JP6147068B2 - 線量率測定装置 - Google Patents

Description

この発明は、原子炉施設、使用済燃料再処理施設、及びその周辺等に設置される線量率測定装置に関するものである。

線量率測定装置は、ＮａＩ（Ｔｌ）シンチレーション検出器と測定部とを備えている。ＮａＩ（Ｔｌ）シンチレーション検出器は、入射した放射線のエネルギーを吸収して線量率に比例する電流に変換し、離散的な電流パルスを出力すると共に、直流電流を直流電圧に変換して出力する。測定部は、プリアンプ、メインアンプ、バイアス変調波高弁別回路（ＤＢＭ回路：Discriminated Bias Modulation）、電圧／周波数変換器（Ｖ／Ｆ変換器）、ゲート回路、演算部から構成されていて、電流パルス及び直流電圧を入力して線量率に変換して出力する。

プリアンプは、電流パルスをアナログ電圧パルスに変換して出力する。メインアンプは、そのアナログ電圧パルスを増幅すると共に高周波ノイズを除去する。バイアス変調波高弁別回路は、その増幅されたアナログ電圧パルスを線量率で重み付けし、線量率に比例する繰り返し周波数のパルスを出力する。電圧／周波数変換器は、直流電圧を入力して電圧に比例した繰り返し周波数のパルスに変換して出力する。ゲート回路は、それらのパルスを入力し、切り換えて出力する。演算部は、そのゲート回路の出力パルスを入力し、バイアス変調波高弁別回路のパルスに基づき低レンジ線量率または電圧／周波数変換器のパルスに基づき高レンジ線量率を演算して出力すると共に、設定した線量率でゲート回路のレンジを切り換える。

シンチレーション検出器にはγ線が入射する。線量率測定装置のエネルギー特性は、γ線のエネルギーに依存して発生する誤差のため、低レンジ線量率と高レンジ線量率で異なる。また、高レンジと低レンジの切換点は、γ線のエネルギーに依存して低レンジ線量率と高レンジ線量率で最適切換点が異なる。切換点で発生する大きな段差をできるだけ小さくして、固定した線量率で切り換えできるように、ＮａＩ（Ｔｌ）シンチレーション検出器に構造の複雑なフィルタを設けている線量率測定装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開昭６１−１０４２８２号公報（図１）

線量率測定装置は、ＮａＩ（Ｔｌ）シンチレーション検出器に複雑な構造のフィルタを設けることにより、高線量率レンジのエネルギー特性の違い、および、切換点で発生する段差の両方についてある程度縮小できたが、ワイドレンジ化のために低レンジ線量率の本来のエネルギー特性が低下する。この発明はこのような問題を解消するためになされたもので、ワイドレンジ化で低線量率レンジの本来のエネルギー特性を低下させることがなく、かつ低線量率レンジと高線量率レンジの切換点の段差を目立たなくした良好なエネルギー特性を有する高精度の線量率測定装置を提供することを目的とする。

この発明に関わる線量率測定装置は、放射線が入射すると発光するシンチレータと、シンチレータで発光した光が入射する光電子増倍管と、光電子増倍管の出力電流が流れる負荷抵抗と、光電子増倍管の出力をコンデンサを介して増幅するプリアンプと、プリアンプの出力を増幅するメインアンプと、メインアンプの出力をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器と、負荷抵抗に発生する電圧が入力されるＶ／Ｆ変換器と、Ｖ／Ｆ変換器から出力されるパルスの数を計測するカウンタと、Ａ／Ｄ変換器の出力から低レンジ線量率ＲＬを求める低レンジ線量率演算部と、カウンタの出力から高レンジ線量率ＲＨを求める高レンジ線量率演算部と、表示部の表示レンジを低レンジまたは高レンジに設定する線量率切換演算部とを備えている。線量率切換演算部は、係数ｋ１＞係数ｋ２＞０として、線量率比ＲＨ／ＲＬが１＋ｋ１を超えると表示部の表示レンジを低レンジから高レンジへ切換え、線量率比ＲＨ／ＲＬが１＋ｋ２まで低下すると表示部の表示レンジを高レンジから低レンジへ切換え、係数ｋ１および係数ｋ２は、放射線の平均エネルギーに関する、線量率の入出力応答を示している特性から求められているものである。

この発明に係わる線量率測定装置は、測定対象エネルギー全体においてエネルギー特性が良好で、しかも、測定レンジの全体において直線性が良好である。このため、切換点の段差が目立たなくなり、高精度のワイドレンジの線量率測定装置を提供できる。放射線検出器には鉛フィルタを設けて固定切換点で切り換える必要がないため、低レンジ線量率の本来良好なエネルギー特性を低下させることがない。

実施の形態１に係わる線量率測定装置の構成を示す図である。 放射線のエネルギーと最適切換点の概要を示す図である。 実施の形態２に係わるシンチレーションファイバーバンドルの構造を示す正面図と側面図である。 実施の形態３に係わるシンチレーションファイバーバンドルの構造を示す正面図と側面図である。 実施の形態４に係わる線量率測定装置の構成を示す図である。 実施の形態４に係わる波高値の温度補償の概要を示す図である。 実施の形態４に係わる電流値の温度補償の概要を示す図である。 実施の形態５に係わる線量率測定装置の構成を示す図である。

以下に本発明にかかる線量率測定装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１を図１に基づいて説明する。線量率測定装置１００は、放射線検出器１と測定部２から構成されている。放射線検出器１は、入射した放射線のエネルギーを吸収して線量率に比例する直流電流に変換し、離散的な電流パルスを出力すると共に、直流電流を直流電圧に変換して出力する。測定部２は、低レンジ線量率測定手段、高レンジ線量率測定手段、線量率切換手段、表示部／操作部２７から構成されている。低レンジ線量率測定手段は、プリアンプ２１、メインアンプ２２、Ａ／Ｄ変換器（アナログ／デジタル変換器）２３、低レンジ線量率演算部２６１から構成されている。高レンジ線量率測定手段は、Ｖ／Ｆ変換器（電圧／周波数変換器）２４、カウンタ２５、高レンジ線量率演算部２６２から構成されている。演算処理部２６は、低レンジ線量率演算部２６１、高レンジ線量率演算部２６２、線量率切換演算部２６３を備えている。

測定部２において、プリアンプ２１は、電流パルスをアナログ電圧パルスに変換して出力する。メインアンプ２２は、そのアナログ電圧パルスを増幅すると共に、高周波でゲインが低下するフィルタ特性により高周波ノイズを除去する。Ａ／Ｄ変換器２３は、その増幅されたアナログ電圧パルスの波高値を測定する。Ｖ／Ｆ変換器２４は、入力した直流電圧を入力電圧に比例した繰り返し周波数のパルスに変換して出力する。カウンタ２５は、そのパルスを計数して計数値を出力する。演算処理部２６において、低レンジ線量率演算部２６１はＡ／Ｄ変換器２３の出力の波高値を入力し、低レンジ線量率に変換して出力する。高レンジ線量率演算部２６２はカウンタ２５の出力の計数値を入力し、高レンジ線量率に変換して出力する。線量率切換演算部２６３は切換点で低レンジ線量率と高レンジ線量率を切り換えて出力する。表示部／操作部２７では線量率を表示すると共に、演算処理部２６の設定を行う。

放射線検出器１は、柱状のプラスチックシンチレータ１１、光電子増倍管１２、出力回路１３を備えている。プラスチックシンチレータ１１は、入射した放射線のエネルギーを吸収して蛍光を発する。光電子増倍管１２は、その蛍光を電子に変換し、増倍して蛍光量に比例した電荷量に変換する。出力回路１３は、電荷量の時間的変化としての電流パルスをカップリングコンデンサ１３１で抽出して出力すると共に、直流電流を負荷抵抗１３２で直流電圧に変換して出力する。プラスチックシンチレータ１１は、実効原子番号が人体軟部組織の原子番号に近いため、組織等価である。放射線検出器1は線量率に比例する電流に変換して出力するため、低レンジ線量率と高レンジ線量率のエネルギー特性が良好かつ基本的に一致する。本発明による線量率測定装置１００によれば、低レンジ線量率と高レンジ線量率の特に低エネルギー領域のエネルギー特性の違いを鉛フィルタで縮小する必要がない。

次に、演算処理部２６の演算処理について説明する。低レンジ線量率演算部２６１は、Ａ／Ｄ変換器２３の出力の波高値を入力して積算し、その積算値を測定時間で除して単位時間当たりの積算波高値を求め、それに線量率換算係数を乗じて低レンジ線量率（ＲＬ）を求める。ここで単位時間当たりの積算波高値は、放射線検出器１における電流パルスが単位時間当たり運ぶ電荷としての平均電流に対応するパラメータである。高レンジ線量率演算部２６２は、カウンタ２５の出力のカウント値を入力して積算し、その積算値を測定時間で除して計数率を求め、それに線量率換算係数を乗じて高レンジ線量率（ＲＨ）を求める。ここで計数率は、放射線検出器1における直流電流に対応するパラメータである。

線量率切換演算部２６３は、低レンジ線量率ＲＬと高レンジ線量率ＲＨの線量率比ＲＨ／ＲＬに基づいて自動で表示レンジを切り替える。線量率切換演算部２６３は、低レンジ線量率ＲＬから高レンジ線量率線量率ＲＨへの切換を線量率比ＲＨ／ＲＬが１＋ｋ１を超えたら自動で実行する。また、線量率切換演算部２６３は、高レンジ線量率ＲＨから低レンジ線量率線量率ＲＬへの切換を線量率比ＲＨ／ＲＬが１＋ｋ２まで低下したら自動で実行する。係数ｋ１＞係数ｋ２＞０として、自動切り替えにヒステリシスを持たせている。

図２は、放射線のエネルギーと切換点の概要を示す図である。特性ａ１及び特性ａ２はＡｍ−２４１（実効エネルギー：５７ｋｅＶ）の線量率の入出力応答を概念的に示している。特性ａ１は低レンジ線量率の入出力応答である。低線量率側は直線性が良好で、直線の右側の点線のように高線量率側は飽和に続いて低下傾向になる。特性ａ２は高レンジ線量率の入出力応答である。低線量率側は直線の左側の点線のように光電子増倍管１２の暗電流が支配的で、入力の増加に伴い良好な直線性を示す。切替点Ａ１はＲＨ／ＲＬ＝１＋ｋ１となる点を示す。切替点Ａ２はＲＨ/ＲＬ＝１＋ｋ２となる点を示す。

特性ｂ１及び特性ｂ２はＣｓ−１３７（実効エネルギー：６６０ｋｅ）の線量率の入出力応答を概念的に示している。Ｃｓ−１３７の入出力応答は、Ａｍ−２４１の特性が高線量率側に直線的に約１デカードシフトした形になっている。切換点Ｂ１はＲＨ／ＲＬ＝１＋ｋ１となる点を示す。切換点Ｂ２はＲＨ/ＲＬ＝１＋ｋ２となる点を示す。このように
して線量率切換演算部２６３は低レンジ線量率と高レンジ線量率の線量率比ＲＨ／ＲＬに基づき、放射線検出器1に入射する放射線の平均エネルギーに応じて変動する切換点を検
索して切換を実行する。

以上のように、放射線検出器１は組織等価のプラスチックシンチレータ１１を備えて低レンジ線量率と高レンジ線量率のエネルギー特性を基本的に一致させる。線量率切換演算部２６３は低レンジ線量率と高レンジ線量率の比に基づき、放射線検出器１に入射する放射線の平均エネルギーに応じて変動する最適な切換点を探して切換を実行する。ＮａＩ（Ｔｌ）シンチレーション検出器に鉛フィルタを設けて固定切換点で段差を抑制して切り換える方式の線量率測定装置が、低レンジ線量率の本来良好なエネルギー特性を低下させるという課題を伴うのに対し、本願に関わる線量率測定装置１００は、測定対象エネルギー全体においてエネルギー特性が良好で、しかも、測定レンジの全体において直線性が良好である。このため、切換点の段差が目立たない、高精度のワイドレンジの線量率測定装置を提供できる。

実施の形態２．
実施の形態２では、放射線検出器１を、実施の形態１の柱状のプラスチックシンチレータ１１の代わりに、シンチレーションファイバーバンドル１４で構成する。正面図３Ａと側面図３Ｂは、実施の形態２に関わるシンチレーションファイバーバンドルの構造を示す。シンチレーションファイバーバンドル１４は、シンチレーションファイバー１４１を束ねて接着成型し、遮光ケース１４２で光を遮断したものである。シンチレーションファイバーバンドル１４は、その直径及び長さを容易に変更できる。実施の形態２によれば、シンチレーションファイバーバンドル１４の寸法を修正して、繰り返し実験を行うことにより、エネルギー特性の良好な放射線検出器１を得られる効果を奏する。

実施の形態３．
正面図４Ａと側面図４Ｂに、実施の形態３に関わるシンチレーションファイバーバンドルの構造を示す。実施の形態３では、放射線検出器１のシンチレーションファイバーバンドル１４に、ダミーのプラスチックファイバー１４３を配置する。ダミーのプラスチックファイバー１４３は、計算または実験に基づき、シンチレーションファイバーバンドル１４の外側の一部に、同心円上に離散配置してある。実施の形態３に係わる放射線検出器１を使えば、低エネルギーレンジのエネルギー特性に残る若干の歪みを容易に修正して、エネルギー特性の更に良好な線量率測定装置が得られる。

実施の形態４．
この発明の実施の形態１を図５に基づいて説明する。実施の形態４において、プリアンプ２１は演算増幅器２１１、負帰還コンデンサ２１２、負帰還抵抗２１３を備えている。演算増幅器２１１の半転入力と出力の間に負帰還コンデンサ２１２と負帰還抵抗２１３を並列接続した構成とする。負帰還抵抗２１３には正の温度係数のものを使用する。プリアンプ２１の出力のアナログ電圧パルスにおいて負帰還コンデンサ２１２の容量Ｃと負帰還抵抗２１３の抵抗Ｒの積に関係する半値幅に正の温度特性を転化し、メインアンプ２２が高周波でゲインが低下する周波数特性に作用させる。

図６のように光電子増倍管１２のゲインが有する負の温度特性ａがメインアンプ２２の温度特性ｂの作用により、電流パルス計測への影響を温度特性ｃのように相殺できる。また、出力回路１３の負荷抵抗１３２には正の温度係数のものを使用する。図７のように、光電子増倍管１２のゲインが有する負の温度特性ｄが負荷抵抗１３２の正の温度特性ｅにより、電流計測への影響を温度特性ｆのように相殺できるので、温度特性の良好な高精度のワイドレンジの線量率測定装置が得られる。

実施の形態５．
実施の形態５に係わる放射線検出器１は、図８のように、Ｓｉ半導体センサー１５と出力回路１３とを備えている。Ｓｉ半導体センサー１５は、入射した放射線のエネルギーを吸収して生成された電荷を電極に収集して出力する。出力回路１３は、電荷量の時間的変化としての電流を電流パルスとして出力すると共に、直流電流を直流電圧に変換して出力する。線量率測定装置１００は、温度特性が良好で電流出力が線量率に比例するＳｉ半導体センサー１５を使用し、出力電流に基づき線量率を測定する。実施の形態５に係わる放射線検出器１を使えば、実施の形態１と同様に、測定対象エネルギー全体においてエネルギー特性が良好で、測定レンジの全体において直線性が良好で、切換点の段差が目立たない、かつ温度特性が良好な、高精度のワイドレンジの線量率測定装置が得られる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 放射線検出器、１１ プラスチックシンチレータ、１２ 光電子増倍管、１３ 出力回路、１３１ カップリングコンデンサ、１３２ 負荷抵抗、１４ シンチレーションファイバーバンドル、１４１ シンチレーションファイバー、１４２ 遮光ケース、１４３ プラスチックファイバー、１５ Ｓｉ半導体センサー、２ 測定部、２１ プリアンプ、２１１ 負帰還コンデンサ、２１２ 負帰還抵抗、２２ メインアンプ、２３ Ａ／Ｄ変換器、２４ Ｖ／Ｆ変換器、２５ カウンタ、２６ 演算部、２６１ 低レンジ線量率演算部、２６２ 高レンジ線量率演算部、２６３ 線量率切換演算部、２７ 表示部／操作部、１００ 線量率測定装置

Claims (8)

1. 放射線が入射すると発光するシンチレータと、
   前記シンチレータで発光した光が入射する光電子増倍管と、
   前記光電子増倍管の出力電流が流れる負荷抵抗と、
   前記光電子増倍管の出力をコンデンサを介して増幅するプリアンプと、
   前記プリアンプの出力を増幅するメインアンプと、
   前記メインアンプの出力をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器と、
   前記負荷抵抗に発生する電圧が入力されるＶ／Ｆ変換器と、
   前記Ｖ／Ｆ変換器から出力されるパルスの数を計測するカウンタと、
   前記Ａ／Ｄ変換器の出力から低レンジ線量率ＲＬを求める低レンジ線量率演算部と、
   前記カウンタの出力から高レンジ線量率ＲＨを求める高レンジ線量率演算部と、
   表示部の表示レンジを低レンジまたは高レンジに設定する線量率切換演算部とを備え、
   前記線量率切換演算部は、係数ｋ１＞係数ｋ２＞０として、線量率比ＲＨ／ＲＬが１＋ｋ１を超えると前記表示部の表示レンジを低レンジから高レンジへ切換え、線量率比ＲＨ／ＲＬが１＋ｋ２まで低下すると前記表示部の表示レンジを高レンジから低レンジへ切換え、
   前記係数ｋ１および前記係数ｋ２は、放射線の平均エネルギーに関する、線量率の入出力応答を示している特性から求められている線量率測定装置。
2. シンチレータは、プラスチックからなることを特徴とする請求項１に記載の線量率測定装置。
3. シンチレータは、束ねられた複数のシンチレーションファイバーを有するファイバーバンドルからなることを特徴とする請求項２に記載の線量率測定装置。
4. ファイバーバンドルは、シンチレーションファイバーの中にプラスチックファイバーが同心円状に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の線量率測定装置。
5. プリアンプは、演算増幅器、負帰還コンデンサおよび負帰還抵抗を有し、前記負帰還コ
   ンデンサおよび前記負帰還抵抗は、並列接続され、前記負帰還抵抗は、正の温度係数を有することを特徴とする請求項１ないし４の何れか１項に記載の線量率測定装置。
6. 放射線が入射すると電荷が発生する半導体センサーと、
   前記半導体センサーの出力電流が流れる負荷抵抗と、
   前記半導体センサーの出力をコンデンサを介して増幅するプリアンプと、
   前記プリアンプの出力を増幅するメインアンプと、
   前記メインアンプの出力をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器と、
   前記負荷抵抗に発生する電圧が入力されるＶ／Ｆ変換器と、
   前記Ｖ／Ｆ変換器から出力されるパルスの数を計測するカウンタと、
   前記Ａ／Ｄ変換器の出力から低レンジ線量率ＲＬを求める低レンジ線量率演算部と、
   前記カウンタの出力から高レンジ線量率ＲＨを求める高レンジ線量率演算部と、
   表示部の表示レンジを低レンジまたは高レンジに設定する線量率切換演算部とを備え、
   前記線量率切換演算部は、係数ｋ１＞係数ｋ２＞０として、線量率比ＲＨ／ＲＬが１＋ｋ１を超えると前記表示部の表示レンジを低レンジから高レンジへ切換え、線量率比ＲＨ／ＲＬが１＋ｋ２まで低下すると前記表示部の表示レンジを高レンジから低レンジへ切換え、
   前記係数ｋ１および前記係数ｋ２は、放射線の平均エネルギーに関する、線量率の入出力応答を示している特性から求められている線量率測定装置。
7. プリアンプは、演算増幅器、負帰還コンデンサおよび負帰還抵抗を有し、前記負帰還コンデンサおよび前記負帰還抵抗は、並列接続され、前記負帰還抵抗は、正の温度係数を有することを特徴とする請求項６に記載の線量率測定装置。
8. 前記線量率切換演算部は、入射する放射線の平均エネルギーに応じて、切換点を検索して切換を実行することを特徴とする請求項１または６に記載の線量率測定装置。

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