原子力システム 研究開発事業 成果報告会資料集
多粒子対応型高性能次世代放射線モニタの開発
(受託者)独立行政法人日本原子力研究開発機構
(研究代表者)佐藤達彦 原子力基礎工学研究部門 放射線防護研究グループ 研究員
(再委託先)国立大学法人九州大学
(研究代表者)佐藤達彦 原子力基礎工学研究部門 放射線防護研究グループ 研究員
(再委託先)国立大学法人九州大学
１．研究開発の背景とねらい
マイナーアクチノイド(MA)を含む核燃料サイクルを確立するためには、その燃料製造や再処理工程において、自発核分裂等から発生する様々なエネルギースペクトルの中性子・光子の混合被ばくによる線量を的確にモニタリングする必要がある。また、それらの施設における設備の故障や誤動作による予期しない被ばくの際には、様々な場所における線量やスペクトルを短時間で適切に測定し、その対処方法を検討する必要がある。本事業では、これらの目的に資するため、幅広い範囲の強度・エネルギーを持つ中性子・光子による線量及びエネルギースペクトルを高精度かつ高感度に測定可能な可搬型の次世代放射線モニタを開発する。２．研究開発成果
本事業では、幅広い範囲の強度・エネルギーを持つ中性子・光子による線量及びエネルギースペクトルを高精度かつ高感度に測定可能な可搬型の次世代放射線モニタを開発するため、複合型シンチレータ検出器の開発、高圧電源供給システムの開発、入射粒子識別アルゴリズムの開発、データ解析プログラムの開発及びその性能評価、検出器応答特性実験を実施した。以下、その成果を記述する。２．１ 平成１８年度の成果
① 線量及びエネルギースペクトル測定原理の確立
１）高性能可搬型検出器の開発
検出原理、感度及びエネルギー特性を検討するため、高速中性子及び光子測定用10B含有液体シンチレータ、熱中性子測定用6Li含有Zn(Ag)シートを組み合わせ、熱エネルギーから1GeVまでの中性子、100MeVまでの光子を計測する高性能可搬型検出器を開発した。その際、検出器の構造は、検出器重量及び感度が本事業目的に最適となるよう計算解析に基づいて決定した。開発した高性能可搬型検出器の外観を図１に示す。また、検出器用の安定した電源を確保するため、デジタルオシロスコープの汎用USBポートより高電圧を得るUSB高圧電源ボックスを開発した。
検出原理、感度及びエネルギー特性を検討するため、高速中性子及び光子測定用10B含有液体シンチレータ、熱中性子測定用6Li含有Zn(Ag)シートを組み合わせ、熱エネルギーから1GeVまでの中性子、100MeVまでの光子を計測する高性能可搬型検出器を開発した。その際、検出器の構造は、検出器重量及び感度が本事業目的に最適となるよう計算解析に基づいて決定した。開発した高性能可搬型検出器の外観を図１に示す。また、検出器用の安定した電源を確保するため、デジタルオシロスコープの汎用USBポートより高電圧を得るUSB高圧電源ボックスを開発した。
２）線量及びエネルギースペクトル導出アルゴリズムの開発
① １）で開発した検出器からの信号の波形を解析し、入射粒子を識別するアルゴリズムを開発した。検出器からの信号の発光直後の出力と減衰部分の出力を比較するゲート積分法を改良す ることにより、検出器に入射した粒子（光子、速中性子もしくは熱中性子）を識別するアルゴリズムを開発した。
② データ収集・解析装置の開発
１）データ解析プログラムの開発
① ２）で開発した入射粒子を識別するアルゴリズムをVisualプログラミング言語に翻訳した。また、検出器からの信号読込から解析までをワンスルーで行えるプログラムのグラフィカルユーザーインタフェイスに関する部分を開発した。開発したプログラムのサンプル画面を図２に示す。
③ 性能試験
１）検出器応答特性実験
原子力機構放射線標準施設棟において、高性能可搬型検出器の低エネルギー中性子及び光子に対する応答特性を、様々なRI線源を用いた照射実験により測定した。その際、デジタルオシロスコープを用いてデータを記録し、解析した。
上記応答特性試験を実施した結果、①１）で開発した高性能可搬型検出器は、中性子及び光子に対して十分な感度を有することが分かった。また、②１）で開発した解析プログラムが適切に動作することを確認した。しかし、高性能可搬型検出器が、ライトガイドを介して信号を検出する構造を持つことや、シンチレータに大量の10Bが含まれることから、その入射粒子識別性能は、目標とするレベル（識別ミス率1/1000以下）を達成できないことが分かった。このことから、より10B濃度の低いシンチレータを直接光電子増倍管に接続する検出器構造が、本事業で必要となる高性能可搬型検出器に適していることが分かった。
また、デジタル波形解析法による検出器応答特性実験結果を、従来のNIM及びCAMACモジュールを用いたアナログ波形解析法による検出器応答特性実験結果と比較したところ、デジタルオシロスコープを用いた解析方法は、フルエンスの高い放射線場（高計数率環境）において適切な測定ができないことが分かった。一方、粒子識別性能に関しては、アナログ波形解析法の結果よりも優れた特性を有することが分かった。これらの結果から、本事業目的を達成するためには、高計数率環境においても適切に動作する専用のデジタル波形解析装置を開発する必要があることが分かった。
さらに、開発したUSB高圧電源ボックスの電源供給性能の安定性に関する試験を実施し、既存の高圧電源ボックスと比較して安定した電源供給が可能であることを確認した。
原子力機構放射線標準施設棟において、高性能可搬型検出器の低エネルギー中性子及び光子に対する応答特性を、様々なRI線源を用いた照射実験により測定した。その際、デジタルオシロスコープを用いてデータを記録し、解析した。
上記応答特性試験を実施した結果、①１）で開発した高性能可搬型検出器は、中性子及び光子に対して十分な感度を有することが分かった。また、②１）で開発した解析プログラムが適切に動作することを確認した。しかし、高性能可搬型検出器が、ライトガイドを介して信号を検出する構造を持つことや、シンチレータに大量の10Bが含まれることから、その入射粒子識別性能は、目標とするレベル（識別ミス率1/1000以下）を達成できないことが分かった。このことから、より10B濃度の低いシンチレータを直接光電子増倍管に接続する検出器構造が、本事業で必要となる高性能可搬型検出器に適していることが分かった。
また、デジタル波形解析法による検出器応答特性実験結果を、従来のNIM及びCAMACモジュールを用いたアナログ波形解析法による検出器応答特性実験結果と比較したところ、デジタルオシロスコープを用いた解析方法は、フルエンスの高い放射線場（高計数率環境）において適切な測定ができないことが分かった。一方、粒子識別性能に関しては、アナログ波形解析法の結果よりも優れた特性を有することが分かった。これらの結果から、本事業目的を達成するためには、高計数率環境においても適切に動作する専用のデジタル波形解析装置を開発する必要があることが分かった。
さらに、開発したUSB高圧電源ボックスの電源供給性能の安定性に関する試験を実施し、既存の高圧電源ボックスと比較して安定した電源供給が可能であることを確認した。
２．２ 平成１９年度の成果
① 線量及びエネルギースペクトル測定原理の確立
１）高性能可搬型検出器の開発
平成１８年度に実施した特性試験結果を基に、ライトガイドを介さず信号を検出する構造を持ち、より10B濃度が低い高分解能可搬型シンチレータ検出器を製作した。
② データ解析装置の開発
１）デジタル波形解析を高計数率環境に適応させるため、最新のADCとFPGAを組み合わせた独自のデジタル波形解析装置を製作した。
③ 性能試験
原子力機構放射線標準施設棟において、新しく製作した高分解能可搬型検出器の低エネルギー中性子及び光子に対する応答特性を、様々なRI線源を用いた照射実験により測定した。結果に関しては、現在解析中である。
３．今後の展望
平成１９年度後半に、製作した高分解能可搬型検出器及びデジタル波形解析装置の特性試験を実施し、それらの機器が、本事業で必要としている特性を満たしているか検討する。また、検出器の発光量分布からエネルギースペクトルを導出するアルゴリズムを確立する。さらに、宇宙線由来のバックグランド中性子を用いた検出器校正方法を確立する。そのため、地表面における宇宙線中性子スペクトルを予測可能な既存の計算モデルを適用して、地表面における中性子線量率の計算手法を確立する。それらの結果を踏まえ、平成２０年度には、これまで製作した測定機器を改良すると共に、システム全体の総合試験を実施する。
