JP7134150B2 - 放射能分析装置 - Google Patents

Description

本願は、放射能分析装置に関するものである。

従来、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）などのシンチレータを用いたシンチレーション検出器を備えた検出部と多重波高分析器とを組み合わせて波高スペクトルを表示できるようにした放射能分析装置は．概略的な放射線エネルギー分布を求めることができ、検出した放射線のエネルギー分布が分かり、放射能核種を特定することができる。

このような放射能分析装置において、多重波高分析器により得られる波高スペクトルに対して、さらに逆問題解法（例えばアンフォールディング演算）といった放射能分析機能を付加して、波高スペクトルをエネルギースペクトルに変換して検出した放射線のエネルギーをより高精度に算出して放射能核種を特定する（核種分析をする）技術が既に提案されている（例えば、下記の特許文献１参照）。

ところで、被測定体から放射される放射線を検出する検出部を構成するシンチレーション検出器は、温度変化などにより検出特性が変化することがある。特に、検出器出力であるパルス信号を増幅させる比率（ゲイン）は、環境温度、経年劣化などにより変化するという望ましくない特性がある。このため、環境温度または検出器の劣化度に応じてゲインが変動しないように自動調整する必要がある。

そこで、従来技術では、このようなゲインの自動調整を行うために、カリウム４０の全吸収ピークを指標にしてゲインを自動調整する、あるいは、基準線源を用いたライトパルサを検出器内部に付加することで得えられる基準の全吸収ピークを指標にしてゲインを自動調整しているものがある。

特に、従来のシンチレーション検出器を適用している例えば原子力プラントに設置されている高感度型主蒸気管モニタは、広範囲のエネルギー帯を検出対象にしているので、広範囲のエネルギー帯において一定のゲインを保持する要求がある。そのため、シンチレーション検出器に基準線源を用いたライトパルサを検出器内部に付加することで得る基準の全吸収ピークを指標にしてゲインを自動調整している。

ここで、従来のライトパルサは、発光体からなるケース内にＡｍ－２４１（アメリシウム－２４１）などの基準となる放射線源を封入して構成されており、基準の放射線源によって発光体が発光する。したがって、従来のライトパルサはその光の強度（光エネルギー）が常に固定しており、外部からの電力制御などによって可変できるものではない。

国際公開番号２０１６／１２９４５５号公報

前述のように、従来のシンチレーション検出器に適用されるゲイン調整のための指標としてカリウム４０の全吸収ピーク、または基準線源を用いたライトパルサが適用されるが、特に、従来使用されているライトパルサは、その光の強度（光エネルギー）が常に固定している。このため、測定対象の放射能のスペクトルに対してライトパルサの光エネルギーのスペクトルが重複するような場合には、両者を区別することが難しくなり、ライトパルサをゲイン指標として利用するのが阻害されるという問題がある。

また、検出部を構成するシンチレーション検出器は、ライトパルサの固定された光の強度（光エネルギー）を指標としてゲイン調整されるので、このエネルギー近傍のエネルギー帯は正しいゲインになることは保証される半面、その近傍から外れたエネルギー帯においては、常に高精度の一定のゲインとなることは難しく、増幅回路の直線性性能に依存するという問題点がある。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、被測定体から放射される放射線を検出する検出部に対して、測定環境、経年劣化などに影響されないゲイン調整、および広域なエネルギー帯においても確実にゲイン保証ができる放射能分析装置を提供することを目的とする。

本願に開示される放射能分析装置は、被測定体から放射される放射線を検出して電気パルス信号を出力する検出部、前記検出部からの前記電気パルス信号に対して波高スペクトルを出力する多重波高分析器、および前記多重波高分析器からの前記波高スペクトルに対して応答関数を用いた逆問題演算を行って前記被測定体のエネルギースペクトルを抽出する逆問題演算部を備えるとともに、前記検出部に対して外部電力の大きさにより光の強度が変化する光源を有するライトパルサを設け、かつ、前記逆問題演算部は、前記逆問題演算により前記被測定体の放射線のエネルギースペクトルに加えて、前記ライトパルサの前記光源によるエネルギースペクトルを抽出するようにしている。

本願に開示される技術によれば、被測定体から放射される放射線を検出する検出部に対して、測定環境、経年劣化などに影響されないゲイン調整、および広域なエネルギー帯においても確実にゲイン保証ができる放射能分析装置を得ることができる。

本願の実施の形態１による放射能分析装置の構成を示すブロック図である。 図１に示した放射能分析装置の多重波高分析器の出力である波高スペクトルの一例を示す図である。 図１に示した放射能分析装置の逆問題演算部の出力であるエネルギースペクトルの一例を示す図である。 本願の実施の形態２による放射能分析装置の構成を示すブロック図である。 図４に示した放射能分析装置の逆問題演算部の出力であるエネルギースペクトルの一例を示す図である。

実施の形態１．
図１は実施の形態１による放射能分析装置の構成を示すブロック図である。
図１において、この実施の形態１の放射能分析装置１は、放射能を含む物質をモニタリングする装置であって、検出部１１、増幅器１２、多重波高分析器（Ｍｕｌｔｉ Ｃｈａｎｎｅｌ Ａｎａｌｙｚｅｒ；ＭＣＡ）１３、逆問題演算部１４、および表示部１５を備え。さらにライトパルサ３が設けられている。

検出部１１は、被測定体２から発せられる放射線を検出して電気パルス信号を出力するシンチレーション検出器が適用される。この場合のシンチレーション検出器は、図示しないが、放射線により発光するシンチレータおよび光電子増倍管を組み合わせて構成される。

増幅器１２は、検出部１１からの電気パルス信号の信号レベルを増幅して、パルス波形整形する。また、多重波高分析器１３は、増幅器１２の電気パルス信号を波高に基づいてデジタル値に変換し、そのデジタル値の大きさに応じて多重チャンネルに弁別し、各チャンネルに対応する信号数をカウントして波高スペクトルを出力する。

逆問題演算部１４は、多重波高分析器１３が出力する波高スペクトルに逆問題演算を施して、検出部１１に入射した放射線のエネルギーに対応したチャンネルに変換することで、波高スペクトルからエネルギースペクトルに変換して被測定体２の放射能量を演算する。なお、その逆問題演算の内容については後に詳述する。表示部１５は、多重波高分析器１３の出力である波高スペクトル、および逆問題演算部１４の出力であるエネルギースペクトルを表示する。

ライトパルサ３は、検出部１１に対して一定強度の光を入射して波高スペクトルおよびエネルギースペクトル上に放射線検出を模擬するピークを発生させるためのものであって、光源３１およびパルサスイッチ３２を備える。

光源３１は、外部電力の大きさで光の強さ（光エネルギー）が変化する発光素子、例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、半導体レーザ、有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）などの発光素子で構成されており、パルサスイッチ３２のオン／オフにより発光したり消光したりする。

この光源３１により発光された光は、検出部１１で受光され、増幅器１２で信号増幅され、多重波高分析器１３で入射した光の強度が分析されて光の強度に適合したチャンネルとしてカウントされて波高スペクトルとして表示部１５に表示される。また、同時に逆問題演算部１４において波高スペクトルに逆問題演算を施して光の強度（光エネルギー）に対応したチャンネルに変換することでエネルギースペクトルとして表示部１５に表示される。

上記のように、この実施の形態１においては、ライトパルサ３の光源３１は、検出部１１に入射する放射線の模擬として光を発生するが、通常の放射線と違って、その光の強度（光エネルギー）を外部からの電力制御によって可変できるので、後述の逆問題演算を施して波高スペクトルをエネルギースペクトルに変換した際に、予め被測定体２の測定エネルギー帯と重複するのを回避して、使用者が決定する任意のエネルギー帯にチャンネルを設定することができる。このため、ライトパルサ３の光源３１をゲイン調整のための指標として用いることが可能になる。

次に、上記のように構成された実施の形態１の放射能分析装置１の測定方法について説明する。

被測定体２は放射能を含むので、放射能から発せられる放射線の一部は検出部１１に入射する。放射線が検出部１１に入射すると、電気パルス信号に変換され増幅器１２に出力され、増幅器１２において電気パルス信号が増幅および整形された後、多重波高分析器１３に出力される。

多重波高分析器１３は、入力された電気パルス信号のパルス波高の高さを読み取って、そのパルス波高の高さに応じて例えば１０００チャンネル程度に分割された各チャンネルに割り当てる。すなわち、多重波高分析器１３が受け入れ可能な電気パルス信号の最大パルス波高については、最大チャンネルの例えば１０００チャンネル目に割り当てられる。最大パルス波高以下のパルス波高については、パルス波高に比例したチャンネルにそれぞれ割り当てられる。

多重波高分析器１３は、パルス波高のチャンネル毎のカウントを積算して、パルス波高のチャンネルを横軸、各チャンネルに対する各カウント数を縦軸として表した、例えば図２に示すような波高スペクトルを出力する。

図２は、検出部１１として、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）のシンチレーション検出器を用いた場合の波高スペクトルを表す。

図２において、被測定体２から入射した放射線のエネルギーはＥ１においてピークを示し、その周囲は広がりを持ち、その広がりを全吸収ピークの領域Ｒａという。この全吸収ピークの領域Ｒａの広がりの程度を、適用する検出部１１の分解能といい、領域Ｒａの広がりが狭いほど分解能が優れている。この分解能は、検出部１１の特性であり、その種類および品質により決まる。全吸収ピークの領域Ｒａより低いエネルギー領域の分布をコンプトン散乱領域Ｒｃといい、検出部１１の物理的な大きさが有限であるため、必ず現れる領域である。このコンプトン散乱領域Ｒｃの分布面積が小さいほど、かつ全吸収ピークの領域Ｒａの分布面積が大きいほどシンチレーション検出器の性能が優れているといえる。

また、図２に示す波高スペクトルにおいて、Ｌ１はライトパルサ３の光源３１により入射される光によるパルス波高のピーク（以下、パルサピークという）を示す。被測定体２による放射線の全吸収ピークの領域Ｒａの広がり、あるいはコンプトン散乱領域Ｒｃの分布の上に、ライトパルサ３の光源３１によるパルサピークＬ１が重なると、これが隠れてしまうが、予め使用者が、光源３１による光の強度（光エネルギー）を調整しておくことで、後述の逆問題演算部１４による逆問題演算により波高スペクトルをエネルギースペクトルに変換した際に、光源３１によるパルサピークＬｌが被測定体２の測定エネルギー帯に重複するのを回避することができる。

なお、パルサスイッチ３２による光源３１の単位時間当たりのオン／オフは、図２の波高スペクトルのカウント数（縦軸）の大きさに影響するが、光の強度（光エネルギー）（横軸）とは直接には関係がない。

次に、逆問題演算部１４による逆問題演算の内容について説明する。
多重波高分析器１３の出力は、逆問題演算部１４に入力される。逆問題演算部１４は応答関数を保有しており、その応答関数を用いて波高スペクトルに対して逆問題演算を実施する。つまり、Ｍを波高スペクトル、Ｒを応答関数、Ｓを放射線の相互作用による影響が排除されたエネルギースペクトルとすると、下記の（式１）が成立する。

Ｍ＝Ｒ・Ｓ （式１）
ここで、応答関数Ｒは、一般に可換群を形成するので逆元が存在する。そして、逆問題演算部１４は、この（式１）における逆変換となる（式２）を計算し、エネルギースペクトルＳを抽出する。なお、（式２）において（Ｒ－１）は応答関数の逆元を示す。

Ｓ＝（Ｒ－１）・Ｍ （式２）
ここで、波高スペクトルＭおよびエネルギースペクトルＳをそれぞれベクトル表記、つまりチャンネル数に応じたカウント数をベクトル成分として表すと、応答関数Ｒおよび応答関数の逆元（Ｒ－１）はそれぞれ行列、逆行列と称することができる。

そして、逐次近似法（参考文献：文部科学省、放射能測定法シリーズ２０「空間γ線スペクトル測定法」、（１９９０）付録２）によりフィードバック的操作を行い、予めシミュレーションにより算出された応答関数Ｒを用いて、被測定体２を計測して得られる波高スペクトルＭからエネルギースペクトルＳを詳細化していき、目的のエネルギースペクトルＳを求めることができる。

上記の逐次近似法を適用すると、（式２）のエネルギースペクトルＳの求め方が以下のようになる。
まず、エネルギースペクトルＳの初期値として測定値Ｍをそのまま代入すると、（式３）となる

次に、以下の（式４）、（式５）をフィードバック的に繰り返し、Ｓ^{（ｍ＋１）}／Ｓ^（ｍ）が収束するまで繰り返す。

以上のようにして求めたエネルギースペクトルＳに含まれる情報は、被測定体２に含まれる放射性核種の種類を示すものである。

この（式２）を解くことにより、Ｍで表される波高スペクトルから、放射線のエネルギー情報のみを含むＳで表されるエネルギースペクトルを抽出することができる。つまり、こうして得られるエネルギースペクトルは、検出部１１および被測定体２の周辺構造物等による相互作用による影響、および、検出部１１にかかわる統計的なバラつきによる影響が排除されている。すなわち、（式２）の計算により、放射線のエネルギー情報を正確に知ることができ、検出された放射線を放出した放射性物質の同定の精度が向上する。そして、抽出されたエネルギースペクトルは、表示部１５に表示される。その際、同時にライトパルサ３の光源３１に基づいて得られる波高スペクトルについても、逆問題演算部１４によりエネルギースペクトルに変換されて、表示部１５に表示される。

図３は多重波高分析器１３の出力である波高スペクトル（図２）を逆問題演算部１４で変換して得られたエネルギースペクトルを示すものである。

被測定体２から入射した放射線については、逆問題演算により波高スペクトルに見られたコンプトン散乱領域Ｒｃおよび全吸収ピークの領域Ｒａの広がりが無くなる。なお、図３では、エネルギーＥ１を持つ放射線が１種類だけ入射した場合を示しているが、複数のエネルギーが入射した場合には、エネルギーＥ１以外のチャンネルにもカウントを示すようになる。これらのチャンネル毎、すなわちエネルギー毎のカウント数が求めるべき放射能量である。

このように、被測定体２から入射した放射線については、逆問題演算部１４でエネルギースペクトルに変換されると、波高スペクトルに見られたコンプトン散乱領域Ｒｃおよび全吸収ピークの領域Ｒａの広がりが無くなる。また、ライトパルサ３の光源３１によるパルサピークＬ１の位置は、被測定体２からの放射線のエネルギーＥ１と重ならないように予め設定しているので、エネルギーＥ１の位置に現れる被測定体２の放射能量に影響されることなく、ライトパルサ３の光源３１によるパルサピークＬ１の位置がスペクトル上のどこに位置するのかが明確になる。

放射能分析装置１の検出出力であるパルス信号を増幅させる比率（ゲイン）が常に一定の場合には、図３に示したエネルギースペクトルにおける光源３１のパルサピークＬ１の位置は、いつも同じ位置にある。一方、環境温度の変化または検出部１１の経年劣化等によりゲインが変動すると、これに伴い、被測定体２が発する放射線のエネルギーも変動するので、放射能核種などを正確に特定できなくなる。また、光源３１によるパルサピークＬ１の位置も変動する。

この場合には、表示部１５に表示されるエネルギースペクトル（図３）を観察し、ライトパルサ３の光源３１によるパルサピークＬ１の位置が常に同じ位置にくるように増幅器１２のゲインを調整する。このようにゲイン調整すれば、放射能分析装置１のゲインが、環境温度の変化または検出部１１の経年劣化等に影響されることなく常に一定に制御することができる。

以上のように、この実施の形態１によれば、外部電力の大きさで光量が変化する光源３１を有するライトパルサ３を設け、かつ、逆問題演算部１４の演算により被測定体２から放射される放射線のエネルギースペクトルに加えて、ライトパルサ３の光源３１によるエネルギースペクトルを抽出するので、使用者が決定する任意のエネルギー帯にライトパルサ３の光源３１のエネルギーに対応したチャンネルを設定することができる。このため、被測定体２の測定エネルギー帯を回避して、ライトパルサ３の光源３１に基づくゲイン調整のための指標が得られるので、被測定体２から放射される放射線を検出する検出部１１のゲインの健全性を確認することができ、正確なゲイン調整を行なえる。このため、常に精度良い検出結果が得られるようになる。

また、上記のライトパルサ３は、従来のような放射線源を用いたものではなくて、ＬＥＤ等の光源３１を用いて構成されているので、予め光の強度を定めるだけでなく、光のオン／オフが可能である。そのため、ゲイン指標を使用しない時には光源３１をオフにして、被測定体２からの放射線のみを入射するようにすることも可能である。

実施の形態２．
上記実施の形態１において、ライトパルサ３の光源３１は、オン／オフだけの制御を行っているが、オン／オフの制御だけでなく、光の強度（光エネルギー）を制御するようにすると、ライトパルサ３の光源３１によるエネルギースペクトルのピーク位置を任意に変更することができる。

図４はこの実施の形態２による放射能分析装置の構成を示すブロック図である。
この実施の形態２では、ライトパルサ３の構成として、光源３１およびパルサスイッチ３２に加えて、パルサ制御部３３を設ける。そして、このパルサ制御部３３によって、光源３１から発生される光の強度（光エネルギー）を制御できるようにしている。

この場合のパルサ制御部３３による具体的な制御の仕方としては、例えば、バルサスイッチ３２のオン／オフ周期に同期して、ライトパルサ３の光源３１に印加する電圧を変化させるなどの制御を行うことにより、光源３１から発せられる光の強度を時分割で変更する。

図５は図４に示した放射能分析装置の逆問題演算部１４の出力であるエネルギースペクトルの例を示す図である。

上記のように、パルサ制御部３３により、バルサスイッチ３２のオン／オフ周期に同期して、ライトパルサ３の光源３１に印加する電圧を変化させるなどの制御を行うことにより、光源３１から発せられる光の強度を変更する。そして、被測定体２についての逆問題演算部１４の出力であるエネルギースペクトルが複数のチャンネル（エネルギー）Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、……、Ｅｎにわたって存在する場合でも、これらのピークを避けて、例えば図示したＬ１、Ｌ２の各位置に光源３１によるパルサピークを選定することができる。このため、ライトパルサ３の光源３１の発光制御を継続しても被測定体２の測定を正常に継続することが可能となる。

また、検出部１１について、広範囲のエネルギー分布を示す例えばガンマ線検出を目的とするシンチレーション検出器を用いる場合には、広範囲のエネルギー帯において優れたゲイン直線性を備えることが重要となる。このため、広範囲のエネルギー帯においてゲインを確認する必要性がある。この実施の形態２の構成では、上記必要性に応じてライトパルサ３の光源３１の光の強度を制御することで、エネルギースペクトルのピーク位置をＬ１、Ｌ２、……というように広範囲にわたって変更できる。そのため、被測定体２の測定エネルギー帯が広域の場合でも、指標ゲインの位置を変えてゲインの健全性を確認することが可能となる。

上記のように、広範囲のエネルギーのガンマ線検出を目的とするシンチレーション検出器としては、例えば、原子力プラントに設置されている高感度型主蒸気管モニタがある。

高感度型主蒸気管モニタは、Ｎ－１６（６．１３ＭｅＶ）という高エネルギーの放射線を検出すると同時に、低エネルギーの希ガスの検知機能も備えており測定にかかるエネルギーが広範囲であり、かつ、測定対象も数多くある。しかし、パルサ制御部３３により、ライトパルサ３の光源３１の光の強度を制御することで、エネルギースペクトルのパルサピークの位置をＬ１、Ｌ２というように広範囲にわたって変更できるため、測定対象である被測定体２のスペクトルピークに重なる等の影響を回避して、広範囲のエネルギー帯にわたってゲインの健全性を確認することが可能となる。

また、実施の形態２では、ライトパルサ３の光源３１に印加する電圧を変化させるなどの制御を行うことにより、光源３１から発せられる光の強度を変更するようにしているが、パルサ制御部３３によって、光源３１の発光周波数を変化させるようすれば、任意のエネルギーの設定だけでなく、任意の線量率の設定も可能となるので、ライトパルサ３は、放射線検出テスト装置としても適用できる。

なお、本願は、様々な例示的な実施の形態が記載されているが、一つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態の適用に限られるものではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。

したがって、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも一つの構成要素を変形する場合、追加する場合、または省略する場合、さらには、少なくとも一つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれものとする。

１ 放射能分析装置、２ 被測定体、３ ライトパルサ、３１ 光源、
３２ パルサスイッチ、３３ パルサ制御部、１１ 検出部、１２ 増幅器、
１３ 多重波高分析器、１４ 逆問題演算部、１５ 表示部。

Claims (2)

1. 被測定体から放射される放射線を検出して電気パルス信号を出力する検出部、前記検出部からの前記電気パルス信号に対して波高スペクトルを出力する多重波高分析器、および前記多重波高分析器からの前記波高スペクトルに対して応答関数を用いた逆問題演算を行って前記被測定体のエネルギースペクトルを抽出する逆問題演算部を備えるとともに、
   前記検出部に対して外部電力の大きさにより光の強度が変化する光源を有するライトパルサを設け、かつ、前記逆問題演算部は、前記逆問題演算により前記被測定体の放射線のエネルギースペクトルに加えて、前記ライトパルサの前記光源によるエネルギースペクトルを抽出する放射能分析装置。
2. 前記ライトパルサに供給する外部電力の大きさを変化させて前記光源の光の強度を制御するパルサ制御部を備える請求項１に記載の放射能分析装置。

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