JP2007506936A - 高エネルギー中性子放射の検出用の線量計 - Google Patents

Abstract

【課題】高エネルギー中性子放射の検出用の線量計
【解決手段】中性子コンバータと検出素子とを備える高エネルギー中性子放射の検出用の線量計が提案されており、この線量計は、中性子コンバータが中性子のエネルギーを好適なエネルギー範囲で陽子、α粒子およびその他の荷電核子に変換する金属原子を含み、その結果、前記金属原子が検出可能であることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、請求項１に記載の高エネルギー中性子放射の検出用の線量計に関する。

世界的に研究目的のためにおよび工業や医療の分野で利用するために加速器設備が運転されている。この加速器設備内で粒子が非常に高いエネルギーで加速される。たとえば最新の重イオン加速器内では、イオンが核子あたり約１ＧｅＶのエネルギーにまで加速される。その他の設備内では、粒子がテラエレクトロンボルト（ＴｅＶ）範囲までのさらに高いエネルギーに加速される。これらの高エネルギー粒子は、前記粒子が物質と相互作用に入るとき、二次放射、荷電粒子および中性子を産生する。生成された中性子のエネルギースペクトルは、生成された中性子の最大エネルギーが一次粒子線のエネルギーと同じエネルギー範囲を有するので、０．０２５ｅＶから数百ギガエレクトロンボルト（ＧｅＶ）にまで達する。放射線保護のために放射線保護措置、特に遮蔽体のディメンジョンを決定するために、生成された中性子を測定する必要がある。高エネルギー中性子は物質内で大きい平均行程を有するので、前記中性子は非常に強い遮蔽体も貫通し得る。従って常時中性子の強度と、中性子のエネルギーおよび角度分布とを測定し、かつ遮蔽体の外部でも監視する必要があり、かつそれが多大な意義を有する。加速器設備の領域（遮蔽体の内部または外部）で移動する人々は、常時これらの人々がさらされる現在の中性子線量を測定し、かつ記憶する個人線量計を携帯しなければならない。特に放射線保護監視のために、熱中性子（０．０２５ｅＶ）の範囲からＧｅＶまたはより高い範囲の最大エネルギー（１ＴｅＶまで）の中性子の全エネルギー範囲で使用できる中性子放射を検出する線量計を開発することが重要である。

中性子放射用の線量計は、従来最大約１０から２０ＭｅＶまでのエネルギーに対する線量測定を可能にする核技術（原子核反応炉、放射性核種源、核燃料工業、燃焼した核燃料の輸送）の分野のために開発された。

大抵の線量計タイプの応答能力は２０ＭｅＶより高いエネルギーの中性子に対して非常に低く、中性子エネルギーの上昇と共に応答能力が減少する。この現象の理由の一つは、検出に利用される中性子エネルギーの増加による、反応の有効断面積の減少である。一般的に、これは中性子エネルギーの増加と共に弾性的および非弾性的な散乱で生成される粒子が、より高エネルギーになることにも当てはまる。これは高エネルギーの荷電粒子の減速能力に対して、エネルギーの増加と共に、減速能力とそれに伴う線量計層内のエネルギー堆積も減少することにも当てはまる。荷電粒子の一定のエネルギー以上から、前記粒子がそれ以上検出できなくなることが生じる。その場合、エネルギースペクトル内でより高いエネルギーの中性子の割合を有する中性子場は、線量評価における特殊校正係数以上でのみ測定することができる。しかしながら加速器内の中性子場はそのエネルギー分布で非常に違いがあり、その結果、統一的な校正係数を常に提供できるとは限らない。全エネルギー範囲を測定する線量測定システムはこれまで存在していない。

文献に、本来の線量計の手前にモデレータを前置して中性子エネルギーを減少させることによって、高い中性子エネルギーの中性子線量計の応答能力を改善する論文がある。この論文は、減速体を個人線量計で使用するには大容量すぎるので、非常に高い中性子エネルギーに対しては使用できない。

さらに分裂性物質からなる放射性フィルムの使用が核軌跡検出器と共に記載されている。これもまた、放射性成分を含む線量計を個人線量測定に使用できないので、個人線量測定として有意義に使用できない。

本発明の課題は、たとえば１ＴｅＶまでの非常に高いエネルギーの高中性子エネルギーを測定することを可能にする高エネルギー中性子放射の検出用の線量計を開発することである。

この課題の解決のために、請求項１に挙げた特徴を有する線量計が提案される。中性子は電気的に中性の粒子であるため、前記中性子は電離プロセスを利用して直接検出できず、そのため電離放射に変換される。高エネルギー中性子は金属原子を利用して陽子、α粒子およびその他の核子のような直接線量計の検出素子内で検出できる荷電粒子に変換される。

請求項１に挙げた特徴を有する線量計は以下の要求事項を満たす。

１．中性子コンバータの金属原子と入射する中性子の反応に対して充分大きい有効断面積が実現され、その結果、中性子のエネルギーは陽子、α粒子およびその他の荷電核子に変換される。

２．線量計の有効断面積はエネルギーに依存する。金属原子の好適な選択によって、前記有効断面積が非常に高い中性子エネルギーでもまた充分に大きいことが保証される。

３．前記粒子への中性子のエネルギーの変換時に、前記粒子は検出素子によって検出されるために充分高いエネルギーを有することが保証される。同時に前記粒子のエネルギーはあまり大きくなく、その結果、検出素子内に充分高いエネルギー堆積を生じることができる。

４．中性子放射のエネルギー変換時に次の物理的効果が発生する：破砕、断片化および分裂。高エネルギー中性子放射の検出のために、ここで破砕時および断片化時に発生する粒子が利用される。

中性子コンバータがそれぞれ一定の原子番号の金属原子を有する複数の層を含むことを特徴とする線量計の実施例が有利である。それによって異なるエネルギーの中性子放射を最適に評価することができる。

もう１つの有利な実施例は、中性子コンバータが^６Ｌｉ−および／または^１０Ｂ−原子および／または^１４Ｎ−原子を含む薄層を有することを特徴とする。好ましくは^１４Ｎ−原子を含む層に対して、たとえばナイロンのようなポリアミドが使用される。これらの原子は、好ましくは中性子放射に向けた線量計側から見て検出素子の前に置かれる薄層の中に配置される。このように構成される線量計は、付加的により低いエネルギーの中性子放射たとえば熱中性子を検出することに適している。

もう１つの実施例は水素含有ポリマーを設けたことを特徴とする。この場合、中性子コンバータは異なる層を具備しており、それらから中性子放射に向けた第１の層が金属原子を、その下にある第２の層が水素含有ポリマーを、かつ第３の層が^６Ｌｉ−および／または^１０Ｂ−原子および／または^１４Ｎ−原子を含む。第３の層は直接検出素子の近傍に配設され、あるいはその上に設けられる。

その他の実施態様は残余の従属請求項から明らかである。

本発明は、以下、図面を利用してより詳しく説明する。

図１に示した線量計１は断面図で示されている。それによって線量計が中性子コンバータ３と検出素子５とを有することが明らかである。高エネルギー中性子放射の検出時に、中性子が図１に記載の図示で上方から中性子コンバータ３に衝突する。この中性子コンバータ３は、高エネルギー中性子が衝突する複数の金属原子７を含む。入射する中性子が多数の核子をもつ金属原子に衝突するとき、破砕つまり陽子と中性子の蒸発が生じる。陽子のほかに中性子が放出される金属原子の核内に核内カスケードが発生し、前記中性子のエネルギーは、線量計１に衝突する中性子のエネルギーよりも低くなる。

金属原子７に衝突した中性子は金属原子の核を破壊する。つまり複数の核内の標的核とも呼ばれる金属原子の断片化が生じ、それに続き荷電粒子の蒸発プロセスが生じる。その際に、陽子とα粒子とその他の断片のほかに中性子が生成される。生成された荷電粒子のエネルギーは、線量計１に衝突する中性子のエネルギーよりも低い。

線量計１の中性子コンバータ３への高エネルギー中性子放射の衝突時に破砕または断片化が生じる。その他の点で２個ないし３個の中性子を遊離して重い核が２つの核に分裂する。これはもちろん放射性物質の金属原子の使用において重要である。個人線量計としての線量計１の使用時に、当然ながら放射性金属原子が使用されないことに注意しなければならない。

しかし前記金属原子はそれぞれ入射する中性子のエネルギーに応じて異なる有効断面積を有する。それによって線量計は異なる応答機能または異なる応答能力を有する。約３０ＭｅＶのエネルギーをもつ中性子が線量計に当たると、破砕時に発生する核内カスケードによって陽子が発生し、そのエネルギーは検出素子５によって検出することができる。しかしこのエネルギーは検出素子５が応答しないほど低い。

線量計１に衝突する中性子放射のエネルギーがより高い場合、以下が生じる。

カスケードプロセスによって生成された陽子は、より高い入射する中性子のエネルギーに応じて、前記中性子側で、中性子のエネルギー上昇により最終的にこの陽子が検出素子５によって記録できないほど大きくなる高いエネルギーを有する。同時に生じる断片化において、この場合は陽子が生成され、そのエネルギーは、前記陽子を検出素子５によって検出可能になるほど大きくなる。

つまりエネルギーがより低い場合の中性子放射の検出時に陽子の蒸発によって検出素子５を利用する検出が可能であることが判明している。被検出中性子放射のエネルギーがより高い場合、検出素子５内の検出は、核内カスケードによって発生される陽子に対しては行うことができない。この場合は断片化プロセスで蒸発によって発生する陽子であり、これは線量計１の検出素子５によって検出することができる。つまりそれによってこの両方の物理的効果は高エネルギー中性子放射の検出時に補完され、３０ＭｅＶのエネルギーまでは核内カスケードが検出に寄与するプロセスであり、かつ数１００ＭｅＶ以上のエネルギーに対しては断片化時の蒸発プロセスが支配的である。

異なるエネルギーの中性子放射を検出できるようにするため、金属原子の原子番号は、破砕と断片化の枠内で発生される陽子が確実に検出素子５内で検出できるように選択される。破砕および断片化は、線量計１に衝突する中性子が金属原子の核を加熱し、かつ衝突する中性子の運動エネルギーが多数の中性子に分配されることによって、充分高い原子番号をもつ金属原子が存在する場合にのみ生じる。衝突する中性子のエネルギーが充分多数の中性子に分配される場合、初めて中性子、陽子およびα粒子が蒸発し、それらのエネルギーは、線量計１の検出素子５内で記録できるほどである。

つまり全体的に金属原子７に衝突する中性子によって粒子スペクトルが発生し、そのエネルギーは衝突する中性子のエネルギーよりも低い。金属原子の原子番号Ｚは放出される粒子のエネルギー分布を決定するので、この原子番号は、粒子が検出素子５によって検出できるように選択できる。

金属原子の原子番号Ｚの選択によって、被検出中性子放射のエネルギーが異なる場合でも、それぞれ検出素子５によって検出可能であるエネルギースペクトルをもつ粒子が発生することを保証できる。たとえば中性子コンバータ３内に存在する金属原子７に対して原子番号Ｚ＞１５を選択することができる。好ましくは、非常に高いエネルギーの中性子放射の場合でも検出素子５によって検出可能である粒子を発生させるために、原子番号Ｚ＞２０をもつ金属原子が選択される。

たとえば中性子コンバータ３内で原子番号Ｚ≧２０をもつ鉄族（Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｕ）および／または原子番号Ｚ＝３９で始まる族（Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｈ、ＰｄおよびＡｇ、Ｉｎ）および／または原子番号Ｚ≧５５で始まる族（Ｓｂ、Ｃｓ、Ｃｅ、Ｂａ、Ｌａ）および／または原子番号Ｚ≧６３で始まる族（Ｅｕ、Ｗｄ、Ｓｍ、Ｇａ、Ｅｒ）および／または原子番号Ｚ＞７４で始まる族（Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｐｔ）および／または原子番号Ｚ＝８０（Ｈｇ）およびＺ＝８２（Ｐｂ）およびＺ＝８３（Ｂｉ）の金属原子を選択できる。

高エネルギー中性子放射の検出のために特にチタン、銅、鉄、タングステンまたは鉛の金属原子が有利になる。すなわち前記金属から容易に圧延できる金属プレートを製造することができる。

線量計１を一定のエネルギーの中性子放射の検出に調整できるようにするため、合金の金属原子も使用される。好ましくはほぼＣｕ３５％およびＷ６５％からなるエルコナイトが使用される。さらに金属の原子も含有するセラミック（酸化イットリウム、酸化セリウム）を使用してもよい。全体的に、中性子コンバータ３内に存在する、中性子放射のエネルギーが予想される金属原子７をその後で選択することが確認される。金属原子の原子番号は対応して中性子放射の被検出エネルギースペクトルに調整される。

中性子コンバータ３の厚さと、中性子コンバータ３内に存在する金属原子７の数は、一方で充分に多数の陽子が生成され、他方ではこれらがその制限された飛程にもかかわらず検出素子５に到達し、そこで検出可能の軌跡を残すように選択されなければならない。好ましくは厚さ約２ｍｍの鉛層が中性子コンバータ５として選択される。

図１に、中性子コンバータ３が個々の金属原子７を含むことを概略的に示している。好ましくは中性子コンバータ３は検出素子５に塗布される金属層によって、たとえば好ましくは圧延プロセスで製造される金属箔によって、あるいは検出素子５上に蒸着される金属層によって実現される。

その場合、金属の金属原子は高純度形態でまたは合金で使用してよい。つまり金属箔または高純度形態の金属原子または合金から、蒸着された層を実現することが可能である。

図２は、線量計１の変形した実施例を断面図で示す。同じ部分は同じ符号を付けており、繰り返しを避けるために図１の説明を参照されたい。

線量計１は１つ以上の層、この場合では、たとえば５つの層３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ及び３ｅを有する中性子コンバータ３を有する。

中性子コンバータ３は、図１に記載の実施例と同様に、被検出中性子放射のエネルギーに適合される複数の金属原子７を含む。

ここに示した実施例において最上部の中性子放射にさらされる層３ａ内に金属原子７ａが存在する。その下にある層３ｂ内に金属原子７ｂが存在する。対応して層３ｃ、３ｄおよび３ｅの中に金属原子７ｃ、７ｄおよび７ｅが存在する。

この場合も金属原子は、金属の個々の層内に高純度形態でまたは合金の形態で存在してよい。

特に異なる層３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ及び３ｅ内にそれぞれ異なる原子番号Ｚの金属原子が存在する線量計１の実施例が有利である。

上方から下方へ個別の層３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ及び３ｅ内に金属原子７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ及び７ｅが存在し、それらの原子番号Ｚが層ごとに異なる線量計１の実施例が有利である。この場合、最上層３ａ内に最大の原子番号をもつ金属原子が存在し、検出素子５の方向に段階的に小さくなり、最下層３ｅ内に最小の原子番号をもつ金属原子７ｅが存在する。

金属原子７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ及び７ｅの原子番号および各金属原子７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ及び７ｅもしくは付属の層３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ及び３ｅの間隔は、被検出中性子放射のエネルギースペクトルに依存して選択される。

図２に示した線量計１の実施例において、層あたりの金属原子７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ及び７ｅの原子番号を上方から下方へ検出素子５の方向へ連続的に小さくし、あるいはさらに層の内部で原子番号の自由な選択を許容することも可能である。つまり、より深くにある層が、隣接する層内でこの場合であるよりも大きい原子番号をもつ金属原子を有してもよい。

従って異なる原子番号の金属原子をもつ層の順序の選択は、線量計の好適な応答能力を達成するために、入射する被測定中性子放射のエネルギースペクトルに適合可能である。

図２に記載の線量計の線量計個々の層３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ及び３ｅは、金属箔によっておよび／または金属蒸着によって発生させることができる。つまり箔のみからなる、または、金属蒸着によってのみ生成される異なる層をもつ線量計１を構成することが可能である。しかし、また、金属箔と金属蒸着とを組合せ、かつ任意の順序で変更することも考えられる。

その他の点で、個々の層３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ及び３ｅは、線量計１の応答挙動を異なるエネルギーの中性子放射に調整するために、異なる厚さで設計することを考慮できる。

図３は、線量計１のもう１つの実施例を断面図で示す。同じ部分は同じ符号を付けており、そのため前記の図面の説明を参照されたい。

線量計１は、この場合２つの層３ａおよび３ｂを有する中性子コンバータ３と、検出素子５とを有する。

入射する中性子放射に向けた層３ａの中に、さらに図２に記載の実施例の場合と同様に、高純度形態の金属または合金から由来し得る金属原子７が存在している。その他の点で、層３ａを金属箔または金属蒸着によって実現することが可能である。

層３ｂの中に^６Ｌｉ−および／または^１０Ｂ−原子および／または^１４Ｎ−原子が存在する。

線量計１の機能について下記事項を堅持する。

金属原子７を有する中性子放射に向けた層３ａ上に中性子線が衝突すると、破砕および断片化によって、図１および２に記載の実施例を利用して説明したように、陽子、α粒子およびその他の核子が生成され、これらは単に荷電粒子のみを検出できる検出素子５の中で検出可能である。その限りにおいて図１および２の説明事項を参照されたい。

しかしまた層３ａ内の金属原子７上の高エネルギー中性子の衝突時に中性子も遊離され、そのエネルギーは衝突する中性子のエネルギーよりも低い。中性子自体は検出素子５で感知できない。前記中性子は図３に示した実施例において^６Ｌｉ−および／または^１０Ｂ−原子９に衝突し、それによって（ｎ，α）−反応が発生し、かつ／または^１４Ｎ−原子上に衝突し、それによって（ｎ，ｐ）−反応が発生し、それによってここで発生する金属原子７の中性子は荷電α粒子もしくは陽子に変換される。これらは検出素子５によって記録することができる。

中性子コンバータ３の層３ｂ内の^６Ｌｉ−および／または^１０Ｂ−および／または^１４Ｎ−原子９を利用して、金属原子７から派生する中性子を検出できるだけでなく、これは図１および図３に記載の実施例よりも線量計１の感度を高め、主に線量計１に衝突する中性子も検出することができ、それらのエネルギースペクトルは非常に低エネルギーであり、その結果、これらは直接原子９と共に（ｎ，α）−反応および／または（ｎ，ｐ）−反応を生じることができる。

つまり図３に示した線量計１は、被検出中性子放射に対して図１および２に示した線量計よりも高感度である。さらに、３０ＭｅＶ以下の低いエネルギーを有する中性子放射と、背面散乱した中性子とを検出することができる。

したがって、この実施形態の線量計の被測定エネルギースペクトルは図１および図２に示した線量計よりも大きい。

図３に示した実施例において、中性子コンバータ３の上層３ａはそれ自体で見て複数の層を有することができ、これは図２の実施例を利用して説明された。

図４は、基本的に図３で説明したものと同じ構造を有する線量計１の変形した実施例を断面図で示す。同じ部分は同じ符号を付けており、そのため前記の図面の説明を参照されたい。ただしこの場合、中性子コンバータ３は３つの層３ａ、３ｂおよび３ｃを有し、最上層３ａが入射する中性子に向けられており、かつ層３ｂは検出素子５上に載る。層３ｃは、層３ａおよび３ｂの間にある。

つまり図４に示した線量計の実施例は、中性子コンバータ３の層３ａおよび３ｂの間に水素含有ポリマー、たとえばポリエチレン（ＰＥ）またはポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）を含む層３ｃを設けたことを特徴とする。

中性子コンバータ３は、上に詳細に説明したように、検出素子５上に載る。

水素含有ポリマーを含む層内で中性子は数１００ＫｅＶおよび数１０ＭｅＶの間のエネルギー範囲で検出することができる。この場合、水素含有ポリマーの陽子との高エネルギー中性子の弾性散乱が生じる。陽子はその際に検出素子５内で検出される。

層３ｃ内に上方からまたは側方から前記層の中に入射する中性子も弾性散乱を利用して記録かつ検出することができる。

上図を利用して説明した線量計の場合のように、図４に示した線量計１の層３ａと、さらにまた図２に示した線量計を利用して説明したように、層３ｂは複数の層からなることができる。

図５は、線量計１の変形した実施例を断面図で示しており、その基本構造はほぼ図１に示したものに相当する。同じ部分は同じ符号を付けており、その限りで前記の説明を参照されたい。

図５に示した線量計１の実施例は、中性子コンバータ３が線量計１の全幅にわたって一定の厚さをもたないことを特徴とする。たとえばこの場合では、中央領域の中性子コンバータ３の厚さは、それに続く側方領域よりも大きいことを考慮している。

より厚い領域の形成は自由に選択可能であり、異なる検出事例に適合可能である。たとえば、より厚い領域はほぼ矩形に形成され、かつ線量計１の深さにわたって延在することができる。さらにまた中性子コンバータ３の上側に四角形または円形の突起部を設けており、その結果、ここでより大きい厚さの領域が付与されている。

ここに図示した線量計１の構造は、垂直に衝突する中性子放射に対して線量計のより大きい感度を生ぜしめる。これは、より厚い領域で中性子線によって衝突できる金属原子の数が増加されるためである。それによって、ここで中性子に対してより大きい厚さの領域で中性子コンバータ３の内部の経路伸長と共に金属原子７に当たる確率が増大する。

中性子線が中性子コンバータ３の薄い領域をある角度以下で通過すると、垂直に入射する放射に対してコンバータ内部の経路が増大する。それによって中性子線が金属原子上に衝突する確率も増加する。

この構造は、中性子線の検出時の角度依存性を低減する線量計１を実現することを可能にする。

図６は、線量計１を平面図で、つまり中性子コンバータ３の平面図で示している。

基本的に、中性子コンバータ３がその全拡張部にわたって（平面図で見て）同じ構造を有することが前提とされる。そのため図１ないし４に示した線量計の平面図には構造を示していない。図５に記載の線量計の場合は単により大きい厚さをもつ領域が見える。

ここに図示した線量計１の実施例において、中性子コンバータ３が異なる場を有することを考慮している。たとえば、ここで中性子コンバータ３の３つの異なる領域Ｎ１、Ｎ２およびＮ３を設けており、これらはほぼ矩形に形成され、かつ相互にある間隔で配設されている。もちろん領域Ｎ１、Ｎ２及びＮ３の輪郭を別様に、たとえば円形、楕円形等々に形成することも考えられる。また、前記領域を直接互いに隣接させ、かつ／または別の領域の数を選択することも可能である。

領域Ｎ１、Ｎ２およびＮ３は異なる構造によって区別されている。この場合、前記領域は異なる原子番号Ｚの金属原子を有し、様々に構成された層等を有することを考慮することができる。

異なる領域Ｎ１、Ｎ２及びＮ３内で、上述のように、中性子コンバータ３の下側にある検出素子５に到達し、かつそこで検出される荷電粒子が生成される。

領域Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３の異なる構造は、生成される荷電粒子がエネルギーおよび角度分布について異なる性質を有し、それによって３つの領域Ｎ１、Ｎ２及びＮ３について検出素子５内の異なる検出挙動を有することを生ぜしめる。

従って、検出素子５内の異なる検出結果から、線量計１に衝突する中性子放射のエネルギースペクトルおよび角度分布を決定することができる。この場合、異なる場Ｎ１、Ｎ２及びＮ３の性質を変化させ、異なるエネルギースペクトルを有する中性子放射に調整することができる。

基本的に、検出素子５は図１から図６を利用して説明した全ての線量計で同じに構成されていることが前提とされる。本質的に２つの基本タイプ、すなわち能動的検出素子と受動的検出素子とを区別することができる。

特に簡単な線量計１の構造は、検出素子５が粒子を記録かつ記憶する受動的検出素子、この場合では、たとえば熱ルミネセンス結晶体のような無機結晶体および／または有機結晶体および／またはポリカーボネートのような高ポリマーおよび／または無機ガラスが選択される場合に生じる。

受動的検出素子内で、荷電粒子がエネルギーの貯蔵によって放射線損傷を引き起こし、これはそれぞれ検出素子の実現に使用される物質に応じて異なる性質を有し、種々の方法で可視化することができる。検出素子５の評価のために、これは一般的に線量計１から構成される。

荷電粒子は、たとえば熱ルミネセンス結晶体、たとえばＬｉＦ−Ｍｇ、ＴｉまたはＣａＦ_２−Ｍｎ、Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７−Ｍｎ、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４−Ｔｂ ＣａＳｏ_４−Ｄｙ、ＢｅＯ−Ｍａ、ＡＬ_２Ｏ_３のような無機結晶体の中に、荷電粒子から貯蔵されるエネルギーによって固体格子内で遊離される電子または正孔によって特定の欠陥により捕獲され、捕獲中心を発生させる。これらは検出素子５の選択加熱によるエネルギー供給下に熱および光の形で再び自由になる。光は光検出器で測定できる。光の強度は温度の関数として、いわゆるグロー曲線のスペクトルで見ることができる。この曲線の下側の面積が、発生する捕獲中心の数と共に検出素子５によって記録される荷電粒子の数の基準である。荷電粒子の数は、線量計１に衝突する高エネルギー中性子の数に依存する。

異なる荷電粒子は異なる電離密度を有し、それによって異なる大きさのエネルギー量が検出素子５に引き渡されるので、その際に発生する捕獲中心の励起のために異なる温度も必要になる。これはグロー曲線で異なる温度値で異なる放射種類に分類される強度極大が見られることを意味する。つまり強度極大の分類を利用して粒子スペクトルと共に荷電粒子の種類に関して証明することができる。

熱ルミネセンス検出器は中性子放射だけでなく、光子放射にも提供される分野で非常に成功裡に使用することができる。

検出素子５は、ポリカーボネート、好ましくはアリルジグリコールカーボネート（ＣＲ−３９）またはマルコフォールのような有機高ポリマーを含むこともできる。このように形成される検出素子５によって、荷電粒子から検出素子５の中へ取り込まれるエネルギーが潜在核軌跡で記憶される。これは化学的または電気化学的エッチング法を利用して、いわゆるエッチピットで可視化し、かつ光学的に評価することができる。検出素子５の内部で付与された核軌跡の密度は、記録される荷電粒子の強度に比例し、それによって放射される中性子の強度にも比例する。

検出素子５を、同様に、核軌跡が衝突する荷電粒子によって発生する無機ガラスを利用して実現することも可能である。このガラスは同様にポリカーボネートからなる検出素子５との関連で説明した方法を利用して評価される。

受動的検出ユニットによって形成される検出素子５は、実際上一定の規定された期間だけ放射にさらされ、その後交換かつ評価される。

受動的素子を備える検出素子５は様々に構成される場を有することができる。つまり中性子コンバータ３について図６を利用して説明したような構造を生じることができる。この種の場を有する検出素子５により、線量計１上に衝突する放射のエネルギーと種類を分析することも可能である。この方法により、このように形成される線量計１により中性子放射だけでなく、中性子のほかに、たとえばフォトンを別のガンマ放射下に有する混在放射線場も検出することが可能である。

ここに挙げた種類の線量計１は、少なくとも１つの能動的素子を有する検出素子５を装備することもできる。これは、衝突する放射線量が各時点で呼び出し可能であることを特徴とする。それによって現在の中性子線量を各時点で表示することができる。

能動的素子の実現時に、この関連性で好ましくはＭＯＳ−破壊検出器が使用され、その作用原理はＭＯＳ−コンデンサのＳｉＯ_２−層による電気的破壊の記録に基づく。この破壊は荷電粒子の通過時に印加される電界でＳｉＯ_２−層によって惹起される。

この種のＭＯＳ−破壊検出器の計数率は一定の動作電圧で磁束密度つまり一定の面積を基準とする粒子に比例する。

能動的素子を備える検出素子５の場合も、所望の放射線場を分析するために様々に形成される場を考慮することができる。

図７は、多数の線量計素子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ及び１ｈを有する線量計１を示す。個々の線量計素子は、ここでたとえば円周上に配設され、前記図を利用して説明したように形成されている。必要な場合は、様々な構造の線量計素子を互いに１つの線量計に組み合わせることもできる。

線量計素子は互いに対称的に配設されていることが重要である。好ましくは、前記線量計素子は図７に示したように平面に配設されるだけでなく、対称の空間体、好ましくは個々の線量計素子が相互に規格化され、このように様々に検出される線量値を球体の様々な場所で測定されることによって局部線量測定ならびに方向分布測定を実施できるようにするため、球体上に配設される。

この規格化は、線量計素子の測定値が規格化、または基準量として仮定されることによって行われる。別の線量計素子の測定値は、この規格化量によって割算される。それによって各線量計素子に対して規格化された測定値が生じる。この規格化された測定値は球体の様々な場所で記録された線量の比較を容易にする。

その他の点で、線量計１の複数の線量計素子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ及び１ｈを、方向測定を行うために、ファントム上に、すなわち人体を模擬した模型上に配設することも可能である。

上述の形式の線量計は、前記線量計が個人線量計として使用される場合、ケースの中に格納されている。このようなケースは、典型的に同じ大きさの平坦な前壁と平坦な後壁とを有する。前壁および後壁は側壁を通してケースの厚さとなる間隔で相互に保持される。ケースの典型的な寸法は前壁および後壁で３０ｍｍ×６０ｍｍである。厚さは３ｍｍ乃至１５ｍｍになる。このケースはプラスチックから製造される。個人線量計が高い中性子流もしくは多数の熱中性子が予想される中性子放射場の中で使用される場合、ケースは特別の構造をもたなければならない。前壁および後壁ならびに側壁は、種々の材料から製造される。好ましくは、側壁のみがポリエチレンからなり、ホウ素−（^１０Ｂ）および／またはカドミウム−（Ｃｄ）および／または窒素−（^１４Ｎ）および／またはリチウム原子（^６Ｌｉ）は、たとえば炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）のような化学的化合物の形態で含有することが考慮されている。前記素子は、側壁を通してケース内部の中へ入り、かつそれによって線量計に到達する遅い中性子を遮蔽するので、個人線量計はこのように構成されるケース内で遅い中性子に対して減速した応答機能を有する。従って、同種の材料からなる前壁、後壁および側壁を備える公知のケース内の線量計の組込み時の、線量計素子の形状によって付与される過大に増加した遅い中性子の記録は、本発明に係る線量計用の前記ケースの使用によって補償される。さらに方向依存性は、前壁、後壁および側壁用の同種の材料からなる公知のケースを使用する個人線量計と比較して変更されている。

別の実施例において、付加的な変形態様は、線量計が請求項１およびそれに続く従属請求項に従って組み込まれるケース構造で実現することができる。

その他の点で、中性子場のエネルギーおよび／または角度分布を検出するために、ケース内に異なる金属原子を有する少なくとも２つの線量計素子を考慮することも可能である。

つまり、上述の形式の線量計は全般的に使用することができる。その際に多数の線量計素子はそれぞれの検出事例に適合させることができる。

金属原子を有する中性子コンバータと検出素子とを備える線量計を示している。。 異なる原子番号Ｚの金属原子を有する多数の層を有する中性子コンバータと検出素子とを備える線量計を示している。 異なるエネルギーの中性子放射の検出に利用される、異なる層を有する中性子コンバータを備える線量計、さらに検出素子を示している。 異なるエネルギーの中性子放射の検出に利用される、異なる層を有する中性子コンバータを備える線量計、さらに検出素子を示している。 異なる厚さの領域と検出素子とを有する線量計を示している。 異なる場を有する中性子コンバータを備える線量計の平面図である。 局部線量測定用の多数の検出素子を備える線量計である。

Claims (24)

1. 中性子コンバータと検出素子とを備える、高エネルギー中性子放射線の検出用の線量計において、
   前記中性子コンバータ（３）は、被検出中性子のエネルギーを好適なエネルギー範囲で陽子、α粒子およびその他の荷電核子に変換する金属原子（７）を有し、その結果、前記中性子が検出可能であることを特徴とする、線量計。
2. 中性子コンバータ（３）の前記金属原子（７）は、原子番号Ｚ＞１５、好ましくはＺ＞２０を有することを特徴とする、請求項１に記載の線量計。
3. 前記中性子コンバータ（３）は、チタン原子、クロム原子、バナジウム原子、鉄原子、銅原子、タングステン原子および／または鉛原子を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の線量計。
4. 中性子コンバータ（３）の前記金属原子（７）は、放射能が安定していることを特徴とする、前記請求項１または２のいずれか１項に記載の線量計。
5. 前記中性子コンバータ（３）は、互いに異なる原子番号の複数種の金属原子（７）を有することを特徴とする、前記全ての請求項のいずれか１項に記載の線量計。
6. 前記中性子コンバータ（３）は、合金を構成する金属原子（７）を有することを特徴とする、前記全ての請求項のいずれか１項に記載の線量計。
7. 前記中性子コンバータ（３）は、異なる原子番号の金属原子（７）を互いに有する少なくとも２つの層（３ａ、３ｂ）を有することを特徴とする、前記全ての請求項のいずれか１項に記載の線量計。
8. 前記中性子コンバータ（３）は、金属原子（７）を有する複数の層（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ）を有し、ほぼそれぞれ層ごとに一定の原子番号を有する金属原子（７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ）のみを含むことを特徴とする、請求項１に記載の線量計。
9. 前記中性子コンバータ（３）の層（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ）は、中性子放射線に面する線量計（１）の側から見て減少する原子番号を有する金属原子（７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ）を含有することを特徴とする、前記全ての請求項のいずれか１項に記載の線量計。
10. 金属原子（７）を有する複数の層（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ）の少なくとも１つが、金属箔として、好ましくは圧延金属箔として、あるいは金属蒸着ポリマー箔として形成されることを特徴とする、前記全ての請求項のいずれか１項に記載の線量計。
11. 異なる原子番号の金属原子（７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ）を有する複数の層（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ）の順序が、中性子放射線のエネルギースペクトルに適合されることを特徴とする、前記全ての請求項のいずれか１項に記載の線量計。
12. 前記中性子コンバータ（３）は、中性子放射線に面する線量計（１）の側から見て検出素子（５）の前に、好ましくは薄層内に配設された、^６Ｌｉ原子および／または^１０Ｂ原子および／または^１４Ｎ原子（９）を有することを特徴とする、前記全ての請求項のいずれか１項に記載の線量計。
13. 異なる金属原子（７）を有する少なくとも２つの線量計素子が、エネルギーおよび／または角度分布を測定するためにケース内に配設可能であることを特徴とする、前記全ての請求項のいずれか１項に記載の線量計。
14. 前記中性子コンバータ（３）は、金属原子（７）と^６Ｌｉ原子および／または^１０Ｂ原子および／または^１４Ｎ原子（９）との間に水素含有ポリマーを有することを特徴とする、前記全ての請求項のいずれか１項に記載の線量計。
15. 前記中性子コンバータ（３）は、複数の層を有し、中性子放射に向けた第１の層（３ａ）が金属原子を、第２の層（３ｃ）が前記水素含有ポリマーを、かつ第３の層（３ｂ）が^６Ｌｉ原子および／または^１０Ｂ原子および／または^１４Ｎ原子（９）を含有することを特徴とする、前記全ての請求項のいずれか１項に記載の線量計。
16. 前記中性子コンバータ（３）は、空間的に並設され異なる構造をもつ場（Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３）を有することを特徴とする、前記全ての請求項のいずれか１項に記載の線量計。
17. 局部線量測定および方向分布測定を行うために、複数の線量計素子（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ）が、球面上に好ましくは対称的に配設可能であることを特徴とする、前記全ての請求項のいずれか１項に記載の線量計。
18. 複数の線量計素子が、方向測定を行うために、ファントム上に配設可能であることを特徴とする、前記全ての請求項のいずれか１項に記載の線量計。
19. 前記検出素子（５）は、少なくとも１つの受動的素子および／または少なくとも１つの能動的素子を含むことを特徴とする、前記全ての請求項のいずれか１項に記載の線量計。
20. 受動的素子が、有機高ポリマー、好ましくはポリカーボネートまたは硝酸セルロース（好ましくはＣＲ３９またはマクロフォル）、および／または無機結晶体および／または鉱物、好ましくは熱ルミネセンス結晶体、特にＬｉＦ、および／または無機ガラスおよび／または有機結晶体を有することを特徴とする、前記全ての請求項のいずれか１項に記載の線量計。
21. 能動的素子が、半導体、好ましくはシリコンを有することを特徴とする、前記全ての請求項のいずれか１項に記載の線量計。
22. 光子線量計が設けられていることを特徴とする、前記全ての請求項のいずれか１項に記載の線量計。
23. 前記コンバータの層および検出素子は、前壁、後壁ならびに側壁を有するケース内に格納可能であることを特徴とする、前記全ての請求項のいずれか１項に記載の線量計。
24. 側壁が、ホウ素原子、および／またはカドミウム原子および／または窒素原子（^１４Ｎ）および／またはリチウム原子（^６Ｌｉ）を含有することを特徴とする、前記全ての請求項のいずれか１項に記載の線量計。

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