JP6218224B2 - 中性子検出器 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば、原子炉及び加速器などを使用した中性子源を利用した中性子散乱実験や、各種の核セキュリティの分野において有効に利用できる中性子検出器に関する。
従来、中性子検出器としては形状が円筒管である３Ｈｅガス比例計数管あるいは位置敏感型３Ｈｅガス比例計数管が主に使用されてきた。
特に、一次元検出器として使用されてきた位置敏感型３Ｈｅガス比例計数管は、信号を集める心線に抵抗を持たせて心線の両端で計測し信号処理を行うことにより簡単に中性子入射位置を求めることができ、かつ３Ｈｅガスの圧力を高めることにより中性子検出効率を高くすることができるという大きな利点をもっている。また、バックグラウンドとなるガンマ線感度が低いことを理由に使用されてきた。さらに、構造も簡単で耐真空性も良いことから中性子散乱実験装置の種類の中でも真空槽内部に一次元中性子検出器を配置する必要がある装置においては必要不可欠な検出器となっていた。
一方、耐真空性を必要としない中性子散乱実験装置に使用される中性子イメージ検出器としては、３Ｈｅガスマルチワイヤー二次元中性子検出器などが使用されてきた。
また、シンチレータを用いた中性子イメージ検出器としては、６ＬｉガラスシンチレータあるいはＺｎＳ／６ＬｉＦ半透明中性子シンチレータなどから放出される蛍光を光ファイバや波長シフトファイバを用いて入射位置をコーディングし光電子増倍管で検出することにより一次元あるいは二次元の中性子イメージを検出する検出器が使用されてきた。
さらに、シンチレータと波長シフトファイバを用いている中性子検出器以外の放射線検出器としては、液体ＨｅシンチレータとＴＰＢ波長コンバータと一本のコイル状波長シフトファイバとを組み合わせた放射線検出器、プラスチックシンチレータとリング状波長シフトファイバとを組み合わせた放射線検出器および円筒状シンチレータとその内部に入れた波長シフトファイバとを組み合わせた放射線検出器などがある。しかし、これらの検出器は単に透明なシンチレータから放出される蛍光を波長シフトファイバ用いて最終的に一か所に集め一個の光検出器で信号処理をして放射線を検出していることから、これらの波長シフトファイバを用いた放射線検出方式を半透明なＺｎＳ／６ＬｉＦ中性子シンチレータなどを使用しかつバックグラウンドとなるガンマ線感度を低減する必要がある高検出効率を必要とする中性子検出器に適用することは非常に困難であった。
特開2000-187077(特願平10-366679) 特開2002-071816(特願2000-259443) 特開2011-141239(特願2010−3182) 特開2000-65937(特願平10-230445)
Nucl. Instr. and Meth., A430(1999)311-320 Nucl. Instr. and Meth., A516(2004)475-485 Nucl. Instr. and Meth., A539(2005)172-176
しかし、従来のＺｎＳ／６ＬｉＦ半透明中性子シンチレータなどから放出される蛍光を、光ファイバや波長シフトファイバでコーディングした中性子イメージ検出器は構造上真空中で使用することが困難であり、かつ得られる中性子検出効率もシンチレータの厚みに限界があり、現在主流の位置敏感型３Ｈｅガス比例計数管の効率までなかなか実現できなかった。このため、原子炉及び加速器などを使用した中性子源を利用した中性子散乱研究施設において、大きな真空槽に高検出効率を持つ検出器を内装し、高い真空状態で使用する中性子散乱実験装置に用いる中性子イメージ検出器として使用することは非常に困難であった。
このような検出器開発状況の中で、世界情勢の変化によって３Ｈｅガスの入手が困難となり、価格も数１０倍高くなり、大面積をカバーするため多くの検出器を使用する中性子散乱装置においては購入して使用することが困難な情勢となっている。また、３Ｈｅガスそのものの製造もトリチウムの１２年の半減期に基づく崩壊によって得られる３Ｈｅを分離することにより生産されてきたため、様々な事情から今後さらに少なくなるとされており今後の回復も期待できない。このため、現在、世界的に３Ｈｅ代替え中性子検出器が必要となり、開発が精力的に進められている。
従って、本発明の目的は、入手が困難な３Ｈｅガスを使用することなく、これまでの位置敏感型３Ｈｅガス比例計数管と同等の中性子検出効率を有する新しいタイプの中性子検出器を提供することにある。
本発明においては、中性子の検出に、ＺｎＳ蛍光体及び６Ｌｉあるいは１０Ｂを含む中性子コンバータ材を含んだ中性子検出体が配置された構造の半透明型中性子シンチレータを使用する。ＺｎＳ蛍光体はガンマ線感度が低いことから６０年以上前から６ＬｉＦと混合され中性子シンチレータとして使用されてきている。しかし、半透明型中性子シンチレータであるため、厚くして中性子検出効率を上げることには限界があった。
そこで、本発明においては、まず中性子検出素子として、円筒状の基板の外側にＺｎＳ蛍光体及び６Ｌｉあるいは１０Ｂを含む中性子コンバータ材を含んだ中性子検出体が配置された構造の中性子シンチレータの上側に２本の波長シフトファイバをコイル状に巻いて蛍光検出体とし、その上にもう一枚基板の内側にＺｎＳ蛍光体及び６Ｌｉあるいは１０Ｂを含む中性子コンバータ材を含んだ中性子検出体を配置した構造の中性子シンチレータを置いた、サンドイッチ構造の中性子検出素子を発明し、採用した。本構造とすることにより中性子検出素子に入射した中性子は４枚の半透明中性子シンチレータにより検出されることとなる。従って、熱中性子に対する検出効率が４０％の中性子シンチレータを使用した場合、理想的には８７％の高検出効率を得ることが可能となり、これまでの６気圧１インチ位置敏感型３Ｈｅガス比例計数管の検出効率と同等の値を得ることができる。また、半透明中性子シンチレータと波長シフトファイバを組み合わせた中性子検出器の場合シンチレータから放出された蛍光を有効に使用して高検出効率化を図る必要があるため、信号処理には従来からあるフォトン計測法を用いた（例えば、特開2011-179863を参照）。
一方、ガンマ線感度の低減については、もともとＺｎＳ蛍光体はガンマ線感度が低くいため、検出器自体のガンマ線感度は波長シフトファイバによるガンマ線検出による効果の方が格段に大きい。このため２本の波長シフトファイバを用いてその同時計測を行うことにより波長シフトファイバによるガンマ線検出感度の低減を図る。
また、位置敏感型中性子検出器の性能として重要な位置分解能については、中性子検出素子を中性子検出素子配置用円筒管内部に２個以上配置する際に各中性子検出素子の間に必要とする光ファイバの配線を可能とする大きさの円形の穴の開いた円形中性子遮蔽板を配置することにより、中性子が中性子検出素子の端の方に入射した際隣の中性子検出素子内に入射して中性子の漏れ検出を起こし位置分解能を劣化させることを阻止すると共に中性子検出素子配置用円筒管内部で配線に使用される光ファイバとしてプラスチック光ファイバを使用した場合、多くの水素原子を有することが原因で入射する中性子を散乱させることからこの散乱中性子が隣の中性子検出素子に入射し異なった位置情報を出力することによる位置分解能の劣化を防止する。
また、本発明の中性子検出器及び一次元中性子検出器の製作コストは中性子検出数が多くなった場合、光検出器とその後の信号処理回路の数の増加が大きな要因となる。また、検出器の信号検出・信号処理系の小型化も大きな技術開発の要因となる。この問題に対しては、従来から行われているコーディング法を本発明に適用し、光検出器にコーディング規則に基づき３つ以上の中性子検出素子からの光ファイバを導いた後、中性子検出素子から導かれた２つの光ファイバからのパルス信号をコーディング規則に基づいて多チャンネル同時計測を行って中性子の入射した中性子検出素子を確定することにより解決している。
なお、コーディング法とは、例えば、Nucl. Instr. and Meth., A392(1997) 315-318に説明されているように、中性子シンチレータ検出体（ピクセル）から放出された蛍光を２本以上の光ファイバで光検出器まで導き検出し、光検出器から出力された蛍光信号を同時計測することにより中性子として検出する際に、各ピクセルからの光ファイバを決められた組み合わせに従い光検出器に割り振って検出する。コーディング規則に従い同じ組み合わせがないように割り振った場合、光検出器から出力された信号を常に監視し、１つの組み合わせの全ての信号が同時計測された時、中性子の入射ピクセルを確定することにより光検出器の数を少なくする。
一方、最も重要な性能である耐真空性については、本発明においては中性子検出素子を円筒状にしており、この形状を利用して素子から出てくる２本の光ファイバは中性子検出素子の円筒状基板内側の空間を配線導管として使用して配線される。従って、光ファイバは検出素子の外部に出ることはなく３Ｈｅ検出器と同じ円筒管状にすることができる。このため、多数の中性子検出素子を配置する中性子検出素子配置用円筒管の強度を一気圧以上持つ材料と厚さとすることにより耐真空性を確保することが容易にできる。
本発明では、極めて貴重かつ高価な３Ｈｅガスを使用する必要がないため、世界の情勢に左右されることなく、安定的にかつ安価に中性子検出器を提供することができるという顕著な効果がある。また、本発明では、検出器本体の形状が円筒管を用いており、位置敏感型３Ｈｅガス比例計数管と全く同じ管状であるため、真の意味で３Ｈｅ代替え中性子検出器となり得ることである。
実施例１の中性子検出器において使用する２本の波長シフトファイバと内側円筒状中性子シンチレータ及び外側円筒状中性子シンチレータを有する中性子検出素子の概略構成図。 実施例１の中性子検出器において使用する内側円筒状中性子シンチレータと外側円筒状中性子シンチレータの構造図。 実施例１の中性子検出器において使用するシンチレータ蛍光検出体のみの構造（１）を示す図。 実施例１の中性子検出器において使用するシンチレータ蛍光検出体のみの構造（２）を示す図。 実施例１の中性子検出器において使用する中性子検出素子の評価試験を行うための装置構成図。 実施例１の中性子検出器において使用するフォトン信号処理回路の概略構成図。 実施例１の中性子検出器において使用するデジタル信号処理回路の構成図。 実施例２の中性子検出器の中性子検出素子の概略構成説明図。 実施例３の中性子検出器の中性子検出素子の概略構成説明図。 実施例４の中性子検出器の中性子検出素子の概略構成説明図。 実施例４で使用するマルチチャネル同時計測回路の説明図。 実施例５の中性子検出器の中性子検出素子の概略構成説明図。 実施例５の中性子検出器において使用する中性子検出素子の評価試験を行うための装置構成図。 実施例５の中性子検出器の評価試験によって得られた中性子検出素子と計数値の関係を示す図。 実施例５の中性子検出器においてカドミウム板を用いて中性子を遮蔽し位置検出特性を測定した時の中性子入射位置と規格計数値の関係を示す図。 中性子検出素子からの信号の処理法を説明するための表１を示す図。
（実施例１）
図１を参照し、本発明の実施例１について説明する。図１は、実施例１に係る中性子検出器で使用する中性子検出素子の構造を概略的に示している。この中性子検出素子は、円筒状基板の外側にＺｎＳ蛍光体と６ＬｉＦ中性子コンバータ材とを含んだ中性子検出体が配置された構造の内側円筒状中性子シンチレータの上側に、２本の波長シフトファイバ（1a, 2a）を円筒に沿って平行に巻いたコイル状波長シフトファイバを配置し、その２本の波長シフトファイバ（1a, 2a）の両方の終端を内側円筒状中性子シンチレータ3bの円筒状基板の内側内部に導き、その終端に波長シフトファイバ内で波長シフトされた蛍光を光検出器まで導く光ファイバ(1, 2)を光学接続し、かつ２本の波長シフトファイバのもう１つの端面を鏡面とした後光反射板(1b, 2b)を接着した構造のシンチレータ蛍光検出体を配置し、さらに、そのシンチレータ蛍光検出体の上側に、円筒状の基板の内側にＺｎＳ蛍光体と６ＬｉＦ中性子コンバータ材とを含んだ中性子検出体が配置された構造の外側円筒状中性子シンチレータ3aを配置して作製した。
最初に、中性子検出素子の製作に使用したそれぞれの構成材料について詳細に述べる。円筒状の基板の材料はアルミニウムとし市販品規格Ａ１０５２の厚さ０．３ｍｍのアルミニウム板を使用した。本実施例で使用する中性子用シンチレータとしては、ＺｎＳ蛍光体としてＺｎＳ：Ａｇ蛍光体を用い、中性子コンバータとしては６ＬｉＦを用い、これらを接着剤で混合して作製した英国ＡＳＴ(Applied scintillation technologies)社製ＺｎＳ／６ＬｉＦ半透明シンチレータを使用する。ＺｎＳ：Ａｇ蛍光体と６ＬｉＦの混合比が２：１のタイプのシンチレータとし、厚さは０．４ｍｍである。ＺｎＳ：Ａｇの蛍光波長の中心は４５０ｎｍであり、３６０ｎｍから５４０ｎｍまで幅広い波長の蛍光を発生し、短寿命成分の蛍光寿命は約４５０ｎｓである。
波長シフトファイバ（1a, 2a）としては、３５０ｎｍから４４０ｎｍまでの蛍光に感度があり、中心波長が４９０ｎｍの蛍光に波長変換する、米国ＳＡＩＮＴ−ＧＯＢＡＩＮ社製ＢＣＦ−９２ＭＣを用いる。波長シフトファイバの形状は円形とし、直径０．７５ｍｍとする。
光学接続する光ファイバ(1, 2)については、直径が０．７５ｍｍの(株)ＴＯＲＡＹ社製プラスチック光ファイバＰＧＵ−ＦＢ ７５０を使用する。アルミニウム製反射板の材料としては、厚さは０．３ｍｍの(株)マテリアルハウス製高反射率アルミシート「ＭＩＲＯ」を用いる。本アルミシートの全反射率は９５％以上であり拡散反射率は５％未満である。
なお、本実施例では、光ファイバとしてプラスチック光ファイバを用いたが、プラスチック光ファイバは多くの水素原子を有することが原因で入射する中性子を散乱させることから、中性子検出素子の円筒管内部に大量に本ファイバが配線された場合、この散乱中性子が隣の中性子検出素子に入射し検出され異なった位置情報を出力したり、中性子検出器の外部に抜けて離れた中性子検出器で検出されバックグラウンドとなる。このような検出特性が重要な中性子検出システムが要求される場合には光ファイバとしてガラス光ファイバを用いることによりこれらの検出特性を改善できる。
次に、中性子検出素子の構造について実施例を述べる。外径１９．１ｍｍ、内径１８．５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍで長さが２０ｍｍの円筒状のアルミニウム基板の外側にＡＳＴ社製ＺｎＳ／６ＬｉＦ半透明シンチレータを接着して固定し内側円筒状中性子シンチレータとする。図２に内側円筒状中性子シンチレータ3bと外側円筒状中性子シンチレータ3aの構造図を示す。２本の波長シフトファイバの間隔は波長シフトファイバの中心から中心への距離として１．５ｍｍと２．２５ｍｍの２種類の間隔について比較のため試作を行った。２本の波長シフトファイバを平行に等間隔でコイル状に、間隔が１．５ｍｍの場合６．７回、そして２．２５ｍｍの場合４回巻いた。
本実施例では、図３のシンチレータ蛍光検出体のみの構造（１）に示すように巻いた２本の波長シフトファイバ(1a, 2a)のそれぞれの対応の光ファイバ(1, 2)との接続端は、１本は巻き始めとしもう一本は巻き終わりとする。なお、図４のシンチレータ蛍光検出体のみの構造（２）に示すように２本とも巻き終わりすることもできる。
巻き終えた２本の波長シフトファイバの両方の終端は内側円筒状中性子シンチレータ3bの円筒状の基板の内側内部に導かれ、波長シフトファイバにより波長シフトされた蛍光を光検出器（図示せず）まで導く光ファイバに接続される。接続は、波長シフトファイバの端面を鏡面に磨いた後、アルミニウム製の内径０．８ｍｍ、外径１．２ｍｍ、長さ２ｍｍのガイド管の中間に入れ、同様に鏡面に磨いた光ファイバの端面と接着剤を用いて接着して行う。光ファイバ(1, 2)の長さは、光検出器までの長さ以上とし、最終的に、片側あるいは両側に配置された光検出器に光学接続する際に長さを決定し、光ファイバを切断した後端面を磨き光検出器の検出面に光学接続する。
一方、波長シフトファイバ(1a, 2a)の反対側についても円筒状の基板の内側内部に導き、その端面を鏡面に磨いた後、１．２ｍｍ×１．２ｍｍ角に切ったアルミニウム製反射板(1b, 2b)の鏡面部分を接着剤で接着する。接着剤としては透明接着剤である(株)コニシ製Ｓ・Ｕを用いる。この作業によりシンチレータ蛍光検出体が完成する。
さらに、このシンチレータ蛍光検出体の上側に、外径２３ｍｍ、内径２２．４ｍｍ、厚さ０．３ｍｍで長さ２０ｍｍの円筒状のアルミニウム基板の内側にＡＳＴ社製ＺｎＳ／６ＬｉＦ半透明シンチレータを接着して固定した外側円筒状中性子シンチレータ3a（図１）を配置する。最終的に完成した中性子検出素子の大きさは内径１８．５ｍｍ、外径は工作精度等を含めると２３ｍｍとなり、長さは２０ｍｍである。
実施例で製作した中性子検出素子から出る２本の光ファイバを光検出器に光学接続し、光検出器により検出して得られた２つの蛍光信号の同時計測を行い入射した中性子を検出する評価試験を試作した２種類の中性子検出素子について行った。評価試験を行うための装置の構成図を図５に示す。
この中性子検出素子は、内径２３．４ｍｍ、外径は２５．４ｍｍ、厚さ１ｍｍで長さ１００ｍｍのアルミニウム製円筒管の中間に設置した。円筒管の片側はアルミニウム板で遮光し、片側に光検出器を装着し遮光して使用した。光検出器としては、フォトン計数に使用可能で、一つのチャネルの有感サイズが２ｍｍ×２ｍｍの６４チャンネルマルチアノード光電子増倍管である浜松ホトニクス製Ｈ７５４６を用い、６４チャネルの検出器のうち２チャンネルのみ使用して試験を行った。
波長シフトファイバから出力される蛍光は非常に少ないため、本実施例では２つの光電子増倍管から出力される各蛍光信号はフォトン計測法を用いて信号処理した。
光電子増倍管から出力された各フォトン信号は高速ＩＣ増幅器で構成されたフォトン信号増幅器により増幅した後、それぞれディスクリミネータ回路から構成されたフォトン信号弁別回路によりフォトンデジタルパルス信号を得る。本フォトン信号処理回路の概略の構成図を図６に示す。
フォトン信号増幅器としては、高速ＩＣ増幅器であるアナログデバイセス社製ＡＤ８００１を２個用いて、増幅帯域幅２００ＭＨｚで６０倍のゲインの性能を持つ増幅器を構成する。フォトン信号弁別回路としては、高速のディスクリミネータＩＣとしてアナログデバイセス社製ＡＤ８６１１を用いる。このような構成の電子回路を用いることによりフォトン１個の信号としてパルス時間幅が約５ｎｓのフォトンデジタルパルス信号とすることができる。
次に、各光電子増倍管から出力されたフォトンにより生成されたフォトンデジタルパルス信号は、そのパルス時間幅に合致した間隔幅のクロック信号を用いて、ゲート回路から構成される同期信号化回路を用いてクロック信号と同期を取った信号として取り出し、同期化フォトン信号とする。クロック信号の周波数は、フォトンデジタルパルス信号のパルス時間幅が５ｎｓであることから、同じパルス時間幅の５ｎｓを生成する１００ＭＨｚとする。
最初に来たフォトンデジタルパルス信号をスタート時間信号としてフォトンデジタル計数回路により一般の同時計数回路における同時計数時間にあたる計数時間の間計数する。本回路を２つ使用し２つの光ファイバに該当するフォトン積分値を求めあらかじめ設定しておいたフォトン弁別値以上の積分値が計数時間の間に両方の回路から得られた時中性子信号として出力した。本実施例では、各光電子増倍管に対応して設定されるフォトン弁別値として５フォトンを弁別値とする。
なお、これらのデジタル信号処理回路はＦＰＧＡ（Free Programmable Gate Array ）を用いることにより行うことができる。デジタル信号処理回路の構成図を図７に示す。
本実施例では、計数時間としては、中性子が入射した際ＺｎＳ：Ａｇ蛍光体から放出される蛍光を有効に利用するため、５μｓの時間幅とする。
中性子線源としてカルフォルニウム線源を用いて本中性子検出素子の中性子検出効率を測定した。中性子検出器は中性子ビームがほぼ平行になるようにカルフォルニウム線源の減速材体系から５０ｃｍ離れた場所に設置した。測定場所の中性子ビームの強度を検出効率が分かっている３Ｈｅガス中性子検出器により校正し、３１．２ｎ／ｓ・ｃｍ２であることを確認した。その結果、波長シフトファイバの間隔を１．５ｍｍ間隔で６．７回巻いた場合には熱中性子に対して８０％の検出効率が、そして波長シフトファイバの間隔を２．２５ｍｍ間隔で４回巻いた場合には熱中性子に対して６９％の検出効率が得られた。
次に、シンチレータを用いた中性子検出器の場合、バックグラウンドとして大きな問題となるガンマ線感度について評価試験を行った。本実施例の場合、中性子シンチレータとしてＺｎＳ／６ＬｉＦ半透明シンチレータを用いているため、シンチレータによって検出されたガンマ線による蛍光の量は少なく、シンチレータの厚みも０．４ｍｍと非常に薄いため、シンチレータによるガンマ線感度は非常に低い。本中性子検出素子によるガンマ線検出の大きな原因は、もともと波長シフトファイバはガンマ線検出用のプラスチックファイバと同じ構成であることにある。ガンマ線が波長シフトファイバに入射し吸収され一次電子を放出した場合、その電子が多くの蛍光を波長シフトファイバ内で生成する。
しかし、上記で述べたように２本の波長シフトファイバの同時計測を行うことによりガンマ線感度を大きく低下させることができる。その理由は、同時計測によるガンマ線検出の可能性は一方の波長シフトファイバでガンマ線により生成され抜け出した一次電子がもう一方の波長シフトファイバに入射した時に生ずるためである。このため、２本の波長シフトファイバの間隔をあけて配置すればガンマ線検出の可能性は大幅に低減できる。一方、中性子がシンチレータ内で発生した蛍光は拡散して２本の波長シフトファイバに入射することが可能なので同時計測を行うことにより中性子信号として確定できる。
同時計測回路における同時計数時間（コインシデンス時間）としては、中性子が入射した際ＺｎＳ：Ａｇ蛍光体から放出される蛍光を有効に利用するため、５μｓの時間幅とする。
ガンマ線源として６０Ｃｏ線源を用いて中性子検出素子のガンマ線感度を評価した。６０Ｃｏ線源と中性子検出器との距離を５ｃｍとし、ガンマ線を６００秒測定し、その検出計数を検出器にガンマ線が入射した数で割ることによりガンマ線感度を求めた。その結果、波長シフトファイバの間隔を１．５ｍｍ間隔で６．７回巻いた場合には３×１０−７のガンマ線感度が、そして波長シフトファイバの間隔を２．２５ｍｍ間隔で４回巻いた場合には６×１０−７のガンマ線感度が得られた。測定時間が短く統計誤差も大きい測定条件ではあるが、本測定結果より本発明の中性子検出器がガンマ線に対して十分低い感度を示すことが確認できた。
（実施例２）
次に、中性子検出素子を３２個中性子検出素子配置用円筒管の内部に密に並べて配置し、中性子検出素子の円筒状基板内側の空間を光ファイバの配線用導管として使用してそれぞれ２本の光ファイバを中性子検出素子配置用円筒管の両側に配置された２つの光検出器まで導き、各中性子検出素子から出た光ファイバをそれぞれ対としてまとめて２組の光ファイバ束とした後２つの光検出器で検出し、２つの光検出器によりパルス信号に変換された蛍光信号を同時計測回路に導き、あらかじめ設定した時間内に２個の蛍光信号が同時計測した時中性子信号として出力することにより中性子検出を行う中性子検出器について図８を基に説明する。
本実施例で使用する中性子検出素子の中性子検出素子の構造は、位置分解能を必要としないためできるだけ素子の長さが長い方がコスト的に有利なことから実施例１に述べた長さの２倍の４０ｍｍとする。使用する構成材料については実施例１と同じである。
外径１９．５ｍｍ、内径１８．５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍで長さが４０ｍｍの円筒状のアルミニウム基板の外側にＡＳＴ社製ＺｎＳ／６ＬｉＦ半透明シンチレータを接着して固定し内側円筒状中性子シンチレータとする。２本の波長シフトファイバの間隔はできるだけあけた方が後に述べる理由のため有利なことから、波長シフトファイバの中心から中心の距離として２．２５ｍｍの間隔で、２本の波長シフトファイバを平行に等間隔でコイル状に、８回巻いた。本実施例では、巻いた２本の波長シフトファイバの光ファイバとの接続端は図３に示すように１本は巻き始めとしもう一本は巻き終わりとする。波長シフトファイバの１本の長さは約５００ｍｍである。
巻き終えた２本の波長シフトファイバの両方の終端は内側円筒状中性子シンチレータの円筒状の基板の内側内部に導かれ、波長シフトファイバにより波長シフトされた蛍光を光検出器まで導く光ファイバに接続される。接続は、波長シフトファイバの端面を鏡面に磨いた後、アルミニウム製の内径０．８ｍｍ、外径１．２ｍｍ、長さ２ｍｍのガイド管の中間に入れ、同様に鏡面に磨いた光ファイバの端面と接着剤を用いて接着して行う。光ファイバの長さは、光検出器までの長さ以上とし、最終的に、両側に配置された光検出器に光学接続する際に長さを決定し、光ファイバを切断した後端面を磨き光検出器の検出面に光学接続する。
一方、波長シフトファイバの反対側についても円筒状の基板の内側内部に導き、その端面を鏡面に磨いた後、１．２ｍｍ×１．２ｍｍ角に切ったアルミニウム製反射板の鏡面部分を接着剤で接着する。接着剤としては透明接着剤である(株)コニシ製Ｓ・Ｕを用いる。この作業によりシンチレータ蛍光検出体が完成した。
さらに、このシンチレータ蛍光検出体の上側に、外径２３ｍｍ、内径２２．４ｍｍ、厚さ０．３ｍｍで長さが４０ｍｍの円筒状のアルミニウム基板の内側にＡＳＴ社製ＺｎＳ／６ＬｉＦ半透明シンチレータを接着して固定した外側円筒状中性子シンチレータを配置する。
最終的に完成した中性子検出素子の大きさは内径１８．５ｍｍ、外径は工作精度等を含めると２３ｍｍとなり、長さは４０ｍｍである。なお、中性子検出素子の長さを４０ｍｍ以上にすることは構造上可能であるが使用する波長シフトファイバが直線で５００ｍｍ以上となり、波長シフトファイバ内で波長シフトされた蛍光が自己吸収を行い６０％より以下しか端面に到達しなくなるため、全体として中性子に対する検出効率が低下し、かつ検出位置によって波長シフトファイバの感度が大きく変化するため中性子検出効率が一様でなくなり中性子検出器としての性能を確保することが困難となる。
実施例として中性子検出素子配置用円筒管にこの中性子検出素子を３２個並べるため、中性子検出素子配置用円筒管の大きさは、内径は２３．４ｍｍ、外径２５．４ｍｍ、厚さ１ｍｍとする。その長さは検出部分が４０ｍｍ×３２＝１２８０ｍｍであるが光ファイバ束に束ねる必要があるため両側に３０ｍｍの余裕をとり１３４０ｍｍとする。円筒管の材料は市販品規格Ａ５０５２のアルミニウムとする。
本実施例においては、中性子検出素子から出てくる２本の光ファイバは中性子検出素子配置用円筒管の両側に集めて検出処理を行うことにする。中性子検出素子から出てくる２本の光ファイバを両側に集めて２組の光ファイバ束とした場合、１組３２本の光ファイバで構成するため円形にまとめると直径約６ｍｍの光ファイバ束となる。
一方、光電子増倍管については浜松ホトニクス製でフォトン計数に使用可能な外径２５ｍｍのＲ１９２４Ａを用いる。有感直径は２２ｍｍであり直径約６ｍｍの光ファイバ束を検出するためには十分である。印加電圧１０００Ｖで２ｘ１０６のゲインなのでフォトン計数を十分行うことができる。この光電子増倍管を中性子検出素子配置用円筒管の両側に設置し遮光する。
波長シフトファイバから出力される蛍光は非常に少ないため、本実施例では２つの光電子増倍管から出力される各蛍光信号はフォトン計測法を用いて信号処理した。
光電子増倍管から出力された各フォトン信号は高速ＩＣ増幅器で構成されたフォトン信号増幅器により増幅した後、それぞれディスクリミネータ回路から構成されたフォトン信号弁別回路によりフォトンデジタルパルス信号となる。
フォトン信号増幅器としては、高速ＩＣであるアナログデバイセス社製ＡＤ８００１を２個用いて、増幅帯域幅２００ＭＨｚで６０倍のゲインの性能を持つ増幅器を構成する。フォトン信号弁別回路としては、高速のディスクリミネータＩＣとしてアナログデバイセス社製ＡＤ８６１１を用いる。このような構成の電子回路を用いることによりフォトン１個の信号としてパルス時間幅が約５ｎｓのフォトンデジタルパルス信号とすることができる。
次に、各光電子増倍管から出力されたフォトンにより生成されたフォトンデジタルパルス信号は、そのパルス時間幅に合致した間隔幅のクロック信号を用いて、ゲート回路から構成される同期信号化回路を用いてクロック信号と同期を取った信号として取り出し、同期化フォトン信号とする。クロック信号の周波数は、フォトンデジタルパルス信号のパルス時間幅が５ｎｓであることから、同じパルス時間幅の５ｎｓを生成する１００ＭＨｚとする。
最初に来たフォトンデジタルパルス信号をスタート時間信号としてフォトンデジタル計数回路により一般の同時計数回路における同時計数時間にあたる計数時間の間計数する。本回路を２つ使用し２つの光ファイバに該当するフォトン積分値を求めあらかじめ設定しておいたフォトン弁別値以上の積分値が計数時間の間に両方の回路から得られた時中性子信号として出力した。本実施例では、各光電子増倍管に対応して設定されるフォトン弁別値として５フォトンを弁別値とする。
本実施例では、計数時間としては、中性子が入射した際ＺｎＳ：Ａｇ蛍光体から放出される蛍光を有効に利用するため、５μｓの時間幅とする。
以上のように構成することにより中性子に対する有感面積が幅２２ｍｍ長さ１２８０ｍｍの大面積中性子検出器を構成することができる。
（実施例３）
実施例３では、実施例１で構成された中性子検出素子を中性子検出素子配置用円筒管の内部に２８個密に並べて配置して、それぞれの中性子検出素子を一次元位置検出体とし、中性子検出素子の円筒状基板内側の空間を光ファイバの配線用導管として使用して中性子検出素子から出た２本の光ファイバを中性子検出素子配置用円筒管の片側に配置された多チャンネル光検出器まで導き、各中性子検出素子から出た２本の光ファイバを対として２つの光検出器でそれぞれ検出し、これら２つ光検出器によりパルス信号に変換された蛍光信号を同時計測回路に導き、各中性子検出素子について、あらかじめ設定した時間内に２個の信号が同時計測した時中性子信号として出力することにより、中性子検出素子配置用円筒管に２８個配置された中性子検出素子における中性子入射位置を決定し、中性子の一次元検出を行う中性子検出器について説明する。
本実施例における中性子検出素子の構造について図９をもとに述べる。使用する構成材料及び構造については実施例１と全く同じである。外径１９．５ｍｍ、内径１８．５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍで長さが２０ｍｍの円筒状のアルミニウム基板の外側にＡＳＴ社製ＺｎＳ／６ＬｉＦ半透明シンチレータを接着して固定し内側円筒状中性子シンチレータとする。２本の波長シフトファイバの間隔を波長シフトファイバの中心から中心の距離として１．５ｍｍとして２本の波長シフトファイバを平行に等間隔でコイル状に６．７回巻いた。
本実施例では、巻いた２本の波長シフトファイバの光ファイバとの接続端は図４に示すように両方とも巻き終わりとする。巻き終えた２本の波長シフトファイバの両方の終端は内側円筒状中性子シンチレータの円筒状の基板の内側内部に導かれ、波長シフトファイバにより波長シフトされた蛍光を光検出器まで導く光ファイバに接続される。接続は、波長シフトファイバの端面を鏡面に磨いた後、アルミニウム製の内径０．８ｍｍ、外径１．２ｍｍ、長さ２ｍｍのガイド管の中間に入れ、同様に鏡面に磨いた光ファイバの端面と接着剤を用いて接着して行う。光ファイバの長さは、光検出器までの長さ以上とし、最終的に、片側に配置された光検出器に光学接続する際に長さを決定し、光ファイバを切断した後端面を磨き光検出器の検出面に光学接続する。
一方、波長シフトファイバの反対側についても円筒状の基板の内側内部に導き、その端面を鏡面に磨いた後、１．２ｍｍ×１．２ｍｍ角に切ったアルミニウム製反射板の鏡面部分を接着剤で接着する。接着剤としては透明接着剤である(株)コニシ製Ｓ・Ｕを用いる。この作業によりシンチレータ蛍光検出体が完成した。
さらに、このシンチレータ蛍光検出体の上側に、外径２３ｍｍ、内径２２．４ｍｍ、厚さ０．３ｍｍで長さ２０ｍｍの円筒状のアルミニウム基板の内側にＡＳＴ社製ＺｎＳ／６ＬｉＦ半透明シンチレータを接着して固定した外側円筒状中性子シンチレータを配置する。最終的に完成した中性子検出素子の大きさは内径１８．５ｍｍ、外径は工作精度等を含めると２３ｍｍとなり、長さは２０ｍｍである。
実施例として中性子検出素子配置用円筒管にこの中性子検出素子を２８個並べるとすると中性子検出素子配置用円筒管の大きさは、内径は２３．４ｍｍ、外径２５．４ｍｍ、厚さ１ｍｍとする。その長さは検出部分が２０ｍｍ×２８＝５６０ｍｍであるが光検出器にそれぞれ光学接続する必要があるため光検出器側に２０ｍｍの余裕をとり５８０ｍｍとする。円筒管の材料は市販品規格Ａ５０５２のアルミニウムとする。
本実施例においては、中性子検出素子から出てくる２本の光ファイバは中性子検出素子配置用円筒管の片側に集めて検出処理を行うことにする。このため、円筒管の片側は遮光のためアルミニウム板を用いて封じ切る。内側円筒状中性子シンチレータの円筒状基板内側の空間を光ファイバの配線用導管として使用してそれぞれ２本の光ファイバを中性子検出素子配置用円筒管の片側に配置された多チャンネル光検出器まで導く。
多チャンネル光検出器としては、フォトン計数に使用可能で、一つのチャネルの有感サイズが２ｍｍ×２ｍｍの６４チャンネルのマルチアノード光電子増倍管である浜松ホトニクス製Ｈ７５４６を用いることができる。印加電圧９５０Ｖで２×１０６のゲインが得られるのでフォトン計数を十分行うことができる。
波長シフトファイバから出力される蛍光は非常に少ないため、本実施例では多チャンネル光電子増倍管から出力される各蛍光信号はフォトン計測法を用いて信号処理した。本光電子増倍管から出力された各フォトン電気信号は高速増幅器で構成されたフォトン信号増幅器により増幅した後、それぞれディスクリミネータ回路から構成されたフォトン信号弁別回路によりフォトンデジタルパルス信号となる。
フォトン信号増幅器としては、各回路に高速ＩＣ増幅器であるアナログデバイセス社製ＡＤ８００１を２個用いて、増幅帯域幅２００ＭＨｚで６０倍のゲインの性能を持つ増幅器を構成する。フォトン信号弁別回路としては、高速のディスクリミネータＩＣとしてアナログデバイセス社製ＡＤ８６１１を用いる。このような構成の電子回路を用いることによりフォトン１個の信号としてパルス時間幅が約５ｎｓのフォトンデジタルパルス信号とすることができる。
次に、各光電子増倍管から出力されたフォトンにより生成されたフォトンデジタルパルス信号は、そのパルス時間幅に合致した間隔幅のクロック信号を用いて、ゲート回路から構成される同期信号化回路を用いてクロック信号と同期を取った信号として取り出し、同期化フォトン信号とする。クロック信号の周波数は、フォトンデジタルパルス信号のパルス時間幅が５ｎｓであることから、同じパルス時間幅の５ｎｓを生成する１００ＭＨｚとする。
最初に来たフォトンデジタルパルス信号をスタート時間信号としてフォトンデジタル計数回路により一般の同時計数回路における同時計数時間にあたる計数時間の間計数する。本回路を２つ使用し２つの光ファイバに該当するフォトン積分値を求めあらかじめ設定しておいたフォトン弁別値以上の積分値が計数時間の間に両方の回路から得られた時中性子信号として出力した。本実施例では、各光電子増倍管に対応して設定されるフォトン弁別値として５フォトンを弁別値とする。
本実施例では、計数時間としては、中性子が入射した際ＺｎＳ：Ａｇ蛍光体から放出される蛍光を有効に利用するため、５μｓの時間幅とする。
各中性子検出素子から出る光ファイバ２本を対として上記で述べた信号処理を行い、出力された中性子入射信号を、中性子検出素子を並べた順番に位置情報として５ビットデータとすることにより、最終的な信号出力本数を少なくして中性子イメージ処理装置に送付することにより中性子一次元イメージデータを取得する。
（実施例４）
実施例４においては、実施例１で構成された中性子検出素子を中性子検出素子配置用円筒管の内部に１２０個並べて配置して、それぞれの中性子検出素子を一次元位置検出体とし、内側円筒状中性子シンチレータの円筒状基板内側の空間を光ファイバの配線用導管として使用してそれぞれ２本の光ファイバを中性子検出素子配置用円筒管の片側に配置された多チャンネル光検出器まで導き、１６チャンネル光検出器の各光検出器に対してあらかじめ設定したコーディング規則に基づき中性子検出素子からの２本の光ファイバを光学接続し、中性子が中性子シンチレータに入射して捕獲された際放出される蛍光を２本の波長シフトファイバで検出し波長シフトされた蛍光をコーディング規則に基づいて多チャンネル光検出器で検出し、各光検出器によりパルス信号に変換された蛍光信号をマルチチャネル同時計測回路に導き、あらかじめ設定した時間内に２個の信号が同時計測した２つの光検出器を特定し、コーディング規則に基づいて中性子検出素子配置用円筒管に１２０個配置された中性子検出素子における中性子入射位置を決定し、中性子の一次元検出を行う中性子検出器について説明する。
本実施例における中性子検出素子の構造について図１０をもとに述べる。使用する構成素材については実施例１と全く同じである。
外径１９．５ｍｍ、内径１８．５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍで長さが２０ｍｍの円筒状のアルミニウム基板の外側にＡＳＴ社製ＺｎＳ／６ＬｉＦ半透明シンチレータを接着して固定し内側円筒状中性子シンチレータとする。２本の波長シフトファイバの間隔を波長シフトファイバの中心から中心の距離として１．５ｍｍとして２本の波長シフトファイバを平行に等間隔でコイル状に６．７回巻いた。
本実施例では、巻いた２本の波長シフトファイバの光ファイバとの接続端は図４に示すように両方とも巻き終わりとする。巻き終えた２本の波長シフトファイバの両方の終端は内側円筒状中性子シンチレータの円筒状の基板の内側内部に導かれ、波長シフトファイバにより波長シフトされた蛍光を光検出器まで導く光ファイバに接続される。接続は、波長シフトファイバの端面を鏡面に磨いた後、アルミニウム製の内径０．８ｍｍ、外径１．２ｍｍ、長さ２ｍｍのガイド管の中間に入れ、同様に鏡面に磨いた光ファイバの端面と接着剤を用いて接着して行う。光ファイバの長さは、光検出器までの長さ以上とし、片側に配置された光検出器に光学接続する際に長さを決定し、光ファイバを切断した後端面を磨き光検出器の検出面に光学接続する。
一方、波長シフトファイバの反対側についても円筒状の基板の内側内部に導き、その端面を鏡面に磨いた後、１．２ｍｍ×１．２ｍｍ角に切ったアルミニウム製反射板の鏡面部分を接着剤で接着する。接着剤としては透明接着剤である(株)コニシ製Ｓ・Ｕを用いる。この作業によりシンチレータ蛍光検出体が完成した。
さらに、このシンチレータ蛍光検出体の上側に、外径２３ｍｍ、内径２２．４ｍｍ、厚さ０．３ｍｍで長さ２０ｍｍの円筒状のアルミニウム基板の内側にＡＳＴ社製ＺｎＳ／６ＬｉＦ半透明シンチレータを接着して固定した外側円筒状中性子シンチレータを配置する。最終的に完成した中性子検出素子の大きさは内径１８．５ｍｍ、外径は工作精度等を含めると２３ｍｍとなり、長さは２０ｍｍである。
実施例として中性子検出素子配置用円筒管にこの中性子検出素子を１２０個並べるとすると中性子検出素子配置用円筒管の大きさは、内径は２３．４ｍｍ、外径２５．４ｍｍ、厚さ１ｍｍとする。その長さは検出部分が２０ｍｍ×１２０＝２４００ｍｍであるが光検出器にそれぞれ光ファイバを光ファイバ束にして光学接続する必要があるため光検出器側に５０ｍｍの余裕をとり２４５０ｍｍとする。円筒管の材料は市販品規格Ａ５０５２のアルミニウムとする。
本実施例においては、中性子検出素子から出てくる２本の光ファイバは中性子検出素子配置用円筒管の片側に集めて検出処理を行うことにする。このため、円筒管の片側は遮光のためアルミニウム板を用いて封じ切る。内側円筒状中性子シンチレータの円筒状基板内側の空間を光ファイバの配線用導管として使用してそれぞれ２本の光ファイバを中性子検出素子配置用円筒管の片側に配置された多チャンネル光検出器まで導く。
本実施例でおいては、各中性子検出素子から出てくる２つの光ファイバについて図１６の表1に示す２Ｃｎコーディングを行い、多チャンネル光検出器に光学接続する。２ＣｎのＣは組み合わせを示す数学記号であり、２Ｃｎにおける組み合わせの数はｎ×（ｎ−１）／２の式で計算でき、表１に示す１２０通りを実現するために必要なｎは１６となる。つまり、１２０個の中性子検出素子の場合に２Ｃｎコーディングに必要な光電子増倍管のチャネル数は１６チャネルとなる。また、各光電子増倍管に光学接続される光ファイバは１５本であり、直径０．７５ｍｍの光ファイバを四角形にバンドルした場合約３ｍｍ×３ｍｍの大きさとなる。
多チャンネル光検出器としては、フォトン計数に使用可能で、一つのチャネルの有感サイズが４．２ｍｍ×４．２ｍｍの１６チャンネルのマルチアノード光電子増倍管である浜松ホトニクス製Ｈ８７１１を用いることができる。有感サイズはバンドルした光ファイバ束が３ｍｍ×３ｍｍであることから十分検出可能なサイズである。また、印加電圧９００Ｖで１０７のゲインを得ることができるのでフォトン計数を十分行うことができる。
波長シフトファイバから出力される蛍光は非常に少ないため、本実施例では多チャンネル光電子増倍管から出力される各蛍光信号はフォトン計測法を用いて信号処理した。光電子増倍管から出力された各フォトン信号は高速ＩＣ増幅器で構成されたフォトン信号増幅器により増幅した後、それぞれディスクリミネータ回路から構成されたフォトン信号弁別回路によりフォトンデジタルパルス信号となる。
フォトン信号増幅器としては、高速ＩＣ増幅器であるアナログデバイセス社製ＡＤ８００１を２個用いて、増幅帯域幅２００ＭＨｚで６０倍のゲインの性能を持つ増幅器を構成する。フォトン信号弁別回路としては、高速のディスクリミネータＩＣとしてアナログデバイセス社製ＡＤ８６１１を用いる。このような構成の電子回路を用いることによりフォトン１個の信号としてパルス時間幅が約５ｎｓのフォトンデジタルパルス信号とすることができる。
次に、各光電子増倍管から出力されたフォトンにより生成されたフォトンデジタルパルス信号は、そのパルス時間幅に合致した間隔幅のクロック信号を用いて、ゲート回路から構成される同期信号化回路を用いてクロック信号と同期を取った信号として取り出し、同期化フォトン信号とする。クロック信号の周波数は、フォトンデジタルパルス信号のパルス時間幅が５ｎｓであることから、同じパルス時間幅の５ｎｓを生成する１００ＭＨｚとする。
１６チャンネルのマルチアノード光電子増倍管から出力されたフォトンデジタルパルス信号は、ＦＰＧＡ素子により構成された図１１の概略構成図に示すマルチチャネル同時計測回路内の１６個のフォトンデジタル計数回路により計数される。いずれかのチャネルからの最初のフォトンデジタルパルス信号をスタート時間信号として１６個のフォトンデジタル計数回路おいて一般の同時計数回路における同時計数時間にあたる計数時間の間計数する。各フォトンデジタル計数回路の計数終了後、あらかじめ設定しておいたフォトン弁別値以上の積分値を示す２つフォトンデジタル計数回路を特定し、コーディング規則に従って１２０チャネルの中性子入射位置を決定する。この１２０チャネルの位置情報を７ビットデータとすることにより、最終的な信号出力本数を少なくして中性子イメージ処理装置に送付することにより中性子一次元イメージデータを取得する。本実施例では、各光電子増倍管に対応して設定されるフォトン弁別値として５フォトンを弁別値とする。
本実施例では、計数時間としては、中性子が入射した際ＺｎＳ：Ａｇ蛍光体から放出される蛍光を有効に利用するため、５μｓの時間幅とする。
（実施例５）
次に、図１２を参照して、実施例５について説明する。実施例５に係る中性子検出器では、実施例１で構成された中性子検出素子を中性子検出素子配置用円筒管の内部に２８個の中性子検出素子を中性子検出素子配置用円筒管の内部に密に並べて配置する際に、各中性子検出素子の間に、中性子検出素子の円筒状基板内側の空間内において光ファイバの配線が可能な大きさの穴を開けた構造で外径が中性子検出素子の外径と同じ円形中性子遮蔽板を配置して設置し、それぞれの中性子検出素子を一次元位置検出体とし、中性子検出素子の円筒状基板内側の空間を光ファイバの配線用導管として使用して中性子検出素子から出た２本の光ファイバを中性子検出素子配置用円筒管の片側に配置された多チャンネル光検出器まで導き、各中性子検出素子から出た２本の光ファイバを対として２つの光検出器でそれぞれ検出し、これら２つ光検出器によりパルス信号に変換された蛍光信号を同時計測回路に導き、各中性子検出素子について、あらかじめ設定した時間内に２個の信号が同時計測した時中性子信号として出力することにより、中性子検出素子配置用円筒管に２８個配置された中性子検出素子における中性子入射位置を決定し、隣り合った中性子検出素子間の中性子の漏れ検出を防ぎ、位置分解能を上げて中性子の一次元検出を行う。
本実施例における中性子検出素子の基本的構造及び使用する構成材料については実施例１と同じである。外径１９．５ｍｍ、内径１８．５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍで長さが２０ｍｍの円筒状のアルミニウム基板の外側にＡＳＴ社製ＺｎＳ／６ＬｉＦ半透明シンチレータを接着して固定し内側円筒状中性子シンチレータとする。２本の波長シフトファイバの間隔を波長シフトファイバの中心から中心の距離として１．５ｍｍとして２本の波長シフトファイバを平行に等間隔でコイル状に６．７回巻いた。
本実施例では、巻いた２本の波長シフトファイバの光ファイバとの接続端は図４に示すように両方とも巻き終わりとする。巻き終えた２本の波長シフトファイバの両方の終端は内側円筒状中性子シンチレータの円筒状の基板の内側内部に導かれ、波長シフトファイバにより波長シフトされた蛍光を光検出器まで導く光ファイバに接続される。接続は、波長シフトファイバの端面を鏡面に磨いた後、アルミニウム製の内径０．８ｍｍ、外径１．２ｍｍ、長さ２ｍｍのガイド管の中間に入れ、同様に鏡面に磨いた光ファイバの端面と接着剤を用いて接着して行う。光ファイバの長さは、光検出器までの長さ以上とし、最終的に、片側に配置された光検出器に光学接続する際に長さを決定し、光ファイバを切断した後端面を磨き光検出器の検出面に光学接続する。
一方、波長シフトファイバの反対側についても円筒状の基板の内側内部に導き、その端面を鏡面に磨いた後、１．２ｍｍ×１．２ｍｍ角に切ったアルミニウム製反射板の鏡面部分を接着剤で接着する。接着剤としては透明接着剤である(株)コニシ製Ｓ・Ｕを用いる。この作業によりシンチレータ蛍光検出体が完成した。
さらに、このシンチレータ蛍光検出体の上側に、外径２３ｍｍ、内径２２．４ｍｍ、厚さ０．３ｍｍで長さ２０ｍｍの円筒状のアルミニウム基板の内側にＡＳＴ社製ＺｎＳ／６ＬｉＦ半透明シンチレータを接着して固定した外側円筒状中性子シンチレータを配置する。最終的に完成した中性子検出素子の大きさは内径１８．５ｍｍ、外径は工作精度等を含めると２３ｍｍとなり、長さは２０ｍｍである。
実施例として中性子検出素子配置用円筒管にこの中性子検出素子を２８個並べるとすると中性子検出素子配置用円筒管の大きさは、内径は２３．４ｍｍ、外径２５．４ｍｍ、厚さ１ｍｍとする。その長さは検出部分が後に説明する中性子遮蔽板の厚さ１ｍｍを考慮して設計すると、（２０＋１）ｍｍ×２７＋２０＝５８７ｍｍとなるが光検出器にそれぞれ光学接続する必要があるため両側に２０ｍｍの余裕をとり６０７ｍｍとする。円筒管の材料は市販品規格Ａ５０５２のアルミニウムとする。
本実施例の場合、中性子検出素子を並べて円筒管に配置してゆく際隣り合った中性子検出素子の間に円形中性子遮蔽板を配置する。この配置は隣り合った中性子検出素子間の中性子の漏えい検出を防ぎ、位置分解能を上げて一次元検出を行うために行う。中性子遮蔽材料としてはＢ４Ｃ粉末を用いることとしこのＢ４Ｃ粉末をエポキシ樹脂で固化して遮蔽板を製作する。Ｂ４Ｃ粉末とエポキシ樹脂との混合比は重量比で６：４とする。サイズを直径が２３ｍｍ、厚さ１ｍｍとし中心に光ファイバの配線に必要な空間として直径６ｍｍの穴を開けた円形中性子遮蔽板とする。Ｂ４Ｃ粉末の量から熱中性子に対する遮蔽能力を計算した結果１０％の透過率まで減少すること確認した。
本実施例においては、中性子検出素子から出てくる２本の光ファイバは中性子検出素子配置用円筒管の片側に集めて検出処理を行うことにする。このため、円筒管の片側は遮光のためアルミニウム板を用いて封じ切る。内側円筒状中性子シンチレータの円筒状基板内側の空間を光ファイバの配線用導管として使用してそれぞれ２本の光ファイバを中性子検出素子配置用円筒管の片側に配置された多チャンネル光検出器まで導く。最終的に本実施例の一次元中性子検出器の中性子検出素子配置用円筒管の大きさは直径２５ｍｍ、長さ６０７ｍｍとなった。有効な検出面積は２２ｍｍ×６０７ｍｍのサイズである。
多チャンネル光検出器としては、フォトン計数に使用可能で、一つのチャネルの有感サイズが２ｍｍ×２ｍｍの６４チャンネルのマルチアノード光電子増倍管である浜松ホトニクス製Ｈ７５４６を用いることができる。印加電圧９５０Ｖで２×１０６のゲインが得られるのでフォトン計数を十分行うことができる。波長シフトファイバから出力される蛍光は非常に少ないため、本実施例では２つの光電子増倍管から出力される各蛍光信号は、フォトン計測法を用いて信号処理した。
本光電子増倍管から出力された各フォトン電気信号は高速増幅器で構成されたフォトン信号増幅器により増幅した後、それぞれディスクリミネータ回路から構成されたフォトン信号弁別回路によりフォトンデジタルパルス信号となる。
フォトン信号増幅器としては、各回路に高速ＩＣ増幅器であるアナログデバイセス社製ＡＤ８００１を２個用いて、増幅帯域幅２００ＭＨｚで６０倍のゲインの性能を持つ増幅器を構成する。フォトン信号弁別回路としては、高速のディスクリミネータＩＣとしてアナログデバイセス社製ＡＤ８６１１を用いる。このような構成の電子回路を用いることによりフォトン１個の信号としてパルス時間幅が約５ｎｓのフォトンデジタルパルス信号とすることができる。
次に、各光電子増倍管から出力されたフォトンにより生成されたフォトンデジタルパルス信号は、そのパルス時間幅に合致した間隔幅のクロック信号を用いて、ゲート回路から構成される同期信号化回路を用いてクロック信号と同期を取った信号として取り出し、同期化フォトン信号とする。クロック信号の周波数は、フォトンデジタルパルス信号のパルス時間幅が５ｎｓであることから、同じパルス時間幅の５ｎｓを生成する１００ＭＨｚとする。
最初に来たフォトンデジタルパルス信号をスタート時間信号としてフォトンデジタル計数回路により一般の同時計数回路における同時計数時間にあたる計数時間の間計数する。本回路を２つ使用し２つの光ファイバに該当するフォトン積分値を求めあらかじめ設定しておいたフォトン弁別値以上の積分値が計数時間の間に両方の回路から得られた時中性子信号として出力した。本実施例では、各光電子増倍管に対応して設定されるフォトン弁別値として５フォトンを弁別値とする。
本実施例では、計数時間としては、中性子が入射した際ＺｎＳ：Ａｇ蛍光体から放出される蛍光を有効に利用するため、５μｓの時間幅とする。
各中性子検出素子から出る光ファイバ２本を対として上記で述べた信号処理を行い、出力される中性子入射信号について中性子検出素子を並べた順番に位置情報として５ビットデータとし、信号出力本数を少なくして中性子イメージ処理装置に送付することにより中性子一次元イメージデータを取得する。
中性子線源としてカルフォルニウム線源を用いて本一次元中性子検出器の検出性能を評価した。評価試験のための装置の構成図を図１３に示す。最初に、カドミウム中性子遮蔽体を取り除いた後、カルフォルニウム中性子線源を用いて熱中性子に対する本一次元中性子検出器の熱中性子に対する計数分布を測定した。一次元中性子検出器は一様な中性子平行ビームにするため、カルフォルニウム線源の減速材体系から５０ｃｍ離れた場所に設置した。その計数分布測定結果を図１４に示す。最初の試作のため中性子検出素子の製作の良し悪しに依存して計数が変動しているが、本検出器により中性子の分布が測定可能であることから本一次元中性子検出器が製作可能であることを確認した。
次に、本一次元中性子検出器の中心部の周囲を厚さ０．７ｍｍで長さ２２５ｍｍのカドミウム板を使って遮蔽した後、位置検出特性を測定した。各中性子検出素子に対応した計数測定結果をカドミウム中性子遮蔽体で遮蔽しない場合の計数測定結果で規格化して得た規格計数分布結果を図１５に示す。本測定の計数時間はカドミウム中性子遮蔽体を取り除いた場合の測定時間の１／５の時間のため、遮蔽しない部分の規格計数値は約０．２となっている。位置分解能は半値幅として２２０ｍｍが得られており、カドミウム中性子遮蔽体の長さとほぼ一致していることから位置検出ができることが確認された。
以上の結果より、本発明の検出器は一次元中性子検出器として十分使用可能であることを確認できた。
本発明の基本となる中性子検出素子は、内側円筒状中性子シンチレータの上側に、２本の波長シフトファイバを円筒に沿って等間隔で平行に巻いたコイル状波長シフトファイバを配置し、その２本の波長シフトファイバの両方の終端を内側円筒状中性子シンチレータの円筒状基板の内側内部に導き、一方に光ファイバを接続し、一方に光反射板を接着した構造のシンチレータ蛍光検出体を配置し、さらにその上側に外側円筒状中性子シンチレータを配置して構成される。本構造とすることにより中性子検出素子に入射した中性子は４枚の中性子シンチレータにより検出されることとなり、熱中性子に対する検出効率が４０％の中性子シンチレータを使用した場合、理想的には８７％の高検出効率を得ることが可能となって、６気圧１インチ位置敏感型３Ｈｅガス比例計数管の検出効率に近い値を得ることができる。
また、この中性子検出素子を２個以上円筒管の内部に密に並べて配置し、光ファイバを内側円筒状中性子シンチレータの円筒状内部を使って配線し光検出器に導くことにより、中性子の一次元検出を行う管状の中性子検出器を実現している。この結果、位置敏感型３Ｈｅガス比例計数管とほほ同等の中性子検出効率を持ち全く同じ管状でありかつ一次元の中性子検出を実現していることから、真の意味で３Ｈｅ代替え中性子検出器となり得る。
１…光ファイバ
１a…波長シフトファイバ
１b…反射板
２…光ファイバ
２a…波長シフトファイバ
２b…反射板
３a…外側円筒状中性子シンチレータ
３b…内側円筒状中性子シンチレータ

Claims (5)

  1. 円筒状基板の外側にＺｎＳ蛍光体と６Ｌｉあるいは１０Ｂを構成元素とした中性子コンバータ材とを含んだ中性子検出体が配置された構造の内側円筒状中性子シンチレータの上側に、２本の波長シフトファイバを円筒に沿って等間隔で平行に１回以上巻いたコイル状波長シフトファイバが配置され、前記２本の波長シフトファイバの両方の終端が前記内側円筒状中性子シンチレータの円筒状基板の内側内部に導かれており、前記終端に波長シフトファイバ内で波長シフトされた蛍光を光検出器まで導く光ファイバが接続され、かつ前記２本の波長シフトファイバの他方の端面に光反射板を接着した構造のシンチレータ蛍光検出体が配置され、さらに、前記シンチレータ蛍光検出体の上側に、円筒状の基板の内側にＺｎＳ蛍光体と６Ｌｉあるいは１０Ｂを構成元素とした中性子コンバータ材とを含んだ中性子検出体が配置された構造の外側円筒状中性子シンチレータが配置された、中性子検出素子を備え、
    前記中性子検出素子の２本の前記光ファイバから出力される蛍光を２つの前記光検出器により検出し、得られた２つの蛍光信号の同時計測を行い、入射した中性子を検出することを特徴とした中性子検出器
  2. 請求項１の中性子検出素子を２個以上中性子検出素子配置用円筒管の内部に密に並べて配置し、前記中性子検出素子の円筒状基板内側の空間を光ファイバの配線用導管として使用して、前記中性子検出素子から出た２本の光ファイバを前記中性子検出素子配置用円筒管の片側あるいは両側に配置された２つの光検出器まで導き、各中性子検出素子から出た光ファイバをそれぞれ対として扱って２組の光ファイバ束とした後、前記２つの光検出器で検出し、前記２つの光検出器によりパルス信号に変換された蛍光信号を同時計測回路に導き、あらかじめ設定した時間内に２個の蛍光信号が同時計測した時中性子信号として出力することにより、中性子検出を行うことを特徴とした中性子検出器。
  3. 請求項１の中性子検出素子を中性子検出素子配置用円筒管の内部に２個以上密に並べて配置して、それぞれの前記中性子検出素子を一次元位置検出体とし、前記中性子検出素子の円筒状基板内側の空間を光ファイバの配線用導管として使用して、前記中性子検出素子から出た２本の前記光ファイバを前記中性子検出素子配置用円筒管の片側あるいは両側に配置された多チャンネル光検出器まで導き、それぞれの前記中性子検出素子から出た２本の前記光ファイバを対として２つの前記多チャンネル光検出器でそれぞれ検出し、これら２つの前記多チャンネル光検出器によりパルス信号に変換された蛍光信号を同時計測回路に導き、各中性子検出素子について、あらかじめ設定した時間内に２個の信号が同時計測した時中性子信号として出力することにより、前記中性子検出素子配置用円筒管に２個以上配置された前記中性子検出素子における中性子入射位置を決定し、中性子の一次元検出を行うことを特徴とした中性子検出器。
  4. 請求項１の中性子検出素子を中性子検出素子配置用円筒管の内部に３個以上密に並べて配置して、それぞれの前記中性子検出素子を一次元位置検出体とし、前記中性子検出素子の円筒状基板内側の空間を光ファイバの配線用導管として使用して、前記中性子検出素子から出た２本の前記光ファイバを前記中性子検出素子配置用円筒管の片側あるいは両側に配置された多チャンネル光検出器まで導き、各前記中性子検出素子から出た２本の前記光ファイバを前記多チャンネル光検出器の各光検出器に対してあらかじめ設定したコーディング規則に基づいて振り分けして、前記光検出器毎に前記光ファイバの束とし、それぞれ前記光検出器に光学接続し、各前記光検出器によりパルス信号に変換された蛍光信号をマルチチャネル同時計測回路に導き、前記マルチチャネル同時計測回路においてあらかじめ設定した時間内に２個の信号が同時計測した２つの光検出器を特定し、コーディング規則に基づいて前記中性子検出素子配置用円筒管に３個以上配置された前記中性子検出素子における中性子入射位置を決定し、中性子の一次元検出を行うことを特徴とした中性子検出器。
  5. 請求項３又は４において、２個以上の前記中性子検出素子を前記中性子検出素子配置用円筒管の内部に密に並べて配置する際に、前記各中性子検出素子の間に、前記中性子検出素子の前記円筒状基板内側の空間内において光ファイバの配線が可能な大きさの穴を開けた構造で外径が前記中性子検出素子の外径と同じ円形中性子遮蔽板を配置して、隣り合った中性子検出素子間の中性子の漏れ検出を防ぎ、位置分解能を上げて中性子の一次元検出を行うことを特徴とした中性子検出器。
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