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論文

Development of radiation resistant monitoring camera system

武内 伴照; 大塚 紀彰; 渡辺 恭志*; 田中 茂雄*; 小沢 治*; 駒野目 裕久*; 上野 俊二*; 土谷 邦彦

Proceedings of 2017 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC 2017) (Internet), 3 Pages, 2018/11

福島第一原子力発電所事故の教訓から、過酷事故時の環境でも原子炉建屋内の監視が可能な耐放射線性カメラシステムの開発を開始した。本研究は、カメラを構成する部品の要素技術開発を行い、カメラシステムの試作・性能を評価した。まず、要素技術開発として放射線環境下において100Gy未満で使用不能となるイメージセンサの劣化主因が暗電流増加であることを明らかにし、トランジスタの数を4つから3つに減らすとともに光電変換構造としてフォトゲート型を採用することで暗電流の軽減を図った。その結果、イメージセンサの耐放射線性は200kGy以上にまで向上した。また、光学系については、石英とフッ化カルシウムを用いた耐放射線プリズムとズームレンズにすることにより、1MGy照射後においても十分な性能を有することを示した。一方、その他の電子部品については、100kGy未満で故障するものもあり、一部に遮蔽構造を採用した。これらの結果を踏まえ、開発したカメラシステムが900kGy以上の照射線量でも良好な画像を取得できることを明らかにした。

報告書

光学部品のガンマ線照射劣化挙動(受託研究)

武内 伴照; 柴田 裕司; 花川 裕規; 上原 聡明*; 上野 俊二*; 土谷 邦彦; 熊原 肇*; 柴垣 太郎*; 駒野目 裕久*

JAEA-Technology 2017-026, 26 Pages, 2018/02

JAEA-Technology-2017-026.pdf:4.0MB

原子力施設でシビアアクシデントが発生した際に、プラント状態を監視し、緊急時対応を円滑に実施するためには、信頼性の高い伝送技術が必要である。本研究では、水中で伝送可能な可視光無線伝送システムの構築を目指して、LEDやフォトダイオード等の光学部品に対して10$$^{6}$$Gyまでのガンマ線の照射による影響を調べた。その結果、LEDは全光束が減少するとともに樹脂レンズ部が着色した。フォトダイオードの電流-電圧特性にはほとんど変化は無かった。フォトダイオードは、受光感度が減少するとともに窓材の樹脂が着色したが、暗電流は伝送に悪影響を与えるほどの大きさにはならなかった。これらの結果から、両素子を無線伝送システムに適用する場合に考慮すべき特性劣化の主因は、半導体部分の劣化ではなく、樹脂の着色によって発光及び受光量が減少することによるものであることが示唆された。また、発光・受光回路部を環境から隔離するための窓材や、外乱ノイズ光を軽減するための光学フィルタとして、各種ガラスについてもガンマ線照射による透過率の減少を評価し、伝送システムの構築に向けた基礎データを取得した。

論文

耐放射線性を有する水中無線伝送システムの開発

武内 伴照; 大塚 紀彰; 柴垣 太郎*; 駒野目 裕久*; 上野 俊二*; 土谷 邦彦

日本保全学会第13回学術講演会要旨集, p.379 - 386, 2016/07

東京電力福島第一原子力発電所事故の経験や教訓を踏まえ、過酷事故時においても水中における信号伝送が可能な無線システムの高度化に向けた基盤技術開発に取り組んだ。使用する送受信方式の選定や構成部品の耐放射線性評価を終え、要素的な技術開発を完了した。さらに、これらの要素技術を踏まえた送受信系を試作して水中環境を模擬した伝送試験を実施した。その結果、気泡や浮遊物等が存在する水中環境においても環境ロバスト性を有しており、水中5m間の可視光による無線伝送が十分に可能であることが示され、システム開発に目途を付けた。今後は、水中伝送性能のさらなる安定性向上や、放射線環境下におけるセンサ計測データ処理を確証し、システムの技術的な完成を目指す。

論文

耐放射線性カメラ用撮像素子の$$gamma$$線照射効果

武内 伴照; 大塚 紀彰; 土谷 邦彦; 田中 茂雄*; 小沢 治*; 駒野目 裕久*; 渡辺 恭志*; 上野 俊二*

日本保全学会第13回学術講演会要旨集, p.391 - 394, 2016/07

東京電力福島第一原子力発電所事故の経験や教訓を踏まえ、プラント状態の情報把握能力の向上のため、耐放射線性カメラの開発に取り組んだ。放射線環境下におけるカメラ画像劣化の主因である撮像素子内の暗電流を抑制するため、撮像素子のトランジスタ及び光電変換部について3Tr型でフィールドプレートを有する素子(3TPD)、同型でフォトゲートを有する素子(3TPG)及び4Tr型でフォトゲートを有する素子(4TPG)を設計・試作し、$$gamma$$線照射中の暗電流と照射後の光電変換感度を測定した。その結果、3TPG型が最も耐放射線性が高く、200kGy照射後も十分なダイナミックレンジが維持された。

論文

Development of radiation resistant camera system

武内 伴照; 大塚 紀彰; 渡辺 恭志*; 上柳 智裕*; 駒野目 裕久*; 上野 俊二*; 土谷 邦彦

Proceedings of Decommissioning and Remote Systems 2016 (D&RS 2016) (CD-ROM), p.263 - 264, 2016/07

福島第一原子力発電所事故の教訓から、耐放射線性を有する監視カメラシステムの開発を開始した。本研究では、耐放射線性向上のために、イメージセンサの開発及び$$gamma$$線照射特性を調べた。イメージセンサの構造として、3トランジスタかつフィールドプレート(3TPD)及びフォトゲート(3TPG)型と、4トランジスタかつフォトゲート(4TPG)型の3種類を設計・試作した。これらのセンサをコバルト60照射施設で室温において約1kGy/hで70kGyまで照射した。この結果、照射後画像の劣化要因である暗電流は、50kGy以上では4TPGが最も大きく、3TPG型が最も小さかった。その結果、4TPGでは暗電流の急増によって感度がほとんど消失した。一方、3トランジスタ型では、50kGy以上でも使用可能な感度を有しているとともに、3TPD型よりも3TPG型の感度が高かった。以上から、3種のイメージセンサのうち、3TPG型が暗電流及び感度特性において$$gamma$$線照射による劣化が最も抑制できる可能性が示された。

論文

Degradation behavior of LED and photo diode by $$gamma$$ irradiation

武内 伴照; 花川 裕規; 柴田 裕司; 上原 聡明; 上野 俊二; 熊原 肇*; 土谷 邦彦

JAEA-Review 2014-050, JAEA Takasaki Annual Report 2013, P. 33, 2015/03

水中でも伝送可能かつ耐放射線性をもつ可視光無線伝送システムの構築を目指して、LEDとフォトダイオード(PD)の$$gamma$$線照射効果の評価を行った。照射劣化を評価するため、照射前後で、LEDの電流電圧特性や全光束及びPDの暗電流や受光感度を測定した。その結果、照射後に、LEDは全光束が減少するとともに樹脂レンズ部が着色したが、電流電圧特性はほとんど変化は無かった。PDは、受光感度が減少するとともに窓材の樹脂が着色したが、暗電流は高々10nA以下と低い値のままであった。これらの結果から、両素子の特性劣化の主因は半導体部分の劣化ではなく、樹脂の着色によるものであることが示唆された。

論文

Research and development of high-performance instruments for safety measure for LWRs

武内 伴照; 上野 俊二; 駒野目 裕久*; 大塚 紀彰; 柴田 裕司; 木村 伸明; 松井 義典; 土谷 邦彦; 荒木 政則

Proceedings of 6th International Symposium on Material Testing Reactors (ISMTR-6) (Internet), 7 Pages, 2013/10

福島第一原子力発電所事故における全交流電源喪失状態下では、既存の炉内計装システムは十分には機能せず、結果的に過酷事故の進展を防げなかった。また、IAEA閣僚会合に向けて平成23年6月に取りまとめられた日本国政府報告書において、教訓14として「原子炉及び格納容器などの計装系の強化」が挙げられている。こうした背景を踏まえ、原子力施設でシビアアクシデントが発生した際に、プラント状態を監視するため、平成24年度より、上記2つの対策にかかる研究開発を開始した。本研究開発の課題としては、過酷環境下でも高解像度で監視できる耐放射線性カメラ、撮影した映像を伝送するシステム、計測線等の基盤技術の構築である。これらの開発目標および開発状況や特性試験の概要について述べる。

口頭

水中無線伝送システムのための発光・受光素子の$$gamma$$線劣化特性

柴田 裕司; 花川 裕規; 武内 伴照; 上野 俊二; 上原 聡明; 土谷 邦彦; 荒木 政則; 柴垣 太郎*; 駒野目 裕久*

no journal, , 

過酷事故時の安全対策高度化のひとつとして、過酷環境下でも対応可能な情報伝送システムの確立が求められている。本研究では、水中かつ高放射線環境下における無線伝送システムの構築を目指して、可視光を用いた光通信に着目し、発信及び受信素子の候補として、それぞれ発光波長の異なる発光ダイオード(LED)3種類及び窓材の異なるフォトダイオード(PD)3種類を選定し、10$$^{6}$$Gyまでの$$gamma$$線照射前後における特性を調べた。その結果、LEDは照射によりレンズ(エポキシ系樹脂)が赤茶色に着色されるとともに、全光束は発光波長の短いLEDほど大きく減少した。また、照射前後における電流-電圧特性はほとんど変化しなかった。一方、PDは、窓材に着色のみられたものは受光感度が減少し、短波長領域でより顕著であった。また、暗電流は照射前後でほとんど変化しなかった。以上のことから、本線量の範囲では、全光束や受光感度が減少した主因は、$$gamma$$線照射による半導体の劣化ではなく、レンズや窓材で使用している樹脂の着色であることが示唆された。

口頭

軽水炉安全対策のための高性能監視システムの開発,3 環境ロバストな水中無線伝送システム設計

武内 伴照; 柴田 裕司; 上野 俊二; 上原 聡明; 土谷 邦彦; 柴垣 太郎*; 駒野目 裕久*

no journal, , 

東京電力福島第一原子力発電所事故への教訓として、原子力施設で過酷事故が発生した際に、プラント状態を監視し、状況把握能力の向上を図るための水中環境でも使用可能な無線伝送システムが望まれている。これまで、水中伝送方式として可視光を選定し、発光・受光素子(LED及びフォトダイオード)の耐放射線性を明らかにしてきた。本研究では、過酷事故時に想定されるガレキ及び懸濁や気泡のある水中環境においても、高い信頼性を持つ環境ロバストな可視光無線伝送システム設計を行った。この結果、発信器をLED2次元アレイ、受信器をカメラ(イメージセンサ)とするシステム構成を採用することにより、発信時にパターン信号と明滅信号を重畳することで、水中環境が変化しても伝送が可能である見通しを得た。

口頭

軽水炉安全対策のための高性能監視システムの開発,2; 耐放射線性カメラ用撮像素子の$$gamma$$線照射効果

武内 伴照; 上野 俊二; 柴田 裕司; 土谷 邦彦; 上柳 智裕*; 駒野目 裕久*; 渡辺 恭志*

no journal, , 

東京電力福島第一原子力発電所事故への教訓として、原子力施設で過酷事故が発生した際のプラント状態を監視し、状況把握能力の向上を図るための耐放射線性を有する監視カメラの開発が必要である。これまで、ハイビジョン型カメラでは、$$gamma$$線照射により画像にノイズが発生し、被写体が写らない現象が発生したが、これは撮像素子内の暗電流増加が原因と考えられている。本研究は、カメラ用撮像素子の画素構造を変更した種々の評価用素子を試作し、$$gamma$$線環境下における暗電流の影響を調べた。この結果、暗電流の増加は撮像素子内フォトダイオード表面及び周辺部の界面準位の増大によるものであることが分かった。これにより、3トランジスタ/フィールドプレート型の画素構造とすることで暗電流が抑制され積算線量100kGyまで画像が得られる見通しを得た。

口頭

軽水炉安全対策のための高性能監視システムの開発,1; 高性能監視システム高度化開発の現状

土谷 邦彦; 武内 伴照; 上野 俊二; 荒木 政則; 駒野目 裕久*

no journal, , 

東京電力福島第一原子力発電所事故の経験や、事故から得られた教訓を踏まえ、早急にシビアアクシデント対策を拡充して、更なる安全対策の高度化を適切に進めていくことが必要不可欠である。このため、平成24年度から発電用原子炉等安全対策高度化技術基盤整備事業として、平成24年度から特殊環境下で使用可能な監視システム高度化に係る研究開発を行っている。本発表は、原子力施設でシビアアクシデントが発生した際に、プラント状態を監視し状況把握能力の向上を図るため、低照度条件でも高解像度での撮影が可能な耐放射線性の高いカメラ、水中でも確実に信号を伝送できる無線システム及び過酷環境下における伝送技術等の高度化に向けた技術基盤の整備に向けた課題及び研究開発の現状について報告する。

口頭

耐放射線性カメラ用撮像素子の$$gamma$$線照射効果

武内 伴照; 大塚 紀彰; 上柳 智裕*; 渡辺 恭志*; 駒野目 裕久*; 上野 俊二*; 土谷 邦彦

no journal, , 

原子力発電所における監視システムの高度化の一環として、過酷事故が発生した際にも監視機能を失わない耐放射線性カメラの開発を行っている。既存カメラに対する$$gamma$$線照射試験結果から、照射による画像劣化の主因は撮像素子内の暗電流増加であることが明らかとなった。本研究では、暗電流を抑制するため、撮像素子のトランジスタ及び光電変換部について、3トランジスタ型(3T型)でフィールドプレートを有する素子(3TPD)、同型でフォトゲートを有する素子(3TPG)及び4トランジスタ型(4T型)でフォトゲートを有する素子(4TPG)を試作し、$$gamma$$線照射施設で70kGyまで照射して暗電流と光電変換感度を測定した。その結果、照射前はトランジスタ構造の多い4T型が有利であるものの、照射下では、トランジスタ構造の少ない3T型のほうが、照射による暗電流の発生個所が少ないことから有利であり、厚い酸化膜を持つフィールドプレート型よりも、酸化膜の薄いフォトゲート型のほうが、照射による界面準位増大を抑制でき、暗電流を軽減できることが分かった。以上から、最も耐放性の高い3TPGでは、70kGy照射後も十分な性能が維持されることを明らかにした。

口頭

耐放射線性カメラ用撮像素子の照射劣化挙動

武内 伴照; 田中 茂雄*; 渡辺 恭志*; 大塚 紀彰; 小沢 治*; 駒野目 裕久*; 上野 俊二*; 土谷 邦彦

no journal, , 

過酷事故時にも使用可能な耐放射線性カメラの開発の一環として、本研究では、撮像素子のフォトゲート駆動電圧が画質に与える影響を調べた。対象材は、3トランジスタ型で光電変換部にフォトゲート(PG)と呼ばれる電極を有する撮像素子を用いた。まず、照射前にPGの駆動電圧を0$$sim$$-1.6Vの範囲で変化させ、コントラストが最も明瞭な最良の画質が得られる電圧を-1.6Vと決定した。次に、約1kGy/hの$$gamma$$線照射環境下でテストチャートを撮影したところ、-1.6Vでは、11階調の白黒テストバーのうち、白側の4階調分はコントラストが失われた。このため、0$$sim$$-0.8Vの範囲でPG駆動電圧による画質を取得したところ、コントラストが復帰するとともに、-0.2Vで最良の画質が得られることが分かった。以上より、最良の画質が得られる撮像素子PG駆動電圧は、放射線環境下と未照射環境では異なることが分かった。したがって、一般的には固定であるPG電圧を調節可能なカメラとすれば、放射線環境下における画質劣化を軽減しうることが示唆された。

口頭

耐放射線性カメラの実用化に向けた取り組み

田中 茂雄*; 小沢 治*; 渡辺 恭志*; 武内 伴照; 大塚 紀彰; 上野 俊二*; 駒野目 裕久*; 土谷 邦彦

no journal, , 

原子力発電所における監視システムの高度化の一環として、過酷事故時にも使用可能な耐放射線性カメラの開発に着手した。本研究は、耐放射線性を有しつつもカラーかつ高解像度なカメラを実現するため、対象とする型式を3CMOSカラーハイビジョンカメラとし、構成する部品の要素技術開発を行い、カメラシステムの試作・性能を評価した。まず、レンズとプリズムには、試作品の$$gamma$$線照射試験結果から、積算線量1MGy以上でも可視光領域における分光特性を保持することを確認した。また、信号処理/信号出力部を構成する部品は、一部について$$gamma$$線遮蔽構造を採用することにより1MGy以上でも使用が可能な見通しを得た。次に、耐放射線性の向上を狙ったCMOS撮像素子の設計のため、光電変換部の構造及び電極の形状を検討・試作し、$$gamma$$線照射前後及び照射中の特性試験を実施した。その結果、3トランジスタ型かつフォトゲートを有する撮像素子(3TPG)が、放射線による暗電流増加を軽減できることから、$$gamma$$線の積算線量240kGyで十分なダイナミックレンジを維持できることが分かった。

特許

光無線通信装置、光無線通信方法および光無線通信システム

武内 伴照; 柴田 裕司; 上野 俊二

柴垣 太郎*; 野沢 省吾*

特願 2014-195743  公開特許公報  特許公報

【課題】光無線通信において、通信状態が変化した場合においても、受信側から送信側への情報伝送速度の変更指示を要さずに、安定したデータの通信を可能にする。 【解決手段】送信側には、情報を2次元コードに対応した光パターンで表示可能な表示手段と、送信情報を光パターンで表示させるための2次元符号化データに変換する手段と、送信情報を時系列データに変換する手段と、光パターンが時系列データに基づいて強度変調されるように、2次元符号化データと時系列データとを重畳する手段と、そのデータに基づいて前記表示手段を駆動する手段と、を有する送信装置100を設ける。受信側には、表示手段を撮影するカメラ210と、カメラが撮影した映像から光パターンを読取って送信情報を復元する手段と、光パターンの強度変調状態から送信情報を復元する手段と、を有する受信装置200を設ける。

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