(57)【要約】【課題】核物質を非接触かつ非破壊で高精度に検出する。【解決手段】試料１００を透過した透過γ線１２は、ウィットネスフォイル２０に照射される。ウィットネスフォイル２０は、検出対象となる核種（例えばＰｕ−２３９）を多量含む薄膜である。この核物質検出方法においては、ウィットネスフォイル２０が発した中性子線１３を、中性子検出器３０で検出する。この中性子線１３は、ウィットネスフォイル２０に含まれる検出対象である核種の原子核が光核分裂する際に発せられる。検出対象である核種の原子核が光核分裂するように入射γ線１１は設定される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
γ線を試料に照射することによって試料に含まれる核物質を検出する核物質検出装置であって、
検出対象となる核物質の原子核に照射されることによって当該原子核において光核分裂反応を発生させる入射γ線を発生して前記試料に照射するγ線発生手段と、
前記入射γ線が前記試料を透過した後の透過γ線が照射され、当該透過γ線が照射されることによって中性子線を発するウィットネスフォイルと、
前記ウィットネスフォイルから発せられた前記中性子線を前記入射γ線の光軸から外れた方向において検出する中性子検出手段と、
を具備することを特徴とする核物質検出装置。
【請求項２】
前記γ線発生手段は、高エネルギー粒子とレーザー光とを衝突させた際のコンプトン効果によって前記入射γ線を発生させるレーザーコンプトンγ線源であることを特徴とする請求項１に記載の核物質検出装置。
【請求項３】
前記ウィットネスフォイルは、前記検出対象となる核物質を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の核物質検出装置。
【請求項４】
前記ウィットネスフォイルは、２重水素を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の核物質検出装置。
【請求項５】
前記入射γ線のピークエネルギーは３ＭｅＶ〜５ＭｅＶの範囲にあることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の核物質検出装置。
【請求項６】
γ線を試料に照射することによって試料に含まれる核物質を検出する核物質検出方法であって、
検出対象となる核物質の原子核に照射されることによって当該原子核において光核分裂反応を発生させる入射γ線を前記試料に照射し、
前記入射γ線が前記試料を透過した後の透過γ線を、当該透過γ線が照射されることによって中性子線を発する材料で構成されたウィットネスフォイルに照射し、
前記入射γ線の光軸から外れた方向における前記ウィットネスフォイルから発せられた前記中性子線の強度から、前記試料に含まれる核物質を検出することを特徴とする核物質検出方法。
【請求項７】
前記ウィットネスフォイルは、前記検出対象となる核物質を含むことを特徴とする請求項６に記載の核物質検出方法。
【請求項８】
前記ウィットネスフォイルは、２重水素を含むことを特徴とする請求項６に記載の核物質検出方法。
【請求項９】
前記入射γ線のピークエネルギーを３ＭｅＶ〜５ＭｅＶの範囲とすることを特徴とする請求項６から請求項８までのいずれか１項に記載の核物質検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核燃料物質（核物質）を高精度かつ非接触、非破壊で検出する核物質検出装置、核物質検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力において用いられる核燃料物質（核物質）は、兵器においても使用可能であり、特にこうした兵器がテロ活動において使用されることが懸念されている。このため、例えば空港においてこうした物質を検知する技術はテロ活動の防止のために極めて有効である。特にこうした場合には、容器の中に隠された物品に対して、核物質が含まれるか否かを、非接触かつ非破壊で判断することが必要となる。
【０００３】
また、こうした場合だけでなく、例えば原子炉の事故等によって発生した溶融核燃料の分析においても、同様の技術が必要である。例えば、溶融核燃料に人間が近づく、あるいは溶融核燃料を取り出して分析を行うことは、有害な放射線の存在によって、実質的には不可能である。こうした場合においても、例えば遮蔽物の外側から非接触、非破壊でその内部の溶融核燃料を分析することができれば、その処理において極めて有効である。
【０００４】
ここで分析対象となる核種は、核分裂物質であるＰｕ−２３９やＵ−２３５である。例えば、特許文献１には、Ｘ線等を試料に照射して、その透過画像を得ることにより、これらの核種を非破壊、非接触で検出する技術が記載されている。しかしながら、この技術は元素の識別には有効であるが、Ｘ線の透過特性は核種（同位体）の違いに依存しないため、同位体の識別は現実には不可能である。
【０００５】
一方、これらの核種が自発的に発するγ線や中性子を検出することにより、これらの核種を検出することも可能である。例えば、特許文献２にはγ線を検出する技術が、特許文献３には中性子を検出する技術が記載されている。これらの場合には、γ線や中性子線のスペクトル（エネルギー）を調べることにより、これを発した核種を特定することができる。しかしながら、これらの核種が自発的に発するγ線や中性子線のエネルギーは、１ＭｅＶ以下と低い場合が多い。このため、例えば試料が遮蔽物の中にある場合には、このγ線や中性子線は遮蔽物を透過することができないため、これらを充分な強度で検出することが困難である。また、特定エネルギーをもつγ線等と異なり、中性子のエネルギーは一般には連続的な広がりをもつため、中性子のエネルギーを計測して中性子を放出した核種を同定することは困難である。このため、やはり高い検出感度を得ることは困難である。
【０００６】
このように遮蔽された試料の分析を高精度で行うことのできる方法として、非特許文献１に記載されたウィットネスフォイル法が知られている。図５は、ウィットネスフォイル法の原理を示す図である。ウィットネスフォイル法では、試料１００に対して、入射γ線９１が照射される。入射γ線９１としては、レーザーコンプトンγ線が用いられる。レーザーコンプトンγ線は、例えば非特許文献２に記載されるように、加速器によって高エネルギー化された電子（高エネルギー粒子）とレーザー光（可視光）を衝突させることによって、レーザー光の光子にエネルギーを与えて高エネルギー化したγ線である。このγ線（エネルギーＥγ）は、準単色のスペクトルをもち、そのピークエネルギーは、電子のエネルギーを調整することによって適宜設定することができる。ここでは、図５に示されるように、このピークエネルギーをＥγ０、ピーク強度をａとする。ピークエネルギーＥγ０は、検出対象とする核種の原子核が核共鳴蛍光散乱を起こす共鳴エネルギーＥＮＲＦに一致させる。核共鳴蛍光散乱においては、原子核は、核種によって定まるある共鳴エネルギーの光子（γ線）を吸収して励起状態となり、γ線を放射して脱励起する。この共鳴エネルギーＥＮＲＦは、例えばＰｕ−２３９の場合には、２．１４３ＭｅＶとすることができる。このエネルギーのγ線は、透過力が高いため、遮蔽物が存在しても、これを透過することができる。
【０００７】
入射γ線９１において、核共鳴蛍光散乱を起こす光子は吸収されるため、試料１００を透過した透過γ線９２のスペクトルにおいては、図５に示されるように、Ｅγ０における強度がｃ（＝ａ−ｂ）に減少するように吸収ラインが形成される。ｂは検出対象となる核種の原子核の試料１００における存在量に応じて大きくなり、ｃは逆に小さくなる。すなわち、入射γ線９１のスペクトルにおける、Ｅγ０（＝ＥＮＲＦ）近辺の狭い範囲のエネルギーをもつ光子のみがこの核共鳴蛍光散乱に寄与し、吸収される。
【０００８】
ここでは、この透過γ線９２を、ウィットネスフォイル１１０に入射させる構成とする。ウィットネスフォイル１１０は、検出対象とする核種（例えば上記の場合にはＰｕ−２３９）を多量含む薄膜である。このため、透過γ線９２は、ウィットネスフォイル１１０において、試料１００においてと同様に、核共鳴蛍光散乱を発生させる。このため、ウィットネスフォイル１１０を透過後のγ線（ウィットネスフォイル透過γ線９３）のスペクトルにおいては、Ｅγ０（＝ＥＮＲＦ）における吸収が更に大きくなる。ただし、この場合に、試料１００における検出対象となる核種の存在量が多ければｃは小さくなり、Ｅγ０における光子の絶対量が少なくなるために、核共鳴蛍光散乱の発生は少なくなる。
【０００９】
そこで、ウィットネスフォイル１１０に近接させたγ線検出器１２０によって、核共鳴蛍光散乱によってウィットネスフォイル１１０から発生した蛍光γ線９４（ピークエネルギーＥγ１、ピーク強度ｄ）を検出すれば、そのピーク強度ｄはｃ（＝ａ−ｂ）に依存する。ここで、γ線検出器１２０がウィットネスフォイル透過γ線９３を検出せずに蛍光γ線９４のみを選択的に検出するように、γ線検出器１２０は、入射γ線９１の光軸から外して配置される。試料１００に検出対象の核種が存在しなければｄは大きくなり、検出対象の核種が多量に存在すればｄは小さくなる。このため、γ線検出器１２０の出力（蛍光γ線９４によるカウント数）からｂを算出することが可能であり、これによって検出対象となる核種の存在量を求めることができる。なお、γ線検出器１２０において検出されるのは、図５における蛍光γ線９４のスペクトルにおけるピークエネルギーをもつ光子だけではなく、ハッチングされた領域に含まれる全ての光子である。
【００１０】
この際、試料１００からもウィットネスフォイル１１０からと同様に蛍光γ線９４は放射されるが、例えば試料１００において検出対象の核種を含む物品が遮蔽されていた場合には、この蛍光γ線の検出を高効率で行うことは困難である。これに対して、ウィットネスフォイル１００とγ線検出器１２０との間の関係は、蛍光γ線９４を高効率で検出することが可能なように設定することができる。
【００１１】
また、図５に示された吸収ライン（ディップ）が含まれる透過γ線９２のスペクトルを精密に測定することができれば、図５におけるｂやｃをこれから求めることが可能であり、この場合にはウィットネスフォイル１１０等を用いる必要はない。しかしながら、この吸収ラインの幅は非常に狭いために、このスペクトルを精密に計測できる程度にエネルギー分解能の高いγ線検出器は、現実には存在しない。ウィットネスフォイル法においては、スペクトルを精密に計測する代わりに、ウィットネスフォイル１１０が発した蛍光γ線９４を検出することによって間接的にｂ、ｃを測定することができる。これによって、試料１００に含まれる検出対象の核種を検出する、あるいはその含有量を算出することが可能となる。
【００１２】
なお、上記の例では、入射γ線９１のピークエネルギーＥγ０が核共鳴蛍光散乱の共鳴エネルギーＥＮＲＦと等しいものとしたが、これらを厳密に等しくする必要はない。ただし、これらを一致させた方が検出精度が向上することは明らかである。また、図５においては、核共鳴蛍光散乱による吸収ラインを単純化して１本としているが、実際にはエネルギーが近接した複数の吸収ライン（エネルギーＥＮＲＦ１、ＥＮＲＦ２、・・・）が存在する。こうした場合であっても、個々の吸収ラインにおいて上記の関係が成立するため、蛍光γ線９４の強度と検出対象の核種の含有量との間の相関関係は同様である。この場合には、例えば最も吸収が大きくなる吸収ラインのエネルギーにＥγ０を適合させればよい。
【００１３】
このように、特にウィットネスフォイル法によれば、核物質を非接触かつ非破壊で検知することができ、遮蔽された物品の中にある核物質も高精度に検知することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Ｊ．Ｐｒｕｅｔ、Ｄ．Ｐ．ＭｃＮａｂｂ、Ｃ．Ａ．Ｈａｇｍａｎｎ、Ｆ．Ｖ．Ｈａｒｔｅｍａｎｎ、  ａｎｄ  Ｃ．Ｐ．Ｊ．Ｂａｒｔｙ、「Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ  Ｃｌａｎｄｅｓｔｉｎｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  ｗｉｔｈ  Ｎｕｃｅａｒ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ」、ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、ｖｏｌ．９９、ｐ１２３１０２、２００６年
【非特許文献２】Ｒ．Ｈａｊｉｍａ、Ｔ．Ｈａｙａｋａｗａ、Ｎ．Ｋｉｋｕｚａｗａ、  ａｎｄ  Ｅ．Ｍｉｎｅｈａｒａ、「Ｐｒｏｐｏｓａｌ  ｏｆ  ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ  ｒａｄｉｏｎｕｃｌｉｄｅ  ａｓｓａｙ  ｕｓｉｎｇ  ａ  ｈｉｇｈ−ｆｌｕｘ  ｇａｍｍａ−ｒａｙ  ｓｏｕｒｃｅ  ａｎｄ  ｎｕｃｌｅａｒ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ｖｏｌ．４５、Ｎｏ．５、ｐ４４１、２００８年
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２０１０−２０３８６３号公報
【特許文献２】特開２００５−１８０９３６号公報
【特許文献３】特開２００９−１９８４６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、入射γ線は、検出対象の核種以外の原子核や原子とも、核共鳴蛍光散乱以外のメカニズムで反応をする。この際、前記のウィットネスフォイル法で利用される核共鳴蛍光散乱の反応断面積は、各種の原子核、原子とγ線が他のメカニズムで反応する際の反応断面積と比べると、顕著に大きくなってはいない。このため、例えば遮蔽物を通してこの検知を行う場合においては、透過γ線は、実際には図５のように対象核種の原子核の核共鳴蛍光散乱の影響のみを受けるのではなく、検出対象となる核種の原子核をもつ原子以外の原子の影響も大きく受ける。このため、やはり核物質の高精度な検出は困難であった。
【００１７】
すなわち、核物質を非接触かつ非破壊で高精度に検出することは困難であった。
【００１８】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の核物質検出装置は、γ線を試料に照射することによって試料に含まれる核物質を検出する核物質検出装置であって、検出対象となる核物質の原子核に照射されることによって当該原子核において光核分裂反応を発生させる入射γ線を発生して前記試料に照射するγ線発生手段と、前記入射γ線が前記試料を透過した後の透過γ線が照射され、当該透過γ線が照射されることによって中性子線を発するウィットネスフォイルと、前記ウィットネスフォイルから発せられた前記中性子線を前記入射γ線の光軸から外れた方向において検出する中性子検出手段と、を具備することを特徴とする。
本発明の核物質検出装置において、前記γ線発生手段は、高エネルギー粒子とレーザー光とを衝突させた際のコンプトン効果によって前記入射γ線を発生させるレーザーコンプトンγ線源であることを特徴とする。
本発明の核物質検出装置において、前記ウィットネスフォイルは、前記検出対象となる核物質を含むことを特徴とする。
本発明の核物質検出装置において、前記ウィットネスフォイルは、２重水素を含むことを特徴とする。
本発明の核物質検出装置において、前記入射γ線のピークエネルギーは３ＭｅＶ〜５ＭｅＶの範囲にあることを特徴とする。
本発明の核物質検出方法は、γ線を試料に照射することによって試料に含まれる核物質を検出する核物質検出方法であって、検出対象となる核物質の原子核に照射されることによって当該原子核において光核分裂反応を発生させる入射γ線を前記試料に照射し、前記入射γ線が前記試料を透過した後の透過γ線を、当該透過γ線が照射されることによって中性子線を発する材料で構成されたウィットネスフォイルに照射し、前記入射γ線の光軸から外れた方向における前記ウィットネスフォイルから発せられた前記中性子線の強度から、前記試料に含まれる核物質を検出することを特徴とする。
本発明の核物質検出方法において、前記ウィットネスフォイルは、前記検出対象となる核物質を含むことを特徴とする。
本発明の核物質検出方法において、前記ウィットネスフォイルは、２重水素を含むことを特徴とする。
本発明の核物質検出方法は、前記入射γ線のピークエネルギーを３ＭｅＶ〜５ＭｅＶの範囲とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は以上のように構成されているので、核物質を非接触かつ非破壊で高精度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態となる核物質検出方法の原理を示す図である。
【図２】光核分裂と核共鳴蛍光散乱の反応断面積のγ線エネルギー依存性を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施の形態となる核物質検出装置の構成を示す図である。
【図４】Ｐｕ−２３９における光核分裂の反応断面積のγ線エネルギー依存性を示す図である。
【図５】ウィットネスフォイル法の原理を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態に係る核物質検出装置の構成、核物質検出方法について説明する。ここで検出される核物質は、核分裂物質であるＰｕ−２３９やＵ−２３５等である。この核物質検出方法においては、試料に対してレーザーコンプトンγ線が照射される点、ウィットネスフォイルが使用される点については、前記のウィットネスフォイル法と同様である。ただし、核物質の検出のために利用する反応が異なり、これに応じて、検出器が検出する対象も異なる。
【００２３】
図１は、第１の実施の形態となる核物質検出方法の原理を示す図である。この核物質検出方法においても、プローブとして用いられる入射γ線１１としては、レーザーコンプトンγ線が特に好ましく用いられる。試料１００を透過した透過γ線１２は、ウィットネスフォイル２０に照射される。ウィットネスフォイル２０は、検出対象となる核種（例えばＰｕ−２３９）を多量含む薄膜である。
【００２４】
図５に示した従来のウィットネスフォイル法においては、ウィットネスフォイル１１０が発した蛍光γ線９４を検出したのに対して、この核物質検出方法においては、ウィットネスフォイル２０が発した中性子線１３を、中性子検出器（中性子検出手段）３０で検出する。この中性子線１３は、ウィットネスフォイル２０に含まれる検出対象である核種の原子核が光核分裂する際に発せられる。このため、検出対象である核種の原子核が光核分裂するように入射γ線１１は設定される。この設定は、前記のウィットネスフォイル法における場合と同様に、レーザーコンプトンγ線においては容易である。
【００２５】
以下に、この核物質検出方法における作用について説明する。まず、非特許文献１に記載のウィットネスフォイル法において利用されたのは検出対象の核種によるγ線の核共鳴蛍光散乱であったのに対して、この核物質検出方法においては、γ線による光核分裂を利用する。光核分裂は原子核がγ線を吸収することによって分裂をする現象であり、アクチノイド元素に特有の現象である。この光核分裂が発生する際には、数個の即発中性子や遅発中性子が放射されるため、ここではこの中性子が検出される。
【００２６】
図２は、同一の核種における核共鳴蛍光散乱と光核分裂の反応断面積を、横軸を入射γ線のエネルギーＥγとして模式的に示した結果である。図２より特徴的なのは、まず、核共鳴蛍光散乱の反応断面積はデルタ関数的となっているのに対し、光核分裂の反応断面積は、ある閾値よりも上側で連続的に大きくなっている点である。また、光核分裂が起きるエネルギー域は、核共鳴蛍光散乱が起きるエネルギー域よりも高い。また、核共鳴蛍光散乱は多くの核種で発生するのに対し、光核分裂は、核物質を含むアクチノイドで特有の現象である。
【００２７】
図１においては、図５と同様に、入射γ線１１、透過γ線１２、中性子線１３、ウィットネスフォイル透過γ線１４のスペクトルがそれぞれ示されている。入射γ線１１（ピークエネルギーＥγ０、ピーク強度ａ）の形状は図５と同様であるが、図２より、Ｅγ０は特定のエネルギーに合致させる必要はなく、光核分裂の反応断面積が大きな範囲で設定することができ、例えば３〜５ＭｅＶとすることができる。ただし、このエネルギーは核共鳴蛍光散乱のエネルギーよりも高い。すなわち、従来のウィットネスフォイル法と比べてＥγ０は高くする。
【００２８】
光核分裂の反応断面積は連続的に大きな値を示すために、核共鳴蛍光散乱を利用する図５の場合とは異なり、入射γ線１１のスペクトルにおける広いエネルギー範囲の光子が、光核分裂反応に寄与して失われる。このため、透過γ線１２のスペクトルは、図１に示されるように、図５における透過γ線９２のスペクトルとは大きく異なった形状となる。透過γ線１２は、図５における透過γ線９２のように狭いエネルギー範囲（吸収ライン）でのみ強度が減少している形態ではなく、エネルギー範囲全体にわたり減少した形状（ピーク強度ｙ：ｙ＝ａ−ｘ）となる。
【００２９】
この透過γ線１２がウィットネスフォイル２０に入射した場合、試料１００においてと同様に、検出対象の核種の原子核が光核分裂を起こす。ここでも、透過γ線１２のスペクトルにおける広いエネルギー範囲の光子がこの光核分裂に寄与して失われる。このため、ウィットネスフォイル透過γ線１４のスペクトルは、図１に示されるように、透過γ線１２を更にエネルギー範囲全体にわたり一様に減少させた形状となる。
【００３０】
この失われた光子の分だけ光核分裂反応が発生し、この発生量に比例して中性子が放出される。この中性子が中性子線１３として中性子検出器（中性子検出手段）３０で検出される。ここで検出される中性子は、図１における中性子線１３のスペクトル（中性子エネルギーＥｎにおけるピークがＥｎ１）におけるハッチングされた領域に含まれる全ての中性子である。
【００３１】
中性子検出器３０としては、例えば、比例計数管やシンチレータと光電子増倍管を組み合わせたものを用いることができる。この場合、中性子だけでなく、γ線等も検出されるため、透過γ線１２が更にウィットネスフォイル２０を透過した後のウィットネスフォイル透過γ線１４が検出されないように、図５の場合と同様に、中性子検出器３０を入射γ線１１の光軸から外して配置することが好ましい。
【００３２】
なお、一般的に、図５において用いられるγ線検出器１２０の検出効率と図１において用いられる中性子検出器３０を比べると、γ線検出器１２０の検出効率は著しく低い。これは、γ線検出器の検出器として使用されるＧｅ半導体検出器においては、検出効率は使用されるＧｅ半導体結晶の大きさに依存し、現時点ではこの大きさの上限値に達しているためである。このため、γ線検出器の検出効率は典型的に０．５％程度である。一方、中性子検出器３０としては、３Ｈｅ比例計数管やＢＦ３比例計数管が用いられ、この場合には検出効率は５０％程度の高い値が得られている。
【００３３】
また、入射γ線１１をパルス化し、これが照射されている短時間の間で発生した中性子をモジュレーターで減速した上で、γ線に対して感度が非常に低い３Ｈｅ比例計数管等を中性子検出器３０として用いて測定することができる。この場合、中性子が減速されるために、中性子はγ線よりも大きく遅延するため、γ線のパルスが来ていない時間に中性子を検出することができる。このため、γ線のバックグラウンドが低い低バックグランドの状態で中性子線１３を検出することができる。こうした点から、中性子線１３を高効率で検出することが可能である。
【００３４】
更に、核分裂では、核分裂の発生から遅延して遅発中性子が放出される場合がある。この場合も、入射γ線をパルス化し、γ線が来ていないタイミングで、遅発中性子を検出することで、γ線の影響を除去して中性子検出の測定感度を更に上げることもできる。
【００３５】
このように、上記の構成においては、中性子線１３の中性子検出器３０による検出効率を極めて高くすることができる。一方、図５の構成において蛍光γ線９４を同様の手法で低バックグラウンドで高感度で検出することは不可能である。
【００３６】
この構成によれば、中性子検出器３０の出力（中性子線１３によるカウント数）より、透過γ線１２の強度（ｙに対応）を算出することが可能である。これにより、試料１００で失われたγ線の強度（ｘに対応）を算出することが可能であり、これより、試料１００における検出対象の核種の存在量を算出することが可能である。すなわち、非接触で試料１００における核物質を検出することができる。この際、図２より、光核分裂反応に寄与する光子の数は核共鳴蛍光散乱を用いる場合と比べて多く、かつその検出効率も高いため、従来のウィットネスフォイル法による場合と比べて高感度の検出が可能である。
【００３７】
なお、この検出の際に、試料１００における検出対象となる核種の原子核は、光核分裂反応を起こして壊変する。しかしながら、光核分裂を起こさない他の原子核は壊変しないため、実質的にこの核物質検出方法においては、試料１００は破壊されない。すなわち、非破壊で核物質を検出することが可能である。例えば原子炉では、核分裂で発生した中性子が別の原子核の核分裂を誘発し、連続的に核分裂を発生させる。しかし、そのためには水等の減速材で中性子のエネルギーを下げて核分裂が続くような条件を整える必要がある。本検出装置では、そのような減速材が特定の条件下で試料１００中に存在しない限り、連続的に核分裂反応が発生することはない。そのため、光核分裂反応が試料１００やウィットネスフォイル２０中で発生しても、危険性はない。また、入射γ線１１としてレーザーコンプトンγ線を用いれば、その指向性が極めて高いために、試料１００における特定の領域のみにこれを照射することが容易であり、光核分裂反応を狭い領域においてのみ発生させることができる。
【００３８】
ここで、前記の通り、この核物質検出方法によって、光核分裂反応を起こすアクチノイドのみが検出可能である。この中で、例えば特にＰｕ−２３９を選択的に検出するためには、光核分裂の反応断面積が光核分裂反応を起こす他の核種と比べてＰｕ−２３９の反応断面積が大きくなるエネルギー範囲に入射γ線１１を設定すればよい。ただし、例えば核物質の代表例であるＰｕ−２３９とＵ−２３５を共に検出したい場合には、入射γ線１１を、これらの核種における光核分裂の反応断面積が共に大きくなるエネルギー範囲に設定すればよい。いずれの場合においても、アクチノイド以外の原子核の存在は、ウィットネスフォイル２０における中性子線１３の発生に影響を与えないため、核共鳴蛍光散乱を用いる従来のウィットネスフォイル法と比べて高感度で核物質を検出することができる。このように、入射γ線１１のエネルギーＥγ０あるいはその半値幅等は、検出する対象や目的に応じて適宜設定することができる。レーザーコンプトンγ線を用いる場合には、使用する高エネルギー電子のエネルギー等を調整することによって、この設定を容易に行うことができる。
【００３９】
また、前記の通り、検出対象となる核種の原子核が光核分裂を起こす（光核分裂の反応断面積が大きくなる）ように、入射γ線１１のエネルギー域は設定される。図２より、このエネルギー域は、核共鳴蛍光散乱が起きるエネルギー域よりも高エネルギー側にある。このため、従来のウィットネスフォイル法における場合よりも、入射γ線１１のエネルギー域は高くなり、試料１００に対する透過能力はより高くなる。すなわち、遮蔽された物品に含まれる核物質の検出能力がより高くなる。
【００４０】
次に、上記の核物質検出方法を実現する核物質検出装置の構成について説明する。図３は、この核物質検出装置１０の構成の入射γ線１１の光軸に沿った断面図である。ここでは、γ線源（γ線発生手段）４０から発せられた前記の入射γ線１１は、鉛等で構成された放射線シールド５１中の開口を通して試料１００に照射される。放射線シールド５１は、入射γ線１１の一部や試料１００から発せられたγ線を遮蔽するために用いられる。γ線源４０としては、従来のウィットネスフォイル法と同様に、レーザーコンプトンγ線源が特に好ましく用いられる。
【００４１】
前記の通り、入射γ線１１は試料１００を透過して透過γ線１２となる。この際、試料１００から光軸から外れた方向には、散乱されたγ線や中性子線が発せられる。これらは、ウィットネスフォイル２０から発せられる中性子線１３を検出するに際してはノイズとなるために、放射線シールド５２、中性子シールド５３で遮られる。
【００４２】
その後、透過γ線１２は、モニター用γ線検出器６０を通り、その強度が検出される。モニター用γ線検出器６０としては、これによる透過γ線１２の減衰が無視できるように、ガスカウンターや、薄いプラスチックシンチレータを用いた検出器等を使用することができる。ただし、これによる透過γ線１２の減衰が無視できない程度であっても、その減衰の状況が予測できるものであれば、この減衰の状況を考慮してデータ処理を行うことが可能である。また、モニター用γ線検出器６０の出力によって中性子検出器３０の検出タイミングを設定することができる。モニター用γ線検出器６０からもγ線や中性子が放出されるため、これらを遮蔽するために放射線シールド５４がその周囲に、放射線シールド５５、中性子シールド５６がその後方に設けられる。
【００４３】
前記の通り、この透過γ線１２は、ウィットネスフォイル２０に照射される。ウィットネスフォイル２０の周囲には、前記の通り中性子検出器３０が設けられる。中性子検出器３０は、入射γ線１１（透過γ線１２）の光軸から外れた方向の中性子を検出するために、ウィットネスフォイル２０を囲んで光軸の周囲に設けられる。また、中性子検出器３０に隣接してモニター用γ線検出器６１を設けることにより、ウィットネスフォイル２０から発せられた散乱γ線や蛍光γ線を検出すれば、これらのγ線に関する情報も解析に利用することもできる。
【００４４】
なお、図１と同様の関係で入射γ線１１、試料１００、透過γ線１２、ウィットネスフォイル２０、中性子検出器３０が設けられる限りにおいて、これら以外の構成要素の有無やその配置は任意である。例えば、モニター用γ線検出器６０、６１は、これらによって検出されるγ線による情報を、中性子検出器３０の動作や解析において使用する必要がなければ、設ける必要はない。あるいは、モニター用γ線検出器６１はウィットネスフォイル２０の後方に設けることもできる。その他、放射線シールド、中性子シールドは、ウィットネスフォイル２０に透過γ線１２以外の放射線（γ線、中性子線）が照射されないように、あるいは、γ線や中性子が外部に漏れないように適宜配置することができる。
【００４５】
また、ウィットネスフォイル２０には、前記の通り、検出対象となる核種が多量に含まれていることが好ましい。この点については従来のウィットネスフォイル法と同様である。しかしながら、幅の狭い吸収ラインにおける透過γ線の強度を測定することが目的であった従来のウィットネスフォイル法とは異なり、この核物質検出方法においては、透過γ線の広いエネルギー範囲における積分強度を測定すればよい。このため、ウィットネスフォイル２０において、透過γ線１２が照射されることによって中性子線１３を発する核種が含まれれば、同様に使用することが可能である。この場合、検出対象となる核物質以外の材料を使用することができる。こうした材料としては、例えば２重水素を含む材料（重水等）がある。この場合には、ウィットネスフォイル２０の取り扱いが安全かつ容易、かつこれを安価とすることができる。ウィットネスフォイル２０をこうした材料で構成するに際しては、例えばこうした材料が含まれる気体や液体を封止して薄板状とした形態とすることができる。
【００４６】
また、前記の通り、γ線源４０としては、ピークエネルギーや半値幅が可変であるレーザーコンプトンγ線源が特に好ましく用いられるが、他のγ線源であっても、所望のエネルギー範囲、強度のγ線を発することができ、局所的に試料にこれを照射することができるγ線源であれば、同様に用いることができることは明らかである。
【００４７】
上記の通り、この核物質検出方法、核物質検出装置によれば、遮蔽された物品の中にある核物質を、非破壊、非接触で高精度に検知することができる。このため、これを用いて、隠された核兵器を検出することが可能である。また、例えば事故によって発生した原子炉の溶融燃料等は、熔融燃料から発生する高い放射線を防護するために各種の構造物の中において存在するため、こうした溶融燃料の分析においても極めて有効である。
【００４８】
（実施例）
従来の核蛍光共鳴散乱法を使った場合と、光核分裂を用いた本発明の核物質検出方法による測定精度についての比較を計算により行った。ここで、試料や統一とすることができる測定条件は同一とした。試料としては、直方体（１ｃｍ×１ｃｍ×４ｃｍ、重量６４ｇ）における１ｃｍ×１ｃｍの面からγ線を照射するものとした。試料の主成分は酸化ウランであり、検出対象は含有量１％の酸化プルトニウム（Ｐｕ−２３９）である。入射するレーザーコンプトンγ線のエネルギー幅はｄＥ／Ｅ＝３％とし、入射したγ線全体で１０８光子／ｓのフラックスをもつものとした。このフラックスは輝度にすると７×１０４光子／ｓ／ｅＶとなる。測定時間は３００秒とした。核共鳴蛍光散乱法に対しては、入射γ線の中心エネルギーを２．２ＭｅＶ、本発明の核物質検出方法においては、エネルギーをこれよりも高い５．４ＭｅＶとした。ウィットネスフォイルからの散乱γ線を測定する検出器の検出効率は０．５％を仮定し、前記の通り、中性子検出器の検出効率はこれよりも高い５０％とした。また、ここで用いられたＰｕ−２３９の光核分裂の反応断面積のγ線エネルギー依存性（図２に対応）を図４に示す。
【００４９】
上記の仮定のもとで、従来の光核共鳴散乱法によれば、３００秒の測定時間で、１％のＰｕ−２３９を約２５％の誤差（γ線検出器のカウントの統計誤差）で測定できる。一方、本発明の核物質検出方法によれば、１２％の誤差（中性子検出器のカウントの統計誤差）で測定でき、精度が２倍以上改善する。すなわち、Ｐｕ−２３９の高精度の検出が可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１０  核物質検出装置
１１、９１  入射γ線
１２、９２  透過γ線
１３  中性子線
１４、９３  ウィットネスフォイル透過γ線
２０、１１０  ウィットネスフォイル
３０  中性子検出器（中性子検出手段）
４０  γ線源（γ線発生手段）
５１、５２、５４、５５  放射線シールド
５３、５６  中性子シールド
６０、６１  モニター用γ線検出器
９４  蛍光γ線
１２０  γ線検出器
【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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