JP5997869B1 - 熱中性子検出装置、シンチレータユニット及び熱中性子検出システム - Google Patents
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Abstract
Description
ところで、中性子は、研究分野により区分は異なるが、エネルギー(速度)によって、例えば大きく以下のように分類される。
・熱中性子 (〜0.5eV)
・熱外中性子 (0.5eV〜10keV)
・高速中性子 (10keV〜20MeV)
そして、上述したホウ素中性子捕捉療法には、熱中性子及び熱外中性子が用いられる。
一般には、中性子を検出するために、核反応に伴う二次荷電粒子あるいは反跳荷電粒子に変換(コンバート)してその二次荷電粒子を検出する二次粒子検出法が用いられるが、治療法として用いる場合には、中性子の照射量(中性子線束の強度値)をより正確に把握することが望まれている。
そして、光センサアレイユニットは、前記シンチレータユニットの前記シンチレータ層側に配置され、前記第1セル領域及び前記第2セル領域のそれぞれに対応づけて発光量を検出可能とされている。
さらに前記シンチレータユニットを、前記光センサアレイユニットにおける前記第1セル領域の受光位置と、前記第2セル領域の受光位置とが交互に入れ替わるように、前記入射面に沿って前記光センサアレイユニットとは独立し、かつ、前記検出の動作と同期して駆動する駆動装置を備えることにより、2次元面内もれなく熱中性子の照射量を検出できる。
図1は、実施形態の熱中性子計測システムの概要構成説明図である。
熱中性子計測システム10は、入射された熱中性子、高速中性子及びγ線を検出可能な複数の第1セル領域CL1(詳細については後述)並びに高速中性子及びγ線を検出可能で熱中性子を透過可能な複数の第2セル領域CL2(詳細については後述)が交互に格子状(2次元的)に配置された検出面Pを有するシンチレータプレート11と、シンチレータプレート11の検出面Pを含む平面内でシンチレータプレート11をシンチレータプレート11の計測動作に同期して第1セル領域CL1と第2セル領域CL2とが交互に入れ替わるように駆動する駆動ユニット12と、駆動ユニット12を制御するとともに、シンチレータプレート11の検出信号に対応する検出データに基づいて熱中性子線束に関するデータを算出するデータ処理装置13と、データ処理装置13の制御下でシンチレータプレート11から検出データを読み出すとともに、データ処理装置13との間のインタフェース動作を行うコントロール/インタフェースユニット14と、を備えている。
図2は、実施形態のシンチレータプレートの概要構成平面図である。
シンチレータプレート11において、第1セル領域CL1及び第2セル領域CL2は、図2に示すように、格子状(市松模様状)に離散(分散)配置されている。また、第1セル領域CL1及び第2セル領域CL2は、平面視した場合に同一寸法とされており、その形状は、平行四辺形状(図2の場合、正方形状)とされている。さらに、以下の説明においては、第1セル領域CL1と第2セル領域CL2とを区別する必要が無い場合には、第1セル領域CL1及び第2セル領域CL2を一括してセル領域CLと称するものとする。
シンチレータプレート11は、中性子線及び外来γ線が入射する検出面P側からシンチレータプレートの防湿シール材として働き、高速中性子の入射により反跳陽子を生成するとともに、熱外中性子は透過する防湿シール層31と、核捕獲反応物質(例えば、6Liを含むLiF)が離散配置(例えば、格子状に配置)された核捕獲反応層32と、を備えている。
一般に中性子の検出に利用される核反応としては、3He、10B、6Li及び235U原子核等を利用したものが知られている。
具体的には、例えば、以下の核反応式(1)〜(4)で表される核反応が挙げられる。
[吸収断面積5328barn]
10B+n→7Li+4He+2.3MeV …(2)
[吸収断面積3838barn]
6Li+n→4He+3H+4.8MeV …(3)
[吸収断面積 940barn]
235U+n→2 fission fragments+190MeV …(4)
[吸収断面積 683barn]
しかしながら、(3)式で表される6Liの核反応においては、γ線が放出されることがない。そこで、本実施形態においては、(3)式で表される6Liの核反応を採用し、核捕獲反応層としてLiF層32を用いることにより、バックグランドノイズを抑制し、より正確な計測を行えるようにしているのである。但し、このことは核捕獲反応層としてLiFを限定するものではなく6Liを含む化合物であればよいことを意味する。
次に、実施形態のより具体例としての第1実施形態のシンチレータプレートの構成について説明する。
シンチレータプレート11は、防湿シール層31として機能し、水素原子を多く含むポリエチレン系フィルム層31Aと、核捕獲反応層32として機能し、LiFが格子状(市松模様)に離散配置されたLiF層32Aと、LiF層32Aに入射した熱中性子の核捕獲反応により生成された荷電粒子であるヘリウム原子核(4 2He:α線)及びトリチウム(3H)並びに外来γ線及びポリエチレン系フィルム層31Aにおいて生成された反跳陽子等が入射することによりそれらの入射エネルギーを光に変換するシンチレータ層33と、光センサアレイユニット34として機能するフォトダイオードセンサアレイユニット34Aと、を備えている。
図5においては、理解の容易のため、縮尺は一定とはしていない。
ここで、フォトダイオードセンサアレイユニット34Aは、シンチレータ層33により変換された光を、ガラス基板35上にアレイ状に配置された複数のフォトダイオード(光センサ)36でそれぞれ受光して、セル領域CLにそれぞれ対応する受光信号をインタフェースユニット14に出力している。フォトダイオード36のピッチは、例えば、140μmとされ、セル領域CL内にそれぞれ1000から5000個程度配置されている。
図6においては、各フォトダイオード36を識別するため、フォトダイオードPD11〜PDnnと表記している。
また、図8は、セル領域に対応するシンチレータプレートの出力の他の一例の説明図である。
以上の説明は、一つまたは四つのフォトダイオード36の出力を第1セル領域CL1あるいは第2セル領域CL2を代表する出力とする場合のものであるが、シンチレータプレート、コントロール/インタフェースユニット14あるいはデータ処理装置13の処理能力に応じて適宜設定することが可能である。
これは、厚さPEとして、十分な防湿効果を持つと共に、高速中性子の一部がポリエチレン系フィルム層31Aの水素原子核(反跳陽子)をはじき出すがほとんどの高速中性子及び熱外中性子は通過させ、熱中性子をその中で減衰散乱させない長さとするためである。
厚さLについては、LiF層32Aを構成している6Liと熱中性子とが核捕獲反応を起こしてα線(He原子核)とトリチウム(3重水素核)を生成し、これら荷電粒子がシンチレータに入射し発光することとなるが、これら生成粒子の飛程がそれぞれおよそ10μm、50μmなので、これらが確実にシンチレータ層33内に入射できる距離とされている。10μmとしているのは一例であり、L=10〜50μmとすることが可能である。
図9は、実施形態の熱中性子検出処理の処理フローチャートである。
データ処理装置13から熱中性子検出の指示がなされると、コントロール/インタフェースユニット14は、計測カウンタのリセットを行う(ステップS11)。
続いてコントロール/インタフェースユニット14は、計測を行う(ステップS12)。そしてコントロール/インタフェースユニット14は、計測カウンタの値を1減算する。
より具体的には、コントロール/インタフェースユニット14は、時刻t0に中性子の照射が開始されると、時刻t1から所定計測時間が経過する時刻t2までの期間、第1セル領域CL1及び第2セル領域CL2の積算光量をそれぞれ個別に取得する。
ここで、所定計測時間としては、フォトダイオードにおける取得輝度値が飽和しないで線形性が保たれる適切な時間が選ばれる(例えば、1m秒〜1秒)。
第1セル領域CL1に入射した熱中性子線は、ポリエチレン系フィルム層31Aの熱中性子線に対する吸収断面積が小さいので、ポリエチレン系フィルム層31Aを透過し、LiF層32Aに至り、核捕獲反応を起こして荷電粒子であるヘリウム原子核(4 2He:α線)及びトリチウム(3H)が生成される。
第2セル領域CL2に入射した熱中性子線は、ポリエチレン系フィルム層31Aの熱中性子線に対する吸収断面積が小さいので、ポリエチレン系フィルム層31Aを透過し、さらにシンチレータ層33で発光することなく透過することとなる。したがって、フォトダイオードセンサアレイユニット34Aにより検出されることはない。
そして、コントロール/インタフェースユニット14により、5回分の計測データは順次、情報処理装置に転送されている。
Iall=(Ic11+Ic12+Ic13+Ic14+Ic15)/5
If+γ=(Ic21+Ic22+Ic23+Ic24+Ic25)/5
なお、計測のリアルタイム性(即時性)をより重要視する場合は、計測カウンタの初期値を1とすることにより平均処理をしないで一回の計測処理としてもよい。
Ith=Iall−If+γ
続いてデータ処理装置13は、図11にその概念を示す、予め記憶していた輝度データIth−熱中性子線束変換テーブルを参照して(あるいは変換関数を用いて)、熱中性子線束変換を行い熱中性子線束強度を算出する(ステップS16)。
なお、2次元マッピング表示に変えて、熱中性子線束の強度値を高さとして表現した3次元マッピング表示を行うようにすることも可能である。
次に、第2実施形態のシンチレータプレートの構成について説明する。
上記第1実施形態においては、シンチレータ層33の上面にLiFを蒸着又は塗布又は貼付けし、ポリエチレン層31が積層された第1セル領域CL1と、シンチレータ層33の上面に直接ポリエチレン層31Aが積層された第2セル領域CL2と、を設けていたが、本第2実施形態は、粉末状のシンチレータ材料に粉末状のLiFを混合して、グリッド枠内に詰め込んだ第1セル領域CL1と、粉末状のシンチレータ材料を、グリッド枠内に詰め込んだ第2セル領域CL2と、を設けた場合の実施形態である。
シンチレータプレート11Bにおいて、第1セル領域CL1及び第2セル領域CL2は、図12に示すように、グリッド枠41により区画されて、格子状(市松模様)に離散(分散)配置されている。この場合においても、第1実施形態と同様に、第1セル領域CL1及び第2セル領域CL2は、平面視した場合に同一寸法とされている。
図13において、図5と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。
シンチレータプレート11Bは、防湿シール層31として機能する中性子線及び外来γ線が入射する検出面P側から高速中性子の入射により反跳陽子を生成するとともに、熱外中性子は透過するポリエチレン系フィルム層31Aと、LiF粉末及びシンチレータ粉末が混合充填された核捕獲反応/シンチレータ部42Aとシンチレータ粉末が充填されたシンチレータ部42Bがグリッド枠41により区画されて交互に離散配置(市松模様配置)されたシンチレータ層42と、を備えている。
また、シンチレータ層42の厚さS1は、例えば、シンチレータの材料として、CsI(Tl)を用いた場合には、50〜300μmとされている。この厚さS1の値は、十分な発光が得られる厚さであり、経験的に求めたものである。第1実施形態と同様に、厚さS1は、厚すぎても発光量は、飽和する傾向にあるため、あまり厚くしても意味がなく、コスト的に不利になるだけであるので、適宜設定される。2次荷電粒子による発光が保証される範囲において、γ線に対する感度を下げることにより外来の不要γ線による発光輝度の影響を最小化できるため厚さS1は薄いほうが望ましい。例えば50μm〜100μm。
データ処理装置13から熱中性子検出の指示がなされると、コントロール/インタフェースユニット14は、計測カウンタのリセットを行う(ステップS11)。
第1セル領域CL1に入射した熱中性子線は、ポリエチレン系フィルム層31Aの熱中性子線に対する吸収断面積が小さいので、ポリエチレンフィルム層31Aを透過し、核捕獲反応/シンチレータ部42Aに至り、核捕獲反応を起こして荷電粒子であるヘリウム原子核(4 2He:α線)及びトリチウム(3H)が生成されて、発光を起こし、フォトダイオードセンサアレイユニット34Aにより受光されて検出がなされる。
第2セル領域CL2に入射した熱中性子線は、ポリエチレン系フィルム層31Aの熱中性子線に対する吸収断面積が小さいので、ポリエチレン系フィルム層31Aを透過し、さらにシンチレータ部42Bで発光することなく透過することとなる。したがって、フォトダイオードセンサアレイユニット34Aにより検出されることはない。
他の動作については、第1実施形態と同様である。
次に第2実施形態の変形例について説明する。
図14は、第2実施形態の変形例のシンチレータプレートの概要構成断面図である。
上記第2実施形態においては、平面視した場合、第1セル領域CL1及び第2セル領域CL2は、グリッド枠41と同一寸法で1対1に対応しているだけであったが、本第2実施形態の変形例は、図14に示すように、第1セル領域CL1あるいは第2セル領域CL2をそれよりさらに細かく区画する図中細実線で示すグリッド枠45で構成した点が異なっている。なお、図中、太実線41は、第1セル領域CL1と第2セル領域CL2との境界を示すものである。
これにより、核捕獲反応/シンチレータ部42Aを構成しているLiF粉末及びシンチレータ粉末、及びシンチレータ部42Bを構成しているシンチレータ粉末を、第1セル領域CL1あるいは第2セル領域CL2の領域内で均等に充填することができ、より安定した測定が行える。
このグリッド枠45のピッチは、例えば、フォトダイオードセンサアレイユニット34Aを構成しているフォトダイオードのピッチ(例えば、140μm×140μm)に合わせる。なお、グリッド枠45のピッチは、これに限られず、第1セル領域CL1あるいは第2セル領域CL2のピッチである、例えば1cm(=a)×1cm(=b)未満、かつ、フォトダイオードのピッチの整数倍であって、第1セル領域CL1あるいは第2セル領域CL2が等しい数のグリッドで構成され、各セル領域CLの開口率を下げすぎないように考慮すれば、適宜設定が可能である。
上記各実施形態においては、防湿シール層31をポリエチレン系フィルムで設ける構成を採っていたが、本第3実施形態は、防湿フィルム層31を水素原子核を含まない、すなわち高速中性子の入射により反跳陽子を生成しない材料、例えば、Al薄膜(<50μm)等で形成して防湿機能を持たせる場合の実施形態である。
[3.1]第1態様
図15は、第3実施形態の第1態様のシンチレータプレートの概要構成断面図である。
図15において、図5と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。
まず、第1セル領域CL1について説明する。
生成されたヘリウム原子核及びトリチウムは、シンチレータ層33で発光を起こし、フォトダイオードセンサアレイユニット34Aにより受光されて検出がなされる。
第2セル領域CL2に入射した熱中性子線、熱外中性子線及び高速中性子線は、シンチレータ層33で発光することなく透過することとなる。したがって、フォトダイオードセンサアレイユニット34Aにより検出されることはない。
したがって、これらの差をとれば、第1実施形態及び第2実施形態と同様に入射された熱中性子の中性子線束の強度値を求めることができる。
他の動作については、第1実施形態と同様である。
図16は、第3実施形態の第2態様のシンチレータプレートの概要構成断面図である。
図16において、図13と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。
シンチレータプレート11Dは、LiF粉末及びシンチレータ粉末が混合充填された核捕獲反応/シンチレータ部42Aとシンチレータ粉末が充填されたシンチレータ部42Bがグリッド枠41により区画されて交互に離散配置(市松模様配置)されたシンチレータ層42と、を備えている。
まず、第1セル領域CL1について説明する。
第2セル領域CL2に入射した熱中性子線は、シンチレータ部42Bで発光することなく透過することとなる。したがって、フォトダイオードセンサアレイユニット34Aにより検出されることはない。
したがって、これらの差をとれば、第1実施形態及び第2実施形態と同様に入射された熱中性子の中性子線束の強度値を求めることができる。
他の動作については、第1実施形態と同様である。
上記第1実施形態、第2実施形態において、防湿シール層31として機能している、ポリエチレン系フィルム31Aの上に、同質の厚さおよそ2cmのポリエチレン系層を貼り付けることにより、供給され検出対象となる中性子線が熱外中性子の場合の(熱外中性子モード)、熱外中性子線検出装置として構成することができる。
上記実施形態においては、第1セル領域CL1及び第2セル領域CL2を格子状(市松模様)に離散配置していたが、第1セル領域CL1及び第2セル領域CL2をそれぞれライン状に配置し、ライン状の第1セル領域CL1と、ライン状の第2のセル領域CL2を交互に並列に並べてストライプ状に配置する構成とすることも可能である。この場合には、駆動ユニット12は、ラインの延在方向と直交する(交差する)方向に駆動するようにすれば良い。
Claims (15)
- γ線あるいは荷電粒子の入射により発光するシンチレータ層と、
前記シンチレータ層の前記γ線あるいは前記荷電粒子の入射側に積層され、入射した熱中性子と核捕獲反応を起こして前記荷電粒子を生成する核捕獲反応材料としての6Liの化合物を含む第1セル領域及び前記核捕獲反応材料を含まない第2セル領域と、が前記γ線あるいは荷電粒子の入射面に沿って、二次元的に分散配置された核捕獲反応層と、を備えたシンチレータユニットと、
前記シンチレータユニットの前記シンチレータ層側に配置され、前記第1セル領域及び前記第2セル領域のそれぞれに対応づけて発光量を検出可能な光センサアレイユニットと、
を備えた熱中性子検出装置。 - 前記核捕獲反応層の入射側に積層され、防湿シール材として働き、高速中性子の入射により前記荷電粒子としての反跳陽子を生成する防湿シール層を備えた、
請求項1記載の熱中性子検出装置。 - 入射した熱中性子と核捕獲反応を起こして荷電粒子を生成する核捕獲反応材料としての6Liの化合物を含む第1セル領域と、前記核捕獲反応材料を含まない第2セル領域と、がγ線あるいは前記熱中性子の入射面に沿って、二次元的に分散配置されたシンチレータ層を備えたシンチレータユニットと、
前記シンチレータユニットに対向するように配置され、前記第1セル領域及び前記第2セル領域のそれぞれに対応づけて発光量を検出可能な光センサアレイユニットと、
を備えた熱中性子検出装置。 - 前記シンチレータ層の前記γ線あるいは前記熱中性子の入射側に積層され、防湿シール材として働き、高速中性子の入射により前記荷電粒子としての反跳陽子を生成する防湿シール層を備えた、
請求項3記載の熱中性子検出装置。 - 前記捕獲反応材料としての6Liの化合物をLiFとして含む、
請求項1又は請求項3記載の熱中性子検出装置。 - 前記第1セル領域と、前記第2セル領域とは、格子状に分散配置されている、
請求項1乃至請求項5のいずれか一項記載の熱中性子検出装置。 - 前記第1セル領域及び前記第2セル領域は、所定の面積比率で設けられている、
請求項1乃至請求項6のいずれか一項記載の熱中性子検出装置。 - 前記所定の面積比率は、1:1である、
請求項7記載の熱中性子検出装置。 - γ線あるいは荷電粒子の入射により発光するシンチレータ層と、
前記シンチレータ層の前記γ線あるいは前記荷電粒子の入射側に積層され、入射した熱中性子と核捕獲反応を起こして前記荷電粒子を生成する核捕獲反応材料としての6Liの化合物を含む第1セル領域及び前記核捕獲反応材料を含まない第2セル領域と、が前記γ線あるいは荷電粒子の入射面に沿って、二次元的に分散配置された核捕獲反応層と、
を備えたシンチレータユニット。 - 前記核捕獲反応層の入射側に積層され、防湿シール材として働き、高速中性子の入射により前記荷電粒子としての反跳陽子を生成する防湿シール層を備えた、
請求項9記載のシンチレータユニット。 - 前記捕獲反応材料としての6Liの化合物をLiFとして含む、
請求項9又は請求項10記載のシンチレータユニット。 - γ線あるいは荷電粒子の入射により発光するシンチレータ層と、前記シンチレータ層の前記γ線あるいは前記荷電粒子の入射側に積層され、入射した熱中性子と核捕獲反応を起こして前記荷電粒子を生成する核捕獲反応材料としての6Liの化合物を含む第1セル領域及び前記核捕獲反応材料を含まない第2セル領域と、が前記γ線あるいは荷電粒子の入射面に沿って、二次元的に分散配置された核捕獲反応層と、を備えたシンチレータユニットと、前記シンチレータユニットの前記シンチレータ層側に配置され、前記第1セル領域及び前記第2セル領域のそれぞれに対応づけて発光量を検出可能な光センサアレイユニットと、を備えた熱中性子検出装置と、
前記熱中性子検出装置の出力に基づいて、前記第1セル領域に対応する発光量と、前記第2セル領域に対応する発光量と、の差に基づいて、熱中性子線束を算出するデータ処理装置と、
を備えた熱中性子検出システム。 - 入射した熱中性子と核捕獲反応を起こして荷電粒子を生成する核捕獲反応材料としての6Liの化合物を含む第1セル領域と、前記核捕獲反応材料を含まない第2セル領域と、がγ線あるいは前記熱中性子の入射面に沿って、二次元的に分散配置されたシンチレータ層を備えたシンチレータユニットと、前記シンチレータユニットに対向するように配置され、前記第1セル領域及び前記第2セル領域のそれぞれに対応づけて発光量を検出可能な光センサアレイユニットと、を備えた熱中性子検出装置と、
前記熱中性子検出装置の出力に基づいて、前記第1セル領域に対応する発光量と、前記第2セル領域に対応する発光量と、の差に基づいて、熱中性子線束を算出するデータ処理装置と、
を備えた熱中性子検出システム。 - 前記核捕獲反応材料としての6Liの化合物をLiFとして含む、
請求項12または請求項13記載の熱中性子システム。 - 前記シンチレータユニットを、前記光センサアレイユニットにおける前記第1セル領域の受光位置と、前記第2セル領域の受光位置とが交互に入れ替わるように、前記入射面に沿って前記光センサアレイユニットとは独立し、かつ、前記検出の動作と同期して駆動する駆動装置を備えた、
請求項12乃至請求項14のいずれか一項記載の熱中性子検出システム。
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