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JP2009036752A - Radiation sensor - Google Patents

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JP2009036752A
JP2009036752A JP2008112029A JP2008112029A JP2009036752A JP 2009036752 A JP2009036752 A JP 2009036752A JP 2008112029 A JP2008112029 A JP 2008112029A JP 2008112029 A JP2008112029 A JP 2008112029A JP 2009036752 A JP2009036752 A JP 2009036752A
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JP
Japan
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scintillator
light
radiation
optical fiber
band
Prior art date
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Pending
Application number
JP2008112029A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masao Kubota
昌夫 久保田
Hiroshige Kimura
博茂 木村
Yuto Tonai
勇人 登内
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Original Assignee
Tokyo Electric Power Co Inc
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Publication date
Application filed by Tokyo Electric Power Co Inc filed Critical Tokyo Electric Power Co Inc
Priority to JP2008112029A priority Critical patent/JP2009036752A/en
Publication of JP2009036752A publication Critical patent/JP2009036752A/en
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Abstract

【課題】本発明は、光ファイバにおけるシンチレータ光の損失を低減し、放射線センサの計測範囲を飛躍的に拡大させた放射線センサを提供することを目的としている。
【解決手段】本発明にかかる放射線センサの代表的な構成は、放射線の入射により発光するシンチレータ102と、シンチレータ102で発光した光を導く石英を主成分とする光ファイバ104と、光ファイバ104に接続された光検出部とを備え、シンチレータ102は、1300nm帯または1550nm帯の光を発光することを特徴とする。
【選択図】図1
An object of the present invention is to provide a radiation sensor in which the loss of scintillator light in an optical fiber is reduced and the measurement range of the radiation sensor is dramatically expanded.
A representative configuration of a radiation sensor according to the present invention includes a scintillator 102 that emits light upon incidence of radiation, an optical fiber 104 mainly composed of quartz that guides light emitted by the scintillator 102, and an optical fiber 104. The scintillator 102 emits light of 1300 nm band or 1550 nm band.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、放射線の入射により発光するシンチレータを用いる放射線センサに関する。   The present invention relates to a radiation sensor using a scintillator that emits light upon incidence of radiation.

放射線センサの1つとして、シンチレータがある。シンチレータは、放射線が特定の物質に入射したときに、そのエネルギーによって物質の電子が励起され、電子の準位が落ちるときに光(蛍光)を放出する現象(シンチレーション)を利用した放射線検出器である。シンチレータから発光した光は光ファイバによって導き、微弱な発光を光電子増倍管で増幅し、光検出部によって電気信号に変換して、放射線の計数・分析のために使用される。   One radiation sensor is a scintillator. A scintillator is a radiation detector that uses the phenomenon (scintillation) that emits light (fluorescence) when radiation is incident on a specific substance and the electrons of the substance are excited by the energy and the electron level drops. is there. The light emitted from the scintillator is guided by an optical fiber, weak light is amplified by a photomultiplier tube, converted into an electrical signal by a light detection unit, and used for counting and analyzing radiation.

このような放射線センサは、大きなものでは原子力発電所において、小さなものでは医療用途として利用されている。シンチレータによって検出される放射線としては、その材料などによりX線、γ線、中性子線などがある。図9は電磁波の種類と波長を説明する図である。電磁波の波長が10nm〜1pm程度のものを一般にX線と呼び、波長が10pm以下のものをγ線と呼んでいる。中性子線は中性子の粒子線である。   Such a radiation sensor is used for a nuclear power plant in a large size and for medical use in a small size. Examples of radiation detected by the scintillator include X-rays, γ-rays, and neutrons depending on the material. FIG. 9 is a diagram for explaining the types and wavelengths of electromagnetic waves. An electromagnetic wave having a wavelength of about 10 nm to 1 pm is generally called an X-ray, and an electromagnetic wave having a wavelength of 10 pm or less is called a γ-ray. Neutron beams are neutron particle beams.

従来からシンチレータから出力された光を光ファイバによって導く放射線センサについては様々な構成が提案されている。特許文献1には、光ファイバケーブル自体が放射線照射によって発光するものを用いた放射線検出システムが開示されている。
特開2000−065938号公報
Conventionally, various configurations have been proposed for radiation sensors that guide light output from a scintillator by an optical fiber. Patent Document 1 discloses a radiation detection system using an optical fiber cable itself that emits light when irradiated with radiation.
JP 2000-065938 A

しかし、上記特許文献1では、シンチレータとして、NaI(ヨウ化ナトリウム)やCsI(ヨウ化セシウム)などの無機シンチレータを用いるとしている。これらは一般的なシンチレータ材料であって、その発光波長は可視光域(400nm:青色光。図9参照)である。この波長の光は光ファイバ内における損失が非常に大きい。図10は光の波長と石英系可視光ファイバの損失波長特性を示す図であって、波長が400nmの光の伝送損失は50dB/km程度であることがわかる。   However, in Patent Document 1, an inorganic scintillator such as NaI (sodium iodide) or CsI (cesium iodide) is used as the scintillator. These are general scintillator materials, and their emission wavelengths are in the visible light range (400 nm: blue light, see FIG. 9). The light of this wavelength has a very large loss in the optical fiber. FIG. 10 is a diagram showing the wavelength of light and the loss wavelength characteristics of a silica-based visible optical fiber. It can be seen that the transmission loss of light having a wavelength of 400 nm is about 50 dB / km.

これに対しシンチレータにおける発光は微弱であるため、伝達された光を検出することが可能な光ファイバの長さは数m〜最大30m程度に留まる。   On the other hand, since the light emitted from the scintillator is weak, the length of the optical fiber capable of detecting the transmitted light is only a few meters to a maximum of about 30 m.

ところで、放射線センサの計測範囲を拡大し、遠隔地において放射線を検知したいという要請がある。例えば原子力発電所のように大型施設になると30mはいかにも短く、隣の棟にすら到達できない。このため測定現場に放射線センサを設置することになるが、現地に設置した放射線センサの値を遠隔地で集中管理するような場合、放射線センサの装置が各所に分散することになるため、維持管理が面倒になるという問題がある。また測定現場に電気設備を設置するとなると、万が一の事故時に電源供給が約束されず、肝腎の計測を要するときに計測できないという事態になりかねないという問題がある。   By the way, there is a request to expand the measurement range of the radiation sensor and detect radiation at a remote place. For example, in a large facility such as a nuclear power plant, 30m is so short that even the next building cannot be reached. For this reason, radiation sensors will be installed at the measurement site. However, if the values of radiation sensors installed at the site are centrally managed at remote locations, the radiation sensor devices will be distributed at various locations, so maintenance management is required. There is a problem that becomes troublesome. In addition, when electrical equipment is installed at the measurement site, there is a problem that power supply cannot be promised in the event of an accident, and measurement may not be possible when liver and kidney measurement is required.

そこで本発明は、光ファイバにおけるシンチレータ光の損失を低減し、放射線センサの計測範囲を飛躍的に拡大させた放射線センサを提供することを目的としている。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a radiation sensor in which the loss of scintillator light in an optical fiber is reduced and the measurement range of the radiation sensor is dramatically expanded.

上記課題を解決するために発明者らが鋭意検討したところ、光通信用光ファイバにおける光の損失は極めて小さいところに着目した。図11は石英系通信用光ファイバの損失波長特性を示す図であって、光通信用波長(近赤外線:波長2500nm〜780nm程度。図9参照)での光ファイバの損失は一般的には1310nm帯において0.35dB/km程度、1550nm帯において0.25dB/km程度と、極めて低い伝送損失であることがわかる。   As a result of extensive studies by the inventors in order to solve the above-mentioned problems, attention was paid to the fact that the loss of light in the optical fiber for optical communication is extremely small. FIG. 11 is a diagram showing the loss wavelength characteristics of the silica-based communication optical fiber. The loss of the optical fiber at the wavelength for optical communication (near infrared: wavelength 2500 nm to 780 nm, see FIG. 9) is generally 1310 nm. It can be seen that the transmission loss is extremely low, about 0.35 dB / km in the band and about 0.25 dB / km in the 1550 nm band.

換言すれば、研究開発と技術発展の経緯から光ファイバにおける損失が小さい波長は既知であり、その波長の光が光通信に用いられている。したがってこれらの波長の光を用いることにより、シンチレータの計測範囲を飛躍的に拡大させることができると考えられる。また、近年著しい進歩を遂げている光通信で用いる種々の装置や技術(光直接増幅等)がそのまま適用できる。   In other words, a wavelength with a small loss in an optical fiber is known from the background of research and development and technological development, and light of that wavelength is used for optical communication. Therefore, it is considered that the measurement range of the scintillator can be dramatically expanded by using light of these wavelengths. In addition, various devices and techniques (direct optical amplification, etc.) used in optical communications that have made remarkable progress in recent years can be applied as they are.

そこで、光通信用波長(近赤外域)で発光するシンチレータを用いれば、発光波長が光通信で用いる波長と一致するため、既存の計測範囲を飛躍的に拡大させ、また通信用光ファイバや最新の光通信技術を利用することができることを見出し、本発明を完成するに到った。   Therefore, if a scintillator that emits light at the wavelength for optical communication (near infrared region) is used, the emission wavelength matches the wavelength used for optical communication, so the existing measurement range is greatly expanded, and communication optical fibers and the latest The present inventors have found that the optical communication technology can be used and have completed the present invention.

すなわち本発明にかかる放射線センサの代表的な構成は、放射線の入射により発光するシンチレータと、シンチレータで発光した光を導く石英を主成分とする光ファイバと、光ファイバに接続された光検出部とを備え、シンチレータは、1300nm帯または1550nm帯の光を発光することを特徴とする。   That is, a typical configuration of the radiation sensor according to the present invention includes a scintillator that emits light upon incidence of radiation, an optical fiber mainly composed of quartz that guides light emitted by the scintillator, and a light detection unit that is connected to the optical fiber. The scintillator emits light of 1300 nm band or 1550 nm band.

上記構成によれば、シンチレータで発光した光は石英系通信用光ファイバを用いて、極めて低い損失で遠隔地に伝達することができ、放射線センサの計測範囲を飛躍的に拡大することができる。   According to the above configuration, the light emitted from the scintillator can be transmitted to a remote place with extremely low loss using the silica-based communication optical fiber, and the measurement range of the radiation sensor can be greatly expanded.

また、本発明にかかる放射線センサの他の構成は、放射線の入射により発光するシンチレータと、シンチレータで発光した光を導く石英を主成分とする光ファイバと、光ファイバに接続された光検出部とを備え、シンチレータは、1000nm帯から1800nm帯までの光を発光することを特徴とする。   In addition, another configuration of the radiation sensor according to the present invention includes a scintillator that emits light upon incidence of radiation, an optical fiber mainly composed of quartz that guides light emitted by the scintillator, and a light detection unit that is connected to the optical fiber. The scintillator emits light from the 1000 nm band to the 1800 nm band.

シンチレータで発光した光の伝送損失は、上記の波長帯において1dB/km以下である(図11参照)。したがって上記構成によれば、シンチレータで発光した光の伝達時の損失を低減し、放射線センサの計測範囲を飛躍的に拡大することが可能となる。   The transmission loss of the light emitted by the scintillator is 1 dB / km or less in the above wavelength band (see FIG. 11). Therefore, according to the said structure, it becomes possible to reduce the loss at the time of transmission of the light light emitted by the scintillator, and to dramatically expand the measurement range of the radiation sensor.

放射線計測に用いる光ファイバの長さは略30m以上とすることができる。これは上記本発明の構成によって初めて可能となる長さであり、このような長さとすることにより現地に電気設備を必要とすることなく遠隔地で計測を行うことができる。   The length of the optical fiber used for radiation measurement can be about 30 m or more. This is a length that is possible for the first time by the configuration of the present invention, and by using such a length, it is possible to perform measurement at a remote place without requiring electric facilities on site.

シンチレータは、透明材料に希土類元素、特に光通信分野における光増幅器用の希土類元素を添加した材料にて形成することができる。希土類元素を用いれば、放射線の入射によって1300nm帯または1550nm帯の光、若しくは1000nm帯から1800nm帯までの光を発光させることができる。   The scintillator can be formed of a transparent material added with a rare earth element, particularly a rare earth element for an optical amplifier in the field of optical communication. When a rare earth element is used, light in the 1300 nm band or 1550 nm band, or light in the 1000 nm band to 1800 nm band can be emitted by incidence of radiation.

希土類元素は、エルビウム、プラセオジム、ネオジム、ツリウム、イッテルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、サマリウムの中から選択される1または2以上の元素であってもよい。上記の元素は希土類元素の具体例であり、かかる元素を添加することにより、1000nm帯から1800nm帯までの波長の光を得ることが可能となる。特にエルビウムは1550nm帯を、プラセオジムとネオジムは1300nm帯の波長の光を得ることができる。   The rare earth element may be one or more elements selected from erbium, praseodymium, neodymium, thulium, ytterbium, dysprosium, holmium, and samarium. The above element is a specific example of a rare earth element, and by adding such an element, light having a wavelength from 1000 nm band to 1800 nm band can be obtained. In particular, erbium can obtain light having a wavelength of 1550 nm, and praseodymium and neodymium can obtain light having a wavelength of 1300 nm.

本発明によれば、光ファイバにおけるシンチレータ光の損失を低減し、放射線センサの計測範囲を飛躍的に拡大させた放射線センサを提供することができる。したがって遠隔地から放射線を計測することができ、広域の複数の箇所について集中的に管理することも可能となる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the loss of the scintillator light in an optical fiber can be reduced, and the radiation sensor which expanded the measurement range of the radiation sensor dramatically can be provided. Therefore, radiation can be measured from a remote location, and a plurality of locations in a wide area can be managed intensively.

[実施形態]
以下に本発明にかかる放射線センサの実施形態について図を用いて説明する。なお、以下の実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。また、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
[Embodiment]
Embodiments of a radiation sensor according to the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that dimensions, materials, and other specific numerical values shown in the following embodiments are merely examples for facilitating understanding of the invention, and do not limit the present invention unless otherwise specified. In the present specification and drawings, elements having substantially the same functions and configurations are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted, and elements not directly related to the present invention are not illustrated. To do.

図1は放射線センサの全体構成を説明する図である。図1に示す放射線センサ100は、放射線の入射により発光するシンチレータ102が石英を主成分とする光ファイバ104の一端に接続されている。光ファイバ104の他端は光電子増倍管などの光検出部106に接続されて電気信号として出力され、センサ108において検出される。   FIG. 1 is a diagram illustrating the overall configuration of the radiation sensor. In the radiation sensor 100 shown in FIG. 1, a scintillator 102 that emits light upon incidence of radiation is connected to one end of an optical fiber 104 mainly composed of quartz. The other end of the optical fiber 104 is connected to a light detection unit 106 such as a photomultiplier tube, and is output as an electrical signal and detected by the sensor 108.

放射線センサ100が主として対象とするのはγ線、X線、中性子線であるが、α線、β線なども測定の対象である。これらの電磁波はエネルギーが高く、シンチレータを発光させて検出することができる。   The radiation sensor 100 mainly targets γ rays, X rays, and neutron rays, but α rays, β rays, and the like are also objects of measurement. These electromagnetic waves have high energy and can be detected by causing the scintillator to emit light.

シンチレータ102は光ファイバに所定の元素を添加(ドープ)したものであり、本実施形態では希土類元素の例としてのエルビウムまたはイッテルビウムを添加している。エルビウムは1550nm帯の、イッテルビウムは1030nm帯の波長の光増幅器として利用されている。   The scintillator 102 is obtained by adding (doping) a predetermined element to an optical fiber. In this embodiment, erbium or ytterbium as an example of a rare earth element is added. Erbium is used as an optical amplifier having a wavelength in the 1550 nm band and ytterbium in a wavelength of 1030 nm.

光ファイバ104は、石英系通信用光ファイバである。光ファイバには石英系のほかにガラス系光ファイバ、プラスチック光ファイバなどがあるが、長距離伝送のためには石英系光ファイバが好ましい。   The optical fiber 104 is a silica-based communication optical fiber. In addition to the silica-based optical fiber, there are a glass-based optical fiber, a plastic optical fiber, and the like, but a silica-based optical fiber is preferable for long-distance transmission.

光検出部106は、例えば光電子増倍管(フォトマルチプライヤー:photomultiplier )を用いることができる。光電子増倍管は光電効果を用いて光を電気信号に変換し、さらに電流を増幅(電子増倍)させる装置である。なお光検出部としては、アバランシェ・フォトダイオード(Avalanche Photodiode:APD)や、光スペクトラムアナライザー、光パワー計などを用いることができる。   For example, a photomultiplier (photomultiplier) can be used as the light detection unit 106. A photomultiplier tube is a device that converts light into an electrical signal using the photoelectric effect and further amplifies (electron multiplication) current. As the light detection unit, an avalanche photodiode (APD), an optical spectrum analyzer, an optical power meter, or the like can be used.

センサ108は、光検出部106から出力される電流を監視するA/D変換部を備え、出力値の判断や記録を行うデータ処理装置である。簡略には電圧または電流を閾値で判断するセンサや、オシロスコープやデジタルマルチメータを用いることができる。   The sensor 108 is a data processing device that includes an A / D conversion unit that monitors a current output from the light detection unit 106 and that determines and records an output value. For simplicity, a sensor that determines a voltage or current with a threshold, an oscilloscope, or a digital multimeter can be used.

ここで、シンチレータ102の発光原理について説明する。図2はシンチレータおよび光増幅器の原理を説明する図である。   Here, the light emission principle of the scintillator 102 will be described. FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of the scintillator and the optical amplifier.

図2(a)はシンチレータ102の原理を説明する図である。放射線が入射すると添加材料の電子が基底準位から励起準位まで励起され、上準位と呼ばれる安定した準位まで落ちたところに電子が蓄積される。そして上準位から自然に安定な基底準位まで戻るときに、所定の波長の光を自然放出する。放出する光の波長は上準位から基底準位までのエネルギーギャップによって決定され、元素によってそれぞれ決まっている。   FIG. 2A is a diagram for explaining the principle of the scintillator 102. When radiation is incident, the electrons of the additive material are excited from the ground level to the excited level, and the electrons are accumulated at a point where the level has dropped to a stable level called the upper level. Then, when returning from the upper level to the naturally stable ground level, light of a predetermined wavelength is spontaneously emitted. The wavelength of the emitted light is determined by the energy gap from the upper level to the ground level, and is determined for each element.

図2(b)は光増幅器の原理を説明する図であって、数値はエルビウムを例に用いている。図2(b)に示す光増幅器においては、980nmの励起光(レーザ光)を入射することによって添加元素の電子は基底準位から励起準位へと励起され、上準位まで落ちたところで蓄積される。そこに1550nmの信号光が入射されると、上準位に蓄積されていた電子が誘導されて基底準位に戻り、その際に誘導放出されたエネルギーにより光が発せられて増幅される。このとき、増幅される光の波長は上準位と基底準位のエネルギーギャップによって決定され、同じ波長の光が入射されたときにしか増幅は行われない(基底準位への誘導が作用しない)。   FIG. 2B is a diagram for explaining the principle of the optical amplifier, and the numerical value uses erbium as an example. In the optical amplifier shown in FIG. 2B, the electron of the additive element is excited from the ground level to the excited level by entering 980 nm excitation light (laser light), and is accumulated when it falls to the upper level. Is done. When signal light of 1550 nm is incident thereon, the electrons accumulated in the upper level are induced to return to the ground level, and light is emitted and amplified by the stimulated emission energy at that time. At this time, the wavelength of the amplified light is determined by the energy gap between the upper level and the ground level, and amplification is performed only when light of the same wavelength is incident (induction to the ground level does not work). ).

そして発明者らは、シンチレータ102と光増幅器は、その動作は異なるものの、励起光を放射線に置き換えて考えると原理がよく似ていることに着目した。そして光増幅用に用いられている希土類元素を用いてシンチレータを構成したところ、光通信に用いられる波長帯での発光が得られた。   The inventors paid attention to the fact that the scintillator 102 and the optical amplifier are similar in principle when the pump light is replaced with radiation, although their operations are different. When a scintillator was constructed using rare earth elements used for optical amplification, light emission in the wavelength band used for optical communication was obtained.

なおシンチレータ組成物としては、エルビウム(1550nm帯)およびイッテルビウム(1030nm帯)のほかに、プラセオジム(1300nm帯)、ネオジム(1060nm帯、1300nm帯)、ツリウム(1470nm帯)、ジスプロシウム(1300nm帯)、ホルミウム(1100nm帯、1380nm帯)、サマリウム(1000nm帯、1100nm帯、1380nm帯)を挙げることができる。また、これらの2以上の元素を選択して添加してもよい。   In addition to erbium (1550 nm band) and ytterbium (1030 nm band), the scintillator composition includes praseodymium (1300 nm band), neodymium (1060 nm band, 1300 nm band), thulium (1470 nm band), dysprosium (1300 nm band), holmium. (1100 nm band, 1380 nm band) and samarium (1000 nm band, 1100 nm band, 1380 nm band). These two or more elements may be selected and added.

シンチレータ102に上記の元素を添加することにより、1000nm帯から1800nm帯までの波長の光を得ることできる。かかる波長帯の光の伝送損失は1dB/km以下と極めて低いため、シンチレータ102で発光した光を長距離に亘って伝送可能である。したがって、光ファイバ104の長さを伸長することができる。   By adding the above elements to the scintillator 102, light having a wavelength from 1000 nm band to 1800 nm band can be obtained. Since the transmission loss of light in such a wavelength band is as low as 1 dB / km or less, the light emitted from the scintillator 102 can be transmitted over a long distance. Therefore, the length of the optical fiber 104 can be extended.

中でもエルビウムは1550nm帯を、プラセオジムとネオジムは1300nm帯の波長の光を得ることができる。これらの波長帯域は光通信に多く用いられており、長距離伝送用の石英系光ファイバにおいて極めて低い伝送損失を示す。したがってシンチレータで発光した光を遠くまで伝達することができ、30m〜数kmに及ぶ長さの光ファイバ104によってシンチレータの光を伝送することができる。   Among them, erbium can obtain light having a wavelength of 1550 nm, and praseodymium and neodymium can obtain light having a wavelength of 1300 nm. These wavelength bands are often used for optical communication, and exhibit extremely low transmission loss in silica-based optical fibers for long-distance transmission. Therefore, the light emitted from the scintillator can be transmitted far, and the light of the scintillator can be transmitted by the optical fiber 104 having a length ranging from 30 m to several km.

これにより放射線センサの計測範囲を飛躍的に拡大することができるため、遠隔地から放射線を計測することができ、広域の複数の箇所について集中的に管理することも可能となる。また現地(測定箇所)にはシンチレータを配置するのみであって電気設備を必要としないため、万が一の事故時にも電源に頼ることなく測定することができ、また維持管理の手間も極めて簡略化することができる。   As a result, the measurement range of the radiation sensor can be dramatically expanded, so that radiation can be measured from a remote location, and a plurality of locations in a wide area can be managed in a concentrated manner. In addition, since only scintillators are installed at the site (measurement location) and no electrical equipment is required, measurements can be made without relying on the power supply even in the event of an accident, and the maintenance work is greatly simplified. be able to.

また多く用いられる波長であるから、近年著しい進歩を遂げている光通信の種々の装置や技術(光直接増幅等)が適用できる。   In addition, since the wavelength is frequently used, various optical communication devices and technologies (direct optical amplification, etc.) that have made remarkable progress in recent years can be applied.

[他の実施形態]
図3は他の実施形態を説明する図である。図3(a)に示すように、あらかじめ添加元素を励起させておき、放射線によって誘導放出を起こさせる構成である。すなわち励起光(レーザー光)によって励起準位まで励起させ、電子が上準位に蓄積されている状態で放射線を照射することにより、その刺激で誘導放出を発生させる。これによりシンチレータ光を効率よく発生させることができ、光量を増大させることができる。具体的には図3(b)に示すように、シンチレータ光を導くための光ファイバ104に発振器110から励起光を入射し、戻ってきた反射光については励起光カット用フィルタ112を設けてシンチレータ光のみを取り出すことができる。
[Other Embodiments]
FIG. 3 is a diagram for explaining another embodiment. As shown in FIG. 3A, the additive element is excited in advance and stimulated emission is caused by radiation. That is, excitation is performed to the excitation level by excitation light (laser light), and irradiation is performed in a state where electrons are accumulated at the upper level, whereby stimulated emission is generated by the stimulation. Thereby, scintillator light can be generated efficiently and the amount of light can be increased. Specifically, as shown in FIG. 3B, excitation light is incident on the optical fiber 104 for guiding the scintillator light from the oscillator 110, and the reflected light that has returned is provided with a filter 112 for cutting the excitation light. Only light can be extracted.

また図4はさらに他の実施形態を説明する図である。原子の基底準位には、実際にはある程度の幅がある。そこで図4に示すように、励起光によって基底準位の上レベルまで電子を励起しておくことにより、放射線を入射した際に励起準位まで励起されやすくすることができる。これによりわずかな放射線でも励起されやすくなり、感度を向上させることができる。   FIG. 4 is a diagram for explaining still another embodiment. The ground level of an atom actually has a certain width. Therefore, as shown in FIG. 4, by exciting the electrons to the upper level of the ground level with the excitation light, it is possible to facilitate excitation to the excitation level when radiation is incident. As a result, even a slight amount of radiation is easily excited, and the sensitivity can be improved.

次に、測定結果を用いて、本実施形態にかかる放射線センサ100の効果を説明する。上述した如く本実施形態では、シンチレータ102として用いた光ファイバには、希土類元素であるエルビウムまたはイッテルビウムを添加している。以下、エルビウムを添加した光ファイバを「EDF(Erbium Doped Fiber)」、イッテルビウムを添加した光ファイバを「YDF(Ytterbium Doped Fiber)」と称し、EDFおよびYDFを併せて「希土類ドープファイバ」と称する。   Next, the effect of the radiation sensor 100 according to the present embodiment will be described using measurement results. As described above, in this embodiment, the rare earth element erbium or ytterbium is added to the optical fiber used as the scintillator 102. Hereinafter, an optical fiber added with erbium is referred to as “EDF (Erbium Doped Fiber)”, an optical fiber added with ytterbium is referred to as “YDF (Ytterbium Doped Fiber)”, and EDF and YDF are collectively referred to as “rare earth doped fiber”.

図5は、測定設備の概略を説明する図である。測定設備は照射室および操作室から構成される。照射室には、シンチレータ102として用いた希土類ドープファイバをアルミケースに収容し、モジュール化したモジュール200と、モジュールに放射線を照射する照射装置202が備えられている。なお、モジュール200は照射台に設置されている。   FIG. 5 is a diagram for explaining the outline of the measurement equipment. The measuring equipment consists of an irradiation room and an operation room. The irradiation chamber includes a module 200 in which a rare earth doped fiber used as the scintillator 102 is accommodated in an aluminum case and is modularized, and an irradiation device 202 that irradiates the module with radiation. The module 200 is installed on the irradiation stand.

操作室には、モジュール200内の希土類ドープファイバが発光した光の光子数を測定する光電子増倍管204と、希土類ドープファイバの開放端での戻り光を低減させる光終端器206が備えられている。かかる光電子増倍管204には、近赤外波長(950nm〜1700nm)に感応するものを用いた。なお、希土類ドープファイバの末端は、一方は光電子増倍管204に、他方は光終端器206にそれぞれコネクタを介して接続されている。   The operation chamber is provided with a photomultiplier tube 204 for measuring the number of photons emitted from the rare earth-doped fiber in the module 200 and an optical terminator 206 for reducing the return light at the open end of the rare earth-doped fiber. Yes. As the photomultiplier tube 204, one that responds to a near infrared wavelength (950 nm to 1700 nm) was used. One end of the rare earth doped fiber is connected to the photomultiplier tube 204 and the other end to the optical terminator 206 via connectors.

上記の測定設備において、モジュール200に、照射装置202から線量率を変化させながら放射線(コバルト60、γ線)を照射した。そして、照射によりモジュール200内の希土類ドープファイバが発光した光の光子数を光電子増倍管204によって測定した。上記の測定では、サンプリング間隔を1秒とし、測定時間は360秒間とした。なお、測定開始後30秒から330秒の間は放射線の照射を行い、測定開始後0秒から30秒の間、および330秒から360秒の間は照射を停止している。   In the above measurement facility, the module 200 was irradiated with radiation (cobalt 60, γ rays) from the irradiation device 202 while changing the dose rate. And the photon number of the light which the rare earth doped fiber in the module 200 emitted by irradiation was measured with the photomultiplier tube 204. In the above measurement, the sampling interval was 1 second, and the measurement time was 360 seconds. In addition, irradiation is performed for 30 seconds to 330 seconds after the start of measurement, and irradiation is stopped for 0 seconds to 30 seconds and for 330 seconds to 360 seconds after the start of measurement.

図6は、EDFに放射線を照射した際の光子数の変化を示す図である。図6に示すように、EDFに線量率700000R/h(Roentgen/hour)の放射線を照射すると、照射に伴い光子数が増加している。このことから、EDFに添加されているエルビウムが発光する1550nm帯の波長の光が計測されたものと考えられる。   FIG. 6 is a diagram showing a change in the number of photons when the EDF is irradiated with radiation. As shown in FIG. 6, when the EDF is irradiated with radiation having a dose rate of 700,000 R / h (Roentgen / hour), the number of photons increases with irradiation. From this, it is considered that light having a wavelength in the 1550 nm band emitted from erbium added to the EDF was measured.

図7は、YDFに放射線を照射した際の光子数の変化を示す図である。図7に示すように、上記と同様にYDFに線量率700000R/hの放射線を照射すると、照射に伴い光子数が増加する。このことから、YDFに添加されているイッテルビウムが発光する1000nm帯の波長の光が計測されたものと考えられる。   FIG. 7 is a diagram illustrating a change in the number of photons when the YDF is irradiated with radiation. As shown in FIG. 7, when YDF is irradiated with radiation at a dose rate of 700,000 R / h as described above, the number of photons increases with irradiation. From this, it is considered that light having a wavelength of 1000 nm band emitted from ytterbium added to YDF was measured.

また、YDFに照射する放射線の線量率を200000R/h、100000R/hとした場合においても、700000R/hの場合よりも増加率は低いものの、照射時には光子数が増加する。このことから、YDFの発光は、100000R/h程度の低い線量率においても光電子増倍管204にて検出可能であることが確認できた。   In addition, even when the dose rates of radiation irradiated to YDF are 200000 R / h and 100000 R / h, the increase rate is lower than that of 700000 R / h, but the number of photons increases at the time of irradiation. From this, it was confirmed that the light emission of YDF can be detected by the photomultiplier tube 204 even at a dose rate as low as about 100,000 R / h.

以上の結果から、希土類ドープファイバを用いたシンチレータ102を放射線センサ100に利用可能であることが理解できる。次に、YDFに長尺ファイバを接続し、放射線照射時の光子数を測定した。   From the above results, it can be understood that the scintillator 102 using the rare earth doped fiber can be used for the radiation sensor 100. Next, a long fiber was connected to YDF, and the number of photons during radiation irradiation was measured.

図8は、長尺ファイバを接続したYDFに放射線を照射した際の光子数の変化を示す図である。かかる長尺ファイバには、長さ1kmおよび10kmの光ファイバを用いた。なお、長尺ファイバを接続したYDFに照射した放射線の線量率は700000R/hである。   FIG. 8 is a diagram showing a change in the number of photons when radiation is applied to a YDF connected with a long fiber. As such long fibers, optical fibers having a length of 1 km and 10 km were used. In addition, the dose rate of the radiation irradiated to YDF which connected the long fiber is 70,000 R / h.

図8に示すように、長尺ファイバを接続しない場合(0kmの場合)と比較しても、1kmのファイバを接続した場合の照射に伴う光子数の変化は明瞭である。このことから、従来の光ファイバを用いた放射線センサの計測範囲は数mから最大30mであるのに対し、シンチレータ102として希土類ドープファイバを用いた放射線センサ100は、1kmまで計測範囲を拡大できることが確認できた。これは、希土類ドープファイバに添加する元素を、伝送損失が1dB/km以下の波長帯の光を発光する希土類元素としたことにより、1kmのファイバにおける光の伝送損失を1dB以下と極めて低くすることができたためと考えられる。   As shown in FIG. 8, the change in the number of photons with irradiation when a 1 km fiber is connected is clear even when a long fiber is not connected (when 0 km). From this, the measurement range of the radiation sensor using the conventional optical fiber is several meters to a maximum of 30 m, whereas the radiation sensor 100 using the rare earth doped fiber as the scintillator 102 can expand the measurement range to 1 km. It could be confirmed. This is because the element added to the rare earth-doped fiber is a rare earth element that emits light in a wavelength band with a transmission loss of 1 dB / km or less, thereby reducing the transmission loss of light in a 1 km fiber to 1 dB or less. This is thought to be due to this.

また、10kmのファイバを接続した場合、放射線照射に伴う光子数の変化は著しく少なく、はっきりした変化は確認できない。これは、光ファイバの伝送損失によるものと推測される。すなわち、YDFに添加されているイッテルビウムが発光する1000nm帯の波長の光において、光ファイバの伝送損失は約1dB/kmであるため、10kmのファイバでは約10dBの損失となり、損失が大きいため計測が困難だったと考えられる。   In addition, when a 10 km fiber is connected, the change in the number of photons due to radiation irradiation is remarkably small, and a clear change cannot be confirmed. This is presumably due to transmission loss of the optical fiber. That is, in the 1000 nm band wavelength light emitted from ytterbium added to YDF, the transmission loss of the optical fiber is about 1 dB / km, so the loss of about 10 dB is large for the 10 km fiber, and the measurement is large because the loss is large. I think it was difficult.

しかしながら、希土類ドープファイバに添加する希土類元素として、1300nm帯または1550nm帯などの、伝送損失が1dB/kmよりも更に低い波長帯の光を発光する元素を用いることにより、光ファイバにおける伝送損失をより低減できるため、光ファイバの長さを更に伸長することが可能であると考えられる。   However, as the rare earth element added to the rare earth doped fiber, by using an element that emits light in a wavelength band whose transmission loss is lower than 1 dB / km, such as 1300 nm band or 1550 nm band, transmission loss in the optical fiber is further increased. Since it can be reduced, it is considered that the length of the optical fiber can be further extended.

上記の結果から、シンチレータ102に希土類ドープファイバを用い、かかるシンチレータ102を放射線センサ100に利用することにより、放射線センサ100の計測範囲を飛躍的に拡大させることが可能となることが実証できた。なお、本実施形態においては、希土類ドープファイバに接続する長尺ファイバの長さを1kmおよび10kmとしたため、計測可能範囲は1kmまでしか確認されていないが、数km程度(10km未満)であれば同様に測定可能であると考えられる。   From the above results, it was proved that the rare earth doped fiber is used for the scintillator 102 and the scintillator 102 is used for the radiation sensor 100, so that the measurement range of the radiation sensor 100 can be dramatically expanded. In this embodiment, since the length of the long fiber connected to the rare earth doped fiber is 1 km and 10 km, the measurable range is confirmed only to 1 km, but if it is about several km (less than 10 km) Similarly, it is considered measurable.

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は係る実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。   As mentioned above, although the suitable Example of this invention was described referring an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to the embodiment which concerns. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the claims, and these are naturally within the technical scope of the present invention. Understood.

例えば本実施形態においては光ファイバ材料に元素を添加することによりシンチレータを構成するよう説明したが、ブロック形状や板形状の透明材料に元素を添加することでもよく、またチップの形態としてシンチレータを構成しても良い。   For example, in the present embodiment, the scintillator is configured by adding an element to the optical fiber material. However, the element may be added to a transparent material having a block shape or a plate shape, and the scintillator is configured as a chip shape. You may do it.

本発明は、放射線の入射により発光するシンチレータを用いる放射線センサとして利用することができる。   The present invention can be used as a radiation sensor using a scintillator that emits light upon incidence of radiation.

放射線センサの全体構成を説明する図である。It is a figure explaining the whole structure of a radiation sensor. シンチレータおよび光増幅器の原理を説明する図である。It is a figure explaining the principle of a scintillator and an optical amplifier. 他の実施形態を説明する図である。It is a figure explaining other embodiment. さらに他の実施形態を説明する図である。It is a figure explaining other embodiment. 測定設備の概略を説明する図である。It is a figure explaining the outline of measurement equipment. EDFに放射線を照射した際の光子数の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the photon number at the time of irradiating radiation to EDF. YDFに放射線を照射した際の光子数の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the number of photons when a YDF is irradiated with a radiation. 長尺ファイバを接続したYDFに放射線を照射した際の光子数の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the photon number at the time of irradiating a radiation to YDF which connected the long fiber. 電磁波の種類と波長を説明する図である。It is a figure explaining the kind and wavelength of electromagnetic waves. 光の波長と石英系可視光ファイバの損失波長特性を示す図である。It is a figure which shows the wavelength of light, and the loss wavelength characteristic of a silica type visible optical fiber. 石英系通信用光ファイバの損失波長特性を示す図である。It is a figure which shows the loss wavelength characteristic of the optical fiber for quartz-type communication.

符号の説明Explanation of symbols

100…放射線センサ
102…シンチレータ
104…光ファイバ
106…光検出部
108…センサ
200…モジュール
202…照射装置
204…光電子増倍管
206…光終端器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Radiation sensor 102 ... Scintillator 104 ... Optical fiber 106 ... Optical detection part 108 ... Sensor 200 ... Module 202 ... Irradiation device 204 ... Photomultiplier tube 206 ... Optical terminator

Claims (5)

放射線の入射により発光するシンチレータと、
前記シンチレータで発光した光を導く石英を主成分とする光ファイバと、
前記光ファイバに接続された光検出部とを備え、
前記シンチレータは、1300nm帯または1550nm帯の光を発光することを特徴とする放射線センサ。
A scintillator that emits light upon incidence of radiation;
An optical fiber mainly composed of quartz that guides light emitted from the scintillator;
A light detection unit connected to the optical fiber,
The scintillator emits light of 1300 nm band or 1550 nm band.
放射線の入射により発光するシンチレータと、
前記シンチレータで発光した光を導く石英を主成分とする光ファイバと、
前記光ファイバに接続された光検出部とを備え、
前記シンチレータは、1000nm帯から1800nm帯までの光を発光することを特徴とする放射線センサ。
A scintillator that emits light upon incidence of radiation;
An optical fiber mainly composed of quartz that guides light emitted from the scintillator;
A light detection unit connected to the optical fiber,
The scintillator emits light from a 1000 nm band to a 1800 nm band.
前記光ファイバの長さは略30m以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の放射線センサ。   The radiation sensor according to claim 1, wherein a length of the optical fiber is approximately 30 m or more. 前記シンチレータは、透明材料に希土類元素を添加して構成したことを特徴とする請求項1または2に記載の放射線センサ。   The radiation sensor according to claim 1, wherein the scintillator is configured by adding a rare earth element to a transparent material. 前記希土類元素は、エルビウム、プラセオジム、ネオジム、ツリウム、イッテルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、サマリウムの中から選択される1または2以上の元素であることを特徴とする請求項4記載の放射線センサ。   5. The radiation sensor according to claim 4, wherein the rare earth element is one or more elements selected from erbium, praseodymium, neodymium, thulium, ytterbium, dysprosium, holmium, and samarium.
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