FR3131395A1 - Détecteur de neutrons - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un détecteur de neutrons capable de mesurer une dose élevée de neutrons avec une efficacité et une capacité de sélection n/γ élevées. Le scintillateur (10) a une structure stratifiée dans laquelle une couche de phosphore (11) et une couche de transmission de la lumière (12) sont stratifiées en alternance dans la direction z. La couche de phosphore (11) est faite d'un matériau phosphoreux émettant une lumière fluorescente par absorption de neutrons, le matériau étant, par exemple, un matériau scintillateur utilisé dans les détecteurs de neutrons déjà connus. La couche de transmission de lumière (12) est faite d'un matériau ayant une transmittance élevée pour la lumière fluorescente émise par le luminophore et n'absorbant que faiblement les neutrons. Dans le scintillateur (10), lorsque des neutrons et des photons de rayons gamma le pénètrent, l'intensité de la luminescence (hauteur d'impulsion) due aux neutrons est sensiblement différente de celle due aux photons de rayons gamma. Il est ainsi facile de distinguer les sorties des deux types de rayonnements. Figure pour l’abrégé : Fig. 1B
Description
La présente invention concerne un détecteur de neutrons qui détecte les neutrons en détectant la lumière de scintillation émise par les neutrons.
Arrière-plan technologique
Arrière-plan technologique
Lors de la mesure de la dose de neutrons en utilisant un détecteur de neutrons dans une condition de dose de neutrons élevée, il est avantageux de posséder un détecteur à réponse rapide et une efficacité de détection élevée, afin de réduire les pertes en comptage de neutrons. Toutefois, dans un tel environnement, en général, il arrive souvent que la dose de neutrons, mais aussi celle de rayons gamma soient élevées. Par exemple, lorsqu'un matériau modérateur de neutrons contenant une grande quantité d'hydrogène est utilisé dans un environnement où la dose de neutrons rapides est élevée, des rayons gamma de 2,2 MeV (Megaelectron-Volt) sont générés par réaction de capture des neutrons modérés avec l'hydrogène, faisant en sorte que la dose de rayons gamma devient nécessairement élevée. Par conséquent, il existe une demande pour un détecteur de neutrons à réponse rapide et à efficacité de détection élevée pouvant détecter les neutrons en les distinguant des rayons gamma (distinction des neutrons des rayons gamma) même lorsque la dose de rayons gamma et celle des neutrons sont élevées.
Les neutrons n’ayant pas de charge et ayant donc un pouvoir de pénétration très élevé par rapport aux particules chargées, il est généralement nécessaire, pour la détection des neutrons lents, d'utiliser un détecteur employant un isotope avec une grande section transversale de réaction d'absorption des neutrons accompagnée de l'émission de particules chargées secondaires de haute énergie ou similaires (isotope absorbant les neutrons) et dont la probabilité d'absorption des neutrons est ainsi accrue. Même dans ce cas d'utilisation d'un isotope absorbant les neutrons, afin de détecter en particulier les neutrons d'une énergie égale ou supérieure à celle des neutrons épithermiques avec une sensibilité suffisante, il peut être nécessaire d'utiliser un détecteur ayant une longueur de densité d'une valeur de l'ordre de plusieurs à plusieurs dizaines de g/cm2correspondant au produit de la densité et de l'épaisseur.
Les détecteurs de neutrons généralement utilisés comprennent un compteur proportionnel détectant l'ionisation du gaz causée par son interaction avec le rayonnement, en amplifiant la charge proportionnellement à la quantité d'ionisation, et un détecteur à scintillation détectant la luminescence (fluorescence) en fonction de la quantité d'énergie transférée par le rayonnement dans le scintillateur à l’aide d’un photodétecteur. Ces détecteurs ayant également une sensibilité de détection pour les rayons gamma, lorsque la sensibilité aux neutrons est augmentée, la sensibilité aux rayons gamma décrits ci-dessus, correspondant à un événement de fond, augmente également. Par conséquent, un détecteur de neutrons capable de détecter les neutrons en les distinguant des rayons gamma est nécessaire.
Dans un compteur proportionnel, tel que décrit dans la littérature de brevet 1, par exemple, la capacité de distinction entre les neutrons et les rayons gamma (appelée ci-après capacité de distinction n/γ) peut être augmentée lors de l'utilisation du gaz3He, qui possède une grande section transversale de réaction d'absorption des neutrons et interagit difficilement avec les rayons gamma en raison de son faible numéro atomique. Toutefois, dans ce cas, la hauteur des impulsions correspondant à la sortie est faible jusqu'à ce que des charges soient chargées dans le compteur proportionnel, et le temps, durant lequel la détection est difficile à réaliser (temps de résolution), devient long. Lorsque le temps de résolution est long, il devient difficile, en particulier dans une condition de dose élevée, d'identifier chaque impulsion individuelle des impulsions de sortie temporellement continues, et un comptage correct devient difficile. De plus, afin de mesurer les neutrons épithermiques et les neutrons rapides avec une grande efficacité, il devient nécessaire de rendre la couche de gaz suffisamment épaisse (grande longueur de densité), causant le problème d’un appareil devenant grand, ou d’un appareil devenant cher dû au prix élevé du3He.
Le détecteur à scintillation est adapté à la mesure dans des conditions de dose élevée, car il utilise un luminophore émettant une lumière fluorescente en absorbant l'énergie des particules chargées, où le temps de résolution décrit ci-dessus peut être réduit par la sélection du luminophore. Par exemple, les luminophores de la famille verre6Li:Ce3+auxquels est ajouté un isotope absorbant les neutrons tel que le6Li, sont largement utilisés pour la détection des neutrons, grâce à leur temps de décroissance relativement rapide (environ 60 nanosecondes) et de la quantité modérée de luminescence due aux neutrons thermiques en termes d'énergie équivalente des électrons (MeVee pour « Megaelectron-Volt electron equivalent ») (environ 1,6 MeVee). La raison pour laquelle la quantité de luminescence a été mentionnée en termes d'énergie équivalente aux électrons (MeVee) dans la description ci-dessus est que même lorsque la quantité de luminescence elle-même est importante, si la quantité de luminescence due aux rayons gamma est également importante, il en résulte un mélange des signaux pour les rayons gamma et ceux pour les neutrons, par conséquent, l'énergie équivalente des électrons est un paramètre important pour juger de la capacité de distinction n/γ. La capacité de distinction n/γ peut être augmentée en utilisant un luminophore dont la quantité de luminescence en termes d'énergie équivalente aux électrons (MeVee) lors de l'absorption des neutrons est très importante. Un tel luminophore, par exemple,6LiF/ZnS:Ag (énergie équivalente d'un électron d'un neutron thermique d'environ 10 MeVee) auquel est ajouté un isotope absorbant les neutrons tel que le6Li est largement connu. Toutefois, ce luminophore a un temps de désintégration relativement long (environ 200 nanosecondes) et, de plus, une composante constante de temps de désintégration très longue, ce qui pose un problème de réponse rapide.
D'autre part, la littérature de brevet 2 décrit un scintillateur dont la capacité de distinction n/γ est augmentée par une amélioration de la structure. Le scintillateur possède une configuration dans laquelle des particules de phosphore inorganique faites d'un tel phosphore comme décrit ci-dessus sont dispersées dans un matériau de résine. Dans ce cas, les neutrons peuvent être détectés par la lumière fluorescente émise par le phosphore lors de l'absorption des neutrons comme dans le cas décrit ci-dessus, mais il est possible de réduire l'intensité de la lumière fluorescente émise lors de l'absorption de l'énergie des rayons gamma, par rapport aux cas précédents où le scintillateur est uniformément constitué d'un phosphore. Par conséquent, la distinction entre les neutrons et les rayons gamma devient facile.
[Document d'art antérieur]
[Littérature des brevets]
[Littérature des brevets 1] JP 2008-14947 A
[Littérature des brevets 2] WO 2015/064588
[Problème technique]
[Document d'art antérieur]
[Littérature des brevets]
[Littérature des brevets 1] JP 2008-14947 A
[Littérature des brevets 2] WO 2015/064588
[Problème technique]
Lorsque le6LiF/ZnS:Ag est utilisé comme luminophore, la mesure dans des conditions de dose élevée est difficile, car la constante de temps de décroissance de la lumière fluorescente est longue. De plus, l'efficacité de l'extraction de la lumière fluorescente est réduite lorsqu'un grand cristal est utilisé, car la transmittance de la lumière fluorescente dans ce matériau est faible. D'autre part, bien que la famille+Li-glass:Ce3+permette la mesure dans une condition de dose élevée comme décrite ci-dessus, sa quantité de luminescence en termes de MeVee n'est pas suffisante, et sa capacité de distinction n/γ est faible. Pour cette raison, il a été difficile de réaliser un détecteur de neutrons capable de détecter des neutrons avec une capacité de distinction n/γ élevée dans une condition de dose élevée uniquement par le réglage du matériau phosphoreux.
Par conséquent, en plus de ce réglage du matériau phosphoreux, il est efficace de concevoir une structure de scintillateur telle que décrite dans la littérature de brevet 2. Toutefois, en raison de la différence de gravité spécifique entre les particules de phosphore inorganique et le matériau de résine, il est difficile de disperser uniformément les particules de phosphore inorganique dans le matériau de résine, et le scintillateur n'est donc pas facile à fabriquer. De plus, étant donné que le matériau de la résine contient une grande quantité d'hydrogène dont la masse est à peu près égale à celle des neutrons, les neutrons sont diffusés élastiquement et thermalisés, ce qui augmente la probabilité d'absorption des neutrons par des éléments autres que les particules de phosphore inorganique, réduisant ainsi l'efficacité de la détection. De plus, cette thermalisation (diffusion) provoque une augmentation du temps de transit des neutrons dans le scintillateur, entraînant une détérioration de la résolution temporelle de la détection pour la mesure du temps de détection des neutrons, et il est donc difficile d'utiliser le scintillateur dans, par exemple, une mesure du temps de vol (TOF) des neutrons nécessitant une haute résolution temporelle.
Pour les raisons décrites ci-dessus, un détecteur de neutrons capable de mesurer une dose élevée de neutrons avec une efficacité et une capacité de sélection n/γ élevées est souhaité.
La présente invention a été réalisée au vu des problèmes décrits ci-dessus, et vise à fournir une invention qui résout ces problèmes.
Objectifs de l'invention
Objectifs de l'invention
La présente invention est configurée comme suit, afin de résoudre les problèmes.
Le détecteur de neutrons de la présente invention est un détecteur de neutrons configuré pour détecter des neutrons par le biais de la lumière fluorescente émise lorsque les neutrons sont absorbés par un luminophore, le luminophore contenant un isotope absorbant les neutrons qui émet des particules chargées secondaires en absorbant les neutrons,
le détecteur de neutrons comprenant un scintillateur configuré pour avoir une structure en couches comprenant, le long d'une direction d'incidence des neutrons, en une pluralité de combinaisons d'une couche de phosphore sous forme de film mince faite du phosphore et d'une couche de transmission de la lumière sous forme de film mince faite d'un matériau de transmission de la lumière transmettant la lumière fluorescente et étant adjacent à la couche de phosphore dans la direction de l'épaisseur, et un photodétecteur configuré pour émettre une impulsion de sortie comme sortie générée lors de la détection de la lumière fluorescente.
le détecteur de neutrons comprenant un scintillateur configuré pour avoir une structure en couches comprenant, le long d'une direction d'incidence des neutrons, en une pluralité de combinaisons d'une couche de phosphore sous forme de film mince faite du phosphore et d'une couche de transmission de la lumière sous forme de film mince faite d'un matériau de transmission de la lumière transmettant la lumière fluorescente et étant adjacent à la couche de phosphore dans la direction de l'épaisseur, et un photodétecteur configuré pour émettre une impulsion de sortie comme sortie générée lors de la détection de la lumière fluorescente.
Le détecteur de neutrons de la présente invention peut être caractérisé en ce que le photodétecteur détecte la lumière fluorescente émise par le scintillateur dans la direction d'incidence.
Le détecteur de neutrons de la présente invention peut être caractérisé en ce que le photodétecteur détecte la lumière fluorescente émise par le scintillateur le long d'une direction dans le plan des couches de phosphore et des couches de transmission de la lumière.
Le détecteur de neutrons de la présente invention peut être caractérisé en ce qu'il comprend, en tant que photodétecteur, un premier photodétecteur et un second photodétecteur opposés l'un à l'autre dans la direction du plan, le scintillateur étant inséré entre eux, et une unité de comptage de coïncidence configurée pour délivrer , en tant que nouvelle impulsion de sortie, une sortie basée sur une première impulsion de sortie correspondant à l'impulsion de sortie du premier photodétecteur et une seconde impulsion de sortie correspondant à l'impulsion de sortie du second photodétecteur lorsqu'une synchronisation est reconnue entre les première et seconde impulsions de sortie.
Ce détecteur de neutrons de la présente invention peut être caractérisé en ce que dans le scintillateur, une pluralité de segments composés chacun d'une combinaison de la couche de phosphore et de la couche de transmission de la lumière voisine de la couche de phosphore et transmettant la lumière fluorescente émise par la couche de phosphore sont formés le long de la direction d'incidence, et, dans la structure en couches, une couche de protection contre la lumière pour protéger la lumière fluorescente est prévue entre les segments voisins les uns des autres dans la direction d'incidence de sorte que la lumière fluorescente dans un segment se propage dans la direction du plan, mais ne se propage pas entre les segments voisins, et les photodétecteurs sont prévus en fonction de chacun des segments.
Le détecteur de neutrons de la présente invention peut être caractérisé en ce qu'il comprend une unité de comptage d'anti-coïncidence configurée pour sortir, parmi les impulsions de sortie des segments respectifs, l'impulsion de sortie dont le synchronisme avec d'autres impulsions de sortie n'a pas été reconnu.
Le détecteur de neutrons de la présente invention peut être caractérisé en ce qu'un rapport de la couche de transmission de lumière à la couche de phosphore en indice de réfraction pour la lumière fluorescente se trouve dans une gamme de 0,90 à 1,10.
Le détecteur de neutrons de la présente invention peut être caractérisé en ce qu'un composant principal de la couche de phosphore et celui de la couche de transmission de lumière sont du dioxyde de silicium (SiO2), et l'isotope absorbant les neutrons a été ajouté dans la couche de phosphore.
Le détecteur de neutrons de la présente invention peut être caractérisé en ce que l'isotope absorbant les neutrons est6Li ou10B.
Le détecteur de neutrons de la présente invention peut être caractérisé en ce qu'une longueur de densité, correspondant au produit de la densité et de l'épaisseur, est fixée dans une gamme de 0,0625 à 0,5 g/cm2et dans une gamme de 0,2 à 1,3 g/cm2, respectivement, pour la couche de phosphore et la couche de transmission de la lumière.
Effets avantageux de l'invention
Effets avantageux de l'invention
Configurée comme décrit ci-dessus, la présente invention permet d’obtenir un détecteur de neutrons capable de mesurer une dose élevée de neutrons avec une efficacité et une capacité de sélection n/γ élevées.
Brève description des figures
Brève description des figures
Description des modes de réalisation
Un détecteur de neutrons selon chaque mode de réalisation de la présente invention est un détecteur à scintillation pour détecter les neutrons. Par conséquent, de manière similaire au détecteur de neutrons décrit dans la littérature de brevet 2, par exemple, il utilise un scintillateur absorbant les neutrons et émet ainsi une lumière fluorescente et un photodétecteur détectant la lumière fluorescente en combinaison. La présente invention est caractérisée par une structure du scintillateur ou par une forme de combinaison du scintillateur avec le photodétecteur. Ci-après, deux modes de réalisation se distinguant par la structure de base du scintillateur seront décrits.
Premier mode de réalisation
Premier mode de réalisation
La montre une vue en plan représentant une structure d'un scintillateur 10 utilisé dans un détecteur de neutrons selon un premier mode de réalisation, et la montre une vue en coupe transversale représentant cela. Ici, les neutrons à détecter entrent dans le scintillateur 10 depuis le côté négatif dans la direction z dans les schémas. Le scintillateur 10 a une structure stratifiée dans laquelle une couche de phosphore 11 et une couche de transmission de la lumière 12 sont stratifiées en alternance dans la direction z. La couche de phosphore 11 et la couche de transmission de la lumière 12 ont chacune une forme de film mince s'étendant dans les directions x et y dans les schémas. Bien que cinq couches de phosphore 11 et quatre couches de transmission de lumière 12 soient fournies dans les figures 1A, 1B, les nombres de couches sont fixés de manière appropriée.
La couche de phosphore 11 est constituée d'un phosphore qui émet une lumière fluorescente en absorbant l'énergie de particules chargées, et les particules chargées peuvent être détectées en détectant la lumière fluorescente. Ici, pour que le luminophore soit particulièrement sensible aux neutrons sans charge, un luminophore auquel est ajouté un isotope absorbant les neutrons est par exemple utilisé. Des exemples d'un tel luminophore sont un verre à scintillation déjà connu pour la détection des neutrons comme le6Li-glass:Ce3+. Plus précisément, le GS20, le KG2 (fabriqué par Scintacor) ou similaires sont utilisés. Pour obtenir une capacité de distinction n/γ suffisante, la quantité de luminescence provoquée par l'absorption de neutrons est de préférence de 1,5 MeVee ou plus en termes d'énergie équivalente des électrons (MeVee). La couche de transmission de lumière 12 est faite d'un matériau ayant une transmittance élevée pour la lumière fluorescente émise par le luminophore et n'absorbant que faiblement les neutrons. De plus, il est également préférable que la couche de transmission de la lumière 12 ait un indice de réfraction pour la lumière fluorescente proche de celui de la couche de phosphore 11, comme cela sera décrit plus tard, et qu'elle soit transparente à la lumière fluorescente, et les matériaux utilisés de préférence pour former la couche de transmission de la lumière 12 comprennent le quartz synthétique, le verre au plomb contenant légèrement de l'oxyde de plomb, ou similaire.
Avec une telle configuration, le scintillateur 10 voit sa capacité de distinction n/γ augmentée dans la détection des neutrons, et une détection des neutrons très efficace peut être réalisée grâce à cette capacité de distinction n/γ accrue. Ce point sera décrit ci-dessous. En général, un phosphore formant un scintillateur émet une lumière fluorescente en absorbant l'énergie des particules chargées. Lorsque la lumière fluorescente est détectée par un photodétecteur (tube photomultiplicateur) ou similaire à haute résolution temporelle, des photoélectrons sont générés sur la photocathode par la lumière fluorescente et sont amplifiés, produisant ainsi une sortie électrique pulsée selon la distribution temporelle de la luminescence. Le nombre de photoélectrons correspond à l'intensité de la luminescence, qui correspond à l'impulsion de sortie, appelée hauteur d'impulsion ou valeur de charge intégrée.
Dans ce cas, bien qu'il y ait une légère différence entre les neutrons et les rayons gamma dans la forme d'onde de l'impulsion de sortie, causée par une différence dans la forme de transfert d'énergie vers le luminophore à partir de ceux-ci, il est généralement difficile de faire une distinction entre l'impulsion de sortie produite par la fluorescence à un moment d'absorption des neutrons et l'impulsion de sortie produite par la fluorescence à un moment de transfert d'énergie à partir des rayons gamma, dans un cas où la quantité de lumière (nombre total de photons) est à peu près la même pour les deux types de fluorescence. Par exemple, même lorsque l'énergie d'émission au moment de l'absorption des neutrons dans le luminophore est de 4,78 MeV, comme cela décrit plus tard, l'énergie équivalente des électrons pour la quantité de luminescence correspondante est d'environ 1,6 MeVee dans le GS20 décrit ci-dessus. D'autre part, par exemple, les rayons gamma de 2,2 MeV subissent principalement une diffusion Compton dans le luminophore, où ils transfèrent une énergie continue d'environ 2,0 MeV et moins aux électrons du luminophore. Par conséquent, dans une zone où les hauteurs d'impulsion dues aux deux types de fluorescence se chevauchent, il est théoriquement impossible de distinguer les deux types de fluorescence à partir des hauteurs d'impulsion. Il est demandé de détecter les neutrons en les distinguant des rayons gamma même dans une telle situation.
De ce fait, le scintillateur 10 de la présente invention est configuré pour avoir une structure dans laquelle, lorsque des neutrons et des photons de rayons gamma sont incidents, l'intensité de luminescence (hauteur d'impulsion) est largement différente entre les neutrons et les photons de rayons gamma. Ainsi, il devient possible de les distinguer facilement à partir des hauteurs d'impulsion.
Tout d'abord, une description sera donnée de la sortie (distribution de la hauteur des impulsions de sortie) dans un cas où un type général de scintillateur est utilisé et où à la fois des neutrons et des rayons gamma sont présents. La est un diagramme illustrant schématiquement l’état. L'axe horizontal représente la hauteur d'impulsion des impulsions de sortie, qui correspond à l'énergie absorbée par le phosphore à partir d'un seul photon de neutron ou de rayon gamma. L'axe vertical représente la fréquence de détection des neutrons ou des photons de rayons gamma lorsqu'ils sont détectés en grand nombre.
Sur la , D1 est une distribution de la hauteur des impulsions de sortie dues aux neutrons dans le cas de l'utilisation d'un scintillateur habituel dont le corps entier est constitué d'un phosphore épais. Ici, l'énergie de pointe de la distribution correspond à une énergie d'émission constante due à la réaction nucléaire entre le6Li et les neutrons, qui sera décrite plus tard (l'énergie équivalente des électrons de la quantité de luminescence est de 1,6 MeVee dans le GS20, comme décrite ci-dessus). D'autre part, D2 est une distribution de hauteur d'impulsion pour les rayons gamma (2,2 MeV) lors de l'utilisation du même scintillateur. Ici, contrairement à la distribution D1 due aux neutrons, qui présente un pic unique comme décrit ci-dessus, la distribution due aux rayons gamma est large, car les rayons gamma génèrent un spectre continu causé par la diffusion Compton, qui s'étend de la proximité d'une énergie maximale des rayons gamma vers le côté à faible énergie. Comme indiqué ici, il est difficile, dans la région de chevauchement de D1 et D2, de distinguer les neutrons et les rayons gamma à partir des seules hauteurs d'impulsion.
En général, un luminophore formant le scintillateur émet une lumière fluorescente en absorbant l'énergie des particules chargées ayant une énergie suffisamment supérieure à celle nécessaire pour faire passer les électrons du luminophore de l'état fondamental à l'état excité. La longueur d'onde de la luminescence correspond à la différence d'énergie entre l'état excité et l'état fondamental, et les photons ayant la longueur d'onde de la luminescence sont générés en nombre correspondant à l'énergie absorbée par le phosphore et à la quantité d'énergie absorbée par unité de longueur ou similaire.
Ici, étant donné que les photons des rayons gamma transfèrent leur énergie aux électrons du luminophore en subissant une interaction électromagnétique avec les électrons, les particules chargées décrites ci-dessus sont les électrons, et une lumière fluorescente est émise par les électrons transférant leur énergie cinétique au luminophore. À cet instant, les électrons éjectés par les rayons gamma ont tendance à progresser dans la direction avant, selon la loi de conservation de la quantité de mouvement, et en particulier, la direction de progression des électrons ayant reçu une grande quantité d'énergie étant plus proche de la hauteur d'impulsion due aux neutrons devient plus proche de la direction d'incidence initiale des rayons gamma.
En revanche, les neutrons ne subissent pas d'interaction électromagnétique et, par conséquent, la probabilité d'absorption des neutrons des substances générales est faible. Toutefois, lorsque le luminophore contient un isotope absorbant les neutrons qui émet des particules chargées secondaires à haute énergie en absorbant les neutrons, des particules chargées secondaires à haute énergie sont générées par l'isotope absorbant les neutrons lorsqu'il absorbe les neutrons. Par exemple, lorsque le6Li, isotope absorbant les neutrons bien connus, est utilisé, la réaction est exprimée par l'équation (1).
C'est-à-dire que les particules chargées secondaires dans ce cas sont des particules α (noyaux de4He) et du tritium (noyaux de3H), qui ne dépendent pas de la direction dans leur distribution d'émission, contrairement aux électrons dans le cas du rayon gamma décrit ci-dessus, et sont émises dans des directions opposées tout en ayant des énergies cinétiques de 2,05 MeV et 2,73 MeV respectivement et au total d'environ 4,78 MeV, selon la loi de conservation de la quantité de mouvement. Par la suite, les électrons du phosphore sont excités par les particules chargées secondaires, et une lumière fluorescente est émise de la même manière. Il en va de même pour d'autres isotopes absorbant les neutrons (par exemple,10B), où l'énergie est transférée à partir de particules secondaires, mais ces dernières peuvent être d'un type et d'une énergie différents de ceux décrits ci-dessus.
Ici, comme la masse de la particule chargée secondaire (noyau) > masse de l'électron (par exemple, masse de la particule α : masse de l'électron = 7300 : 1), lorsqu'elles ont presque la même énergie, l’équation vitesse de la particule chargée secondaire < vitesse de l'électron s'impose. Par conséquent, il existe une différence entre la situation où les électrons générés par les photons gamma provoquent la luminescence du luminophore et la situation où les particules chargées secondaires générées par les neutrons provoquent la luminescence du luminophore. La est un diagramme montrant schématiquement ces états. Dans ce diagramme, il est supposé que les photons gamma et les neutrons sont incidents à partir du côté gauche du diagramme.
Sur la , (A) dans la rangée supérieure, montre schématiquement une situation dans laquelle des électrons à haute énergie générés par des photons de rayons gamma transfèrent leur énergie et provoquent ainsi une luminescence dans un scintillateur 100 constitué d'un phosphore épais. D'autre part (B) dans la rangée du milieu et (C) dans la rangée du bas montrent des situations similaires pour des particules chargées secondaires générées par des neutrons, en comparaison. Ici, le diagramme est celui qui illustre une région ou similaire de luminescence, mais pas celui qui illustre la quantité totale de luminescence. En plus du fait que la vitesse des électrons est plus élevée que celle des particules chargées secondaires, comme décrites ci-dessus, la quantité de charge des électrons est la moitié de celle des particules α (particules chargées secondaires), par exemple. Comme l'énergie de transfert par unité de distance de transit (dE/dx) des particules chargées (électrons, particules chargées secondaires) est proportionnelle au produit du temps de transit (inversement proportionnel à la vitesse) et du carré de la quantité de charge, l’équation devient dE/dx des particules chargées secondaires > dE/dx des électrons. Par conséquent, dans le scintillateur 100, l’équation devient gamme de particules chargées secondaires < gamme d'électrons et par exemple, la gamme maximale d'électrons de 1,5 MeV dans le luminophore GS20 décrit ci-dessus est d'environ 2,5 mm. Toutefois, comme les électrons sont légers (ou ont la même masse que les électrons dans le luminophore), ils sont par conséquent facilement dispersés, ont des parcours compliqués, comme illustrés sur la (A), et ont une portée plus courte. Lorsque le scintillateur 100 est plus fin que la portée des électrons, la probabilité que les électrons ne puissent pas transférer toute l'énergie au scintillateur 100 devient élevée, et la hauteur d'impulsion est réduite par rapport au cas où le scintillateur 100 est suffisamment épais.
D'autre part, étant donné que les particules chargées secondaires de haute énergie générées par l'absorption de neutrons transfèrent une grande quantité d'énergie par unité de distance de transit, elles n'ont besoin que d'une courte distance pour transférer toute l'énergie, par exemple, plusieurs μm pour les particules α et plusieurs dizaines de μm pour3H, dans le phosphore GS20.
Par conséquent, lorsqu'un isotope absorbant les neutrons est contenu dans un luminophore, l'épaisseur du luminophore peut être fixée à un niveau permettant le transfert de presque toute l'énergie cinétique des particules chargées secondaires dans l'absorption des neutrons, et permettant le départ immédiat des électrons à haute énergie générés dans l'interaction avec les photons des rayons gamma. Lorsque l'épaisseur est ainsi réglée, dans la , contrairement à ce que la distribution de la hauteur d'impulsion due aux neutrons D1 soit idéalement maintenue sans changement, la distribution de la hauteur d'impulsion due aux rayons gamma change de D2 à D3 présents du côté de l'énergie inférieure. En fixant une valeur seuil T entre les distributions D1 et D3, il est possible de déterminer que les neutrons ont été détectés lorsqu'une hauteur d'impulsion détectée est égale ou supérieure à T, et que les rayons gamma ont été détectés lorsque la hauteur d'impulsion est inférieure à T.
Comme décrit précédemment, la direction de progression des électrons à haute énergie est sensiblement égale à la direction d'incidence (de progression) des rayons gamma, il est préférable, afin d'améliorer l'effet décrit ci-dessus, que la direction d'incidence des rayons gamma soit égale à la direction de l'épaisseur du luminophore lorsque le luminophore est sous forme de film mince. Dans de nombreux cas où les neutrons et les rayons gamma sont présents, la source de neutrons et la source de rayons gamma se chevauchent, et la condition est donc satisfaite.
Comme la probabilité d'absorption des neutrons n'est pas élevée, il peut y avoir un cas, tel que celui illustré en (B) sur la , où les neutrons sont absorbés près de la surface et où des particules chargées secondaires sont générées à cet endroit, et il peut également y avoir un cas, tel que celui illustré en (C), où les neutrons sont absorbés à une position profonde dans le luminophore et où des particules chargées secondaires sont générées à cet endroit. Lorsque le luminophore est mince et composé d'une seule couche, les neutrons peuvent être détectés dans le cas (B), mais les neutrons ne peuvent pas être détectés dans le cas (C) correspondant à un cas où les neutrons passent à travers le luminophore sans subir d'interaction, où l'efficacité de détection des neutrons peut par conséquent être réduite. En revanche, en employant une structure multicouche composée de couches de phosphore 11 et de couches de transmission de la lumière 12, comme illustrer sur la , pour maintenir une épaisseur totale des couches de phosphore 11, il devient possible de détecter les neutrons même dans le cas (C), et de conserver ainsi une efficacité élevée de détection des neutrons.
Ci-après, une description du résultat d'une enquête spécifique effectuée sera donnée pour clarifier la question décrite ci-dessus. La montre le résultat du calcul de la probabilité que la majeure partie de l'énergie des particules chargées secondaires (particules α, noyaux3H) générées par les neutrons soit absorbée par le phosphore. Ici, il est supposé que l'isotope absorbant les neutrons est le6Li comme décrit précédemment, par conséquent les particules chargées secondaires sont des particules α et des noyaux3H, et que le luminophore est le GS20 déjà décrit. Bien qu'il soit préférable que le luminophore soit épais afin d'augmenter suffisamment la probabilité d'absorption (jusqu'à près de 1), il est reconnu d'après le résultat que le taux d'absorption est de 0,98 lorsque l'épaisseur du luminophore est de 1,0 mm, d'environ 0,94 même lorsque l'épaisseur est de 0,25 mm, mais qu'il est drastiquement réduit pour des épaisseurs plus petites.
D'autre part, comme décrit précédemment, l'énergie équivalente des électrons correspondant à la quantité de luminescence due aux neutrons (particules chargées secondaires décrites ci-dessus) lors de l'utilisation du GS20 est de 1,6 MeVee. C’est-à-dire, la hauteur d'impulsion en sortie devient sensiblement la même pour les électrons ayant cette énergie et pour les particules chargées secondaires, il est donc impossible de faire la distinction entre les rayons gamma et les neutrons (ou entre les électrons à haute énergie et les particules chargées secondaires) par la hauteur d'impulsion, comme indiqué par D1 et D2 sur la .
Pour permettre la distinction entre les neutrons et les photons de rayons gamma générant des électrons ayant le niveau d'énergie décrit ci-dessus par la hauteur d'impulsion des impulsions de sortie, la répartition de D3 sur la peut être réalisée en réduisant l'énergie transférée des rayons gamma (électrons générés par ceux-ci) au luminophore pour qu'elle soit suffisamment inférieure à 1,6 MeV. Par exemple, le cas considéré ici est celui de l'utilisation d'un détecteur général composé d'un tube photomultiplicateur et du luminophore GS20 (scintillateur) déjà décrit, dont la résolution en énergie (valeur obtenue en divisant la valeur de crête d'une distribution de hauteur d'impulsion par la largeur totale du demi-maximum de la distribution de hauteur d'impulsion) est d'environ 16% pour les particules chargées secondaires et d'environ 24% pour les électrons de 1,2 MeV. Dans ce cas, en fixant T, dans la distribution de la hauteur d'impulsion de la , de sorte que 99% de la distribution D1 pour les neutrons soit comprise dans une plage égale ou supérieure à T, et en faisant en sorte que le transfert d'énergie provoqué par les rayons gamma dans la couche de phosphore soit de 1,2 MeV ou moins, presque aucune valeur de hauteur d'impulsion pour les rayons gamma n'est comprise dans la plage égale ou supérieure au seuil T, et par conséquent la capacité de distinction n/γ par la hauteur d'impulsion est augmentée. Par conséquent, la couche de phosphore 11 peut être rendue mince afin que l'énergie transférée des électrons au phosphore devienne 1,2 MeV ou moins.
Comme décrit précédemment, la probabilité d'absorption des neutrons ayant une énergie égale ou supérieure à celle des neutrons épithermiques, l'épaisseur totale de la couche de phosphore 11 doit être égale ou supérieure à une certaine valeur afin de détecter les neutrons avec une efficacité élevée, pour cela, une telle structure multicouche telle que représentée sur la est efficace à cet effet. Toutefois, en adoptant la structure multicouche, la probabilité d'interaction avec les rayons gamma est également augmentée, et même si leur distribution de hauteur d'impulsion est déplacée vers le côté basse énergie comme décrit ci-dessus, il peut également arriver que la fréquence elle-même augmente pour provoquer une augmentation de la sensibilité aux rayons gamma. Par conséquent, une étude a été réalisée sur la sensibilité aux rayons gamma (probabilité de transfert d'une énergie supérieure à 1,2 MeV au phosphore) lorsque le nombre de couches de phosphore 11 (et l'épaisseur de chaque couche) varie, tout en maintenant l'épaisseur totale constante. La montre le résultat du calcul des valeurs relatives de la sensibilité aux rayons gamma lorsque l'épaisseur totale des couches de phosphore 11 est fixée à 5 mm, et est répartie sur une seule couche (avec une épaisseur de 5 mm), sur trois couches (chaque couche individuelle de phosphore 11 ayant une épaisseur de 1,67 mm), sur cinq couches (avec une épaisseur de 1,67 mm), sur trois couches (avec une épaisseur de 1,67 mm), sur trois couches (avec une épaisseur de 1,67 mm), sur trois couches (avec une épaisseur de 1,67 mm), sur cinq couches (avec une épaisseur de 1,67 mm). 67 mm), entre 5 couches (chaque couche individuelle 11 ayant une épaisseur de 1 mm), entre 10 couches (chaque couche individuelle 11 ayant une épaisseur de 0,5 mm) et entre 20 couches (chaque couche individuelle 11 ayant une épaisseur de 0,25 mm), où, dans les cas multicouches, la couche de transmission de la lumière 12 faite de quartz synthétique de 2 mm d'épaisseur est insérée entre les couches de phosphore 11, formant ainsi la structure multicouche des figures 1A et 1B. Dans ce cas, il est supposé que l'énergie des rayons gamma était de 2,2 MeV, ce qui correspond à celle qui est émise par la réaction entre les neutrons modérés et l'hydrogène dans le matériau modérateur de neutrons, comme décrit ci-dessus. De tels rayons gamma de 2,2 MeV peuvent constituer un événement de fond important dans diverses conditions de mesure, et sont donc l'un des rayons gamma auxquels il faut prêter le plus d'attention dans la pratique.
Sur la , le cas d'une épaisseur de 5 mm (couche unique) correspond à celui d'un scintillateur habituel entièrement et uniformément constitué d'un phosphore sans avoir de couche de transmission de la lumière 12. D'après la , il est évident qu'en adoptant la structure multicouche dans laquelle sont insérées les couches de transmission de la lumière 12, l'intensité de la luminescence due aux photons des rayons gamma peut être considérablement réduite par rapport au scintillateur habituel.
La quantité d'absorption d'énergie électronique dépend grandement du produit de la densité et de l'épaisseur du luminophore (appelé longueur de densité). Par conséquent, pour discuter du résultat de manière plus générale, il est préférable d'utiliser la longueur de densité obtenue en multipliant l'abscisse de la par la densité du GS20 (2,5 g/cm3) comme indice, et de cette manière, il est considéré que même lorsqu'un luminophore autre que le GS20 est utilisé, un résultat similaire à celui du GS20 peut être obtenu en utilisant un luminophore ayant une longueur de densité équivalente. Par exemple, par rapport à un cas d'utilisation d'une seule couche de phosphore 11 avec une longueur de densité de 1,25 g/cm2(équivalent à 5 mm d'épaisseur de GS20), l'absorption d'énergie est réduite en adoptant la structure en couches décrite ci-dessus comprenant cinq couches de phosphore 11 ayant chacune une longueur de densité de 0,25 g/cm2(équivalent à 1 mm d'épaisseur de GS20), où le taux d'absorption d'énergie de 1,2 MeV ou plus passe à environ 1/10. Lorsque la longueur de densité est utilisée comme indice, la gamme préférée de la longueur de densité de la couche de phosphore 11 pour obtenir l'effet décrit ci-dessus est de 0,0625 à 0,5 g/cm2.
Par conséquent, même dans les cas où l'épaisseur totale des couches de phosphore 11 est identique, lorsque l'épaisseur de chaque couche de phosphore individuelle 11 est plus petite et que le nombre total de couches est plus grand, une différence entre la hauteur d'impulsion des impulsions de sortie dues aux neutrons et celle due aux photons de rayons gamma est augmentée.
Toutefois, si les neutrons sont absorbés dans la couche de transmission de la lumière 12, les neutrons ne sont pas détectés, car l'énergie due à cette réaction ne contribue pas à la luminescence. Par conséquent, dans le scintillateur 10 ayant la structure des figures 1A, 1B, l'efficacité de détection des neutrons est réduite d'une quantité correspondant à l'absorption des neutrons dans la couche de transmission de la lumière 12. Par conséquent, il est souhaitable qu'un matériau ayant une faible probabilité d'absorption de neutrons soit utilisé pour la couche de transmission de lumière 12.
Il est préférable que la couche de transmission de lumière 12 soit constituée d'un matériau ne contenant pas l'isotope absorbant les neutrons décrit précédemment et étant transparent à la lumière fluorescente. Toutefois, dans un détecteur de neutrons qui sera décrit plus tard, la lumière fluorescente extraite du scintillateur 10 est détectée à l'extérieur, où la réflexion à l'interface entre la couche de phosphore 11 et la couche de transmission de lumière 12 devient un obstacle à l'extraction de la lumière fluorescente vers l'extérieur du scintillateur 10. Pour supprimer cette réflexion à l'interface, il est préférable que l'indice de réfraction de la couche de phosphore 11 et celui de la couche de transmission de la lumière 12 soient proches l'un de l'autre pour la lumière fluorescente. Plus précisément, il est préférable que le rapport entre l'indice de réfraction de la couche de transmission de la lumière 12 et celui de la couche de phosphore 11 soit compris entre 0,90 et 1,10 à la longueur d'onde de la lumière fluorescente. Lorsque, par exemple, le GS20 décrit ci-dessus est utilisé pour la couche de phosphore 11, du quartz synthétique peut être utilisé comme matériau satisfaisant à l'exigence décrite ci-dessus. C'est-à-dire qu'en utilisant des matériaux dont le composant principal est le dioxyde de silicium (SiO2) pour former la couche de phosphore 11 et la couche de transmission de la lumière 12, la réflexion à l'interface peut être supprimée.
Comme décrit ci-dessus, lors de l'utilisation du scintillateur 10 des figures 1A, 1B, il est possible de réduire de manière significative uniquement la hauteur d'impulsion de la sortie d'impulsion due aux photons gamma, sans réduire celle due aux neutrons et l'efficacité de détection des neutrons. Par conséquent, il devient possible de distinguer les neutrons des photons gamma uniquement par la hauteur d'impulsion. Ici, étant donné que la constante de temps de décroissance des impulsions de sortie est déterminée par le matériau constituant la couche de phosphore 11, et que la constante de temps de décroissance n'est pas augmentée au moins en employant la configuration décrite ci-dessus, l'utilisation d'un matériau ayant une petite valeur pour la constante de temps de décroissance, pour la couche de phosphore 11, permet la mesure dans une condition de dose élevée, de manière similaire aux scintillateurs habituels.
Ensuite, une description sera donnée d'un aspect de l'utilisation pratique du scintillateur 10 dans un détecteur. Les figures 6A et 6B montrent schématiquement deux types de détecteurs de neutrons 1 et 2 dans lesquels le scintillateur 10 décrit ci-dessus est utilisé. Dans les schémas, une flèche A représente la direction d'incidence des neutrons à détecter ou des rayons gamma qui constituent un obstacle à la détection des neutrons, et les flèches B, C et D représentent les directions progressives des parties respectives de la lumière fluorescente émise par les neutrons ou les rayons gamma dans le scintillateur 10 qui doivent être détectées par un photodétecteur.
Le photodétecteur utilisé ici est celui qui a une haute résolution temporelle et qui est capable d'émettre des impulsions de sortie en recevant la lumière fluorescente décrite ci-dessus émise par la couche de phosphore 11, et plus particulièrement un tube photomultiplicateur ou similaire.
Dans le détecteur de neutrons 1 de la , la direction d'incidence des neutrons (flèche A) et celle de la lumière à détecter par le photodétecteur 21 (flèche B) sont réglées pour être dans la direction de superposition de la (direction de l'axe z). Par conséquent, lorsque le scintillateur 10 est de forme plane s'étendant dans le plan x-y sur les figures 1A, 1B, la configuration peut être mise en œuvre particulièrement facilement.
De plus, bien que le photodétecteur unique 21 soit utilisé sur la , un photodétecteur multicanaux ou similaire peut être utilisé par rapport au plan x-y des figures 1A, 1B. Dans ce cas, les positions d'absorption des neutrons (positions de luminescence) dans le plan x-y du scintillateur 10 peuvent être reconnues avec une résolution presque égale à l'intervalle de canal du photodétecteur. Dans ce cas, tout comme le photodétecteur, le scintillateur 10 peut être disposé de manière similaire sous une forme divisée.
Comme le montrent les points (B) et (C) de la , les positions auxquelles l'absorption des neutrons se produit varient en profondeur en raison d'une probabilité non élevée d'absorption des neutrons, et par conséquent, dans le cas présent, les couches de phosphore 11 et les couches de transmission de la lumière 12 sont configurées dans la structure multicouche, comme décrit ci-dessus. Sur la , la lumière fluorescente émise par la couche de phosphore 11 sur le côté le plus superficiel (le côté le plus à gauche sur la ) atteint le photodétecteur 21 après avoir traversé toutes les couches situées plus près du photodétecteur 21 que la couche de phosphore 11 (quatre couches de transmission de lumière 12 et quatre couches de phosphore 11), comme indiqué par un chemin R1. En revanche, la lumière fluorescente émise par la couche de phosphore 11 du côté le plus proche du photodétecteur 21 (le côté le plus à droite) atteint directement le photodétecteur 21 à une courte distance, comme indiqué par un chemin R2. Par conséquent, lorsque l'absorption, la désintégration et la réflexion entre les couches de lumière fluorescente ne peuvent être négligées dans les couches de phosphore 11 et les couches de transmission de la lumière 12, la première lumière fluorescente est détectée comme ayant une intensité plus faible (hauteur d'impulsion plus faible) que la seconde dans le photodétecteur 21. Par conséquent, même lorsque la même énergie est transférée, l'intensité de luminescence à détecter (hauteur d'impulsion) peut différer selon la couche de phosphore 11 de la dans laquelle l'énergie est transférée. Cela élargit D1 sur la dans la direction latérale.
La montre un résultat de la mesure pratique de l'influence de la couche de transmission de lumière 12 dans une telle détection de lumière fluorescente. C'est le résultat de la mesure des distributions de hauteur d'impulsion dans la sortie du photodétecteur 21 correspondant à D1 sur la , en utilisant la configuration de la , où, dans le but d'étudier l'influence, seule la plus à gauche des couches de phosphore 11 illustrées sur la a été fournie, sans qu'aucune autre des couches de phosphore 11 ne soit fournie, et le nombre de couches de transmission de lumière 12 fournies sur le côté droit de la couche de phosphore unique 11 a été modifié. La différence du nombre de couches de transmission de la lumière 12 entraîne une différence d'influence de l'épaisseur totale des couches de transmission de la lumière à travers lesquelles la lumière fluorescente doit passer, et de la réflexion entre les couches. Dans ce cas, les couches de transmission de la lumière 12 étaient faites de quartz synthétique, et l'épaisseur de chaque couche individuelle était fixée à 2,5 mm. Sur la , le cas représenté par « 0 couche de verre » correspond à celui où la lumière fluorescente émise par la couche de phosphore 11 atteint le photodétecteur 21 sans traverser aucune couche de transmission de lumière 12, le cas représenté par « 4 couches de verre » correspond à celui où quatre couches de transmission de lumière 12 (avec une épaisseur totale de 10 mm) sont prévues, et le cas représenté par « 12 couches de verre » correspond à celui où douze couches de transmission de lumière 12 (avec une épaisseur totale de 30 mm) sont prévues. A partir de ce résultat, même en utilisant un matériau présentant une transmission lumineuse suffisamment élevée comme le quartz synthétique, une diminution de la hauteur d'impulsion détectée n'est pas négligeable. Lorsque le scintillateur 10 ayant la structure de la est utilisé dans la , la couche de phosphore 11 à partir de laquelle la lumière fluorescente détectée par le photodétecteur 21 a été émise est variable, ce qui entraîne une variation du nombre (épaisseur totale) de couches traversées par la lumière fluorescente, et par conséquent, une distribution de hauteur d'impulsion pratiquement obtenue par le photodétecteur 21 devient la somme des distributions d'impulsion illustrées dans la . Dans ce cas, même si l'élargissement de la distribution des impulsions (largeur totale du demi-maximum) représentée sur la est faible pour chaque couche de phosphore individuelle, l'élargissement de la distribution de la hauteur d'impulsion additionnée est accru. Ceci n'est pas souhaitable pour rendre les distributions D1 et D3 de la distinctes l'une de l'autre.
Par conséquent, dans le cas de la configuration de la , il est préférable que la transmission de la lumière soit élevée pour la couche de phosphore 11 et la couche de transmission de la lumière 12 et que la réflectance à l'interface de ces couches soit faible (la différence d'indice de réfraction est faible entre les couches). De plus, il est préférable de ne pas augmenter le nombre total de couches stratifiées plus que nécessaire.
La , montre la variation de la distribution de la hauteur d'impulsion dans la détection des neutrons en fonction du nombre de couches de transmission de la lumière 12 que la lumière fluorescente doit traverser, concernant l'influence de la couche de transmission de la lumière 12 sur la détection de la lumière fluorescente par le photodétecteur 21. La sensibilité aux rayons gamma lorsque l'épaisseur de la couche de transmission de lumière 12 est variée est ensuite décrite.
Les figures 8 et 9 montrent chacune un résultat du calcul de la sensibilité aux rayons gamma lors de la variation de l'épaisseur de la couche de transmission de lumière 12, où, de manière similaire au cas de la , l'épaisseur totale des couches de phosphore 11 est fixée à 5 mm, et est répartie en une seule couche (avec une épaisseur de 5 mm), parmi trois couches (chaque couche individuelle ayant une épaisseur de 1,67 mm), parmi 5 couches (chaque couche individuelle ayant une épaisseur de 1 mm), parmi 10 couches (chaque couche individuelle ayant une épaisseur de 0,5 mm), et parmi 20 couches (chaque couche individuelle ayant une épaisseur de 0,5 mm). 67 mm), entre 5 couches (chaque couche individuelle ayant une épaisseur de 1 mm), entre 10 couches (chaque couche individuelle ayant une épaisseur de 0,5 mm), et entre 20 couches (chaque couche individuelle ayant une épaisseur de 0,25 mm), et les figures 8 et 9 montrent respectivement les résultats pour des cas d'énergie de rayons gamma de 2,2 MeV et 5 MeV. La couche de transmission de la lumière 12 est supposée être faite de quartz synthétique. Contrairement à la , l'axe vertical est représenté sur une échelle logarithmique.
D'après les résultats des figures 8 et 9, il est constaté que, dans la structure multicouche, la sensibilité aux rayons gamma (intensité de luminescence) diminue avec l'augmentation de l'épaisseur totale des couches de transmission de lumière 12 ne contribuant pas à la luminescence. De ce fait, lorsque l'absorption des neutrons par la couche de transmission de la lumière 12 peut être négligée, il est préférable que la couche de transmission de la lumière 12 soit épaisse afin de réduire l'intensité de la luminescence due aux photons des rayons gamma. Toutefois, lorsque l'absorption des neutrons par la couche de transmission de lumière 12 est faible, l'efficacité de détection des neutrons diminue progressivement avec l'augmentation de l'épaisseur totale des couches de transmission de lumière 12. De plus, en particulier dans un aspect illustré sur la , qui sera décrit ultérieurement, une zone de photodétection du photodétecteur doit être agrandie lorsque la couche de transmission de la lumière 12 est épaisse, ce qui entraîne un autre inconvénient en termes de coût. Par conséquent, il n'est pas souhaitable d'augmenter l'épaisseur de la couche de transmission de lumière 12 plus que nécessaire, et spécifiquement, une épaisseur de la couche de transmission de lumière 12 d'environ 6 mm (1,3 g/cm2en termes de longueur de densité) ou moins est préférable. Comme le montre la , lorsque la couche de phosphore 11 est fixée à 0,25 mm d'épaisseur (0,0625 g/cm2en termes de longueur de densité), un effet suffisant de suppression de la sensibilité aux rayons gamma de 2,2 MeV est attendu même lorsque la couche de transmission de lumière 12 a une épaisseur de 1 mm (0,2 g/cm2en termes de longueur de densité). Toutefois, lorsque la couche de phosphore 11 est fixée à 0,25 mm d'épaisseur, le nombre total de couches de phosphore 11 doit être élevé afin de garantir l'efficacité de la détection des neutrons, ce qui provoque un élargissement de la distribution de la hauteur d'impulsion dans la configuration de la , comme décrit ci-dessus, et est donc indésirable. Même dans le cas de l'utilisation de la configuration de la , lorsque la couche de transmission de la lumière 12 est trop mince, l'efficacité de la propagation de la lumière dans la direction du plan est diminuée, ce qui provoque également un élargissement de la distribution de la hauteur d'impulsion et, par conséquent, est indésirable en ce qui concerne la séparation des distributions D1 et D3 de la . Par conséquent, lorsqu'elle est exprimée en termes de longueur de densité comme dans le cas décrit ci-dessus de la couche de phosphore 11, la gamme préférée pour la couche de transmission de la lumière 12 est de 0,2 g/cm2à 1,3 g/cm2.
Durant ce temps, dans le détecteur de neutrons 2 de la , les directions d'incidence (flèches C et D) de la lumière fluorescente à détecter par les photodétecteurs sont différentes de celles du cas de la de 90 degrés, où deux photodétecteurs, un premier photodétecteur 31A et un second photodétecteur 31B, opposés l'un à l'autre sont utilisés, avec le scintillateur 10 inséré entre eux dans la direction y. Comme la luminescence qui se produit lorsque des neutrons sont absorbés dans la couche de phosphore 11 n'a pas de directionnalité spécifique, et que la lumière est émise dans toutes les directions, la lumière émise peut être détectée également par les photodétecteurs 31A et 31B.
Dans ce cas, la lumière émise par la couche de luminophore 11 la plus à gauche sur la et la lumière émise par la couche de luminophore 11 la plus à droite, mentionnées précédemment, traversent chacune la couche de luminophore 11 ayant émis la lumière et les couches de transmission de lumière 12 voisines de la couche de luminophore 11, le long de la direction y, et il n'y a pas de différence entre elles dans la longueur du trajet entre leur émission et leur arrivée aux photodétecteurs 31A et 31B. Par conséquent, dans le cas présent, contrairement au cas de la , la hauteur d'impulsion ne diffère pas en fonction de celle des cinq couches de phosphore 11 qui a émis la lumière (a absorbé les neutrons), et par conséquent, il ne se produit pas d'élargissement de la distribution de la hauteur d'impulsion en raison de l'utilisation de la structure multicouche.
D'autre part, lorsqu'une telle absorption de lumière ou similaire dans la couche de phosphore 11 et la couche de transmission de lumière 12 telle que décrite ci-dessus ne peut être négligée, elle affecte la hauteur d'impulsion des impulsions de sortie obtenues par les photodétecteurs 31A et 31B. Dans la , lorsque les neutrons sont absorbés du côté du photodétecteur 31A (côté supérieur dans le schéma) dans une couche de phosphore 11, la lumière ainsi émise atteint le photodétecteur 31A via un court chemin R3 et atteint le photodétecteur 31B via un long chemin R4. En revanche, lorsque les neutrons sont absorbés du côté du photodétecteur 31B (côté inférieur dans le schéma) dans une couche de phosphore 11, la lumière ainsi émise atteint le photodétecteur 31A par un long chemin R5 et le photodétecteur 31B par un court chemin R6. Par conséquent, dans un cas où l'absorption de la lumière ne peut pas être négligée, lorsque les neutrons sont absorbés du côté du photodétecteur 31A, la hauteur d'impulsion dans le photodétecteur 31A devient plus élevée et celle dans le photodétecteur 31B devient plus faible, l'une par rapport à l'autre, et elles ont une relation inverse lorsque les neutrons sont absorbés du côté du photodétecteur 31B. C'est-à-dire qu'il y a une distribution de la hauteur des impulsions de sortie dans chacun des photodétecteurs 31A et 31B en fonction de la position d'incidence des neutrons dans la direction y.
En revanche, dans le détecteur de neutrons 2, une impulsion de sortie du photodétecteur 31A (première impulsion de sortie) PA et celle du photodétecteur 31B (deuxième impulsion de sortie) PB sont entrées dans un circuit de comptage de coïncidences (unité de comptage de coïncidences) 32. Le circuit de comptage de coïncidences 32 émet leur somme PA+PB lorsqu'il reconnaît simultanément l'impulsion de sortie PA et l'impulsion de sortie PB. La hauteur d'impulsion de PA+PB est presque indépendante de la position d'incidence des neutrons dans la direction y, et correspond à l'énergie absorbée par absorption des neutrons dans la couche de phosphore 11. Par conséquent, en utilisant un tel circuit de comptage de coïncidences 32 et en obtenant ainsi des impulsions de sortie indépendantes de la position d'incidence des neutrons dans la direction y, même dans le cas où une absorption de lumière se produit dans la couche de phosphore 11, il est possible de supprimer l'élargissement de la distribution de la hauteur d'impulsion dans la détection des neutrons. Par conséquent, il est facile de distinguer les sorties des deux types de rayonnements. Toutefois, étant donné que la décroissance de la lumière due à l'absorption est liée de manière non linéaire à la distance entre la position incidente et le photodétecteur, par exemple, une simple somme de PA et PB n'est pas exactement une quantité indépendante de la position incidente. Plus exactement, il est préférable d'utiliser une hauteur d'impulsion indépendante de la position incidente calculée de manière appropriée à l'aide de PA et PB en tenant compte du point décrit ci-dessus. Ici, le circuit de comptage de coïncidences 32 peut être configuré sous la forme d'un circuit électrique, ou peut être configuré en utilisant un ordinateur ou similaire qui effectue un traitement sur des impulsions de sortie numérisées. En particulier, dans le cas de l'utilisation d'un ordinateur, le traitement ne doit pas nécessairement être effectué en temps réel au moment de la détection, et peut être effectué par l'ordinateur collectivement sur une série de données d'impulsions de sortie après avoir stocké les données pendant une certaine période de temps, par exemple. Dans ce cas, le traitement peut être effectué dans un état hors ligne séparé de l'environnement de mesure en disposant le circuit de comptage de coïncidences 32 à l'écart des photodétecteurs et autres.
De plus, même dans la configuration de la , en prévoyant des photodétecteurs 31A sous la forme d'un réseau le long de la direction x, en prévoyant de manière similaire des photodétecteurs 31B, et en prévoyant des circuits de comptage de coïncidence 32 en fonction des photodétecteurs, par exemple, les positions d'absorption de neutrons (positions de luminescence) dans la direction x peuvent être reconnues.
Dans la configuration de la , étant donné que la lumière fluorescente générée par l'absorption de neutrons est théoriquement toujours détectée par les photodétecteurs 31A et 31B en même temps, une composante de bruit sans rapport avec la détection de rayonnements tels que les neutrons est éliminée des sorties des photodétecteurs 31A et 31B et n'est pas comprise dans la sortie du circuit de comptage de coïncidence 32, à moins que sa sortie simultanée ne se produise accidentellement. Ici, en ce qui concerne la synchronisation des sorties des photodétecteurs 31A et 31B dans le circuit de comptage de coïncidences 32, celles qui se produisent toutes les deux dans une courte période de temps déterminée de manière appropriée sont reconnues comme étant synchrones entre elles.
Dans le cas illustré sur la où la lumière émise dans la direction y est détectée par les photodétecteurs, lorsque l'absorption de la lumière dans la couche de phosphore 11 peut être négligée, une configuration ne comprenant pas le circuit de comptage de coïncidences 32 sur la et comprenant uniquement l'un ou l'autre des photodétecteurs 31A et 31B peut être utilisée. De plus, il est particulièrement efficace d'utiliser une configuration telle que décrite précédemment, les couches de phosphore 11 sont formées pour être minces dans la direction z, et les couches de transmission de la lumière 12 plus épaisses que les couches de phosphore 11 sont prévues adjacentes aux couches de phosphore 11 respectives, permettant ainsi la détection non seulement de la lumière se propageant dans les couches de phosphore 11, mais également de la lumière se propageant dans les couches de transmission de la lumière 12, le long de la direction y.
Second mode de réalisation
Second mode de réalisation
Ensuite, une description d'un deuxième mode de réalisation qui utilise un scintillateur ayant une structure différente de celle du scintillateur 10 montré dans les FIGS. 1A, 1B sera détaillé. La est une vue en coupe transversale montrant la structure d'un tel scintillateur 50 utilisé dans le présent mode de réalisation, qui correspond à la . Dans le scintillateur 50, comme dans le scintillateur 10, cinq couches de phosphore 11 et cinq couches de transmission de la lumière 12 sont prévues, et les couches de phosphore 11 émettent une lumière fluorescente par interaction avec des neutrons (ou des rayons gamma).
Toutefois, dans le cas présent, une fine couche de protection contre la lumière 13 qui ne transmet pas, mais réfléchit la lumière fluorescente est formée sur le côté droit de chacune des couches de transmission de la lumière 12 dans le schéma. Il est préférable que la couche de protection contre la lumière 13 soit constituée d'un matériau ne transmettant pas la lumière fluorescente, mais absorbant de manière négligeable les neutrons (par exemple, l'aluminium). En général, il est difficile d'absorber les neutrons, mais facile de protéger la lumière visible et la lumière ultraviolette en utilisant un métal mince, et il est donc facile de fournir une telle couche de protection contre la lumière 13. De plus, l'énergie des rayons gamma ou des électrons de haute énergie générés par les rayons gamma peut être absorbée par la couche de protection contre la lumière 13. Parallèlement, dans le scintillateur 50, la détection de la lumière est effectuée en termes de chacun des segments, comme cela sera décrit plus tard, où la couche de protection contre la lumière 13 sert de limite entre les segments. L'épaisseur de la couche de protection contre la lumière 13 peut être réglée de manière à faciliter la détection de la lumière au niveau de chaque segment. Ce réglage est également facile, car l'absorption des neutrons par l'aluminium ou similaire, par exemple, est faible.
Sur la , la lumière émise par une couche de phosphore 11 entre dans la couche de transmission de la lumière 12 adjacente, mais son incidence sur une couche de phosphore 11 voisine de la couche de transmission de la lumière 12 adjacente est empêchée par la couche de protection contre la lumière 13. Par conséquent, le scintillateur 50 est divisé en cinq segments S1 à S5 dans la direction z, la couche de protection contre la lumière 13 étant chaque limite, en ce qui concerne la lumière fluorescente. Dans la , une couche de phosphore 11 et une couche de transmission de la lumière 12 sont prévues dans chaque segment, et la lumière émise par l'une des couches de phosphore 11 progresse uniquement à l'intérieur du segment comprenant la couche de phosphore 11, en particulier le long de la direction y. De plus, en raison de l'existence de la couche de protection contre la lumière 13, la lumière émise par la couche de phosphore 11 est envoyée uniquement dans les directions des flèches C et D illustrées sur la , mais pas dans la direction d'une flèche B sur la .
Ici, comme dans le cas de la , le nombre de couches stratifiées comprenant les couches de phosphore 11 et autres est fixé de manière appropriée dans la pratique. De plus, alors que chaque segment est composé d'une couche de phosphore 11 et d'une couche de transmission de la lumière 12 dans l'exemple de la , une pluralité de couches de phosphore 11 et une pluralité de couches de transmission de la lumière 12 peuvent être prévues dans chaque segment (chacune des régions séparées par les couches de protection contre la lumière 13).
Comme décrit ci-dessus, contrairement au fait que l'absorption d'un seul neutron provoque une luminescence uniquement dans une seule couche de phosphore 11, un seul photon de rayon gamma peut provoquer une luminescence dans plus d'une couche de phosphore 11. Dans ce cas, lorsque les segments S1 à S5 sont disposés comme dans la structure de la et que la détection de la luminescence est ainsi effectuée en fonction de chacun des segments, l'influence de la luminescence dans les autres segments est supprimée par rapport à la luminescence due aux photons gamma, ce qui permet une réduction supplémentaire de l'intensité de la luminescence due aux photons gamma.
Dans le cas présent, le scintillateur 50 ne peut pas être utilisé à la place du scintillateur 10 de la , car la lumière ne peut pas être extraite dans la direction de la flèche B de la , mais il peut être utilisé à la place du scintillateur 10 de la . De plus, le scintillateur 50 peut être utilisé selon un aspect différent de celui de la . La montre une configuration d'un tel détecteur de neutrons 3 d'une manière correspondant à la . Le scintillateur 50 y est représenté d'une manière simplifiée où il n'est représenté que par les segments S1 à S5.
Dans la configuration, de manière à correspondre aux photodétecteurs 31A et 31B de la , les photodétecteurs 61A et 61B sont prévus dans le segment S1, les photodétecteurs 62A et 62B dans le segment S2, les photodétecteurs 63A et 63B dans le segment S3, les photodétecteurs 64A et 64B dans le segment S4, et les photodétecteurs 65A et 65B dans le segment S5. De plus, d'une manière correspondant au circuit de comptage de coïncidence 32 de la , les sorties P1A et P1B de l'unité de comptage de coïncidence de l'unité de comptage de coïncidence de la . 6B, les sorties P1Aet P1Bdes photodétecteurs 61A et 61B sont entrées dans un circuit de comptage de coïncidences (unité de comptage de coïncidences) 71, les sorties P2Aet P2Bdes photodétecteurs 62A et 62B dans un circuit de comptage de coïncidences (unité de comptage de coïncidences) 72, les sorties P3Aet P3Bdes photodétecteurs 63A et 63B à un circuit de comptage de coïncidence (unité de comptage de coïncidence) 73, les sorties P4Aet P4Bdes photodétecteurs 64A et 64B à un circuit de comptage de coïncidence (unité de comptage de coïncidence) 74, et les sorties P5Aet P5Bdes photodétecteurs 65A et 65B à un circuit de comptage de coïncidence (unité de comptage de coïncidence) 75.
Par conséquent, le circuit de comptage de coïncidence 71 émet P1 qui est une somme des impulsions de sortie P1Aet P1Breconnues comme étant synchrones dans les photodétecteurs 61A et 61B, et de manière similaire, les circuits de comptage de coïncidence 72 à 75 émettent respectivement P2à P5, chacun étant une somme des impulsions de sortie de deux photodétecteurs connectés au circuit correspondant des circuits de comptage de coïncidence. C'est-à-dire que dans le détecteur de neutrons 3, la configuration du détecteur de neutrons 2 de la est mise en œuvre dans chacun des segments, et P1à P5sont obtenus en tant que sorties des canaux respectifs des différents canaux. Ici, P1(et similaire) ne doit pas nécessairement être déterminé pour être une somme de P1Aet P1B(et similaire) comme décrit ci-dessus, mais une valeur de P1(et similaire) peut être calculée de manière appropriée à partir de P1Aet P1B(et similaire) en effectuant une correction sur une composante non linéaire indépendante des positions incidentes et être ensuite utilisée.
Ainsi, dans le cas de l'utilisation du scintillateur 50 de la , les impulsions de sortie P1à P5correspondant respectivement aux segments S1 à S5 sont extraites des canaux respectifs des différents canaux CH1 à CH5, où PA+PBextrait en tant que sortie à la correspond à chacun des P1à P5dans le cas présent.
La montre un résultat de calcul effectué concernant le fait que l'intensité de luminescence due aux photons des rayons gamma peut être particulièrement réduite dans la configuration de la , d'une manière correspondant à la . La sensibilité aux rayons gamma est montrée lorsque le nombre de couches de phosphore 11 (ou l'épaisseur de chaque couche individuelle) varie, tout en maintenant l'épaisseur totale des couches de phosphore 11 constante, avec ou sans segmentation.
Sur la , concernant le résultat de la décrit ci-dessus sur le scintillateur 10 (sensibilité aux rayons gamma de 2,2 MeV), un résultat de calcul similaire sur le scintillateur 50 obtenu en appliquant une segmentation au scintillateur 10 à l'aide des couches de protection contre la lumière 13 (avec segmentation) est montré, ainsi que le résultat de la (sans segmentation). Ici, le cas de l'épaisseur de 5 mm correspond à celui de l'utilisation d'une seule couche de phosphore 11, et est donc pratiquement identique pour les deux cas avec et sans segmentation. Pour les cas de la structure multicouche, un résultat de calcul sur la première des couches de phosphore 11 (segment S1), dont l'intensité de luminescence (absorption d'énergie) due aux photons gamma est la plus élevée, est montré. Le résultat montre que, lorsque la segmentation est appliquée, l'intensité de la luminescence due aux photons gamma peut être considérablement réduite, par rapport aux cas sans segmentation, en particulier dans les cas d'un grand nombre de couches de phosphore 11 plus minces. D'autre part, lorsque l'absorption de l'énergie des neutrons par la couche de protection contre la lumière 13 peut être négligée, l'intensité de luminescence due à l'absorption des neutrons est la même que celle du scintillateur 10. Par conséquent, la capacité de distinction n/γ peut être particulièrement accrue en utilisant la configuration de la .
Dans la configuration de la , comme les sorties sont extraites des cinq canaux (CH1 à CH5), la distinction et la détection des neutrons peuvent être effectuées en termes de chacun des canaux, où la distinction est particulièrement facile à effectuer. De plus, lorsque les sorties sont ainsi extraites séparément des cinq canaux, par exemple, le taux de comptage de chaque segment est réduit, et par conséquent la configuration est également efficace dans une condition de dose élevée. De plus, la configuration est également efficace dans un cas où une mesure précise de la vitesse des neutrons est requise, comme dans la mesure du TOF des neutrons, car il est possible de reconnaître dans quelle couche de phosphore (segment) les neutrons ont subi une réaction, ce qui réduit l'incertitude sur la distance.
La montre une configuration d'un détecteur de neutrons 4 correspondant à une modification du détecteur de neutrons 3 de la . Contrairement au cas du détecteur de neutrons 3 de la où les sorties sont extraites pour les canaux respectifs des cinq canaux, un circuit de comptage d'anti-coïncidence (unité de comptage d'anti-coïncidence) 81 est utilisé pour générer une seule sortie dans le détecteur de neutrons 4.
Le circuit de comptage d'anti-coïncidence 81 accepte CH1 (P1) à CH5 (P5) et ne sort qu'un seul CH1 (P1) à CH5 (P5) dont la synchronicité n'a pas été reconnue, à l'inverse du circuit de comptage de coïncidence 32 décrit ci-dessus. Par conséquent, l'un des éléments P1à P5est sorti du circuit de comptage d'anti-coïncidence 81. Le fait que la synchronisation de cette sortie n'a pas été reconnue signifie qu'aucun des autres segments que le segment correspondant à l'impulsion de sortie à délivrer (P1à P5) n'a émis de lumière simultanément avec le segment correspondant. Alors que la distinction entre les neutrons et les photons gamma est effectuée sur la base de la hauteur d'impulsion, comme déjà décrit, les photons gamma peuvent provoquer une luminescence simultanée dans plus d'un des segments, et par conséquent l'utilisation du circuit de comptage anti-coïncidence 81 permet également de supprimer la détection des rayons gamma et d'augmenter encore la capacité de distinction n/γ. Comme dans le cas du circuit de comptage de coïncidence 32 décrit précédemment, le circuit de comptage anti-coïncidence 81 peut être configuré à l'aide d'un ordinateur, et le traitement informatique ne doit pas nécessairement être effectué en temps réel, mais peut être effectué hors ligne. En particulier dans une condition de dose élevée, la probabilité que plus d'un signal soit compté accidentellement en même temps dans chaque segment augmente, ce à quoi il faut faire attention lors de l'utilisation du circuit de comptage anti-coïncidence 81.
L'effet de la segmentation décrit ci-dessus varie en fonction de l'énergie des rayons gamma. La montre le résultat d'un calcul pour des rayons gamma de 5,0 MeV effectué de manière similaire à celui effectué pour obtenir le résultat pour des rayons gamma de 2,2 MeV montré à la . Lorsque les rayons gamma incidents sont de haute énergie, la probabilité est élevée que les électrons de haute énergie diffusés dans une couche de phosphore 11 pénètrent à travers la couche de phosphore 11, puis pénètrent également à travers une couche de transmission de la lumière 12, et entrent ensuite dans une couche de phosphore 11 située à côté de la couche de transmission de la lumière 12, contribuant ainsi à la luminescence de celle-ci. De plus, la probabilité est très élevée que les électrons à haute énergie diffusés dans une couche de transmission de lumière 12 ne soient pas complètement absorbés dans la couche de transmission de lumière 12 et soient également absorbés dans une couche de phosphore située à côté de la couche de transmission de lumière 12. Pour cette raison, dans le cas sans segmentation de la , la sensibilité aux rayons gamma est plus élevée lorsque l'épaisseur de la couche de phosphore 11 est de 1 mm (0,25 g/cm2en termes de longueur de densité) ou de 1,67 mm (0,42 g/cm2en termes de longueur de densité) que lorsqu'elle est de 5 mm (1,25 g/cm2en termes de longueur de densité) (art antérieur). Toutefois, lorsque la segmentation est adoptée, la luminescence se produisant dans une pluralité de couches de phosphore 11 génère séparément la sortie de chaque segment, et par conséquent la sortie de chaque segment diminue et la sensibilité est fortement réduite. Par conséquent, l'effet de la segmentation est plus important lorsque l'énergie des rayons gamma est plus élevée. De plus, pour ces rayons gamma à haute énergie, le circuit de comptage anti-coïncidence 81 décrit ci-dessus est particulièrement efficace.
Dans le deuxième mode de réalisation, une plage préférée de l'épaisseur (longueur de densité) de la couche de phosphore 11 est la même que celle du premier mode de réalisation. D'autre part, dans le cas du deuxième mode de réalisation, étant donné que la lumière fluorescente ne se propage pas entre les segments, la restriction sur l'épaisseur (longueur de densité) de la couche de transmission de la lumière 12 est relâchée. Toutefois, dans le deuxième mode de réalisation, lorsque chaque segment est épais, la zone de photodétection des photodétecteurs doit être grande, ce qui entraîne un inconvénient en termes de coût. Par conséquent, il n'est pas souhaitable d'augmenter l'épaisseur de la couche de transmission de lumière 12 plus que nécessaire, et une épaisseur de la couche de transmission de lumière 12 d'environ 6 mm (1,3 g/cm2en termes de longueur de densité) ou moins est préférable.
Dans le second mode de réalisation, alors que la couche de transmission de lumière 12 a pour fonction de propager la lumière fluorescente vers les photodétecteurs, la couche de phosphore 11 peut également guider de manière similaire la lumière fluorescente vers les photodétecteurs, et par conséquent, en particulier lorsque la segmentation est adoptée, la couche de transmission de lumière 12 n'est pas nécessairement prévue dans les segments. Toutefois, étant donné que la couche de phosphore 11 est fixée pour être mince comme décrit ci-dessus, son efficacité de propagation de la lumière (lumière fluorescente) vers les photodétecteurs n'est pas élevée dans la direction du plan. Également, il est préférable de prévoir également la couche de transmission de la lumière 12 dans les segments.
Dans la technologie décrite dans la littérature de brevet 2, des particules de phosphore inorganique et un matériau de résine sont utilisés, et il est possible de considérer que les particules de phosphore inorganique correspondent à la couche de phosphore 11 et qu'une couche faite du matériau de résine correspond à la couche de transmission de la lumière 12. Toutefois, contrairement à la couche de transmission de la lumière 12 décrite ci-dessus, la probabilité que les neutrons soient diffusés et ainsi thermalisés ou absorbés dans le matériau de résine contenant de l'hydrogène est élevée, et par conséquent, l'efficacité de détection des neutrons dans la technologie antérieure est inférieure à celle de la présente invention. De plus, alors que les particules de phosphore inorganique et le matériau de résine sont généralement constitués de matériaux complètement différents, leurs densités doivent être proches les unes des autres afin de les mélanger uniformément. Dans ces conditions, pour que leurs indices de réfraction soient proches les uns des autres afin de supprimer la réflexion à une interface entre eux, comme dans le cas de la couche de phosphore 11 et de la couche de transmission de la lumière 12 dans la présente invention, la restriction sur le matériau de la résine ou le matériau des particules de phosphore inorganique devient stricte, par conséquent, il est difficile de sélectionner et d'utiliser ces matériaux dans la pratique. En revanche, dans la présente invention, une telle restriction n'est pas placée sur les densités de la couche de phosphore 11 et de la couche de transmission de la lumière 12, et par conséquent le degré de liberté de sélection des matériaux est élevé.
De plus, dans le cas de la présente invention, en formant la couche de phosphore 11 pour qu'elle ait une forme de film mince avec une petite épaisseur dans la direction d'incidence des rayons gamma (neutrons) et en utilisant la structure en couches, la sensibilité aux rayons gamma peut être grandement réduite sans réduire celle aux neutrons, comme décrit ci-dessus, mais en revanche, dans la technologie décrite dans la littérature de brevet 2, comme la taille des particules de phosphore inorganique est isotrope et indépendante de la direction d'incidence, l'effet de réduction de la sensibilité aux rayons gamma sans réduire celle aux neutrons est faible.
Tant que la même opération peut être réalisée, une configuration spécifique du détecteur de neutrons est facultative. Par exemple, si les mêmes fonctions que celles décrites ci-dessus sont possibles, toute combinaison peut être utilisée pour la couche de phosphore et la couche de transmission de la lumière, et un composant principal peut être différent entre les couches. De plus, la configuration des photodétecteurs peut être définie de manière appropriée.
[Liste des signes de référence]
1 à 4 : Détecteur de neutrons
10, 50, 100 : Scintillateur
11 : Couche de phosphore
12 : Couche de transmission de la lumière
13 : Couche de protection contre la lumière
21 : Photodétecteur
31A, 61A, 62A, 63A, 64A, 65A : Photodétecteur (premier photodétecteur)
31B, 61B, 62B, 63B, 64B, 65B : Photodétecteur (deuxième photodétecteur)
32, 71 à 75 : Circuit de comptage de coïncidence (unité de comptage de coïncidence)
81 : Circuit de comptage d'anti-coïncidence (unité de comptage d'anti-coïncidence)
S1 à S5 : Segment
1 à 4 : Détecteur de neutrons
10, 50, 100 : Scintillateur
11 : Couche de phosphore
12 : Couche de transmission de la lumière
13 : Couche de protection contre la lumière
21 : Photodétecteur
31A, 61A, 62A, 63A, 64A, 65A : Photodétecteur (premier photodétecteur)
31B, 61B, 62B, 63B, 64B, 65B : Photodétecteur (deuxième photodétecteur)
32, 71 à 75 : Circuit de comptage de coïncidence (unité de comptage de coïncidence)
81 : Circuit de comptage d'anti-coïncidence (unité de comptage d'anti-coïncidence)
S1 à S5 : Segment
Claims (10)
- Détecteur de neutrons (1-4) configuré pour détecter des neutrons par le biais de la lumière fluorescente émise lorsque les neutrons sont absorbés par un luminophore, le luminophore contenant un isotope absorbant les neutrons qui émet des particules chargées secondaires en absorbant les neutrons,
le détecteur de neutrons comprenant un scintillateur (10, 50) configuré pour avoir une structure en couches comprenant, le long d'une direction d'incidence des neutrons, en une pluralité de combinaisons d'une couche de phosphore (11) sous forme de film mince faite du phosphore et d'une couche de transmission de lumière (12) sous forme de film mince faite d'un matériau de transmission de lumière transmettant la lumière fluorescente et étant adjacente à la couche de phosphore dans la direction de l'épaisseur, et un photodétecteur (21, 31A, 31B) configuré pour émettre une impulsion de sortie comme sortie générée lors de la détection de la lumière fluorescente.
- Détecteur de neutrons selon la revendication 1, dans lequel le photodétecteur (21) détecte la lumière fluorescente émise par le scintillateur (10) le long de la direction d'incidence.
- Détecteur de neutrons selon la revendication 1, dans lequel le photodétecteur (31A, 31B) détecte la lumière fluorescente émise par le scintillateur (10) le long d'une direction dans le plan des couches de phosphore (11) et des couches de transmission de la lumière (12).
- Détecteur de neutrons selon la revendication 3, comprenant en tant que photodétecteur, un premier photodétecteur (31A) et un second photodétecteur (31B) opposés l'un à l'autre le long de la direction dans le plan, le scintillateur (10) étant inséré entre eux, et
une unité de comptage de coïncidence (32) configurée pour délivrer, en tant que nouvelle impulsion de sortie, une sortie basée sur une première impulsion de sortie (PA) correspondant à l'impulsion de sortie (PA) du premier photodétecteur (31A) et une seconde impulsion de sortie (PB) correspondant à l'impulsion de sortie (PB) du second photodétecteur (31B) lorsqu'une synchronisation est reconnue entre les première et seconde impulsions de sortie.
- Détecteur de neutrons selon la revendication 3 ou 4, dans lequel dans le scintillateur (50),
une pluralité de segments, chacun composé d'une combinaison de la couche de phosphore (11) et de la couche de transmission de lumière (12) voisine de la couche de phosphore (11) et transmettant la lumière fluorescente émise par la couche de phosphore (11), sont formés le long de la direction d'incidence, et, dans la structure en couches, une couche de protection (13) contre la lumière pour protéger la lumière fluorescente est prévue entre les segments voisins les uns des autres dans la direction d'incidence de sorte que la lumière fluorescente dans un segment se propage dans la direction du plan, mais ne se propage pas entre les segments voisins, et les photodétecteurs (61A, 61B) sont prévus en fonction de chacun des segments.
- Détecteur de neutrons selon la revendication 5, comprenant une unité de comptage d'anti-coïncidence (81) configurée pour sortir, parmi les impulsions de sortie des segments respectifs, l'impulsion de sortie dont le synchronisme avec d'autres impulsions de sortie n'a pas été reconnu.
- Détecteur de neutrons selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel un rapport de la couche de transmission de lumière (12) à la couche de phosphore (11) en indice de réfraction pour la lumière fluorescente est dans une gamme de 0,90 à 1,10.
- Détecteur de neutrons selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel un composant principal de la couche de phosphore (11) et celui de la couche de transmission de lumière (12) sont du dioxyde de silicium (SiO2), et l'isotope absorbant les neutrons a été ajouté dans la couche de phosphore (11).
- Détecteur de neutrons selon la revendication 8, dans lequel l'isotope absorbant les neutrons est6Li ou10B.
- Détecteur de neutrons selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel une longueur de densité, correspondant au produit de la densité et de l'épaisseur, est fixée dans une gamme de 0,0625 à 0,5 g/cm2et dans une gamme de 0,2 à 1,3 g/cm2, respectivement, pour la couche de phosphore (11) et la couche de transmission de la lumière (12).
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR2214221A Pending FR3131395A1 (fr) | 2021-12-28 | 2022-12-22 | Détecteur de neutrons |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20230228890A1 (fr) |
| JP (1) | JP2023098048A (fr) |
| FR (1) | FR3131395A1 (fr) |
-
2021
- 2021-12-28 JP JP2021214537A patent/JP2023098048A/ja active Pending
-
2022
- 2022-12-22 FR FR2214221A patent/FR3131395A1/fr active Pending
- 2022-12-22 US US18/086,818 patent/US20230228890A1/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20230228890A1 (en) | 2023-07-20 |
| JP2023098048A (ja) | 2023-07-10 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
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