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

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、上記目的を達成するため、①線量及びエネルギースペクトル測定原理の確立、②データ収集・解析装置の開発、及び③性能試験を実施した。以下、その成果を記述する。

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
　本事業で必要となる検出器の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の混合液体シンチレータに、熱中性子測定用の⁶Li 含有Zn(Ag)シンチレータ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 までの光子を同時に計測する高分解能可搬型検出器を試作した。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。試作した高性能可搬型検出器の構造を図１に示す。

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
　①1)検出器からの信号より線量及び放射線エネルギースペクトルを導出するため、図２に示す信号解析アルゴリズムを開発した。具体的には、まず、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、検出器に入射した放射線（光子、速中性子もしくは熱中性子）を識別する手法を開発した。また、検出器からの信号の出力（発光量）を線量に直接変換する演算子（Ｇ関数）を計算し、線量をリアルタイムで導出することに成功した。
　一方、弁別した速中性子及び光子それぞれの信号の発光量分布を解析し、検出器に入射した放射線のエネルギースペクトルを導出するアルゴリズムを開発した。そのために、既存の逆問題解析法（アンフォールディング法）の調査を行い、スペクトル導出精度の高い最適なモデルを決定し、そのモデルを①1)検出器に適用できるよう改良した。また、導出したエネルギースペクトルにフルエンスから被ばく線量への換算係数を適用して線量を導出し、Ｇ関数を用いて計算した線量と比較することにより、導出したエネルギースペクトルや線量の精度を自動的に検証する手法を確立した。

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
　Visual プログラミング言語（LabVIEW）を用いて、①1)検出器からの信号を①2)で開発したアルゴリズムに基づいて解析するプログラムを制作した。開発したプログラムのサンプル画面を図３に示す。図のように、開発したプログラムは、グラフィカルユーザーインタフェイス（GUI）を有するため、ユーザーは特別な知識を必要とせずプログラムを使用することができる。

２）デジタル波形解析装置の開発
　①2)で開発したアルゴリズムに基づくデータ解析を高い計数率で実施するため、①1)検出器からの信号を高速でデジタル化して解析するデジタル波形解析装置を試作した。そのデジタル波形解析装置の写真を図４に示す。試作したデジタル波形解析装置の主な特性は、最大適応計数率10⁴cps 以上、サンプリングレート500MHz、データ分解能18bit 程度、ノイズレベル数mV 以下である。このデジタル波形解析装置の最大の特徴は、その適応計数率であり、デジタルオシロスコープなど市販のデジタル波形解析装置の適応計数率（一般に数100cps 程度）と比べて遙かに高い。この高い適応計数率を実現するため、①2)で開発したアルゴリズム中で最も解析時間を必要とするゲート積分に、データ処理能力の極めて高いFPGA を採用し、１波形あたりの解析時間を飛躍的に短縮した。

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（FRS）及びイオン照射研究施設（TIARA）において、①1)検出器の特性試験を実施した。その結果、試作した検出器は、本事業目的に必要となる性能（感度及び放射線識別性能）を満たしていることが分かった。

２）校正方法の確立
　光子及び数MeV 以下の中性子に対する放射線モニタの校正場は既に整備されているが、高エネルギー中性子に対する校正場は十分に整備されているとは言えない。そこで、①1)検出器の高エネルギー中性子に対する高感度特性を生かして、宇宙線由来のバックグランド中性子を用いた放射線モニタの校正方法を確立する。そのために、大気圏内の任意地点・時間における宇宙線被ばく線量プログラムEXPACS の地表面における中性子被ばく線量率に対する計算精度を検証し、EXPACS が、特段の改良を必要とせず放射線モニタの校正目的に利用可能であることを明かにした。

３．今後の展望

　平成２０年度後半に、①1)検出器及び②1)プログラムを搭載した②2)デジタル波形解析装置を組み合わせた放射線モニタシステムの性能の総合試験を実施する予定である。検証する性能は、感度、エネルギー応答特性、適応線量率、可搬性及び動作の安定性の５項目である。これらの試験を経て、本事業で目標とする放射線モニタシステムのプロトタイプを完成させる。