JP2016102799A - 中性子検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のスペクトロメータよりも正確、高速且つ携帯性のある中性子検出器を提供する。【課題を解決する手段】中性子検出器は、有機モデレータと、中性子を捕獲するホウ酸リチウム・ガドリニウムを含む無機シンチレータと、プロセッサと、を備え、プロセッサは、（１）無機シンチレータのシンチレーションを表す複数の信号を受信して、ガドリニウムの捕獲から生じた信号を識別し、ガドリニウムの捕獲から生じた信号を他の複数の信号から弁別し、（２）ガドリニウムの捕獲から生じた信号として識別され、他の複数の信号から弁別された複数の信号を用いて、中性子検出器に入射した中性子のデータを生成して出力する。【選択図】図６

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１１年１１月１日出願の特許仮出願番号第６１／６２８，４７４号の優先権を主張するものであり、参照により、その内容全体が、中性子スペクトロメータに関連するデバイス、材料、技術、処理方法、ソフトウェア及びその他の詳細について本明細書に組み込まれる。

本発明は、概して中性子スペクトロメータの分野に関する。中性子エネルギーの正確な測定は、例えば、作業員の被曝量を計算するためや、放射線遮蔽や放射線封止の完全性を判断するためなど、多くの用途で必要とされている。しかし残念なことに、現在のスペクトロメータ（ボナー・ボールなど）は、不確実性が高く、信号収集と処理に時間がかかり、またその他の欠点もある。様々なシンチレータやスペクトロメータが、Ａ．Ｍ．ＷＩＬＬＩＡＭＳ ＥＴ ＡＬ：「Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ａ ｌｉｔｈｉｕｍ ｇａｄｏｌｉｎｉｕｍ ｂｏｒａｔｅ ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒ ｉｎ ｍｏｎｏｅｎｅｒｇｅｔｉｃ ｎｅｕｔｒｏｎ ｆｉｅｌｄｓ」, ＲＡＤＩＡＴＩＯＮ ＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮ ＤＯＳＩＭＥＴＲＹ, ｖｏｌ.１１０, ｎｏ.１−４, ２００４年８月１日, ４９７〜５０２ページ; Ｄ.Ｖ.ＬＥＷＩＳ ＥＴ ＡＬ:「Ｌｉｔｈｉｕｍ−ｇａｄｏｌｉｎｉｕｍ−ｂｏｒａｔｅ ａｓ ａ ｎｅｕｔｒｏｎ ｄｏｓｅｍｅｔｅｒ」, ＲＡＤＩＡＴＩＯＮ ＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮ ＤＯＳＩＭＥＴＲＹ, ｖｏｌ.１２６, ｎｏ.１−４, ２００７年５月１３日, ３９０〜３９３ページ;「ＢＣ−４９０ Ｐｌａｓｔｉｃ Ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒ Ｃａｓｉｎｇ Ｒｅｓｉｎ」, Ｓａｉｎｔ−Ｇｏｂａｉｎ Ｃｒｙｓｔａｌｓ, ２００５年１月１日, １〜２ページ;及びＦＬＡＳＫＡ Ｍ ＥＴ ＡＬ:「Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｉｎ−ｅｎｅｒｇｙ ｎｅｕｔｒｏｎ ｓｏｕｒｃｅｓ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＢＣ−５２３Ａ ｃａｐｔｕｒｅ−ｇａｔｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒ」, ２００９ ＩＥＥＥ ＮＵＣＬＥＡＲ ＳＣＩＥＮＣＥ ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ ＡＮＤ ＭＥＤＩＣＡＬ ＩＭＡＧＩＮＧ ＣＯＮＦＥＲＥＮＣＥ （ＮＳＳ/ＭＩＣ ２００９）, ＯＲＬＡＮＤＯ, ＦＬ, ＵＳＡ, ＩＥＥＥ, ＰＩＳＣＡＴＡＷＡＹ, ＮＪ, ＵＳＡ, ２００９年１０月２４日,９４０〜９４３ページに記載されている。

本明細書において、小型で、効率的で、高速且つ正確で新規な中性子スペクトロメータ／線量計の開発、設計、動作及び試験を記載する。Ｌｏｓ Ａｌａｍｏｓ Ｎｅｕｔｒｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｃｅｎｔｅｒ（ＬＡＮＳＣＥ）及びオハイオ大学のＥｄｗａｒｄｓ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ （ＥＡＬ）での試験で、本発明によりわずか±８％の不確実度で０．８ＭｅＶ〜１５０ＭｅＶの範囲を超える中性子スペクトルを生成することができることが実証されている。

このスペクトロメータは、１２年かかった開発計画の最終成果であり、１９９３年に発行された米国特許第５，２３１，２９０号及び１９９８年に発行された米国特許第５，７３４，１６６号に記載された装置、材料及び技術の一部を用いている。これらの特許の内容全体は、参照により、本明細書に記載された中性子スペクトロメータに関連する構成要素、技術、プロセス及び材料について本明細書に組み込まれる。

本発明の一実施形態において、１．３リットルの検出器ヘッドは、均一に分散したホウ酸リチウム・ガドリニウム（ＬＧＢ）の微結晶を含む含水素プラスチックシンチレータ・マトリックスを備えた異種複合検出器である。ＬＧＢの代わりに又はＬＧＢに加えてホウ酸イットリウム・リチウムなどの他の材料を用いることができる。複合検出器の物理的性質はかなり複雑であり、中性子とガンマ粒子の相互作用に起因する信号の全てを検出器で特定し、正確に特性を明らかにするには、広範囲の研究・開発が必要であった。

プラスチック・シンチレータは、衝突中性子を減速し、中性子が検出器本体内で減速することによりエネルギー損失による光を発するように作用する。ＬＧＢ中のリチウム、ホウ素又はガドリニウム原子のうち１つが、十分に減速した減速中性子を捕獲し、その後、セリウム特有の放射パルスの捕獲エネルギーを放出する。そして、プラスチック・シンチレータ中の減速中性子に起因する光パルスは、ＬＧＢ捕獲パルスとペアになるので、減速パルスが中性子により生成されたもので、ガンマ粒子により生成されたパルスではないことを識別できる（ガンマ粒子は中性子減速パルスと同様のパルスを生成することがある）。

減速パルスの特性が中性子エネルギーによって予測通り変化することを実証するためには、５年間に及ぶ開発と実験を要した。試験用スペクトロメータは、飛行時間（ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ：ＴＯＦ）機能を有する施設で中性子の捕獲の記録ができるように改良された。本発明者らは、飛行時間法で各中性子のエネルギーを識別し、ＴＯＦ測定に基づいてエネルギーとパルス特性を相関させることができた。

本発明者らは、検出器との一回の衝突で衝突中性子の約２％が全エネルギーを失うことを発見した。この群の中性子のパルス面積とエネルギーの間には、直線相関がある。しかし、残り９８％の中性子は、検出器本体内において広範囲の衝突過程を経ている。これらの中性子が複数のエネルギー群に「ビニング」されている場合、各エネルギー群はパルス面積分布を有する。このデータは、スペクトル用の展開アルゴリズムを開発するための基礎として用いられた。そして、展開スペクトルは、様々な施設で検証され、いずれも同位元素を放出する一般的中性子の既知のスペクトルと、また、このプログラムで中性子源を提供した様々な機関の施設スペクトルと照合された。スペクトルの検証後、スペクトルのエネルギー・ビンごとに測定された中性子カウント数に基準の調整損傷係数を適用することにより、等価線量と線量率を決定することができる。

この効率的で自立型の中性子スペクトロメータ／線量計は、保健物理学、地上及び海上の原子力発電所、科学研究、及び、核物質や核兵器を監視し制御するプログラムにおいて広く適用されるであろう。

図１は、本発明の一実施形態に係る中性子スペクトロメータを示す。 図２は、太線で示される共有結合と、細線で示されるイオン結合と、図示しないＬｉ原子により形成される結合を有する⁶Ｌｉ₆ ^ｎａｔＧｄ¹⁰Ｂ₃Ｏ₉： Ｃｅの単位格子の構造を示す。 図３は、中性子線及びガンマ線の混合放射場で測定された典型的パルス波形を示す。 図４は、ＰＶＴ中の中性子−陽子衝突による中性子エネルギーの減速の状態、及びＰＶＴ及びＬＧＢ中のガンマ粒子が減衰によりパルスを発する状態を示す。 図５は、１０ＭｅＶでの陽子反跳分布を示す。 図６は、本発明の一実施形態に係る中性子分析ソフトウェアのプログラムに含まれる主要な分析段階を表す信号分析フローチャートを示す。 図７は、パルス分類パラメータの概略図である。 図８は、典型的な中性子分析プログラムの分析出力を減速パルス面積のヒストグラム形式で示す。 図９は、ラムダペア面積の形式でパルス特性因子の中性子分析プログラムのプロットを示す。 図１０は、偶発的なペアを除去するために捕獲時間プロットを用いる方法を示す。 図１１は、Ｃｆ―２５２の中性子線／ガンマ線場のラムダ／面積のプロットを示す。 図１２は、純ガンマ線場のラムダ／面積のプロットを示す。 図１３は、ガンマ除去を伴うＣｆ―２５２の中性子線／ガンマ線場のラムダ／面積プロットを示す。 図１４は、中性子エネルギーに対してプロットされた開始（減速）パルス面積を示す。 図１５は、パラメータ定義したパルスのＴＯＦデータ収集を示す。 図１６は、中性子エネルギーの行と減速パルス面積の列を含む典型的な校正された応答行列（ＣＲＭ）を示す。 図１７は、Ｌｏｓ Ａｌａｍｏｓ Ｎｅｕｔｒｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｃｅｎｔｅｒ（ＬＡＮＳＣＥ）における、高エネルギー中性子場における本発明の実施形態の検出器の中性子検出効率を示す。 図１８は、オハイオ大学のＥｄｗａｒｄｓ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ （ＥＡＬ）での実験における、本発明の一実施形態の検出器の中性子検出効率を示す。 図１９は、本発明の一実施形態に係る中性子分析プログラムが、どのように中性子スペクトロメータの測定結果を表示するかを説明するためのフローチャートである。 図２０は、ＬＡＮＳＣＥの検出器のデータと本発明の実施形態の検出器データの２０〜８００ＭｅＶにおけるスペクトル比較である。 図２１は、ＬＡＮＳＣＥの検出器のデータと本発明の実施形態の検出器データの２０〜２００ＭｅＶにおけるスペクトル比較である。 図２２は、ＥＡＬ（オハイオ）のビーム・データと、逐次最小二乗（ＳＬＳ）展開を用いた本発明の実施形態とのスペクトル比較である。 図２３は、本発明の実施形態のＭＡＸＥＤ―ＦＣ３３展開コード（ＵＭＧ）を用いたもの、本発明の実施形態のＳＬＳを用いたもの、及び、ＥＡＬ（オハイオ）のビーム・スペクトルとのスペクトル比較を示す。 図２４は、施設のデータと比較した、ＥＡＬのビームに対する本発明の実施形態により生成した展開スペクトルを示す。 図２５は、Ｃｆ―２５２線源スペクトルと総線量率を含む電界強度（総中性子束）を示すサンプル出力を示す。

以下に、本発明の様々な実施形態に係る中性子スペクトロメータ／線量計の設計及び試験を記載する。ＬＧＢシンチレータの簡単な説明に続き、当該システム用複合検出器の物理的性質に関する考察と、信号処理アルゴリズム及び校正／検証（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ／ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ）の詳細な説明を記載する。

[計器全体の説明]
図１は、本発明の一実施形態に係る中性子スペクトロメータ１００の一実施形態を示す。スペクトロメータ１００は、検出器アセンブリの遮光筺体４０内の、検出器ヘッド１０と、光電子増倍管（ＰＭＴ）２０と、分圧器３０を含む。筺体４０と、デジタイザ５０と、高圧電源６０と、コンピュータ・マザーボード７０は共に、中性子スペクトロメータ・アセンブリ８０を構成する。

図１に示され、以下に更に詳しく説明する計器は、多数の技術を結合して効率的な中性子スペクトロメータ／線量計を構成するものであり、以下を含む。
１．⁶Ｌｉ₆ ^ｎａｔＧｄ¹⁰Ｂ₃Ｏ₉： Ｃｅ（ＬＧＢ）シンチレータ結晶
２．ポリビニル・トルエン（ＰＶＴ）シンチレータ中に均一に分散したＬＧＢシンチレータ結晶からなる複合検出器
３．ＬＧＢシンチレータ結晶（３つの中性子捕獲核を含む）とＰＶＴシンチレータによって生成される複合信号を分析するパルス波形弁別（ＰＳＤ）アルゴリズム／ソフトウェア

計器は、更に、光電子増倍管（ＰＭＴ）２０と、波形デジタイザと、付属品付ミニコンピュータと、高圧電源６０と、分圧器３０を含む複数の民生（commercial off-the-shelf：ＣＯＴＳ）部品を内蔵している。以下に各構成要素を説明する。

［ＬＧＢ検出器ヘッド］
検出器ヘッド１０は、ＬＧＢ／ＰＶＴシンチレータを内蔵する。ＬＧＢの結晶構造は、三次元の混合骨格内で単離されたホウ素−酸素三角形によって結合された希土類及びアルカリイオンの酸素多面体からなる。図２に示す⁶Ｌｉ₆ ^ｎａｔＧｄ¹⁰Ｂ₃Ｏ₉： Ｃｅ単結晶の単位格子は、共有結合（太線）とイオン結合（細線）から構成される。この構造の更なる詳細は、Ｄｏｌｚｈｅｎｋｏｖａ、Ｅ．Ｆ．、Ｖ．Ｎ Ｂａｕｍｅｒ、Ｓ．Ｉ．Ｇｏｒｄｅｅｖ「Ｆｒａｃｔｕｒｅ Ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ａｎｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ⁶Ｌｉ₆ ^ｎａｔＧｄ¹⁰Ｂ₃Ｏ₉ Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｒｙｓｔａｌｓ」、Ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｙ Ｒｅｐｏｒｔｓ、Ｖｏｌ．４８、Ｎｏ.４、ｐｐ．５６３―５６７に記載され、その全体は参照により本明細書に組み込まれる。

ＬＧＢシンチレータのモデルは、結晶構造と結合がＬｉ、Ｂ又はＧｄ中の中性子捕獲によるエネルギーの移動を補助することを示した。Ｌｉ及びＢ中の中性子捕獲により生じる放出αのエネルギーを吸収し、３７０〜４７０ｎｍの可視光に変換するのは、適正な濃度で＋３酸化状態のセリウムである。Ｇｄの中性子捕獲により放出されるガンマ線もＬＧＢ結晶構造と相互作用し、その後Ｃｅにより放出される光のエネルギーも蓄積する。ＬＧＢシンチレータ結晶から離脱したガンマ線は、電子反跳により更にＰＶＴと相互作用し、更にシンチレーションを起こすことができる。程度は小さいが、ガンマ線はＧｄと相互作用し、直接的に３１５ｎｍのシンチレーションを生じさせる。

ＬＧＢ結晶は、透明なシンチレータとして作用し、その厚さが増加すると中性子吸収効率が増加する。屈折率は１．６５であり、その結晶は同程度の屈折率を有するプラスチックに組み込むことができる。検出器ヘッド１０は、市販のシンチレーション・プラスチック中に均一に分散した０．７〜１．５ｍｍのＬＧＢ結晶の破片と、ポリビニル・トルエンすなわちＰＶＴ（ＥＪ‐２９０、Ｅｌｊｅｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ／Ｌｕｄｌｕｍ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ社製）からなる。ＰＶＴの屈折率は、１．５８である。直径５インチ（１２．７ｃｍ）×長さ４インチ（１０．１６ｃｍ）の検出器ヘッドは、重量％で１０％（容量％で３％）のＬＧＢを含む。

［光電子増倍管］
ＰＭＴ２０は、ＡＤＩＴ／Ｌｕｄｌｕｍ社製のＢ１３３Ｄ０１であり、検出器ヘッド１０から受光し、その光を電気信号に変換する。直径５インチ（１２．７ ｃｍ）で１０段のエンドオン光電子増倍管であり、青色波長領域の感度を拡張したものである。７０ｍａ／Ｗａｔｔを超える最大感度は、２０％を上回る量子効率で３８０〜４７０ｎｍに及ぶ。通常の高電圧入力は、推奨される最大作動電圧が１５００ＶＤＣとしたとき、１１００ＶＤＣである。本発明の一実施形態では、１２５０〜１４５０ＶＤＣの範囲で作動する。入射光によって生じる電流は、１１００ＶＤＣで、１，０００，０００〜１倍に増幅される。

［デジタイザ］
デジタイザ５０は、分圧器３０を介してＰＭＴ２０から電気信号を受信するものであり、Ｇａｇｅ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（ケベック州Ｌａｃｈｉｎｅ）社製の多チャンネル・デジタイザ：型式Ｒａｚｏｒ ＣｏｍｐｕＳｃｏｐｅ１４２２である。この波形デジタイザは、１４ビット、サンプリング・レート２００メガサンプル／秒（ＭＳ／秒）で作動する。２００ＭＳ／秒でのサンプル間の時間は、周辺構成機器相互接続（ＰＣＩ）３２ビット・バス・インターフェースを用いて５ナノ秒である。本実施形態では、デジタイザは、オンボード・メモリのサイズとコンピュータのハードドライブのメモリへのデータ転送速度が遅いためリアルタイムで収集することができないが、メモリの容量が大きく高速であればリアルタイムでの収集を利用することができ、これも本発明の範囲内である。収集されバイナリ信号ファイルに保存される不連続データのセグメントであるトリガ毎のセグメント幅は、５９２マイクロ秒である。

［ミニコンピュータと付属品］
コンピュータ・マザーボード７０は、デジタイザ５０からデータを受信する、Ｌｉａｎ‐Ｌｉ社製のＭｉｎｉ‐ＩＴＸシャーシ：型式Ｍｉｎｉ‐Ｑ ＰＣ‐Ｑ０８に搭載されたＪｅｔｗａｙ社製のｍｉｎｉ‐ＩＴＸボード：型式ＮＣ９Ｃ‐５５０である。マザーボードは、ＮＭ１０コントローラ・ハブと組み合わされた１．５ＧＨｚのＩｎｔｅｌ(R) Ａｔｏｍ^TMＮ５５０デュアルコアファンレスプロセッサを有する拡張可能プラットフォームである。デュアルギガビットＬＡＮ、ＶＧＡ、ＰＣＩ、ワイヤレス機能用のＰＣＩｅ Ｍｉｎｉ Ｃａｒｄスロット、ＧＰＩＯ、ＬＶＤＳ、及び、４つのＵＳＢ２．０ポートのサポートを特徴とするものである。１１ワットの電力を使用し、メモリが最大２ＧＢである。

Ｗｅｓｔｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ社製の１５０ＧＢのＨＤＤハードドライブ：型式ＷＤ１５００ＢＬＦＳが、マザーボードに接続され、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標） ７及び後述するソフトウェアを使用する全ての操作を管理する。

また、ＶＧＡ及びＡＶ入力を有する１０．２インチ（２５．９ ｃｍ）ＬＣＤモニタを、リモートサイトでの独立型機器の操作に使用できる。モニタは、Ｘｅｎａｒｃ社製の装置：型式１０２０ＹＶであり、ミニコンピュータのＶＧＡ及びＵＳＢに接続する。

［高圧電源／分圧器］
高圧電源（ＨＶＰＳ）６０は、ＰＭＴ２０に直流高電圧を供給するために用いられ、分圧器３０に接続している。電源は、ニューヨーク州ＲｏｎｋｏｎｋｏｍａのＵｌｔｒａｖｏｌｔ社製で型式：２Ａ１２―Ｐ４である。分圧器３０は、コネチカット州ＭｅｒｉｄｅｎのＣａｎｂｅｒｒａ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ社製で型式：２００７である。５０Ωの終端装置がダイノード出力に接続され、検出器の出力パルス信号が分圧器３０の陽極からデジタイザ５０のチャネル１に接続される。

［検出器ヘッドの放射線反応］
以下の一連のグラフは、ＬＧＢ／ＰＶＴ複合検出器ヘッド１０内でガンマ線及び中性子線により生成される信号を示す。ガンマ線に反応する２つのシンチレータ（無機ＬＧＢ結晶及び有機ＰＶＴ）と４つの主な中性子捕獲核のうちの３つ（Ｌｉ、Ｂ、及びＧｄ）が存在することから、放射線に反応してこのシステムにより生成される信号の数と種類は、多様且つ複雑である。幸いにも、これらの信号はデジタル化が可能であり、また十分に相違するため種類によって識別及び分類することができる。後述するように、図３Ａに示される中性子相互作用の後、適切な時間枠内で３つの核（図３Ｂ及び３Ｃ）のうちの１つで捕獲が起きる場合、信号のこの組み合せは、一意的に中性子を同定し、ガンマ線イベントから中性子イベントの分離（又は弁別）ができるようにする。

［中性子相互作用］
図３Ａ〜３Ｃは、複合検出器ヘッドとの中性子の相互作用により生成される信号をまとめて示す。図３Ａは、ＰＶＴシンチレータとの中性子相互作用を表し、図３Ｂ及び３Ｃは、ＬＧＢシンチレータにおける中性子捕獲により生成される信号を表す。図３Ａ〜３Ｆにおいて、水平境界線は、それぞれ１００ナノ秒である。

図３Ａは、ＰＶＴシンチレーション・プラスチック中での単一の中性子の全ての中性子−陽子（ｎ、ｐ）衝突の合計を表すパルスを示す。これらのパルスは、５０ナノ秒（ｎｓ）の範囲の幅と、様々なパルス高さ（Ｎ_０）と面積（Ａ）を有する。

図３Ｂは、^６Ｌｉ、 ^１０Ｂ及び ^１５７Ｇｄの熱中性子捕獲によるＣｅ放射に特有の形状を有するパルスを示す。この図には、^６Ｌｉ、^１０Ｂでの捕獲によるα放射及び^１５７Ｇｄでの捕獲によるガンマ線放射が示される。これらの３種類の元素での捕獲によるパルスは、最低エネルギー^１０Ｂから最高エネルギー^１５７Ｇｄまで様々であり、その結果、面積（Ａ）及び数百ナノ秒でのパルス長（ＰＷ１０又は最大レベルの１０％のパルス幅）も異なる。

図３Ｃは、結晶から出てＰＶＴと相互作用する１又は２以上のガンマ線を放射する、ＬＧＢシンチレータ中の^１５７Ｇｄの中性子捕獲により生成されるパルスを示す。捕獲エネルギーの一部がＬＧＢシンチレータのＣｅに伝達され、特有の「テール」（長いパルス長又はＰＷ１０）となる一方で、別途ガンマ線がＰＶＴと相互作用することにより、Ｃｅ放射と同時に急激な初期パルス波形が生じる。従って、このパルス波形は、中性子と^１５７ＧｄのＬＧＢ相互作用とＰＶＴ相互作用が複合又は混合したものである。

［ガンマ線相互作用］
図３Ｄは、パルス高さ（Ｎ_０）が可変のＰＶＴプラスチック・シンチレータとガンマ線の相互作用を表すパルスを示し、これは非常に急速に減衰して非常に狭いパルス（ＰＷ１０）となる。

図３Ｅは、ＬＧＢ結晶とガンマ線の相互作用を表すパルスを示し、これは中性子相互作用と同様のＣｅ放射を生じ、パルス長（ＰＷ１０）は長いが、パルス高さ（Ｎ_０）が極めて低いため、中性子相互作用とは明らかに異なるパルス波形となる。ガンマ線相互作用により生成されるセリウム放射パルスは、^１０Ｂの捕獲パルスと比べても小さい面積を有するため、後述する技術により、中性子誘発性Ｃｅ放射と容易に区別（弁別）される。

図３Ｆは、エネルギーがＣｅに移動しない^１５７Ｇｄとガンマ線の相互作用を表すパルスを示す。この場合、Ｇｄは、ＬＧＢ結晶から独立して発光し、図３Ｄに示すものと同様のパルス波形を作り出す。これらのパルスは、パルス高さ（Ｎ_０）及び面積（Ａ）が非常に小さく、容易に識別され区別される。

［パルス波形弁別（ＰＳＤ）信号解析及び処理］
コンピュータ・マザーボードは、上記の他の構成要素と共に、パルス波形弁別（ＰＳＤ）信号解析及び処理を行う。

［物理特性］
複合シンチレータは、シンチレーションＰＶＴプラスチックに均一に埋め込まれたシンチレーションＬＧＢ結晶を含み、検出器本体内での中性子衝突（減速）に伴うパルスと、ＬＧＢ単結晶内の次の捕獲で別のパルスを生成する。

図４は、複合シンチレータにおける中性子減速及び捕獲の概略図である。高速中性子とプラスチック・シンチレータとの相互作用は反跳陽子を生成し、これはプラスチック中で発光するので検出が可能である。中性子の速度が低下（減速）し続ける場合、検出器の容量内において、中性子捕獲がＬｉ、Ｂ又はＧｄで起こる確率が増加する。多重散乱イベントは急速と見られ、それらの光は約５０ナノ秒の単一の短いパルスに集まる。全く対照的に、別の潜在的イベントとしては熱化した中性子の捕獲があり、１４５ナノ秒を超えるパルス幅（図３ＢのＰＷ１０）となる。中性子の減速と捕獲は、１２マイクロ秒未満という極めて短時間に発生する。この所定の時間内で、捕獲信号が減速信号に後続する場合には、中性子が識別されている可能性が高い。図３Ａのパルス波形（中性子の減速に起因する）は図３Ｄのもの（ガンマ線に起因する）と類似してはいるが、後続の捕獲（図３Ｂ又は３Ｃ）の有無を判断することで、中性子イベントとガンマ線イベントを区別する。

捕獲信号を利用して中性子の存在が確認される。減速パルス（捕獲信号とペアとなる）に付随する面積は、１回の衝突でエネルギーが失われる場合の衝突中性子のエネルギーと比例する。しかし、本発明者らは、衝突中性子の２％のみが、１回の衝突で熱化された中性子となることを発見した。このように、衝突過程（陽子反跳、炭素など）と、その結果生じた減速信号を含むシンチレーションにより、任意のあらゆる中性子エネルギーのパルス面積の分布を測定することができる。換言すれば、同じエネルギーを有する２つの中性子が、異なる減速パルス面積を作り出す場合がある。

１〜１５０ＭｅＶの範囲の８つの異なる単一エネルギー中性子の平行な流れに対するＬＧＢ検出器の反応をシミュレーションして捕獲前の衝突数を予測するために、発明者らは、ＭＣＮＰ５‐Ｘ及びＭＣＮＰ‐４ｃ／ＰＯＬＩＭＩコードを用いたモデル研究を行った。ＭＣＮＰ‐４ｃ／ＰＯＬＩＭＩコードは、中性子が捕獲されるまで個々の中性子を追跡し、ｎ‐ｐ衝突及び各衝突のエネルギー損失を計算する。

ＬＧＢ検出器ヘッドは、ＰＶＴ材料製の直径１２．７ｃｍ（５インチ）×長さ１０．１６ｃｍ（４インチ）の直円柱をモデルとした。ＬＧＢ結晶は、半径約０．０５８ｍｍの球状と推定され、ＰＶＴシリンダ全体にわたって均一に分散された。放射線源は、検出器本体の前面全体に当るシリンダの軸に沿った平行光線であった。計算時間を制限するために、検出器ヘッドが球体の中心に位置する半径３０ｃｍの球面を全空間とした。

図５は、単一の入射中性子の反跳（衝突）の分布を示す典型的なＭＣＮＰの結果を表す。衝突分布は、モデル化された全ての中性子エネルギー（１〜１５０ＭｅＶ）で非常に類似しており、捕獲前の平均衝突数は約１０回である。単一の衝突イベント数（中性子エネルギー損失が充分で、捕獲が可能であった場合）は、比較的少ない（〜２％）。これらの結果は、任意の衝突中性子エネルギーに対して異なるパルス面積が測定され、異なるパルス面積は中性子の衝突過程に依存することを実証する実験データを裏付けている。

既知のエネルギーを有する中性子を用いた広範囲に及ぶ飛行時間（ＴＯＦ）実験によって、各エネルギー領域の中性子が、他のエネルギー領域とは異なる減速パルス面積の分布を示すことが、本発明者らによって発見された。例えば、２〜３ＭｅＶの範囲の中性子１０００個のパルス面積の分布は、８０〜９０ＭｅＶの範囲の中性子１０００個のパルス面積の分布とは異なるため、異なるエネルギー領域の中性子は、異なる特性パルス面積分布を有することになる。

［信号処理、信号解析及びアルゴリズム］
中性子スペクトロメータ／線量計１００の出力信号は、信号解析及び診断機能を自動化してパルス信号を特性化、識別、分類及び関連づける（ペアにする）中性子識別・分析ソフトウェアＮｅｕｔｒｏｎ．Ａｎａｌｙｓｔ（Ｎ．Ａ）により処理される。一旦ペアになると、ソフトウェアはバックグラウンドも概算し、総カウント数を調節して測定した中性子カウント数を得る。信号を特徴付けて分類するために用いられるいくつかのテンプレート・パラメータを以下に述べる。

図６は、中性子エネルギー・ビニングまでの処理の概略を示し、図１９（後述）は、中性子スペクトルの表示から終了までの処理の概略を示す。図６では、電源投入後、システムは、０〜２０ＭｅＶ領域か２０〜８００ＭｅＶ領域かにより、ＥＡＬで校正された応答行列（校正された応答行列は以下に詳細に記載する）又はＬＡＮＳＣＥで校正された応答行列のいずれか一方を用いる（図６のステップ２及び３）。また、ソフトウェアは、検出器の測定データ、テストＩＤ情報及び出力選択優先順位を入力として受信する。

そして、閾値を超える（電気的雑音を超える）立ち上がりエッジを決定することにより、認識・分類処理（図６のステップ４、パルスＩＤ）を開始し、パルスのピークとその後のゼロ電圧近くまでの信号の減衰を測定する。その後、Ｎ．Ａプログラムは、プラスチックのパルス・カテゴリー（例えば、それぞれ図３Ｄ及び３Ａのガンマ及び減速）又は捕獲パルス・カテゴリー（図３Ｂ及び３Ｃ）のいずれか一方に、各パルスを正しく配置するアルゴリズムを用いる。本実施形態においてプログラムされたアルゴリズムは、３つの異なるパルス特性、即ち、ラムダ（λ）、総面積及び様々なパーセンテージのパルス高さ（この場合１０％）におけるパルス幅（ＰＷ１０）を、複数のパルスを分類するために利用している。図７は、各種パルス・パラメータを示す。長さ比率Ｌ２／Ｌ１や５０％（ＴＡ_５０）のテール面積などのいくつかの他の特徴も、Ｎ．Ａプログラムにおける各種処理として考えられる。

ラムダは、以下の式に基づいた、パルスの減少側後端の指数関数的減衰定数である。
Ｎ＝Ｎ_０ ｘ ｅ^{− λｔ}

ここで、Ｎ_０がパルス高さであり、ｔがデジタル化されたパルスの減少側端部上にある２つの隣接するデータ・ポイント間の時間差である。この方程式は、実際の減少側端部のデータ・ポイントを曲線適合させるために用いられ、ラムダ（λ）は、データに最も適合する指数曲線の定数ある。ラムダが非常に小さい場合、例えば、０．０１２未満である場合、パルスの減衰が長く「テールが長い」ため、プログラムはこれを捕獲パルスとして分類し、一方で、０．０１２を超えるラムダを有する他の全てのパルスは、減速（又はガンマ）パルスに分類される。総面積（Ａ）は、単にパルスの形状に基づく積分面積である。図７では、他のパラメータが規定されている。

Ｎ．Ａプログラムのグラフィカル・ユーザ・インターフェース（ＧＵＩ）の一例を、図８に示す。各種パルス特性をＧＵＩで表示することができ、図８の場合、減速パルス面積分布が示されている。ＧＵＩの右側の一般分析情報は、テスト・データに見られる総パルス数（１，５１６，５５２）を示し、そのうち８７，４１１が中性子であると判断されている。

図９は、パルス面積に対してプロットされたラムダを示す。これにより、ユーザは分離領域を観察し、減速（又はガンマ）パルス（Ｇ領域のパルス）からＬＧＢの中性子捕獲パルス（Ｒ領域のパルス）を分離する最良値のラムダを選択することができる。また、ＰＷ１０、後期面積、初期面積及びパルス高さなどの他のパラメータも、Ｎ．Ａプログラムの展開モードで表示することができる。

パルス波形及び／又はパルス特性（ラムダなど）の顕著な違いは、中性子を正確に識別し、それらを減速又は捕獲パルスとして分類するための重要な鍵である。そして、これらの分類されたパルスは、捕獲パルスの前に検出される最も近い減速パルスとペアにされる（図６のステップ５、パルス・ペアリング）。捕獲パルスが複数の場合、最も近い非ペア減速パルスは、後続のいずれかの捕獲パルスとペアにされる。ペアになった全てのパルス、即ち、減速パルスと後続の捕獲パルスの更なる分析が行われる。

Ｎ_０が２０〜５０％におけるテール面積（ＴＡ_５０、図７参照）や各種面積などの別のパラメータやパラメータ比をマッピングすることができる。これらのマッピングは、各種パラメータを３次元グラフ表示して、ユーザが、減速及びガンマパルス間の差異の更なる特徴を特定できるようにしている。

本発明の幾つかの実施形態において、各種マッピング又はプロットは、例えば、総パルス面積及びパルス高さ（Ｎ_０）に対してプロットされたＴＡ_２０を作り出す。Ｃｏ―６０を用いたガンマ試験と同じパラメータでこのプロットを比較することにより、本発明者らは、極小のパルスはガンマ除去領域となりうることに気付いた。

上記のガンマ除去方法の他に、更にバックグラウンド及び／又は偶発的なペアリングを除去することによって、より正確なカウント数の測定につながる。偶発的パルスの除去（図６のステップ６）は、図１０に示す各ペアの捕獲時間プロットを含む。

使用される基本原理は、捕獲時間が１２マイクロ秒（μｓ）以内でなければならないということである。捕獲時間（図１５参照）は、ＰＶＴ中のｐ，ｎ相互作用による第１の光パルス（減速パルスの立ち上がりエッジ）から熱化した中性子の捕獲（捕獲パルスの立ち上がりエッジ）までが測定される。１２マイクロ秒の妥当性は、モンテカルロモデリング法を用いた、図１０に示されるＣｆ―２５２の試験例のような実験データにより検証されている。図１０では、エリアＡとして示されるデータ部分には、捕獲時間が１２マイクロ秒未満である全てのペアが含まれている。これらを推定中性子と呼ぶ。また、エリアＢとして示されるデータ部分の全てのペアがカウントされる。これらのペアは、ガンマパルス又は減速パルスの誤識別による、ランダムな誤ペアリングを意味する。エリアＢのペアは、測定におけるバックグラウンドと考えることもできる。正確なバックグラウンドのカウント数を算出し、実信号からバックグラウンドを除去するためには、エリアＢは同じ長さ、即ち、１２マイクロ秒でなければならない。これは、エリアＢと同じバックグラウンドが、最初の１２マイクロ秒、即ち、エリアＡにも発生するという事実に基づいている。Ｎ．Ａアルゴリズムでは、エリアＡのペアカウント数からエリアＢのペアカウント数を減算することで、エリアＡに残る真の中性子カウント数を算出する。

［中性子線／ガンマ線弁別と除去］
スペクトロメータのアルゴリズムによる中性子線／ガンマ線弁別及び除去方法を改善するため、本発明者らは、ワシントン州立大学（ＷＳＵ）構内で「純」ガンマ線場における試験を行った。図１１は、直径２インチ（５．０８ｃｍ）×長さ２インチ（５．０８ｃｍ）の寸法のＬＧＢ／ＰＶＴ検出器ヘッドを用いたＷＳＵのデータについて、面積に対するラムダ分布（Ｎ．Ａプログラムにより作成）を示す。本発明の一実形態において、領域Ｒ（捕獲パルス）は赤であり、領域Ｇ（減速パルス）は緑である。本試験は、Ｃｆ―２５２源、即ち、中性子線／ガンマ線を混合した供給源を使って行われた。そして、本発明者らは、ＰＶＴ材料からなる検出器ヘッドの試験を行い、ＰＶＴとガンマ線の相互作用をプロットした図１１の領域を識別した。図１２に、その試験結果を示す。

図１２は、図１１でガンマとして明確に識別することができる２つの異なる領域を示す。一方の領域Ｇ（緑）は、ラムダが０．０１２〜０．１２で面積が０．０〜１．５の垂直領域である。他方の領域Ｒは、ラムダが０．０〜０．０１２で面積が０．０〜５．０の水平領域である。これらの特徴を持つパルスはガンマ線として除去され、Ｎ．Ａプログラムではペアリングの対象と見なさない。図１３は、これらのガンマパルスがＮ．Ａ分析により除去又は排除された中性子線／ガンマ線場試験の繰り返しである。図１３と図１１のラムダペア面積のプロットの比較は、ガンマ線除去の効果を示すものである。ガンマ線を除去せずに測定された中性子の合計は、１０８３６となった。ガンマ線除去後に測定された中性子の総数は７４８９まで減少し、３１％の減少となった。即ち、除去されたガンマ線が減速パルスとして誤認されることがなかったため、中性子線検出の確実性が更に高まった。

［エネルギー校正］
ペア信号のうち減速パルスは、衝突中性子のエネルギーを推定するための情報を含む。中性子エネルギーは、中性子検出器用に校正された応答行列（ＣＲＭ）を展開及び使用し、後述の展開法を使用することにより減速パルスの面積と直接相関させることができる。

［パルス面積］
図１４は、本発明者らが２箇所の試験施設において０．８〜２００ＭｅＶの範囲で測定した全ての減速パルスの散布図である。図１４の中性子のエネルギーは、本発明者らがＬｏｓ Ａｌａｍｏｓ Ｎｅｕｔｒｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｃｅｎｔｅｒ（ＬＡＮＳＣＥ）の施設及びオハイオ大学のＥｄｗａｒｄｓ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ （ＥＡＬ）で行った飛行時間（ＴＯＦ）実験において、中性子が加速器ビームのターゲットからＬＧＢ検出器までの移動にかける時間に基づき測定された。減速（開始）パルスの面積が算出され、ＴＯＦエネルギーに関連付けてプロットされる。この散布図は、エネルギーと、パルス面積の上部つまり１回の衝突でその全てエネルギーを失う上位２％の中性子との間のほぼ直線的な関係を示す。複数回の衝突を経た残り９８％の中性子が、上部２％より小さいパルス面積を有することも、このプロットから明らかである。散布図が狭い中性子エネルギー領域又はビンに細分されている場合、減速パルス面積の変動は、ＣＲＭを展開するための基礎を表す。

［飛行時間データ］
飛行時間（ＴＯＦ）データは、ＬＡＮＳＣＥ及びＥＡＬ試験施設において、減速パルス面積とＴＯＦ中性子エネルギーの関係を特定するために多チャネル・デジタイザを使って収集した。中性子エネルギーの計算は、光速と、加速器ビームがターゲットに達する時点と中性子がＬＧＢ検出器に入る間の時間測定に基づき非常に正確である。図１５にサンプル・データの測定結果を示す。ＴＯＦ値は、Δｔとして、又は、タイミングマーク（ビームがターゲットに達する時点）と減速パルス上昇の間の時間として示される。

統計的に相当量のＴＯＦデータが、ＬＡＮＳＣＥでは２０〜８００ＭｅＶ範囲で、また、ＥＡＬでは０．５〜１３ＭｅＶのエネルギー領域で測定された。この中性子数は、ＣＲＭを作成し、展開された正確なビーム・スペクトルを完全なものにする十分なデータを保証するものであった。

［校正された応答行列］
本発明者らは、ＬＡＮＳＣＥ及びＥＡＬでの飛行時間実験により、減速パルス面積と中性子エネルギーの間の予測可能な相関関係が実証されたことを発見した。エネルギー領域全体の中性子の総数が「複数のエネルギー群」に分けられる場合、各エネルギー群は、その群のエネルギー範囲に伴うパルス面積の一部を含む。例えば、２〜３ＭｅＶの範囲の中性子１０００個のパルス面積の分布は、８０〜９０ＭｅＶの範囲の中性子１０００個のパルス面積の分布とは異なるため、異なるエネルギー領域の中性子は、異なる特性パルス面積分布を有することになる。応答行列は、エネルギーが最も低い上部から始まり、底部の最も高いエネルギー群までの全てのエネルギー群を含むよう構成される。かかる行列の一例を図１６に示す。図１６において、各行は、異なるエネルギー領域（例えば、約１．３８８２８ＭｅＶのエネルギー領域）を示し、各列は、異なるパルス面積であり、ボルト／ナノ秒（図３参照）で表される。例えば、１．３８８２８ＭｅＶのエネルギー・ビンで、パルスの約６５％（０.６４５７１９）が約１．６５６８５２ボルト／ナノ秒のパルス面積を有する。各エネルギー群のパルス面積の割合は、（水平線に沿った）合計が１．０となる。

［中性子検出効率］
中性子検出効率は、正確さと妥当性を確実にするエネルギーの関数として定義された。ＬＧＢ中性子検出効率は、計器で測定した中性子数を、検出器前面に入射した中性子数で除した比率として定義される。ＬＡＮＳＣＥのビームによる入射中性子の数は、ＬＧＢ検出器を使用する正確な試験場所で、ウラン２３８の金属箔を用いた校正試験により測定された。図１７は、ＬＡＮＳＣＥの高エネルギーのＴＯＦ試験において２０〜２００ＭｅＶの間で算出されたＬＧＢ中性子検出効率を示す。ＭＣＮＰ（コンピュータ・モデル）の効率予測（個々のデータ・ポイント）と、その予測と試験測定結果との比較もまた示している。

図１８は、ＥＡＬの実験で定められた０．５〜１３ＭｅＶのエネルギー領域の中性子検出効率を表す。検出器に入射するＥＡＬのビームの中性子数は、ターゲットに到達しているビーム電流に基づいてＥＡＬ施設のチームが算出した。

［スペクトルの展開］
上述した信号処理は、以下に記載する展開が「良好な」データに基づいて行われるように、「不良な」又は不要なデータを排除する役割を果たす。異なる減速パルス面積で分布するカウント数をデコンボリューションし、中性子スペクトルを生成するため、２種類の展開アルゴリズム、すなわち、ＭＡＸＥＤ―ＦＣ３３と平滑化した逐次最小二乗（ＳＬＳ）が用いられた。しかし、本発明は、かかる技術の使用に限定されるものではなく、その他の展開又はデコンボリューション技術を用いてもよい。ＭＡＸＥＤ―ＦＣ３３コードは、ＵＭＧコード（オークリッジ国立研究所から入手できる最大エントロピー符号ＵＭＧ、Ｒｅｇｉｎａｔｔｏ及びＭａｒｃｅｌ「Ｔｈｅ Ｆｅｗ−Ｃｈａｎｎｅｌ, ＭＸＤ＿ＦＣ３３, Ｕｎｆｏｌｄｉｎｇ Ｐｒｏｇｒａｍ Ｍａｎｕａｌ ｉｎ ｔｈｅ ＵＭＧ ３．３ Ｐａｃｋａｇｅ」エネルギー省、発売日２００４年３月１日、この内容全体が、展開に関連したアルゴリズム、技術及びプロセスを参照することにより本明細書に組み込まれる）の一部である。ＭＡＸＥＤ―ＦＣ３３コードは、Ｎ．Ａプログラムで使用される実際のＳＬＳコードを認証するために用いられる。基本的なＳＬＳコードは、刊行物から入手できる（Ｙ．Ｘｕ、Ｔ．Ｊ．Ｄｏｗｎａｒ、Ｍ．Ｆｌａｓｋａ、Ｓ．Ａ．Ｐｏｚｚｉ及びＶ．Ｐｒｏｔｏｐｏｐｅｓｃｕ「Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ Ｌｅａｓｔ Ｓｑｕａｒｅ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｎｅｕｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ｕｎｆｏｌｄｉｎｇ ｆｒｏｍ Ｐｕｌｓｅ−Ｈｅｉｇｈｔ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ Ｍｅａｓｕｒｅｄ ｗｉｔｈ Ｌｉｑｕｉｄ Ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒｓ」、数学と計算（Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ ＆ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ）と原子力におけるスーパーコンピューティング（Ｓｕｐｅｒｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｉｎ Ｎｕｃｌｅａｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）との合同国際会議（Ｍ＆Ｃ＋ＳＮＡ２００７）カルフォルニア州モントレーで４月１５〜１９日まで開催、この内容全体が、展開に関連したアルゴリズム、技術及びプロセスを参照することにより本明細書に組み込まれる）。いずれのコードも、展開されたスペクトルを計算するために、以下の入力を必要とする。校正された応答行列（ＣＲＭ）、中性子検出器で測定したデータ、及び、実際のスペクトルを計算するための基準点としての役割を果たす初期のスペクトルである。ＬＡＮＳＣＥ及びＥＡＬでの試験の初期のスペクトルは、標準化され完全に文書化された手順に基づいて施設の計器により提供された。施設の計器により提供されるスペクトルとスペクトロメータ１００で測定され展開されたスペクトルとを比較するために、初期（又は施設）のスペクトルをＬＧＢ検出器の中性子検出効率で乗算した。ＭＡＸＥＤ―ＦＣ３３及びＳＬＳコードの計算の詳細は、以下に後述する。

［放射線量の出力］
上述したように、図１９は、中性子スペクトルの表示から終了までの処理の概略を示す。測定された中性子データが展開された時点で、Ｎ．Ａプログラムは、結果として得られた中性子スペクトルをＧＵＩに表示する（ステップ９）ための処理を更にいくつか含んでいる。このプロセスステップは図１９に示されており、等価線量の計算（ステップ１０）、結果として測定されたスペクトルに最も適合するライブラリとの照合（ステップ１２）、及び、これらの２つの結果のそれぞれの表示（それぞれステップ１１及び１３）を含む。等価線量は、以下の基準のうちの１つに基づく。即ち、国際原子力機関（ＩＡＥＡ）、国際放射線防護委員会（ＩＣＲＰ）又は米国原子力規制委員会（ＮＲＣ）の定める損傷係数である。どの調節領域において計器が使われているかにより、ユーザは所望の損傷係数値を選択することができる。

［妥当性検証］
スペクトロメータ／線量計１００の性能が基準を満たすことを証明するために、以下に記載する検証テストが行われた。

［ＬＡＮＳＣＥの高エネルギー中性子ビームでのスペクトロメータ１００の検証］
Ｗｅａｐｏｎｓ Ｎｅｕｔｒｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｆａｃｉｌｉｔｙ （ＷＮＲ、ＬＡＮＳＣＥ）は、ＬＡＮＳＣＥの直線加速器による８００ＭｅＶの陽子ビームを用いて、約０．１ＭｅＶから８００ＭｅＶを超える範囲のエネルギーを有する中性子ビームを非減速タングステン破砕源から得ている。妥当性検証の研究には、１７ＭｅＶを超えるエネルギーが必要であっため、４ＦＰ １５Ｌ（９０メートル）のビームラインが使われた。一旦生成された中性子は、ビームサイズが露出室内の直径８ｍｍの最終開口部まで次第に縮径するように、５センチ（２インチ）の鉛と２０センチ（７．９インチ）の減速材ポリエチレン（ＣＨ_２）で更にフィルタリングされる。

ＵＭＧ―ＭＡＸＥＤ―ＦＣ３３及びＳＬＳ展開・プログラムをスペクトロメータ／線量計１００の中性子測定に使用して、１５のエネルギー・ビンのそれぞれについて展開されたカウント率を得た。カウント率を特定のエネルギーにおける効率で割ると、そのエネルギー領域の中性子フルエンスが得られる。ＬＡＮＳＣＥのウラン２３８により生成されるスペクトルと本実施形態のＬＧＢ法によるスペクトルの比較を、図２０に示す。校正された応答行列と類似するエネルギー領域にＬＡＮＳＣＥの中性子フルエンスを代入することで、直接比較することができる。その結果は、２０〜８００ＭｅＶの間のエネルギーについては十分に一致しているように思われる。特に、２０〜２００ＭｅＶの間のより低いエネルギーで中性子スペクトルが観察され、ＬＡＮＳＣＥのウラン２３８検出方法から予測される中性子数とほぼ一致する（図２１参照）。

完全を期すため、エラーバーとして示される中性子測定の不確実性についても図２０及び２１に示す。一般に、誤差は約±８％の範囲で変動し、最低／最高のエネルギーの２０及び８００ＭｅＶは±１６％の変動があることを示している。本発明の不確実性は、ＬＡＮＳＣＥの検出器の不確実性よりも低い。本発明の実施形態は携帯性があり、非常に高速である（既存のシステムでは、スペクトルを生成するために数週間かかることもある）。この試験で使用する中性子フルエンスの評価にあたり、ウラン２３８の金属箔からのスペクトル結果として、約±２０％変動があったことが報告されている。スペクトロメータ／線量計１００で生成された中性子スペクトルに付随する不確実性は、ＷＮＲ―１５Ｌのビームラインで得られた３８時間分全体のデータセットを７つの異なる実験データ群に整理することにより計算した。ビームは作動中の条件を一定にし、７つの実験群における中性子場のばらつきを最小限にした。このように検出結果を評価することにより、エネルギー群ごとに平均中性子フルエンス及び標準偏差を計算することができた。

［ＥＡＬの高速中性子ビームでのスペクトロメータ１００の検証］
オハイオ大学（オハイオ州Ａｔｈｅｎｓ）にあるＥＡＬは、６ＭｅＶの重陽子ビームを生成することができるアクティブ型のタンデム式バンデグラーフ型加速器を所有する。６ＭｅＶのビームがＡｌ―２７ターゲットに当った際に、１〜１２ＭｅＶの間の中性子エネルギーのスペクトルが放射される。中性子は、直径１０．６１ｃｍのコリメータを通過し、直径２．１ｍのコンクリートのトンネルに入る。スペクトロメータ１００は、コリメータの下流、ターゲットから７ｍの中心部に置かれた。

スペクトロメータで測定された中性子スペクトルは、スペクトル・展開・プログラムとエネルギー領域用に作成したＣＲＭを使って展開した。中性子エネルギーＭｅＶの中性子フルエンス（図２２に示す）は、エネルギー効率用に展開したカウント・スペクトルを調整することで発生させた。ＥＡＬの較正測定（ＥＡＬ職員により行われ、評価を容易にするために類似するエネルギー・ビンでまとめられている）もまた、図２２に示す。実験全体にわたって各エネルギー群を徐々に評価したため、測定の不確実性はベイズ規則を用いて推定した。その比較において、２種類の測定技術の平均偏差が±７．４％であり、十分に一致していることが示されている。

図２３は、ＭＡＸＥＤ―ＦＣ３３展開・プログラムを用いた基準スペクトルと、オハイオのビームのスペクトルと、ＳＬＳで展開したものとの比較を示す。この図から分かるように、ＳＬＳ展開・プログラムは、参照展開・プログラム及びオハイオのビームのスペクトルと十分に相関している。

展開の最終結果が、図２４のＮ．Ａスクリーンに示されている。これは、測定し展開されたスペクトルと検出器に入射したＥＡＬのビームとの間の良好な相関関係を示している。この比較を行うためには、各エネルギー・ビンで測定された中性子数を効率で割り、ヒストグラムにプロットする必要がある。この計算は、放射場がＬＧＢ検出器の前面に達していることを表すレベルまで測定したカウント数を増加させる。これにより、図２４の太線で示すＥＡＬのビームと直接比較することができる。このデータは、本発明の一実施形態で測定されるスペクトルと施設で測定されたスペクトルとの間の合理的な比較を示している。

［マサチューセッツ大Ｌｏｗｅｌｌの低速中性子ビームを用いた低速中性子に対するスペクトロメータ１００の検証］
本発明の実施形態において熱中性子及び熱外中性子エネルギー領域内の放射場を測定するため、マサチューセッツ大学Ｌｏｗｅｌｌ校で１ＭＷの核分裂原子炉も用いた。ビーム管を中性子イメージング用に最適化したが、この場合、エピカドミウム・カットオフを上回るエネルギーを有する中性子の数が少ない熱中性子及び熱外中性子の均一磁場が必要とされる。中性子ビームの調節は、４フィートのグラファイト、０．１インチの開口部及びビーム出射口にマスク・フィルタのないコリメータを通過させることを含む。

この実験で、熱及び熱外エネルギーを有する中性子の既知の量と分布が示された。熱中性子及び熱外中性子エネルギーは０．５ＭｅＶをはるかに下回ることから、これに関連し記録される減速パルスはない。Ｌｏｗｅｌｌのビームの中性子数は、Ｘ線ビームラインの端部で１００個／ｃｍ^２‐秒である。また、熱外を上回る中性子数は、このビームラインにとっては極めて少ない。従って、この群では、捕獲パルスだけが認識される。本実施形態の計器で調整されたビームの測定では、このエネルギー領域において２０％の中性子の効率が得られた。ＭＣＮＰ―Ｘによる計算の結果は、検出器ヘッドの効率が３０％であると推定された。

低速中性子カウント数は、未確認の中性子場に対し、０．５ＭｅＶを超える中性子に付随し、しっかりとペアをなしていない捕獲の一部を差し引くことにより概算した。このように、それらは、ペア形成アルゴリズムの非効率性のため、測定されたペアとならない捕獲の総数から除去された。その結果得られるカウント数を低速中性子群の効率で割ることで、存在する低速中性子数を得る。以下の方程式は、低速中性子数を決定するための工程を集約している。
低速中性子数= (up - pc (1-Eff_association)/Eff_association)/Eff _{slow neutron}

ここで、upは非ペアの捕獲を表し、pcはペアの捕獲を表し、Effは関連アルゴリズムの正確さ又は低速中性子の検出効率を表す。

［実施形態のスペクトロメータ線量計の性能］
区域放射線監視、放射能源の特定及び保健物理計測などの特定の利用において、本実施形態のスペクトロメータ／線量計は、「ユーザ」モードで動作することができる。このモードでは、計器は、デジタイザからデータを流し、０．０２９６秒のデータの各「パケット」を分析し、その後スペクトル、束、フルエンス及び等価線量の総量と比率を表示する。出力例を図２５に示す。

図２５に示される例は、核分裂スペクトルをエミュレートする４９０μＣｉ放射能源であるＣｆ―２５２を用いた、本発明者らの研究室での試験的作業を表す。ヒストグラムは、測定された中性子をオハイオＥＡＬでの試験において測定されたＴＯＦ効率で割ったものである。この場合に使用する損傷係数は、ＩＣＲＰ７４表に基づいている。各エネルギー・ビンの中性子カウント数に適切な損傷係数を乗算し、図２５の中性子データ・フィールドに総等価線量と総線量率を表示させた。

［結論］
上記の結果は、ＬＧＢ／ＰＶＴ中性子複合検出器が識別可能な捕獲ゲート反応を示すことを立証している。ＰＶＴプラスチックに均一に埋め込まれたＬＧＢ結晶を含む複合シンチレータは、中性子衝突（減速）に伴うパルスと、それに続く捕獲の第２のパルスを生成する。これらイベントを区別するために、検出器は、中性子とガンマの衝突と中性子捕獲からシンチレーションを分類することができる高度なパルス波形弁別アルゴリズムを用いる。測定されたパルス面積信号を含む収集されたシンチレーションが、（本発明者らが発見したように）、中性子ごとにそのエネルギー、衝突している構成物質及び衝突ごとのエネルギー損失に起因して確率的に変化するため、平滑化した逐次最小二乗（ＳＬＳ）などの展開・アルゴリズムが、測定した中性子スペクトルをデコンボリューションするために用いられる。自動化したＮ．Ａソフトウェア・パッケージにおいてＳＬＳ展開法を使用することで、既知のビーム・スペクトルと良好に相関することとなり、ＬＧＢ中性子スペクトロメータ／線量計の性能を実証する。

この結果は、検出器が様々な中性子源に曝露される際に、存在する中性子場のエネルギー分布を合理的に測定／予測できることを明確に示している。測定／予測の正確さは、計器が狭いエネルギー領域（例えば、熱、1〜１２ＭｅＶ）に調整された場合に向上する。しかし、低エネルギー（０．１ＭｅＶ未満）から８００ＭｅＶにまで及ぶ場合でも、エネルギー・スペクトルの良好な測定／推定は可能である。そしてスペクトルは、正確な等価線量に容易に変換することができる。

［展開・プログラムの詳細］
（ＭＡＸＥＤ―ＦＣ３３展開法）
ＭＡＸＥＤ―ＦＣ３３は、相対エントロピーを最大化し、単純な方法の不安定性を回避する工程を利用している。必要な入力データ（ファイル）としては、（１）増加しているパルス面積で測定したカウント数、（２）校正された応答行列（ＣＲＭ、パルス面積分布と中性子エネルギーとを関連付ける）、及び、（３）初期の（最初に推測した）中性子スペクトルが挙げられる。

展開工程がパルス面積分布のばらつきが小さい中性子スペクトルの予測に大きな変化もたらすこともありえることから、良く調整されたＣＲＭを得る際には注意が必要である。初期のスペクトルが最初の推測として使用され、これにより、測定されたデータを集めて展開した中性子スペクトルを得ることが可能となる。最良の結果のためには、測定した磁場に関する全ての知識を最初の推測に取り入れると有利である。

ＭＡＸＥＤにより用いられる最大エントロピー・アルゴリズムの概念的基礎が、様々な刊行物に詳述されている。数学的には、ＭＡＸＥＤアルゴリズムは、一組の入力パラメータ、一組の出力パラメータ及びこれらの量に関連する方程式の点で説明することができる。アルゴリズムは、以下の入力パラメータを必要とする。

ここで、ｋ＝１〜ｍ及びｉ＝１〜ｎであり、ｍ＜ｎである。展開により、以下の方程式を満たす一組のパラメータ｛λ_ｋ, γ｝となる。

（逐次最小二乗（ＳＬＳ）展開法）
特定のいくつかの実施形態では、ＳＬＳを使って中性子エネルギー・スペクトルをリアルタイムで生成する。本明細書において使用される「リアルタイム」とは、スペクトルが１時間未満、好ましくは３０分未満、更に好ましくは１０分未満に生成されることを意味する。最小二乗方程式を解くため、クリロフ部分空間反復法を含む変更されたＳＬＳ法が用いられる。ＳＬＳ法の周知の効果は、結果が正しい中性子スペクトルから上下してもよいことであり、従って、５―タップの二次デジタルフィルタ（平滑化技術）を使ってこれらの変動の程度を低減し、より有意義なスペクトルを生成した。ＭＡＸＥＤと同様に、必要な入力データ（ファイル）としては、（１）増加しているパルス面積で測定したカウント数、（２）ＣＲＭ、及び、（３）全ての中性子の値がゼロより大きい初期の（最初に推測した）中性子スペクトルを含んでいるが挙げられる。

以下の最小二乗方程式（加重有り）が、活性及び不活性組の値を求め、異なるエネルギーにおける非負の中性子カウント数を得るために用いられる。
ｘ_ｉ＝０、ｉ∈Ｓ_Ａ、Ｓ_Ｂの部分集合

確実に非負の応答とするために、活性組は、ｘ値＝０となる。不活性組はｘ値＞０となり、また、解法に対する制約により、負の中性子カウント数を持つことは不可能であるため、ゼロ未満のｘ値はない。

ＳＬＳ方法で使用される以下の方程式の用語は、以下の通りである。
ｗ＝重み関数、通常ｓｑｒｔ（Ｎ）に設定されるか、或いは、全ての値が１に設定される。
Ｎ＝領域ビン中に分散する測定された中性子カウント数。Ｒ＝応答行列。

Ｓ_Ｂ＝完全な組、Ｓ_Ａ＝活性組、Ｓ_Ｂ\Ｓ_Ａ＝不活性組
ｓ、ｇ及びα＝アルゴリズムを解く際に使用される中間媒介変数

スペクトルの解析においては、最初に実行可能な推測が行われるが、これは正確である必要はなく、単にアルゴリズムを開始するための実行可能な開始点である。前述の方程式を解き、最小二乗解析（加重有り）の誤差を最小限にするために、以下の方程式を再帰的に用いて、全てが非負数となる最良の解を見つけ出す。

通常の方程式（ＣＧＮＥ法）に共役勾配法を使って以下の連立一次方程式から
を解く。

そして、αを決定し、以下の方程式により次のステップに進む。

所定のαに対して関与するｊの値は、不活性から活性組に移動され、αが１に等しい場合、活性組に移動される値はない。

そして、以下の方程式を解く。

ｇ_ｑの更なる値を計算する直前に、ｇ_ｑのすべての正の値について、ｑを不活性組に移動させる。

活性組に変化があった場合、方程式（１）のｋ＝ｋ＋１をリセットして、アルゴリズムを継続する。そうしなければ、活性組にどんな変化があっても、アルゴリズムは終了しない。

様々な現象の理論物理学に関する本発明者らの現在の見解を上記に記載したが、この見解は、将来の研究により洗練され、更には変わることもあるだろう。上記に記載の理論の一部が後に洗練又は変更されたとしても、本発明は、製造及び効果的に使用することができる（上述の説明に基づく）。換言すれば、本発明を製作し使用する能力は、いずれかの理論の正確さによって決まるものではない。

Claims (15)

1. 有機モデレータと、
   中性子を捕獲するホウ酸リチウム・ガドリニウムを含む無機シンチレータと、
   プロセッサと、
   を備える中性子検出器であって、
   前記プロセッサは、
   （１）前記無機シンチレータのシンチレーションを表す複数の信号を受信して、ガドリニウムの捕獲から生じた信号を識別し、前記ガドリニウムの捕獲から生じた信号を他の複数の信号から弁別し、
   （２）前記ガドリニウムの捕獲から生じた信号として識別され、前記他の複数の信号から弁別された前記複数の信号を用いて、前記中性子検出器に入射した中性子のデータを生成して出力する、
   ことを特徴とする中性子検出器。
2. 前記無機シンチレータは、セリウム又は他の活性材を含む請求項１記載の中性子検出器。
3. 前記プロセッサは、少なくともパルス波形に基づき、前記ガドリニウムの捕獲から生じた信号を識別し、前記ガドリニウムの捕獲から生じた信号を前記他の複数の信号から弁別する請求項１記載の中性子検出器。
4. 前記プロセッサは、少なくともパルス面積に基づき、前記ガドリニウムの捕獲から生じた信号を識別し、前記ガドリニウムの捕獲から生じた信号を前記他の複数の信号から弁別する請求項１記載の中性子検出器。
5. 前記プロセッサは、少なくともパルス長に基づき、前記ガドリニウムの捕獲から生じた信号を識別し、前記ガドリニウムの捕獲から生じた信号を前記他の複数の信号から弁別する請求項１記載の中性子検出器。
6. 前記プロセッサは、少なくとも前記無機シンチレータのシンチレーションに基づき、前記ガドリニウムの捕獲から生じた信号を識別し、前記ガドリニウムの捕獲から生じた信号を前記他の複数の信号から弁別する請求項１記載の中性子検出器。
7. 前記プロセッサは、少なくとも前記有機モデレータのシンチレーションに基づき、前記ガドリニウムの捕獲から生じた信号を識別し、前記ガドリニウムの捕獲から生じた信号を前記他の複数の信号から弁別する請求項１記載の中性子検出器。
8. 前記有機モデレータは、ポリビニル・トルエン又は他の有機水素減速材を含む請求項１記載の中性子検出器。
9. 前記プロセッサは、面積を決定するために積分処理を行う請求項１記載の中性子検出器。
10. 前記プロセッサは、パルスの減少側後端のデータ・ポイントを曲線適合させて、パルス減衰定数を算出する請求項１記載の中性子検出器。
11. 前記無機シンチレータはＬｉ₆ＧｄＢ₃Ｏ₉： Ｃｅからなり、前記無機シンチレータは^１５７Ｇｄを含む請求項１記載の中性子検出器。
12. 前記無機シンチレータは⁶Ｌｉ₆Ｇｄ¹⁰Ｂ₃Ｏ₉： Ｃｅからなり、^６Ｌｉ、 ^１０Ｂ及び ^１５７Ｇｄの中性子捕獲はＣｅ放射に特有の形状から前記プロセッサにより識別され、^１５７Ｇｄの捕獲は前記プロセッサにより処理される請求項１記載の中性子検出器。
13. ガンマの一部はＧｄと相互作用してシンチレーションを起こし、残りの部分はＬＧＢ結晶のＧｄサイトに衝突エネルギーを蓄積してＣｅシンチレーション起こし、これが前記プロセッサによって識別及び分離されるパルスを発生させる請求項１記載の中性子検出器。
14. 前記プロセッサは、前記有機モデレータと前記無機シンチレータのシンチレーションを表す信号を受信し、前記信号は、中性子と^１５７Ｇｄの相互作用を表す信号を含む請求項１記載の中性子検出器。
15. 前記有機モデレータはシンチレータである請求項１記載の中性子検出器。