(57)【要約】【課題】本発明は、光ファイバにおけるシンチレータ光の損失を低減し、放射線センサの計測範囲を飛躍的に拡大させた放射線センサを提供することを目的としている。【解決手段】本発明にかかる放射線センサの代表的な構成は、放射線の入射により発光するシンチレータ１０２と、シンチレータ１０２で発光した光を導く石英を主成分とする光ファイバ１０４と、光ファイバ１０４に接続された光検出部とを備え、シンチレータ１０２は、１３００ｎｍ帯または１５５０ｎｍ帯の光を発光することを特徴とする。【選択図】図１
2009036752.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射線の入射により発光するシンチレータと、
前記シンチレータで発光した光を導く石英を主成分とする光ファイバと、
前記光ファイバに接続された光検出部とを備え、
前記シンチレータは、１３００ｎｍ帯または１５５０ｎｍ帯の光を発光することを特徴とする放射線センサ。
【請求項２】
放射線の入射により発光するシンチレータと、
前記シンチレータで発光した光を導く石英を主成分とする光ファイバと、
前記光ファイバに接続された光検出部とを備え、
前記シンチレータは、１０００ｎｍ帯から１８００ｎｍ帯までの光を発光することを特徴とする放射線センサ。
【請求項３】
前記光ファイバの長さは略３０ｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の放射線センサ。
【請求項４】
前記シンチレータは、透明材料に希土類元素を添加して構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の放射線センサ。
【請求項５】
前記希土類元素は、エルビウム、プラセオジム、ネオジム、ツリウム、イッテルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、サマリウムの中から選択される１または２以上の元素であることを特徴とする請求項４記載の放射線センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射線の入射により発光するシンチレータを用いる放射線センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
放射線センサの１つとして、シンチレータがある。シンチレータは、放射線が特定の物質に入射したときに、そのエネルギーによって物質の電子が励起され、電子の準位が落ちるときに光（蛍光）を放出する現象（シンチレーション）を利用した放射線検出器である。シンチレータから発光した光は光ファイバによって導き、微弱な発光を光電子増倍管で増幅し、光検出部によって電気信号に変換して、放射線の計数・分析のために使用される。
【０００３】
このような放射線センサは、大きなものでは原子力発電所において、小さなものでは医療用途として利用されている。シンチレータによって検出される放射線としては、その材料などによりＸ線、γ線、中性子線などがある。図９は電磁波の種類と波長を説明する図である。電磁波の波長が１０ｎｍ〜１ｐｍ程度のものを一般にＸ線と呼び、波長が１０ｐｍ以下のものをγ線と呼んでいる。中性子線は中性子の粒子線である。
【０００４】
従来からシンチレータから出力された光を光ファイバによって導く放射線センサについては様々な構成が提案されている。特許文献１には、光ファイバケーブル自体が放射線照射によって発光するものを用いた放射線検出システムが開示されている。
【特許文献１】特開２０００−０６５９３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献１では、シンチレータとして、ＮａＩ（ヨウ化ナトリウム）やＣｓＩ（ヨウ化セシウム）などの無機シンチレータを用いるとしている。これらは一般的なシンチレータ材料であって、その発光波長は可視光域（４００ｎｍ：青色光。図９参照）である。この波長の光は光ファイバ内における損失が非常に大きい。図１０は光の波長と石英系可視光ファイバの損失波長特性を示す図であって、波長が４００ｎｍの光の伝送損失は５０ｄＢ／ｋｍ程度であることがわかる。
【０００６】
これに対しシンチレータにおける発光は微弱であるため、伝達された光を検出することが可能な光ファイバの長さは数ｍ〜最大３０ｍ程度に留まる。
【０００７】
ところで、放射線センサの計測範囲を拡大し、遠隔地において放射線を検知したいという要請がある。例えば原子力発電所のように大型施設になると３０ｍはいかにも短く、隣の棟にすら到達できない。このため測定現場に放射線センサを設置することになるが、現地に設置した放射線センサの値を遠隔地で集中管理するような場合、放射線センサの装置が各所に分散することになるため、維持管理が面倒になるという問題がある。また測定現場に電気設備を設置するとなると、万が一の事故時に電源供給が約束されず、肝腎の計測を要するときに計測できないという事態になりかねないという問題がある。
【０００８】
そこで本発明は、光ファイバにおけるシンチレータ光の損失を低減し、放射線センサの計測範囲を飛躍的に拡大させた放射線センサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために発明者らが鋭意検討したところ、光通信用光ファイバにおける光の損失は極めて小さいところに着目した。図１１は石英系通信用光ファイバの損失波長特性を示す図であって、光通信用波長（近赤外線：波長２５００ｎｍ〜７８０ｎｍ程度。図９参照）での光ファイバの損失は一般的には１３１０ｎｍ帯において０．３５ｄＢ／ｋｍ程度、１５５０ｎｍ帯において０．２５ｄＢ／ｋｍ程度と、極めて低い伝送損失であることがわかる。
【００１０】
換言すれば、研究開発と技術発展の経緯から光ファイバにおける損失が小さい波長は既知であり、その波長の光が光通信に用いられている。したがってこれらの波長の光を用いることにより、シンチレータの計測範囲を飛躍的に拡大させることができると考えられる。また、近年著しい進歩を遂げている光通信で用いる種々の装置や技術（光直接増幅等）がそのまま適用できる。
【００１１】
そこで、光通信用波長（近赤外域）で発光するシンチレータを用いれば、発光波長が光通信で用いる波長と一致するため、既存の計測範囲を飛躍的に拡大させ、また通信用光ファイバや最新の光通信技術を利用することができることを見出し、本発明を完成するに到った。
【００１２】
すなわち本発明にかかる放射線センサの代表的な構成は、放射線の入射により発光するシンチレータと、シンチレータで発光した光を導く石英を主成分とする光ファイバと、光ファイバに接続された光検出部とを備え、シンチレータは、１３００ｎｍ帯または１５５０ｎｍ帯の光を発光することを特徴とする。
【００１３】
上記構成によれば、シンチレータで発光した光は石英系通信用光ファイバを用いて、極めて低い損失で遠隔地に伝達することができ、放射線センサの計測範囲を飛躍的に拡大することができる。
【００１４】
また、本発明にかかる放射線センサの他の構成は、放射線の入射により発光するシンチレータと、シンチレータで発光した光を導く石英を主成分とする光ファイバと、光ファイバに接続された光検出部とを備え、シンチレータは、１０００ｎｍ帯から１８００ｎｍ帯までの光を発光することを特徴とする。
【００１５】
シンチレータで発光した光の伝送損失は、上記の波長帯において１ｄB／ｋｍ以下である（図１１参照）。したがって上記構成によれば、シンチレータで発光した光の伝達時の損失を低減し、放射線センサの計測範囲を飛躍的に拡大することが可能となる。
【００１６】
放射線計測に用いる光ファイバの長さは略３０ｍ以上とすることができる。これは上記本発明の構成によって初めて可能となる長さであり、このような長さとすることにより現地に電気設備を必要とすることなく遠隔地で計測を行うことができる。
【００１７】
シンチレータは、透明材料に希土類元素、特に光通信分野における光増幅器用の希土類元素を添加した材料にて形成することができる。希土類元素を用いれば、放射線の入射によって１３００ｎｍ帯または１５５０ｎｍ帯の光、若しくは１０００ｎｍ帯から１８００ｎｍ帯までの光を発光させることができる。
【００１８】
希土類元素は、エルビウム、プラセオジム、ネオジム、ツリウム、イッテルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、サマリウムの中から選択される１または２以上の元素であってもよい。上記の元素は希土類元素の具体例であり、かかる元素を添加することにより、１０００ｎｍ帯から１８００ｎｍ帯までの波長の光を得ることが可能となる。特にエルビウムは１５５０ｎｍ帯を、プラセオジムとネオジムは１３００ｎｍ帯の波長の光を得ることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、光ファイバにおけるシンチレータ光の損失を低減し、放射線センサの計測範囲を飛躍的に拡大させた放射線センサを提供することができる。したがって遠隔地から放射線を計測することができ、広域の複数の箇所について集中的に管理することも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
［実施形態］
以下に本発明にかかる放射線センサの実施形態について図を用いて説明する。なお、以下の実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。また、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００２１】
図１は放射線センサの全体構成を説明する図である。図１に示す放射線センサ１００は、放射線の入射により発光するシンチレータ１０２が石英を主成分とする光ファイバ１０４の一端に接続されている。光ファイバ１０４の他端は光電子増倍管などの光検出部１０６に接続されて電気信号として出力され、センサ１０８において検出される。
【００２２】
放射線センサ１００が主として対象とするのはγ線、Ｘ線、中性子線であるが、α線、β線なども測定の対象である。これらの電磁波はエネルギーが高く、シンチレータを発光させて検出することができる。
【００２３】
シンチレータ１０２は光ファイバに所定の元素を添加（ドープ）したものであり、本実施形態では希土類元素の例としてのエルビウムまたはイッテルビウムを添加している。エルビウムは１５５０ｎｍ帯の、イッテルビウムは１０３０ｎｍ帯の波長の光増幅器として利用されている。
【００２４】
光ファイバ１０４は、石英系通信用光ファイバである。光ファイバには石英系のほかにガラス系光ファイバ、プラスチック光ファイバなどがあるが、長距離伝送のためには石英系光ファイバが好ましい。
【００２５】
光検出部１０６は、例えば光電子増倍管（フォトマルチプライヤー：photomultiplier )を用いることができる。光電子増倍管は光電効果を用いて光を電気信号に変換し、さらに電流を増幅（電子増倍）させる装置である。なお光検出部としては、アバランシェ・フォトダイオード（Avalanche Photodiode：APD）や、光スペクトラムアナライザー、光パワー計などを用いることができる。
【００２６】
センサ１０８は、光検出部１０６から出力される電流を監視するＡ／Ｄ変換部を備え、出力値の判断や記録を行うデータ処理装置である。簡略には電圧または電流を閾値で判断するセンサや、オシロスコープやデジタルマルチメータを用いることができる。
【００２７】
ここで、シンチレータ１０２の発光原理について説明する。図２はシンチレータおよび光増幅器の原理を説明する図である。
【００２８】
図２（ａ）はシンチレータ１０２の原理を説明する図である。放射線が入射すると添加材料の電子が基底準位から励起準位まで励起され、上準位と呼ばれる安定した準位まで落ちたところに電子が蓄積される。そして上準位から自然に安定な基底準位まで戻るときに、所定の波長の光を自然放出する。放出する光の波長は上準位から基底準位までのエネルギーギャップによって決定され、元素によってそれぞれ決まっている。
【００２９】
図２（ｂ）は光増幅器の原理を説明する図であって、数値はエルビウムを例に用いている。図２（ｂ）に示す光増幅器においては、９８０ｎｍの励起光（レーザ光）を入射することによって添加元素の電子は基底準位から励起準位へと励起され、上準位まで落ちたところで蓄積される。そこに１５５０ｎｍの信号光が入射されると、上準位に蓄積されていた電子が誘導されて基底準位に戻り、その際に誘導放出されたエネルギーにより光が発せられて増幅される。このとき、増幅される光の波長は上準位と基底準位のエネルギーギャップによって決定され、同じ波長の光が入射されたときにしか増幅は行われない（基底準位への誘導が作用しない）。
【００３０】
そして発明者らは、シンチレータ１０２と光増幅器は、その動作は異なるものの、励起光を放射線に置き換えて考えると原理がよく似ていることに着目した。そして光増幅用に用いられている希土類元素を用いてシンチレータを構成したところ、光通信に用いられる波長帯での発光が得られた。
【００３１】
なおシンチレータ組成物としては、エルビウム（１５５０ｎｍ帯）およびイッテルビウム（１０３０ｎｍ帯）のほかに、プラセオジム（１３００ｎｍ帯）、ネオジム（１０６０ｎｍ帯、１３００ｎｍ帯）、ツリウム（１４７０ｎｍ帯）、ジスプロシウム（１３００ｎｍ帯）、ホルミウム（１１００ｎｍ帯、１３８０ｎｍ帯）、サマリウム（１０００ｎｍ帯、１１００ｎｍ帯、１３８０ｎｍ帯）を挙げることができる。また、これらの２以上の元素を選択して添加してもよい。
【００３２】
シンチレータ１０２に上記の元素を添加することにより、１０００ｎｍ帯から１８００ｎｍ帯までの波長の光を得ることできる。かかる波長帯の光の伝送損失は１ｄB／ｋｍ以下と極めて低いため、シンチレータ１０２で発光した光を長距離に亘って伝送可能である。したがって、光ファイバ１０４の長さを伸長することができる。
【００３３】
中でもエルビウムは１５５０ｎｍ帯を、プラセオジムとネオジムは１３００ｎｍ帯の波長の光を得ることができる。これらの波長帯域は光通信に多く用いられており、長距離伝送用の石英系光ファイバにおいて極めて低い伝送損失を示す。したがってシンチレータで発光した光を遠くまで伝達することができ、３０ｍ〜数ｋｍに及ぶ長さの光ファイバ１０４によってシンチレータの光を伝送することができる。
【００３４】
これにより放射線センサの計測範囲を飛躍的に拡大することができるため、遠隔地から放射線を計測することができ、広域の複数の箇所について集中的に管理することも可能となる。また現地（測定箇所）にはシンチレータを配置するのみであって電気設備を必要としないため、万が一の事故時にも電源に頼ることなく測定することができ、また維持管理の手間も極めて簡略化することができる。
【００３５】
また多く用いられる波長であるから、近年著しい進歩を遂げている光通信の種々の装置や技術（光直接増幅等）が適用できる。
【００３６】
［他の実施形態］
図３は他の実施形態を説明する図である。図３（ａ）に示すように、あらかじめ添加元素を励起させておき、放射線によって誘導放出を起こさせる構成である。すなわち励起光（レーザー光）によって励起準位まで励起させ、電子が上準位に蓄積されている状態で放射線を照射することにより、その刺激で誘導放出を発生させる。これによりシンチレータ光を効率よく発生させることができ、光量を増大させることができる。具体的には図３（ｂ）に示すように、シンチレータ光を導くための光ファイバ１０４に発振器１１０から励起光を入射し、戻ってきた反射光については励起光カット用フィルタ１１２を設けてシンチレータ光のみを取り出すことができる。
【００３７】
また図４はさらに他の実施形態を説明する図である。原子の基底準位には、実際にはある程度の幅がある。そこで図４に示すように、励起光によって基底準位の上レベルまで電子を励起しておくことにより、放射線を入射した際に励起準位まで励起されやすくすることができる。これによりわずかな放射線でも励起されやすくなり、感度を向上させることができる。
【００３８】
次に、測定結果を用いて、本実施形態にかかる放射線センサ１００の効果を説明する。上述した如く本実施形態では、シンチレータ１０２として用いた光ファイバには、希土類元素であるエルビウムまたはイッテルビウムを添加している。以下、エルビウムを添加した光ファイバを「ＥＤＦ（Erbium Doped Fiber）」、イッテルビウムを添加した光ファイバを「ＹＤＦ（Ytterbium Doped Fiber）」と称し、ＥＤＦおよびＹＤＦを併せて「希土類ドープファイバ」と称する。
【００３９】
図５は、測定設備の概略を説明する図である。測定設備は照射室および操作室から構成される。照射室には、シンチレータ１０２として用いた希土類ドープファイバをアルミケースに収容し、モジュール化したモジュール２００と、モジュールに放射線を照射する照射装置２０２が備えられている。なお、モジュール２００は照射台に設置されている。
【００４０】
操作室には、モジュール２００内の希土類ドープファイバが発光した光の光子数を測定する光電子増倍管２０４と、希土類ドープファイバの開放端での戻り光を低減させる光終端器２０６が備えられている。かかる光電子増倍管２０４には、近赤外波長（９５０ｎｍ〜１７００ｎｍ）に感応するものを用いた。なお、希土類ドープファイバの末端は、一方は光電子増倍管２０４に、他方は光終端器２０６にそれぞれコネクタを介して接続されている。
【００４１】
上記の測定設備において、モジュール２００に、照射装置２０２から線量率を変化させながら放射線（コバルト６０、γ線）を照射した。そして、照射によりモジュール２００内の希土類ドープファイバが発光した光の光子数を光電子増倍管２０４によって測定した。上記の測定では、サンプリング間隔を１秒とし、測定時間は３６０秒間とした。なお、測定開始後３０秒から３３０秒の間は放射線の照射を行い、測定開始後０秒から３０秒の間、および３３０秒から３６０秒の間は照射を停止している。
【００４２】
図６は、ＥＤＦに放射線を照射した際の光子数の変化を示す図である。図６に示すように、ＥＤＦに線量率７０００００Ｒ／ｈ（Roentgen/hour）の放射線を照射すると、照射に伴い光子数が増加している。このことから、ＥＤＦに添加されているエルビウムが発光する１５５０ｎｍ帯の波長の光が計測されたものと考えられる。
【００４３】
図７は、ＹＤＦに放射線を照射した際の光子数の変化を示す図である。図７に示すように、上記と同様にＹＤＦに線量率７０００００Ｒ／ｈの放射線を照射すると、照射に伴い光子数が増加する。このことから、ＹＤＦに添加されているイッテルビウムが発光する１０００ｎｍ帯の波長の光が計測されたものと考えられる。
【００４４】
また、ＹＤＦに照射する放射線の線量率を２０００００Ｒ／ｈ、１０００００Ｒ／ｈとした場合においても、７０００００Ｒ／ｈの場合よりも増加率は低いものの、照射時には光子数が増加する。このことから、ＹＤＦの発光は、１０００００Ｒ／ｈ程度の低い線量率においても光電子増倍管２０４にて検出可能であることが確認できた。
【００４５】
以上の結果から、希土類ドープファイバを用いたシンチレータ１０２を放射線センサ１００に利用可能であることが理解できる。次に、ＹＤＦに長尺ファイバを接続し、放射線照射時の光子数を測定した。
【００４６】
図８は、長尺ファイバを接続したＹＤＦに放射線を照射した際の光子数の変化を示す図である。かかる長尺ファイバには、長さ１ｋｍおよび１０ｋｍの光ファイバを用いた。なお、長尺ファイバを接続したＹＤＦに照射した放射線の線量率は７０００００Ｒ／ｈである。
【００４７】
図８に示すように、長尺ファイバを接続しない場合（０ｋｍの場合）と比較しても、１ｋｍのファイバを接続した場合の照射に伴う光子数の変化は明瞭である。このことから、従来の光ファイバを用いた放射線センサの計測範囲は数ｍから最大３０ｍであるのに対し、シンチレータ１０２として希土類ドープファイバを用いた放射線センサ１００は、１ｋｍまで計測範囲を拡大できることが確認できた。これは、希土類ドープファイバに添加する元素を、伝送損失が１ｄＢ／ｋｍ以下の波長帯の光を発光する希土類元素としたことにより、１ｋｍのファイバにおける光の伝送損失を１ｄB以下と極めて低くすることができたためと考えられる。
【００４８】
また、１０ｋｍのファイバを接続した場合、放射線照射に伴う光子数の変化は著しく少なく、はっきりした変化は確認できない。これは、光ファイバの伝送損失によるものと推測される。すなわち、ＹＤＦに添加されているイッテルビウムが発光する１０００ｎｍ帯の波長の光において、光ファイバの伝送損失は約１ｄＢ／ｋｍであるため、１０ｋｍのファイバでは約１０ｄＢの損失となり、損失が大きいため計測が困難だったと考えられる。
【００４９】
しかしながら、希土類ドープファイバに添加する希土類元素として、１３００ｎｍ帯または１５５０ｎｍ帯などの、伝送損失が１ｄＢ／ｋｍよりも更に低い波長帯の光を発光する元素を用いることにより、光ファイバにおける伝送損失をより低減できるため、光ファイバの長さを更に伸長することが可能であると考えられる。
【００５０】
上記の結果から、シンチレータ１０２に希土類ドープファイバを用い、かかるシンチレータ１０２を放射線センサ１００に利用することにより、放射線センサ１００の計測範囲を飛躍的に拡大させることが可能となることが実証できた。なお、本実施形態においては、希土類ドープファイバに接続する長尺ファイバの長さを１ｋｍおよび１０ｋｍとしたため、計測可能範囲は１ｋｍまでしか確認されていないが、数ｋｍ程度（１０ｋｍ未満）であれば同様に測定可能であると考えられる。
【００５１】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は係る実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００５２】
例えば本実施形態においては光ファイバ材料に元素を添加することによりシンチレータを構成するよう説明したが、ブロック形状や板形状の透明材料に元素を添加することでもよく、またチップの形態としてシンチレータを構成しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、放射線の入射により発光するシンチレータを用いる放射線センサとして利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】放射線センサの全体構成を説明する図である。
【図２】シンチレータおよび光増幅器の原理を説明する図である。
【図３】他の実施形態を説明する図である。
【図４】さらに他の実施形態を説明する図である。
【図５】測定設備の概略を説明する図である。
【図６】ＥＤＦに放射線を照射した際の光子数の変化を示す図である。
【図７】ＹＤＦに放射線を照射した際の光子数の変化を示す図である。
【図８】長尺ファイバを接続したＹＤＦに放射線を照射した際の光子数の変化を示す図である。
【図９】電磁波の種類と波長を説明する図である。
【図１０】光の波長と石英系可視光ファイバの損失波長特性を示す図である。
【図１１】石英系通信用光ファイバの損失波長特性を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１００…放射線センサ
１０２…シンチレータ
１０４…光ファイバ
１０６…光検出部
１０８…センサ
２００…モジュール
２０２…照射装置
２０４…光電子増倍管
２０６…光終端器
【図１】
2009036752.tif 000003
【図２】
2009036752.tif 000004
【図３】
2009036752.tif 000005
【図４】
2009036752.tif 000006
【図５】
2009036752.tif 000007
【図６】
2009036752.tif 000008
【図７】
2009036752.tif 000009
【図８】
2009036752.tif 000010
【図９】
2009036752.tif 000011
【図１０】
2009036752.tif 000012
【図１１】
2009036752.tif 000013