JPS60161577A - 光フアイバによる放射線被曝量検出器 - 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】 （７）　技　術　分　野 この発明は原子炉など、放射線を発生する装置に於て、
漏洩放射線を検出するための装置に関する。

原子炉に於ては、大量の放射線が漏洩する慣れがあるの
で、常時、放射線漏れを監視しなければならない。

医療設備、研究設備にあっても、治療用、診断用に放射
線を使ったり、放射性物質を利用したり、或は実験用に
放射線を用いたりする。

放射線は、人体に様々な悪影響を及ぼすから、極めて有
害である。

しかし、人間の五官には全く感じないので、放射線漏洩
の危険性は倍加する。

放射線は、アルファ線、ベータ線、ガンマ線、中性子線
などがある。

アルファ線、ベータ線は荷電粒子であって、一般に飛程
が短かい。漏洩放射線という点で、あまり問題にならな
い。

漏洩の問題が深刻なのは、ガンマ線や中性子線である。

これらは荷電粒子でなく、他の原子などと相互作用する
確率が低いため、容易に減衰せず遠方まで飛んでゆくか
らである。

ガンマ線に対する中性子線の人体に対する相対的な危険
率をＲＢＥ（生物学的効果比）という。

この値は確定しているわけではなく、１〜２５の値が仮
定されて被曝量などが計算される。

ガンマ線の被曝によって、ガンや白血病が誘発される、
と言われている。被曝の量とガンなどが誘発される確率
は比例するわけではない。低線量被曝であっても発ガン
の頻度を高めることがある。

従ってガンマ線の漏洩は少しくらいならあっても差支え
ない、というものではなく、全くないのが望ましいので
ある。中性子線も同様である。

（イ）従来技術とその問題点 放射線の測定装置として、ガイガーミュラー計数管が古
くから用いられている。

円筒形の容器の中に電極を設け、気体を充填し、電極間
に高電圧を加えておく。放射線が容器内に入ると、気体
がイオン化され電極間にイオン電流が流れるから、これ
を増幅して放射線の強さを知る。気体電離を利用した検
出器である。

気体利用検出器にかえて、ガンマ線、Ｘ線などの検出に
は、ゲルマニウム、シリコンなど半導体を用いた固体検
出器が用いられるようになってきた。高電圧が不要で、
電気回路が単純で、しかも素子そのものが小型で取扱い
に便利だからである。

又検出感度も高い。

小型で、高感度であるのは、センサとして理想的である
。しかし、反面、高価であって数多く使用する、という
事は難しい。

従来、漏洩放射線の検出には、このような小型の検出器
を用いていた。原子炉、医療用機器など放射線の発生す
る装置の周囲に、離散的に放射線検出器を設置し、これ
らにより、放射線漏れの有無を監視していた。

しかし、原子炉の周囲にくまなく検出器を並べるわけで
はない。このため、放射線漏れが生じた箇所に、かなら
ずしも検出器が設置しであるとは限らない。

ガンマ線のように直進性の強い放射線の場合は、狭い範
囲の外壁の隙間からでも漏れ出ることができる。このよ
うな細いガンマ線ビームは、二次Ｘ線、二次ガンマ線を
出さない限り、検出器にかからない事の方が多い、と考
えられる。

ガンマ線、中性子線の漏洩の可能性の高い箇所は知れて
いるとしても、実際にどの部位でガンマ線などが漏れる
かは、予め知る事ができない。

検出器の数を増せば良いのであるが、高価であるから、
それにも限界がある。

検出器を大型化するのもひとつの可能性である。

しかし、大口径のゲルマニウム単結晶を引上げるのは難
しいし、ウェハプロセスも難しいものになり、大型化す
ることも困難である。

（つ）発明の目的 本発明は、原子炉などの漏洩放射線を広い範囲にわたっ
て検出することのできる、安価で、簡単な構成の放射線
被曝量検出器を与えることを目的とする。

に）　光ファイバのガンマ線照射による損失増加光ファ
イバは、石英系、多成分ガラス系、プラスチック系のフ
ァイバに大別できる。

石英（ガラス）系の光ファイバは、最も伝送損失が低い
ので、長距離伝送に向いている。

石英系の光ファイバは、コア、クラッドが石英ガラスに
不純物を添加したものよりなり、この外側をシリコン樹
脂で一次被覆し、さらにナイロンなどで二次被覆したも
のである。

コアとクラッドの材質の組合わせによって、石英系の光
ファイバにも２種類ある。

ヒトツは、コアが純石英と、ＴｉＯ２、ＧｅＯ２，、Ｐ
２Ｏ。

などのドーパントよりなり、クラッドが石英よりなるよ
うなファイバである。これはコーニング社などの光ファ
イバである。

石英は極めて屈折率の低い透明媒質であり、これより屈
折率の低い媒質に適当なものがなかったので、これをク
ラッドにしている。石英にＴｉ　ＳＧａ。

Ｐの酸化物を僅かに混合すれば、屈折率が増加する。そ
こで、石英にこれら酸化物をドープした媒質をコアとし
ている。

いまひとつの光ファイバは、コアが純石英で、クラッド
が石英にＢ２０．ｌを添加した材料を用いるものである
。

石英に添加した場合、石英の屈折率を下げることのでき
る添加物として、Ｂ２Ｏ３が適していることが発見され
、これによって製造されたファイバである。

石英より、屈折率の低いガラスとして、フッ素、塩素な
どを含むハロゲン化物含有ガラスが知られている。純石
英をコアとし、ハロゲン含有ガラスをクラッドとする光
ファイバも提案されている。

しかし、これはＦＳＣｌとＳｉの結合に難があって、必
ずしも、実用的に使用できる光ファイバにはなっていな
い。伝送損失も大きい。

コアにＧｅＯ□をドープした石英光ファイバは、ガンマ
線の照射によって、伝送損失が増加する、という事が知
られている。

コアにＢ２０１１をドープした石英系光ファイバは、中
性子線の照射により、伝送損失が増加する、という事も
推定されている。

これらの光ファイバを使えば、ガンマ線、中性子線の有
無を検出する分布形の検出器ができるはずである。発光
素子と受光素子と光ファイバを組合わせて、伝送損失を
測定すれば良いのである。

しかし、発光素子の光量は必ずしも一定しているわけで
はなく、受光素子の出力を測定するだけでは、定量的な
被曝量の測定はできない。

さらに、光ファイバに曲げや引張り力が加わったりした
ために、伝送損失が変化したりする事もある。このよう
な要因と、放射線被曝とを区別する必要がある。

ある種の光ファイバは、ガンマ線照射によって、特定の
波長の光の損失が増え、他の波長の光の損失は変らない
、といったような性質を持っている。

つまり、波長伝送損失特性がガンマ線によって変化する
のである。全ての波長の光に対して、伝送損失が一様に
増加するのではない。

第２図はコアが純石英で、クラッドがフッ素をドープし
た石英、これにシリコン樹脂、ナイロンを一次、二次被
覆した光ファイバの、波長に対する伝送損失を測定した
結果を示すグラフである。

コア径は５０μｍφ、クラツド径が１２５μｍφのマル
チモードファイバである。横軸は光ファイバの中を透過
する光の波長（μｍ）である。縦軸は伝送損失（ｄＢ／
ｋｍ　）である。縦軸は対数目盛で表示しである。

実線はガンマ線照射前の伝送損失のグラフである。破線
はガンマ線照射終了後１０日経過した時の伝送損失のグ
ラフである。

ガンマ線は１０’　Ｒａｄ／Ｈの強さのものを１時間照
射した。つまり照射線量はＱ、１ＭＲａｄである。

ココテ、ｌ　Ｒａｄは、対象物１ｇに、１００エルグの
放射線エネルギーが吸収されたという量を表わす。０．
Ｉ　ＭＲａｄであるから、１ｇあたり１ジユールのエネ
ルギーが吸収された、という事である。

この光ファイバは、光の波長が、０．９μｍ以上であれ
ば、ガンマ線照射によって、殆ど伝送損失は増えず、波
長が０．８μｍ以下の光に対しガンマ線照射により伝送
損失が増加する。このような、不均一な特性を持ってい
る。ガンマ線に対する感受性は、０．９μｍ以上の波長
の光に対しては殆ど０で、０．８μｍ以下の波長の光に
対し、波長が短かくなるほど増大する、という事が言え
る。

このように、ガンマ線照射による光フアイバ伝送損失に
、強い波長依存性があるので、例えば波長の異なる２つ
の光の伝送損失を比較することによって、ガンマ線被曝
の有無、ガンマ線の被曝量などを知ることができる。

け）発明の構成 第１図は本発明の放射線被曝量検出器の概略構成図であ
る。

１は原子炉容器や医療用、実験用の放射線発生装置を意
味する。ここでは単に円柱形に図示したが、形状、寸法
は任意である。この周囲に前述したような、波長により
被曝特性の異なる光ファイバを巻きつけ、光フアイバコ
イル２とする。

光フアイバコイル２の一端には、光コネクタ４が取付け
られ、ここへ、発光素子３の光が入射するようになって
いる。発光素子３は十分広い発光波長帯域を持つもので
なければならない。例えば白熱電球などがよい。

発光素子３から発生した多様な波長の光は、光フアイバ
フィル２の中を通り抜けて、他端に取付けた光コネクタ
５から出射する。出射光は、多様な波長の光を含んでい
る。これをビームスプリッタ６で２本の光束に分ける。

この光を、特定の波長を持つ２本の光にする。

このため、例えば、透過光と反射光に対し第１フイルタ
７、第２フイルタ８を置いて所望の波長の光を選択的に
取り出す。

２つの波長の異なる光を取出せばよいのであるが、これ
はガンマ線照射によって、伝送損失が著しく変わるもの
と、変わらないものの２種類の光であれば、どのような
組合せであっても差支えない０ 例えば、第１フイルタ７は０．６μｍ程度の波長の光の
みを通すフィルタとし、第２フイルタ８は、例えば１．
０５μｍ程度の光のみを通すフィルタとする。

それぞれの光は、第１受光素子９、第２受光素子１０に
入射する。各受光素子９．１０の出力は、第１増幅器１
１、第２増幅器１２によって増幅される。これは、それ
ぞれの波長の光の受光量に比例した出力Ｐ１、Ｐ２を与
える。

これが判定回路１３に入力される。

（力）作　用 原子炉容器１から放射線の漏れがない場合は、０．６μ
ｍの光の強度Ｐ１も１．０５μｍの光の強度Ｐ２もほぼ
一定で安定している。

発光素子３のパワー変動があって、Ｐｌ、Ｐ２が変動し
たとしても、その比Ｐ　ｓ／　Ｐ　２は一定である。

原子炉容器１に何らかの欠陥が起こり、放射線が外部へ
漏洩したとする。この場合光フアイバコイル２が放射線
に被曝する。

光ファイバの波長対透過率特性が第２図に示したように
変化する。この例では、０．６μｍの波長の光の減衰量
が大きく、１．０５μｍの波長の光の減衰量は変らない
。つまり、Ｐ２は変らないが、Ｐｌが減少する。判定回
路１３は比Ｐ、　／Ｐ２の減退の度合から、ガンマ線の
トータルの被曝量を算出する。

判定回路１３は、ガンマ線被曝があった事と、被曝の度
合を検出できるが、十分な感度がとれない場合は、被曝
の有無を判定するだけにしても良い０ （ト）他の構成 受光素子側では、この例に於て、ビームスプリッタ６と
フィルタ７．８を使っている。しかし、異なる透過特性
を有する２以上の波長の異なる光を検出すれば良いので
あるから、他の構成も考えられる。

例えば、プリズムなどの分光器と、分光された光を７オ
トダイオードアレイによって検出するようにしても良い
。また分光器の周りを、フォトダイオードが移動するよ
うにして、各波長の光強度を継時的に測定するようにし
ても良い。

波長ごとに＼光の伝送損失が分れば、より詳しく、ガン
マ線被曝による伝送損失の変化が分るので、より定量的
なガンマ線被曝量をめることができる。

さらに、受光素子をひとつにして、発光素子の方で発光
波長をスキャンさせて、それぞれの波長の光の伝送損失
を測定するようにする事もできる。

（ト）効　果 （１）　原子炉など放射線を発生する装置の、全体を広
く覆うことのできる分布型の検出器を与える。

従って、この装置の全ての部分での放射線漏れを検出で
きる。離散的に小さな検出器を設置するのと違って、漏
洩の見落しがない。

（２）構造が簡単で安価である。

１本の光ファイバと、発光源、分光器、受光素子などで
検出器を構成できるからである。

（３）　フェイルセーフ構成をとる事ができる。もしも
光ファイバが断線すると、検出器として機能しないが、
断線すると受光素子に光が全く入射されなくなるから、
断線である事が分る。断線か放射線被曝かが区別できな
いとしても、何らかの異常が起った事は分る。異常事態
を見落すという事がない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光ファイバによる放射線被曝量検出器
の構成図。 第２図はクラッドにフッ素をドープした石英光ファイバ
のガンマ線照射前と後１０日に於ける光の波長に対する
伝送損失を示すグラフ。横軸は光の波長（μｍ）、縦軸
は伝送損失（ｄＢ／ｋｍ　）である。 実線はガンマ線照射前、破線は照射後の伝送損失を示し
ている。 １　・・・・・・・・・　原子炉容器 ２　・・・・・・・・・　光フアイバフィル３　・・・
・・・・・・発光素子 ４．５・・・・・・　光コネクタ ６　・・・・・・・・・　ビームスプリッタ７．８・・
・・・・　フィルタ ９．１０・・・・・・　受光素子 １１．１２・・・・・・　増　幅　器 １３・・・・・・・・・　判定回路 発　明　者　小　林　祥　延 椋　梨　浩　明 戸　１）　敏　宏 伊　藤　勝　章

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 放射線を発生する装置の周囲に巻き回わされる放射線被
   曝により光の伝送損失の分光特性が変化する光ファイバ
   と、少なくとも２波長以上の光を発光でき前記光ファイ
   バにこれらの光を入射させる発光素子と、光ファイバの
   他端から出射された光を受光し少なくとも２種類以上の
   波長の光に対応する受光強度を検出する１又は２以上の
   受光素子と、受光素子から２以上の波長の光に対する光
   強度出力を得て光ファイバの伝送損失の分光特性の変化
   から、光ファイバの放射線被曝を検出することとした判
   定回路とよりなる事を特徴とする光ファイバによる放射
   線被曝量検出器。