JP7588043B2 - 中性子検出器、これを備える個人被ばく線量計および中性子照射量モニタ、並びに中性子検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、中性子検出器、これを備える個人被ばく線量計および中性子照射量モニタ、並びに中性子検出方法に関する。特には、低エネルギー中性子の入射に基づく反跳陽子、アルファ線、トリトンを高感度で検出することができる反転型の中性子検出器、これを備える個人被ばく線量計および中性子照射量モニタ、並びに中性子検出方法に関する。

原子力分野、産業分野、並びに医療分野等の様々な分野において、中性子の検出並びに定量が行われている。例えば、原子力分野においては、原子力施設における作業員の中性子線量の被ばく監視の目的で、持ち運び可能な小型の電子式個人線量計が用いられている。

従来、半導体式検出素子を備える中性子個人被ばく線量計が知られている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１に開示された中性子個人被ばく線量計は、中性子が突入すると陽子が飛び出してくるラジエータを半導体検出素子の直前に配置して相対的に高いエネルギーの中性子に反応した出力信号を該検出素子から取り出す第１の検出器と、半導体検出素子に濃縮^１０Ｂ（ボロン１０）をコーティングし、その直前にラジエータを配置し、さらにそれを中性子減速材で囲むことによって相対的に低いエネルギーの中性子に反応した出力信号を検出素子から取り出す第２の検出器とを備える。

特許文献１に記載の線量計では、約４００μｍ程度の標準的な厚みのＳｉ半導体ダイオードから構成されるポリエチレンラジエータセンサを第１の検出器の検出素子として用いていた。図８は、従来型の検出器の概念的な断面構造を示す図である。図８を参照すると、検出器１００は、Ｓｉ半導体層１０２の一方の面に形成された陽極１０１と、他方に形成された陰極１０４から構成される。陰極１０４の周囲には、ＳｉＯ_２膜１０５が形成され、陰極１０４とＳｉＯ_２膜１０５には、保護層１０８が積層されている。Ｓｉ半導体層１０２は、Ｐ型不純物領域１０２ａとＮ型不純物領域１０２ｂから構成され、陽極１０１は二層１０１ａ、ｂからなる。陽極１０１には、Ａｇペースト１０６により電極１０７が接続される。ラジエータ１１０は、陰極１０４に対向して設けられる。そして、陰極１０４と、電極１０７は、筐体Ｐに設けられた端子Ｓ、Ｇに接続される。この状態でラジエータ１１０に、中性子ｎが入射すると、Ｈ（ｎ，ｎ’）反応により中性子が、ラジエータを構成するポリエチレン等のＨ原子に衝突し、中性子とＨの運動量交換が起きる。そして、ほぼ同じエネルギーを持つ陽子が反跳され、この反跳陽子が、図８中の陰極１０４から素子中に入射する。入射した陽子は空乏層内でＳｉ原子に衝突し、Ｓｉを電離させ、これによって発生する電荷が検出可能となる。

検出素子中に、陽子と同時にガンマ線などの放射線が入射する場合があり、ガンマ線によるＳｉの電離電荷も同様に検出される。中性子検出を目的とする場合、このガンマ線に起因する電荷は誤検出となる。従来、誤検出を回避するために、電荷量の計数に関しては、一定のエネルギー閾値１１００ｋｅＶを設定し、この閾値に対応する強度以上のパルス数を中性子線量として計測していた。しかし、閾値以下の中性子は測定量から漏れてしまうため、低エネルギーの中性子のみに感度を持つ^１０Ｂをコーティングした第２のＳｉ半導体ダイオードから構成されるボロンラジエータセンサを用いて、低エネルギーの中性子線量を計測していた。

特公平６－０１６１１２号公報

中性子の測定現場では、安全衛生管理上の観点から、０．５ＭｅＶ～１ＭｅＶのエネルギー領域での中性子測定の要請が強い。しかし、ガンマ線の誤検出を回避するためのポリエチレンラジエータセンサ素子の閾値は、１ＭｅＶより大きく、ボロンラジエータセンサの感度は低エネルギー側から０．５ＭｅＶ～１ＭｅＶにかけて低下する問題があった。０．５ＭｅＶ～１ＭｅＶ近傍の領域で十分な感度が得られる半導体式の中性子検出器が求められる。

本発明者らは、鋭意検討の結果、半導体素子を薄化し、かつ中性子の入射面を従来技術とは逆側に設けることに想到し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、一実施形態によれば、中性子検出器であって、Ｓｉ半導体層と、当該Ｓｉ半導体層の一方の主面に形成された第１電極と、前記Ｓｉ半導体層の他方の主面に形成された第２電極とを備え、前記Ｓｉ半導体層に、前記第２電極に接するＰ型不純物領域と、前記第１電極に接するＮ型不純物領域とが形成された第１の検出素子部と、前記第１電極に対向して設けられるラジエータとを備える。

前記中性子検出器において、前記Ｓｉ半導体層の厚さが、１００μｍ以下であることが好ましい。

前記中性子検出器において、前記第１電極が、ＡｌとＴｉの積層体を含み、Ｔｉが前記Ｓｉ半導体層に接して設けられることが好ましい。

前記中性子検出器が、０．５ＭｅＶ～１ＭｅＶの中性子を検出するために用いられることが好ましい。

前記中性子検出器において、前記ラジエータが、^１０Ｂまたは^６Ｌｉを含有する化合物、および／または水素原子を含有する高分子化合物を含むことが好ましい。

前記中性子検出器において、前記ラジエータが、^１０Ｂまたは^６Ｌｉを含有する化合物を含み、前記ラジエータを介して、前記第１の検出素子部と反対側に、第２の検出素子部をさらに含み、前記ラジエータの第１および第２の主面に、前記第１および第２の検出素子部の第１電極が対向して配置されることが好ましい。

本発明は、また別の実施形態によれば、前述のいずれか１項に記載の中性子検出器を備える個人被ばく線量計に関する。

本発明は、さらにまた別の実施形態によれば、前述のいずれか１項に記載の中性子検出器を備える中性子照射量モニタに関する。

本発明は、さらにまた別の実施形態によれば、前述のいずれか１項に記載の中性子検出器を用いた中性子検出方法であって、前記Ｎ型不純物領域に形成される空乏層に、前記第１電極側から、中性子入射に基づく荷電粒子を入射させる工程と、前記空乏層で発生する電荷を検出する工程とを含む方法に関する。

本発明に係る中性子検出器によれば、ガンマ線の影響をほとんど受けることなく、個人被ばく管理にとって重要な、運動エネルギーが約０．０２５ｅＶ以上程度の熱中性子から、運動エネルギーが約１５ＭｅＶまでの中性子までの範囲を測定することができる。とりわけ、０．５ＭｅＶ～１ＭｅＶの比較的低エネルギーの中性子を高感度で検出することができる。さらにこの中性子検出器を備える中性子線量計、中性子照射量モニタを提供することができる。これらは原子力施設、加速器施設における安全を確保し、航空機および宇宙船の乗員の被ばく管理にも用いることができる。また、医療現場において、線量評価に用いることで、より確度の高い治療を可能にすることができる。

図１は、本発明の一実施形態による反転型中性子検出器の構造を示す概念的な断面図である。 図２は、本発明の一実施形態によるサンドイッチ型中性子検出器の構造を示す概念的な断面図である。 図３は、本発明の一実施形態による個人被ばく線量計の機能ブロック図を示す。 図４は、本発明の一実施形態による中性子照射量モニタの機能ブロック図を示す。 図５は、実施例１および比較例１による中性子検出器を用いて測定したガンマ線のエネルギースペクトルを示す。 図６は、図５に示すエネルギースペクトルに基づいて算出された、中性子検出器の素子部の厚さと、エネルギー閾値との関係を示す。 図７は、実施例２および比較例２による中性子検出器を用いて測定した中性子のエネルギースペクトルを示す。 図８は、従来型の中性子検出器の構造を示す概念的な断面図である。

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。

［１］反転型中性子検出器
本発明は第１実施形態によれば、中性子検出器に関する。図１は、中性子検出器の概念的な断面図である。図１を参照すると、中性子検出器１０は、検出素子部と、ラジエータ８を備える。なお、本実施形態に係る中性子検出器は、従来技術による中性子検出器と比較して、中性子入射面が検出素子部の反対側に位置する。そのため、本明細書において、本実施形態に係る中性子検出器を、「反転型中性子検出器」とも指称する。

検出素子部は、シリコン（Ｓｉ）半導体層２と、当該Ｓｉ半導体層２の一方の主面に形成された第１電極１と、前記Ｓｉ半導体層２の他方の主面に形成された第２電極４とを備える。Ｓｉ半導体層２には、前記第２電極４に接するＰ型不純物領域２ａと、前記第１電極１に接するＮ型不純物領域２ｂとが形成され、第２電極４には、導電性接合材６を介して第３電極７が接続される。第１電極１とにはプラス印加端子Ｓが接続され、第２電極４には、第３電極７を介してマイナス印加端子Ｇが接続される。プラス印加端子Ｓと、マイナス印加端子Ｇには、任意選択的に図示しない電圧印加部が接続される。

第１電極１は、Ｓｉ半導体層２の一方の主面に形成され、検出素子部の一方の主面を構成して、中性子に基づく荷電粒子の入射面として機能する。本明細書において、中性子に基づく荷電粒子とは、中性子に起因してラジエータを構成する化合物における反応で生成する荷電粒子をいい、主として、陽子、アルファ線、トリトンをいうものとする。なお、トリトンは、「^３Ｈ」あるいは「ｔ」と表記する場合がある。中性子はそのまま測定できないため、検出素子部中でこれらの荷電粒子の電荷を検出する。

第１電極１はダイオードの陽極であって、金属電極であってよい。１種類の金属からなる単層構造であってもよく、２種類以上の異なる組成の金属薄層が積層された多層構造であってもよい。１層構造の場合、第１電極１は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銀（Ａｇ）から選択することができ、リーク電流の小さいＴｉが好ましい。第１電極１の厚さは、０．０１μｍ～５．０μｍ程度であってよく、０．０５μｍ～２μｍ程度であることが好ましい。１層構造の電極では、後述する多層構造の電極と比較して、リーク電流が大きくなる場合があるが、リーク電流がノイズとして検出されない場合には１層構造とすることができる。例えば、高エネルギー領域の反跳陽子を検出するための検出素子部には、１層構造の第１電極１を用いることができる。

図１は、２層構造の第１電極１を例示している。このとき、中性子に基づく荷電粒子の入射面がＡｌ電極１ａであり、Ｓｉ半導体層に接する面がＴｉ電極１ｂであることが好ましい。Ｓｉ半導体層にＴｉ電極１ｂが接することで、電気的に良好な接触を保ち、リーク電流を小さくするためである。また、Ａｌ電極１ａによりＴｉ電極１ｂを被覆することで、Ｔｉ電極ｂが空気中で酸化されるのを防止することができる。Ａｌ電極１ａに代えて、もしくはＡｌ電極１ａに加えて、Ａｕ電極を表面電極として用いることもできる。なお、後述する導電性接合材６としてはんだ材を用いる場合には、Ａｕ電極を備えることが必要である。Ａｌ電極１ａの厚さは、０．０１μｍ～５．０μｍであってよく、０．０５μｍ～２μｍ程度であることが好ましい。Ｔｉ電極１ｂの厚さは、０．０１μｍ～５．０μｍであってよく、０．０５μｍ～２μｍ程度であることが好ましい。第１電極が、３層以上の金属電極から構成される場合、各電極の厚さを、上記Ａｌ電極１ａ、Ｔｉ電極１ｂの好ましい厚さと同程度とすることができる。

Ｓｉ半導体層２は、シリコン（Ｓｉ）結晶から構成される半導体層であってよい。例えばチョクラルスキー（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ：Ｃｚ）法で製造した単結晶であってもよく、フローティングゾーン（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｚｏｎｅ：ＦＺ）法で製造した単結晶であってもよく、基板上にエピタキシャル成長させて製造したエピタキシャル薄膜であってもよく、特には限定されない。Ｓｉ半導体層２の厚さは、１００μｍ以下、好ましくは６０μｍ以下とすることができ、４０μｍ程度とすることが好ましい。また、少なくとも１μｍ以上であり、５μｍ以上であることが好ましく、３０μｍ以上であることがさらに好ましい。Ｓｉ半導体層２の主面の形状および寸法は、特には限定されるものではないが、１辺の長さが０．５ｃｍ～３ｃｍ程度の矩形であってよく、例えば、１ｃｍ程度の正方形であってよい。Ｓｉ半導体層２の主面の形状および寸法は、用途によっては、４インチ、５インチ、６インチ、または８インチといったウエハサイズとすることもできる。

第２電極４はダイオードの陰極であって、Ｓｉ半導体層２の他方の主面に接して形成される。第２電極４もまた金属電極であってよく、例えば、Ａｌ電極であってよい。その厚さは、０．１μｍ～５μｍ程度であってよく、０．５μｍ～２μｍ程度であることが好ましい。第２電極４の周囲には、絶縁膜５を設けることができる。絶縁膜５は、ＳｉＯ_２からなるものであってよい。

Ｓｉ半導体層２は、ＰＮ接合を備えるものであればよい。より具体的には、第２電極４に接する領域には、Ｐ型不純物領域２ａを設ける。Ｐ型不純物領域２ａは、不純物として１３族元素、例えばボロン（Ｂ）をドープした層から構成することができる。不純物のドープ量が、１×１０^１６／ｃｍ^３以上のＰ^＋層を構成するＰ型不純物領域であることが好ましく、１×１０^１７／ｃｍ^３～１×１０^１９／ｃｍ^３とすることがさらに好ましい。Ｐ^＋層の厚さは、６μｍ～８μｍとすることができるが、特定の厚さには限定されないＳｉ半導体層２の他の領域は、Ｎ型不純物領域２ｂであってよく、Ｎ型不純物領域２ｂは、不純物として１５族元素、例えばごく低濃度のリン（Ｐ）をドープした層とすることが好ましい。不純物（Ｐ）のドープ量は、例えば、１×１０^１３／ｃｍ^３以下とすることが好ましく、１×１０^１２／ｃｍ^３～５×１０^１２／ｃｍ^３とすることがさらに好ましい。

Ｓｉ半導体層２において、Ｐ型不純物領域２ａに接する領域であるＰＮ接合界面の領域には空乏層（図示せず）が形成される。空乏層は、第１電極１と第２電極４の間に逆方向電圧を印加することにより拡張することができる。中性子検出器１０の稼働時には、空乏層幅を、Ｓｉ半導体層２の厚さ方向の領域全体、すなわち第１電極１近傍にまで拡張して用いることができる。空乏層幅は、印加電圧に依存して増減することができる。詳細な条件は後述する。

第３電極７は第２電極４に導電性接合材６により結合される。導電性接合材６は、Ａｇペースト等の貴金属粒子を含む接合材や、はんだ材を用いることができる。第３電極７もまた金属電極であってよく、金（Ａｕ）めっきを形成した銅（Ｃｕ）、Ａｌであってよい。その厚さは、特には限定されない。なお、図示はしないが、第３電極、導電性接合材が存在せず、第２電極が直接端子に結合される態様であってもよい。第３電極７は検出素子部を支持する基板として存在してもよい。

第１電極１はプラス端子Ｓに接続される。第２電極４は、第３電極７を介してマイナス端子Ｇに接続される。これらの端子間には、中性子検出器１０の稼働時にダイオードの逆方向バイアスを印加可能に構成することができる。しかし、端子間に電圧を印加しなくても空乏層が形成されており、検出は可能である。

図示する中性子検出器１０においては、第１電極１と、第２電極４との間に、好ましくはＰ^＋層と、ｉ層とを備え、Ｎ^＋層は備えていない。しかし、任意選択的に、第１電極１に接して、例えば０．１μｍ～２０μｍ、好ましくは０．５μｍ～３．０μｍ、さらに好ましくは１μｍ～２μｍ程度の薄いＮ^＋層を設けてもよい。Ｎ^＋層の厚さは、検出対象となる荷電粒子の種類によっても異なり、アルファ線検出の目的では、特に、１μｍ～３μｍ程度とすることが好ましい。この場合のＮ^＋層は、アンチモン（Ｓｂ）をドープした領域であってよく、不純物（Ｓｂ）のドープ量は、１×１０^１６／ｃｍ^３～１×１０^１９／ｃｍ^３とすることができる。

検出素子部は、通常のＰｉＮ型もしくはＰＮ型ダイオードの製法により製造することができる。例えば、通常の方法で製造したＳｉ半導体層２に、第２電極４を形成し、Ｎ^＋型領域を薄化し、あるいは必要に応じてＮ^＋型領域を除去し、さらにＳｉ半導体層２を所望の厚さにまで薄化する。薄化したＳｉ半導体層２に、第１電極１を形成する。任意選択的に、第２電極４に導電性接合材６を用いて第３電極７を接合することができる。

ラジエータ８は、検出素子部の第１電極１に対向して設けられる。ラジエータ８は第１電極１に接触していても接触していなくてもよいが、ラジエータ８に入射した中性子に由来する荷電粒子を第１電極１に入射することが可能な位置関係にて設けることができればよい。したがって、ラジエータ８は、例えば、第１電極１の表面に平行に設けることができ、後述する筐体によって支持される態様にて設けることができる。ラジエータ８と第１電極１との距離は、５ｍｍ以内程度とすることができ、例えば、１ｍｍ～２ｍｍ程度とすることができるが、これらには限定されない。

ラジエータ８は、入射する中性子を荷電粒子に変換する物質を用いることができる。入射する中性子を反跳陽子に変換するラジエータとしては、水素原子（Ｈ）を含有する高分子化合物を用いることができ、ポリエチレン、ポリプロピレン等の有機高分子化合物であってよいが、これらには限定されない。反跳陽子を発生させるラジエータの厚さは、例えば、１ｍｍ程度であってよい。入射する中性子をアルファ線およびトリトンに変換するラジエータとしては、ボロン（^１０Ｂ）またはリチウム（^６Ｌｉ）を含有する化合物を用いることができる。このような化合物としては、ＬｉＦ、ＢＮ、Ｂ_４Ｃ等を用いることができるが、これらには限定されない。アルファ線もしくはトリトンを発生させるラジエータの厚さは、例えば、０．０１μｍ～１００μｍであってよく、０．０３μｍ～１０μｍ程度であることが好ましい。

１つの検出素子部に対向して、反跳陽子を発生させるラジエータと、アルファ線およびトリトンを発生させるラジエータの両方を配置することもできる。この場合、例えば、２種のラジエータが重ならない態様にて、好ましくは２種のラジエータが同一平面上に位置する態様にて配置することができる。反跳陽子を発生させるラジエータと、アルファ線およびトリトンを発生させるラジエータの両方を配置することにより、１つの検出素子部に、反跳陽子、アルファ線、およびトリトンを入射させることが可能となり、これら全ての電荷を検出することが可能になる。

中性子検出器は、任意選択的に、第１電極１と第２電極４との間に電圧を印加する電圧印加部を備えていてもよい。電圧印加部は、通常の直流電源を用いることができ、電池などの小型電源を用いることができるが、電源の方式は特には限定されない。

次に、本実施形態による中性子検出器１０の使用方法および作用について説明する。本実施形態による中性子検出器１０は、任意選択的に適切な筐体Ｐ内に収納し、荷電粒子の検出のための検出回路を接続する。

使用時には、中性子検出器１０には逆方向バイアスの電圧を印加し、空乏層を伸長させた状態とすることができる。電圧は、１０Ｖ以下とすることができ、例えば、１Ｖ～８Ｖ、好ましくは１Ｖ～５Ｖ、さらに好ましくは１Ｖ～３Ｖとすることができる。電圧を印加しなくてもＰＮ接合により空乏層が形成されるため、０Ｖであっても実施することができる。また、好適な印加電圧は、Ｓｉ半導体層２の厚さによって異なる場合がある。空乏層幅は印加電圧によって調節することができ、電荷収集率の観点から、第１電極１に接する面まで空乏層化することが有利である。上記の電圧範囲とすることで、Ｓｉ半導体層２をＰ型不純物領域２ａ以外において全空乏化し、電荷収集率を向上させることができる。

中性子が入射すると、中性子ｎによってラジエータ８において生成された反跳陽子、または、アルファ線およびトリトン等の荷電粒子は、ガンマ線から生成された電子等とともにＳｉ半導体層２内に入射する。これにより、荷電粒子と空乏層内のＳｉとが相互作用する。本実施形態に係る検出素子部では、発生した電荷を検出する。このとき、入射する荷電粒子は、Ｓｉとの相互作用により、走行距離にしたがって一定の割合でエネルギーを失っていく。エネルギーが完全に吸収されるまでに走行する距離をＲｐ（飛程）という。Ｒｐは荷電粒子の種類によって異なり、また入射する荷電粒子のエネルギーが大きいほど大きくなる。１ＭｅＶ程度のエネルギーを有する中性子から生成される陽子のＳｉに対するＲｐは、約１５μｍである。したがって、上記の好ましい厚さのＳｉ半導体層２を備える検出素子部における検出感度は、従来の数百μｍの厚さのＳｉ半導体層を備える検出素子と大きく変化しない。一方、１ＭｅＶ程度のエネルギーを有するガンマ線のＳｉに対するＲｐは１０^４μｍ～１０^５μｍ程度である。そのため、検出素子部を薄く構成することで、全エネルギー域で、検出素子部を透過するガンマ線の確率が増加し、高エネルギー側のガンマ線から透過率が１００％に近接していく。このため、検出素子部を上記の好ましい範囲にまで薄く構成することで、より低エネルギー域からの中性子を、ガンマ線の影響なく検出することができる。ガンマ線の影響を低減することで、空乏層外でガンマ線が電荷を発生させた場合に、発生した電荷が空乏層を押し広げるファンネリング効果を防止することができる。

また、本実施形態においては、中性子の入射に基づく荷電粒子である、反跳陽子、アルファ線および／またはトリトンが、第１電極１側から入射する構成とすることで、荷電粒子が直接空乏層に入射することができる。従来の構成では、空乏層にまで届かず、Ｐ型不純物領域に留まった荷電粒子がその場で消失して検出されない場合があった。本実施形態による中性子検出器はＰ型不純物領域の影響を受けることがなく有感領域である空乏層に荷電粒子を入射させ、中性子検出の感度を向上することができる。

［２］サンドイッチ型中性子検出器
本発明は、第２実施形態によれば、ラジエータを介して、少なくとも２つの検出素子部を配置してなり、前記ラジエータの第１および第２の主面に、前記少なくとも２つの検出素子部の第１電極が対向して配置される中性子検出器に関する。本実施形態に係る中性子検出器は、少なくとも２つの検出素子部が、ラジエータを挟み込むように配置される。そのため、本明細書において、本実施形態に係る中性子検出器を、「サンドイッチ型中性子検出器」とも指称する。

図２は本実施形態による、サンドイッチ型中性子検出器を例示する断面図である。図２においては、サンドイッチ型中性子検出器２０は、第１の検出素子部９ａと、第２の検出素子部９ｂが、ラジエータ１１を介して、第１電極１どうしが対向する態様で対照に配置される。第１の検出素子部９ａ、第２の検出素子部９ｂの構成は、第１実施形態の検出素子部と同じであってよい。２つの検出素子部９ａ、９ｂは同一の構成を持つものであることが好ましい。

ラジエータ１１は、中性子をアルファ線とトリトンに変換して、２つの検出素子部９ａ、９ｂの第１電極１に入射させる。ラジエータ１１は、^１０Ｂまたは^６Ｌｉを含有する化合物、例えば、ＬｉＦ、ＢＮ、Ｂ_４Ｃ等から構成された薄板状のラジエータを用いることができる。ラジエータ１１の厚さは、例えば、０．０１μｍ～１００μｍであってよく、０．０３μｍ～１０μｍ程度であることが好ましい。

ラジエータ１１と、第１の検出素子部９ａおよび第２の検出素子部９ｂの第１電極１とは、それらの主面の全てが、略平行になる位置関係にて設置されることが好ましい。また、ラジエータ１１と、２つの検出素子部９ａ、９ｂの各第１電極１とは、接触していてもよく、離間していてもよい。離間する態様の場合、その距離は、５ｍｍ以内程度とすることができ、例えば、１ｍｍ～２ｍｍ程度とすることがさらに好ましい。なお、図２は、本発明を説明するための概念図であり、各部材の寸法および各部材間の距離は、図示のとおりではない。

次に、第２実施形態によるサンドイッチ型中性子検出器２０の使用方法、すなわち、サンドイッチ型中性子検出器２０を用いた中性子の検出方法について説明する。サンドイッチ型中性子検出器２０もまた、適切な筐体Ｐ内に設置される。第１実施形態の中性子検出器と同様に、第１の検出素子部９ａ、第２の検出素子部９ｂに必要に応じて逆方向バイアスを印加して、空乏層を拡張した状態とすることができる。印加電圧の範囲は第１実施形態と同様であってよく、第１の検出素子部９ａへの印加電圧と、第２の検出素子部９ｂへの印加電圧は同じとする。入射した中性子により、ラジエータ１１ではアルファ線およびトリトンが発生する。ラジエータ１１において発生するアルファ線、トリトンは、必ず反対の方向へ飛行するため、１／２の確率で第１の検出素子部９ａ、第２の検出素子部９ｂのいずれかに入射する。入射したこれらの荷電粒子は、第１実施形態において説明したメカニズムにより、各検出素子部で計数され、中性子を定量することが可能になる。

なお、図示するサンドイッチ型中性子検出器２０においては、１枚のラジエータ１１を介して、第１の検出素子部９ａと第２の検出素子部９ｂの２つを対向させた装置を例示したが、１枚のラジエータを介して、３以上の検出素子部を対向させて設けることもできる。すなわち、ラジエータの第１および第２の主面に、それぞれ、１または２以上の検出素子部を設けてもよい。

第２実施形態によるサンドイッチ型中性子検出器２０を用いると、ラジエータ１１を挟んで少なくとも第１および第２の検出素子部９ａ、９ｂを配置することで、いずれの方向に飛行したアルファ線、トリトンも検出素子部９ａ、９ｂに入射させることができる。このため、ラジエータの一方の面のみに検出素子部を設けた態様においては、ラジエータに対し、検出素子部とは反対方向に飛行して、検出素子部に入射することがなかったアルファ線およびトリトンを検出することができる。そして、従来と比較して２倍の感度を得ることができ、第１および第２の検出素子部９ａ、９ｂの信号出力を同時計数（coincidence）することにより、ノイズを低減することができる。第２実施形態によるサンドイッチ型中性子検出器２０は、特に、１ＭｅＶ以下の中性子の測定において有利に用いることができる。

［３］個人被ばく線量計
本発明は、第３実施形態によれば、個人被ばく線量計であって、第１実施形態による反転型中性子検出器または第２実施形態によるサンドイッチ型中性子検出器を備える個人被ばく線量計に関する。より詳細には、個人被ばく線量計は、約４００ｋｅＶ～１５ＭｅＶの高速中性子を検出する第１の検出系と、約０．０２５ｅＶ～１ＭｅＶの熱中性子を検出する第２の検出系とを備える。その中で、少なくとも第２の検出系において、第１実施形態による反転型中性子検出器または第２実施形態によるサンドイッチ型中性子検出器を備えることが好ましい。

図３は本実施形態による、個人被ばく線量計を例示する機能ブロック図である。個人被ばく線量計は、ラジエータ３０を備える反転型の中性子検出器３１と、プリアンプ３４ａと、波形調整アンプ３５ａと、波高弁別器（ディスクリミネータ）３６ａと、カウンタ３７ａから構成される第１の検出系と、ラジエータ３２を備える反転型の中性子検出器３３と、プリアンプ３４ｂと、波形調整アンプ３５ｂと、波高弁別器３６ｂと、カウンタ３７ｂから構成される第２の検出系と、演算装置３８と、表示装置３９とを備える。

第１の検出系において、中性子検出器３１は図１に示す反転型の中性子検出器１０もしくは図８に示す従来型の中性子検出器１１０であってよい。ラジエータ３０は第１実施形態において説明したラジエータであってよい。第１の検出系では、ラジエータ３０の前方より突入した中性子がＨ（ｎ，ｎ’）反応を起こすことによってラジエータ３０から反跳された陽子（プロトン）を中性子検出器３１により検出して応答出力を出すことにより、約１００ｋｅＶ以上の高速中性子にだけ応答することができる。第２の検出系において、中性子検出器３３は第１実施形態による反転型の中性子検出器または第２実施形態によるサンドイッチ型中性子検出器である。

第１の検出系の中性子検出器３１からの出力はプリアンプ３４ａと、波形調整アンプ３５ａを介して波高弁別器３６ａに入力される。波高弁別器３６ａでは、ある一定のディスクリミネートレベル以下の不要成分が除去され、中性子に起因する所望の成分のみ取り出される。取り出された成分は、次いでカウンタ３７ａに入力される。第２の検出系の中性子検出器３３からの出力も同様にプリアンプ３４ｂと、波形調整アンプ３５ｂを介して波高弁別器３６ｂに入力される。そして、波高弁別器３６ｂでディスクリミネートレベル以下の不要成分が除去される。本発明の第１実施形態による反転型かつ薄型の中性子検出器１０を用いることで、ディスクリミネートレベルは、従来技術による１．１ＭｅＶ程度から、０．４ＭｅＶ程度まで低減することができる。すなわち、従来技術と比較して、閾値を大きく下げることができる。しかしながら、ディスクリミネートレベルは波高弁別器３６ｂで設定可能であり、特定の値には限定されない。次いで、中性子に起因する所望の成分が取り出されてカウンタ３７ｂに入力される。演算装置３８ではこれらの出力の特性が、国際放射線防護委員会の与える線量当量換算曲線に近似した特性になるように演算が行われ、表示器３９において直読可能に表示される。これらの電子回路を含めた全計測系は可搬型の筐体（図示せず）内に収納され、個人被ばく線量計を構成する。

本実施形態による個人被ばく線量計は、熱中性子から１５ＭｅＶまでの運動エネルギーを有する中性子までを測定することができる。とりわけ、０．５ＭｅＶ～１ＭｅＶ程度の比較的低エネルギーの中性子を高感度で検出することができるため、有利である。

［４］中性子照射量モニタ
本発明は、第４実施形態によれば、中性子照射量モニタ（fluence monitor）であって、第１実施形態による反転型中性子検出器を備える中性子照射量モニタに関する。より詳細には、中性子照射量モニタは、ホウ素中性子捕捉療法（Boron Neutron Capture Therapy：ＢＮＣＴ）において、主に医療機関内において、人体に照射される中性子ビームの照射量をオンサイトで監視するために用いられる。本実施形態により監視・検出対象となる中性子ビームは、主として熱中性子であり、計数対象となる荷電粒子は主としてアルファ線およびトリトンである。

図４は本実施形態による、中性子照射量モニタを例示する機能ブロック図である。中性子照射量モニタは、ＢＮＣＴ装置４０内部に設けられる中性子検出器４１と、プリアンプ４３と、電源４６に接続された波形処理プロセッサ４４と、演算・表示装置３５とを備える。中性子検出器４１と、プリアンプ４３とは、同軸ケーブル４２により接続し、ＢＮＣＴ装置４０が設置される放射線管理区域とは離間した場所、例えば、ＢＮＣＴ装置４０の遠隔制御室にて、検出結果を計数、演算、表示可能に構成することができる。中性子検出器４１は、第１実施形態による中性子検出器１０を用いることが好ましく、ラジエータとしては、^１０Ｂまたは^６Ｌｉを含有する化合物を用いることができる。

中性子検出器４１は、ＢＮＣＴ装置４０内の中性子ビームが発射される中性子ターゲット（図示せず）近傍に設置され、人体（図示せず）に中性子ｎが照射される際に、散乱する一部の中性子ｎが中性子検出器４１に入射可能に構成される。ＢＮＣＴ装置４０において、人体に照射される中性子量と、散乱する中性子量との相関関係は既知である。このため、散乱する一部の中性子量を測定することで、相関関係に基づく中性子ビームの照射量のモニタリングが可能となる。中性子検出器４１からの出力はプリアンプ４３を介して波形処理プロセッサ４４に入力される。次いで、コンピュータ等であってよい演算・表示装置４５に入力され、検出結果を、リアルタイムで所望の形式で表示可能に構成することができる。

本実施形態による中性子照射量モニタによれば、治療において照射される中性子量をリアルタイムで検知、計測することができるため、治療中の照射中性子量を制御することが可能になる。また、中性子照射量の減少を常時監視することや、中性子発生の異常を早期に検知することが可能となり、ホウ素中性子捕捉療法において、精確な中性子照射量の情報を提供することができる。

以下に、本発明の実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明する。しかし、本発明は、以下の実施例の範囲に限定されるものではない。

［実施例１、比較例１］
図１に示す構造を備える実施例１の中性子検出器を製造した。Ｓｉ半導体層２の厚さは、４０μｍとし、第１電極１として、Ｓｉ半導体層２に接して厚さ０．１μｍのＴｉ薄膜を設け、最表面には厚さ０．５μｍのＡｌ薄膜を設けた。第２電極４としては、厚さ１μｍのＡｌ薄膜を設け、第２電極４の周囲には厚さ１μｍのＳｉＯ_２絶縁膜を設けた。ラジエータは、ポリエチレンを用いた。ガンマ線源として^６０Ｃｏを用いて、ガンマ線検出信号のエネルギースペクトルを得た。印加電圧は３Ｖの逆方向電圧とした。

図８に示す構造を備える比較例１の中性子検出器を製造した。Ｓｉ半導体層１０２の厚さは３８０μｍとし、第２電極１０４を中性子に基づく荷電粒子およびγ線の入射面とした。電極材料の構成は実施例１と同様にした。ガンマ線源、印加電圧は、実施例１と同じ条件とした。

実施例１、比較例１の装置を用いた測定結果を図５に示す。図５から、Ｓｉ半導体層の厚さを３８０μｍから、４０μｍにすると、スペクトル波形が低エネルギー側にシフトすることが確認できた。従来、中性子の検出において、ガンマ線検出信号の影響による誤検出を防ぐために、ガンマ線の影響が少ない高エネルギー領域に閾値を設定して中性子を検出していた。これに対し、４０μｍ程度の薄型の中性子検出器を用いることにより、閾値を低減することができることが確認された。

３０μｍの厚さのＳｉ半導体層を備える中性子検出器についても図５と同様にガンマ線検出信号のエネルギースペクトルを測定した（結果は図示せず）。この結果と図５に基づき、ガンマ線の混入率を５％以下に設定した場合の閾値とＳｉ半導体層厚さの相関性を求めた。結果を図６に示す。図６中の横軸に示す「厚さ」は、図１に示すＳｉ半導体層２の厚さである。図６の相関性より、エネルギー閾値を０．５ＭｅＶ以下にするためには、中性子検出器のＳｉ半導体層の厚さは、６０μｍ以下とすると特に好ましいことが確認できた。

実施例１、比較例１の中性子検出器を用いてエネルギーが５６５ｋｅＶと１２００ｋｅＶの中性子の検出感度を比較したところ、以下の表１に示す結果が得られた。実施例１の中性子検出器を用いることで従来は得られなかった５６５ｋｅＶの熱中性子が測定できるようになった。また、１２００ｋｅＶにおいて、従来より１０倍高い検出感度が得られた。

［実施例２、比較例２］
ラジエータとして、厚さが０．０５μｍのＬｉＦ板を用いた以外は実施例１と同様にして実施例２の中性子検出器を製造した。同様に、ラジエータとして、厚さが０．０５μｍのＬｉＦ板を用いた以外は比較例１と同様にして比較例２の中性子検出器を製造した。

実施例２、比較例２の各中性子検出器に、第１電極と第２電極間に８Ｖの逆方向電圧を印加した状態で、熱中性子を入射し、電荷をカウントした。結果を図７に示す。図７より、実施例２、比較例２の両装置ともに、チャンネル２．４付近に、トリトンのピークが確認できた。図中、チャンネル０．６付近の一点鎖線は、ディスクリミネートレベルを示す。実施例３の装置によりエネルギー分解能が向上し、チャンネル１．４付近にアルファ線の明確なピークが確認できた。

本発明による中性子検出器は、原子力分野、産業分野、並びに医療分野等において用いることができる。より具体的には、原子力、加速器、並びに航空宇宙分野においては、電子式個人線量計に適用することができる。医療分野では、ホウ素中性子捕捉療法において、人体に照射する中性子照射量モニタに適用することができる

１ 第１電極、１ａ Ａｌ電極、１ｂ Ｔｉ電極
２ Ｓｉ半導体層、２ａ Ｐ型不純物領域、２ｂ Ｎ型不純物領域
４ 第２電極、６ 導電性接合材、７ 第３電極、８、１１ ラジエータ
９ａ 第１の検出素子部、９ｂ 第２の検出素子部
ｎ 中性子、Ｐ 筐体、Ｓ、Ｇ 端子、
１０ 反転型中性子検出器
２０ サンドイッチ型中性子検出器

Claims (9)

1. Ｓｉ半導体層と、当該Ｓｉ半導体層の一方の主面に形成された第１電極と、前記Ｓｉ半導体層の他方の主面に形成された第２電極とを備え、前記Ｓｉ半導体層に、前記第２電極に接するＰ型不純物領域と、前記第１電極に接するＮ型不純物領域とが形成された第１の検出素子部と、
   前記第１電極に対向して設けられるラジエータと
   を備える、中性子検出器。
2. 前記Ｓｉ半導体層の厚さが、１００μｍ以下である請求項１に記載の中性子検出器。
3. 前記第１電極が、ＡｌとＴｉの積層体を含み、Ｔｉが前記Ｓｉ半導体層に接して設けられる、請求項１または２に記載の中性子検出器。
4. ０．５ＭｅＶ～１ＭｅＶの中性子を検出するための、請求項１～３のいずれか１項に記載の中性子検出器。
5. 前記ラジエータが、^１０Ｂまたは^６Ｌｉを含有する化合物、および／または水素原子を含有する高分子化合物を含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の中性子検出器。
6. 前記ラジエータが、^１０Ｂまたは^６Ｌｉを含有する化合物を含み、
   前記ラジエータを介して、前記第１の検出素子部と反対側に、第２の検出素子部をさらに含み、
   前記ラジエータの第１および第２の主面に、前記第１および第２の検出素子部の第１電極が対向して配置される、請求項１～５のいずれか１項に記載の中性子検出器。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の中性子検出器を備える個人被ばく線量計。
8. 請求項１～５のいずれか１項に記載の中性子検出器を備える中性子照射量モニタ。
9. 請求項１～６のいずれか１項に記載の中性子検出器を用いた中性子検出方法であって、
   前記Ｎ型不純物領域に形成される空乏層に、前記第１電極側から、中性子入射に基づく荷電粒子を入射させる工程と、
   前記空乏層で発生する電荷を検出する工程と
   を含む、方法。

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