JPS6153582A - エレクトレツト線量計 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、圧電素子表面部位に捕集された電離荷電量を
計測するエレクトレット線量計、特にエレクトレット膜
の両極に交流電界を印加し圧電逆効果によって生じた圧
電信号を計測して放射線量を測定するエレクトレット線
量計に関する。

〔発明の背景〕

原子力施設において、原子炉解体を実施する場合、大量
の極低レベルの廃棄物が発生する。−例をあげると、１
０”μ（１／ｇ以下の放射能濃度レベルのコンクリート
などの廃棄物は、４２００）ン／基、ドラム缶にして３
万本近くになると推定される。一方、原子力施設から発
生した廃棄物を対象に、一般産業廃棄物として処分でき
る放射能レベルの法的不限値はない。

しかし、将来、一般廃棄として処分可能な許容値が法定
化されれば保管廃棄物の量は半分以下に減少する。その
場合、廃棄物のレベル分に当っては、全数汚染濃度を測
定することが必要になる。

大量の廃棄物の放射能濃度全モニタリングする方法とし
ては以下のものがある。

０Ｍサーベイメータによるやり方がある。この０Ｍサー
ベイメータでは、簡便に放射能濃度を測定できる利点を
持つものの、対象物の形状が複雑であったり、検出窓と
被検体との距離が変わると噴出効率が極端に変るので連
続計測や自動化が困難であった。同一形状のものを充分
時間をかけて計測することが可能な場合は、多数のＧＭ
検出管を配置したトンネルにベルトコンベアを通し、被
６１１１疋物を乗せて順次送出する方式をとる。しかし
、これでも形状の制約があるだけでなく、床や壁なで建
造物溝成物や大型機器を対象としたときは、全て解体し
てからでなくては計測できない。一般に、建築物や大型
機器の放射能濃度を評価するには、解体以前に行うこと
が望ましい。

床、壁及び大型機器などの放射能濃度測定法として一般
的にとられる方法は、前記サーベイメータ法以外にスミ
ス法がある。しかし、スミス法を採用する場合も、全面
サーベイｔｌ−実施する必要があシ、サンプリング点数
が膨大になって人手がかかる。さらに、スミス法では表
面から内部へ放射性物質が浸透しているものや放射化を
受けているものの汚染度評価が不可能であるという欠点
があった。

他のやシ方として、ＴＬＤ（熱ルミネツセンス線量計）
やフィルムパッチを被検体部に放置し、数時間から数週
間にわたる集積線量を測定するものがある。例えば、高
感度ＴＬＤ素子であるＴＬＤ素子である硫酸カルシュー
ム（ＣａＳＯ３）を用いたとき、１ｍ凡の線量計測が可
能である。これを用いれば自然界の放射能レベル（〜０
．０２ｍｒｅｍ／　ｈ　ｒ　）　ｆ　５０時間かければ
測定できることＫなる。さらに、曝露時間をかければ、
汚染、非汚染の判定が可能になるが、ＴＬＤ素子は高価
であシ、１１トい捨てできるものでない。さらに、ＴＬ
Ｄは粒子状ないしペレット状で大面積のサーベイには不
適当である。一方、フィルムバッチは、感度５〜１０ｍ
ｒａｄ　とやや低く、現像処理など後処理に時間ヲ要し
、かつ値段も安価とは云えない。

廃炉を対象とするように、大量の廃棄物を簡便な方法で
サーベイするには、ＴＬＤと同等又はそれ以上の感度を
有し、フィルムパッチの如く７−ト状であり、且つ検出
材料が安価であることを必要とする。そこで注目される
のが、エレクトレットフィルムである。

代表的なエレクトレット材としては高分子材であるポリ
フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）　　があげられる。ＰＶ
ＤＦが出現する以前はカルナウバワックスやテフロンが
あった。これらに電離放射線全照射すると、固体中には
電子と正孔が、外部には気体イオンが生じ、エレクトレ
ットの表面分極面へ電離イオンが移動する。外部気体に
よる電離イオンの付着については、マービン特許（ＵＳ
Ｐ、Ａ２６９５３６５）があシ、これによって表面付着
電荷を測定すれば、放射線量が求まるとされた。然るに
、これでは、１０’Ｒ，以上の太線量の計測には適する
が、それ以下は測れない問題があった。

この理由の一つは、電離気体が再結合等を起し消失する
ためと考えられ、エレクトレット膜と電離箱を組合せた
線量計が考案された（　Ｈ，、［３ａｕ＄ｅｒａｎｄ　
Ｗ、　Ｒａｎｇｅ：　Ｈｅａｌｔｈ　Ｐｈｙｓｉｃｓ、
　４７　（１９７６）３３９７）。

その後、さらに感度の向上がはかられ、１ｍ３オーダの
線量計が可能なエレクトレット線量計が発明された（％
開昭５５−１０６３６９号）。

このエレクトレット線量計を第５図に示す。中空容器２
０の内部は、放射線の入射により電離するガスが充填さ
れておυ、全体として封止されて電離箱を構成する。上
部には、交流電源部２７によって音波を発生するスピー
カ（又はブザ２６）を設け、下部にはエレクトレット膜
２２ｆ：、設けた。

かかるｔ離紹に矢印方向から放射線３０が入射してくる
と内部で充填されたガスは電離され、イオン化する。こ
の電離されたイオンがエレクトレット膜２２の外部電界
によって２次槽幅されて該表面に付着する。これによっ
てエレク）Ｌ／ット膜２２に固定された電荷を打消す方
向に働く。即ち電荷が減衰する。この減衰後の電荷量を
検出すべく、スピーカ２６の音波によってエレクトレッ
ト膜２２を振動させ、電極２３に交流電荷を誘起させる
。

増巾器２４は対アースと電極との電位を取込み所足のプ
リアンプを行う。フィルタ及び表示回路２５は、雑音除
去を行なった後表示を行う。

この線量計によれば、１ｍ１（、程度の線量計測が可能
になった。用途としては、ポケット線量計であり、大面
積の表面汚染測定や大量計測には不向きであった。

以上述べたように、従来のエレクトレット線量計は、素
子が膜状であシながら表面汚染濃度や表面汚染に係わる
放射線量を測定することは考えられていなかった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、板状や膜状の任意の形状を可能とした
エレクトレット線量計を提供するものである。

〔発明の概要〕

エレクトレット材は高分子やセラミックスのととき絶縁
誘導体を永久分極させた物質である。高分子では、フッ
化物ポリマーが代表的で、ポリ四フッ化エチレン（ＰＴ
ＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）やポリフッ
化ビニル（ＰＶＦ’）が必げられる。また、このうち特
に高い圧電性を示すポリマーはＰＶＤＦとＰＶＦ’であ
り、応力が加わったとき変形歪量に対応した圧電信号を
生ずる。逆に両極に電圧を負荷すると電界強さに応じた
変形を生じ、これを圧電逆性と称している。

ＰＶＤＦは最大電荷密度１０−＠Ｃ／ｃｍ”までエレク
トレット化が可能で、圧電体として知られる水晶の約４
倍高い圧電定数を有する。　　　　　　　　　　　　　
　Ｉ→ ＰＶＤＦの圧電性はフィルムを一軸に延伸した後、高温
で高電場下で分極させたとき得られ、同時にフィルムは
エレクトレット化される。このＰＶＤＦフィルムを電離
放射線場に曝すと表面には電離気体イオンが捕集され、
またフィル゛ムの内部では″ｒＩ！離作用による正孔や
電子イオンの生成と表面への移動が考えられる。この結
果、フィルム表面電荷密度が変化する。フィルムのみで
は電荷の表面密度変化は極めて小さく、静電誘導電荷を
固定するのみでは雑音との区別がつき難い。

しかし、フィルムに一定の周波数で振動を与えるか、フ
ィルム面と誘導電荷捕集用の電極との間の距離を一定周
波数で変化させ、得られた出力の変化を高感度に検出す
れば低レベル線量計になりつる。

本発明では、ＰＶＤＦエレクトレットの圧電逆性に着目
し、交流磁界を負荷してＰＶＤＦフィルムを振動させ、
振動によって生じた歪量に応じて発生した圧電出力の変
化量を測定することにより、その変化量と放射線線量の
関係を見出し線量計測を行う。

先ず、圧電出力と応力の関係を計算によって推定する。

ＰＶＤＦ１７）圧電率ｄ＝１０−”　　Ｃ／Ｎ。

歪率Δ１／　１．ヤング率Ｔとしたとき、圧電分極強さ
Ｐは、 となる。また圧電出力定数ｇと素子の厚さｔ１力Ｆとか
ら、その時の圧電出力Ｖは、 Ｖ＝ｇ　”　ｔ　”　Ｆ　　　　　　　　　　・−・−
・・（２）となる。

例えば、ｇ−２００Ｖ”ｍ／Ｎｓ　　ｊ＝ｌＱ−”ｍと
した時、圧電出力Ｖは、Ｖ＝０．２（Ｖ）となる。

逆に云うと、０．２Ｖ程度の電界をフィルムの両極間に
印加すると、フィルムの変形に伴ってほぼ同一レベルの
圧電信号を生ずることになる。しかし、実際は、素子に
加わる応力方向によって圧電出力定数が異なシ、フィル
ムの振動方向も一軸ではないので、印加電圧と圧電出力
とは一致しない。しかし、電界印加に伴う変形で計測に
必要な強さの圧電出力が得られる。

そこで、電離放射線に曝したＰＶＤＦフィルムの表面電
荷が変化したとき、フィルムへ電界を印加することによ
って生ずる見かけ上の圧電出力もこれに応じて変化する
。この変化量は、放射線線量に対応しているが、薄膜フ
ィルムのみでは放射線の吸収によるに離作用を受ける体
積が小さく、表面電荷密度の変化は微小である。しかし
、フィルムの両極に交流電界を印加し、膜の振動によっ
て生じた圧電信号を測定すると共に、交流電源の交流信
号を参照信号として圧電出力の９ち該交流信号と同期し
た信号成分のみを取込み増幅させることで、μＶ又はｍ
Ｖオーダの圧電信号の検出が可能となる。このような位
相検波と増幅とを行う増幅器の一例がロックインアンプ
と呼ばれるものでちる。

〔発明の実施例〕

ｇ１図は本発明のエレクトレット線量計の実施例図であ
る。エレクトレット圧電素子１１は、ＰＶＤＦのエレク
トレット材を使用する。エレクトレット圧電素子１１は
、所定の厚みｔ金持ち、四角形の形状をなす。エレクト
レット圧電素子１１の上面図を第２図（イ）に示す。エ
レクトレット圧電素子１１の対向する両側に入力印加電
極１１Ａと出力取出し電極１１Ｂとを取りつける。この
２つの電極１１Ａ、ＩＩＢは、それぞれ圧電素子１１の
上下の２つの表面に配置する。第２図（ロ）の如く、円
形であってもよい。

交流電源１２は入力印加電極１１Ａに交流信号を印加す
る。入力印加電極１１Ａからの交流信号によってエレク
トレット振動子１１は振動し、変形する。出力取出し電
極１１ＢＶｉ、上記振動によって発生する圧電出力を取
出す。

位相検波器１５は、出力取出し電極１１Ｂの取出し信号
と交流電源１２の交流信号とを取込み、交流信号を参照
信号として同期させて、雑音成分を取除き、圧電信号成
分のみを検出する。

増巾器工６は、一定利得の増巾を行う。記録計１７は、
増巾器１６の出力の記録（表示）を行う。

さて、エレクトレット振動子１１は、電離放射線に曝し
たものである。この放射線による電荷変動を圧電逆特性
を利用して端子１１Ｂから取出した。

今、エレクトレット振動子（フィルム）１１の厚みを１
０μｍ１面積を１の２、放射線線量が１Ｍ几であるとす
る。この時、振動子の内部で物質との相互作用によって
生じた電離イオンが全て表面に集積したときの電荷密度
は、４．４Ｘ１０”Ｃ／　ｃｍ　ｌ　となる。この電荷
強さの分極が生ずるのに相当する応力Ｆは、（１）式よ
り、 １０−”　（Ｃ／ＣｎＦ　）＝１０−”　（Ｃ／Ｎ）　
・Ｆ　　・・（３）となり、Ｆ’＝１０−”Ｎ／Ｃｒｎ
”となる。これは、１ｍｂａｒの力に相当する。

従って、交流電界を印加して１０−”Ｎ７ｃｍ”に相当
する応力を加えれば、１ｍＲの放射線の照射によって変
化する分極電位の値と同等になるので、計測可能となる
。

尚、以上の説明では、入射した放射線によって生じた電
離イオンがすべて表面電荷として集積するとみたが、実
際は電離イオンが再結合したり、分極表面へ移行しない
場合もある。むしろ、電離気体イオンの表面への付着が
起りやすいと云われている。

実験結果によれば、１Ｍ几の照射によって生ずる電荷密
度は、電ｎ℃イオンが１００多分極面に移行したときに
予測される分離電圧より数桁低いことがわかった。この
理由は、すでに述べたように、フィルム厚さが極めて薄
かったためである。フィルムの厚さを増せば、先の第１
図の装置を用いて、ｍＲオーダの線量測定が可能となる
。

尚、フィルムを多層にすることによって、電離イオンの
捕集効率を高めることができる。更に多層にする場合に
は、ＰｖＤＦの如き高分子圧電素子を相互に重ねる必要
は必ずしも必要としない。

セラミックスの如き絶縁誘電体を積層させてもよい。

この積層例を第３図に示す。ＰＶＤＦのエレクトレット
振動子３２とセラミックスｗ４（例えば、２Ｍの厚さ）
とを積層させた。この秋層したものに、放射線を照射し
、圧電逆特性を利用して第１図と同様な測定を行う。例
えば、一枚のＰＶＤＦのエレクトレット振動子を第１図
の如き状態で計測した場合であって、フィルム厚みが１
０μｍ、照射放射線量が１００ｍＲのＪ、つ合、測定す
べき出力変化は微小であった。然るに、セラミックスを
積層させた場合、１〜１００ｍ凡の放射線量の照射に対
して５０ｎＶ／ｍＲの割合で出力変化が得られた。

１００ｍ几以下０範囲における線量に対する圧電出力の
変化量との関係を第４図に示す。線量に対して指数関数
上直線関係をなす。

固、感度向上の手段には、前述の厚みを増す方向の考え
方の他にフィルムの面積を増大させるやり方もある。結
果としてはフィルムの体積を増し、１Ｌ離作用を受は易
くなυ、出力の増大を招く。

セラミックスの他に、電荷捕集用として他の絶縁性誘電
体を用いてもよい。セラミックスとしては、石英、ガラ
ス類、高分子材としてはポリフッ化物やポリエチレンな
どがある。

低レベル放射線を本発明によシ測定する場合、計測条件
のうち、加振用交流電源による負荷を制御する必要があ
る。例えば、交流電界強さ金ｍＶレンジに設定する。低
レベル線量はど放射線照射による分極電荷の変化が少な
いので圧電出力が犬きいと変化を判別できなくなる。そ
こで、低レベル線量測定時はど交流電界の強さをさらに
２〜３桁下げて圧電出力を低くシ、相対的に照射に基づ
く分極電荷の変化を大きくとる必要がある。

さらに、フィルムと絶縁材とを重ね合せてポケットサイ
ズとすれば、個人モニタとなる。また、この際、絶縁材
中又は圧電素子に熱中性子に感応するボロン（Ｂ）等を
混合しておくことにより、熱中性子モニタとして適用で
きる。また、絶縁材をポリエチレ／などの水素化合物と
し、速中性子によってはじき出されたプロトン（水素イ
オン）の電離作用によシ速中性子モニタとしての適用が
できる。この場合、絶縁材表面電荷を除去すれば、新た
な積算線量計として使用でき、引き続き使用をすればさ
らに積算される。

同、工Ｖクトレット線量計に集積した電荷が外　　　　
　　　ｊ因によって漏出することを防ぐ目的で、絶縁性
保護膜で包むようにしてもよい。

未汚染や壁汚染を測定する場合には、フィルムに被検体
を接触した形で重ねておき、数日〜数ケ月程度の間、放
置する。然る後、圧電分極電位を測定することで表面汚
染の有無を簡便に測定できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、戒離箱を用いることなく、圧電特性を
有する素子により放射線線量計測が可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例図、第２図は振動子の上面図、
第３図は本発明の振動子の他の構成側図、ＭＥ　４図は
線量と圧電出力変化との関係を示す図、第５図は従来例
図である。 １１・・・エレクトレット振動子（フィルム）、ＩＩＡ
。 １１Ｂ・・・電極、１２・・・交流電源、１５・・・位
相検波器、１６・・・増幅器、１７・・・記録計。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、永久分極をほどこした圧電素子を電離放射線場に曝
   し、素子内部及び表面に集積した電荷に基づく電荷密度
   を測定して放射線集積線量を測定するエレクトレット線
   量計において、上記圧電素子の両側に交流電界を印加す
   る第１の電極と、該電極からの交流電界による圧電逆効
   果によつて振動変形させた場合での該変形・歪みに伴つ
   て生ずる圧電素子からの圧電信号を取込む第２の電極と
   、該第２の電極から得た放射線照射前後の圧電出力の変
   化量から放射線線量を測定する測定手段とより成るエレ
   クトレット線量計。 ２、上記第１の電極と第２の電極とは、互いに異なる位
   置に設けてなる特許請求の範囲第１項記載のエレクトレ
   ット線量計。 ３、上記測定手段にあつては、第２の電極からの圧電信
   号を第１の電極に加えた交流電界との間で同期をとつて
   圧電出力の変化量を得てなる特許請求の範囲第１項記載
   のエレクトレット線量計。 ４、上記圧電素子は多層としてなる特許請求の範囲第１
   項記載のエレクトレット線量計。 ５、上記圧電素子に絶縁誘電体を積層させて電荷捕集用
   として形成させた特許請求の範囲第１項記載のエレクト
   レット線量計。