JP3140052B2 - 中性子検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、中性子検出装置に係り、特に原子力発電所
及び燃料再処理施設等の放射性物質取扱施設に適用さ
れ、半導体検出素子を有する中性子検出装置に関する。

背景技術 従来の半導体検出素子の中性子個人被曝線量計として
は、Radiation Protection Dosimetory（ラディエー
ション プロテクション ドジメトリ）、Vol.27,No.3,
P145〜156（1989）（以下従来技術１という）や米国特
許USP3227876号公報（以下従来技術２という）に記載さ
れたものがある。半導体検出素子は直接の中性子を検出
できないために、中性子を他の物質と作用させて荷電粒
子入を発生させて、その荷電粒子を検出することにより
間接的に中性子を検出する。このために、前者の中性子
を検出する中性子検出器の構造は、エネルギーの低い熱
中性子を検出するために、半導体検出素子の表面にボロ
ン層を形成し、エネルギーの高い高速中性子を検出する
ために、ボロン層の上にポリエチレン層を設ける構造に
なっている。また更に、それらの前面に中性子のエネル
ギーを減速する中性子減速材を配置している。後者の中
性子検出器は、前者と同様に半導体検出素子の表面にボ
ロン層を形成し、高速中性子を検出するためにその周囲
を中性子減速材で囲むものが開示されている。

一方、放射線取り扱い施設内の中性子をモニタする中
性子線量率計の従来技術としては、特願昭63−235646号
公報（以下従来技術３という）に記載されているよう
に、BF₃計数管や³He計数管を用いるものが多い。また、
同公報には、熱中性子をカットし高速中性子のみを検出
するために、前記計数管を中性子減速材で包み、更にそ
の周囲を減速材で、また更にその外側を中性子減速材で
包むことが開示されている。

各国は、各種の放射線検出器としてICRP（Internatio
nal Committee on Radiological Protection）の勧
告に沿った実効線量当量評価が可能なエネルギー応答性
能が要求されている。わが国も、ICRPの勧告に沿って19
89年/4月に国内の放射線障害防止法令が改正された。一
般に、同一のエネルギーを持つ放射線を物質に照射して
も、物質ごとに受ける損傷（被曝量）は異なる。実効線
量当量とは、人体が中性子を受けたときの被曝量を正確
に評価する線量値をいう。この実効線量当量を実現する
ためには、放射線取扱い施設内に存在する広いエネルギ
ー範囲に渡って、各エネルギー毎の人体の被曝量を評価
しなければならない。中性子のエネルギー範囲は、0.5e
V以下の熱中性子領域のエネルギーを持つ熱中性子から
0.5eV以上10MeVにわたる高速中性子までに及ぶ。ここ
で、各エネルギーに対する感度曲線を応答という。実効
線量当量の応答は熱中性子領域とMeV領域との間の感度
差は50倍以上もあり、この要求応答を実現することは極
めて難しい。以下の説明において、この要求応答を線量
当量応答と呼ぶ。線量当量応答を満足させるためには、
大別して感度曲線の形を一致させる、各エネルギー
に対して感度を高める、の２点が重要である。

まず、中性子個人被曝線量計の立場からについて考
える。従来技術１は、感度曲線を一致させるために、前
述した中性子検出器のほかに半導体検出器にポリエチレ
ン層のみを設けた中性子検出器を設け、これら２つの中
性子検出器の応答を加算している。しかし、155頁の図1
1に示すように10KeVから1MeVのエネルギー範囲において
応答性能を満足していない。また２つの中性子検出器を
用いており、しかも処理回路も複雑になるので大型化す
る問題点がある。

次にに付いて考える。従来技術1,2には半導体検出
素子の上にボロン10（¹⁰B）の膜を設け、この膜に中性
子が入射したときに発生する荷電粒子（α線）を半導体
検出素子で検出するという構造になっている。このよう
に、熱中性子が入射したときに荷電粒子を発生する物質
をコンバータと呼ぶ。従来技術１の中性子検出器では、
ボロン10の膜はプラズマドーピングにより１μｍの厚さ
に形成していた。しかし、ボロンは、その融点が約2300
℃と高く、加工性が著しく悪いという欠点があった。ま
たボロンの膜と半導体検出素子を形成するシリコンの熱
膨張係数は約3.5倍異なっており、このための温度変化
による膜のはく離をさけるためにはボロン膜を１μｍ以
上にできない。しかし、ボロン中から発生するα線の数
は膜厚に比例して増大するため、十分な検出感度の中性
子検出器を実現する上で問題があった。一方、従来技術
１では、拡散でボロンを注入する方法が示されている
が、拡散層におけるボロンの濃度を高めることがでず、
十分な検出感度の中性子検出器を実現することができな
い。ボロンは熱中性子に対しては大きい確率で核反応を
起こしてα線を多く出すが、高速中性子（数eV以上の高
エネルギー中性子）にはあまり反応しない。このため、
従来技術１に記載されているように、ポリエチレン層を
設け、高速中性子が入射したときに発生する荷電粒子
（プロトン）を半導体検出素子で検出するという構造に
なっている。このように、高速中性子が入射したときに
プロトンを発生する物質をプロトンラジエータと呼ぶ。
しかし、10KeVから1MeVのエネルギー範囲の中性子に対
して感度を向上できないという問題があった。

次に、中性子線量率計について考える。従来技術３で
は、線量当量応答を満足させることができない。また、
従来技術３は、中性子検出の作動電圧が高く、これに伴
って計測回路が複雑になり、信頼性にかける欠点があっ
た。

また、従来技術1,2には中性子線量率計として用いる
考えなく、それに対する考慮がなされていない。

本発明の目的は、線量当量応答を実現する中性子検出
装置を提供することにある。

発明の開示 上記本発明の目的を達成する第１発明の特徴は、荷電
粒子を検出する半導体検出素子と、前記半導体検出素子
の表面上に配置され、熱中性子と反応して荷電粒子を発
生する粒状或いは粉末状のコンバータと、前記半導体検
出素子の表面に接触するようにして前記コンバータの間
隙に存在すると共に前記コンバータの上に存在し、高速
中性子と反応して荷電粒子を発生するプロトンラジエー
タと、前記半導体検出素子から得られる信号を処理する
処理手段とを備えたことにある。

上記目的を達成する第２発明の特徴は、荷電粒子を検
出する半導体検出素子と、前記半導体検出素子の表面上
に配置され、開口部を有する板状で熱中性子と反応して
荷電粒子を発生するコンバータと、前記半導体検出素子
の表面に接触するようにして前記コンバータの開口部に
存在すると共に前記コンバータの上に存在し、高速中性
子と反応して荷電粒子を発生するプロトンラジエータ
と、前記半導体検出素子から得られる信号を処理する処
理手段とを備えたことにある。

線量当量の応答Sa（Ｅ）は、数１で示すことができ
る。

Sa（Ｅ）＝Da（Ｅ）・fa（Ｅ）・Ia（Ｅ）…（数１） ここで、Da（Ｅ）（第２図（ｂ）参照）は、中性子感
度応答で、中性子検出器自体の中性子エネルギーＥに対
する感度応答を示し、fa（Ｅ）（第２図（ｄ）参照）
は、ファントム感度応答で、人体あるいは人体模擬体に
入射した中性子の中性子検出器への応答を示し、Ia
（Ｅ）（第２図（ｃ）参照）は入射中性子スペクトルを
示す。従って、ICRPの勧告による実効線量当量応答Ｓ
（Ｅ）は、入射中性子スペクトルIa（Ｅ）が単位スペク
トルＩ（Ｅ）の場合の所望の応答である。即ち、数２で
表現される。

Ｓ（Ｅ）＝Ｄ（Ｅ）・ｆ（Ｅ） …（数２） 従って、本発明の好ましい実施形態である人体装着さ
れて使用される中性子個人被曝線量計は、人体自体が必
然的に所望のファントム感度応答ｆ（Ｅ）を示すから、
中性子感度応答Da（Ｅ）が所望の応答Ｄ（Ｅ）を示すよ
うにすることが必要である。一方、中性子線量率計は、
少なくとも中性子検出器と人体を模擬するファントムの
両方の積の応答で実効線量当量応答Ｓ（Ｅ）を満足する
ことが必要である。即ち、中性子検出器自体が実効線量
当量応答Ｄ（Ｅ）を満足するのであれば、ファントムを
人体を模擬するように構成すればよい。また逆に、中性
子検出器自体が実効線量当量応答を満足することができ
なければ、全体的な感度は低下するかもしれないが、フ
ァントムをそれを補完するように構成し、全体として実
効線量当量応答Ｓ（Ｅ）を満足させればよい。以上の考
え方を基に、目的を達成するための手段とその作用につ
いて以下に説明する。

まず、中性子個人被曝線量計について述べる。中性子
個人被曝線量計の場合、中性子検出器の応答は第２図
（ｂ）に示すようになることが望まれる。本発明では、
中性子感度応答Ｄ（Ｅ）には大別して２つの曲線があ
り、第１の曲線がD1（Ｅ）が熱中性子を主体とした低エ
ネルギー中性子とα線を放出するコンバータに依存し、
第２の曲線がD2（Ｅ）が高速中性子を主体とした高エネ
ルギー中性子によるプロトンを発生するプロトンラジエ
ータに依存するという知見に基づいたものである。従っ
て、従来技術１に示したように中性検出器の前面に設置
した中性子減速体は不要である。しかし、単にコンバー
タとプロトンラジエータをそれぞれ別に層状に設けたの
では、上側、例えば半導体検出素子の上にコンバータ，
プロトンラジエータの順に設けたので、プロトンラジエ
ータで発生したプロトンがコンバータで阻止されて半導
体検出素子まで到達しない。そこで、本発明の好ましい
実施形態では、コンバータとプロトンラジエータとを混
在させて層を作り、半導体検出素子の表面に装着させ
る。この結果、コンバータとプロトンラジエータのそれ
ぞれの量及び全体の層厚を調節することにより中性子感
度応答Ｄ（Ｅ）を満足することが可能となる。コンバー
タとプロトンラジエータを装着した半導体中性子検出素
子の応答はコンバータとプロトンラジエータの装着構造
によって大きく変わる。即ち、検出素子の表面に装着す
るコンバータの量が多ければ熱中性子成分に対する感度
が高くなり、逆にプロトンラジエータの量が多ければ高
速中性子成分に対する感度が高くなる。従って、このよ
うな中性子検出器に電源と処理回路を設けることで、中
性子個人被曝線量計を実現できる。コンバータとして
は、熱中性子と反応して荷電粒子を発生させればよく、
ボロン，リチウム等が挙げられる。また、プロトンラジ
エータとしては、水素化合物のパラフィン，ポリエチレ
ン及びその他の有機物もしくはそれから構成される樹脂
などが挙げられる。以下、一般的には、コンバータとし
てはボロンが、プロトンラジエータとしては水素化合物
が多く用いられるのでこの２つで代表して説明する。

次に、熱中性子に対する感度を高める手段について説
明する。熱中性子に対する感度を高めるためには、コン
バータの層、即ちボロン層の厚さを厚くすることであ
る。しかし、ボロンの融点は約2300℃と高く、加工性が
著しく悪いという欠点があり、またボロンの膜と半導体
検出素子を形成するシリコンの熱膨張係数は約3.5倍と
異なっており、１μｍ以上にできなかった。本発明の実
施の形態では、ボロンを粒状や粉状にして、他の物質と
混在させることで、実効的な層厚を厚くすることを可能
にしたものである。他の物質としては、シリコンと熱膨
張係数があまり変わらないものや、弾性力が合って、ボ
ロンの熱膨張を吸収してくれるものがよい。また、ボロ
ンを粒状にした場合は、粒状ボロンを焼成してボロン層
を形成すればその加工は簡単となる。また、この場合ボ
ロン層は粒状ボロンで成っているから、その熱膨張係数
のシリコンとの差のために温度変化によるはく離の心配
もない。このように、従来より十分厚いボロン層の形成
が可能となり、熱中性子に対する感度を大きくすること
ができる。プロトンラジエータとして用いられる水素化
合物を他の物質とすると、ボロンの粒径（平均粒径）を
任意に設定することによって、シリコン表面に密着する
水素化合物の量を制御することができる。これによって
高速中性子の感度も変化するので、全中性子エネルギー
に対する検出器の応答特性を可変設定できるので、実効
線量当量応答の実現からも望ましい。また、水素化合物
は弾力性があり剥離点からも望ましい。更に、上述の粒
状コンバータの間隙にプロトンラジエータで埋める構造
では粒状コンバータの粒径が応答を左右することにな
る。粒径が小くなれば熱中性子成分に感度が高くなる。
コンバータにボロン（¹⁰B）を用いる場合、熱中性子と
の核反応で1.47MeVのα線を発生させる。同様に、プロ
トンラジエータは高速中性子と相互作用を起し陽子線を
生成する。これらの荷電粒子（α線，陽子線）が検出素
子に入射し、その電離作用で電子−正孔対の電荷を生成
する。α線の飛程は10μｍ以下であり、これ以上の厚さ
にコンバータを設けても感度応答に差異は生じない。一
方、プロトンラジエータから発生する陽子線の飛程は10
MeVで1mm程度となる。従って、この構造の検出素子では
素子表面にコンバータの薄い層（数10μｍ）を設け、コ
ンバータの間隙にプロトンラジエータを埋込み、その上
にプロトンラジエータを１〜2mm程度積層するのが一般
的である。

中性子個人被曝線量計の携帯用のため、中性子線量率
計のように寸法の大きい中性子減速体で包囲する構成で
は実用性に欠けることになる。しかし、個人被曝線量計
は人体の胸部に固定するため、人体そのものが中性子減
速体の役目を果たす作用がある。即ち、高速中性子が人
体内で散乱（減速）し、その散乱成分が入射（一般にこ
の中性子をアルベド中性子と呼んでいる）するようにな
る。この条件下でボロンの粒径やプロトンラジエータの
厚さを調節することにより線量当量応答を持つ中性子個
人被曝線量計が実現できる。

次に、熱中性子と高速中性子の少なくとも一方に対し
て感度を高める方法について述べる。従来技術，コンバ
ータやプロトンラジエータで発生した荷電粒子は、半導
体検出素子の電極や表面にある酸化膜によって阻止さ
れ、感度が低下する。従来技術２では、コンバータやプ
ロトンラジエータを設けた面とは反対側に電極を集めて
設けている。しかし、このタイプは製作が困難である。
本発明の好ましい実施形態では、荷電粒子の入射側の電
極は空乏層の一部を覆うように形成させる。このように
することにより、電極の面積を低減できるとともに、電
極による荷電粒子の阻止を低減できる。この結果、半導
体検出素子に入射する荷電粒子数が増え、検出感度を高
めることができる。

最後に、中性子線量率計について述べる。この構成
は、前述したように、中性子検出器自体が実効線量当量
応答Ｄ（Ｅ）を満足するのであれば、ファントムを人体
を模擬するように構成すればよい。また逆に、中性子検
出器自体が実効線量当量応答を満足することができなけ
れば、全体的な感度は低下するかもしないが、ファント
ムをそれを補正するように構成し、全体として実効線量
当量応答Ｓ（Ｅ）を満足させればよい。

前者の立場に立てば、上述した本発明の好ましい実施
形態の中性子個人被曝線量計を人体を模擬するファント
ムに設置すれば、実効線量当量応答Ｓ（Ｅ）を満足する
被曝線量率計を提供できる。このようなファントムとし
て、一定の大きさを有する水或いはアクリル等がある。
また、本発明の好ましい実施形態では、更に中性子減速
体や熱中性子吸収体でファントムの代替を実現する。例
えば、半導体検出素子を中性子減速体や熱中性子吸収体
で包囲する。中性子減速体の厚さを増すことによって熱
中性子の感度を下げ、高速中性子の感度を高める割合を
調節できる。また、熱中性子吸収体の厚さや開口部の広
さを調節する。開口部のある熱中性子吸収体は高速中性
子を完全に透過し、熱中性子に対しては開口比で感度を
調節できる。このようにすることによって、各エネルギ
ーに対する感度を調節し、人体を模擬するファントムを
提供できる。

後者の立場に立てば、中性子検出器として、シリコン
以外の半導体検出素子から成る検出器を用いてもよい。

図面の簡単な説明 第１図は、本発明の中性子個人被曝線量計の第１の実
施例を示す図である。

第２図は、実効線量当量応答と中性子検出器の応答，
ファントムの応答及び入射エネルギースペクトルとの関
係を示したものである。

第３図は、本発明の中性子個人被曝線量計の人体固定
状態を示す図である。

第４図は、中性子個人被曝線量計の半導体中性子検出
器の構造と計測回路ブロック線図を示す。

第５図は、核反応数Ｎ（１）とコンバータの厚さの関
係を示す図である。

第６図は、本発明の中性子個人被曝線量計の応答と実
効線量当量の応答と比較した結果を示す図である。

第７図は、本発明の個人被曝線量計の校正時の状態を
示す図である。

第８図は、本発明の中性子個人被曝線量計の第２の実
施例を示す図である。

第９図は、本発明の中性子個人被曝線量計の第３の実
施例を示す図である。

第10図は、本発明の中性子個人被曝線量計の第４の実
施例を示す図である。

第11図は、本発明の中性子線量率計の第１の実施例を
示す図である。

第12図は、第１の実施例の中性子検出部の模式図を示
す図である。

第13図は、中性子検出器の構造と放射線計測回路60の
ブロック線図を示す図である。

第14図は、本発明の中性子線量率計の中性子減速体厚
を変えたときのエネルギー応答を示す図である。

第15図は、本発明の中性子線量率計の応答と実効線量
当量の応答と比較した結果を示す図である。

第16図は、本発明の中性子線量率計の第２の実施例を
示す図である。

第17図は、本発明の中性子線量率計の第２の実施例の
垂直方向の指向性を示す図である。

第18図は、本発明の中性子線量率計の他の実施例を示
す図である。

第19図は、図18に示す他の実施例の断面図である。

第20図は、本発明の中性子線量率計の他の実施例を示
す図である。

第21図は、熱中性子吸収体を中性子減速体の内部に設
けた中性子線量率計の実施例を示す図である。

第22図は、熱中性子吸収体を中性子減速体の内側に設
けた中性子線量率計の実施例を示す図である。

第23図は、本発明の計測される信号の波高分布例を示
す図である。

発明を実施するための最良の形態 以下、本発明の詳細な説明を実施例を用いて説明す
る。第１図は、本発明の半導体式中性子個人被曝線量計
の一実施例を示す。半導体中性子検出素子１と前値増幅
器，ディスクリミネター，逆バイアス印加回路などの放
射線計測回路（ハイブリッド回路）33,演算表示部34及
び電源35を携帯用ケース32に収納する。この携帯線量計
をクリップ36で人体の胸部に固定する。第３図に人体31
に半導体式中性子個人被曝線量計32を固定した状態を示
す。

第４図は半導体検出素子の構造と中性子個人被曝線量
計の計測回路ブロック線図を示す。半導体検出素子１の
構造をｎ型シリコンを用いる例で説明する。ｎ型シリコ
ンの表面１にｐ型の不純物（ボロン）を拡散しｐ−ｎ接
合（Ｐ層）８を形成する。この接合８の表面はシリコン
の酸化皮膜（SiO₂）９で絶縁保護する。点状の信号取り
出しの接合電極10を設け、接合面の反対側からはオーム
コンタクトで接地電極11を引出す。この両電極部10,11
に逆バイアス12を印加すると、接合８の下に空乏層７が
広がる。半導体検出素子１の表面には酸化皮膜９をはさ
んで粒状（粉末状）ボロン５が密着して焼成され、その
隙間と外表面がプロトンラジエータ６（水素化合物）で
埋められている。水素化合物としては例えばパラフィ
ン，エポキシ，ポリエチレン等を用いる。図示はしてい
ないが、検出素子全体はキャンに封入され、Ｐ層８とＮ
層４のリード電極はキャン外部に引き出される構造とな
っている。Ｐ層８の電極10は、α線やプロトンの減衰を
防止するために、点状にしている。α線等の入射窓とな
る酸化皮膜９は100Å程度の厚さに容易に形成できるよ
うになる。この入射窓に上述のコンバータやプロトンラ
ジエータの層を設けることによって、電極９や酸化皮膜
10による荷電粒子の減衰を抑えることができる。また、
キャンの外部あるいはキャン内部には必要に応じて中性
子減速材（図示せず）を用いる場合もある。このような
本線量計の外部から入射する熱中性子（Nth）は熱中性
子コンバータ５と核反応を起し、α線を生成する。高速
中性子（Nf）はプロトラジエータとの散乱作用で反跳陽
子（プロトン）を生成する。これらのα線と陽子線は検
出素子１内の空乏層７で電荷を生成する。熱中性子（Nt
h）と高速中性子（Nf）の入射に基づいて生成する電荷
は交流結合コンデンサー13を介して、前置増幅器14,線
形増幅器15で増幅する。増幅した信号はディスクリミネ
ータ16で波高弁別し、計数回路17でパルス計測する。計
数回路17で計数した計数値に基づき、演算表示部18で被
曝量の演算と表示を行う。

本実施例における中子検出の原理は、次の二つの相互
作用に分けられる。一つは低エネルギーの熱中性子がボ
ロン５で（数３）で示す核反応を起こし、α線を発生す
ることによる。

¹⁰B（n,α）⁷Li …（数３） このα線は1.47MeVエネルギーをもち、検出素子１の
空乏層７内で電子e,正孔ｈ対の電荷を生成し、これが検
出器電流を変化させる。他の一つは、高速中性子がプロ
トンラジエータ６と相互作用（散乱）を起こし、反跳陽
子（プロトン）を発生しこれが空乏層７内で電子e,正孔
ｈ対の電荷を生成し、これが検出器電流を変化させる。
他の一つは、高速中性子がプロトンラジエータ６と相互
作用（散乱）を起こし、反跳陽子（プロトン）を発生し
これが空乏層７内で電子e,正孔ｈ対の電荷を生成するこ
とによる。本実施例はこの二つの相互作用の発生確率と
発生する荷電粒子（α線，プロトン）の電荷収集効率を
向上させることによって検出感度向上及び広いエネルギ
ー範囲での検出を可能とするもので、その動作を以下に
詳述する。

コンバータとしてのボロン５の核反応数Ｎ（ｌ）は次
式で表せる。

Ｎ（ｌ）＝φ・ｎ・σ・ｌ …（数４） 但し、φ：中性子の入射数（n/cm²・Ｓ） n :コンバータの原子密度（1/cm³） σ：核反応断面積（barn） l :コンバータの厚さ（cm） である。この式から明らかなように、核反応数Ｎ（ｌ）
はコンバータの厚さｌに依存し、その数値例が第５図に
示されている。一方、このコンバータから発生したα線
のボロンおよびシリコン中の飛程は〜７μｍであり、ボ
ロンコンバータの厚さを７μｍ以上にしたシリコン中を
７μｍ以上通過するような構成にすると、発生したα線
が減少し、検出器の感度向上には寄与しないことにな
る。即ち、α線の寄与はコンバータの厚さ７μｍ以上で
飽和することになる。

一方、高速中性子がプロトンラジエータ６で散乱して
発生するプロトンの発生確率σｐは、中性子の入射エネ
ルギーをEn（MeV）としたとき次式で与えられる。

即ち、中性子の入射エネルギーEnの−1/2乗に比例し
て発生確率σｐが変化するが、この発生確率はプロトン
の散乱角度には依存しない。一方発生するプロトンが持
つエネルギーは散乱角度に依存するので、単色の中性子
から発生するプロトンのエネルギー分布は、エネルギー
OeVから中性子の入射エネルギーEnに至るまでの連続分
布となる。このプロトンの飛程は10MeVで1mm程度となる
が、低エネルギーのプロトンはボロンの中を通過すると
急速に減衰する。

第４図の実施例は以上の諸点を考慮して考案されたも
ので、加工の容易な粒状ボロン（平均粒径10μｍ）５の
層厚1cは、その中を通過するα線の飛程を超えない範囲
でなるべく厚く焼成して大きな核反応数Ｎ（ｌ）が得ら
れるように、ボロン100％の層厚７μｍの厚さに相当す
る30μｍ（空孔率75％）とした。粒状ボロン５の隙間は
プロトンラジエータ６で埋め、さらに、その外側を厚さ
（1p＝）2mmのプロトンラジエータ６でコーティングす
る。この構造によって、プロトンラジエータ６から発生
するプロトンの低エネルギー成分の多くがボロン中を通
過せず、従って減衰せずに検出素子１内に入り込むこと
が可能となる。また、粒状のボロン５から発生するα線
は、1.47MeVのエネルギーを持っており、原子番号の小
さい水素化合物で構成されたプロトンラジエータを数μ
ｍ通過しても殆ど遮蔽されることはない。さらに半導体
検出素子１の側では、荷電粒子に対して不感な酸化皮膜
９及びｐ層８は、α線等に減衰を与えるだけなので、こ
れらは0.3μｍ以下の厚さとして感度の低下を防ぐ。

以上説明したように、本実施例は単なる中性子個人被
曝線量計としても、次のような効果をもつ。ボロンを粒
状とすることにより、ボロンの実効厚を厚くとれるの
で、熱中性子検出感度を従来比で10倍程度向上させるこ
とができる。また、高速中性子、特に低エネルギー側の
高速中性子に対するボロンの遮蔽効果を低減できるの
で、高速中性子の検出感度も全体的に向上させることが
できる。また、製作技術的にも粒状ボロンを焼成（蒸発
乾固）す方法には困難はなく、さらに浸透性の水素化合
物で浸透・コーティングすることによって、ボロン層の
温度変化によるはく離減少を防止することができる。尚
焼成以外の形成方法もありうる。例えば、ボロンとプロ
トンラジエータの混合層をプラスチック製の薄い固定膜
で半導体検出素子に固定してもよい。最後に、ボロン等
の荷電粒子への変換素子側の電極をポイント状にするこ
とにより、変換された荷電粒子の半導体検出素子側への
通過部分の電極をなくすことができ、更に酸化皮膜９を
薄くできるので、荷電粒子の半導体検出素子側への透過
率を向上し、中性子エネルギーの広範囲にわたって、検
出感度を高めることができる。

次に、ICRP勧告に沿った実効線量当量評価ができる中
性子個人被曝線量計について述べる。今日の放射線障害
防止法令によれば、ICRP勧告に沿った実効線量当量評価
が可能なエネルギー応答特性を持つ中性子検出器が必要
であり、前述の実施例の検出器はこのような目的にも合
致するものである。即ち、第４図のプロトンラジエータ
６のコーティング層の厚さ1p,粒状ボロン５の粒径ある
いはプロトンラジエータと粒状ボロンの量の比を変化さ
せると高速中性子に対する検出感度を調節できる。なお
第６図の実線のカーブはICRP勧告による中性子エネルギ
ーと実効線量当量（人体への影響度を示す）の関係をし
ており、図中○印は、本実施例の特性を、×印は従来の
検出器の特性を示す。なお、第６図はデータ熱中性子と
数100KeVから15MeVの範囲に限定しているが、数100KeV
から熱中性子迄の間はモンテカルロ計算で補間した。こ
れは現状技術では、この中間領域のデータを実験的に収
集できないからである。

中性子個人被曝線量計は、第３図に示すように人体の
胸部に装着されて使用される。従って、中性子個人被曝
線量計の校正試験は、人体から散乱されてくる中性子を
考慮して行う必要がある。第６図は、人体の胸部に線量
計を固定する代わりにファントム（アクリルあるいは水
で、寸法40×40×15cm）の中央に線量計を固定して行っ
たものである。第７図に人体を模擬したファントム内で
の中性子の振舞を示す。高速中性子の一部は線量計内の
プロトンラジエータと相互作用を起すが、多くはファン
トム30に到達し、散乱を起す。その散乱線の一部が中性
子検出素子１に入射する。当然、線量計に入射する中性
子のエネルギーは入射中性子のエネルギーを最大として
熱中性子まで存在することになる。線量計内のコンバー
タの種類，粒径，層厚、及びプロトンラジエータの種
類，層厚を調節することにより実効線量当量の応答を容
易に得ることができる。

以上説明した本実施例の中性子個人被曝線量計のエネ
ルギー応答特性は、従来例と比べて、高エネルギー領域
でもよく一致している。実効線量当量の応答と良く一致
しており、実用的な中性子個人被曝線量計を提供できる
ことが分かる。

なお、第４図の実施例では、粒状ボロンを焼成し、そ
の間隙及び上記をプロトンラジエータで埋める構造によ
り荷電粒子を発生させるようにしたが、これをボロンと
水素化合物との化合物，混合物等で置きかえてもよい。

第８図に本発明の中性子検出器の第２の実施例を示
す。本実施例では、開口部のあるボロン板50を半導体検
出素子１に設け、その開口部にプロトンラジエータ51を
埋め込む構造とする。本実施例では、ボロン板の開口部
の面積（開口部が円の場合はその直径）を調節すること
によって検出器の応答を調整できる。この開口部のある
ボロン板の製作方法は、金属マスク前面にスパッタリン
グ等でボロン層を作り、その後、金属マスクを取りはず
すことによって任意の形状のボロンを形成できる。この
ように形成したボロン板を半導体検出素子１の表面に密
着して取り付ける。取付方法は接着剤あるいは端部を機
械的に固定する単純な手段で機能を果たすことができ
る。

本実施例においても、第１の実施例の同様な効果を果
たすことができる。

第９図に本発明の第３の実施例を示す。本実施例は、
半導体検出素子１の上にプロトンラジエータ53だけを設
け、高速中性子に対してのみ有感を検出器としたもので
ある。プロトンラジエータ53は、第４図の場合と同様、
パラフィン等を塗布することにより容易に作製できる。
本実施例においては高速中性子に対して検出感度の高い
中性子個人被曝線量計を提供できる。

第10図に本発明の第４の実施例を示す。本実施例は、
半導体検出素子１の面上に粒状ボロン層55を形成し、そ
の上面を水素を含まない物質、例えばアルミ蒸着膜56で
保護する。この検出器は熱中性子だけを検出するもの
で、粒状ボロンを用いることで温度変化によるはく離の
心配なくその層の厚さを十分にとり、熱中性子の検出感
度を向上させたものである。本実施例においては熱中性
子に対して検出感度の高い中性子個人被曝線量計を提供
できる。

以上の各実施例においては、熱中性子との核反応材料
としてボロンを用いるものとしたが、これをリチウムの
核反応⁶Li（n,α）³Hを利用してもよいし、ウランを用
いてもよい。この場合、生成されるα線のエネルギーが
ボロンとは異なるので、その飛程に従ってコンバータ厚
を設定する必要がある。また、高速中性子の増感作用物
質として水素化合物等のプロトンラジエータを例として
説明しているが、高速中性子と相互作用を起こして重荷
電粒子を発生させる材料であれば他の物質でもよい。さ
らにシリコン半導体を用いた半導体検出素子の例を述べ
ているが、テルル化カドミウムやヨウ化水銀等の化合物
半導体を用いた検出素子を用いることもできる。

次に、中性子線量率計について述べる。

第11図は、半導体中性子線量率計の一実施例を示す。
本実施例は球形の中性子減速体２とその外殻を開口部の
ある熱中性子吸収体３で人体を模擬するファントムを構
成し、その中に上述した半導体中性子検出器40を設けた
ものである。中性子の検出信号は信号ケーブルを介して
外部の放射線計測回路60に送る。この球形の中性子減速
体２を用いる体系が、最も無指向性を維持する線量率計
を実現できる。第12図は、本発明の中性子検出部の模式
図を示す。第４図で示した半導体検出器をパラフィンや
ポリエチレンなどの中性子減速体２と開口部のあるカド
ミウム板などの熱中性子吸収体３の中央に設ける。第12
図では、半導体検出素子１を封入する金属ケース（キャ
ン）及び信号取り出しの信号ケーブルは図示省略してい
る。本線量率計の外部から入射する熱中性子（Nth）
は、熱中性子吸収体３と中性子減速体２に一部吸収さ
れ、一部が検出素子１に到達する。ここで熱中性子コン
バータ５と核反応を起し、α線を生成する。高速中性子
（Nf）は熱中性子吸収体３に吸収されることなく中性子
減速体２に到達し、ここで一部熱中性子に減速されるが
他の一部はプロトンラジエータ２に到達する。プロトン
ラジエータでは高速中性子との散乱作用で反跳陽子（プ
ロトン）を生成する。これらの生成α線と陽子線の電荷
は半導体検出素子１内の空乏層７で収集される。

第13図は中性子検出器の構造と放射線計測回路60のブ
ロック線図を示す。中性子検出器の構造は第４図に示す
ものと同様であるので説明は省略する。放射線計測回路
60は、基本的には第４図と同じであるが、ディスクリミ
ネータ16,計数回路17を２種類設け、添字ａ系統はエネ
ルギー依存性の全体の計数を示し、添字ｂ系統は後述す
るある一定以上のエネルギーをもつ高速中性子弁別用の
回路である。

第14図に、本発明の中性子線量率計のエネルギー応答
を調べた結果の一例を示す。この図は中性子減速体厚を
パラメータにして調べた結果である。このときの中性子
線量率計の主な構造仕様は以下のとおりである。

ボロンの粒径 :20μｍ プロトンラジエータ厚:2mm 熱中性子吸収体開口比:70％（開口率）（厚さ0.5mm
のカドミウム） このように、中性子減速体厚を変化することによっ
て、線量当量の応答を変化させることができる。

第15図は本発明の中性子線量率計の応答と線量当量の
応答と比較した結果を示す。中性子減速体厚は80mmのも
のである（第14図の減速体厚80mmのデータ）。この場合
も、第５図と同様に補完している。この結果からも明ら
かなように、本発明の中性子線量率計の応答は熱中性子
から15MeVのエネルギー領域にわたって線量当量応答と
±30％の高精度で一致する。同時に従来の線量率計の応
答例を示している。従来の線量率計は数MeV以上で感度
が低下する。

以上説明したように、中性子減速体厚を調節すること
によって実効線量当量応答が実現できる。また、以上の
説明では、中性子減速体厚を調節したが、熱中性子吸収
体厚やその開口比を調節してもよい。本発明の中性子線
量率計は原子力発電所等の放射線取扱い施設のエリアモ
ニタ，周辺環境モニタ，サーベイメータ等に採用するこ
とが可能であり、実用的な新しい測定器を提供できる。

第16図に本発明の第２の中性子線量率計の実施例を示
す。これは、無指向性を維持するため球に近い中性子減
速体として、直径と高さが同一の直円体にしたものであ
る。半導体中性子検出器40を中央に設け、中性子減速体
２の外形に沿って開口部のある熱中性子吸収体３を設け
る。中性子検出信号は信号ケーブルを介して、計測回路
60とデータ処理部を含む指示計器20に送る。中性子減速
体２の外形が球のものは製造コストが高くなる。中性子
減速体２の形状が球に近い直円体にすることによって大
幅なコスト低減が図れる。中性子減速体２の形状が球形
以外になることによって、指向性が生じる可能性があ
る。第17図に本実施例の垂直方向の指向性を調べた結果
を示す。この結果からも明らかなように±10％以内で指
向性は無視できる。これは中性子が減速体内で何回も散
乱されるので、指向性が緩和されることによる。

この検証結果に基づき、以下の変形例が考えられる。
第18図は正方体の中性子減速体２のコーナを全てカット
した形状を示す。第19図はその正面図を示す。中性子検
出器40はいずれも中央に設ける。第20図は直円体の中性
子減速体２のコーナをカットする変形例を示す。これら
の変形例はいずれも本発明の性能を十分維持できるもの
である。第18図，第19図，第20図で熱中性子吸収体３の
図示は省略している。

第21図は熱中性子吸収体３の設置に関する変形例を示
す。第21図では中性子減速体２の内部に開口部のある熱
中性子吸収体３を設けている。第22図は中性子減速体２
と中性子検出器40の間に、開口部のある熱中性子吸収体
３を設けた変形例を示す。熱中性子吸収体３は中性子減
速体２の内部に設ける方が熱中性子吸収体３の設置量が
少なくてすむ効果がある。

第23図に本発明で計測される信号の波高分布（スペク
トル）の一例を示す。波高値ＡとＢで示した丸印αの領
域が熱中性子との核反応で生成するα線の波高領域であ
る。波高値Ｂ以上が数MeVの高速中性子と相互作用を起
して生成するプロトンの波高領域である。波高値Ｂ以下
はγ線の波高値である。ディスクリレベルをA,Bあるい
はＢ以上で多段に設けることによって、それぞれの出力
信号から高速中性子のエネルギー成分を同時弁別するこ
とが容易に可能となる（第13図の計測回路ブロック図参
照）。当然、中性子のエネルギーと波高値の校正係数お
よび各波高領域における中性子検出の感度係数はあらか
じめ求めておき、絶対値への換算データ処理は必要とな
る。高エネルギー加速器を利用する施設では高速中性子
の同時弁別計測のニーズが多く、本発明の適用範囲は極
めて広い。

また、熱中性子吸収体においてもボロン，リチウムな
どをカドミニウムの代用にできる。上述した実施例では
熱中性子吸収体の開口比で熱中性子成分の検出感度を調
節しているが、熱中性子吸収体の厚さを変えることによ
っても感度調節は可能である。

更に個人被曝線量計と同様に、検出素子として半導体
検出素子を用いたが、テルル比カドニウムやヨウ化水銀
等の化合物半導体を用いてもよい。

人体の模擬するファントムとして、中性子減速体や熱
中性子吸収体を用いた個人被曝線量計で説明したように
ある一定の大きさをもつ水やアクリル等の上に実効線量
応答を実現できる中性子検出器を搭載することで、実効
線量当量の応答を実現する中性子線量率計を実現でき
る。

また、以上の説明においては、中性子検出器が実効線
量当量の応答を実現する場合について述べた。しかし、
中性子減速体や熱中性子吸収体の厚さ等を変えることに
よって線量当量の応答を変えることができる。そこで、
中性子検出器自体は実効線量当量の応答を実現できなく
ても、それらを囲む中性子減速体や熱中性子吸収体の厚
さ等を変えることによって、中性子線量率計全体で実効
線量当量の応答を実現することも可能である。この場
合、実効線量当量の応答を実現する中性子線量率計を提
供する立場からすれば、中性子検出器はBF₃計数管や³He
計数管等でもよい。

最後に、以上の説明では、中性子減速体や熱中性子吸
収体を囲むように設置したが、中性子線量率計を壁に沿
って設置する場合には、中性子が入射してくる方向は限
定されるから、その方向のみに中性子減速体や熱中性子
吸収体を設けてもよい。

産業上の利用可能性 以上説明したように、本発明によれば、線量当量応答
を実現する中性子検出装置を提供できる。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−205792（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−253971（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−164071（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−39778（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−167988（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−80284（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01T 1/24 G01T 3/00 G01T 3/08

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】荷電粒子を検出する半導体検出素子と、前
   記半導体検出素子の表面上に配置され、熱中性子と反応
   して荷電粒子を発生する粒状或いは粉末状のコンバータ
   と、前記半導体検出素子の表面に接触するようにして前
   記コンバータの間隙に存在すると共に前記コンバータの
   上に存在し、高速中性子と反応して荷電粒子を発生する
   プロトンラジエータと、前記半導体検出素子から得られ
   る信号を処理する処理手段とを備えたことを特徴とする
   中性子検出装置。
2. 【請求項２】荷電粒子を検出する半導体検出素子と、前
   記半導体検出素子の表面上に配置され、開口部を有する
   板状で熱中性子と反応して荷電粒子を発生するコンバー
   タと、前記半導体検出素子の表面に接触するようにして
   前記コンバータの開口部に存在すると共に前記コンバー
   タの上に存在し、高速中性子と反応して荷電粒子を発生
   するプロトンラジエータと、前記半導体検出素子から得
   られる信号を処理する処理手段とを備えたことを特徴と
   する中性子検出装置。
3. 【請求項３】前記コンバータはボロンであり、前記プロ
   トンラジエータは水素化合物であることを特徴とする請
   求項１及び２のいずれかに記載の中性子検出装置。
4. 【請求項４】前記半導体検出素子は、pn接合を有する半
   導体ウエハと、前記半導体ウエハの表裏にそれぞれ接続
   された電極とを有し、前記電極のうち少なくとも前記pn
   接合側の電極は空乏層の一部を覆うように形成したこと
   を特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の中性子
   検出装置。
5. 【請求項５】前記半導体検出素子は１つであることを特
   徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の中性子検出
   装置。