JP7034255B2 - 中性子検出器 - Google Patents

Description

本発明は、中性子検出器及びその使用に関する。

中性子検出器は、例えば放射線防護モニタリング又は基礎研究において、遊離中性子の検出、遊離中性子の流れの測定、及び遊離中性子の分光法に使用される。中性子は電荷を有しないことから、物質とわずかしか相互作用しないため、適切な中性子吸収材料との核反応によって検出する必要があり、この反応では、電荷キャリア又は荷電放射性核種が形成され、これらは適切な検出器、例えば計数ガスが充填された計数管を用いて検出される。

粒子と中性子吸収材料との相互作用は、断面積σによって記述され、この断面積は、単位１バーン（１０^－24ｃｍ²）の面積の次元を有する。総断面積σ_totは、時間あたりの相互作用の回数を、入射する粒子の電流密度で除算して算出される。上記相互作用において生成される二次粒子は、これらの粒子が検出器の感受性領域に到達でき、かつそこで検出のために十分に大きなエネルギを蓄積できるよう、計数ガス中で十分に自由な経路を有していなければならない。蓄積したエネルギのイオン化への変換は、検出のために本質的に重要である。

これより、一般的な中性子吸収材料について記載する：

³Ｈｅ同位体（³Ｈｅ＋ｎ→³Ｈ＋¹Ｈ＋０．７６４ＭｅＶ；σ＝５．３２７バーン）は、中性子捕獲後にプロトン及びトリトンを生成する材料であり、これは、比例計数管において広く使用されている。その利点は、断面積が大きいこと、及び原子番号が小さいこと（Ｚ＝２）であり、これらにより、検出器の低いγ感度が保証される。欠点は、ガス中での反応産物の道程が長いことであり、これは、空間分解能に悪影響を及ぼす。³Ｈｅをベースとした多数の別個の中性子検出器を備える中性子検出器構成は、例えば特許文献１から公知である。

変換材料である⁶Ｌｉ（⁶Ｌｉ＋ｎ→³Ｈ＋α＋４．７８ＭｅＶ；σ＝９４０バーン）は主に、ドーパントとして、又はシンチレータ結晶の一部として、シンチレータで使用される。しかしながら、これはガス検出器内のコンバータフィルムとしても使用できる。その大きな利点は、反応プロセス中に大きなエネルギが放出されることである。残念ながら、断面積は比較的小さく、また取り扱いが複雑である。⁶Ｌｉをベースとした多数の中性子検出器素子を備える中性子検出器構成は、例えば特許文献２から公知である。シンチレーション材料としてはＺｎＳ（Ａｇ）が使用され、これは中性子吸収材料としての⁶ＬｉＦと混合される。

¹⁰Ｂ（¹⁰Ｂ＋ｎ→⁷Ｌｉ＋α＋２．７９２ＭｅＶ（６％）；σ＝３．８４２バーン）は、ＢＦ₃が充填されたガス検出器において使用されるが、その毒性のために取り扱いが困難である。固体検出器では、ドーパントとして、又は薄いコンバータフィルムとして、化学的に不活性なＢ₄Ｃとして使用される。断面積は⁶Ｌｉの場合より最大で４倍大きく、放出されるエネルギは、検出可能な信号を生成するために十分なものである。¹⁰Ｂでドープされた多数の多角形中性子検出器素子を備える中性子検出器構成は、例えば特許文献３から公知である。

ガドリニウムには安定した天然の同位体が７個あり、全ての既知の原子の中でも、２５４．０００バーンを有する¹⁵⁷Ｇｄ（天然存在比１５．６８％）は、熱中性子のための最大の既知の捕獲断面積を有する（¹⁵⁷Ｇｄ＋ｎ→¹⁵⁸Ｇｄ^＊→¹⁵⁸Ｇｄ＋γ＋ｅ^－＋２９ｋｅＶ－１８１ｋｅＶ；σ＝２５４．０００バーン）。また、１４．７３％という相対頻度を有する同位体¹⁵⁵Ｇｄも、６１．０００バーンという高い捕獲断面積を有する（¹⁵⁵Ｇｄ＋ｎ→¹⁵⁶Ｇｄ＊→¹⁵⁶Ｇｄ＋γ＋ｅ^－（２９ｋｅＶ－１８１ｋｅＶ；σ＝６１０００バーン）。天然のガドリニウム又は天然の同位体分布を有するガドリニウムは、４９．０００バーンの平均捕獲断面を有する。ただし、ガドリニウムはコストが高く取り扱いが困難であるため、頻繁には使用されない。ガドリニウムを使用する中性子検出器は、例えば特許文献４から公知である。

従来の中性子検出器は、計数ガスで充填された検出容積の、必要な充填圧力（数ＭＰａ）を保証する、外部圧力容器を使用している。圧力容器、及び上記圧力容器に接続された機密電気フィードスルーの存在は、更なる支出に関連する。外部圧力容器を備える検出器の重量は比較的重いため、中性子検出器の製造、及び動作中の取り扱いが困難になる。更に、大きな捕獲断面積と高い空間分解能とを同時に有する大規模な（ｍ²クラスの）中性子検出器は、現在のところ製造できない。

国際公開第２０１５／０８８７４８号 国際公開第２０１５／１７３５４０号 欧州特許第３ １８７ ９０２号 独国特許第１９９ ６１４ ４５２号

本発明の目的は、³Ｈｅをベースとする中性子検出器と同等の高い効率を有しながら、外部圧力容器を備えない、中性子検出器を提供することである。上記検出器はまた、大きな検出面積と高い空間分解能とを同時に有していなければならない。

上述の課題は、請求項１の特徴部分に記載の中性子検出器によって解決される。本発明による中性子検出器は、少なくとも１つの検出器素子のアレイを備え、各上記検出器素子は、互いに対して平行に配設された第１の中性子透過性材料製の２つの基板プレートを備え、各上記基板プレートは、第２の中性子透過性材料製の自己支持フレーム上に固定されて補償用容積を形成し、また上記補償用容積の反対側の側部が中性子吸収材料でコーティングされ、中性子吸収材料でコーティングされた上記側部は、それぞれ、中性子吸収材料を有する他方の基板プレートに対面し、互いに対面しているコーティングされた上記基板プレートの間には、計数ガスが充填された気密測定空間が画定され、上記気密測定空間内には、上記基板プレートに対して平行に配設された、電極線平面が配設され、各上記電極線平面内には、平行に走る電極線が配設され、また上記電極線平面は、離間フレームによって互いから隔てられている。

電極線には、電圧、通常は高電圧（≧＋／－１ｋＶ）が印加される。印加された高電圧によって、上記中性子吸収材料によって生成された電荷が加速されるため、計数ガス中の電荷増倍によってガス増幅が発生し、それによって得られた電荷なだれが上記電極線平面へと伝達される。２つの上記電極線平面の上記電極線は好ましくは、それぞれ他方の電極線平面の電極線に対して直角に配設されて電極線グリッドを形成し、これにより、中性子イベントの場所を、遅延線上の信号の通過時間測定によって決定できる。

上記基板プレートの上記第１の中性子透過性材料、及び上記自己支持フレームの上記第２の中性子透過性材料は、十分な中性子透過性を有するいずれの加工可能な材料を使用できる。好ましくは、上記基板プレートの上記第１の中性子透過性材料、及び／又は第２の中性子透過性フレーム材料は、銅、又は特にアルミニウムから選択される。更に好ましくは、上記第１及び第２の中性子透過性材料は同一である。上記基板プレートは好ましくは、２０μｍ～６００μｍの厚さを有する。上記自己支持フレームは好ましくは２～５ｍｍの厚さを有し、また好ましくは上記フレームのサイズに応じて１ｃｍ～２０ｃｍのフレーム幅を有する。本発明の文脈において、「自己支持（ｓｅｌｂｓｔｔｒａｇｅｎｄ）」は、上記フレームが追加の支持体を備えないことを意味する。好ましくは、各上記自己支持フレームは単一部品である。

コーティングされた上記基板プレートは好ましくは長方形、特に正方形であり、好ましくは２０ｃｍ～２ｍ、特に５０ｃｍ～１．２ｍの辺の長さを有する。本発明による検出器構造により、結果として、極めて大きな検出面積（ｍ²クラス）と高い空間分解能とを同時に有する中性子検出器を製造できる。

上記中性子吸収材料は、⁶Ｌｉ、¹⁰Ｂ、又はガドリニウムを含むことができ、特に好ましくは¹⁰Ｂ₄Ｃである。¹⁰Ｂ₄Ｃコーティングは好ましくは、上記基板プレート上に、５００ｎｍ～１．５μｍ、より好ましくは１μｍ～１．２μｍの層厚さで塗布される。好ましくは、上記コーティングはスパッタリングによって塗布される。

第１の中性子透過性材料製の上記基板プレートは好ましくは、第２の中性子透過性材料製の上記自己支持フレームと接着される。好ましくはこの接着のために、エポキシ樹脂接着剤又はアクリル樹脂接着剤が使用される。

測定空間内の計数ガスとしては、好ましくはアルゴンとＣＯ₂（Ａｒ／ＣＯ₂）又はＣＦ₄との混合物、又はこれらの複数の混合物が使用される。測定空間内の計数ガス圧力は、好ましくは１００～１３０ｋＰａである。上記電極線には好ましくは、≧１ｋＶ、好ましくは１．５～３．５ｋＶの高電圧が印加され、ここで上記電圧は絶対値として与えられる。

２つの上記電極線平面の上記電極線はそれぞれ、１～３ｍｍ、好ましくは約２ｍｍの距離を有する。２つの上記電極線平面の互いに対する距離は好ましくは、１．２～４ｍｍ、好ましくは１．６～３ｍｍである。

本発明の更なる実施形態によると、本発明による中性子検出器は、複数、例えば２個以上、好ましくは２～１８個、特に好ましくは４～１５個、更に好ましくは８～１２個の検出器素子の積層構成を備える。好ましくは、各上記検出器素子は、各上記自己支持フレームが重なり合って一体に接合されるように配設され、ここで、一体に接合された上記自己支持フレームの少なくとも１つの側部、好ましくは２つの側部にガス通路が設けられることにより、可変補償用容積が形成される。好ましくは、重なり合って一体に接合された上記自己支持フレームは互いに接着され、ここでも同様に、好ましくはアクリル樹脂接着剤が使用される。

あるいは、このような積層構成において、自己支持フレームは両側が第１の中性子透過性材料製の基板プレートで被覆され、両側が被覆された上記自己支持フレームは、２つの隣接する検出器素子の端部を形成し、一体に接合された上記自己支持フレームの少なくとも１つの側部、好ましくは２つの側部にガス通路が設けられることにより、可変補償用容積が形成される。

上記積層構成では、上記自己支持フレームのフレーム内面は、その上に固定された、コーティングされた上記基板プレートと共に、可変補償用ガス容積を形成する。検出面積が非常に大きくなる（例えば＞０．５ｍ²）と、上記中性子検出器の構造に関する機械的な課題も大きくなる。乱れのない測定の空間分解能を得るために、コーティングされた上記基板プレートは、可能な限り平坦でなければならない。コーティングされた上記基板プレートと電極線平面との間の距離が短いことと、測定中に印加される高電圧とが組み合わさると、コーティングされた基板プレートと電極線平面とが引き合うため、上記基板プレートが湾曲し、これによって高電圧のフラッシオーバが発生し得る。上記検出面素子間の、可変補償用容積を有するガス空間を介して、上記基板プレートの上記湾曲を補償できる。電極線平面と基板プレートとの間の距離は、両方の平面が、面積全体にわたって互いに対して平行に整列するように設定できる。上記基板プレートの内面間に位置する検出平面は、操作によって可変ではない量の計数ガスで満たされている。各基板プレートに対向して位置する上記補償用容積もまた、ガスで充填される。圧力センサを介して、これら２つの容積（検出器容積及び補償用容積）を監視できる。必要に応じて、上記補償用容積の圧力を制御要素によって調整することにより、中性子吸収材料でコーティングされた上記基板プレートが、上記電極線平面に向かって偏向するのを回避する。従って、上記測定空間内の圧力の制御又は維持のための外部圧力容器を不要とすることができる。可変補償用容積を有する上記ガス空間内のガスとしては、いずれの中性子透過性ガスを使用できる。というのは、上記ガスは上記計数ガスと接触しないためである。しかしながら、上記計数ガスと同一のガスを使用することが好ましい。

好ましくは、上記積層構成において接続される上記検出器素子は、異なるコーティング厚さ、例えば（例えば第１のモジュール内の）第１の検出器素子における５００μｍから、（例えば第１２のモジュール内の）最後の検出器素子における１．５μｍまで増大するコーティング厚さを有する。

好ましくは、上記積層構成の各検出器素子は、固有の評価用電子機器を備える。この場合、従来技術による評価用電子機器、好ましくはより高度に統合された遠隔制御式の評価用電子機器が使用される。上記評価用電子機器は、１チャネルあたり１つの前置増幅器及び１つの定率型波高弁別器を備えることができる（検出器平面１つあたり４チャネル）。信号は通常ＦＰＧＡボードへと接続され、エッジ（正及び負）にはタイムスタンプが付される。特別なものとしては、遅延素子が組み込まれたプリント回路基板からなる遅延線がある。これは、高電圧耐性トランスを介して上記前置増幅器に接続でき、また高電位で動作させることができる。

これより、添付の図面を参照して本発明を更に詳細に説明する。添付の図面は本発明を限定するものではなく、単に例示的に説明するものである。

図１は、本発明による検出器素子の概略図である。 図２は、検出器素子の個々の構成要素の上面概略図である。 図３は、重なり合って一体に接合された本発明による検出器素子の積層構成を形成できる、２つの自己支持フレームの上面図である。 図４は、互いに対して平行に配設された１２個の検出器素子の積層構成を備える、中性子検出器の概略図である。

図１を参照すると、互いに平行に配設されて互いに対面する２つの中性子吸収材料¹⁰Ｂ₄Ｃ層１、５が概略図で示されており、これらは、互いに対して平行に配設された、中性子透過性材料製の２つの基板プレート（図示せず）上に、スパッタリングによって塗布されている。更に、互いに対面する¹⁰Ｂ₄Ｃ層１、５の間に、互いに対して平行な２つの電極線平面が設けられ、２つの上記電極線平面の電極線は、それぞれ他方の電極線平面の方向に対して９０°の角度で配設され、電極線グリッドを形成する。上記電極線には、高電圧４（≧＋／－１ｋＶ）が印加される。電圧の変化は、高い空間分解能を有する遅延線２で記録される。

¹⁰Ｂ₄Ｃ層１、５のうちの一方に中性子３が当たると、これによる¹⁰Ｂとの核反応の結果として、計数ガスがイオン化され、電圧の変化が電極線グリッドによって検出される。¹⁰Ｂ₄Ｃの代わりに、好ましくは⁶ＬｉＦとして使用される⁶Ｌｉ、又はガドリニウムといった、別の固体中性子吸収材料も、本発明による中性子検出器における中性子検出のために使用できる。その取り扱いの容易さ、及びコスト面での理由から、¹⁰Ｂ₄Ｃ層が好ましい。

図２では、検出器素子の個々の構成要素の上面概略図が示されている。左から右に向かって、好ましくは正方形の、中性子透過性材料製の自己支持フレームが示されている。２つの長辺にはノッチが刻まれており、これらは２つのフレームを一体に接合したときにガス通路を形成する。次に、中性子吸収材料でコーティングされた基板プレートが示されており、これは、コーティングに対面する側部において自己支持フレームに固定され、自己支持フレームに接着される。この固定は、基板プレート及びコーティングが可能な限り平坦でしわのない状態で固定されるように、実施される。この固定のために、自己支持フレームは、その横方向及び縦方向の側面が若干内側へと変形されており、基板プレートは、上記フレームの、コーティングに対面する側部と接着されて、接着剤の硬化後に弛緩する。コーティングされた基板プレート上には、電極線平面を備えるプリント回路基板に接着され、これは第３の要素として図示されている。図では右から左に向かって同一の構造が繰り返され、得られた構造を、ここでは中央に図示されている離間フレームを介して、９０°オフセットさせて互いに接続する。ガス空間は計数ガスで充填され、気密接着される。

図３は、それぞれ検出器素子の端部を形成する、２つの自己支持フレームの上面図である。２つの長辺上にはノッチが刻まれており、これらは２つのフレームを一体に接合したときに、内部のガス空間を備えたガス通路を形成する。ガス通路によってガス空間内の補償用容積を制御でき、これによって、補償用容積内のガス圧力を低下又は減少させることで、基板プレートの湾曲を補償できる。

図４は、１２個の検出器素子の積層構成を概略図で示し、ここでは各検出器素子が固有の計数用電子機器を備える。図示されている積層構成を用いると、従来の中性子検出器で可能であったものよりもはるかに大きな検出面積で、³Ｈｅ計数管によって得られるものと同等の検出感度を達成できる。

本発明による中性子検出器は、２ｍｍ未満という中性子の空間分解能で、約１ｍ²～２ｍ²という大きな検出器面積の構築を初めて実現できる。積層構成のモジュール式構造では更に、より多数の検出器素子で、³Ｈｅ計数管と同等の検出感度（約６０％）又はそれ以上を達成できる。アルミニウムシート等の比較的薄い基板プレートを使用し、また外部圧力容器を省略することにより、中性子検出器は、寸法の大きさにもかかわらず比較的軽量となり、安価に製造できる。

Claims (13)

1. 中性子検出器であって、
   前記中性子検出器は、互いに対して平行に配設された第１の中性子透過性材料製の２つの基板プレートをそれぞれ備える、２つ以上の検出器素子の積層構成を備え、
   各前記基板プレートは、互いに対面している面を中性子吸収材料（１、５）でコーティングされ、
   互いに対面しているコーティングされた前記基板プレートの間には、計数ガスが充填された測定空間が画定され、
   前記測定空間内には、前記基板プレートに対して平行に配設された、電極線平面（２）が配設され、
   各前記電極線平面（２）内には、平行に走る電極線が配設され、また前記電極線平面（２）は、離間フレームによって互いから隔てられている、中性子検出器において、
   前記測定空間は気密性であり、
   前記基板プレートは、前記検出器素子の間で、前記測定空間の反対側の側部において、第２の中性子透過性材料製の自己支持フレーム上に固定されて、補償用容積を形成し、
   ２つの前記検出器素子はそれぞれ、各前記自己支持フレームが重なり合って一体に接合されるように配設され、
   一体に接合された前記自己支持フレームの少なくとも１つの側部にガス通路が設けられることにより、前記補償用容積の容積を可変とする
   ことを特徴とする、中性子検出器。
2. 前記基板プレートの前記第１の中性子透過性材料及び前記第２の中性子透過性材料はそれぞれ同一であり、銅又はアルミニウムである、請求項１に記載の中性子検出器。
3. ２つの前記電極線平面（２）の前記電極線は、それぞれ他方の前記電極線平面（２）の整列に対して９０°の角度に配設されて電極線グリッドを形成する、請求項１に記載の中性子検出器。
4. ２つの前記電極線平面（２）の前記電極線はそれぞれ、１～３ｍｍの距離を備える、請求項１～３のいずれか１項に記載の中性子検出器。
5. ２つの前記電極線平面（２）の互いに対する距離は好ましくは、１．２～４ｍｍである、請求項１～４のいずれか１項に記載の中性子検出器。
6. 前記中性子吸収材料（１、５）は、⁶Ｌｉ、¹⁰Ｂ、又はガドリニウムを含む、請求項１～５のいずれか１項に記載の中性子検出器。
7. 前記中性子吸収材料（１、５）は¹⁰Ｂ₄Ｃである、請求項６に記載の中性子検出器。
8. 前記基板プレート上の前記中性子吸収材料（１、５）の層厚さは、５００ｎｍ～１．５μｍである、請求項１～７のいずれか１項に記載の中性子検出器。
9. 前記基板プレート上の前記中性子吸収材料（１、５）の層厚さは、１μｍ～１．２μｍである、請求項８に記載の中性子検出器。
10. ４～１８個の前記検出器素子の積層構成を備える、請求項１に記載の中性子検出器。
11. ８～１２個の前記検出器素子の積層構成を備える、請求項１０に記載の中性子検出器。
12. 自己支持フレームは両側が第１の中性子透過性材料製の基板プレートで被覆され、
    両側が被覆された前記自己支持フレームは、２つの隣接する検出器素子の端部を形成し、
    一体に接合された前記自己支持フレームの少なくとも１つの側部にガス通路が設けられることにより、前記補償用容積の容積を可変とする、請求項１～１１のいずれか１項に記載の中性子検出器。
13. 中性子の検出のための、請求項１～１２のいずれか１項に記載の中性子検出器の使用。

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