JPH04290985A - 中性子検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】〔発明の目的〕

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は中性子検出器に係り、特
に熱中性子の検出感度が高く、中性子ラジオグラフィ等
において高速応答でリアルタイムに透過画像を撮影する
ことを可能とし、また構造を簡素化できる中性子検出器
に関する。

【０００３】

【従来の技術】中性子ラジオグラフィは、被検体を透過
して減衰した熱中性子線の強度分布を検出することによ
り、被検体の構造的または組成的情報を二次元画像とし
て得る方法であり、従来のＸ線やγ線での検査が困難な
水素含有化合物や金属と軽元素物質とから成る複合材料
の検査に有効であり、プラント機器、航空機や自動車部
品等の広い分野において有効な検査法として利用されて
いる。

【０００４】従来、上記のような二次元画像は、透過し
た中性子線を可視光等に変換する中性子コンバータと、
可視光の強度に応じて感光する写真フィルムとによって
形成されていた。すなわち中性子吸収断面積が大で中性
子と原子核反応を起こし易い元素を含有する材料単独も
しくはそれらと蛍光体との混合材料から成る中性子コン
バータと、写真フィルムとを組み合せる写真フィルム法
が一般的に利用されていた。

【０００５】この場合において中性子コンバータを構成
する材料としては、例えば特開昭６２−２７７５８７号
公報に開示されているように、中性子吸収断面積が最も
大きいＧｄ金属箔やＧｄ酸化物微粒子とＺｎＳ：Ａｇ蛍
光体との混合物や、　６ＬｉＦとＺｎＳ：Ａｇ蛍光体と
の混合物あるいはＧｄ２　Ｏ２　Ｓ：Ｔｂ蛍光体などが
使用されている。

【０００６】また環境測定用の中性子検出器では　６Ｌ
ｉガラスシンチレータやＬｉＩ：Ｅｕシンチレータまた
は、ホウ素やカドミウムを充填した液体シンチレータな
どの発光物質と光電子増倍管などの光検出手段とを組み
合せたものが一般に使用されている。

【０００７】またラジオグラフィが最も多く応用されて
いる医療用画像診断分野においては、従来レントゲン写
真が主流として使用されてきたが、近年になって、より
高解像度の画像が得られるＸ線イメージングプレートの
ようなＸ線デジタルラジオグラフィが注目されている。

【０００８】さらに工業製品の非破壊試験の分野で活用
される中性子ラジオグラフィは、前記と同様に写真フィ
ルム法が未だ主流である。しかしながら画像データをデ
ジタル化した方がデータ処理、伝送、保存などの取扱い
が容易となるため、中性子ラジオグラフィにおいても、
Ｘ線デジタルラジオグラフィと同様にデジタル化が強く
要求されており、画像信号をデジタル方式で取り込むこ
とが可能な中性子検出器が求められている。

【０００９】また空港における危険物検出装置や例えば
セラミックス製品の射出成形状況を監視する材料製造過
程監視装置などのように、中性子ラジオグラフィを利用
した装置においてはリアルタイム（同時）観察ができる
ことが当然要求される。この場合、装置に内蔵される中
性子検出器には、高感度性および高速応答性を備えるこ
とが必須となる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ように写真フィルムを使用する方式である限りは、写真
フィルムの現像プロセスにある程度の時間がかかるため
、リアルタイム観察は事実上不可能である。

【００１１】上記問題を解決し、リアルタイム観察をシ
ステム的に実現する目的で、例えば特開昭６２−２７７
５８７号公報や“検査機器ニュース”第７０４号にて開
示されているように、暗箱を設け撮像管によって写真フ
ィルムの蛍光板部分を撮影する方法も採用されている。 しかし、この方法によると装置容量が極めて大きくなり
、また撮像管の配置によっては図形歪みが表われ、画像
精度が低くなる欠点があった。

【００１２】一方、従来の環境測定用の中性子検出器に
おいては、前記のようにＬｉＩ：Ｅｕシンチレータと光
電子増倍管とを組み合せたものが広く知られている。し
かしながらこの中性子検出器を中性子ラジオグラフィに
応用するためには、多数の光電子増倍管を装備すること
が必要であり、結果的に装置が大型化し、製造コストも
急騰してしまう問題点がある。

【００１３】一方、環境の放射線測定や中性子回折実験
においては、放出される熱中性子の二次元分布を測定で
きる機能が要求される場合が多い。しかしながら、従来
の熱中性子検出器では、その空間分解能が低く、例えば
シンチレータと位置検出型光電子増倍管とを組み合せた
検出器でも、その空間分解能は３ｍｍ程度と低く、より
鮮明な画像を得るために、より高い分解能を備えた検出
器が求められている。

【００１４】また検出器に限らず、その構成要素が安定
しており、かつ構造が簡単である方が機器の製造コスト
も安価になる。しかるに従来の中性子検出器においては
、コンバータ部分が不安定であったり、成形が困難であ
る場合が多く、検出器の構造が複雑化する欠点がある。 例えば、前記のようなＬｉＩ：Ｅｕシンチレータは吸湿
性が強いため、シンチレータ外表面をプラスチック等で
気密に被覆する必要がある。またシンチレータが液状物
質で構成されている場合には、容器内に収容する必要が
あるため、構造が複雑になり、小型化が困難である等、
中性子検出器の構成部品として使用するに際しては解決
すべき課題が多い。

【００１５】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたものであり、従来の中性子検出器と比較して熱中
性子の検出感度が高く高速応答でリアルタイム撮影に好
適であり、構造が簡単な中性子検出器を提供することを
目的とする。 〔発明の構成〕

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成するため、シンチレータを構成する材料を種々変
えて、その感度等の特性を測定するとともに、シンチレ
ータ光を検出する検出素子との組合せを変えて、全体構
造の簡素化を図り、本発明に係る中性子検出器を完成し
た。

【００１７】すなわち本発明に係る中性子検出器は、入
射する中性子線の強度に応じてシンチレーション光を出
射するシンチレータと、このシンチレータからの出射光
を電気信号に変換する半導体光検出素子とを一体に組み
合せて成り、上記シンチレータが、中性子吸収元素とし
てのＧｄと、付活剤としてＰｒ，ＴｂおよびＥｕから選
択される少なくとも１種の元素とを含有する焼結体から
構成されることを特徴とする。

【００１８】

【作用】シンチレータの前面から入射した熱中性子は、
中性子吸収断面積が大きなＧｄを含有したシンチレータ
に効率よく吸収され、エネルギに変換される。そして、
これらの吸収エネルギによって付活剤であるＴｂ，Ｐｒ
，Ｅｕがシンチレータ光を発し、このシンチレータ光が
半導体光検出素子に吸収され、入射した中性子線の強度
に応じた電気信号に変換され出力される。

【００１９】上記構成に係る中性子検出器によれば、中
性子吸収特性が優れたＧｄと付活剤として発光特性に優
れたＰｒ，ＴｂおよびＥｕから選択される少なくとも１
種の元素とを含有する焼結体で形成したシンチレータを
使用しており、また検出感度が高く構造が簡素な半導体
光検出素子とを一体に組み合せて構成しているため、検
出器全体として構造が簡素であり、感度特性に優れた中
性子検出器を得ることができる。

【００２０】

【実施例】次に本発明の一実施例について添付図面を参
照して説明する。図１は本発明に係る中性子検出器の一
実施例を示す斜視図である。

【００２１】すなわち本実施例に係る中性子検出器は、
入射する中性子線の強度に応じてシンチレーション光を
出射するシンチレータ１と、このシンチレータ１からの
出射光を電気信号に変換する半導体光検出素子２とを一
体に組み合せて成り、上記シンチレータ１が、中性子吸
収元素としてのＧｄと、付活剤としてＰｒ，Ｔｂおよび
Ｅｕから選択される少なくとも１種の元素とを含有する
焼結体から構成される。

【００２２】上記中性子検出器に使用されるシンチレー
タ１は、例えば図２に示すように短冊状に形成された複
数のシンチレータ要素１ａをセパレータ板３を介して順
次接着して形成した多チャンネル型シンチレータで構成
される。上記セパレータ板３は隣接するシンチレータ要
素１ａ，１ａ間におけるγ線（Ｇｄ（ｎ．γ）反応によ
る反跳γ線）のクロストークを防止するために設けられ
るものであり、γ線吸収率の大きい重金属、例えば鉛や
タングステンの薄板にて形成される。また各セパレータ
板３の両面には、各シンチレータ要素１ａで発生したシ
ンチレータ光を効率よく反射させるための反射剤が塗布
されている。

【００２３】また上記各シンチレータ要素１ａは、例え
ば組成式が（Ｇｄ１−ｘ　Ｍｘ　）２　Ｏ２　Ｓまたは
（Ｇｄ１−ｘ　Ｍｘ　）２　Ｏ３　（但し、ＭはＰｒ，
ＴｂおよびＥｕから選択される少なくとも１種の元素で
あり、ｘは原子比で０．０００１≦ｘ≦０．１を満足す
る値である。）で表わされる焼結体から構成するとよい
。Ｇｄは中性子吸収断面積が大きく、中性子線を高い効
率でシンチレータ要素１ａ内に吸収する。またＰｒ，Ｔ
ｂ，Ｅｕはいずれも吸収した中性子線エネルギに対応し
て効率よく、シンチレータ光を出射する付活剤として作
用する。

【００２４】また上記シンチレータの組成において、Ｇ
ｄに対するＰｒ，Ｔｂ，Ｅｕの含有量ｘは、原子比で０
．０００１〜０．１の範囲に設定することが必要である
。すなわちＭ元素（Ｐｒ，Ｔｂ，Ｅｕ）の含有量が原子
比で０．０００１未満であると、発光感度が低下する。 一方、これらの付活剤Ｍの濃度が高くなるほど発光強度
は大きくなるが、その含有量ｘが０．１を超えると濃度
消光によって同様に発光強度が低下してしまう。したが
ってＭ元素の含有量ｘは上記の範囲に設定される。 特にＭ元素がＰｒの場合は、その含有量は０．０００１
〜０．０２の範囲が望ましく、またＴｂ，Ｅｕの場合に
は０．００１〜０．１の範囲が好適である。

【００２５】また、上記シンチレータ１の厚さｔは、１
〜３ｍｍの範囲に設定するとよい。シンチレータ１の厚
さｔが１ｍｍ未満であると、シンチレータ１内において
、γ線および内部転換電子を充分に吸収することが困難
となる。一方、厚さｔが３ｍｍを超えるとシンチレータ
１の透光性が悪化し、シンチレータ光の取出し効率が低
下し、結果的に後述する半導体光検出素子からの電気出
力が低下し、中性子の検出感度が低下してしまう。その
ため厚さｔは１〜３ｍｍの範囲が好適である。

【００２６】さらに上記各シンチレータ要素１ａは、上
記組成式を有する原料混合体を熱間静水圧プレス（ＨＩ
Ｐ）法によって加熱状態で加圧成形して形成されるセラ
ミックス焼結体から製造される。

【００２７】本実施例の中性子検出器は、透光性を有す
る上記セラミックス製のシンチレータ１と、このシンチ
レータ１からのシンチレータ光を検出して電気信号に変
換する半導体光検出素子とから成り、上記半導体光検出
素子としては、例えばＳｉフォトダイオード４が採用さ
れる。

【００２８】このフォトダイオード４は、図１に示すよ
うに中性子の入射面とは反対側のシンチレータ１の表面
に一体に接着されることにより、シンチレータ１に光学
的に接している。

【００２９】図３は半導体光検出素子としての、多チャ
ンネル型フォトダイオード４の構成例を示す斜視図であ
り、１枚の半導体基板５上に複数の短冊状のフォトダイ
オード素子６を一体に配設して構成される。各フォトダ
イオード素子６には信号取出し用の端子７が形成されて
おり、この各端子７と、絶縁基板８上に印刷された配線
端子とが、図示しないワイヤボンディングによって電気
的に接続されている。

【００３０】そして、図２に示すように構成された多チ
ャンネル型のシンチレータ１と、図３に示すように構成
された多チャンネル型のフォトダイオード４との各チャ
ンネル位置が一致するように、例えばガラス用接着剤な
どの透明接着剤を用いて一体に接着接合することにより
、図１に示すような多チャンネル型の中性子検出器９が
製造される。

【００３１】このように、シンチレータ１と半導体光検
出素子としてのフォトダイオード４とから成る本実施例
の中性子検出器によれば、中性子線はシンチレータ１の
前面（図１において上面）に照射される。シンチレータ
１は、特に中性子吸収断面積が大きなＧｄ元素を構成要
素として含有しているため、入射した中性子線は、シン
チレータ１にほとんど吸収される。吸収された中性子線
は（ｎ，γ）反応によりγ線と、内部転換電子に変換さ
れる。本実施例のように、シンチレータ１の厚みを１〜
３ｍｍ程度に設定することにより、シンチレータ１内で
吸収されるγ線は１ＭｅＶ以下の低エネルギγ線が大部
分となり、また内部転換電子も約７０ＫｅＶと低エネル
ギレベルとなり、シンチレータ１内に充分に吸収される
。 そしてこれらの吸収エネルギによって付活剤であるＴｂ
，Ｐｒ，Ｅｕがシンチレーション光を発する。出射され
たシンチレーション光は、シンチレータ１と光学的に接
したフォトダイオード４によって検出され、ここで電気
信号に変換される。こうして中性子検出器９に入射した
中性子線の強度に応じた電気信号が出力される。電気信
号は各端子７を通り図示しない信号処理回路に伝送され
て画像データとして再構成される。

【００３２】本実施例に係る中性子検出器９によれば、
中性子吸収特性が優れたＧｄと付活剤として発光特性に
優れたＰｒ，ＴｂおよびＥｕから選択される少なくとも
１種の元素とを含有する焼結体で形成したシンチレータ
１を使用しており、また検出感度が高く構造が簡素な半
導体光検出素子としてのフォトダイオード４とを一体に
組み合せて構成しているため、検出器全体として構造が
簡素であり、感度特性に優れた中性子検出器を得ること
ができる。

【００３３】なお図１に示した多チャンネル型中性子検
出器９は、シンチレータ要素１ａとフォトダイオード素
子６とを一次元的（１方向）に配列して多チャンネルを
形成している。しかし本発明は図１に示す実施例に限定
されない。すなわち上記シンチレータ要素１ａとフォト
ダイオード素子６とを二次元的（２方向）に配列するこ
とにより多チャンネル型中性子検出器としてもよい。こ
の検出器を中性子ラジオグラフィに使用すれば、被検体
を透過してきた中性子線による二次元画像を得ることが
できる。

【００３４】次に本発明に係る中性子検出器のシンチレ
ータの組成に基づく効果について、以下の実施例および
比較例に基づいて、より具体的に説明する。

【００３５】実施例１ 実施例１として、組成式（Ｇｄ０．９９９　Ｐｒ０．０
０１　）２　Ｏ２　Ｓを有する原料混合体を熱間静水圧
プレス（ＨＩＰ）処理して厚さ１ｍｍのシンチレータ要
素を多数調製した。 またシンチレータ要素と同じ高さを有する鉛の薄板を加
工して多数のセパレータ板を用意した。セパレータ板の
両面には、シンチレータ要素で発生したシンチレーショ
ン光を効率よく反射させるための反射剤として白色塗料
を塗布している。一方図３に示すような多チャンネル型
Ｓｉフォトダイオードを用意し、上記複数のシンチレー
タ要素を、中間にセパレータ板を介して順次透明接着剤
を用いて接合するとともに、各シンチレータ要素のチャ
ンネルとフォトダイオードのチャンネルとが一致するよ
うに、フォトダイオード上にシンチレータを接着接合し
、図１に示すような多チャンネル型中性子検出器（実施
例）を製造した。

【００３６】実施例２〜１８ シンチレータの組成および厚さをそれぞれ表１に示すよ
うに調製した以外は実施例１と同一の製造方法を使用し
て同一寸法を有する実施例２〜１８の中性子検出器を作
成した。

【００３７】比較例１ 比較例１として、従来の中性子検出器のシンチレータに
用いられてきたＬｉＩ：Ｅｕ発光体を厚さ１ｍｍに調節
し、図３に示す多チャンネル型フォトダイオード上に一
体に接合して、実施例１と同寸法の多チャンネル型中性
子検出器を調製した。

【００３８】比較例２ 比較例２として、従来の中性子ラジオグラフィ用中性子
検出器の中性子コンバータ材料として使用されている、
ＬｉＦ粉体とＺｎＳ：Ａｇ蛍光体とを結合剤中に混合さ
せた固形物を厚さ１ｍｍに成形し、図３に示す多チャン
ネルフォトダイオード上に一体に接合して、実施例１と
同寸法の多チャンネル型中性子検出器を製造した。

【００３９】比較例３ 比較例３として、従来の中性子ラジオグラフィ用中性子
検出器の中性子コンバータ材料として使用されている、
Ｇｄ２　Ｏ３　粉体とＺｎＳ：Ａｇ蛍光体とを結合剤中
に混合させた固形物を厚さ１ｍｍに成形し、図３に示す
多チャンネルフォトダイオード上に一体に接合して多チ
ャンネル型中性子検出器を製造した。

【００４０】以上のように調製した実施例１〜１８およ
び比較例１〜３の各中性子検出器に対して、小型サイク
ロトロンから発生する所定強度の中性子線を一定時間照
射した。照射した熱中性子束の線量は１．１×１０６　
ｎ／ｃｍ２　・ｓｅｃ　であり、照射時間は５分間とし
た。そして各フォトダイオードから出力される電気信号
値を測定して、各中性子検出器の感度を評価した。各検
出器の感度は、比較例１に示す中性子検出器のフォトダ
イオードから出力される電気信号値を基準値１００とし
、相対的な比率で表したものである。また、シンチレー
タの化学的安定性を比較するためシンチレータを空気中
に放置し経時変化を観察したところ、比較例１で用いた
ＬｉＩ：Ｅｕは１日後には潮解してしまい、極めて不安
定であるのに対し、実施例１〜１８のものは数ヶ月経っ
ても安定であった。

【００４１】上記の測定評価結果を下記表１に示す。

【００４２】

【表１】

【００４３】表１に示す結果から明らかなように、実施
例１〜１８に示す中性子検出器は、いずれも比較例１〜
３に示す従来の検出器と同等以上の感度を有し、大部分
は２〜６倍の優れた感度を有することが確認された。

【００４４】また化学的安定性の点においては、比較例
１のＬｉＩ：Ｅｕ製シンチレータ要素は吸湿性を有して
いるため、発光特性および感度が経時的に低下してしま
う一方、実施例１〜１８に係る検出器のシンチレータ要
素は、いずれも極めて安定性に優れているため、感度の
経時変化もなく中性子線の測定操作の信頼性を大幅に向
上させることができる。

【００４５】このように各実施例に係る中性子検出器に
よれば、Ｇｄ２　Ｏ２　Ｓ：ＭまたはＧｄ２　Ｏ３　：
Ｍ（但し、ＭはＰｒ，Ｔｂ，Ｅｕから選択される少なく
とも１種の元素）のように、中性子吸収断面積が特に大
きく中性子吸収能に優れたＧｄを含有し、また発光特性
が優れた付活剤としてのＴｂ，Ｅｕ，Ｐｒを含有し、透
光性を有するセラミックスで形成したシンチレータを備
えるとともに、フォトダイオードのような構造が簡単で
光検出能が高い半導体光検出素子を備えて構成されてい
るため、従来の中性子検出器と比較して特に感度が著し
く改善され、構造も簡素化される。そのため環境モニタ
用の中性子検出器や中性子デジタルラジオグラフィ用の
中性子検出器などのように高速応答でリアルタイムに線
量を計測できる中性子検出器として極めて有用である。

【００４６】

【発明の効果】以上説明の通り本発明に係る中性子検出
器によれば、中性子吸収特性が優れたＧｄと付活剤とし
て発光特性に優れたＰｒ，ＴｂおよびＥｕから選択され
る少なくとも１種の元素とを含有する焼結体で形成した
シンチレータを使用しており、また検出感度が高く構造
が簡素な半導体光検出素子とを一体に組み合せて構成し
ているため、検出器全体として構造が簡素であり、感度
特性に優れた中性子検出器を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る中性子検出器の一実施例を示す斜
視図。

【図２】図１に示す中性子検出器に使用されるシンチレ
ータの構成例を示す斜視図。

【図３】図１に示す中性子検出器に使用される半導体光
検出素子の構成例を示す斜視図。

【符号の説明】

１　　シンチレータ １ａ　　シンチレータ要素 ３　　セパレータ板 ４　　フォトダイオード ５　　半導体基板 ６　　フォトダイオード素子 ７　　端子 ８　　絶縁基板 ９　　中性子検出器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　入射する中性子線の強度に応じてシン
   チレーション光を出射するシンチレータと、このシンチ
   レータからの出射光を電気信号に変換する半導体光検出
   素子とを一体に組み合せて成り、上記シンチレータが、
   中性子吸収元素としてのＧｄと、付活剤としてＰｒ，Ｔ
   ｂおよびＥｕから選択される少なくとも１種の元素とを
   含有する焼結体から構成されることを特徴とする中性子
   検出器。