JP2009175065A

JP2009175065A - 中性子即発ガンマ線分析による複数元素の同時３次元分布・可視化観察・計測方法及びその装置

Info

Publication number: JP2009175065A
Application number: JP2008015819A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Matsue; 秀明松江; Mariko Segawa; 麻里子瀬川; Masatoshi Kureta; 昌俊呉田; Masahito Matsubayashi; 政仁松林
Original assignee: Japan Atomic Energy Agency
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2008-01-28
Filing date: 2008-01-28
Publication date: 2009-08-06

Abstract

【課題】ＣＴ技法と中性子即発ガンマ線分析とを組み合わせることで、物対象物質内の複数元素を同時に３次元元素分布観測・計測する。
【解決手段】必要な空間分解能に応じたビーム形に切取った平行性の高い中性子ビームを利用して物体を走査し、各走査に応じた即発ガンマ線スペクトルを測定・記録し、記録された走査位置毎の即発ガンマ線スペクトルをコンピュータ処理することで、物体内部の三次元での元素分布を測定する測定技術であり、又、記録された走査位置毎の即発ガンマ線スペクトル中の複数の同位体からのガンマ線ピーク毎にコンピュータ処理を行うことで、多元素を同時に物体内部の三次元元素分布を測定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、中性子即発ガンマ線分析により複数元素を同時に３次元元素分布観測・計測するための計測技術とそのための装置に関する。

中性子ビームを測定試料に照射すると直ちに対象物質から即発ガンマ線が放射される。この即発ガンマ線を測定し、ガンマ線エネルギーから同位体又は元素の同定、ガンマ線強度から元素量の定量を行う分析法が即発ガンマ線分析法である。中性子と即発ガンマ線ともに物質に対する透過性が高く固体試料全体の正確な非破壊・多元素同時分析が可能である。

３次元の非破壊可視化手法としては、物体を回転させながらＸ線あるいは中性子を透過させ各回転角度で得られた透過映像をコンピュータで処理することにより物体の内部を可視化するＣＴ技法が活用されており、物体内部の構成物質の粗密分布が観測される。

さらに、物体内部の構成物質の粗密分布に加えて、物質内の結晶粒子又は磁区の方位情報をも含めた測定を可能とする三次元マッピング法も提案されている（特許文献１）。
さらに又、本発明者等は、中性子即発ガンマ線分析（PGA）を行って、試料を中性子照射した際に放出される即発ガンマ線を測定することにより非破壊で多元素同時分析を行い、他の方法では分析が困難なH,B,Si等の軽元素をはじめ多くの元素分析に有効であることの検討を行った（k₀法に基づく中性子即発ガンマ線分析法の研究）。
特願２００４−２５５１４６（特開２００６−７１４４９）「中性子散乱を用いた構造マッピング法」

しかしながら、以上の技術によれば、対象物質内の複数元素を同時に３次元元素分布観測・計測するとは困難であった。

本発明は、ＣＴ技法（コンピュータ・トモグラフィ技法）と中性子即発ガンマ線分析とを組み合わせることで、物対象物質内の複数元素を同時に３次元元素分布観測・計測することを課題とする。

以上の課題を解決するために、第一発明は、必要な空間分解能に応じたビーム形に切取った平行性の高い中性子ビームを利用して物体を走査し、各走査に応じた即発ガンマ線スペクトルを測定・記録し、記録された走査位置毎の即発ガンマ線スペクトルをコンピュータ処理することで、物体内部の三次元での元素分布を測定することを特徴とする測定技術である。

第二発明は記録された走査位置毎の即発ガンマ線スペクトル中の複数の同位体からのガンマ線ピーク毎にコンピュータ処理を行うことで、多元素を同時に物体内部の三次元元素分布を測定することを特徴とする測定技術である。

第三発明は、物体内を中性子ビームが通過する際の自己吸収及び散乱に伴う減衰を補正するために中性子ビーム線上の試料の前後にモニター元素を置き、そのガンマ線強度を測定することで試料による中性子自己吸収の補正を行う補正法である。

第一発明によれば、必要な空間分解能に応じたビーム形に切取った平行性の高い中性子ビームを利用して物体を走査し、各走査に応じた即発ガンマ線スペクトルを測定・記録し、記録された走査位置毎の即発ガンマ線スペクトルをコンピュータ処理することで、物体内部の特定元素の３次元分布を測定することが可能である。また、ほぼ全ての元素は中性子即発ガンマ線を発生するので対象は全元素である。また、中性子即発ガンマ線分析法で高感度に分析可能である水素、ホウ素、カドミウム、水銀、サマリウム、ガドリニウム等は微量分布分析も可能である。

第二発明によれば、各走査位置で記録された即発ガンマ線スペクトル中の複数のガンマ線ピークごとにコンピュータ処理を行えば多元素同時に物体内部の３次元元素分布を取得することが可能となる。

第三発明によれば、物体内を中性子ビームが通過する際の自己吸収及び散乱に伴う減衰はコンピュータ断層撮影において大きな不確定要素となる。これら不確定要素の補正を行うために中性子ビーム線上の試料の前後に分析の対象としないモニター元素を置き、そのガンマ線強度を同時測定することで試料による中性子自己吸収の補正を行う。これにより、不確定要素の補正された物体内部の特定元素の３次元分布を測定することが可能である。

図１に、本発明の中性子即発ガンマ線分析による複数元素の同時３次元分布・可視化観察・計測するための装置の概要が示されている。原子炉等の中性子源からの中性子ビームを中性子コリメータ１で切り取って平行性が高い、測定に必要な空間分解能の大きさにコリメートし、測定試料（カドミウム線で構成される三角錐）２に照射する。測定試料は、中性子ビームに対して垂直にＸ−Ｙ方向に駆動でき、回転できる２Ｄ（２次元）＋回転ステージ３に設置する。測定試料２はコリメートされた中性子ビームに照射され各（Ｘ，Ｙ，回転角度φ）座標毎に中性子遮蔽体５とガンマ線コリメータ６を経てガンマ線検出器７で検出されガンマ線スペクトロメトリ８により即発ガンマ線スペクトル９が測定及び記録される。

図１に示すように、即発ガンマ線スペクトル９中の元素毎に特定される即発ガンマ線にＲＯＩ（ＲｅｇｉｏｎｏｆＩｎｔｅｒｅｓｔ：関心領域）を指定することで、元素毎の特定のガンマ線ピークの計数情報が得られる。ＲＯＩの指定は、あらかじめ目的元素が明確であれば測定前に指定可能である。未知の場合には測定後でも可能である。

（Ｘ，Ｙ，回転角度φ）座標毎に得られた元素毎のガンマ線ピーク情報からコンピュータ・トモグラフィ処理を行うことで、多元素を同時に物体内部の三次元元素分布を得ることが出来る。

以下図面に沿って実施例を示し、中性子即発ガンマ線分析による複数元素の同時３次元分布・可視化観察・計測方法及びその装置についてより詳しく説明する。日本原子力研究開発機構ＪＲＲ−３研究用原子炉の即発ガンマ線分析装置内に図１に示すような２Ｄ＋回転ステージ３を設置し、そのステージ上に各辺１ｃｍの０．２５ｍｍφのカドミウム線で作成した三角錐試料２を設置した。この三角錐試料は３本の１ｃｍ長さのワイヤ線が３角錐状に頂点で結合したものである。
中性子ビームは中性子コリメータ１により１×１ｍｍ^２にコリメートし三角錐試料２に照射した。ステージによりＸ，Ｙ，φ（ビームに対し横Ｘ、高さＹ、回転）方向にそれぞれ１ｍｍ，１．５ｍｍ，１０度刻みで試料を駆動しながらＪＲＲ−３即発ガンマ線分析装置に付属するＧｅ半導体検出器により即発ガンマ線スペクトルを測定した。即発ガンマ線スペクトル中のカドミウムの５５８ｋｅＶ即発ガンマ線にＲＯＩを設定し、ＲＯＩ領域のガンマ線計数を測定位置ごとに記録した。測定データ及び測定座標データを日本原子力研究開発機構が開発した計測解析ソフト（ＮＩＰＰＯＮ）によりコンピュータ・トモグラフィ処理を行い図２に示すカドミウム元素の三次元元素マッピングを得た。三次元元素マッピング画像は任意の指定から画像化することが出来るが図２中には真上から見たＣＴ画像１０と真横から見たＣＴ画像１１を示す。画像１０と画像１１中の写真図の画像は指定された元素由来のガンマ線ピークのＲＯＩのガンマ線強度であり、指定された元素の存在量に相関している。そのガンマ線強度は図中のマップの色の濃さに基づいて示される。
即ち、図２の１０と１１の色の濃さは、ガンマ線強度、つまりカドミウム元素の存在量を代表する数値を色の濃さで表したものである。測定試料のワイヤ線の端の辺りに出てくる輝きを示す部分は、カドミウム線が重なり合ってガンマ線強度が強くなったためにそれに伴って表示される色の濃さが変わったものである。又、左側に示される各数字はガンマ線強度を色の濃さによって表したものである。

本発明の中性子即発ガンマ線分析による複数元素の同時３次元分布・可視化観察・計測方法及びその装置の概要を示した図である。本発明の手法により得られたカドミウム元素の三次元元素マッピング画像で有る。

符号の説明

１：中性子コリメータ、２：測定試料又は三角錐試料、３：２Ｄ＋回転ステージ、４：即発ガンマ線、５：中性子遮蔽体、６：ガンマ線コリメータ、７：ガンマ線検出器、８：ガンマ線スペクトロメータ、９：ガンマ線スペクトル、１０：ＣＴ解析結果（真上から見た図）、１１：ＣＴ解析結果（真横から見た図）

Claims

回転及び垂直・水平駆動させた対象物質に中性子ビームを照射することにより中性子ビームが前記の対象物質内を透過する線上から放射される同位体毎に異なる中性子捕捉即発ガンマ線（以下・即発ガンマ線）のエネルギースペクトルと前記の対象物質に対する中性子ビームの照射位置情報を記録し、これらの記録情報からコンピュータ・トモグラフィ技術（ＣＴ技術）を用いて前記の対象物質内の同位体又は元素毎の３次元空間情報を観察・計測する方法。
請求項１に記載の方法で得られる記録情報を用いて同位体又は元素毎に異なる複数の即発ガンマ線のエネルギースペクトル中のピーク情報を解析し、前記の対象物質内の複数の同位体又は元素の、同位体毎又は元素毎の３次元空間情報を観察・計測する方法。
請求項１又は２に記載の方法の計測精度を向上するため、中性子ビームの照射線上の前記の対象物質の即発ガンマ線検出器の視野内において前方に入射中性子を測定するための指標元素を、後方に透過中性子を測定するための指標元素を設置し、これらからの即発ガンマ線の強度を前記の対象物質と同時に測定することで対象物質内において自己吸収される現象の補正を行う補正方法。
請求項１又は２に記載の方法の計測精度を向上するため、中性子ビームの照射線上の前記の対象物質の即発ガンマ線検出器の視野外において前方に入射中性子を測定するための中性子検出器を、後方に透過中性子を測定するための中性子検出器を設置し、これらからの中性子強度を前記の物質の即発ガンマ線計測と同時に記録することで自己吸収される現象の補正を行う補正方法。
対象物質と原子炉又は加速器中性子源から導かれた中性子ビームの照射線上に対象物質を固定、回転、垂直・水平駆動するためのトモグラフィ機構、ガンマ線検出器、補正用指標元素及び、補正用中性子検出器から構成された、前記対象物質内の複数の同位体又は元素の３次元空間情報を同時に可視化・観察・計測する装置。