JP6016835B2 - 放射線検出 - Google Patents

Description

本発明は、中性子線の測定、特に、中性子線量当量率の測定のための機器及び方法に関する。

中性子線量率を正確に測定することは、職員のアクセスを伴う作業が意図される環境を正確に検査すること、及び／又は、かなりの放射線が存在する環境で作業する職員の被曝する放射線量が許容限度を適切に下回ることを確保する上で重要である。また、一般人のアクセス領域における線量率が、許容限度を下回ることを確保する上でも重要である。

ほとんどの場合、中性子場は、広範囲にわたるエネルギーを有する中性子からなる。エネルギー分布の広がり及び各エネルギー範囲における線量の割合は、それらによってバイオハザードのレベルが異なるため、重要である。したがって、当該分野において、低エネルギー（＜０．４ｅＶ）、中間エネルギー（０．４ｅＶ〜１０ｅＶ）、及び高エネルギー（１０ｋｅＶ〜２０ＭｅＶ）を有する中性子を正確に検出できる装置が必要とされている。

先行技術における機器は、正確に測定できる中性子エネルギーの範囲が限定される。高エネルギー範囲において、特に問題は起きる。なぜならば、高エネルギー粒子が検出されないまま、装置を通過する可能性が高いためである。この問題は、米国特許第４５８８８９８号に記載された装置により例証される。より詳細に説明すると、ポリエチレンの使用は、高速中性子及び中間エネルギー中性子の減速に寄与するが、高エネルギー中性子を効率的に減速させるのに必要なポリエチレン量は、重量及び大きさの点で実用化が難しい。反対に、過度なポリエチレンの使用は、熱中性子（すなわち、低エネルギー中性子）の効率的な検出を妨げる。したがって、かかる装置は、一部のエネルギー範囲において中性子の検出効率が低い。

前記問題に取り組む手段の１つは、限定されたエネルギー領域の中性子を検出する装置を採用し、かかる装置で得られた結果に「加重式（weighting formula）」を適用して、「全線量当量（total dose equivalent）」を算出することである。しかしながら、広範囲にわたるエネルギーレベルの中性子を直接測定しないため、この加重計算は不正確であることが多い。

先行技術の機器に関連する２つ目の問題は、測定するエネルギー範囲によって感度が顕著に異なりうることである。したがって、問題の装置が、高エネルギー中性子を使用して測定調整されると、エネルギーがより低い中性子の存在下では、測定値に誤りが生じうる。同様に、仮に低エネルギー線源を使用して測定調整を行うことが可能であるなら、そのときは、より高いエネルギーの中性子の測定値が不正確となるであろう。補助的に分光計測を使用して、検出された中性子のエネルギー分布を確定し、補正係数を適用することはできるが、時間がかかり、コストがかかり、非実用的である。また、かかる測定法は、機器の使用される中性子場が場所によって又は場所内で変化しないことにも依存する。

以前は、上記の不正確さは容認されていた。最悪の誤差が生じるのは、大して重要ではない中性子エネルギー範囲においてであるか、或いは、少量の線量当量しか被曝しない場合であると考えられていた。しかしながら、最近では、中性子の相対危険因子が、以前認められていたより大きいことがわかってきた（中性子の最大線質係数は、光子の最大線質係数との相対値で２０から３０に増加した）。結果として、広いエネルギー範囲を通じて、より少ない誤差で感度を向上させることが求められている。

さらに問題を複雑化するのが、放射線防護において使用される定義の定期的な見直しである。この見直しにより、中性子の線質係数又は放射線荷重係数が変更される際に、異なった中性子エネルギー範囲の相対的重要性が変化する。多くの先行技術における機器の性質を鑑みると、この変化により、装置を大規模に再構成しなければならず、ハードウェアの交換をも必要とし、さもないと大きな誤差を容認しなければならない。したがって、より汎用性のある機器が必要とされる。

欧州特許第０９４３１０６号は、以前の検出装置よりいくつかの点で改良された中性子検出装置を記載している。より詳細に述べると、記載されている装置は、中心に位置する^３Ｈｅ核検出器を基礎とし、かかる検出器は、中性子検出器として減速ポリエチレン球の表面下の浅いところに設置されている６つの光ダイオードと組み合わされて、作動する。中心に位置する検出器は、ホウ素配合のゴムシェル（Flex/Boron）により包容されるポリエチレンシェル内部に位置する。ホウ素配合ゴムの外側には、さらにポリエチレンシェルがある。使用時には、外側のポリエチレンシェルが高速中性子を減速させ、ホウ素配合層が機器上の低エネルギー中性子入射を減衰させ、内側のポリエチレンシェルがホウ素配合層を貫通する中性子をさらに減速させる。欧州特許第０９４３１０６号の装置は、Ｈ^＊（１０）応答を推定較正値（a presumed calibration）の２倍以内に抑えることが可能であり、これは既存の中性子エリア検査機器（Bartlett et al, 1997）より改良されている点である。

欧州特許第０９４３１０６号の装置は、応答のエネルギー依存性において、いくつかの利点を提供する一方で、７つの検出器を必要とするため、従来のデザインと比較して構築する費用が嵩む。加えて、高圧電源及び低圧電源両方を必要とするため、かかる機器はさらに複雑化し、費用がより嵩む。欧州特許第０９４３１０６号の装置に関するさらなる問題は、かかる装置が比較的重いことであり、このことは携帯用装置として用いられる際に特に問題となる。なぜならば、携帯用装置を使用する際には、作業員の身体による干渉を回避するために、作業員が腕を一杯に伸ばして装置を保持することが必要とされるからである。

したがって、上記１又は２以上の問題に対処する、より実用的な中性子検査機器が必要とされる。

米国特許第４５８８８９８号 欧州特許第０９４３１０６号

Bartlett, D T, Tanner R J and Jones D G (1997). A new design of neutron dose equivalent survey instrument. Radiat Prot Dosim, 74 (4), 267-271.

本発明は、１又は２以上の上記問題を解決する。

本発明の第１の態様では、放射線検出のための機器が提供され、かかる機器は、ｉ）中性子検出器を含む内部コア、ii）中性子減速材を含み、外表面を有する外部コア、及びiii）外部コアに位置し、内端部及び外端部を有する少なくとも１本の細長い熱中性子ガイドを含み、（ａ）熱中性子ガイドは、外部コア外表面から中性子検出器の方向に伸長し、使用時には、熱中性子を中性子検出器に誘導し、（ｂ）熱中性子ガイド内端部は、中性子検出器に近接する。

１つの形態において、かかる機器、より具体的には、内部コアの中性子検出器は、主に熱（低エネルギー）中性子に対して感度が良く、複数の検出器を必要としない。本発明において、低エネルギー（すなわち、熱）中性子は、０．４ｅＶ未満のエネルギーを有する中性子を意味する。この熱中性子は、（室温において）平均１００ｍｅＶ未満、又は、５０ｍｅＶ未満、又は、３０ｍｅＶ未満のエネルギーを有することが好ましく、それは例えば２５．３ｍｅＶ領域である。

使用時には、かかる機器は、他の検出器を１つしか有しない検査機器の特徴である、中間エネルギー中性子（０．４ｅＶ〜１００ｋｅＶ）の過大評価を減少させる。

作業時には、かかる機器を腕を一杯に伸ばした距離分作業員から離して保持することが好ましい。これを容易にするには、この機器の最大重量が１０ｋｇ未満、例えば、８ｋｇ未満又は６ｋｇ未満でなければならない。

１つの形態において、中性子減速材は、１又は２以上のプラスチック材等の、１又は２以上の水素含有材を含んだ固体物質であり、例えば、ポリエチレン又は他の水素含有若しくは炭化水素ポリマーを含んだ固体物質である。０．６〜１．５ｇ／ｃｍ^３の平均密度を有する材料の使用が好まれ、より好ましくは０．７〜１．２ｇ／ｃｍ^３、さらに好ましくは０．８〜１．１５ｇ／ｃｍ^３、最も好ましいのは０．９０〜１．００ｇ／ｃｍ^３である。

中性子減速材は、１又は２以上の異なる材料を含んでいてもよい。１つの形態において、１又は２以上の前記の異なる材料は、内部コアの周囲に対応する層で、好ましくは別個の層で配置されてもよい。他の形態において、２以上のかかる異なる材料が、合成物、混合物、及び／又はアマルガムを形成してもよく、内部コアの周囲に１又は２以上の層、好ましくは別個の層として配置されてもよい。この１又は２以上の異なる材料が、高熱中性子捕獲断面を有することが好ましい。１つの形態において、各層は、内部コアから外部コア外表面方向に厚みを有する。例として挙げれば、かかる方向とは、内部コアから外部コア外表面への最短距離を提供する方向である。この点において、外部コアが実質的に球状である１つの形態において、かかる方向とは実質的に半径方向であろう。

かかる外部コアは、ホウ素又はホウ素含有材、カドミウム又はカドミウム含有材、リチウム又はリチウム含有材、或いは、それらの合成物、混合物、及び／又はアマルガム等の中性子減衰材を含んでいてもよい。中性子減衰材がホウ素又はホウ素含有材を含む場合、そのホウ素は、天然のものでも、ホウ素‐１０等のホウ素同位体を濃縮したものでもよい。中性子減衰材がリチウム又はリチウム含有材を含む場合は、そのリチウムは、天然のものでも、リチウム‐６等のリチウム同位体を濃縮したものでもよい。この中性子減衰材は、粉体形状で提供されても、金属層として提供されても、プラスチックマトリックス等のマトリックスで提供されてもよい。１つの形態において、中性子減衰材は、外部コア内に１又は２以上の層（好ましくは、別個の層）を形成する。１つの形態において、中性子減衰材は、外部コア内表面を画定する層を形成していてもよい。或いは、中性子減衰材は、外部コア内に位置する中性子減速材の間に挟まれてもよく、この挟む中性子減速材は層として存在してもよい。

前記外部コアは、実質的に内部コアを包囲することが好ましい。外部コアは、内部コアと接触していてもよい。

外部コアは、運搬用ハンドル及び／又は外側に搭載された電子処理手段を備えていてもよい。また、外部コアは、突出した脚を有していてもよい。或いは、かかる処理手段は、装置から離れて設置されてもよい。使用時には、かかる処理手段は、装置と通信する。適切な処理手段には、配線接続、光学的通信、無線通信、又は他の手段が１又は２以上含まれている。

前記内部コアは、１又は２以上の中性子検出器を含むものでもよいし、１又は２以上の中性子検出器からなるものでもよい。かかる検出器は、^３Ｈｅタイプ；ＢＦ_３タイプ；並びに、^６Ｌｉ及び^７Ｌｉのコンバータペア、シンチレータ及び光電子増倍管、或いは、例えば銀などの遅延β崩壊が検出され得る物質から、１つ以上を選択することができる。好ましくは、かかる機器は単一の中性子感受性検出器を含むか、或いは、単一の中性子感受性検出器からなる。

１つの形態において、内部コアは球状である。外部コアを成形するか寸法を合わせるかすることにより、内部コアを包囲する物質の厚みが実質的に均等化されることが好ましい。外部コアは球状でもよい。或いは、外部コアは半球の先端部を有する円筒状でもよく、その場合、内部コアは外部コアに対応した形状ではあるが、それよりは小さい形状を有することが好ましい。

かかる装置は、１本以上の熱中性子ガイドを含んでいてもよい。かかる装置は、少なくとも２本若しくは４本、又は、少なくとも６本若しくは８本、又は、少なくとも１０本若しくは１２本の熱中性子ガイドを含むことが好ましい。１つの形態において、かかる装置は、１４本の熱中性子ガイドを含む。

前記熱中性子ガイドは、内部コアの周囲に対称的に配置されることが好ましい。１つの形態において、ガイドは、内部コア又は検出器から外部コア外表面に向かって、概ね半径方向に伸長する。

熱中性子ガイドは、外部コア外表面から内部コア／検出器に至るまでの全長にわたって伸長していてもよい。或いは、熱中性子ガイドは、内部コア手前及び／又は外部コア外表面手前で終わっていてもよい。好ましい形態においては、熱中性子ガイドは内部コアと接触し、好ましくは中心に位置する検出器に接触する。

１つの形態において、熱中性子ガイドは、中性子減速材及び／又は中性子減衰材と構造的に区別される（また、好ましくはそれらを含まない）。

１つの形態において、熱中性子ガイドは、外部コア外表面から内部コア／検出器に向かう方向へと伸長する。かかる熱中性子ガイドは、装置外部から内部コアに熱中性子を誘導するための１本の見通し線（line-of-sight）を提供することが好ましい。１つの形態において、かかるガイドは、細長く、直線である。熱中性子ガイドは、内部コアから外部コア外表面に向かう最短距離を与える方向に伸長することが好ましい。例を挙げれば、外部コアが実質的に球状である形態において、かかる方向とは実質的に半径方向であろう。

熱中性子ガイドは、固体物質を含んでもよいし、固体物質からなってもよく、好ましくはアルミニウムや鉛等の金属であり、最も好ましくはアルミニウムである。

或いは、熱中性子ガイドは、流体物質を含んでもよいし、流体物質からなってもよく、かかる流体物質とは好ましくは空気である。この形態において、かかるガイドは、好ましくは中性子減速材及び／又は中性子減衰材にあけた穿孔により提供される。或いは、熱中性子ガイドは、真空又は不完全真空からなってもよい。

熱中性子ガイドの断面積は、ガイド全長を通じて実質的に一定であってもよい。或いは、熱中性子ガイドの断面積は、ガイド全長を通じて変化してもよい。１つの形態において、かかる断面積は、内部コアから離れて外部コア外表面に近づくにしたがい増大する。好ましい形態において、外部コア外表面近くに位置するガイドの一部分の断面積は、内部コア近くに位置するガイドの一部分の断面積よりも大きくてよい。

１つの形態において、熱中性子ガイドは内部コア方向に向かって伸長し、ガイド内端部が検出器に近接する。例を挙げれば、ガイド内端部と内部検出器との距離が２０ｍｍ未満、１５ｍｍ未満、１０ｍｍ未満、８ｍｍ未満、又は５ｍｍ未満となる位置でガイド内端部が終わってもよい。或いは、かかるガイドは、機器の中心に位置する検出器に至るまでの全長にわたって（すなわち、検出器に接して）伸長してもよい。この点に関して、ガイド内端部と検出器との間に減速材が相当量ある場合には、機器の応答に悪影響があるであろう：かかるガイドは、熱中性子に対する効果的な応答を生じさせることができないであろう。この問題は、独国特許第１９６２７２６４Ｃ１号に記載されている検出器等の、先行技術におけるいくつかの装置に観察されており、本発明により対処され、解決される。

細長い熱中性子ガイドは、平坦又は実質的に平坦な外端部で（外部コア外表面又はその近くで）終わっていてもよい。或いは、かかる外端部は、内側に鋭く凹んだ形、内側に半球状に凹んだ形、半円、Ｖ字型、又はＵ字型等の（例えば、添付の図に示される）凹状の軸方向断面形で終わってもよい。このように、ガイド外端部を成形し、低エネルギー中性子に関して応答の方向依存性を修正してもよい。例えば、平坦なガイド先端部（又は機器の外表面と同一平面上のガイド先端部）を有する場合、かかる機器は、通常、入射平面が特定のガイドの軸に平行である中性子に選択的に応答する。代わりに、凹状の外部ガイド先端部を備えることで機器の応答の方向依存性が修正されるのであり、このことは好ましい。例えば、ガイドの凹状の先端部は、凹面の半径の平均が、概数若しくは最大で２０ｍｍ、１５ｍｍ、又は１０ｍｍでよい。ガイドが有する凹状という特徴は、単なる中性子経路であることを越えた特徴である。なぜなら、かかる特徴は、機器が特定方向からの中性子入射に対して過度に応答しないように設計されているからである。例えば、機器は、２、４、６、又は８本のかかる凹状のガイドを含んでいてもよい。機器の非凹状のガイド（例えば、従来のガイド）に対して、凹状のガイドの地理的配置／位置は任意でよい。或いは、凹状のガイドは「対」で設置されてもよく、各対の２つの部材はそれぞれ、検出器の実質的反対側に位置するよう設置される（例えば、対の凹状ガイドの各先端部は、直径方向の両極に対置されてもよい）。１つの形態において、前記機器のガイドは、全て凹状のガイドである。

前記ガイドには、外部環境からデブリが装置に侵入するのを防ぐために、保護先端部が含まれていてもよい。保護先端部は、プラグの形状をしていてもよい。例を挙げれば、プラグは減速材と同材、又は、熱中性子ガイドに熱中性子が入るのを補助するために選択される材料、例えば、金属等の材料から形成されてもよい。１つの形態において、保護先端部の材料それ自体は、中性子、特に低エネルギー中性子を実質的に減速させたり、減衰させたりしない。或いは、保護された先端部は、外部コアの材料の構成材の延長でもよい。

１つの形態において、かかる機器は、０．１ｍｅＶ〜２０ＭｅＶ（若しくはそれ以上）のエネルギー範囲、又は、０．５ｍｅＶ〜１５ＭｅＶのエネルギー範囲、又は、１ｍｅＶ〜１０ＭｅＶのエネルギー範囲における中性子を効率的に検出可能である。

好ましい形態において、かかる機器は、実質的に無指向性的に中性子の検出ができる。装置の電子機器が分離された１つの形態において、応答が入射角によって変化することはない。減速材に電子機器が付随しているもう１つの形態において、電子機器及び減速材を通る軸に垂直な平面上で、応答が入射角によって変化することはほとんどない。かかる形態では、０°を電子機器及び減速材を通る軸における電子機器の反対側からの入射であると規定した場合、かかる軸から±１５０°のアーク角で応答はほとんど変化しない。

本発明の第２の態様では、本発明の第１の態様の機器を使用した放射線検出方法が提供される。かかる方法は、機器を中性子と接触させること、中性子と中性子検出器の接触に続いて１又は２以上の信号を発生させること、並びに、かかる１又は２以上の信号を検出することを含む。

本発明のさらなる態様では、中性子検出器を含む機器の熱中性子入射の検出を向上させる方法が提供される。かかる方法は、検出器に近接して終わる内端部を有する少なくとも１本の細長い熱中性子ガイドに沿って、熱中性子を選択的に誘導し、続いて中性子検出器によりそれを検出することを含む。

本発明のさらなる態様は、熱中性子の検出機器における細長い熱中性子ガイドの使用を提供する。かかるガイドは検出器に近接した位置で終わり、使用時には、かかる熱中性子ガイドが熱中性子を中性子検出器方向に誘導する。かかる熱中性子ガイドは、減速材／吸収材内部に位置する特徴であり、
・装置の中心に中性子を効果的に誘導し、
・中性子の方向及びエネルギーにしたがって、誘導効率を加減し、
・中心に位置する検出器へと吸収層を貫通する経路を確保する
ようにデザインされている。

かかるガイドは、前記機器が特定のエネルギー範囲内の中性子を選択的に検出することのないように、断面積が変化してもよい。

以下の図面を参照して、本発明の多様な形態を記載する。

本発明の機器の１つの形態の断面図を示す図である。内部コア（検出器）から外部コア外表面へと伸長する熱中性子ガイドが示されている。外部コアは、中性子減速層に挟まれた中性子減衰層を含む。 内部検出器から装置外表面へと伸長する、断面直径１．５ｃｍのアルミニウム、銅、及び鉛のロッドに関して、フルエンス応答を示した図である。データは、内半径３．７ｃｍ、外半径４．９ｃｍのホウ素配合ポリエチレン減衰層に関するものである。 減速材外表面へと伸長する、断面直径１５ｍｍ及び６ｍｍのロッドに関して、Ｈ^＊（１０）応答データを示す図である。 中性子ガイド、内部コア、並びに、外部コアのポリエチレン減速材及びポリエチレン減衰材が示された、本発明の１つの形態における、装置の縦断面図を示す図である。 装置の外部コア外表面に到達する、又は、外表面直下５ｍｍのところで終わるアルミニウムロッドに関して、フルエンス応答データを示す図である。かかるデータは、直径６ｍｍのアルミニウムロッドに関するものである。 装置の外部コア外表面に到達する、又は、外表面直下５ｍｍのところで終わるアルミニウムロッドに関して、Ｈ^＊（１０）応答データを示す図である。 中心に位置する検出器から装置の外部コア外表面直下５ｍｍのところまで伸長する断面直径６ｍｍのアルミニウムガイドに関して、中性子減衰ホウ素配合層の配置を変更することによる効果を示す図である。 ガイド断面直径、及び、ガイド先端部を覆うＣＨ_２の厚み、すなわちガイド先端部と外部コア外表面との間にあるＣＨ_２の厚みの両方を変化させることによる効果を示す図である。 例証デザインのＨ^＊（１０）応答を示す図であり、最適化計算からのデータ及びより多くのエネルギーに関するデータを示している。３つのエネルギー分布も用いられた：熱エネルギー分布、^２５２Ｃｆ線源分布、及び^２４１Ａｍ−Ｂｅ線源分布である。これらは曲線の一部としては表示されていない。 単一指向性線源及び等方性線源に対するＨ^＊（１０）応答を示す図である。単一指向性線源は２本のガイドの軸に沿った方向に向けられている。これらデータは、平坦な外端部を有する中性子ガイドに関するものである。 中性子吸収層は貫通するが、さらに検出器に到達するところまでは伸長しない中性子ガイドを有する装置のＨ^＊（１０）応答を示す図である。中性子を中心に位置する検出器に至るまでの全長にわたって誘導するガイドを有する装置のＨ^＊（１０）応答も、対照として示す。中心に位置する検出器に至るまでの全長にわたって伸長しない穿孔は、熱中性子及び低エネルギー中性子を検出のために効率的に誘導できないと判断される。 Leakeによる装置及び欧州特許第０９４３１０６号の装置の周辺線量当量応答特性との比較で、本発明の装置の周辺線量当量応答特性を示す図である。 低エネルギーでの応答の方向依存性を修正するために、各ガイド先端部に半球状の挿入部分を入れた装置を示す図である。ガイド先端部にあるプラグは、外部減速材と同材、又は、組立てを容易にするため若しくは応答特性を修正するために選択された材料で作られていてもよい。 ガイド先端部に半径７ｍｍの半球状の挿入部分を入れた装置の、周辺線量当量応答特性を示す図である。この装置は、平行平面中性子場及び等方性中性子場のために作製された。この結果は、図１０に示された結果と対比されなければならない。 単一の中性子ガイドを有する円筒形の装置を示す図である。 「弾丸型」装置を示す図であり、かかる装置は、装置の中央を通る直線の形で２本の中性子ガイドを有する。追加のガイドが、この頁の面のこちら側及び向こう側に突出し、合計４本のガイドとなる。 中央を通る平面に４本の中性子ガイドを有する立方体の装置を示す図である。追加のガイドがこの頁の面のこちら側及び向こう側に突出し、合計６本のガイドとなる。 複雑なパターンのガイドを有する立方体の装置を示す図である。かかるガイドは、外側から減衰層まで伸長するガイド、装置の中央から減衰層まで伸長するガイド、並びに、減衰層を貫通するガイドを含む。

装置には、内部コアの周囲に６本の熱中性子ガイドが直交して配置される（図には４本が示されている）（図１参照）。外部コアの中性子減速層は、ポリエチレン等のＣＨ_２をベースにしたポリマー材料を含む。外部コアの中性子減衰層は、ホウ素配合ポリエチレン等のホウ素含有材を含む。

内部コアは、中性子比例計数管を含む。かかる計数管に中性子が入射することにより、ＢＦ_３中での^１０Ｂ（ｎ，α）反応を介してα粒子、或いは、^３Ｈｅ（ｎ，ｐ）Ｔ反応を介してプロトン及びトリトンが生成し、電離を生じさせることができる。パルスが検出され、検出器から電子機器へ送られる信号を生じさせる。このように、検出器は、検出器内での事象数を示す信号を提供する。検出器からの信号を相当期間モニターし、記録することができる。

試験パラメーター
図１に示される形態に関して調査した。かかる装置は以下の特徴を有する。

本デザインに使用された中央に位置する検出器は、充填ガスとして^３Ｈｅを使用するCentronic社製ＳＰ９球形比例計数管の寸法を有する。

様々に異なるタイプの中性子ガイドを有する、実施例１に記載の装置が用意された。組立てられた時点で、かかるガイドは、断面直径約１．５ｃｍを有し、外部コア外表面まで伸長する。３つのきわめて異なる金属、すなわち、銅、アルミニウム、及び鉛が、調査のために選択された。これら金属は、以下の理由により選択された。
銅：中間的な密度を有し、比較的高い（ｎ，２ｎ）反応断面積（〜０．６ｂ）を有し、このことにより高エネルギー中性子に対する応答を増強する高い能力が与えられる。
アルミニウム：軽量で、熱中性子に対し非常に透過性が高く、低（ｎ，２ｎ）反応断面積（〜０．０３５ｂ）を有する。
鉛：熱中性子に対し非常に透過性が高く、高（ｎ，２ｎ）反応断面積（〜２ｂ）を有する。

１ＭｅＶ以上の中性子エネルギーの場合、金属の選択は重要ではない（図２及び図３）：鉛を使用することで、２０ＭｅＶを超える範囲での応答が、アルミニウム又は銅の時よりも増加するが、約２０％だけである。より低いエネルギー（例えば、熱中性子）では、鉛ロッドを使用した際の応答は、銅ロッドを使用した際の応答の３４倍高く、アルミニウムロッドを使用した際の応答は、銅ロッドを使用した際の応答の２５０倍高い。この感度の主な理由は、（ｎ，γ）反応断面積が顕著に異なるからである。密度を考慮すると、鉛及び銅の捕獲断面積は、アルミニウムの捕獲断面積の各々４倍及び６６倍である。したがって、本発明の目的のための中性子ガイドとして、これらの金属のいずれも採用できるが、熱中性子に対する透過性が高いため、アルミニウムを使用することが好まれる。或いは、低原子質量を有し、強い中性子捕獲反応断面を有さなければ、容易に機械加工できる他の金属を使用してもよい。

直径１．５ｃｍのガイドに鉛又はアルミニウムを使用する時は、熱中性子及び中間エネルギー中性子に対するＨ^＊（１０）応答は高い（図３）。鉛及びアルミニウムのデータの違いは、鉛のより強い弾性散乱と関係する可能性がある：より多くの中性子が、ガイド外へと散乱するからだろう。この違いは、熱中性子に関して放射捕獲断面積とは関係がない。なぜなら、放射捕獲断面積はアルミニウムで０．２３１ｂ、鉛で０．１７４ｂであるからである。高速中性子に関して、鉛の（ｎ，γ）反応断面積は、アルミニウムの反応断面積と比較してかなり高く、多くの共鳴を有するが、かかるエネルギー範囲に関しては、ＣＨ_２層で減速される中性子によって応答が決定されなければならない。

アルミニウム及び鉛に関して、熱中性子に対する応答は、ホウ素配合ポリエチレンを貫通して熱中性子及び中間エネルギー中性子を得るのに、これらロッドが効率的であることを端的に示している。アルミニウムはまた、低密度のため、かなり質量を抑えることができる。

実施例２で記載され、使用された装置は、装置の外部コア外表面まで伸長する中性子ガイドを含む。本実施例では、熱中性子ガイドが外部コア外表面に到達しない装置を記載し、使用する。本実施例では、ガイド先端部と外部コア外表面との間に５ｍｍのポリエチレンを有するガイドが使用される（図４）。

この新しい配置の結果は、図５及び図６において、装置の表面に到達するガイドの結果と対比される。これらのデータは、１０ｋｅＶ以上の全てのエネルギーにおいて、応答の差異が計算上では生じないことを示している。これは、かかるエネルギー中性子が、上記外部コアの外表面側の最初の５ｍｍではそれほど減速又は減衰されないためである。

Ｈ^＊（１０）応答（図７）は、この改良によって顕著な向上が見られ、熱中性子応答は、高速中性子の応答と比較して、改良後は僅かに低いだけである。

本実施例では、中性子減衰層、ここではホウ素配合ポリエチレン層の位置によって、本発明の装置の高速中性子応答がいかに修正されうるかを示す。

各ケースにおいて、ホウ素配合ポリエチレン層の厚みは変更されず、１．２ｍｍのままであった。中性子減衰層の異なる３つの配置が調査された：内半径及び外半径が３２ｍｍ及び４４ｍｍ；３７ｍｍ及び４９ｍｍ；４２ｍｍ及び５４ｍｍ。これら５ｍｍずつの増分は、１０ｅＶ以下のエネルギーに関する応答において特に顕著な効果を生じさせず、かかるエネルギーを有する中性子に対する応答が、ガイドに沿って移動する中性子により決定することを端的に示している（図７）。より高いエネルギーの場合は、減衰層が機器の中心から離されるにしたがい、応答が増大する。なぜなら、減衰層の効果が低下し、内部コアによる減速がより効果的となるためである。

実施例３に記載の装置に関して、同時に２箇所の変更を施して本実施例に記載の装置とした。１箇所目は、ガイドの断面直径を６ｍｍから５ｍｍに縮小した。２箇所目は、ガイド先端部を１ｍｍ伸長し、かかる装置の外部コア外表面から５ｍｍのところではなく４ｍｍのところで終わるようにした。これらの変更は相補的であることが意図されたため、２箇所同時に変更を施した：ガイドの直径を縮小すると、熱中性子応答を低下させるであろうが、ガイド先端部を覆うＣＨ_２を減少させると、熱中性子応答を増大させるはずである。

これらの変更の効果は劇的なものではない。１０ｋｅＶ以上のエネルギーを有する中性子入射に関する応答には変化が検出されず（図８）、かかるエネルギーに対する応答は、ガイドへの依存性が高くないことを示している。熱中性子に関してもまた有意差はなく、ガイドを細くすることにより、ガイドに到達するために横切らなければならないポリエチレンの減少が相殺されることをおそらく示すだろう。熱中性子は、最も貫通性の低い中性子であり、それゆえガイドに最も強力に侵入するのはガイド末端においてであるだろう。

０．１ｅＶ〜５ｋｅＶのエネルギーを有する中性子に関して、かかる２箇所の同時変更は、応答の低下をもたらす。計算されたデータにおいて、最も顕著な違いは１０ｅＶの時であり、これらの変更がほぼ４０％の応答低下をもたらす。５ｋｅＶで、応答は向上し、かかるエネルギーにおける潜在的な過大評価の度合いを縮小する。

より多くの線源エネルギーが使用されると、応答のエネルギー依存性がより詳細にみられる（図９）。このとき、Ｈ^＊（１０）応答最小値は、エネルギーが約２０ｅＶ及び２００ｋｅＶの時であり、応答最大値は５ｋｅＶの時であることがわかる。

３つのエネルギー分布が、線源としても使用された：３００Ｋマックスウェル・ボルツマン分布（Maxwell-Boltzmann distribution）（熱エネルギー分布）、並びに、^２５２Ｃｆ及び^２４１Ａｍ−Ｂｅ放射性核種源（ＩＳＯ、２００１）。単一エネルギー応答データを単に突き合わせることを意図しているため、図示される線はこれら線源を連結させていない。単一エネルギーデータから予想される応答よりも、熱中性子エネルギー分布に対する応答が高いことがわかる。熱中性子周辺線量当量応答を計算するために、１１．４ｐＳｖ ｃｍ^２という値がフルエンスから線量当量への換算係数として使用された。これは、ＩＣＲＵ（International Commission on Radiation Units and Measurements）及びＩＣＲＰ（International Commission on Radiological Protection）によりまとめられた、２５．３ｍｅＶでの１０．６ｐＳｖ ｃｍ^２という単一エネルギー中性子場にのみ適用可能な値とは異なる。かかるエネルギー分布における計算された応答は、単一エネルギー中性子場の応答よりも有意に高い。高速中性子に関して、ＭＣＮＰにおける等方性線源への応答は、単一指向性線源に対する応答と同じであることが確認される（図１０）。

本発明の好ましい形態は、表２に示される明細事項を有することを特徴とする。このデザインは、４．５２ｋｇの総減速材質量を有するであろう。

電子機器及びバッテリーを加えても総質量に１ｋｇしか加えないだろうという前提において、かかる機器は、他の市販のデザインよりも顕著に軽量だろう：NMS017（Leake）は、６．２ｋｇの質量を有する；SWENDI-IIは、１３．４ｋｇである；Wedholm Medical社製2222Dは、１０．５ｋｇである；Berthold社製LB6411は９．０ｋｇである。６ｋｇ未満の装置は、作業現場で使用するのが比較的簡単であるため、本実施例のデザインはこの特徴だけでも魅力的だろう。

ユーザーは、本発明の検査機器の軽さのみに魅力を感じだけではなく、線量測定の性能にも興味を引かれることだろう：許容できる線量当量応答特性を有さない、非常に軽量で入手可能な機器は多くある。例えば、NMS017は、直径５インチの減速球（半径６．３５ｃｍ）を使用するため総質量が２ｋｇしかないが、高速中性子に対するＨ^＊（１０）応答が、熱中性子に対する応答よりも３桁以上低い。かかる機器のｋｅＶエネルギー範囲の領域に対するＨ^＊（１０）応答は、熱中性子に対する応答よりも１桁高いので、応答は２０ＭｅＶまでのエネルギー範囲において１０００倍を超えて変化する。

広く使用される中性子検査機器のうち、最も直接的に比較に値するのは、最軽量であるためLeakeによるデザインのものである。特に高エネルギーにおいて、一部の他の機器ほど線量測定の性能は良くないが、英国では最も広く使用されている。本発明の装置と比較すると（図１１）、ｋｅＶエネルギー範囲における数値を過大評価することが、本発明の装置では実質的に減少していることがわかる。熱中性子に対する応答不足も解消され、高速中性子応答はわずかによい。Leakeの装置と比較すると、応答特性のエネルギー依存性が明らかに優れている。

先行技術における最良の応答特性を有する製品はおそらく、７つの検出器を有し、約１０ｋｇの装置質量を有するNRPB（英国放射線防護庁）/BNFL（英国原子燃料会社、現BNG）のデザインの製品（Bartlett et al, 1997）である（図１１）。しかしながら、本発明の装置と比較すると、NRPB/BNFL装置の応答特性は、総合的に劣っている。特に、１００ｋｅＶでの応答の下落及び５〜１０ＭｅＶでのピークは、本発明のガイドを使用することで減少又は排除される。これら後者の２つの特性は、作業現場において非常に重要である。かかるNRPB/BNFL装置はまた、実質的に重かったため、作業上多大なる不都合を引き起こしただろう。

本発明の好ましい形態は、表３に示す明細事項を有する。このデザインは、総質量約５ｋｇの減速材を有するだろう。かかるデザインは、ガイドがアルミニウムの代わりに空気／真空で充填され、減衰層を通過する位置でガイドの半径が変化する点において実施例６と相違している。かかるガイドの機能は、単に、熱中性子化された中性子を誘導することであるため、内部減速層を通る部分ではガイドはより細く、一方で外部減速層を通る部分では、かかるガイドは、熱中性子を誘導し、選択的に受け入れるように機能する。本実施例におけるホウ素配合減衰層は、検出器からさらに離れたところに位置するため、高エネルギー中性子に対する応答を補助する。実施例６におけるホウ素配合減衰材は、高エネルギー中性子からのフルエンスの重要要素を含まない中性子場にとって好ましい。

かかる装置の好ましい形態は、実施例７で表３に特定されているパラメーターを使用し、図１３に示されるように各ガイド先端部に半球状の挿入部分が追加される。各ケースにおける中性子ガイドの外部セクションの半径は０．７ｃｍであり、挿入部分を形成する球の半径は、０．７ｃｍである。かかる球の中心は、減速器の外表面の０．７５ｃｍ下に位置する。

本形態において、実施例６又は７で表２又は表３に各々記載されているようにホウ素配合減衰層を配置してもよい。

引用文献
Bartlett, D T, Tanner R J and Jones D G (1997). A new design of neutron dose equivalent survey instrument. Radiat Prot Dosim, 74 (4), 267-271.

Briesmeister J F (Ed) (2000). MCNP - a general Monte Carlo n-particle transport code, Version 4C. Report No. LA-13709-M. Los Alamos: LANL.

International Organization for Standardization (2001a). Reference neutron radiations - Part 1: characteristics and methods of production. ISO 8529-1:2001(E). Geneva: ISO.

Leake J W (1965). A spherical dose equivalent neutron detector. Nucl Instrum Meth, 45, 151-156.

Leake J W (1968). An improved spherical dose equivalent neutron detector. Nucl Instrum Meth, 63, 329-332.

Leake J W (1999). The effect of ICRP (74) on the response of neutron monitors. Nucl Instrum Meth, A421, 365-367.

Tanner, R J, Molinos, C, Roberts, N J, Bartlett, D T, Hager, L G, Jones, L N, Taylor, G C and Thomas, D J (2006). Practical implications of neutron survey instrument performance. HPA-RPD-016 (Chilton: HPA).

Claims (56)

1. 放射線検出のための機器であって、
   ｉ）中性子検出器を含む内部コア；
   ii）外表面を有する外部コア；及び
   iii）金属又は流体を含み、かつ内端部及び外端部を有し、前記外部コア内に位置する、
   複数本の細長い熱中性子ガイドを含み、
   (a)前記熱中性子ガイドが、前記外部コア外表面から前記中性子検出器の方向に伸長し、
   前記外部コアが、前記細長い熱中性子ガイドよりも高い中性子減速能を有する中性子減速材を含み、使用時には、熱中性子を前記中性子検出器に誘導し、
   (b)前記熱中性子ガイド内端部が、前記中性子検出器に近接し、前記複数本の熱中性子ガイドが、前記外部コア外表面の内側２０ｍｍ未満のところで終わり、
   (c)前記外部コアが中性子減速材からなる、
   機器。
2. 単一の中性子検出器を備える、請求項１に記載の機器。
3. ０．１ｍｅＶ〜２０ＭｅＶのエネルギー範囲の中性子を検出することができる、請求項１又は２に記載の機器。
4. 外部コアの中性子減速材が、０．６〜１．５ｇ／ｃｍ^３の平均密度を有するプラスチック材を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の機器。
5. 熱中性子ガイド内端部と中性子検出器とが、２０ｍｍ未満の最大距離で離れている、請求項１〜４のいずれかに記載の機器。
6. 熱中性子ガイド内端部と中性子検出器とが、１５ｍｍ未満の最大距離で離れている、請求項１〜５のいずれかに記載の機器。
7. 外部コアがさらに、該外部コア内の層として配置される１又は２以上の異なる材料を含む、請求項１〜６のいずれかに記載の機器。
8. １又は２以上の異なる材料が中性子減衰材である、請求項７に記載の機器。
9. １又は２以上の異なる材料がホウ素又はホウ素含有材である、請求項７又は８に記載の機器。
10. １又は２以上の異なる材料が、中性子減速材層の第１層と第２層との間に挟まれている、請求項７〜９のいずれかに記載の機器。
11. 外部コアが５ｃｍ〜２５ｃｍの厚みを有する、請求項１〜１０のいずれかに記載の機器。
12. 外部コアが５ｃｍ〜２０ｃｍの厚みを有する、請求項１〜１０のいずれかに記載の機器。
13. 外部コアが５ｃｍ〜１５ｃｍの厚みを有する、請求項１〜１０のいずれかに記載の機器。
14. １又は２以上の層が０．５ｃｍ〜３ｃｍの厚みを有する、請求項７〜１０のいずれかに記載の機器。
15. １又は２以上の層が０．７ｃｍ〜２ｃｍの厚みを有する、請求項７〜１０のいずれかに記載の機器。
16. １又は２以上の層が１ｃｍ〜１．５ｃｍの厚みを有する、請求項７〜１０のいずれかに記載の機器。
17. ｉ）１又は２以上の異なる材料が層として存在し、０．５ｃｍ〜３ｃｍの厚みを有し；
    ii）中性子減速層第１層が、内部コア近くに配置され、０．５ｃｍ〜５ｃｍの厚みを有し；
    iii）中性子減速層第２層が、外部コア外表面近くに配置され、５ｃｍ〜２０ｃｍの厚みを有する、
    請求項１０に記載の機器。
18. １又は２以上の異なる材料が０．７ｃｍ〜２ｃｍの厚みを有する、請求項１７に記載の機器。
19. １又は２以上の異なる材料が１ｃｍ〜１．５ｃｍの厚みを有する、請求項１７又は１８に記載の機器。
20. 中性子減速層第１層が０．７ｃｍ〜４ｃｍの厚みを有する、請求項１７〜１９のいずれかに記載の機器。
21. 中性子減速層第１層が１ｃｍ〜３ｃｍの厚みを有する、請求項１７〜２０のいずれかに記載の機器。
22. 中性子減速層第２層が５ｃｍ〜１５ｃｍの厚みを有する、請求項１７〜２１のいずれかに記載の機器。
23. 中性子減速層第２層が７ｃｍ〜１２ｃｍの厚みを有する、請求項１７〜２２のいずれかに記載の機器。
24. １又は２以上の異なる材料が、内部コアを包囲する、請求項７〜１６のいずれかに記載の機器。
25. 中性子減衰材が、内部コアを包囲する、請求項１〜２４のいずれかに記載の機器。
26. 複数本の熱中性子ガイドが、中性子減衰材を含まない、請求項１〜２５のいずれかに記載の機器。
27. 内部コアが中性子検出器からなる、請求項１〜２６のいずれかに記載の機器。
28. 少なくとも１本の熱中性子ガイドが、内部コアまで伸長する、請求項１〜２７のいずれかに記載の機器。
29. 少なくとも１本の熱中性子ガイドが、中性子検出器に接触する、請求項２８に記載の機器。
30. 複数本の熱中性子ガイドが、中性子減速材を含まない、請求項１〜２９のいずれかに記載の機器。
31. 複数本の熱中性子ガイドが、水素含有固体物質を含まない、請求項１〜３０のいずれかに記載の機器。
32. 複数本の熱中性子ガイドが、ホウ素含有材を含まない、請求項１〜３１のいずれかに記載の機器。
33. 複数本の熱中性子ガイドが、内部コアから外部コア外表面に向けて半径方向に伸長する、請求項１〜３２のいずれかに記載の機器。
34. 複数本の熱中性子ガイドが、固体を含むか、又は、固体からなる、請求項１〜３３のいずれかに記載の機器。
35. 複数本の熱中性子ガイドが、金属を含むか、又は、金属からなる、請求項３４に記載の機器。
36. 複数本の熱中性子ガイドが、アルミニウム、銅、及び鉛を含むグループから選択される金属を含むか、又は、前記の選択される金属からなる、請求項３５に記載の機器。
37. 複数本の熱中性子ガイドが、流体を含む、請求項１〜３３のいずれかに記載の機器。
38. 複数本の熱中性子ガイドが、空気、真空、若しくは不完全真空を含む、又は、空気、真空、若しくは不完全真空からなる、請求項３７に記載の機器。
39. 複数本の熱中性子ガイド各々の横（半径方向）断面積が、ガイド全長を通じて同じである、請求項１〜３８のいずれかに記載の機器。
40. 複数本の熱中性子ガイド各々の横（半径方向）断面積が、ガイド全長を通じて同じではない、請求項１〜３８のいずれかに記載の機器。
41. 複数本の熱中性子ガイド各々の横（半径方向）断面積に関して、外部コア外表面近くに位置するガイド部分の断面積が、内部コア近くに位置するガイド部分の断面積よりも大きい、請求項４０に記載の機器。
42. 複数本の熱中性子ガイドが、外部コア外表面の内側１０ｍｍ未満のところで終わる、請求項１〜４１のいずれかに記載の機器。
43. 複数本の熱中性子ガイドが、凹状先端部で終わる、請求項１〜４２のいずれかに記載の機器。
44. 複数本の熱中性子ガイドが、最長で１５ｍｍの平均凹状部半径を有する凹状先端部で終わる、請求項４３に記載の機器。
45. 複数本の熱中性子ガイドが、前記ガイドにデブリが侵入するのを防ぐ保護先端部を含む、請求項１〜４４のいずれかに記載の機器。
46. 保護先端部が、プラグを含む、又は、複数本の熱中性子ガイド壁面の延長である、又は、外部コアの延長である、請求項４５に記載の機器。
47. 保護先端部が、中性子減速材、又は、熱中性子に対して透過性がある材料を含む、請求項４５又は４６に記載の機器。
48. 保護先端部が、ポリエチレンを含む、請求項４７に記載の機器。
49. 少なくとも６本の中性子ガイドを備える、請求項１〜４８のいずれかに記載の機器。
50. 少なくとも１０本の中性子ガイドを備える、請求項１〜４９のいずれかに記載の機器。
51. 熱中性子ガイドが、外部コア内部に対称的なパターンで配置される、請求項１〜５０のいずれかに記載の機器。
52. 機器を中性子と接触させること、前記中性子と中性子検出器との接触に続いて１又は２以上の信号を発生させること、及び、前記１又は２以上の信号を検出することを含む、請求項１〜５１のいずれかに記載の機器を使用して放射線を検出する方法。
53. 中性子が、複数本の熱中性子ガイドにより、中性子検出器に向けて誘導される熱中性子を含む、請求項５２に記載の方法。
54. 中性子が、熱中性子でない中性子を含む、請求項５２又は５３に記載の方法。
55. 熱中性子が、室温で平均２５．３ｍｅＶのエネルギーを有する、請求項５２〜５４のいずれかに記載の方法。
56. 機器が高エネルギー中性子を同時に検出する、請求項５２〜５５のいずれかに記載の方法。