JP6196709B1 - 放射線測定装置、方法及びプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
ダスト放射線モニタは、空気を一定時間に亘り吸引し空気中のダストをフィルタに吸着させ、このフィルタの全β線、全α線等の放射線測定値から大気中のダスト放射能濃度(Bq/cm3)を測定するものである(例えば、非特許文献1)。
特にこの様な区域を管理する自治体側においては、事故プラント周辺地域であるが故に、廃炉作業等に伴う核分裂生成物(放射性セシウム137Cs、134Csなど)等の急な再飛来による内部被ばくを懸念している。
しかしながら、現在配置されている空間γ線モニタ及びダスト放射線モニタでは、これらの測定値を組み合わせても、そのような要求に十分に対処できるとはいえない。
しかし、空間γ線モニタは、測定地点で検出されるγ線全体から線量率を算出する事を目的にしている。このため、エネルギースペクトルを測定する機能や、エネルギーと計数情報から線量率に換算する機能を有するものもあるが、特定の核種・エネルギーについてのみ着目してデータを処理する機能は設けられていない。
しかし、ダスト放射線モニタから取得される測定値の間隔は、空気の吸引時間に依存する。例えば、吸引に2時間程度かけフィルタの放射線測定に10分程度かかるといった一般的な測定条件では、放射性核種の空気中濃度の変化に対する応答の即時性に劣るといえる。
また、強制的に空気を吸引・排気してダストをフィルタに吸着させるためには、駆動機構及び消耗品が必須の構成要素となり、メンテナンスの負担も避けられない。
このために、空間γ線モニタの測定結果とダスト放射線モニタの測定結果とを組み合わせるだけでは、放射性核種の空気中濃度が低レベルである場合、その増加傾向を察知することが困難であるという課題があった。
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図1に示すように実施形態に係る放射線測定装置10は、空間に固定配置されγ線が入射するとそのエネルギーに依存したパルス高さの検出信号S(図3参照)を出力する検出部11と、地表面側から入射しようとするγ線に起因する検出信号Sの出力を阻止する阻止手段12と、前記エネルギーに基づき設定された複数のチャンネルC(C1,C2,…Cn,…)毎に検出信号Sをカウントするカウンタ15と、単位周期T(T1,T2,…Tr,…Ts)(図3参照)で区切ってカウントした計数値Xを少なくとも直近の連続するs周期分の第1積算期間U1(=s×T)につき保持するデータ保持部16と、この第1積算期間U1において保持されている計数値XをチャンネルC(C1,C2,…Cn,…)毎に積算した積算値Y1の第1スペクトル(図4(A)参照)を単位周期Tが区切られる毎(図8参照)に演算する第1演算部17aと、直近の連続するr周期分(r<s)の第2積算期間U2(=r×T)において保持されている計数値XをチャンネルC(C1,C2,…Cn,…)毎に積算した積算値Y2の第2スペクトル(図4(B)参照)を単位周期Tが区切られる毎に演算する第2演算部17bと、第1スペクトル及び第2スペクトルの各々における放射性核種(例えば、Cs−137)に由来するγ線の固有エネルギー値(662keV)(図7参照)に対応するチャンネルCnにおいて積算値Y(Cn)が有意水準20(20a,20b)を満たすか否かについて二値判定する判定部18(18a,18b)と、第1スペクトル及び第2スペクトルにおける二値判定の結果に基づいて警告情報を発信する情報発信部19と、を備える。
このために、監視対象となる区域において、地表等に固定化されている放射性核種に由来するγ線の影響を排除しつつ、空気中に拡散している放射性核種に由来するγ線の存在について高感度でリアルタイムに測定・検出することが要求される。
シンチレータ31にγ線が入射すると、その原子や分子が励起され基底状態に戻るときに、入射したγ線のエネルギーに比例した光強度の蛍光パルスが放出される。観測される蛍光パルスの数は、γ線の入射数に比例する。従って、シンチレータ31からの蛍光パルスの光強度とその観測数を測定する事で、γ線のエネルギーと入射数を得る事ができる。
検出部11は、この遮蔽ブロック12の開口から、シンチレータ31の上部が露出するように固定される。これにより、検出部11は、その地表面側及び外周面側の大部分が遮蔽ブロック12aで覆われ、地表面側から入射しようとするγ線が遮蔽され、そのようなγ線に起因する検出信号Sの出力が結果として阻止される。
実施形態の検出部11では、阻止手段12の作用により、地表面側から入射しようとするγ線が遮蔽されるとともに、2πの大気空間が測定対象範囲となる。
環境放射能の監視のため一般的に用いられる空間γ線モニタは、空気、地面の両方から入射するγ線を、総合的に検出するものであるが、本実施形態においては空気中からのγ線のみが監視対象となる。
ここで、離散的に検出される検出信号Sは、大気中に浮遊する放射性核種が放出するγ線に由来するもののみではなく、宇宙線やその他外乱に由来するノイズ成分も多く含まれている。
ところでγ線は、検出部11に直接入射する場合と、途中で散乱した後に入射する場合との両方がある。さらには、γ線が直接入射した場合であっても、この検出部11の内部で、その全エネルギーが寄与するか又は散乱するかによっても、検出信号Sのパルスの波高は異なる。
したがって、検出信号Sのパルス高さが、γ線の発生源の種別(核種)に厳密に一致付けされるわけではなく、上述した検出部11に対する入射前後のγ線の散乱現象が、バックグラウンド生成の要因になっている。
波高識別部13は、逐次的に入力する検出信号Sのパルス高さを識別し、予めこのパルス高さに対応付けした複数のチャンネルC(C1,C2,…Cn,…)のいずれか一つに分類する。なおこれら複数のチャンネルC(C1,C2,…Cn,…)は、測定開始前に既知のエネルギーのγ線を検出部11に入射させて行う校正に基づいて、検出信号Sのパルス高さとの対応付けが設定されている。
カウンタ15は、カウントを開始してから単位周期Tが経過したところでカウントを終了し、チャンネルC(C1,C2,…Cn,…)の各々における計数値X(X1,X2,…Xn,…)をデータ保持部16に保持させる。そして、カウンタ15は、このカウント終了と同時に次の単位周期Tにおけるカウントを開始する。
なお、上述の単位周期T毎にカウントされた計数値Xのデータ保持方式は一例であって、限定されない。
図4(A)は、チャンネル毎の積算値Y1(=ΣX)を第1積算期間U1(=s×T)で除算して規格化した計数率の第1スペクトルを示すグラフである。
なお、図4(A)(B)のグラフは、積算期間がそれぞれ異なるエネルギースペクトルの状態を比較説明するために、便宜的に縦軸を計数率で表している。しかし演算部17において、そのような規格化処理を実施する必要性は特にない。
図4(B)は、チャンネル毎の積算値Y2(=ΣX)を第2積算期間U2(=r×T)で除算して規格化した計数率の第2スペクトルを示すグラフである。
これら第1スペクトル及び第2スペクトルは、単位周期T(T1,T2,…Tr,…Ts)が区切られてデータ保持部16に最新の計数値X(X1,X2,…Xn,…)が保持されるタイミングで演算されることになる。
なおr=1のときは、積算期間U2は、単位周期Tに一致する。
ところで、積算期間U1を長くして得られる第1スペクトルは、放射性核種の空気中濃度が低くても上述のように放射性核種の検出感度に優れるが、その空気中濃度の変化に対する応答性が劣る性質がある。
すなわち、一種類の積算期間の長さを調整するだけでは、放射性核種検出の感度と応答性とがトレードオフの関係にある。
なお二値判定を行うためのアルゴリズムは、波形からビークを判別するのに一般的に用いられているものを適宜採用することができる。
具体的に判定部18は、有意水準20に基づいて、注目するチャンネルCnにおけるピーク検出有無、あるいは正味計数の有意性について二値判定を行う。
二値判定の結果が(0,1)の場合は、高応答性に優れるが感度の劣る第2スペクトルのみが大気中に放射性核種(Cs−137)を検出したことを示している。これは、少し前までほとんど検出されなかった放射性核種(Cs−137)の空気中濃度が上昇基調にあることを示唆している。
二値判定の結果が(1,1)の場合は、高感度性に優れる第1スペクトル及び高応答性に優れる第2スペクトルがともに、大気中に放射性核種(Cs−137)を検出したことを示している。これは、許容水準を超える高濃度の放射性核種(Cs−137)が一定期間にわたり大気中に滞留していることを示唆している。
第2実施形態に係る放射線測定装置では、異なる4種類の積算期間でエネルギースペクトルを演算する場合について説明する。
図5は、第2実施形態に係る放射線測定装置の演算部17、判定部18及び情報発信部19を示している。なお図5で示す構成を除く他の構成は図1と同じであるため、重複する説明を省略する。
図8は、演算部17(17a〜17d)が、4種類の積算期間U(U1,U2,U3,U4)の各々で、計数値Xの積算を実行するシーケンスを示している。このシーケンスにおいて時間t0は、検出信号Sのカウントを開始した時点であり、時間経過とともに単位周期T毎に区切ったタイミングを縦線で示し、tm(m:自然数)は最新の演算の実行時点を示している。
なお最短の積算期間は、p=1で設定することができ、この場合の積算期間は単位周期Tに一致する。
積算期間を長くとることは、注目するエネルギーを有するγ線の検出限界をより引き下げ、検出感度をより高める事に相当する。
第3実施形態に係る放射線測定装置では、図6に示すように、判定部18における二値判定で有意水準を満たした(「1」判定の)積算値Yが、積算期間の共通する過去履歴に照らし、増加傾向及び減少傾向のいずれに該当するか評価する評価部21を備えている。なお、図6において図1及び図5と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
そして、各々の評価部21(21a,21b,21c,21d)には、注目するチャンネルCnに関し、対応する積算期間Uで演算された積算値Y(Y1(Cn),Y2(Cn),Y3(Cn),Y4(Cn))が、単位周期T毎に更新されて入力される。
評価部21(21a,21b,21c,21d)の各々は、有意性が連続して肯定「1」と判定された積算値Yの履歴に基づいて、「増加傾向」及び「減少傾向」の評価を行う。各々の評価部21(21a,21b,21c,21d)から発信される「増加傾向」及び「減少傾向」の評価結果は、情報発信部19に送られて人間が認識可能な警告情報に変換されて発信される。
このような評価部21(21a,21b,21c,21d)を設けることにより、互いにトレードオフの関係にある感度及び応答性の「重き」の比率が各々において異なる複数の積算値Yを用い、放射性核種の空気中濃度の変化を多角的に監視することができる。
なお、第3実施形態の情報発信部19は、評価部21から出力される積算値Yの「増加傾向」及び「減少傾向」の評価結果だけでなく、第1実施形態で説明した判定部18から出力される二値判定の結果も受信する。
これまでの説明は、注目するγ線の固有エネルギーにおいて、対応する検出信号Sのパルス高さにばらつきが無い理想状態を前提に行っていた。しかし、現実に観測されるスペクトルは、固有エネルギーの値を中心に正規分布に近い形で拡がりをもって分布している。
そこで、注目するγ線の固有エネルギー値に対応するチャンネルは、正規分布が含まれるように所定範囲で互いに隣接する複数のものが設定される。そしてこの場合、積算値は、所定範囲に設定された複数のチャンネルにおけるそれぞれの値を加算したものが採用される。
第4実施形態に係る放射線測定装置では、判定部18における二値判定の精度を向上させることを目的として、演算部17がさらに、互いに隣接するチャンネルにおける積算値の分解能が向上するようにエネルギースペクトルを補正処理することを説明する。
なお第4実施形態に係る放射線測定装置10の構成は、図1と同じである。
h(t)=∫[-∞,∞] f(τ)・g(t-τ)dτ (1)
この様にエネルギースペクトルを先鋭化することにより、観測される積算値ピークの隣接するもの同士の分解能を向上させることができる。これにより判定部18における二値判定の精度を向上させることができる。
一般的には、エネルギーにより検出部の応答関数が変わるために、この方法は普遍的に適用できない。一方において本実施形態のように、着目範囲を特定のエネルギー区間のみに狭める場合には、検出部の応答関数をほぼ一定とみなすことができるため、この方法を適用する事ができる。
第5実施形態に係る放射線測定装置では、第1実施形態とは異なる方式の検出部11及び阻止手段12について説明する。なお第5実施形態に係る放射線測定装置の全体構成は、図1であらわされる。
図9に示すように、第5実施形態では、検出部11として対向配置される一対のコンプトンカメラ11(11a,11b)を採用している。そして、阻止手段12として入射方向識別器12bを採用している。
一対のコンプトンカメラ11(11a,11b)をγ線が通過すると、通過点に位置する各々の検出素子から検出信号が同じタイミングで出力される。
これにより入射方向識別器12bは、この検出信号を出力した上部及び下部の検出素子の二次元位置及び観測エネルギーの関係から、γ線の入射方向を判別する。そして、地表面側から入射したγ線に起因する検出信号Sの波高識別部13への出力を阻止する。
このようにして、第4実施形態に係る放射線測定装置10では、天空側2π方向から入射するγ線のみに由来する検出信号Sを選択的に測定する。
第6実施形態に係る放射線測定装置では、検出部11及び阻止手段12を内部に収容する筐体33(図2参照)に特徴を有する。なお第6実施形態に係る放射線測定装置の全体構成は、図1であらわされる。
大気中に浮遊する放射性核種は、時間経過によりやがて地表面に降下する。降下する放射性核種は、筐体33の上面にも沈着する。従って、長期間にわたり放射線測定装置10による監視を行う場合には、そのような筐体33の上面に沈着した放射性核種は、大気中における放射性核種の有無に関する正確な判断の妨げになるために除去する必要がある。
この剥離型付着膜部34を構成する薄膜は、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)フィルムや、低密度ポリエチレン(LDPE)フィルムなど、薄くかつ多層に密着させて装着できるものが採用される。
さらには図10(B)に示すように、犠牲付着部35を、筐体33の表面から隔離してその外周面を覆うように設けることも有効である。
波高識別部13及びカウンタ15の機能によりエネルギースペクトルを求める場合、規定される複数のチャネルの各々と測定されるγ線のエネルギーとの間に一定の関係式(一次式、或いは二次の項が極めて小さい二次式)が、予め校正により求められている。さらに、この関係式からチャンネルとエネルギーとを換算する換算係数が求められている。
空間γ線モニタの様に、野外で用いる一般的な放射線計測システムでは、バックグラウンドγ線の一部である、カリウム−40に固有のγ線のエネルギー(1461keV)を用いて上述の換算係数からのずれを求める校正を行う事が多い。しかし、地表面側から入射するγ線の検出を阻止している本発明の実施形態においては、そのようなカリウム−40のγ線の十分な入射を期待する事ができないため、これを検出部校正に利用することができない。
図11(A)は、シンチレータ31と光検出部32が光学窓37を介して接続された検出部11を示している。シンチレータ31は、周囲を光学反射体(図示せず)で覆われた上で、密閉容器38に収められている。この密閉容器38に密着した形で、放射線源36が設けられている。
そこで、放射線源36としては、着目する核種のγ線のエネルギーよりも低いエネルギーのγ線を放出する核種を選定することが望まれる。
図11(B)に拡大して示すように光基準信号発生装置40の内部には、シンチレータ41と放射線源36とが、検出部11側のシンチレータ31とは別の密閉容器42に収容されている。
また、光基準信号発生装置40のシンチレータ41は、光検出部32の受光感度の波長依存性を併せる事も考慮して、検出部11側のシンチレータ31と同種の物質を用いる事が好ましい。
このため、光基準信号発生装置40の光学窓43の外側に、光強度を波長依存性少なく調整可能なND(ND:Neutral Density)フィルタ44を装着する。このNDフィルタ44は、光透過量の波長依存性が小さく、光の波長エネルギースペクトルを歪ませること無く、光強度を弱める事ができる。
また、各実施形態において、検出対象として放射性核種のセシウム137であることを中心に述べたが、特に限定はなくγ線を放出する放射性核種を広く検出対象とすることができる。また、検出対象を特に規定せず、有意検出したチャンネル情報に基づいて、大気中に浮遊する放射性核種を弁別することもできる。
また、放射線測定装置10は、構成要素の各機能を独立して発揮する別々のモジュールを、ネットワーク又は専用線で相互に接続し、組み合わせて構成することもできる。
Claims (10)
- 空間に固定配置されγ線が入射するとそのエネルギーに依存したパルス高さの検出信号を出力する検出部と、
地表面側から入射しようとする前記γ線に起因する前記検出信号の出力を阻止する阻止手段と、
前記エネルギーに基づき設定された複数のチャンネル毎に前記検出信号をカウントするカウンタと、
単位周期で区切って前記カウントした計数値を、少なくとも直近の連続するs周期分の第1積算期間につき、保持するデータ保持部と、
前記第1積算期間において保持されている前記計数値を前記チャンネル毎に積算した積算値の第1スペクトルを、前記単位周期が区切られる毎に演算する第1演算部と、
直近の連続するr周期分(r<s)の第2積算期間において保持されている前記計数値を前記チャンネル毎に積算した積算値の第2スペクトルを、前記単位周期が区切られる毎に演算する第2演算部と、
前記第1スペクトル及び前記第2スペクトルの各々における、放射性核種に由来する前記γ線の固有エネルギー値に対応する前記チャンネルにおいて、前記積算値がバックグランドノイズに対して有意に検出されていることを表す有意水準を満たすか否かについて二値判定する判定部と、
前記第1スペクトル及び前記第2スペクトルにおける前記二値判定の結果に基づいて警告情報を発信する情報発信部と、を備えることを特徴とする放射線測定装置。 - 請求項1に記載の放射線測定装置において、
直近の連続するq周期分(q<r)の第3積算期間において保持されている前記計数値を前記チャンネル毎に積算した積算値の第3スペクトルを、前記単位周期が区切られる毎に演算する第3演算部を備え、
前記情報発信部は、前記第3スペクトルにおける前記二値判定の結果にも基づいて前記警告情報を発信することを特徴とする放射線測定装置。 - 請求項1又は請求項2に記載の放射線測定装置において、
前記二値判定で前記有意水準を満たした前記積算値が、前記積算期間の共通する過去履歴に照らし、増加傾向及び減少傾向のいずれに該当するか評価する評価部を備え、
前記情報発信部は、前記評価の結果にも基づいて前記警告情報を発信することを特徴とする放射線測定装置。 - 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の放射線測定装置において、
前記放射性核種は、セシウム−137及びセシウム−134のうち少なくとも一方を対象とすることを特徴とする放射線測定装置。 - 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の放射線測定装置において、
前記放射性核種に由来する前記γ線の固有エネルギー値に対応する前記チャンネルは、所定範囲で隣接する複数のものが設定され、前記積算値は設定された複数のチャンネルにおけるそれぞれの値を加算したものであることを特徴とする放射線測定装置。 - 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の放射線測定装置において、
前記情報発信部は、
複数の前記スペクトルにおける前記二値判定の組み合わせに基づいて段階的な前記警告情報を発信することを特徴とする放射線測定装置。 - 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の放射線測定装置において、
前記検出部は、シンチレータと光電子増倍管を組み合わせて構成され、
前記阻止手段は、γ線を遮蔽する部材から構成され、前記検出部をその中心軸に沿って内部収容するためのスペースが設けられ、天空側に開口を有することを特徴とする放射線測定装置。 - 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の放射線測定装置において、
前記検出部は、上下方向に対向配置され、γ線の検出素子が二次元配置してなる一対のコンプトンカメラから構成され、
前記阻止手段は、前記検出信号を同時に出力した上下方向の一対の前記検出素子の二次元位置及び出力エネルギーの関係から、γ線の入射方向を判別し、地表面側から入射したγ線に起因する検出信号の出力を阻止することを特徴とする放射線測定装置。 - 空間に固定配置されγ線が入射するとそのエネルギーに依存したパルス高さの検出信号を出力する検出部と、地表面側から入射しようとする前記γ線に起因する前記検出信号の出力を阻止する阻止手段と、を備える機器から前記検出信号を受信するステップと、
前記エネルギーに基づき設定された複数のチャンネル毎に前記検出信号をカウントするステップと、
単位周期で区切って前記カウントした計数値を、少なくとも直近の連続するs周期分の第1積算期間につき、データ保持するステップと、
前記第1積算期間において保持されている前記計数値を前記チャンネル毎に積算した積算値の第1スペクトルを、前記単位周期が区切られる毎に演算するステップと、
直近の連続するr周期分(r<s)の第2積算期間において保持されている前記計数値を前記チャンネル毎に積算した積算値の第2スペクトルを、前記単位周期が区切られる毎に演算するステップと、
前記第1スペクトル及び前記第2スペクトルの各々における、放射性核種に由来する前記γ線の固有エネルギー値に対応する前記チャンネルにおいて、前記積算値がバックグランドノイズに対して有意に検出されていることを表す有意水準を満たすか否かについて二値判定するステップと、
前記第1スペクトル及び前記第2スペクトルにおける前記二値判定の結果に基づいて警告情報を発信するステップと、を含むことを特徴とする放射線測定方法。 - コンピュータに、
空間に固定配置されγ線が入射するとそのエネルギーに依存したパルス高さの検出信号を出力する検出部と、地表面側から入射しようとする前記γ線に起因する前記検出信号の出力を阻止する阻止手段と、を備える機器から前記検出信号を受信するステップ、
前記エネルギーに基づき設定された複数のチャンネル毎に前記検出信号をカウントするステップ、
単位周期で区切って前記カウントした計数値を、少なくとも直近の連続するs周期分の第1積算期間につき、データ保持するステップ、
前記第1積算期間において保持されている前記計数値を前記チャンネル毎に積算した積算値の第1スペクトルを、前記単位周期が区切られる毎に演算するステップ、
直近の連続するr周期分(r<s)の第2積算期間において保持されている前記計数値を前記チャンネル毎に積算した積算値の第2スペクトルを、前記単位周期が区切られる毎に演算するステップ、
前記第1スペクトル及び前記第2スペクトルの各々における、放射性核種に由来する前記γ線の固有エネルギー値に対応する前記チャンネルにおいて、前記積算値がバックグランドノイズに対して有意に検出されていることを表す有意水準を満たすか否かについて二値判定するステップ、
前記第1スペクトル及び前記第2スペクトルにおける前記二値判定の結果に基づいて警告情報を発信するステップ、を実行させることを特徴とする放射線測定プログラム。
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