JP2005521061A

JP2005521061A - 二次元イオン化粒子検出器

Info

Publication number: JP2005521061A
Application number: JP2003578959A
Authority: JP
Inventors: ローラン・ディディール; アレクサンドル・フェドトフ
Original assignee: コミツサリアタレネルジーアトミーク
Priority date: 2002-03-26
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2005-07-14
Also published as: WO2003081279A3; CN1643400A; AU2003236868A1; AU2003236868A8; RU2332688C2; NO20044619L; WO2003081279A2; US20050161611A1; EP1488255A2; RU2004131564A; CN100342245C; FR2837930A1; FR2837930B1; CA2480112A1; US7238951B2; IL164056A0

Abstract

本発明は、各検出ファイバが検出器の画素を形成する検出ファイバのマトリックスを備えた二次元イオン化粒子検出器に関する。各検出ファイバは、主要なシンチレーションフォトンの平均自由工程が毛管の径（ｄ）と比して無視できるように化学合成物を選択されている液体シンチレーターで充填されたガラス毛管から成る。本発明は例えば高解像度粒子画像に適用可能である。

Description

本発明は二次元イオン化粒子検出器に関するものである。例えば、本発明は高貫通能力を有する粒子像（画像）の分野に適用できるものである。

高貫通能力を有する粒子像（例えば、高速中性子又はガンマ線）は、良好な解像度及び高停止パワーを有する検出器を要する。

例えば、この種の検出器は、パワーレーザーを用いた慣性閉じ込めによる重水素（DD）又は重水素（D）と三重水素（T）との混合物の融合において用いられる。これらの水素同位体の融合は、50μmの特徴的な寸法を有するボリュームにおいて生ずる。融合各反応には、DT混合物に対して14.1MeVの高速中性子の、又は、DD混合物に対しては2.45MeVの高速中性子の開放を伴って行われる。高速中性子は燃料を出るのに十分に長い自由工程を有する。中性子像は水素同位体が燃焼する領域を局所化する。中性子像又はガンマ像は、ピンホール又は、半影部もしくはリングのようなコード化されたアパーチャのいずれかによって形成される。高検出能力を有しかつ粒子の相互作用点を位置決めできる検出器が、この像を記録するのに必要となる。

現在、二次元イオン化粒子検出器は、数1000のプラスチックシンチレーターファイバをアセンブルすることによって作製される。ここで、各ファイバの長さは通常、1cmから10cmの間であり、検出器の一画素を形成する。このような検出器を図１Ａ及び図１Ｂに示す。１組のプラスチックシンチレーターファイバ２をシリンダー１に保持する。各プラスチックシンチレーターファイバ２は例えば、1mmのほぼ同じ径Dを有する。

図２はプラスチックシンチレーターファイバを示す。これは、低い屈折率（典型的には、1.5のオーダー）を有するダクト４に囲繞された高い屈折率（典型的には、1.6のオーダー）を有するプラスチックシンチレーターバー３から成る。入射して検出されるP（中性子、ガンマ線）は、ファイバー軸に平行な経路に沿って進み、プラスチックシンチレーターにそのエネルギーを蓄積する。逆流イオンIが生成され、蓄積されたエネルギーの一部は第１のフォトンPh1に、次いで、第２のフォトンPh2及び第３のフォトンPh3に変換される。第３のフォトンPh3は、像がCCD（電荷結合素子）検出器を用いて記録されるところのファイバの一端までガイドされる可視シンチレーション（閃光）光を形成する。高速中性子のような貫通性が強い粒子を効率的に検出するために数cmのファイバが必要である。

1cmより長いファイバに対しては、この技術は最小ファイバ径を約0.5mmに制限する。

像のサンプリングによって、ソースにおける最終的な解像度が像システムの倍率によって分割した画素のサイズの２倍に制限されることも公知である。従って、事象においては、像システムの倍率は、ソースのサイズより小さな空間分解能、例えば、5μmのオーダーの解像度を得るために200のオーダーである必要がある。次いで、測定器具は約10ｍより長くてもよい長い距離にわたって延びている。

さらに、検出器は、数1000の画素を１個づつ苦心してアセンブルする（組み付ける）ことによって作製される。結果は、画素の規則的配置が不完全であった。さらに、プラスチックシンチレーターファイバの剛性及びその高い膨張性の欠如によって、各ファイバー間の精密な共直線性を保証することは不可能になる。

さらに、プラスチックシンチレーターにおける高速中性子の相互作用は、水素上の弾性拡散によって支配される。次いで、逆流イオンIは、典型的には1mm径を有するシリンダー上にエネルギーを堆積し、他方、入射粒子（中性子、ガンマ線）が14.1MeVのエネルギーを有する。従って、ソースにける空間的解像度の他の制限は、倍率によって分割されたエネルギー堆積の幅である。。

そこで、公知の従来技術による二次元検出器を作製する技術は、これらの検出器を位置決めする装置のパフォーマンスを制限する。例えば、径0.5mmを有するプラスチックシンチレーターファイバのマトリックスにおいて、中性子検出器の空間解像度を、14.1MeV中性子に対しては1.4mmに、また、2.45MeV中性子に対しては1mmに制限する。

本発明は、上述の欠点を有さない。

本発明は、検出ファイバのマトリックスを備えた二次元イオン化粒子検出器に関するものであり、ここで、各検出ファイバは検出器の画素を形成し、シンチレーション光を放出するシンチレーターを含む二次元イオン化粒子検出器であって、各検出ファイバは液体シンチレーターで充填されたガラス毛管から成り、液体シンチレーターでは主要なシンチレーションフォトンの平均自由工程が毛管の径に比して無視できないように化学合成物を選択する。

本発明の他の特徴及び利点は、添付図面を参照して好適な実施形態を読めば明らかになるだろう。

同じ符号は全ての図面で同じエレメントを示す。

図３は、本発明による二次元イオン化粒子検出器を示す。

本発明の二次元検出器は、液体シンチレーターで充填された毛管マトリックス６を備える。毛管マトリックス６をタンク（バット）５に配置する。例えば、毛管は500μmより小さいか又は同じの平均径ｄを有し、20μm程度の小ささでも可能である。毛管におけるガラスの屈折率は例えば、1.49であってもよい。毛管の平行度は100マイクロラジアンより小さい。入射粒子の経路は毛管の中央線に平行である。

例えば、液体シンチレーターは1.57の屈折率を有する。液体シンチレーターの化学合成物は、主なシンチレーションフォトンの平均自由工程が毛管の径に比して無視できるように選択する。例えば、溶剤に誘起された主なシンチレーションフォトンの波長は300nmである。

液体シンチレーターは２成分（二元）又は３成分（三元）のいずれかである。２成分液体シンチレーターについては、液体シンチレーターは、長めの波長例えば、370nmを有する第２のエミッションを放出する主要なシンチレーションUVフォトンを吸収する第１のシンチレーターコンポーネントを備える。３成分液体シンチレーターは、第１のコンポーネントとは別に、第１のコンポーネントによって照射された第２のエミッションを吸収して400nmから500nmの間例えば、420nmの波長で照射する第２のシンチレーターコンポーネントを備える。いずれの場合においても、液体シンチレーターの屈折率及び毛管を形成するガラスの屈折率は、毛管の出力端にシンチレーション光をガイドするように選択する。

毛管を形成する溶剤は例えば、PXE（phenyl-o-xylylethane；フェニル−オルソ−キシリルエタン）であってもよい。非限定的例として、２成分液体シンチレーターの空間解像度は6μmであり、370nmで放射（エミッション）し、また、３成分液体シンチレーターの空間解像度は7μmであり、420nmで放射（エミッション）する。２成分及び３成分シンチレーターは例えば、EJ-399-05C2及びEJ-399-05C1の名でそれぞれ市販されているコンポーネントであってもよい。

好適には、液体シンチレーターは重水素を含む。好都合には、重水素の使用によって、相互作用点についての中性子エネルギー蓄積領域の幅を1/2に低減することができる。液体は、リチウム又はリチウムようり大きな原子量を有する元素の溶液を含んでもよい。さらに、シンチレーションエミッション（放射）の強度は、数ナノ秒経過すると、因子ｅ（ｅ＝2.71828）で分割される。この特性は、飛行時間あたりの中性子エネルギーバンドを選択することを可能にする。この特性はまた、通常、中性子の生成を伴うフォトンから中性子を分離することを可能にする。この特性によって、２成分シンチレーターは、数10ピコ秒の立ち上がり時間を有する。この特性は例えば、超高速サブナノ秒映写用途によって本質的である。

タンク５は、シンチレーション波長で透明なガラスポートにフィットした第１の壁７と、第１の壁の前に配置しかつこの波長で反射するミラーから成る第２の壁８とを備える。タンクでは、毛管はウィンドウとミラーとの間に配置し、これらの軸はミラーとポートに直交する。検出される粒子は、ミラーを通って検出器に貫通する。シンチレーション光はポート７の通って収集される。この光は等方的に放射し、ミラーへ向かう放射（エミット）された光の一部はミラーによって反射され、出力ポートに戻る。

毛管の軸に平行な、タンクの頂部壁及び底部壁のそれぞれ上の弾性膜９及び１０は、シンチレーターの熱膨張を吸収する。

例えば、検出器マトリックスは、100×100mm²のオーダーの断面積と10〜50mmの間で変わってもよい厚さＥを有する。これは、基本バンドル（束）を含むマクロバンドルのマルチアセンブリによって、単一のブロックから作製される。大きなセクションモノリシック検出器はこの手法を用いて作製できる。毛管マトリックスは好適には、毛管間の良好な共直線性を保証するために、所要の厚さよりかなり大きな厚さで作製する。

重水素で充填され30kJレーザーが集中する1mm径カプセルの中性子像を得るために用いれられる検出器のデジタル実施例を以下に示す。毛管マトリックスは100mmの側方寸法で50mm厚のブロックである。各毛管は250μmの径を有する。1.57の屈折率を有する液体シンチレーターは98％重水素を含む。このシンチレーション効率はアントラセンと比較して80％であり、この崩壊定数は3nmである。ステンレス鋼タンクはミラーとガラスポートによって閉じられている。４個の弾性膜はシンチレーターの熱膨張を可能にしている。

従来技術による二次元イオン化粒子検出器を示す図である。図１の詳細図である。従来技術によるプラスチックシンチレータファイバで検出されるイオン化粒子の相互作用を示す図である。本発明の好適な実施形態による二次元イオン化粒子検出器を示す図である。

符号の説明

５タンク
６毛管マトリックス
７第１の壁
８第２の壁
９弾性膜
１０弾性膜

Claims

各検出ファイバが検出器の画素を形成し、シンチレーション光を放射するシンチレーターを含むところの検出ファイバのマトリックスを備えた二次元イオン化粒子検出器であって、各検出ファイバが、主要なシンチレーションフォトンの平均自由工程が毛管の径（ｄ）と比して無視できるように化学合成物を選択されている液体シンチレーターで充填されたガラス毛管から成ることを特徴とする二次元イオン化粒子検出器。
液体シンチレーターが２成分液体シンチレーターであることを特徴とする請求項１に記載の二次元イオン化粒子検出器。
液体シンチレーターが３成分液体シンチレーターであることを特徴とする請求項１に記載の二次元イオン化粒子検出器。
液体シンチレーターで使用される溶剤がPXEであることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の二次元イオン化粒子検出器。
液体シンチレーターが重水素を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の二次元イオン化粒子検出器。
毛管が20〜500μmの間の径を有し、かつ10〜50mmの間の長さを有すること、及び、毛管マトリックスが100×100mm²にほぼ等しい断面積を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の二次元イオン化粒子検出器。
毛管が、シンチレーション光の波長で透明なガラスポートにはまる第１の壁（７）と、第１の壁（７）の前に位置しかつこの波長で反射するミラーから成る第２の壁（８）とを備えたタンクに配置され、イオン化粒子がミラーを通って検出器に貫通することを特徴と請求項１から６のいずれか一項に記載の二次元イオン化粒子検出器。
タンクが、熱膨張を吸収するために弾性膜を備えた頂部壁及び底部壁（９，１０）を備えたことを特徴とする請求項７に記載の二次元イオン化粒子検出器。