特開 2024-58231 放射線測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024058231

(43)【公開日】2024-04-25

(54)【発明の名称】放射線測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01T 3/08 20060101AFI20240418BHJP

   G01T 1/167 20060101ALI20240418BHJP

   G01T 3/00 20060101ALI20240418BHJP

   G01T 1/24 20060101ALI20240418BHJP

【ＦＩ】

G01T3/08

G01T1/167 C

G01T1/167 H

G01T3/00 E

G01T1/24

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022165459

(22)【出願日】2022-10-14

(71)【出願人】

【識別番号】507250427

【氏名又は名称】日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】吉原 有里

(72)【発明者】

【氏名】名雲 靖

(72)【発明者】

【氏名】上野 克宜

(72)【発明者】

【氏名】岡田 聡

(72)【発明者】

【氏名】岩佐 淳司

【テーマコード（参考）】

2G188

【Ｆターム（参考）】

2G188AA21

2G188AA23

2G188BB04

2G188BB09

2G188BB18

2G188CC28

2G188CC29

2G188DD04

2G188DD05

2G188DD09

2G188DD30

2G188EE02

2G188EE14

2G188EE25

2G188EE28

2G188EE29

2G188FF02

2G188FF20

(57)【要約】

【課題】本発明は、高速中性子の飛来方向を推定できる、軽量で小型の放射線測定装置を提供する。
【解決手段】本発明による放射線測定装置１０００は、放射線を検出する半導体センサ１００と、半導体センサ１００に配置された複数の表面電極１０２と、半導体センサ１００に配置された１つ又は複数の裏面電極１０５と、バイアス電圧を印加して半導体センサ１００の内部に有感層１０８を形成するバイアス電圧調整部１０１と、裏面電極１０５に設けられて中性子を反跳陽子に変換する高速中性子ラジエータ１０６と、バイアス電圧を変化させて有感層１０８の厚さを変化させる制御部１０４を備える。有感層１０８は、放射線としてガンマ線と反跳陽子を検出可能である。表面電極１０２は、有感層１０８が検出した放射線を検出する。制御部１０４は、バイアス電圧を増加させていったときの、表面電極１０２における放射線の検出量に基づき、中性子の飛来方向を推定する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

放射線を検出する半導体センサと、
前記半導体センサの１つの面に配置された複数の表面電極と、
前記半導体センサの、前記表面電極に対向する面に配置された１つ又は複数の裏面電極と、
前記表面電極と前記裏面電極との間にバイアス電圧を印加して、前記半導体センサの内部に有感層を形成するバイアス電圧調整部と、
前記裏面電極の一部に設けられており、測定対象物から飛来した中性子を反跳陽子に変換する高速中性子ラジエータと、
前記バイアス電圧を変化させて前記有感層の厚さを変化させる制御部と、
を備え、
前記有感層は、放射線として、ガンマ線と、前記高速中性子ラジエータにより変換された前記反跳陽子を検出可能であり、
前記表面電極は、前記半導体センサが検出した放射線として、前記有感層が検出した放射線を検出し、
前記制御部は、前記バイアス電圧を増加させていったときの、前記表面電極における放射線の検出量に基づき、前記中性子の飛来方向を推定する、
ことを特徴とする放射線測定装置。

【請求項2】

前記制御部は、前記バイアス電圧を増加させていったときの、前記表面電極における放射線の検出量の増加率の変化に基づき、前記中性子の飛来方向を推定する、
請求項１に記載の放射線測定装置。

【請求項3】

前記制御部は、前記バイアス電圧を増加させていったときに、複数の前記表面電極のうち、放射線の検出量の増加率の増加を最初に検出した前記表面電極の位置に基づき、前記中性子の飛来方向を推定する、
請求項１に記載の放射線測定装置。

【請求項4】

前記制御部は、前記バイアス電圧を増加させていったときに、放射線の検出量の増加率の増加を最初に検出した前記表面電極の位置と、前記高速中性子ラジエータの位置とを結ぶ方向に沿って、前記中性子が飛来したと推定する、
請求項３に記載の放射線測定装置。

【請求項5】

前記制御部は、前記バイアス電圧を増加させていったときに、放射線の検出量の増加率の増加を最初に検出した前記表面電極の位置を基にして、前記反跳陽子の分布を推定し、前記反跳陽子の分布に基づいて、前記中性子の飛来方向を推定する、
請求項３に記載の放射線測定装置。

【請求項6】

前記制御部は、前記バイアス電圧を増加させていったときの、前記バイアス電圧に線形比例する放射線の検出量を、前記測定対象物からのガンマ線又はバックグラウンドとして存在するガンマ線の検出量とし、全ての放射線の検出量からガンマ線の検出量を引いた量を、前記中性子の検出量とする、
請求項１に記載の放射線測定装置。

【請求項7】

複数の前記表面電極は、前記半導体センサに２次元アレイ状に配置されている、
請求項１に記載の放射線測定装置。

【請求項8】

複数の前記裏面電極が備えられ、
複数の前記裏面電極は、前記半導体センサに２次元アレイ状に配置されている、
請求項１に記載の放射線測定装置。

【請求項9】

前記半導体センサの厚さは、前記高速中性子ラジエータにより変換された前記反跳陽子の飛程よりも大きい、
請求項１に記載の放射線測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、放射線を測定する装置に関する。

【背景技術】

【0002】

放射線測定装置は、放射線源の位置やその放射能を特定するのに用いられる。従来の放射線測定装置の例は、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された放射線計測装置は、γ線を絞ると共に中性子の入射を許容する筒体を有するγ線コリメータと、熱中性子に有感な中性子コンバータを有しかつγ線と熱中性子が付与するエネルギーを測定する放射線検出器と、γ線コリメータ以外の部位を覆うように設けられたγ線遮蔽体と、γ線コリメータ以外の部位を覆うように設けられた中性子吸収材と、筒体の内部に充填された中性子減速材を備え、放射性物質を含む使用済み核燃料などの測定対象物の存在位置を測定する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１８－２０５０７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

放射線測定装置は、放射線源の位置、例えば高速中性子を放出する核燃料の位置を特定するのに用いられ、狭い測定環境で使用されたり、高線量率下などで遠隔操作されるロボットに搭載されたりすることがある。

【0005】

特許文献１に記載された放射線計測装置などの従来の放射線測定装置では、放射線源の位置を特定するために、放射線に対するコリメータ、遮蔽材、吸収材、及び減速材などの部材を備えて放射線検出器に対する放射線の入射方向を限定する。このため、従来の放射線測定装置は、重量と大きさが大きく、狭い測定環境で使用したり、遠隔操作されるロボットに搭載したりするのが困難である。このため、軽量かつ小型であって、高速中性子の飛来方向を推定できる放射線測定装置が望まれている。

【0006】

本発明の目的は、高速中性子の飛来方向を推定できる、軽量で小型の放射線測定装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明による放射線測定装置は、放射線を検出する半導体センサと、前記半導体センサの１つの面に配置された複数の表面電極と、前記半導体センサの、前記表面電極に対向する面に配置された１つ又は複数の裏面電極と、前記表面電極と前記裏面電極との間にバイアス電圧を印加して、前記半導体センサの内部に有感層を形成するバイアス電圧調整部と、前記裏面電極の一部に設けられており、測定対象物から飛来した中性子を反跳陽子に変換する高速中性子ラジエータと、前記バイアス電圧を変化させて前記有感層の厚さを変化させる制御部とを備える。前記有感層は、放射線として、ガンマ線と、前記高速中性子ラジエータにより変換された前記反跳陽子を検出可能である。前記表面電極は、前記半導体センサが検出した放射線として、前記有感層が検出した放射線を検出する。前記制御部は、前記バイアス電圧を増加させていったときの、前記表面電極における放射線の検出量に基づき、前記中性子の飛来方向を推定する。

【発明の効果】

【0008】

本発明によると、高速中性子の飛来方向を推定できる、軽量で小型の放射線測定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施例による放射線測定装置の構成例を示す図である。

【図2】制御部が行う処理の例を説明するフローチャートである。

【図3A】半導体センサについて、高速中性子の飛来方向と反跳陽子の分布を説明する図であり、半導体センサの裏面に対して垂直に高速中性子が飛来してきた場合を示す図である。

【図3B】半導体センサについて、高速中性子の飛来方向と反跳陽子の分布を説明する図であり、半導体センサの裏面に対して斜めに高速中性子が飛来してきた場合を示す図である。

【図4A】放射線をガンマ線と高速中性子に識別し、高速中性子の飛来方向を推定する方法を説明する図であり、図３Ａに示した方向に沿って高速中性子が飛来した場合における、バイアス電圧の増加に対する放射線の検出量の変化を示す図である。

【図4B】放射線をガンマ線と高速中性子に識別し、高速中性子の飛来方向を推定する方法を説明する図であり、図３Ｂに示した方向に沿って高速中性子が飛来した場合における、バイアス電圧の増加に対する放射線の検出量の変化を示す図である。

【図5A】測定対象物の任意の位置に、核燃料由来の高速中性子源が点源のように局所的に存在する場合の、放射線測定装置の運用方法の例を示す図である。

【図5B】測定対象物の任意の複数の位置に、核燃料由来の高速中性子源がランダムに分布して存在する場合の、放射線測定装置の運用方法の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明による放射線測定装置は、半導体センサと、半導体センサに配置された複数の表面電極を備え、高速中性子の飛来方向（すなわち、放射線検出器に対する高速中性子の入射方向）を推定することができ、高速中性子を放出する放射線源の位置、例えば、核燃料の位置を特定することができる。高速中性子の飛来方向は、半導体センサに印加されるバイアス電圧を増加させていったときの、表面電極における放射線の検出量に基づいて、例えば、放射線の検出量の増加率の変化や、放射線の検出量の増加率の増加を最初に検出した表面電極の位置に基づいて推定することができる。

【0011】

本発明による放射線測定装置は、放射線に対するコリメータ、遮蔽材、吸収材、及び減速材などの部材を備えないので、軽量かつ小型である。このため、狭い測定環境で使用したり、遠隔操作されるロボットに搭載したりすることができ、線量率が高い測定環境においても、放射線源の位置を推定することができる。

【0012】

以下、本発明の実施例による放射線測定装置を、図面を用いて説明する。

【実施例0013】

図１は、本実施例による放射線測定装置１０００の構成例を示す図である。放射線測定装置１０００は、半導体センサ１００、表面電極１０２、裏面電極１０５、高速中性子ラジエータ１０６、バイアス電圧調整部１０１、有感層１０８、不感層１０９、信号処理回路１０３、及び制御部１０４を備え、放射線１０７を測定する。放射線１０７は、例えば、測定対象物１１０から放出された高速中性子とガンマ線であり、バックグラウンドとして存在するガンマ線を含めることができる。

【0014】

半導体センサ１００は、半導体を利用した放射線検出器であり、放射線を検出する。半導体には、例えば、シリコン、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、及びテルル化亜鉛カドミウム（ＣＺＴ、ＣｄＺｎＴｅ）等を用いることができる。半導体センサ１００の半導体は、ｎ型であってもｐ型であってもよい。半導体センサ１００は、例えば薄膜状であり、図１の紙面に垂直な２つの面（表面と裏面）を持ち、これらの面の間の距離（図１の上下方向の長さ）が厚さである。

【0015】

表面電極１０２は、半導体センサ１００の１つの面（表面）に２次元アレイ状に配置された複数の電極である。すなわち、半導体センサ１００の表面には、２方向に複数の表面電極１０２が並んでいる。図１には、一例として、２方向のそれぞれに３個の表面電極１０２が設置された構成を示している。なお、図１では、１方向の３個の表面電極１０２のみを示している。

【0016】

表面電極１０２には、半導体センサ１００の内部で生成された電荷によって生じた誘導電流が流れる。半導体センサ１００の内部では、半導体センサ１００に入射した放射線（後述する高速中性子ラジエータ１０６により変換された反跳陽子も含む）の作用によって、有感層１０８に電荷が生成される。表面電極１０２には、有感層１０８内の電荷の移動により、誘導電流が生じる。表面電極１０２は、この誘導電流により、有感層１０８が検出した放射線を電気信号として検出する。表面電極１０２に流れる誘導電流の電荷量は、半導体センサ１００の放射線の検出量を表す。すなわち、表面電極１０２は、半導体センサ１００が検出した放射線として、有感層１０８が検出した放射線を検出する。

【0017】

裏面電極１０５は、半導体センサ１００の、表面電極１０２に対向する面（裏面）に配置された１つ又は複数の電極である。図１には、一例として、半導体センサ１００の裏面の全体に、１つの裏面電極１０５を備える放射線測定装置１０００を示している。放射線測定装置１０００が複数の裏面電極１０５を備える場合には、裏面電極１０５は、２次元アレイ状に配置された複数の電極であるのが好ましい。

【0018】

表面電極１０２は、２次元アレイ状に配置されているが、２方向のそれぞれに少なくとも３個配置されているのが好ましい。放射線測定装置１０００は、表面電極１０２が２方向のそれぞれに３個ずつ配置されていると、高速中性子（すなわち、反跳陽子）の飛来方向を９方向の分解能で推定できる。１方向あたりの表面電極１０２の数が多いほど、より細かい分解能で高速中性子（反跳陽子）の飛来方向を推定できる。

【0019】

また、高速中性子の飛来方向を表面電極１０２の水平方向（半導体センサ１００の表面に平行な方向）における１方向について推定する場合には、表面電極１０２は、１方向に複数が並んだ１次元アレイ状であって、１方向に３個以上配置されているのが好ましい。

【0020】

また、高速中性子の飛来方向を表面電極１０２の垂直方向（半導体センサ１００の表面又は裏面に垂直な方向）について推定する場合には、表面電極１０２と裏面電極１０５は、２次元アレイ状で２方向のそれぞれに３個以上配置されているのが好ましい。表面電極１０２と裏面電極１０５が２次元アレイ状に配置されていることで、高速中性子の飛来方向を、表面電極１０２の垂直方向について求めることができる。

【0021】

なお、放射線測定装置１０００は、図１において表面電極１０２と裏面電極１０５の位置が入れ替わっていてもよい。また、表面電極１０２と裏面電極１０５は、半導体センサ１００の半導体がｎ型であるかｐ型であるかに依らず、正負どちらの電圧が印加されてもよい。

【0022】

高速中性子ラジエータ１０６は、高速中性子を反跳陽子に変換する部材であり、任意の素材で構成することができる。高速中性子は、散乱により反跳陽子に変換される。このため、高速中性子ラジエータ１０６は、散乱が起こりやすいように、中性子と同じような質量を持つ水素原子を多く含む物質、例えばポリエチレン等の素材で構成されるのが好ましい。

【0023】

高速中性子ラジエータ１０６は、反跳陽子が生成される位置、すなわち反跳陽子が有感層１０８に飛来してくる方向を制限するために、裏面電極１０５又は表面電極１０２に対して局所的に配置されている必要がある。本実施例では、高速中性子ラジエータ１０６は、裏面電極１０５の一部に設けられている。

【0024】

バイアス電圧調整部１０１は、表面電極１０２と裏面電極１０５に電気的に接続しており、表面電極１０２と裏面電極１０５との間に電圧を印加して、半導体センサ１００の内部に有感層１０８と不感層１０９を形成する。表面電極１０２と裏面電極１０５との間に印加される電圧は、半導体センサ１００に印加されるバイアス電圧である。バイアス電圧調整部１０１は、制御部１０４に制御されてバイアス電圧を変化させる。

【0025】

有感層１０８は、半導体センサ１００の内部において、バイアス電圧により形成された空乏層であり、放射線を検出可能な領域である。有感層１０８が放射線を検出すると、検出された信号は、有感層１０８から表面電極１０２を介して信号処理回路１０３に届く。本実施例では、有感層１０８は、放射線として、ガンマ線と、高速中性子ラジエータ１０６により高速中性子から変換された反跳陽子のみを検出可能である。

【0026】

バイアス電圧は、有感層１０８の厚さＬを決定する。有感層１０８の厚さＬは、表面電極１０２と裏面電極１０５を結ぶ方向（図１の上下方向）の、有感層１０８の長さである。有感層１０８の厚さＬは、バイアス電圧に線形比例すると考えることができる。すなわち、バイアス電圧を０Ｖからバイアス電圧最大値まで変化させると、有感層１０８の厚さＬは、線形的に増加する。

【0027】

半導体センサ１００の全ての領域が有感層１０８となるバイアス電圧の値を、バイアス電圧最大値と呼ぶ。バイアス電圧最大値は、高速中性子の飛来方向を推定する前に求めておく。バイアス電圧最大値は、バイアス電圧を増加させながら半導体センサ１００のキャパシタンスを測定したときに、半導体センサ１００のキャパシタンスが飽和したときのバイアス電圧の値として求めることができる。又は、バイアス電圧最大値は、バイアス電圧を増加させながら半導体センサ１００にガンマ線を照射したときに、半導体センサ１００のガンマ線の検出量が飽和したときのバイアス電圧の値として求めることができる。

【0028】

高速中性子の飛来方向を推定するときには、バイアス電圧を変化させる。このバイアス電圧の変化は、バイアス電圧を０Ｖからバイアス電圧最大値まで増加させても、バイアス電圧をバイアス電圧最大値から０Ｖまで減少させてもよい。例えば、複数の測定対象物１１０について高速中性子の飛来方向を推定する場合には、バイアス電圧の増加と減少を交互に繰り返すことで、短時間で放射線を測定することができる。

【0029】

不感層１０９は、半導体センサ１００の内部において、バイアス電圧により形成された空乏層以外の層であり、放射線を検出しない領域である。半導体センサ１００が放射線を検出しても、不感層１０９からの信号は、信号処理回路１０３に届かない。

【0030】

信号処理回路１０３は、前置増幅器、波形整形器、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器、及びField Programmable Gate Array（ＦＰＧＡ）等を備え、表面電極１０２のそれぞれと電気的に接続している。信号処理回路１０３は、一定時間ごとに全ての表面電極１０２について、放射線の検出量をデジタル信号として読み出すことができる。

【0031】

半導体センサ１００で検出された放射線（本実施例では、ガンマ線や、高速中性子ラジエータ１０６により高速中性子から変換された反跳陽子）は、有感層１０８を通る際に荷電粒子（電荷）を生成する。半導体センサ１００では、バイアス電圧により形成された電場空間が荷電粒子の移動により歪むので、荷電粒子の軌跡に最も近い表面電極１０２に誘導電流が生じる。信号処理回路１０３には、表面電極１０２に生じた誘導電流が電気信号として伝達される。この電気信号は、各検出位置にて荷電粒子が失ったエネルギーに対応する電荷、すなわち表面電極１０２に流れる誘導電流の電荷量を表す。

【0032】

前置増幅器は、この電気信号が微弱であることから、必要に応じて電荷から電圧に変換するとともに大きさを増幅する。

【0033】

電圧に変換された電気信号の波高値は、各検出位置にて荷電粒子が失ったエネルギーに相当する。波形整形器が電気信号の波形を整形した後、Ａ／Ｄ変換器は、波高値をデジタル信号として変換する。ＦＰＧＡは、このデジタル信号を各表面電極１０２における半導体センサ１００の検出量として制御部１０４に伝達する。従って、半導体センサ１００の放射線の検出量は、表面電極１０２に流れる誘導電流の電荷量である。

【0034】

なお、信号処理回路１０３は、半導体センサ１００がCharge Coupled Device（ＣＣＤ）又はComplementary Metal Oxide Semiconductor（ＣＭＯＳ）イメージセンサで構成されている場合でも、荷電粒子がエネルギーを失いながら通った経路に対して、失ったエネルギーと通った位置を検出し、これらをデジタル信号に変換する機能を有する回路構成を備える。

【0035】

制御部１０４は、放射線測定装置１０００を制御するとともに、信号処理回路１０３が得た電気信号のデータを処理する。例えば、制御部１０４は、バイアス電圧調整部１０１を制御してバイアス電圧を変化させて、有感層１０８の厚さＬを変化させる。また、制御部１０４は、それぞれの表面電極１０２における半導体センサ１００の検出量をデジタル信号として受け取り、このデジタル信号を用いて、半導体センサ１００が検出した放射線をガンマ線と高速中性子に識別し、高速中性子の飛来方向を推定する。また、制御部１０４は、放射線の検出量を計数率と空間線量率に換算する。

【0036】

測定対象物１１０は、高速中性子を放出する物体である。測定対象物１１０は、高速中性子だけでなくガンマ線を放出する物体でもよい。高速中性子は、任意の核種から放出されてよい。例えば、測定対象物１１０は、核燃料物質であり、核燃料由来の核種であるＣｍ－２４４と、ガンマ線を放出する核種Ｃｏ－６０、Ｃｓ－１３７、Ｃｓ－１３４等を含む物体である。

【0037】

測定対象物１１０に含まれる核種は、測定対象物１１０の中で任意の位置に存在することができ、測定対象物１１０の中で局所的に存在していても全体的に分布して存在していてもよい。また、測定対象物１１０に複数の核種が含まれる場合には、これらの核種が混在していても混在していなくてもよい。

【0038】

また、本実施例による放射線測定装置１０００は、ガンマ線がバックグラウンドとして存在する環境でも使用することができる。すなわち、本実施例による放射線測定装置１０００は、測定対象物１１０がガンマ線を放出しなくても、バックグラウンドとして存在するガンマ線を測定することができる。なお、バックグラウンドに存在するガンマ線は、測定から排除してもよい。また、バックグラウンドに存在する熱中性子は、測定から排除できる。さらに、排除しきれないほど多くのガンマ線や熱中性子がバックグラウンドに存在する場合には、適宜適切な遮蔽材を用いて半導体センサ１００に入射する放射線量を低減するものとする。

【0039】

図２は、制御部１０４が行う処理の例を説明するフローチャートである。図２には、制御部１０４が、半導体センサ１００が検出した放射線をガンマ線と高速中性子に識別し、高速中性子の飛来方向を推定し、放射線の検出量を計数率と空間線量率に換算する処理のフローチャートを示している。

【0040】

処理２００では、制御部１０４は、半導体センサ１００の放射線の検出量から計数率と空間線量率への換算式を生成する。処理２００は、放射線測定装置１０００での測定を実施する前に行う。この換算式は、既に知られている方法を用いて生成することができる。以下では、この換算式の生成方法の例を説明する。

【0041】

初めに、半導体センサ１００の全ての領域が有感層１０８となるバイアス電圧を表面電極１０２と裏面電極１０５との間に印加した状態で、測定環境中に存在すると予想される放射線を半導体センサ１００に照射する。放射線源の放射能の値は、既知である。次に、各表面電極１０２の検出感度が互いに等しくなるように、各表面電極１０２の検出感度を補正する。例えば、各表面電極１０２の検出感度に係数をかけて検出感度を補正する。そして、放射線源と半導体センサ１００との距離を変えて半導体センサ１００の検出量を測定又はモンテカルロシミュレーション等で計算し、この測定又は計算の結果を基にして、半導体センサ１００の放射線の検出量から計数率と空間線量率への換算式を生成する。

【0042】

処理２０１以降の処理は、測定対象物１１０に対して放射線測定装置１０００を十分に接近させてから行う処理である。

【0043】

処理２０１では、制御部１０４は、半導体センサ１００が検出した放射線をガンマ線と高速中性子に識別する。制御部１０４は、バイアス電圧調整部１０１がバイアス電圧を変化させることで、有感層１０８の厚さＬを変更することができる。以下に説明するように、半導体センサ１００のガンマ線の検出量は、有感層１０８の厚さＬに線形比例する。そこで、制御部１０４は、半導体センサ１００の全ての放射線の検出量のうち、有感層１０８の厚さＬに線形比例する量をガンマ線の検出量とし、全ての放射線の検出量からガンマ線の検出量を引いた量を、高速中性子の検出量とする。

【0044】

半導体センサ１００に対するガンマ線の全線減弱係数をμ［ｃｍ^２／ｇ］とし、半導体の密度をρ［ｇ／ｃｍ^３］とすると、ガンマ線に対する半導体センサ１００の感度εは、有感層１０８の厚さＬを用いて、式（１）で与えられる。
ε＝１－ｅｘｐ（－μ・ρ・Ｌ） （１）
なお、ｅｘｐは、ｅ（ネイピア数）のべき乗を表す。

【0045】

有感層１０８の厚さＬが十分に小さいと、式（１）は式（２）のように近似できる。
ε≒μ・ρ・Ｌ （２）
半導体センサ１００のガンマ線の計数率Ｃ［ｃｏｕｎｔ／ｓ］は、半導体センサ１００に入射するガンマ線の量をＨ［ｃｏｕｎｔ／ｓ］とすると、式（２）を用いて式（３）で与えられる。

【0046】

Ｃ＝ε・Ｈ
＝μ・ρ・Ｌ・Ｈ （３）
式（３）により、半導体センサ１００のガンマ線の計数率Ｃは、有感層１０８の厚さＬに線形比例する。

【0047】

また、表面電極１０２に流れる誘導電流の電荷量は、有感層１０８の厚さＬに線形比例するという傾向がある。先に述べたように、表面電極１０２に流れる誘導電流の電荷量は、半導体センサ１００の放射線の検出量を表す。従って、半導体センサ１００のガンマ線の検出量は、有感層１０８の厚さＬに線形比例する。

【0048】

表面電極１０２のそれぞれのガンマ線の検出量は、有感層１０８の厚さＬに線形比例する。制御部１０４は、半導体センサ１００の放射線の全検出量のうち、有感層１０８の厚さＬに線形比例する量を、ガンマ線の検出量とし、放射線の全検出量からガンマ線の検出量を引いた量を、高速中性子の検出量とする。

【0049】

処理２０２では、制御部１０４は、高速中性子の飛来方向を推定する。すでに述べたように、有感層１０８の厚さＬは、バイアス電圧に線形比例すると考えることができる。詳細は後述するが、制御部１０４は、バイアス電圧を変化させたときの、各表面電極１０２における反跳陽子（高速中性子ラジエータ１０６により高速中性子から変換された反跳陽子）の検出タイミングから反跳陽子の分布を推定し、この反跳陽子の分布から高速中性子が飛来した方向を推定する。

【0050】

処理２０３では、制御部１０４は、処理２００で生成した換算式を用いて、半導体センサ１００の放射線の検出量（ガンマ線と高速中性子の検出量）を、計数率と空間線量率へ換算する。制御部１０４は、半導体センサ１００の全ての領域が有感層１０８となるバイアス電圧の値における、全ての表面電極１０２での放射線の検出量の合計を求める。全ての表面電極１０２での合計の放射線の検出量を求めることで、半導体センサ１００の表面電極１０２が設置された面（表面）の全体に対して、放射線の検出量を求めることができる。

【0051】

ガンマ線に関しては、フルエンスΦを空気カーマＫで除した値を用いて、計数率Ｃから空間線量率に変換することもできる。フルエンスΦと空気カーマＫの算出には、ガンマ線のエネルギー情報が必要である。本実施例では、例えばＣｓ－１３７とＣｓ－１３４から放出されるガンマ線が支配的に存在する環境を想定すると、６００～７００ｋｅＶ相当のエネルギーで換算することができる。又は、放射線測定装置１０００と異なるガンマ線検出装置を用いた方法（例えば、ガンマ線スペクトロスコピー）により、ガンマ線を放出する核種としてどのような核種が環境中に存在するかを評価してから、フルエンスΦと空気カーマＫの算出に必要なエネルギーを選定することもできる。

【0052】

図３Ａと図３Ｂは、半導体センサ１００について、高速中性子１１７の飛来方向と、高速中性子ラジエータ１０６により高速中性子１１７から変換された反跳陽子の分布を説明する図である。図３Ａと図３Ｂには、図１と同様に、２次元アレイ状に配置された複数の表面電極１０２のうち、１方向に並んだ３個の表面電極１０２（１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ）のみを示している。表面電極１０２ｂは、表面電極１０２の１方向の中央部に位置し、表面電極１０２ａ、１０２ｃは、表面電極１０２の１方向の両端部に位置する。

【0053】

高速中性子ラジエータ１０６は、裏面電極１０５に対して局所的に、すなわち裏面電極１０５の一部に配置されている。本実施例では、半導体センサ１００は、例えば、表面（表面電極１０２が設置された面）と裏面（裏面電極１０５が設置された面）が正方形で面積が１０×１０ｍｍ^２であり、厚さ（表面電極１０２と裏面電極１０５の距離）が１ｍｍであるとする。高速中性子ラジエータ１０６は、例えば、正方形で面積が１×１ｍｍ^２であり、厚さが０．１ｍｍであって、裏面電極１０５の中央部に設置されているとする。

【0054】

反跳陽子の分布を推定するには、半導体センサ１００の厚さ（表面電極１０２と裏面電極１０５の距離）が、反跳陽子の飛程よりも大きいのが好ましい。この理由は、半導体センサ１００の厚さが反跳陽子の飛程よりも大きいと、有感層１０８の厚さＬ（すなわち、バイアス電圧）を変えたときに、半導体センサ１００が検出する反跳陽子の分布の変化を容易に検出できるからである。反跳陽子の飛程は、通常は理論的に求めることができる。

【0055】

本実施例では、Ｃｍ－２４４から放出されて２～３ＭｅＶの平均エネルギーを持つ中性子（高速中性子１１７）が、高速中性子ラジエータ１０６にて反跳陽子に変換されるとする。この反跳陽子の飛程は、理論的に求めると１ｍｍ未満である。従って、本実施例での半導体センサ１００の厚さ（１ｍｍ）は、反跳陽子の飛程よりも大きい。

【0056】

図３Ａには、半導体センサ１００の裏面（裏面電極１０５が設置された面）に対して垂直に高速中性子１１７が飛来してきた場合を示している。図３Ｂには、半導体センサ１００の裏面に対して斜めに高速中性子１１７が飛来してきた場合を示している。高速中性子１１７は、高速中性子ラジエータ１０６にて反跳陽子３０１に変換される。半導体センサ１００の内部における反跳陽子３０１の分布３０２は、高速中性子１１７が飛来してきた方向と、高速中性子１１７が反跳陽子３０１に変換された位置とを反映している。

【0057】

図３Ａに示した場合では、高速中性子１１７は、表面電極１０２ｂの位置と高速中性子ラジエータ１０６の位置とを結ぶ方向に沿って、半導体センサ１００に飛来する。このため、半導体センサ１００の内部における反跳陽子３０１の分布３０２は、高速中性子ラジエータ１０６の位置から、表面電極１０２ｂ（表面電極１０２の１方向の中央部に位置する電極）の位置に向かって広がっている。従って、反跳陽子３０１は、表面電極１０２ｂの付近に分布するが、表面電極１０２ａ、１０２ｃ（表面電極１０２の１方向の端部に位置する電極）の付近にはほとんど分布しない。

【0058】

図３Ｂに示した場合では、高速中性子１１７は、表面電極１０２ｃの位置と高速中性子ラジエータ１０６の位置とを結ぶ方向に沿って、半導体センサ１００に飛来する。このため、半導体センサ１００の内部における反跳陽子３０１の分布３０２は、高速中性子ラジエータ１０６の位置から、表面電極１０２ｃの位置に向かって広がっている。従って、反跳陽子３０１は、表面電極１０２ｃの付近に最も多く分布し、表面電極１０２ｂの付近に次に多く分布し、表面電極１０２ａの付近には分布しない。

【0059】

なお、ガンマ線は、半導体センサ１００の内部で電子に変わる。この電子は、半導体センサ１００の内部で全体的に存在する。このため、ガンマ線は、半導体センサ１００の内部で全体的に分布しているとして検出される。従って、ガンマ線は、半導体センサ１００の内部での分布が、反跳陽子３０１の分布と異なる。

【0060】

以上説明したように、高速中性子ラジエータ１０６で高速中性子１１７から変換された反跳陽子３０１は、半導体センサ１００の内部で、高速中性子１１７の飛来方向に応じて特定の方向に進む。そこで、半導体センサ１００の内部における反跳陽子３０１の分布３０２を求めることにより、高速中性子１１７の飛来方向を推定することができる。半導体センサ１００の内部における反跳陽子３０１の分布３０２は、バイアス電圧を増加させて有感層１０８の厚さＬを増加させていったときの、半導体センサ１００の放射線の検出量を基に求めることができる。

【0061】

図４Ａと図４Ｂは、放射線をガンマ線と高速中性子に識別し（図２の処理２０１）、高速中性子の飛来方向を推定する方法（図２の処理２０２）を説明する図である。図４Ａと図４Ｂに示すグラフは、バイアス電圧を増加させて有感層１０８の厚さＬを増加させていったときの、半導体センサ１００の放射線の検出量を表している。図４Ａと図４Ｂには、表面電極１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃのそれぞれについて、放射線の検出量４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃを示している。

【0062】

図４Ａは、図３Ａに示した方向に沿って高速中性子１１７が半導体センサ１００に飛来した場合における、バイアス電圧の増加に対する放射線の検出量４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃの変化を示している。

【0063】

バイアス電圧が増加すると、有感層１０８の厚さＬ（図１）は、表面電極１０２から裏面電極１０５に向かって増加する。バイアス電圧が小さい場合には、有感層１０８は、厚さＬが小さいので反跳陽子３０１の分布３０２に届かず、半導体センサ１００は、反跳陽子３０１を検出せず、ガンマ線だけを検出する。このため、図４Ａのバイアス電圧がＶ１より小さい領域では、放射線の検出量４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃは、ガンマ線の検出量である。このガンマ線の検出量は、有感層１０８の厚さＬ、すなわちバイアス電圧に線形比例する。

【0064】

バイアス電圧が増加して電圧Ｖ１に到達すると、表面電極１０２ｂの付近において、有感層１０８が反跳陽子３０１の分布３０２に到達する。反跳陽子３０１は、表面電極１０２ｂの付近に分布するので、表面電極１０２ｂだけに誘導電流が流れる。すなわち、表面電極１０２ｂは、反跳陽子３０１とガンマ線を検出し、表面電極１０２ａ、１０２ｃは、ガンマ線だけを検出する。このため、図４Ａのバイアス電圧がＶ１より大きくＶ２より小さい領域では、放射線の検出量４０１ｂは、反跳陽子３０１とガンマ線の検出量であり、放射線の検出量４０１ａ、４０１ｃは、ガンマ線だけの検出量である。バイアス電圧が電圧Ｖ１に到達すると、放射線の検出量４０１ｂは、増加率が変化する（本実施例では増加する）。

【0065】

さらにバイアス電圧が増加して電圧Ｖ２に到達すると、表面電極１０２ａ、１０２ｃの付近でも、有感層１０８が反跳陽子３０１の分布３０２に到達する。すると、表面電極１０２ｂだけでなく、表面電極１０２ａ、１０２ｃにも誘導電流が流れる。すなわち、表面電極１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃは、反跳陽子３０１とガンマ線を検出する。このため、図４Ａのバイアス電圧がＶ２より大きい領域では、放射線の検出量４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃは、反跳陽子３０１とガンマ線の検出量である。バイアス電圧が電圧Ｖ２に到達すると、放射線の検出量４０１ａ、４０１ｃも、増加率が変化する（本実施例では増加する）。

【0066】

図４Ｂは、図３Ｂに示した方向に沿って高速中性子１１７が半導体センサ１００に飛来した場合における、バイアス電圧の増加に対する放射線の検出量４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃの変化を示している。

【0067】

バイアス電圧が小さい場合、すなわち図４Ｂのバイアス電圧がＶ３より小さい領域では、図４Ａを用いて説明したように、放射線の検出量４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃは、ガンマ線の検出量であり、バイアス電圧に線形比例する。

【0068】

バイアス電圧が増加して電圧Ｖ３に到達すると、表面電極１０２ｃの付近において、有感層１０８が反跳陽子３０１の分布３０２に到達する。反跳陽子３０１は、表面電極１０２ｃの付近に分布するので、表面電極１０２ｃだけに誘導電流が流れる。すなわち、表面電極１０２ｃは、反跳陽子３０１とガンマ線を検出し、表面電極１０２ｂ、１０２ｃは、ガンマ線だけを検出する。このため、図４Ｂのバイアス電圧がＶ３より大きくＶ４より小さい領域では、放射線の検出量４０１ｃは、反跳陽子３０１とガンマ線の検出量であり、放射線の検出量４０１ａ、４０１ｂは、ガンマ線だけの検出量である。バイアス電圧が電圧Ｖ３に到達すると、放射線の検出量４０１ｃは、増加率が変化する（本実施例では増加する）。

【0069】

さらにバイアス電圧が増加して電圧Ｖ４に到達すると、表面電極１０２ｂの付近でも、有感層１０８が反跳陽子３０１の分布３０２に到達する。すると、表面電極１０２ｃだけでなく、表面電極１０２ｂにも誘導電流が流れる。すなわち、表面電極１０２ｂ、１０２ｃは、反跳陽子３０１とガンマ線を検出する。このため、図４Ｂのバイアス電圧がＶ４より大きい領域では、放射線の検出量４０１ｂ、４０１ｃは、反跳陽子３０１とガンマ線の検出量である。バイアス電圧が電圧Ｖ４に到達すると、放射線の検出量４０１ｂは、増加率が変化する（本実施例では増加する）。

【0070】

なお、図３Ｂに示した場合では、反跳陽子３０１が表面電極１０２ａの付近には分布しないので、表面電極１０２ａは、反跳陽子３０１を検出せず、ガンマ線だけを検出する。このため、図４Ｂにおいて、放射線の検出量４０１ａは、バイアス電圧が増加しても増加率が変化せず、バイアス電圧に線形比例している。

【0071】

ガンマ線の検出量は、バイアス電圧に線形比例する。このため、図４Ａと図４Ｂにおいて反跳陽子３０１が検出された領域でも、ガンマ線の検出量を求めることができる。すなわち、半導体センサ１００の放射線の全検出量のうち、バイアス電圧に線形比例する量をガンマ線の検出量とする。反跳陽子３０１の検出量、すなわち高速中性子の検出量は、半導体センサ１００の全ての放射線の検出量からガンマ線の検出量を引くことで求めることができる。

【0072】

以上説明したように、バイアス電圧が小さい領域では、表面電極１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃのそれぞれについての放射線の検出量４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃは、バイアス電圧に線形比例する。放射線の検出量４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃは、バイアス電圧が増加していくと線形的に増加していき、バイアス電圧がある電圧（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３又はＶ４）に到達すると増加率が増加する。

【0073】

放射線の検出量４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃがバイアス電圧に線形比例している場合には、表面電極１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃは、ガンマ線を検出している。バイアス電圧を増加させていき放射線の検出量４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃの増加率が増加した場合には、表面電極１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃは、ガンマ線だけでなく、反跳陽子３０１も検出している。

【0074】

以上の説明から、半導体センサ１００の内部における反跳陽子３０１の分布３０２は、バイアス電圧を増加させていったときに、表面電極１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃのうち最初に放射線の検出量４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃの増加率の増加を検出した電極の位置を基にして、推定することができる。すなわち、半導体センサ１００の内部における反跳陽子３０１の分布３０２は、バイアス電圧を増加させていったときの表面電極１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃでの反跳陽子３０１の検出タイミングから推定することができる。

【0075】

例えば、バイアス電圧を増加させていったときに、表面電極１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃのうち表面電極１０２ｂが最初に放射線の検出量４０１ｂの増加率の増加を検出した場合（図４Ａ）には、反跳陽子３０１の分布３０２は、図３Ａに示したように、高速中性子ラジエータ１０６の位置から、表面電極１０２ｂの位置に向かって広がっている（すなわち、反跳陽子３０１は、表面電極１０２ｂの付近に分布し、表面電極１０２ａ、１０２ｃの付近にはほとんど分布しない）と推定することができる。

【0076】

また、例えば、バイアス電圧を増加させていったときに、表面電極１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃのうち表面電極１０２ｃが最初に放射線の検出量４０１ｃの増加率の増加を検出し、次に表面電極１０２ｂが放射線の検出量４０１ｂの増加率の増加を検出した場合（図４Ｂ）には、反跳陽子３０１の分布３０２は、図３Ｂに示したように、高速中性子ラジエータ１０６の位置から、表面電極１０２ｃの位置に向かって広がっている（すなわち、反跳陽子３０１は、表面電極１０２ｃの付近に最も多く分布し、表面電極１０２ｂの付近に次に多く分布する）と推定することができる。

【0077】

高速中性子１１７の飛来方向は、バイアス電圧を増加させていって推定した反跳陽子３０１の分布３０２に基づいて推定することができる。すなわち、高速中性子１１７の飛来方向は、バイアス電圧を増加させていったときに、放射線の検出量４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃの増加率の増加を最初に検出した表面電極１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃの位置に基づいて、推定することができる。

【0078】

例えば、バイアス電圧を増加させていったときに、表面電極１０２ｂが最初に放射線の検出量４０１ｂの増加率の増加を検出した場合（図４Ａ）には、高速中性子１１７は、表面電極１０２ｂの位置と高速中性子ラジエータ１０６の位置とを結ぶ方向に沿って、半導体センサ１００に飛来したと推定することができる（図３Ａ）。

【0079】

また、例えば、バイアス電圧を増加させていったときに、表面電極１０２ｃが最初に放射線の検出量４０１ｃの増加率の増加を検出した場合（図４Ａ）には、高速中性子１１７は、表面電極１０２ｃの位置と高速中性子ラジエータ１０６の位置とを結ぶ方向に沿って、半導体センサ１００に飛来したと推定することができる（図３Ａ）。

【0080】

なお、バイアス電圧の印加方向（電圧の大小の向き）により、有感層１０８が表面電極１０２から裏面電極１０５に向かって形成されるか、裏面電極１０５から表面電極１０２に向かって形成されるかが定められる。図４Ａ、４Ｂには、有感層１０８が表面電極１０２から形成される例を示している。有感層１０８が裏面電極１０５から形成される場合には、図４Ａ、４Ｂにおいて、バイアス電圧に対する放射線の検出量４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃの変化の傾向が左右反転する。

【0081】

図５Ａと図５Ｂは、本実施例による放射線測定装置１０００の運用方法の例を示す図である。以下では、一例として、放射線測定装置１０００が、核燃料を含む測定対象物１１０から放出された放射線を測定する例を説明する。

【0082】

図５Ａには、測定対象物１１０の任意の位置に、核燃料由来の高速中性子源が点源のように局所的に存在する場合の、放射線測定装置１０００の運用方法の例を示している。測定対象物１１０の中に高速中性子源が局所的に存在する場合には、放射線測定装置１０００を測定対象物１１０に対して静置させて測定するだけで、高速中性子源の位置を推定できる。

【0083】

図５Ｂには、測定対象物１１０の任意の複数の位置に、核燃料由来の高速中性子源がランダムに分布して存在する場合の、放射線測定装置１０００の運用方法の例を示している。測定対象物１１０の中に高速中性子源が遍在して存在する場合には、図５Ｂ中の矢印に示すように、放射線測定装置１０００を測定対象物１１０に対して走査して複数の位置で測定することで、高速中性子源の分布を推定できる。

【0084】

本実施例による放射線測定装置１０００は、以上のようにして、高速中性子の飛来方向を推定することができ、高速中性子を放出する放射線源の位置を特定することができる。本実施例による放射線測定装置１０００は、放射線源の位置を特定するために、コリメータ、遮蔽材、吸収材、及び減速材などの部材が不要であるので、軽量かつ小型である。

【0085】

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記の実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備える態様に限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、削除したり、他の構成を追加・置換したりすることが可能である。

【符号の説明】

【0086】

１００…半導体センサ、１０１…バイアス電圧調整部、１０２、１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ…表面電極、１０３…信号処理回路、１０４…制御部、１０５…裏面電極、１０６…高速中性子ラジエータ、１０７…放射線、１０８…有感層、１０９…不感層、１１０…測定対象物、１１７…高速中性子、３０１…反跳陽子、３０２…反跳陽子の分布、４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃ…放射線の検出量、１０００…放射線測定装置。

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】