JP2013053870A - Neutron detector - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a neutron detector having the same spatial resolution as a conventional neutron detector, with a less number of detection elements arranged in matrix.SOLUTION: A neutron detector 100 includes; an X-coordinate detection element group comprising a plurality of parallelly-arranged first particle detection elements 1x made of a superconducting material whose electronic state changes upon receiving heat energy of one of at least two particles radiated in different directions by heat energy released from nuclear reactions of neutrons with a neutron detecting substance; and a Y-coordinate detection element group comprising a plurality of parallelly arranged second particle detection elements 1y made of a superconducting substance whose electronic state changes upon receiving heat energy of the other particle. An X coordinate of a position where the nuclear reaction occurred is identified based on detection of the first particle detection elements, and a Y coordinate of the position where the nuclear reaction occurred is identified based on detection of any of the second particle detection elements.

Description

この発明は、中性子検出装置に関する。   The present invention relates to a neutron detection apparatus.

中性子によるイメージング技術(中性子ラジオグラフィ)は、X線やガンマ線を用いた解析技術と同様に、中性子線が物質を通り抜ける性質を利用して物質内部を観察する技術である。中性子ラジオグラフィは、金属など重い元素の撮影に適したX線と異なり水素や炭素など軽元素の観察に適しており、生物や水分を多く含む物質の観察を可能にする。また、感度が高いため、映像として実時間観察できるなどの特徴を有し、生物中の水分の移動の様子などが観察できる。さらに、一般の金属には中性子の吸収が少ないという特性を活かし、機械内部を移動する燃料やオイルの様子も観察可能である。また、磁気モーメントを有するという特性を活かし、磁気分布を調べることも可能である。   The neutron imaging technique (neutron radiography) is a technique for observing the inside of a substance by utilizing the property that neutron rays pass through the substance, as in the analysis technique using X-rays and gamma rays. Neutron radiography is suitable for observation of light elements such as hydrogen and carbon, unlike X-rays suitable for photographing heavy elements such as metals, and enables observation of substances containing a lot of organisms and moisture. In addition, since it has high sensitivity, it has a feature that it can be observed in real time as an image, and it is possible to observe the movement of moisture in a living organism. Furthermore, taking advantage of the fact that ordinary metals absorb less neutrons, it is possible to observe the state of fuel and oil moving inside the machine. It is also possible to investigate the magnetic distribution by utilizing the property of having a magnetic moment.

このような中性子線の特性を活かし、燃料電池内の水のダイナミクスを高空間分解能の動画として観測したいとの要望がある。また、サブミクロンの分解能で大画素化が実現できれば、スピン偏極中性子源を用いて磁性体材料におけるスピンの運動の様子を高速観察できるため、スピントロニクスなど最先端の研究を支援する強力なツールとなる。それゆえ、大画素化の実現、特にサブミクロンの高空間分解能でリアルタイムに観測できる中性子ラジオグラフィの技術が求められている。大強度陽子加速器施設J−PARC(Japan Proton Accelerator Research Complex)利用者協議会においては、「燃料電池」「蓄電デバイス」分野において2015年に1μmの空間分解能、2030年に10msのフレーム時間が全体構想として掲げられている。   There is a demand for observing the dynamics of water in a fuel cell as a high spatial resolution movie by taking advantage of such neutron beam characteristics. In addition, if a large pixel can be realized with submicron resolution, a spin-polarized neutron source can be used to observe the state of spin motion in a magnetic material at high speed. Become. Therefore, the realization of large pixels, particularly neutron radiography technology that can be observed in real time with high spatial resolution of submicron is required. At the Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) User Council, the high-intensity proton accelerator facility J-PARC has a spatial resolution of 1 μm in 2015 and a frame time of 10 ms in 2030 in the “fuel cell” and “power storage device” fields. It is raised as.

ところで、中性子ラジオグラフィの検出装置としては、ガス放電方式を用いたものやシンチレーション方式を用いたもの、イメージングプレートを用いたものなど様々な方式のものが挙げられる。前述の構想に応え得る高分解能、高速の中性子検出装置としては、ナノワイヤ状に微細加工した超伝導元素からなる検出素子を縦横にマトリックス状に配置した中性子検出装置が知られている(例えば、特許文献1を参照)。それらの検出素子と中性子との核反応に伴う発熱による検出素子の電子状態の変化を電気抵抗値の変化として測定するものである。   By the way, as a detection device for neutron radiography, there are various types such as those using a gas discharge method, those using a scintillation method, and those using an imaging plate. As a high-resolution, high-speed neutron detector capable of responding to the above-mentioned concept, a neutron detector is known in which detection elements made of superconducting elements microfabricated into nanowires are arranged in a matrix form vertically and horizontally (for example, patents) Reference 1). The change in the electronic state of the detection element due to the heat generated by the nuclear reaction between these detection elements and neutrons is measured as the change in the electrical resistance value.

WO2006−095659号WO2006-095659

しかしながら、高温超伝導体を利用した中性子検出装置を用いて大画素化を実現しようとする場合、例えば、百万画素の中性子検出システムを構築しようとすると、縦横あわせて百万個の検出素子をマトリックス状に配置する必要がある。そして、個々の検出素子に駆動電流を流す必要があり、単純に見積もっても駆動電流用に百万本、出力用に百万本の、計2百万本ものケーブルが最低限必要となる。その実現は不可能とはいえないまでも著しく困難といえる。   However, when trying to realize a large pixel using a neutron detection device using a high-temperature superconductor, for example, when trying to construct a neutron detection system of 1 million pixels, 1 million detector elements are combined vertically and horizontally. It is necessary to arrange in a matrix. Then, it is necessary to pass a drive current to each detection element. Even if simply estimated, a total of 2 million cables are required, that is, 1 million for the drive current and 1 million for the output. Realization is extremely difficult if not impossible.

また、検出素子と中性子との核反応に伴う発熱によって生じる電気抵抗の変化を検出する場合、前記核反応に伴う検出装置の発熱やケーブルからの熱流入により検出素子の超伝導状態が壊れ、検出装置の正常な動作を妨げる可能性がある。検出素子の個数が増大するに従い、発熱や熱流入に伴う前述の問題が顕在化する。   Also, when detecting changes in electrical resistance caused by the heat generated by the nuclear reaction between the detection element and the neutron, the superconducting state of the detection element is broken due to the heat generated by the detection device accompanying the nuclear reaction or the inflow of heat from the cable. It may interfere with the normal operation of the device. As the number of detection elements increases, the aforementioned problems associated with heat generation and heat inflow become apparent.

この発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、マトリックス状に検出素子を配置する従来の構成よりも少ない個数の検出素子で同じ空間分解能を有する中性子検出装置を実現するものである。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and realizes a neutron detection apparatus having the same spatial resolution with a smaller number of detection elements than the conventional configuration in which detection elements are arranged in a matrix.

この発明は、1つの中性子と中性子検出用物質との核反応によって熱エネルギーを伴って生成され、異なる方向へ放射される少なくとも2つの粒子のうち、一の粒子の前記熱エネルギーを受容した場合に電子状態の変化が生じる第1粒子検出素子を複数個並列に配置してなるX座標検出素子群と、他の粒子の前記熱エネルギーを受容した場合に電子状態の変化が生じる第2粒子検出素子を複数個並列に配置してなるY座標検出素子群とを備え、各第1粒子検出素子は縦方向へ長く伸びる領域を有する超伝導物質であり、前記X座標検出素子群はそれらの第1粒子検出素子が横方向に並び、何れの第1粒子検出素子が前記一の粒子に係る電子状態の変化を検出したかに基づいて前記核反応がおこった位置のX座標を検出し、各第2粒子検出素子は、横方向へ長く伸びる領域を有する超伝導物質であり、前記Y座標検出素子群はそれらの第2粒子検出素子が縦方向に並び、何れの第2粒子検出素子が前記他の粒子に係る電子状態の変化を検出したかに基づいて前記核反応がおこった位置のY座標を検出することを特徴とする中性子検出装置を提供するものである。   In the present invention, when the thermal energy of one particle is received among at least two particles generated with a thermal energy by a nuclear reaction between one neutron and a neutron detection substance and emitted in different directions. An X coordinate detection element group in which a plurality of first particle detection elements in which a change in electronic state occurs is arranged in parallel, and a second particle detection element in which a change in electronic state occurs when the thermal energy of another particle is received Are arranged in parallel, each first particle detecting element is a superconducting material having a region extending long in the vertical direction, and the X coordinate detecting element group is a first of them. The particle detection elements are arranged in a horizontal direction, and the X coordinate of the position where the nuclear reaction has occurred is detected based on which first particle detection element has detected a change in the electronic state of the one particle. 2-particle detector , A superconducting material having a region extending in the lateral direction, and the Y-coordinate detection element group has the second particle detection elements arranged in the vertical direction, and any second particle detection element is an electron related to the other particles. The present invention provides a neutron detection apparatus that detects a Y coordinate of a position where the nuclear reaction has occurred based on whether a change in state is detected.

この発明で、中性子検出用物質の具体的な一例としては、二硼化マグネシウム(MgB2)が挙げられる。その場合、核反応により放射される粒子は4He(アルファ線)と7Li(リチウム線)である。
熱エネルギーを受容するとは、粒子の持つ熱エネルギーによって第1または第2粒子検出素子の特性、特に電子状態の変化が生じることをいう。何らかの手段でその電子状態の変化が検出できれば特に検出手法は限定されないが、後述する実施例においては、電子状態の変化を運動インダクタンスの変化として検出している。
In the present invention, a specific example of the substance for detecting neutron includes magnesium diboride (MgB 2 ). In that case, the particles emitted by the nuclear reaction are 4 He (alpha rays) and 7 Li (lithium rays).
Accepting thermal energy means that the characteristics of the first or second particle detecting element, particularly the electronic state, change due to the thermal energy of the particles. The detection method is not particularly limited as long as the change in the electronic state can be detected by some means, but in the embodiments described later, the change in the electronic state is detected as the change in the motion inductance.

この発明による中性子検出装置は、横方向に複数個の第1粒子検出素子が並ぶX座標検出素子群を備えており、何れの第1粒子検出素子に電子状態の変化があったかによって核反応がおこった位置のX座標を検出する。また、縦方向に複数個の第2粒子検出素子が並ぶY座標検出素子群を備えており、何れの第2粒子検出素子に電子状態の変化があったかによって核反応がおこった位置のY座標を検出する。   The neutron detection apparatus according to the present invention includes an X coordinate detection element group in which a plurality of first particle detection elements are arranged in a lateral direction, and a nuclear reaction occurs depending on which of the first particle detection elements has a change in an electronic state. The X coordinate of the selected position is detected. In addition, a Y coordinate detection element group in which a plurality of second particle detection elements are arranged in the vertical direction is provided, and the Y coordinate of the position where the nuclear reaction has occurred is determined depending on which of the second particle detection elements has an electronic state change. To detect.

この発明の中性子検出装置は、ある時点においては中性子が一カ所にしか衝突せず、通常は複数箇所に同時に中性子が衝突することはないことを前提としており(仮にそのような事象が生じても確率が低ければよい)、衝突が順次発生しそれによる核反応の位置を検出するものである。
例えば、中性子検出用物質がMgB2で、核反応により放出される粒子がアルファ線とリチウム線の場合、それらのうち何れが第1粒子であるかは問わない。さらに、中性子とMgB2との衝突が順次発生するとき、第1粒子検出素子が一貫してアルファ線またはリチウム線を検出すると限定するものではなく、あるときは第1粒子検出素子がアルファ線を検出し、その次はリチウム線を検出してもよい。
The neutron detection apparatus of the present invention is based on the premise that neutrons collide only at one point at a certain point in time, and normally neutrons do not collide simultaneously at a plurality of points (even if such an event occurs). If the probability is low, collisions occur sequentially and the position of the nuclear reaction is detected.
For example, when the neutron detection substance is MgB 2 and the particles emitted by the nuclear reaction are alpha rays and lithium rays, it does not matter which of them is the first particle. Furthermore, when the collision between neutrons and MgB 2 occurs sequentially, it is not limited that the first particle detecting element consistently detects alpha rays or lithium rays, and in some cases, the first particle detecting element emits alpha rays. Then, the lithium wire may be detected.

この発明の中性子検出装置によれば、中性子と中性子検出用物質との核反応に伴って異なる方向へ放射される2つの粒子のうちの一つの粒子をX座標検出素子群で検出し、他の粒子をY座標検出素子群で検出することによりマトリックス状に検出素子を配置する構成よりも少ない個数の検出素子で同じ空間分解能を有する中性子検出を実現することができる。   According to the neutron detection apparatus of the present invention, one of the two particles radiated in different directions accompanying the nuclear reaction between the neutron and the neutron detection substance is detected by the X coordinate detection element group, and the other By detecting the particles with the Y coordinate detection element group, neutron detection having the same spatial resolution can be realized with a smaller number of detection elements than in the configuration in which the detection elements are arranged in a matrix.

この発明の第1実施形態に係る中性子検出装置の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the neutron detection apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. 従来の中性子検出装置の説明図である。It is explanatory drawing of the conventional neutron detection apparatus. この発明の第1実施形態に係る中性子検出素子による中性子測定の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the neutron measurement by the neutron detection element which concerns on 1st Embodiment of this invention. 図1の中性子検出装置のA−A矢視方向断面図である。It is AA arrow direction sectional drawing of the neutron detection apparatus of FIG. 中性子と10Bとの核反応の一例を示す説明図である。Is an explanatory diagram showing an example of the nuclear reaction between the neutrons and 10 B. この発明の第1実施形態に係る中性子検出装置内の中性子と10Bとの核反応の一例を示す説明図である。Is an explanatory diagram showing an example of the nuclear reaction between the neutrons and 10 B in the neutron detector according to the first embodiment of the present invention. この発明の第1実施形態に係る中性子検出装置のSFQ(単一磁束量子)回路および尤度判定回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the SFQ (single magnetic flux quantum) circuit and likelihood determination circuit of the neutron detection apparatus which concern on 1st Embodiment of this invention. この発明の第1実施形態に係るSFQ回路および尤度判定回路の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the SFQ circuit and likelihood determination circuit which concern on 1st Embodiment of this invention. この発明の第1実施形態に係る中性子検出装置の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the neutron detection apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. この発明の第1実施形態に係る中性子検出装置の製造プロセスを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the manufacturing process of the neutron detection apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. この発明の第2実施形態に係る中性子検出装置の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the neutron detection apparatus which concerns on 2nd Embodiment of this invention. この発明の第2実施形態に係る中性子検出装置内の中性子と10Bとの核反応の一例を示す説明図である。Is an explanatory diagram showing an example of the nuclear reaction between the neutrons and 10 B in the neutron detector according to a second embodiment of the present invention. この発明の第3実施形態に係る中性子検出素子を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the neutron detection element which concerns on 3rd Embodiment of this invention. この発明の第1実施形態に係る中性子検出素子の変形例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the modification of the neutron detection element which concerns on 1st Embodiment of this invention.

この発明による中性子検出装置において、前記中性子検出用物質が、第1粒子検出素子および/または第2粒子検出素子に用いられてもよい。
このようにすれば、第1粒子検出素子および/または第2粒子検出素子と中性子とが核反応がおこったときに放射される粒子のうち第1粒子を何れかの第1素子検出素子で検出し、第2粒子を何れかの第2粒子検出素子で検出することにより前記核反応がおこった位置のXおよびY座標を特定することができる。
In the neutron detection apparatus according to the present invention, the neutron detection substance may be used for the first particle detection element and / or the second particle detection element.
If it does in this way, 1st particle | grains will be detected by any 1st element detection element among the particles radiated | emitted when a 1st particle | grain detection element and / or 2nd particle | grain detection element, and a neutron react. Then, the X and Y coordinates of the position where the nuclear reaction has occurred can be specified by detecting the second particles with any of the second particle detection elements.

この発明による中性子検出装置において、前記中性子検出用物質が、隣り合う第1粒子検出素子と第1粒子検出素子との間、隣り合う第2粒子検出素子と第2粒子検出素子との間、または各第1粒子検出素子と各第2粒子検出素子との間の何れかに少なくとも配置されるものであってもよい。
このようにすれば、隣り合う第1粒子検出素子と第1粒子検出素子との間、隣り合う第2粒子検出素子と第2粒子検出素子との間、または各第1粒子検出素子と各第2粒子検出素子との間の何れかに少なくとも配置された中性子検出用物質と中性子とが核反応を生じたときに放射される粒子のうち第1粒子を何れかの第1素子検出素子で検出し、第2粒子を何れかの第2粒子検出素子で検出することにより前記核反応がおこった位置のXおよびY座標を特定することができる。また、第1粒子検出素子および第2粒子検出素子が中性子検出用物質を含まなくてもよいため、それらの検出素子として任意の高温超伝導体を用いることができる。
In the neutron detection apparatus according to the present invention, the neutron detection substance is between the adjacent first particle detection element and the first particle detection element, between the adjacent second particle detection element and the second particle detection element, or It may be arranged at least between any of the first particle detection elements and each second particle detection element.
In this way, between the adjacent first particle detecting element and the first particle detecting element, between the adjacent second particle detecting element and the second particle detecting element, or between each first particle detecting element and each of the first particle detecting elements. A first particle is detected by any one of the first element detection elements among the particles emitted when a neutron reacts with a neutron detection substance disposed at least between the two particle detection elements. Then, the X and Y coordinates of the position where the nuclear reaction has occurred can be specified by detecting the second particles with any of the second particle detection elements. Moreover, since the 1st particle | grain detection element and the 2nd particle | grain detection element do not need to contain the substance for neutron detection, arbitrary high-temperature superconductors can be used as those detection elements.

この発明による中性子検出装置において、各第1粒子検出素子は、前記第1粒子の熱エネルギーの受容によって超伝導電子対が減少する電子状態の変化を運動インダクタンスの変化として検出し、各第2粒子検出素子は、前記第2粒子の熱エネルギーの受容によって超伝導電子対が減少する電子状態の変化を運動インダクタンスの変化として検出するものであってもよい。
このようにすれば、各第1粒子検出素子および各第2粒子検出素子が第1および第2粒子の熱エネルギーの受容をジュール熱の発生を伴う電気抵抗の変化ではなく、運動インダクタンスの変化によりそれぞれ検出するので熱がほとんど発生しない。
In the neutron detection apparatus according to the present invention, each first particle detection element detects a change in an electronic state in which a superconducting electron pair decreases due to reception of thermal energy of the first particle as a change in motion inductance, and each second particle The detection element may detect a change in an electronic state in which a superconducting electron pair decreases due to reception of thermal energy of the second particle as a change in motion inductance.
In this way, each first particle detection element and each second particle detection element receive the thermal energy of the first and second particles not by a change in electrical resistance accompanying the generation of Joule heat, but by a change in motion inductance. Since each is detected, almost no heat is generated.

この発明による中性子検出装置において、超伝導リングの一部にジョセフソン接合を形成してなるSFQ(単一磁束量子)回路をさらに備え、前記SFQ回路は、所定時間T1ごとに所定の磁束を有する検出用SFQパルスを入力する検出用SFQパルス入力部と、前記運動インダクタンスの変化による前記超伝導リング内のジョセフソン電流の変化に基づき前記運動インダクタンスの変化を検出する運動インダクタンス検出素子群とを含み、前記第1粒子検出素子または第2粒子検出素子の一つと磁気結合されてなるものであってもよい。
このようにすれば、微弱な磁場変化を検出可能なSFQ回路を備える中性子検出装置を用いることにより、前記熱エネルギーを受容した場合に生じる超伝導電子対の減少を運動インダクタンスの変化として高感度に検出できる。
The neutron detector according to the present invention further includes an SFQ (single magnetic flux quantum) circuit formed by forming a Josephson junction in a part of the superconducting ring, and the SFQ circuit has a predetermined magnetic flux every predetermined time T1. A detection SFQ pulse input unit that inputs a detection SFQ pulse, and a motion inductance detection element group that detects a change in the motion inductance based on a change in the Josephson current in the superconducting ring due to a change in the motion inductance. Further, it may be magnetically coupled to one of the first particle detection element or the second particle detection element.
In this way, by using a neutron detector equipped with an SFQ circuit capable of detecting a weak magnetic field change, the reduction of the superconducting electron pair that occurs when the thermal energy is received becomes highly sensitive as a change in motion inductance. It can be detected.

この発明による中性子検出装置において、前記SFQ回路は、尤度判定回路を備え、前記尤度判定回路は、前記時間T1より長い所定時間T2ごとに判定用SFQパルスを入力する判定用SFQパルス入力部と、前記判定用SFQパルスの入力時に、前記検出用SFQパルス入力部により入力された前記検出用SFQパルスの数のうち、前記運動インダクタンスの変化を検出した前記検出用SFQパルスの数が所定の数以上であるとき、前記運動インダクタンスの変化が検出されたものと判定する検出判定部とを備えるものであってもよい。
このようにすれば、尤度判定回路により前記運動インダクタンスの変化を示すSFQパルスの数を数え、多数決の原理によってさらに高い感度で運動インダクタンスの変化を検出することができる。
In the neutron detection apparatus according to the present invention, the SFQ circuit includes a likelihood determination circuit, and the likelihood determination circuit inputs a determination SFQ pulse every predetermined time T2 longer than the time T1. When the determination SFQ pulse is input, the number of the detection SFQ pulses detected from the number of the detection SFQ pulses input by the detection SFQ pulse input unit is a predetermined number. When it is more than a few, you may provide the detection determination part which determines with the change of the said movement inductance being detected.
In this way, the likelihood determination circuit can count the number of SFQ pulses indicating the change in motion inductance, and the change in motion inductance can be detected with higher sensitivity by the principle of majority decision.

この発明による中性子検出装置において、前記X座標検出素子群および前記Y座標検出素子群により検出されたX座標およびY座標をデジタル化されたアドレス値として出力するアドレス生成回路をさらに備えるものであってもよい。
このようにすれば、検出されたX座標およびY座標の値をデジタル化されたアドレス値として出力することにより、例えば、X座標検出素子群がN本のX座標検出素子を有する場合に、外部の室温領域へ信号を送るための信号線の数をデジタル化しない場合のN本に比べてlog2N本に削減することが可能となる。
The neutron detection apparatus according to the present invention further includes an address generation circuit that outputs the X and Y coordinates detected by the X coordinate detection element group and the Y coordinate detection element group as digitized address values. Also good.
In this way, by outputting the detected X coordinate and Y coordinate values as digitized address values, for example, when the X coordinate detection element group has N X coordinate detection elements, It is possible to reduce the number of signal lines for sending signals to the room temperature region to N 2 log 2 compared to N when not digitizing.

この発明による中性子検出装置において、前記中性子検出用物質が10Bを含み、前記粒子は、中性子と10Bとの核反応によって生成され相反する方向に放射されるアルファ線とリチウム線の2つの粒子であってもよい。
このようにすれば、中性子と反応してアルファ線とリチウム線の2つの粒子が相反する方向に放射することが知られている10Bを用い、かつ相反する方向に放射される2つの粒子を用いることにより、2つの粒子の放射方向に関わらずXおよびY座標を特定できるため、中性子の検出効率を高めることができる。
In the neutron detection apparatus according to the present invention, the neutron detection substance contains 10 B, and the particles are generated by a nuclear reaction between neutrons and 10 B and are emitted in two opposite directions, alpha rays and lithium rays. It may be.
In this way, 10 B, which is known to react with neutrons and emit two particles, alpha and lithium, in opposite directions, and two particles emitted in opposite directions, By using it, the X and Y coordinates can be specified regardless of the radiation direction of the two particles, so that the neutron detection efficiency can be increased.

この発明による中性子検出装置において、前記中性子検出用物質がMgB2を含むものであってもよい。
このようにすれば、中性子検出用物質として、加工しやすい高温超伝導体であるMgB2を用いて中性子検出装置を実現することができる。
In the neutron detection apparatus according to the present invention, the neutron detection substance may include MgB 2 .
In this way, a neutron detector can be realized using MgB 2 which is a high-temperature superconductor that is easy to process as the neutron detection substance.

ここで示した種々の好ましい態様は、それら複数を組み合わせることもできる。以下、図面に基づいてこの発明の第1実施形態に係る中性子検出装置について詳述する。なお、以下の説明はすべての点で例示であって、この発明を限定するものと解されるべきではない。   The various preferable aspects shown here can also be combined. Hereinafter, a neutron detector according to a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the following description is an illustration in all the points, Comprising: It should not be understood as limiting this invention.

<<第1実施形態>>
この発明の第1実施形態に係る中性子検出装置について、図1〜10に基づいて説明する。
<< first embodiment >>
A neutron detector according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1は、この発明の第1実施形態に係る中性子検出装置の概略構成を示す説明図である。
図1に示すように、この発明の第1実施形態に係る中性子検出装置100は、縦横に格子状に配置された複数本の直線状の中性子検出素子を備えることを特徴とする。縦方向(図1のY軸)に沿って伸びる複数本(N本)の中性子検出素子は、横方向(X軸方向)の位置を検出する第1粒子検出素子に相当し、それら第1粒子検出素子の集合がX座標検出素子群に相当する。図1ではそれらN本のうちの中性子検出素子の一つに符号1xを付して代表としている。また、横方向(図1のX軸)に沿って伸びる複数本(N本)の中性子検出素子は、縦方向(Y軸方向)の位置を検出する第2粒子検出素子に相当し、それら第2粒子検出素子の集合がY座標検出素子群に相当する。図1ではそれらN本のうちの中性子検出素子の一つに符号1yを付して代表としている。中性子検出素子1x,1yは、中性子検出用物質として、MgB2を含む高温超伝導材料からなり、液体ヘリウムを用いた冷凍機により超伝導転移温度Tc(MgB2の場合、約39K)以下(第1実施形態の場合、約4K)に冷却して超伝導状態にされている。なお、中性子検出装置100は、超伝導状態を維持するため、冷凍機の中に入れ、真空中に保持する。
X軸、Y軸および中性子が飛来する方向を示す矢印、1〜Nの文字は説明のために付したものである。これは、図2についても同様である。
図2は、従来の中性子検出装置の説明図である。即ち、縦横にマトリックス状に中性子検出素子が配置された構成を、図1の構成と対比し易いように示したものである。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a neutron detection apparatus according to the first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the neutron detection apparatus 100 according to the first embodiment of the present invention is characterized in that it includes a plurality of linear neutron detection elements arranged in a grid pattern in the vertical and horizontal directions. A plurality (N) of neutron detection elements extending along the vertical direction (Y-axis in FIG. 1) correspond to first particle detection elements that detect positions in the horizontal direction (X-axis direction). These first particles A set of detection elements corresponds to an X coordinate detection element group. In FIG. 1, one of these N neutron detection elements is represented by a reference numeral 1x. A plurality (N) of neutron detection elements extending along the horizontal direction (X-axis in FIG. 1) correspond to second particle detection elements that detect positions in the vertical direction (Y-axis direction). A set of two particle detection elements corresponds to a Y coordinate detection element group. In FIG. 1, one of the N neutron detection elements is represented by a reference numeral 1y. The neutron detection elements 1x and 1y are made of a high-temperature superconducting material containing MgB 2 as a neutron detection substance, and are below a superconducting transition temperature T c (about 39K in the case of MgB 2 ) by a refrigerator using liquid helium ( In the case of the first embodiment, it is cooled to about 4K) to be in a superconducting state. In addition, in order to maintain a superconducting state, the neutron detection apparatus 100 is put in a refrigerator and kept in a vacuum.
The X-axis, Y-axis, arrows indicating the direction in which neutrons fly, and the letters 1 to N are given for explanation. The same applies to FIG.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a conventional neutron detector. That is, the configuration in which the neutron detection elements are arranged in a matrix form in the vertical and horizontal directions is shown for easy comparison with the configuration in FIG.

図3は、この発明の第1実施形態に係る中性子検出装置100による中性子測定の一例を示す説明図である。
図3に示すように、中性子源101から放射された中性子をスリット102a,102b間を通り抜けて試料103に照射する。現在日本国内において利用可能な中性子源としては、J−PARCなどのパルス中性子源が挙げられる。このような加速器で発生させた陽子ビーム等の高エネルギービームを水銀原子核に衝突させることにより中性子を発生させる。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing an example of neutron measurement by the neutron detection apparatus 100 according to the first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 3, the sample 103 is irradiated with neutrons emitted from the neutron source 101 through the slits 102a and 102b. Currently available neutron sources in Japan include pulsed neutron sources such as J-PARC. Neutrons are generated by colliding a high energy beam such as a proton beam generated by such an accelerator with a mercury nucleus.

試料103に照射された中性子のうちの一部は、試料103を通り抜け、試料103の裏側に突き抜ける。その他は、試料103の内部で吸収されたり散乱されたりする。そのため、試料103の裏側に中性子検出装置100を設置して中性子を測定すると試料103の様子を知ることができる。これが中性子ラジオグラフィの原理である。   Part of the neutrons irradiated to the sample 103 passes through the sample 103 and penetrates to the back side of the sample 103. Others are absorbed or scattered inside the sample 103. Therefore, when the neutron detector 100 is installed on the back side of the sample 103 and neutrons are measured, the state of the sample 103 can be known. This is the principle of neutron radiography.

中性子検出装置100は、試料103を通り抜けた中性子が、格子状の中性子検出素子1x,1yからなる面に略垂直に照射されるように設置する。ここで、中性子検出装置は、窓部104を備えた断熱容器105の内部に設置され、中性子は、窓部104を介して中性子検出装置100に至る。窓部104には、薄いアルミ合金等の中性子透過性のある材質を用いる。   The neutron detection apparatus 100 is installed so that the neutrons that have passed through the sample 103 are irradiated substantially perpendicularly onto the surface formed by the lattice-like neutron detection elements 1x and 1y. Here, the neutron detection device is installed inside a heat insulating container 105 having a window portion 104, and the neutron reaches the neutron detection device 100 through the window portion 104. The window 104 is made of a neutron permeable material such as a thin aluminum alloy.

図4は、図1の中性子検出装置のA−A矢視方向断面図である。
図5は、中性子が10Bに衝突して核反応がおこり、アルファ線とリチウム線の2つの粒子が相反する方向に放射する様子を模式的に示す説明図である。
10Bは、自然界に主に存在する質量数11の11Bの同位体であり、中性子を吸収して4Heと7Liを生成する核反応を行うことが知られている。この核反応は、電荷を持たないために検出が困難な中性子の検出に利用される。10Bは、特に冷中性子に対して反応確率が高いことが知られている。
4 is a cross-sectional view of the neutron detector of FIG.
FIG. 5 is an explanatory diagram schematically showing a state in which a nuclear reaction occurs when a neutron collides with 10 B, and two particles of alpha rays and lithium rays radiate in opposite directions.
10 B is an 11 B isotope having a mass number of 11 that exists mainly in nature, and is known to perform a nuclear reaction that absorbs neutrons to produce 4 He and 7 Li. This nuclear reaction is used to detect neutrons that are difficult to detect because they have no charge. 10 B is known to have a high reaction probability especially for cold neutrons.

中性子nが10Bと核反応を起こすと、
10B+n→7Li+4He
の反応により、2つの粒子、4He(アルファ線)と7Li(リチウム線)とが生成され放射される。このとき、約2.3MeVの核反応熱が発生するが、この熱エネルギーは4Heと7Liとによって運び出される。4He、7Liの熱エネルギーはそれぞれ、0.88MeV、1.47MeVである。この核反応の特徴は、運動量保存則に従い、4Heと7Liとが互いに相反する方向に放射されることであり、この発明では、この特徴を利用する。
なお、4Heと7Liとが放射される方向は一定ではなく確率的(ランダム)に決定され、核反応ごとに異なる。また、超伝導状態のMgB2中においては、4He、7Liの飛程はそれぞれ4μm、2μm程度である。
When neutron n undergoes a nuclear reaction with 10 B,
10 B + n → 7 Li + 4 He
By the reaction, two particles, 4 He (alpha ray) and 7 Li (lithium wire) are generated and emitted. At this time, about 2.3 MeV of nuclear reaction heat is generated, but this thermal energy is carried away by 4 He and 7 Li. The thermal energy of 4 He and 7 Li are 0.88 MeV and 1.47 MeV, respectively. The feature of this nuclear reaction is that 4 He and 7 Li are radiated in directions opposite to each other in accordance with the law of conservation of momentum, and this feature is used in the present invention.
The direction in which 4 He and 7 Li are radiated is not constant but is determined probabilistically (randomly), and is different for each nuclear reaction. In the superconducting MgB 2 , the ranges of 4 He and 7 Li are about 4 μm and 2 μm, respectively.

この発明の第1実施形態に係る中性子検出素子1x,1yにおいては、各素子の幅は0.5μmであり、隣接する素子間の間隔は1μm程度である。中性子検出素子1xと1yとの間の中間層は最大でも厚み1μm程度である。このため、4He、7Liが中間層の向こう側の中性子検出素子に飛んでいったとしても、核反応位置からの検出位置のずれは、前記飛程の限度を考慮すれば、大きくても1〜3μm程度にすぎない。 In the neutron detection elements 1x and 1y according to the first embodiment of the present invention, the width of each element is 0.5 μm, and the interval between adjacent elements is about 1 μm. The intermediate layer between the neutron detection elements 1x and 1y has a thickness of about 1 μm at the maximum. For this reason, even if 4 He, 7 Li flies to the neutron detection element on the other side of the intermediate layer, the deviation of the detection position from the nuclear reaction position may be large if the range limit is considered. It is only about 1 to 3 μm.

図6は、この発明の第1実施形態に係る中性子検出素子中の10Bと中性子との核反応の一例を示す説明図である。
図6に示すように、中性子Aが中性子検出素子1y中の10Bと衝突した場合、核反応により4Heと7Liとが相反する方向に放射され、7Liが近傍(飛程距離内)の中性子検出素子1xと衝突する。
X軸方向において、N個の中性子検出素子のうち何れに衝突があったかを検出することにより、前記核反応がおこった位置のX座標を検出することができる。Y軸方向においても同様に、N個の中性子検出素子のうち何れに衝突があったかを検出することにより、核反応がおこった位置のY座標を検出することができる。
もっとも、4Heと7Liとが放射される方向はランダムであるため、7Liが中性子検出素子1xと衝突せずに4Heが中性子検出素子1xと衝突する場合もある。しかし、この場合においても、4Heと7Liとは相反する方向に放射されるため、4Heと7Liの何れが中性子検出素子1xと衝突しても運動インダクタンスの変化が生じるので検出ができる。
なお、4Heと7Liの放射方向が中性子検出素子1xと略平行な方向の場合は、中性子検出素子1xとの衝突が生じない。よって、その場合は核反応のX座標を検出することはできない。しかし、中性子検出素子1xと1yとの間隔はたかだか1μm程度であるので、4Heと7Liの何れもが中性子検出素子1xと衝突を生じない確率は低い。また、ラジオグラフィでは多数の中性子を用いて試料を観察するため、一部の中性子が検出できなくても問題にならない。
なお、この発明の中性子検出装置を用いた測定においては、一つの中性子が検出されてから次の中性子が検出されるまでの時間は十分に長く、複数の箇所で同時に中性子が検出されることはほとんどないものとしている。この前提は、一つの中性子の検出に要する時間がナノ秒のオーダーと短いことから、利用可能な加速器の中性子発生頻度に照らして十分合理的である。また、この前提を満たすように中性子の発生を制御すればよい。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing an example of a nuclear reaction between 10 B and neutrons in the neutron detection element according to the first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 6, when neutron A collides with 10 B in neutron detection element 1y, 4 He and 7 Li are radiated in the opposite directions due to the nuclear reaction, and 7 Li is in the vicinity (within range) Collide with the neutron detection element 1x.
By detecting which of the N neutron detection elements has collided in the X axis direction, the X coordinate of the position where the nuclear reaction has occurred can be detected. Similarly, in the Y-axis direction, the Y coordinate of the position where the nuclear reaction has occurred can be detected by detecting which of the N neutron detection elements has collided.
However, the direction 4 and He and 7 Li is radiated for a random, 7 Li is sometimes 4 He without colliding neutron detecting element 1x collide with neutron detection element 1x. However, even in this case, since 4 He and 7 Li are radiated in opposite directions, even if any of 4 He or 7 Li collides with the neutron detection element 1x, a change in kinetic inductance occurs, so that detection is possible. .
When the radiation directions of 4 He and 7 Li are substantially parallel to the neutron detection element 1x, no collision with the neutron detection element 1x occurs. Therefore, in that case, the X coordinate of the nuclear reaction cannot be detected. However, since the distance between the neutron detection elements 1x and 1y is about 1 μm, the probability that neither 4 He nor 7 Li collides with the neutron detection element 1x is low. In radiography, a sample is observed using a large number of neutrons, so it is not a problem if some neutrons cannot be detected.
In the measurement using the neutron detector of the present invention, the time from detection of one neutron to detection of the next neutron is sufficiently long, and neutrons are detected simultaneously at a plurality of locations. There are almost no. This assumption is reasonably reasonable in light of the neutron generation frequency of available accelerators since the time required to detect one neutron is as short as nanoseconds. Moreover, the generation of neutrons may be controlled to satisfy this premise.

一方、図6で中性子Bが中性子検出素子1yの間をすり抜けてその奥側の中性子検出素子1x中の10Bと衝突した場合、核反応により4Heと7Liとが相反する方向に放射され、4Heが近傍の中性子検出素子1yと衝突する。
このように、核反応により4Heと7Liとが何れの方向に放射されようとも、互いに直交方向に配列された中性子検出素子1xおよび1yの何れか一方または両方に高い確率で衝突が生じる。
On the other hand, the inner side when colliding with 10 B neutron detector elements in 1x of 4 and He and 7 Li are radiated in the opposite directions by the nuclear reaction slip through between the neutron B neutron detecting element 1y in FIG 6 , 4 He collides with the nearby neutron detection element 1y.
As described above, regardless of the direction in which 4 He and 7 Li are radiated by the nuclear reaction, collision occurs with high probability in one or both of the neutron detection elements 1x and 1y arranged in the orthogonal direction.

なお、中性子Cが中性子検出素子1yの間および1xの間をすり抜ける場合、核反応が生じないため中性子は検出されないが、このような確率は、図2に示すような従来のマトリックス状に中性子検出素子を配列する構成と比較しても十分に低い。また、第2実施形態において後述するように、中性子検出素子間に10Bを含めることにより、このような未検出は回避される。 When the neutron C passes between the neutron detection elements 1y and 1x, no nuclear reaction occurs and no neutron is detected. However, such a probability is detected in the conventional matrix form as shown in FIG. It is sufficiently low as compared with a configuration in which elements are arranged. Further, as will be described later in the second embodiment, such non-detection is avoided by including 10 B between the neutron detection elements.

なお、放射される2つの粒子に限定されず、核反応により放射される粒子が3つ以上であってもよい。一つの核反応で中性子検出素子1xおよび1yに衝突するような方向を有する粒子が放射されればよい。   Note that the number of particles emitted is not limited to two, and three or more particles emitted by a nuclear reaction may be used. It is only necessary to emit particles having such a direction as to collide with the neutron detection elements 1x and 1y by one nuclear reaction.

このように、X軸方向に伸びるN本の中性子検出素子1x、Y軸方向に伸びるN本の中性子検出素子1yを格子状に合計で2N本配列することにより、N×Nの分解能で中性子を検出することができる。この発明によれば、図2のように縦横にマトリックス状にN×N個の中性子検出素子を配列する従来の構成と比較して中性子検出素子の数を著しく減少できる。   In this way, N neutron detection elements 1x extending in the X-axis direction and N neutron detection elements 1y extending in the Y-axis direction are arranged in a total of 2N in a lattice shape, so that neutrons can be obtained with an N × N resolution. Can be detected. According to the present invention, the number of neutron detection elements can be remarkably reduced as compared with the conventional configuration in which N × N neutron detection elements are arranged in a matrix form vertically and horizontally as shown in FIG.

第1実施形態においては、100万画素の空間分解能を実現するためには、X,Y方向にそれぞれ1000個の中性子検出素子1x,1yを配列すればよい。即ち、合計2000個の中性子検出素子で100万(=1000×1000)画素の空間分解能が実現できる。   In the first embodiment, in order to achieve a spatial resolution of 1 million pixels, 1000 neutron detection elements 1x and 1y may be arranged in the X and Y directions, respectively. That is, a spatial resolution of 1 million (= 1000 × 1000) pixels can be realized with a total of 2000 neutron detection elements.

なお、これまでは、説明を単純にするため、4Heおよび7Liが中性子検出素子1xおよび1yの何れか一方または両方にそれぞれ衝突することを検出の条件とした。しかし、熱エネルギーの受容により中性子検出素子1xおよび1yの電子状態に変化が生じれば、検出が可能である。必ずしも粒子が中性子検出素子1x,1yに衝突する必要はない。例えば、熱エネルギーを有する粒子が中性子検出素子1xおよび1yの近傍を通り過ぎることによって、当該中性子検出素子1xおよび1yの電子状態の変化が生じる場合でも、検出が可能である。 Heretofore, in order to simplify the description, the detection condition is that 4 He and 7 Li collide with either or both of the neutron detection elements 1x and 1y. However, if the electronic state of the neutron detection elements 1x and 1y changes due to the reception of thermal energy, detection is possible. The particles do not necessarily have to collide with the neutron detection elements 1x and 1y. For example, detection is possible even when a particle having thermal energy passes through the vicinity of the neutron detection elements 1x and 1y to cause a change in the electronic state of the neutron detection elements 1x and 1y.

次に、上記電子状態の変化の検出方法について説明する。
図7は、この発明の第1実施形態に係る中性子検出装置のSFQ回路および尤度判定回路を示す回路図である。
図8は、この発明の第1実施形態に係るSFQ回路および尤度判定回路の構成を示すブロック図である。図7と図8の対応する要素には同じ符号を付している。図7で、「100GHzサンプリング」と記した端子部分は図8の「検出用SFQパルス入力部111」に相当する。図7で「1GHzサンプリング」と記した端子部分は図8の「判定用SFQパルス入力部121」に相当する。図7でSFQ回路110内の超伝導ループは図8の検出部112に相当し、図7で尤度判定回路120内の超伝導ループは図8の検出判定部122に相当する。
Next, a method for detecting the change in the electronic state will be described.
FIG. 7 is a circuit diagram showing the SFQ circuit and the likelihood determination circuit of the neutron detection apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the SFQ circuit and likelihood determination circuit according to the first embodiment of the present invention. Corresponding elements in FIG. 7 and FIG. In FIG. 7, the terminal portion indicated as “100 GHz sampling” corresponds to “detection SFQ pulse input unit 111” in FIG. The terminal portion indicated as “1 GHz sampling” in FIG. 7 corresponds to “determination SFQ pulse input unit 121” in FIG. 7, the superconducting loop in the SFQ circuit 110 corresponds to the detection unit 112 in FIG. 8, and the superconducting loop in the likelihood determination circuit 120 in FIG. 7 corresponds to the detection determination unit 122 in FIG.

第1実施形態に係る中性子検出装置100においては、電気抵抗がほとんど発生せず運動インダクタンスが増加するモードを、SFQ回路を用いて検出する。これにより、従来構成のように電気抵抗が発生することによる発熱の問題を回避する。
具体的には、熱エネルギーの受容によって超伝導電子対が減少する電子状態の変化を運動インダクタンスの変化として検出する。
In the neutron detection apparatus 100 according to the first embodiment, the mode in which the electric inductance hardly occurs and the motion inductance increases is detected using the SFQ circuit. This avoids the problem of heat generation due to the occurrence of electrical resistance as in the conventional configuration.
Specifically, a change in the electronic state in which the superconducting electron pair decreases due to the reception of thermal energy is detected as a change in motion inductance.

従来は、電気抵抗値の変化を検出する手法が用いられていた。この手法は、核反応による熱エネルギーの受容により中性子検出素子内に流れる超伝導電子対を常伝導状態に転移させて電気抵抗を発生させるものである。例えば、MgB2においては、超伝導転移温度Tc(約39K)近傍の30Kにおいて、このような現象が確認される。しかし、この手法は高解像度化に伴いジュール熱による発熱の問題が顕在化する。 Conventionally, a method of detecting a change in electric resistance value has been used. This technique is to generate an electric resistance by transferring a superconducting electron pair flowing in a neutron detecting element to a normal conducting state by receiving thermal energy by a nuclear reaction. For example, in MgB 2 , such a phenomenon is confirmed at 30 K near the superconducting transition temperature T c (about 39 K). However, with this technique, the problem of heat generation due to Joule heat becomes obvious as the resolution increases.

一方、熱エネルギーによる常伝導状態への移行が一部の超伝導電子対に留まる場合、即ち、中性子検出素子内の一部の超伝導電子対のみが常伝導状態に転移する場合、常伝導電子は電気抵抗を有するが、中性子検出素子内の電流はもっぱら電気抵抗のない超伝導電子対を通じて流れる。そのため、常伝導電子による電気抵抗による熱の発生は若干生じるものの、超伝導電子対が全て常伝導電子に転移する場合ほど大きなジュール熱の発生は生じない。   On the other hand, when the transition to the normal state due to thermal energy remains in some superconducting electron pairs, that is, when only some of the superconducting electron pairs in the neutron detection element transition to the normal state, normal electrons Has electrical resistance, but the current in the neutron detector flows exclusively through superconducting electron pairs without electrical resistance. Therefore, although generation of heat due to electrical resistance due to normal electrons occurs slightly, Joule heat is not generated as much as when all superconducting electron pairs are transferred to normal electrons.

このような超伝導状態が一部残存する状態においては、電気抵抗のない超伝導電子対が一部電気抵抗を有する常伝導電子対に転移することにより運動インダクタンスの変化が生じる。運動インダクタンスは、電子に対する慣性である。このような超伝導状態が一部残存する状態においては、超伝導電子対の一部が常伝導電子に移行することにより運動インダクタンスの変化ΔLが生じる。このような運動インダクタンスの変化は、超伝導転移温度Tc(約39K)よりずっと低い温度で生じ、MgB2の場合、少なくとも16Kにおいて観測されることが確認されている。また、Ginzburg-Landau理論による超伝導電子密度のダイナミクスの数値計算の結果も、25Kにおいて運動インダクタンスの変化の検出が可能であることが示されている。なお、この発明の第1実施形態に係る中性子検出装置においては、4Kの超伝導状態で検出を行う。 In such a state in which a part of the superconducting state remains, a superconducting electron pair having no electrical resistance is transferred to a normal conducting electron pair having a part of electrical resistance, thereby causing a change in motion inductance. The kinetic inductance is inertia with respect to electrons. In such a state in which a part of the superconducting state remains, a part of the superconducting electron pair shifts to a normal conducting electron, resulting in a change in motion inductance ΔL. It has been confirmed that such a change in kinetic inductance occurs at a temperature much lower than the superconducting transition temperature T c (about 39 K), and is observed at least at 16 K in the case of MgB 2 . In addition, the result of numerical calculation of the superconducting electron density dynamics based on the Ginzburg-Landau theory also shows that a change in motion inductance can be detected at 25K. In the neutron detector according to the first embodiment of the present invention, detection is performed in a 4K superconducting state.

しかしながら、1個の中性子反応による運動インダクタンスの変化ΔLは1pH程度であり、磁気的インダクタンスの変化よりも小さい。検出用回路自身の熱雑音や室温からの電磁波などの環境雑音等を無視できないほど小さいため(熱雑音自体は、積分でゼロになるにしても)、運動インダクタンスの検出用回路としては、非常に高感度なものが望まれる。また、運動インダクタンスの変化の時間幅が1ナノ秒程度と極めて短いため、従来のMKID(マイクロ波運動インダクタンス変化)法、マイクロ波SQUID周波数多重読み込み方式、時間領域分割方式が何れも利用できない。それゆえ、この発明の第1実施形態に係る中性子検出装置においては、運動インダクタンスの高感度検出法として、SFQ回路を用いる。   However, the change in motion inductance ΔL due to one neutron reaction is about 1 pH, which is smaller than the change in magnetic inductance. Because the detection circuit itself is not so small as to ignore the thermal noise of the detection circuit itself and the electromagnetic noise from room temperature (even if the thermal noise itself becomes zero by integration), it is very useful as a detection circuit for motion inductance. High sensitivity is desired. In addition, since the time width of the change of the kinetic inductance is as extremely short as about 1 nanosecond, none of the conventional MKID (microwave kinetic inductance change) method, the microwave SQUID frequency multiplex reading method, and the time domain division method can be used. Therefore, in the neutron detection apparatus according to the first embodiment of the present invention, an SFQ circuit is used as a highly sensitive detection method for motion inductance.

SFQ回路を用いた運動インダクタンスの検出法においては、MgB2に中性子が入射すると、等価的にQOS(Quasi One Junction SQUID)のループインダクタンスが変化する。なお、運動インダクタンスの変化は、検出用回路と磁気結合によって非接触で検出可能である。磁気結合の詳細については後述する。 In the method of detecting motion inductance using the SFQ circuit, when neutrons enter MgB 2 , the loop inductance of QOS (Quasi One Junction SQUID) changes equivalently. The change in motion inductance can be detected in a non-contact manner by a detection circuit and magnetic coupling. Details of the magnetic coupling will be described later.

SFQ回路は、超伝導リングの一部にジョセフソン接合を形成してなる単一磁束量子(Single Flux Quantum)回路である。超伝導体でリングを作るとリングの穴を通る磁束の量は1か0かのとびとびの値をとる。ジョセフソン接合は、ごく薄い絶縁膜を超伝導体の間に挟んで弱く結合させた構造であり、ジョセフソン接合を超伝導リングに挿入してDCバイアス電流を流すことにより、超伝導リング内の磁束量子を操作することができる。例えば、臨界電流値と呼ばれる一定電流量以上の電流が流れると磁束量子は絶縁膜を通り抜けて隣の超伝導リングに移り順次伝播していく。SFQが超伝導リングを通過すると、電圧パルス(SFQパルス)が発生する。
なお、SFQ回路の詳細は、例えば、特開2007−104332に記載されている。
The SFQ circuit is a single flux quantum circuit formed by forming a Josephson junction in a part of a superconducting ring. When a ring is made of a superconductor, the amount of magnetic flux passing through the hole of the ring takes a discrete value of 1 or 0. A Josephson junction is a structure in which a very thin insulating film is sandwiched between superconductors and is weakly coupled. By inserting a Josephson junction into a superconducting ring and flowing a DC bias current, Manipulate the flux quanta. For example, when a current more than a certain amount of current called a critical current value flows, the magnetic flux quantum passes through the insulating film, moves to the adjacent superconducting ring, and propagates sequentially. When SFQ passes through the superconducting ring, a voltage pulse (SFQ pulse) is generated.
Details of the SFQ circuit are described in, for example, JP-A-2007-104332.

この発明の第1実施形態においては、1つの中性子検出素子(図1に示されるようにX軸方向にN本、Y軸方向にN本、合わせて2N本ある中性子検出素子のうちの何れか1本)に対し、1つのSFQ回路110および1つの尤度判定回路120がそれぞれ対応して検出を行う。即ち、1つのSFQ回路110および尤度判定回路120に1つの中性子検出素子(1xまたは1yの1本)が対応する。なお、環境雑音等が十分小さければ、尤度判定回路120を備えず、SFQ回路110のみ備える構成であってもよい。図1のように、合わせて2N本の中性子検出素子がある場合、それぞれの中性子検出素子に対して1個のSFQ回路110および尤度判定回路120が対応するものとすれば、合計2N個のSFQ回路110および尤度判定回路120が必要となる。   In the first embodiment of the present invention, one neutron detecting element (N neutron detecting elements as shown in FIG. 1, N in the X-axis direction, N in the Y-axis direction, or 2N in total) One SFQ circuit 110 and one likelihood determination circuit 120 perform detection correspondingly. That is, one neutron detection element (one of 1x or 1y) corresponds to one SFQ circuit 110 and likelihood determination circuit 120. If the environmental noise or the like is sufficiently small, the likelihood determination circuit 120 may not be provided, and only the SFQ circuit 110 may be provided. As shown in FIG. 1, if there are 2N neutron detection elements in total, assuming that one SFQ circuit 110 and likelihood determination circuit 120 correspond to each neutron detection element, a total of 2N neutron detection elements The SFQ circuit 110 and the likelihood determination circuit 120 are required.

SFQ回路110は、検出用SFQパルス入力部111および検出部112を備える。検出部112は、その回路的特性が図7に示すジョセフソン接合として表される。
尤度判定回路120は、判定用SFQパルス入力部121および検出判定部122を備える。検出判定部122は、検出部112のジョセフソン接合の超伝導ループと磁気的に結合した第2のジョセフソン接合を有している。
尤度判定回路120は、後述するアドレス生成回路130に判定結果を送信する。
The SFQ circuit 110 includes a detection SFQ pulse input unit 111 and a detection unit 112. The detection unit 112 has a circuit characteristic represented as a Josephson junction shown in FIG.
The likelihood determination circuit 120 includes a determination SFQ pulse input unit 121 and a detection determination unit 122. The detection determination unit 122 has a second Josephson junction magnetically coupled to the superconducting loop of the Josephson junction of the detection unit 112.
The likelihood determination circuit 120 transmits a determination result to the address generation circuit 130 described later.

検出用SFQパルス入力部111は、所定時間T1(図7では10ピコ秒)ごとに磁束Φ0の検出用SFQパルスを入力する(100GHzサンプリング)。SFQパルスの入力は、例えば次のようにして行う。超伝導線で接続された超伝導リングの列からなるジョセフソン伝送経路にDCバイアス電流を流した状態で、末端の超伝導リングに微少な磁場を加えると、当該超伝導リングにSFQが一つ入る。超伝導リング中に進入した前記SFQは、当該超伝導リングに流れる電流から力を受けて隣接する超伝導リングに移動する。このSFQの移動に要する時間は、2〜3ピコ秒程度と極めて短い時間である。それゆえ、SFQ回路にDCバイアス電流を流した状態で、10ピコ秒ごとに(即ち100GHzで)末端の超伝導リングに微少な磁場を加えることにより、定期的に検出用SFQパルスをSFQ回路内で発生させることができる。 The detection SFQ pulse input unit 111 inputs a detection SFQ pulse of the magnetic flux Φ 0 every predetermined time T1 (10 picoseconds in FIG. 7) (100 GHz sampling). For example, the SFQ pulse is input as follows. When a small magnetic field is applied to the superconducting ring at the end when a DC bias current is applied to the Josephson transmission path composed of superconducting rings connected by superconducting wires, one SFQ is formed in the superconducting ring. enter. The SFQ that has entered the superconducting ring receives force from the current flowing in the superconducting ring and moves to the adjacent superconducting ring. The time required for the movement of this SFQ is an extremely short time of about 2 to 3 picoseconds. Therefore, by applying a small magnetic field to the superconducting ring at the end every 10 picoseconds (ie, at 100 GHz) with a DC bias current flowing in the SFQ circuit, the detection SFQ pulse is periodically sent to the SFQ circuit. Can be generated.

この発明の第1実施形態においては、例えば、Gifford-MacMahon(G−M)冷凍機等を用いて、中性子検出素子1x,1yと共にSFQ回路の温度を4Kに保つ。
また、磁気結合の方法としては、中性子検出素子1x,1yとSFQ回路との間に超伝導コンタクトをとることで実現される。例えば、MgB2コイルと電極パッド、ニオブ(Nb)コイルと電極パッドを正確に微細加工して、フリップチップボンダで接着することによって、超伝導コンタクトが実現できる。
In the first embodiment of the present invention, for example, using a Gifford-MacMahon (GM) refrigerator, the temperature of the SFQ circuit is maintained at 4K together with the neutron detection elements 1x and 1y.
Further, the magnetic coupling method is realized by taking a superconducting contact between the neutron detection elements 1x and 1y and the SFQ circuit. For example, an MgB 2 coil and electrode pad, a niobium (Nb) coil and electrode pad are precisely microfabricated and bonded with a flip chip bonder to realize a superconducting contact.

この発明の第1実施形態におけるSFQ回路においては、中性子検出素子内の運動インダクタンスの変化を1ナノ秒程度の短期間で検出する。そのため、100GHz(10ピコ秒間隔)のサンプリングパルス(SFQ信号)により100回のサンプリングを行って検出結果を得る。
ここで、Φ0の磁束を有するSFQ信号が、インダクタンスLを備える超伝導リングの一部のジョセフソン接合を通過するときに電圧が発生する運動インダクタンスLの変化をΔL、前記運動インダクタンスの変化ΔLによる前記超伝導リング内のジョセフソン電流Jの変化をΔJとすると、運動インダクタンスの変化ΔLがLよりも微小(ΔL/L≪1)であるとき、ジョセフソン電流の変化ΔJは、ΔJ≒JΔL/Lとなる。ここで、ジョセフソン電流J≒Φ0/Lとすると、ΔJ≒Φ0ΔL/L2となるため、ΔL≒L2ΔJ/Φ0より、ジョセフソン電流の変化ΔJより運動インダクタンスの変化ΔLが求められる。
In the SFQ circuit according to the first embodiment of the present invention, a change in motion inductance in the neutron detection element is detected in a short period of about 1 nanosecond. Therefore, 100 times of sampling is performed with a sampling pulse (SFQ signal) of 100 GHz (10 picosecond interval) to obtain a detection result.
Here, when the SFQ signal having a magnetic flux of Φ 0 passes through a Josephson junction that is a part of the superconducting ring including the inductance L, ΔL represents a change in the motion inductance L, and ΔL represents a change in the motion inductance ΔL. Assuming that the change in the Josephson current J in the superconducting ring due to ΔJ is ΔJ, when the change in motion inductance ΔL is smaller than L (ΔL / L << 1), the change in Josephson current ΔJ is ΔJ≈JΔL / L. Here, if Josephson current J≈Φ 0 / L, ΔJ≈Φ 0 ΔL / L 2, and therefore ΔL≈L 2 ΔJ / Φ 0 , the change in motion inductance ΔL is greater than the change ΔJ in Josephson current. Desired.

なお、SFQ回路による超伝導ループが大きい場合、振動などの影響により磁気雑音が現れる可能性がある。その場合、図14に示すようにキャパシタCを挿入して共振回路を構成し、中性子の入射によって共振周波数がずれることを利用して高いS/N比の検出を行うようにしてもよい。
この場合、Φ0の磁束を有するSFQ信号が、インダクタンスLを備える超伝導リングの一部のジョセフソン接合を通過するときに電圧が発生する運動インダクタンスLの変化をΔL(ΔL/L≪1)、キャパシタCが挿入された共振回路の共振周波数の変化をΔFとすると、共振周波数の変化ΔFは、ΔF≒(1/(2π(LC)1/2)(ΔL/2L))となる。ただし、感度を得るためには、サンプリング周波数fsが共振周波数frの整数倍である必要がある。図14に示す例においては、fs(100GHz)はfr(12.5GHz)の8倍となっている。キャパシタは、例えば、針状の細長いメタルパターンを交互に近接配置して電極とするインターデジタル構造で作製してチップとして集積化し、すべての中性子検出素子で共振周波数が同一となるように構成する。
If the superconducting loop by the SFQ circuit is large, magnetic noise may appear due to the influence of vibration or the like. In that case, as shown in FIG. 14, a capacitor C may be inserted to constitute a resonance circuit, and detection of a high S / N ratio may be performed by utilizing the fact that the resonance frequency shifts due to the incidence of neutrons.
In this case, a change in the motion inductance L that generates a voltage when an SFQ signal having a magnetic flux of Φ 0 passes through a part of the Josephson junction of the superconducting ring including the inductance L is expressed as ΔL (ΔL / L << 1). When the change in the resonance frequency of the resonance circuit in which the capacitor C is inserted is ΔF, the change in the resonance frequency ΔF is ΔF≈ (1 / (2π (LC) 1/2 ) (ΔL / 2L)). However, in order to obtain the sensitivity, it is necessary sampling frequency f s is an integer multiple of the resonance frequency f r. In the example shown in FIG. 14, f s (100 GHz) is eight times f r (12.5 GHz). For example, the capacitor is manufactured in an interdigital structure in which needle-like long and narrow metal patterns are alternately arranged in close proximity and is integrated as a chip, and is configured such that the resonance frequency is the same for all neutron detection elements.

尤度判定回路は、多数決によって出力が1か0かを判定することにより、高感度の検出を可能にするものであり、デジタル無線通信等で用いられている尤度判定法と原理的に同じである。一般的に、N回の試行の尤度判定により、ノイズの影響を1/(N1/2)倍に低減することができる。これは、統計的には、N回の測定に対する測定結果のばらつき(即ち標準偏差σ)が1/(N1/2)に比例することに起因する。ノイズ即ち測定結果のばらつきの要因としては、SFQ回路の場合、シャント抵抗に起因するジョンソン雑音や、一部の常伝導粒子の電気抵抗に起因する熱雑音等の影響が挙げられる。前記シャント抵抗は、ジョセフソン接合にオーミックな電流を流すためにジョセフソン接合と並列に接続される抵抗である。シャント抵抗は、ジョセフソン接合に過度な電圧がかかることによって破壊されるのを防止する。 The likelihood determination circuit enables high-sensitivity detection by determining whether the output is 1 or 0 by majority vote, and is in principle the same as the likelihood determination method used in digital wireless communication or the like. It is. In general, the influence of noise can be reduced to 1 / (N 1/2 ) times by determining the likelihood of N trials. This is statistically attributed to the fact that the variation in measurement results (ie, standard deviation σ) for N measurements is proportional to 1 / (N 1/2 ). In the case of the SFQ circuit, the noise, that is, the variation in the measurement result, includes the influence of Johnson noise caused by shunt resistance, thermal noise caused by the electrical resistance of some normal particles, and the like. The shunt resistor is a resistor connected in parallel with the Josephson junction in order to flow an ohmic current through the Josephson junction. The shunt resistor prevents destruction due to excessive voltage applied to the Josephson junction.

判定用SFQパルス入力部121は、前記検出用SFQパルス入力部111のSFQパルス間隔T1より長い所定時間T2(図7では1ナノ秒)ごとに判定用SFQパルスを回路内に入力する。例えば、図7のように検出用SFQパルスを100GHzで(即ち10ピコ秒ごとに)入力し、判定用SFQパルスを1GHzで(即ち1ナノ秒ごとに)入力する場合、ある判定用SFQパルスの入力から次の入力までの間に、100回の検出用SFQパルスが検出部112に入力されることになる。この場合、ノイズの影響は1/10に低減される。ただし、良好な尤度判定を行うには、当該100回の試行回数の間(即ち、少なくとも1ナノ秒の間)運動インダクタンスの変化が持続している必要がある。   The determination SFQ pulse input unit 121 inputs a determination SFQ pulse into the circuit every predetermined time T2 (1 nanosecond in FIG. 7) longer than the SFQ pulse interval T1 of the detection SFQ pulse input unit 111. For example, when a detection SFQ pulse is input at 100 GHz (ie, every 10 picoseconds) and a determination SFQ pulse is input at 1 GHz (ie, every 1 nanosecond) as shown in FIG. Between the input and the next input, 100 detection SFQ pulses are input to the detection unit 112. In this case, the influence of noise is reduced to 1/10. However, in order to make a good likelihood determination, it is necessary that the change in the kinetic inductance continues during the 100 trials (that is, for at least 1 nanosecond).

検出用SFQパルス入力部111により入力された前記検出用SFQパルスによって検出部112の超伝導ループには、前記運動インダクタンスの変化が生じていない期間はゼロ、前記運動インダクタンスの変化が生じている期間は1の磁束Φ0が発生する。ただし、SFQパルスが微少なために運動インダクタンスの変化がない期間においてもノイズの影響で磁束Φ0が1になるときがあり、逆に運動インダクタンスの変化が生じている期間においても磁束Φ0がゼロになるときがある。
1の磁束Φ0は、検出部112の超伝導ループと磁気的に結合した検出判定部122の超伝導ループに蓄積される。ただし、図7に示すように、尤度判定回路には減衰抵抗Rが挿入されているため、検出判定部122の超伝導ループに蓄積された磁束Φ0は、しばらく時間がたつと消失する。消失までの時定数は、減衰抵抗Rおよび磁気結合に係るインダクタンス成分Lによって決まる。
核反応により放射された粒子の熱エネルギーを受容した中性子検出素子は、2〜3ナノ秒程度の期間に渡って運動インダクタンスの変化が生じる。その期間に検出部112の超伝導ループに1の磁束Φ0が例えば100回発生すると、その磁束が検出判定部122の超伝導ループに蓄積されていく。1回目の発生から磁束Φ0が次第に蓄積されていき100に近づいていく。消失の時定数が十分長ければ、やがて100の磁束Φ0が蓄積される。その後、同じ中性子検出素子が別の粒子を受容するまでの間に、蓄積された磁束は消失する。
尤度判定回路120は、検出判定部122の超伝導ループに蓄積される磁束Φ0が所定の数以上であるとき、前記運動インダクタンスの変化が検出されたものと判定する。
第1実施形態においては、100回の検出用SFQパルスを入力したうち、カウンタにおいて試行結果が、50回よりも多ければ後述するアドレス生成回路に検出結果を出力し、小さければ出力しないというように多数決による尤度判定を行う。
In the superconducting loop of the detection unit 112 due to the detection SFQ pulse input by the detection SFQ pulse input unit 111, the period in which the change of the motion inductance does not occur is zero, and the change of the motion inductance occurs. 1 generates a magnetic flux Φ 0 . However, since the SFQ pulse is very small, the magnetic flux Φ 0 may be 1 due to the influence of noise even during a period when there is no change in the kinetic inductance, and conversely, the magnetic flux Φ 0 is changed even during a period when the change in the kinetic inductance occurs. Sometimes it becomes zero.
The magnetic flux Φ 0 of 1 is accumulated in the superconducting loop of the detection determining unit 122 that is magnetically coupled to the superconducting loop of the detecting unit 112. However, as shown in FIG. 7, since the attenuation resistance R is inserted in the likelihood determination circuit, the magnetic flux Φ 0 accumulated in the superconducting loop of the detection determination unit 122 disappears after a while. The time constant until disappearance is determined by the damping resistance R and the inductance component L related to magnetic coupling.
In a neutron detection element that has received the thermal energy of particles emitted by a nuclear reaction, a change in kinetic inductance occurs over a period of about 2 to 3 nanoseconds. If one magnetic flux Φ 0 is generated 100 times in the superconducting loop of the detection unit 112 during that period, for example, the magnetic flux is accumulated in the superconducting loop of the detection determination unit 122. The magnetic flux Φ 0 is gradually accumulated from the first occurrence and approaches 100. If the disappearance time constant is sufficiently long, 100 magnetic fluxes Φ 0 will eventually be accumulated. Thereafter, the accumulated magnetic flux disappears until the same neutron detection element receives another particle.
The likelihood determination circuit 120 determines that the change in the motion inductance has been detected when the magnetic flux Φ 0 accumulated in the superconducting loop of the detection determination unit 122 is greater than or equal to a predetermined number.
In the first embodiment, out of 100 detection SFQ pulses, if the counter has more than 50 trial results, the detection result is output to an address generation circuit described later, and if it is smaller, no detection result is output. The likelihood determination by majority decision is performed.

アドレス生成回路は、中性子検出装置に中性子が同時に複数の箇所に衝突することは稀で通常は一カ所にしか衝突しなないことを前提としている。J−PARCなどのパルス中性子源は、同時多数に発生するほど密度の高いものではないため、1つ1つの中性子が中性子検出素子に個別に衝突するものとみなすことができる。   The address generation circuit is based on the premise that the neutron detection device rarely collides with a plurality of locations at the same time and usually only collides with one location. Since pulse neutron sources such as J-PARC are not dense enough to be generated at the same time, it can be considered that each neutron individually collides with the neutron detection element.

第1実施形態において、図1に示す中性子検出素子1xは、X軸方向に1〜Nまで、N個が並んでいる。図7の「Ch.1」は、そのうち1つ目の中性子検出素子およびそれに対応するSFQ回路および尤度判定回路に相当する。「Ch.2」は、2つ目の中性子検出素子、SFQ回路および尤度判定回路に相当する。よって、図1との対応関係から、図7のSFQ回路および尤度判定回路は、X軸方向にCh.1〜Ch.NまでNチャネルの対があり、Y軸方向にもCh.1〜Ch.NまでNチャネルの対がある。
尤度判定回路は、各チャネルにつき、判定用SFQパルスを1GHzで(即ち1ナノ秒ごとに)中性子検出の有無を判定する。アドレス生成回路は、1ナノ秒の遅延をおいて1〜Nまでの各チャネルを順次走査し、判定結果を調べる。100万画素の例では、N=1000である。その結果、1ナノ秒×1000=1μ秒の間に、1000個のチャネルのうち、どのチャネルに1個の中性子が検出されたのかが分かる。各チャネルを走査する周期、この場合は1μ秒が走査周期にあたる。各走査周期で、アドレス生成回路に検出結果を出力する。アドレス値は、10ビット(210=1024)に1〜1000の各チャネルの値を対応させる。
In the first embodiment, N neutron detection elements 1x shown in FIG. 1 are arranged in a range from 1 to N in the X-axis direction. “Ch.1” in FIG. 7 corresponds to the first neutron detection element and the SFQ circuit and likelihood determination circuit corresponding to the first neutron detection element. “Ch.2” corresponds to the second neutron detection element, SFQ circuit, and likelihood determination circuit. Therefore, from the correspondence with FIG. 1, the SFQ circuit and the likelihood determination circuit of FIG. 1-Ch. There are N channel pairs up to N, and Ch. 1-Ch. There are N channel pairs up to N.
The likelihood determination circuit determines the presence / absence of neutron detection for each channel using a determination SFQ pulse at 1 GHz (ie, every nanosecond). The address generation circuit sequentially scans each channel from 1 to N with a delay of 1 nanosecond, and checks the determination result. In the example of 1 million pixels, N = 1000. As a result, it can be seen in which channel one neutron was detected among the 1000 channels within 1 nanosecond × 1000 = 1 μsec. The scanning period of each channel, in this case 1 μsec, corresponds to the scanning period. In each scanning period, the detection result is output to the address generation circuit. In the address value, 10 bits (2 10 = 1024) correspond to the values of each channel from 1 to 1000.

それゆえ、この発明の中性子検出装置で試料をフレーム時間1msで観察する場合、1フレーム時間あたり最大1000個の中性子を1フレームで観察することができる。なお、外部(室温領域)とやりとりする信号線の本数は、X方向で10ビット(10本)、Y方向で10ビット(10本)の合計20本となる。ただし、SFQ回路のDCバイアス電流や、温度をモニタするための温度素子用のケーブルが必要なことから、実際には、合計40〜50本のケーブルが必要となる。
なお、フレーム時間等の数値は、この発明を限定するものではなく、観測対象の違いなど利用目的に応じて変更可能である。
Therefore, when the sample is observed with the neutron detector of the present invention at a frame time of 1 ms, a maximum of 1000 neutrons per frame time can be observed at one frame. Note that the number of signal lines that communicate with the outside (room temperature region) is 10 bits (10 lines) in the X direction and 10 bits (10 lines) in the Y direction, for a total of 20. However, since a cable for a temperature element for monitoring the DC bias current of the SFQ circuit and temperature is necessary, a total of 40 to 50 cables are actually required.
The numerical values such as the frame time are not intended to limit the present invention, and can be changed according to the purpose of use, such as differences in observation objects.

次に、図9〜10を用いて、この発明の第1実施形態に係る中性子検出装置100の製造プロセスについて説明する。
図9は、この発明の第1実施形態に係る中性子検出装置の構造を示す断面図である。
図10は、この発明の第1実施形態に係る中性子検出装置の製造プロセスを示す説明図である。
Next, a manufacturing process for the neutron detector 100 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 9 is a sectional view showing the structure of the neutron detector according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 10 is an explanatory view showing the manufacturing process of the neutron detector according to the first embodiment of the present invention.

図10(a)に示すように、カルーセルスパッタリング装置を用いてマグネシウムおよび硼素を同時にスパッタリングし、サファイア(Al23)の単結晶の基材10上にMgB2薄膜1を形成する。なお、基材10は、サファイアに限定されず、誘電体などの非金属であればよい。また、MgB2薄膜の堆積方法は気相蒸着法であればよい。なお、図10においては、図10(d)を除き、紙面に垂直方向をY軸、紙面に沿った方向をX軸として説明する。
MgB2薄膜の形成方法の詳細については、例えば、特開2005−286245に記載されている。
As shown in FIG. 10A, magnesium and boron are simultaneously sputtered using a carousel sputtering apparatus to form an MgB 2 thin film 1 on a single crystal substrate 10 of sapphire (Al 2 O 3 ). In addition, the base material 10 is not limited to sapphire, and may be a nonmetal such as a dielectric. The deposition method of the MgB 2 thin film may be a vapor deposition method. In FIG. 10, except for FIG. 10D, the description will be made assuming that the direction perpendicular to the paper surface is the Y axis and the direction along the paper surface is the X axis.
Details of the method of forming the MgB 2 thin film are described in, for example, JP-A-2005-286245.

次に、図10(b)に示すように、レジストをMgB2薄膜1上に塗布し、電子ビームリソグラフィによりレジストパターン11を形成した後、電子サイクロトロン共鳴(ECR)エッチングを行う。これによって、図10の紙面奥行き方向に伸びた0.5μm幅のストライプ状に中性子検出素子1xを形成する。 Next, as shown in FIG. 10B, a resist is applied on the MgB 2 thin film 1, a resist pattern 11 is formed by electron beam lithography, and then electron cyclotron resonance (ECR) etching is performed. As a result, the neutron detection element 1x is formed in a stripe shape having a width of 0.5 μm extending in the depth direction of FIG.

次に、図10(c)に示すように、レジストパターン11を除去した中性子検出素子1x上に酸化シリコン(SiO)を蒸着させて保護膜3を形成する。保護膜3は、MgB2の表面が直接空気に接するのを防止する。 Next, as shown in FIG. 10C, a protective film 3 is formed by depositing silicon oxide (SiO) on the neutron detection element 1x from which the resist pattern 11 has been removed. The protective film 3 prevents the surface of MgB 2 from coming into direct contact with air.

図10(d)は、図10(c)の中性子検出素子1xを、紙面に垂直方向をX軸、紙面に沿った方向をY軸として見たものである。中性子検出素子1xの両端部には電極4aを形成する。電極4a,4bは導電体であり、例えば金(Au)、アルミニウム(Al)またはチタン−金(AuTi)で形成される。中性子検出素子1xの両端部には電極4aを形成する。   FIG. 10D shows the neutron detection element 1x shown in FIG. 10C viewed with the direction perpendicular to the paper surface as the X axis and the direction along the paper surface as the Y axis. Electrodes 4a are formed on both ends of the neutron detection element 1x. The electrodes 4a and 4b are conductors, and are formed of, for example, gold (Au), aluminum (Al), or titanium-gold (AuTi). Electrodes 4a are formed on both ends of the neutron detection element 1x.

それらと別に、超伝導体としてNbの薄膜を重ねて形成される超伝導集積回路プロセスによりSFQ回路110、尤度判定回路120およびアドレス生成回路130に相当する回路が集積された超伝導ICチップ2を作成する。超伝導ICチップ2上には、SiO2からなる絶縁層9を形成し、中性子検出素子1xの電極4aに対応する位置に電極4bを形成する。 Separately from these, a superconducting IC chip 2 in which circuits corresponding to the SFQ circuit 110, likelihood determination circuit 120 and address generation circuit 130 are integrated by a superconducting integrated circuit process formed by superposing Nb thin films as superconductors. Create An insulating layer 9 made of SiO 2 is formed on the superconducting IC chip 2, and an electrode 4b is formed at a position corresponding to the electrode 4a of the neutron detection element 1x.

次に、図10(e)に示すように、超伝導ICチップ2のSFQ回路が形成された面に対向するように、中性子検出素子1xを(フェイスダウン)実装する。具体的には、超伝導性を有する半田バンプ8を介したフリップチップボンディングにより、電極4a,4bが対向するように、超伝導ICチップ2のSFQ回路と中性子検出素子1xとを接着層5を挟んで接合する。接着層5としては、接着剤の代わりに熱圧着シートを用いてもよい。なお、半田バンプ8の材料としては、鉛錫(Pb−Sn)合金、鉛インジウム金(Pb−In−Au)合金などの超伝導材料が用いられ、ボールボンディング法により形成される。
また、MgB2からなる図7の等価回路上のコイルとNbからなる図7の等価回路上のコイルの位置合わせも前述のフリップチップボンディングによってなされる。
Next, as shown in FIG. 10E, the neutron detection element 1x is mounted (face-down) so as to face the surface on which the SFQ circuit of the superconducting IC chip 2 is formed. Specifically, the SFQ circuit of the superconducting IC chip 2 and the neutron detecting element 1x are bonded to the adhesive layer 5 so that the electrodes 4a and 4b face each other by flip chip bonding via the solder bumps 8 having superconductivity. Sandwich and join. As the adhesive layer 5, a thermocompression-bonding sheet may be used instead of the adhesive. In addition, as a material of the solder bump 8, a superconductive material such as a lead tin (Pb—Sn) alloy or a lead indium gold (Pb—In—Au) alloy is used, which is formed by a ball bonding method.
Further, alignment of the coil on the equivalent circuit of FIG. 7 made of MgB 2 and the coil on the equivalent circuit of FIG. 7 made of Nb is also performed by the above-described flip chip bonding.

次に、図10(f)に示すように、さらに中性子検出素子1x上に、中性子検出素子1x,1yの伸びる方向が互いに直交するように中性子検出素子1yを実装し、中性子検出素子1xと同様に、超伝導ICチップ2と超伝導コンタクトによる磁気結合を行う。   Next, as shown in FIG. 10 (f), the neutron detection element 1y is further mounted on the neutron detection element 1x so that the extending directions of the neutron detection elements 1x and 1y are orthogonal to each other. Then, magnetic coupling is performed by superconducting IC chip 2 and superconducting contact.

最後に、中性子検出素子1x、中性子検出素子1yおよび超伝導ICチップ2を封止樹脂6によって封止する。   Finally, the neutron detection element 1x, the neutron detection element 1y, and the superconducting IC chip 2 are sealed with a sealing resin 6.

なお、2組の中性子検出素子を張り合わせた状態で、中性子検出素子1xおよび1y間の距離が、4He、7Liの飛程(それぞれ4μm、2μm)を超えないように構成するように留意すべきである。
また、変形例として、薄膜1xおよび1yがNb等の超伝導物質で、保護膜3がMgB2を含むようにしてもよい。
Note that the two neutron detection elements are bonded together so that the distance between the neutron detection elements 1x and 1y does not exceed the range of 4 He and 7 Li (4 μm and 2 μm, respectively). Should.
As a modification, the thin films 1x and 1y may be made of a superconducting material such as Nb, and the protective film 3 may contain MgB 2 .

<<第2実施形態>>
次に、図11、図12を用いて、この発明の第2実施形態に係る中性子検出装置100aについて説明する。
図11は、この発明の第2実施形態に係る中性子検出素子からなる中性子検出素子の構造を示す断面図である。
第1実施形態との違いは、中性子検出装置1xおよび1y中に10Bを含まず、それらの中間に10Bを含む核反応層7を備える点である。
なお、核反応層7は、MgB2薄膜に形成してもよい。その場合、超伝導のベースプレートとして用いることができる。また、10Bそのものの薄膜でもよい。具体的には、Kセルや電子ビームを用いた蒸着により形成することができる。
<< Second Embodiment >>
Next, a neutron detector 100a according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing the structure of a neutron detection element including a neutron detection element according to the second embodiment of the present invention.
The difference from the first embodiment is free of 10 B in the neutron detector 1x and 1y, a point comprising a nuclear reaction layer 7 containing those intermediate 10 B.
The nuclear reaction layer 7 may be formed on a MgB 2 thin film. In that case, it can be used as a superconductive base plate. Further, it may be a thin film of 10 B itself. Specifically, it can be formed by vapor deposition using a K cell or an electron beam.

図12に示すように、中性子が核反応層7中の10Bと衝突した場合、核反応により4Heと7Liとが相反する方向に放射され、4Heまたは7Liが近傍(飛程距離内)の中性子検出素子1xまたは1yと衝突する。核反応層7中に一様に10Bを含む場合、中性子が中性子検出素子1xおよび1yをすり抜ける経路を進んでも、核反応層7中の10Bと核反応を起こすため、中性子が確実に検出される。また、中性子検出素子1xまたは1yが10Bを含む超伝導物質である必要はないため、中性子検出素子1xまたは1yとして、例えばNbまたはNbNによる超伝導体や、ボロンをドープしたダイヤモンド薄膜(Tc=11K)
等の高温超伝導体を用いることができる。
As shown in FIG. 12, when neutrons collide with 10 B in the nuclear reaction layer 7, 4 He and 7 Li are radiated in the opposite directions due to the nuclear reaction, and 4 He or 7 Li is in the vicinity (range) The inner neutron detection element 1x or 1y. When 10 B is uniformly included in the nuclear reaction layer 7, neutrons are detected reliably because they cause a nuclear reaction with 10 B in the nuclear reaction layer 7 even if the neutrons travel through the path through the neutron detection elements 1 x and 1 y. Is done. Further, since the neutron detection element 1x or 1y does not have to be a superconducting material containing 10 B, the neutron detection element 1x or 1y can be, for example, a superconductor of Nb or NbN, or a boron-doped diamond thin film (Tc = 11K)
High temperature superconductors such as can be used.

<<第3実施形態>>
次に、図13を用いて、この発明の第3実施形態に係る中性子検出装置100bについて説明する。
<< Third Embodiment >>
Next, a neutron detector 100b according to a third embodiment of the present invention will be described using FIG.

図13は、この発明の第3実施形態に係る中性子検出装置を示す説明図である。
図13に示すように、中性子検出素子1x,1yの形状として、経路が曲がりくねった形状(以下、メアンダ(meander)形状と記載)を用いてもよい。運動インダクタンスの変化を効率的に検出できるのは、熱エネルギーの拡散長程度であり、超伝導細線の幅を1μm程度にするのがよいが、メアンダ形状にすることにより、超伝導細線の幅を最適にしつつ、大面積化を図ることができるため、中性子との核反応性を高めることが可能になる。また、図13のような形状に限定されず、用途に応じて、種々の形状、大きさ、線幅を有していてもよい。
FIG. 13 is an explanatory view showing a neutron detector according to the third embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 13, as the shape of the neutron detection elements 1x and 1y, a shape with a meandering path (hereinafter referred to as a meander shape) may be used. The change in the kinetic inductance can be detected efficiently only by the diffusion length of thermal energy, and the width of the superconducting wire should be about 1 μm. However, by making the meander shape, the width of the superconducting wire can be reduced. Since it is possible to increase the area while optimizing, it is possible to increase the nuclear reactivity with neutrons. Moreover, it is not limited to a shape like FIG. 13, According to a use, you may have various shapes, a magnitude | size, and a line | wire width.

1:MgB2薄膜
1x,1y:中性子検出素子
2:超伝導ICチップ
3:保護膜
4a,4b:電極
5:接着層
6:封止樹脂
7:核反応層
8:半田バンプ
9:絶縁層
10:基材
11:レジストパターン
100,100a,100b:中性子検出装置
101:中性子源
102a,102b:スリット
103:試料
104:窓部
105:断熱容器
110:SFQ回路
111:検出用SFQパルス入力部
112:検出部
120:尤度判定回路
121:判定用SFQパルス入力部
122:検出判定部
130:アドレス生成回路
1: MgB 2 thin film 1x, 1y: Neutron detection element 2: Superconducting IC chip 3: Protective film 4a, 4b: Electrode 5: Adhesive layer 6: Sealing resin 7: Nuclear reaction layer 8: Solder bump 9: Insulating layer 10 : Substrate 11: Resist pattern 100, 100a, 100b: Neutron detector 101: Neutron source 102a, 102b: Slit 103: Sample 104: Window 105: Thermal insulation container 110: SFQ circuit 111: SFQ pulse input unit 112 for detection 112: Detection unit 120: Likelihood determination circuit 121: SFQ pulse input unit for determination 122: Detection determination unit 130: Address generation circuit

Claims (9)

1つの中性子と中性子検出用物質との核反応によって熱エネルギーを伴って生成され、異なる方向へ放射される少なくとも2つの粒子のうち、一の粒子の前記熱エネルギーを受容した場合に電子状態の変化が生じる第1粒子検出素子を複数個並列に配置してなるX座標検出素子群と、
他の粒子の前記熱エネルギーを受容した場合に電子状態の変化が生じる第2粒子検出素子を複数個並列に配置してなるY座標検出素子群とを備え、
各第1粒子検出素子は縦方向へ長く伸びる領域を有する超伝導物質であり、前記X座標検出素子群はそれらの第1粒子検出素子が横方向に並び、何れの第1粒子検出素子が前記一の粒子に係る電子状態の変化を検出したかに基づいて前記核反応がおこった位置のX座標を検出し、各第2粒子検出素子は、横方向へ長く伸びる領域を有する超伝導物質であり、前記Y座標検出素子群はそれらの第2粒子検出素子が縦方向に並び、何れの第2粒子検出素子が前記他の粒子に係る電子状態の変化を検出したかに基づいて前記核反応がおこった位置のY座標を検出することを特徴とする中性子検出装置。
Changes in electronic state when receiving the thermal energy of one of at least two particles that are generated with thermal energy by a nuclear reaction between one neutron and a substance for detecting neutrons and emitted in different directions A group of X-coordinate detection elements formed by arranging a plurality of first particle detection elements in parallel,
A Y-coordinate detection element group in which a plurality of second particle detection elements that change in the electronic state when receiving the thermal energy of other particles are arranged in parallel,
Each of the first particle detection elements is a superconducting material having a region extending in the longitudinal direction, and the X coordinate detection element group has the first particle detection elements arranged in the horizontal direction, and any of the first particle detection elements is The X coordinate of the position where the nuclear reaction has occurred is detected based on whether a change in the electronic state of one particle is detected, and each second particle detection element is a superconducting material having a region extending in the lateral direction. And the Y coordinate detection element group includes the second particle detection elements arranged in the vertical direction, and the nuclear reaction based on which second particle detection element detects a change in the electronic state of the other particles. A neutron detection device for detecting a Y coordinate of a position where an error occurs.
前記中性子検出用物質が、第1粒子検出素子および/または第2粒子検出素子に用いられる請求項1に記載の中性子検出装置。   The neutron detection apparatus according to claim 1, wherein the neutron detection substance is used for a first particle detection element and / or a second particle detection element. 前記中性子検出用物質が、隣り合う第1粒子検出素子と第1粒子検出素子との間、隣り合う第2粒子検出素子と第2粒子検出素子との間、または各第1粒子検出素子と各第2粒子検出素子との間の何れかに少なくとも配置される請求項1に記載の中性子検出装置。   The neutron detecting substance is between the adjacent first particle detecting element and the first particle detecting element, between the adjacent second particle detecting element and the second particle detecting element, or each first particle detecting element and each The neutron detection apparatus according to claim 1, wherein the neutron detection apparatus is disposed at least between the second particle detection element and the second particle detection element. 各第1粒子検出素子は、前記第1粒子の熱エネルギーの受容によって超伝導電子対が減少する電子状態の変化を運動インダクタンスの変化として検出し、
各第2粒子検出素子は、前記第2粒子の熱エネルギーの受容によって超伝導電子対が減少する電子状態の変化を運動インダクタンスの変化として検出する請求項1〜3の何れか一つに記載の中性子検出装置。
Each of the first particle detecting elements detects a change in an electronic state in which a superconducting electron pair is reduced by receiving thermal energy of the first particle as a change in motion inductance,
4. Each of the second particle detection elements detects a change in an electronic state in which a superconducting electron pair is reduced by receiving thermal energy of the second particle as a change in motion inductance. Neutron detector.
超伝導リングの一部にジョセフソン接合を形成してなるSFQ回路をさらに備え、
前記SFQ回路は、所定時間T1ごとに所定の磁束を有する検出用SFQパルスを入力する検出用SFQパルス入力部と、前記運動インダクタンスの変化による前記超伝導リング内のジョセフソン電流の変化に基づき前記運動インダクタンスの変化を検出する運動インダクタンス検出素子群とを含み、前記第1粒子検出素子または第2粒子検出素子の一つと磁気結合されてなる請求項4に記載の中性子検出装置。
An SFQ circuit formed by forming a Josephson junction in a part of the superconducting ring;
The SFQ circuit includes a detection SFQ pulse input unit for inputting a detection SFQ pulse having a predetermined magnetic flux every predetermined time T1, and a change in the Josephson current in the superconducting ring due to a change in the motion inductance. The neutron detection device according to claim 4, further comprising a motion inductance detection element group that detects a change in motion inductance, and being magnetically coupled to one of the first particle detection element or the second particle detection element.
前記SFQ回路は、尤度判定回路を備え、
前記尤度判定回路は、前記時間T1より長い所定時間T2ごとに判定用SFQパルスを入力する判定用SFQパルス入力部と、前記判定用SFQパルスの入力時に、前記検出用SFQパルス入力部により入力された前記検出用SFQパルスの数のうち、前記運動インダクタンスの変化を検出した前記検出用SFQパルスの数が所定の数以上であるとき、前記運動インダクタンスの変化が検出されたものと判定する検出判定部とを備える請求項5に記載の中性子検出装置。
The SFQ circuit includes a likelihood determination circuit,
The likelihood determination circuit is input by a determination SFQ pulse input unit that inputs a determination SFQ pulse every predetermined time T2 longer than the time T1, and is input by the detection SFQ pulse input unit when the determination SFQ pulse is input. Detection of determining that a change in motion inductance has been detected when the number of detection SFQ pulses in which the change in motion inductance is detected is greater than or equal to a predetermined number among the number of detected SFQ pulses The neutron detection apparatus according to claim 5, further comprising a determination unit.
前記X座標検出素子群および前記Y座標検出素子群により検出されたX座標およびY座標をデジタル化されたアドレス値として出力するアドレス生成回路をさらに備える請求項1〜6の何れか一つに記載の中性子検出装置。   The address generation circuit which further outputs an X coordinate and a Y coordinate detected by the X coordinate detection element group and the Y coordinate detection element group as digitized address values. Neutron detector. 前記中性子検出用物質が10Bを含み、前記粒子は、中性子と10Bとの核反応によって生成され相反する方向に放射されるアルファ線とリチウム線の2つの粒子である請求項1〜7の何れか一つに記載の中性子検出装置。 The neutron detection material contains 10 B, and the particles are two particles of alpha rays and lithium rays generated by a nuclear reaction between neutrons and 10 B and emitted in opposite directions. The neutron detector as described in any one. 前記中性子検出用物質がMgB2を含む請求項1〜8の何れか一つに記載の中性子検出装置。 The neutron detection apparatus according to claim 1, wherein the neutron detection substance contains MgB 2 .
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