Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

INVESTIGATION OF SENSITIVITY PROPERTY OF GAS FILLEDPROPORTIONAL COUNTERS FOR J-PARC BEAM LOSS MONITORS
Mikio TANAKA1,A), Seishu LEEC), Makoto TESHIGAWARAB), Hironao SAKAKIB),
Junichi KISHIROB), Takeshi TOYAMAC), Hiroshi YOSHIKAWAB)
A)
Accelerator Engineering Center, Mitsubishi Electric System & Service Co., Ltd (MELCO SC)
2-8-8 Umezono, Tsukuba, Ibaraki, 305-0045 JapanB)
Tokai Establishment, Japan Atomic Energy Research Institute (JAERI)
2-4 Shirakata-Shirane, Tokai, Naka, Ibaraki, 319-1195 JapanC)
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801 Japan
Abstract
The sensitivity property of the proportional counter (P-BLM) has been evaluated with Co-60 γ-ray source. Thecounter will be used to monitor beam loss in J-PARC. It was confirmed that the sensitivity of P-BLM with ArgonMethane gas depends on the accumulated charge of anode wire, and the reduction of about 25% was observed with thecharge accumulation of 3mC/mm. The wire surface has been surveyed in detail by scanning electron microscope (SEM),
fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), etc. It could be considered that the degradation of sensitivity is causedby polymerized material which prevents the charge accumulation and/or electric field around the anode wire.

J-PARC ビームロスモニター(BLM)用比例計数管の感度特性
１．はじめにガス封入型比例計数管はJ-PARCにおいてビームロスモニター用の放射線検出器の一つとして導入される．ビームロスの計測は，加速器の運転調整やインターロックシステムのために不可欠である．そのためビームロスモニターシステムに対して速い応答性，安定性，正確性などが要求されており，それらを満たす検出器の開発を行っている．
アルゴン‑メタン(Ar+CH4)を封入した計数管についてKEK-PSなどで試験を行い，応答性や安定性については実用的であることが確認できた[1]．さらに比例計数管の長期使用における感度特性を調べるた
めに，2種類の封入ガス（Ar+CH4，Ar）の比例計数管に対しγ線(Co-60)照射を行った．照射中において収集電荷量に対し，Ar+CH4 封入管の出力は徐々に減少し，またAr封入管の出力はほとんど変化しない結果が得られた．この要因を調べるために検出器を構成するガスと芯線（ワイヤー）の分析を行い，比例計数管の出力特性との関連や性能向上について検討した．

２．比例計数管
比例計数管は入射放射線によってガス中に作られたイオン対の電荷を増幅するガス増幅の現象を利用し，電離箱式では検出不可能なレベルの線量でも検出できる．またガスの種類による放射線種の感受性の違いから，ガス種の選択によりγ(X)線，中性子1線検出器として利用されている．
一般的な計数ガスとしてAr：90％，CH4 ：10％の混合ガスが広く使われている．一般的に光増幅などによる比例性を損なう現象を抑制するためにAr以外のガスを添加する[2]．
J-PARCではステンレス(SUS316L) 2重管構造の比例計数管が採用される．外管（φ34mm，管長約1000mm）はIFC70フランジを備えてガスを封じる機構となっている．内部には陰極となる内管（φ27mm）を格納する．内管と外管は電気的に絶縁される．芯線にはタングステンワイヤー（純度99.5%，径φ60µm，有効長850mm）を使用する．使用時は内管に負電圧を引加する．また芯線には電圧を引加せず，相対的に正極の状態となる．2重管を採用したことにより，信号処理回路とDC結合することができ，加速器停止時に残留放射線の検出が可能である．またガス，ワイヤーを交換可能な構造とし劣化などによる部品交換に対応可能である．

３．γ線照射試験
γ線照射は日本原子力研究所高崎研究所のCo-60第1照射棟第2照射室で行った．線源は水平長さ200cm×高さ45cmの板状をしており，比例計数管のような長尺物でも線源面に対して平行に設置することで均一な線量率で照射することができる．ここでの試験は加速器室のように様々な放射線が存在する環境ではなく，また放射線出力がパルスではなく連続出力であるため，実環境には即していないが長期

E-mail: mikio@linac.tokai.jaeri.go.jp519

Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)a使用時の指針になると思われる．
照射試験にはAr+CH4(90%：10%)およびAr(100%)を封入した計数管を用いた．各計数管を線源から3.5mの距離に設置し照射を行った．このときの照射線量率はアラニン線量計による測定から0.21Gy/hであった．照射は24-26時間行った．照射中は使用時と同様，計数管に電圧を印加し，出力の測定を行った．
Signal (A. U.)ab
H.V= -1.2kV

00.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003 0.0035

Accumulated Charge (C/mm)

Signal (A. U.)b

図2 タングステンワイヤーのSEM写真a) 未照射（新品）b) 照射試験後：Ar+CH4封入管

H.V= -1.5kV

00.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003 0.0035

エネルギー分散型Ｘ線分析装置(EDX)を用いて，ワイヤー表面の元素分析を行った．プローブ電子の
図1 γ線照射試験中の比例計数管出力特性
加速電圧を９ｋV，測定範囲を45µm×60µmとした．特a) Ar封入管
性X線スペクトルから新品ワイヤーの表面ではタンb) Ar+CH4封入管
グステンのピークのみが観測され，γ線照射後のAr+CH4封入管のワイヤーではタングステンの他，
図 1(a) に ア ル ゴ ン 封 入 比 例 計 数 管 ， 図 1(b) に炭素，酸素のピークが観測された．このことから照Ar+CH4 封入比例計数管の出力を示す．横軸はワイ
射後のAr+CH4 封入管のワイヤー表面には炭化物がヤーmmあたりの収集電荷量，縦軸は出力である．
付着しているものと考えられる．
出力はAr封入管では終始ほぼ変化しなかったのに対さらに顕微反射フーリエ変換赤外分光分析(FTし，Ar+CH4 封入管では照射開始時から徐々に出力IR)により付着物について調べた．図3にワイヤーのが減少し，電荷収集量0.003C/mmの時点で約75％にFT-IRスペクトルを示す．横軸は波数，縦軸は吸光なった．0.003C/mmはJ-PARC運転時DTL付近で想定度である．(b)では2850-2950cm-1 付近に大きな吸収されるビームロスによる放射線から収集される電荷ピークが複数あることが確認できた．これらは-CH3，量の約10年間分に相当する．
-CH2-などの炭化水素に含まれるC-H結合の伸縮振動モードに由来している．また1450cm-1，1370cm-1付近のピークは-CH3 ，-CH2-などのC-H結合の変角振動４．比例計数管の感度変化モードに由来している．その他，炭素の二重，三重結合の伸縮振動モードに起因するとみられるピーク
4.1 芯線（タングステンワイヤー）の分析が観測された．また-OH基のO-H伸縮振動モードが図2(a)に新品（未照射）のタングステンワイヤー， 確認された．物質の構造は特定できないが，照射後図2(b)にγ線照射後のAr+CH4封入管のタングステンのAr+CH4 封入管のワイヤー表面には炭化水素化合ワイヤーの電子顕微鏡(SEM)写真を示す．新品のワ物が付着していることがわかった．
イヤー表面には製造時の引き延ばしによる細かな筋
また質量分析装置を用いたガス分析ではAr+CH4が多数見られた．γ線照射後のAr+CH4 封入管では封入管のAr：CH4 の分圧比が照射前の約9:1から照堆積物により表面が覆われ荒く起伏が生じた．また射後の約10:1に変化し，照射試験後のCH4の分圧比ワイヤー全体に一様ではない大きさ数μmの粒状物が小さくなっていた．照射試験中にCH4が消費されが多数見られた．Ar封入管のワイヤー表面では所々たと考えられる．
斑点らしきものが確認されたが，表面を覆うほどではなく，新品の表面形状も保持していた．

Accumulated Charge (C/mm)

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Absorbance (arb. Units)

有し，付着物の生成の少ない，または生成のないガスを選択することで， CH4添加時の性能の維持と劣化の抑制を試みた．原子力発電施設などで導入され(b) γ-ray irradiatedているアルゴン‑二酸化炭素ガス（ Ar+CO2 99% ：in Ar-CH 41% ） は 我 々 の 行 っ た 加 速 器 施 設 で の 試 験 よ り
Ar+CH4 封入管と比べ，同じロス量に対し，同等の[4]応答性と約２倍の感度を持つことがわかっている．
C C S.V.
C=C S.V.
図
4にAr+CO封入管のγ線照射試験の結果を示す．
2C-H B.V.
O-H S.V.
C-H S.V.
照射条件は照射線量率が 0.27Gy/hであったことの他
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000はほぼ以前と同じであった．0.003C /mm収集時で約-1
Wavenumber (cm )3% の感度低下が見られた．この低下の原因は未分析のため不明であるが，管内の残留水素と二酸化炭
図3 タングステンワイヤーのFT-IRスペクトル
素の分解・再合成により，炭化水素化合物が生成しa) 未照射， b) γ線照射試験後ワイヤーに付着した可能性も考えられる．ロス量を
S.V. 伸縮振動モード，B.V. 変角振動モード求めるために電荷収集量に応じた補正の必要性は残るが， Ar+CH4 封入管と比べ補正幅を小さくできる
4.2 感度低下の要因の で 誤 差 も 少 な く な る ． Ar+CO2 ガ ス は ロ ス モ ニ
ター用の計数ガスとして有望である．
Ar+CH4 封入管では連続的なγ線照射実験におい耐久性が向上することにより，芯線，ガス等の交て，信号出力の減少過程が観測された．その原因として，CH4の存在が関与していることが考えられる． 換が不要になれば取扱易くなる．また計数管の構造の簡略化を計ることができ，ガス漏れ等の不具合を
Ar+CH4 の計数管では，照射後，ワイヤー表面に炭起こす要因を排除できるため信頼性の向上にもつな化水素が付着していた．γ線照射中の信号出力低下は炭化物の付着・堆積が起因していると考えられる． がる．今後，加速器施設において，γ線照射後の応答，感度特性の検証を行う．
タングステンに比べ電気伝導性の小さな炭化物がワイヤー表面に付着し，その面積や厚さが増すにつれワイヤーの電荷収集性が低下する．また付着物はワ５．まとめイヤー近傍の電界にも影響を与えている可能性もあAr+CH4 封入比例計数管では長期の使用により感る．炭化水素は CH4が放射線や高電場下において分度が著しく低下することがわかった．原因は
CH4を解し，芯線近くで再合成，固体化したものと考えら原料とした炭化水素化合物が芯線に付着し，電荷収れる．
集性が低下するためと考えられる．添加ガスをCH4からCO2に替えることで，検出器として耐久性を含4.3 改良の可能性め性能向上が見込まれる．
比例計数管は Linac部だけで100台近く設置される．
感度が連続的に変化するということは，真のロス量
６．謝辞を求めるために補正値の変更が必要となる．また劣化によるワイヤーやガスの交換はその都度，エージ
γ線照射試験において，多大なるご助力，ご助言ングや更正を必要とするため，取扱が複雑になり手をいただきました日本原子力研究所東海研究所の草間も掛かることが考えられる．
野譲一氏、竹田修氏，増川史洋氏，同高崎研究所の今回の試験結果から計数ガス中の CH4が付着物の森下憲雄氏，春山保幸氏，横尾典子氏に厚く御礼申原料となり，信号低下の現象を促進させている．Arし上げます．
封入管は出力が減少せず，長期的な感度特性は良好である．しかし，Ar以外のガスの添加により高バイ
参考文献
アス印加（高増幅）時の安定性や応答性などが向上[1] S. Lee et al., Development of beam loss monitor system in Jし[2,3]，高性能化が望める．そこで添加ガスの機能をSignal (A. U.)(a) un-irradiated

φ= 50µm
H.V= -1.4kV

00.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003 0.0035

Accumulated Charge (C/mm)

図4 γ線照射試験中のAr+CO2封入
比例計数管出力特性

PARC Linac, 3GeV RCS and 50GeV MR, Proceedings ofthe 14th symposium on accelerator science and technology,
p.485, 2003
[2] P.C. Agrawal et al., Use of propane as a quench gas inargon-filled proportional counters and comparison withother quench gases, Nucl. Instr. and Meth. A273 (1988)
311[3] Glenn F. Knoll, Radiation detection and measurement, thirdedition, 2001.
[4] M. Tanaka et al., Development of beam loss monitor anddata acquisition system for J-PARC Linac, Proceedings ofthe 29th Linear Accelerator Meeting, 2004 (Japanese)

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