JP6780429B2

JP6780429B2 - 放射線検出装置

Info

Publication number: JP6780429B2
Application number: JP2016198809A
Authority: JP
Inventors: 智也布宮; 直道森本; 隆浩天野
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2016-10-07
Filing date: 2016-10-07
Publication date: 2020-11-04
Anticipated expiration: 2036-10-07
Also published as: JP2018059861A

Description

本発明は、中性子の線量を計測する放射線検出装置に関する。

従来より使用されている放射線被ばく量の計測器具として線量計があり、特許文献１は、ほう素膜を備えた半導体検出器を用いて熱中性子線を検出する放射線検出器を開示している。また、特許文献１では、ポリエチレン板を半導体検出器の入射窓におくことで速中性子線を検出できる点も記載されている。そして、中性子線はエネルギー範囲が広いので、低エネルギーの熱中性子線用の検出器と、高エネルギーの速中性子線用の検出器との両方を備え、それぞれの出力に重み付けをして中性子の線量を計測する線量計が利用されている。このような線量計では、測定エネルギーが異なる２つの検出器が基板に実装され、具体的には、基板の表裏面のうち線源に近い方の面に両方の検出器が並んで実装されている。

特開昭６０−２４０１６１号公報

しかしながら、基板の一方の面に２つの検出器を実装すると、実装に要する面積を確保するために基板が大きくなり、ひいては、線量計全体が大型化する、という問題がある。
また、線量計は使用者に携帯して利用される等の理由から、小型化を図りつつ検出感度を向上できるようにすることが望まれている。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、小型化を図りつつ中性子検出の感度を向上させることができる放射線検出装置を提供することを目的とする。

本発明の放射線検出装置は、速中性子により反跳陽子を発生する速中性子反応部材と、前記速中性子反応部材が発生した反跳陽子を検出する速中性子検出器と、熱中性子との核反応によって荷電粒子を放出する熱中性子反応部材と、前記熱中性子反応部材が放出した荷電粒子を検出する熱中性子検出器とを備え、使用者に装着した状態において、前記速中性子検出器及び前記熱中性子検出器の検出結果により中性子の線量を計測する放射線検出装置であって、前記速中性子検出器及び前記熱中性子検出器は、略平行となる一対の主面をそれぞれ備え、該主面の直交方向に少なくとも一部が相互に重なって配置され、前記速中性子検出器より前記熱中性子検出器の方が使用者寄りに位置することを特徴とする。

この構成によれば、２つの中性子検出器を主面の面方向に沿って並べる場合に比べ、中性子検出器のための実装面積を縮小でき、検出装置全体の小型化を図ることができる。また、速中性子検出器より熱中性子検出器の方が使用者寄りに位置するので、使用者で反射した熱中性子が熱中性子検出器に入射し易くなり、特に熱中性子検出器で検出するエネルギーに対する感度特性を向上することができる。

本発明によれば、放射線検出装置の小型化を図りつつ中性子検出の感度を向上させることができる。

実施の形態に係る放射線検出装置の縦断面図である。速中性子検出器の構造を示す断面図である。熱中性子検出器の構造を示す断面図である。放射線検出装置の一例の構成を示すブロック図である。基板及び各中性子検出器の概略斜視図である。

以下に、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、下記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。また、以下の図においては、説明の便宜上、一部の構成を省略することがある。

図１は、実施の形態に係る放射線検出装置の縦断面図である。図１に示すように、放射線検出装置１は、筐体１１内に配置された速中性子反応部材２０、速中性子検出器３０、熱中性子検出器４０、熱中性子反応部材５０、プリント基板（基板）１２、報知部１３、表示部１４及び装着部１５を備えている。速中性子検出器３０及び熱中性子検出器４０は、プリント基板１２上に実装されて電気的に接続されている。速中性子検出器３０及び熱中性子検出器４０はそれぞれ概略板状に形成され、その表裏において略平行となる一対の主面３０ａ、３０ｂ、４０ａ、４０ｂをそれぞれ備えている。報知部１３は、プリント基板１２のＣＰＵにて処理した信号により、警告音等を報知するブザーやスピーカ等からなる。表示部１４は、各中性子検出器３０、４０において検出した放射線量等を表示する。装着部１５は、詳細な構成の図示説明を省略するが衣服等に装着可能なクリップ等により構成され、放射線検出装置１が使用者に装着できるようになる。

図２は、速中性子検出器の構造を示す断面図である。速中性子検出器３０は、放射線有感部の表面に厚さ０．１ｍｍ程度のシート状のポリエチレンシートからなる速中性子反応部材２０が配置された構造をしている。なお、速中性子反応部材２０は、水素を高密度で含む有機高分子であって、速中性子の入射により反跳陽子を発生するものであれば他の材質のものを用いてもよい。図２では、速中性子反応部材２０が速中性子検出器３０に密着して示されているが、密着していない場合もある。これは、反跳陽子の空気中の飛程が充分に大きいので、僅かな隙間は無視できるからである。

速中性子検出器３０は、単結晶シリコンとアモルファスシリコンとのヘテロ接合型のダイオードである。この速中性子検出器３０は、ｐ形シリコン基板３１を基材とし、その一方の主面３０ａ（図２の左面）に、１μｍ程度の薄い高抵抗率のｎ形のアモルファスシリコン膜３２が形成されている。また、速中性子検出器３０の他方の主面３０ｂ（図２の右面）には、そのほぼ全面にアルミ蒸着膜からなる電極３３が形成され、アモルファスシリコン膜３２の外周部を除く全面に、アルミ蒸着膜からなる電極３４が形成されている。この電極３４の厚さは、その大部分が電極として必要最小限の厚さであり、リード線接続部だけがワイヤボンディングに必要な厚さを備えている。

上記のヘテロ接合型ダイオードの両電極３３、３４に逆方向バイアスの電圧が印加されると、ヘテロ接合部を挟んで図示していない空乏層が形成される。空乏層が形成されるのは、アモルファスシリコン膜３２側の電極３４が形成されている部分に限られる。速中性子反応部材２０からの反跳陽子が、この空乏層内に到達すると、その反跳陽子が空乏層に到達した時点に保有していたエネルギーに相当する数の電子−正孔対を空乏層内に形成する。この電子−正孔対が、空乏層の電界によって分離され、電流パルスとなる。したがって、空乏層の形成部分が、速中性子検出器３０の放射線有感部であり、放射線有感部はアモルファスシリコン膜３２側で表面に近接しており、速中性子反応部材２０はアモルファスシリコン膜３２側に配備されている。

図３は、熱中性子検出器の構造を示す断面図である。熱中性子検出器４０は、放射線有感部の表面に硼素膜からなる熱中性子反応部材５０が形成された構造をしている。熱中性子反応部材５０は、熱中性子検出器４０の一方の主面４０ａ（図３の右面）に直接形成されている。その理由は、^１０Ｂと熱中性子との核反応で放出されるα粒子及び^７Ｌｉ原子核の飛程がそれほど長くないからである。なお、熱中性子反応部材５０は、熱中性子との核反応によって荷電粒子を放出するものであれば、^６Ｌｉを含む物質等、硼素膜とは異なる材質のものを用いてもよい。

熱中性子検出器４０は、ｐ^＋ｎ接合型のダイオードである。熱中性子検出器４０は、ｎ形シリコン基板４１を基材とし、その一方の主面４０ａ（図３の右面）側に、薄いｐ^＋層４２が形成されている。また、熱中性子検出器４０の他方の主面一方の主面４０ｂ（図３の左面）には、そのほぼ全面にアルミ蒸着膜からなる電極４３が形成され、ｐ^＋層４２の一部に、ワイヤボンディングのためのアルミ蒸着膜からなるアルミ電極４４が形成されている。ｐ^＋層４２の一部だけにアルミ電極４４が形成されるのは、ｐ^＋層４２が電極の役目を兼ねるため、電極としてのアルミ蒸着膜は不要なので、ワイヤボンディングに必要な分だけを形成すればよいからである。

このようなｐ^＋ｎ接合型ダイオードの両電極４３、４４に逆方向バイアスの電圧が印加されると、ｐ^＋ｎ接合部を挟んで図示していない空乏層が形成される。熱中性子反応部材５０から放出されたα粒子または^７Ｌｉ原子核が、この空乏層内に到達すると、そのα粒子または^７Ｌｉ原子核が空乏層に到達した時点に保有していたエネルギーに相当する数の電子−正孔対を空乏層内に形成する。この電子−正孔対が、空乏層の電界によって分離され、電流パルスとなる。したがって、ヘテロ接合型ダイオードの場合と同様に、空乏層の形成部分が、熱中性子検出素子４０の放射線有感部であり、放射線有感部はｐ^＋層４２側で表面に近接しており、熱中性子反応部材５０はｐ^＋層４２の表面に直接に形成されている。

続いて、放射線検出装置の構成について図４を参照して説明する。図４は放射線検出装置の一例の構成を示すブロック図である。放射線検出装置は、速中性子検出器３０及び熱中性子検出器４０と、両検出器３０、４０のそれぞれの出力電流パルス（検出結果）を増幅するそれぞれの増幅回路３と、増幅されたそれぞれの信号パルスの内の基準値以上のパルスを計数するそれぞれの計数回路４と、速中性子検出器３０側の計数値ｎ_ｈ及び熱中性子検出器４０側の計数値ｎ_ｔｈにそれぞれの検出感度に相当する重み付けをして加算する乗算加算回路５と、乗算加算回路５の出力から線量値を算出するための不図示の演算回路や計測値を表示するための不図示の表示部等で構成されている。

計数回路４に設定される基準値は、それぞれの検出器３０、４０が検出したγ線の電流パルスを除去するために設定され、通常、５００〜１０００ｋｅＶの間に設定される。乗算加算回路５では、速中性子検出器３０側の計数値ｎ_ｈに所定値αを乗じた値αｎ_ｈに、熱中性子検出器４０側の計数値ｎ_ｔｈが加算され、この値（αｎ_ｈ＋ｎ_ｔｈ）によって、放射線検出装置１では中性子の線量が計測される。所定値αは、速中性子検出器３０の感度に対する熱中性子検出器４０の感度の比である。

次いで、各中性子検出器のレイアウトについて図１及び図５を参照して説明する。図５は、基板及び各中性子検出器の概略斜視図である。ここで、速中性子検出器３０及び熱中性子検出器４０の主面３０ａ、３０ｂ、４０ａ、４０ｂに直交する方向は、図１及び図５で矢印Ｘ方向にて図示し、以下の説明では単に「Ｘ方向」とする。

図１に示すように、装着部１５を介して使用者Ｕの衣服等に放射線検出装置１を装着した場合、線源Ｓと使用者Ｕとの間に放射線検出装置１が配置されることとなる。このとき、Ｘ方向では、線源Ｓから使用者Ｕに向かって順に、速中性子反応部材２０、速中性子検出器３０、プリント基板１２、熱中性子検出器４０、熱中性子反応部材５０の順に並んで配置されるようになる。

従って、プリント基板１２の線源Ｓ側となる一方の面に速中性子検出器３０が配置され、その反対側となる使用者Ｕ側の面（他方の面）に熱中性子検出器４０が配置される。これにより、使用者Ｕと熱中性子検出器４０との間に速中性子検出器３０が配置され、速中性子検出器３０より熱中性子検出器４０の方が使用者Ｕ寄りに位置することとなる。また、速中性子検出器３０の一方の主面３０ａ側に速中性子反応部材２０が配置され、速中性子検出器３０の他方の主面３０ｂ側に熱中性子検出器４０が配置される。更には、Ｘ方向において、熱中性子検出器４０より使用者Ｕ側に、熱中性子反応部材５０が配置されている。

図５に示すように、速中性子検出器３０及び熱中性子検出器４０は、プリント基板１２に装着された状態において、Ｘ方向に相互に重なって配置されている。例えば、図５のように、速中性子検出器３０及び熱中性子検出器４０がＸ方向で見て概略同一となる外形形状に形成される場合、それぞれの外縁位置が揃うように略全領域で重なるように配置してもよい。また、Ｘ方向で見た形状が速中性子検出器３０及び熱中性子検出器４０で異なる場合、それらの何れか一方が他方に対してＸ方向で見てはみ出ずに収まるように配置したり、両方がはみ出るように配置したりすることも例示できる。要するに、速中性子検出器３０及び熱中性子検出器４０は、少なくとも一部がＸ方向に相互に重なって配置されていればよいが、重なる面積が広い程、プリント基板１２の実装に必要な面積を縮小でき、装置全体を小型化できる点で有利となる。

次に、上記の実施の形態に係る各中性子検出器の感度改善効果を確認するために行った実験について説明する。本実験では、実施例として、上記実施の形態と同様となる図１に示す構成の放射線検出装置１を用意した。比較例では、上記実施の形態の放射線検出装置１に対し、プリント基板１２の向きを反転し、これに装着される各中性子検出器３０、４０のＸ方向の向きを反対向きとした。言い換えると、プリント基板１２の線源Ｓ側に熱中性子検出器４０が配置され、その反対側となる使用者Ｕ側の面（他方の面）に速中性子検出器３０が配置される構成とした。

実施例及び比較例において、以下に述べる条件にて、線源から放射線（中性子線）を照射して各中性子検出器３０、４０のカウント数を測定した。その結果を以下の表１に示す。
・基準線源：２５２Ｃｆ
・線源強度［Ｂｑ］：２００Ｍ
・速中性子検出器の基準線量［ｍＳｖ］：１７．２０
・熱中性子検出器の基準線量［ｍＳｖ］：０．１３

表１の結果から、速中性子検出器では、比較例が実施例の３％程度のカウント数しか測定しなくなり、実施例の方が優れた感度となることが実証された。また、熱中性子検出器では、比較例に対し実施例のカウント数が約１５７％となって増大し、実施例の方が優れた感度となることが実証された。なお、熱中性子検出器にあっては、比較例に比べて実施例の方が線源から遠ざかって使用者に近付くこととなり、使用者の人体にて反射された熱中性子がより多く熱中性子反応部材に入射して感度が向上したものと推測される。また、実施例のように、熱中性子検出器より使用者側に熱中性子反応部材が位置した方が、熱中性子反応部材に対し、使用者から反射される熱中性子がより多く入射するようになることも有利に作用したものと考えられる。

上述した実施の形態によれば、図５に示すようにプリント基板１２の両面に速中性子検出器３０及び熱中性子検出器４０を装着している。これにより、各検出器３０、４０をプリント基板１２の片面に両方装着する従来構造に比べ、Ｘ方向で各検出器３０、４０が重なる領域分、プリント基板１２を小さくすることができる。この結果、筐体１１を小さくして放射線検出装置１全体を小型化することができ、使用者Ｕに対する携帯性を向上させて個人被曝管理の促進を図ることができる。

また、上記実施例にて実証したように、熱中性子検出器４０でのカウント数を増大して感度を向上させることができる。なお、熱中性子検出器４０及び熱中性子反応部材５０は、従来構造のものを用いても感度向上を図ることができ、構造が複雑化したり新たな熱中性子検出器４０を設計したりせずに簡単な構成として容易に放射線検出装置１の内部構造を容易に設計できるようになる。

ところで、他の従来構造として、単一の半導体検出器における放射線有感部側に熱中性子反応部材（ほう素等）と速中性子反応部材（ポリエチレン等）とを設け、熱中性子と速中性子との両方を検出する装置が知られている。ところが、かかる装置では、上述したように熱中性子と速中性子との検出で感度の比が大きいにも拘らず、単一の半導体検出器からの出力パルスだけでは熱中性子及び速中性子の何れであるか特定できなくなる。このため、検出感度を良好に得るには、波高値を分析して処理したり弁別したりして制御負担が大きくなる、という問題がある。また、半導体検出器毎の出力のばらつきが大きくなり易く、放射線検出装置を量産した場合には調整作業が膨大となってしまう、という問題もある。

この点、上記実施の形態では、速中性子検出器３０と熱中性子検出器４０とを別々に設けたので、それぞれの出力電流パルスも別々に取得してカウントすることができ、制御負担を軽減しつつ検出感度を良好に維持することができる。また、速中性子検出器３０及び熱中性子検出器４０それぞれの出力が安定化され、量産した場合の調整の負担も軽くすることができる。

本発明の実施の形態は上記の各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらには、技術の進歩又は派生する別技術によって、本発明の技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、本発明の技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。

上記実施の形態では、プリント基板１２を挟むように速中性子検出器３０及び熱中性子検出器４０を配置したが、これに限られず、プリント基板１２以外の板状或いはシート状のものを挟むように配置してもよい。また、プリント基板１２を省略し、速中性子検出器３０及び熱中性子検出器４０が直接重なり合うようにしてもよい。この場合、少なくとも一方の検出器３０、４０の端部側で所定の支持構造を介して支持される。

また、速中性子検出器３０及び熱中性子検出器４０にあっては、ヘテロ接合型ダイオード及びｐ^＋ｎ接合型のダイオードの何れの構成を採用してもよい。

１放射線検出装置
１２プリント基板（基板）
１５装着部
２０速中性子反応部材
３０速中性子検出器
３０ａ、３０ｂ主面
４０熱中性子検出器
４０ａ、４０ｂ主面
５０熱中性子反応部材
Ｕ使用者

Claims

速中性子により反跳陽子を発生する速中性子反応部材と、
前記速中性子反応部材が発生した反跳陽子を検出する速中性子検出器と、
熱中性子との核反応によって荷電粒子を放出する熱中性子反応部材と、
前記熱中性子反応部材が放出した荷電粒子を検出する熱中性子検出器とを備え、使用者に装着した状態において、前記速中性子検出器及び前記熱中性子検出器の検出結果により中性子の線量を計測する放射線検出装置であって、
前記速中性子検出器及び前記熱中性子検出器は、略平行となる一対の主面をそれぞれ備え、該主面の直交方向に少なくとも一部が相互に重なって配置され、前記速中性子検出器より前記熱中性子検出器の方が使用者寄りに位置することを特徴とする放射線検出装置。
前記速中性子検出器の一方の前記主面側に前記速中性子反応部材が配置され、前記速中性子検出器の他方の前記主面側に前記熱中性子検出器が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出装置。
前記速中性子検出器及び前記熱中性子検出器は基板に装着され、
前記速中性子検出器は前記基板の一方の面側に配置され、前記熱中性子検出器は前記基板の他方の面側に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の放射線検出装置。
前記放射線検出装置を使用者に装着するための装着部を更に備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の放射線検出装置。
前記直交方向で前記熱中性子検出器より使用者側に前記熱中性子反応部材が配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の放射線検出装置。