WO2022224541A1 - 検出器及び放射線モニタ - Google Patents
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Definitions
- the present disclosure relates to detectors and radiation monitors.
- a radiation monitor is a radiation measuring device used for various applications such as nuclear power plants, medical radiation examinations, and radiation therapy. Ionization chambers are widely used as radiation monitors due to their good stability and reproducibility. In particular, when measuring the radiation dose under the harsh environment of a nuclear power plant, it is preferable that it is small, does not require voltage application, and has excellent environmental resistance due to restrictions on the measurement location. Also, when measuring the radiation dose inside a patient's body during radiotherapy, it is preferable that the sensor is minimally invasive, and that a sensor that is small and does not require voltage application is preferable.
- semiconductor detectors which are relatively easy to miniaturize, have been used to measure radiation dose.
- semiconductor detectors are subjected to voltage application and are subject to severe restrictions on usage conditions from the standpoint of environmental resistance.
- an optical fiber type radiation monitor uses a scintillator element as a sensor, transmits photons generated from the scintillator element through an optical fiber, and remotely measures the radiation dose.
- the optical fiber type radiation monitor has a small sensor, does not require voltage application, and is excellent in environmental resistance such as radiation resistance and heat resistance. Therefore, the optical fiber type radiation monitor is suitable for measuring the radiation dose in the harsh environment of a nuclear power plant and for measuring the radiation dose inside a patient's body during radiotherapy.
- Claim 1 of Patent Document 1 states, "A plurality of radiation detection units each having a radiation detection element that emits light upon incidence of radiation and a housing that accommodates the radiation detection element, and a radiation detector that emits light generated by the plurality of radiation detection elements. an optical transmission line for transmitting and combining light that has been added, a photodetector that converts the combined light guided to itself via the optical transmission line into an electric pulse, and based on the counting rate of the electric pulse, and an analysis unit that calculates a dose rate of radiation, wherein the plurality of housings includes at least one housing made of a first material, and another housing made of a second material. A radiation monitor comprising a housing.”
- the end face of the radiation detection element on the optical fiber side is optically polished (paragraph 0023). This makes it easier for light to pass through the end face.
- photons that are transmitted through the end face but do not reach the entrance of the optical fiber are not detected, resulting in lower detection sensitivity.
- Such a problem becomes significant when the environment has a low dose rate, such as when used as an area monitor for a nuclear power plant or other radiation facility.
- the problem to be solved by the present disclosure is to provide a detector and radiation monitor with excellent detection sensitivity.
- the detector of the present disclosure includes a radiation-emitting material that generates photons corresponding to the dose of incident radiation, a sensor that has an exit-side end face from which the photons are emitted, and a sensor that scatters the photons generated by the sensor. a scatterer; and an optical fiber having an entrance facing the exit-side end face of the sensor and transmitting the photons scattered by the scatterer to a photoelectric converter through the entrance.
- a detector and radiation monitor with excellent detection sensitivity can be provided.
- FIG. 1 is a block diagram of a radiation monitor according to a first embodiment
- FIG. FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining the process of photon generation by radiation; It is a figure explaining the relationship between a dose rate and a photon count rate. It is a figure explaining the structure of the detector of 1st Embodiment. It is a figure explaining the conventional detector. It is a figure explaining the relationship between a photon count rate and an electric pulse count rate. It is a figure explaining the structure of the detector of 2nd Embodiment. It is a figure explaining the projection part of the optical fiber to the output side end face of a sensor. It is a figure explaining the structure of the detector of 3rd Embodiment. It is a figure explaining the structure of the detector of 4th Embodiment. It is a figure explaining the structure of the detector of 5th Embodiment. It is a figure explaining the structure of the detector of 6th Embodiment.
- FIG. 1 is a block diagram of the radiation monitor 1 (optical fiber radiation monitor) of the first embodiment.
- the radiation monitor 1 includes a detector 70 , a photoelectric converter 30 , a counting device 40 , an arithmetic device 50 and a display device 60 .
- the detector 70 detects radiation R and generates photons P corresponding to the detected radiation dose.
- Detector 70 comprises sensor 10 , scatterer 100 and optical fiber 20 .
- the sensor 10 is made of a radiation-emitting material that generates photons P (single photons) corresponding to the dose of incident radiation R (eg, gamma rays, X-rays, etc.).
- the sensor 10 includes a radiation-emitting element (not shown) made of, for example, a radiation-emitting material. Radiation R enters, for example, the radiation-emitting element, and photons P are generated in the radiation-emitting element. The generation of photons P causes luminescence (including fluorescence).
- FIG. 2 is a conceptual diagram explaining the process of generating photons P by radiation R.
- the energy of the radiation R causes electrons in the ground state (energy level L1) in the radiation-emitting material to transition to an excited state (energy level L3) with a higher energy level. (arrow a1).
- An electron in a high energy level excited state (energy level L3) transitions to a low energy level excited state (energy level L2) (arrow b1).
- Sensor 10 generates photons P having an energy corresponding to the energy difference between energy level L3 and energy level L2.
- the radioluminescent material has, for example, a material such as transparent yttrium aluminum garnet (YAG) as a base material, and one or more of ytterbium, neodymium, cerium, praseodymium, etc. as an additive to this material. of rare earth elements. Having one or more rare earth elements can further improve the linearity between the dose rate of the radiation R incident on the sensor 10 and the photon count rate. Linearity will be described later with reference to FIG. Then, even when radiation R with a high dose rate is incident on the sensor 10, the linearity between the dose rate and the photon count rate can be maintained, and the measurement accuracy of the dose rate can be improved.
- YAG transparent yttrium aluminum garnet
- the radiation-emitting material may be, for example, a material represented by formula (1) below.
- ATaO 4 :B Formula (1) A and B are rare earth elements having a 4f-4f electron transition, and at least one or more of Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, and Tb It is a rare earth element.
- the mass of B representing the additive is preferably 1 ⁇ 10 ⁇ 3 mass % to 30 mass % with respect to the total mass of the radiation-emitting material. Thereby, the emission intensity of the sensor 10 can be improved.
- the radioluminescent material represented by formula (1) contains rare earth elements with 4f-4f electron transitions due to the high density matrix ATaO 4 and additive B.
- the energy imparted to the base material ATaO 4 by the incident radiation R can be used as excitation energy for the additive B with high efficiency.
- the sensitivity of the sensor 10 can be improved.
- the radiation dose of the radiation R incident on the sensor 10 and the number of photons P generated by the sensor 10 have linearity. That is, the dose rate of the radiation R incident on the sensor 10 and the number of photons per unit time generated by the sensor 10 (hereinafter referred to as "photon count rate”) have linearity.
- FIG. 3 is a diagram explaining the relationship between the dose rate and the photon count rate.
- the dose rate of the radiation R and the photon count rate have linearity (proportional relationship). This relationship is due to the fact that the lifetimes of the sensor 10, such as the luminescence lifetime and the fluorescence lifetime, are relatively long.
- the lifetime of the sensor 10 is preferably, for example, 1 ⁇ s or longer, and when the radiation-emitting material is, for example, YAG:Nd, the lifetime is, for example, 230 ⁇ s.
- FIG. 4 is a diagram explaining the structure of the detector 70 of the first embodiment.
- the Z-axis is the central axis direction of the optical fiber 20, and the R-axis is an axis extending in a direction perpendicular to the Z-axis.
- the sensor 10 has an emission-side end surface 102 from which the photons P are emitted.
- the optical fiber 20 is arranged so that the entrance 201 faces the output end face 102 of the sensor 10, and transmits the photons P through the entrance 201 to the photoelectric converter 30 (FIG. 1).
- the optical fiber 20 is made of quartz, plastic, or the like, for example.
- the detector 70 includes a scatterer 100 that scatters the photons P generated by the sensor 10.
- the sensor 10 comprises a scatterer 100 , which is arranged on the output end face 102 .
- a photon P generated at a point S inside the sensor 10 travels toward the emission-side end surface 102 and reaches the emission-side end surface 102 .
- the photons P reaching the output end face 102 are emitted from the output end face 102 after being scattered by the scatterer 100 and enter the optical fiber 20 through the entrance 201 . Therefore, optical fiber 20 transmits photons P scattered by scatterer 100 . Due to the scattering, the number of photons P reaching the entrance 201 of the optical fiber 20 from the exit facet 102 is increased, and the detection sensitivity can be improved.
- the detector 70 has an air gap 200 between the output side end face 102 of the sensor 10 and the entrance 201 of the optical fiber 20 .
- An air gap 200 is provided within the housing (not shown), for example, by spacing the sensor 10 and the optical fiber 20 within the housing (not shown). Since the air gap 200 in which air or the like exists has a small refractive index, the transmission angle ⁇ 1, which will be described later in detail, can be increased by once emitting the light from the exit-side end face 102 into the air gap 200 having a smaller refractive index.
- the interior of void 200 may be a vacuum, and the internal pressure may be less than or greater than atmospheric pressure.
- the exit-side end face 102 and the entrance 201 are normally arranged parallel to each other, and a gap 200 is provided between them.
- the size of the air gap 200 that is, the distance between the exit-side end face 102 and the entrance 201, is not particularly limited as long as it is a distance capable of suppressing attenuation of the photons P, but can be, for example, 1 mm or less. .
- FIG. 5 is a diagram illustrating a conventional detector 80.
- FIG. Detector 80 shown in FIG. 5 and detector 70 of the present disclosure (FIG. 4) are the same except for the presence or absence of scatterers 100 and the presence or absence of air gaps 200 .
- the angle ⁇ is 10.7° from equation (2). That is, photons P that enter the entrance 201 at an angle ⁇ exceeding 10.7° are not properly transmitted inside the optical fiber 20 . Therefore, in order to increase the transmission efficiency of the optical fiber 20, it is preferable to increase the numerical aperture NA of the optical fiber 20 or decrease the refractive index n of the sensor 10 according to Equation (2). Furthermore, it is also preferable to increase the core diameter of the optical fiber 20 itself.
- the transmittable angle ⁇ can be calculated at an arbitrary point on the sensor 10.
- the emission probability of the photons P is equal, and the emission direction is, for example, isotropic. can.
- the transmission probability of the photon P can be calculated by summing up all transmission probabilities at each point in the sensor 10 (volume integration). Specifically, when the shape of the sensor 10 is cylindrical with a diameter of 3 mm and a length of 3 mm, the refractive index n is 2.0, the core diameter of the optical fiber 20 is 400 ⁇ m, and the numerical aperture NA is 0.37, the transmission probability is 1.5 ⁇ 10 ⁇ 4 , which is a very small value. Therefore, in the prior art, the main reason for the very low transmission probability is the narrow angle ⁇ determined by the index of refraction of the sensor 10 .
- the detector 70 of the present disclosure includes a scatterer 100.
- the photons P can be scattered and the probability of the photons P reaching the entrance 201 can be improved.
- the number of photons P incident at an angle of ⁇ or less can be increased, so that the detection sensitivity of the detector 70 can be improved.
- the air gap 200 it is possible to increase the angle ⁇ 1, which is the incident angle to the entrance 201 through which light can propagate through the optical fiber 20.
- ⁇ 1 is the incident angle to the entrance 201 through which light can propagate through the optical fiber 20.
- the numerical aperture NA of the optical fiber 20 is 0.37
- the refractive index of air is 1.0. °, doubling over the prior art.
- the detection sensitivity of the detector 70 can be improved.
- the transmission probability is 2.3 ⁇ 10 ⁇ 4 , which is the transmission probability of the prior art. It is 1.5 times 5 ⁇ 10 ⁇ 4 .
- the scatterer 100 is arranged, for example, on the exit-side end surface 102 of the sensor 10 as described above. By arranging at this position, the scatterer 100 can be arranged by, for example, surface processing of the exit-side end face 102, so that the scatterer 100 can be arranged easily. Moreover, the effect of the scatterer 100 can be improved, and the characteristics of the scatterer 100 can be easily controlled. These allow the detector 70 and the radiation monitor 1 to be manufactured at low cost.
- the surface processing includes, for example, scratching with a width capable of generating Rayleigh scattering, which will be described later, and the formed shape is, for example, grooves, unevenness, and the like.
- the scatterer 100 is, for example, a scatterer that produces isotropic scattering.
- isotropic scattering the probability of arrival at the entrance 201 and the probability of transmission of the photons P through the optical fiber 20 can be improved, and the detection sensitivity of the radiation monitor 1 can be further improved.
- the scattering in the scatterer 100 is preferably isotropic. Therefore, a Rayleigh scattering capable scatterer 100 that scatters isotropically is preferred. Rayleigh scattering is scattering by particles much smaller than the wavelength of light. Thus, in another embodiment, the scatterer 100 is composed of particles smaller than the wavelength of the photons P generated by the sensor 10, for example.
- the scatterer 100 is made of, for example, a polycrystal. Particles may be formed by surface processing. As a result, Rayleigh scattering can occur, and photons P can be isotropically scattered.
- the wavelength is about 550 nm
- the particles of the scatterer 100 should be sufficiently smaller than 550 nm. Therefore, it is preferable that the particles forming the scatterer 100 have a particle size of sub- ⁇ m or less.
- the particle size can be measured by X-ray diffraction, and not all particles are necessarily smaller than the wavelength of light. Therefore, in the case of green photons P, the scatterer 100 may contain particles crushed to 550 nm or less, for example. Further, by confirming whether the particles are scattered isotropically, it can be determined whether or not the particles are smaller than the wavelength of the photons P.
- the scatterer 100 is composed of particles smaller than the wavelength of the photons P, it is not necessary. That is, even a particle larger than the wavelength of the photon P has the effect of scattering to some extent.
- the photoelectric converter 30 converts the photons P generated by the detector 70 into electrical signals (hereinafter referred to as electrical pulses). Photons P generated at 10 are transmitted to photoelectric converter 30 through optical fiber 20 . The photoelectric converter 30 converts each photon P transmitted by the optical fiber 20 into each electrical pulse. Therefore, the photoelectric converter 30 emits one electrical pulse corresponding to one photon P.
- electrical pulses electrical signals
- FIG. 6 is a diagram explaining the relationship between the photon count rate and the electrical pulse count rate.
- the number of photons generated by the sensor 10 and the number of electrical pulses transmitted by the photoelectric converter 30 have linearity (proportional relationship).
- the photon counting rate and the number of electrical pulses per unit time (electrical pulse counting rate) transmitted by the photoelectric converter 30 have linearity as shown in FIG. Therefore, the electric pulse coefficient rate can be uniquely calculated based on the photon coefficient rate.
- the photoelectric converter 30 for example, a photomultiplier tube, an avalanche photodiode, or the like can be used. By using these, the photon P can be converted into an amplified electric pulse.
- the counting device 40 counts the electric pulses (electric signals) converted by the photoelectric converter 30 and outputs the count value of the electric pulses.
- the counting device 40 is connected to the photoelectric converter 30 by an electrical signal line (not shown).
- the counting device 40 counts the electrical pulses emitted by the photoelectric converter 30 and outputs the count value of the electrical pulses (the number of electrical pulses) counted by the counting device 40 .
- the computing device 50 computes the result of computing at least one of the radiation dose and the dose rate based on the count value of the electrical pulses (electrical signals) in the counting device 40 .
- the computing device 50 is connected to the counting device 40 by an electric signal line (not shown).
- the computing device 50 holds a relationship (for example, a relational expression, etc.) between a count value of electrical pulses (which may be an electrical pulse count rate) corresponding one-to-one and a radiation dose or a dose rate. This relationship is preset.
- the computing device 50 is, for example, a CPU (Central Processing Unit), although not shown. , RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory), and the like. Arithmetic device 50 is embodied by developing a predetermined control program stored in ROM into RAM and executing it by the CPU.
- CPU Central Processing Unit
- RAM Random Access Memory
- ROM Read Only Memory
- the display device 60 displays the calculation result of at least one of radiation amount and dose rate.
- the display device 60 is connected to the arithmetic device 50 by electrical signal lines (not shown).
- the display device 60 also displays an abnormality of the sensor 10 and the like.
- the arrival probability of the photons P to the entrance 201 of the optical fiber 20 and the transmission probability in the optical fiber 20 can be improved, and the detection sensitivity of the radiation monitor 1 can be improved.
- improvement of the SN ratio, shortening of measurement time, and the like can be mentioned.
- the radiation monitor 1 is provided with a plurality of detectors 70 to shorten the measurement time, and multi-channel measurement can be performed by switching the detectors 70 to be used.
- FIG. 7A is a diagram explaining the structure of the detector 71 of the second embodiment.
- Detector 71 is the same as detector 70 (FIG. 4) except that it has a portion of emission-side end face 102 that does not have scatterer 100 .
- FIG. 7B is a diagram for explaining the projected portion of the optical fiber 20 onto the exit-side end face 102 of the sensor 10.
- the scatterer 100 is detected on the output side end surface 102 of the sensor 10 other than the portion where the entrance 201 of the optical fiber 20 is projected onto the output side end surface 102 as indicated by the dashed line in FIG. 7B. 102.
- the projected portion of the entrance 201 can be incident on the entrance 201 of the optical fiber 20 as it is without being scattered, and the incidence probability of the entrance 201 of the optical fiber 20 is caused by scattering from other portions. can be improved.
- FIG. 8 is a diagram explaining the structure of the detector 72 of the third embodiment.
- Detector 72 is similar to detector 70 except that the installation location of scatterer 100 is different from detector 70 (FIG. 4).
- the scatterer 100 is arranged inside the sensor 10 so as to include at least the emission-side end face 102 of the sensor 10 . As a result, the photons P generated within the sensor 10 can be scattered, and the thickness of the scatterer 100 can be controlled.
- the scatterers 100 are arranged over the entire sensor 10 .
- the photons P generated at arbitrary positions on the entire sensor 10 can be rapidly scattered.
- the scatterer 100 is composed of, for example, a polycrystal of a radiation-emitting material. Accordingly, the sensor 10 is composed of a scatterer 100 composed of a radioactive luminescent material. As a result, the sensor 10 and the scatterer 100 can be easily formed by changing the crystal growth conditions, so that the manufacturing cost can be reduced.
- the scatterer 100 is composed of a single crystal of radiation-emitting material with crystal defects. Since a single crystal having crystal defects can be easily manufactured, the sensor 10 and the scatterer 100 can be easily formed, and manufacturing costs can be reduced.
- the scatterer 100 is composed of a single crystal of radiation-emitting material with impurities. Since the physical properties of the scatterer 100 can be controlled by the physical properties of the impurities, the physical properties of the scatterer 100 that also serves as the sensor 10 can be easily controlled.
- FIG. 9 is a diagram explaining the structure of the detector 73 of the fourth embodiment.
- Detector 73 is similar to detector 72 except that the arrangement ratio of scatterers 100 to the entire sensor 10 is different from detector 72 (FIG. 8).
- the scatterer 100 is arranged in a part inside the sensor 10 so as to include the emission-side end face 102.
- the photons P can be incident on the scatterer 100 without being scattered by the parts of the sensor 10 other than the scatterer 100 , so that the photons P can be scattered at the part near the emission-side facet 102 .
- the scattered photons P can be efficiently emitted from the emission-side facet 102 .
- FIG. 10 is a diagram explaining the structure of the detector 74 of the fifth embodiment.
- Detector 74 is similar to detector 70 (FIG. 2) except that it does not include air gap 200 (FIG. 2).
- the exit-side end face 102 of the sensor 10 and the entrance 201 of the optical fiber 20 are in contact.
- the sensor 10 and the optical fiber 20 can be arranged in contact with each other, so that the size of the detector 74 can be reduced.
- the scatterer 100 arranged on the exit-side facet 102 and the entrance 201 are in contact with each other.
- FIG. 11 is a diagram explaining the structure of the detector 75 of the sixth embodiment.
- Detector 75 is similar to detector 73 (FIG. 9) except that it includes reflector 103 .
- the detector 75 includes a reflector 103 that reflects the photons P so as to cover the portion of the sensor 10 other than the emission-side end surface 102 .
- the reflector 103 By installing the reflector 103 on, for example, the side surface and the top surface that do not face the optical fiber 20, the photons P that were conventionally dispersed can be reflected. As a result, the photons P that are not directed toward the emission-side end face 102 are allowed to stay inside the scatterer 100, and the probability of incidence on the optical fiber 20 can be improved.
- the reflecting material 103 may be any material as long as it can transmit the radiation R but not the photons P and can reflect the radiation, and is, for example, a plate or foil of silver, aluminum, or the like.
- Radioelectric Monitor 10 Sensor 100 Scattering Body 102 Output Side End Face 103 Reflector 20 Optical Fiber 200 Air Gap 201 Entrance 30 Photoelectric Converter 40 Counting Device 50 Arithmetic Device 60 Display Device 70 Detector 71 Detector 72 Detector 73 Detector 74 Detection detector 75 detector 80 detector a1 arrow 1 arrow L1 energy level L2 energy level L3 energy level P photon R radiation S point ⁇ angle ⁇ 1 angle
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Abstract
優れた検出感度を有する放射線モニタを提供する。この課題の解決のため、放射線モニタ(1)は、放射線を検出し、検出した放射線量に対応するフォトンを発生させる検出器(70)と、検出器(70)で発生したフォトンを電気信号に変換する光電変換器(30)と、光電変換器(30)が変換する電気信号を計数し、電気信号の計数値を出力する計数装置(40)と、電気信号の計数値に基づいて、放射線量又は線量率の少なくとも何れか一方の演算結果を演算する演算装置(50)と、演算結果を表示する表示装置(60)とを備え、検出器(70)は、入射する放射線の放射線量に対応するフォトンを発生する放射線発光材料により構成されるセンサ(10)と、センサ(10)で発生したフォトンを散乱させる散乱体(100)と、光ファイバ(20)の入射口を通じて光電変換器(30)に伝送する光ファイバ(20)と、を備える。
Description
本開示は検出器及び放射線モニタに関する。
放射線モニタは、原子力発電プラント、医療用の放射線検査、放射線治療等の各用途に使用される放射線計測装置である。放射線モニタとして、安定性及び再現性が良好な電離箱が広く使用されている。特に、原子力発電プラントの過酷環境下で放射線量を計測する場合には、計測場所の制限等により、小さく、電圧印加不要であるとともに、耐環境性にも優れることが好ましい。また、放射線治療時の患者体内の放射線量を計測する場合にも、低侵襲性であることが好ましく、小さく、電圧印加不要なセンサが好ましい。
近年、電離箱に代わり、放射線量の計測に、小型化が比較的容易な半導体検出器が使用されている。しかし、半導体検出器であっても、信号処理系までを含めると、小型化には限界がある。また、半導体検出器は、電圧印加が行われるとともに、耐環境性という観点からは使用条件の制限が大きい。
そこで、センサとしてシンチレータ素子を使用し、シンチレータ素子から発生するフォトンを光ファイバにより伝送し、遠隔にて放射線量を計測する光ファイバ型の放射線モニタが開発されている。光ファイバ型の放射線モニタは、センサが小型で、電圧の印加も不要であるとともに、耐放射線性、耐熱性等の耐環境性にも優れている。従って、光ファイバ型の放射線モニタは、原子力発電プラントの過酷環境下で放射線量を計測する場合、放射線治療時の患者体内の放射線量を計測する場合にも好適である。
特許文献1の請求項1には、「放射線の入射によって発光する放射線検出素子と、前記放射線検出素子を収容するハウジングと、を有する放射線検出部を複数備えるとともに、複数の前記放射線検出素子で生じた光を伝送して合流させる光伝送路と、前記光伝送路を介して、自身に導かれる合流後の光を電気パルスに変換する光検出部と、前記電気パルスの計数率に基づいて、放射線の線量率を算出する解析部と、を備え、複数の前記ハウジングには、第1の材料で構成される少なくとも一つの前記ハウジングが含まれるとともに、第2の材料で構成される別の前記ハウジングが含まれることを特徴とする放射線モニタ。」が記載されている。
特許文献1に記載の技術では、放射線検出素子の光ファイバ側の端面には、光学研磨が施されている(段落0023)。これにより、光が端面を透過し易い。一方で、端面を透過したものの光ファイバの入射口に到達しないフォトンは検出されず、検出感度が低下する。このような課題は、例えば、原子力発電プラント、その他の放射線施設のエリアモニタとして使用する場合等の、環境が低線量率の場合に大きくなる。
本開示が解決しようとする課題は、優れた検出感度を有する検出器及び放射線モニタの提供である。
本開示が解決しようとする課題は、優れた検出感度を有する検出器及び放射線モニタの提供である。
本開示の検出器は、入射する放射線の放射線量に対応するフォトンを発生する放射線発光材料により構成され、前記フォトンが出射する出射側端面を備えるセンサと、前記センサで発生した前記フォトンを散乱させる散乱体と、前記センサの前記出射側端面に対向するように入射口が配置され、前記散乱体で散乱した前記フォトンを、前記入射口を通じて光電変換器に伝送する光ファイバと、を備える。その他の解決手段は発明を実施するための形態において後記する。
本開示によれば、優れた検出感度を有する検出器及び放射線モニタを提供できる。
以下、図面を参照しながら本開示を実施するための形態(実施形態と称する)を説明する。以下の一の実施形態の説明の中で、適宜、一の実施形態に適用可能な別の実施形態の説明も行う。本開示は以下の一の実施形態に限られず、異なる実施形態同士を組み合わせたり、本開示の効果を著しく損なわない範囲で任意に変形したりできる。また、同じ部材については同じ符号を付すものとし、重複する説明は省略する。更に、同じ機能を有するものは同じ名称を付すものとする。図示の内容は、あくまで模式的なものであり、図示の都合上、本開示の効果を著しく損なわない範囲で実際の構成から変更したり、図面間で一部の部材の図示を省略したり変形したりすることがある。
図1は、第1実施形態の放射線モニタ1(光ファイバ型放射線モニタ)のブロック図である。放射線モニタ1は、検出器70と、光電変換器30と、計数装置40と、演算装置50と、表示装置60とを備える。
検出器70は、放射線Rを検出し、検出した放射線量に対応するフォトンPを発生させるものである。検出器70は、センサ10と散乱体100と光ファイバ20とを備える。センサ10は、入射する放射線R(例えばガンマ線、X線等)の放射線量に対応するフォトンP(シングルフォトン)を発生する放射線発光材料により構成されたものである。センサ10は、例えば放射線発光材料により構成された放射線発光素子(不図示)を備え、放射線Rは、例えば放射線発光素子に入射し、放射線発光素子においてフォトンPが発生する。フォトンPの発生により、発光(蛍光も含む)が生じる。
図2は、放射線RによるフォトンPの発生過程を説明する概念図である。センサ10(図1)に放射線Rが入射すると、放射線Rのエネルギにより、放射線発光材料における基底状態(エネルギ準位L1)の電子は、エネルギ準位の高い励起状態(エネルギ準位L3)に遷移する(矢印a1)。そして、エネルギ準位の高い励起状態(エネルギ準位L3)にある電子は、エネルギ準位の低い励起状態(エネルギ準位L2)に遷移する(矢印b1)。センサ10は、エネルギ準位L3とエネルギ準位L2とのエネルギ差に相当するエネルギを有するフォトンPを発生する。
図1に戻って、放射線発光材料は、例えば、母材として透明イットリウムアルミニウムガーネット(YAG)等の材料を有し、この材料に、添加物として、イッテルビウム、ネオジム、セリウム、プラセオジウム等の1種類以上の希土類元素を有する。1種類以上の希土類元素を有することにより、センサ10に入射する放射線Rの線量率とフォトン計数率との線形性を更に向上できる。線形性については図3を参照しながら後記する。そして、高線量率の放射線Rがセンサ10に入射する場合であっても、線量率とフォトン計数率との線形性を維持し、線量率の計測精度を向上できる。
放射線発光材料は、例えば下記式(1)に示される材料でもよい。
ATaO4:B ・・・式(1)
式(1)において、A及びBは、4f-4f電子遷移を有する希土類元素であり、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Tbの少なくとも1種類以上の希土類元素である。添加物を示すBの質量は、放射線発光材料の総質量に対して、1×10-3質量%~30質量%であることが好ましい。これにより、センサ10の発光強度を向上できる。
ATaO4:B ・・・式(1)
式(1)において、A及びBは、4f-4f電子遷移を有する希土類元素であり、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Tbの少なくとも1種類以上の希土類元素である。添加物を示すBの質量は、放射線発光材料の総質量に対して、1×10-3質量%~30質量%であることが好ましい。これにより、センサ10の発光強度を向上できる。
式(1)で示される放射線発光材料は、高密度の母材ATaO4及び添加物Bにより、4f-4f電子遷移を有する希土類元素を含む。これにより、放射線Rの入射により母材ATaO4に付与するエネルギを、高効率で添加物Bの励起エネルギに使用できる。この結果、センサ10の感度を向上できる。
センサ10に入射する放射線Rの放射線量と、センサ10で発生するフォトンPの数(フォトン数)とは、線形性を有する。つまり、センサ10に入射する放射線Rの線量率と、センサ10が発生する単位時間当たりのフォトン数(以下「フォトン計数率」という)とは、線形性を有する。
図3は、線量率とフォトン計数率との関係を説明する図である。図示のように、放射線Rの線量率とフォトン計数率とは線形性(比例関係)を有する。この関係は、センサ10の発光寿命、蛍光寿命等の寿命が比較的長いことによる。具体的には、センサ10の寿命は例えば1μ秒以上が好ましく、放射線発光材料が例えばYAG:Ndである場合には、寿命は例えば230μ秒である。
図4は、第1実施形態の検出器70の構造を説明する図である。Z軸は光ファイバ20の中心軸方向であり、R軸はZ軸に垂直な方向に延在する軸である。センサ10は、フォトンPが出射する出射側端面102を備える。光ファイバ20は、センサ10の出射側端面102に入射口201が対向するように配置され、フォトンPを入射口201を通じて光電変換器30(図1)に伝送するものである。光ファイバ20は、例えば石英、プラスチック等により構成される。
検出器70は、センサ10で発生したフォトンPを散乱させる散乱体100を備える。図示の例では、センサ10が散乱体100を備え、散乱体100は、出射側端面102に配置される。センサ10の内部の点Sで発生したフォトンPは、出射側端面102に向かって進行し、出射側端面102に至る。出射側端面102に至ったフォトンPは、散乱体100で散乱した後に出射側端面102から出射し、入射口201を通じて光ファイバ20に入射する。従って、光ファイバ20は散乱体100で散乱したフォトンPを伝送する。散乱により、出射側端面102から光ファイバ20の入射口201に至るフォトンPを増やし、検出感度を向上できる。
検出器70は、センサ10の出射側端面102と、光ファイバ20の入射口201との間に空隙200を備える。空隙200は、例えば、センサ10と光ファイバ20とをハウジング(不図示)の内部に離間して配置することで、前記ハウジング内に備えられる。空気等が存在する空隙200の屈折率は小さいため、出射側端面102から屈折率が小さくなる空隙200にいったん出射させることで、詳細は後記する伝送可能な角度θ1を大きくできる。空隙200の内部は真空でもよいし、内圧は大気圧未満又は大気圧以上でもよい。
出射側端面102と入射口201とは通常は平行に配置され、これらの間に空隙200が備えられる。空隙200の大きさ、即ち、出射側端面102と入射口201との間の距離は、フォトンPの減衰を抑制可能な程度の距離であれば特に制限されないが、例えば1mm以下にすることができる。
図5は、従来の検出器80を説明する図である。図5に示す検出器80と、本開示の検出器70(図4)とは、散乱体100の有無、及び空隙200の有無以外は同様である。
従来技術では、フォトンPが光ファイバ20内を伝送可能となる入射方向には制限がある。具体的には、入射口201に対する入射角が所定の角度θ以下でないと伝送できない。センサ10の屈折率をn、光ファイバ20の開口数をNAとすると角度θは式(2)で与えられる。
角度θ=arcsin(NA/n) ・・・式(2)
角度θ=arcsin(NA/n) ・・・式(2)
センサ10の屈折率nを2.0、光ファイバ20の開口数NAを0.37とすると式(2)より、角度θは10.7°である。即ち、10.7°を超える角度θで入射口201に入射したフォトンPは、光ファイバ20の内部を適切に伝送されない。そこで、光ファイバ20の伝送効率を高めるためには、式(2)により、光ファイバ20の開口数NAを大きく、又は、センサ10の屈折率nを小さくすることが好ましい。更に、光ファイバ20のコア径自体を大きくすることも好ましい。
この入射可能な角度θと光ファイバ20のコア径とに基づき、センサ10の任意の点において、伝送可能な角度θを算出できる。また、センサ10の任意の点において、フォトンPの放出確率が等しく、放出方向が例えば等方的であると考えられるので、任意の位置で求めた伝送可能な角度θから伝送可能な確率を算出できる。更に、センサ10内の各点での伝送可能な確率を全て足し合わせること(体積積分)により、フォトンPの伝送確率を算出できる。具体的には、センサ10の形状を直径3mm長さ3mmの円筒形、屈折率nを2.0とし、光ファイバ20のコア径を400μm、開口数NAを0.37とすると、伝送確率は1.5×10-4となり、非常に小さな値である。従って、従来技術では、伝送確率が非常に小さい主原因は、センサ10の屈折率で決まる狭い角度θである。
そこで、図4に戻って、本開示の検出器70は散乱体100を備える。これにより、フォトンPを散乱させ、入射口201へのフォトンPの到達確率を向上できる。これにより、角度θ以下で入射するフォトンPを増やせるため、検出器70の検出感度を向上できる。
また、空隙200を備えることで、光ファイバ20を伝搬可能な入射口201への入射角である角度θ1を増大できる。これにより、光ファイバ20に伝送できない角度以上で出射したフォトンPであっても、角度θ1以下であれば伝送できるため、光ファイバ20の伝送確率を向上できる。例えば、光ファイバ20を伝搬可能な角度θ1は、光ファイバ20の開口数NAを0.37とすると空気の屈折率は1.0なので、式(2)によれば、角度θ1は21.7°であり、従来技術に対して倍増する。
従って、光ファイバ20により伝送されるフォトンPの数を増やせるため、検出器70の検出感度を向上できる。例えば、空隙200の屈折率を1.0として、散乱体100で例えば等方的に散乱とすると仮定すると、伝送確率は2.3×10-4となり、従来技術の伝送確率である上記1.5×10-4の1.5倍となる。
散乱体100は、上記のように、例えば、センサ10の出射側端面102に配置される。この位置に配置することで、例えば出射側端面102の表面加工等によって散乱体100を配置できるため、散乱体100を容易に配置できる。また、散乱体100による効果を向上できるとともに、散乱体100の特性を制御し易くできる。これらにより、検出器70及び放射線モニタ1を安価に製造できる。表面加工は、例えば後記のレイリー散乱を発生可能な程度の幅を有した傷付け等が挙げられ、形成される形状は例えば溝、凹凸等である。
別の実施形態では、散乱体100は、例えば、等方散乱を生じさせる散乱体である。等方散乱させることで、入射口201への到達確率及び光ファイバ20でのフォトンPの伝送確率を向上でき、放射線モニタ1の検出感度をより向上できる。
上記のように、散乱体100での散乱は等方的であることが好ましい。従って、等方的に散乱するレイリー散乱可能な散乱体100が好ましい。レイリー散乱は、光の波長よりも十分小さい粒子による散乱である。従って、別の実施形態では、散乱体100は、例えば、センサ10で発生するフォトンPの波長よりも小さい粒子により構成される。散乱体100は例えば多結晶体により構成される。粒子は、表面加工によって形成してもよい。これにより、レイリー散乱を生じさせることでき、フォトンPを等方的に散乱できる
例えば緑色のフォトンPの場合、その波長は550nm程度なので、散乱体100の粒子は、550nmよりも十分小さいものが良い。従って、散乱体100を構成する粒子は、サブμm以下の粒径が好ましい。なお、粒径はX線回折により測定でき、必ずしも全ての粒子が光の波長よりも小さい必要はない。従って、緑色のフォトンPの場合には、例えば550nm以下に砕いた粒子を散乱体100に含有させてもよい。また、等方的に散乱しているかを確認することで、フォトンPの波長よりも小さい粒子であるか否かを判断できる。
なお、散乱体100は、例えば、フォトンPの波長よりも小さい粒子により構成されることが好ましいものの、そうでなくてもよい。即ち、フォトンPの波長よりも大きな粒子であっても、ある程度散乱による効果が奏される。
図1に戻って、光電変換器30は、検出器70で発生したフォトンPを電気信号(以下電気パルスという)に変換するものである、光電変換器30には光ファイバ20が接続され、センサ10で発生したフォトンPは、光ファイバ20を通じて、光電変換器30に伝送される。光電変換器30は、光ファイバ20が伝送する各フォトンPを各電気パルスに変換する。従って、光電変換器30は、1個のフォトンPに対して、対応する1個の電気パルスを発信する。
図6は、フォトン計数率と電気パルス計数率の関係を説明する図である。センサ10が発生するフォトン数と、光電変換器30が発信する電気パルス数とは、線形性(比例関係)を有する。そして、フォトン計数率と、光電変換器30が発信する単位時間当たりの電気パルス数(電気パルス計数率)とは、図6に示すように線形性を有する。このため、フォトン係数率に基づき、電気パルス係数率を一義的に算出できる。
上記図3に示したように、線量率とフォトン計数率との間には、一対一対の対応関係がある。また、図6に示すように、フォトン計数率と電気パルス計数率との間にも、一対一対の対応関係がある。従って、線量率と電気パルス計数率との間にも、一対一対の対応関係がある。これにより、電気パルス計数率を線量率に換算できる。
図1に戻って、光電変換器30としては、例えば光電子増倍管、アバランシェフォトダイオード等を使用できる。これらを使用することにより、フォトンPを増幅した電気パルスに変換できる。
計数装置40は、光電変換器30が変換する電気パルス(電気信号)を計数し、電気パルスの計数値を出力するものである。計数装置40は、光電変換器30に対し、電気信号線(不図示)により接続される。計数装置40は、光電変換器30で発信される電気パルスを計数し、計数装置40が計数する電気パルスの計数値(電気パルス数)を出力する。
演算装置50は、計数装置40での電気パルス(電気信号)の計数値に基づいて、放射線量又は線量率の少なくとも何れか一方の演算結果を演算するものである。演算装置50は、計数装置40に対し、電気信号線(不図示)により接続される。演算装置50は、一対一に対応する電気パルスの計数値(電気パルス計数率でもよい)と、放射線量又は線量率と、の関係(例えば関係式等)を保持する。この関係は、事前に設定される。
演算装置50は、何れも図示はしないが、例えばCPU(Central Processing Unit)
、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)等を備えて構成される。演算装置50は、ROMに格納されている所定の制御プログラムがRAMに展開され、CPUによって実行されることにより具現化される。
、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)等を備えて構成される。演算装置50は、ROMに格納されている所定の制御プログラムがRAMに展開され、CPUによって実行されることにより具現化される。
表示装置60は、放射量又は線量率の少なくとも何れか一方の演算結果を表示するものである。表示装置60は、演算装置50に対し、電気信号線(不図示)により接続される。表示装置60は、更に、センサ10の異常等も表示する。
検出器70及び放射線モニタ1によれば、光ファイバ20の入射口201へのフォトンPの到達確率、及び、光ファイバ20での伝送確率を向上でき、放射線モニタ1の検出感度を向上できる。これにより、例えば低線量率の環境においても優れた検出感度を有する検出器及び放射線モニタを提供できる。具体的には、例えばSN比の向上、計測の短時間化等が挙げられる。中でも、計測の短時間化により、放射線モニタ1が複数の検出器70を備えるようにし、使用する検出器70を切り替えることで、多チャンネルの計測を実行できる。
図7Aは、第2実施形態の検出器71の構造を説明する図である。検出器71は、出射側端面102のうち散乱体100を備えない部分を有すること以外は、検出器70(図4)と同様である。
図7Bは、センサ10の出射側端面102への光ファイバ20の投影部分を説明する図である。検出器71では、散乱体100は、センサ10の出射側端面102のうち、光ファイバ20の入射口201を、図7Bにおいて破線で示すように出射側端面102に投影した部分以外の出射側端面102に配置される。このようにすることで、入射口201の投影部分からは散乱させずにそのまま光ファイバ20の入射口201に入射できるとともに、それ以外の部分からは散乱により光ファイバ20の入射口201の入射確率を向上できる。
図8は、第3実施形態の検出器72の構造を説明する図である。検出器72は、散乱体100の設置場所が検出器70(図4)と異なること以外は、検出器70と同様である。
検出器72では、散乱体100は、少なくともセンサ10の出射側端面102を含むように、センサ10の内部に配置される。これにより、センサ10内で発生したフォトンPを散乱できるとともに、散乱体100の厚さを制御できる。
図示の例では、散乱体100は、センサ10の全体に配置される。これにより、センサ10の全体の任意の位置で発生したフォトンPを速やかに散乱できる。
散乱体100は、例えば、放射線発光材料の多結晶体により構成される。従って、センサ10は、放射性発光材料により構成された散乱体100により構成される。これにより、結晶の成長条件を変えることでセンサ10及び散乱体100を容易に形成できるため、製造コストを低減できる。
別の実施形態では、散乱体100は、結晶欠陥を有する放射線発光材料の単結晶により構成される。結晶欠陥を有する単結晶は容易に製造できるため、センサ10及び散乱体100を容易に形成でき、製造コストを低減できる。
別の実施形態では、散乱体100は、不純物を有する放射線発光材料の単結晶により構成される。不純物の物性によって散乱体100の物性を制御できるため、センサ10を兼ねる散乱体100の物性を制御し易くできる。
図9は、第4実施形態の検出器73の構造を説明する図である。検出器73は、センサ10の全体に対する散乱体100の配置割合が検出器72(図8)と異なること以外は、検出器72と同様である。
検出器73では、散乱体100は、出射側端面102を含むように、センサ10の内部の一部に配置される。このようにすることで、センサ10のうち散乱体100以外の部分ではフォトンPを散乱させず散乱体100に入射できるので、出射側端面102に近い部分で散乱できる。これにより、散乱したフォトンPを出射側端面102から効率的に出射できる。
図10は、第5実施形態の検出器74の構造を説明する図である。検出器74は、空隙200(図2)を備えないこと以外は、検出器70(図2)と同様である。
検出器74では、センサ10の出射側端面102と、光ファイバ20の入射口201とは、接触する。これにより、センサ10と光ファイバ20とを接触させた状態で配置できるため、検出器74を小型化できる。図示の例では、出射側端面102に配置された散乱体100と入射口201とが接触する。
図11は、第6実施形態の検出器75の構造を説明する図である。検出器75は、検出器73(図9)に対し、反射材103を備えること以外は検出器73と同様である。
検出器75は、センサ10のうちの出射側端面102以外の部分を覆うように、フォトンPを反射させる反射材103を備える。光ファイバ20に面していない例えば側面及び上面に反射材103を設置することにより、従来散逸していたフォトンPを反射できる。これにより、出射側端面102に向かわないフォトンPを散乱体100の内部に留まらせ、光ファイバ20への入射確率を向上できる。反射材103は、放射線Rは透過するがフォトンPは透過せずに反射可能な材料であれば任意であり、例えば銀、アルミニウム等の例えば板、箔等である。
また、内部に散乱体100を分布させることで、向かい合った面等でのフォトンPの反射に起因する減衰を抑制でき、光ファイバ20への入射確率を向上できる。
1 放射線モニタ
10 センサ
100 散乱体
102 出射側端面
103 反射材
20 光ファイバ
200 空隙
201 入射口
30 光電変換器
40 計数装置
50 演算装置
60 表示装置
70 検出器
71 検出器
72 検出器
73 検出器
74 検出器
75 検出器
80 検出器
a1 矢印
1 矢印
L1 エネルギ準位
L2 エネルギ準位
L3 エネルギ準位
P フォトン
R 放射線
S 点
θ 角度
θ1 角度
10 センサ
100 散乱体
102 出射側端面
103 反射材
20 光ファイバ
200 空隙
201 入射口
30 光電変換器
40 計数装置
50 演算装置
60 表示装置
70 検出器
71 検出器
72 検出器
73 検出器
74 検出器
75 検出器
80 検出器
a1 矢印
1 矢印
L1 エネルギ準位
L2 エネルギ準位
L3 エネルギ準位
P フォトン
R 放射線
S 点
θ 角度
θ1 角度
Claims (15)
- 入射する放射線の放射線量に対応するフォトンを発生する放射線発光材料により構成され、前記フォトンが出射する出射側端面を備えるセンサと、
前記センサで発生した前記フォトンを散乱させる散乱体と、
前記センサの前記出射側端面に対向するように入射口が配置され、前記散乱体で散乱した前記フォトンを、前記入射口を通じて光電変換器に伝送する光ファイバと、を備える
ことを特徴とする検出器。 - 前記センサの前記出射側端面と、前記光ファイバの前記入射口との間に空隙を備える
ことを特徴とする請求項1に記載の検出器。 - 前記散乱体は、前記センサの前記出射側端面に配置される
ことを特徴とする請求項1に記載の検出器。 - 前記散乱体は、前記センサの前記出射側端面のうち、前記光ファイバの前記入射口を前記出射側端面に投影した部分以外の前記出射側端面に配置される
ことを特徴とする請求項1に記載の検出器。 - 前記散乱体は、少なくとも前記センサの前記出射側端面を含むように、前記センサの内部に配置される
ことを特徴とする請求項1に記載の検出器。 - 前記散乱体は、前記センサの内部の一部に配置される
ことを特徴とする請求項5に記載の検出器。 - 前記散乱体は、前記フォトンの波長よりも小さい粒子により構成される
ことを特徴とする請求項1に記載の検出器。 - 前記散乱体は、前記センサの全体に配置される
ことを特徴とする請求項1に記載の検出器。 - 前記散乱体は、前記放射線発光材料の多結晶体により構成される
ことを特徴とする請求項1に記載の検出器。 - 前記散乱体は、結晶欠陥を有する前記放射線発光材料の単結晶により構成される
ことを特徴とする請求項1に記載の検出器。 - 前記散乱体は、不純物を有する前記放射線発光材料により構成される
ことを特徴とする請求項1に記載の検出器。 - 前記散乱体は、等方散乱を生じさせる散乱体である
ことを特徴とする請求項1に記載の検出器。 - 前記センサの前記出射側端面と、前記光ファイバの前記入射口とは、接触する
ことを特徴する請求項1に記載の検出器。 - 前記センサのうちの前記出射側端面以外の部分を覆うように、前記フォトンを反射させる反射材を備える
ことを特徴とする請求項1に記載の検出器。 - 放射線を検出し、検出した放射線量に対応するフォトンを発生させる検出器と、
前記検出器で発生した前記フォトンを電気信号に変換する光電変換器と、
前記光電変換器が変換する前記電気信号を計数し、前記電気信号の計数値を出力する計数装置と、
前記電気信号の計数値に基づいて、放射線量又は線量率の少なくとも何れか一方の演算結果を演算する演算装置と、
前記演算結果を表示する表示装置と、を備え、
前記検出器は、
入射する放射線の放射線量に対応するフォトンを発生する放射線発光材料により構成され、前記フォトンが出射する出射側端面を備えるセンサと、
前記センサで発生した前記フォトンを散乱させる散乱体と、
前記センサの前記出射側端面に対向するように入射口が配置され、前記散乱体で散乱した前記フォトンを、前記入射口を通じて光電変換器に伝送する光ファイバと、を備える
ことを特徴とする放射線モニタ。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021-073504 | 2021-04-23 | ||
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2022224541A1 true WO2022224541A1 (ja) | 2022-10-27 |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/JP2022/004405 WO2022224541A1 (ja) | 2021-04-23 | 2022-02-04 | 検出器及び放射線モニタ |
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WO (1) | WO2022224541A1 (ja) |
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---|---|---|---|---|
JP2003098259A (ja) * | 2001-09-27 | 2003-04-03 | Nihon Medi Physics Co Ltd | 放射線検出器 |
US20150153462A1 (en) * | 2012-06-21 | 2015-06-04 | Siemens Aktiengesellschaft | Scintillator Plate |
JP2019039812A (ja) * | 2017-08-25 | 2019-03-14 | 東京電力ホールディングス株式会社 | シンチレータ |
-
2021
- 2021-04-23 JP JP2021073504A patent/JP2022167602A/ja active Pending
-
2022
- 2022-02-04 WO PCT/JP2022/004405 patent/WO2022224541A1/ja active Application Filing
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US20150153462A1 (en) * | 2012-06-21 | 2015-06-04 | Siemens Aktiengesellschaft | Scintillator Plate |
JP2019039812A (ja) * | 2017-08-25 | 2019-03-14 | 東京電力ホールディングス株式会社 | シンチレータ |
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