JP3673832B2

JP3673832B2 - ラドン検出器

Info

Publication number: JP3673832B2
Application number: JP2003187232A
Authority: JP
Inventors: 茂樹田阪
Original assignee: Gifu University
Current assignee: Gifu University
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2023-06-30
Also published as: JP2005024291A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体中のラドンを検出するラドン検出器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種のラドン検出器としては、図５に示す静電捕集型高感度空気中ラドン検出器４１が知られている（例えば、非特許文献１参照）。この静電捕集型高感度空気中ラドン検出器４１（以下、ラドン検出器４１という。）は、空気中のラドン濃度、例えば、神岡宇宙素粒子研究施設の大型水チェレンコフ宇宙素粒子観測装置（スーパーカミオカンデ）内における空気中のラドン濃度を監視することが可能である。ここで、スーパーカミオカンデ内における空気中のラドンは、スーパーカミオカンデにおける太陽ニュートリノの観測の際にバックグラウンドノイズの発生源となる。従って、ラドン検出器４１によってラドン濃度を監視することは、太陽ニュートリノの観測においてその精度を向上させために重要な役割を果たしている。
【０００３】
このラドン検出器４１は有底円筒状の検出容器本体４２と、この検出容器本体４２の開口部４３を閉塞する蓋体４４と、検出容器本体４２内部に設けられるとともに検出容器本体４２内部のラドンを検出するＰＩＮフォトダイオード４５とを備えている。検出容器本体４２は円板状の底部４６と、円筒状の胴部４７と、円環板状の天井部４８とから構成されている。検出容器本体４２は金属材料から形成され、底部４６の外周縁と胴部４７の下端周縁及び胴部４７の上端周縁と天井部４８の外周縁はそれぞれアーク溶接によって接合されている。そして、アーク溶接による接合部分には、凸状の溶接部４９が形成されている。
【０００４】
このラドン検出器４１によってラドンを検出する際、検出容器本体４２の内部に塵等の微粒子が残存すると、その微粒子がラドン発生源となり、高精度のラドン検出の弊害となる。そこで、この検出容器本体４２の内面は電解研磨が施されることにより、容器本体の内面の大部分は平滑面となっている。そして、容器本体の内面に塵等の微粒子が付着することを抑制することにより、検出容器本体４２の内部に残存する微粒子を低減させ、低濃度ラドンの検出が可能になっている。
【０００５】
【非特許文献１】
根本、田阪ら、静電捕集型超高感度空気中ラドン検出器の開発、ＲＡＤＩＯＩＳＯＴＯＰＥＳ、社団法人日本アイソトープ協会、４６、ｐ．７１０−７１９（１９９７）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
スーパーカミオカンデにおいて、太陽ニュートリノの観測精度を向上させるためには、さらに低濃度のラドンを検出し、その影響を解明することが重要となっている。ところが、上記従来技術におけるラドン検出器では、溶接部及びその周囲は、凹凸形状となっている。そのため、溶接部及びその周囲には微粒子が残存し易く、その残存微粒子から発生するラドンの影響によって、ラドン検出精度をさらに向上させることが困難であるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記従来技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、ラドンの検出精度をさらに向上させることができるラドン検出器を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために請求項１に記載の発明のラドン検出器は、検出容器本体と、該検出容器本体の上部に設けられるフランジ部材と、該フランジ部材に着脱可能に設けられる蓋体と、前記検出容器本体の内部に設けられ検出容器本体内部のラドンを検出する検出手段とを備えたラドン検出器であって、前記検出容器本体の内面全体は曲面状かつ鏡面状に形成されているものである。
【０００９】
請求項２に記載の発明のラドン検出器は、請求項１に記載の発明において、前記検出容器本体の内面における最大高さＲｍａｘは０．８μｍ未満であることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明のラドン検出器は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記検出手段として受光素子が設けられ、該受光素子における半導体支持部材はウラン−ラジウム崩壊系列における放射性核種の含有量が０．０１Ｂｑ／ｇ以下である材料から形成されるものである。
【００１１】
請求項４に記載の発明のラドン検出器は、請求項３に記載の発明において、前記蓋体には、前記受光素子の外部電極を支持するとともに該外部電極を前記検出容器本体の内部からその外部に密閉状態で導出する電極支持部材が設けられ、該電極支持部材はウラン−ラジウム崩壊系列における放射性核種の含有量が０．０１Ｂｑ／ｇ以下である材料から構成されるものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した実施形態を、図１〜図４に従って説明する。
図１及び図２に示すように、ラドン検出器１１は有底円筒状の検出容器本体１２と、検出容器本体１２の上部に設けられるフランジ部材１３と、フランジ部材１３に着脱可能に設けられる蓋体１４とを備えている。そして、フランジ部材１３の開口部１５が蓋体１４によって閉塞されることにより、検出容器本体１２は密閉されるようになっている。また、検出容器本体１２の内部には、検出手段としてのＰＩＮフォトダイオード１６が設けられ、検出容器本体１２の内部におけるラドン（Ｒｎ）を検出できるようになっている。このラドン検出器１１における検出容器本体１２の内面は、曲面状かつ鏡面状に形成されている。
【００１３】
ここで、ウラン−ラジウム崩壊系列における²²²Ｒｎは、²¹⁸Ｐｏ、²¹⁴Ｐｂ、²¹⁴Ｂｉ、²¹⁴Ｐｏ及び²¹⁰Ｐｂの順にα崩壊又はβ崩壊することが知られ、ラドンの娘核種である²¹⁸Ｐｏは、正に帯電する性質がある。一方、ＰＩＮフォトダイオード１６のＰ層には、負の電圧が印加される。検出容器本体１２の内部に存在する²¹⁸Ｐｏは正に帯電しているため、²¹⁸ＰｏをＰ層表面に静電捕集することが可能である。このラドン検出器１１は、静電捕集された²¹⁸Ｐｏから及び²¹⁴Ｐｏがα崩壊する際、放出されるα線をＰＩＮフォトダイオード１６によって検出することにより、空気中のラドン濃度が測定可能となっている。
【００１４】
検出容器本体１２は曲面状の底部１７と円筒状の胴部１８と曲面状の天井部１９とから構成されている。底部１７は円板状のステンレス鋼板を下方に向かって膨出形成され、その内面は曲面状をなしている。胴部１８は長四角板状のステンレス鋼板を湾曲させて図１に破線で示す第１接合部２０で接合されることにより円筒状に形成され、その内面は曲面状をなしている。天井部１９は長四角板状のステンレス鋼板を湾曲させ、図１に破線で示す第２接合部２１で接合されることにより、開口を有するドーム状に形成され、その内面は曲面状をなしている。
【００１５】
底部１７の外周縁には、胴部１８の下端周縁が図１に破線で示す第３接合部２２によって接合されている。また、胴部１８の上端周縁には、天井部１９の下端周縁が図１に破線で示す第４接合部２３によって接合されている。第１接合部２０、第２接合部２１、第３接合部２２及び第４接合部２３における接合は、いずれもアルゴン溶接（ＴＩＧ溶接）によって接合され、各接合部の内面が荒れることが抑制されている。
【００１６】
検出容器本体１２の内面は、第１接合部２０、第２接合部２１、第３接合部２２及び第４接合部２３の内面を含めて曲面状に形成されている。検出容器本体１２の内面における曲率半径は好ましくは３０ｍｍ以上、より好ましくは５０ｍｍ以上、さらに好ましくは１００ｍｍ以上である。この曲率半径が３０ｍｍ未満であると、検出容器本体１２の内面を鏡面状に形成することが困難となるおそれがある。
【００１７】
検出容器本体１２の内面は、バフ研磨と電解研磨とからなる複合研磨によって鏡面状に形成されている。この検出容器本体１２の内面における最大高さＲｍａｘは、好ましくは０．８μｍ未満、より好ましくは０．７μｍ未満、さらに好ましくは０．５μｍ未満、最も好ましくは０．４μｍ未満である。この最大高さＲｍａｘが０．８μｍを超えると、検出容器本体１２の内面にラドン検出の妨げとなる微粒子が付着し易くなり、ラドンの検出精度を一層向上することができなくなるおそれがある。また、この検出容器本体１２の内面における平均粗さＲａは、好ましくは０．４μｍ未満、より好ましくは０．３μｍ未満、さらに好ましくは０．２５μｍ未満、最も好ましくは０．２０μｍ未満である。この平均粗さが０．４μｍを超えると、検出容器本体１２の内面に微粒子が付着し易くなり、ラドンの検出精度を一層向上させることができなくなるおそれがある。また、検出容器本体１２の内面における最大高さＲｍａｘを０．４μｍ未満、かつ平均粗さＲａを０．２０μｍ未満にすることにより、ラドンの検出精度をさらに一層向上させることができる。なお、ここでいう最大高さ及び平均粗さは、ＪＩＳＢ０６０１−１９８２により定義される。
【００１８】
天井部１９の上部内周縁には、円環板状のフランジ部材１３がアルゴン溶接によって接合されている。このフランジ部材１３及び天井部１９の接続部分における内面も複合研磨が施され、曲面状かつ鏡面状に形成されることが好ましく、その曲率半径、最大高さＲｍａｘ及び平均粗さＲａは上記の範囲に設定されることが好ましい。また、フランジ部材１３の内面も複合研磨が施され、鏡面状に形成されることが好ましく、その最大高さＲｍａｘ及び平均粗さＲａは上記の範囲に設定されることが好ましい。
【００１９】
フランジ部材１３の内側には、図示しないシールリングを介して円板状の蓋体１４が嵌合されている。この蓋体１４は透明なアクリル樹脂から形成され、検出容器本体１２の内部が視認できるようになっている。蓋体１４の外周縁には、断面逆Ｌ字状の係合凹部１４ａが全周に渡って凹設され、この係合凹部１４ａは開口部１５の周縁に係合するようになっている。また、蓋体１４の内面とフランジ部材１３との内面は面一に構成され、蓋体１４とフランジ部材１３との境目における微粒子の付着が抑制されている。この蓋体１４は、円環状の蓋体固定具２４及び締付部材としてのボルト２５によってフランジ部材１３に密着固定されている。
【００２０】
蓋体１４の中央には、ＰＩＮフォトダイオード１６の外部電極２６を支持する電極支持部材としてのフィードスルー２７が嵌合されている。このフィードスルー２７には、外部電極２６が貫通され、外部電極２６が検出容器本体１２の内部から外部に密閉状態で導出されるようになっている。このフィードスルー２７の材料は、それから発生するα線によってラドンの検出精度が低下するのを抑制するために、ウラン−ラジウム崩壊系列における放射性核種の含有量が好ましくは０．０１Ｂｑ／ｇ以下の材料、より好ましくは０．００８Ｂｑ／ｇ以下の材料、さらに好ましくは０．００５Ｂｑ／ｇ以下の材料である。このような材料としては、ポリエチレン等が挙げられる。
【００２１】
図３に示すように、ＰＩＮフォトダイオード１６は基体２８、一対の外部電極２６、半導体支持部材としてのパッケージ２９等を備えている。基体２８は図示しないＰ層、Ｉ層、Ｎ層等を備えた半導体であって、この基体２８からはアノード及びカソードとなる外部電極２６が導出されている。パッケージ２９は額縁状に形成され、このパッケージ２９に基体２８が支持される。このパッケージ２９の材料は、それから発生するα線によってラドンの検出精度を低下させないために、ウラン−ラジウム崩壊系列における放射性核種の含有量が好ましくは０．０１Ｂｑ／ｇ以下の材料、より好ましくは０．００８Ｂｑ／ｇ以下の材料、さらに好ましくは０．００５Ｂｑ／ｇ以下の材料である。このような材料としては、各種セラミック、合成樹脂等が挙げられるが、高い絶縁性を有することから、好ましくはセラミックである。放射性核種の含有量が０．０１Ｂｑ／ｇ以下のセラミックとしては、エンジニアリングセラミック（三井鉱山マテリアル（株）、型番ＭＡ９６０、アルミナ含有量９６％）等が挙げられる。
【００２２】
また、基体２８及び外部電極２６の周辺部は、図示しないパッシベーション処理（絶縁材料で被覆する処理）が施され、基体２８及び外部電極２６の周辺部における微粒子の付着によって暗電流が増加することが抑制されている。このパッシベーション処理に用いる絶縁材料としては、ポリイミド樹脂等の合成樹脂、セラミック、合成樹脂とセラミックの複合材料等が挙げられる。
【００２３】
図１に示すように、蓋体１４の上方には回路基板３０が設けられ、この回路基板３０には外部電極２６が接続されている。この回路基板３０には、図４に示すように高電圧分割回路及びアンプ回路が実装されている。また、この回路基板３０には図示しない電力供給用の高電圧電源装置が接続されている。高電圧分割回路及びアンプ回路は、それぞれモジュール化されており、簡単に交換することができるようになっている。高電圧分割回路は、ＰＩＮフォトダイオード１６の逆バイアス電圧（＜１５０Ｖ）及び静電捕集用の高電圧（≦１５００Ｖ）に抵抗分割し、それぞれの電圧を印加することができるものである。アンプ回路は、ＰＩＮフォトダイオード１６によって検出したα線の信号を増幅する回路であって、プリアンプ、リニアアンプ及びケーブルドライバから構成されている。ここで、プリアンプにおける入力ＦＥＴ（電界効果トランジスタ、２ＳＫ５０８）の相互コンダクタンスは定格で２６ｍＳ、ゲートソース間容量は４．８ｐＦである。また、回路の浮遊容量を小さくするためにＦＥＴはチップ型、ＰＩＮフォトダイオード１６（ＰＤ）はモジュールに直接取り付けられるようになっている。プリアンプの出力パルスの立上り時間は３０ｎｓである。また、リニアアンプの時定数は１μｓである。なお、ＲＲ１には抵抗とコンデンサを外付けして倍率を調節することが可能である。アンプ回路によって増幅されたα線による信号は、図示しない記録装置によってＡＤ変換され、計算機で解析が行われる。
【００２４】
図１及び図２に示すように、蓋体固定具２４の上部には有蓋円筒状の保護カバー３１が締付部材としてのボルト２５によって固定され、回路基板３０等が保護されるようになっている。
【００２５】
天井部１９の両肩部分には、純空気（ラドンフリーエアー）や被検気体等の気体を検出容器本体１２の内部に流入する流入管３２及び検出容器本体１２の内部における気体を流出する流出管３３が接続されている。流入管３２の基端面及び流出管３３の基端面は、天井部１９の内面と面一に構成され、流入管３２及び流出管３３の基端部分における微粒子の付着が抑制されている。また、流入管３２及び流出管３３には、図示しないバルブが装着され、検出容器本体１２の内部が密閉できるようになっている。
【００２６】
さて、このラドン検出器１１を製造するには、まず底部１７、胴部１８、天井部１９、フランジ部材１３、流入管３２及び流出管３３をアルゴン溶接によって接合し、フランジ部材１３、流入管３２及び流出管３３が接合された検出容器本体１２を組み立てる。次に、検出容器本体１２の内面にバフ研磨を施す。このとき、検出容器本体１２の内面は曲面状に形成されているため、検出容器本体１２の内面全体におけるバフ研磨加工を十分に行うことができる。その後、検出容器本体１２の内面に電解研磨を施すことにより検出容器本体１２の内面が仕上げられる。このとき、検出容器本体１２の内面は、バフ研磨加工が十分に施されているため、その内面全体は確実に鏡面状に形成される。
【００２７】
次に、このラドン検出器１１によってラドンを検出するには、まずフランジ部材１３等が設けられた検出容器本体１２に、蓋体１４、ＰＩＮフォトダイオード１６、回路基板３０等を装着する。続いて、流入管３２から被検気体を流入させるとともに、流出管３３から被検気体を流出させ、検出容器本体１２の内部に被検気体を充填させる。続いて、ＰＩＮフォトダイオード１６に電圧を印加し、被検気体中のラドンを検出する。このとき、検出容器本体１２の内面は曲面状かつ鏡面状に形成されている。従って、検出容器本体１２の内面を清浄に保つことができるため、検出容器本体１２の内部において、ラドン発生源となる微粒子の残存量を極めて少なくすることができる。従って、被検体のラドン濃度を高精度で検出することが可能となる。
【００２８】
本実施形態によって発揮される効果について、以下に記載する。
・この実施形態のラドン検出器１１においては、検出容器本体１２の内面は曲面状かつ鏡面状に形成されている。従って、検出容器本体１２の内部において、ラドン発生源となる微粒子の残存量を極めて少なくすることができ、ラドンの検出精度をさらに向上させることができる。
【００２９】
・この実施形態のラドン検出器１１においては、検出容器本体１２の内面における最大高さＲｍａｘは０．８μｍ未満であることが好ましい。このように構成した場合、ラドン検出精度を一層向上させることができる。
【００３０】
・この実施形態のラドン検出器１１においては、ＰＩＮフォトダイオード１６のパッケージ２９は、ウラン−ラジウム崩壊系列の放射性核種の含有量が０．０１Ｂｑ／ｇ以下である材料から形成されている。このように構成した場合、検出容器本体１２の内部におけるラドン発生量をさらに低減させることができ、ラドン検出精度を一層向上させることができる。
【００３１】
・この実施形態のラドン検出器１１においては、フィードスルー２７はウラン−ラジウム崩壊系列の放射性核種の含有量が０．０１Ｂｑ／ｇ以下である材料から形成されている。このように構成した場合、フィードスルー２７から発生するラドンを低減させることができ、ラドン検出精度を一層向上させることができる。
【００３２】
・この実施形態のラドン検出器１１においては、検出容器本体１２は底部１７、胴部１８及び天井部１９に分割構成され、それらを接合することによって形成されている。このように構成した場合、検出容器本体１２の内面を曲面状に形成し易く、検出容器本体１２を容易に製造することができる。
【００３３】
・この実施形態のラドン検出器１１において、検出容器本体１２の内面はバフ研磨及び電解研磨によって鏡面状に形成されている。このように構成した場合、検出容器本体１２の内面を鏡面状に形成し易く、検出容器本体１２を容易に製造することができる。
【００３４】
なお、前記実施形態を次のように変更して構成することもできる。
・前記実施形態では、検出手段としてＰＩＮフォトダイオード１６を採用しているが、それ以外の半導体検出器や光電子増倍管等の他の検出手段を用いてもよい。これらの中でも、構成が簡単であるとともにα線の分解能に優れることからＰＩＮフォトダイオード１６が好ましい。
【００３５】
・前記実施形態では、検出容器本体１２は底部１７、胴部１８及び天井部１９に分割構成され、それらを接合することによって形成されている。この他に、検出容器本体１２をプレス加工により一体に構成してもよい。また、検出容器本体１２は、ステンレス鋼以外の金属材料を用いてもよい。
【００３６】
・前記実施形態では、流入管３２から被検気体を流入させ、被検気体中に含まれるラドン濃度を測定している。この他に、検出容器本体１２内に木材等の被検体を投入し、被検体から空気中に放出する微量のラドンについて、その濃度を測定することもできる。
【００３７】
・前記実施形態における検出容器本体１２の内面に、ニッケル、クロム、銅等の金属及び合金によって電気メッキ、無電解メッキ等のメッキを施してもよい。この場合、検出容器本体１２の内面の平滑性をさらに高めることができ、検出容器本体１２の内部をさらに清浄に保つことができる。従って、ラドン検出精度を一層向上させることができる。
【００３８】
・前記実施形態におけるラドン検出器１１は、ウラン−ラジウム崩壊系列における²²²Ｒｎを検出しているが、このラドン検出器１１はトリウム崩壊系列における²²⁰Ｒｎを検出することも可能である。
【００３９】
【実施例】
次に、実施例及び比較例を挙げて前記実施形態をさらに具体的に説明する。
（実施例）
図１及び図２に示すラドン検出器１１（容量７０リットル）を用いて、検出容器本体１２の内部から発生するラドンを検出した。まず、流入管３２から純空気（ラドンフリーエアー）を流入させるとともに、流出管３３から検出容器本体１２の内部の空気を流出させ、検出容器本体１２の内部の空気を純空気によって置換した。次に、流入管３２及び流出管３３のバルブを閉めることにより、検出容器本体１２を密閉した。この状態で、ラドン検出器１１を１ヶ月間放置し、検出容器本体１２の内部から発生するラドンを平衡状態とした。続いて、ＰＩＮフォトダイオード１６（検出サイズ１６×１６ｍｍ、有効厚さ５００μｍ、逆バイアス電圧最高値１５０Ｖにおける暗電流１５ｎＡ、端子間容量８０ｐＦ、浜松ホトニクス（株）製）のＰ層に−１５００Ｖの電圧を印加し、４ヶ月間にわたって²¹⁴Ｐｏの放出するα線をカウントした。ここで、²²²Ｒｎの原子１個から²¹⁴Ｐｏ原子１個が生成されるため、²¹⁴Ｐｏの放出するα線をカウントすることにより、検出容器本体１２の内部から発生する²²²Ｒｎをカウントしたことになる。その結果、一日当たりの²¹⁴Ｐｏのカウント数は、６個／日であった。このラドン検出器１１のラドン濃度検出限界値は０．００４Ｂｑ／ｍ³となる。
（比較例）
図４に示す従来のラドン検出器４１を用いて、実施例と同一条件で²¹⁴Ｐｏの放出するα線をカウントした。一日当たりの²¹⁴Ｐｏのカウント数は、２３個／日であった。このラドン検出器４１のラドン濃度検出限界値は０．０１３Ｂｑ／ｍ³であった。
（実施例及び比較例の考察）
実施例における一日当たりの²¹⁴Ｐｏのカウント数は、比較例の１／３以下となったことから、検出容器本体１２の内部におけるラドン発生量を低減させることができ、さらに低濃度のラドンを検出することができることがわかる。
【００４０】
次に、上記実施形態から把握できる技術的思想について以下に記載する。
・前記検出容器本体には、気体を検出容器本体の内部に流入する流入管及び検出容器本体の内部から気体を流出する流出管が設けられ、前記流入管及び流出管の基端面は、検出容器本体の内面と面一に構成されている請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のラドン検出器。この場合、ラドンの検出精度を一層向上させることができる。
【００４１】
【発明の効果】
この発明は、以上のように構成されているため、次のような効果を奏する。
請求項１から請求項４に記載のラドン検出器によれば、ラドンの検出精度をさらに向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態におけるラドン検出器を示す正断面図。
【図２】ラドン検出器を示す斜視図。
【図３】ＰＩＮフォトダイオードの拡大断面図。
【図４】高電圧分割回路及びアンプ回路を示す電気回路図。
【図５】従来のラドン検出器を示す断面図。
【符号の説明】
１１…ラドン検出器、１２…検出容器本体、１３…フランジ部材、１４…蓋体、１６…検出手段（受光素子）としてのＰＩＮフォトダイオード、２６…外部電極、２７…電極支持部材としてのフィードスルー、２９…半導体支持部材としてのパッケージ。

Claims

検出容器本体と、該検出容器本体の上部に設けられるフランジ部材と、該フランジ部材に着脱可能に設けられる蓋体と、前記検出容器本体の内部に設けられ検出容器本体内部のラドンを検出する検出手段とを備えたラドン検出器であって、前記検出容器本体の内面全体は曲面状かつ鏡面状に形成されていることを特徴とするラドン検出器。
前記検出容器本体の内面における最大高さＲｍａｘは０．８μｍ未満である請求項１に記載のラドン検出器。
前記検出手段として受光素子が設けられ、該受光素子における半導体支持部材はウラン−ラジウム崩壊系列における放射性核種の含有量が０．０１Ｂｑ／ｇ以下である材料から形成される請求項１又は請求項２に記載のラドン検出器。
前記蓋体には、前記受光素子の外部電極を支持するとともに該外部電極を前記検出容器本体の内部からその外部に密閉状態で導出する電極支持部材が設けられ、該電極支持部材はウラン−ラジウム崩壊系列における放射性核種の含有量が０．０１Ｂｑ／ｇ以下である材料から構成される請求項３に記載のラドン検出器。