JP2003183637A - 中性子シンチレータ - Google Patents
中性子シンチレータInfo
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Abstract
中性子の計数を十分に行うことのできるシンチレーショ
ン検出器を実現する際に不可欠な、重元素を含まない中
性子シンチレータを提供する。 【解決手段】LiおよびBにより構成した酸化物に、C
uを添加する。LiおよびBにより構成した酸化物は、
組成比がLi2B4O7からなる透明な単結晶である。
Cuは、0.001〜0.1wt%含有される。さらに
は、単結晶の方位が<001>軸に成長させた単結晶か
ら成長軸に直角に切断、研磨した(001)面をシンチ
レータ板結晶とするものである。
Description
タに関し、さらに詳細には、中性子散乱実験などに用い
る中性子検出器であるシンチレーション検出器における
シンチレータとして用いて好適な中性子シンチレータに
関する。
たときに当該放射線を吸収して蛍光を発する物質のこと
であるが、本明細書においては、特に、中性子が当たっ
たときに当該中性子を吸収して蛍光を発する物質のこと
を中性子シンチレータと称する。
パルス中性子源の建設計画が進行中である。こうした大
強度パルス中性子源により発生される中性子ビームの強
度は、現在稼働している中性子源と比較すると2〜3桁
は高くなるものと推測されている。
る中性子検出器としては、3Heガスを用いた3Heガ
ス検出器と中性子シンチレータを用いたシンチレーショ
ン検出器が知られている。
め、中性子を検出するためには、中性子を荷電粒子ある
いはガンマ線などに変換するコンバータが必要となる。
中性子コンバータとしては、3He、6Li、10B、
113Cd、155Gd、15 7Gdが知られている
が、これらのうちCdおよびGdは重元素であり、ガン
マ線に対する感度が高いことから、中性子散乱実験用の
中性子検出器への応用には適していない。
して低感度であるという理由から、 3Heガスを用いた
中性子検出器である3Heガス検出器が主流となって用
いられている。この3Heガス検出器の中性子計数率は
104/sec程度であり、ガンマ線に対する感度が低
いので、3Heガス検出器は中性子の信号とガンマ線の
信号とをほぼ完全に識別することができる。
sec程度の計数能力を持っているが、重元素を含んで
いることからガンマ線に対する感度が高く、実際の中性
子散乱実験で使用されるケースは限られていた。
る大強度パルス中性子源が稼働すると、上記3Heガス
検出器の計数能力では高強度中性子の計数を十分には行
うことができないので、ガンマ線に対して低感度である
とともに高強度中性子の計数を十分に行うことのできる
シンチレーション検出器の開発が急務となっており、こ
のシンチレーション検出器に用いることのできる重元素
を含まない中性子シンチレータの提案が強く望まれてい
た。
いた中性子シンチレータの開発がこれまでも行われてき
ているが、重元素を含まない中性子シンチレータはこれ
まで開発されていない。また、化学組成Li2B4O7
を持つ材料は過去に研究された例はあるが、良い中性子
シンチレータとしての特性は得られていない。
に鑑みてなされたものであり、その目的とするところ
は、ガンマ線に対して低感度であるとともに高強度中性
子の計数を十分に行うことのできるシンチレーション検
出器を実現する際に不可欠な、重元素を含まない中性子
シンチレータを提供しようとするものである。
に、本発明による中性子シンチレータは、LiおよびB
により構成した酸化物に、Cuを添加したものである。
酸化物に、Cuを少量添加することにより、中性子シン
チレータとしての良い特性を得ることができた。
は、LiおよびBにより構成した酸化物に、Cuを添加
したものである。
は、本発明のうち請求項1に記載の発明において、Cu
はCu2Oで0.001〜0.1wt%含有されたもの
である。
は、本発明のうち請求項1または請求項2のいずれか1
項に記載の発明において、LiおよびBにより構成した
酸化物を、組成比がLi2B4O7からなる透明な単結
晶としたものである。
は、本発明のうち請求項3に記載の発明において、単結
晶の方位が<001>軸に成長させた単結晶から成長軸
に直角に切断、研磨した(001)面をシンチレータ板
結晶とするようにしたものである。
が正方晶形であるので、光学的には<001>軸が対称
性によりすぐれているため、(001)面に平行な板状
とし、中性子は<001>軸に平行に入射することが好
ましい。
は、単結晶からなる中性子シンチレータであって、中性
子計数能力が107/sec以上の中性子シンチレータ
としたものである。
発明による中性子シンチレータの実施の形態の一例を詳
細に説明するものとする。
ンチレータは、LiおよびBにより構成した酸化物にC
uを少量添加した単結晶である。LiおよびBにより構
成した酸化物は、例えば、Li2B4O7の組成比を備
えた透明な単結晶であり、CuがLi2B4O7単結晶
に添加される場合には、Cuは、例えば、Cu2Oで重
量比が0.001〜0.1wt%含有されることが好ま
しい。
により構成した酸化物の単結晶を「LBO単結晶」と称
する。
は、例えば、以下の実施例1および実施例2に示す製造
方法により作製することができる。
た中性子シンチレータの製造方法を示す。
シンチレータは、ブリッジマン法、より詳細には、縦型
ブリッジマン法で育成した。単結晶育成炉は、カンタル
線ヒータ加熱方式の3ゾーンからなる縦型ブリッジマン
式電気炉である。
60mm、下部にはφ5×50mmの種管を設け、それ
らの中間には断面の角度が90°の円錐形のコーン部が
溶接されている。なお、るつぼの厚さは0.3mmであ
り、材質はPtである。
を約φ4.9mm×37mmに加工し、当該加工した無
添加LBO単結晶を種結晶として、上記るつぼ内の下部
に設置した。種結晶の長手方向(単結晶育成方向)の方
位は、LBO結晶の光学的異方性を考慮して<001>
とした。原料は、富山薬品工業株式会社製の純度が9
9.99%の高純度四ホウ酸リチウム(Li2B
4O7)と市販の純度99.99%の酸化銅(Cu
2O)とであり、Cu2Oの濃度が0.05wt%とな
るように秤量して用いた。即ち、Li2B4O7を4
9.75g、Cu2Oを0.025g秤量し、それを混
合してるつぼに投入した。原料を投入したるつぼを、上
記電気炉内の下部に設置した。
位置がLBO単結晶の融点である917℃になるように
した。この位置が、LBO単結晶育成の育成ポイントと
なる。
に適した23℃/cmとなるように各ゾーンの温度を調
整した。るつぼのシード部が育成ポイントとなる位置ま
で、るつぼを上昇させて停止させ、約24時間保持し
て、るつぼ内の原料を融かした。その後るつぼを0.3
mm/hの速度で降下させることで、単結晶を育成し
た。単結晶育成中の炉内雰囲気は、窒素である。
せた後は、るつぼの降下を停止し、各ゾーンの温度を約
20時間で室温まで下げた。冷却が完了して室温に達し
たら炉内から単結晶の入ったるつぼを取出し、るつぼを
剥ぎ取ることで単結晶を取出した。
種結晶が約30mm、コーン部の長さが約10mm、平
行部が約φ20×55mm、全重は約49gであった。
単結晶の良質部分の微量分析を行った結果、Cu2O濃
度は0.03wt%であり、添加したCuが確実に固溶
していることが確認できた。得られた単結晶の良質部分
を切断機を用いて、成長軸に垂直に特定の寸法に切り出
し、必要な面(001)を鏡面に研磨して、Cu添加L
BO単結晶の評価用サンプルとした。
O単結晶の評価用サンプルに中性子を照射し、中性子シ
ンチレーション特性の評価を行って、Cu添加LBO単
結晶の中性子シンチレータとしての機能を評価した。ま
た、中性子シンチレーションの特性と密接に関連する紫
外線照射による発光特性を評価した。
ンチレーション特性の評価を行った。評価に用いたセッ
トアップを図1に示す。用いた中性子の波長は、λ=
1.1nm(Δλ/λ=13%)である。試料は、対向
した2つの光電子増倍管(Hamamatsu H65
68)で挟み込んだ。試料と光電子増倍管の窓は、オプ
ティカルグリースを用いて接着した。光電子増倍管に
は、電圧−950Vを印加した。光電子増倍管の遮光に
は、中性子透過性のある塩化ビニールの遮光シートを用
いた。2つの光電子増倍管の出力信号のうち、同期した
信号のみを電荷積分型アナログデジタル変換器(Phi
lips 7166)を用いて計測した。
ション特性を評価するために、試料に中性子を照射した
際と、ビームラインを中性子の遮蔽材である6LiFを
30wt%含んだ厚さ5mmのテフロン(登録商標)板
で塞いだ際の光電子増倍管の出力信号を測定し比較し
た。また、比較のため、中性子シンチレータLiガラス
[Bicron GS20]のシンチレーション光の測
定を行った。
吸収率測定を行った。
製して、紫外線による発光強度を蛍光分光光度計(日立
F4500)を用いて測定した。測定に用いた試料形状
は、面積が10×20mm、厚さが5mmtで表面を平
滑に鏡面研磨した。
性子の照射に伴う発光が認められ、良い発光特性が観測
された。
値のヒストグラムおよび信号波形を図2乃至図5に示
す。
u)に中性子を照射した時と照射していない時に測定し
た出力信号の積分値のヒストグラムである。この2つの
図の比較から、中性子の照射によりLBO(Cu)が発
光することが明らかとなった。図4および5に、それぞ
れLBO(Cu)および比較のために測定したLiガラ
ス[Bicron G20]のシンチレーション光波形
を示す。LBO(Cu)のシンチレーション光の減衰時
間は約2ナノ秒であり、Liガラスと比較して桁違いに
短いことがわかった。また、LBO(Cu)のシンチレ
ーション光の光量は、Liガラスの数%であった。
に対して、中性子の吸収率測定を行った結果、波長0.
65nmおよび0.37nmの中性子に対して共に10
0%であった。参考までに、熱中性子(波長0.18n
m)および冷中性子(波長0.65nm)に対する吸収
率の計算値を図6に示す。
った。その結果、波長が245nmの紫外線の励起によ
って360nmに強い蛍光が現れることを確認した。ま
た、蛍光の強度は添加したCuの濃度に依存することも
明らかになった。
7にCu2Oを添加すると蛍光が現れ、Cu2Oが0.
03wt%の添加で蛍光が最大になり、Cu2Oがさら
に増加すると蛍光強さは減少し、0.1wt%の添加で
は蛍光が著しく減少した。
性子シンチレーション特性が観測された。光量的にも、
Liガラスの数%であり、実用のレベルであると思われ
る。また、シンチレーション光のパルス幅は2ナノ秒程
度であり、ZnSやLiガラスのシンチレータと比べ
て、桁違いに短いことから、高計数率、高時間分解能が
期待できる。具体的には、中性子計数能力は107/s
ec以上となる。検出効率についても、ZnSより高
く、Liを濃縮6Liに変換することでさらに向上する
ことが可能である。また、ガンマ線に対する感度も低い
と期待されることから、中性子シンチレーション検出器
として実用化するための条件を十分備えている。
光が現れ、Cu2Oが0.03wt%の添加で蛍光が最
大になり、Cu2Oがさらに増加すると蛍光強さは減少
し、0.1wt%の添加では蛍光が著しく減少する。中
性子シンチレータとしてはLi2B4O7に対してCu
2Oを少なくとも0.001wt%以上で、多くは0.
1wt%まで含む組成で、望ましくは0.01wt%か
ら0.08wt%までのCu2Oを含む単結晶が望まし
いと結論できる。
るCu添加LBO単結晶(LBO(Cu)、より詳細に
は、Li2B4O7(Cu))の発光パルス幅は2ナノ
秒程度であり、このシンチレータを用いることにより、
非常に高い計数能力、あるいは、高い時間分解能を持っ
た中性子検出器を開発することが可能である。代表的な
中性子シンチレータであるZnSおよびLiガラスの発
光パルス幅は、それぞれ1000ナノ秒、200ナノ秒
である。
(LBO(Cu)、より詳細には、Li2B4O7(C
u))は軽元素で構成されているため、ガンマ線に対す
る感度が低い。現在実用化されている中性子シンチレー
タの中では、ZnSがガンマ線に対する感度が最も低く
(3Heガス検出器より1〜2桁高い)、最もよく使わ
れている。Li2B4O7はZnSよりもガンマ線に対
する感度が低いと期待できる。さらに、本発明によるC
u添加LBO単結晶(LBO(Cu)、より詳細には、
Li2B4O7(Cu))が中性子を吸収した際に発光
する光の光量は、中性子シンチレータ、Liガラスの数
%であり、実用可能なレベルにある。
的には360nmの発光波長に対して透明であることが
必要であり、このためには単結晶でなければならない。
単結晶の作製にはブリッジマン法が望ましく、本発明で
はこの方法の採用によって比較的容易に直径が20mm
以上の単結晶を作製することができた。
>としたが、単結晶作製上の問題もなく、作製したイン
ゴッットの成長軸に垂直に切断した(001)ウエハを
シンチレータ板とした時には、中性子が板に垂直に入射
して発光させたとき、蛍光の放散に異方性がなく、これ
を用いることにより優れた性能の中性子検出用のイメー
ジプレートを構成することができる。
BO単結晶にCuを添加する際の割合は、0.001〜
0.1wt/とすることができる。
ているので、ガンマ線に対して低感度であるとともに高
強度中性子の計数を十分に行うことのできるシンチレー
ション検出器を実現する際に不可欠な、重元素を含まな
い中性子シンチレータを提供することができるという優
れた効果を奏する。
トアップを示す。
ョン光信号積分値のヒストグラムを示す。
ション光信号積分値のヒストグラムを示す。
を示す。
す。
(波長0.65nm)に対する吸収率(計算値)のLB
O厚さ依存性を示す。
係を示す。
Claims (5)
- 【請求項1】 LiおよびBにより構成した酸化物に、
Cuを添加したものである中性子シンチレータ。 - 【請求項2】 請求項1に記載の中性子シンチレータに
おいて、CuはCu 2Oで0.001〜0.1wt%含
有されたものである中性子シンチレータ。 - 【請求項3】 請求項1または請求項2のいずれか1項
に記載の中性子シンチレータにおいて、LiおよびBに
より構成した酸化物は、組成比がLi2B4O7からな
る透明な単結晶である中性子シンチレータ。 - 【請求項4】 請求項3に記載の中性子シンチレータに
おいて、単結晶の方位が<001>軸に成長させた単結
晶から成長軸に直角に切断、研磨した(001)面をシ
ンチレータ板結晶とするものである中性子シンチレー
タ。 - 【請求項5】 単結晶からなる中性子シンチレータであ
って、中性子計数能力が107/sec以上の中性子シ
ンチレータ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002264969A JP2003183637A (ja) | 2001-09-14 | 2002-09-11 | 中性子シンチレータ |
Applications Claiming Priority (3)
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JP2001-279563 | 2001-09-14 | ||
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Publications (1)
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---|---|
JP2003183637A true JP2003183637A (ja) | 2003-07-03 |
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ID=27615157
Family Applications (1)
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- 2002-09-11 JP JP2002264969A patent/JP2003183637A/ja active Pending
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