JP2023013653A - 中性子プロファイル測定装置および中性子プロファイル測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】中性子プロファイルを簡便に測定する。【解決手段】中性子プロファイル測定装置１０は、中性子を吸収する閾値反応によってベータ壊変する別の放射性同位元素に変換される金属元素を含有する複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅと、複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅが所定の軸方向に互いに重なるように複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅを固定する固定治具１４と、を備える。複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅのうちの二以上は、同じ材料から構成される。【選択図】図２

Description

本発明は、中性子プロファイルの測定装置および測定方法に関する。

中性子線を用いて物質内を非破壊で透視する検査手法が知られており、中性子ラジオグラフィ検査（ＮＲＴ；Neutron Radiography Testing）または中性子イメージングと呼ばれる。中性子イメージングでは、主にＸ線での検査が難しいとされる原子番号の小さい元素を含む物質の検査に使用され、例えば水素（Ｈ）を含む水、油または樹脂、リチウム（Ｌｉ）や硼素（Ｂ）を含む物質などの検査に使用できる。中性子源として、例えば、加速器を用いて加速した陽子線などの粒子線をターゲットに照射して中性子線を発生させる加速器中性子源が利用される。

中性子と物質の相互作用の態様は、中性子のエネルギーによって変化するため、検査に用いる中性子線のエネルギー（スペクトル）を適切に調整および測定することが求められる。中性子スペクトルの測定方法として、複数種の金属箔コンバータに中性子線を照射し、中性子線の照射によって放射化した複数種の金属箔コンバータのそれぞれから放出される放射線の強度を転写プレートに転写して測定する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２０２０－２４１０５号公報

加速器中性子源から放出される中性子線は、中性子のエネルギーに応じた指向性を有することが知られている。加速器中性子源を適切に運用するためには、中性子線の空間分布である中性子プロファイルを測定できることが好ましい。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、中性子プロファイルを簡便に測定する技術を提供することにある。

本発明のある態様の中性子プロファイル測定装置は、中性子を吸収する閾値反応によってベータ壊変する別の放射性同位元素に変換される金属元素を含有する複数の金属板コンバータと、複数の金属板コンバータが所定の軸方向に互いに重なるように複数の金属板コンバータを固定する固定治具と、を備える。複数の金属板コンバータのうちの二以上は、同じ材料から構成される。

本発明の別の態様は、ある態様の中性子プロファイル測定装置を用いる中性子プロファイル測定方法である。この方法は、固定治具によって固定された複数の金属板コンバータに中性子線を照射することと、中性子線の照射によって放射化した複数の金属板コンバータのそれぞれから放出される放射線の二次元強度分布を画像化して画像データを生成することと、画像データに基づいて、中性子線の三次元プロファイルデータを生成することと、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、中性子プロファイルを簡便に測定できる。

加速器中性子源から放出される中性子線を模式的に示す図である。 第１の実施の形態に係る中性子プロファイル測定装置の構成を模式的に示す側面図である。 金属板コンバータに使用される金属元素の特性を示すテーブルである。 金属板コンバータの構成を模式的に示す背面図である。 図２の中性子プロファイル測定装置の構成を模式的に示す背面図である。 転写装置の構成を概略的に示す断面図である。 図７（ａ）～（ｅ）は、複数の金属板コンバータの転写画像の一例を示す図である。 中性子線の三次元プロファイルの一例を示すグラフである。 中性子線の指向性の一例を示すグラフである。 中性子スペクトル測定方法の流れを示すフローチャートである。 第２の実施の形態に係る中性子プロファイル測定装置の構成を模式的に示す側面図である。

以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。また、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下の説明において参照する図面において、各構成部材の大きさや厚みは説明の便宜上のものであり、必ずしも実際の寸法や比率を示すものではない。

本実施の形態は、中性子源から放出される中性子の空間分布である中性子プロファイルを測定する技術に関する。特に、加速器中性子源から放出される高速中性子の三次元プロファイルを簡便に測定する技術に関する。本明細書における「高速中性子」は、中性子のエネルギーが１ＭｅＶ以上である高エネルギー中性子を指す。

図１は、加速器中性子源９０から放出される中性子線ＮＢを模式的に示す図である。加速器中性子源９０は、加速器９２と、ターゲット９４とを備える。加速器９２は、ターゲット９４に照射される粒子線ＰＢを加速する装置であり、サイクロトロンなどである。粒子線ＰＢは、陽子線やアルファ線などである。加速器９２は、例えば１０ＭｅＶ以上に加速された陽子線を生成する。ターゲット９４は、粒子線ＰＢの照射による核反応によって高速中性子を生成する。ターゲット９４の一例は、金属ベリリウムであるが、リチウムなどの他の材料を用いてもよい。

ターゲット９４から放出される中性子線ＮＢは、中性子のエネルギーに応じた指向性を有する。図１では、エネルギーの異なる中性子線ＮＢ１，ＮＢ２，ＮＢ３の指向角θ１，θ２，θ３を模式的に示す。第１中性子線ＮＢ１は、相対的に高エネルギー（例えば１０ＭｅＶ）の高速中性子であり、相対的に小さい第１指向角θ１の範囲内に存在する。第２中性子線ＮＢ２は、中程度のエネルギー（例えば５ＭｅＶ）の高速中性子であり、第１指向角θ１よりも大きい第２指向角θ２の範囲内に存在する。第３中性子線ＮＢ３は、相対的に低エネルギー（例えば１ＭｅＶ）の高速中性子であり、第２指向角θ２よりも大きい第３指向角θ３の範囲内に存在する。

このように、ターゲット９４から放出される中性子のエネルギーが高くなるほど、指向角θ１～θ３が小さくなる傾向にある。ターゲット９４からは１ＭｅＶ未満の低エネルギーの中性子も放出されうるが、低エネルギーの中性子はターゲット９４から等方的に放出される傾向にある。本実施の形態では、図１に示されるような指向性を有する高速中性子の空間分布を測定することを目的とする。

（第１の実施の形態）
図２は、第１の実施の形態に係る中性子プロファイル測定装置１０の構成を模式的に示す側面図である。中性子プロファイル測定装置１０は、複数の金属板コンバータ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ（総称して金属板コンバータ１２ともいう）と、固定治具１４とを備える。中性子プロファイル測定装置１０は、位置決めプレート２０をさらに備えてもよい。

金属板コンバータ１２は、厚みが均一で平坦な金属板である。金属板コンバータ１２は、入射する中性子線ＮＢの二次元強度分布を測定するために用いられる。金属板コンバータ１２は、中性子を吸収する閾値反応によって放射化する金属元素を含有する。金属板コンバータ１２に中性子線ＮＢが照射されると、照射された中性子のエネルギーに応じた放射性同位元素が金属板コンバータ１２の内部に生成される。中性子線ＮＢの照射後に、金属板コンバータ１２から放出される放射線の二次元強度分布を測定することで、金属板コンバータ１２に照射された中性子線ＮＢの特定のエネルギー領域における二次元強度分布を算出できる。

複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅは、所定の軸方向（ｚ方向）に直交するように配置され、複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅの厚み方向が軸方向と一致する。所定の軸方向は、測定対象となる中性子線ＮＢの入射方向に相当する。図２において、中性子線ＮＢの入射方向を＋ｚ方向としている。複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅは、軸方向に互いに重なるように配置される。複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅは、軸方向（ｚ方向）の位置が互いに異なるように間隔を空けて配置され、例えば、軸方向に等間隔となるように配置される。

複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅは、同じ材料で構成される。複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅの材料を同じとすることで、複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅの測定条件を同じにし、軸方向の測定位置のみを変えることができる。その結果、特定のエネルギー領域における中性子の二次元強度分布を軸方向の異なる複数の位置で測定可能となり、中性子線ＮＢの三次元プロファイルを得ることができる。図示する例では、５枚の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅを使用しているが、金属板コンバータ１２の枚数は５枚に限られず、少なくとも２枚以上あればよく、３枚または４枚であってもよいし、６枚以上であってもよい。言い換えれば、同じ材料を用いた金属板コンバータが少なくとも二以上あればよい。

図３は、金属板コンバータ１２に使用される金属元素の特性を示す図である。金属板コンバータ１２に用いる金属元素として、例えば、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、モリブデン（Ｍｏ）または金（Ａｕ）を用いることができる。これらの金属元素は、閾値反応によって生成される放射性同位元素がベータ壊変してベータ線を放出するため、放射線の二次元強度分布を高精度で測定しやすい。また、これらの金属元素は、放射性同位元素の半減期が０．１時間以上２００時間以下であるため、放射線を測定する上での時間的な利便性が高い。

亜鉛（Ｚｎ）の場合、様々な天然同位体が存在し、同位体存在割合は、^６４Ｚｎが４８．６３％、^６６Ｚｎが２７．９０％、^６７Ｚｎが４．１０％、^６８Ｚｎが１８．７５％、^７０Ｚｎが０．６２％である。このうち、^６４Ｚｎは、閾値エネルギー０．９ＭｅＶの（ｎ，ｐ）反応により半減期１２．７時間でβ^－壊変する^６４Ｃｕが生成される。^６６Ｚｎは、閾値エネルギー１．８８７ＭｅＶの（ｎ，ｐ）反応により半減期５．１２分でβ^－壊変する^６６Ｃｕが生成される。^６６Ｃｕの半減期は０．１時間未満であるため、中性子線ＮＢの照射完了から放射線の測定開始までの準備時間において^６６Ｃｕの残存量は激減する。そこで、中性子線ＮＢの照射後に３０分～１時間程度待ってから放射線を測定することで、実質的に^６４Ｃｕの寄与のみを測定することができる。したがって、金属板コンバータ１２にＺｎ板を用いることで、０．９ＭｅＶ以上のエネルギーを有する中性子の二次元強度分布を測定できる。

アルミニウム（Ａｌ）の場合、同位体存在割合は、^２７Ａｌが１００％である。^２７Ａｌは、閾値エネルギー１．８９６ＭｅＶの（ｎ，ｐ）反応により半減期９．４５８分でβ^－壊変する^２７Ｍｇが生成され、閾値エネルギー３．２４９ＭｅＶの（ｎ，α）反応により半減期１４．９５９時間でβ^－壊変する^２４Ｎａが生成される。中性子線ＮＢの照射直後では、半減期の長い^２４Ｎａに比べて半減期の短い^２７Ｍｇが多量に生成される。しかし、中性子線ＮＢの照射後から１～２時間程度経過すると、半減期の短い^２７Ｍｇの残存量が激減し、半減期の長い^２４Ｎａの残存量の方が多くなる。例えば、中性子線ＮＢの照射後から１時間程度までの期間に放射線を測定することで、実質的に^２７Ｍｇの寄与のみを測定でき、その後の期間に放射線を測定することで、実質的に^２４Ｎａの寄与のみを測定できる。したがって、金属板コンバータ１２にＡｌ板を用いることで、１．８９６ＭｅＶ以上のエネルギーを有する中性子の二次元強度分布と、３．２４９ＭｅＶ以上のエネルギーを有する中性子の二次元強度分布とを測定できる。

マグネシウム（Ｍｇ）の場合、同位体存在割合は、^２４Ｍｇが７８．９９％、^２５Ｍｇが１０．００％、^２６Ｍｇが１１．０１％である。このうち、^２４Ｍｇは、閾値エネルギー４．９３１ＭｅＶの（ｎ，ｐ）反応により半減期１４．９６時間でβ^－壊変する^２４Ｎａが生成される。したがって、金属板コンバータ１２にＭｇ板を用いることで、４．９３１ＭｅＶ以上のエネルギーを有する中性子の二次元強度分布を測定できる。

ガドリニウム（Ｇｄ）の場合、同位体存在割合は、^１５２Ｇｄが０．２０％、^１５４Ｇｄが２．１８％、^１５５Ｇｄが１４．８０％、^１５６Ｇｄが２０．４７％、^１５７Ｇｄが１５．６５％、^１５８Ｇｄが２４．８４％、^１６０Ｇｄが２１．８６％である。このうち、^１６０Ｇｄは、閾値エネルギー７．４９８ＭｅＶの（ｎ，２ｎ）反応により１８．４７９時間でβ^－壊変する^１５９Ｇｄが生成される。また、^１５８Ｇｄは、主に１ＭｅＶ未満の共鳴領域における（ｎ，γ）反応により^１５９Ｇｄが生成される。生成される^１５９Ｇｄは同じ同位体であるため、半減期の違いによる分離はできない。ただし、１ＭｅＶ未満の低エネルギーの中性子は、ターゲット９４から等方的に放出されるため、指向性を有する高速中性子の二次元強度分布の相対的な形状に与える影響は小さい。したがって、金属板コンバータ１２にＧｄ板を用いることで、７．４９８ＭｅＶ以上のエネルギーを有する中性子の二次元強度分布を測定できる。

モリブデン（Ｍｏ）の場合、同位体存在割合は、^９２Ｍｏが１４．８４％、^９４Ｍｏが９．２５％、^９５Ｍｏが１５．９２％、^９６Ｍｏが１６．６８％、^９７Ｍｏが９．５５％、^９８Ｍｏが２４．１３％、^１００Ｍｏが９．６３％である。このうち、^１００Ｍｏは、閾値エネルギー８．３７３ＭｅＶの（ｎ，２ｎ）反応により半減期６５．９４時間でβ^－壊変する^９９Ｍｏが生成され、主に１ＭｅＶ未満の共鳴領域における（ｎ，γ）反応により半減期１４．６１分でβ^－壊変する^１０１Ｍｏが生成される。^１０１Ｍｏは、^９９Ｍｏに比べて半減期が短いため、半減期は１４．６１分であるため、中性子線ＮＢの照射後から１時間以上経過してから放射線を測定することで、実質的に^９９Ｍｏの寄与のみを測定できる。また、^９８Ｍｏは、主に１ＭｅＶ未満の共鳴領域における（ｎ，γ）反応により^９９Ｍｏが生成される。生成される^９９Ｍｏは同じ同位体であるため、半減期の違いによる分離はできない。ただし、１ＭｅＶ未満の低エネルギーの中性子は、ターゲット９４から等方的に放出されるため、指向性を有する高速中性子の二次元強度分布の相対的な形状に与える影響は小さい。したがって、金属板コンバータ１２にＭｏ板を用いることで、８．３７３ＭｅＶ以上のエネルギーを有する中性子の二次元強度分布を測定できる。

金（Ａｕ）の場合、同位体存在割合は、^１９７Ａｕが１００％である。^１９７Ａｕは、閾値エネルギー８．１１４ＭｅＶの（ｎ，２ｎ）反応により半減期６．１８３日でβ^－壊変する^１９６Ａｕが生成される。また、^１９７Ａｕは、主に１ＭｅＶ未満の共鳴領域における（ｎ，γ）反応により半減期２．６９５日でβ^－壊変する^１９８Ａｕが生成される。^１９７Ａｕの場合、共鳴領域における反応断面積が極めて大きいために^１９６Ａｕに比べて^１９８Ａｕが多量に生成されてしまう。また、^１９８Ａｕの半減期が比較的長いことから、^１９６Ａｕの寄与のみを短時間で分離することが困難である。そこで、金属板コンバータ１２にＡｕ板を用いる場合、中性子線ＮＢの入射方向の手前側にＡｕ板で構成されるフィルタを追加し、共鳴領域の中性子をフィルタに吸収させるようにしてもよい。これにより、Ａｕ板である金属板コンバータ１２には主に高速中性子が入射することとなり、共鳴領域の寄与を分離できる。したがって、金属板コンバータ１２にＡｕ板を用いる場合、Ａｕ板フィルタを組み合わせることによって、８．１１４ＭｅＶ以上のエネルギーを有する中性子の二次元強度分布を測定できる。なお、^１９８Ａｕの半減期の４倍程度（例えば１１日）の時間が経過してから放射線を測定することで、実質的に^１９６Ａｕの寄与のみを測定することも可能である。この場合、Ａｕ板フィルタを組み合わせなくてもよい。

金属板コンバータ１２の材料は、価格や扱いやすさといった実用性を考慮すると、Ｚｎ、ＡｌまたはＭｏで構成されることが好ましい。金属板コンバータ１２は、使用する金属元素を９５％以上または９９％以上含有する材料で構成されることが好ましい。一例としてＡｌを用いる場合、金属板コンバータ１２は、Ａｌを９９％以上含有するＡｌ板で構成され、０．１ｍｍ～５ｍｍ程度の厚さを有する。測定対象とする高速中性子の反応断面積は極めて小さいため、金属板コンバータ１２の厚みを数ｍｍ程度にしたとしても、金属板コンバータ１２の透過前後の高速中性子の強度はほとんど変わらない。したがって、複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅを透過することによる高速中性子の減衰の影響はほぼ無視できる。

図４は、金属板コンバータ１２の構成を模式的に示す背面図である。金属板コンバータ１２は、中心孔２２と、ノッチ２４ａ，２４ｂと、固定孔２６と、罫書線２８ａ，２８ｂとを有する。

中心孔２２は、金属板コンバータ１２の中心部に設けられる貫通孔であり、軸方向（ｚ方向）に直交するｘ方向およびｙ方向の中心位置を示すマークである。ノッチ２４ａ，２４ｂは、金属板コンバータ１２の外周の一部箇所に設けられるＶ字状またはＵ字状の切り欠きである。ノッチ２４ａ，２４ｂは、金属板コンバータ１２のｘ方向およびｙ方向の向きを識別するためのマークである。固定孔２６は、金属板コンバータ１２の外周部に設けられる貫通孔であり、固定治具１４による固定に用いられる。図示する例では、金属板コンバータ１２の外形が正方形であり、正方形の四隅のそれぞれに固定孔２６が設けられる。罫書線２８ａ，２８ｂは、ｘ方向およびｙ方向の中心位置を示すマークである。第１罫書線２８ａは、中心孔２２を通ってｙ方向に延びる直線として描かれ、第２罫書線２８ｂは、中心孔２２を通ってｘ方向に延びる直線として描かれる。

ノッチ２４ａ，２４ｂは、金属板コンバータ１２の表面（例えば中性子線ＮＢの入射側）と裏面（例えば中性子線ＮＢの出射側）を識別するためのマークでもある。ノッチ２４ａ，２４ｂは、中心孔２２に対して非対称となる複数の位置に設けられる。図示する例の場合、転写結果においてＶ字状の第１ノッチ２４ａに対してＵ字状の第２ノッチ２４ｂが左側にある場合、コンバータの表面（中性子線ＮＢの入射側の面）での転写結果であることが示される。

複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅは同一形状であり、それぞれが図４に示される形状を有する。複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅは、それぞれの中心部に設けられる貫通孔（中心孔２２）を有し、それぞれの貫通孔が軸方向（ｚ方向）に整列するように配置される。複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅは、それぞれの外周部に設けられる切り欠き（ノッチ２４ａ，２４ｂ）を有し、それぞれの切り欠きが軸方向（ｚ方向）に整列するように配置される。

なお、金属板コンバータ１２の形状は、図４に示すものに限られず、長方形や円形などの他の任意の形状であってもよい。金属板コンバータ１２は、ｘ方向およびｙ方向の位置や向きを識別するためのマークとして、中心孔２２およびノッチ２４ａ，２４ｂとは異なる切り欠きまたは貫通孔が設けられてもよい。例えば、二つのノッチ２４ａ，２４ｂを設けるのではなく、例えば、第１ノッチ２４ａまたは第２ノッチ２４ｂの一方のみが設けられてもよい。その他、金属板コンバータ１２の表裏を識別するために中心孔２２に対して非対称となる複数の位置に切り欠きや貫通孔を設けてもよい。ｘ方向およびｙ方向の位置や向きを識別するためのマークとして固定孔２６を用いてもよい。例えば、複数の固定孔２６を中心孔２２に対して非対称となる位置に設けてもよい。

図２に戻り、固定治具１４は、複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅを互いに固定するよう構成される。固定治具１４は、照射中の中性子線ＮＢに対する複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅの配置が変わらないようにする。固定治具１４は、スペーサ１６および締結部材１８を含む。スペーサ１６は、複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅの間に配置され、複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅの間隔を維持する。締結部材１８は、ボルトやねじなどであり、複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅとスペーサ１６を互いに締結して固定する。固定治具１４は、例えば締結部材１８を取り外すことで、複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅとスペーサ１６を分解できるよう構成される。中性子線ＮＢの照射後、複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅを別々に分解することで、複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅのそれぞれから放出される放射線の二次元強度分布を高精度で測定できる。

位置決めプレート２０は、中性子プロファイル測定装置１０を設置する際の位置決めに用いるマークを有する金属板である。位置決めプレート２０は、固定治具１４によって複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅに対して固定される。位置決めプレート２０は、例えば、複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅよりも中性子線ＮＢの入射方向の手前側に配置される。位置決めプレート２０は、例えば、金属板コンバータ１２ａと締結部材１８の間に挟みこまれて固定される。

図５は、図２の中性子プロファイル測定装置１０の構成を模式的に示す背面図であり、中性子線ＮＢの入射方向とは反対側から見たときの構成を示す。位置決めプレート２０は、ｘ方向およびｙ方向の中心位置を示すマークである罫書線２８ｃ，２８ｄを有する。第３罫書線２８ｃは、中心孔２２を通ってｙ方向に延びる直線として描かれ、第１罫書線２８ａと重なる位置に設けられる。第４罫書線２８ｄは、中心孔２２を通ってｘ方向に延びる直線として描かれ、第２罫書線２８ｂと重なる位置に設けられる。

位置決めプレート２０は、金属板コンバータ１２よりもｘ方向およびｙ方向のサイズが大きく、金属板コンバータ１２と軸方向に重ならない箇所に罫書線２８ｃ，２８ｄが付されている。これにより、罫書線２８ｃ，２８ｄが金属板コンバータ１２に隠れて見えなくなることを防止できる。図５の例では、位置決めプレート２０の外形が八角形であるが、位置決めプレート２０の外形は、円形や菱形などの他の任意の形状であってもよい。また、罫書線２８ｃ，２８ｄとは異なる位置決め用のマークが位置決めプレート２０に付されてもよい。

図２に示されるように、中性子プロファイル測定装置１０を加速器中性子源９０の正面に設置する際、最後尾の金属板コンバータ１２ｅに付される罫書線２８ａ，２８ｂと、位置決めプレート２０に付される罫書線２８ｃ，２８ｄとを用いて設置位置が調整される。中性子プロファイル測定装置１０の設置位置として、例えば、加速器中性子源９０の中心部から放出される中性子線ＮＢの放射方向の延長線上の出口が想定される。通常、中性子線ＮＢを直接目視できないため、設計上の線源中心部の位置および設計上の放射線ＮＢの放射方向と一致するようにレーザ墨出し器から十字レーザを照射し、基準となる座標軸を設定する。つづいて、十字レーザと罫書線２８ａ～２８ｄが一致するように中性子プロファイル測定装置１０を配置する。例えば、中性子プロファイル測定装置１０を支持する架台（不図示）を利用することで、十字レーザを基準として三次元位置を調整できる。これにより、設計上の中性子線ＮＢの放射方向の延長線上に中性子プロファイル測定装置１０を設置できる。

つづいて、放射化した金属板コンバータ１２から放出される放射線の測定方法について説明する。図６は、転写装置３０の構成を概略的に示す断面図である。転写装置３０は、複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅから放出される放射線の二次元強度分布を転写プレート３２に転写して画像化するためのカセッテである。転写装置３０は、転写プレート３２と、緩衝材３４と、遮蔽容器３６とを備える。

転写プレート３２は、放射線に反応して放射線強度分布に対応する画像を生成するためのイメージングプレート（ＩＰ）である。転写プレート３２として、例えば輝尽性蛍光体を用いたものを使用できる。輝尽性蛍光体は、主にベータ線に反応して蛍光し、事後的に読み出し光を照射することで放射線に反応した箇所が再度発光するという記憶機能（光メモリ機能）を有する。その結果、輝尽性を有しない一般的な蛍光体を用いる場合に比べて高感度画像を得ることができ、ダイナミックレンジの大きい画像データを取得できる。また、転写装置３０を用いることで、中性子線ＮＢの照射環境と、転写プレート３２への転写環境とを分離することができ、中性子線ＮＢの照射環境にて生じる高線量のガンマ線が転写工程に悪影響を及ぼすことを防止できる。

放射化された複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅは、その片面が転写プレート３２と密着した状態で遮蔽容器３６の内部に収容される。例えば、金属板コンバータ１２の両面のうち、中性子線ＮＢの入射側となる片面を転写プレート３２と密着させる。緩衝材３４は、スポンジ状の樹脂部材またはゴム部材であり、転写プレート３２を金属板コンバータ１２ａ～１２ｅに押し付けるようにする。これにより、転写プレート３２と金属板コンバータ１２ａ～１２の間に隙間が生じないようにし、転写工程の間、転写プレート３２と金属板コンバータ１２ａ～１２の相対位置が変わらないようにする。遮蔽容器３６は、転写工程の間、容器内部が暗室状態となるように外部からの光を遮蔽する。

図６の例では、一つの転写装置３０を用いて、複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅの放射線強度分布が同時に転写される。これにより、複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅの転写条件を同一にできる。なお、複数の転写装置３０を用いてもよく、複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅの放射線強度分布が別々の転写装置３０を用いて画像化されてもよい。転写プレート３２に転写された放射線強度分布は、専用の読み取り装置（リーダまたはスキャナ）を用いて読み取られ、放射線強度分布に対応した画像データが生成される。

図７（ａ）～（ｅ）は、複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅの転写画像の一例を示す図である。図７の例は、複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅとして１００ｍｍ×１００ｍｍのＡｌ板を使用し、複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅの軸方向の位置を２０ｍｍずつ変えた場合を示す。Ａｌ板コンバータの中心部には３ｍｍφの中心孔２２を設けている。中性子線ＮＢの照射後に１．５時間経過してから転写プレート３２への転写を開始したため、主に^２４Ｎａから放出される放射線が転写されており、３．２４９ＭｅＶ以上のエネルギーを有する中性子が測定されている。転写画像は、相対的に黒い（濃い）ほど放射線の強度が高く、中性子量が多いことを示し、相対的に白い（薄い）ほど放射線の強度が低く、中性子量が少ないことを示す。

図７（ａ）～（ｅ）は、加速器中性子源９０から金属板コンバータ１２ａ～１２ｅまでの距離の順に並べている。図７（ａ）は、加速器中性子源９０に最も近い位置に配置される金属板コンバータ１２ａの転写画像であり、図７（ｅ）は、加速器中性子源９０から最も遠い位置に配置される金属板コンバータ１２ｅの転写画像である。図７（ａ）～（ｅ）に示されるように、中性子線ＮＢの二次元強度分布を高い空間分解能で画像化できていることが分かる。本手法で得られる空間分解能は、転写プレート３２の読み取り装置の性能に依存する。図７の例では、空間分解能が２５μｍであるが、より精細な読み取り装置（例えば、空間分解能が１２．５μｍ）を用いることも可能である。また、加速器中性子源９０に近いほど転写画像の中心部が黒い（濃い）ことから、中性子線ＮＢの二次元強度分布を軸方向に異なる複数の位置で比較できていると言える。

図７（ａ）～（ｅ）の転写画像のそれぞれの中心部には、周囲に比べて相対的に白い（薄い）円形領域がある。中心部の円形領域は、複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅのそれぞれの中心孔２２に相当し、貫通孔が設けられているために放射線強度が局所的に小さくなっている。同様の理由で、図７（ａ）～（ｅ）のそれぞれの四隅には、固定孔２６に相当する円形領域がある。図７（ａ）～（ｅ）の例では、金属板コンバータ１２にノッチ２４ａ，２４ｂを設けていないが、ノッチ２４ａ，２４ｂがある場合にはノッチ２４ａ，２４ｂに相当する箇所にＶ字状およびＵ字状の相対的に白い（薄い）領域が生じる。転写画像において局所的に白く（薄く）見える領域は、転写画像のｘ方向およびｙ方向の位置や向きを識別するためのマークとして使用できる。

図７（ａ）の転写画像によれば、中性子強度が最も高い位置と中心孔２２の位置がずれていることが分かり、かつ、位置ずれの方向および大きさを特定することも可能である。このような位置ずれは、加速器中性子源９０から放出される中性子線ＮＢの中心軸と、中性子プロファイル測定装置１０の設置時の中心軸とがずれていることに由来する。したがって、中性子プロファイル測定装置１０の設置時の中心軸を精密に測定しておくことで、転写画像に基づく位置ずれの方向および大きさから、中性子線ＮＢの中心軸の位置および向きを精密に特定できる。

図８は、中性子線ＮＢの三次元プロファイルを示すグラフである。図８に示す曲線Ａ～Ｅは、図７（ａ）～（ｅ）に示す転写画像の対角線上の強度分布を示す。図８では、中心孔２２の位置を原点とし、固定孔２６の位置における強度値を１として規格化している。また、中心孔２２がないと仮定した場合の強度分布（点線）をカーブフィッティングにより求めてピーク値を算出し、ピークの半値における強度分布の全幅（ＦＷＨＭ）を破線により示している。図８から、加速器中性子源９０から離れるにつれて、中性子量のピーク値が減少し、半値全幅Ｗａ，Ｗｂが広がっていく三次元プロファイルを把握できる。

図９は、中性子線ＮＢの指向性を示すグラフであり、複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅの軸方向の位置に対して、図８に示す曲線Ａ～Ｅの半値全幅をプロットしたものである。図示されるように、複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅのそれぞれを用いて算出された中性子強度分布の半値全幅が直線上に並んでおり、図１に示されるような中性子線ＮＢの指向性を測定できていることが分かる。図９に示す近似直線の傾き約０．９であることから、半値全幅に基づく指向角が約４３度であることが分かる。

図１０は、中性子スペクトル測定方法の流れを示すフローチャートである。まず、測定対象とする中性子線ＮＢに対して中性子プロファイル測定装置１０を位置決めする（Ｓ１０）。例えば、加速器中性子源９０のターゲット９４の位置に基づいてｘ方向およびｙ方向の原点を決定し、ターゲット９４に照射される粒子線ＰＢの照射方向に基づいてｚ方向を決定する。具体的には、レーザ墨出し器（レーザセオドライト）などの測量機を用いて基準となる座標軸を決定できる。つづいて、決定した座標軸に基づいて中性子プロファイル測定装置１０を設置する。例えば、レーザ墨出し器から照射される十字レーザと、最後尾の金属コンバータ１２ｅに付される罫書線２８ａ，２８ｂと、位置決めプレート２０に付される罫書線２８ｃ，２８ｄとが一致するように中性子プロファイル測定装置１０の設置位置を調整する。

次に、設置した中性子プロファイル測定装置１０に測定対象となる中性子線ＮＢを照射する（Ｓ１２）。中性子線ＮＢの照射により、中性子プロファイル測定装置１０に含まれる複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅが放射化する。中性子線ＮＢの照射後、複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅのそれぞれから放射される放射線を転写プレート３２に転写する（Ｓ１４）。例えば、中性子プロファイル測定装置１０を分解し、複数の金属板コンバータ１２ａ～１２ｅのそれぞれを転写装置３０に収容することにより、放射線の二次元強度分布を転写プレート３２に転写する。転写完了後、転写プレート３２に転写された放射線の二次元強度分布の画像を読み取って画像データを生成する（Ｓ１６）。

つづいて、画像データに基づいて中性子線ＮＢの三次元プロファイルデータを生成する（Ｓ１８）。三次元プロファイルデータとは、測定対象となる中性子線ＮＢの三次元の空間分布を示す任意のデータであり、例えば、図８や図９のグラフデータや、図９のグラフから算出される指向角の数値データなどである。

本実施の形態によれば、中性子プロファイル測定装置１０を用いて、測定対象となる中性子線ＮＢの三次元プロファイルを高い空間分解能で特定できる。金属板コンバータ１２にＡｌ板を用いる場合、材料が安価であり、Ｓ１４の転写工程に必要な時間も１日程度であるため、中性子線ＮＢの三次元プロファイルを迅速かつ簡便に得ることができる。

金属板コンバータ１２にＡｌ板を用いる場合、転写工程を２回に分けることで、エネルギー別の三次元プロファイルデータが得られる。例えば、中性子線ＮＢの照射により放射化した複数のＡｌ板コンバータのそれぞれから放出される放射線の二次元強度分布を第１転写プレートに転写して第１画像データを生成する。つづいて、第１転写プレートへの転写後に複数のＡｌ板コンバータのそれぞれから放出される放射線の二次元強度分布を第２転写プレートに転写して第２画像データを生成する。第１画像データに基づいて、１．８９６ＭｅＶ以上のエネルギーを有する中性子の三次元プロファイルデータを生成できる。また、第２画像データに基づいて、３．２４９ＭｅＶ以上のエネルギーを有する中性子の三次元プロファイルデータを生成できる。

（第２の実施の形態）
図１１は、第２の実施の形態に係る中性子プロファイル測定装置５０の構成を模式的に示す側面図である。第２の実施の形態では、エネルギー別の三次元プロファイルを得るために複数種類の金属板コンバータを組み合わせて使用する。以下、第２の実施の形態について、第１の実施の形態との相違点を中心に説明し、共通点については適宜省略する。

中性子プロファイル測定装置５０は、複数の第１金属板コンバータ５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄ，５４ｅ（総称して第１金属板コンバータ５４ともいう）と、複数の第２金属板コンバータ５６ａ，５６ｂ，５６ｃ，５６ｄ，５６ｅ（総称して第２金属板コンバータ５６ともいう）と、複数の第３金属板コンバータ５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄ，５８ｅ（総称して第３金属板コンバータ５８ともいう）と、固定治具１４とを備える。中性子プロファイル測定装置５０は、位置決めプレート２０をさらに備えてもよい。

中性子プロファイル測定装置５０は、複数のコンバータセット５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ，５２ｅ（総称してコンバータセット５２ともいう）を含む。コンバータセット５２は、複数種類の金属板コンバータ５４，５６，５８を含む。第１金属板コンバータ５４は、第１金属元素を含有する。第２金属板コンバータ５６は、第１金属元素とは異なる第２金属元素を含有する。第３金属板コンバータ５８は、第１金属元素および第２金属元素とは異なる第３金属元素を含有する。第１金属元素、第２金属元素および第３金属元素は、Ｚｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｇｄ、ＭｏまたはＡｕである。なお、複数のコンバータセット５２ａ～５２ｅのそれぞれは、２種類の金属板コンバータのみを含んでもよいし、４種類以上の金属板コンバータを含んでもよい。

複数の第１金属板コンバータ５４ａ～５４ｅ、複数の第２金属板コンバータ５６ａ～５６ｅおよび複数の第３金属板コンバータ５８ａ～５８ｅは、軸方向（ｚ方向）に互いに重なるように配置される。図１１の例では、五つのコンバータセット５２ａ～５２ｅが使用され、一つのコンバータセット５２が３枚の金属板コンバータを含み、合計で１５枚の金属板コンバータが使用される。つまり、中性子プロファイル測定装置５０は、５枚の第１金属板コンバータ５４ａ～５４ｅと、５枚の第２金属板コンバータ５６ａ～５６ｅと、５枚の第３金属板コンバータ５８ａ～５８ｅとを含む。なお、コンバータセットの数は５に限られず、少なくとも２以上あればよく、３または４であってもよいし、６以上であってもよい。

一例において、第１金属板コンバータ５４は、Ａｌ板コンバータであり、１ｍｍ～５ｍｍ程度の厚さを有する。第２金属板コンバータ５６は、Ｚｎ板コンバータであり、０．１ｍｍ～１ｍｍ程度の厚さを有する。第３金属板コンバータ５８は、Ｍｏ板コンバータであり、０．１ｍｍ～１ｍｍ程度の厚さを有する。同じコンバータセット５２に含まれる複数種類の金属板コンバータ５４，５６，５８は、互いに隣接するように配置される。複数種類の金属板コンバータ５４，５６，５８を隣接して配置することで、これらを分離して配置する場合に比べて機械的な強度を高めることができる。例えば、第１金属板コンバータ５４の厚みを相対的に大きくすることで、第２金属板コンバータ５６および第３金属板コンバータ５８を第１金属板コンバータ５４によって機械的に支持できる。Ａｌ以外の材料（Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｄ，Ｍｏ，Ａｕ）は、相対的に高価であるため、Ａｌ板コンバータの厚みを大きくし、Ａｌ以外の金属板コンバータの厚みを小さくすることで、機械的な強度を持たせつつ、材料費を抑えることができる。

第１金属板コンバータ５４、第２金属板コンバータ５６および第３金属板コンバータ５８は、図４に示される金属板コンバータ１２と同様の形状を有するように構成される。したがって、第１金属板コンバータ５４、第２金属板コンバータ５６および第３金属板コンバータ５８のそれぞれは、外形が正方形であり、中心孔２２と、ノッチ２４ａ，２４ｂと、固定孔２６と、罫書線２８ａ，２８ｂとを有する。

固定治具１４は、第１の実施の形態と同様に構成される。固定治具１４は、複数のコンバータセット５２ａ～５２ｅを固定し、中性子線ＮＢに対する複数のコンバータセット５２ａ～５２ｅの配置が変わらないようにする。スペーサ１６は、複数のコンバータセット５２ａ～５２ｅの間に配置され、複数のコンバータセット５２ａ～５２ｅの間隔を維持する。締結部材１８は、複数のコンバータセット５２ａ～５２ｅとスペーサ１６を互いに締結して固定する。一つのコンバータセット５２に含まれる複数種類の金属板コンバータ５４，５６，５８は、スペーサ１６と締結部材１８の間、または、二つのスペーサ１６の間に挟み込まれて固定される。

図１１の例では、一つのコンバータセット５２に含まれる複数種類の金属板コンバータ５４，５６，５８の積層順が共通である。つまり、複数のコンバータセット５２ａ～５２ｅのいずれであっても、中性子線ＮＢの入射方向に第３金属板コンバータ５８、第２金属板コンバータ５６、第１金属板コンバータ５４の順に配置されている。これにより、複数の第１金属板コンバータ５４ａ～５４ｅの間隔と、複数の第２金属板コンバータ５６ａ～５６ｅの間隔と、複数の第３金属板コンバータ５８ａ～５８ｅの間隔とを共通にできる。

なお、複数のコンバータセット５２ａ～５２ｅのそれぞれに含まれる複数種類の金属板コンバータ５４，５６，５８の積層順は、必ずしも共通でなくてもよい。また、複数のコンバータセット５２ａ～５２ｅのそれぞれに含まれる金属板コンバータの種類や種類数が共通でなくてもよい。例えば、一部のコンバータセット５２ａ，５２ｂにのみＡｌ，Ｚｎ，Ｍｏの３種類の金属板コンバータを含め、残りのコンバータセット５２ｃ～５２ｅにはＡｌとＺｎの２種類の金属板コンバータのみを含めたり、Ａｌ板コンバータのみを含めたりしてもよい。

本実施の形態によれば、複数種類の金属板コンバータを組み合わせることにより、複数のエネルギー領域別に中性子線ＮＢの三次元プロファイルデータを得ることができる。例えば、複数のＭｏ板コンバータから、８．３７３ＭｅＶ以上のエネルギーを有する中性子の三次元プロファイルデータが得られる。複数のＡｌ板コンバータから、３．２４９ＭｅＶ以上のエネルギーを有する中性子の三次元プロファイルデータと、１．８９６ＭｅＶ以上のエネルギーを有する中性子の三次元プロファイルデータとが得られる。また、複数のＺｎ板コンバータから、０．９ＭｅＶ以上のエネルギーを有する中性子の三次元プロファイルデータが得られる。これにより、図１のエネルギーが異なる中性子線ＮＢ１～ＮＢ３のそれぞれに対応するような三次元プロファイルデータが得られ、中性子線ＮＢのより詳細な三次元プロファイルを把握可能となる。

以上、本発明を実施の形態にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

上述の実施の形態では、転写プレート３２として輝尽性蛍光体を用いる場合を示したが、他の種類の蛍光体を用いてもよいし、鉛泊増感紙と感光フィルムの組み合わせを用いてもよい。

上述の実施の形態では、スペーサ１６を用いて複数の金属板コンバータの間隔を維持する場合について示した。別の実施の形態では、スペーサ１６を用いるのではなく、金属板コンバータの厚み自体によって複数の金属板コンバータの間隔を維持してもよい。この場合、複数の金属板コンバータは、互いに隣接するように配置されてもよい。第２の実施の形態において、全て（例えば１５枚）の金属板コンバータを隣接するように配置した場合、同一種類の金属板コンバータの間隔は、一つのコンバータセット５２に含まれる複数種類の金属板コンバータ５４，５６，５８の厚みの合計に相当する。

上述の第２の実施の形態では、一つのコンバータセット５２に含まれる複数種類の金属板コンバータ５４，５６，５８を互いに隣接して配置する場合について示した。別の実施の形態では、一つのコンバータセット５２に含まれる複数種類の金属板コンバータ５４，５６，５８の間にスペーサを配置してもよい。

上述の実施の形態では、中性子イメージングのために中性子プロファイルを測定する場合について示した。本実施の形態に係る測定方法は、中性子イメージングへの応用に限られず、中性子線が利用される様々な分野に応用されてもよい。例えば、シリコンウェハに中性子線を照射することでシリコン（Ｓｉ）をリン（Ｐ）に変換してドーピングする中性子ドーピング（ＮＴＤ）法に用いる中性子線源の評価に用いてもよい。また、医療用の中性子線源を評価するために用いてもよく、例えば、癌組織に取り込まれたホウ素（Ｂ）に中性子線を照射することで癌組織を選択的に破壊するホウ素中性子補足療法（ＢＮＣＴ）に用いる中性子線源の評価に用いてもよい。

１０…中性子プロファイル測定装置、１２…金属板コンバータ、１４…固定治具、１６…スペーサ、１８…締結部材、２０…位置決めプレート、２２…中心孔、２４ａ，２４ｂ…ノッチ、２６…固定孔、２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ…罫書線、３０…転写装置、３２…転写プレート、５０…中性子プロファイル測定装置、５２…コンバータセット、５４…第１金属板コンバータ、５６…第２金属板コンバータ、５８…第３金属板コンバータ、９０…加速器中性子源、９２…加速器、９４…ターゲット、ＮＢ…中性子線。

Claims (9)

1. 中性子を吸収する閾値反応によってベータ壊変する別の放射性同位元素に変換される金属元素を含有する複数の金属板コンバータと、
   前記複数の金属板コンバータが所定の軸方向に互いに重なるように前記複数の金属板コンバータを固定する固定治具と、を備え、
   前記複数の金属板コンバータのうちの二以上は、同じ材料から構成されることを特徴とする中性子プロファイル測定装置。
2. 前記金属元素は、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、モリブデン（Ｍｏ）または金（Ａｕ）であることを特徴とする請求項１に記載の中性子プロファイル測定装置。
3. 前記複数の金属板コンバータは、第１金属元素を含有する複数の第１金属板コンバータと、前記第１金属元素とは原子番号の異なる第２金属元素を含有する複数の第２金属板コンバータとを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の中性子プロファイル測定装置。
4. 前記固定治具は、前記複数の金属板コンバータの間に設けられるスペーサを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の中性子プロファイル測定装置。
5. 前記複数の金属板コンバータは、それぞれの中心部に設けられる貫通孔を有し、それぞれの貫通孔が前記軸方向に整列するように配置されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の中性子プロファイル測定装置。
6. 前記複数の金属板コンバータは、それぞれの外周部に設けられる切り欠きまたは貫通孔を有し、それぞれの切り欠きまたは貫通孔が前記軸方向に整列するように配置されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の中性子プロファイル測定装置。
7. 前記複数の金属板コンバータに対して固定され、前記軸方向に直交する方向の位置を示すマークが設けられる位置決めプレートをさらに備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の中性子プロファイル測定装置。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の中性子プロファイル測定装置を用いる中性子プロファイル測定方法であって、
   前記固定治具によって固定された前記複数の金属板コンバータに中性子線を照射することと、
   前記中性子線の照射によって放射化した前記複数の金属板コンバータのそれぞれから放出される放射線の二次元強度分布を画像化して画像データを生成することと、
   前記画像データに基づいて、前記中性子線の三次元プロファイルデータを生成することと、を備えることを特徴とする中性子プロファイル測定方法。
9. 前記画像データを生成することは、前記中性子線の照射により放射化した前記複数の金属板コンバータのそれぞれから放出される放射線の二次元強度分布を第１転写プレートに転写して第１画像データを生成することと、前記第１転写プレートへの転写後に前記複数の金属板コンバータのそれぞれから放出される放射線の二次元強度分布を第２転写プレートに転写して第２画像データを生成することとを含み、
   前記第１画像データおよび前記第２画像データに基づいて、前記中性子線の三次元プロファイルデータを生成することを特徴とする請求項８に記載の中性子プロファイル測定方法。

Images