JP6753782B2 - 中性子検出システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は中性子検出に関する。本発明は、とりわけ中性子検出システムおよびそのような検出システムを用いた中性子検出方法に関する。本発明は特に高性能な低コスト大面積中性子シンチレータ検出器の開発および使用方法に関する。

核脅威物質の受動検知では、保安用途において、遮蔽物中の比較的少量の物質を識別するために、高感度かつ大面積感知型の中性子検出器が必須である。従来、検出器材料のコストが高いため、このようなシステムで現実的に用いることが出来る受感物質の量を妥協せざるを得なかった。より効果的な探知選別検査機器への高まり続ける要求を満たすためには、これらの検出システムの感度を桁違いに改善することが、有益であるだけでなく、不可欠である。これは、コストの制約が増大する中、検出能動要素の感度比に起因するコストを格段に低減させることによってのみ達成することができる。高感度大面積中性子検出器はこれらのシステムに不可欠な要素である。

バルク中性子シンチレーション検出器は、通常、高ガンマ線場において中性子の誤トリガを起こしやすい。中性子シンチレータの重要な性能パラメータのひとつは、ガンマ放射線による干渉の排除の効果である。国土安全保障および核保障措置などの多くの用途において、検出器は、生じる中性子の誤識別が、検出器に入射するガンマ線１０^６につき１未満であることが求められる。この場合、ガンマ線排除率としても知られるガンマ線感度が１０^−６である。

多くの場合、ガンマ線排除の向上は、パルス波形弁別として知られる信号処理技術によって達成され、これにより中性子とガンマ線の相互作用で発生する信号の異なる時間特性を活用することができる。しかし、これらの技術は、高ガンマ線場では、信号チェーン内のパルスパイルアップのために、所望のガンマ線排除率を達成するには多くの場合不十分である。高いガンマ線計数率で生じるパルスパイルアップは、常に、中性子との弁別が非常に困難な信号を発生させる可能性がある。

本発明によれば、第１の態様において、中性子検出システムは、検出領域を有する中性子シンチレータ検出器を備え、この検出領域は複数の分離したサブ領域に区分化される。各分離したサブ領域の各出力をそれぞれ検出するために、対応する複数の分離したチャネルが光読み出しシステムに設けられる。

したがって、本発明は、検出器の検出領域が複数の分離したサブ領域に区分化され、このようなサブ領域のそれぞれのシンチレータ出力が個別にアドレス可能であることにより、光読み出しの個別処理が可能となることを特徴とする。

検出器の検出領域を区分化し、（従来の光電子増倍管により達成される単一のグループ化された出力と対照的に）多数の分離したチャネルで光読み出しを行うことにより、検出器のいずれかの部分に入射するガンマ線計数率を効果的に低減することができる。各チャネルにおけるガンマ線相互作用の回数が大幅に減少することにより、ガンマ線信号パルスパイルアップの余地が狭まり、これによりパルス波形弁別によるガンマ線排除のための十分な時間がもたらされ、したがってガンマ線排除率が向上し、ひいては中性子誤トリガが減少する。

中性子シンチレータ検出器は、一般的に、よく知られているように、濃縮した、または天然存在比の^６Ｌｉまたは^１０Ｂなどの中性子捕獲同位体とシンチレーション化合物との組合せを含み、かつ適切な光検出器に連結して設けることにより該シンチレーション化合物から放出された光を検出する中性子反応シンチレータを備える。本発明は、このような既知のシンチレータ検出器に適用可能である。

光検出器は、シンチレータ材料に結合されることによりその発光に反応して電気信号を生じる光電変換器、例えば光電子増倍管を備える。光検出器は、光電子増倍管、フォトダイオードおよびシリコン光電子増倍管を備え得る。好ましい場合において、光電変換器は固体変換器であり、例えばシリコン光電子増倍管を備える。

例えば、バルクシンチレータ検出器を複数の分離した個別にアドレス可能な素子に分割して、対応する複数の光検出器を用いるか、または波長シフト導光体または波長シフト導光ファイバーを設けて分散型検出器の複数の領域からの光を光検出器の対応するアレイに結合することにより、セグメント化を達成することができる。

シンチレータは、光検出器に直接結合することができるが、好ましい場合では、比較的広い範囲にわたって感度を達成するために、シンチレータで生じた光を導光体、例えば波長シフト導光体によって光検出器に結合することができる。複数のこのような波長シフト導光体は、検出器の検出領域を複数の分離したサブ領域に区分化（セグメント化）することができ、このようなサブ領域のそれぞれのシンチレータ出力を個別にアドレス可能とすることができる効果的な手段をもたらす。

好適な実施形態では、本発明のシンチレータ検出器は、大面積中性子反応シンチレータと、複数の個別にアドレス可能な光検出器と、シンチレータの複数の領域のそれぞれからの光を個別にアドレス可能な光検出器のうちの対応する１つに結合させるよう配置された対応する複数の導光体とを備え、導光体は、例えば、波長シフト導光体、例えば波長導光ファイバーである。導光体は、例えば蛍光導光体、例えば蛍光ファイバである。適切なファイバー導光体は、例えば、低屈折率クラッドを備えた高屈折率コアを含むポリマーファイバーである。ファイバーは例えばポリスチレンおよび／またはポリメタクリル酸メチルから製造される。

特に好ましい実施形態では、各導光体、例えば各波長シフトファイバーに、中性子反応シンチレータの中性子捕獲／シンチレーション混合物と同じまたは異なる組成の中性子捕獲／シンチレーション混合物の被覆をさらに設けることにより高感度高セグメント化システムが得られる。被覆は、例えば、硫化亜鉛および酸化亜鉛から選択された１つまたは複数のシンチレーション化合物と混合または化学結合させた窒化ホウ素およびフッ化リチウムから選択された１つまたは複数の中性子捕獲材料を含む。

本実施形態では、シンチレータで生じた光を本来的に蛍光性の導光体に直接結合して、導光体内の発光を誘発させる。被覆された導光体は、発生した光を内部全反射により光検出器へ伝送する。

この特徴を取り入れた被覆ファイバーは最大数メートルの長さとすることができ、多数組み合わせることにより、非常に高いガンマ線排除力を維持しつつ、広範囲にわたる感度を達成することができる。

複数の個別にアドレス可能な光検出器の各光検出器は、分離した光検出素子を備えてもよく、あるいは、例えば適切な制御電子により、個別の分離した光読み出し部用に構成された、より大型の光検出器の領域を備えてもよい。

本発明は、^３Ｈｅや^６Ｌｉを利用したシステムなどの既存の技術に対し、コストおよび性能において少なくとも１桁の改善を達成した大面積広エネルギー中性子検出器を実現する可能性をもたらす。これらの性能およびコストの恩恵により、固定式および移動式の受動検知システムの新時代の実現が促進される可能性がある。また、提案された技術により、バックグラウンド抑制、指向性／撮像法（イメージング）に効果がある。

固体光検出器を利用したシンチレーション検出器におけるセグメント化された光読み出しのさらなる効果は、信号雑音比の低減による改善の可能性ならびに、結果的に生じるエネルギー領域およびエネルギー分解能における効果である。

好ましくは、検出器の検出領域は、２次元エリアアレイ内で複数の分離したサブ領域に区分化される。例えば、好適な実施形態では、検出器は、大面積中性子反応シンチレータと、複数の個別にアドレス可能な光検出器と、２次元エリアアレイを画定するシンチレータの複数の領域の各々からの光を個別にアドレス可能な光検出器のうちの対応する１つに結合させるよう配置された対応する複数の導光体とを備える。

本発明は、すべての熱中性子シンチレーション検出器および高速中性子シンチレーション検出器に適用し得る。

応用技術として、複合シンチレータ（例えば^６ＬｉＦ：ＺｎＳ、^１０ＢＮ：ＺｎＳ）、無機シンチレータ（^６ＬｉＩ、Ｃｓ２ＬｉＹＣｌ６：Ｃｅ）、有機中性子シンチレータ（例えばＢＣ−４５４）が挙げられる。好ましい場合では、本発明のシンチレーション検出器として、減速材中に分散配置される薄型の複合シンチレータが挙げられる。

以下により詳しく説明する複合シンチレーション検出器の一例は、窒化ホウ素を含み、例えば、減速材内で均一に分布する非濃縮窒化ホウ素の板状結晶を含む。

本発明は、例えば、少なくとも５０ｃｍ^２、好ましくは少なくとも５００ｃｍ^２、例えば５０００ｃｍ^２以下またはそれ以上の面積の検出器を含む、大面積感知型中性子検出器に適用可能である。

本発明によれば、各区分化されたサブ領域の出力を個別に処理するために、セグメント化された光読み出しシステムに、各分離したサブ領域の各光出力をそれぞれ検出するよう複数の分離したチャネルを設ける。例えば、本発明によるセグメント化された光読み出しシステムは、例えば分離した固体センサおよび動的信号処理技術を用い得る分散光収集ネットワークを備えてもよい。

セグメント化された光読み出しシステムは、例えば、固体分散導光読み出し部を備える。セグメント化された光読み出しシステムは、例えば、蛍光導光体を備える。セグメント化された光読み出しシステムは、例えば、固体光検出器を備える。

本発明によれば、さらなる態様において、中性子検出方法は、
検査する対象物／線源の近傍に検出領域を有する中性子シンチレータ検出器を設ける工程と、
検出領域を複数の分離したサブ領域に区分化する工程と、
各分離したサブ領域のそれぞれの光読み出し出力を得る工程とを含む。

よって、この方法は、検出器の検出領域が概念的に複数の分離したサブ領域に区分化され、このようなサブ領域のそれぞれのシンチレータ出力が個別にアドレス可能であることにより個別処理可能な光読み出しが達成され、ガンマ線信号パイルアップの余地を狭めるガンマ線相互作用の低減に関して上に詳述した効果を奏し、ひいては中性子誤トリガを低減することを特徴とする。

したがって、具体的には、この方法は本発明の第１の態様の検出システムを用いた中性子検出方法であり、この方法の好ましい特徴は類推により理解されるであろう。

窒化ホウ素複合シンチレーション検出器の特に好ましい例を、以下に一例として図を参照して説明する。

^１０ＢＮシンチレータ材料の一例の顕微鏡写真である。 本発明の装置の実施形態で用いられる固体分散導光読み出し部の一例を示す図である。 本発明の装置の実施形態において、図２の導光読み出し部と組み合わせて用いられるシンチレータ・ファイバーシステムを示す図である。

本発明は、^３Ｈｅ、^６Ｌｉを利用したシステムなどの既存の技術に対し、コストおよび性能において少なくとも１桁の改善を達成した大面積広エネルギー中性子検出器を実現することを目的とする。目標とする検出器の仕様は、効率５０％（^２５２Ｃｆ中性子）、感知面積１ｍ^２、ガンマ線排除率１０^−７であり、目標コスト（額）は１万ドル／ｍ^２である。これらの性能およびコストの効果により、固定式および移動式の受動検知システムの新時代の実現が促進される可能性がある。

本発明が対処しようとする重要な課題は、大面積感知型装置において、（華氏７０度より高い）室温で高感度、低ノイズで、安定したセンサ動作を達成し、目標の仕様を達成すべくこの装置を調整することである。これに関し、減速材内で均一に分布する非濃縮窒化ホウ素の板状結晶を含む複合シンチレーション検出器を以下に一例として示す。

中性子シンチレータ検出器は、一般的に、濃縮した、または天然存在比の^６Ｌｉまたは^１０Ｂなどの中性子捕獲同位体を含む。これらの同位体を含有するＢＯ、ＢＮおよびＬｉＦなどの化合物を、ＺｎＳ：Ａｇ、ＺｎＯ、ＬｉＩ：Ｅｕなどの無機シンチレーション化合物または複合有機化合物と混合または化学結合させることにより、中性子と捕獲化合物の相互作用による高エネルギー反応生成物が、シンチレータ内でシンチレーションを生じる。

本発明の実施形態例において、適切な中性子反応シンチレータは非同位体濃縮窒化ホウ素を利用する。

非同位体濃縮ホウ素は、低コストの化粧品成分として、微細な（サブミクロン）粉末として容易に入手可能である。その六方晶板状構造は、複合シンチレーションパネル（図１参照）における中性子捕捉剤として優れた特性をもたらすため、この自己潤滑性微細粉末によって、帯電した中性子反応生成物をシンチレーションマトリックスに効果的に結合させることができる。結果として得られる、薄い、高感度材料は、広エネルギー領域にわたる高効率および低ガンマ線感度のために、減速材内で均一に分布させることができ、携帯型／移動式に適し、かつ非常に大型の検出器にも適応可能である。

波長シフト導光体は、大面積感知領域にわたり、シンチレータを分散配置することを可能とする。セグメント化された固体光読み出し部により、（バルク検出器内でパルスパイルアップが生じ得る高ガンマ線場において）強力なガンマ線排除がもたらされる。統合信号処理により、自己完結型の強力で拡張性を備えた検出システムが完成する。図２に導光体の一例を示す。この図では、ハウジング１はガイドチューブ２の２次元アレイを収納し、各ガイドチューブ２内を通って蛍光ファイバー３がシリコン光電子増倍管光検出器４の個別にアドレスされた光検出要素に結合する。

さらに、個々の導光体のセグメント化された二方向の読み出しにより、装置における指向性およびエネルギー弁別に大きな可能性がもたらされる。想定可能な装置構成を図３に示す。

図３では、大面積中性子反応シンチレータ１１は蛍光ファイバーの２次元アレイを経て光検出器に結合されている。各ファイバーは、シンチレータの分離された領域を個別にアドレスされた光検出素子に結合することにより、そのシンチレータの領域のみに由来（起因）する個別の光応答を得る。シンチレータ、読み出し装置およびシンチレータの信号処理をセグメント化することにより、検出器のいずれかの部分に入射するガンマ線計数率が効果的に低減される。これにより、パルスパイルアップが大幅に減少し、パルス波形弁別によるガンマ排除に十分な時間がもたらされるため、ガンマ線排除率が向上する。

本発明の実施形態例では、ファイバーを適切な蛍光材料、例えば蛍光ポリマー材料で製造する。蛍光ファイバーは、例えば低屈折率クラッドを備えた高屈折率コアを含むポリマーファイバーであり、例えばポリスチレンおよび／またはポリメタクリル酸メチルで製造する。ファイバーには中性子捕獲材料とシンチレーション材料の混合物の被覆をさらに設ける。被覆は、例えば、硫化亜鉛および酸化亜鉛から選択された１つまたは複数のシンチレーション化合物と混合または化学結合させた窒化ホウ素およびフッ化リチウムから選択された１つまたは複数の中性子捕獲材料を含む。

シンチレータで生じた光を蛍光ファイバーに直接結合して、導光体内の発光を誘発させる。複数のクラッドファイバーは、シンチレータの各領域のそれぞれから発生した光を、個別処理のために内部全反射によってそれぞれの光検出素子に伝送することにより、非常に高いガンマ線排除力を維持しつつ、広面積シンチレータ全体にわたる感度を達成する。

重要な設計考慮事項として、以下が挙げられる。
・仕様要件を満たすためには、新たな段階の感度およびガンマ排除力が求められ、検出器効率および信号雑音比の向上が要求される。
・感度を向上させ、良好な光出力を維持し、安定性／ロバスト性を向上させるために、被覆剤の配合および塗布技術の改善が求められる。
・シンチレーション層からの光を光検出器に効率的に結合することが、本技術の実施の成功の鍵となる。これには、シンチレータおよび光センサの特徴と整合する高効率の導光体が必要とされる。
・光電子増倍管の性能に近い固体光検出器は、市販のセンサの技術的な限界にある。信号処理および安定化技術が求められる。
・新たな検出器の基本構造は、寸法および重量とのバランスを保ちつつ性能について最適化しなければならない。そのためには、中性子相互作用の幅広いモデリングとともに要求仕様に明確に焦点を合わせることが求められる。

Claims (18)

1. 検出領域を有する中性子シンチレータ検出器を備え、バルク検出器内でパルスパイルアップが生じ得る高ガンマ線場においてガンマ線排除力を有する中性子検出システムであって、
   前記検出領域が複数の分離したサブ領域に区分化され、各分離したサブ領域の各出力をそれぞれ検出するために、対応する複数の分離したチャネルが光読み出しシステムに設けられ、
   前記中性子シンチレータ検出器が、中性子捕獲同位体とシンチレーション化合物との組合せを含み、かつ光検出器に連結して設けることにより該シンチレーション化合物から放出された光を検出する中性子反応シンチレータを備え、
   前記光読み出しシステムが、それぞれ区分化されたサブ領域の出力を個別に処理するために、各個別のサブ領域の各光出力をそれぞれ検出するよう複数の分離したチャネルを有するセグメント化された光読み出しシステムであり、
   前記セグメント化された光読み出しシステムは、１０^−７以上のガンマ線排除率により、中性子の誤識別を減少させるよう構成されている、中性子検出システム。
2. 前記セグメント化された光読み出しシステムが固体分散導光読み出し部を備える、請求項１に記載の検出システム。
3. 前記セグメント化された光読み出しシステムが複数の蛍光導光体を備える、請求項１または請求項２に記載の検出システム。
4. 前記中性子シンチレータ検出器が、中性子反応シンチレータと、複数の個別にアドレス可能な光検出器と、前記中性子反応シンチレータの複数の領域のうちの１つからの光を前記個別にアドレス可能な光検出器のうちの対応する１つに結合させるようそれぞれ配置された対応する複数の導光体とを備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の検出システム。
5. 各導光体が波長シフト導光体である、請求項４に記載の検出システム。
6. 各波長シフト導光体が、波長シフトファイバである、請求項５に記載の検出システム。
7. 各ファイバーが低屈折率クラッドを備えた高屈折率コアを含む１つまたは複数の材料から製造される、請求項６に記載の検出システム。
8. 各導光体に中性子捕獲材料とシンチレーション材料の混合物の被覆が設けられた、請求項４〜７のいずれか１項に記載の検出システム。
9. 前記被覆が、ＺｎＳ（Ａｇ）、ＺｎＯおよびＹＡｌＯ_３：Ｃｅから選択された１つまたは複数の無機シンチレーション化合物と混合または化学結合させたＬｉＦおよびＢＮから選択された１つまたは複数の中性子捕獲材料を含む、請求項８に記載の検出システム。
10. 前記光検出器がシリコン光電子増倍管を備える、請求項１〜９のいずれか１項に記載の検出システム。
11. 前記光検出器が複数の個別にアドレス可能な領域に分割される、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の検出システム。
12. 前記光検出器の前記各個別にアドレス可能な領域が、適切な制御電子回路によって個別の分離した光読み出し部用に構成される、請求項１１に記載の検出システム。
13. 前記中性子シンチレータ検出器の前記検出領域が、２次元エリアアレイ内で複数の分離したサブ領域に区分化される、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の検出システム。
14. 前記中性子シンチレータ検出器が、前記中性子反応シンチレータと、複数の個別にアドレス可能な光検出器と、２次元エリアアレイを画定する前記中性子反応シンチレータの複数の領域の各々からの光を前記個別にアドレス可能な光検出器のうちの対応する１つに結合させるよう配置された対応する複数の導光体とを備える、請求項１３に記載の検出システム。
15. 前記中性子シンチレータ検出器が、減速材中に分散配置された複合シンチレータを備える、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の検出システム。
16. 前記中性子シンチレータ検出器が少なくとも５００ｃｍ^２の検出領域を有する、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の検出システム。
17. 前記中性子シンチレータ検出器が少なくとも５０００ｃｍ^２の検出領域を有する、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の検出システム。
18. 検査する対象物／線源の近傍に検出領域を有する中性子シンチレータ検出器を設ける工程と、
    前記検出領域を複数の分離したサブ領域に区分化する工程と、
    各分離したサブ領域のそれぞれの光読み出し出力を得る工程とを含み、バルク検出器内でパルスパイルアップが生じ得る高ガンマ線場においてガンマ線排除力を有する中性子検出システムを用いた中性子検出方法であって、
    前記検出領域を複数の分離したサブ領域に区分化する工程を、
    各区分化されたサブ領域の出力を個別に処理するために、各分離したサブ領域の各光出力をそれぞれ検出するよう複数の分離したチャネルを有する、セグメント化された光読み出しシステムを設けるとともに
    中性子反応シンチレータと、複数の個別にアドレス可能な光検出器と、前記中性子反応シンチレータの複数の領域のうちの１つからの光を前記個別にアドレス可能な光検出器のうちの対応する１つに結合するようそれぞれ配置された対応する複数の導光体とを設けることにより行い、
    前記セグメント化された光読み出しシステムは、１０^−７以上のガンマ線排除率により、中性子の誤識別を減少させるよう構成されている、中性子検出方法。

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