(57)【要約】【課題】本発明の目的は、ダイヤモンド半導体を使用し、原子炉内の中性子を計測できる中性子計測装置を提供することにある。【解決手段】本発明は、原子炉内の中性子を計測する中性子計測装置において、中性子を検出する中性子検出器が、ダイヤモンド半導体と、核分裂物質とで構成されることを特徴とする。【効果】本発明によれば、ダイヤモンド半導体を使用し、原子炉内の中性子を計測できる中性子計測装置を提供することができる。【選択図】  図１
2015203660.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉内の中性子を計測する中性子計測装置において、
中性子を検出する中性子検出器は、ダイヤモンド半導体と、核分裂物質とで構成されることを特徴とする中性子計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の中性子計測装置であって、
前記中性子検出器と、前記中性子検出器から出力される検出信号を増幅する信号増幅部と、前記信号増幅部から出力される出力信号を、波高に基づき弁別する波高弁別回路と、前記波高弁別回路からの出力信号に基づき、前記中性子検出器に入射した放射線のパルスを計数する演算処理装置とを備えることを特徴とする中性子計測装置。
【請求項３】
請求項２に記載の中性子計測装置であって、
前記演算処理装置は、ガンマ線の計数と中性子の計数に基づき、中性子感度が低下しているか否かを判定する判定部を備えることを特徴とする中性子計測装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の中性子計測装置であって、
前記核分裂物質の235Uの含有量が９０％以上であることを特徴とする中性子計測装置。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の中性子計測装置であって、
前記核分裂物質が234Uと235Uの混合物質であることを特徴とする中性子計測装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の中性子計測装置であって、
前記核分裂物質の表面に、中性子吸収物質を備えることを特徴とする中性子計測装置。
【請求項７】
請求項６に記載の中性子計測装置であって、
前記ダイヤモンド半導体の層の厚さが２０μｍ以下であることを特徴とする中性子計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中性子計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本技術分野の背景技術として、特開２００４−１８４１０４号公報（特許文献1）がある。この公報には、「ダイヤモンドを使用して、携帯性が優れていると共に、中性子の検出効率が高い中性子検出器を提供する。」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１８４１０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記特許文献1には、中性子検出器の仕組みが記載されている。しかし、前記特許文献1のダイヤモンド半導体を使用した中性子検出器を用いて原子炉内の中性子を計測すると、中性子検出器から出力されるエネルギースペクトル上で中性子の計数が、ガンマ線の計数に埋もれてしまい、原子炉内の中性子を計測できない場合がある。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、ダイヤモンド半導体を使用し、原子炉内の中性子を計測できる中性子計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、中性子を検出する中性子検出器が、ダイヤモンド半導体と、核分裂物質とで構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ダイヤモンド半導体を使用し、原子炉内の中性子を計測できる中性子計測装置を提供することができる。
【０００８】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１に係る中性子計測装置の構成図である。
【図２】実施例１における中性子検出器の出力パルスのエネルギースペクトルを示す図である。
【図３】実施例２に係る中性子計測装置の構成図である。
【図４】実施例３に係る中性子計測装置の構成図である。
【図５】実施例４に係る中性子計測装置の構成図である。
【図６】実施例５に係る中性子計測装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１１】
本実施例では、原子炉内の中性子を計測できる中性子計測装置の例を説明する。
【００１２】
図１は、本実施例の中性子計測装置の構成図の例である。
【００１３】
本実施例の中性子計測装置２０は、中性子検出器１０、前置増幅器３０、比例増幅器３１、波高弁別回路３２、演算処理装置３３、を有する。
【００１４】
本実施例の中性子検出器１０は、核分裂物質２１、ダイヤモンド半導体２２、信号取り出し電極２３、対向電極２４、基板２５、を有する。
【００１５】
核分裂物質２１は、中性子と反応することにより、核分裂片を放出する。ここで、核分裂物質２１に用いられる物質は、235Uを含む物質や238Uを含む物質、239Puを含む物質など、中性子と反応して核分裂片を放出する物質であればよい。
【００１６】
核分裂物質２１は、例えば、ダイヤモンド半導体２２の表面に具備された信号取り出し電極２３の表面にU3O8層を蒸着することで形成される。以下、本実施例ではU3O8層を前記核分裂物質２１に用いた例について説明する。
【００１７】
核分裂物質２１から放出された核分裂片は、ダイヤモンド半導体２２内部に入射して、電子−正孔対を形成する。これにより、前記ダイヤモンド半導体２２に接触して配置される信号取出電極２３と、前記ダイヤモンド半導体２２に接触して配置される対向電極２４との間で電荷の移動を検知し、前記ダイヤモンド半導体２２内部に発生した電荷量を計測することで、前記中性子検出器１０に入射した中性子を検出できる。
【００１８】
前記中性子検出器１０は、基板２５によって支持される。
【００１９】
中性子計測装置２０では、まず前記中性子検出器１０から出力される検出信号（微弱な電荷）は、前置増幅器３０で低インピーダンスの電圧パルス信号に変換される。前記前置増幅器３０は電荷有感型のものを用いることができる。前記前置増幅器３０の出力信号は、比例増幅器３１により十分な振幅まで比例増幅され、波形整形される。ここで、信号増幅部は、前置増幅器３０と比例増幅器３１で構成される。波高弁別回路３２は、前記比例増幅器３１から出力される信号の波高に基づき、信号を弁別して出力する。演算処理装置３３は、前記波高弁別回路３２から出力されるパルスを計数する。
【００２０】
図２は、本実施例における中性子検出器１０を使用して、原子炉内の中性子を計測した場合の出力パルスのエネルギースペクトルを示している。
【００２１】
中性子と核分裂物質との反応により、放出される核分裂片には、質量数が約９０の軽い核分裂片と、質量数が約１４０の重い核分裂片とがある。前記軽い核分裂片は、約１００MeVの運動エネルギーを有し、前記重い核分裂片は、約７０MeVの運動エネルギーを有している。このため、図２のエネルギースペクトルにおいて、少なくとも５０〜１６０MeVの領域に二つのピークが見られる。この５０〜１６０MeVのピーク領域が、中性子の計数に相当する。
【００２２】
前記核分裂物質２１は、アルファ崩壊する物質を含むため、図２のエネルギースペクトルには、アルファ線バックグランドが存在する。しかし、前記アルファ線の平均的な運動エネルギーは約５MeVであり、核分裂片の運動エネルギーの１０％以下である。したがって、前記アルファ線バックグランドは、波高弁別により容易に除去することができる。
【００２３】
図２のエネルギースペクトルには、前記アルファ線バックグランドに加え、ガンマ線バックグランドが存在する。しかし、前記ガンマ線の運動エネルギーは、１０MeV以下であり、核分裂片の運動エネルギーの２０％以下である。したがって、前記ガンマ線バックグランドは、波高弁別により容易に除去することができる。
【００２４】
本実施例で用いたU3O8に含有される235Uの含有量を９０％以上とすると、235Uは熱中性子に対する反応断面積が５８２barnであり、天然ウランの４.１８barnと比べて大きいため、熱中性子に対して高感度な中性子計測装置を実現することができる。
【実施例２】
【００２５】
本実施例では、原子炉内の中性子を計測するだけでなく、長期間の使用により、低下する中性子検出器の感度を較正することのできる中性子計測装置の例を説明する。
【００２６】
図３は、実施例２における中性子計測装置４０を示す構成図の例である。
【００２７】
中性子計測装置４０は、中性子検出器１０、前置増幅器３０、比例増幅器３１、波高弁別回路３２、演算処理装置４３、を有する。
【００２８】
本実施例は図１の中性子計測装置２０のうち、演算処理装置３３を中性子感度が低下したか否かを判定する判定部を備えた演算処理装置４３に変更したものである。その他の構成は、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有するので、説明を省略する。
【００２９】
本実施例では、実施例１と同様に中性子検出器１０を使用する。したがって、原子炉内の中性子を計測した場合の出力パルスのエネルギースペクトルは図２の分布となる。
【００３０】
図２のエネルギースペクトルにおいて、少なくとも５MeV以下の領域は、アルファ線とガンマ線の計数が混在している。この低エネルギー領域に対し、５〜５０MeVの領域において、ガンマ線のみの計数が得られる場合がある。このガンマ線のみの計数は、例えば５〜１０MeVの領域において得られる。以下、本実施例では５〜１０MeVの領域において、ガンマ線のみの計数が得られた例について説明する。
【００３１】
５〜１０MeVの領域のガンマ線は、例えば、原子炉冷却材として使用されている水が放射化されることにより、生成される放射化生成物からのガンマ線である。前記放射化生成物の例としては、水に含まれる16Oが放射化されることにより、生成される16Nなどがある。前記16Nから放出されるガンマ線のエネルギーは、６.１MeVもしくは７.１MeVである。
【００３２】
図２のエネルギースペクトルにおいて、５MeV以下のアルファ線とガンマ線の計数、及び５０〜１６０MeV領域の中性子の計数は、前記核分裂物質２１と中性子との反応数に依存する。このため、長期間の使用により、前記核分裂物質２１が消耗すると、前記５MeV以下のアルファ線とガンマ線の計数、及び５０〜１６０MeV領域の中性子の計数は減少する。したがって、中性子計測装置２０を用いて原子炉内の中性子を計測する場合には、前記核分裂物質２１の消耗による中性子感度の低下を較正する必要がある。このとき、５〜１０MeV領域のガンマ線の計数は、原子炉出力に比例し、かつ前記核分裂物質２１と中性子との反応数に依存しない。したがって、前記５〜１０MeV領域のガンマ線の計数より原子炉出力を見積もり、前記５０〜１６０MeV領域の中性子の計数と比較することによって、原子炉出力の計測と中性子計測装置２０の中性子感度の較正を単一の装置で実現できる。
【００３３】
なお、前記５〜１０MeV領域のガンマ線の計数は、前記放射化生成物の半減期（16Nの半減期は7秒程度）にしたがい、原子炉出力に対して一定の時間遅れを有する。これに対し、前記５０〜１６０MeV領域の中性子の計数は時間遅れなく、原子炉出力に追随して変化することから、原子炉の安全保護用には、前記５０〜１６０MeV領域の中性子の計数を利用する。
【実施例３】
【００３４】
本実施例では、原子炉内の中性子を計測するだけでなく、長期間の使用において、中性子感度を一定に保つことのできる中性子計測装置の例を説明する。
【００３５】
図４は、実施例３における中性子計測装置５０を示す構成図の例である。
【００３６】
中性子計測装置５０は、中性子検出器１１、前置増幅器３０、比例増幅器３１、波高弁別回路３２、演算処理装置３３、を有する。
【００３７】
本実施例の中性子検出器１１は、234Uと235Uの混合物質５１、ダイヤモンド半導体２２、信号取り出し電極２３、対抗電極２４、基板２５、を有する。
【００３８】
本実施例は図１の中性子計測装置２０のうち、核分裂物質２１を234Uと235Uの混合物質５１に変更したものである。その他の構成は、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有するので、説明を省略する。
234Uと235Uの混合物質５１に含まれる235Uは、熱中性子を吸収して核分裂反応を起こし、質量数が約９０の軽い核分裂片と、質量数が約１４０の重い核分裂片を生成する。一方、234Uと235Uの混合物質５１に含まれる234Uは、熱中性子を吸収すると、235Uを生成する。このため、熱中性子との反応により消耗した235Uを補うことができる。中性子の計数は、235Uと中性子との反応により生成される核分裂片の計数に相当するため、235Uの含有量を一定に保つことができれば、中性子感度も一定に保つことができる。したがって、例えば234Uと235Uの混合比を４：１とすることで、長期間の使用において中性子感度を一定に保つことのできる中子計測装置を実現できる。
【実施例４】
【００３９】
本実施例では、原子炉内の中性子を計測するだけでなく、核分裂物質と中性子の反応数を調節することにより、例えば中性子束が１０9n/cm2/s以上の高中性子束環境においても中性子検出器から出力されるパルスの計数が可能な中性子計測装置の例を説明する。
【００４０】
図５は、実施例４における中性子計測装置６０を示す構成図の例である。
【００４１】
中性子計測装置６０は、中性子検出器１２、前置増幅器３０、比例増幅器３１、波高弁別回路３２、演算処理装置３３、を有する。
【００４２】
本実施例の中性子検出器１２は、中性子吸収物質６１、核分裂物質２１、ダイヤモンド半導体２２、信号取り出し電極２３、対抗電極２４、基板２５、を有する。
【００４３】
本実施例は図１の中性子計測装置２０のうち、新たに中性子吸収物質６１を配置したものである。その他の構成は、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有するので、説明を省略する。
【００４４】
中性子吸収物質６１は、例えば前記核分裂物質２１の表面に配置され、中性子と反応することにより、放射線（例えばガンマ線）を放出する。ここで、前記中性子吸収物質６１に用いられる物質は、10Bを含む物質や113Cdを含む物質など、中性子と反応して、前記核分裂物質２１と中性子との反応により放出される核分裂片のエネルギーよりも低いエネルギーを有する放射線を放出する物質であればよい。
【００４５】
中性子検出器１２に入射する中性子束の一部は、前記中性子吸収物質６１と反応するため、前記中性子吸収物質６１の量を調節することにより、前記核分裂物質２１に入射する中性子束を調節することができる。したがって、前記核分裂物質２１に入射する中性子束を、前記中性子計測装置６０によって出力パルスの計数が可能な値に調節することにより、例えば中性子束が１０9n/cm2/s以上の高中性子束環境においても出力パルスの計数が可能な中性子計測装置を実現できる。出力パルスの計数ができると、波高弁別回路により波高弁別ができるため、中性子以外の放射線バックグランド（例えばガンマ線）の除去を容易に行うことができる。
【実施例５】
【００４６】
本実施例では、原子炉内の中性子を計測するだけでなく、中性子以外の放射線（例えばガンマ線）に対する感度を低下させた中性子計測装置の例を説明する。
【００４７】
図６は、実施例５における中性子計測装置７０を示す構成図の例である。
【００４８】
中性子計測装置７０は、中性子検出器１３、前置増幅器３０、比例増幅器３１、波高弁別回路３２、演算処理装置３３、を有する。
【００４９】
本実施例の中性子検出器１３は、核分裂物質２１、ダイヤモンド半導体の層７２、信号取り出し電極２３、対抗電極２４、基板２５、を有する。
【００５０】
本実施例は図１の中性子計測装置２０のうち、ダイヤモンド半導体２２を厚さが20μm以下であるダイヤモンド半導体の層７２に変更し、前記ダイヤモンド半導体の層７２の表面に核分裂物質２１を配置したものである。その他の構成は、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有するので、説明を省略する。
【００５１】
中性子を計測するにあたり、ガンマ線の計数が得られる原因は、ガンマ線と物質との相互作用（例えば光電効果やコンプトン散乱）により発生する電子が、ダイヤモンド半導体の層７２内部に電子−正孔対を形成するためである。従って、前記ダイヤモンド半導体の層７２の厚さを薄くすると、ガンマ線と物質との相互作用により発生した電子は、前記ダイヤモンド半導体の層７２中を透過しやすくなる。このため、ガンマ線の計数が減少し、ガンマ線に対する感度を低下させた中性子計測装置７０を実現できる。ダイヤモンド半導体の層７２の厚さは、ガンマ線の計数を最小限にするためにできるだけ薄いことが望ましい。層の厚さは２０μm以下であり、例えば、235Uと中性子との反応により生成される93Rbが１６０MeVの運動エネルギーを持ってダイヤモンド中に入射した場合の飛程である１２μm程度が望ましい。
【００５２】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した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、必ずしも説明した全ての構成を備えるもの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り、また、ある実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１０  中性子検出器
１１  中性子検出器
１２  中性子検出器
１３  中性子検出器
２０  中性子計測装置
２１  核分裂物質
２２  ダイヤモンド半導体
２３  信号取出電極
２４  対向電極
２５  基板
３０  前置増幅器
３１  比例増幅器
３２  波高弁別回路
３３  演算処理装置
４０  中性子計測装置
４３  演算処理装置
５０  中性子計測装置
５１  234Uと235Uの混合物質
６０  中性子計測装置
６１  中性子吸収物質
７０  中性子計測装置
７２  ダイヤモンド半導体の層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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