原子力システム研究開発事業

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平成21年度成果報告会開催

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
(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、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。

図1
図1 試作した高性能可搬型検出器の構造
図2
図2 開発したアルゴリズムの概要
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、識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。


図3
図3 開発したプログラムのサンプル画面
図4
図4 試作したデジタル波形解析装置の写真
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、ユーザーは高度な専門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100,000cps以上、サンプリングレート500MHz、データ分解能18bit相当、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)総合試験
 ①1)で開発した高分解能可搬型検出器、及び②2)で開発したデジタル波形解析統合システムを組み合わせた放射線モニタリングシステムの性能の総合試験を実施した。その結果、開発したシステムは、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項目に関して、いずれも十分な性能もしくは特性を有することが分かった。


④ まとめ
 多粒子対応型高性能次世代放射線モニタを開発し、そのプロトタイプを完成させた。これにより、全ての開発項目に関して、本事業の所期目標を達成した。
3.今後の展望

 開発したシステムの安定性を向上させ、2年以内の実用化を目指す。

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