(57)【要約】【課題】小型かつ比較的簡単な構成で、検出対象ガスの放射能濃度を核種ごとに測定できる放射性ガスモニタを提供する。【解決手段】放射性ガスモニタ１は、検出対象ガスＧを通過させる流路が介在した一対の電極である芯線１０６および外側電極１０７を有する通気式の内側電離箱１０４と、内側電離箱１０４の外側に設けられ、電離ガスを含む空洞が介在した一対の電極である内側電極１１０および外側電極１１０；１１１ａ，…，１１１ｎを有する外側電離箱１０５と、内側電離箱１０４と外側電離箱１０５との間に設けられ、検出対象ガスＧが発生する放射線のエネルギーを損失させるためのエネルギー損失材１０９とを備え、エネルギー損失材１０９のエネルギー損失量は、内側電離箱１０４の流路に沿って変化している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出対象ガスを通過させる流路が介在している一対の電極を有する通気式の内側電離箱と、
前記内側電離箱の外側に設けられ、電離ガスを含む空洞が介在している一対の電極を有する外側電離箱と、
前記内側電離箱と前記外側電離箱との間に設けられ、検出対象ガスが発生する放射線のエネルギーを損失させるためのエネルギー損失材とを備え、
該エネルギー損失材のエネルギー損失量は、前記流路に沿って変化していることを特徴とする放射性ガスモニタ。
【請求項２】
前記外側電離箱において、一対の電極のうち内側電極は単一の電極として構成され、一対の電極のうち外側電極は複数の電極として構成されることを特徴とする請求項１記載の放射性ガスモニタ。
【請求項３】
前記外側電極に接続された電荷型増幅器と、
該電荷型増幅器から出力されるパルス信号を計数するカウンタ回路とをさらに備えることを特徴とする請求項２記載の放射性ガスモニタ。
【請求項４】
前記外側電離箱において、一対の電極のうち内側電極は導電性材料からなる単一の電極として構成され、一対の電極のうち外側電極は抵抗性材料からなる単一の電極として構成されることを特徴とする請求項１記載の放射性ガスモニタ。
【請求項５】
前記外側電極の両端に接続された２つの電荷型増幅器と、
各電荷型増幅器から出力されるパルス信号の波高値を計測するパルス波高測定回路とをさらに備えることを特徴とする請求項４記載の放射性ガスモニタ。
【請求項６】
前記エネルギー損失材は、前記流路に沿って外径が連続的に変化している円錐台形状または角錐台形状を有することを特徴とする請求項１記載の放射性ガスモニタ。
【請求項７】
前記エネルギー損失材は、前記流路に沿って外径がステップ状に変化している階段ピラミッド形状を有することを特徴とする請求項１記載の放射性ガスモニタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出対象ガスの放射能濃度を核種ごとに弁別して測定する放射性ガスモニタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、原子力施設、放射性同位元素取扱施設などに設置されている放射性ガスモニタは、プラスチックシンチレータ、電離箱等を用いることで検出対象ガスの放射能濃度を測定していた。しかし、通常、プラスチックシンチレータ、電離箱ではβ線の個数は計測できるが、β線のエネルギーを測定することは困難であるため、核種を同定することができなかった。そのため、計測したβ線の個数データのみから特定核種の放射能濃度に換算するだけであったため、複数の個別の核種の放射能濃度を測定することが困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第２９３０５１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
β線のエネルギーを測定することができれば、測定対象ガスに含まれる核種ごとに放射能濃度を計測することができ、例えば施設内のどこで漏洩が起こったかなど、不具合原因を特定することが容易になる等の利点がある。
【０００５】
特許文献１で提案されている手法では、有感体積がそれぞれ異なる内側電離箱と外側電離箱とを備え、β線の飛程がエネルギーに依存することを利用してβ線を弁別している。即ち、有感体積の小さな内側電離箱と有感体積の大きな外側電離箱に検出対象ガスを順番に導き、両電離箱の電離電流の比率を計算することによって、β線を２つのエネルギー領域ごとに弁別し、核種を２つに大別して放射能濃度を測定することができる。
【０００６】
しかしながら、検出対象核種が３種類以上ある場合、それらの核種を弁別するためには有感体積の異なる電離箱を数多く備える必要がある。そのため、弁別したいエネルギー領域ごとに別々の検出器セルを用意しなければならず、検出システム全体が複雑になり大型化する。一方、特許文献１のような構成では、現実的には核種を大まかに２つにしか大別することしかできず、個々の放射性物質の濃度を測定することができない。
【０００７】
本発明の目的は、小型かつ比較的簡単な構成で、検出対象ガスの放射能濃度を核種ごとに測定できる放射性ガスモニタを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明に係る放射性ガスモニタは、
検出対象ガスを通過させる流路が介在している一対の電極を有する通気式の内側電離箱と、
前記内側電離箱の外側に設けられ、電離ガスを含む空洞が介在している一対の電極を有する外側電離箱と、
前記内側電離箱と前記外側電離箱との間に設けられ、検出対象ガスが発生する放射線のエネルギーを損失させるためのエネルギー損失材とを備え、
該エネルギー損失材のエネルギー損失量は、前記流路に沿って変化していることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、検出対象ガスが内側電離箱の流路を通過する際、ガスに含まれる放射性核種からβ線が放出される。こうしたβ線は、最初に内側電離箱によって検出され、続いてエネルギー損失材を通過する際にエネルギーを除々に失い、そして外側電離箱によって再び検出される。このときエネルギー損失材のエネルギー損失量が流路に沿って変化しているため、外側電離箱に到達できるβ線の数は、外側電離箱に到達する場所に応じて変化する。その結果、測定核種のβ線エネルギーの大きさと、外側電離箱での検出位置との対応付けが可能になり、β線エネルギーを空間的に弁別することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１による放射性ガスモニタの構成を示す斜視図である。
【図２】放射性ガスモニタの中心軸に沿った縦断面図である。
【図３】放射性ガスモニタの電気的構成の他の例を示す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態２による放射性ガスモニタの構成を示す縦断面図である。
【図５】本発明の実施の形態３による放射性ガスモニタの構成を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による放射性ガスモニタの構成を示す斜視図である。図２は、放射性ガスモニタの中心軸に沿った縦断面図である。検出対象ガスＧは、例えば、Ｘｅ−１３３、Ｋｒ−８５、Ａｒ−４１など、β線を放出する放射性核種を含む。
【００１２】
放射性ガスモニタ１は、通気式の内側電離箱１０４と、内側電離箱１０４の外側に設けられた外側電離箱１０５と、内側電離箱１０４と外側電離箱１０５との間に設けられたエネルギー損失材１０９などを備える。
【００１３】
内側電離箱１０４は、中心軸と平行な側面および両端面を有するハウジングと、中心軸上に設置された導電性の芯線１０６と、芯線１０６から空間を隔てて設置された外側電極１０７とを備える。外側電極１０７は、ハウジング側面の内壁に沿って設置してもよく、あるいはハウジング側面と兼用することも可能である。ハウジングの一方の端面にはガス入口１０２が設けられ、ハウジングの他方の端面にはガス出口１０３が設けられ、ハウジング空洞は、検出対象ガスを通過させる流路として機能する。検出対象ガスＧは、ガス入口１０２からガス出口１０３に向かって流れる。芯線１０６および外側電極１０７は、両者間に流路が介在する一対の電極として機能する。
【００１４】
外側電離箱１０５は、空洞を形成するためのハウジングと、単一の電極として構成された内側電極１１０と、複数の電極として構成された外側電極１１１ａ，…，１１１ｎとを備える。空洞には、電離ガス（例えば、空気、窒素、キセノンなど、化学的に不活性なガス）が充填される。内側電極１１０および各外側電極１１１ａ，…，１１１ｎは、両者間に空洞が介在する一対の電極として機能する。
【００１５】
エネルギー損失材１０９は、検出対象ガスＧが発生するβ線のエネルギーを損失させる機能を有し、エネルギー損失材１０９の厚さ、材質などが空間的に変化することによって、そのエネルギー損失量も内側電離箱１０４の流路に沿って変化するように分布している。一例として、エネルギー損失材１０９は、図２に示したように、内側電離箱１０４の流路に沿って外径が連続的に変化している円錐台形状または角錐台形状、いわゆる「テーパリング形状」を有してもよい。この場合、下方の位置になるほど、β線のエネルギー損失量がより大きくなり、一方、上方の位置になるほど、β線のエネルギー損失量がより小さくなる。なお、エネルギー損失材１０９は、内側電離箱１０４および外側電離箱１０５の支持部材としての機能を備えてもよい。
【００１６】
次に電気的構成について説明する。内側電離箱１０４の芯線１０６と外側電極１０７との間、および外側電離箱１０５の内側電極１１０と各外側電極１１１ａ，…，１１１ｎとの間には、直流の高電圧がそれぞれ印加されるように高圧電源１０８が接続される。そして、外側電離箱１０５の各外側電極１１１ａ，…，１１１ｎに流れる電流をそれぞれ測定する複数の直流微小電流計（図のＡ）が設けられる。同様に、内側電離箱１０４の外側電極１０７に流れる電流を測定する直流微小電流計（図のＡ）が設けられる。なお、芯線１０６および各外側電極１１１ａ，…，１１１ｎはそれぞれ接地される。各直流微小電流計の出力信号は、マイクロプロセッサなどを含む演算装置１１５に取り込まれる。
【００１７】
次に動作について説明する。検出対象ガスＧがガス入口１０２から内側電離箱１０４の流路を通過する際、放射性核種がβ線を放出してガス分子に衝突すると、電子とイオンに電離した状態になる。内側電離箱１０４で電離した場合は、芯線１０６と外側電極１０７との間の電界に沿って電子とイオンが互いに反対方向に流動して、電流が発生する。一方、外側電離箱１０５で電離した場合、内側電極１１０と各外側電極１１１ａ，…，１１１ｎとの間の電界に沿って電子とイオンが互いに反対方向に流動して、電流が発生する。このとき、電離した位置に最も近い外側電極１１１ａ，…，１１１ｎを通じて電流が流れるため、電流が流れた外側電極を識別することによって電離位置を空間的に弁別できる。発生した電流の値は、直流微小電流計によって測定される。
【００１８】
検出対象ガスＧが放出したβ線の飛程は、β線のエネルギーが高いほど長く、逆にエネルギーが低いほど短い。図２では、一例として、β粒子「β１」、「β２」、「β３」があり、それぞれエネルギーを３つの領域に区分して、高エネルギーβ粒子、中エネルギーβ粒子、低エネルギーβ粒子と呼ぶこととする。なお、ここでいうエネルギーは放射性核種から放出するβ線のエネルギーを便宜的に区分したものであり、β線エネルギーは例えば低いものでは数ｋｅＶ程度から、高いものでは数ＭｅＶ程度まで様々なものがある。
【００１９】
内側電離箱１０４内では、「β１」、「β２」、「β３」いずれのβ線もガス分子を電離させることができる。さらに、エネルギーが比較的高い「β１」、「β２」のβ線は、外側電極１０７、エネルギー損失材１０９および内側電極１１０を貫通して外側電離箱１０５の空洞にまで到達する。上述したように、β線の飛程はβ線のエネルギーが高いほど長く、逆にエネルギーが低いほど短い。これは、テーパリング状のエネルギー損失材１０９についても同様である。従って、β線のエネルギーによって、通過できるエネルギー損失材１０９の厚さ、すなわち半径方向の距離が異なる。例えば、エネルギーの高い「β１」は通過できる厚さが厚いため、図２の符号１１３で示す領域１まで達することができる。一方、「β１」よりもエネルギーが低い「β２」は、符号１１４で示す領域２には達することができるが、符号１１３で示す領域１には達することができない。従って、領域１では「β１」のみによりガスが電離し、領域２では「β１」および「β２」によりガスが電離することになる。
【００２０】
なお、外側電離箱１０５の空洞の径方向寸法、すなわち電極間距離はどの位置でもほぼ一定であるので、エネルギー損失材１０９を通過したβ線が空洞に付与するエネルギーはほぼ一定となる。従って、領域１、領域２での電離量は、β線の初期エネルギーにはほぼ依存せず、空洞に到達したβ線の個数にほぼ比例することになる。外側電離箱１０５の外側内面には、軸方向に分割された複数の外側電極１１１ａ，…，１１１ｎが設けられているため、対応する領域１、領域２等での電離量が測定できる。
【００２１】
以上のように、内側電離箱１０４では「β１」、「β２」、「β３」いずれのβ線によってもガス分子が電離し、外側電離箱１０５の符号１１４で示す領域２では「β１」、「β２」のβ線によってガス分子が電離し、外側電離箱１０５の符号１１３で示す領域１では「β１」のβ線によってガス分子が電離する。そして、それぞれの場合に対応する電離電流値が各直流微小電流計により測定される。各直流微小電流計の出力値は演算装置１１５に伝送され、演算により「β１」、「β２」、「β３」の個々のエネルギー値が求められる。これにより、β線をエネルギー領域ごとに区分して測定することができる。
【００２２】
上記の例では、理解容易のため、β線のエネルギーを「β１」、「β２」、「β３」の３区分として説明したが、外側電極１１１ａ，…，１１１ｎの設置個数に応じて測定対象の空洞領域を任意に分割することができるので、原理的にはβ線のエネルギーを連続的に弁別することが可能となる。
【００２３】
従って、本実施形態に係る放射性ガスモニタ１は、検出対象ガスＧのβ線のエネルギーを任意の領域に弁別することができるので、検出対象ガスＧのβ線をエネルギーごとに細かく連続的に弁別して個々の核種を識別することができる。また、放射性ガスモニタ１を内側電離箱１０４および外側電離箱１０５の２つの検出器セルで構成できるので、装置の小型化、低コスト化が図られる。
【００２４】
図３は、放射性ガスモニタの電気的構成の他の例を示す説明図である。β線のエネルギーを測定するために、図２の構成では直流微小電流計を用いて電離電流を測定しているが、図３の構成では電荷型増幅器を用いたパルス計数を採用している。
【００２５】
図３において、内側電離箱１０４の芯線１０６と外側電極１０７との間、および外側電離箱１０５の内側電極１１０と各外側電極１１１ａ，…，１１１ｎとの間には、直流の高電圧がそれぞれ印加されるように、負荷抵抗を介して高圧電源１０８が接続される。そして、芯線１０６および各外側電極１１１ａ，…，１１１ｎには、適切な時定数に設定した電荷型増幅器２１３がそれぞれ接続される。電荷型増幅器２１３は、入力された電荷を電圧パルス信号に変換する機能を有し、その出力をカウンタ回路２１４で計数することによって、単位時間当りのパルス数を求めることができる。単位時間当りのパルス数は、マイクロプロセッサなどを含む演算装置１１５に取り込まれ、β線のエネルギーに換算される。その結果、β線のエネルギー弁別が可能になり、核種の放射能濃度を測定することができる。
【００２６】
このように図３の構成では、パルス計測を行うことにより、β線の粒子１つ１つを計数することができるため、極めて低い放射能濃度であっても高感度に測定できる。
【００２７】
なお、本実施形態では内側電離箱１０４を円筒形状とし、外側電離箱１０５を円錐台形状としているが、こうした形状に限らず、例えば平板型形状でも構わない。また、エネルギー損失材１０９は材料が一様で厚さを変化させたものとしているが、組成、密度などを変化させてもβ線のエネルギーを変化させる効果があるので、エネルギー損失材１０９の場所により材質を変えても同等の効果が得られる。
【００２８】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２による放射性ガスモニタの構成を示す縦断面図である。本実施形態は、実施の形態１と比べて、内側電離箱１０４およびエネルギー損失材１０９の構成は同じであるが、外側電離箱１０５の外側電極が単一の電極として構成されている点で相違する。なお、実施の形態１と同様な構成については重複説明を省略する。
【００２９】
外側電離箱１０５は、空洞を形成するためのハウジングと、導電性材料からなる単一の電極として構成された内側電極１１０と、抵抗性材料からなる単一の電極として構成された外側電極３１１とを備え、電荷分布の重心位置を検出できるＰＳＤ（位置検出素子）のような動作を行う。導電性材料は、一般の電極材料、例えば、金、銀、銅、アルミニウムなどであり、一方、抵抗性材料は、導電性材料よりも電気抵抗率が高い材料、例えば、グラファイト、タングステンなどである。
【００３０】
次に電気的構成について説明する。内側電離箱１０４の芯線１０６と外側電極１０７との間には、直流の高電圧がそれぞれ印加されるように、負荷抵抗を介して高圧電源１０８が接続される。一方、外側電極３１１の上端部および下端部にリード線がそれぞれ接続される。そして、外側電離箱１０５の内側電極１１０と外側電極３１１の各リード線との間には、直流の高電圧がそれぞれ印加されるように、負荷抵抗を介して高圧電源１０８ａが接続される。
【００３１】
外側電極３１１の各リード線、内側電極１１０および外側電極１０７には、適切な時定数に設定した電荷型増幅器２１３ａ〜２１３ｄがそれぞれ接続される。電荷型増幅器２１３ａ〜２１３ｄは、入力された電荷を電圧パルス信号に変換する機能を有し、そのパルスの波高値は、パルス波高測定回路３１４ａ〜３１４ｄによってそれぞれ計測される。計測されたパルス波高値は、マイクロプロセッサなどを含む演算装置１１５に取り込まれる。
【００３２】
次に動作について説明する。エネルギーが比較的高い「β１」、「β２」のβ線が、外側電極１０７、エネルギー損失材１０９および内側電極１１０を貫通して外側電離箱１０５の空洞にまで到達して、ガス分子を電離する。このとき電離電流が発生し、抵抗性材料で形成された外側電極３１１を通じて上側リード線と下側リード線に分岐して流れる。これは、電離位置に応じて、外側電極３１１の端部（リード線が接続されている箇所）までの距離が変わるので、電離位置によって端部までの電気抵抗値に応じて電流値が比例配分されるためである。
【００３３】
詳細には、図４において、外側電極３１１の母線方向に沿った長さをＬとし、「β１」が入射してガスが電離した位置から外側電極３１１の上端までの距離をｘとする。電離により生じた電荷量をＱとすると、電荷型増幅器２１３ａの出力パルス波高値は、［１−（ｘ／Ｌ）］Ｑに比例し、電荷型増幅器２１３ｂの出力パルス波高値は、（ｘ／Ｌ）Ｑに比例する。また、電荷量Ｑは、電荷型増幅器２１３ｃのパルス波高値に比例する。
【００３４】
従って、電荷型増幅器２１３ａ，２１３ｂ，２１３ｃの出力パルス波高値をそれぞれパルス波高測定回路３１４ａ，３１４ｂ，３１４ｃで測定し、これらの測定値から演算装置１１５が距離ｘを算出する。そして、距離ｘに対応するパルスの数を計数することにより、β線のエネルギーごとのカウント数を求めることができるので、β線のエネルギー弁別が連続的に可能となる。
【００３５】
また、内側電離箱１０４においても同様に、電荷型増幅器２１３ｄの出力パルス波高値をそれぞれパルス波高測定回路３１４ｄで測定し、この測定値から演算装置１１５がβ線の初期エネルギーを算出する。
【００３６】
本実施形態では、発生した電荷をアナログで分割するので、原理的には連続的に電離位置を求めることができる。すなわち、極めて高い分解能で位置特定ができるので、それに対応したβ線のエネルギーを高分解能で弁別でき、結果として様々な核種を弁別できる測定が可能となる。
【００３７】
実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３による放射性ガスモニタの構成を示す縦断面図である。本実施形態は、実施の形態１と比べて、内側電離箱１０４の構成は同じであるが、エネルギー損失材４０９は、内側電離箱１０４の流路に沿って外径がステップ状に変化している階段ピラミッド形状を有する点で相違する。これに伴って外側電離箱１０５も階段ピラミッド形状を有し、空洞を形成するためのハウジングと、単一の電極として構成された内側電極１１０と、複数の電極として構成された外側電極１１１ａ，…，１１１ｎとを備える。なお、実施の形態１と同様な構成については重複説明を省略する。
【００３８】
エネルギー損失材４０９は、段ごとに外径が異なる複数の円柱または角柱からなる積層体形状をなし、各段の軸方向の高さはほぼ同じになるように設定される。一方、各段の半径方向の長さは異なっており、好ましくは、測定対象とする種々のβ線の飛程に対応した値に設定される。こうした測定対象の核種の飛程に対応して複数の長さに設定することによって、核種を的確に弁別することができる。一例として、エネルギー損失材４０９の各段の半径方向の長さは、簡易的に次のように設定することができる。
【００３９】
今、測定対象核種をＸｅ−１３３（β線平均エネルギー：１１５ｋｅＶ）、Ｋｒ−８５（β線平均エネルギー：２２９ｋｅＶ）、Ａｒ−４１（β線平均エネルギー：４００ｋｅＶ）の３種類とする。例えば、エネルギー損失材４０９の材質をポリエチレンとする場合、半径方向の長さはポリエチレン中の各核種のβ線平均エネルギーと同程度になるようにする。
【００４０】
文献「アイソトープ便覧（改訂３版）」（丸善、１９８４年発行）の３３頁の式（５・６）に、単一エネルギーの電子に対するアルミニウム中の飛程の経験式が次のように掲載されている。
Ｒ＝０．４１２Ｅ１．２６５−０．０９５４ｌｎＥ  （２．５＞Ｅ＞０．０１ＭｅＶ）  …（１）
【００４１】
但し、飛程Ｒの単位は［ｇ・ｃｍ−２］、電子のエネルギーＥの単位は［ＭｅＶ］である。この式はアルミニウムのものであるが、物質によってあまり変わらないことが知られているので、ポリエチレン中の飛程（単位面積あたりの重量）をこの式から算出し、密度換算により厚さを求めることとする。
【００４２】
まず、Ｘｅ−１３３の平均エネルギーは１１５ｋｅＶなので、上式に代入すると単位密度当りの飛程Ｒが得られる。
Ｒ（Ｘｅ−１３３）＝０．０１７［ｇ・ｃｍ−２］    …（２）
【００４３】
この値をポリエチレンの密度０．９［ｇ・ｃｍ−３］で除算すると、ｃｍ単位で表した実際の飛程Ｒｅが得られる。
Ｒｅ（Ｘｅ−１３３）＝０．０１９［ｃｍ］＝０．１９［ｍｍ］  …（３）
【００４４】
他の核種についても同様に求めると、下記のようになる。
Ｒｅ（Ｋｒ−８５）＝０．５８［ｍｍ］    …（４）
Ｒｅ（Ａｒ−４１）＝１．３３［ｍｍ］    …（５）
【００４５】
従って、各段の半径方向の長さを０．１９ｍｍ，０．５８ｍｍ，１．３３ｍｍに設定することにより、上記３種類の核種に対応してエネルギー弁別が可能になり、他核種の影響を最小限に抑えることができる。その結果、核種ごとの放射能濃度を的確に求めることができる。
【００４６】
なお、本実施形態では、Ｘｅ−１３３，Ｋｒ−８５，Ａｒ−４１の３種類の核種について設計手法を例示したが、これ以外の核種を含む４種類以上の核種についても同様な手順で各段の半径方向の長さを算出することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１，２，３，４  放射性ガスモニタ、  １０２  ガス入口、  １０３  ガス出口、
１０４  内側電離箱、  １０５  外側電離箱、  １０６  芯線、
１０７  外側電極、  １０８  高圧電源、  １０９，４０９  エネルギー損失材、
１１０  内側電極、  １１１ａ〜１１１ｎ，３１１  外側電極、
１１３  領域１、  １１４  領域２、  １１５  演算装置、
２１３，２１３ａ〜ｄ  電荷型増幅器、  ２１４  カウンタ回路、
３１４ａ〜ｄ  パルス波高測定回路、  Ｇ  検出対象ガス。
【図１】
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【図２】
2015143663.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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