JPH04105088A - 小型可搬熱蛍光及び化学発光測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、原子力産業や医療における放射線作業従事者
の健康管理のための放射線被曝量を計測する熱螢光線量
計（ＴＬＤ）、考古遺物や地質鉱物の年代を測定する熱
螢光年代測定、若しくは物質の酸化反応、有機物の熱劣
化、生物の代謝等の化学反応により生じる発光のうち加
熱により生じる化学発光を測定する小型可搬熱螢光及び
化学発光測定装置に関する。

〔従来の技術〕

自然放射線を曝び続けてきた天然鉱物を加熱して生じる
発光（熱螢光：ＴＬ）はギリシア時代より知られていた
。この発光強度から自然放射線の総被曝線量を求め年代
値を決める熱螢光年代測定は、考古学や地質学分野で広
く用いられている。

また、人体の被曝線量を測るために、硫酸カルシウム（
ＣａＳＯａ）やフン化カルシウム（ＣａＦ２）は、熱螢
光線量計棄子として市販され、原子力敷設などで放射線
防護の目的で利用されている。

他方、化学反応により生じる化学発光は、食品等の有機
物質の劣化（主として酸化）や無機物質の酸化を検出す
る手段として用いられており、試料を加熱して生じる化
学発光を検出する熱螢光測定装置と路間−の測定器も市
販されている。

しかしながら、前述の如く被曝した試料又は素子から発
生する熱螢光又は化学反応による化学発光を測定する従
来の測定装置は、その受光手段として光電子増倍管とい
う一種の真空管を利用しており、二次電子放出のための
ダイオード電極には高電圧を印加する必要があり、その
ため大型の高電圧電源を必要とするので携帯には不向き
であった。また、誤って光電子増倍管に強い光を当てる
と劣化が起こり、高価な光電子増倍管を取り替えなけれ
ばならなかった。更に、試料を加熱するに際しても、大
電流をヒーターに流すことによる抵抗加熱、ハロゲンラ
ンプやレーザー光等の集光加熱、高温のガスを吹き付け
る熱風加熱等が用いられ、そのため従来の熱螢光測定装
置は高価でしかもショックや取り扱いのミスに弱かった
。また、測定を野外や断層の調査に広げる場合、従来の
装置では商用１ｏｏｖ電源を必要とするので調査現場で
の測定は不可能であった。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは
、光検出手段として、光電子増倍管の代わりにフォトダ
イオード等の半導体受光素子を用い、フィールドワーク
用として試料加熱部分はガス燃焼方式を採用し、取り扱
いが簡単で誤った操作にも強く、安価でしかも小型軽量
でバッテリー操作可能な小型可搬熱螢光及び化学発光測
定装置を提供する点にある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、前述の課題解決の為に、試料を加熱すること
によって該試料から発生する熱螢光及び化学発光を検出
する光測定装置において、内部に試料を装着自在な良導
電体からなる試料ホルダーと、前記試料ホルダーをガス
の燃焼熱によって加熱する携帯用の加熱手段と、前記試
料ホルダーに密着固定し、装着した試料から発生する熱
螢光を導くライトガイドと、前記ライトガイドに導かれ
た熱螢光を受光して電気信号に変換する半導体受光素子
を備えた光検出手段と、前記試料ホルダーの試料近傍の
温度を測定する測温手段と、前記光検出手段と測温手段
に供給するバッテリーとよりなる小型可搬熱螢光及び化
学発光測定装置を構成した。

また、前記加熱手段において、温度の上昇に応して燃焼
ガスの供給量を増大させる燃焼ガス調節手段を備え、温
度上昇率を一定にして測定精度の向上を図った。

更に、前記試料ホルダー及び加熱手段を強制冷却するフ
ァンを備え、短時間で繰り返し計測可能となした。

そして、前記光検出手段の出力信号と測温手段の温度信
号とをそれぞれ振幅変調した。

〔作用〕

以上の如き内容からなる本発明の小型可搬熱螢光及び化
学発光測定装置は、携帯用の加熱手段のガスの燃焼熱に
よって試料ホルダーを加熱し、該試料ホルダー内部に装
着した試料の温度を略一定に上昇させ、それにより試料
から発生する微弱な熱螢光又は化学発光をライトガイド
にて光検出手段の半導体受光素子に導き、その光強度を
内蔵パンテリーで働く該光検出手段でその強度に比例し
た電気信号に変換するとともに、同じくバッテリーで働
（測温手段にて試料近傍の試料ホルダーの温度を同時に
測定するものである。尚、光検出手段で得られた熱螢光
又は化学発光の強度に比例する出力信号は、信号解析処
理において測温手段で得られた温度信号に基づいて補正
される。

また、温度の上昇に応じて燃焼ガスの供給量を増大させ
る燃焼ガス調節手段を備えて温度上昇率を一定にするこ
とにより、熱螢光又は化学発光量の温度依存性を正確に
測定することができ、その測定精度が向上する。

更に、前記試料ホルダー及び加熱手段を強制冷却するフ
ァンを備えることで、試料を交換して短時間での繰り返
し計測可能となる。

そして、前記光検出手段の出力信号と測温手段の温度信
号とをそれぞれ振幅変調した場合には、それらの信号を
テープレコーダーで記憶させることが可能となり、大量
のデータをバンチ処理することができる。

〔実施例〕

次に添付図面に示した実施例に基づき更に本発明の詳細
な説明する。

第１図は、本発明の代表的実施例を示し、図中Ｓは試料
、１は試料ホルダー、２は該試料ホルダー１を加熱する
加熱手段、３は試料Ｓから発生する熱螢光又は化学発光
（以後、熱螢光で代表する。

）を導くライトガイド、４はライトガイド３で導かれた
熱螢光を受光して電気信号に変換する光検出手段、５は
試料Ｓ近傍の試料ホルダー１の温度を測定する測温手段
、６は内蔵バッテリーをそれぞれ示している。

前記試料ホルダー１は、良導電体からなる円筒状のホル
ダー本体７と該ホルダー本体７の下端に着脱自在に装着
する試料台８から構成される。本実施例では、前記ホル
ダー本体７の下線部外周に雄ネジ部９を形成するととも
に、その上位に近接させてフランジ部１０を一体形成し
たものである。

前記試料台８は円板状の保持部１１の上面中央部に試料
Ｓを載置する凹部１２を形成し、その周囲上面を前記ホ
ルダー本体７の下端に接合可能となし、下部には加熱部
１３を一体形成したものである。そして、前記ホルダー
本体７に試料台８を着脱自在に装着するには、連結部材
１４を用いるが、該連結部材１４は下部を前記試料台８
の保持部１１に外嵌可能となし、上部内面にホルダー本
体７の雄ネジ部９に螺合する雌ネジ部１５を形成したも
のである。試料Ｓは、前記試料台８の凹部１２に載置し
た状態で、連結部材１４を用いて該試料台８をホルダー
本体７に取付けることで、試料ホルダー１の内部に装着
する。

前記加熱手段２は、前記試料ホルダー１を約５００℃ま
での温度に加熱可能且つ携帯可能な小型のものであり、
ガスの燃焼部１６とガスボンへ１７とで構成され、該燃
焼部１６を前記試料ホルダー１の試料台８の加熱部１３
下位に配置するもの、であり、燃焼ガスの供給量を調節
可能となしている。

前記ライトガイド３は、試料Ｓが加熱されて発生する熱
螢光を後述の光検出手段４に導くものであり、本実施例
では内面を反射面となした筒状のものを用いている。そ
して、該ライトガイド３の一端部は前記試料ホルダー１
のホルダー本体７に密着状態で内嵌して固定され、他端
はシャッター及びフィルター１８を備えた結合部材１９
を介して光検出手段４に連結されている。尚、該ライト
ガイド３は、試料ホルダー１の熱が光検出手段４に伝達
しないように断熱材で形成することが好ましい。尚、当
然ではあるが、試料ホルダー１から結合部材１９に至る
光路は、光が漏れないように密閉されている。

また、前記試料ホルダー１と加熱手段２の燃焼部１６の
周囲は、燃焼ガスの炎部分及び試料ホルダー１の温度が
外気によってゆらぐことを防止するために、グラスウー
ル等の断熱材からなる風防２０が設けられている。

前記光検出手段４は、前記ライトガイド３の端部に臨む
位置にフォトダイオード等の半導体受光素子２１　（浜
松ホトニクス社製、Ｇ１１１７）を配置し、ゼロバイア
ス方式で働くように設定した該素子２１が熱螢光を受光
した際に生じる微弱な出力電流を高インピーダンスＦＥ
Ｔ入力の演算増幅器からなる増幅器２２で直流増幅して
出力信号を端子２３より発生するものである。ここで、
前記増幅器２２の増幅率は１倍と１０倍若しくはそれ以
外の倍率に設定できるようにしている。また、前記出力
信号は振幅変調器２４で１ｋＨｚに振幅変調して第二端
子２５から出力するとともに、圧電ブザー２６からも切
り替えスイッチによって音量変化として出力できるよう
になしている。尚、図中２７として示したものは高抵抗
値のバイアス抵抗である。

前記測温手段５は、前記試料ホルダー１のフランジ部１
０であって試料Ｓに近接した位置に密着させたアルメル
・クロメル熱電対２８の熱起電力を演算増幅器からなる
増幅器２９で電圧増幅した温度信号が端子３０から出力
される。また、前記同様に振幅変調器３１でＩｋｌｉｚ
に振幅へいちょうして第二端子３２から出力している。

この測温手段５は、図示しないが、試料ホルダー１の温
度が４５０℃以上になれば、発光ダイオードが消灯して
知らせるようになっている。

前記バッテリー６は、本実施例では１．５■の電池を直
列に接続し、Ｄ　Ｃ／Ｄ　Ｃコンバータ３３で前記光検
出手段４及び測温手段５の回路を作動させるに通した電
圧、電流に変換している。該ハフテリー６は充電可能な
蓄電池でもよく、商用工００ｖ電源の端子があるところ
では、アダプター若しくは内蔵の電源回路を用いて供給
することも可能である。

そして、前記光検出手段４の端子２３と測温手段５の端
子３０をペンレコーダーに接続して、試料Ｓから発生す
る熱螢光に基づく出力信号と、試料ホルダー１の温度、
即ち試料Ｓの温度の信号の変化を記録し、それらのデー
タに基づき＠曝線量若しくは年代測定を行うのである。

また、第二端子２５及び３２からの出力信号をそれぞれ
別のテープレコーダー若しくはステレオタイプのテープ
レコーダーに記録して、そのデータを再生して同様な熱
螢光の出力信号と温度信号を再現するのである。尚、熱
螢光の出力信号と温度信号とをそれぞれ異なる周波数で
振幅変調した場合には、通常のテープレコーダーに同時
に記録し、分離再生が可能となる。

第２図は、前述の実施例の加熱手段２として抵抗加熱方
式を採用したものであり、この場合、試料ホルダーｌ自
体を抵抗体で形成し、商用１００Ｖ電源からトランス３
４及びワンターントランス３５を介して耐熱性を有する
電線３６から電流を供給している。尚、この実施例では
ホルダー本体７の下端に上面に試料Ｓを載置する凹部１
２を設けたビス様の試料台８を直接螺着できるようにな
している。その他の構成は同様であるので説明は省略す
る。

前述のガス燃焼加熱方式では、ガス流量が一定でも温度
は４００℃以上にまで上昇し、その上昇速度はスムーズ
であった。放射線線量針に用いる２００℃付近では温度
上昇は略直線的であるので、そのままでも線量計リーダ
ーとしても使用に耐えるが、更に測定精度の向上を測る
ために一定の温度上昇を達成する燃焼ガス調節手段３７
を設ける必要がある。そこで、第３図に示す如く、燃焼
ガス調節手段３７は、前記風防２０に前記試料ホルダー
１の加熱部１３と加熱手段２の燃焼部１６間に炎の一部
を遮るようにバイメタル３日を配し、温度が上昇するに
従い、該バイメタル３８が湾曲して炎を遮る面積を減少
させ、温度が上昇すると実質的な炎の大きさを調節する
ようになした。また、燃焼ガス調節手段３７の他の例と
して第４図に示したものは、加熱手段２の燃焼部１６と
ガスボンベ１７の間に電磁バルブ３９を介在させ、そし
て前記測温手段５の増＠器２９がら出力される温度信号
を温度制御回路４０でモニターして、その温度の上昇率
が一定になるように該温度制御回路４０からの出力で前
記電磁バルブ３９を開閉調節するようになしたものであ
る。

また、繰り返して測定できるように、加熱された試料ホ
ルダー１及び燃焼部１６を強制冷却するために、第３図
に示す如くファン４１を配設することが望ましい。

次に、本発明の測定装置で実際に試料Ｓの熱螢光を測定
した例を以下に述べる。

第５図は、試料温度の上昇曲線とフン化リチウムの熱螢
光スペクトルの測定例であり、第６図は同じく天然石英
の熱螢光スペクトルの測定例である。これらの測定例は
、何れも商用１００Ｖ電源、光電子増倍管を利用した従
来の熱螢光線量計による結果と良く一致することを確認
している。また、赤外フィルターを利用して熱放射を抑
えれば、簡単に５００℃前後までの測定が可能となるこ
とは、従来のヒーター加熱方式の装置より有利である。

これは半導体受光素子２１の赤外線への応答がないため
である。

第７図は、熱螢光が発生するプロセスをハンドモデルで
説明したものである。天然鉱物中のスラン、トリウム、
カリウム等の崩壊系列元素からの放射線によって、鉱物
結晶中で電離が起こり、電子（正孔）が不純物や格子欠
陥に捕らえられている。この試料を加熱することにより
、格子振動が活発になり、それに応じて電子（正孔）の
エネルギーレベルが変動して不安定になり、ある所定の
温度にまで上昇した際に共鳴的に電子と正孔が対消滅し
てフォトン（ｈν）を発生する。このフォトンが熱螢光
として検出される。この場合、電子く正孔）の捕捉準位
が一定であれば、熱螢光スペクトルのピークは一つであ
るが、様々な捕捉準位が存在する場合には、そのスペク
トルに複数のピークが生したり、またそれらが重畳して
スペクトルの広がりが生しるのである。

次に、熱螢光スペクトルの解析方法を述べる。

熱螢光スペクトルのピークが一つの場合は、信号強度と
ピーク面積を利用して、各温度における発光中心の寿命
τ（Ｔ）を求める。昇温速度ｑ　　（’ｃ／５ｅｃ）で
測定した場合、ある温度Ｔにおける発光中心の濃度をＮ
　（Ｔ）　、発光強度をＩ　　（Ｔ）とすると、 と表わせる。よって、 の関係が成り立ち、活性化エネルギーＥと電子振動数ν
。　（τ。−１／ν。）とすると、ｒ　（Ｔ）　　−ｅ
ｘｐ（Ｅ／　ｋ　Ｔ）　　／　ν。

−τ。ｅｘｐ（Ｅ／ｋＴ） −Ｅ／ｋＴ−Ｉｎν。

第８図及び第９図は、熱螢光による出力信号をコンピー
タ−等の画面上に表示（横軸は温度、縦軸は信号強度を
示す。）したものであり、画面上で熱螢光曲線の温度範
囲を設定し、その範囲内でのいくつかの温度で、信号強
度とその温度以降のピーク面積の比からτ　（Ｔ）を算
出する（第８図参照）。τ（Ｔ）の対数値と１／Ｔをプ
ロット（アレニウスプロット）すると、その傾きから活
性化エネルギーＥを求める。そのプロットは、第８図及
び第９図の画面右上に示している。

発光が単一ピークでない場合（第９図参照）には、最初
のピークに対しては立ち上゛がり法を用いて解析を行っ
て同様に活性化エネルギーＥを求めることができる。即
ち、熱螢光曲線の立ち上がり部分では、 Ｉｎ　Ｉ　（Ｔ）　〜ｃｏｎｓｔ、　−Ｅ　／　ｋ　Ｔ
の近似が成り立ち、画面上で熱螢光曲線の立ち上がり部
分を範囲設定し、Ｉｎ　、Ｉ　（Ｔ）のアレニウスプロ
、７トをとると直線になり、この傾きにより活性化エネ
ルギーＥを得ることができるのである。

活性化エネルギーＥは電子トラップと伝導帯との間のエ
ネルギー差に対応して捉えられるが、前記式で示したよ
うにＥやν。を求めると任意の温度Ｔでのτ　（Ｔ）を
算出できる。τ　（Ｔ）は温度Ｔにおける発光中心の寿
命に対応する量であるので、室温におけるτが１００万
年以上であるなら、その信号は地球科学的な年代測定に
利用できるのである。もし、τが１年以上で、この信号
が放射線に対して高感度なら放射線線量計として利用で
きる可能性がある。

いくつかの異なる発光中心によって、熱螢光曲線が複数
のピークの重なりで構成される場合は、その曲線の理論
式を用いてピークの分離を行えば、同様に活性化エネル
ギーＥの値を求めることができる。

〔発明の効果〕

以上にしてなる本発明の小型可搬熱螢光及び化学発光測
定装置によれば、試料を加熱することによって該試料か
ら発生する熱螢光及び化学発光を検出する光測定装置に
おいて、内部に試料を装着自在な良導電体からなる試料
ホルダーと、前記試料ホルダーをガスの燃焼熱によって
加熱する携帯用の加熱手段と、前記試料ホルダーに密着
固定し、装着した試料から発生する熱螢光を導くライト
ガイドと、前記ライトガイドに導かれた熱螢光を受光し
て電気信号に変換する半導体受光素子を備えた光検出手
段と、前記試料ホルダーの試料近傍の温度を測定する測
温手段と、前記光検出手段と測温手段に供給するバッテ
リーとよりなるので、小型軽量で低コストで製造でき且
つ携帯できるにも係わらず、高い温度まで短時間に試料
を加熱することができ、温度に依存する熱螢光又は化学
発光の強度を従来の高価な装置と路間−精度で測定する
ことができ、物理、地球科学、考古学の実験用のみなら
ず、熱螢光測定器として、また化学発光測定器として野
外調査に個人用として持ち歩け、調査現場での各種の熱
螢光、化学発光の利用分野を大きく広げることができる
のである。

また、温度の上昇に応じて燃焼ガスの供給量を増大させ
る燃焼ガスｍ節手段を備えて温度上昇率を一定にするこ
とにより、熱螢光又は化学発光量の温度依存性を正確に
測定することができ、その測定精度が向上する。

そして、前記試料ホルダー及び加熱手段を強制冷却する
ファンを備えることで、試料を交換して短時間での繰り
返し計測可能となり、更に前記光検出手段の出力信号と
測温手段の温度信号とをそれぞれ振幅変調した場合には
、それらの信号をテープレコーダーで記憶させることが
可能となり、大量のデータを調査現場で収集した後、研
究室でハツチ処理することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の代表的実施例を一部断面で示し
た簡略ブロック図、第２図は同じく他の実施例を示す簡
略ブロック図、第３図はバイメタルを用いた燃焼ガス調
節手段及びファンを装着した例を示す部分簡略断面図、
第４図は同じく燃焼ガス調節手段の他の例を示す簡略ブ
ロンク図、第５図及び第６図は本発明の装置で測定した
それぞれフッ化リチウムと天然石英の熱螢光スペクトル
のグラフ、第７図は熱螢光の発光プロセスを示す原理図
、第８図はコンピータ−の画面上に表した単一ピークの
熱螢光曲線とそのアレニウスプロットを示したグラフ、
第９図は同じく複数のピークを有する同様のグラフであ
る。 Ｓ：試料、１：試料ホルダー、２：加熱手段、３ニライ
トガイド、４：光検出手段、５：測温手段、６：バ７テ
リー、７：ホルダー本体、８：試料台、９：雄ネジ部、
ｌＯ：フランジ部、１１：保持部、１２：凹部、１３：
加熱部、１４：連結部材、１５：雌ネジ部、１６：燃焼
部、エフ：ガスボンベ、工８：シャッター及びフィルタ
ー、１９：結合部材、２０：風防、２１：半導体受光素
子、２２：増幅器、２３：端子、２４：振幅変調器、２
５：第二端子、２６：圧電ブザー２７：バイアス抵抗、
２８：アルメル・クロメル熱電対、２９：　　増幅器、
３０：端子、３１：振幅変調器、３２：第二端子、３３
：ＤＣ／ＤＣコンバータ、３４ニドランス、３５：ワン
ターントランス、３６：電線、３７：燃焼ガス調節手段
、３８：バイメタル、３９：電磁バルブ、４０：温度制
御回路、４１：ファン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）試料を加熱することによって該試料から発生する熱
   螢光及び化学発光を検出する光測定装置において、 内部に試料を装着自在な良導電体からなる試料ホルダー
   と、 前記試料ホルダーをガスの燃焼熱によって加熱する携帯
   用の加熱手段と、 前記試料ホルダーに密着固定し、装着した試料から発生
   する熱螢光を導くライトガイドと、前記ライトガイドに
   導かれた熱螢光を受光して電気信号に変換する半導体受
   光素子を備えた光検出手段と、 前記試料ホルダーの試料近傍の温度を測定する測温手段
   と、 前記光検出手段と測温手段に供給するバッテリーと、 よりなることを特徴とする小型可搬熱螢光及び化学発光
   測定装置。 ２）前記加熱手段において、温度の上昇に応じて燃焼ガ
   スの供給量を増大させる燃焼ガス調節手段を備え、温度
   上昇率を一定にしてなる請求項１記載の小型可搬熱螢光
   及び化学発光測定装置。 ３）前記試料ホルダー及び加熱手段を強制冷却するファ
   ンを備え、短時間で繰り返し計測可能となした請求項１
   記載の小型可搬熱螢光及び化学発光測定装置。 ４）前記光検出手段の出力信号と測温手段の温度信号と
   をそれぞれ振幅変調してなる請求項１記載の小型可搬熱
   螢光及び化学発光測定装置。