方向等の意味ではなく、方向は問わない。以下の図面についても同様である。

アルファ線観測装置２０２は、計測対象３内にアルファ線源１が存在するか否かを確認するために使用される。図１に示すように、計測対象３内にはガンマ線源２も存在することが多い。アルファ線観測装置２０２は、具体的には一つの光検出ユニット２０１を有する。

計測対象３にアルファ線源１が存在する場合には、アルファ線源１からアルファ線が発せられたときに、アルファ線との相互作用によってその周囲の空気中の窒素が励起する。この励起した窒素が基底状態に戻る際に特定波長の紫外光を発する。

ここで、アルファ線と窒素との相互反応により放出される紫外光の波長は、３１１．６７ｎｍないし３９１．４４ｎｍ程度の可視光に近い波長の近紫外光である。３１３．６ｎｍ、３１５．９３ｎｍ、３３７．１３ｎｍなど波長の紫外光の強度が相対的に大きい。これらを総称して紫外光という。

アルファ線観測装置２０２は、光検出ユニット２０１がこの紫外光を検出することによってアルファ線の存在を観測するものである。

光検出ユニット２０１は、集光部１４ａ、進行方向変更部１３、光検出器１１、遮へい部材２１およびこれらを収納する筐体１２を有する。

集光部１４ａは、計測対象３からの紫外光をまとめる機能を持つ。すなわち、光検出ユニット２０１が計測対象３に近く、かつ紫外光を取り入れる面積が大きい場合は、光検出ユニット２０１に到達する紫外光の方向は立体的な広がりを持っているために、この紫外光を平行な光とする、ないしは光検出器１１で収束させる必要がある。

集光部１４ａは、たとえば単レンズや平凸レンズ、凹面鏡等などでよい。また、光検出器１１の検出対象である紫外光を含む波長の領域を反射する反射防止膜等のコーティングがされていてもよい。

光検出器１１は、アルファ線とその周囲の空気中の窒素との相互作用によって発生して光検出器１１に到達した紫外光を検出する。光検出器１１は、たとえば、光電子増倍管やＭＰＰＣ（Ｍｕｌｔｉ−Ｐｉｘｅｌ Ｐｈｏｔｏｎ Ｃｏｕｎｔｅｒ）などの検出器や、冷却ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）カメラ等が適用される。

光電子増倍管やＭＰＰＣ等はアレイ化することで２次元データを複数得ることができるほか、冷却ＣＣＤではビニング等を実施することによって感度を変更することができる。

光検出器１１の出力は、出力ケーブル１１ａによって光検出ユニット２０１から取り出される。なお、取り出し手段はケーブルに限定されない。たとえば、無線等により光検出ユニット２０１の外部と信号の授受を行ってもよい。

遮へい部材２１は、光検出器１１と計測対象３との間に設けられている。遮へい部材２１は、計測対象３内のガンマ線源２からのガンマ線が直接的に光検出器１１に到達しないように、計測対象３からのガンマ線を遮るための放射線遮へいの機能を有する。遮へい部材２１の材料としては密度の重いものが適しており、たとえばタングステン、鉛、金、ステンレス鋼などがある。

たとえば、ガンマ線源２として通常の環境に比較的多く存在するＣｓ１３７を例にとると、それぞれの材料の厚みに対して、Ｃｓ１３７から放出されるガンマ線の透過率は次の通りである。

すなわち、ステンレス鋼の場合は、１ｃｍ厚さで５５％、２ｃｍ厚さで３０％、３ｃｍ厚さで１６％である。また、鉛の場合は、１ｃｍ厚さで２４％、２ｃｍ厚さで５．８％、３ｃｍ厚さで１．４％である。また、タングステンの場合は、１ｃｍ厚さで１２％、２ｃｍ厚さで１．５％、３ｃｍ厚さで０．２％である。

到達するガンマ線の想定される強度に基づいて求められた必要な減衰量から材料を選定し厚さを設定すればよい。

進行方向変更部１３は、集光部１４ａによってまとめられた紫外光の方向を転換させるものである。光検出器１１に計測対象３からのガンマ線が直接到達しないように遮へい部材２１が設けられているために、計測対象３からの紫外光も光検出器１１に直接到達することができない。このために、計測対象３から光検出ユニット２０１に入ってきた紫外光の方向を光検出器１１の方向に変更するために設けられている。

進行方向変更部１３は、たとえば、ミラー、プリズム、結晶格子等でよい。たとえばミラーであれば、アルファ線源１から発生する紫外光を高効率で反射させるようＵＶ反射強化アルミ等でコーティングされているものでもよい。また、凹面鏡など光の集光能力を持っているものでもよい。

図１では、進行方向変更部１３は、集光部１４ａと光検出器１１の間に設けられている場合を示しているが、これに限定されない。図２は、本発明の第１の実施形態の変形例の構成を示す横断面図である。たとえば、図２に示すように、進行方向変更部１３で進行方向を変更した後に、集光部１４ａで紫外光がまとめられて光検出器１１に入るという順番の並び方でもよい。

なお、計測対象３からガンマ線が発せられている場合、進行方向変更部１３がガンマ線を散乱させないように、たとえば原子番号が大きく重量の大きな材料を進行方向変更部１３に使用することを避けるなど、進行方向変更部１３の材料の選定や重量等の設定がなされる。

筐体１２には、計測対象３からの紫外光を取り入れる侵入口２２が形成されている。侵入口２２には集光部１４ａが取り付けられている。また、遮へい部材２１は、侵入口２２を防がないように配設されている。

以上のように構成された本実施形態においては、アルファ線源１からアルファ線が放出されると、大気中の窒素が励起されて微弱ではあるが紫外光が生じる。紫外光は、光検出ユニット２０１に到達し、侵入口２２から筐体１２内に入るとともに、侵入口２２に設けられた集光部１４ａでまとめられる。集光部１４ａを経由した紫外光は、進行方向変更部１３によって光検出器１１の方角に進行方向を転換した後に、光検出器１１に入る。

一方、計測対象３内のガンマ線源２から放出され光検出ユニット２０１に到達したガンマ線のうち、遮へい部材２１に至ったものは遮へい部材２１で吸収等され、無視し得る量まで減衰したガンマ線のみが光検出器１１に到達する。

また、計測対象３内のガンマ線源２から放出され光検出ユニット２０１に到達したガンマ線のうち、侵入口２２に至ったものは、集光部１４ａ、進行方向変更部１３およびその先の筐体１２を透過する。集光部１４ａ、進行方向変更部１３およびその先の筐体１２のいずれかにおいて散乱するガンマ線は無視し得る程度の微量である。

以上のように、光検出器１１に到達するガンマ線の量は微小であり、必要量の遮へい部材２１を設けることによりアルファ線に起因する紫外光の計測の上で、ガンマ線の寄与を無視することができ、ガンマ線等が存在する測定環境のもとでも、アルファ線由来の信号を正確に測定することができる。

［第２の実施形態］
図３は、本発明の第２の実施形態の構成を示す横断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。

遮へい部材２１は、光検出器１１の周囲を包囲するように形成されている。また、遮へい部材２１にも筐体１２と同様に、紫外光を取り入れる侵入口２２が形成されている。また遮へい部材２１は、紫外光が集光部１４ａおよび進行方向変更部１３を経由して光検出器１１に到達するために、紫外光の通路を阻害しないような形状に形成されている。

また、侵入口２２から紫外光が侵入した直後の部分、すなわち集光部１４ａの内側の部分の、光検出器１１と反対側には、遮へい部材２１に窪み部２５が形成されている。

このように構成された本実施形態においては、ガンマ線源２が計測対象３以外の場所にも存在する場合に、光検出器１１の周囲を遮へい部材２１が包囲していることによって、計測対象３以外の場所にあるガンマ線源２からのガンマ線が光検出器１１に直接到達することを防止し、ガンマ線によるバックグラウンドを抑制することができる。

また、計測対象３内のガンマ線源２からのガンマ線が集光部１４ａから光検出ユニット２０１内に入った時に、遮へい部材２１に窪み部２５が存在していることによって、この部分の遮へい部材２１で光検出器１１の方向に散乱することがなく、ガンマ線のバックグラウンドを軽減することができる。

［第３の実施形態］
図４は、本発明の第３の実施形態の構成を示す横断面図である。本実施形態は、第２の実施形態の変形である。第２の実施形態では侵入口２２に集光部１４ａが設けられていたが、本実施形態における集光部１４ｂは、進行方向変更部１３からみて光検出器１１の反対側に配設されている。集光部１４ｂは、図４に示すようにたとえば凹面鏡でよい。あるいは、たとえば、凸レンズと反射鏡との組み合わせでもよい。

このように構成された本実施形態においては、計測対象３からの紫外光は、侵入口２２から入り、進行方向変更部１３で光検出器１１の方向に進路を転換する。その後、先ず、集光部１４ｂに到達し、集光部１４ｂにおいて光検出器１１の感応部分に収束するように集光され、光検出器１１に到達する。

このように構成された本実施形態は、第２の実施形態と同様の効果が得られるものであり、集光部１４ｂが、第２の実施形態における集光部１４ａと異なる位置に配せられることにより、光検出ユニット２０１内の各部分の配置を設計する上でのバリエーションを与え、光検出ユニット２０１の構成の設定の容易化に寄与する。

［第４の実施形態］
図５は、本発明の第４の実施形態の構成を示す横断面図である。本実施形態は第２の実施形態の変形である。本実施形態においては、光検出ユニット２０１内の進行方向変更部１３から光検出器１１に至る紫外光の通路に絞り部２４が設けられている。

絞り部２４は、遮へい部材２１と同様に放射線遮へいの機能を有する材料を用いた部材である。絞り部２４は、遮へい部材２１と結合しており、絞り部２４の中央には紫外光の通路が形成されている。絞り部２４は、絞り部２４に到達したガンマ線のうち絞り部２４を通過するガンマ線の量を低減するものである。

進行方向変更部１３および集光部１４ａから光検出器１１への方向の絞り部２４の厚さを増やすことによって、絞り部２４に至ったガンマ線の減衰効果を更に高めることができる。

絞り部２４に到達するガンマ線は、遮へい部材２１で散乱したものであるので、光検出器１１に向かう方向への方向性をほとんど有していないと考えられる。したがって、絞り部２４に当たらずに光検出器１１に直進するガンマ線は少なく、絞り部２４の入口に到達したガンマ線の大部分は絞り部２４の通路の側壁で吸収等されることによって減衰する。絞り部２４の通路の面積に対する通路方向の長さの比が大きいほど減衰の程度は大きくなる。

したがって、絞り部２４を設けたことによって、侵入口２２から侵入して周囲の遮へい部材２１に当たって光検出器１１の方向に反射するガンマ線を、絞り部２４で減衰させることができる。このように、光検出器１１に対するガンマ線の影響をさらに低減させることができる。

［第５の実施形態］
図６は、本発明の第５の実施形態の構成を示す横断面図である。本実施形態は、第２の実施形態の変形である。本実施形態における遮へい部材２１には、侵入口２２の反対側に開口部２３が形成されている。

このように形成された本実施形態においては、侵入口２２に設けられた集光部１４ａを通過して光検出ユニット２０１に入ったガンマ線は、そのほとんどが進行方向変更部１３を通過して、開口部２３から光検出ユニット２０１の外部に出ていく。

開口部２３が設けられていない場合は、開口部２３の場所に相当する部分の遮へい部材２１で散乱して光検出器１１の方向に向かうガンマ線の成分が存在することから、この成分の量に対応するガンマ線のバックグラウンドを低減することができる。

［第６の実施形態］
図７は、本発明の第６の実施形態の構成を示す横断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本実施形態においては、光検出ユニット２０１は、温度計３１、湿度計３２および信号補正部３３を有している。

温度計３１は、計測対象３を含む雰囲気の温度を測定する。湿度計３２は、計測対象３を含む雰囲気の湿度を測定する。

信号補正部３３は、先ず、温度計３１の出力である温度信号と、湿度計３２の出力である湿度信号から雰囲気中の水の分圧Ｐ_Ｈ２Ｏを算出する。次に、信号補正部３３は、次の式（１）で示すＳｔｅｒｎ―Ｖｏｌｍｅｒの式により光検出器１１の出力信号量Ｉの補正を行う。
Ｉ_０＝（１＋ｋ・Ｐ_Ｈ２Ｏ）・Ｉ （１）
ここで、Ｉは光検出器１１の出力信号量、Ｉ_０は水分がない場合に得られるべき信号量、ｋは定数、Ｐ_Ｈ２Ｏは水の分圧である。

アルファ線によって生じる発光は励起状態の窒素が基底状態に戻る際に起こる現象であるが、空気中に酸素や水が存在する場合、励起窒素はエネルギーを奪われ脱励起してしまう。空気中の酸素濃度は約２０％と通常あまり変動がないが、空気中の水分は季節、時間帯、天候等で大きく変動するため、測定時の誤差要因となる。

本実施形態の構成によれば、温度計３１および湿度計３２からの信号を用いて、信号補正部３３において雰囲気中の水の分圧Ｐ_Ｈ２Ｏが算出され、算出された水の分圧Ｐ_Ｈ２Ｏに基づいて、式（１）により水分がない場合に得られるべき信号量Ｉ_０が算出される。

信号補正部３３の出力は、出力ケーブル１１ｂによって光検出ユニット２０１から取り出される。

以上のように、ガンマ線に加えて湿度の変化のある測定環境のもとでも、アルファ線由来の信号を正確に測定することができる。

なお、本実施形態では、温度計３１および湿度計３２は、光検出ユニット２０１の筐体１２内に収納されている場合を示したが、これに限定されない。測定すべき温度および湿度は、計測対象３における温度および湿度であるので、温度計３１および湿度計３２が必ずしも光検出ユニット２０１内に収納されている必要はなく、計測対象３の温度および湿度を測定する温度計３１および湿度計３２は別の場所、たとえば、計測対象３の付近に設置されることでもよい。

また、光検出ユニット２０１が複数ある場合は、温度計３１および湿度計３２を共通に用いて、温度計３１および湿度計３２の出力信号が、それぞれの光検出ユニット２０１の信号補正部３３に送られることでもよい。

［第７の実施形態］
図８は、本発明の第７の実施形態の構成を示す横断面図である。本実施形態におけるアルファ線観測装置２０２は、３つの光検出ユニット２０１および信号合成部１０７を有する。ここで、光検出ユニット２０１は、第１の実施形態ないし第７の実施形態における光検出ユニット２０１のいずれでもよい。

なお、光検出ユニット２０１の台数は３つには限定されない。光検出ユニット２０１から測定できる計測対象３の広がり角度、計測対象３の延びている程度等によって、光検出ユニット２０１の台数を設定すればよい。

光検出ユニット２０１は、計測対象３が１次元的に延びている方向に沿って配設されている。信号合成部１０７は、３つの光検出ユニット２０１からの信号を受けて、これらを合成して、計測対象３におけるアルファ線源１の分布を求め、その結果を出力する。

以上のように構成された本実施形態によれば、計測対象におけるアルファ線源の分布を把握することができる。

なお、本実施形態では、計測対象３が１次元的に延びている場合を示したが、計測対象３が２次元的に広がっている場合にも、適用できる。この場合は、計測対象３の広がりに対応して２次元的に光検出ユニット２０１を配設すればよい。

［その他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、実施形態では、空気雰囲気中の窒素とアルファ線との相互作用により生ずる紫外光の場合を示したが、窒素以外の元素との相互作用によって生ずる光でも本発明は適用できる。

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。たとえば、第４の実施形態における集光部１４ａの位置は、第１の実施形態と同様の位置でもよい。

さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…アルファ線源、２…ガンマ線源、３…計測対象、１１…光検出器（光検出部）、１１ａ、１１ｂ…出力ケーブル、１２…筐体、１３…進行方向変更部、１４ａ、１４ｂ…集光部（発生光集光部、転進光集光部）、２１…遮へい部材、２２…侵入口、２３…開口部、２４…絞り部、２５…窪み部、３１…温度計、３２…湿度計、３３…信号補正部、１０１…集光レンズ、１０２…波長選択素子、１０３…光学素子、１０４…方向変更部、１０５ａ、１０５ｂ…光検出器、１０６…信号処理装置、１０７…信号合成部、２０１…光検出ユニット、２０２…アルファ線観測装置

Claims (7)

1. 計測対象の領域において生じたアルファ線によって発生する発生光を計測することによって前記アルファ線を観測する光検出ユニットであって、
   前記発生光の進行方向を変更する進行方向変更部と、
   前記発生光の進行方向変更後の転進光を検出する光検出部と、
   前記光検出部の周囲を包囲し、前記計測対象から前記光検出部に至る直線上に設けられた部分と、前記発生光が前記進行方向変更部に到達するための侵入口と、前記侵入口と反対側に開口部と、を有して前記光検出部を放射線から遮へいする遮へい部材と、
   を備えることを特徴とする光検出ユニット。
2. 計測対象の領域において生じたアルファ線によって発生する発生光を計測することによって前記アルファ線を観測する光検出ユニットであって、
   前記発生光の進行方向を変更する進行方向変更部と、
   前記発生光の進行方向変更後の転進光を検出する光検出部と、
   前記光検出部の周囲を包囲し、前記計測対象から前記光検出部に至る直線上に設けられた部分と、前記発生光が前記進行方向変更部に到達するための侵入口と、前記進行方向変更部からみて前記光検出部の反対側に窪みと、を有して前記光検出部を放射線から遮へいする遮へい部材と、
   を備えることを特徴とする光検出ユニット。
3. 前記遮へい部材は、前記進行方向変更部と前記光検出部の間に、前記転進光の進路の面積が狭い絞り部を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光検出ユニット。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の前記光検出ユニットを複数具備するとともに、アルファ線源の分布を求める信号合成部を具備するアルファ線観測装置において、
   前記光検出ユニットは前記計測対象が広がっている方向に沿って互いに異なる位置に配設されていることを特徴とするアルファ線観測装置。
5. 前記計測対象の領域の温度を計測する温度計と、
   前記計測対象の領域の湿度を計測する湿度計と、
   請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の光検出ユニットと、
   を具備して、
   前記光検出ユニットは、前記温度計からの温度信号および前記湿度計からの湿度信号に基づいて前記光検出部による計測結果を補正する信号補正部を備えることを特徴とするアルファ線観測装置。
6. 前記進行方向変更部の前記計測対象側に設けられた発生光集光部を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の光検出ユニット。
7. 前記進行方向変更部と前記光検出部との間に設けられた転進光集光部を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の光検出ユニット。

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