JP3985941B2

JP3985941B2 - 中性子検出器

Info

Publication number: JP3985941B2
Application number: JP2001313430A
Authority: JP
Inventors: 智宏安達; 隆之奥; 裕彦清水; 健二酒井
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2001-10-11
Filing date: 2001-10-11
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2021-10-11
Also published as: JP2003121552A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中性子検出器に関し、さらに詳細には、シンチレータを用いた中性子検出器に関する。
【０００２】
なお、シンチレータとは、放射線が当たったときに当該放射線を吸収して蛍光を発する物質のことであるが、本明細書においては、特に、中性子が当たったときに当該中性子を吸収して蛍光を発する物質のことを中性子シンチレータと称する。
【０００３】
【発明の背景】
従来より、放射線の一種である中性子を検出する検出器として、中性子シンチレータを用いた中性子検出器が知られている。
【０００４】
図１には、従来の中性子検出器の一例が示されており、この中性子検出器１００は、Ｘ−Ｙ平面上に延長された中性子シンチレータ１０２と、中性子シンチレータ１０２の上面１０２ａにＹ軸方向に延長されて配設された複数の波長変換ファイバー１０４と、中性子シンチレータ１０２の下面１０２ｂにＸ軸方向に延長されて配設された複数の波長変換ファイバー１０６と、波長変換ファイバー１０４、１０６が接続される光電子増倍管と信号取り出し線とよりなる検出手段（図示せず）とを有して構成されている。
【０００５】
ここで、中性子シンチレータ１０２は、上面１０２ａに中性子が当たったときに当該中性子を吸収して蛍光（可視光）を発する。
【０００６】
波長変換ファイバー１０４、１０６は、中性子シンチレータ１０２からの蛍光を吸収して波長変換する物質を含有しており、吸光度はおよそ１００％である。そして、Ｘ軸方向に延長されている波長変換ファイバー１０４によってＸ軸方向の位置の検出がなされ、Ｙ軸方向に延長されている波長変換ファイバー１０６によってＹ軸方向の位置の検出がなされる。
【０００７】
なお、中性子シンチレータ１０２の上下に配設された波長変換ファイバー１０４と波長変換ファイバー１０６とが交差している領域が、この中性子検出器１００における検出可能な範囲（以下、検出領域）となる。
【０００８】
こうした従来の中性子検出器１００においては、中性子が中性子シンチレータ１０２の上面１０２ａに当たると、中性子シンチレータ１０２から蛍光が出て、当該中性子シンチレータ１０２から出た蛍光は、波長変換ファイバー１０４、１０６に吸収される（図２参照）。
【０００９】
こうして波長変換ファイバー１０４、１０６に吸収された蛍光が、波長変換ファイバー１０４、１０６によって波長変換されて、波長変換ファイバー１０４、１０６内を伝わって、端部から検出手段に至り中性子の検出がなされる。
【００１０】
しかしながら、上記したような従来の中性子検出器１００においては、波長変換ファイバー１０４、１０６がＸ軸方向とＹ軸方向とにそれぞれ延長されて配設されているので、検出領域を拡大するために中性子検出器１００を複数台並べることができないという問題点があった。
【００１１】
また、従来の中性子検出器１００においては、上記したように、中性子シンチレータ１０２を上下方向から挟み込むようにして、いずれも吸光度がおよそ１００％の波長変換ファイバー１０４、１０６が配設されている。このため、中性子が中性子シンチレータ１０２に当たる前に、当該中性子シンチレータ１０２の上面１０２ａに配設されている波長変換ファイバー１０４によって吸収されてしまい、中性子の検出効率が低下してしまうという問題点があった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような従来の技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、複数台を並べて用いることができ、また、高い検出効率を確保することのできる中性子検出器を提供しようとするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、上面側から入射された中性子が透過可能であるとともに、下面側において蛍光を反射する矩形形状の第１のミラー（１２）と、上記第１のミラー（１２）の矩形形状と一致する矩形形状を備えていて、該矩形形状の辺が互いに一致するようにして上記第１のミラー（１２）の下面側に配設され、中性子が当たったときに該中性子を吸収して蛍光を発する中性子シンチレータ（１４）と、上記矩形形状の直交する２辺のうちの一方の辺に一致する長さを有するとともに、上記中性子シンチレータ（１４）の下方側において、該一方の辺に沿って延長し、かつ、上記中性子シンチレータ（１４）の下面に沿って複数緊密に配設された第１の波長変換ファイバー（１６）であって、上記中性子シンチレータ（１４）が発した蛍光を５０％の吸光度で吸収し、吸収した光の波長を所定の波長に変換して放出するものと、上記矩形形状の直交する２辺のうちの他方の辺に一致する長さを有するとともに、上記複数の第１の波長変換ファイバー（１６）の下方側において、該他方の辺に沿って延長し、かつ、上記中性子シンチレータ（１４）の下面に沿って複数緊密に配設された第２の波長変換ファイバー（１８）であって、上記中性子シンチレータ（１４）が発した蛍光を１００％の吸光度で吸収し、吸収した光の波長を所定の波長に変換して放出するものと、上記複数の第１の波長変換ファイバー（１６）のそれぞれの両端に上記第１の波長変換ファイバー（１６）の延長方向と４５°の角度をなして配設された第２のミラー（２０）と、上記複数の第２の波長変換ファイバー（１８）のそれぞれの両端に上記第２の波長変換ファイバー（１８）の延長方向と４５°の角度をなして配設された第３のミラー（２２）と、上記複数の第１の波長変換ファイバー（１６）のそれぞれの両端から上記複数の第１の波長変換ファイバー（１６）によって形成される平面と９０°の角度をなして配設され、上記第１の波長変換ファイバー（１６）から放出された光が上記第２のミラー（２０）によって反射されて導入され該導入された光を導く第１の光ファイバー（２４）と、上記複数の第２の波長変換ファイバー（１８）のそれぞれの両端から上記複数の第２の波長変換ファイバー（１８）によって形成される平面と９０°の角度をなして配設され、上記第２の波長変換ファイバー（１８）から放出された光が上記第３のミラー（２２）によって反射されて導入され該導入された光を導く第２の光ファイバー（２６）と、上記第１の光ファイバー（２４）と上記第２の光ファイバー（２６）とに接続され、上記第１の光ファイバー（２４）と上記第２の光ファイバー（２６）とから光を導かれる光電子倍増管（２８）とを有するようにしたものである。
【００１５】
従って、本発明のうち請求項１に記載の発明によれば、波長変換部材から放出された光は、波長変換部材の端部に配設された反射部材によって、波長変換部材と９０°の角度をなして延長されている導光部材に導入されて検出手段に至るので、検出領域を拡大するために中性子検出器を複数台並べて配置することができる。
【００１６】
また、シンチレータの下方側に第１の波長変換部材ならびに第２の波長変換部材が配設されているので、中性子はシンチレータの上面側に直接当たるようになり、検出効率を向上することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面に基づいて、本発明による中性子検出器の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
【００１９】
図３には、本発明による中性子検出器の実施の形態の一例の概略構成斜視図が示されており、図４には、本発明による中性子検出器の実施の形態の一例の概略構成分解斜視図が示されており、図５（ａ）には、図４の一部拡大図が示されており、図５（ｂ）には、図５（ａ）の一部拡大図が示されている。
【００２０】
図３に示す中性子検出器１０は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸により定義される直交座標系（図３に示す座標系を示す参考図参照）のＸ−Ｙ平面に沿って延長された第１の反射部材としてのミラー１２と、ミラー１２の下面側１２ａに配設され、中性子が当たったときに当該中性子を吸収して蛍光（可視光）を発する中性子シンチレータ１４と、中性子シンチレータ１４の下面１４ｂにＸ−Ｙ平面に沿ったＹ軸方向に延長されて配設された第１の波長変換部材としての複数の波長変換ファイバー１６と、波長変換ファイバー１６の下方側にＸ−Ｙ平面に沿ったＸ軸方向に延長されて配設された第２の波長変換部材としての複数の波長変換ファイバー１８と、波長変換ファイバー１６の両端に配設された第２の反射部材としてのミラー２０と、波長変換ファイバー１８の両端に配設された第３の反射部材としてのミラー２２と、波長変換ファイバー１６の両端からＸ−Ｙ平面と所定の角度をなして延長された第１の導光部材としての光ファイバー２４と、波長変換ファイバー１８の両端からＸ−Ｙ平面と所定の角度をなして延長された第２の導光部材としての光ファイバー２６と、光ファイバー２４ならびに光ファイバー２６が接続された光電子増倍管２８とを有して構成されている。
【００２１】
つまり、中性子シンチレータ１４の上面１４ａ側にはミラー１２のみが配設され、中性子シンチレータの１４下面１４ｂ側には、波長変換ファイバー１６と波長変換ファイバー１８とが順次配設されている。
【００２２】
ここで、ミラー１２は、上面１２ａ側から照射された中性子を透過可能であるとともに、下面１２ｂ側において蛍光を反射するものである。
【００２３】
中性子シンチレータ１４は、例えば、ＺｎＳ（Ａｇ）＋^６Ｌｉのシンチレータであり、上面１４ａに中性子が当たったときに当該中性子を吸収して蛍光を発するものである。
【００２４】
波長変換ファイバー１６は、例えば、主にポリスチレンにより形成されており、表面部分はＰＭＭＡにより形成されている。そして、所定の光を吸収し波長変換する物質が含有されており、吸光度はおよそ５０％に設定されている。
【００２５】
この波長変換ファイバー１６は、中性子シンチレータ１４の下面１４ｂ側にＹ軸方向に延長されて配設されており、この波長変換ファイバー１６の両端には、ミラー２０が配設され、さらに、Ｘ−Ｙ平面と所定の角度をなして延長された光ファイバー２４が配設されている。
【００２６】
そして、波長変換ファイバー１６は、中性子シンチレータ１４が発した蛍光をおよそ５０％の吸光度で吸収し、吸収した光の波長を所定の波長に変換する。こうして所定の波長に変換された光は、波長変換ファイバー１６内をＹ軸方向に移動して端部から放出され、この放出された光はミラー２０によって反射されて光ファイバー２４に導入されるようになされている。
【００２７】
一方、波長変換ファイバー１８は、例えば、主にポリスチレンにより形成されており、表面部分はＰＭＭＡにより形成されている。そして、所定の光を吸収して波長変換する物質が含有されており、吸光度はおよそ１００％である。
【００２８】
この波長変換ファイバー１８は、波長変換ファイバー１６の下方側にＸ軸方向に延長されて配設されており、この波長変換ファイバー１８の両端には、ミラー２２が配設され、さらに、Ｘ−Ｙ平面と所定の角度をなして延長された光ファイバー２６が配設されている。
【００２９】
そして、波長変換ファイバー１８は、中性子シンチレータ１４が発した蛍光をおよそ１００％の吸光度で吸収し、吸収した光の波長を所定の波長に変換する。こうして所定の波長に変換された光は、波長変換ファイバー１８内をＸ軸方向に移動して端部から放出され、この放出された光はミラー２２によって反射されて光ファイバー２６に導入されるようになされている。
【００３０】
なお、ミラー２０、２２はそれぞれ、波長変換ファイバー１６、１８の延長方向とおよそ４５°の角度を有するようにして配設されており、光ファイバー２４、２６とＸ−Ｙ平面となす角はおよそ９０°であるようになされている。
【００３１】
こうしたミラー２０、２２は、例えば、波長変換ファイバー１６、１８の両端部を斜めに切断および研磨し、その研磨面にアルミを蒸着するなどして形成することができる。
【００３２】
中性子シンチレータ１４の下面１４ｂ側において、複数の波長変換ファイバー１６と複数の波長変換ファイバー１８とが交差している領域が、中性子の検出領域である。なお、検出領域はこの実施の形態においては、例えば、およそ１０ｃｍ×１０ｃｍの矩形形状の領域である。
【００３３】
光電子増倍管２８は、４×４、あるいは、８×８のチャンネルで光を検出できるように構成されている。各チャンネルは光ファイバー２４、２６のそれぞれに対応して、光がきたら対応するチャンネルから光がでて、中性子シンチレータ１４で中性子が当たった位置を検出することが可能となる。
【００３４】
以上の構成において、この中性子検出器１０に中性子が入射されると、中性子はミラー１２を透過して中性子シンチレータ１４の上面１４ａに照射される。
【００３５】
すると、中性子シンチレータ１４から蛍光が出射されて、当該中性子シンチレータ１４から出射された蛍光が、波長変換ファイバー１６におよそ５０％の吸光度で吸収されるとともに、その残余部分が波長変換ファイバー１８におよそ１００％の吸光度で吸収される（図６参照）。
【００３６】
ここで、中性子シンチレータ１４から出射された蛍光は四方八方に進むが、波長変換ファイバー１６、波長変換ファイバー１８に直接入射される蛍光は中性子シンチレータ１４の下面１４ｂ側に出射されたものだけである。ところが、中性子シンチレータ１４の上面１４ａ側にはミラー１２が配設されているので、中性子シンチレータ１４の上面１４ａ側に出射された蛍光も、このミラー１２の下面１２ｂによって反射されて下方側に進み、波長変換ファイバー１６、波長変換ファイバー１８に入射されることになる。
【００３７】
こうして波長変換ファイバー１６に入射されて吸収された蛍光は、波長変換ファイバー１６によって波長変換される。こうして波長変換された光がミラー２０によって反射されて、光ファイバー２４に導入される。
【００３８】
同様に、波長変換ファイバー１８に入射されて吸収された蛍光は、波長変換ファイバー１８によって波長変換される。こうして波長変換された光がミラー２２によって反射されて、光ファイバー２６に導入される。
【００３９】
そして、光ファイバー２４、２６に導入された光は光電子増倍管２８に至り、中性子が中性子シンチレータ１４に当たった位置の検出がなされる。
【００４０】
上記したようにして、本発明による中性子検出器１０は、波長変換ファイバー１６、１８の両端にミラー２０、２２を配設したため、当該ミラー２０、２２によって波長変換ファイバー１６、１８の光が下方に延長されている光ファイバー２４、２６に導入され、光ファイバー２４、２６によって光電子増倍管２８によって導光されて中性子の検出がなされる。
【００４１】
このため、本発明による中性子検出器１０においては、検出領域の周囲に光ファイバーのような導光手段などが延設されることがないので、検出領域を拡大するために中性子検出器１０を複数台並べること、具体的には、互いに近接した状態で中性子検出器１０を複数配置することが可能となる。
【００４２】
換言すれば、本発明による中性子検出器１０は並べる台数を容易に変更することが可能であり、それにより所望の大きさの検出領域を簡単に形成することができる。
【００４３】
また、本発明による中性子検出器１０においては、中性子シンチレータ１４の下面１４ｂ側に波長変換ファイバー１６ならびに波長変換ファイバー１８を配設するようにしたため、中性子は中性子シンチレータ１４の上面１４ａ側に直接当たるようになる。このため、従来の中性子検出器１００（図１ならびに図２参照）のように、中性子が中性子シンチレータに当たる前に波長変換ファイバーによって吸収されることがなく、本発明による中性子検出器１０によれば中性子の検出効率を向上することができる。
【００４４】
さらに、本発明による中性子検出器１０においては、波長変換ファイバー１６、１８の光が光ファイバー２４、２６によって光電子増倍管２８にまで至るようになされているので、従来の中性子検出器に比べて、波長変換ファイバーの全長を短縮化することが可能となる。
【００４５】
ここで、波長変換ファイバーは光を吸収して波長変換する物質を含有しているので、光の透過効率が低下するものである。つまり、波長変換ファイバーをあまり長くすると、「１００」の光が波長変換ファイバーに入っても検出手段によって検出されるときには「８０」くらいに減衰してしまうことがある。このため、波長変換ファイバーは短くして光ファイバーを使用したいという要望があった。本願はこうした要望にも沿うものであり、高い検出効率を有する。
【００４６】
なお、単に検出領域を拡大するだけであれば、本発明による中性子検出器１０を複数台並べるのではなくて、１台の従来の中性子検出装置において、Ｘ軸、Ｙ軸それぞれの方向に延長されている波長変換ファイバーの本数を増やすという方法を採用することが考えられる。
【００４７】
しかしながら、波長変換ファイバーの本数を増やすと、コンピュータにおける信号処理の負担が増大するとともに、波長変換ファイバーが長くなってロスが大きくなってしまうという新たな問題点を招来することになる。
【００４８】
一方、本発明による中性子検出器１０は、こうした新たな問題点を生起することなしに、検出領域の拡大と検出効率の向上とを実現することができる。
【００４９】
具体的に、検出効率の向上について示すと、例えば、波長変換ファイバーの矩形形状の断面０．５ｍｍ×０．５ｍｍの場合には１．３倍程度、波長変換ファイバーの矩形形状の断面１ｍｍ×１ｍｍの場合には１．４５倍程度となる。
【００５０】
なお、この検出効率は、従来の中性子シンチレータの上面に配設された波長変換ファイバーにおいて中性子が波長変換ファイバーの矩形形状の断面０．５ｍｍ×０．５ｍｍの場合におよそ２割、波長変換ファイバーの矩形形状の断面１ｍｍ×１ｍｍの場合におよそ４割吸収されていたとして、こうした吸収がなくなったとして算出している。
【００５１】
なお、上記した実施の形態においては、中性子シンチレータ１４を用いるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、シンチレータの種類を変えて中性子以外の放射線の検出を行うようにしてもよい。この際、波長変換ファイバーの種類、即ち、波長変換ファイバーの太さや波長変換ファイバーに含有される蛍光物質の種類なども変更する必要がある。
【００５２】
例えば、ＺｎＳ（Ａｇ）のシンチレータ（発光ピーク波長：４５０ｎｍ）を用いることによりα線を検出することができ、ポリビニルトルエンのシンチレータ（発光ピーク波長：４２３ｎｍ）を用いることによりβ線を検出することができ、ＣｓＩ（Ｔｌ）のシンチレータ（発光ピーク波長：５５０ｎｍ）あるいはＣｓＩ（Ｎａ）のシンチレータ（発光ピーク波長：４２０ｎｍ）を用いることによりγ線を検出することができ、ＹＡＰ：Ｃｅのシンチレータ（発光ピーク波長：３５０ｎｍ）あるいはＮａＩ（Ｔｌ）のシンチレータ（発光ピーク波長：４１５ｎｍ）を用いることによりＸ線を検出することができ、ＺｎＳ（Ａｇ）＋^６Ｌｉのシンチレータ（発光ピーク波長：４５０ｎｍ）を用いることにより中性子線、α線を検出することができ、ＬｉＧｌａｓｓのシンチレータ（発光ピーク波長：３９５ｎｍ）を用いることにより中性子線、α線、β線、γ線を検出することができる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、複数台を並べて用いることができ、また、高い検出効率を確保することのできる中性子検出器を提供することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の中性子検出器の実施の形態の一例を示す概略構成斜視図である。
【図２】従来の中性子検出器における検出を模式的に示した説明図である。
【図３】本発明による中性子検出器の実施の形態の一例を示す概略構成斜視図である。
【図４】本発明による中性子検出器の実施の形態の一例を示す概略構成分解斜視図である。
【図５】（ａ）は図４の一部拡大図であり、（ｂ）は（ａ）の一部拡大図である。
【図６】本発明による中性子検出器の実施の形態の一例における検出を模式的に示した説明図である。
【符号の説明】
１０中性子検出器
１２ミラー
１４中性子シンチレータ
１６、１８波長変換ファイバー
２０、２２ミラー
２４、２６光ファイバー
２８光電子増倍管

Claims

上面側から入射された中性子が透過可能であるとともに、下面側において蛍光を反射する矩形形状の第１のミラー（１２）と、
前記第１のミラー（１２）の矩形形状と一致する矩形形状を備えていて、該矩形形状の辺が互いに一致するようにして前記第１のミラー（１２）の下面側に配設され、中性子が当たったときに該中性子を吸収して蛍光を発する中性子シンチレータ（１４）と、
前記矩形形状の直交する２辺のうちの一方の辺に一致する長さを有するとともに、前記中性子シンチレータ（１４）の下方側において、該一方の辺に沿って延長し、かつ、前記中性子シンチレータ（１４）の下面に沿って複数緊密に配設された第１の波長変換ファイバー（１６）であって、前記中性子シンチレータ（１４）が発した蛍光を５０％の吸光度で吸収し、吸収した光の波長を所定の波長に変換して放出するものと、
前記矩形形状の直交する２辺のうちの他方の辺に一致する長さを有するとともに、前記複数の第１の波長変換ファイバー（１６）の下方側において、該他方の辺に沿って延長し、かつ、前記中性子シンチレータ（１４）の下面に沿って複数緊密に配設された第２の波長変換ファイバー（１８）であって、前記中性子シンチレータ（１４）が発した蛍光を１００％の吸光度で吸収し、吸収した光の波長を所定の波長に変換して放出するものと、
前記複数の第１の波長変換ファイバー（１６）のそれぞれの両端に前記第１の波長変換ファイバー（１６）の延長方向と４５°の角度をなして配設された第２のミラー（２０）と、
前記複数の第２の波長変換ファイバー（１８）のそれぞれの両端に前記第２の波長変換ファイバー（１８）の延長方向と４５°の角度をなして配設された第３のミラー（２２）と、
前記複数の第１の波長変換ファイバー（１６）のそれぞれの両端から前記複数の第１の波長変換ファイバー（１６）によって形成される平面と９０°の角度をなして配設され、前記第１の波長変換ファイバー（１６）から放出された光が前記第２のミラー（２０）によって反射されて導入され該導入された光を導く第１の光ファイバー（２４）と、
前記複数の第２の波長変換ファイバー（１８）のそれぞれの両端から前記複数の第２の波長変換ファイバー（１８）によって形成される平面と９０°の角度をなして配設され、前記第２の波長変換ファイバー（１８）から放出された光が前記第３のミラー（２２）によって反射されて導入され該導入された光を導く第２の光ファイバー（２６）と、
前記第１の光ファイバー（２４）と前記第２の光ファイバー（２６）とに接続され、前記第１の光ファイバー（２４）と前記第２の光ファイバー（２６）とから光を導かれる光電子倍増管（２８）と
を有する中性子検出器。