JPS6136630B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、広い測定範囲を有する改善された
放射線検出装置に関するものである。

原子炉で使用される放射性物質の貯蔵、使用ま
たは処分に関係する施設に課せられた安全規定を
満たすために、放射線検出装置に対して、堅牢で
しかも信頼性があり、１R/hrから10⁸R/hrまでの
フイールドを表示することができ、また高い放射
線量および／または略250℃までの温度に曝され
ても作動し続けるという、臨界的な要求がある。

このような装置は、原子力発電所周囲の種々の
位置にある放射線フイールドの監視、燃料貯蔵地
域や高レベル処分地域の放射線フイールドの監
視、原子炉の一次冷却剤内の放射能の監視に巾広
く利用されている。

この発明は、従来の技術の欠点を克服するため
に改良された放射線検出装置を得ることを目的と
する。

この発明の好適な実施例によれば、0.02R/hr
から10⁸R/hrまたはさらに高い領域にわたつて放
射線フイールドを測定することができる、簡単で
堅牢な検出器が得られる。これは基本的には、電
離装置と、外部電流を必要としない自己出力装置
との組み合わせである。この検出器は、信号ケー
ブルの中心導体に接続された高原子番号物質のエ
ミツタエレメントから成る。このエミツタエレメ
ントは、低原子番号物質のコレクタエレメントの
間に、エミツタエレメントと隣接コレクタエレメ
ントとの間に空隙部分を有するようにして、間隔
を置いて配設される。

ガンマ線の放射線フイールドが存在すると、エ
ミツタエレメントとコレクタエレメントの両方か
ら電子を放出して、空隙部分に電離を生じる。低
放射線フイールドでは装置は電離方式で働き、空
隙部分で発生したイオン対は、エミツタエレメン
トとコレクタエレメントを構成する異種金属間の
接触電位差によつて集められる。高放射線フイー
ルドではイオンの収集は遥かに効率が悪く、エレ
メントから放出された電子によつて直接に発生さ
れた電流が大きく作用し、したがつて装置は自己
出力電流装置として働く。この発明の装置は、構
造が極めて簡単で、堅牢でしかも信頼性が高い。
この装置は、高放射線量に耐え、性能に特に低下
をきたすことなしに250℃までの温度で作動する
ことができる。

この発明の新規な放射線検出装置は、原子炉施
設の事故監視装置としての用途、燃料貯蔵地域、
高レベル処理物貯蔵区域のような高放射線領域の
監視の用途、並びに増殖型原子炉設備に関係した
その他の用途に特に適している。この発明思想
は、エミツタエレメントが管状コレクタエレメン
ト内に配設された同軸ワイヤである炉内検出器に
用いることができる。

この新規な放射線検出装置は自己出力装置とし
て、即ち、何等の外部電源なしに働く結果、検出
器自体と信号ケーブルおよび電流測定装置だけか
ら成る極めて簡単なシステムとなる。その上、電
圧は、検出器両端で約0.5ボルト程の極めて小さ
なものであり、信号ケーブルには全く電圧がな
い。システムが簡単な結果信頼性が高くなり、一
方、低い電圧は、検出器および／または信号ケー
ブルが、検出器の性能に目立つ程の低下が生じる
前に、強い放射線障害下および250℃までの周囲
の温度に置かれることができるということを意味
する。

匹敵する従来のシステムは、普通の電離型シス
テムの使用を必要とする。この様なシステムは、
小さな電離室、高電圧と信号の両方用のケーブ
ル、高電圧電源および電流測定装置を必要とす
る。電離室が適当に機能するためには、放射線フ
イールドによつて遊離された電荷の大部分が、最
高領域にあつても、集められることが必要であ
る。このためには、電離室が小さく、適用電圧が
比較的高い、即ち、200〜300ボルトであることが
必要である。小さな寸法を必要とするということ
は、低フイールドにおいての感度がこの発明の検
出器の感度よりもかなり低くなることを意味す
る。従来のシステム内の電離室に必要とされる高
い印加電圧は、室自体内に三軸信号ケーブルと保
護リングを必要とし、このため、このシステムを
この発明の検出器よりもかなり高価にすることを
意味する。最後に、電源と印加高電圧との追加を
必要とすることは、従来の電離室の信頼性を著し
く減じる。この発明の検出器の有する格別な信頼
性は、これ等の高放射線レベルの適用に対して重
要である。というのは、高フイールドではシステ
ムが一旦取り付けられると検出器または信号ケー
ブルを取り換えることが極めて困難だからであ
る。

要約すると、以上述べた新規な検出器は、その
巾広い動作範囲、低フイールド下での高い感度、
その単純性およびすぐれた信頼性のために、従来
の電離室システムよりもすぐれている。

この発明は、以下の図面に関する実施例の説明
からより明らかとなる。

第１図は、信号ケーブルSCを経て、電流測定
回路Ｍに接続された放射線検出器Ｄの断面図を示
す。

第１図の実施例簡略図において、検出器Ｄは薄
い板状エミツタエレメントＥから成り平行な板状
コレクタエレメントＣ１，Ｃ２間に位置して電気
絶縁体INによつて該エレムント間に支持されて
いる。このエミツタエレメントＥは、Ｗ、Ta、
Pt、Au、Pb等のような高Ｚ（原子番号）物質で
あり、一方、コレクタエレメントＣ１，Ｃ２はエ
ミツタエレメントＥより厚く、Al、Ni、Fe等の
ような低Ｚ（原子番号）物質から成る。コレクタ
エレメントＣ１，Ｃ２間に延在し、通常コレクタ
エレメントＣ１，Ｃ２と同じ材料より成る端板Ｐ
は、封入容積Ｖを形成し、また、静電遮蔽と機械
的剛性を与える。コレクタエレメントＣ１，Ｃ２
間に延在し、且つエミツタエレメントＥをコレク
タエレメントＣ１，Ｃ２から離して支持する絶縁
体INは、通常Al₂O₃またはMgOから構成される。
信号ケーブルSCは、内部導体Ｃと外側シールド
Ｓから成る。内部導体Ｃは、コレクタエレメント
Ｃ１，Ｃ２間のエミツタエレメントＥに接続さ
れ、一方、接地されたコレクタエレメントＣ１，
Ｃ２は、端板Ｐを経てシールドＳと接続されてい
る。

エミツタエレメントＥの厚さは、使用材料の密
度に依る。もし、厚さがｇm/cm²の単位で測定さ
れるなら、適当な厚さの範囲は、およそ0.1〜1.0
ｇm/cm²である。これは、プラチナでは約0.002×
１／２．５４cm（インチ）と0.020×１／２．５４cmの
間の厚さに相 当する。主として高エネルギーガンマ線、即ち、
4Mev以上のガンマ線の検出が見越される場合
は、エミツタエレメントＥの厚さは、２ｇm/cm²
と３ｇm/cm²の間にすることができる。

コレクタエレメントＣ１，Ｃ２の厚さは、必要
な機械的剛性を与えるために、通常およそ１／８× １／２．５４cm〜１／４×１／２．５４cmである。コレ
クタエレメント Ｃ１，Ｃ２は、対称的な応答をするように、同じ
材料でつくるべきである。さらにエミツタエレメ
ントＥは、所望される操作上の対称性を確実にす
るために、コレクタエレメントＣ１，Ｃ２の内面
から等距離に配設すべきである。このようにし
て、空隙部分Ａ１，Ａ２は等しくされる。これが
好ましい配置ではあるが、エミツタエレメントＥ
がコレクタエレメントＣ１，Ｃ２から等距離に配
設されなくても、検出器Ｄは作動するであろう。
この後者の状態は、最小厚さの検出器Ｄが必要と
される時には妥当である。

エミツタエレメントＥとコレクタエレメントＣ
１Ｃ２とは空隙部分Ａ１Ａ２を定める間隔関係で
配列され、その空隙部分Ａ１Ａ２は低再結合係数
をもつ気体を含む容積を交互に定める。容積の正
確な大きさは検出器の用途により明示されるがす
べての場合電離電流が低放射線レベルで自己検出
電流をこえるに充分な大きさである。通常、この
空間はおよそ１／１６×１／２．５４cmと１／２×１／
２．５４cmの間であ る。

端板Ｐは、エミツタエレメントＥを完全に封入
することによつて、検出器Ｄに所要の静電遮蔽を
与える。

コレクタエレメントＣ１の外表面に衝突したガ
ンマ線Ｇは、コレクタエレメントＣ１によつて電
子を遊離され、この電子がエミツタエレメントＥ
の隣接面に運ばれる。

同時に、投射ガンマ線のほとんどは、相互作用
なしにコレクタエレメントＣ１を通過してエミツ
タエレメントＥへ到達する。ガンマ線のこの流れ
は、光電子とコンプトン相互作用により、エミツ
タエレメントＥから下部コレクタエレメントＣ２
での電子の放出を起こす。

検出器Ｄのプレートの間を移行する電子は、空
隙部分Ａ１，Ａ２内でイオン対を生じる。通常の
電離室では、この分離された電荷を収集するため
に電圧が加えられる。けれどもこの具体例では、
この収集電圧は、エミツタエレメントＥとコレク
タエレメントＣ１，Ｃ２との間の接触電位差から
得られる。この接触電位差は、エミツタエレメン
トＥとコレクタエレメントＣ１，Ｃ２に使用され
る金属の仕事関数の差から自然に生じ、このた
め、検出器Ｄは、何等の外部電源を必要としな
い。このように、装置Ｄ内の電流発生機構の一つ
は、コレクタエレメントとエミツタエレメントに
よつて放出された電子によつて空隙部分Ａ１，Ａ
２内に生じるイオン対の収集を含む。発生した電
荷を収集するのに必要な電圧は、異種材料のエレ
メント間の接触電位差から生じる。

容積Ｖおよび空隙部分Ａ１，Ａ２は、比較的低
い再結合係数をもつ、空気のような気体で満たさ
れる。この再結合係数は、遊離した陽イオンと電
子との再結合の難易さの尺度である。

もし、信号ケーブルSCの内部導体Ｃとシール
ドＳとが同じ材料でつくられているなら、ケーブ
ルSCに電圧が発生することはなく、このため、
信号ケーブルSC上に電圧を有することなしに、
検出器Ｄのエレメントに電圧を有することが可能
となる。このことの意味は、以下の説明から明ら
かになるであろう。

第２の電流発生機構は、真の自己出力電流を含
む。衝突したガンマ線Ｇに応じたエミツタエレメ
ントＥから遊離される電子の数は、コレクタエレ
メントＣ１，Ｃ２を通して遊離される電子より高
くなる。というのは、エミツタエレメントＥが高
Ｚ物質であるため、低Ｎ物質のコレクタエレメン
トによつて生じるよりもより多数の相互作用を生
じ、また、より高い電子エネルギーを発生するか
らである。

このように、エミツタエレメントとコレクタエ
レメントの材料の仕事関数の差によつて、低い放
射線レベルを大きく作用する電離電流の発生する
に必要な接触電位差が確実にされ、一方におい
て、材料の原子番号の差によつて、高い放射線レ
ベルにおいて支配する自己出力電流が発生され
る。

電流測定装置Ｍは、基本的には、エミツタエレ
メントＥ内への、またはエミツタエレメントＥか
らの電子の正味の流量を示す。自己出力電流は、
２つの要素より成る、即ち、エミツタエレメント
Ｅに流れるコレクタエレメントＣ１，Ｃ２よりの
電子と、エミツタエレメントから放出される電子
とから成る。前述したように、エミツタエレメン
トＥの材料は、該エミツタエレメントＥから放出
された電子の電流がコレクタエレメントＣ１から
の電子の電流よりも大きくなるように選ばれる。

前述したような電流発生機構の存在によつて、
装置Ｄを従来の装置よりも遥かに広範囲の放射線
に有効に利用することができる。この範囲の増加
は、非常に低い放射線フイールドにおいて、極め
て小さい即ち0.5ボルトの接触電位差が空隙部分
Ａ１，Ａ２内に生じるイオン対の大部分を収集で
きるという事実に基くものである。この電流は、
自己出力電流より250倍も高くなることがあり、
このため、低いフイールドにおいて、装置Ｄは、
自己出力機構のみを用いた装置よりも250倍も感
度が良い。

0.010インチ厚のタンタルプレートをエミツタ
エレメントＥとして使用し、0.25×１／２．５４cm厚の
ア ルミニウムプレートをコレクタエレメントＣ１，
Ｃ２として使用して、広範囲な実験を行なつた。
タンタルのエミツタエレメントＥは、4″×4″の大
きさで、測定された接触電位差はおよそ0.6ボル
トであつた。60Coフイールド内で行なわれた測
定によれば、電流測定回路Ｍとしてキースレイ
（Kiethley）600アンペアエレクトロメーターを使
用して、１R/hr以下のフイールドを容易に測定
できることがわかつた。バツクグラウンド電流は
およそ４×10^-14アンペアで、また、0.1R/hrのフ
イールドはおよそ５×10^-13アンペアの電流を生
じ、一方、１R/hrのフイールドはおよそ４×
10^-12アンペアの電流を生じたが、これ等両方共
容易に測定可能であつた。これに対応する自己出
力電流は、夫々２×10^-15アンペアおよび２×
10^-14アンペアであつた。これ等の結果から実用
上において、略0.1R/hr程度の低いフイールド
を、第１図の検出器Ｄの放射線監視構造を用いて
難なく測定可能であることがわかる。さらに、装
置Ｄの大きさには実際上制限がないので、より大
きなコレクタおよびエミツタエレメントを使用す
ることによつて、より高い電流を発生し得るとい
うことがはつきりした。例えば、12″×12″のコレ
クタおよびエミツタエレメントを使用する検出器
Ｄは、前記の測定を生じるのに使用した4″×4″の
装置よりも、144/16、即ち９倍の大きさの電流を
発生することになる。

高いフイールドでは、接触電位差の小さな値の
ためにイオン対の再結合過程と電荷収集過程との
間に競合を生じ、遊離された電荷の極く小さな部
分も実際に収集される。この作動領域において、
実験分析の結果、電流は一律に増加し続けるが、
略放射線フイールドの強さの平方根で増加し続け
ることがわかつた。〔1970年、米国原子核学会
（American Nuclear Society）発行、George H.
Miley著「核放射線エネルギーの直流変換
（Direct Conversion of Nuclear Radiation
Energy）」を参照〕。けれども、直流自己出力電
流は、これ等の考案の影響を受けず、放射線フイ
ールドに伴なつて線形に変化する。このように高
いフイールド即ち10⁴R/hrより大きなフイールド
では、前述の２つの機構からの電流は匹敵するに
至り、もつと高いフイールドにおいては、自己出
力電流が大きく作用し、かくして線形の応答を生
じる。自己出力機構に関連した遥かに低い感度
は、高い放射線フイールド状態においては、もは
や重要でない。

例えば10⁶R/hrにおいて、自己出力電流は略２
×10^-8アンペアで、何等測定上問題とならない。
10^-1R/hrから10⁷R/hrまで放射線領域にわたる全
体的な応答機能は、第２図にグラフで示してあ
る。検出器Ｄの検出電流と放射線フイールドとの
関係は、電離室応答曲線Ａと自己出力応答曲線Ｂ
に対して曲線Ｃとして示してある。第２図から、
検出器Ｄの応答は、放射線フイールドの増加につ
れて、高感度電離室応答曲線Ａから低感度自己出
力応答曲線Ｂに移動するのがわかる。低い放射線
フイールドでは、検出器Ｄの応答は全く電離に基
くものであり、一方、高い放射線フイールドで
は、検出器Ｄの応答は殆んど自己出力電流からの
ものである。それ故、第１図の検出器構造は、低
い放射線フイールドにおける高感度と高い放射線
フイールドにおける低感度のために、広い領域に
わたつて放射線フイールドを検出することができ
る。

以上のように放射線検出器は何等の外部電源な
しで作動し、したがつて検出器Ｄは、検出器Ｄ、
信号ケーブルSC、および電流測定回路Ｍだけか
ら成る極めて簡単な装置となる。さらに、電圧は
極めて小さく、検出器エレメントではたつた0.5
ボルトであり、信号ケーブルSCには電圧は発生
しない。検出器Ｄが簡単なために信頼性が高くな
り、また、電圧が低いということは、検出器Ｄお
よび／または信号ケーブルSCが検出器Ｄの性能
に目立つ程の低下をきたすことなしに、放射線に
さらしまた略250℃までの周囲温度下にさらすこ
とができるということを意味する。

検出器Ｄの応答は、広い放射線領域にわたつて
非線形であり、低い放射線フイールドおよび極め
て高い放射線フイールドにおいては、検出器Ｄは
線形の応答を示す。高い放射線フイールドにおけ
る線形の応答は、最も重要な放射線測定が実際に
用いられるのはこの範囲なので、最も大切であ
る。中間放射線領域での非線形応答に対する補正
は、測定回路Ｍにおいて行なうことができる。

これまでの説明は、第１図の平行な板状検出器
構造についてのものであるが、この発明思想は、
第３図に示したような管状構造D′においても具
体化できる。第１図のコレクタエレメントＣ１，
Ｃ２の代わりに単一の管状コレクタエレメント
C′が用いられ、このコレクタエレメント内に、
空隙部分Ａ１′，Ａ２′を形成するようにエミツタ
ワイヤまたはロツドエレメントE′が配設され
る。測定回路Ｍは、信号ケーブルSCによつて検
出器D′に接続され、シールドＳは、管状コレク
タエレメントC′に接続され、導体Ｃは、エミツ
タエレメントE′に接続されている。

信号ケーブルSCと組み合わされた管状コレク
タエレメントC′内のエミツタエレメントE′の同
軸配置は、普通の炉内検出器より遥かにすぐれた
炉内ガンマ感応性自己出力検出器を構成する。

第３図の検出器D′の代表的な具体例は、プラ
チナエミツタエレメントE′と、炉内コレクタエ
レメントC′と、コレクタエレメントC′内でエミ
ツタエレメントE′を支持するAl₂O₃またはMgOか
ら成るセラミツク絶縁体IN′とより構成される。
エミツタエレメントE′は、第３図においては中
実として示されているが、管状の構造のものでも
よい。以上述べたように、衝突するガンマ放射線
によつて、光電子とコンプトン相互作用によつ
て、エミツタエレメントE′とコレクタエレメン
トC′から電子が放出される。空隙部分Ａ１′およ
びＡ２′を横切る電子によつて、空隙部分Ａ１′，
Ａ２′内に発生するイオン対は、前述したよう
に、エミツタエレメントE′とコレクタエレメン
トC′間の接触電位差を利用することによつて、
外部電源を必要とすることなしに収集される。

第３図の炉内検出器構造の利点は、原子炉出力
レンジにおける標準的な自己出力検出器のように
作動する一方、始動中、装定能力をも与える検出
器D′を供することである。

以上述べたこの発明思想は、低放射線検出器お
よび分離型高放射線検出器の構造をも包含する。

低放射線検出器は、低放射線レベルで大きく作
用する電離電流を発生するのに要する接触電位差
を確立するために、異なる仕事関数のコレクタエ
レメントおよびエミツタエレメントを有する。

高放射線検出器は、高放射線フイールドで自己
出力電流を支持するために、エミツタエレメント
の原子番号がコレクタエレメントより高いコレク
タエレメントとエミツタエレメントを有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の特徴を有する広範囲検出装
置の概略の断面図、第２図は第１図の装置の作用
を示す線図、第３図は別の実施例の概略の断面図
である。 SC……信号ケーブル、Ｍ……電流測定回路、
Ｄ，D′……放射線検出器、Ｃ１，Ｃ２……板状
コレクタエレメント、Ｃ１′，Ｃ２′……管状コレ
クタエレメント、Ｅ……板状エミツタエレメン
ト、E′……エミツタエレメント、Ｐ……端板、
Ｖ……封入容積、IN……絶縁体、IN′……セラミ
ツク絶縁体、Ｃ……内部導体、Ｓ……外側シール
ド、Ａ１，Ａ２，Ａ１′，Ａ２′……空隙部分、Ｇ
……ガンマ線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 間隔を置いた第１のコレクタエレメントと第
   ２のコレクタエレメントと、そしてこの第１、第
   ２のコレクタエレメント間に設けられたエミツタ
   エレメントと、前記のコレクタエレメントとエミ
   ツタエレメントに接続されて投射放射線の測定値
   を与える電流測定装置とより成り、前記のコレク
   タエレメントはエミツタエレメントの材料と異な
   る仕事関数と原子番号をもつ材料で構成され、前
   記の材料の異なる仕事関数が前記のコレクタエレ
   メントとエミツタエレメント間に接触電位差を発
   生して低放射線レベルで電離電流を生じ、前記の
   コレクタエレメントとエミツタエレメントの原子
   番号の相異によつて、より高い原子番号の材料か
   ら、より低い原子番号の材料よりも高いエネルギ
   ー電子を放出させ、高放射線レベルで前記電離電
   流より大なる自己出力電流を生じるようにした該
   放射線の検出装置において、前記のコレクタエレ
   メントとエミツタエレメントが低再結合係数をも
   つ気体を含みある値を定める間隔係数をもち、そ
   の間隔関係は電離電流が低放射線フイールドで自
   己出力電流をこえるのに充分な大きさであること
   を特徴とする広範囲放射線検出装置。 ２ コレクタエレメントとエミツタエレメントが
   平行な板である特許請求の範囲第１項記載の広範
   囲放射線検出装置。 ３ コレクタ板エレメントの外面端がエミツタ板
   エレメントの外面端を越えて延在し、さらに前記
   エミツタエレメントを囲むために前記コレクタエ
   レメント間に延在する静電遮蔽包囲装置を含む特
   許請求の範囲第１項または第２項記載の広範囲放
   射線検出装置。 ４ 第１と第２のコレクタエレメントが管状コレ
   クタ装置の対向壁より成り、エミツタエレメント
   は前記の管状コレクタ装置内に配設された管状エ
   ミツタ装置である特許請求の範囲第１項または第
   ２項または第３項記載の広範囲放射線検出装置。 ５ コレクタエレメントとエミツタエレメントを
   電流測定装置に接続する信号ケーブルを有し、こ
   のケーブルは内部導体と同材料の外側シールドと
   より成り、前記内部導体は前記エミツタエレメン
   トに接続され、前記外側シールドは前記コレクタ
   エレメントに接続された特許請求の範囲第１項ま
   たは第２項または第３項または第４項記載の広範
   囲放射線検出装置。 ６ コレクタエレメントとエミツタエレメントと
   の間隔が、略1/16インチから1/2インチの間にあ
   る特許請求の範囲第１項または第２項または第３
   項または第４項または第５項記載の広範囲放射線
   検出装置。