自己出力型中性子検出器
【課題】 高感度で早い応答性を持ち、しかも小型のハイブリッド自己出力型中性子検出器を得る。
【解決手段】 中性子線の入射により電子を放出する円柱状のエミッタ１０とこのエミッタ１０から放出される電子を集電するコレクタ１１とを備え、エミッタ１０がＰｔ−Ｒｈの合金か、またはＰｔとＲｈの何れか一方をコアとして他方をクラッドとする複合材からなる。Ｐｔ−Ｒｈの総量に対してＲｈが５４重量％以下を占める。エミッタ１０の中に占めるＲｈの重量は、エミッタ１０が熱中性子束Φｔｈ＝１０１２〜１０１３ｎ／ｃｍ２／ｓを受ける場合、エミッタに２×１０−９Ａ以上の出力電流が生じるように選択する。
【解決手段】 中性子線の入射により電子を放出する円柱状のエミッタ１０とこのエミッタ１０から放出される電子を集電するコレクタ１１とを備え、エミッタ１０がＰｔ−Ｒｈの合金か、またはＰｔとＲｈの何れか一方をコアとして他方をクラッドとする複合材からなる。Ｐｔ−Ｒｈの総量に対してＲｈが５４重量％以下を占める。エミッタ１０の中に占めるＲｈの重量は、エミッタ１０が熱中性子束Φｔｈ＝１０１２〜１０１３ｎ／ｃｍ２／ｓを受ける場合、エミッタに２×１０−９Ａ以上の出力電流が生じるように選択する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＩＴＥＲ（国際熱核融合実験炉）やＡＤＳ（加速器駆動システム）による中性子科学の中性子パルス運転条件並びにそれを模擬した中性子束過渡変化を計測するための自己出力型中性子検出器に関し、特にＰｔとＲｈの合金または複合材を使用したハイブリッド自己出力型中性子検出器とする。
【背景技術】
【０００２】
自己出力型中性子検出器は、ＩＴＥＲ（国際熱核融合実験炉）やＡＤＳ（加速器駆動システム）を用いた中性子科学に利用されようとしている。ここで言う「中性子科学」とは、中性子を物体に与えて、物体の物理的、化学的、機械的変化を分析したり、さらに１万年以上の半減期を持つ核廃棄物中の元素を核変換して数百年の半減期をもつ元素に変えるという消滅処理等の科学技術をいう。
【０００３】
従来の自己出力型中性子検出器には、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｃｏやそれらの合金が使用されている。しかし、Ｒｈは高感度であるが応答性が悪く、ＰｔやＣｏ等は応答性が良いが低感度という問題があった。
一般的な発電用原子炉の運転操作は非常にゆっくりしたもので何日も掛けて定常状態にしたり、停止したりして、中性子検出器を配置する装置空間も比較的余裕がある。そのため、従来の自己出力型中性子検出器でも、その応答性や小型化に特段の問題はなかった。
【０００４】
本件発明者らは、文献「Ｆｕｓｉｏｎ Ｅｎｇ．Ｄｅｓ．，５１−５２（２０００）８３７−８４１」において、高い感度で早い応答性を持つＰｔ−Ｒｈ１３％被覆Ｃｏエミッタを用いた自己出力型中性子検出器の可能性について既に報告している。応答性は遅いが高い感度を持つＲｈと、応答性は早いが低い感度を持つＰｔおよびＣｏを組み合わしてある。
【０００５】
図３にその自己出力型中性子検出器の概略図を示している。Ｐｔ−Ｒｈ１３％を被覆したＣｏからなる円柱状のエミッタ１を円筒形のコレクタ２の中に収納し、円筒形の電気絶縁材３によりエミッタ１をコレクタ２の中に保持している。エミッタ１とコレクタ２とは、ＭＩケーブル（ミネラル・インシュレーティッド・ケーブル：無機絶縁ケーブル）４により図示してない電流計に接続し、エミッタ１からの電子の放出を検出、測定する。この自己出力型中性子検出器のエミッタ１の実寸法は、直径２ｍｍ×長さ５０ｍｍである。但し、このエミッタ１の最適材質や比率は、前記の文献により報告した段階ではまだ決定されていなかった。
【０００６】
本件発明者らが開発しようとしたハイブリッド自己出力型中性子検出器は、ＩＴＥＲやＡＤＳによる中性子パルス運転条件下の中性子照射場での使用を考慮し、まず研究炉もしくは試験炉で用いる中性子照射キャプセル内の中性子束の過渡変化の計測を用途とするものである。研究炉もしくは試験炉に組み込まれる中性子照射キャプセルの直径は決まっているため、装荷する自己出力型中性子検出器の大きさにも制限がある。さらに、照射キャプセルの端栓部の大きさに制限があるため、自己出力型中性子検出器の計測線の本数にも限りがある。従って、このような用途においては、１本の自己出力型中性子検出器に高感度で応答性が良いという２つの機能を持たせることが重要となる。
【０００７】
試験炉等で用いる照射キャプセルに装荷される材料（トリチウム増殖材等）の容器直径は最大で２０ｍｍ程度であり、自己出力型中性子検出器の直径や長さ等の寸法が大きいと、本来トリチウム増殖材に入射する中性子を自己出力型中性子検出器が吸収してしまい、トリチウム増殖材領域の中性子束分布が乱れてしまう。また、本件発明者らが発表した、エミッタ材にＰｔ−Ｒｈ１３％被覆Ｃｏを用いた前述の高感度・即応等型のハイブリッド自己出力型中性子検出器の寸法を小さくすると、エミッタ材のＲｈ量が減少してハイブリッド自己出力型中性子検出器自体の感度が下がり、ノイズの影響を受け安くなり、計測が困難になる。さらに、その最適なＲｈやＰｔやＣｏの材質の決定や比率も明確でなく、測定精度に問題があった。
【特許文献１】米国特許第５７４５５３８号公報
【非特許文献１】Ｆｕｓｉｏｎ Ｅｎｇ．Ｄｅｓ．，５１−５２（２０００）８３７−８４１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、従来のハイブリッド自己出力型中性子検出器における前述の課題に鑑み、エミッタの太さとその材質比率によって、高感度で早い応答性を持ち、しかも小型のハイブリッド自己出力型中性子検出器を提供することを目的とする。
【０００９】
本発明では、前記の目的を達成するため、エミッタをＰｔ−Ｒｈの合金かまたは複合材とし、Ｐｔ−Ｒｈの総量に対してＲｈが５４重量％以下を占めるようにしたものである。さらに、エミッタが所定のレベルの熱中性子束を受ける場合に、エミッタに所要の出力が生じるようなエミッタの中のＲｈの含有量以上に設定した。
【００１０】
すなわち、本発明によるハイブリッド自己出力型中性子検出器は、中性子線の入射により電子を放出する円柱状のエミッタとこのエミッタから放出される電子を集電するコレクタとを備え、エミッタがＰｔ−Ｒｈの合金か、またはＰｔとＲｈの何れか一方をコアとして他方をクラッドとする複合材からなり、Ｐｔ−Ｒｈの総量に対してＲｈが５４重量％以下を占めるものである。
【００１１】
エミッタを構成するＲｈは、中性子線の入射に対して応答性は遅いが高い感度を持つβ線型自己出力型中性子検出機能を有する。他方Ｐｔは、中性子線の入射に対して応答性は早いが低い感度を持つγ線型自己出力型中性子検出機能を有する。これらのＲｈとＰｔとを組み合わせてエミッタとすることにより、それぞれの金属元素が有する利点を兼ね備えたハイブリッド自己出力型中性子検出器が得られる。すなわち１つの検出器で２つの機能を備えたハイブリッド自己出力型中性子検出器を得ることが可能となる。
【００１２】
エミッタの中にＲｈが占める重量は、エミッタとコレクタ間に生じる出力電流と関係がある。実際の使用状態下において、熱中性子束を受けた時に、エミッタにはノイズ以上の出力電流が発生することが必要である。そこで後述するようにして具体的な使用状況を考慮して、エミッタが熱中性子束Φｔｈ＝１０１２〜１０１３ｎ／ｃｍ２／ｓを受ける場合、エミッタに２×１０−９Ａ以上の出力電流が生じる重量以上とする。
【００１３】
エミッタのサイズ毎にＲｈの含有量を示すと、直径０．２ｍｍのエミッタでは、Ｒｈの含有量を０．０３０ｇ以上とし、直径０．５ｍｍのエミッタでは、Ｒｈの含有量を０．０４９ｇ以上とし、直径１．０ｍｍのエミッタでは、Ｒｈの含有量を０．０９８ｇ以上とする。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明した通り、本発明によれば、ハイブリッド自己出力型中性子検出器のエミッタ材の太さとその材質比率によって、高感度で早い応答性を持ち、しかも小型のハイブリッド自己出力型中性子検出器を得ることが出来るようになる。これにより、例えば、トリチウム増殖材領域の中性子束分布の乱れを最小限に抑えながら、ノイズの影響を受けず、高い測定精度で測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明では、ハイブリッド自己出力型中性子検出器のエミッタ材の太さとその材質比率を最適なものとすることで、前記の目的を達成するものである。以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら具体的かつ詳細に説明する。
【００１６】
自己出力型中性子検出器には、β線型自己出力型中性子検出器と捕獲γ線型自己出力型中性子検出器とがある。前者はある種の金属物質（エミッタ）が中性子を吸収して放射化したときのβ崩壊を利用するもので、後者は原子核の中性子捕獲に伴って放出される即発γ線（捕獲γ線）のコンプトン効果および光電効果を利用するものである。このようなβ崩壊に伴う放出β線（電子）、または捕獲γ線のコンプトン効果及び光電効果によってたたき出された電子（コンプトン電子および光電子）を電極（コレクタ）で捕え、その電極から中性子束に比例した電流として取出すようにしたものが自己出力型中性子検出器である。
【００１７】
こられの自己出力型中性子検出器においてエミッタは最も重要な部分で、自己出力型中性子検出器の中性子感度、応答時間などはエミッタの材料できまる。β線型自己出力型中性子検出器は中性子感度を優先し、そのエミッタ材はＲｈ、Ｖなどが実用化されている。一方、γ線型自己出力型中性子検出器は応答時間を優先し、そのエミッタ材はＣｏ、Ｐｔなどが実用化されている。
【００１８】
ところで、ＩＴＥＲ（国際熱核融合実験炉）の運転はパルス運転であることから、核融合炉ブランケットの設計において、テストブランケットモジュール（ＴＢＭ）に装荷されるトリチウム増殖材微小球充填領域のトリチウム生成回収特性、有効熱拡散率等の照射特性を把握することが必要不可欠である。このため、図１に示すように試験炉で用いる照射キャプセル内に窓付ハフニウム（Ｈｆ）製中性子吸収体を装荷し、その中性子吸収体を回転させることにより、微小球充填領域に入射する中性子束を変えることができる中性子パルス運転模擬キャプセルを開発した。
【００１９】
図１に示すように、中性子検出用キャップセルの中にハフニウム（Ｈｆ）製の円筒ケース状の窓付き中性子吸収体６を配置し、これをステッピングモータ５により回転させる。中性子吸収体６の中にトリチウム増殖材微小球充填部８を設け、その中にトリチウム増殖材微小球を充填している。また、この中性子吸収体６のトリチウム増殖材微小球充填部８に前述のハイブリッド自己出力型中性子検出器９を収納する。矢印７は、中性子の入射方向を示す。
【００２０】
しかしながら、これまでの自己出力型中性子検出器では、β線型自己出力型中性子検出器は感度が高いが応答時間は遅い、γ線型自己出力型中性子検出器は応答時間が早いが感度が低いという欠点から、微小球充填領域の過渡応答時の中性子束計測が困難であった。このため、図２に示すような形状で、β線型及びγ線型自己出力型中性子検出器の利点を有する、小型で高い感度で早い応答性を持つハイブリッド自己出力型中性子検出器を開発した。
【００２１】
このハイブリッド自己出力型中性子検出器は、β線型自己出力型中性子検出器の特性を持つＲｈとγ線型自己出力型中性子検出器の特性を持つＰｔを合金にし、その合金をエミッタとした。そのエミッタの寸法とＲｈ量と合金比率の関係は以下の理由から直径０．５ｍｍの場合はＲｈが０．０４９ｇ以上含有したＰｔ−Ｒｈ５４％以下の合金とした。
【００２２】
図２に示したハイブリッド自己出力型中性子検出器は、図３により前述した従来のハイブリッド自己出力型中性子検出器の構造と基本的に同じである。但し、エミッタ１０の直径は０．５ｍｍと、図３に示したものの約１／４の直径となっており、これに伴い、コレクタ１１の外径も２．０ｍｍと、約１／２となっている。
【００２３】
Ｐｔ−ＲｈのＲｈが５４重量％以下の合金からなる円柱状のエミッタ１０を円筒形のコレクタ１１の中に収納し、円筒形の電気絶縁材１２によりエミッタ１０をコレクタ１１の中に保持している。エミッタ１０とコレクタ１１とは、ＭＩケーブル１３により図示してない電流計に接続する。
【００２４】
β線型自己出力型中性子検出器の出力電流Ｉは、一般に次式で表される。
Ｉ＝ＫσａＱＮφ
ここで、Ｋは自己出力型中性子検出器の構造および材料によって決まる定数（以下、Ｋファクタと呼ぶ）、σａはエミッタ材の熱中性子放射化断面積、Ｑは１回の中性子吸収につきエミッタから放出される平均の電荷量Ｎは、エミッタ原子の数、φは熱中性子束である。エミッタの長さをＬ、直径をｄとすると、
Ｎ＝ρ（Ａ／Ｍ）（π／４）ｄ２Ｌ
である。ここにρはエミッタ材の密度、Ａはアボガドロ数、Ｍはエミッタ材の原子量である。従って、自己出力型中性子検出器の中性子感度Ｓは、
Ｓ＝Ｉ／φ＝ＫσａＱρ（Ａ／Ｍ）（π／４）ｄ２Ｌ
となる。
【００２５】
実際にエミッタにＲｈを用いた小型のβ線型自己出力型中性子検出器で、エミッタ直径０．５ｍｍの場合について、中性子感度を測定したところ、１．０×１０−２１Ａ／ｎｖ／ｃｍである。また、γ線型自己出力型中性子検出器であるＰｔエミッタの自己出力型中性子検出器の中性子感度は、同寸法であればＲｈエミッタの自己出力型中性子検出器の約０．０４５倍であると報告されている（ｉｎｔｅｒｎａｌ ＴＨＥＲＭＯＣＯＡＸ ｒｅｐｏｒｔ，Ｇ．ＢＡＩＬＬＥＵＬ，Ｏｃｔ．１９７９）。従って、Ｐｔエミッタ直径０．５ｍｍの自己出力型中性子検出器の中性子感度は、４．５×１０−２３Ａ／ｎｖ／ｃｍと予想できる。エミッタ直径０．５ｍｍのＲｈおよびＰｔを用いた小型の自己出力型中性子検出器について、実験値や文献値（原子炉の計測，幸書房，１９７８）にもとづく感度と応答時間を表１に示す。
【００２６】
【表１】
【００２７】
ここで本試験条件の自己出力型中性子検出器の出力感度の観点から考える。実際に中性子パルス運転条件模擬時におけるトリチウム増殖材微小球に入射する熱中性子束Φｔｈは解析上１０１２〜１０１３ｎ／ｃｍ２／ｓオーダーで、このときの自己出力型中性子検出器の出力感度としてノイズの影響を受けないで計測する為には概ね２×１０?９Ａ以上（微小電流計の検出感度以上）の出力電流が必要になる。エミッタ材を直径０．５ｍｍのＲｈにした場合、２×１０?９Ａ以上の出力を得るにはＲｈが０．０４９ｇ以上必要になる。
【００２８】
次に自己出力型中性子検出器の応答時間の観点から考える。β線型自己出力型中性子検出器であるＲｈエミッタの自己出力型中性子検出器の６３％応答時間は１分程度と遅いものの、わずかながら１０３Ｒｈ（ｎ，γ）１０４Ｒｈ反応による捕獲γ線および炉心内γ線にもとづく約８％の早い応答性成分（１０?１４ｓｅｃ）がある（原子炉の計測，幸書房，１９７８）。実際にＲｈエミッタの自己出力型中性子検出器について中性子束を変化させたときの出力電流応答性を計測したところ、図４のように早い応答性成分は約６％程度の感度が計測された。８％に満たなかったのはノイズ等の測定誤差があるものと考えられる。
【００２９】
図４からもわかるように計測値にはノイズがあり、自己出力型中性子検出器出力電流の早い応答性成分が小さいとノイズと早い応答性成分の区別が困難になる。従って早い応答性成分は最低でも１０％以上は必要であるが、Ｒｈエミッタを用いた自己出力型中性子検出器の早い応答性成分は約８％しかないので、残りの２％以上を補足するためにより高感度の特性を持つエミッタをＰｔが４６重量％以上含んだＲｈ合金にする必要がある。言い換えるとＲｈが５４重量％以下含んだＰｔ合金にすると、自己出力型中性子検出器の出力電流のうち、早い応答性成分が１０％以上になる。
【００３０】
実際に、Ｐｔ−Ｒｈ４０％合金で寸法が直径０．５ｍｍ×長さ５０ｍｍのエミッタを用いたハイブリッド自己出力型中性子検出器の早い応答性成分を測定したところ、予想値１２％に対して図５のように１３％であった。これはノイズなどの誤差を考慮すると、ほぼ予想値と一致している。なお、Ｒｈが５４重量％以上になるとＰｔの即応性の効果がなくなり、ハイブリッド型中性子検出器とならなくなってしまう。
【００３１】
以上のように、Ｒｈによる応答性は遅いが高い感度を持つβ線型自己出力型中性子検出器と、Ｐｔによる応答性は早いが低い感度を持つγ線型自己出力型中性子検出器とを組み合わせることによって、それぞれの利点を有する、すなわち１本で２つの機能を有するハイブリッド自己出力型中性子検出器が開発できた。
【００３２】
エミッタ材の形状は自分自身内やエミッタ周囲の絶縁材でコレクタ側へ行くべき電子が減衰や吸収されるため、広くするか細長くする必要がある。しかし、平面的にすると耐圧や強度が弱く形状として成り立たなくなるので、一般的には細長くしている。エミッタ材を細長くすると、それを囲むコレクタもパイプ状になって図２のようになり、検出器自身を真空中でも大気中でも使用できるように端栓を溶接し、コレクタ電流を測定するためのリードは、シールもできて耐熱、耐放射線性の高いＭＩケーブルをコレクタパイプに溶接する構造になっている。
【００３３】
エッミタは前述のように細いほうが良いが、ＭＩケーブルとの溶接やかしめ等を考えると実験から直径０．２ｍｍ以上必要であった。また、Ｋファクタはエミッタが細いほど大きく（感度が良く）、直径０．５ｍｍに比べると直径０．２ｍｍは約１．６倍、逆に直径１．０ｍｍは約０．５倍になる。よって、先にエミッタ直径を０．５ｍｍで計算した感度上必要なＲｈ量はこの比率で増えたり減ったりする。
【００３４】
なお、既に図３により説明したエミッタ材にＣｏを用いる自己出力型中性子検出器について実験によりハイブリッドの可能性を確認したところ、核変換によって半減期５年程の強いγ線源となって、解体や修理は出来ないことが確認された。さらにＭＩケーブルのリード材との熱起電力が大きく（貴金属は熱起電力が小さい）、出力誤差を招く等の欠点がある。それ故、Ｃｏによる高感度・即応等型の自己出力型中性子検出器は現実的でなかった。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明によるハイブリッド自己出力型中性子検出器を装荷した中性子パルス運転模擬キャプセルの例を示す概略図である。
【図２】本発明によるハイブリッド自己出力型中性子検出器の一実施例を示す縦断側面図である。
【図３】ハイブリッド自己出力型中性子検出器の従来例を示す縦断側面図である。
【図４】Ｒｈエミッタを使用したハイブリッド自己出力型中性子検出器について入射する中性子束を変化させたときの出力電流応答性を計測したグラフである。
【図５】Ｐｔ−Ｒｈ４０％合金で寸法が直径０．５ｍｍ×長さ５０ｍｍのエミッタを用いたハイブリッド自己出力型中性子検出器の早い応答性成分を測定したグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
１０ エミッタ
１１ コレクタ
１２ 電気絶縁材
１３ ＭＩケーブル
【技術分野】
【０００１】
本発明はＩＴＥＲ（国際熱核融合実験炉）やＡＤＳ（加速器駆動システム）による中性子科学の中性子パルス運転条件並びにそれを模擬した中性子束過渡変化を計測するための自己出力型中性子検出器に関し、特にＰｔとＲｈの合金または複合材を使用したハイブリッド自己出力型中性子検出器とする。
【背景技術】
【０００２】
自己出力型中性子検出器は、ＩＴＥＲ（国際熱核融合実験炉）やＡＤＳ（加速器駆動システム）を用いた中性子科学に利用されようとしている。ここで言う「中性子科学」とは、中性子を物体に与えて、物体の物理的、化学的、機械的変化を分析したり、さらに１万年以上の半減期を持つ核廃棄物中の元素を核変換して数百年の半減期をもつ元素に変えるという消滅処理等の科学技術をいう。
【０００３】
従来の自己出力型中性子検出器には、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｃｏやそれらの合金が使用されている。しかし、Ｒｈは高感度であるが応答性が悪く、ＰｔやＣｏ等は応答性が良いが低感度という問題があった。
一般的な発電用原子炉の運転操作は非常にゆっくりしたもので何日も掛けて定常状態にしたり、停止したりして、中性子検出器を配置する装置空間も比較的余裕がある。そのため、従来の自己出力型中性子検出器でも、その応答性や小型化に特段の問題はなかった。
【０００４】
本件発明者らは、文献「Ｆｕｓｉｏｎ Ｅｎｇ．Ｄｅｓ．，５１−５２（２０００）８３７−８４１」において、高い感度で早い応答性を持つＰｔ−Ｒｈ１３％被覆Ｃｏエミッタを用いた自己出力型中性子検出器の可能性について既に報告している。応答性は遅いが高い感度を持つＲｈと、応答性は早いが低い感度を持つＰｔおよびＣｏを組み合わしてある。
【０００５】
図３にその自己出力型中性子検出器の概略図を示している。Ｐｔ−Ｒｈ１３％を被覆したＣｏからなる円柱状のエミッタ１を円筒形のコレクタ２の中に収納し、円筒形の電気絶縁材３によりエミッタ１をコレクタ２の中に保持している。エミッタ１とコレクタ２とは、ＭＩケーブル（ミネラル・インシュレーティッド・ケーブル：無機絶縁ケーブル）４により図示してない電流計に接続し、エミッタ１からの電子の放出を検出、測定する。この自己出力型中性子検出器のエミッタ１の実寸法は、直径２ｍｍ×長さ５０ｍｍである。但し、このエミッタ１の最適材質や比率は、前記の文献により報告した段階ではまだ決定されていなかった。
【０００６】
本件発明者らが開発しようとしたハイブリッド自己出力型中性子検出器は、ＩＴＥＲやＡＤＳによる中性子パルス運転条件下の中性子照射場での使用を考慮し、まず研究炉もしくは試験炉で用いる中性子照射キャプセル内の中性子束の過渡変化の計測を用途とするものである。研究炉もしくは試験炉に組み込まれる中性子照射キャプセルの直径は決まっているため、装荷する自己出力型中性子検出器の大きさにも制限がある。さらに、照射キャプセルの端栓部の大きさに制限があるため、自己出力型中性子検出器の計測線の本数にも限りがある。従って、このような用途においては、１本の自己出力型中性子検出器に高感度で応答性が良いという２つの機能を持たせることが重要となる。
【０００７】
試験炉等で用いる照射キャプセルに装荷される材料（トリチウム増殖材等）の容器直径は最大で２０ｍｍ程度であり、自己出力型中性子検出器の直径や長さ等の寸法が大きいと、本来トリチウム増殖材に入射する中性子を自己出力型中性子検出器が吸収してしまい、トリチウム増殖材領域の中性子束分布が乱れてしまう。また、本件発明者らが発表した、エミッタ材にＰｔ−Ｒｈ１３％被覆Ｃｏを用いた前述の高感度・即応等型のハイブリッド自己出力型中性子検出器の寸法を小さくすると、エミッタ材のＲｈ量が減少してハイブリッド自己出力型中性子検出器自体の感度が下がり、ノイズの影響を受け安くなり、計測が困難になる。さらに、その最適なＲｈやＰｔやＣｏの材質の決定や比率も明確でなく、測定精度に問題があった。
【特許文献１】米国特許第５７４５５３８号公報
【非特許文献１】Ｆｕｓｉｏｎ Ｅｎｇ．Ｄｅｓ．，５１−５２（２０００）８３７−８４１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、従来のハイブリッド自己出力型中性子検出器における前述の課題に鑑み、エミッタの太さとその材質比率によって、高感度で早い応答性を持ち、しかも小型のハイブリッド自己出力型中性子検出器を提供することを目的とする。
【０００９】
本発明では、前記の目的を達成するため、エミッタをＰｔ−Ｒｈの合金かまたは複合材とし、Ｐｔ−Ｒｈの総量に対してＲｈが５４重量％以下を占めるようにしたものである。さらに、エミッタが所定のレベルの熱中性子束を受ける場合に、エミッタに所要の出力が生じるようなエミッタの中のＲｈの含有量以上に設定した。
【００１０】
すなわち、本発明によるハイブリッド自己出力型中性子検出器は、中性子線の入射により電子を放出する円柱状のエミッタとこのエミッタから放出される電子を集電するコレクタとを備え、エミッタがＰｔ−Ｒｈの合金か、またはＰｔとＲｈの何れか一方をコアとして他方をクラッドとする複合材からなり、Ｐｔ−Ｒｈの総量に対してＲｈが５４重量％以下を占めるものである。
【００１１】
エミッタを構成するＲｈは、中性子線の入射に対して応答性は遅いが高い感度を持つβ線型自己出力型中性子検出機能を有する。他方Ｐｔは、中性子線の入射に対して応答性は早いが低い感度を持つγ線型自己出力型中性子検出機能を有する。これらのＲｈとＰｔとを組み合わせてエミッタとすることにより、それぞれの金属元素が有する利点を兼ね備えたハイブリッド自己出力型中性子検出器が得られる。すなわち１つの検出器で２つの機能を備えたハイブリッド自己出力型中性子検出器を得ることが可能となる。
【００１２】
エミッタの中にＲｈが占める重量は、エミッタとコレクタ間に生じる出力電流と関係がある。実際の使用状態下において、熱中性子束を受けた時に、エミッタにはノイズ以上の出力電流が発生することが必要である。そこで後述するようにして具体的な使用状況を考慮して、エミッタが熱中性子束Φｔｈ＝１０１２〜１０１３ｎ／ｃｍ２／ｓを受ける場合、エミッタに２×１０−９Ａ以上の出力電流が生じる重量以上とする。
【００１３】
エミッタのサイズ毎にＲｈの含有量を示すと、直径０．２ｍｍのエミッタでは、Ｒｈの含有量を０．０３０ｇ以上とし、直径０．５ｍｍのエミッタでは、Ｒｈの含有量を０．０４９ｇ以上とし、直径１．０ｍｍのエミッタでは、Ｒｈの含有量を０．０９８ｇ以上とする。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明した通り、本発明によれば、ハイブリッド自己出力型中性子検出器のエミッタ材の太さとその材質比率によって、高感度で早い応答性を持ち、しかも小型のハイブリッド自己出力型中性子検出器を得ることが出来るようになる。これにより、例えば、トリチウム増殖材領域の中性子束分布の乱れを最小限に抑えながら、ノイズの影響を受けず、高い測定精度で測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明では、ハイブリッド自己出力型中性子検出器のエミッタ材の太さとその材質比率を最適なものとすることで、前記の目的を達成するものである。以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら具体的かつ詳細に説明する。
【００１６】
自己出力型中性子検出器には、β線型自己出力型中性子検出器と捕獲γ線型自己出力型中性子検出器とがある。前者はある種の金属物質（エミッタ）が中性子を吸収して放射化したときのβ崩壊を利用するもので、後者は原子核の中性子捕獲に伴って放出される即発γ線（捕獲γ線）のコンプトン効果および光電効果を利用するものである。このようなβ崩壊に伴う放出β線（電子）、または捕獲γ線のコンプトン効果及び光電効果によってたたき出された電子（コンプトン電子および光電子）を電極（コレクタ）で捕え、その電極から中性子束に比例した電流として取出すようにしたものが自己出力型中性子検出器である。
【００１７】
こられの自己出力型中性子検出器においてエミッタは最も重要な部分で、自己出力型中性子検出器の中性子感度、応答時間などはエミッタの材料できまる。β線型自己出力型中性子検出器は中性子感度を優先し、そのエミッタ材はＲｈ、Ｖなどが実用化されている。一方、γ線型自己出力型中性子検出器は応答時間を優先し、そのエミッタ材はＣｏ、Ｐｔなどが実用化されている。
【００１８】
ところで、ＩＴＥＲ（国際熱核融合実験炉）の運転はパルス運転であることから、核融合炉ブランケットの設計において、テストブランケットモジュール（ＴＢＭ）に装荷されるトリチウム増殖材微小球充填領域のトリチウム生成回収特性、有効熱拡散率等の照射特性を把握することが必要不可欠である。このため、図１に示すように試験炉で用いる照射キャプセル内に窓付ハフニウム（Ｈｆ）製中性子吸収体を装荷し、その中性子吸収体を回転させることにより、微小球充填領域に入射する中性子束を変えることができる中性子パルス運転模擬キャプセルを開発した。
【００１９】
図１に示すように、中性子検出用キャップセルの中にハフニウム（Ｈｆ）製の円筒ケース状の窓付き中性子吸収体６を配置し、これをステッピングモータ５により回転させる。中性子吸収体６の中にトリチウム増殖材微小球充填部８を設け、その中にトリチウム増殖材微小球を充填している。また、この中性子吸収体６のトリチウム増殖材微小球充填部８に前述のハイブリッド自己出力型中性子検出器９を収納する。矢印７は、中性子の入射方向を示す。
【００２０】
しかしながら、これまでの自己出力型中性子検出器では、β線型自己出力型中性子検出器は感度が高いが応答時間は遅い、γ線型自己出力型中性子検出器は応答時間が早いが感度が低いという欠点から、微小球充填領域の過渡応答時の中性子束計測が困難であった。このため、図２に示すような形状で、β線型及びγ線型自己出力型中性子検出器の利点を有する、小型で高い感度で早い応答性を持つハイブリッド自己出力型中性子検出器を開発した。
【００２１】
このハイブリッド自己出力型中性子検出器は、β線型自己出力型中性子検出器の特性を持つＲｈとγ線型自己出力型中性子検出器の特性を持つＰｔを合金にし、その合金をエミッタとした。そのエミッタの寸法とＲｈ量と合金比率の関係は以下の理由から直径０．５ｍｍの場合はＲｈが０．０４９ｇ以上含有したＰｔ−Ｒｈ５４％以下の合金とした。
【００２２】
図２に示したハイブリッド自己出力型中性子検出器は、図３により前述した従来のハイブリッド自己出力型中性子検出器の構造と基本的に同じである。但し、エミッタ１０の直径は０．５ｍｍと、図３に示したものの約１／４の直径となっており、これに伴い、コレクタ１１の外径も２．０ｍｍと、約１／２となっている。
【００２３】
Ｐｔ−ＲｈのＲｈが５４重量％以下の合金からなる円柱状のエミッタ１０を円筒形のコレクタ１１の中に収納し、円筒形の電気絶縁材１２によりエミッタ１０をコレクタ１１の中に保持している。エミッタ１０とコレクタ１１とは、ＭＩケーブル１３により図示してない電流計に接続する。
【００２４】
β線型自己出力型中性子検出器の出力電流Ｉは、一般に次式で表される。
Ｉ＝ＫσａＱＮφ
ここで、Ｋは自己出力型中性子検出器の構造および材料によって決まる定数（以下、Ｋファクタと呼ぶ）、σａはエミッタ材の熱中性子放射化断面積、Ｑは１回の中性子吸収につきエミッタから放出される平均の電荷量Ｎは、エミッタ原子の数、φは熱中性子束である。エミッタの長さをＬ、直径をｄとすると、
Ｎ＝ρ（Ａ／Ｍ）（π／４）ｄ２Ｌ
である。ここにρはエミッタ材の密度、Ａはアボガドロ数、Ｍはエミッタ材の原子量である。従って、自己出力型中性子検出器の中性子感度Ｓは、
Ｓ＝Ｉ／φ＝ＫσａＱρ（Ａ／Ｍ）（π／４）ｄ２Ｌ
となる。
【００２５】
実際にエミッタにＲｈを用いた小型のβ線型自己出力型中性子検出器で、エミッタ直径０．５ｍｍの場合について、中性子感度を測定したところ、１．０×１０−２１Ａ／ｎｖ／ｃｍである。また、γ線型自己出力型中性子検出器であるＰｔエミッタの自己出力型中性子検出器の中性子感度は、同寸法であればＲｈエミッタの自己出力型中性子検出器の約０．０４５倍であると報告されている（ｉｎｔｅｒｎａｌ ＴＨＥＲＭＯＣＯＡＸ ｒｅｐｏｒｔ，Ｇ．ＢＡＩＬＬＥＵＬ，Ｏｃｔ．１９７９）。従って、Ｐｔエミッタ直径０．５ｍｍの自己出力型中性子検出器の中性子感度は、４．５×１０−２３Ａ／ｎｖ／ｃｍと予想できる。エミッタ直径０．５ｍｍのＲｈおよびＰｔを用いた小型の自己出力型中性子検出器について、実験値や文献値（原子炉の計測，幸書房，１９７８）にもとづく感度と応答時間を表１に示す。
【００２６】
【表１】
【００２７】
ここで本試験条件の自己出力型中性子検出器の出力感度の観点から考える。実際に中性子パルス運転条件模擬時におけるトリチウム増殖材微小球に入射する熱中性子束Φｔｈは解析上１０１２〜１０１３ｎ／ｃｍ２／ｓオーダーで、このときの自己出力型中性子検出器の出力感度としてノイズの影響を受けないで計測する為には概ね２×１０?９Ａ以上（微小電流計の検出感度以上）の出力電流が必要になる。エミッタ材を直径０．５ｍｍのＲｈにした場合、２×１０?９Ａ以上の出力を得るにはＲｈが０．０４９ｇ以上必要になる。
【００２８】
次に自己出力型中性子検出器の応答時間の観点から考える。β線型自己出力型中性子検出器であるＲｈエミッタの自己出力型中性子検出器の６３％応答時間は１分程度と遅いものの、わずかながら１０３Ｒｈ（ｎ，γ）１０４Ｒｈ反応による捕獲γ線および炉心内γ線にもとづく約８％の早い応答性成分（１０?１４ｓｅｃ）がある（原子炉の計測，幸書房，１９７８）。実際にＲｈエミッタの自己出力型中性子検出器について中性子束を変化させたときの出力電流応答性を計測したところ、図４のように早い応答性成分は約６％程度の感度が計測された。８％に満たなかったのはノイズ等の測定誤差があるものと考えられる。
【００２９】
図４からもわかるように計測値にはノイズがあり、自己出力型中性子検出器出力電流の早い応答性成分が小さいとノイズと早い応答性成分の区別が困難になる。従って早い応答性成分は最低でも１０％以上は必要であるが、Ｒｈエミッタを用いた自己出力型中性子検出器の早い応答性成分は約８％しかないので、残りの２％以上を補足するためにより高感度の特性を持つエミッタをＰｔが４６重量％以上含んだＲｈ合金にする必要がある。言い換えるとＲｈが５４重量％以下含んだＰｔ合金にすると、自己出力型中性子検出器の出力電流のうち、早い応答性成分が１０％以上になる。
【００３０】
実際に、Ｐｔ−Ｒｈ４０％合金で寸法が直径０．５ｍｍ×長さ５０ｍｍのエミッタを用いたハイブリッド自己出力型中性子検出器の早い応答性成分を測定したところ、予想値１２％に対して図５のように１３％であった。これはノイズなどの誤差を考慮すると、ほぼ予想値と一致している。なお、Ｒｈが５４重量％以上になるとＰｔの即応性の効果がなくなり、ハイブリッド型中性子検出器とならなくなってしまう。
【００３１】
以上のように、Ｒｈによる応答性は遅いが高い感度を持つβ線型自己出力型中性子検出器と、Ｐｔによる応答性は早いが低い感度を持つγ線型自己出力型中性子検出器とを組み合わせることによって、それぞれの利点を有する、すなわち１本で２つの機能を有するハイブリッド自己出力型中性子検出器が開発できた。
【００３２】
エミッタ材の形状は自分自身内やエミッタ周囲の絶縁材でコレクタ側へ行くべき電子が減衰や吸収されるため、広くするか細長くする必要がある。しかし、平面的にすると耐圧や強度が弱く形状として成り立たなくなるので、一般的には細長くしている。エミッタ材を細長くすると、それを囲むコレクタもパイプ状になって図２のようになり、検出器自身を真空中でも大気中でも使用できるように端栓を溶接し、コレクタ電流を測定するためのリードは、シールもできて耐熱、耐放射線性の高いＭＩケーブルをコレクタパイプに溶接する構造になっている。
【００３３】
エッミタは前述のように細いほうが良いが、ＭＩケーブルとの溶接やかしめ等を考えると実験から直径０．２ｍｍ以上必要であった。また、Ｋファクタはエミッタが細いほど大きく（感度が良く）、直径０．５ｍｍに比べると直径０．２ｍｍは約１．６倍、逆に直径１．０ｍｍは約０．５倍になる。よって、先にエミッタ直径を０．５ｍｍで計算した感度上必要なＲｈ量はこの比率で増えたり減ったりする。
【００３４】
なお、既に図３により説明したエミッタ材にＣｏを用いる自己出力型中性子検出器について実験によりハイブリッドの可能性を確認したところ、核変換によって半減期５年程の強いγ線源となって、解体や修理は出来ないことが確認された。さらにＭＩケーブルのリード材との熱起電力が大きく（貴金属は熱起電力が小さい）、出力誤差を招く等の欠点がある。それ故、Ｃｏによる高感度・即応等型の自己出力型中性子検出器は現実的でなかった。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明によるハイブリッド自己出力型中性子検出器を装荷した中性子パルス運転模擬キャプセルの例を示す概略図である。
【図２】本発明によるハイブリッド自己出力型中性子検出器の一実施例を示す縦断側面図である。
【図３】ハイブリッド自己出力型中性子検出器の従来例を示す縦断側面図である。
【図４】Ｒｈエミッタを使用したハイブリッド自己出力型中性子検出器について入射する中性子束を変化させたときの出力電流応答性を計測したグラフである。
【図５】Ｐｔ−Ｒｈ４０％合金で寸法が直径０．５ｍｍ×長さ５０ｍｍのエミッタを用いたハイブリッド自己出力型中性子検出器の早い応答性成分を測定したグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
１０ エミッタ
１１ コレクタ
１２ 電気絶縁材
１３ ＭＩケーブル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中性子線の入射により電子を放出する円柱状のエミッタとこのエミッタから放出される電子を集電するコレクタとを備える自己出力型中性子検出器において、エミッタがＰｔ−Ｒｈの合金か、またはＰｔとＲｈの何れか一方をコアとして他方をクラッドとする複合材からなり、Ｐｔ−Ｒｈの総量に対してＲｈが５４重量％以下を占めることを特徴とするハイブリッド自己出力型中性子検出器。
【請求項２】
エミッタの中にＲｈが占める重量は、エミッタが熱中性子束Φｔｈ＝１０１２〜１０１３ｎ／ｃｍ２／ｓを受ける場合にあって、エミッタに２×１０−９Ａ以上の出力が生じる重量以上としたことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド自己出力型中性子検出器。
【請求項３】
直径０．２ｍｍから直径１．０ｍｍの範囲のエミッタにおいて、エミッタ直径をＸ（ｍｍ）、Ｒｈ含有量をＹ（ｇ）としたとき、
Ｙ≧０．０４３３Ｘ２＋０．０３３Ｘ＋０．０２１７
を満足するＲｈ含有量であることを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド自己出力型中性子検出器。
【請求項１】
中性子線の入射により電子を放出する円柱状のエミッタとこのエミッタから放出される電子を集電するコレクタとを備える自己出力型中性子検出器において、エミッタがＰｔ−Ｒｈの合金か、またはＰｔとＲｈの何れか一方をコアとして他方をクラッドとする複合材からなり、Ｐｔ−Ｒｈの総量に対してＲｈが５４重量％以下を占めることを特徴とするハイブリッド自己出力型中性子検出器。
【請求項２】
エミッタの中にＲｈが占める重量は、エミッタが熱中性子束Φｔｈ＝１０１２〜１０１３ｎ／ｃｍ２／ｓを受ける場合にあって、エミッタに２×１０−９Ａ以上の出力が生じる重量以上としたことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド自己出力型中性子検出器。
【請求項３】
直径０．２ｍｍから直径１．０ｍｍの範囲のエミッタにおいて、エミッタ直径をＸ（ｍｍ）、Ｒｈ含有量をＹ（ｇ）としたとき、
Ｙ≧０．０４３３Ｘ２＋０．０３３Ｘ＋０．０２１７
を満足するＲｈ含有量であることを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド自己出力型中性子検出器。
【図４】
【図５】
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図１】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００６−２０８１６０（Ｐ２００６−２０８１６０Ａ）
【公開日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１９９０８（Ｐ２００５−１９９０８）
【出願日】平成１７年１月２７日（２００５．１．２７）
【出願人】（０００１８３９４５）助川電気工業株式会社 (79)
【出願人】（５０５３７４７８３）独立行政法人 日本原子力研究開発機構 (727)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月２７日（２００５．１．２７）
【出願人】（０００１８３９４５）助川電気工業株式会社 (79)
【出願人】（５０５３７４７８３）独立行政法人 日本原子力研究開発機構 (727)
【Ｆターム（参考）】
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