JP2007183149A - 中性子検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】大強度中性子束を検出することを可能にし、また、大量の中性子が照射された場合において動作が不安点になることがないようにし、また、中性子束を直接測定することを可能にする。
【解決手段】中性子検出媒体として中性子シンチレータを用いた中性子検出器において、複数の孔を形成された枠体２２と、上記枠体２２に形成された上記孔２２ａ内に嵌合された中性子シンチレータ２４と、上記中性子シンチレータ２４からの出力信号が入力される光電面ピクセルを形成するマルチアノード光電子増倍管３０を有し、上記光電面ピクセルからの出力信号に基づいて中性子画像を得る光検出部とを有するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、中性子検出器に関し、さらに詳細には、中性子シンチレータを用いた中性子検出器に関する。

従来より、中性子を検出するための中性子検出器として、中性子検出媒体として中性子シンチレータを用いた中性子検出器が知られている。

こうした従来の中性子検出器においては、一般に、中性子検出媒体としてＬｉガラスシンチレータを用いていた。

ところで、Ｌｉガラスシンチレータは、他のシンチレータに比較して高速に応答するものであるが、大強度中性子束に対しては充分な応答速度とは言えないため、Ｌｉガラスシンチレータを用いた従来の中性子検出器によれば、大強度中性子束を検出することが困難であるという問題点があった。

また、Ｌｉガラスシンチレータを用いた従来の中性子検出器においては、大量の中性子が照射された場合に光センサーに流れる電流量が増大して動作が不安定となるという問題点があった。

さらに、上記した動作が不安定となるという問題点のため、Ｌｉガラスシンチレータを用いた従来の中性子検出器は、中性子束の直接測定に利用することはできないという問題点があった。

Ｋ．Ｍｉｚｕｋａｍｉ ｅｔ ａｌ．， Ｎｕｃｌ．Ｉｎｓｔｒ．Ｍｅｔｈ． Ａ５２９（２００４）３１０ 佐藤節夫， 波紋（日本中性子科学会誌） Ｖｏｌ．１５−１（２００５）７８

本発明は、上記したような従来の技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、大強度中性子束を検出することを可能にした中性子検出器を提供しようとするものである。

また、本発明の目的とするところは、大量の中性子が照射された場合において、動作が不安点になることがない中性子検出器を提供しようとするものである。

さらに、本発明の目的とするところは、中性子束を直接測定することを可能にした中性子検出器を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明は、高速応答する中性子シンチレータを用いて中性子検出器を構成するようにしたものである。例えば、従来のＬｉガラスシンチレータよりも２桁程度応答速度の早い中性子シンチレータと高感度の光センサーと組み合わせて中性子検出器を構成することにより、従来では不可能であった大強度の中性子束を直接測定できるようになる。

従来のＬｉガラスシンチレータよりも２桁程度応答速度の早い中性子シンチレータとしては、例えば、本願出願人等が特開２００３−１８３６３７号公報において開示した組成比がＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７である単結晶にＣｕを少量添加（例えば、Ｃｕは、Ｃｕ_２Ｏで０．００１〜０．１ｗｔ％含有されている。）した材料（Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７：Ｃｕ）よりなる中性子シンチレータ（以下、「Ｃｕ添加ＬＢＯ単結晶中性子シンチレータ」と適宜に称する。）を用いることができる。

このＣｕ添加ＬＢＯ単結晶中性子シンチレータは、従来のＬｉガラスシンチレータに対して２桁程度高速に応答し、また、発光量も小さいため、大強度中性子束の照射においても光センサーの電流飽和が避けられるなどの利点があり、光センサーと組み合わせることにより大強度中性子束の直接測定が可能となる。

即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、中性子検出媒体として中性子シンチレータを用いた中性子検出器において、複数の孔を形成された枠体と、上記枠体に形成された上記孔内に嵌合された中性子シンチレータと、上記中性子シンチレータからの出力信号が入力される光電面ピクセルを有し、上記光電面ピクセルからの出力信号に基づいて中性子画像を得る光検出部とを有するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記中性子シンチレータは、組成比がＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７である単結晶よりなるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記中性子シンチレータは、組成比がＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７である単結晶にＣｕを少量添加した材料よりなるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２または３のいずれか１項に記載の発明において、上記光検出部は、１個の上記光電面ピクセルに対して複数個の上記中性子シンチレータがそれぞれ配置され、上記複数個の上記中性子シンチレータからの出力信号が上記１個の上記光電面ピクセルに入力されたときに中性子画像を得るようにしたものである。

また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、本発明のうち請求項４に記載の中性子検出器において、上記複数の上記中性子シンチレータは、互いに隣り合う２個の中性子シンチレータであるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２または３のいずれか１項に記載の中性子検出器において、上記光検出部は、複数個の上記光電面ピクセルに対して１個の上記中性子シンチレータがそれぞれ配置され、上記１個の上記中性子シンチレータからの出力信号が上記複数個の上記光電面ピクセルに入力されたときに中性子画像を得るようにしたものである。

本発明によれば、大強度中性子束を検出することを可能にした中性子検出器を提供することができるという優れた効果が奏される。

また、本発明によれば、大量の中性子が照射された場合において、動作が不安点になることがない中性子検出器を提供することができるという優れた効果が奏される。

さらに、本発明によれば、中性子束を直接測定することを可能にした中性子検出器を提供することができるという優れた効果が奏される。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明による中性子検出器の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。

まず、図１には本発明による中性子検出器の第１の実施の形態の概念構成分解斜視説明図が示されている。

この本発明の第１の実施の形態による中性子検出器１０は、中性子シンチレータ部２０と、位置分解能を有する光検出部たるマルチピクセル型のマルチアノード光電子増倍管３０とを有して構成されており、中性子検出器１０がマルチアノード光電子増倍管３０に装着されて一体化されている。

ここで、中性子シンチレータ部２０は、例えば、平面形状が縦２ｍｍ×横２ｍｍの四角形状の孔２２ａを２次元マトリクス状に所定の方向に沿って１６個配置するとともに当該所定の方向と直交する方向に沿って１６個配置して、全部で２５６個の孔２２ａを備えた枠体２２を備えている。

なお、この孔２２ａの大きさは、マルチアノード光電子増倍管３０の光電面ピクセル３２（後述する。）の大きさに対応して適宜の大きさに設定すればよい。

また、この枠体２２の材料は限定されるものではないが、例えば、メチルメタアクリレートなどの樹脂材料を用いると、レーザー加工などによって孔２２ａを容易に形成することができる。

そして、枠体２２の全ての孔２２ａには、当該孔２２ａ内に緊密に嵌合する大きさを備えた四角柱体形状に形成された中性子シンチレータ２４が配設されている（なお、図１には、本発明の理解を容易にするために、一部の孔２２ａにのみ中性子シンチレータ２４が配設された状態が示されているが、中性子検出器１０を実際に使用する際には、全ての２２ａ内に中性子シンチレータ２４が配設されることになる。）。

なお、孔２２ａ内に緊密に嵌合する大きさを備えた四角柱体形状に形成された中性子シンチレータ２４は、板状に形成した中性子シンチレータを適宜に切断して形成すれば、容易に大量生産することができる。

ここで、中性子シンチレータ２４は、例えば、中性子捕獲時の発光時間が１〜２ナノ秒と非常に短時間であるものを用いることが好ましい。こうした中性子シンチレータ２４としては、上記において説明した本願出願人等が特開２００３−１８３６３７号公報において開示した組成比がＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７である単結晶にＣｕを少量添加した材料（Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７：Ｃｕ）よりなる中性子シンチレータ（Ｃｕ添加ＬＢＯ単結晶中性子シンチレータ）を用いることができる。

次に、図２には、マルチアノード光電子増倍管３０の一部のピクセルについての回路構成図が示されている。

即ち、このマルチアノード光電子増倍管３０は、中性子シンチレータ２４のそれぞれと１対１に対応して接着して配置される光電面ピクセル３２と、光電面ピクセル３２からの出力信号を増幅するアンプ回路３４と、アンプ回路３４からの出力信号をデジタル化するディスクリミネーター回路３６と、ディスクリミネーター回路３６を通過した信号を計数して中性子画像を得るための計数回路３８とを有して構成されている。

以上の構成において、中性子検出器１０では、中性子が中性子シンチレータ２４へ入射すると、中性子シンチレータ２４が蛍光を発することになり、この蛍光が光電面ピクセル３２に入射し、光電面ピクセル３２から信号が出力される。

光電面ピクセル３２からの出力信号はアンプ回路３４により増幅された後に、ディスクリミネーター回路３６に入力されてデジタル化される。

そして、計数回路３８により各ディスクリミネーター回路３６を通過した信号の数を数えることで、中性子画像を高速動作で得ることができる。

また、この中性子検出器１０においては、枠体２２により中性子シンチレータ２４の位置決めを行われるとともに、枠体２２により遮光の機能が果たされて、中性子検出の精度を向上することができる。

また、この中性子検出器１０は、中性子シンチレータ２４のそれぞれと光電面ピクセル３２のそれぞれとを１対１に対応させるように構成すればよいため、作製が極めて容易である。

次に、図３には、本発明による中性子検出器の第２の実施の形態として、図３ならびに図４を参照しながら、ノイズ除去能力を向上させた中性子検出器について説明する。

なお、以下の説明においては、図１ならびに図２を参照しながら説明した本発明の第１の実施の形態による中性子検出器１０と同一または相当する構成については、上記において用いた符号と同一の符号を用いて示すことにより、その構成ならびに作用の詳細な説明は適宜に省略することとする。

この本発明の中性子検出器の第２の実施の形態による中性子検出器１００は、中性子シンチレータ２４のそれぞれと光電面ピクセル３２のそれぞれとを１対１に対応させるのではなく、本発明の第１の実施の形態による中性子検出器１０において中性子シンチレータ２４のそれぞれと光電面ピクセル３２のそれぞれとを半分づつ配置位置をずらすようにして、隣接する一対の光電面ピクセル３２に対して１個の中性子シンチレータ２４が配置されるようにしたものである。

また、中性子シンチレータ２４ならびに光電面ピクセル３２を上記したように配置することに伴い、位置分解能を有する光検出部たるマルチピクセル型のマルチアノード光電子増倍管１３０は、ディスクリミネーター回路３６と計数回路３８との間に、隣接する一対のディスクリミネーター回路３６の出力信号がそれぞれ入力されるアンド回路１３２を設けるようにしている。

ここで、中性子シンチレータ２４として用いることのできるＣｕ添加ＬＢＯ単結晶中性子シンチレータは、高速応答することと、光量が小さいという特徴を備えている。

中性子検出器において、高計数率を実現するためには高速応答が必須であるが、光量が大きすぎる場合には高計数率下で光電面ピクセル３２からの出力信号が大きくなりすぎ、光電面ピクセル３２も含めた回路全体が不安定になる。

上記したＣｕ添加ＬＢＯ単結晶中性子シンチレータは、光量が小さいためにこのような不安定性を生じさせない一方で、信号そのものも小さくなるために、光電面ピクセル３２や他の電子回路が発生させる電気的ノイズに対して脆弱であるということが指摘されていた。

こうしたことから、マルチアノード光電子増倍管１３０においては、コインシデンス法を用いてＳ／Ｎ比の改善を図るため、上記において図３ならびに図４を参照しながら説明したように、中性子シンチレータ２４の位置と光電面ピクセル３２の位置とを半分だけずらし、ひとつの中性子シンチレータ２４の出力が隣接する２つの光電面ピクセル３２へ入力されるように配置している。

そして、マルチアノード光電子増倍管１３０は、ディスクリミネーター回路３６の後段に隣り合う光電面ピクセル３２のコインシデンス（同時計測）を見るアンド回路１３２が配設されている。

従って、隣り合う２つの光電面ピクセル３２から信号が出力された場合にのみ、計数回路においては中性子検出の計数が行われ、隣り合う２つの光電面ピクセル３２の一方にのみから信号が出力された場合には、単なるノイズであると判断されて中性子検出の計数は行われない。

なお、上記した実施の形態は、以下の（１）〜（７）に示すように変形することができるものである。

（１）上記した実施の形態においては、中性子シンチレータ２４としてＣｕ添加ＬＢＯ単結晶中性子シンチレータを用いたが、中性子シンチレータ２４として用いることのできる中性子シンチレータはこれに限られるものではないことは勿論であり、高速応答性を備えるものであるならば他の材料により構成されたものでもよく、例えば、Ｃｕなどを添加していない組成比がＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７である単結晶よりなるものを用いることができる。

（２）上記した実施の形態においては、中性子シンチレータ２４の位置と光電面ピクセル３２の位置とを半分だけずらし、ひとつの中性子シンチレータ２４の出力が隣接する２つの光電面ピクセル３２へ入力されるように配置したが、これに限られるものではないことは勿論である。即ち、田の字形状に４個配置された光電面ピクセル３２の中央にのみ中性子シンチレータ２４が配置されるようにして、ひとつの中性子シンチレータ２４の出力が田の字形状に配置された隣接する４つの光電面ピクセル３２へ入力されるようにするなどのように、ひとつの中性子シンチレータ２４の出力が複数の光電面ピクセル３２へ入力されるようにしてもよい。

また、上記の中性子シンチレータ２４の位置と光電面ピクセル３２との配置関係は、それぞれ逆になるようにしてもよい。例えば、隣接する２個の中性子シンチレータ２４に対して１個の光電面ピクセル３２を配置するようにしてもよい。

（３）上記した実施の形態においては、中性子シンチレータ２４ならびに光電面ピクセル３２の平面形状を四角形状としたが、これに限られるものではないことは勿論であり、丸形形状などでもよい。

（４）上記した実施の形態においては、枠体２２に２５６個の孔２２ａを形成するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、孔２２ａの個数は設計に応じて適宜に設定すればよい。

（５）上記した実施の形態においては、平面形状が四角形状の孔２２ａの大きさを縦２ｍｍ×横２ｍｍとしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、孔２２ａの寸法は設計に応じて適宜に設定すればよい。

（６）上記した実施の形態においては、枠体２２は樹脂材料などに形成される場合について説明したが、枠体２２の材料はこれに限られるものではなく、金属の表面に樹脂コーティングした材料などを適宜に用いることができる。また、枠体２２の形態も、自立可能な剛体に限られるものではなく、自立しない、例えば、フィルム状の形態でもよい。

（７）上記した実施の形態ならびに上記した（１）〜（６）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。

本発明は、大強度の中性子束の直接測定が可能であるため、世界各地の中性子実験施設において主にビームモニターとして利用することができ、また、中性子ラジオグラフィーとしても利用することができる。

なお、中性子束の直接測定は、現在国家プロジェクトとして進められているＪ−ＰＡＲＣ中性子実験施設や、今後進展が期待できる小型加速器を用いた中性子実験施設において必要となる測定手法の一つであるが、本発明によれば、こうした直接測定が可能となる。

図１は、本発明による中性子検出器の第１の実施の形態の概念構成分解斜視説明図である。 図２は、本発明による中性子検出器の第１の実施の形態におけるマルチアノード光電子増倍管の一部のピクセルについての回路構成図である。 図３は、本発明による中性子検出器の第２の実施の形態の一部平面説明図である。 図４は、本発明による中性子検出器の第２の実施の形態におけるマルチアノード光電子増倍管の一部のピクセルについての回路構成図である。

符号の説明

１０ 中性子検出器
２０ 中性子シンチレータ部
２２ 枠体
２２ａ 孔
２４ 中性子シンチレータ
３０ マルチアノード光電子増倍管
３２ 光電面ピクセル
３４ アンプ回路
３６ ディスクリミネーター回路
３８ 計数回路
１００ 中性子検出器
１３０ マルチアノード光電子増倍管
１３２ アンド回路

Claims (6)

1. 中性子検出媒体として中性子シンチレータを用いた中性子検出器において、
   複数の孔を形成された枠体と、
   前記枠体に形成された前記孔内に嵌合された中性子シンチレータと、
   前記中性子シンチレータからの出力信号が入力される光電面ピクセルを有し、前記光電面ピクセルからの出力信号に基づいて中性子画像を得る光検出部と
   を有することを特徴とする中性子検出器。
2. 請求項１に記載の中性子検出器において、
   前記中性子シンチレータは、組成比がＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７である単結晶よりなる
   ことを特徴とする中性子検出器。
3. 請求項１に記載の中性子検出器において、
   前記中性子シンチレータは、組成比がＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７である単結晶にＣｕを少量添加した材料よりなる
   ことを特徴とする中性子検出器。
4. 請求項１、２または３のいずれか１項に記載の中性子検出器において、
   前記光検出部は、１個の前記光電面ピクセルに対して複数個の前記中性子シンチレータがそれぞれ配置され、前記複数個の前記中性子シンチレータからの出力信号が前記１個の前記光電面ピクセルに入力されたときに中性子画像を得る
   ことを特徴とする中性子検出器。
5. 請求項４に記載の中性子検出器において、
   前記複数の前記中性子シンチレータは、互いに隣り合う２個の中性子シンチレータである
   ことを特徴とする中性子検出器。
6. 請求項１、２または３のいずれか１項に記載の中性子検出器において、
   前記光検出部は、複数個の前記光電面ピクセルに対して１個の前記中性子シンチレータがそれぞれ配置され、前記１個の前記中性子シンチレータからの出力信号が前記複数個の前記光電面ピクセルに入力されたときに中性子画像を得る
   ことを特徴とする中性子検出器。

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