JP5710352B2 - Neutron detector - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、中性子検出器に関する。   Embodiments described herein relate generally to a neutron detector.

従来から、中性子透過撮影、中性子イメージング、中性子散乱実験などに用いる各種の中性子検出器(中性子2次元検出器)が提案されている。また、現在、世界各国において、各種の物質の物性研究や原子核に関する基礎実験のために、新しい大強度パルス中性子源の建設が進行中である。   Conventionally, various neutron detectors (neutron two-dimensional detectors) used for neutron transmission imaging, neutron imaging, neutron scattering experiments, and the like have been proposed. Currently, construction of new high-intensity pulsed neutron sources is underway in various countries around the world for the study of physical properties of various substances and basic experiments on nuclei.

一般的に、中性子の検出器としては、検出効率の高い検出器としてHe(ヘリウム)の同位体He(以下He−3と記載する。)ガスを用いたHe−3ガス検出器や中性子と直接または2次的に反応して発光するシンチレータを用いたシンチレーション検出器が知られている。 Generally, as a neutron detector, a He-3 gas detector using He (helium) isotope 3 He (hereinafter referred to as He-3) gas or a neutron as a detector with high detection efficiency. A scintillation detector using a scintillator that emits light by reacting directly or secondarily is known.

ここで、中性子は電荷を持っていないため、中性子を検出するためには、中性子と反応し荷電粒子あるいはガンマ線などに変換するコンバータが必要となる。中性子コンバータとしては、中性子吸収断面積の大きなHe−3、Li−6、B−10、Cd−113、Gd−155、Gd−157が知られているが、現在は、ガンマ線に対して低感度であるという理由から、He−3ガスを用いた中性子検出器であるHe−3ガス検出器が用いられている。   Here, since neutrons have no electric charge, in order to detect neutrons, a converter that reacts with neutrons and converts them into charged particles or gamma rays is required. As neutron converters, He-3, Li-6, B-10, Cd-113, Gd-155, and Gd-157, which have large neutron absorption cross sections, are known. Therefore, a He-3 gas detector that is a neutron detector using He-3 gas is used.

さらに、エネルギーの高い高速中性子や熱外中性子(別名エピサーマル)を効率良く検出するために、中性子検出器の周りにポリエチレンなど中性子減速材で覆う構成も検討されている。   Furthermore, in order to efficiently detect high-energy fast neutrons and epithermal neutrons (also known as epithermal), a configuration in which the neutron detector is covered with a neutron moderator such as polyethylene has been studied.

一方、シンチレーション検出器は高い計数能力を有するものの、固体のため密度が大きくなり、ガンマ線に対する感度が高くなってしまう。中性子を高計数率で検出するには、蛍光寿命が短い中性子検出用シンチレータを用いることが不可欠である。このため、Li単結晶からなるシンチレータを、中性子検出に用い、その蛍光特性と光電子増倍管と組み合わせた中性子検出器が開発されている。また、特に中性子検出あるいは中性子イメージングに不可欠なガンマ線による影響の軽減に関しては、軽元素から構成されるシンチレータが好ましいが、Li、B及びOとも軽元素であるため、この点についても、Li単結晶からなるシンチレータは、要求を満足している。 On the other hand, although the scintillation detector has a high counting capability, the density is increased due to the solid and the sensitivity to gamma rays is increased. In order to detect neutrons at a high counting rate, it is essential to use a neutron detection scintillator with a short fluorescence lifetime. Therefore, a neutron detector has been developed in which a scintillator made of a Li 2 B 4 O 7 single crystal is used for neutron detection, and its fluorescence characteristics and a photomultiplier tube are combined. Further, particularly for reducing the influence of gamma rays essential for neutron detection or neutron imaging, a scintillator composed of light elements is preferable. However, since Li, B and O are also light elements, Li 2 B A scintillator made of 4 O 7 single crystal satisfies the requirements.

更に、従来の中性子シンチレータに比べてより薄く構成することができ、かつ、従来のLiベースシンチレータに比べてガンマ線感度や位置分解能の点で優れた中性子シンチレータが開発されている。これは、BおよびLiを主構成要素として構成した酸化物にCeを添加してガラスにした中性子シンチレータを出発原料として、LiとCeOとを混合した後に、少なくとも950℃以上の温度で加熱して1時間以上保持した後に、800〜400℃の温度の間を150℃/sec以上の速度で冷却して製造するものである。 Furthermore, neutron scintillators that can be made thinner than conventional neutron scintillators and that are superior in terms of gamma-ray sensitivity and position resolution compared to conventional Li-based scintillators have been developed. This is because at least 950 ° C. or more after mixing Li 2 B 4 O 7 and CeO 2 using a neutron scintillator in which Ce is added to an oxide composed of B and Li as main constituents to form glass. After heating at a temperature of 1 hour and holding it for 1 hour or longer, it is manufactured by cooling between 800 and 400 ° C. at a rate of 150 ° C./sec or higher.

これらガンマ線感度が低いと見積もられる軽元素のみで構成されたLiBOならびにLi化合物は、中性子による発光が極めて小さい。さらに、これらにCeを添加した単結晶では、結晶中に固溶するCeは極めて少量であり、中性子による発光が小さく、中性子イメージング用または中性子ラジオグラフィ用の2次元検出器として使用することは難しい。 These LiBO 3 and Li 2 B 4 O 7 compounds composed only of light elements that are estimated to have low gamma-ray sensitivity emit very little light by neutrons. Furthermore, in the single crystals in which Ce is added to these, the amount of Ce dissolved in the crystal is very small, the emission by neutrons is small, and it is difficult to use as a two-dimensional detector for neutron imaging or neutron radiography. .

一方、LiならびにBは、中性子検出に数MeVの荷電粒子生成反応を用いるため、ガンマ線感度に関係なく、シンチレータ素材を選別することができる。特に、Bは、同量のLiに対して約4倍の中性子検出効率が期待できるため、より薄いシンチレータを作成することが可能になる。このためガンマ線感度や位置分解能の点で非常に有利になるので、理想的な中性子コンバータということができる。しかしながら、Bは、生成される荷電粒子エネルギーが市販のLiガラス(Li−Glass)の半分程度であり、発光出力の点では不利とみなされており、従来の中性子シンチレータの殆どは、Liをコンバータとして用いている。   On the other hand, since Li and B use a charged particle generation reaction of several MeV for neutron detection, it is possible to select a scintillator material regardless of gamma ray sensitivity. In particular, B can expect a neutron detection efficiency about four times that of the same amount of Li, so that a thinner scintillator can be produced. For this reason, it is very advantageous in terms of gamma ray sensitivity and position resolution, so it can be said to be an ideal neutron converter. However, B is considered to be disadvantageous in terms of light emission output because the generated charged particle energy is about half that of commercially available Li glass (Li-Glass), and most conventional neutron scintillators convert Li into a converter. It is used as.

ここで、現在実用化されている中性子シンチレータの代表としては、例えば、LiF/ZnSがある。この中性子シンチレータは、高い発光量を持ち、取り扱いにも優れているものの、不透明で検出効率や計数能力に限界がある。   Here, representative examples of neutron scintillators currently in practical use include LiF / ZnS. Although this neutron scintillator has a high light emission amount and is excellent in handling, it is opaque and has limited detection efficiency and counting ability.

特に、高精細なイメージングを行う場合の分解能は、反応体とシンチレータを合わせて発光する際の広がりや、その光をイメージングする光学系や撮像素子の分解能に依存する。最近では、撮像系に用いられるCCDやCMOS素子は飛躍的に高画素化されているため、主に反応膜とシンチレータの構成が分解能を決めていると考えられる。すなわち、反応膜で中性子と反応して荷電粒子が発生し、その荷電粒子とシンチレータが反応して発光する場合、荷電粒子の飛ぶ距離(飛程)とシンチレータで発光した光の拡散距離が、分解能に関わるボケとなる。   In particular, the resolution in the case of performing high-definition imaging depends on the spread when the reactant and scintillator emit light together, and the resolution of the optical system and imaging device that images the light. Recently, CCDs and CMOS elements used in the imaging system have been dramatically increased in pixel count, so it is considered that the resolution is mainly determined by the configuration of the reaction film and the scintillator. That is, when charged particles are generated by reacting with neutrons in the reaction film and the charged particles and the scintillator react to emit light, the distance (range) of the charged particles and the diffusion distance of the light emitted by the scintillator are determined by the resolution. It becomes a blur related to.

このため、分解能を向上させるには、反応膜を薄くし、発生する2次荷電粒子の飛程を短くする必要がある。LiF/ZnSの場合、Liが中性子と反応し、アルファ(α)線を出し、そのα線でZnS蛍光体を発光させる。実際の構成は、LiF/ZnSが粒状性の粉末であり、多くの場合、基板となるAl板上にLiF/ZnS粉末を有機バインダーで塗布して固めた構成となっている。   For this reason, in order to improve the resolution, it is necessary to make the reaction film thinner and to shorten the range of the secondary charged particles to be generated. In the case of LiF / ZnS, Li reacts with neutrons to emit alpha (α) rays, and the αS rays cause the ZnS phosphor to emit light. In an actual configuration, LiF / ZnS is a granular powder, and in many cases, LiF / ZnS powder is applied on an Al plate serving as a substrate with an organic binder and hardened.

中性子と反応するLiは、反応効率を上げるために通常濃縮された同位体Li−6が用いられるが、バインダーなど含め全体に占める原子数密度が少ないため、塗布された厚さは数百μm程度となっている。そのため、分解能はこの塗布された厚さで決まり、高くはない。特に中性子のエネルギーが高くなるとLi−6との反応割合は更に少なくなり、効率も悪くなる。反応割合を高くするために厚さを厚くすることが考えられるが、LiF/ZnSは不透明で発光した光がLiF/ZnSで散乱して透過しないため厚くしても効率が上がらない。   Li, which reacts with neutrons, is usually an isotope Li-6 that is used to increase the reaction efficiency. However, since the number density of atoms in the whole including the binder is small, the applied thickness is about several hundred μm. It has become. Therefore, the resolution is determined by the applied thickness and is not high. In particular, when the energy of neutron is increased, the reaction ratio with Li-6 is further decreased and the efficiency is also deteriorated. Although it is conceivable to increase the thickness in order to increase the reaction rate, LiF / ZnS is opaque and the emitted light is scattered by LiF / ZnS and does not pass through.

これらを解決する方法として、厚さ方向に貫通する複数の開口部を有し、これら複数の開口部内に中性子と反応する液体シンチレータを充填したキャピラリープレートと、イメージング検出器とから中性子検出器を構成し、シンチレーション光を計測する2次元検出器が提案されている。しかし、キャピラリープレート部分は反応せず、この部分は中性子が抜けてしまうため、高精細で高効率な2次元検出器とはならない。また、全てのキャピラリープレートの穴の中に均一にシンチレータを保持することは製作上も難しく未だ実用化には至っていない。   As a method for solving these problems, a neutron detector is composed of a capillary plate having a plurality of openings penetrating in the thickness direction and filled with a liquid scintillator that reacts with neutrons in the openings and an imaging detector. However, a two-dimensional detector that measures scintillation light has been proposed. However, the capillary plate portion does not react, and neutrons are lost from this portion, so that the high-definition and high-efficiency two-dimensional detector cannot be obtained. Further, it is difficult to manufacture the scintillator uniformly in the holes of all the capillary plates, and it has not been put into practical use yet.

一方、高精細を実現し、感度を高めるために反応膜とシンチレータを組み合わせ、シンチレータの光を光電変換膜で電子にかえ、電子増幅するイメージインテンシファイア(または電子増倍管)も開発されている(例えば、特許文献1参照。)。しかし、この構造は、高精細にするため、反応膜が5μm程度しかなく、中性子との反応効率がB−10の場合で約10%程度であり、残りの90%の中性子は透過して利用されない。更に中性子のエネルギーが高くなると反応効率は更に小さくなる。このため、高精細ではあるが反応効率が悪く、中性子発生数が少ない(フラックスが小さい)場合には、時間をかけて積算しなければならない。   On the other hand, image intensifiers (or electron multipliers) have been developed that combine a reaction film and scintillator to achieve high definition and increase sensitivity, and convert the light of the scintillator to electrons with a photoelectric conversion film to amplify the electrons. (For example, refer to Patent Document 1). However, in order to make this structure high definition, the reaction film is only about 5 μm, the reaction efficiency with neutrons is about 10% in the case of B-10, and the remaining 90% of neutrons are transmitted and used. Not. Furthermore, the reaction efficiency decreases further as the energy of neutrons increases. For this reason, in the case of high definition, the reaction efficiency is poor, and when the number of neutrons generated is small (the flux is small), it must be accumulated over time.

再公表特許WO2008/132849Republished patent WO2008 / 132849

上述したように、中性子を用い、物質や構造内部の状況を透過して非破壊で高精細、かつ高感度にイメージングしたり、散乱中性子を2次元で検出したりするための中性子検出器においては、特に高エネルギーの中性子領域迄、高精細かつ高効率で検出することのできる中性子検出器の開発が望まれていた。   As described above, in neutron detectors that use neutrons, pass through the state of matter and structures, image non-destructively with high definition and high sensitivity, and detect scattered neutrons in two dimensions In particular, the development of a neutron detector capable of high-definition and high-efficiency detection, particularly up to the high-energy neutron region, has been desired.

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みなされたもので、その目的は、中性子の幅広いエネルギーに対して、特に高エネルギーに対して、高精細かつ高効率で検出することのできる中性子検出器を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and its purpose is to detect a wide range of neutron energy, particularly high energy, with high definition and high efficiency. Is to provide.

実施形態の中性子検出器は、中性子の入射方向に沿って延在し、光を反射する反射層としての作用を有する金属膜と、前記金属膜上に形成され、中性子の入射方向に沿って延在し、中性子と反応して放射線を放出する第1の蒸着膜と、中性子の入射方向に沿って延在し、かつ、前記第1の蒸着膜に隣接して配設され、光を反射する反射材料からなる第2の蒸着膜と、中性子の入射方向に沿って延在し、かつ、前記第2の蒸着膜に隣接して配設され、前記第1の蒸着膜にて発生した前記放射線から光を発生させるシンチレータ層と、を有する積層構造を、複数段積層させた多段積層構造を有し、前記シンチレータ層で発生させた光を、前記金属膜と前記第2の蒸着膜で反射させつつ前記シンチレータ層内を伝搬させて外部に導出するよう構成した検出部を有することを特徴とする。   The neutron detector according to the embodiment extends along the incident direction of neutrons, and has a metal film serving as a reflective layer that reflects light, and is formed on the metal film and extends along the incident direction of neutrons. A first vapor-deposited film that reacts with neutrons and emits radiation; and extends along an incident direction of the neutron and is disposed adjacent to the first vapor-deposited film and reflects light A second vapor-deposited film made of a reflective material; and the radiation generated in the first vapor-deposited film, extending along the incident direction of neutrons and disposed adjacent to the second vapor-deposited film And a scintillator layer that generates light from a multi-layered structure in which a plurality of layers are stacked, and the light generated by the scintillator layer is reflected by the metal film and the second deposited film. While propagating through the scintillator layer and leading out to the outside. Characterized in that it has a detection unit.

本発明によれば、中性子の幅広いエネルギーに対して、特に高エネルギーに対して、高精細かつ高効率で検出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。   According to the present invention, it is possible to provide a neutron detector that can detect a wide range of neutron energy, particularly high energy, with high definition and high efficiency.

一実施形態に係る中性子検出器の要部概略構成を示す図。The figure which shows the principal part schematic structure of the neutron detector which concerns on one Embodiment. 図1の中性子検出器の要部概略構成を拡大して示す図。The figure which expands and shows the principal part schematic structure of the neutron detector of FIG. 他の実施形態に係る中性子検出器の要部概略構成を拡大して示す図。The figure which expands and shows the principal part schematic structure of the neutron detector which concerns on other embodiment. 他の実施形態に係る中性子検出器の要部概略構成を拡大して示す図。The figure which expands and shows the principal part schematic structure of the neutron detector which concerns on other embodiment. 中性子エネルギーと中性子吸収断面積との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between neutron energy and neutron absorption cross section. 厚さと熱中性子の透過率との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between thickness and the transmittance | permeability of a thermal neutron. 一実施形態に係る中性子検出器の全体構成を示す図。The figure which shows the whole structure of the neutron detector which concerns on one Embodiment. 他の実施形態に係る中性子検出器の全体構成を示す図。The figure which shows the whole structure of the neutron detector which concerns on other embodiment. 他の実施形態に係る中性子検出器の全体構成を示す図。The figure which shows the whole structure of the neutron detector which concerns on other embodiment. 他の実施形態に係る中性子検出器の全体構成を示す図。The figure which shows the whole structure of the neutron detector which concerns on other embodiment. 他の実施形態に係る中性子検出器の全体構成を示す図。The figure which shows the whole structure of the neutron detector which concerns on other embodiment. 従来の中性子検出器の要部概略構成を示す図。The figure which shows the principal part schematic structure of the conventional neutron detector. 従来の中性子検出器の要部概略構成を示す図。The figure which shows the principal part schematic structure of the conventional neutron detector.

以下、本発明に係る中性子検出器の実施形態について、図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of a neutron detector according to the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施形態に係る中性子検出器の要部断面概略構成を示す図である。また、図12、図13は、従来の中性子検出器の要部断面概略構成を示す図である。   FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic cross-sectional configuration of a main part of a neutron detector according to an embodiment of the present invention. 12 and 13 are diagrams showing a schematic cross-sectional configuration of a main part of a conventional neutron detector.

図12に示す従来の中性子検出器は、粒状シンチレータ4(例えばLiF/ZnS蛍光体)を使用したものである。一般的に粒状シンチレータ4は、構造体となるアルミニウム(中性子の透過しやすい材料)からなるアルミ基板3に、粒状シンチレータ4を固定するためと発光した光5を効率良く透過させるために、透明なバインダー6を用いている。そして、このバインダー6によって、粒状シンチレータ4をアルミ基板3に固定して中性子検出器が構成されている。   The conventional neutron detector shown in FIG. 12 uses a granular scintillator 4 (for example, LiF / ZnS phosphor). In general, the granular scintillator 4 is transparent in order to fix the granular scintillator 4 and efficiently transmit emitted light 5 to an aluminum substrate 3 made of aluminum (a material through which neutrons can easily pass). Binder 6 is used. The binder 6 fixes the granular scintillator 4 to the aluminum substrate 3 to form a neutron detector.

基本的な中性子検出のメカニズムは、以下のとおりである。中性子(n)1が、アルミ基板3を透過して、粒状シンチレータ4のLiと反応する。Liは、厳密にはLi−6の同位体であり、このLi−6と中性子(n)1が反応してアルファ(α)線2が放出される。この反応を(n,α)と記載する。放出されたα線2は、粒状シンチレータ4のZnS蛍光体で発光し光5となる。   The basic neutron detection mechanism is as follows. Neutron (n) 1 passes through the aluminum substrate 3 and reacts with Li in the granular scintillator 4. Strictly speaking, Li is an isotope of Li-6, and Li-6 and neutron (n) 1 react to emit alpha (α) rays 2. This reaction is described as (n, α). The emitted α-ray 2 is emitted from the ZnS phosphor of the granular scintillator 4 and becomes light 5.

α線2は、粒状シンチレータ4内で四方八方に放出され、約5μmから10μm程度の飛程(放射線の飛ぶ距離)を持つ。粒状シンチレータ4の粒径は、このα線2の飛程と略同じ大きさであり、粒状シンチレータ4の内部で発光した光5は、粒状シンチレータ4内で吸収され減衰しながら、粒状シンチレータ4の外に出てくる。この光5は、他の粒状シンチレータ4内を透過したり、粒状シンチレータ4で反射し、また、バインダー6内を透過し、中性子検出器の外に出てくる。中性子と反応するLi−6原子は、粒状シンチレータ4全体の中で占める原子数割合がLiF/ZnSとすると1/4であり、バインダー6の原子数を考えると全体での反応効率は悪くなる。   The α-ray 2 is emitted in all directions in the granular scintillator 4 and has a range of about 5 μm to 10 μm (distance traveled by radiation). The particle size of the granular scintillator 4 is approximately the same as the range of the α-ray 2, and the light 5 emitted inside the granular scintillator 4 is absorbed and attenuated in the granular scintillator 4, while Come out. The light 5 passes through the other granular scintillator 4 or is reflected by the granular scintillator 4, passes through the binder 6, and comes out of the neutron detector. Li-6 atoms that react with neutrons account for a quarter of the atomic ratio of LiF / ZnS in the entire granular scintillator 4, and considering the number of atoms of the binder 6, the overall reaction efficiency deteriorates.

従って、効率を上げるためには、粒状シンチレータ4を塗布する厚さを厚くする必要がある。但し、中性子1の入射した側で発光した光5は、粒状シンチレータ4内を透過したり、粒状シンチレータ4で反射し、また、バインダー6内を透過して中性子検出器の外に出てくるため、光の透過率が悪くなり、更に拡散して透過するために解像度も悪くなる。   Therefore, in order to increase the efficiency, it is necessary to increase the thickness to which the granular scintillator 4 is applied. However, the light 5 emitted on the incident side of the neutron 1 is transmitted through the granular scintillator 4, reflected by the granular scintillator 4, or transmitted through the binder 6 and comes out of the neutron detector. , The transmittance of light is deteriorated, and the resolution is also deteriorated because the light is further diffused and transmitted.

実際イメージングに用いられているこの構成のシンチレータは、数百μm程度の厚さである。中性子のエネルギーが高い高速中性子では、Li−6との反応断面積が熱中性子と比べて更に桁で小さくなる。そのため、反応効率を上げるためには更に厚さを増さなければならないため、益々解像度が悪くなる。   The scintillator having this configuration actually used for imaging has a thickness of about several hundred μm. For fast neutrons with high neutron energy, the reaction cross-section with Li-6 is even smaller than that of thermal neutrons. For this reason, in order to increase the reaction efficiency, the thickness must be further increased, and therefore the resolution becomes worse.

解像度を上げて輝度の明るいイメージ画像を得る方法として、図13に示す方法が実用化されている。この方法では、中性子との反応体にはLi−6(熱中性子断面積:940バーン)と比べて熱中性子断面積が4倍大きいB−10(熱中性子断面積:3838バーン)を用いている。また、反応する原子数割合も10C蒸着膜7では、4/5であり、さらに、バインダー無しで、蒸着で製作できるため、単位体積中に存在するB−10の割合も多く、厚さが薄くても効率を高めることができる。 The method shown in FIG. 13 has been put to practical use as a method for obtaining a bright image image by increasing the resolution. In this method, B-10 (thermal neutron cross section: 3838 barn), which is four times larger in thermal neutron cross section than Li-6 (thermal neutron cross section: 940 barn), is used as a reactant with neutrons. . Further, the ratio of the number of reacting atoms is 4/5 in the 10 B 4 C vapor deposition film 7, and since it can be manufactured by vapor deposition without a binder, the proportion of B-10 present in the unit volume is also large, Even if it is thin, the efficiency can be increased.

しかしながら、B−10も、Li−6同様に(n,α)反応で放出されるα線2の飛程は約4〜5μm程度であるため、5μmより厚くすると、中性子1との反応によって入射側で放出されたα線2は、10C蒸着膜7内を通りぬけてCsI蛍光体8にまで至ることができない。10C蒸着膜7の厚さが5μmの場合、総合的に見ると熱中性子では約80%が透過してしまい、約20%程度しか有効に利用されていない。但し、図12の構成の場合と比べて反応面での単位体積当たりの原子数密度は高く、反応膜が5μm程度であることから高精細なイメージングを可能にしている。 However, B-10, like Li-6, has a range of α rays 2 emitted by the (n, α) reaction of about 4 to 5 μm, so if it is thicker than 5 μm, it will be incident upon reaction with neutron 1. The α ray 2 emitted on the side cannot pass through the 10 B 4 C vapor deposition film 7 and reach the CsI phosphor 8. When the thickness of the 10 B 4 C vapor-deposited film 7 is 5 μm, about 80% of thermal neutrons are transmitted when viewed comprehensively, and only about 20% is effectively used. However, compared with the configuration of FIG. 12, the atomic density per unit volume on the reaction surface is high, and the reaction film is about 5 μm, which enables high-definition imaging.

しかも、反応したα線2は、透明度の高い針状のCsI蛍光体8で発光し、光5となり、さらに、光電変換膜9で電子10となり、この電子を増幅する構成とすることで、変換と伝達効率が高くなり、図12に示した構成として撮像素子で撮影する場合と比べて約100倍以上の感度を得ることができる。但し、縦軸を中性子吸収断面積、横軸を中性子エネルギーとした図5のグラフに示すように、高エネルギーの中性子(高速中性子)の場合には、熱中性子と比較して中性子吸収断面積が2桁小さくなるため、反応割合が極端に小さくなってしまう。   Moreover, the reacted α-ray 2 is emitted by the highly transparent needle-like CsI phosphor 8 to become light 5, and further becomes an electron 10 by the photoelectric conversion film 9. As a result, the transmission efficiency is increased, and the sensitivity shown in FIG. However, as shown in the graph of FIG. 5 where the vertical axis represents the neutron absorption cross section and the horizontal axis represents the neutron energy, in the case of high energy neutrons (fast neutrons), the neutron absorption cross section is larger than that of thermal neutrons. Since it is two orders of magnitude smaller, the reaction rate becomes extremely small.

次に、図1,2を参照して、本発明の一実施形態にかかる中性子検出器の構成について説明する。   Next, the configuration of the neutron detector according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1,2は、本発明の第1実施形態にかかる中性子検出器の検出部の要部構成を拡大して示すものである。図1に示すように、本発明の一実施形態にかかる中性子検出器は、中性子1の入射側に位置するように、アルミニウムから構成されたアルミ基板3を具備している。このアルミ基板3に隣接して、中性子1の入射方向に沿って各層が延在する多段積層構造が構成されている。   1 and 2 are enlarged views of the main configuration of the detection unit of the neutron detector according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the neutron detector according to one embodiment of the present invention includes an aluminum substrate 3 made of aluminum so as to be located on the incident side of the neutron 1. Adjacent to the aluminum substrate 3, a multi-stage laminated structure is formed in which each layer extends along the incident direction of the neutron 1.

第1実施形態においてこの多段積層構造は、Al(アルミニウム)膜12と、第1の蒸着膜としての10C(ボロン10同位体を濃縮した濃縮ボロンカーバイト)蒸着膜7と、第2の蒸着膜としてのAl(アルミニウム)蒸着膜13と、シンチレータ11とからなる積層構造を、繰り返し多段(例えば、数百〜数千段)に積層させた多段積層構造を有している。この多段積層構造は、中性子1の入射面側から見た時に、井桁状(グリッド状)に、積層方向が90°異なるように交互に配設されており、これによって、二次元的に拡がった中性子入射面を有する中性子検出器の検出部(2次元中性子反応シンチレータ)が構成されている。 In the first embodiment, the multi-layered structure includes an Al (aluminum) film 12, a 10 B 4 C (concentrated boron carbide enriched with boron 10 isotope) vapor deposition film 7 as a first vapor deposition film, and a second The multi-layered laminated structure is formed by repeatedly laminating a laminated structure composed of an Al (aluminum) vapor-deposited film 13 as the vapor-deposited film and the scintillator 11 in multiple stages (for example, several hundred to several thousand stages). When viewed from the incident surface side of the neutron 1, this multi-layered laminated structure is alternately arranged in a grid pattern (grid shape) so that the laminating directions are different by 90 °, thereby expanding two-dimensionally. A detection unit (two-dimensional neutron reaction scintillator) of a neutron detector having a neutron incident surface is configured.

Al膜12は、厚さ(図1,2における上下方向の長さ)が5μm以上とされており、中性子1の入射方向に沿って延在し、光を反射する反射層として作用する。10C蒸着膜7は、このAl膜12上に蒸着により形成されており、中性子1の入射方向に沿って延在している。この10C蒸着膜7は、厚さ(図1,2における上下方向の長さ)が、例えば4〜5μm程度とされている。10C蒸着膜7中では、ボロン10が中性子1と反応し、放射線(α線2)を放出する。 The Al film 12 has a thickness (length in the vertical direction in FIGS. 1 and 2) of 5 μm or more, extends along the incident direction of the neutron 1 and acts as a reflective layer that reflects light. The 10 B 4 C vapor deposition film 7 is formed by vapor deposition on the Al film 12 and extends along the incident direction of the neutron 1. The 10 B 4 C vapor deposition film 7 has a thickness (length in the vertical direction in FIGS. 1 and 2) of, for example, about 4 to 5 μm. In the 10 B 4 C deposited film 7, boron 10 reacts with neutron 1 and emits radiation (α rays 2).

Al蒸着膜13は、厚さ(図1,2における上下方向の長さ)が0.1μm〜0.5μm程度とされており、10C蒸着膜7上に、10C蒸着膜7と隣接するように、蒸着によって形成されている。したがって、このAl蒸着膜13も中性子1の入射方向に沿って延在した構成となっている。このAl蒸着膜13は、光を反射する反射膜として作用する。 Al deposited film 13 has a thickness (length in the vertical direction in FIGS. 1 and 2) are about 0.1 .mu.m to 0.5 .mu.m, on 10 B 4 C deposited film 7, 10 B 4 C deposited film 7 is formed by vapor deposition so as to be adjacent to 7. Therefore, this Al vapor deposition film 13 also has a configuration extending along the incident direction of the neutron 1. The Al vapor deposition film 13 functions as a reflective film that reflects light.

シンチレータ11は、プラスチックシンチレータ等からなり、Al蒸着膜13に隣接して、中性子1の入射方向に沿って延在するように配設されている。このシンチレータ11は、厚さ(図1,2における上下方向の長さ)が5μm以上、例えば数10μmから100μm程度とされている。シンチレータ11は、10C蒸着膜7内で放出されたα線2によって発光し、光5を発生させる。 The scintillator 11 is made of a plastic scintillator or the like, and is disposed adjacent to the Al vapor deposition film 13 so as to extend along the incident direction of the neutron 1. The scintillator 11 has a thickness (vertical length in FIGS. 1 and 2) of 5 μm or more, for example, about several tens of μm to 100 μm. The scintillator 11 emits light by the α rays 2 emitted in the 10 B 4 C vapor deposition film 7 and generates light 5.

そして、上記の積層構造が、さらに多数積層されて、中性子検出器の検出部が構成されている。また、本実施形態では、上記の積層構造において、10C蒸着膜7等の各層は、中性子1の入射方向に対して、積層方向に傾斜を有する構成、つまり、図1,2において、後端側(図中右側)が上側に向かって上がった構成となっている。 A large number of the above laminated structures are further laminated to constitute a detection unit of the neutron detector. Further, in the present embodiment, in the above laminated structure, each layer such as 10 B 4 C vapor deposition film 7 has a configuration that is inclined in the laminating direction with respect to the incident direction of neutron 1, that is, in FIGS. The rear end side (right side in the figure) is configured to rise upward.

上記のように、本実施形態の中性子検出器では、シンチレータ11は、Al蒸着膜13とAl膜12とによって挟まれており、また、10C蒸着膜7も、Al蒸着膜13とAl膜12とによって挟まれた構成となっている。 As described above, in the neutron detector of this embodiment, the scintillator 11 is sandwiched between the Al vapor deposition film 13 and the Al film 12, and the 10 B 4 C vapor deposition film 7 is also composed of the Al vapor deposition film 13 and the Al film. The structure is sandwiched between the films 12.

10C蒸着膜7は、黒色で光の反射率が低いので、10C蒸着膜7とシンチレータ層11とを直接積層させると、シンチレータ層11内で発生した光5を効率良く伝送することができない。これに対して、本実施形態のようにシンチレータ層11を、Al蒸着膜13とAl膜12とによって挟まれたサンドイッチ構造とすることによって、Al蒸着膜13とAl膜12による反射を利用してシンチレータ層11内で発生した光5を効率良く伝送することができ、外部に取り出すことができる。 Since the 10 B 4 C vapor deposition film 7 is black and has low light reflectivity, when the 10 B 4 C vapor deposition film 7 and the scintillator layer 11 are directly laminated, the light 5 generated in the scintillator layer 11 is efficiently transmitted. Can not do it. On the other hand, the scintillator layer 11 has a sandwich structure sandwiched between the Al vapor deposition film 13 and the Al film 12 as in the present embodiment, so that reflection by the Al vapor deposition film 13 and the Al film 12 is utilized. The light 5 generated in the scintillator layer 11 can be transmitted efficiently, and can be extracted outside.

すなわち、10C蒸着膜7内の各点で(n,α)反応により放出されるα線2は、中性子1に対してほぼ垂直方向(4〜5μmの厚さ方向)に放出される成分が、シンチレータ11で発光し光5となる。この発光した光5は、透明度の高いシンチレータ11(プラスチックシンチレータ)内を、Al蒸着膜13及びAl膜12によって反射しながら進み、外部に取り出すことができる。 That is, α rays 2 emitted by (n, α) reaction at each point in the 10 B 4 C vapor deposition film 7 are emitted in a direction substantially perpendicular to the neutron 1 (thickness direction of 4 to 5 μm). The component emits light from the scintillator 11 and becomes light 5. The emitted light 5 travels through the highly transparent scintillator 11 (plastic scintillator) while being reflected by the Al vapor deposition film 13 and the Al film 12, and can be taken out to the outside.

また、厚さ5μm以上のAl膜12は、図1,2中10C蒸着膜7内において下向きに出たα線2を吸収し、下側のシンチレータ11での発光を阻止する。これによって、位置分解能を向上させている。 Further, the Al film 12 having a thickness of 5 μm or more absorbs α rays 2 emitted downward in the 10 B 4 C vapor deposition film 7 in FIGS. 1 and 2, and prevents light emission from the lower scintillator 11. This improves the position resolution.

さらに、本実施形態では、上記のように中性子1の入射方向に沿って10C蒸着膜7が延在するように形成されている。そして、中性子1が、この10C蒸着膜7に対して垂直ではなく、水平に近く、かつ、傾きを持って配設された10C蒸着膜7内を、対角線上を移動するように進むため反応効率を大幅に向上させることができる。 Furthermore, in this embodiment, the 10 B 4 C vapor deposition film 7 is formed to extend along the incident direction of the neutron 1 as described above. The neutron 1, rather than perpendicular to the 10 B 4 C deposited film 7, nearly horizontal, and the disposed with an inclination 10 B 4 in C deposited film 7, to move diagonally Therefore, the reaction efficiency can be greatly improved.

以上のとおり、本実施形態に係る中性子検出器では、中性子の利用効率を大幅に向上させることができるとともに、発光した光5の伝播を効率良くかつ光を拡散させずに行うことができる。これによって、効率良く高精細にイメージングできる中性子に対する2次元検出器を得ることができる。   As described above, the neutron detector according to the present embodiment can greatly improve the utilization efficiency of neutrons, and can efficiently propagate the emitted light 5 without diffusing the light. This makes it possible to obtain a two-dimensional detector for neutrons that can be efficiently and precisely imaged.

縦軸を透過率、横軸を厚さとした図6のグラフに反応材質の厚さと熱中性子の透過率の関係を示す。図6に示されるとおり、10Cの場合、厚さが50μmで90%程度の熱中性子が反応することになる。したがって、10C蒸着膜7の長さ(図1,2における左右方向の長さ)を50μm程度とすることによって、90%程度の熱中性子と反応させることができる。 The relationship between the thickness of the reaction material and the transmittance of thermal neutrons is shown in the graph of FIG. As shown in FIG. 6, in the case of 10 B 4 C, thermal neutrons having a thickness of 50 μm and about 90% react. Therefore, by making the length of the 10 B 4 C vapor deposition film 7 (the length in the horizontal direction in FIGS. 1 and 2) about 50 μm, it is possible to react with about 90% of thermal neutrons.

次に、図3を参照して第2実施形態にかかる中性子検出器ついて説明する。この第2実施形態の中性子検出器では、中性子入射側(図3中左側)に、中性子入射面に沿って延在するように、厚さが5μm以上とされたAl膜12と、10C蒸着膜7と、光の反射用として厚さが0.1μm〜0.5μm程度とされたAl蒸着膜13とを配設した構成となっている。なお、他の部分については、図1,2に示した第1実施形態と同様に構成されているので、対応する部分には同一の符号を付して重複した説明は省略する。 Next, a neutron detector according to the second embodiment will be described with reference to FIG. In the neutron detector of the second embodiment, an Al film 12 having a thickness of 5 μm or more so as to extend along the neutron incident surface on the neutron incident side (left side in FIG. 3), 10 B 4 The C vapor deposition film 7 and the Al vapor deposition film 13 having a thickness of about 0.1 μm to 0.5 μm are disposed for light reflection. The other parts are configured in the same manner as in the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2, so that the corresponding parts are denoted by the same reference numerals and redundant description is omitted.

この第2実施形態の中性子検出器では、第1実施形態の中性子検出器における作用、効果に加えて、中性子入力面における中性子1との反応効率を上げることができる。これによって、中性子検出器の中性子が透過する方向(図3における左右方向)のサイズを短くコンパクトにすることができる。   In the neutron detector of the second embodiment, in addition to the functions and effects of the neutron detector of the first embodiment, the reaction efficiency with the neutron 1 on the neutron input surface can be increased. As a result, the size of the neutron detector through which neutrons pass (the horizontal direction in FIG. 3) can be shortened and made compact.

次に、図4を参照して、高速中性子の測定に好適な第3実施形態にかかる中性子検出器ついて説明する。この第3実施形態の中性子検出器では、10C蒸着膜7と、厚さ(図4における上下方向の長さ)が5μm以上とされたAl膜12との間に、熱中性子を吸収するためのGd蒸着膜14(厚さ5μm以上)を挿入した構成とされている。 Next, referring to FIG. 4, a neutron detector according to a third embodiment suitable for fast neutron measurement will be described. In the neutron detector of the third embodiment, thermal neutrons are absorbed between the 10 B 4 C deposited film 7 and the Al film 12 having a thickness (length in the vertical direction in FIG. 4) of 5 μm or more. Gd 2 O 3 vapor deposition film 14 (thickness of 5 μm or more) is inserted.

また、シンチレータとして第3実施形態ではプラスチックシンチレータ16を使用しており、中性子1の入射側(図4中左側)に、中性子1の入射面に沿って延在するように、厚さが5μm以上とされたAl膜12と、10C蒸着膜7と、厚さが0.1μm〜0.5μm程度とされたAl蒸着膜13とを配設した構成となっている。なお、他の部分については、図1,2に示した第1実施形態と同様に構成されているので、対応する部分には同一の符号を付して重複した説明は省略する。 Further, in the third embodiment, the plastic scintillator 16 is used as the scintillator and has a thickness of 5 μm or more so as to extend along the incident surface of the neutron 1 on the incident side of the neutron 1 (left side in FIG. 4). The Al film 12, the 10 B 4 C vapor deposition film 7, and the Al vapor deposition film 13 having a thickness of about 0.1 μm to 0.5 μm are disposed. The other parts are configured in the same manner as in the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2, so that the corresponding parts are denoted by the same reference numerals and redundant description is omitted.

上記構成の第3実施形態にかかる中性子検出器では、高エネルギー成分の中性子である高速中性子9は、10C蒸着膜7内で反応して、α線2を放出し、このα線2がプラスチックシンチレータ16内で反応して発光し、光5となる。但し、10C蒸着膜7内での(n,α)反応は、中性子のエネルギーが高くなると、縦軸を中性子吸収断面積、横軸を中性子エネルギーとした図5のグラフに示す濃縮硼素の中性子吸収断面積の線のように吸収断面積が桁のオーダーで減衰する。すなわち、反応確率(効率)が悪くなる。このため、10C蒸着膜7の長さ(図3における左右方向の長さ)を熱中性子の場合より桁のオーダーで長くする必要が生じる。 In the neutron detector according to the third embodiment having the above configuration, fast neutrons 9 which are neutrons of high energy components react in the 10 B 4 C vapor deposition film 7 to emit α rays 2, and the α rays 2 Reacts in the plastic scintillator 16 to emit light, and becomes light 5. However, the (n, α) reaction in the 10 B 4 C vapor-deposited film 7 is concentrated boron shown in the graph of FIG. 5 with the ordinate indicating the neutron absorption cross section and the abscissa indicating the neutron energy when the neutron energy increases. The absorption cross section is attenuated in the order of digits like the line of neutron absorption cross section. That is, the reaction probability (efficiency) is deteriorated. For this reason, it is necessary to make the length of the 10 B 4 C vapor deposition film 7 (the length in the left-right direction in FIG. 3) longer in the order of digits than in the case of thermal neutrons.

そこで、中性子との反応で特に中性子エネルギーに対してほぼ一定の割合で散乱する水素に着目し、第3実施形態では、プラスチックシンチレータ16(または、水素を含まないガラスシンチレータや結晶シンチレータの場合には水素を含む樹脂でシンチレータを覆ったもの)を使用し、高速中性子9を水素で減速させる。減速された中性子15は、プラスチックシンチレータ16から等方向に拡散する。プラスチックシンチレータ16の下側の10C蒸着膜7で減速された中性子15が反応し、α線2が放出され、このα線2がプラスチックシンチレータ16と反応して光5が発生する。 Therefore, focusing on hydrogen that is scattered at a substantially constant rate with respect to the neutron energy in the reaction with neutrons, in the third embodiment, in the case of a plastic scintillator 16 (or a glass scintillator or a crystal scintillator that does not contain hydrogen). The scintillator is covered with a resin containing hydrogen), and the fast neutron 9 is decelerated with hydrogen. The decelerated neutron 15 diffuses in the same direction from the plastic scintillator 16. Neutrons 15 decelerated by the 10 B 4 C deposited film 7 below the plastic scintillator 16 react to emit α rays 2, and the α rays 2 react with the plastic scintillator 16 to generate light 5.

一方、プラスチックシンチレータ16の上側の10C蒸着膜7で、減速された中性子15が反応してしまうと、上下のプラスチックシンチレータ16で発光が起き光5を出すために分解能が悪くなる。そこで、プラスチックシンチレータ16の上側の10C蒸着膜7と反応しないように、上側の10C蒸着膜7の下に熱中性子領域で吸収断面積が大きいガドリニウム(Gd)を含むGd蒸着膜14を設けることで、下側の中性子の周り込みを防ぐこととができる。 On the other hand, when the decelerated neutron 15 reacts with the 10 B 4 C vapor deposition film 7 on the upper side of the plastic scintillator 16, light is emitted from the upper and lower plastic scintillators 16 and the light 5 is emitted, resulting in poor resolution. Therefore, Gd 2 containing gadolinium (Gd) having a large absorption cross section in the thermal neutron region under the upper 10 B 4 C vapor deposition film 7 so as not to react with the upper 10 B 4 C vapor deposition film 7 of the plastic scintillator 16. By providing the O 3 vapor deposition film 14, it is possible to prevent the lower neutron from entering.

以上説明したとおり第3実施形態では、特に高エネルギーの中性子の場合には、10C蒸着膜7との反応距離が長くなるため、プラスチックシンチレータ16の水素原子で高速中性子9を減速された中性子15に変換し、10C蒸着膜7と反応させる。減速された中性子15の飛程は数センチ以上あり拡散してしまうため、Gd蒸着膜14(厚さ5μmから数10μm程度)を10C蒸着膜7の一方の側(図4中下側)に形成することで、拡散する減速された中性子15を吸収させる。これによって、検出効率を上げながら検出器の分解能を向上させることができる。 As described above, in the third embodiment, particularly in the case of high-energy neutrons, the reaction distance with the 10 B 4 C vapor deposition film 7 becomes long, so that the fast neutrons 9 are decelerated by the hydrogen atoms of the plastic scintillator 16. The neutron 15 is converted to react with the 10 B 4 C deposited film 7. Since the range of the decelerated neutron 15 is several centimeters or more and diffuses, the Gd 2 O 3 vapor deposition film 14 (thickness of about 5 μm to several tens of μm) is placed on one side of the 10 B 4 C vapor deposition film 7 (FIG. 4). The neutron 15 that has been diffused is absorbed by being formed on the middle and lower side. As a result, the resolution of the detector can be improved while increasing the detection efficiency.

次に、上記構成の検出部を有する中性子検出器の全体構成について説明する。   Next, the overall configuration of the neutron detector having the detection unit configured as described above will be described.

中性子の幅広いエネルギーに対して、特に高エネルギーに対して高精細で高効率の2次元検出器としてイメージングできる中性子検出器を提供するためには、上記した構成の検出部である2次元中性子反応シンチレータで発光した光のイメージを、光学レンズ等で調整して撮像カメラのCCDやCMOS等の撮像素子でイメージングする必要がある。特に中性子でイメージングするためには、2次元中性子反応シンチレータの光を効率よく撮像する必要があり、中性子強度が弱いと発光する光も弱く、できるだけ光学ロスを少なくする必要がある。そのためには、2次元中性子反応シンチレータで発光した光を増幅してロスを少なく検出効率を高める工夫が必要となる。   In order to provide a neutron detector that can be imaged as a high-definition and highly efficient two-dimensional detector for a wide range of neutron energy, particularly for high energy, a two-dimensional neutron reaction scintillator that is a detector having the above-described configuration. It is necessary to adjust the image of the light emitted by the optical lens with an optical lens or the like and image it with an imaging device such as a CCD or CMOS of the imaging camera. In particular, in order to image with neutrons, it is necessary to efficiently image the light of the two-dimensional neutron reaction scintillator. If the neutron intensity is weak, the light emitted is also weak, and it is necessary to reduce the optical loss as much as possible. For that purpose, it is necessary to devise a technique for amplifying the light emitted by the two-dimensional neutron reaction scintillator to reduce the loss and increase the detection efficiency.

図7に示す光イメージインテンシファイア管103は、口径の大きなイメージ増幅管として有効である。また、中性子が撮像カメラ106に直接あたると撮像素子にダメージを与える可能性があり、撮像素子を中性子照射ライン上から遠ざける工夫が必要である。そのため、図7に示す実施形態では、光イメージインテンシファイア管103の出力蛍光体103cにて発光したイメージ像を、光学反射鏡104にて中性子照射ラインから直角な方向に反射させた後、光学レンズ105を通して撮像カメラ106で2次元検出する構成となっている。   The optical image intensifier tube 103 shown in FIG. 7 is effective as an image amplification tube having a large diameter. Further, if the neutron directly hits the imaging camera 106, the imaging device may be damaged, and it is necessary to devise an approach to keep the imaging device away from the neutron irradiation line. Therefore, in the embodiment shown in FIG. 7, the image image emitted from the output phosphor 103c of the optical image intensifier tube 103 is reflected by the optical reflector 104 in a direction perpendicular to the neutron irradiation line, and then optically reflected. Two-dimensional detection is performed by the imaging camera 106 through the lens 105.

図7に示す実施形態では、前述した構成の検出部である2次元中性子反応シンチレータ101で発光した光のイメージを、効率良く撮像素子に導入し、かつ撮像素子に対する中性子やガンマ線等の放射線による損傷をできるだけ少なくするように、光学レンズ102、光イメージインテンシファイア管103、光学反射鏡104、光学レンズ105、撮像カメラ106を組み合わせてノイズの少ない2次元検出器イメージングを実現している。   In the embodiment shown in FIG. 7, an image of light emitted from the two-dimensional neutron reaction scintillator 101 that is the detection unit having the above-described configuration is efficiently introduced into the image sensor, and damage to the image sensor due to radiation such as neutrons and gamma rays. The two-dimensional detector imaging with less noise is realized by combining the optical lens 102, the optical image intensifier tube 103, the optical reflector 104, the optical lens 105, and the imaging camera 106.

2次元中性子反応シンチレータ101では、図1、図3に示したように、中性子は、中性子と反応が少ないシンチレータ構成基板であるアルミ基板3及びAl膜12を通過し、厚さ4〜5μm程度の10C蒸着膜7と反応する。この10C蒸着膜7はAl膜12と厚さ0.1〜0.5μm程度のAl蒸着膜13でサンドイッチした構造となっている。10C蒸着膜7と中性子が反応するとアルファ線が放出され、シンチレータ11と反応して発光する。多くは、青色から緑色で発光する。 In the two-dimensional neutron reaction scintillator 101, as shown in FIGS. 1 and 3, neutrons pass through the aluminum substrate 3 and the Al film 12, which are scintillator-constituting substrates having little reaction with neutrons, and have a thickness of about 4 to 5 μm. Reacts with 10 B 4 C vapor deposition film 7. The 10 B 4 C vapor deposition film 7 has a structure in which an Al film 12 and an Al vapor deposition film 13 having a thickness of about 0.1 to 0.5 μm are sandwiched. When the 10 B 4 C deposited film 7 reacts with neutrons, alpha rays are emitted and react with the scintillator 11 to emit light. Many emit light from blue to green.

2次元中性子反応シンチレータ101で発光した2次元のイメージ画像を、光学レンズ102で光イメージインテンシファイア管103の光電変換膜103aに結像する。この光イメージインテンシファイア管103の入力面はガラスでできている。また、光イメージインテンシファイア管103の入力面サイズは、4インチから最大20インチの口径まであり、口径が大きいほど]2次元中性子反応シンチレータ101の発光を幾何学的に効率よく光電変換膜103に結像することができる。特に光学レンズ102の径よりも2次元中性子反応シンチレータ101の径(大きさ)が小さいほど効率は上がる。   A two-dimensional image image emitted by the two-dimensional neutron reaction scintillator 101 is formed on the photoelectric conversion film 103 a of the optical image intensifier tube 103 by the optical lens 102. The input surface of the optical image intensifier tube 103 is made of glass. The input surface size of the optical image intensifier tube 103 ranges from 4 inches to a maximum diameter of 20 inches. The larger the diameter, the more efficiently the light emission of the two-dimensional neutron reaction scintillator 101 geometrically and efficiently. Can be imaged. In particular, the efficiency increases as the diameter (size) of the two-dimensional neutron reaction scintillator 101 is smaller than the diameter of the optical lens 102.

光電変換膜103aで電子に変換され、電子レンズ103bで出力蛍光体103cに結像され、再度イメージ画像として発光する。光イメージインテンシファイア管103内で、電子は電極間にかけられた高電圧により電子増幅され、微小なイメージ像も明るく出力される。この出力画像を撮像カメラ106にて光学レンズ105でピント調整して撮影する。但し、一般に使われている撮像カメラ106の撮像素子は、CCDやCMOSといったものが多く、これらは、中性子やガンマ線など放射線でダメージを受けて画像にノイズを残してしまう。そこで、照射される中性子のビームラインから離して撮像カメラ106を設置するように光学反射鏡104を用いる。これによって、撮像カメラ106に直接放射線が照射されることを防止することができ、撮像カメラ106に対するダメージを少なくすることができる。   It is converted into electrons by the photoelectric conversion film 103a, imaged on the output phosphor 103c by the electron lens 103b, and emitted again as an image image. In the optical image intensifier tube 103, electrons are amplified by a high voltage applied between the electrodes, and a minute image is also brightly output. The output image is captured by the imaging camera 106 with the optical lens 105 adjusted in focus. However, there are many imaging devices of the imaging camera 106 that are generally used, such as a CCD and a CMOS, which are damaged by radiation such as neutrons and gamma rays and leave noise in the image. Therefore, the optical reflecting mirror 104 is used so as to install the imaging camera 106 away from the neutron beam line to be irradiated. As a result, it is possible to prevent the imaging camera 106 from being directly irradiated with radiation, and damage to the imaging camera 106 can be reduced.

2次元中性子反応シンチレータ101で発光する光量は、照射する中性子の強度により異なるが、一般的には肉眼で確認できるほど明るくない。そこで、光イメージインテンシファイア管103を用い、特に2次元中性子反応シンチレータ101で発光する波長にマッチングして変換能率の高い光電変換膜103aを用いて電子に変換し、電子増幅させて出力蛍光体103cで発光させることで肉眼でも確認できるくらいに光増幅される。この画像を中性子やガンマ線の照射ラインよりずらして設置した撮像カメラ106で撮影することで撮像素子へのダメージを極力少なくすることができ、放射線によるノイズの少ない2次元イメージ画像を撮影することができる。なお、撮像カメラ106の周りに中性子やガンマ線に対して遮蔽できる構造を設けることで、この効果を更に向上させることができる。   The amount of light emitted by the two-dimensional neutron reaction scintillator 101 varies depending on the intensity of the irradiated neutrons, but is generally not bright enough to be confirmed with the naked eye. Therefore, an optical image intensifier tube 103 is used, in particular, it is converted into electrons using a photoelectric conversion film 103a having a high conversion efficiency in accordance with the wavelength emitted by the two-dimensional neutron reaction scintillator 101, and is amplified to be output phosphor. The light is amplified so that it can be confirmed with the naked eye by emitting light at 103c. By taking this image with the imaging camera 106 installed so as to be shifted from the irradiation line of neutrons and gamma rays, it is possible to reduce damage to the imaging device as much as possible, and it is possible to take a two-dimensional image image with less noise due to radiation. . Note that this effect can be further improved by providing a structure capable of shielding neutrons and gamma rays around the imaging camera 106.

次に、図8を参照して他の実施形態について説明する。この実施形態では、図7における2次元中性子反応シンチレータ101に相当する2次元中性子反応シンチレータ111が、中性子イメージインテンシファイア管113内の中性子入力反応面に形成されている。このため、図7の光イメージインテンシファイア管103の入力面は光を通す目的で透明なガラス製であったのに対して、図8に示す中性子イメージインテンシファイア管113の場合は、中性子が透過しやすいアルミ製となっている。中性子イメージインテンシファイア管113の内部に配設した2次元中性子反応シンチレータ111には、光電変換膜113aが直接コーティングして形成されている。これによって、2次元中性子反応シンチレータ111からの発光をより効率よく電子に変換して電子レンズ113bで増幅し、出力蛍光体113cに結像させることができる。   Next, another embodiment will be described with reference to FIG. In this embodiment, a two-dimensional neutron reaction scintillator 111 corresponding to the two-dimensional neutron reaction scintillator 101 in FIG. 7 is formed on the neutron input reaction surface in the neutron image intensifier tube 113. For this reason, the input surface of the optical image intensifier tube 103 in FIG. 7 is made of transparent glass for the purpose of transmitting light, whereas in the case of the neutron image intensifier tube 113 shown in FIG. It is made of aluminum that is easy to penetrate. The two-dimensional neutron reaction scintillator 111 disposed inside the neutron image intensifier tube 113 is formed by directly coating a photoelectric conversion film 113a. As a result, light emitted from the two-dimensional neutron reaction scintillator 111 can be more efficiently converted into electrons, amplified by the electron lens 113b, and imaged on the output phosphor 113c.

上記構成の中性子検出器によれば、2次元中性子反応シンチレータ111からの発光を光学レンズによる幾何学的なロスなく効率よく利用できるだけでなく、部品点数の削減と調整時間の短縮を図れるとともに、調整ミスを少なくすることができる。   According to the neutron detector having the above-described configuration, not only can the light emitted from the two-dimensional neutron reaction scintillator 111 be efficiently used without geometrical loss due to the optical lens, but also the number of parts can be reduced and the adjustment time can be shortened. Mistakes can be reduced.

次に、図9を参照して他の実施形態について説明する。この実施形態では、電子レンズによるイメージインテンシファイアの増幅ではなく、マイクロチャネルタイプイメージインテンシファイア123を光の増幅に用いている。   Next, another embodiment will be described with reference to FIG. In this embodiment, the microchannel type image intensifier 123 is used for light amplification instead of the image intensifier amplification by the electron lens.

2次元中性子反応シンチレータ101からの発光を、光学レンズにてマイクロチャネルタイプイメージインテンシファイア123の入力面に結蔵して使用することも可能であるが、図9に示す実施形態では、光学部品が少なく、かつ調整の少ないテーパーファイバー112を用いて、マイクロチャネルタイプイメージインテンシファイア123の入力面と結合させている。なお、図9において、123aは光電変換膜を示している。   The light emitted from the two-dimensional neutron reaction scintillator 101 can be used by being integrated into the input surface of the microchannel type image intensifier 123 with an optical lens. In the embodiment shown in FIG. The taper fiber 112 with less adjustment and less adjustment is coupled to the input surface of the microchannel type image intensifier 123. In FIG. 9, reference numeral 123a denotes a photoelectric conversion film.

図9に示す実施形態では、マイクロチャネルタイプイメージインテンシファイア123の入力面よりも2次元中性子反応シンチレータ101のサイズが大きいため、テーパーファイバー112を用いているが、逆に2次元中性子反応シンチレータ101のサイズが小さい場合には、逆のテーパーファイバー又はストレートなバンドル型ファイバーを用いる。また、図9に示す実施形態では、マイクロチャネルタイプイメージインテンシファイア123の出力蛍光面123cを、光学レンズ105と撮像カメラ106を組み合わせて撮像する構成としているが、マイクロチャネルタイプイメージインテンシファイア123の出力蛍光面123cに、バンドル型ファイバーあるいはテーパーファイバーを介してCCD素子やCMOS素子を直接結合してもよい。   In the embodiment shown in FIG. 9, since the size of the two-dimensional neutron reaction scintillator 101 is larger than the input surface of the microchannel type image intensifier 123, the tapered fiber 112 is used, but conversely, the two-dimensional neutron reaction scintillator 101 is used. If the size of the fiber is small, reverse taper fiber or straight bundle fiber is used. In the embodiment shown in FIG. 9, the output phosphor screen 123 c of the microchannel type image intensifier 123 is configured to capture an image by combining the optical lens 105 and the imaging camera 106, but the microchannel type image intensifier 123 is configured. A CCD element or a CMOS element may be directly coupled to the output phosphor screen 123c via a bundle-type fiber or a tapered fiber.

上記構成の中性子検出器によれば、2次元中性子反応シンチレータ101からの発光を、テーパーファイバー112(或いはバンドル型ファイバー)で幾何学的なロスなく効率よくマイクロチャネルタイプイメージインテンシファイア123の入力面に結像できるだけでなく、部品点数の削減と調整時間の短縮を図れ、かつ、調整ミスを少なくすることができる。また、マイクロチャネルタイプイメージインテンシファイア123を使うことで全体をコンパクトにすることができる。但し、マイクロチャネルタイプイメージインテンシファイア123のチャネル間隔で分解能が決まるため、分解能については制限がある。   According to the neutron detector having the above-described configuration, the light input from the two-dimensional neutron reaction scintillator 101 is efficiently input by the tapered fiber 112 (or bundle type fiber) without any geometrical loss to the input surface of the microchannel type image intensifier 123. In addition to image formation, the number of parts can be reduced, the adjustment time can be shortened, and adjustment errors can be reduced. Further, the microchannel type image intensifier 123 can be used to make the whole compact. However, since the resolution is determined by the channel interval of the microchannel type image intensifier 123, the resolution is limited.

次に、図10を参照して他の実施形態について説明する。この実施形態では、図9に示したマイクロチャネルタイプイメージインテンシファイア123による増幅ではなく、高感度撮像カメラ116を用いている。高感度撮像カメラ116は、その撮像機構の光電変換膜に、電子増幅機能のあるHARP(High-gain Avalanche Rushing amorphous Photoconductor)光電変換膜107を用い、更に冷陰極電子源にHEED(High-efficiency Electron Emission Device)冷陰極電子源108を用いている。   Next, another embodiment will be described with reference to FIG. In this embodiment, the high-sensitivity imaging camera 116 is used instead of amplification by the microchannel type image intensifier 123 shown in FIG. The high-sensitivity imaging camera 116 uses an HARP (High-gain Avalanche Rushing amorphous Photoconductor) photoelectric conversion film 107 having an electron amplification function as a photoelectric conversion film of the imaging mechanism, and further uses a HEED (High-efficiency Electron) as a cold cathode electron source. Emission Device) A cold cathode electron source 108 is used.

上記構成の中性子検出器によれば、2次元中性子反応シンチレータ101からの発光を、テーパーファイバー112(或いはバンドル型ファイバー)で幾何学的なロスなく効率よくHARP光電変換膜107の入力面に結像できるだけでなく、撮像系が一体となり、部品点数の削減と調整時間の短縮を図れ、かつ、調整ミスを少なくすることができる。また、光イメージインテンシファイア管103、中性子イメージインテンシファイア管113、マイクロチャネルタイプイメージインテンシファイア123等を用いた場合に比べて更に、全体の大きさがコンパクトになる。但し、感度の点はイメージインテンシファイアによる増幅機能が少なくなる分低下する。   According to the neutron detector having the above-described configuration, light emitted from the two-dimensional neutron reaction scintillator 101 is efficiently imaged on the input surface of the HARP photoelectric conversion film 107 by the tapered fiber 112 (or bundle type fiber) without geometric loss. Not only can the imaging system be integrated, but the number of parts and the adjustment time can be reduced, and adjustment errors can be reduced. In addition, the overall size is further reduced as compared with the case where the optical image intensifier tube 103, the neutron image intensifier tube 113, the microchannel type image intensifier 123, and the like are used. However, the sensitivity is lowered by the reduction of the amplification function by the image intensifier.

次に、図11を参照して他の実施形態について説明する。この実施形態は、マイクロチャネルタイプイメージインテンシファイアによる増幅ではなく、中性子イメージインテンシファイア管113を用いたものであるが、電子増幅機能のあるHARP光電変換膜107とHEED冷陰極電子源108を出力蛍光体113cの直後(中性子入射方向に対して)に設置し撮像機能を持たせたものである。このような構成を採用することによって、電子増幅機能を高め、高精細に撮像が可能になる。   Next, another embodiment will be described with reference to FIG. In this embodiment, the neutron image intensifier tube 113 is used instead of amplification by the microchannel type image intensifier, but the HARP photoelectric conversion film 107 and the HEED cold cathode electron source 108 having an electronic amplification function are used. It is installed immediately after the output phosphor 113c (relative to the neutron incident direction) and has an imaging function. By adopting such a configuration, the electronic amplification function is enhanced and high-definition imaging can be performed.

HARP光電変換膜107とHEED冷陰極電子源108は共に真空容器内に配置する必要があり、中性子イメージインテンシファイア管113も真空容器となっているため、その内部に設置することが可能である。但し、電位の関係でHARP光電変換膜107とHEED冷陰極電子源108は更にガラス封入してから中性子イメージインテンシファイア管113の内部に設置する方がよい場合がある。   Both the HARP photoelectric conversion film 107 and the HEED cold cathode electron source 108 need to be arranged in a vacuum vessel, and the neutron image intensifier tube 113 is also a vacuum vessel, and can be installed in the inside. . However, there are cases where it is better to place the HARP photoelectric conversion film 107 and the HEED cold cathode electron source 108 inside the neutron image intensifier tube 113 after enclosing the glass further because of the potential.

上記構成の実施形態によれば、中性子イメージインテンシファイア管113内部に配設した2次元中性子反応シンチレータ101からの発光を、より効率よく電子に変換し増幅して利用することができる。また、テーパーファイバーあるいはバンドル型ファイバーによる光学ロスもないので、高感度になり、量子ノイズの少ない画像が得られる。さらに、マイクロチャネルタイプイメージインテンシファイアと比べてマイクロチャネル間隔の制限がなく高精細な検出が可能になる。また、撮像系が一体となり、部品点数の削減と調整時間の短縮を図ることができるとともに、調整ミスを少なくすることができ、製作初期にピント調整を行えば、そのまま使用が可能になる。   According to the embodiment having the above configuration, the light emitted from the two-dimensional neutron reaction scintillator 101 disposed in the neutron image intensifier tube 113 can be converted into electrons more efficiently, amplified, and used. Further, since there is no optical loss due to the taper fiber or the bundle type fiber, the sensitivity becomes high and an image with little quantum noise can be obtained. Furthermore, compared with a microchannel type image intensifier, there is no limitation on the microchannel interval, and high-definition detection becomes possible. In addition, the image pickup system is integrated, so that the number of parts can be reduced and the adjustment time can be shortened, adjustment errors can be reduced, and if the focus adjustment is performed at the initial stage of manufacture, it can be used as it is.

なお、HARP光電変換膜107とHEED冷陰極電子源108を配設する換わりに、同じ真空管のHARP撮像管を真空容器内に組み合わせて使用することも可能である。この実施形態では、真空内での製作が多くなる点で製作が複雑になるが、外部に光学部分の調整がなくなり、シンプルな撮像管となり、組み立て調整後にピントがずれる心配が無い。   Instead of disposing the HARP photoelectric conversion film 107 and the HEED cold cathode electron source 108, it is also possible to use a HARP imaging tube of the same vacuum tube in combination in the vacuum vessel. In this embodiment, the production is complicated in that the production in a vacuum is increased, but there is no need to adjust the optical part outside, and a simple imaging tube is obtained, and there is no fear that the focus is shifted after assembly adjustment.

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   As mentioned above, although some embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

1……中性子、2……α線、5……光、6……アルミ基板、7……10C蒸着膜、11……シンチレータ、12……Al膜、13……Al蒸着膜。 1 ...... neutrons, 2 ...... alpha rays, 5 ...... light, 6 ...... aluminum substrate, 7 ...... 10 B 4 C deposited film, 11 ...... scintillator, 12 ...... Al film, 13 ...... Al evaporated film.

Claims (11)

中性子の入射方向に沿って延在し、光を反射する反射層としての作用を有する金属膜と、
前記金属膜上に形成され、中性子の入射方向に沿って延在し、中性子と反応して放射線を放出する第1の蒸着膜と、
中性子の入射方向に沿って延在し、かつ、前記第1の蒸着膜に隣接して配設され、光を反射する反射材料からなる第2の蒸着膜と、
中性子の入射方向に沿って延在し、かつ、前記第2の蒸着膜に隣接して配設され、前記第1の蒸着膜にて発生した前記放射線から光を発生させるシンチレータ層と、
を有する積層構造を、複数段積層させた多段積層構造を有し、
前記シンチレータ層で発生させた光を、前記金属膜と前記第2の蒸着膜で反射させつつ前記シンチレータ層内を伝搬させて外部に導出するよう構成した検出部を有することを特徴とする中性子検出器。
A metal film extending along the incident direction of neutrons and acting as a reflective layer for reflecting light;
A first deposited film formed on the metal film, extending along an incident direction of neutrons, and reacting with the neutrons to emit radiation;
A second vapor deposition film made of a reflective material extending along the incident direction of neutrons and disposed adjacent to the first vapor deposition film and reflecting light;
A scintillator layer extending along the incident direction of neutrons and disposed adjacent to the second vapor deposition film and generating light from the radiation generated in the first vapor deposition film;
Has a multi-stage laminated structure in which a multi-layer laminated structure is laminated,
A neutron detection device comprising: a detector configured to propagate the light generated in the scintillator layer through the scintillator layer while being reflected by the metal film and the second vapor deposition film, and to lead out to the outside. vessel.
請求項1記載の中性子検出器であって、
前記検出部が、前記多段積層構造を、井桁状に組み合わせた構成を有することを特徴とする中性子検出器。
The neutron detector according to claim 1,
The detection unit has a configuration in which the multistage stacked structure is combined in a cross-beam shape.
請求項1又は2項記載の中性子検出器であって、
前記検出部の中性子入射側に、中性子入射面に沿って延在し、中性子と反応して放射線を放出する入射側中性子反応層と、
前記検出部の中性子入射側に、かつ、前記入射側中性子反応層の中性子入射方向において後側に隣接して配設され、中性子入射面に沿って延在し、光を反射する反射材料からなる入射側反射層と
を具備したことを特徴とする中性子検出器。
A neutron detector according to claim 1 or 2,
An incident side neutron reaction layer that extends along the neutron incident surface on the neutron incident side of the detection unit and emits radiation by reacting with neutrons,
It is disposed on the neutron incident side of the detection unit and adjacent to the rear side in the neutron incident direction of the incident side neutron reaction layer, and is made of a reflective material that extends along the neutron incident surface and reflects light. An neutron detector comprising an incident-side reflection layer.
請求項1〜3いずれか1項記載の中性子検出器であって、
前記検出部の多段積層構造は、中性子の入射方向に対して、積層方向に傾きを持って配設されていることを特徴とする中性子検出器。
The neutron detector according to any one of claims 1 to 3,
The neutron detector according to claim 1, wherein the multi-layer stacked structure of the detector is disposed with an inclination in the stacking direction with respect to the incident direction of neutrons.
請求項1〜4いずれか1項記載の中性子検出器であって、
前記第1の蒸着膜は、ボロン10同位体を濃縮した濃縮ボロンカーバイト(10C)から構成され、前記第2の蒸着膜は、アルミニウムから構成されていることを特徴とする中性子検出器。
The neutron detector according to any one of claims 1 to 4,
The first deposition layer is composed of boron 10 concentrated boron carbide to the isotope was concentrated (10 B 4 C), said second deposition film, neutron detection, characterized by being composed of an aluminum vessel.
請求項1〜5いずれか1項記載の中性子検出器であって、
前記検出部の前記金属膜と、前記第1の蒸着膜との間に、中性子の入射方向に沿って延在し、熱中性子を吸収する第3の蒸着膜が形成されていることを特徴とする中性子検出器。
The neutron detector according to any one of claims 1 to 5,
A third vapor deposition film that extends along the incident direction of neutrons and absorbs thermal neutrons is formed between the metal film of the detection unit and the first vapor deposition film. A neutron detector.
請求項6記載の中性子検出器であって、
前記第3の蒸着膜が、酸化ガドリニウム(Gd)から構成されていることを特徴とする中性子検出器。
The neutron detector according to claim 6,
The neutron detector, wherein the third vapor deposition film is made of gadolinium oxide (Gd 2 O 3 ).
請求項6又は7記載の中性子検出器であって、
前記シンチレータ層が、水素原子を含むプラスチックシンチレータ、水素原子を含む樹脂層で挟まれたガラスシンチレータ又は結晶シンチレータのいずれかから構成されていることを特徴とする中性子検出器。
A neutron detector according to claim 6 or 7,
A neutron detector, wherein the scintillator layer is composed of either a plastic scintillator containing hydrogen atoms, a glass scintillator sandwiched between resin layers containing hydrogen atoms, or a crystal scintillator.
請求項1〜8いずれか1項記載の中性子検出器であって、
前記検出部の発光像を光学レンズで光イメージインテンシファイア管に結像し、光電変換して増幅するとともに、前記光イメージインテンシファイア管の画像を撮像する撮像カメラを中性子照射ラインからずらして設置したことを特徴とする中性子検出器。
A neutron detector according to any one of claims 1 to 8,
The light emission image of the detection unit is formed on an optical image intensifier tube by an optical lens, photoelectrically converted and amplified, and the imaging camera for imaging the image of the optical image intensifier tube is shifted from the neutron irradiation line. A neutron detector characterized by installation.
請求項1〜8いずれか1項記載の中性子検出器であって、
前記検出部をイメージインテンシファイア管の入力面に形成するとともに、前記検出部の中性子入射方向において後側の真空雰囲気中に光電変換膜を形成した中性子イメージインテンシファイア管によって、前記検出部の発光像を光電変換して増幅するとともに、前記中性子イメージインテンシファイア管の画像を撮像する撮像カメラを中性子照射ラインからずらして設置したことを特徴とする中性子検出器。
A neutron detector according to any one of claims 1 to 8,
The detection unit is formed on the input surface of the image intensifier tube, and a neutron image intensifier tube in which a photoelectric conversion film is formed in a vacuum atmosphere on the rear side in the neutron incident direction of the detection unit, A neutron detector, wherein a luminescence image is photoelectrically converted and amplified, and an image pickup camera for picking up an image of the neutron image intensifier tube is shifted from a neutron irradiation line.
請求項1〜8いずれか1項記載の中性子検出器であって、
前記検出部の光出力面から、バンドル型の光ファイバー又はテーパーファイバーを介して発光像をマイクロチャネルタイプイメージインテンシファイアに導入して光増幅し、前記マイクロチャネルタイプイメージインテンシファイアの出力画像を撮像カメラで撮影することを特徴とする中性子検出器。
A neutron detector according to any one of claims 1 to 8,
From the light output surface of the detection unit, a light emission image is introduced into a microchannel type image intensifier through a bundle type optical fiber or a taper fiber, and is optically amplified, and an output image of the microchannel type image intensifier is captured. A neutron detector characterized by taking a picture with a camera.
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