JPS61167892A - 光フアイバ式放射線洩れ検出器 - 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に於ける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惧れがあシ、
これを常時、監視しなければならない。

医療設備、研究設備に於ても、治療用に放射線を使った
シ、実験用に放射線を用いたりする。放射線は人体に様
々な悪影響を及ぼし、極めて有害である。

しかし、容易に放射線の存在を検出できないので、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、飛程が短いので、漏洩放射線
という点ではあまシ問題にならない。

漏洩が問題になるのは、ガンマ線や中性子線である。こ
れらは荷電粒子の流れではなく、容易に減衰しないから
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
定されて計算されることが多い。

ガンマ線の被曝によって、ガンや白血病が誘発されると
している。しかし、被曝の量とガンなどの誘発される確
率は比例するわけではなく、低線量照射であっても発ガ
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ぐらいならあっても良い
というものではなく、全くないのが良いのである。

（イ）従来技術 放射線の強度を定量的に測定できる装置としてガイガー
・ミュラー計数管がよく知られている。

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。放射線が入ると、これによっ
て気体がイオン化され、電極間に電流が流れるので、こ
れを増幅して、放射線の強さを知る。

このような検出器にかえて、ガンマ線、Ｘ線などの検出
には、Ｇｅ％Ｓｉ半導体を使った検出器が用いられるこ
とが多い。このような固体検出器は、小型で、取扱いに
便利であり、しかもガンマ線のスペクトルも測定でき、
非常に有力なものである。

検出感度も高い。

小型で、検出感度が高い、ということは、センサとして
理想的である。しかしながら反面、高価であって、数多
く使用する、という事ができない。

従来は、原子炉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取付けておいて、放射線洩れがな
いかでうかを監視していた。

しかし、原子炉の周囲に隈なく検出器を並べるのではな
いから、放射線洩れが生じた箇所に、必ず放射線検出器
があるとは限らない。

むしろ、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などからでも漏洩することがで
き、このように１狭いガンマ線ビームは、検出器にかか
らない事の方が多いと考えられる。

ガンマ線の漏洩は、”どの部位で起るか予め知ることは
できないから、放射線検出器を設ける場所も常に最適と
いうわけＫはゆかない。検出器の数を増せばよいのであ
るが、高価であるから、それにも限界がある。

ひとつひとつの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Ｇｏ、Ｓｉ単結晶を引上げ
るのは容易ではないし、Ｇｏ、Ｓｉの広面積のウェハを
必要とする検出器は、極めて高価なものになるであろう
。

（つ）本発明の目的 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、簡単な放射線検出器
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
系のファイバに分けることができる。

石英系の光ファイバは最も伝達損失が少いので、長距離
伝送に向いている。

石英系の光ファイバにも２種類ある。

光ファイバは、中心の屈折率の高いコアと、これを囲み
、屈折率が僅かに低いクラッドとよシなる緊線を、プラ
イマリコート、セカンダリコーｔで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ついて２種類の光
ファイバが製造される。

ひとつは、コアが石英とＴｉｅ、、Ｇｏｏ、、ｐ、ｏ。

の不純物とよりなり、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、石英
をコアにすると、これより屈折率の低いクラッドを見出
せなかったので、クラッドを石英にしている。石英に、
Ｔｉ　、　Ｇｏ％Ｐ１の酸化物を僅かに混合すると、屈
折率は増加するので、これをコアの材料としている。

いまひとつの光ファイバは、コアが石英で、クラッドが
石英にＢ、Ｏ，を添加した材料を用いるものである。石
英の屈折率を下げることのできる添加物はＢ２Ｏ３だけ
であり、これを発見したことによってなされた発明によ
る。

今もなお、石英光ファイバの主流は、コアに、石英とＴ
ｉ、Ｐ、Ｇｏの酸化物を添加した材料を用いるものであ
る。酸化物の添加量によシ、クラッド、コアの屈折率差
を任意に決定できるが、屈折率差は僅かでよいから、添
加量も少い。多くの場合、数重量％で、最大でも１５重
量％以下である。

このように、コアに、Ｔｉ４Ｐ、Ｇｏなどを含む光ファ
イバは、普通のファイバである。

既に述べたように、放射線（ガンマ線、エックス線）の
検出は、Ｇｏ検出器が用いられる。単結晶を構成するＧ
ｏと、石英中に僅かに添加されたドーパントとしてのＧ
ｏはもちろん物理的に異なるものである。

しかし、ガラヌファイバの中のＧｏも放射線に対する感
受性を持っているのではないか？と考えられる。

第２図はＧｏ、Ｐをドープしたグレーディッドインデッ
クス（ＧＩ）型光ファイバのガンマ線照射による伝送損
失増加を測定したグラフである。

横軸はガンマ線の照射線量（ｒａｄ　）である。

ｒａｄは、放射線の量を表わす物理的な単位で、１ｇの
被照射物体中に１００工μグのエネルギーが吸収された
１時、この線量をｌ　ｒａｄという。

縦軸は、ガンマ線照射による伝送損失の増加量で、単位
はｄＢ　／　ｋｍである。

このグラフを構成するデータの内、黒丸は線量率が　２
．２　Ｘ　１０　ｒａｄ／Ｈであるものを示している。

つまシ、１時間あたり、コア１グラムについて、０．０
２２ジユールのエネルギーが吸収された場合である。

Ｘ印のデータは線量率が７．５　Ｘ　１０’　ｒａｄ／
）Ｉを示し、白丸は線量率が　９．８　Ｘ　１０　　ｒ
ａｄ／Ｈの場合を示している。

いずれのデータも、一本の照射線量−伝送損失増加のグ
ラフに乗せることができる。

これは、ガンマ線の照射の時間あたりのエネルギーによ
らず、照射線量の合計によって、光ファイバの伝送損失
増加が決まる、という事を意味している。

これはグレーディッドインデックス型の光ファイバにつ
いてのデータであるが、ステップインデックス型のファ
イバでも同じことが言える。

すでに述べたように、コアの屈折率を上げるため、コア
は石英とＧｅｍ、、Ｐ２Ｏ５、などの酸化物をドープす
ることが多い。Ｇｏ、Ｐを含む光ファイバはごくありふ
れた石英系光ファイバのひとつである。

既に量産されているから、入手しやすく、安価である。

光ファイバの伝送損失を測定することによって、放射線
検出器を作ることができるはずである。

例えば、原子炉などを、Ｇｏドープ光ファイバを巻きつ
けて覆い、光ファイバの一端から光を入射させ、他端か
ら出射する光の強度を測定すれば良い。

どこかで放射線洩れがあると、出射光の強度が低下する
ので、放射線漏洩を検出できる。

しかし、このようにすると、どこかで、放射線洩れが発
生した、という事は分るが、どこで洩れているのか分ら
ない。

正確な漏洩箇所が即時に分る方が望ましい。

光ファイバに光を通すと、ファイバ内の不純物や、屈折
率のゆらぎによって散乱が発生する。散乱によって、光
フアイバ中を伝搬する光が失われるのであるから、伝送
損失が増加する場合、散乱が増大している可能性が高い
。

散乱は、前方散乱と後方散乱がある。中間角度の散乱も
あるが、これは全反射角以上の角度でコア、クラッドを
突抜けるので、光フアイバ内に残らない。

全反射角以下の角度の後方散乱光は、同じファイバの中
を逆方向に伝搬し、入射側へ戻ってくる。

後方散乱光は、戻ってくるまでの時間が、入射点から散
乱点までの距離に比例するから、散乱の変化がある場所
（後方散乱点と呼ぶ）をこれＫよって知ることができる
。

光ファイバのコアの屈折率をｎ、入射点から、後方散乱
点までの距離を４とすると、ある光が入射してから散乱
され戻ってくるまでの時間Ｔは、によって求めることが
できる。実際には、マルチモードファイバを使う場合、
モード分散があるので、（１）式よシ僅かにずれる。

連続光を入射させたのでは、散乱光を特定することがで
きないから、パルス光を入射させる。充分、幅の狭いパ
ルス光を入射させて、後方散乱を受けて、同じファイバ
を逆進してくる戻り光の強度を測定する。

パルス幅が短くて、パルス間隔Δがファイバの終端まで
の光の往復時間よシ長くしておけば、戻り光の時間遅れ
Ｔから、後方散乱点までの距離ｌを知ることができる。

光ファイバの全長をＬとすると、パルス間隔Δとなるよ
うにする。

（イ）発明の構成 第１図は本発明の略構成図である。

１は原子炉の容器や、放射線を発生する医療装置、実験
装置を意味する。形状は、円筒形、立方体、直方体など
様々であるが、ここでは単に円筒形で代表した。以後、
簡単のため、原子炉容器１というととＫする。

原子炉容器１の周囲には、Ｇｅドープ石英光ファイバが
何回も巻きつけである。

光フアイバコイｉｖ２の一端には方向性結合器３が設け
である。これは、発光素子５の光を、光フアイバコイ／
Ｉ／２の一端に入射させ、また光フアイバコイル２の戻
シ光を何方へ出射させる機能をもっている。

光フアイバコイ／ｌ／２の他端は、端面反射が起らない
ように斜めに切断したり、屈折率の等しい液体で覆った
りしである。

７は光検出器で、８は増幅器である。戻り光は、方向性
結合器３によって、側方に出射し、光検出器７に入って
光強度が測定される。

方向性結合器３は、ビームスプリッタとレンズなどで構
成できる。

障）作　用 発光素子５は、レーザダイオード、発光ダイオードなど
である。波長分散を抑えるためには、レーザダイオード
が望ましい。

光ファイバはマルチモードファイバでも、シングルモー
ドファイバでもよいが、マルチモードファイバの方がコ
ア径が大きいので、ガンマ線の衝突断面積が広い。シン
グルモードファイバは、モード分散がないので後方散乱
光の変化を正確に伝送できる。

発光素子５から方向性結合器３を介して、光フアイバコ
イ／Ｌ／２にパルス光を入射させる。パルス光にするの
は、レーザダイオード、発光ダイオードを内部変調して
もよいし、外部変調してもよい。

光フアイバコイルの中へ入った光は、光ファイバの中を
進行する。光ファイバの中では、少しずつ後方散乱があ
り、その散乱光は、入口側へ戻ってくる。戻り光の強度
は不断に測定されるが、質のよい石英ファイバであるか
ら、後方散乱光は伝搬時間に対応して指数関数的に変化
する。

原子炉容器１からガンマ線が漏洩したとする。

漏洩点で光フアイバ中のコアの構造が、ガンマ線によっ
て影響を受けて、伝送損失が大きくなシ後方散乱光が変
化する。

この後方散乱光は、入射光パルスが入った瞬間から、時
間Ｔだけ遅れて戻ってくる。これは光検出器７によって
検出される。遅れ時間Ｔから、後方散乱点までの距離ｌ
が分かる。これは（１）式から計算される。精度が充分
高い場合、入射端からの距離ｌを知って、漏洩点を知る
ことができる。

ｖ！Ｊ３図は、このような入射、散乱光の時間的変化を
示すグラフである。釦は入射光の波形である。

これは、パルス間隔がΔで、光ファイバの反対側からの
散乱光が戻ってくるまでの時間より長く設定しである。

第３図（ｂ）、（ｃ）は後方散乱光の波形である。（ｂ
ｌは正常時の波形である。光ファイバのコアの伝送損失
は僅かであるから、後方散乱光の強度も小さい。

入射光はパルス幅の狭い、強い光である。後方散乱光は
、入射光に比して、極めて弱い光であるが、感度の良い
検出器を使えば、これを検出できる。

（ＣＩは放射線洩れが起きた時の後方散乱光の波形を示
す。入射光パルスよシ時間Ｔだけ遅れて、後方散乱光の
変化点Ｐが現われている。変化点Ｐまでの時間Ｔが分る
と、（１）式から、入射端と後方散乱の変化点までの距
離ｌが分る。後方散乱が減少した原因は、これまで述べ
たように、光ファイバがガンマ線照射を受けたためと考
えられる。つまり、その点で放射線洩れが起きている。

と推定される。こうして、光ファイバの入射端から、放
射線洩れ地点までの距離ｌが分る。

この例で、光ファイバは螺旋状に巻きつけであるから、
漏洩箇所の面積が広い場合は、散乱の変化点Ｐが複数個
現われることもある。

距離ｌの精度が高ければ、螺旋上の位置から、漏洩点を
特定できる。

複数の変化点が現われた場合も、これにより、漏洩の中
心を知ることができる。

測定精度が充分高くない場合は、コイルのピッチが密で
ある時は特に、何巻目に漏洩点があるか？は分るが、ど
の方向にあるのか明確にできないこともありうる。

このような場合は、巻き方向の異なる２種類の光フアイ
バコイルを用いればよい。

一方の光フアイバコイルは、このように水平に巻き、他
方の光フアイバコイルは、垂直方向に巻くようにする。

２つの光フアイバコイルの漏洩点に関する測定値から、
それぞれのコイルのｍ巻目、ｎ巻目にあるということが
分るので、ｍ巻目、ｎ巻目の交差点の近傍が放射線の漏
洩点であるということになる。

■効　果 光フアイバコイルの全体が放射線に感じるセンサであっ
て、光フアイバコイルは放射線発生装置を広く覆うよう
に設けることができるから、たとえ漏洩箇所が、１箇所
で十分狭くても、これを直ちに検出できる。

非常に広い面積をカバーできる分布形センサであるので
、広い範囲にわたって、放射線洩れを監視できる。

従来のように、小型の半導体放射線検出器をところどこ
ろに設けて、放射線漏洩を監視するものに比較して、漏
洩の発生をより完全に捕捉できる。

敷設は容易で、安価である。

放射線発生装置と、監視装置本体とを、電線ケーブルで
なく、光フアイバケーブルで結合するから、電磁誘導の
影響を受けない。

また、後方散乱光の戻シ時間Ｔを測定しているから、漏
洩点を直ちに知る事ができ、迅速な対応措置をとること
ができる。

原子炉や医療設備、研究施設などの操業の安全性を高め
る上で、極めて有用な発明である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光ファイバ式放射線洩れ検出器の全体
略構成図。 第２図はＧｏ、Ｐドープグレーディッドインデックス光
ファイバのガンマ線照射による伝送損失増加を測定した
ものの結果を示すグラフ。横軸はガンマ線の照射線量（
ｒａｄ　）　、縦軸は光ファイバの伝送損失増加量で単
位はｄＢ／ｋｍである。 第３図は、翰が入射光波形図、（ｂｌが正常時の後方散
乱波形図、（ｃｌが異常時の後方散乱波形図。 １・・・・・・・・原子炉容器 ２　・・・・・・・・　光フアイバコイμ３　・・・・
・・・・方向性結合器 ７・・・・・・・・光検出器 ８・・・・・・・・増幅　器 発　明　　者　　　　　　　小　　林　　祥　　延戸　
　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つけられたゲルマニ
   ウムがコアにドープされた石英系光フアイバ２と、光フ
   アイバ２の一端へパルス光を入射させる発光素子５と、
   光フアイバ２の中で散乱されて入射端へ戻つてくる後方
   散乱光を取り出す方向性結合器３と、後方散乱光の強度
   を測定する光検出器７とを含み、後方散乱光のピークの
   遅れ時間Ｔによつて、放射線の漏洩箇所と、光フアイバ
   入射端との光フアイバに沿う長さｌを知るようにした事
   を特徴とする光フアイバ式放射線洩れ検出器。