中性子検出器のカソードおよびその製造方法

【課題】中性子検出器のカソード基材とウラン酸化物コーティング層との密着性を向上させた中性子検出器のカソードおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るカソードは、カソード基材１と、前記カソード基材１に形成された金属中間層２と、前記金属中間層に形成されたウラン酸化物コーティング層３を備え、前記金属中間層２の形成後及びウラン酸化物コーティング層３の形成後に熱処理を行う。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子力発電プラント等の放射線取扱施設で用いられる中性子検出器のカソードおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電プラント、例えば沸騰水型原子炉では、原子炉の出力を監視するために中性子検出器を炉内に設置して原子炉内の中性子束を計測している。
このような従来の中性子検出器を図７により説明する。中性子検出器３０は、本体ケース３１の内周に設置された円筒状のカソード３３と、中心部に設置された棒状のアノード３２と、絶縁支持部材３４と、本体ケース内に封入された充填ガス３５と、計装配管３６等から構成される。カソード３３は例えばＮｉ基合金からなり内面にウラン酸化物が塗布され、ウラン酸化物コーティング層３７を形成している。この中性子検出器に中性子が入射するとカソード３３内面のウラン酸化物コーティング層３７中に含まれるウランが核分裂し、核分裂の際に放出された電離放射線により充填ガス３５が電離し、その電離電流を計測することで中性子を検出している。
【０００３】
このような中性子検出器を長期に亘って安定的に使用するために、ウラン酸化物がカソード内面から剥離したり、部分的に脱落しないように、ウラン酸化物コーティング層とカソード内面との密着性を高める必要がある。
【０００４】
そのために、ウラン酸化物コーティング層が形成されるカソード基材に対し、カソード基材の前処理として、カソード基材の表面に凹凸を付与しアンカー効果によるウラン酸化物コーティングの密着性向上を図るために表面ブラスト処理を行うことが提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−５７５８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ブラスト処理を用いた従来のカソードでは、ブラスト粒子がカソード基材の表面に不均一に残留しており、使用中にカソード基材の表面から脱離したブラスト粒子により、本来であれば絶縁状態にあるアノードとカソード間が短絡する不具合が生じる可能性がある。
【０００７】
また、中性子検出器は使用中、高温になることからカソード基材とウラン酸化物コーティング層の熱膨張差に起因する応力により、ウラン酸化物コーティング層がカソード基材表面から剥離し、その結果、中性子検出器の寿命が低下する恐れがある。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、中性子検出器のカソード基材とウラン酸化物コーティング層との密着性を向上させた中性子検出器のカソードおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係る中性子検出器のカソードは、カソード基材と、前記カソード基材に形成された金属中間層と、前記金属中間層に形成されたウラン酸化物コーティング層を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る中性子検出器のカソードは、カソード基材と、前記カソード基材に形成された金属分散層と、前記金属分散層に形成されたウラン酸化物コーティング層を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る中性子検出器のカソードの製造方法は、前記金属中間層又は金属分散層の形成後及びウラン酸化物コーティング層の形成後に熱処理を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、中性子検出器のカソード基材とウラン酸化物コーティング層との密着性を向上させることにより、ウラン酸化物の剥離や脱落が抑制され、これにより中性子検出器を長期にわたって安定的に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態に係るカソードの断面構成図。
【図２】第２の実施形態に係るカソードの断面構成図。
【図３】第３の実施形態に係るカソードの断面構成図。
【図４】第４の実施形態に係るカソード製造装置の例。
【図５】第４の実施形態に係るカソード製造装置の変形例。
【図６】第４の実施形態に係るカソード製造装置の他の変形例。
【図７】従来の中性子検出器の構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、上記課題を解決するために、カソード基材とウラン酸化物コーティング層との間に中間層を設け、コーティング後の熱処理により、カソード基材及びウラン酸化物コーティング層と中間層との間の相互拡散により拡散層を形成させ、ウラン酸化物コーティング層を化学的に密着させることにより、各層相互の密着性を向上させたことを特徴としている。
【００１５】
中間層はカソード基材であるＮｉ基合金及びウラン酸化物コーティング層とそれぞれ化合物を形成する材質とする。また、中間層はカソード基材表面全体を覆うような均質な薄膜状であっても、微粒子を均一にカソード表面に分散させた分散層であってもよい。
以下、本発明に係る中性子検出器のカソードおよびその製造方法について説明する。
【００１６】
（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る中性子検出器のカソードを図１により説明する。
本実施形態のカソードは、例えばＮｉ基合金からなるカソード基材１、金属中間層２及びウラン酸化物コーティング層３から構成される。
【００１７】
金属中間層２の材質として、鉄、ニッケル又はシリコンのいずれかの金属又はそれらの合金が用いられる。カソード基材１に金属中間層２を形成した後、その表面にウラン酸化物をコーティングしウラン酸化物コーティング層３を形成する。
【００１８】
各層を形成した後に熱処理を行い、カソード基材１及びウラン酸化物コーティング層３と金属中間層２との間でそれぞれ拡散層を形成する。これにより各層は化学的に密着し、カソード基材とウラン酸化物コーティング層の密着性が向上する。
【００１９】
本実施形態によれば、中性子検出器のカソード基材とウラン酸化物コーティング層との間に金属中間層を介在させることで、カソード基材とウラン酸化物コーティング層との密着性を向上させることが可能となり、これにより、ウラン酸化物の剥離や脱落が抑制され、中性子検出器を長期にわたって安定的に使用することができる。
【００２０】
（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る中性子検出器のカソードを図２により説明する。
本実施形態のカソードは、カソード基材１、金属中間層２ａ、金属中間層２ｂ、及びウラン酸化物コーティング層３から構成される。
【００２１】
金属中間層２ａ、２ｂの材質として、カソード基材１側の金属中間層２ａはニッケルが用いられ、ウラン酸化物コーティング層３側の金属中間層２ｂは鉄又はシリコンが用いられる。
【００２２】
各層を形成した後に熱処理を行い、金属中間層２ａはカソード基材１と、金属中間層２ｂはウラン酸化物コーティング層３とそれぞれ拡散層を形成する。これにより各層は化学的に密着し、カソード基材とウラン酸化物コーティング層の密着性が向上する。
【００２３】
本実施形態によれば、中性子検出器のカソード基材とウラン酸化物コーティング層との間に２層の金属中間層を介在させることで、カソード基材とウラン酸化物コーティング層との密着性をより向上させることが可能となる。
【００２４】
（第３の実施形態）
第３の実施形態に係る中性子検出器のカソードを図３により説明する。
本実施形態のカソードは、カソード基材１、金属分散層４、及びウラン酸化物コーティング層３から構成される。
【００２５】
金属分散層４は、被膜状ではなく、粒径が１０μm以下の微粒子がカソード基材１の表面に均一に分散した状態である。
これは、ウラン酸化物コーティング層３は、約１０μmの大きさの微粒子が約２μmの間隔で均一に分布しているため、１０μm以上の粒径を有する金属分散層ではウラン酸化物コーティング層３の多数の微粒子を効果的に密着させることが困難となるためである。
【００２６】
金属分散層４の材質は鉄、ニッケル、シリコンのいずれかの金属又はそれらの合金が用いられる。
金属分散層４をカソード基材１に形成する場合は、当該金属分散層の材質で作製したノズルを用い、ノズルから酸化物微粒子をカソード内面に高速噴射することで、ノズル先端部から脱離した金属微粒子がカソード内面に均一に付着し、これにより金属分散層４が形成される。
【００２７】
また、各層を形成した後に熱処理を行い、金属分散層３の微粒子はウラン酸化物コーティング層３及びカソード基材１との間に拡散層を形成する。これにより、表面形状によるアンカー効果と合わせてウラン酸化物コーティング層３とカソード基材１との密着性が向上する。
【００２８】
本実施形態によれば、中性子検出器のカソード基材とウラン酸化物コーティング層との間に金属分散層を介在させることで、カソード基材とウラン酸化物コーティング層との密着性をより向上させることが可能となる。
【００２９】
（第４の実施形態）
第４の実施形態に係る中性子検出器のカソードの製造方法を図４により説明する。
本実施形態では、金属中間層２、２ａ、２ｂをメッキ又は物理蒸着法によりカソード基材１に形成する。メッキは、電解メッキ又は無電解メッキが用いられる。
【００３０】
物理蒸着法により、金属中間層を形成する場合は、図４に示すように、発熱体であるタングステンコイル７に蒸着源８として中間層材質からなる箔をのせ、これをカソード基材１の中心に設置し、真空中で通電過熱することでカソード基材１の内周面にのみ金属中間層２、２ａ、２ｂを形成する。
【００３１】
また、変形例として、図５に示すように中間層材質からなる蒸着源８を付着又は被覆させたタングステンワイヤ９を用いてもよい。この場合、タングステンワイヤ９が発熱体兼蒸着源となる。
【００３２】
さらに、他の変形例として、スパッタリング法により金属中間層２、２ａ、２ｂを形成してもよい。この場合、図６に示すように、絶縁セラミックス１０によりカソード基材１を保持し、カソード基材１内に希ガスを封入して、カソード基材１の中心にスパッタリングターゲットとして中間層材質からなるワイヤ１３を設置する。カソード基材１を正極、中間層物質のワイヤ１３を陰極として電圧を印加し、希ガスをプラズマ化することでカソード基材１の内周面に金属中間層２、２ａ、２ｂを形成する。
【００３３】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、組み合わせ、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３４】
１…カソード基材、２、２ａ、２ｂ…金属中間層、３…ウラン酸化物コーティング層、４…金属分散層、７…タングステンコイル、８…蒸着源、９…タングステンワイヤ、１０…絶縁セラミックス、１１…希ガス、１２…電源、１３…スパッタリングターゲット、３０…中性子検出器、３１…本体ケース、３２…アノード、３３…カソード、３４…絶縁支持部材、３５…充填ガス、３６…計装配管、３７…ウラン酸化物コーティング層。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード基材と、前記カソード基材に形成された金属中間層と、前記金属中間層に形成されたウラン酸化物コーティング層を備えることを特徴とする中性子検出器のカソード。
【請求項２】
前記金属中間層の材質が鉄、ニッケル、シリコンのいずれかの金属又はそれらの合金からなることを特徴とする請求項１記載の中性子検出器のカソード。
【請求項３】
前記中金属間層は２層からなることを特徴とする請求項１記載の中性子検出器のカソード。
【請求項４】
前記２層の金属中間層のカソード基材側の材質がニッケルであり、ウラン酸化物コーティング層側の材質が鉄又はシリコンであることを特徴とする請求項３記載の中性子検出器のカソード。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれかに記載の中性子検出器のカソードの製造方法において、前記金属中間層をメッキ、真空蒸着法又はスパッタリング法で形成することを特徴とする中性子検出器のカソードの製造方法。
【請求項６】
カソード基材と、前記カソード基材に形成された金属分散層と、前記金属分散層に形成されたウラン酸化物コーティング層を備えることを特徴とする中性子検出器のカソード。
【請求項７】
前記金属分散層の材質が鉄、ニッケル、シリコンのいずれかの金属又はそれらの合金からなることを特徴とする請求項６記載の中性子検出器のカソード。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の中性子検出器のカソードの製造方法において、前記金属分散層の材質からなるノズルから酸化物微粒子を噴射することにより前記金属分散層を形成することを特徴とする中性子検出器のカソードの製造方法。
【請求項９】
請求項１乃至８いずれかに記載の中性子検出器のカソードの製造方法において、前記金属中間層又は金属分散層の形成後及びウラン酸化物コーティング層の形成後に熱処理を行うこと特徴とする中性子検出器のカソードの製造方法。

【図１】