JP3793651B2

JP3793651B2 - 放射線検出器

Info

Publication number: JP3793651B2
Application number: JP23044598A
Authority: JP
Inventors: 淳山越; 博司北口; 滋出海; 明久海原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-08-17
Filing date: 1998-08-17
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2018-08-17
Also published as: JP2000065937A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放射線検出器に係り特に放射線を光に変換して光ファイバにより伝送する光ファイバ式の放射線検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、シンチレータと波長変換手段と光ファイバとを有する放射線検出器としては、大別すると、平板状のシンチレータの側面に溝を設け、これに波長変換手段を埋め込む方式と、円柱形のシンチレータの中心軸位置に波長変換手段を挿入する方式との二方式がある。波長変換手段としては、コアに蛍光物質を添加してあるプラスチック光ファイバで構成され、シンチレーション光の波長の光に応じて所望の波長からなる光を放出する蛍光物質を添加してある波長変換ファイバを使用している。
【０００３】
上記の如き二方式のうち、円柱形のシンチレータの中心軸位置に波長変換ファイバを挿入する後者の方式の従来の放射線検出器を図１３に示す。
【０００４】
即ち、図１３に示す放射線検出器は、外部からシンチレータ２に放射線が入射すると、該シンチレータ２内で発光し、その光がシンチレーション光となる。シンチレーション光は、波長変換ファイバ３に入射すると、該ファイバ３によりシンチレーション光が波長変換されると、コア内から等方的に放射する。その場合、波長変換ファイバ３がシンチレーション光を波長変換し、等方的に放射するため、伝送効率が改善される。また、シンチレーション光は一般的に波長が短いため、光ファイバによる伝送損失が大きいが、波長変換により波長が長くなるので、伝送損失が低減される。一方、放射した波長変換光の一部は、伝送用光ファイバ８により伝送され、光電子変換素子９に入る。光ファイバ８内ではファイバの中心軸を中心とした狭い角度方向の光のみが伝送されるため、光ファイバ８に入射したシンチレーション光のうち、そのまま光ファイバ８で伝送される光は極めて少ない。
【０００５】
そして、光ファイバ８を経たシンチレーション光が光電変換素子９に入ると、該光電変換素子９によりその光量に応じて電圧変換され、該変換された電圧が前置増幅器１０を介し増幅器１１により増幅され、これが波高弁別器１２を通過することにより電気的ノイズが低減された後、カウンタ１３により一定時間内のパルス数がカウントされ、その出力に基づき演算装置１４が演算して放射線の線量当量率が求められ、その結果を表示装置１５により出力される。
【０００６】
なお、この種に関する装置として、特開平4−221154号公報，同6−201835号公報，同6−258446 号公報等が挙げられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、放射線検出位置での耐環境性に優れるという利点があるものの、エネルギーの異なる放射線に対する感度が一様にならないという問題があった。
【０００８】
また上記従来技術の放射線検出器では、放射線がシンチレータ２に入射することによってシンチレーション光が発生した場合、そのシンチレーション光に基づいて放射線を検出するものの、波長変換ファイバ３がシンチレータ２内に一本配置されただけであるので、放射線が入射して光ったときの波長変換ファイバへの入射光が少なく、そのため、長距離伝送をすることができない問題があった。
【０００９】
このような問題を解決すべく本出願の先願である特願平8−331770 号では、図３に示すように放射線の入射により内部にシンチレーション光を発生させるシンチレータと、シンチレータの内部に設けられ、シンチレーション光を波長変換する波長変換ファイバと、波長変換された光を伝送する伝送用光ファイバとを有し、波長変換ファイバは、シンチレータ内において、シンチレータの中心軸を中心とする同一半径位置に複数本配置する構成としている。
【００１０】
しかし、このような構成にしても波長変換ファイバで得られた光を波長変換ファイバの一端からのみ取り出していたため検出器感度の向上が図れなかった。
【００１１】
本発明の目的は感度を向上させることが出来、放射線検出部と信号処理部間の距離を長くできる放射線検出器を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明はシンチレータと、シンチレータ内に挿入されてシンチレータの発光を取り込む波長変換ファイバと、波長変換ファイバ内で発光した光を波長変換ファイバの両端に設置された伝送用光ファイバにて収集する放射線検出器において、波長変換ファイバは、シンチレータ内を往復して設けることを特徴としたものである。
また、上記の目的を達成するために、本発明はシンチレータと、シンチレータ内に挿入されてシンチレータの発光を取り込む波長変換ファイバと、波長変換ファイバ内で発光した光を波長変換ファイバの両端に設置された伝送用光ファイバにて収集する放射線検出器において、波長変換ファイバは、シンチレータを複数回貫通して設けることを特徴としたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例を図面により説明する。
【００１４】
本発明の光ファイバ放射線検出器の一実施例を図１及び図４を用いて以下に説明する。光ファイバ放射線検出器は、図１に示すように一般に検出部２０と信号処理部２１を結ぶ伝送用光ファイバ８で構成する。また、本実施例では、シンチレータ２として円柱形のタリウム活性化ヨウ化ナトリウム（以下ＮａＩ（Ｔｌ）と記する）結晶を用い、蛍光物質を含む透光性部材として波長変換ファイバ３を用い、１本の波長変換ファイバをシンチレータの中心軸を中心とする円状の位置にシンチレータ２の長さ方向に３回往復して設ける。ここでシンチレータ２の長さ方向に往復するとは、図１２（ａ）に示すように波長変換ファイバ３をシンチレータ２の一方の面から挿入して折り返すことをいう。従って図１２（ｂ）のＡの部分もシンチレータ２の長さ方向に往復しているという。
【００１５】
伝送用光ファイバ８の信号処理部２１側には、光信号を電気信号に変換する光電子変換素子９を接続する。光電子変換素子９には、電源１６が定電圧を供給する。光電子変換素子には普通光電子増倍管が用いられるが、アバランシェフォトダイオードなど他の光電子変換素子を用いてもよい。光電子変換素子９の出力信号は、ＮａＩ（Ｔｌ）結晶にエネルギーを与えた１放射線に対して１パルス出力され、また、パルス電圧は光電子変換素子９まで伝送された波長変換光４２の光子数に比例する。前置増幅器１０，増幅器１１は信号を増幅し、波高弁別器１２は、主に電気ノイズを削減するために一定電圧範囲の信号を抽出し、カウンタ１３は一定時間内のパルス数を計数する。演算装置１４は、予め記憶した校正定数を計数結果に掛けて、計数結果を線量当量率に変換し、表示装置１５に表示する。校正定数は、光ファイバ放射線検出器を実際に供用する前に校正測定を実施して定める。
【００１６】
図４は、本発明の光ファイバ放射線検出器の軸方向で切断した断面図である。ＮａＩ（Ｔｌ）結晶で出来ているシンチレータ２は吸湿性があるため一般に気密封入して使用するが、気密性保持のため、波長変換ファイバを挿入する孔部壁面は石英ガラス５で覆い、また、ＮａＩ（Ｔｌ）結晶の外表面も反射材４を塗布した上石英ガラス５で覆い、最後に遮光性の被覆６で被覆する。被覆６はシンチレータ２及び波長変換ファイバ３を保護する被覆ケース部６ａと、波長変換ファイバ３，ロッド型カプラ７と伝送用光ファイバ８を光学的に接続するコネクタを取り付ける被覆キャップ部６ｂから構成される。入射する放射線のエネルギー損失が少ないこと、結晶を保護する十分な強度があることから、被覆６は例えばアルミニウムで製作する。ＮａＩ（Ｔｌ）結晶は、石英ガラス５と遮光性の被覆６により、外気から遮断されているが、吸湿性のないシンチレータを使用する場合には、シンチレータを気密封入する必要がないため、シンチレータ外表面に反射材を塗布して遮光性の容器に納める。また、被覆６内で、シンチレータ２から突き出た波長変換ファイバ３を保持するため、エポキシ系接着剤等の充填材３２が波長変換ファイバ３を固定する。
【００１７】
波長変換ファイバ３は、シンチレータ２内部を３回往復し、また、ロッド型カプラ７が波長変換ファイバ３の両端を１本の伝送用光ファイバ８に結合する。接合部の保護と強度維持のため、波長変換ファイバ３，ロッド型カプラ７と伝送用光ファイバ８は、エポキシ系接着材等を用いて、それぞれ波長変換ファイバ用フェルール３１ａ，ロッド型カプラ用フェルール３１ｂ，伝送用光ファイバ用フェルールに固定する。ロッド型カプラ用コネクタ３０ａは、波長変換ファイバ用フェルール３１ａとロッド型カプラ用フェルールを、被覆キャップ部６ｂにネジ止めし、伝送用光ファイバ用コネクタ３０ｂは、伝送用光ファイバ用フェルール３１ｃを、波長変換ファイバ・ロッド型カプラ用コネクタに、ネジ止めする。光の伝送損失を低減するため、波長変換ファイバ３とロッド型カプラ７の境界面やロッド型カプラと伝送用光ファイバの境界面には、シリコンオイルやオプチカルグリースを塗布してもよい。また、波長変換ファイバ３とロッド型カプラ７、あるいは、ロッド型カプラ７と伝送用光ファイバ８は直接オプチカルセメントで接着してもよい。波長変換ファイバ３と伝送用光ファイバ８の接続は、ロッド型カプラ７の代わりに、プラスチックファイバに熱を加えて変形させて複数本をまとめて径を絞ったものや、レンズを用いたカプラを用いてもよい。
【００１８】
波長変換ファイバは、シンチレータ内において、シンチレータの中心軸を中心とする同心円状の位置に、波長変換ファイバをシンチレータの長さ方向に往復して設け、波長変換ファイバ内で発光した光を波長変換ファイバの両端に設置された伝送用光ファイバにて収集することで、単に波長変換ファイバ１本１本を真直にシンチレータに挿入するのと比べ以下の理由で高感度化することができる。
【００１９】
▲１▼波長変換ファイバは、シンチレータ内において、シンチレータの中心軸を中心とする同心円状の位置に、波長変換ファイバをシンチレータの長さ方向に往復して設けることによる効果
図５は、直径２mmの波長変換ファイバへのシンチレーション光の入射効率を示すが、シンチレーション光はシンチレーション光発生位置で等方的に発光するため、入射効率はシンチレーション光発生位置と波長変換ファイバ間の距離に反比例する。このため、本実施例のように波長変換ファイバをシンチレータの軸方向の対称軸に平行に設け、さらにシンチレータのシンチレータの対称軸に垂直な面の同心円状に複数回屈曲して挿入するようにすれば、シンチレータの表面近くで発光する低エネルギー放射線によるシンチレーション光は発光位置近くに配置された波長変換ファイバで効率よく集光できるとともに、シンチレータ全体で発光する高エネルギー放射線によるシンチレーション光は波長変換ファイバ全体で効率よく集光できるため、シンチレータのエネルギー特性を均一に改善できる。
【００２０】
従って、従来の放射線エネルギーに対する感度の特性を改善することができる。
【００２１】
▲２▼波長変換ファイバ内で発光した光を波長変換ファイバの両端に設置された伝送用光ファイバにて収集することによる効果
このようにシンチレータ内に挿入する波長変換ファイバの両端が伝送用光ファイバと結合する構成とすることにより、波長変換ファイバ３内でファイバの軸に沿って両方向に進む波長変換光４２を利用できるため、光ファイバ放射線検出器の検出部２０の感度は、シンチレータ内に挿入する波長変換ファイバの一端が伝送用光ファイバと結合する従来構成の光ファイバ放射線検出器の感度の２倍となる。
【００２２】
▲３▼シンチレータ内に波長変換ファイバが充填されることによる効果
シンチレータとの接触面積を大きくとることが出来るため、シンチレータが発光するシンチレーション光を効率良く収集可能である。
【００２３】
▲４▼カプラに接続する波長変換ファイバの本数を少なくすることによる効果
先願である特願平9−331880 号に記載された発明ではカプラに接続する波長変換ファイバと伝送用光ファイバの本数比が増加するほど、ロッド型カプラにおける光の伝送損失は増加する。本実施例の放射線検出器では、波長変換ファイバと伝送用光ファイバの本数比は２：１と小さく、カプラにおける光の伝送損失を低減できるため、シンチレータ内に複数本挿入する波長変換ファイバの一端が伝送用光ファイバと結合する先願の構成の放射線検出器と比較して感度の低下を抑えることが出来る。
【００２４】
改善された放射線エネルギー感度のグラフを図６に示す。点線が先願の放射線検出器であり実線が本実施例の放射線検出器である。入射放射線エネルギーに対する感度が一定であり、先願の検出器よりも感度が向上していることが分かる。
以上より本実施例は放射線検出器の感度を向上でき、放射線検出部と信号処理部間を長距離化出来る。
【００２５】
図７は、本発明の他の実施例である放射線検出器を示している。本実施例は伝送用光ファイバを２本用いている。本実施例では、波長変換ファイバ３の両端をロッド型カプラ等により１本の伝送用光ファイバ８に接続する代わりに、波長変換ファイバ３の両端にコネクタ３０で１本づつ伝送用光ファイバ８を接続し、両端に接続した２本の伝送用光ファイバ８が波長変換ファイバ３内で発生した波長変換光４２を光ファイバ放射線検出器の信号処理部まで伝送する構成である。本構成においても、波長変換ファイバ３内でファイバの軸に沿って両方向に進む波長変換光４２を利用できるため、光ファイバ放射線検出器の検出部２０の感度は、シンチレータ内に挿入する波長変換ファイバの一端が伝送用光ファイバと結合する従来構成の光ファイバ放射線検出器の感度の２倍となり伝送用光ファイバの長距離化が図れる。
【００２６】
図８は、本発明の他の実施例で、波長変換ファイバは、シンチレータ内において、シンチレータの中心軸を中心とする円状の位置に、波長変換ファイバをシンチレータの一方の面から挿入して折り返すことを繰り返しシンチレータの他の面から引き出す構成になっている。このような構成によっても従来の光ファイバ放射線検出器の感度の２倍以上になり、伝送用光ファイバの長距離化が図れる。
【００２７】
図９は、本発明の光ファイバ放射線検出器を用いた周辺環境放射線分布監視システム概念図である。放射性物資や核燃料物質を取り扱ったり、放射線発生装置を有する原子力発電所等の放射線施設においては、常時、敷地内の放射線を監視する必要がある。モニタリングポスト６２は光ファイバ放射線検出器検出部（図示せず）を具備し、原子力発電所敷地内の各所に設置される。光ファイバ放射線検出器検出部は電源を必要としないため、モニタリングポスト６２を設置する際に、新たに電源は必要なく、設置コストが低減できる利点がある。モニタリングポスト６２で検出された放射線は、波長変換光４２として伝送用光ファイバ８を通じて原子炉建屋６０内の中央制御室６１に伝送される。本発明の光ファイバ放射線検出器によれば、光伝送距離を２倍以上長距離化できるため、本システムにより広域の放射線監視が実現できる。
【００２８】
図１０は、本発明の光ファイバ放射線検出器を用いた周辺環境放射線分布監視システム構成図である。原子力発電所敷地内の各所に設置されたモニタリングポスト内に設置された光ファイバ放射線検出器の検出部２０は、伝送用光ファイバ８を介して波長変換光４２を中央制御室６１内に設置した信号処理部２１に伝送する。各伝送用光ファイバ８は光スイッチ１７により並列結合する。光スイッチ１７は一定時間毎に伝送用光ファイバ８を切り替え、監視するモニタリングポストを決定する。光スイッチ１７は、選択した伝送用ファイバから伝送される光信号を電気信号に変換する光電子変換素子９に接続される。光電子変換素子には、電源１６より定電圧を供給する。前置増幅器１０，増幅器１１は光電子変換素子９からの電気信号を増幅し、波高弁別器１２は、主に電気ノイズを削減するため一定電圧範囲の信号を抽出し、カウンタ１３は一定時間内のパルス数を計数する。演算装置１４は、予め記憶した校正定数を計数結果に掛けて、計数結果を線量当量率に変換し、表示装置１５にモニタリングポスト毎に表示する。計測した線量当量率が予め設定した閾値を超えた場合、アラーム１８はブザー音等の手段により原子力発電所運転員に注意を促す。本システム例では、光スイッチによりモニタリングポストを選択したが、各伝送用光ファイバ８毎に光電子変換素子９を設けて、波長変換光４２を電気信号に変換した後、電気スイッチで監視するモニタリングポストを決定してもよい。
【００２９】
図１１は、本発明の光ファイバ放射線検出器を用いた建屋内放射線分布監視システム概念図である。原子炉建屋６０内部の放射線を監視するため、エリアモニタ１は原子炉建屋６０の各所に配置される。エリアモニタ１が具備する光ファイバ放射線検出器の検出部（図示せず）は波長変換光４２を伝送用光ファイバ８を介して中央制御室６１に設置された信号処理部２１に伝送する。また、エリアモニタ１と同構成の光ファイバ放射線検出器をモニタリングポスト６２に適用してやれば信号処理部２１が共用できる利点がある。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の放射線検出器によれば、放射線検出器の感度が向上するので、放射線検出部と信号処理部間の距離を長くすることを実現出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である放射線検出器の構成図。
【図２】図１の放射線検出器のシンチレータ部分の横断面図。
【図３】本発明の先願の放射線検出器の構成図。
【図４】本発明の光ファイバ放射線検出器の軸方向断面図。
【図５】シンチレーション光の波長変換ファイバへの入射効率を示す図。
【図６】本発明及び本発明の先願の光ファイバ放射線検出器感度のエネルギー特性を示す図。
【図７】本発明の放射線検出器の一実施例を示す図。
【図８】本発明の放射線検出器の一実施例を示す図。
【図９】本発明の光ファイバ放射線検出器を用いた周辺環境放射線分布監視システム図。
【図１０】本発明の光ファイバ放射線検出器を用いた周辺環境放射線分布監視システム構成図。
【図１１】本発明の光ファイバ放射線検出器を用いた建屋内放射線分布監視システム図。
【図１２】本発明の説明図。
【図１３】従来の放射線検出器の構成図。
【符号の説明】
１…エリアモニタ、２…シンチレータ、３…波長変換ファイバ、４…反射材、５…石英ガラス、６…被覆、６ａ…被覆ケース部、６ｂ…被覆キャップ部、７…ロッド型カプラ、８…伝送用光ファイバ、９…光電子変換素子、１０…前置増幅器、１１…増幅器、１２…波高弁別器、１３…カウンタ、１４…演算装置、１５…表示装置、１６…電源、１７…光スイッチ、１８…アラーム、２０…検出部、２１…信号処理部、３０…コネクタ、３０ａ…ロッド型カプラ用コネクタ、30ｂ…光ファイバ用コネクタ、３１ａ…波長変換ファイバ用フェルール、３１ｂ…ロッド型カプラ用フェルール、３１ｃ…伝送用光ファイバ用フェルール、３２…充填材、３３…反射鏡、４２…波長変換光、６０…原子炉建屋、６１…中央制御室、６２…モニタリングポスト。

Claims

円柱形のシンチレータと、前記シンチレータ内に挿入されて前記シンチレータの発光を取り込み波長を長くする波長変換を行う波長変換ファイバと、該波長変換ファイバ内で発光した光を波長変換ファイバの両端に設置された伝送用光ファイバにて収集する放射線検出器において、前記波長変換ファイバは、前記シンチレータ内において、前記シンチレータの中心軸を中心とする同心円状の位置に、前記シンチレータ内の長さ方向に一回以上往復して設けられることを特徴とする放射線検出器。
円柱形のシンチレータと、前記シンチレータ内に挿入されて前記シンチレータの発光を取り込み波長を長くする波長変換を行う波長変換ファイバと、該波長変換ファイバ内で発光した光を波長変換ファイバの両端に設置された伝送用光ファイバにて収集する放射線検出器において、前記波長変換ファイバは、前記シンチレータを貫通した後、前記シンチレータ外で折り返されて、前記シンチレータを再度貫通するものであって、前記シンチレータ内において、前記シンチレータの中心軸を中心とする同心円状の位置に、シンチレータ内の長さ方向に前記シンチレータを一回以上往復して設けられることを特徴とする放射線検出器。
前記伝送用光ファイバが取り込んだ光に基づいて線量当量率を求める演算装置と、前記演算装置によって求められた線量当量率を表示する表示装置とを備えたことを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の放射線検出器。