JPS5856957B2 - 放射線計数管 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、高温の環境で使用できる放射線計数管に関す
るもので、更に詳しく云えば４５０℃を越える常用温度
仕様を満たすと同時にパルス出力電流波高値が大きくま
た電荷集取時間が短い極めて高性能の放射線計数管の実
現を可能にした技術に関する。

第１図〜第３図に原子炉の計装等に広く用いられている
一般的な放射線計数管の基本的構造を示す。

第１図は２つの内部電極即ち陰極と陽極を容器内にもつ
最も基本的な放射線計数管の構造の例を示し７たもので
ある。

電極（陰極）１及び電極（陽極）２は一般に円筒状で金
属材料で作られており、常温附近で使用する計数管にあ
ってはアルミニウム又はアルミニウム合金、高温で使用
するものはＳＵＳ ３０４型ステンレス鋼が用いられる
のが普通であるこの円筒状電極を保持してまた電気的に
計数管容器３より絶縁するため、電極の両端にはリング
状のセラミック絶縁体４が取付けられこのセラミック絶
縁体が絶縁体保持金属板５，６にはめ込１れ計数管容器
３内に保持されている。

片側のセラミック絶縁体４とその保持金属板５のはめ逃
水の間には、リング状スプリング７がはめ込１れ電極及
び容器間の温度差による熱膨張の差等を吸収し無理なく
電極を保持するよう配慮が拡われている。

夫々の電極は陰極リード線８及び陽極リード線９及び電
流貫通端子（メタルセラミックシール）１０等を通して
陰極コネクタ１１及び陽極コネクタ１２に接続されてお
り、これにより１高圧電源及び放射線パルス信号増幅器
など必要な外部計測器に接続されるようになっている。

これらの内部構造物は密閉された計数管容器内に収納さ
れても・す、容器内部に計数管気体が充填されている。

なお、１３は絶縁体、１４は核反応物質、１５は計数管
気体封入封止跡である。

１６は放射線検出空間を示す。

第２図は放射線計数管の容器を陰極として兼用している
例で、また第３図は計数管容器を陰極と兼用していると
同時に陽極に線状電極を用いている場合の例である。

い壕仮にα線、β線、γ線陽子線や高エネルギー粒子な
どの放射線が陰極と陽極間の放射線検出空間に入射した
とすると、これらの放射線はその電離作用によってその
検出空間にある計数管気体を電離し、放射線の飛跡に沿
って多数の電子と陽イオンを発生させこのイオン対を電
界によって電極に集取することによって放射線の入射が
電気的に検出できるようになる。

な釦、この場合α線やβ線など物質中の飛程の短い放射
線が計数管の外側から飛来し、これを検出しようとする
ときは計数管容器の一部の壁をこれら放射線の飛程より
薄くして、それら放射線を電極間の検出空間へ導くこと
が広く行なわれている。

一方、放射線のうちでも中性子線は電離作用を有しない
のでとのす１の構造ではその入射を検出することができ
ない。

このため中性子線を検出するを目的とした放射線計数管
にあっては、第１図〜第３図に示すように陽極と対向す
る陰極の表面に中性子線を核反応を起して電離能力を有
するα線、β線、核分裂生成物粒子等の放射線を放出す
る核反応物質例えばボロン−１０（１°Ｂ）、ウラン−
２３５（２３５Ｕ）などを塗布しである。

これによって中性子線が入射すれば、これら核反応物質
と反応を起し電離性の放射線粒子等が放出されるので、
検出空間にある計数管気体が電離され電気的に検出可能
となっている。

この種の中性子計数管のうち電極表面にウラン２３５な
どの核分裂物質を塗布した計数管は核分裂計数管と呼ば
れ広く原子炉の中性子計装等に用いられている。

第１図〜第３図に示した計数管の電極間にある計数管気
体間で入射放射線によって直接又は間接的に電離された
イオン及び電子は陽極に正の陰極に負の極性の高圧電圧
を印加することにより両電極に集収され電極に接続され
た陰極又は陽極コネクタから電気的パルス信号として外
部に取出される。

この場合放射線によって電離生成されたイオン及び電子
の数は同数であり従って夫々同量の電荷をもっているが
電極間の電界によって電極に向って気体中を移動する速
度は一般的に言って電子の方がイオンに比べて大略１０
００倍程速いので、電荷が集収される時間はイオンの場
合の約１−ｉ、０００であり従って電子の移動による誘
導電流の振幅即ち出力パルス電流の波高値はイオンの場
合の約１０００倍の振幅がある。

このため出力されるパルス電流の振幅はほとんど計数管
気体中に生じた電子の電荷によるものである。

この様に電極に電荷が集収される時間即ち電荷集成時間
が短かけれは大きな振幅のパルス出力電流が得られ各種
の雑音と分離して放射線が測定できること、またパルス
α時間幅が狭ければ時間的にランダムに入射して来た放
射線パルスが重畳する確率が低減されるので高い計数率
１で放射線を測定することが出来る等大きな利点がある
。

このため３檄管内に封入される計数管気体としては、電
子の移動度が大きいいわゆる「早い計数管気体」が封入
されるのが普通である。

従来より、常温近傍、あるいは４５０℃程度迄の低・中
温の温度範囲で使用される核分裂計数管などの放射線計
数管においては、電離ガスとして窒素を１％ないし２％
含有するアルゴンガスや、炭酸ガスを２％ないし５％含
有するアルゴンガスなと、いわゆる２原子分子や多原子
分子をアルゴン中に混合した「早い計数管気体」が用い
られている。

これらの「早い計数管気体」の中では電子のドリフト速
度が速く純粋なアルゴンガスを用いた場合より、大きな
パルス出力電流と短い電荷集成時間とが得られる。

一方、最近開発されつつある高速炉、高温ガス炉など新
鋭原子炉の炉内温度は、熱利用効率を高めるため増々高
温になる傾向にあり、このような炉内温度の高温化に対
処するため、原子炉で使用する各種放射線計数管の耐熱
化の研究が世界各国で行なわれ、その結果、常用温度が
４５０℃を越える高温放射線計数が英国（Ｐ７Ａ型核分
裂計数管）やフランス（ＣＦＵ−１２型核分裂計数管な
ど）で開発されるに至った。

しかしこれらの従来のこの種の高温用放射線計数管では
計数管気体として純粋なアルゴンガスが使用されている
ので、例えば電極間間隔／７ｒｔｍ 、計数管気体封入
圧カフ気圧、印加電圧２００Ｖの場合出力パルス電流波
高は約０．７μＡ、電荷集成時間２５０〜３００ｎｓｅ
ｃであり、４５０℃以下の低・中温で使用するために設
計された同種の計数管に比べてパルス出力電流波高が大
略３分の１と小さく、また電荷集成時間も大略３倍長い
と云う作動性能上の欠点がある。

この理由は、文献（１）の第２１頁に述べられているよ
うに、従来の研究成果によれば、窒素や炭素ガス等の２
原子分子や多原子分子を混合したアルゴンガス即ち「早
い計数管気体」は、４００℃ないし４５０℃を越える高
温状態においては、高温と放射線による電離作用との相
乗効果によって混合された窒素や炭酸ガスが計数管の電
極金属を窒化したり、分解されて炭化あるいは浸炭を起
して短時間のうちに電極に吸収される等の現象のため、
計数管気体の性質すなわち気体中の電子ドリフト速度な
どが大幅に変動し、安定な作動が得られないと云うこと
が定説となっていたためである。

第４図ａは上記と大略同寸法の構造で電極及び容器を５
ＵＳ−３０４ステンレス鋼（クロム（Ｃｒ）：約１８％
、ニッケル（Ｎｉ）：約８％、残り主として鉄（Ｆｅ）
）で製作し内部に５％の窒素と９５％のアルゴンを混合
した計数管ガスを封入した核分裂計数管の高温照射試験
前の代表的な出力パルス波形である。

出力波高値は約２．２μＡ、電荷集収時間・は約１００
ｎ３ｅｃである。

第４図すは同計数管を６００℃の温度で約２０時間、合
計４．３Ｘ１０１７ｎ／−の中性子線量の照射試験を行
なった後の出力パルス波形である。

その振幅は大幅に低下し、純粋なアルゴンを用いた場合
に近いパルス波形になっていることがわかる。

この様に従来の知識では高温下で使用する計数管に「早
い計数管気体」を封入しても４５０℃を越える高温下で
は特性の劣化７５檄しく、安全性が得られないので当初
からアルゴンなど純粋な不活性ガスを封入し、出力パル
ス電流の振幅が小さいので我慢せざるを得ないと考えら
れていたわけである。

しかし、放射線計数管のパルス出力の太きさがし４とな
ると、パルス増幅器の信号対雑音比の関係でパルス整形
時定数ｉｎ倍にする必要があり、整形パルス幅がホ音に
広くなるためパルスパイルアップ確率の関係より計測で
きる最高計数率は１／ｉ１２に低下し、昔た中性子線計
測におけるｒ線やα線のように小振幅のバックグランド
放射線のパイルアラフ確率の増加により許容できるバッ
クグランド放射線の最大許容線量も河に下ってし壕う。

この様に放射線計数管のパルス出力電流の低下は、この
計数管を用いた計測系の計測範囲を大変狭くしまた計測
上障害となるバックグランド放射線許容値の大幅低下な
ど計測系全体の性能を極度に低下させてし１うので、高
温耐熱性であると同時に低・中温用計数管と同様にパル
ス出力電流が大きい高性能の高温放射線計数管を開発す
べく、各方面で研究が行なわれているところであるが成
功例がなかった。

本発明は、上記のように従来よりその出現が待望されて
いた高温耐熱性と大きなパルス出力電流特性を同時に有
する高性能な放射線計数管を得るための構成を示すもの
で、本発明によって、高い放射線レベルと６００℃の高
温の環境でも安定に作動し、かつ大きなパルス出力電流
及び短い電荷集収時間をもつ高性能放射線計数管が実現
された。

以下に本発明の詳細を述べる。

本発明の高温放射線計数管は、上記の目的を達成するた
めに、重量比において３０％を越え９０％以下の比率で
ニッケルを含有し、残りの成分としてクロム、鉄等を含
むニッケル合金で計数管電極を有するとともに、体積成
分比で２％を越え３０％未満の比率で窒素を混入した計
数管気体を用いることを特徴とする。

電極材料にニッケル含有率の高い合金を用いた理由は、
この様な合金は高温・高放射線のもとでも、合金表面の
窒化層の厚さが極めて薄く維持され、合金内部への窒化
層の生長がほとんどないため、計数管気体中の窒素成分
が窒化によって吸収され減少することを最小限にとどめ
得るためである。

このため、４５０℃ないし６００℃の高温で、かつ高い
放射線レベルの環境でも計数管気体中の窒素ガスは吸収
されることなく存在でき、計数管気体中の電子のドリフ
ト速度を高く保つことができるので、高温においても放
射線計数管のパルス出力電流が大きく、電荷集収時間の
短い優れた計数管特性を安定に維持することができる。

一方、放射線計数管の囲周温度或いは表面温度が５００
℃ないし６００℃程度であっても、高い線量率のγ線や
中性子線によって電極が加熱されて、電極温度が７００
℃を越すような場合がある。

この様な場合には既に述べたニッケル合金の電極を用い
、昔た電極表面に強固な窒化層が形成されていても窒化
層が電極内部へ徐々に成長してゆくことを完全にくい止
めることはできない。

また、更にこの様な高い放射線のもとでは計数管気体中
の窒素はどんどんイオン化され、かつ、電極間に印加さ
れた電界で加速されて活発に電極に衝突することを操返
す。

したがってこの様な場合、最初計数管気体中の窒素と平
衡状態にあった電極表面窒化層へも若干の窒素が吸収さ
れてゆくことになる。

この対策として、計数管気体の窒素混合比を、計数管の
性能上量も良いと云われている１％ないし２％にくらべ
てあらかじめ若干多く混入することにより高温作動寿命
を延し得る。

しかし過度の窒素の混入は当然のことながら電子ドリフ
ト速度を低下させ、計数管の使用初期の本発明は、先に
述べたように、高温の計数管に釦いて不活性ガス以外の
窒素を計数管気体に混入する点において、従来の常識と
はなはだしく異るため、高温・高放射線のもとて長期に
わたり真にその性能が維持できるかどうかを確かめる目
的で上記の如く本発明に基き製作した核分裂計数管を材
料試験用原子炉ＪＭＴＲの炉心内に装着し、加速照射寿
命試験を実施した。

照射寿命試験中の被試験核分裂計数管の表面温度は６０
０℃に制御した。

この場合中性子およびγ線加熱により計数管内部の電極
温度は約７００℃と計算されている。

また照射中は電極間に２００Ｖの電圧を継続的に印加し
、２６ｍＡの電流を常時流すことにより計数管気体中の
窒素ガスの電極への吸収が加速される状態とした。

照射寿命試験中に照射した中性子線は合計６５Ｘ １０
１８ｎ／ｆｆｌで同γ線は７．２Ｘ１０１０Ｒであった
。

第１図は照射寿命試験の結果を示すグラフの１例で、縦
軸に照射された核分裂計数管のパルス出力電流波高（最
頻値）、横軸に中性子照射量、γ線照射量が示されてお
り、照射量に対するパルス出力電流波高の変化がグラフ
で示されている。

この試験結果かられかるように、６００℃に督ける本発
明の核分裂計数管のパルス出力電流波高値は照射末期１
でほとんど変らなよった。

本実験で照射された中性子線量は、本計数管を原子炉起
動不用計数管として使用する場合、最大中性子束密度Ｉ
Ｘ １０８刺頒ｓｅｃ （パルス出力１．２Ｘ １０
７ｃ ｏｕｎｔ／ｓ ｅｃ ）で継続的に使用したと仮
定しても約２０００年分に相当する照射量であり、オた
直流電離箱や、２乗平均法を併用した広領域計測不用中
性子検出器として１×１０１°ｎ／１ｓｅｃの中性子束
密度の位置で継続的に使用した場合を仮定しても約２０
年分の照射量に相当するので、本発明に基いて製作した
核分裂計数管は高温照射寿命の点でも実用上充分である
と云える。

電極材料を変えてニッケル３２．５％、クロム２１％、
鉄その他４６．５％の合金で製作した場合、及びニッケ
ル６０％、クロム２３％、鉄その他１７（Ｘの合金で製
作した場合も同様な高温使用に対する安定性が得られた
。

しかし、一方電極にニッケル（純度９８％以上）を用い
た場合には高温下の使用でパルス振幅の不安定が認めら
れたが、これは電極材料組成の点で特許請求の範囲外で
ある。

以上の本発明の実施例とその試験結果が示すよよに、本
発明の有効性が実証され本発明によって、従来は中・低
温用の計数管のみが有していた高いパルス出力性能とと
もに、６００℃でも作動する高度な耐熱性の両者を備え
た極めて高性能の放射線計数管が得られることは明白と
なった。

本発明の高温用放射線計数管は、高温ガス炉、高速炉な
ど炉内が高温の原子炉において、核計装システムの性能
の向上、およびこれによる安全性の向上、並びに計数管
の設置場所が高温であっても、局部的な計数管冷却シス
テムを必要としないことによる経済性の大幅向上並びに
原子炉構造の単純化等、将来の原子炉計画に極めて有用
である。

参照文献（１） Ｄ 、Ｊ 、Ｍｏｂｂｓ”Ｎｅｕｔ
ｒｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ ｆｏｒＲｅａｃｔｏ
ｒ Ｃｏｎｔｒｏ ｌ” Ｊ 、Ｉ ｎｓｔ 、Ｎｕｃｌ 、Ｅｎｇ 、Ｖｏｌ
ｏｌ ８廓１ｐｐ 、１６−２５（１９７７）

【図面の簡単な説明】

第１図は放射線計数管の基本構造の１例を示す説明図で
ある。 第２図は同じく基本構造の例で陰極が容器と兼用されて
いる場合の説明図である。 第３図は同しく基本構造で陰極が容器と兼用され、細線
の陽極が用いられている例の説明図である。 第４図は従来のパルスカウンタの出力パルス電流波形の
高温照射試験時における特性劣化の例を示すグラフであ
る。 第５図は本発明の放射線計数管の１実施例としての核分
裂計数管の高温照射寿命試験結果の１例を示すもので、
計数管のパルス出力電流波高値に対する中性子およびγ
線照射の影響が示されている。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ アルゴンを主成分とし体積含有率で２％を越え３０
   ％未満の窒素を含む混合気体を計数管気体とする計数管
   であって、ニッケルの重量含有率が３０％を越え９０ｃ
   Ｘ以下であり、そのほか、クロム、鉄などを含有するニ
   ッケル合金により製作した計数管電極を有することを特
   徴とする放射線計数管。