JP4061367B2

JP4061367B2 - ＺｎＳ（Ａｇ）シンチレーション検出器

Info

Publication number: JP4061367B2
Application number: JP2005080026A
Authority: JP
Inventors: 市郎長谷川; 賢二井▲崎▼; 博英小林; 和生猪野; 信之金澤
Original assignee: 独立行政法人日本原子力研究開発機構
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2025-03-18
Also published as: US20060208197A1; JP2006258755A; US7375336B2

Description

本発明は、ＺｎＳ（Ａｇ）シンチレータを用いてα線の波高（エネルギー）弁別が行えるようにし、検出対象とするエネルギー領域のα線の検出感度を向上させたシンチレーション検出器に関するものである。このＺｎＳ（Ａｇ）シンチレーション検出器は、天然の放射性核種による測定への影響を低減できるため、例えば原子力施設における施設内での汚染管理に用いるα線サーベイメータなどに有用である。

ＺｎＳ（Ａｇ）シンチレーション検出器は、比較的丈夫で且つ安価であることから、原子力施設などにおいて、α線の放射線管理に最も幅広く使用されている。ＺｎＳ（Ａｇ）シンチレータは、ＺｎＳに微量のＡｇを活性体として添加した結晶（粉末）であり、α線により励起されることによってシンチレータ光を発するものである（非特許文献１など参照）。従来の検出器では、シンチレータ光を増幅して得られたパルス信号を単に計数することによって、測定対象中に含まれるα線放出核種の放射能を測定している。

このようなＺｎＳ（Ａｇ）シンチレーション検出器では、静電気の発生し易い時期や換気の悪い場所では、天然の放射性核種（ラドン子孫核種）からのα線が計数に影響するという問題がある。これは、従来のＺｎＳ（Ａｇ）シンチレーション検出器には波高弁別の機能がなく、そのため検出対象とする放射性物質からのα線とラドン子孫核種からのα線を区別することができず、それらを全て計数してしまうからである。

原子力施設などにおける汚染管理を適切に行うには、天然の放射性核種による影響を極力排除し、検出対象とする放射性物質からのα線のみを計数する必要がある。しかし、波高弁別機能を持たない従来のＺｎＳ（Ａｇ）シンチレーション検出器では、それは困難である。
「新版原子力ハンドブック」、３．４放射線の測定、第７３〜７８頁、１９８９年３月３０日発行、オーム社

本発明が解決しようとする課題は、ＺｎＳ（Ａｇ）シンチレーション検出器の利便性を生かしつつ、α線の波高弁別を可能にし、それによって天然の放射性核種による影響を低減して効率的かつ円滑な汚染管理が行えるようにすることである。

本発明者等は、ＺｎＳ（Ａｇ）シンチレータでも原理的にはα線エネルギースペクトルの測定が可能であること、検出対象とする放射性物質と（一部の）ラドン子孫核種のα線のエネルギー差は数ＭｅＶ程度と大きいことに着目し、波高（エネルギー）弁別を行うことを試み、ＺｎＳ（Ａｇ）シンチレーション検出器におけるラドン子孫核種によるα線の影響の低減についての可能性を検討した。様々な種類のＺｎＳ（Ａｇ）シンチレータを用いて試験を繰り返した結果、粒径が小さく且つ厚みのあるＺｎＳ（Ａｇ）シンチレータほど、ラドン子孫核種によるα線の影響率が小さいことが判明した。本発明は、かかる現象の知得に基づき完成したものである。

即ち本発明は、入射するα線により励起されてシンチレータ光を発するＺｎＳ（Ａｇ）シンチレータの層と、シンチレータ光を電気的パルス信号に変換する光電子増倍管と、得られたパルス信号を計数する計数率計を具備しているＺｎＳ（Ａｇ）シンチレーション検出器において、前記ＺｎＳ（Ａｇ）シンチレータの層は、その厚みが分離対象となるα線放出核種からのα線の飛程以上であってα線のエネルギー吸収がシンチレータ層内で全て生じ、且つ発生したシンチレータ光のシンチレータ自身による遮光が無視できる厚さとし、前記計数率計の前段に波高弁別回路が付加され、検出対象とするエネルギー領域のα線による信号を波高弁別して計数率計に導くようにしたことを特徴とするＺｎＳ（Ａｇ）シンチレーション検出器である。

ここで、分離対象となるα線放出核種が天然の放射性核種であるラドン子孫核種であって、シンチレータの層は、その厚みが５ｍｇ／ｃｍ²より厚く（より好ましくは７〜１０ｍｇ／ｃｍ²）、粒径が５μｍ以下のＺｎＳ（Ａｇ）シンチレータが満遍なく充填された構造であり、検出対象とする放射性物質からのα線のエネルギー領域とラドン子孫核種からのα線のエネルギー領域の境界値を定めて、波高弁別回路によりラドン子孫核種によるα線の影響率を低減する構成が好ましい。

本発明に係るＺｎＳ（Ａｇ）シンチレーション検出器は、ＺｎＳ（Ａｇ）シンチレータの層を、分離対象となるα線放出核種からのα線の飛程に対応した厚さとしているので、α線の波高弁別が可能になり、天然放射性核種による計数を数十％程度低減できるため、原子力施設などでの放射性物質による汚染管理を、効率的かつ円滑に行うことが可能となる。

図１は、本発明に係るＺｎＳ（Ａｇ）シンチレーション検出器の典型的な例を示す説明図である。このＺｎＳ（Ａｇ）シンチレーション検出器は、検出部１０と測定部１２から構成される。検出部１０は、入射するα線により励起されてシンチレータ光を発するシンチレータシート１４と、導かれてきたシンチレータ光を電気的パルス信号に変換する光電子増倍管１６とを有する。ここでシンチレータシート１４は、透明なプラスチックフィルム２０の片面にＺｎＳ（Ａｇ）シンチレータの層２２を形成し、更にその表面に遮光膜２４を設けた構造である。測定部１２は、得られたパルス信号を処理する部分であり、前記光電子増倍管１６からの電気的パルス信号を増幅する増幅器３０と、該増幅器３０で増幅されたパルス信号を波高弁別する波高弁別回路３２と、波高弁別されたパルス信号を計数する計数率計３４を具備している。なお、シンチレータシート１４で発生したシンチレータ光を光電子増倍管１６に導くには、空間的な光伝搬を利用してもよいし、光ファイバや光ガイドなどを用いてもよい。

本発明では、シンチレータシート１４に塗布されたＺｎＳ（Ａｇ）シンチレータの層２２は、その厚みが分離対象となるα線放出核種からのα線の飛程以上となるように（但し厚すぎないように）設定する必要がある。これは、シンチレータによるα線のエネルギー吸収がシンチレータの層内で全て生じ、且つ発生したシンチレータ光がシンチレータ自身により遮光され難いようにするためである。このような条件を満たすシンチレータシートを用いると、シンチレータの発光量、つまりパルス信号の波高がα線のエネルギーに関係するようになる。従って、測定部に波高弁別回路３２を付加することによって、α線のエネルギーを弁別する機能が得られる。

シンチレータシートにおける発光の様子を図２に模式的に示す。シンチレータシート１４は、前記のように、ＺｎＳ（Ａｇ）シンチレータと粘着剤との混合物を、透明プラスチックフィルム２０の片面に塗布することでシンチレータの層２２を形成したものであり、更にその表面に遮光膜１４を設けた構造である。ここで遮光膜２４は、外光を遮断して外光の侵入を防ぎ、内部で発生するシンチレータ光のみを光電子増倍管に導いて検出できるようにするために設けられている。

ところで、検出対象とする放射性物質から生じるα線は、天然放射性核種であるラドンの子孫核種などからのα線に比べて比較的エネルギーが低く飛程が短い。従って、図２に示すように、このような飛程の違いによって、励起されるシンチレータ粒子の数が異なり、発光量も変化する。

シンチレータの層厚及び粒径の関係を図３に示す。図３のＡは、シンチレータの層厚に対するパルス波高の関係を示している。シンチレータの層の厚みがα線の飛程よりも薄い場合には、シンチレータの層が厚くなるほど発光量が増えパルス信号の波高が高くなる。シンチレータの層の厚みがα線の飛程よりも厚い場合には、シンチレータの発光量は安定するが、シンチレータの層内での光の吸収が生じるため、シンチレータの層が厚くなるにつれて徐々にパルス信号の波高が低くなる。図３のＢは、シンチレータの粒径に対する半値幅の関係を示している。粒径が小さいほど、α線スペクトルにおける半値幅が小さくなり、分解能が向上する。これは、シンチレータの粒径が小さいほど発光量が安定するためである。

例えば、核燃料施設における汚染管理に使用するシンチレータシートでは、「検出対象とする放射性物質からのα線のエネルギーが４〜６ＭｅＶ程度であること」、及び「天然放射性核種（ラドンの子孫核種）からのα線のエネルギーが６〜８ＭｅＶ程度であること」を考慮して、シンチレータの層の厚みを、８ｍｇ／ｃｍ²程度（８ＭｅＶのα線の飛程に相当）に設定するとよい。このように設定した場合、検出対象とする放射性物質からのα線の最大エネルギーである６ＭｅＶを境界値として波高弁別を行い、６ＭｅＶ以下の信号のみ計数率計に入力するように設定すれば、８ＭｅＶ程度のエネルギーを持つ天然放射性核種からのα線は計数され難くなる。つまり、天然放射性核種による影響を排除して、検出対象とする放射性物質によるα線を、より高精度で測定することが可能となる。また、シンチレータの粒径は、５μｍ以下とし、それが満遍なく充填されている構成が好ましい。

図４は、シンチレータの層厚、粒径、発光量の関係を模式的に示している。Ａはシンチレータの粒径が大きい（例えば１０μｍ）場合、Ｂはシンチレータの粒径が小さい（例えば５μｍ）場合である。ここでは、分離対象とするα線放出核種は、Ｐｏ−２１４である。Ａｍ−２４１（検出対象とする放射性物質）のエネルギーは約５．５ＭｅＶ（飛程：約５ｍｇ／ｃｍ²）であり、Ｐｏ−２１４（ラドン子孫核種）のエネルギーは約７．７ＭｅＶ（飛程：約８ｍｇ／ｃｍ²）である。図４において、点々を付した粒子が、α線の入射で励起され発光したＺｎＳ（Ａｇ）シンチレータを表している。図４からも分かるように、シンチレータの層の厚みが５ｍｇ／ｃｍ²以下では、Ａｍ−２４１とＰｏ−２１４のα線で発光するシンチレータの数は殆ど変わらず、発光量(パルス波高）に殆ど差は生じない。しかし、シンチレータの層の厚みが８ｍｇ／ｃｍ²を超えると、Ａｍ−２４１とＰｏ−２１４のα線で発光するシンチレータの数が明らかに異なり、入射するα線のエネルギー(飛程)に応じた発光量(パルス波高）が生じる。

これらのことから、Ｐｏ−２１４の発光量が安定し、且つＡｍ−２４１の発光のシンチレータ層内での光吸収を少なくできる点で、シンチレータの層の厚さは、分離対象とするα線放出核種の飛程（即ち、約８ｍｇ／ｃｍ²）に一致させるのが最も好ましい。

α線のエネルギーと飛程の関係を図５に示す。図中の曲線より下方の領域では一部のエネルギーしか励起に用いられず、曲線より上方の領域では全てのエネルギーが励起に用いられる。従って、シンチレータの層厚が３ｍｇ／ｃｍ²では、Ａｍ−２４１もＰｏ−２１４も、それらのα線のエネルギーは一部しか発光に寄与しない。また、シンチレータの層厚が５ｍｇ／ｃｍ²では、Ａｍ−２４１のα線のエネルギーは全てが発光に寄与するのに対してＰｏ−２１４のα線のエネルギーは一部しか発光に寄与しない。そのため、シンチレータの層厚が５ｍｇ／ｃｍ²以下では、Ａｍ−２４１のα線でもＰｏ−２１４のα線でも発光量（パルス波高）に殆ど差は生じない。それに対して、シンチレータの層厚が８ｍｇ／ｃｍ²になると、Ａｍ−２４１もＰｏ−２１４も、それらのα線のエネルギーは全てが発光に寄与するので、エネルギー（飛程）に応じた発光量（パルス波高）が生じるのである。従って、図５に示すα線の飛程とエネルギーの関係から、対象核種(エネルギー)に応じて最適なシンチレータの層厚を選択することで、対象核種について適切な波高弁別が可能になる。

シンチレータの粒径及び層厚の異なるＺｎＳ（Ａｇ）シンチレータ５種類について、Ａｍ−２４１（検出対象とする放射性物質）及びラドン子孫核種のα線スペクトルを測定した。図６は、得られたα線スペクトルの例である。ここで、図６のＡはシンチレータが１０μｍ−１０ｍｇ／ｃｍ²の場合、Ｂはシンチレータが５μｍ−１０ｍｇ／ｃｍ²の場合である。図６のＡでは、Ａｍ−２４１のピーク位置は４７チャンネル、半値幅は３７チャンネル、ラドン子孫核種のピーク位置は１０４チャンネルであったのに対して、図６のＢでは、Ａｍ−２４１のピーク位置は４３チャンネル、半値幅は２４チャンネル、ラドン子孫核種のピーク位置は１０９チャンネルであった。なお半値幅とは、スペクトルの高さの半分のチャンネル数をいい、この半値幅が小さくなるほど分解能がよく、分解精度の向上につながる。図６から、ＺｎＳ（Ａｇ）シンチレータの粒径が小さいほど、分解能がよくなることが分かる。

次に、Ａｍ−２４１（検出対象とする放射性物質）のエネルギー領域とラドン子孫核種のエネルギー領域の境界値（ＵＬＤ）を定め、ラドン子孫核種によるα線の影響率（ラドン子孫核種の総カウントに対するＵＬＤ内ラドン子孫核種のカウントの割合）を調べた。表１に、各シンチレータの影響率を示す。

試験の結果、粒径が小さく、且つ厚みのあるＺｎＳ（Ａｇ）シンチレータほど、ラドン子孫核種による影響率が小さいことが確認できた。５種類のＺｎＳ（Ａｇ）シンチレータの中では、粒径５μｍ・厚さ１０ｍｇ／ｃｍ²の場合が最もα線の影響率が小さいことが分かった。また、前記図４に示した波高弁別のメカニズムから、この場合、粒径を更に小さく（例えば３μｍなど）し、且つ厚さを８ｍｇ／ｃｍ²程度に設定すると、α線の影響率を更に小さくでき、より高精度化できることが分かる。

本発明に係るＺｎＳ（Ａｇ）シンチレーション検出器の典型例の説明図。シンチレータシートにおける発光の様子を示す模式図。シンチレータの層厚及び粒径の関係を示すグラフ。シンチレータの層厚、粒径、発光量の関係を模式的に示す説明図。 α線のエネルギーと飛程の関係を示す説明図。測定で得られたα線スペクトルの例を示す説明図。

符号の説明

１０検出部
１２測定部
１４シンチレータシート
１６光電子増倍管
２０プラスチックフィルム
２２ＺｎＳ（Ａｇ）シンチレータの層
２４遮光膜
３０増幅器
３２波高弁別回路
３４計数率計

Claims

入射するα線により励起されてシンチレータ光を発するＺｎＳ（Ａｇ）シンチレータの層と、シンチレータ光を電気的パルス信号に変換する光電子増倍管と、得られたパルス信号を計数する計数率計を具備しているＺｎＳ（Ａｇ）シンチレーション検出器において、
前記ＺｎＳ（Ａｇ）シンチレータの層は、その厚みが分離対象となるα線放出核種からのα線の飛程以上であってα線のエネルギー吸収がシンチレータの層内で全て生じ、且つ発生したシンチレータ光のシンチレータ自身による遮光が無視できる厚さとし、前記計数率計の前段に波高弁別回路が付加され、検出対象とするエネルギー領域のα線による信号を波高弁別して計数率計に導くようにしたことを特徴とするＺｎＳ（Ａｇ）シンチレーション検出器。
分離対象となるα線放出核種が天然放射性核種であるラドン子孫核種であって、シンチレータの層は、その厚みが５ｍｇ／ｃｍ²より厚く、粒径が５μｍ以下のＺｎＳ（Ａｇ）シンチレータが満遍なく充填された構造であり、検出対象とする放射性物質からのα線のエネルギー領域とラドン子孫核種からのα線のエネルギー領域の境界値を定めて、波高弁別回路によりラドン子孫核種によるα線の影響率を低減するようにした請求項１記載のＺｎＳ（Ａｇ）シンチレーション検出器。