特許 6953902 中性子検出器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6953902

(24)【登録日】2021年10月4日

(45)【発行日】2021年10月27日

(54)【発明の名称】中性子検出器

(51)【国際特許分類】

   G01T 3/06 20060101AFI20211018BHJP

   G01T 3/00 20060101ALI20211018BHJP

   G01T 1/00 20060101ALI20211018BHJP

【ＦＩ】

   G01T3/06

   G01T3/00 H

   G01T1/00 A

【請求項の数】2

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2017-163912(P2017-163912)

(22)【出願日】2017年8月29日

(65)【公開番号】特開2019-39879(P2019-39879A)

(43)【公開日】2019年3月14日

【審査請求日】2020年7月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003687

【氏名又は名称】東京電力ホールディングス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100120400

【弁理士】

【氏名又は名称】飛田 高介

(74)【代理人】

【識別番号】100124110

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 大介

(74)【代理人】

【識別番号】110000349

【氏名又は名称】特許業務法人 アクア特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】桜木 洋一

(72)【発明者】

【氏名】吉川 慶一

(72)【発明者】

【氏名】小池 昭史

(72)【発明者】

【氏名】奥之山 隆治

(72)【発明者】

【氏名】都木 克之

(72)【発明者】

【氏名】青木 徹

【審査官】 関口 英樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−２２８４０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０２６９９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１８１７６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０３６７５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１８７６８２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｔ１／００−１／１６

１／１６７−７／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

中性子で蛍光する蛍光体を含む中性子シンチレータと、
前記蛍光体が発する光を伝達する光ファイバと、
前記光を電気パルスに変換する光電子増倍管と、
前記電気パルスから、前記蛍光体が発する蛍光に起因するパルスを通過させ、かつ、ガンマ線に起因する高周波のパルスを低減させるローパスフィルタとを備えたことを特徴とする中性子検出器。

【請求項2】

前記ローパスフィルタの遮断周波数は１ＭＨｚ以上１０ＭＨｚ以下であることを特徴とする請求項１に記載の中性子検出器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、中性子シンチレータを用いる中性子検出器に関する。

【背景技術】

【0002】

中性子検出器は、中性子利用技術を支える要素技術であって、貨物検査等の保安分野、中性子回折による構造解析等の学術研究分野、非破壊検査分野、或いはホウ素中性子捕捉療法等の医療分野等における中性子利用技術の発展に伴い、より高性能な中性子検出器が求められている。

【0003】

さらに過酷事故後の原子力発電所において燃料デブリの位置を調査するために、中性子を検出することが検討されている。ただし過酷事故後の原子力発電所ではγ線の強度が高く、中性子線の強度は低い。例えば、数百Ｇｙ／ｈのγ線環境下において数個／ｃｍ^２／秒程度の中性子を検出することが求められている。

【0004】

γ線環境下で使用できる技術には、例えば特許文献１が挙げられる。特許文献１では、透明な樹脂中に蛍光体を分散させ、樹脂の中に波長シフトファイバを貫通させて、波長シフトファイバから導波用光ファイバに光を伝達する中性子シンチレータが提案されている。そして特許文献１では、波長シフトファイバを樹脂組成物に内包せしめ、且つ、波長シフトファイバを樹脂組成物の外壁面に対して特定の位置に配置することにより、良好なｎ／γ弁別能が得られると説明している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１６−００３８５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

中性子検出器に求められる重要な特性として、中性子検出効率及び中性子とγ線との弁別能（以下、ｎ／γ弁別能ともいう）が挙げられる。中性子検出効率とは、検出器に入射した中性子の数に対する検出器でカウントした中性子の数の比である。検出効率が低い場合には、計測される中性子の絶対数が少なくなり、計測精度が低下する。また、γ線が存在する環境下において中性子を測定する場合には、ｎ／γ弁別能が低く、γ線を中性子として計数してしまうと中性子計数精度が低下する。

【0007】

特に、燃料デブリ調査で想定される数百Ｇｙ／ｈの高γ線環境下では、パイルアップ（γ線による信号の飽和状態）により、中性子の信号が埋没してしまう。

【0008】

図６は従来技術について説明する図である。中性子シンチレータ３００は波長シフトファイバ３０６を内包しており、光ファイバ１１０によって測定用のコンピュータ３１０に光を伝達する。中性子シンチレータ３００においては、中性子およびγ線によって蛍光が発せられる。しかしながら、波長シフトファイバ３０６自体も蛍光体であるため、γ線によって発光する。さらに導波用の光ファイバ１１０も、γ線が照射されることによってチェレンコフ光を生じる。

【0009】

そこで本発明は、γ線による波長シフトファイバ内での蛍光や光ファイバ内のチェレンコフ光に起因する信号によって中性子の信号が埋没してしまうことを抑え、ｎ／γ弁別能を高めることが可能な中性子検出器を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決すべく発明者らが検討したところ、γ線による波長シフトファイバ内での蛍光や光ファイバ内のチェレンコフ光は、波高値が低いだけでなく、二次電子が波長シフトファイバまたは光ファイバ内を通過する時間に限られることからパルスの応答時間が短いことがわかった。具体的には、γ線による波長シフトファイバ内での蛍光はナノ秒オーダーであり、γ線による光ファイバ内のチェレンコフ光はピコ秒オーダーであることが分かった。一方、中性子シンチレータに適用される蛍光体が発する蛍光の減衰時間は、数十ナノ秒以上であり、さらに一部の蛍光体による蛍光の減衰時間はμ秒オーダーである。そして、このパルスの応答時間を利用して上記のγ線による信号を除去できないか検討し、本発明を完成するに至った。

【0011】

そこで本発明にかかる中性子検出器の代表的な構成は、中性子で蛍光する蛍光体を含む中性子シンチレータと、蛍光体が発する光を伝達する光ファイバと、光を電気パルスに変換する光電子増倍管と、電気パルスから、蛍光体が発する蛍光に起因するパルスを通過させ、かつ、ガンマ線に起因する高周波のパルスを低減させるローパスフィルタとを備えたことを特徴とする。

【0012】

上記構成によれば、中性子シンチレータに起因する電気パルスを残しつつ、γ線による波長シフトファイバの蛍光や光ファイバのチェレンコフ光に起因する高周波のパルスを低減させることができるため、ｎ／γ弁別能を飛躍的に向上させることが可能となった。

【0013】

ローパスフィルタの遮断周波数は１ＭＨｚ以上１０ＭＨｚ以下であってもよい。一部の蛍光体に起因する電気パルスの応答時間はμ秒オーダーである一方、γ線による波長シフトファイバの蛍光に起因する電気パルスはナノ秒オーダーであり、γ線による光ファイバのチェレンコフ光に起因する電気パルスはピコ秒オーダーである。したがって上記の遮断周波数とすることにより、中性子シンチレータ以外の発光、すなわちγ線による波長シフトファイバの蛍光や光ファイバのチェレンコフ光に起因する電気パルスを確実に低減させることができる。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、γ線による波長シフトファイバの蛍光や光ファイバのチェレンコフ光に起因する高周波のパルスを低減させることができ、ｎ／γ弁別能を飛躍的に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本実施形態にかかる中性子検出器を説明する図である。

【図2】中性子シンチレータを説明する図である。

【図3】フィルタ回路を説明する図である。

【図4】フィルタ回路の有無を比較した波形を示す図である。

【図5】波高分析器における波高分布スペクトルを示す図である。

【図6】従来技術について説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示または説明を省略する。

【0017】

図１は本実施形態にかかる中性子検出器を説明する図である。図１には、中性子検出器１００の全体構成を示している。中性子検出器１００は、光ファイバ１１０の先端に上記の中性子シンチレータ３００を取り付けて、光電子増倍管１２０に蛍光を導く。光電子増倍管１２０は、ＰＭＴ（photomultiplier tube）と呼ばれる場合もある。光電子増倍管１２０では光を電気信号に変換し、フィルタ回路１３０によって電気パルスにあらかじめ処理を行ってから、波高分析器１４０において波高値とカウント値を取得して中性子感度を評価する。

【0018】

図２は中性子シンチレータ３００を説明する図である。中性子シンチレータ３００は、特許文献１（特開２０１６−００３８５４号公報）に記載された中性子シンチレータと同様である。中性子シンチレータ３００は、長尺の直方体の樹脂組成物３０２の中に蛍光体３０４の粒子を分散させて、樹脂組成物３０２の中に波長シフトファイバ３０６を貫通させておき、導波用の光ファイバ１１０を接続している。

【0019】

樹脂組成物３０２は、蛍光体３０４から発せられた蛍光を光ファイバ１１０へ効率よく導くために、透明体とすることが好ましい。具体的には、蛍光体の発光波長における該樹脂の内部透過率が８０％／ｃｍ以上であることが好ましく、９０％／ｃｍ以上であることが特に好ましい。かかる樹脂を具体的に例示すれば、シリコーン樹脂、フッ素樹脂等があげられる。ポリ（メタ）アクリレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリビニルトルエン、及びポリビニルアルコール等があげられる。また屈折率や強度等を調整する目的で、複数の樹脂を混合して用いてもよい。

【0020】

蛍光体３０４には、中性子に反応する無機蛍光体を使用する。蛍光体は、中性子捕獲同位体を含有し且つ蛍光を発する無機物からなる粒子であって、該無機物自体が一つの化学物質として把握されるものである。具体的には、リチウム６及びホウ素１０から選ばれる少なくとも１種の中性子捕獲同位体を含有する蛍光体を使用することができる。

【0021】

本発明において、好適に用いられる蛍光体の形状を具体的に例示すれば、平板状、角柱状、円柱状、球状、或いは不定形の粒子形態であって、等比表面積球相当径が５０〜１５００μｍ、特に好ましくは１００〜１０００μｍである形状が挙げられる。

【0022】

蛍光体３０４の組成については特に制限されず、従来公知の蛍光体を粒子状としたものを用いることができる。具体的なものを例示すれば、Ｅｕを添加した（以下、Ｅｕ：と表す。）ＬｉＣａＡｌＦ_６、Ｅｕ及びＮａを添加した（以下、Ｅｕ，Ｎａ：と表す。）ＬｉＣａＡｌＦ_６、Ｅｕ：ＬｉＳｒＡｌＦ_６、Ｃｅを添加した（以下、Ｃｅ：と表す。）ＬｉＣａＡｌＦ_６、Ｃｅ及びＮａを添加した（以下、Ｃｅ，Ｎａ：と表す。）ＬｉＣａＡｌＦ_６、Ｃｅ：ＬｉＳｒＡｌＦ_６、Ｃｅ：ＬｉＹＦ_４、Ｅｕ：ＬｉＩ、Ｃｅ：Ｌｉ_６Ｇｄ（ＢＯ_３）_３、Ｃｅ：ＬｉＣｓ_２ＹＣｌ_６、Ｃｅ：ＬｉＣｓ_２ＹＢｒ_６、Ｃｅ：ＬｉＣｓ_２ＬａＣｌ_６、Ｃｅ：ＬｉＣｓ_２ＬａＢｒ_６、Ｃｅ：ＬｉＣｓ_２ＣｅＣｌ_６、Ｃｅ：ＬｉＲｂ_２ＬａＢｒ_６等の結晶からなる蛍光体、及び、Ｌｉ_２Ｏ−ＭｇＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ｃｅ_２Ｏ_３系のガラスからなる蛍光体等が挙げられる。

【0023】

また、蛍光体３０４としては、中性子に反応するコンバーターであるＬｉＦと中性子に反応しない蛍光体であるＥｕ：ＣａＦ_２を組み合わせて用いることもできる。なお、該蛍光体はＬｉＦの結晶層とＥｕ：ＣａＦ_２の結晶相がμｍオーダーで積層した多層構造を有する共晶体と呼ばれる材料である。以下、該蛍光体をＬｉＦ−Ｅｕ：ＣａＦ_２と表す。

【0024】

これらの蛍光体の反応により発せられる蛍光は、その減衰時間が数十ナノ秒以上であるため、γ線による波長シフトファイバの蛍光や光ファイバのチェレンコフ光に起因するナノ秒オーダー以下の電気パルスとの分別が可能となる。

【0025】

特に、上記のうち、ＬｉＦ−Ｅｕ：ＣａＦ_２、Ｅｕ：ＬｉＣａＡｌＦ_６、Ｅｕ，Ｎａ：ＬｉＣａＡｌＦ_６、Ｅｕ：ＬｉＳｒＡｌＦ_６及びＥｕ：ＬｉＩについては、発せられる蛍光に起因する電気パルスの応答時間（蛍光の減衰時間）はμ秒オーダーである。具体的には、ＬｉＦ−Ｅｕ：ＣａＦ_２については０．７μ秒（１．４３ＭＨｚに相当）であり、Ｅｕ：ＬｉＣａＡｌＦ_６、Ｅｕ，Ｎａ：ＬｉＣａＡｌＦ_６及びＥｕ：ＬｉＳｒＡｌＦ_６については１．６μ秒（０．６３ＭＨｚに相当）であり、Ｅｕ：ＬｉＩについては１．４μ秒（０．７１ＭＨｚに相当）である。

【0026】

波長シフトファイバ３０６は、蛍光体３０４からの発光を光ファイバ１１０へ導くためのライトガイドとして作用する。蛍光体３０４から発せられた光が波長シフトファイバ３０６に到達すると、波長シフトファイバ３０６が蛍光体の発光を吸収し、もとの波長とは異なる波長で再発光する。再発光した光の一部は波長シフトファイバ３０６の内部を全反射しながら伝搬し、光ファイバ１１０に伝搬される。波長シフトファイバ３０６の材質は特に制限されないが、シリコーン樹脂、フッ素化シリコーン樹脂、フェニルシリコーン樹脂及びフッ素樹脂が好適に使用できる。

【0027】

図３はフィルタ回路１３０を説明する図である。フィルタ回路１３０は、ハイパスフィルタ１３４、ローパスフィルタ１３６から構成されている。

【0028】

ハイパスフィルタ１３４では、低周波ノイズをカットする。ここでは１ＫＨｚ以下（応答時間１ｍｓｅｃ）の電気パルスを除去する。ハイパスフィルタ１３４の具体的な回路は既知のものでよく、図３ではパッシブ回路であるＣＲ回路を用いている。

【0029】

ローパスフィルタ１３６では、高周波ノイズをカットする。ここで発明者らの知見によれば、中性子シンチレータ３００に起因する電気パルスの応答時間は数十ナノ秒以上（数十ＭＨｚ以下）であり，さらに一部の蛍光体に起因する電気パルスの応答時間はμ秒オーダー（ＭＨｚ）である。一方、γ線による波長シフトファイバ３０６の蛍光に起因する電気パルスの応答時間はナノ秒オーダー（ＧＨｚ）の高周波パルスであり、γ線による光ファイバ１１０のチェレンコフ光に起因する電気パルスの応答時間はピコ秒オーダー（ＴＨｚ）の高周波パルスである。そこで、ローパスフィルタ１３６の遮断周波数は、蛍光体が発する蛍光に起因するパルスを通過させ、上記のようにγ線に起因する高周波（ＧＨｚ、ＴＨｚ）のパルスをカット（低減）できるように、例えば１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲で、使用する蛍光体３０４の蛍光の減衰時間に合わせて選択することができる。特に、μ秒オーダーの減衰時間の蛍光を発する蛍光体３０４を中性子シンチレータ３００に適用し、ローパスフィルタ１３６の遮断周波数を１ＭＨｚ以上１０ＭＨｚ以下とすることにより、より確実に、中性子シンチレータ３００に起因する電気パルスを通過させながら、γ線による波長シフトファイバ３０６の蛍光や光ファイバ１１０のチェレンコフ光に起因する電気パルスをカットする（低減させる）ことができる。

【0030】

ローパスフィルタ１３６の具体的な回路は既知のものでよく、図３ではパッシブ回路であるＲＣ回路を用いている。ただし、トランジスタやオペアンプを使用したアクティブ回路であってもよい。アクティブ回路であれば周波数特性を調整したり、電源に起因するハムノイズを除去したりすることができる。

【0031】

図４は試験装置および試験結果を示す図である。図４（ａ）に示す試験装置１０２では光ファイバ１１０の先端に中性子シンチレータ３００を備えておらず、光ファイバ１１０にγ線を照射する。ローパスフィルタ１３６の遮断周波数は１．１ＭＨｚである。

【0032】

図４（ｂ）はフィルタ回路１３０の前後をオシロスコープ１５０で測定し、パルス信号に対してフィルタ回路１３０の前後の電圧降下を測定した波形を示す図である。画面の上半分にある［１］がフィルタ回路１３０の下流の波形、画面の下半分にある［２］がフィルタ回路１３０の上流の波形である。

【0033】

画面の左下に表示されているレンジ（破線で囲ってある部分）からわかるように、フィルタ回路の下流［１］の波形の表示スケールは１０．０ｍＶであり、フィルタ回路の上流［２］の波形の表示スケールは５００ｍＶである。このことから、画面中央のγ線に起因する電気パルスのピークが１／５０に低減されていることがわかる。

【0034】

図５は、波高分析器１４０における波高分布スペクトルを示す図である。図５（ａ）はγ線を１００Ｇｙ／ｈの場合のスペクトル、図５（ｂ）はγ線を１０００Ｇｙ／ｈとした場合のスペクトルである。

【0035】

まず図５（ａ）を参照すると、フィルタ回路なしの場合に比較して、フィルタ回路ありの場合には電気パルスの波高を抑えられていることがわかる。

【0036】

次に図５（ａ）と図５（ｂ）を比較すると、フィルタ回路なしの場合の波高値は３倍弱ほどもあるのに対し（１カウント／１８０秒となる波高値について２５０ｃｈ程度に対して６００ｃｈ程度）、フィルタありの場合にはほぼ同程度（１カウント／１８０秒となる波高値について１２０ｃｈ程度に対して１６０ｃｈ程度）となっている。このことから、γ線が強い環境下でも十分にγ線に起因する電気パルスを低減できることがわかる。

【0037】

上記説明したように、本発明の構成によれば、中性子シンチレータに起因する電気パルスを残しつつ、γ線に起因する高周波のパルスを低減させることができるため、ｎ／γ弁別能を飛躍的に向上させることが可能である。

【0038】

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【産業上の利用可能性】

【0039】

本発明は、中性子シンチレータを用いる中性子検出器として利用することができる。

【符号の説明】

【0040】

１００…中性子検出器、１０２…試験装置、１１０…光ファイバ、１２０…光電子増倍管、１３０…フィルタ回路、１３４…ハイパスフィルタ、１３６…ローパスフィルタ、１４０…波高分析器、１５０…オシロスコープ、３００…中性子シンチレータ、３０２…樹脂組成物、３０４…蛍光体、３０６…波長変換ファイバ、３１０…コンピュータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】