JP6637176B2 - 放射線モニタ - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバを用いた放射線モニタに関する。

従来、放射線の線量率を測定する放射線モニタとして、電離箱、ＧＭ計数管（ガイガー・ミュラーカウンタ）、シンチレーション検出器、半導体検出器が用いられている。特に低線量率環境下を測定可能な放射線モニタには半導体検出器が適用される。半導体検出器を用いた放射線モニタは、例えば原子力発電プラントや核燃料再処理施設、放射性同位元素を使用する医療施設、産業施設、研究用加速器施設、一般環境モニタリング装置等で利用されている。半導体検出器を用いた放射線モニタは、放射線入射により生成される電子正孔対を利用し、半導体への印加電圧により生じた電気パルスの計数率から線量率を導出する。

一方、半導体検出器は高電圧を印加するため、空気中の水素濃度が高い場合に爆発の危険性を伴う。また、半導体から生成される電気パルス信号を利用するため、他計測機器へ電気ノイズを発信及び受信する可能性がある。

防爆及び電気ノイズを抑制可能な検出器として、光ファイバ型放射線検出器がある（例えば、特許文献１、特許文献２）。光ファイバ型放射線検出器は、入射放射線に対して生成された複数の光子を光ファイバで伝送して線量率を計測するため、放射線検知部への給電が不要、及び電気ノイズの受発信を抑制可能である。

特開２００１−５６３８１号公報 特開２０１６−１１４３９２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の従来技術では、シンチレーションファイバを用いて放射線を検知するため、低線量率環境下において高感度に測定することは困難である。これは、放射線と相互作用するシンチレーションファイバのコア部に、ポリスチレン（密度：１．０５ｇ／ｃｍ^３）等の低密度な材質が用いられており、ポリスチレンの放射線に対する吸収効率が低いことに起因する。また、シンチレーションファイバの発光効率は、一般的に利用されるＮａＩ：Ｔｌシンチレータと比較して低いため、十分な感度を得ることはできない。放射線に対する吸収効率を向上させるため、既存シンチレータ結晶として密度の高いゲルマニウム酸ビスマスＢＧＯ、タングステン酸鉛ＰＷＯ等を放射線検知部に適用した場合においても、シンチレータの発光効率が低いことにより十分な感度は得られない。さらに、シンチレーションファイバ、ＢＧＯ及びＰＷＯは、３００から５００ｎｍの発光波長帯域を有するため、光ファイバにおける伝送効率が低く、低線量率環境下において放射線の線量率を高感度に測定することは困難である。

また、特許文献２に記載の従来技術では、入射放射線に対して発光部で発生した1個1個の光子計数率から放射線の線量率を換算する手法であるが、発光部における光子の発光効率が低いことから、低線量率環境での計測性の確保が要望されていた。したがって、入射放射線の計数率が低下する線量率の低い環境下において、高感度に放射線の線量率を測定することは難しい。このように、前記の従来技術では、低線量率環境下において、特に入射放射線に対する吸収効率の低下、及び光ファイバにおける伝送効率の高い発光波長を有する光子の発光効率の低下が問題となる。

本願発明者らは、特許文献２で、入射した放射線の線量率に対応する強度の光を発する発光部として、例えば、母材としての透明イットリウム・アルミ・ガーネット（イットリウムとアルミニウムの複合酸化物（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）から成るガーネット構造の結晶）等の光透過性材料と、この光透過性材料中に含有されたイッテルビウム（Ｙｂ）、ネオジム（Ｎｄ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジウム（Ｐｒ）等の希土類元素とにより形成させることを提案した。しかしながら、光ファイバを用いた放射線検出器のさらなる検出感度の向上が望まれていた。

本発明の目的は、光ファイバを用いた放射線検出器の検出感度を向上できる放射線モニタを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明の放射線モニタは、線量率を計測する放射線モニタであって、下記一般式（１）で表される蛍光体と、蛍光体を備えた放射線検知部と、放射線検知部から発生した光子を伝送する光ファイバと、伝送された一つ一つの光子を電気パルス信号に変換する光検出器と、電気パルス信号を計数するカウンタと、単一光子の計数率と放射線の線量率との関係から、電気パルス信号の計数に基づいて放射線の線量率を求める解析部（例えば、解析・表示装置６）と、を有し、一般式（１）におけるＡが、４ｆ−４ｆ電子遷移を備えた希土類群のうち、Ｇｄの元素であり、かつ、一般式（１）におけるＢが、４ｆ−４ｆ電子遷移を備えた希土類群のうち、Ｅｕの元素である、ＧｄＴａＯ _４ ：Ｅｕを用いることを特徴とする。
一般式（１） ＡＴａＯ_４：Ｂ
（式中、Ａ及びＢは、４ｆ−４ｆ電子遷移を備えた希土類元素群のうち、少なくとも１種類以上の元素から選択される）
本発明のその他の態様については、後記する実施形態において説明する。

本発明によれば、光ファイバを用いた放射線検出器の検出感度を向上できる。

第１の実施形態に係る放射線モニタを示すブロック図である。 図１の放射線モニタにおける放射線検知部の概略拡大断面図である。 図２の放射線検知部における蛍光体の発光波長スペクトル測定結果を例示するグラフ図である。 放射線の線量率と単一光子の計数率の関係について、その一例を示す概略図である。 放射線が蛍光体に入射した際の光の生成について、その一例を示す概略図である。 光検出器の出力を計測したと仮定した場合の、電気パルス信号の一例を示す概略図である。 図１の放射線モニタにおける一使用例を示す概略図である。 図１の放射線モニタにおける他の使用例を示す概略図である。 第２の実施形態に係る放射線モニタを示す概略ブロック図である。

本発明を実施するための実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
<<第１の実施形態>>
図１は、第１の実施形態に係る放射線モニタ１を示すブロック図である。当該放射線モニタ１は、図１に示すように、概略的に、放射線検知部２と、光ファイバ３と、光検出器４と、カウンタ５と、解析・表示装置６とを備えている。なお、当該放射線モニタ１で計測することができる放射線としては、例えば、Ｘ線、γ線等の電磁波と、α線、β線、中性子線等の粒子線が挙げられる。

図２は、図１の放射線モニタ１における放射線検知部２の概略拡大断面図である。図２に示すように、放射線検知部２は、入射した放射線の線量率に対応する強度の光を発する蛍光体７とハウジング８を有する素子である。すなわち、本実施形態では、放射線モニタ１は、発光部（例えば、蛍光体７）がハウジング８に収納されている。

蛍光体７の組成は、下記の一般式（１）で表される。式中、Ａ及びＢは４ｆ−４ｆ電子遷移を備えた希土類群のうち、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロビウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）の少なくとも１種類以上の元素から選択される。
一般式（１） ＡＴａＯ_４：Ｂ

特に、蛍光体７に含有させる添加物のＢの濃度は、一般式（１）で表される組成物の総質量に対して１×１０^−３〜３０質量％の範囲内にすることが好ましい。これにより、添加物Ｂの高い発光強度を得ることが可能である。

蛍光体７の製造方法としては、一般式（１）で表される組成物を育成可能であれば特に限定されず、例えば、フローティングゾーン法、チョクラルスキー法（引き上げ法）、マイクロ引下げ法、ブリッジマン法等を採用することができる。

このように、蛍光体７が高密度母材であるＡＴａＯ_４、及び添加物であるＢが４ｆ−４ｆ電子遷移を備えた希土類元素を少なくとも１種以上含有していることで、放射線入射により母材に付与されたエネルギーが高効率で添加物の励起エネルギーに利用される。

すなわち、下記の特徴を有する。
（１）高密度母材を用いることで、ＡＴａＯ_４は、放射線に対する母材の吸収効率を向上させる。
（２）母材のＡと付活剤である添加物のＢのそれぞれに、４ｆ−４ｆ電子遷移を持つ希土類を含有させることで、母材に付与されたエネルギーが、高効率に添加物の励起に利用される。このため、母材のＡと付活剤である添加物のＢは、光ファイバにおいて伝送効率の高い５００〜７００ｎｍの光の発光効率を高めることができ、検出感度を向上可能となる。

図３は、図２の放射線検知部２における蛍光体７の発光波長スペクトル測定結果を例示するグラフ図である。図３は、比較例である４ｆ−４ｆ電子遷移を示さない高密度母材であるＹＴａＯ_４、及び実施形態例である４ｆ−４ｆ電子遷移を備えた高密度母材であるＧｄＴａＯ_４に、４ｆ−４ｆ電子遷移を備えた添加物であるＥｕ（０．１％）を含有させた蛍光体の波長スペクトル測定結果を表す。図３に示すように、比較例であるＹＴａＯ_４：Ｅｕ（０．１％）を用いた波長スペクトルは、２５０〜４５０ｎｍの波長範囲において、母材（ＹＴａＯ_４）からの発光である蛍光ピーク９が支配的である。一方、実施形態例であるＧｄＴａＯ_４：Ｅｕ（０．１％）を用いた蛍光体７は、２５０〜４５０ｎｍの波長範囲において、母材（ＧｄＴａＯ_４）からの発光は確認されず、添加物であるＥｕの蛍光ピークが支配的である。これは、Ｇｄ及びＥｕが共に４ｆ−４ｆ電子遷移を備えた希土類元素を含有することで、母材に付与されたエネルギーが高効率でＥｕの励起エネルギーに利用されるためである。

このように、蛍光体７が、前記一般式（１）で表される高密度母材であるＡＴａＯ_４を備え、Ａ及びＢが４ｆ−４ｆ電子遷移を備えた希土類元素を含有することで、光ファイバ３において伝送効率の高い５００〜８００ｎｍの発光効率が向上可能となる。このため、当該放射線モニタ１は、検出感度を向上させることができる。Ａ及びＢは、前記のように４ｆ−４ｆ電子遷移を備えた希土類群であるＰｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂから選択されることで、添加物の発光効率が向上可能である。また、Ａ及びＢは、前記のようにＮｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂから選択されることが好ましい。これにより、光ファイバ３において伝送効率の高い５００ｎｍ以上の発光効率が向上可能である。さらに、Ａ及びＢは、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙから選択されることがより好ましい。これにより、光ファイバ３において伝送効率の高い５００ｎｍ〜８００ｎｍの発光効率が向上可能である。

蛍光体７は、１μｓ以上の長い減衰時定数を有することで、より効果的に光ファイバ３から伝送された単一光子の集団を単一光子一つ一つに分解することができる。
なお、１μｓ未満の減衰時定数を有する蛍光体７を使用することもできる。

ハウジング８は、蛍光体７を収納する容器である。ハウジング８を構成する材料としては、計測対象の放射線を透過可能なものであれば特に限定されず、例えば、アルミニウム等を採用することができる。

光ファイバ３は、放射線検知部２に接続され、蛍光体７から放出された光を伝送する。この光ファイバ３は、放射線検知部２と後述する光検出器４に接続されている。光ファイバ３を構成する材料としては、例えば、石英、プラスチック等が挙げられる。

光検出器４は、光ファイバ３に接続され、光ファイバから伝送された光子を電気パルス信号に変換する検出器である。この光検出器４は、光ファイバ３と後述するカウンタ５に接続されている。光検出器４としては、例えば、光電子増倍管、アバランシェフォトダイオード等を採用することができる。これら光電子増倍管等を用いることで、単一光子を電流増幅された一つの電流パルス信号として検出できる。

カウンタ５は、光検出器４に接続され、光検出器４から入力された電気パルス信号を計数する装置である。このカウンタ５は、光検出器４と後述する解析・表示装置６に接続されている。カウンタ５としては、例えば、デジタルシグナルプロセッサ等を採用することができる。

解析・表示装置６は、カウンタ５に接続され、カウンタ５で計数された電気パルス信号の計数率を放射線の線量率に換算し、その値を表示する装置である。解析・表示装置６は、電気パルス信号の計数率と放射線の線量率を対応付けるデータベースを保有している記憶装置と、上記データベースを用いて電気パルス信号の計数率から放射線の線量率を換算する演算装置と、換算した放射線の線量率を表示する表示装置を備えている。解析・表示装置６としては、例えば、上述した機能を有するパーソナルコンピュータ等を採用することができる。なお、本明細書において「電気パルス信号の計数率」とは、単位時間あたりに測定された電気パルス信号の数を意味している。

従来のγ線の計数率から放射線の線量率を換算する手法と異なり、本発明では、γ線の入射によって蛍光体７で生成された複数の光子に含まれる単一光子の計数率から放射線の線量率を換算する。なお、本明細書において「単一光子」とは、放射線の入射によって蛍光体内部で生成された一つ一つの光子を指す。

図４は、放射線の線量率と単一光子の計数率の関係について、その一例を示す概略図である。図４に示すように、この単一光子の計数率を計測できれば放射線の線量率を取得することができる。したがって、この関係を用いることで測定した電気パルス信号の計数率から放射線の線量率を換算することができる。

次に、当該放射線モニタ１の動作について説明する。
図５は、放射線２０が蛍光体７に入射した際の光の生成について、その一例を示す概略図である。図５において、放射線２０が蛍光体７に入射すると、相互作用２１が生じる。この相互作用２１に伴い、複数の単一光子２２が発生する。

図６は、光検出器の出力を計測したと仮定した場合の、電気パルス信号２３の一例を示す概略図である。通常、蛍光体７に一つの放射線２０が入射すると複数の単一光子２２が生成され、光検出器４を用いて一つの電気パルス信号２４として測定される。一方、本実施形態では、光ファイバ３から伝送された一つ一つの単一光子２２を光検出器４で測定する。図６に示すように、単一光子２２は光検出器４で約２ｎｓの時間幅を持った電気パルス信号２３として測定する。

このように、当該放射線モニタ１の蛍光体７が一般式（１）で表される高密度母材であるＡＴａＯ_４を備え、Ａ及びＢが４ｆ−４ｆ電子遷移を備えた希土類元素を少なくとも１種類以上含有する。放射線モニタ１は、光ファイバ３を伝送された単一光子２２の計数率を測定することにより、蛍光体７において、放射線２０に対する吸収効率の向上、及び光ファイバ３における伝送効率の高い５００〜８００ｎｍの発光効率の向上を実現し、検出感度を向上させることができる。

次に、当該放射線モニタ１の好適な使用例について説明する。
図７は、図１の放射線モニタにおける一使用例を示す概略図である。図７に示すように、放射線検知部２が測定対象エリア３０内に設置され、光ファイバ３と接続された光検出器４と、カウンタ５と、解析・表示装置６とが測定対象エリア外に設置される。これにより、例えば、原子炉建屋、原子炉格納容器内部の低線量率環境下において放射線の線量率を高感度に測定することができる。

図８は、図１の放射線モニタにおける他の使用例を示す概略図である。図８に示すように、測定対象エリア３０内に、少なくとも二つ以上の放射線検知部２を設置することにより、測定対象エリア３０の線量率分布を高感度に計測することができる。これらの効果から、原子力発電プラントや核燃料再処理施設、放射性同位元素を使用する医療施設、産業施設、研究用加速器施設、一般環境モニタリング装置等に放射線モニタ（モニタ・測定方法）が適用できる。

<<第２の実施形態>>
本発明の第２の実施形態に係る放射線モニタについて、図９を用いて説明する。以下の第１の実施形態に代替する実施形態では、同じ部分は同じ符号を付し、異なる部分のみ説明する。よって、説明が省略された部分は第１の実施形態と同様である。

図９は、第２の実施形態に係る放射線モニタ１を示す概略ブロック図である。第２の実施形態を示す概略ブロック図は、波長フィルタ４０を有する点で異なっている。なお、放射線検知部２、光ファイバ３、及び光検出器４は、第１の実施形態と同様であるため、その詳細な説明は省略する。

波長フィルタ４０は、光ファイバ３と光検出器４に接続され、光ファイバ３から伝送された光子に対し所定の範囲内の波長を透過する装置である。このように、波長フィルタ４０で所定の範囲の波長を透過させる機能を有することで、蛍光体７で発生する添加物以外の発光波長を取り除くことができる。したがって、低線量率環境下における放射線の線量率を正確に計測することが可能となる。なお、本明細書において「所定の範囲内の波長」とは、透過可能な波長範囲を示し、特定波長の光子のみを透過させることで光子を制御する。

第２の実施形態に係る放射線モニタ１は、線量率を計測する放射線モニタであって、下記一般式（１）で表される蛍光体７と、蛍光体７を備えた放射線検知部２と、放射線検知部２から発生した光子を伝送する光ファイバ３と、伝送された光子に対し所定の範囲内の波長を透過する波長フィルタ４０と、波長フィルタ４０を透過した一つ一つの光子を電気パルス信号に変換する光検出器４と、電気パルス信号を計数するカウンタ５と、単一光子の計数率と放射線の線量率との関係から、電気パルス信号の計数に基づいて放射線の線量率を求める解析・表示装置６（解析部）を有することを特徴とする。
一般式（１） ＡＴａＯ_４：Ｂ
（式中、Ａ及びＢは４ｆ−４ｆ電子遷移を備えた希土類群のうち、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂの少なくとも１種類以上の元素から選択される）

本実施形態によれば、光ファイバを用いた放射線検出器の検出感度が向上可能、かつ低線量率環境下の測定時間を短縮可能となる。

１ 放射線モニタ
２ 放射線検知部
３ 光ファイバ
４ 光検出器
５ カウンタ
６ 解析・表示装置（解析部）
７ 蛍光体
８ ハウジング
９ ＹＴａＯ_４：Ｅｕ（０．１％）の蛍光ピーク
１０ ＧｄＴａＯ_４：Ｅｕ（０．１％）の蛍光ピーク
２０ 放射線
２１ 相互作用
２２ 単一光子
２３ 電気パルス信号
２４ 電気パルス信号
３０ 測定対象エリア
４０ 波長フィルタ

Claims (7)

1. 線量率を計測する放射線モニタであって、
   下記一般式（１）で表される蛍光体と、前記蛍光体を備えた放射線検知部と、前記放射線検知部から発生した光子を伝送する光ファイバと、前記伝送された一つ一つの光子を電気パルス信号に変換する光検出器と、前記電気パルス信号を計数するカウンタと、単一光子の計数率と放射線の線量率との関係から、前記電気パルス信号の計数に基づいて放射線の線量率を求める解析部と、を有し、
   前記一般式（１）における前記Ａが、４ｆ−４ｆ電子遷移を備えた希土類群のうち、Ｇｄの元素であり、かつ、前記一般式（１）における前記Ｂが、４ｆ−４ｆ電子遷移を備えた希土類群のうち、Ｅｕの元素である、ＧｄＴａＯ _４ ：Ｅｕを用いる
   ことを特徴とする放射線モニタ。
   一般式（１） ＡＴａＯ_４：Ｂ
   （式中、Ａ及びＢは、４ｆ−４ｆ電子遷移を備えた希土類元素群のうち、少なくとも１種類以上の元素から選択される）
2. 線量率を計測する放射線モニタであって、
   下記一般式（１）で表される蛍光体と、前記蛍光体を備えた放射線検知部と、前記放射線検知部から発生した光子を伝送する光ファイバと、前記伝送された一つ一つの光子を電気パルス信号に変換する光検出器と、前記電気パルス信号を計数するカウンタと、単一光子の計数率と放射線の線量率との関係から、前記電気パルス信号の計数に基づいて放射線の線量率を求める解析部と、を有し、
   前記一般式（１）における前記Ａが、４ｆ−４ｆ電子遷移を備えた希土類群のうち、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｄｙの元素から選択され、かつ、前記一般式（１）における前記Ｂが、４ｆ−４ｆ電子遷移を備えた希土類群のうち、Ｔｂの元素である
   ことを特徴とする放射線モニタ。
   一般式（１） ＡＴａＯ_４：Ｂ
   （式中、Ａ及びＢは、４ｆ−４ｆ電子遷移を備えた希土類元素群のうち、少なくとも１種類以上の元素から選択される）
3. 前記一般式（１）における前記Ａ及び前記Ｂが、前記蛍光体の総質量に対して、
   １×１０^−３〜３０質量％含まれている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の放射線モニタ。
4. 前記蛍光体は、１μｓ以上の減衰時定数を有する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の放射線モニタ。
5. 前記放射線モニタは、さらに、前記伝送された光子の所定の範囲内の波長を透過する波長フィルタを有し、
   前記光検出器は、前記波長フィルタを透過した一つ一つの光子を電気パルス信号に変換する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の放射線モニタ。
6. 前記放射線検知部は、少なくとも二つ以上設置され、測定対象エリア内の線量率を測定する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の放射線モニタ。
7. 前記放射線検知部を測定対象エリア内に設置され、前記光検出器と、前記カウンタと、前記解析部を測定対象エリア外に設置される
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の放射線モニタ。

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