JP7279383B2 - scintillator - Google Patents
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Description
本発明は、光ファイバによって蛍光体の発する光を伝達するシンチレータに関する。 The present invention relates to a scintillator that transmits light emitted by phosphors through optical fibers.
中性子検出器は、中性子利用技術を支える要素技術であって、貨物検査等の保安分野、中性子回折による構造解析等の学術研究分野、非破壊検査分野、或いはホウ素中性子捕捉療法等の医療分野等における中性子利用技術の発展に伴い、より高性能な中性子検出器が求められている。 Neutron detectors are an elemental technology that supports neutron utilization technology, and are used in security fields such as cargo inspection, academic research fields such as structural analysis by neutron diffraction, non-destructive inspection fields, and medical fields such as boron neutron capture therapy. With the development of neutron utilization technology, higher performance neutron detectors are required.
さらに過酷事故後の原子力発電所において燃料デブリの位置を調査するために、中性子を検出することが検討されている。ただし過酷事故後の原子力発電所ではγ線の強度が高く、中性子線の強度は低い。例えば、数百Gy/hのγ線環境下において数個/cm2/秒程度の中性子を検出することが求められている。 In addition, neutron detection is being considered to investigate the location of fuel debris in nuclear power plants after a severe accident. However, in a nuclear power plant after a severe accident, the intensity of gamma rays is high and the intensity of neutrons is low. For example, it is required to detect several neutrons/cm 2 /sec under a gamma ray environment of several hundred Gy/h.
γ線環境下で使用できる技術には、例えば特許文献1が挙げられる。特許文献1では、透明な樹脂中に蛍光体を分散させ、樹脂の中に波長シフトファイバを貫通させて、波長シフトファイバから導波用光ファイバに光を伝達する中性子シンチレータが提案されている。波長シフトファイバは、例えば前記蛍光体からの近紫外光を吸収し、長波長シフトした青紫色発光をPMT(photomultiplier tube:光電子倍増管)へと伝播するものである。導波用光ファイバは、側面から入射した光は反対側の側面から外に出てしまう。しかし波長シフトファイバであれば、側面から入射した光が内部で等方的に再発光するため、その発光の一部が伝搬モードに入り、波長シフトファイバおよび導波用光ファイバを伝わる。
Techniques that can be used in a gamma ray environment include, for example,
ここで発明者らは、光ファイバによって蛍光体の発する光を伝達するシンチレータを過去に出願した(特願2017-162132)。このシンチレータでは、光ファイバの先端の端面の先に、蛍光体の粒子を内包した透明球が形成されている。かかる構成によれば、波長シフトファイバを使用せずに蛍光体の発光を導波用の光ファイバの「端面」から採光することができるため、波長シフトファイバでγ線によって発生する蛍光がなくなる。したがって、γ線によるパイルアップを抑えることができ、n/γ弁別能を高めることが可能となる。 Here, the inventors previously applied for a scintillator that transmits light emitted by phosphors through optical fibers (Japanese Patent Application No. 2017-162132). In this scintillator, a transparent sphere containing phosphor particles is formed at the tip of the end face of the optical fiber. According to such a configuration, the emitted light of the phosphor can be collected from the "end surface" of the waveguide optical fiber without using the wavelength shift fiber, so that the wavelength shift fiber eliminates fluorescence generated by γ-rays. Therefore, pile-up due to γ-rays can be suppressed, and the n/γ discrimination ability can be enhanced.
また発明者らは、先の出願において、上述した透明球を反射材によって被覆することを開示している。これにより、光ファイバに入射せず外部に散逸しようとする光を全方位反射することによって、光ファイバに光が入射する確率を高めることができる。しかしながら、発明者らが更に検討したところ、シンチレータでは、高ガンマ線環境下において長時間の照射を行うと反射材が劣化することにより、信号強度の低下が生じている可能性があった。 The inventors also disclosed in the previous application that the transparent sphere described above is covered with a reflective material. As a result, it is possible to increase the probability that the light enters the optical fiber by reflecting the light in all directions, which is not going to enter the optical fiber and is about to be dispersed to the outside. However, when the inventors further examined the scintillator, there was a possibility that the signal intensity decreased due to the deterioration of the reflector when the scintillator was irradiated for a long time in a high gamma ray environment.
本発明は、このような課題に鑑み、高ガンマ線環境下における反射材の劣化を抑制し、高い信号強度を得ることが可能なシンチレータを提供することを目的としている。 SUMMARY OF THE INVENTION In view of such problems, it is an object of the present invention to provide a scintillator capable of suppressing deterioration of a reflector in a high gamma ray environment and obtaining a high signal intensity.
上記課題に対し、本発明にかかるシンチレータの代表的な構成は、高ガンマ線環境下で中性子を検出するシンチレータにおいて、光ファイバの先端の端面の先に蛍光体の粒子が配置されていて、蛍光体の粒子の周囲に二酸化チタンからなる反射材が配置されていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a typical scintillator configuration according to the present invention is a scintillator that detects neutrons in a high gamma ray environment, in which phosphor particles are arranged at the tip of the end face of the optical fiber, and the phosphor A reflective material made of titanium dioxide is arranged around the particles.
上記構成のように、反射材として二酸化チタンを用いることにより、高ガンマ線環境下における反射材の劣化を抑制することができる。したがって、長期に渡って高い信号強度を得ることが可能となる。 By using titanium dioxide as the reflector as in the above configuration, it is possible to suppress deterioration of the reflector in a high gamma ray environment. Therefore, it is possible to obtain high signal strength over a long period of time.
上記二酸化チタンは、酸化アルミニウムで被覆した粒子からなるとよい。これにより、反射材の劣化を更に抑制することができ、上述した効果を高めることが可能となる。 The titanium dioxide is preferably composed of particles coated with aluminum oxide. As a result, deterioration of the reflector can be further suppressed, and the above effects can be enhanced.
光ファイバの先端の端面の先に透明球が形成されていて、蛍光体の粒子は透明球に内包されており、少なくとも透明球の外側を反射材で被覆していてもよい。 A transparent sphere is formed at the end face of the tip of the optical fiber, the phosphor particles are enclosed in the transparent sphere, and at least the outside of the transparent sphere may be covered with a reflective material.
または、蛍光体の粒子は光ファイバの先端の端面に直接接着されていて、蛍光体の粒子および光ファイバの外周を反射材で被覆していてもよい。 Alternatively, the phosphor particles may be directly adhered to the end surface of the tip of the optical fiber, and the outer periphery of the phosphor particles and the optical fiber may be covered with a reflective material.
本発明によれば、高ガンマ線環境下における反射材の劣化を抑制し、高い信号強度を得ることが可能なシンチレータを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the scintillator which can suppress the deterioration of the reflecting material in the high gamma-ray environment, and can obtain high signal intensity can be provided.
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示または説明を省略する。 Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. The dimensions, materials, and other specific numerical values shown in these embodiments are merely examples for facilitating understanding of the invention, and do not limit the invention unless otherwise specified. In the present specification and drawings, elements having substantially the same function and configuration are denoted by the same reference numerals to omit redundant description, and elements that are not directly related to the present invention are illustrated or described. omitted.
図1は、本実施形態にかかるシンチレータ100の構成を説明する図である。図1に示すシンチレータ100は、導波用の光ファイバ10の先端の端面10aの先に、蛍光体102の粒子が内包された透明球104が形成してある。これにより、光ファイバ10の先端の端面の先に蛍光体の粒子が配置されている。
FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of a
光ファイバ10は、光を透過させるコア12と、コア12の中を通る光を全反射させる界面を形成するためのクラッド14と、これらを被覆するバッファ16から構成されている。コア12とクラッド14は石英ガラスまたはプラスチックからなり、クラッド14よりコア12の方が屈折率がわずかに大きくなっている。バッファ16はポリイミドやシリコーン樹脂、フッ素樹脂、高抗張力繊維などを用いることができるが、いずれであっても本発明には影響しない。
The
蛍光体102には、中性子に反応する蛍光体を使用する。蛍光体は、中性子捕獲同位体を含有し且つ蛍光を発する無機物からなる粒子であって、該無機物自体が一つの化学物質として把握されるものであることが好ましい。具体的には、リチウム6及びホウ素10から選ばれる少なくとも1種の中性子捕獲同位体を含有する無機蛍光体を好適に採用できる。
A phosphor that reacts to neutrons is used for the
蛍光体102の組成については特に制限されず、従来公知の無機蛍光体を粒子状としたものを用いることができる。具体的なものを例示すれば、Eu:LiCaAlF6、Eu,Na:LiCaAlF6、Eu:LiSrAlF6、Ce:LiCaAlF6、Ce,Na:LiCaAlF6、Ce:LiSrAlF6、Ce:LiYF4、Tb:LiYF4、Eu:LiI、Ce:Li6Gd(BO3)3、Ce:LiCs2YCl6、Ce:LiCs2YBr6、Ce:LiCs2LaCl6、Ce:LiCs2LaBr6、Ce:LiCs2CeCl6、Ce:LiRb2LaBr6等の結晶からなる無機蛍光体、及び、Li2O-MgO-Al2O3-SiO2-Ce2O3系のガラスからなる無機蛍光体等が挙げられる。
The composition of the
また、蛍光体102には、中性子に反応するコンバーター及び中性子に反応しない蛍光体を組み合わせて用いてもよい。コンバーターを具体的に例示すれば、リチウム6及びホウ素10から選ばれる少なくとも1種の中性子捕獲同位体を含有する無機物が好ましく、中でもLiFが特に好ましい。また、中性子に反応しない蛍光体としては、従来公知の蛍光体を特に制限なく用いることができ、より具体的にはAg:ZnS、Eu:CaF2等を好適に採用できる。すなわち蛍光体102には、LiF-Eu:CaF2を好適に用いることができる。
Further, for the
透明球104は透明な樹脂やガラスからなる塊である。「球」と称しているが、幾何学的に厳密な球である必要はなく、若干のゆがみやくぼみがあったり、紡錘形や水滴形をしていても差し支えない。透明球104は、光ファイバ10の先端の端面10aの先に形成されている。光ファイバ10の先端が透明球104に埋没していても良いが、端面10aが透明球104の中心まで至らないことが好ましい。すなわち、透明球104に埋没する光ファイバ10の長さは、略球状の透明球104の半径以下であることが好ましい。
The
また、透明球104の屈折率nLは、コア12の屈折率nQよりも小さいことが好ましい。これにより、透明球104から端面10aに入射した光がファイバの軸方向に屈折するため、全反射角度内に収まりやすくすることができる。
Also, the refractive index nL of the
本実施形態のシンチレータ100の特徴として、透明球104は、反射材106によって被覆されている。反射材106は、中性子は透過するが、光は反射する膜である。反射材106の具体例としては、二酸化チタンの白色顔料を塗布して形成した反射材を使用することができる。これにより、蛍光体102の粒子の周囲に二酸化チタンからなる反射材が配置される。
A feature of the
図1に光路の一例を矢印で示している。中性子が蛍光体102に衝突すると、蛍光体102からは全方位に光が生じる。蛍光体102から端面10aに直接入射する光もあるが、一部は矢印で示すように反射材106に衝突する。反射材106では光が拡散反射し、その一部が矢印で示すように端面10aへと入射する。これにより、伝送できる光子の数を増やすことができる。
An example of the optical path is indicated by an arrow in FIG. When neutrons collide with
上記構成によれば、波長シフトファイバを使用せずに蛍光体102の発光を導波用の光ファイバ10の「端面10a」から採光することができる。波長シフトファイバを使用しないため、波長シフトファイバでγ線によって発生する蛍光をなくすることができ、γ線によるパイルアップを抑えることができ、n/γ弁別能を高めることができる。
According to the above configuration, the light emitted from the
図2は、中性子検出器200の全体構成を説明する図である。試験のために、Cf-252を用いた中性子線源20と、Co-60を用いたγ線源22を用いる。中性子検出器200は、光ファイバ10の先端に上記のシンチレータ100を取り付けて、光電子倍増管210に蛍光を導く。光電子倍増管210では光を電気信号に変換し、波高分析器230において波高値とカウント値を取得して中性子感度を評価した。
FIG. 2 is a diagram illustrating the overall configuration of the
蛍光体102としては、中性子に反応するコンバーターであるLiFと中性子に反応しない蛍光体であるEu:CaF2を組み合わせて用いた。なお、蛍光体はLiFの結晶層とEu:CaF2の結晶相がμmオーダーで積層した多層構造を有する共晶体と呼ばれる材料である。以下、蛍光体をLiF-Eu:CaF2と表す。LiF-Eu:CaF2と屈折率が1.41のシリコーン樹脂を用いて透明球104を作製した。
As the
まずファイバの先端にシリコーン樹脂の前駆体(液状)を少量塗布し、シリコーン樹脂を加熱硬化させた。次いで、シリコーン樹脂の周囲にLiF-Eu:CaF2を付着させ、さらにシリコーン樹脂の前駆体を少量塗布して加熱硬化させた。操作を繰り返し、最終的に0.5mgのLiF-Eu:CaF2が内包された透明球を形成した。また、透明球104の大きさは2mm程度になるように調整した。かかる作製方法によれば、透明球に内包される蛍光体の粒子の量を任意に調整でき、所望の特性を有するシンチレータを再現良く作製できる。反射材106としては、二酸化チタンを塗布して形成した拡散反射材を用いた。
First, a small amount of a silicone resin precursor (liquid) was applied to the tip of the fiber, and the silicone resin was cured by heating. Next, LiF—Eu:CaF 2 was attached around the silicone resin, and a small amount of a silicone resin precursor was applied and cured by heating. The operation was repeated until finally a transparent sphere encapsulating 0.5 mg of LiF—Eu:CaF2 was formed. Also, the size of the
本実施形態のように反射材106として二酸化チタンを用いることにより、高ガンマ線環境下における反射材106の劣化を抑制することができる。したがって、シンチレータ100において高い信号強度を得ることが可能となる。
By using titanium dioxide as the
図3は、反射材106による反射率の劣化度合いについて説明するグラフであり、高ガンマ線環境下(10kGy)における反射率を縦軸とし、光の波長を横軸としている。反射材としては、実施例を二酸化チタンとし、比較例を酸化アルミニウム、フッ化バリウム、硫酸バリウム、フッ化ランタン、酸化マグネシウムとした。
FIG. 3 is a graph for explaining the degree of reflectance deterioration due to the
図3に示すように、反射材として二酸化チタンを用いることにより、前記LiF-Eu:CaF2の発光波長である430nmの波長域において高い反射率が得られることが理解できる。このとき、実施例の二酸化チタンは、比較例の各反射材に比してほぼ劣化が生じない。したがって、本実施形態のシンチレータ100によれば、高ガンマ線環境下における反射材106の劣化を抑制することができ、高い信号強度を得ることが可能となる。
As shown in FIG. 3, it can be understood that by using titanium dioxide as a reflector, high reflectance can be obtained in the wavelength region of 430 nm, which is the emission wavelength of LiF—Eu:CaF2. At this time, the titanium dioxide of the example hardly deteriorates as compared with each reflector of the comparative example. Therefore, according to the
図4は、二酸化チタンの選定について説明する図である。図4に示す2つの二酸化チタンのうち、塗料として市販されている二酸化チタンは、表面を酸化アルミニウムで被覆した粒子からなり、全体的な二酸化チタンの純度は95%前後である。一方、試薬の二酸化チタンは、表面処理はされておらず、二酸化チタンの純度は99.99%である。 FIG. 4 is a diagram explaining the selection of titanium dioxide. Of the two types of titanium dioxide shown in FIG. 4, the titanium dioxide commercially available as paint consists of particles coated with aluminum oxide on the surface, and the overall titanium dioxide purity is around 95%. On the other hand, the reagent titanium dioxide is not surface-treated and has a purity of 99.99%.
図4に示すように、被覆されていない二酸化チタンを用いて素子1を作成し、酸化アルミニウム被覆の二酸化チタンを用いて素子2を作成し、それらの波高値を測定した。素子1と素子2のそれぞれの波高値を測定したところ、酸化アルミニウムで被覆されていない素子1の方が高い波高値を示した。
As shown in FIG. 4,
図5は、素子1および素子2の波高値の測定結果を説明する図である。図5(a)は、素子1および素子2の初期波高値の測定結果を示す図であり、図5(b)は、高線量率(100Gy/h)のガンマ線照射下における素子1および素子2の相対信号強度を示す図である。図5(a)に示すように、初期波高値においては、素子2よりも素子1の方が高い。一方、図5(b)に示すように、経時での相対信号強度においては、素子2の方が素子1よりも劣化が少ない。すなわち素子2の方が素子1よりも経時劣化が生じづらい。
FIG. 5 is a diagram for explaining the measurement results of the crest values of the
このことから、長期的に使用されるシンチレータの場合は、反射材として素子2のように酸化アルミニウムで被覆された二酸化チタンを用いることが好ましいことがわかる。一方、短期的または中期的に使用されるシンチレータの場合には、経時劣化についてそこまで考慮する必要がないため、反射材として素子1のように高純度の二酸化チタンを用いることが好ましい。
From this, it can be seen that in the case of a scintillator to be used for a long period of time, it is preferable to use titanium dioxide coated with aluminum oxide, as in element 2, as a reflective material. On the other hand, in the case of a scintillator for short-term or medium-term use, it is preferable to use high-purity titanium dioxide as the reflector, as in the
図6は本発明にかかるシンチレータの他の構成を説明する図である。図6に示すシンチレータ100Aにおいては、蛍光体102の粒子は光ファイバ10の先端の端面に直接接着されている。そして、蛍光体102の粒子および光ファイバ10の外周を反射材106で被覆している。
FIG. 6 is a diagram explaining another configuration of the scintillator according to the present invention. In the
蛍光体102の粒子の数は、粒子の径と光ファイバ10の径の関係に応じて適宜設定することができるが、例えば1~10個とすることができる。接着材は透明な材料であればよく、透明球104を構成するものと同様のものを用いることができる。具体例として、シリコーンなどの透明な樹脂、またはガラスを用いることができる。
The number of particles of the
図6の構成は、図1に示した透明球104を用いる場合と比較すると、先端を細くできるという利点がある。また先端が光ファイバ10よりも太くならないため、多数本の光ファイバ10を束ねた際に収まりがよく、取り回ししやすい。一方、透明球104を用いる場合には、蛍光体102の量を増やすことができるため、感度を向上させられるという利点がある。
The configuration of FIG. 6 has the advantage that the tip can be made thinner than the case where the
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, it goes without saying that the present invention is not limited to such examples. It is obvious that a person skilled in the art can conceive of various modifications or modifications within the scope described in the claims, and these also belong to the technical scope of the present invention. Understood.
本発明は、光ファイバによって蛍光体の発する光を伝達するシンチレータとして利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as a scintillator that transmits light emitted by phosphors through optical fibers.
10…光ファイバ、10a…端面、12…コア、14…クラッド、16…バッファ、20…中性子線源、22…γ線源、100、100A…シンチレータ、102…蛍光体、104…透明球、106…反射材、200…中性子検出器、210…光電子倍増管、230…波高分析器
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記光ファイバの先端に透明球が形成されていて、
前記透明球の表面近傍に複数の蛍光体の粒子を内包し、
前記透明球の表面を二酸化チタンからなる反射材で被覆していることを特徴とするシンチレータ。 In a scintillator that detects neutrons in a high gamma ray environment,
A transparent sphere is formed at the tip of the optical fiber,
encapsulating a plurality of phosphor particles near the surface of the transparent sphere;
A scintillator , wherein the surface of the transparent sphere is coated with a reflective material made of titanium dioxide .
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