(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレスにより管状に形成された外囲器本体、および、この外囲器本体の両端部に固定されてこの外囲器本体の両端部をそれぞれ閉塞する金属製の一および他の閉塞体を備え、陰極となる外囲器と、
希ガスを主成分とし、二酸化炭素および窒素を分子ガスとして添加して構成され、前記外囲器内に封入された電離ガスと、
前記外囲器本体の軸心に沿って前記外囲器内に配置された線状の陽極と、
この陽極の一端部と電気的および機械的に接続された伸縮可能な導電性の伸縮部材と、
この伸縮部材を伸縮可能に保持して前記外囲器内に固定された保持体と、
前記一の閉塞体に対して外側がろう付け固定されて前記外囲器と前記陽極とを電気的に絶縁するセラミック製の筒状の一の絶縁体、および、この一の絶縁体の内側に貫通されてこの一の絶縁体の内側に対してろう付け固定され、前記外囲器および前記陽極の一端側と電気的に接続されたリード線を備えた端子と、
前記外囲器と前記陽極の他端側とを電気的に絶縁するセラミック製の他の絶縁体と
を具備していることを特徴とする粒子検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、荷電粒子を検出する粒子検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、強い透過性を有する高透過性荷電粒子である宇宙線ミュオンを用いて例えば反応炉や火山の内部の構造を推定したり、測定対象物中に位置する核物質(重元素)を検出したりするシステムが知られている。
【０００３】
このようなシステムに用いられる粒子検出器であるミュオン検出器は、通常、陰極となる外囲器と、この外囲器の内部に収容された陽極とを備え、外囲器の内部にアルゴン(Ａｒ)などの所定の希ガスを含むガスが封入されている。そして、ミュオンが外囲器の外部から内部へと入射すると希ガスと相互作用してこの希ガスが電離し、生成された電子を陽極により電気パルス信号として検出することで、ミュオンのエネルギや反応時間を検出できるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１０−５０８５２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のようなミュオン検出器は、例えば高温下、あるいは放射線の影響を受けやすい環境下などでも用いられる場合があり、より耐熱性および信頼性を向上することが求められている。
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、耐熱性および信頼性を向上した粒子検出器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の粒子検出器は、陰極となる外囲器を有する。この外囲器は、ステンレスにより管状に形成された外囲器本体を備える。また、この外囲器は、外囲器本体の両端部に固定されてこの外囲器本体の両端部をそれぞれ閉塞する金属製の一および他の閉塞体を備える。また、粒子検出器は、希ガスを主成分とし、二酸化炭素および窒素を分子ガスとして添加して構成され、外囲器内に封入された電離ガスを有する。さらに、粒子検出器は、外囲器本体の軸心に沿って外囲器内に配置された線状の陽極を有する。また、粒子検出器は、陽極の一端部と電気的および機械的に接続された伸縮可能な導電性の伸縮部材を有する。さらに、粒子検出器は、伸縮部材を伸縮可能に保持して外囲器内に固定された保持体を有する。また、粒子検出器は、端子を有する。この端子は、一の閉塞体に対して外側がろう付け固定されて外囲器と陽極とを電気的に絶縁するセラミック製の筒状の一の絶縁体を備える。また、この端子は、一の絶縁体の内側に貫通されてこの一の絶縁体の内側に対してろう付け固定され、外囲器および陽極の一端側と電気的に接続されたリード線を備える。そして、粒子検出器は、外囲器と陽極の他端側とを電気的に絶縁するセラミック製の他の絶縁体を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施形態の粒子検出器を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、一実施形態の構成を、図面を参照して説明する。
【００１０】
図１に示すように、粒子検出器11は、荷電粒子(高透過性荷電粒子)としての素粒子(レプトン)である宇宙線ミュオン(ミュー粒子)を検出するもので、管状で密閉構造に形成された陰極(カソード)となる外囲器12を備えている。そして、この外囲器12の内部に、電離ガス13と、陽極(アノード)14とが収納されている。
【００１１】
外囲器12は、管状(円筒状)の外囲器本体21と、この外囲器本体21の一端部を閉塞する一の閉塞体22と、外囲器本体21の他端部を閉塞する他の閉塞体23とを備えている。
【００１２】
外囲器本体21は、材質として高耐熱性金属(アルミニウムよりも耐熱性に優れる金属)であるステンレス(ＳＵＳ３０４)が用いられ、耐熱性に優れる。この外囲器本体21は、管状の本体部25と、この本体部25の一端部に位置する一の取付部26と、本体部25の他端部に位置する他の取付部27とを一体的に有している。
【００１３】
本体部25は、宇宙線ミュオンが外囲器12の内部に入射する入射部となっており、宇宙線ミュオンの外囲器12内部への入射の透過率を向上するために、例えば厚みが０．５ｍｍ程度の薄肉に形成され、直径が例えば５０ｍｍ、長さが例えば１ｍ〜５ｍ程度の長尺に形成されている。
【００１４】
一および他の取付部26，27は、それぞれ中央部に一および他の孔部26a，27aを有する円環状に形成され、本体部25の両端部に例えば外周縁部26b，27bが溶接されて嵌着されている。
【００１５】
一および他の閉塞体22，23は、ろう付け可能な導電性の金属、例えばコバールなどの合金(低膨張部材)により有底円筒状に形成されており、一および他の取付部26，27の一および他の孔部26a，27aにろう付けまたは溶接により固定されてこれら一および他の孔部26a，27aをそれぞれ閉塞している。具体的に、一および他の閉塞体22，23は、外周縁部22a，23aが一および他の取付部26，27に対して例えば溶接により固定されている。
【００１６】
そして、一の閉塞体22の中央部には、信号を外部に出力するための端子(コネクタ)31が設けられている。この端子31は、外囲器12と電気的に接続されこの外囲器12の外部に露出する端子本体部32と、少なくとも一部が外囲器12の内部に位置する一の絶縁体33と、陽極14の一端側と電気的に接続されたリード線34とを備えている。
【００１７】
端子本体部32は、例えばＭＨＶコネクタなどの同軸コネクタのレセプタクルであり、導電性の金属により略円筒状に形成され、外囲器本体21および一の閉塞体22(外囲器12)と同軸に配置され、プラグを例えばねじ接続可能となっている。そして、この端子本体部32は、一の閉塞体22と対向する端部32aがこの一の閉塞体22に対してろう付けされている。
【００１８】
一の絶縁体33は、外囲器12と陽極14の一端側とを絶縁するもので、セラミックにより形成されており、一の閉塞体22に対向する側面の例えば外縁部33aの位置でこの一の閉塞体22に対してろう付け固定されている。また、この一の絶縁体33の内周には、リード線34が貫通されており、このリード線34と一の絶縁体33の内周とがろう付けされて隙間が閉塞されている。
【００１９】
リード線34は、一の絶縁体33および端子本体部32の中央部を貫通して一端部が外囲器12の外部に導出され、他端部が外囲器12の内部に挿入されている。したがって、このリード線34は、外囲器本体21および一の閉塞体22(外囲器12)と同軸に配置され、一の絶縁体33を介して外囲器12(端子本体部32)に対して電気的に絶縁されている。
【００２０】
一方、他の閉塞体23には、絶縁部37および排気管38がそれぞれ取り付けられている。
【００２１】
絶縁部37は、他の閉塞体23の中央部に例えば溶接などによって固定されている。この絶縁部37は、例えば他の絶縁体41と、この絶縁体41から突出する一および他の接続部42，43とを一体的に備えている。なお、この絶縁部37は、他の絶縁体41を介して陽極14の他端部を外囲器本体21に対して電気的に絶縁できれば、任意の構成とすることができる。
【００２２】
他の絶縁体41は、セラミックにより例えばブロック状に形成され、陽極14の他端側を外囲器12に対して絶縁している。
【００２３】
一の接続部42は、例えば金属により形成され、他の絶縁体41の一端部から突出し、陽極14と接続されている。
【００２４】
他の接続部43は、例えば金属により形成され、他の絶縁体41の他端部からＬ字状に突出し、他の閉塞体23に対して溶接などにより固定されている。
【００２５】
排気管38は、外囲器12内の不純ガスを外囲器12の外部へと排気するものである。この排気管38は、例えば銅(Ｃｕ)により長尺の円筒状に形成されており、他の閉塞体23を貫通して一端部が外囲器12の内部に挿入され、他端部が外囲器12の外部に導出されている。また、この排気管38は、他の閉塞体23に対して外周部38aがろう付けにより固定されている。
【００２６】
また、電離ガス13は、外囲器12内に入射した宇宙線ミュオンとの相互作用により電離する希ガス、例えばアルゴン(Ａｒ)を主成分とし、分子ガスとして二酸化炭素(ＣＯ2)および窒素(Ｎ2)を添加した耐放射性ガスである。
【００２７】
ここで、電離ガス13には、アルゴンが圧力比で全圧の８０％〜９９．８％、好ましくは９６％含まれ、二酸化炭素が圧力比で全圧の０．１％〜１０％、好ましくは３％含まれ、窒素が圧力比で全圧の０．１％〜１０％、好ましくは１％含まれており、電離ガス13の全圧力は、例えば１気圧(１atm)に設定されている。なお、それぞれのガスの分圧は、必要な検出感度、使用する電圧を勘案して適宜決定できる。
【００２８】
陽極14は、例えば導電性を有する金属であるタングステン(Ｗ)が、導電性を有する金属である金(Ａｕ)によりコーティングされて長尺の細線状に形成され、外囲器12の軸心(中心軸)に沿って弛みなく配置(張設)されている。この陽極14の線径は、長さが短いほど小さく設定できるが、例えば０．１μｍ〜１００μｍ、好ましくは２５μｍに設定されている。また、この陽極14の一端部は、伸縮部材としてのばね46と電気的および機械的に直接接続され、他端部は、絶縁部37の一の接続部42と機械的に直接接続されている。そして、この陽極14と外囲器12との間には、例えば１０００Ｖ〜３０００Ｖの高電圧が印加される。
【００２９】
ばね46は、例えばコイルばねであり、導電性およびばね性を有する金属、例えばタングステンにより形成されている。このばね46の一端部は、端子31のリード線34の他端部と電気的および機械的に直接接続されている。したがって、このばね46を介して、陽極14の一端部が端子31と電気的に接続されている。また、このばね46は、保持体としての管体であるばね収納管48に伸縮可能に収納保持されている。このばね収納管48は、例えば導電性の金属により長尺管状(円筒状)に形成され、一端部がリード線34を介して外囲器12(一の閉塞体22)に固定され、他端部に陽極14が挿入されている。また、このばね収納管48は、ばね46の軸方向と交差(直交)する方向、すなわちばね46の径方向への移動(振動)を規制している。したがって、このばね収納管48は、ばね46を軸方向にのみ伸縮可能に収納しており、内周面でこの収縮をガイドするようになっている。換言すれば、このばね収納管48は、ばね46の防振機能を有している。さらに、このばね収納管48は、陽極14と同電位となっている。また、このばね収納管48は、陽極14の有感長(ばね収納管48の外部に位置する長さ)に対して例えば１／５０〜１／１０程度の長さに形成されている。さらに、このばね収納管48内の一端部には、例えば金属製の円筒状の支持体49が取り付けられており、この支持体49の内周にリード線34の他端部の外周部が例えばろう付けにより固定されて隙間が閉塞されている。
【００３０】
そして、この粒子検出器11は、組み立て後、所定の加熱装置を用いて粒子検出器11を１００℃以上、好ましくは２００℃に加熱し、排気管38から外囲器12の内部を真空状態に保つようにガスを引くことで外囲器本体21などから内部に生じた不純ガスを排気し、その後、この排気管38から外囲器12の内部に電離ガス13を封入する。なお、この排気管38は、例えば機械的に押し切って封止する。
【００３１】
そして、ミュオンが外囲器12を透過して外囲器12内に入射し、外囲器12内の電離ガス13のアルゴンと相互作用すると、アルゴンが電離し、電子とイオンの対が生成される。この際、電子とイオンの対の数は、入射したミュオンのエネルギに応じた数となる。ここで生成された電子が、陽極14と陰極である外囲器12との間に印加した電位差によって陽極14に引かれ、陽極14付近の強い電界により増幅され、これが電気パルス信号として端子31から外部に出力される。この電気パルス信号の波高は入射したミュオンのエネルギに依存するため、電気パルス信号の波高値から、入射したミュオンのエネルギや反応時間を知ることができる。
【００３２】
このとき、以上説明した一実施形態によれば、陽極14をばね46で保持しているので、外気の温度変化に起因する外囲器12と陽極14との伸びの差をばね46の伸縮によって吸収し、陽極14が断線したり弛んだりすることを防止できる。特に、外囲器12(外囲器本体21)の材質として、耐熱性に優れるステンレスを用いるので、３００℃程度の外気温でも強度を保つことができ、高温環境下においての耐熱性を向上できるとともに、例えばアルミニウムを材質とした場合と比較して熱膨張係数が半分であるので外囲器12の伸びを約半分に抑制でき、陽極14の断線や弛みをより確実に防止でき、信頼性を向上できる。
【００３３】
外囲器12は、外囲器本体21に対して一および他の閉塞体22，23をろう付けと溶接との少なくともいずれかにより固定しているので、高温下などにおいても密閉性を確保できる。
【００３４】
ばね46をばね収納管48に収納保持しているので、耐衝撃性を向上できるとともに、ばね46の重量による陽極14の弛みをより確実に防止できる。
【００３５】
端子31は、セラミック製の一の絶縁体33をろう付けしているため、高温環境下などにおいても気密性を確保できるとともに、連続使用温度が７００℃程度であるため、例えばＰＥＥＫなどの合成樹脂を絶縁体として用いる場合などと比較して、耐温度性を向上できる。
【００３６】
ミュオンを検出する粒子検出器に一般的に用いられる、アルゴン(Ａｒ)を例えば圧力比で全圧の５０％、四フッ化炭素(ＣＦ4)を例えば圧力比で全圧の４４％、および、エタン(Ｃ2Ｈ6)を例えば圧力比で全圧の６％含むガスの場合には、放射線照射によりエタンが分解するのに対して、電離ガス13は放射線照射により分解する成分を有さず、特に放射線が照射される環境下でも安定した測定精度を得ることができ、信頼性をより向上できる。
【００３７】
一方、上記成分の電離ガス13は、電子の移動速度が遅くなり、出力されるパルス幅が４５０nsecから６００nsecとなるものの、実用上は問題がないレベルである。
【００３８】
また、例えばステンレスは、内包されるガスを高温時などに放出するため、ステンレス製の外囲器本体21を備える上記の粒子検出器11の場合には、予め加熱して外囲器本体21などから内包されるガスを放出させておき、そのガスを排気管38から排気した後に電離ガス13を封入するので、外気温の変化に起因するステンレス製の外囲器本体21などからのガス放出によって電離ガス13に不純ガスが混入して検出器特性を劣化させることを確実に防止でき、長期的に安定した検出器特性を得ることができ、信頼性をより向上できる。
【００３９】
しかも、このとき、１００℃以上(２００℃)に加熱排気するので、各部品に付着する湿気(水分)を除去でき、使用環境で湿気が結露して耐電圧が低下し粒子検出器11が放電して使用できなくなることを防止でき、信頼性をより向上できる。また、この放電が陽極14で発生した場合には断線が生じるものの、放電を防止できることでこのような放電による陽極14の断線をも防止できる。
【００４０】
また、このような加熱排気を行う場合でも、ばね46によって陽極14を保持しているので、この加熱排気の際に生じる外囲器12と陽極14との伸びの差をばね46の伸縮によって吸収し、陽極14が断線することを防止できる。
【００４１】
この結果、高耐圧で高信頼性の粒子検出器11を提供でき、特に原発事故下などの高温高放射線量の苛酷環境下においても高精度で使用可能となるだけでなく、例えば核物質の密輸検査などの核セキュリティにも好適に用いることができる。
【００４２】
なお、上記一実施形態において、保持体としては、ばね収納管48に限らず、例えばばね46の中心に挿入される柱状の保持体などを用いることも可能である。
【００４３】
本発明の一実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４４】
11    粒子検出器
12    外囲器
13    電離ガス
14    陽極
21    外囲器本体
22    一の閉塞体
23    他の閉塞体
31    端子
33    一の絶縁体
34 リード線
41    他の絶縁体
46    伸縮部材としてのばね
48    保持体としてのばね収納管
【要約】
【課題】耐熱性および信頼性を向上した粒子検出器を提供する。
【解決手段】外囲器12は、ステンレスにより管状に形成された外囲器本体21を備える。外囲器12は、外囲器本体21の両端部にろう付けまたは溶接により固定されて外囲器本体21の両端部をそれぞれ閉塞する金属製の一および他の閉塞体22，23を備える。粒子検出器11は、希ガス、二酸化炭素および窒素を含み、外囲器12内に封入された電離ガス13を有する。粒子検出器11は、陽極14の一端部と電気的および機械的に接続された伸縮可能な導電性のばね46を有する。粒子検出器11は、ばね46を伸縮可能に保持して外囲器12内に固定されたばね収納管48を有する。端子31は、一の閉塞体22に対してろう付け固定されて外囲器12と陽極14とを電気的に絶縁するセラミック製の一の絶縁体33を備える。粒子検出器11は、外囲器12と陽極14の他端側とを電気的に絶縁するセラミック製の他の絶縁体41を有する。
【選択図】図１【図１】
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