JP2009115818A - Cold neutron image detector - Google Patents

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Tatsuya Nakamura
龍也 中村
Masaki Katagiri
政樹 片桐
Yasuyuki Aratono
保幸 荒殿
Ikuo Jinno
郁夫 神野
Osamu Sugiura
修 杉浦
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a neutron image detector excelling in position resolution of 500 microns or less and position uniformity of neutron sensitivity. <P>SOLUTION: The neutron image detector with high neutron detecting position resolution is achieved by constituting a liquid helium-3 detector for detecting a neutron by filling liquid helium-3 in a pressure-proof chamber that can be cooled to a low temperature and detecting a proton or a triton discharged when helium-3 catches the neutron, by a cold corpuscular beam detecting element arranged in the pressure-proof chamber, wherein the liquid helium detector is operated at an operation temperature T of 3.19 K or below, and its depletion layer width is set to 5.8 microns or less when using an InSb semiconductor detecting element as the cold corpuscular beam detecting element, and set to 7.3 microns or less when using an Si semiconductor detecting element as the cold corpuscular beam detecting element. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、低温に冷却したヘリウム3を用いた中性子検出器及び高位置分解能を持つ中性子イメージ検出器に関するものである。本発明は、低温でも使用可能な中性子検出器に関するものであると共に、高い中性子検出位置分解能及び中性子検出感度の一様性が優れた中性子イメージ検出器に関するものである。このため、本検出器は、高い位置分解能が必要とされる中性子散乱実験、あるいは中性子ラジオグラフィーに使用される。また、試料を低温に冷却し、散乱された中性子を近距離で測定する必要がある中性子散乱実験にも使用できる。   The present invention relates to a neutron detector using helium 3 cooled to a low temperature and a neutron image detector having a high position resolution. The present invention relates to a neutron detector that can be used even at a low temperature, and also relates to a neutron image detector excellent in high neutron detection position resolution and uniformity of neutron detection sensitivity. For this reason, this detector is used for neutron scattering experiments or neutron radiography that require high position resolution. It can also be used for neutron scattering experiments where it is necessary to cool the sample to a low temperature and measure the scattered neutrons at close range.

これまで、中性子の入射位置を一次元、あるいは二次元で捕らえる中性子位置検出器としては10気圧程度のヘリウム3ガス中に複数のワイヤーを張り巡らせた図1に示すようなワイヤーチェンバーが開発され、一般に使用されている(例えば、非特許文献1参照)。このワイヤーチェンバーは高い検出効率、低いバックグランド、高い中性子/ガンマ線弁別能、高い検出感度一様性などにより多くの中性子散乱実験に使用されている。このワイヤーチェンバーの位置分解能は良くしても、通常2−3mm程度である。   Until now, as a neutron position detector that captures the incident position of neutrons in one or two dimensions, a wire chamber as shown in FIG. 1 in which a plurality of wires are stretched in helium 3 gas at about 10 atm has been developed. Generally used (for example, refer nonpatent literature 1). This wire chamber is used in many neutron scattering experiments due to its high detection efficiency, low background, high neutron / gamma ray discrimination, and high detection sensitivity uniformity. The position resolution of this wire chamber is usually about 2-3 mm at best.

一方、上述のワイヤーチェンバーの位置分解能を改善した中性子ガス検出器として図2に示すようなマイクロストリップ型中性子検出器が開発されている(例えば、非特許文献2参照)。この検出器は絶縁基板上に、数十ミクロンのアノード、カソード電極を数百ミクロンのピッチでリソグラフィー技術を用いて張り巡らされたもので、位置分解能0.4mmが実現されている。   On the other hand, a microstrip type neutron detector as shown in FIG. 2 has been developed as a neutron gas detector with improved position resolution of the above-described wire chamber (see, for example, Non-Patent Document 2). In this detector, an anode and a cathode electrode of several tens of microns are stretched on an insulating substrate at a pitch of several hundred microns using a lithography technique, and a positional resolution of 0.4 mm is realized.

また、液体ヘリウム3を用いてワイヤー電極により二次粒子を検出する試みがなされているが、ガス増幅率が上がらず、まだ実現していない(例えば、非特許文献3参照)。   In addition, attempts have been made to detect secondary particles with a wire electrode using liquid helium 3, but the gas amplification factor has not increased and has not been realized yet (for example, see Non-Patent Document 3).

V.Radeka et al.,BNLreport #65032,E.Gattiet al,Nucl.Instrum.&Meth.163,83(1979)V. Radeka et al. , BNLreport # 650032, E.M. Gatti et al, Nucl. Instrum. & Meth. 163, 83 (1979) A.Oed et al,Nucl.Instrum.&Meth.A263,351(1988)A. Oed et al, Nucl. Instrum. & Meth. A263,351 (1988) 放射線、No.26,3(2000)Radiation, No. 26, 3 (2000)

従来技術の中性子ガスイメージ検出器の位置分解能は依然十分なものではない。高い位置分解能の実現のためには、中性子捕獲反応の結果生じる二次粒子(プロトン、トリトン)の飛程をできるだけ短くすることが、必要不可欠である。飛程を短くする方法としては、封入圧力の増大、分子量の重いガスの添加などがあるが、ガス増幅を用いてこれら粒子を検出する場合、ガス増幅率の低下という大きな問題があり、実現することは困難であった。   The position resolution of prior art neutron gas image detectors is still not sufficient. In order to achieve high position resolution, it is essential to shorten the range of secondary particles (protons and tritons) generated as a result of the neutron capture reaction as much as possible. Methods for shortening the range include increasing the sealing pressure and adding a gas having a high molecular weight. However, when detecting these particles using gas amplification, there is a major problem in reducing the gas amplification factor. It was difficult.

また、二次粒子の飛程を数10ミクロンにまで低減するには、常温において1000気圧程度のヘリウム3ガスが必要であり、ガスチャンバーの耐圧力性による制約が大きく実現は困難であった。   Further, in order to reduce the range of the secondary particles to several tens of microns, helium 3 gas of about 1000 atm is required at room temperature, and the restriction due to the pressure resistance of the gas chamber is large and difficult to realize.

本発明は、ヘリウム3を低温に冷却し用いることにより、ガス圧力を上げずヘリウム3原子核密度を高くし、放出される二次粒子を低温で使用可能な粒子検出素子により検出し、高い位置分解能を付与した低温中性子イメージ検出器を提供することを目的とする。   In the present invention, helium 3 is cooled to a low temperature and used, the helium 3 nucleus density is increased without increasing the gas pressure, and the secondary particles to be discharged are detected by a particle detector that can be used at a low temperature. An object of the present invention is to provide a low-temperature neutron image detector provided with

本発明は上記目的を達成するために以下の解決手段を用いる。   In order to achieve the above object, the present invention uses the following solutions.

低温に冷却可能な耐圧力性チャンバー内部にヘリウム3ガスを封入し、ヘリウム3が中性子を捕獲した際放出されるプロトン(p)あるいはトリトン(T)を耐圧力性チャンバー内部に配置した低温粒子線検出素子で検出して中性子を検出するヘリウム3ガス検出器を構成し、その動作温度Tが3.19K以上100K以下、かつ、封入ヘリウム3ガス圧力をP>T/ 2.77の条件を満足するガス圧で動作させる。   A cold particle beam in which helium 3 gas is enclosed inside a pressure-resistant chamber that can be cooled to a low temperature, and protons (p) or tritons (T) that are released when helium 3 captures neutrons are arranged inside the pressure-resistant chamber. A helium 3 gas detector that detects neutrons by detecting with a detecting element is constructed, and its operating temperature T is 3.19K or more and 100K or less, and the sealed helium 3 gas pressure satisfies the condition of P> T / 2.77. Operate with gas pressure.

低温粒子検出素子と、耐圧力性のチャンバーとからなり、それらの内部に液体ヘリウム3ガスを封入することで中性子感度を有する中性子ガス検出器を構成し、その動作温度Tが3.19K以下で動作させる。   A neutron gas detector having a neutron sensitivity is constructed by enclosing liquid helium 3 gas inside the cryogenic particle detection element and a pressure-resistant chamber, and its operating temperature T is 3.19K or less. Make it work.

低温粒子検出素子としてInSb半導体検出素子及びSi半導体検出素子を使用し、かつその空乏層幅をプロトン及びトリトンの飛程以下としガンマ線等のバックグラウンドを除去する。   An InSb semiconductor detection element and a Si semiconductor detection element are used as the low temperature particle detection element, and the depletion layer width is set to be equal to or less than the range of protons and tritons to remove background such as gamma rays.

耐圧力性チャンバーに常温に設置したヘリウム3ガスリザーバーを接続し、耐圧力性チャンバー内部のガス圧を設定した値に自動的に調整可能とし、操作性を向上すると共に低温が維持できなくなった際に予想される耐圧力問題に対する安全性を確保する。   When helium 3 gas reservoir installed at room temperature is connected to the pressure resistant chamber, the gas pressure inside the pressure resistant chamber can be automatically adjusted to the set value, improving operability and maintaining low temperature Ensuring safety against pressure problems that are anticipated.

低温環境を利用してヘリウム3ガスの高密度状態を実現することにより、500ミクロン以下の高い中性子検出位置分解能が得られる。   By realizing a high density state of helium 3 gas using a low temperature environment, a high neutron detection position resolution of 500 microns or less can be obtained.

また、同時にガス状態のヘリウム3を使用した場合、極めて中性子検出効率の一様性の高い中性子イメージ検出器となる。   In addition, when helium 3 in a gas state is used at the same time, the neutron image detector has a very uniform neutron detection efficiency.

液体ヘリウム3を使用した場合には、ガス状態の場合に必要であったガス圧の調整が不要となり、動作温度を決定するという操作のみで検出器の中性子感度が一意に決定され、極めて位置一様性の高い中性子イメージ検出器が実現される。   When liquid helium 3 is used, it is not necessary to adjust the gas pressure required in the gas state, and the neutron sensitivity of the detector is uniquely determined only by the operation of determining the operating temperature. A highly neutron image detector is realized.

使用する半導体素子の空乏層厚さを中性子検出に供するのに十分、かつ必要な厚さとするため、高い信号対雑音比が得られ、中性子対バックグランド比を向上することができる。   Since the depletion layer thickness of the semiconductor element used is sufficient and necessary for neutron detection, a high signal-to-noise ratio can be obtained and the neutron-to-background ratio can be improved.

常温に設置された所定の耐ガス、容量をもつリザーバタンク内に所定の量のガスをあらかじめ封入しておくことにより、検出器を動作温度にまで冷却するという行為のみにより所定の動作条件に検出器を簡単に設定できるので操作性が向上し、また、中性子検出感度の信頼性、再現性も向上し、また、安全性をも確保することができる。   By pre-sealing a predetermined amount of gas in a reservoir tank with a predetermined gas resistance and capacity installed at room temperature, the detector can be detected at a predetermined operating condition only by the action of cooling the detector to the operating temperature. Since the instrument can be easily set, the operability is improved, the reliability and reproducibility of the neutron detection sensitivity is improved, and the safety can be ensured.

従来のワイヤーチェンバー型中性子検出器を示す図である。It is a figure which shows the conventional wire chamber type neutron detector. 従来のマイクロストリップ型中性子検出器を示す図である。It is a figure which shows the conventional microstrip type | mold neutron detector. ヘリウム3ガスと粒子検出可能な半導体検出素子からなる中性子イメージ検出器(側面図)を示す図である。It is a figure which shows the neutron image detector (side view) which consists of helium 3 gas and the semiconductor detection element which can detect particle | grains. ヘリウム3ガスと粒子検出可能な半導体検出素子からなる中性子イメージ検出器(平面図)を示す図である。It is a figure which shows the neutron image detector (plan view) which consists of helium 3 gas and the semiconductor detection element which can detect particle | grains. 3.3Kから300Kの温度範囲におけるヘリウム3ガス中のプロトン(574KeV)飛程のガス圧依存性の計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result of the gas pressure dependence of the proton (574 KeV) range in helium 3 gas in the temperature range of 3.3K to 300K. ヘリウム3ガスと粒子検出可能なInSb半導体検出素子からなる中性子イメージ検出器(側面図)を示す図である。It is a figure which shows the neutron image detector (side view) which consists of InSb semiconductor detection element which can detect helium 3 gas and particle | grains. ヘリウム3ガスと粒子検出可能なInSb半導体検出素子からなる中性子イメージ検出器(平面図)を示す図である。It is a figure which shows the neutron image detector (plan view) which consists of helium 3 gas and the InSb semiconductor detection element which can detect particle | grains. ヘリウム3ガスと粒子検出可能なInSb半導体検出素子からなる中性子イメージ検出器のガス圧0.012atmにおける中性子信号測定結果を示す図である。It is a figure which shows the neutron signal measurement result in the gas pressure of 0.012 atm of the neutron image detector which consists of helium 3 gas and an InSb semiconductor detection element which can detect particles. ヘリウム3ガスと粒子検出可能なInSb半導体検出素子からなる中性子イメージ検出器のガス圧を0.012〜12atmにおける中性子波高スペクトル測定結果を示す図である。It is a figure which shows the neutron wave height spectrum measurement result in the gas pressure of 0.012-12atm of the neutron image detector which consists of helium 3 gas and an InSb semiconductor detection element which can detect particles. 液体ヘリウム3と粒子検出可能なInSb半導体検出素子からなる中性子イメージ検出器の動作温度1.6Kにおける中性子波高スペクトル測定結果を示す図である。It is a figure which shows the neutron wave height spectrum measurement result in the operating temperature of 1.6K of the neutron image detector consisting of the liquid helium 3 and the InSb semiconductor detection element which can detect particle | grains. ヘリウム3ガスと粒子検出可能な半導体検出素子群からなる中性子イメージ検出器(側面図)を示す図である。It is a figure which shows the neutron image detector (side view) which consists of helium 3 gas and the semiconductor detection element group which can detect particle | grains. ヘリウム3ガスと粒子検出可能な半導体検出素子群からなる中性子イメージ検出器(平面図)を示す図である。It is a figure which shows the neutron image detector (plan view) which consists of helium 3 gas and the semiconductor detection element group which can detect particles. 粒子線検出半導体素子間の距離の検出素子一辺の長さ及び充填率による計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result by the length of the detection element one side and the filling rate of the distance between particle beam detection semiconductor elements. InSb半導体検出素子中におけるプロトン飛程の計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result of the proton range in an InSb semiconductor detection element. Si半導体検出素子中におけるプロトン飛程の計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result of the proton range in Si semiconductor detection element. 超伝導トンネル接合素子の構成図を示す図である。It is a figure which shows the block diagram of a superconducting tunnel junction element. 液体ヘリウム3と超伝導トンネル接合素子を用いた中性子イメージング検出器を示す図である。It is a figure which shows the neutron imaging detector using the liquid helium 3 and a superconducting tunnel junction element. プロトン(574keV)、およびトリトン(191keV)の超伝導トンネル接合素子に付与するエネルギーの計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result of the energy provided to the superconducting tunnel junction element of a proton (574 keV) and a Triton (191 keV). ヘリウム3ガスと粒子検出可能な超伝導トンネル接合検出素子群からなる中性子イメージ検出器(側面図)を示す図である。It is a figure which shows the neutron image detector (side view) which consists of helium 3 gas and a superconducting tunnel junction detection element group which can detect particle | grains. ヘリウム3ガスと粒子検出可能な超伝導トンネル接合検出素子群からなる中性子イメージ検出器(平面図)を示す図である。It is a figure which shows the neutron image detector (plan view) which consists of helium 3 gas and a superconducting tunnel junction detection element group which can detect particles. 超伝導トンネル接合検出素子間距離の計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result of the distance between superconducting tunnel junction detection elements. ヘリウム3ガスを使用した場合の中性子イメージ検出器に必要なタンク容量の計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result of the tank capacity | capacitance required for a neutron image detector at the time of using helium 3 gas. 液体ヘリウム3を使用した場合の、中性子イメージ検出器のリザーバタンクに必要なタンク容量の計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result of the tank capacity | capacitance required for the reservoir tank of a neutron image detector at the time of using liquid helium.

まず、本発明の中性子検出器の動作原理を説明する。図3には本発明による中性子検出器の側面図を、図4には、平面図を示す。冷却可能な耐圧力性ガスチャンバー内に低温粒子線検出素子を設置し、その空間内にヘリウム3を封入する。中性子は、ヘリウム3との核反応He(n,p)T反応により捕獲され、二次粒子であるプロトン、トリトンがお互い反対方向に射出される。放出されたプロトン、トリトンのうち、低温粒子線検出素子に入射するどちらか一方の粒子を検出することで中性子が検出される。低温粒子線検出素子をアレイとして配置した場合には、どの位置の検出素子に入射したかを判定することにより中性子入射位置が特定される。 First, the operation principle of the neutron detector of the present invention will be described. FIG. 3 shows a side view of the neutron detector according to the present invention, and FIG. 4 shows a plan view. A cold particle beam detection element is installed in a pressure-resistant gas chamber that can be cooled, and helium 3 is enclosed in the space. Neutrons are captured by the nuclear reaction 3 He (n, p) T reaction with helium 3, and protons and tritons that are secondary particles are ejected in opposite directions. Neutrons are detected by detecting either one of the emitted protons and tritons that enter the low-temperature particle beam detection element. When the cold particle beam detection elements are arranged as an array, the neutron incident position is specified by determining which position the detection element is incident on.

本検出器の位置分解能は、二次粒子のうち飛程の長いプロトンの飛程により決まるため、この飛程を低減することが高位置分解能を実現する鍵となる。常温、1気圧、ヘリウム3中におけるプロトン(574keV)の飛程は54mmであるので、飛程500ミクロン、すなわち位置分解能500ミクロン程度を実現するためには、室温では108気圧もの高いガス圧が必要となる。このように高いガス圧を保持するガスチャンバーの製作は非常に困難である。   Since the position resolution of this detector is determined by the range of protons having a long range among the secondary particles, reducing this range is the key to realizing high position resolution. Since the range of protons (574 keV) in helium 3 at room temperature and 1 atm is 54 mm, a gas pressure as high as 108 atm is required at room temperature in order to realize a range of 500 microns, that is, a positional resolution of about 500 microns. It becomes. It is very difficult to manufacture a gas chamber that maintains such a high gas pressure.

ここで、ガスの圧力をP、体積をV、温度をTとすると、理想気体はボイル・シャルルの法則(PV/T=一定)に従うことが知られている。この式に従うと、同一圧力のガスを温度が1/10の状態にて封入した場合、10倍の量のガスが封入されることになり、結果として10倍の原子核密度が実現される。具体的には、常温(300K)において100気圧のガス圧で実現されるガス密度状態は、3.3Kにおいてはほんの1.1気圧で実現される。この程度のガス圧に耐えうるガスチャンバーは容易に製作可能である。なお、ヘリウム3は沸点が3.19K、臨界温度が3.3K、臨界圧が1.1気圧の希ガスであるため臨界温度、臨界圧力以上においてもガス状態で存在している。   Here, when the gas pressure is P, the volume is V, and the temperature is T, it is known that the ideal gas follows Boyle-Charles' law (PV / T = constant). According to this equation, when a gas of the same pressure is sealed in a state where the temperature is 1/10, 10 times the amount of gas is sealed, and as a result, a nuclear density of 10 times is realized. Specifically, the gas density state realized at a gas pressure of 100 atm at normal temperature (300K) is realized at only 1.1 atm at 3.3K. A gas chamber that can withstand such a gas pressure can be easily manufactured. Helium 3 is a rare gas having a boiling point of 3.19 K, a critical temperature of 3.3 K, and a critical pressure of 1.1 atm. Therefore, helium 3 exists in a gas state even at a critical temperature or higher than the critical pressure.

ヘリウム3のみのを充満した場合の各温度T(K)におけるプロトン飛程R(mm)はガス圧をP(atm)として以下の式で与えられる。
R=54/[P・300/T](mm)
各動作温度において、位置分解能500ミクロン以下を実現するには、以下の条件を満足するガス圧Pとする。
P>0.36T
図5には各温度において計算した飛程の圧力依存性を示す。
The proton range R (mm) at each temperature T (K) when only helium 3 is filled is given by the following equation with the gas pressure being P (atm).
R = 54 / [P · 300 / T] (mm)
In order to achieve a position resolution of 500 microns or less at each operating temperature, the gas pressure P satisfies the following conditions.
P> 0.36T
FIG. 5 shows the pressure dependence of the range calculated at each temperature.

実施例1として、図6(側面図)、図7(平面図)を参照して述べる。本発明の中性子検出器は、低温で粒子検出が可能な粒子線検出素子と、耐圧力性チャンバーと、ヘリウム3ガスとから検出器を構成され、その動作温度を3.19K以上100K以下、かつ、封入ヘリウム3ガス圧力を動作温度(単位:K)を0.36倍した値以上の圧力とした条件で動作させることを特徴としている。   Example 1 will be described with reference to FIG. 6 (side view) and FIG. 7 (plan view). The neutron detector of the present invention comprises a particle beam detection element capable of detecting particles at a low temperature, a pressure-resistant chamber, and helium 3 gas, and has an operating temperature of 3.19K to 100K, and The operation is performed under the condition that the sealed helium 3 gas pressure is set to a pressure equal to or higher than the value obtained by multiplying the operating temperature (unit: K) by 0.36.

粒子線検出素子として使用したInSb素子の大きさは、5×7×0.4tmmで素子は厚さ1.0mmのCu板上にInはんだ固定されている。本素子を耐圧15atmのSUS304製チャンバー内にスタイキャストで固定した。使用したInSb素子は住友電工製のnon−doped InSbウェハーを用いて製作された。InSb素子上に形成した直径3mm、厚さ4nmのAu/Pd層メサにより整流性電極を形成し金線により素子と信号線とを接続した。本素子は漏洩電流による雑音の関係から無バイアスで動作させた。チャンバーとInSb素子表面とで形成される中性子吸収層の厚さは〜3.6mmである。チャンバー全体を液体ヘリウムに浸しInSb素子及び、ヘリウム3ガスを4.2Kに冷却した。この場合、位置分解能0.5mmを実現するガス圧は、1.5atm以上と計算された。 The size of the InSb element used as the particle beam detection element is 5 × 7 × 0.4 tmm 3 , and the element is fixed by In solder on a Cu plate having a thickness of 1.0 mm. This element was fixed in a SUS304 chamber having a pressure resistance of 15 atm by stycast. The InSb element used was manufactured using a non-doped InSb wafer manufactured by Sumitomo Electric. A rectifying electrode was formed by an Au / Pd layer mesa having a diameter of 3 mm and a thickness of 4 nm formed on the InSb element, and the element and the signal line were connected by a gold wire. This element was operated with no bias because of noise caused by leakage current. The thickness of the neutron absorption layer formed by the chamber and the surface of the InSb element is ˜3.6 mm. The entire chamber was immersed in liquid helium, and the InSb element and helium 3 gas were cooled to 4.2K. In this case, the gas pressure that achieves a position resolution of 0.5 mm was calculated to be 1.5 atm or more.

原研改造3号炉T1−4ポート(最大中性子フラックス10n/cm/s)において、本検出器に熱中性子を照射し、その中性子検出特性を調べた。中性子は厚さInSb素子背面から入射した。素子からの信号は長さ約1000mmのガスパイプ内を通した信号線により外部に取り出し、常温に設置された前段増幅器(Canberra 2003BT)に接続した。 In the JAERI remodeled reactor No. 3 T1-4 port (maximum neutron flux 10 5 n / cm 2 / s), this detector was irradiated with thermal neutrons, and the neutron detection characteristics were examined. Neutrons were incident from the back of the InSb element having a thickness. A signal from the element was taken out to the outside by a signal line passing through a gas pipe having a length of about 1000 mm and connected to a preamplifier (Camberra 2003BT) installed at room temperature.

図8にガス圧0.012atm封入した場合に観測された前段増幅器の出力信号パルス波形を示す。立ち上がり時間〜80nsecでInSb素子が良好に二次粒子を捕らえていることを確認した。   FIG. 8 shows the output signal pulse waveform of the preamplifier observed when the gas pressure of 0.012 atm is sealed. It was confirmed that the InSb element satisfactorily captured secondary particles at a rise time of ~ 80 nsec.

電荷増幅器からの出力信号をシェーピングアンプ(Canberra 2001)にて時定数1.5マイクロsecで波形整形しMCAで波高分布を測定した。ガス圧を0.012〜12.4atmまで変化した場合の波高スペクトルの変化を測定した結果を図9に示す。いずれのガス圧においてもプロトンを明確に捕らえることができた。   The output signal from the charge amplifier was waveform-shaped with a shaping amplifier (Camberra 2001) with a time constant of 1.5 microseconds, and the wave height distribution was measured with MCA. FIG. 9 shows the result of measuring the change in the pulse height spectrum when the gas pressure is changed from 0.012 to 12.4 atm. Protons could be clearly captured at any gas pressure.

以上の結果、4.2Kの温度において、P>0.36×Tの条件を満足するガス圧において、中性子(プロトン)を検出可能であることが確認された。   As a result, it was confirmed that neutrons (protons) could be detected at a gas pressure satisfying the condition of P> 0.36 × T at a temperature of 4.2 K.

実施例2は、低温で粒子検出が可能な粒子線検出素子と、耐圧力性のチャンバーと、液体ヘリウムとから検出器を構成され、その動作温度Tが3.19K以下で動作させることを特徴とする中性子検出器に関するものである。   Example 2 is characterized in that a detector is composed of a particle beam detection element capable of detecting particles at a low temperature, a pressure-resistant chamber, and liquid helium, and is operated at an operating temperature T of 3.19K or less. This is related to the neutron detector.

図6、7に示した構造と同様の中性子検出器を使用し、検出器全体を1.6Kに冷却した。その後、液体状態であるヘリウム3をチャンバー内に導入し、中性子の検出を試みた。   A neutron detector similar to the structure shown in FIGS. 6 and 7 was used, and the entire detector was cooled to 1.6K. Thereafter, helium 3 in a liquid state was introduced into the chamber to try to detect neutrons.

図10に液体ヘリウム3に外圧0.92atmを印加した場合の波高スペクトルを示す。これよりヘリウム3液体を中性子コンバータとした場合にも良好に中性子(プロトン)を検出可能であることが確認できた。   FIG. 10 shows a wave height spectrum when an external pressure of 0.92 atm is applied to the liquid helium 3. From this, it was confirmed that neutrons (protons) can be detected well even when helium-3 liquid is used as a neutron converter.

実施例3は、低温粒子線検出素子として2個以上の素子から構成されたアレイ検出素子を用い、中性子の入射位置を検出することを特長とした低温中性子イメージ検出器に関するものである。   Example 3 relates to a low-temperature neutron image detector that uses an array detection element composed of two or more elements as a low-temperature particle beam detection element and detects the incident position of neutrons.

図11に二つ以上の低温半導体検出素子をアレイ化した検出素子群の図(側面図)を図12に平面図を示す。   FIG. 11 shows a detection element group (side view) in which two or more low-temperature semiconductor detection elements are arrayed, and FIG. 12 shows a plan view.

検出素子一辺の長さLは、中性子捕獲反応の結果生じるプロトンの飛程Rよりも小さくすることが不可欠である。したがって、素子一辺の長さはL<Rを満足するものとし、ここでは、
L<500ミクロン
の条件からLは決定される。
It is essential that the length L of one side of the detection element is smaller than the range R of protons generated as a result of the neutron capture reaction. Therefore, it is assumed that the length of one side of the element satisfies L <R. Here,
L is determined from the condition of L <500 microns.

また、素子と素子との間の距離dは、上記条件に基づいて決定されたLと、検出器全体に占める有効面積により決定される。
今、有効面積率x(x<1)を
x=L/(L+2d)
と定義すると、xを用いてdは以下の式で与えられる。
d=L/2・(1−a)/a
ここでa=x0.5である。
The distance d between the elements is determined by L determined based on the above conditions and the effective area occupied by the entire detector.
Now, the effective area ratio x (x <1) is expressed as x = L 2 / (L + 2d) 2
If d is defined, d is given by the following equation using x.
d = L / 2 · (1-a) / a
Here, a = x 0.5 .

図13には素子一辺の大きさLに対して、有効面積率を設定した場合に必要な素子間距離dの計算結果を示す。これらの式、図より、配置するアレイ検出素子の大きさ、配置間隔を決定することができる。   FIG. 13 shows a calculation result of the inter-element distance d required when the effective area ratio is set with respect to the size L of one side of the element. From these equations and drawings, the size and arrangement interval of the array detection elements to be arranged can be determined.

実施例として、中性子検出器の動作温度を4.2Kとし、封入ガス圧を2気圧とした場合には、プロトンの飛程は、372ミクロンである。したがって、アレイ検出素子の一辺のサイズを300ミクロンとし、43.6ミクロンの間隔で検出素子をアレイ配置した場合、有効面積率0.6である低温中性子イメージ検出器を製作することができる。   As an example, when the operating temperature of the neutron detector is 4.2 K and the enclosed gas pressure is 2 atmospheres, the proton range is 372 microns. Therefore, when the size of one side of the array detection element is 300 microns and the detection elements are arranged in an array at intervals of 43.6 microns, a low-temperature neutron image detector having an effective area ratio of 0.6 can be manufactured.

実施例4は、低温で使用可能な粒子線検出素子としてInSb半導体検出素子を使用し、かつその空乏層幅を5.8ミクロン以下とすることを特徴とする低温中性子検出器に関するものである。   Example 4 relates to a low-temperature neutron detector characterized in that an InSb semiconductor detection element is used as a particle beam detection element usable at a low temperature, and the depletion layer width is 5.8 microns or less.

中性子検出器においては、中性子以外の放射線(例えば、X線、ガンマ線など)はバックグランドで雑音となることからできるだけこれらに不感であることが望ましい。また、一方では、中性子吸収により生じたプロトンが半導体素子中において全エネルギーを付与し、信号対雑音比を大きくとることが重要である。このような観点から、使用する半導体検出素子の空乏層厚さには最適値が存在することが分かる。   In the neutron detector, radiation other than neutrons (for example, X-rays, gamma rays, etc.) is preferably insensitive to these because it becomes noise in the background. On the other hand, it is important that protons generated by neutron absorption give the total energy in the semiconductor element and increase the signal-to-noise ratio. From this point of view, it can be seen that there is an optimum value for the depletion layer thickness of the semiconductor detection element to be used.

放射線の吸収効率は空乏層厚さに比例するためバックグランド低減の観点からは半導体検出素子の空乏層厚さはできるだけ薄いことが好ましい。したがって、半導体素子群の空乏層厚さとしては中性子捕獲反応により生じたプロトンが半導体素子中で全エネルギー付与する厚さ以下であることが必要である。   Since the radiation absorption efficiency is proportional to the thickness of the depletion layer, the thickness of the depletion layer of the semiconductor detection element is preferably as thin as possible from the viewpoint of reducing the background. Therefore, the thickness of the depletion layer of the semiconductor element group needs to be equal to or less than the thickness at which protons generated by the neutron capture reaction impart all energy in the semiconductor element.

図14は、InSb素子中におけるプロトン飛程のプロトンエネルギー依存性を示している。これより、中性子捕獲反応により生じたプロトン(574keV)が全エネルギー付与する飛程から、InSb素子の空乏層を5.8ミクロン以下にすることによりガンマ線バックグラウンドを低減することができるがことがわかる。   FIG. 14 shows the proton energy dependence of the proton range in the InSb device. From this, it can be seen that the gamma ray background can be reduced by setting the depletion layer of the InSb element to 5.8 microns or less from the range in which the proton (574 keV) generated by the neutron capture reaction imparts the total energy. .

実施例5は、低温で使用可能な粒子線検出素子としてSi半導体検出素子を使用し、かつその空乏層幅を7.3ミクロン以下とすることを特徴とする低温中性子検出器に関するものである。   Example 5 relates to a low-temperature neutron detector characterized in that a Si semiconductor detection element is used as a particle beam detection element usable at a low temperature, and the depletion layer width is 7.3 microns or less.

また、中性子検出器においては、中性子以外の放射線(例えば、X線、ガンマ線)はバックグランドで雑音となることからできるだけこれらに不感であることが望ましい。また、一方では、中性子吸収により生じたプロトンが半導体素子中において全エネルギーを付与し、信号対雑音比を大きくとることが重要である。このような観点から、使用する半導体検出素子の空乏層厚さには最適値が存在することが分かる。   In addition, in the neutron detector, radiation other than neutrons (for example, X-rays and gamma rays) is preferably insensitive to these because they become noise in the background. On the other hand, it is important that protons generated by neutron absorption give the total energy in the semiconductor element and increase the signal-to-noise ratio. From this point of view, it can be seen that there is an optimum value for the depletion layer thickness of the semiconductor detection element to be used.

放射線の吸収効率は空乏層厚さに比例するためバックグランド低減の観点からは半導体検出素子の空乏層厚さはできるだけ薄いことが好ましい。したがって、半導体素子群の空乏層厚さとしては中性子捕獲反応により生じたプロトンが半導体素子中で全エネルギー付与する厚さ以下であることが必要である。   Since the radiation absorption efficiency is proportional to the thickness of the depletion layer, the thickness of the depletion layer of the semiconductor detection element is preferably as thin as possible from the viewpoint of reducing the background. Therefore, the thickness of the depletion layer of the semiconductor element group needs to be equal to or less than the thickness at which protons generated by the neutron capture reaction impart all energy in the semiconductor element.

なお、低温で使用できるSi半導体検出器としては米国ORTEC社の低温対応型ULTRA・Si検出器シリーズが使用できる。   As a Si semiconductor detector that can be used at a low temperature, a low temperature compatible ULTRA / Si detector series manufactured by ORTEC, USA can be used.

図15は、Si素子中におけるプロトン飛程のプロトンエネルギー依存性を示している。これより、中性子捕獲反応により生じたプロトン(574keV)が全エネルギー付与する飛程から、Si素子は空乏層として7.3ミクロン以下にすることによりガンマ線バックグラウンドを低減することができることがわかる。   FIG. 15 shows the proton energy dependence of the proton range in the Si device. From this, it can be seen from the range in which the proton (574 keV) generated by the neutron capture reaction imparts the total energy, the gamma ray background can be reduced by setting the Si element to 7.3 microns or less as a depletion layer.

実施例6は、低温粒子検出素子として超伝導トンネル接合素子を使用することを特徴とした低温中性子検出器に関するものである。   Example 6 relates to a low-temperature neutron detector characterized by using a superconducting tunnel junction element as a low-temperature particle detection element.

超伝導トンネル接合素子は低温で動作する放射線検出器でその構造は図16に示すとおり、二つの超伝導体を厚さ1ナノメートル程度の薄い絶縁膜を挟み込んだサンドイッチ構造をしている。超伝導体において吸収された放射線は、そこで多数の信号電子が生成され、それらの電子が超伝導膜間においてトンネルすることにより、二つの超伝導体の間に信号を誘起するのがこの検出器の放射線検出原理である。通常、超伝導膜としては超伝導臨界温度が10Kと高いニオブが使用される。したがって、原理的にはニオブの臨界温度である10K以下の温度において動作するが熱雑音の観点からその1/2〜1/3以下の温度で動作させるのが通常である。   The superconducting tunnel junction element is a radiation detector operating at a low temperature, and has a sandwich structure in which two superconductors are sandwiched by a thin insulating film having a thickness of about 1 nanometer as shown in FIG. The radiation absorbed in the superconductor generates a large number of signal electrons there, and these electrons tunnel between the superconducting films, thereby inducing a signal between the two superconductors. This is the radiation detection principle. Usually, niobium having a superconducting critical temperature as high as 10K is used as the superconducting film. Therefore, in principle, it operates at a temperature of 10 K or less, which is the critical temperature of niobium, but it is usually operated at a temperature of 1/2 to 1/3 or less from the viewpoint of thermal noise.

実施例として、二つのニオブ膜の厚さが200nmとし、臨界電流密度100A/cmで設計された大きさ178ミクロン角の超伝導トンネル接合素子を用いることとする。素子は、図17に示すようにクライオスタット内に設置され、0.4Kに冷却し、X線信号とは無関係に流れているジョセフソン電流を抑制するため、外部より接合と平行に100ガウス程度の磁場を印加して使用する。 As an example, it is assumed that a superconducting tunnel junction element having a size of 178 microns square designed with a thickness of two niobium films of 200 nm and a critical current density of 100 A / cm 2 is used. As shown in FIG. 17, the device is installed in a cryostat, cooled to 0.4 K, and suppresses the Josephson current flowing independently of the X-ray signal. Used by applying a magnetic field.

ヘリウム3における中性子吸収の結果生じるプロトン、トリトンによりどの程度のエネルギーが超伝導膜に付与されるのかを計算した結果を図18に示す。同図は横軸にニオブ超伝導膜の膜厚を、縦軸にプロトン、あるいはトリトンにより付与されたエネルギーを示している。この図より、ニオブ膜の厚さが100nm以上であれば、プロトン、トリトンによるエネルギー付与量が6keV以上となり、検出限界の一桁以上の値となることから、プロトン、トリトンを十分に検出できることがわかる。したがって、中性子検出に供することができる。   FIG. 18 shows the result of calculating how much energy is imparted to the superconducting film by protons and triton generated as a result of neutron absorption in helium 3. In the figure, the horizontal axis represents the thickness of the niobium superconducting film, and the vertical axis represents the energy applied by protons or tritons. From this figure, if the thickness of the niobium film is 100 nm or more, the amount of energy imparted by protons and tritons is 6 keV or more, which is a value of one digit or more of the detection limit, so that protons and tritons can be sufficiently detected. Recognize. Therefore, it can be used for neutron detection.

上記では、SIS型(超伝導体/絶縁膜/超伝導体)構造の超伝導トンネル接合素子の実施例を述べたが、NIS型(常伝導体/絶縁膜/超伝導体)構造の超伝導トンネル接合素子でも同様に行うことができる。   In the above, an example of a superconducting tunnel junction element having a SIS type (superconductor / insulating film / superconductor) structure has been described. However, superconducting of a NIS type (normal conductor / insulating film / superconductor) structure is described. The same can be done with a tunnel junction element.

実施例7は、低温粒子線検出素子として2個以上の素子から構成された超伝導トンネル接合素子によるアレイ検出素子を用い、中性子の入射位置を検出することを特長とした低温中性子イメージ検出器に関するものである。   Example 7 relates to a low-temperature neutron image detector characterized by detecting an incident position of neutrons using an array detection element composed of two or more superconducting tunnel junction elements as a low-temperature particle beam detection element. Is.

図19に二つ以上の低温粒子線検出素子をアレイ化した検出素子群の側面図を、図20に平面図を示す。   FIG. 19 is a side view of a detection element group in which two or more low-temperature particle beam detection elements are arrayed, and FIG. 20 is a plan view.

検出素子一辺の長さLは、中性子捕獲反応の結果生じるプロトンの飛程Rよりも小さくすることが不可欠である。したがって、素子一辺の長さはL<Rを満足するものとし、ここでは、
L<500ミクロン
の条件からLは決定される。
It is essential that the length L of one side of the detection element is smaller than the range R of protons generated as a result of the neutron capture reaction. Therefore, it is assumed that the length of one side of the element satisfies L <R. Here,
L is determined from the condition of L <500 microns.

また、素子と素子との間の距離dは、上記条件に基づいて決定されたLと、検出器全体に占める有効面積により決定される。
今、有効面積率x(x<1)を
x=L/(L+2d)
と定義すると、xを用いてdは以下の式で与えられる。
d=L/2・(1−a)/a
ここでa=x0.5である。
The distance d between the elements is determined by L determined based on the above conditions and the effective area occupied by the entire detector.
Now, the effective area ratio x (x <1) is expressed as x = L 2 / (L + 2d) 2
If d is defined, d is given by the following equation using x.
d = L / 2 · (1-a) / a
Here, a = x 0.5 .

図21に、素子一辺の大きさLに対して、有効面積率を設定した場合に必要な素子間距離dの計算結果を示す。これらの式、図より、配置するアレイ検出素子の大きさ、配置間隔を決定することができる。   FIG. 21 shows the calculation result of the inter-element distance d required when the effective area ratio is set with respect to the size L of one side of the element. From these equations and drawings, the size and arrangement interval of the array detection elements to be arranged can be determined.

実施例として、中性子検出器の動作温度を4.2Kとし、封入ガス圧を2気圧とした場合には、プロトンの飛程は、372ミクロンである。したがって、アレイ検出素子の一辺のサイズを300ミクロンとし、43.6ミクロンの間隔で検出素子をアレイ配置した場合、有効面積率0.6である低温中性子イメージ検出器を製作することができる。   As an example, when the operating temperature of the neutron detector is 4.2 K and the enclosed gas pressure is 2 atmospheres, the proton range is 372 microns. Therefore, when the size of one side of the array detection element is 300 microns and the detection elements are arranged in an array at intervals of 43.6 microns, a low-temperature neutron image detector having an effective area ratio of 0.6 can be manufactured.

実施例8は、耐圧力性チャンバーに、常温に設置したヘリウム3ガスリザーバーを接続し、耐圧力性チャンバー内部のガス圧を設定した値に自動的に調整可能とすることを特徴とした低温中性子検出器あるいは低温中性子イメージ検出器に関するものである。   In Example 8, a helium 3 gas reservoir installed at room temperature is connected to a pressure-resistant chamber, and the gas pressure inside the pressure-resistant chamber can be automatically adjusted to a set value. The present invention relates to a detector or a cryogenic neutron image detector.

封入されたヘリウム3がガス状態であった場合を考える。容量V(cm)をもつ中性子イメージ検出器を動作した時の圧力をP(atm)、温度をT(K)としたときの、常温に設置されるべきリザーバタンクの体積Vresと圧力Presとは、ボイル・シャルル則より以下の式で与えられる。
res=(300/T)(P/Pres)V
ここでPresはリザーバタンクの耐圧により決定される。リザーバタンクの耐圧を10気圧とした場合の、検出器容量Vで規格化されたリザーバタンク容量Vresを、検出器動作させるヘリウム3の設定圧力Pに対して計算したものを図22に示す。このように上式を用いることにより必要な中性子イメージ検出器の動作条件を決定できれば、同図及び同式を用いてリザーバタンクの容量を決定することができる。
Consider a case where the sealed helium 3 is in a gas state. Volume V res of the reservoir tank to be installed at room temperature when the pressure when operating the neutron image detector having the capacity V 1 (cm 3 ) is P 1 (atm) and the temperature is T 1 (K) And the pressure Pres are given by the following equations from Boyle-Charles law.
V res = (300 / T 1 ) (P 1 / P res ) V 1
Here, Pres is determined by the pressure resistance of the reservoir tank. FIG. 22 shows the reservoir tank capacity V res normalized with the detector capacity V 1 calculated for the set pressure P 1 of the helium 3 for operating the detector when the pressure resistance of the reservoir tank is 10 atm. Show. Thus, if the required operating conditions of the neutron image detector can be determined by using the above equation, the capacity of the reservoir tank can be determined using the same drawing and equation.

実施例として、容量1cmをもつ中性子イメージ検出器が動作した時の圧力を2気圧、温度を4.2K、リザーバタンクの耐圧を10気圧とした場合、容量60cmのリザーバタンクを接続し低温中性子イメージ検出器を4.2Kへ冷却することにより、必要とする動作ガス圧へ自動的に調整されることが確認できた。 As an example, when the pressure when the neutron image detector having a capacity of 1 cm 3 is operated is 2 atmospheres, the temperature is 4.2 K, and the pressure resistance of the reservoir tank is 10 atmospheres, a reservoir tank having a capacity of 60 cm 3 is connected and the temperature is low. It was confirmed that the neutron image detector was automatically adjusted to the required operating gas pressure by cooling to 4.2K.

また、液体ヘリウム3を封入した場合のリザーバタンク容量も同様に計算できる。この場合、液体ヘリウム3の密度を0.08(g/cm)とすることで簡略化され、以下の式で計算される。
res>664(V/Pres
検出器容量Vで規格化されたリザーバタンク容量Vresをリザーバタンクの耐圧の関数として上式により計算した結果を図23に示す。
The reservoir tank capacity when liquid helium 3 is sealed can be calculated in the same manner. In this case, it is simplified by setting the density of the liquid helium 3 to 0.08 (g / cm 3 ), and is calculated by the following formula.
V res > 664 (V 1 / P res )
FIG. 23 shows the result of calculating the reservoir tank capacity V res normalized by the detector capacity V 1 as a function of the pressure resistance of the reservoir tank according to the above equation.

これらの結果より、本発明による中性子イメージ検出器の動作温度、動作圧力が決定できれば、必要とされるリザーバタンクの容量の最低値が、耐ガス圧を決定することにより計算できることが確認できた。   From these results, it was confirmed that if the operating temperature and operating pressure of the neutron image detector according to the present invention can be determined, the minimum required reservoir tank capacity can be calculated by determining the gas pressure resistance.

実施例として、容量66.4cm液体ヘリウム3による中性子イメージ検出器では、リザーバタンクの耐圧が10気圧とした場合、容量が66.4cmのリザーバタンクを接続し低温中性子イメージ検出器を3.19K以下へ冷却することにより、必要とする動作ガス圧へ自動的に調整されることが確認できた。 As examples, the neutron image detector according to capacity 66.4Cm 3 liquid helium 3, if the withstand voltage of the reservoir tank is set to 10 atm, capacity connects the reservoir tank 66.4Cm 3 cold neutron image detector 3. It was confirmed that the operating gas pressure was automatically adjusted to the required level by cooling to 19K or lower.

Claims (4)

低温に冷却可能な耐圧力性チャンバー内部に液体ヘリウム3を封入し、ヘリウム3が中性子を捕獲した際に放出されるプロトンあるいはトリトンを前記耐圧力性チャンバー内部に配置した低温粒子線検出素子で検出して中性子を検出する液体ヘリウム3検出器を構成し、その動作温度Tを3.19K以下で動作させ、前記低温粒子線検出素子としてInSb半導体検出素子を使用し、かつその空乏層幅を5.8ミクロン以下とすることを特徴とする低温中性子イメージ検出器。   Liquid helium 3 is sealed inside a pressure-resistant chamber that can be cooled to a low temperature, and protons or tritons released when helium 3 captures neutrons are detected by a low-temperature particle beam detector arranged inside the pressure-resistant chamber. Thus, a liquid helium 3 detector for detecting neutrons is constructed, the operating temperature T is operated at 3.19 K or less, an InSb semiconductor detection element is used as the low temperature particle beam detection element, and the depletion layer width is 5 Low temperature neutron image detector characterized by being 8 microns or less. 低温に冷却可能な耐圧力性チャンバー内部に液体ヘリウム3を封入し、ヘリウム3が中性子を捕獲した際に放出されるプロトンあるいはトリトンを前記耐圧力性チャンバー内部に配置した低温粒子線検出素子で検出して中性子を検出する液体ヘリウム3検出器を構成し、その動作温度Tを3.19K以下で動作させ、前記低温粒子検出素子としてSi半導体検出素子を使用し、かつその空乏層幅を7.3ミクロン以下とすることを特徴とする低温中性子イメージ検出器。   Liquid helium 3 is sealed inside a pressure-resistant chamber that can be cooled to a low temperature, and protons or tritons that are released when helium 3 captures neutrons are detected by a low-temperature particle beam detector arranged inside the pressure-resistant chamber. A liquid helium 3 detector for detecting neutrons, operating at an operating temperature T of 3.19 K or less, using a Si semiconductor detector as the low temperature particle detector, and a depletion layer width of 7. A cryogenic neutron image detector characterized by being 3 microns or less. 低温粒子線検出素子として2個以上の素子から構成されたアレイ検出素子を用い、中性子の入射位置を検出することを特徴とする、請求項1又は2に記載の低温中性子イメージ検出器。   The low-temperature neutron image detector according to claim 1 or 2, wherein an array detection element composed of two or more elements is used as the low-temperature particle beam detection element to detect the incident position of neutrons. 耐圧力性チャンバーに、常温に設置したヘリウム3ガスリザーバーを接続し、耐圧力性チャンバー内部のガス圧を設定した値に自動的に調整可能とすることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の低温中性子イメージ検出器。   The helium 3 gas reservoir installed at room temperature is connected to the pressure resistant chamber so that the gas pressure inside the pressure resistant chamber can be automatically adjusted to a set value. The cryogenic neutron image detector according to claim 1.
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