JPH0434829A - 広エネルギー中性子検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は中性子検出器、特に広いエネルギー範囲に渡っ
て中性子の検出を行うことのできる電離箱型の中性子検
出器に関する。

［従来の技術］ 原子力発電所や放射線研究施設、例えば核融合、加速器
、放射光実験施設等においては、低レベルから高レベル
の中性子線が発生しており、生体への放射線管理上は勿
論のこと、原子炉制御や物理現象解明等の科学的見地か
らも信頼性の高い中性子検出が必要とされている。

ときに、この中性子は、周知のように電荷を有しておら
ず、電磁的作用による直接検出は不可能であり、その検
出は専ら他の物質との相互作用を用いている。

すなわち、中性子の検出は、例えば電離箱や比例計数管
で見られるように、中性子が他の原子に衝突・散乱した
際の核反応により生ずる粒子、又は、中性子の弾性散乱
により反跳される粒子を検出することにより行われてい
る。

そして、中性子測定装置は、中性子の検出を行う検出器
からの出力パルスあるいは出力電流を増幅し、更に演算
することにより所定の単位に換算して表示するものであ
る。

ここで、便宜上、中性子のエネルギー区分の目安として
、−設置で用いられている、熱中性子（およそ０．０２
５ｅＶ程度の中性子）、熱外中性子（およそ０．５〜１
０００ｅＶ）、中速中性子（およそ１〜５００ｋｅＶ）
、高速中性子（およそ５００ｋｅＶ以上）の概念を取り
入れる。

ところで、中性子検出上問題となることとして、第１に
中性子のエネルギーにより、中性子が他の物質へ与える
作用が大きく異なるということが挙げられる。すなわち
、例えば、第３図におけるボロンＩＯＢ　（１０は質量
数）、ヘリウム３Ｈｅ等の反応断面積（核反応の起こり
やすさ）に示されているとおり、低いエネルギーの中性
子に対しては非常に核反応が起こりやすいが、一方、高
いエネルギーの中性子に対しては著しく核反応か起こり
にくいのである。従って、中性子を効率よく検出するた
めには、その検出する中性子のエネルギーに適切な物質
を選ぶ必要がある。

また、中性子検出に係る第２の問題として、中性子検出
時のγ線の影響が挙げられ、中性子を正確に検出するた
めには、検出器においてこのγ線に対する配慮が不可欠
である。

第４図には、従来の中性子検出器の例として、補償型電
離箱が示されている。

図中１０．１２．１４はそれぞれ電極板であり、互いに
等間隔で対向配置されている。そして、電極板１２を基
準電位として、電極板１０には電源１６により正の高電
圧が印加され、また電極板１４には電源１８により負の
高電圧が印加されている。従って、極板間Ａ及びＢには
、電位に比例した電場が生じている。

電極板１２の電極１０側対向面２０、及び電極板１０の
電極板１２側対向面２２には、それぞれボロンＩＯＢ層
が設けられている。

以下にこの電離箱の動作を説明する。

熱中性子がこの電離箱に入射すると、電極板１０及び１
２に設けられているボロンＩＯＢ層にて、”Ｂ　（ｎ、
　α）、　　’Ｌｉ反応が生じ、α線が発生する。

そして、生じたα線は極板間Ａに存在する気体原子を電
離し、エネルギーを費やす。この電離により生じたイオ
ン及び電子は、極板間Ａの電場によりクーロン力を受け
、それぞれ各電極板に引き寄せられ、その結果電流を生
じさせる。

一方、γ線がこの電離箱に入射した場合は、周知のよう
に、γ線は気体原子に作用して光電子。

コンプトン電子を発生させ、あるいは電子対生成により
電子を発生させることができ、またγ線に対して＋０３
３が核反応しないため、極板間Ａ及びＢに存在する気体
の双方にγ線に応じた電離が生じる。そして、このγ線
により生じたイオン及び電子は、前記同様に極板間の電
場によりクーロン力を受け、各電極板に引き寄せられて
電流を生しさせる。

従って、中性子及びγ線が同時にこの電離箱に入射した
場合は、それぞれの作用により電離が生じ、更に電流が
生じるが、この電離箱においては、２つの極板間Ａ、Ｂ
に異なる極性の電圧が印加されており、また電極板１２
にてその各電流が混合されていると共に、γ線により画
電極板間に生じる電流がほぼ等量となる状態にしである
ので、結果としてγ線による各電流は相殺され、中性子
により生じた電流のみとなり検出される。つまり、電極
板１２においては、中性子及びγ線により生じた正の電
荷がγ線のみにより生じた負の電荷により打ち消され、
γ線の寄与が除去されているのである。なお、図におい
て２４は電位計であり、電極板１２の電位を計ることに
より中性子線密度や中性子線束を測定可能としている。

従って、この補償型電離箱により、中性子とγ線が混在
した場においても、中性子のみを検出できる。

また、その他の中性子検出器としては、ｌ０ＢＦ３計数
管が挙げられる。

このｌ０１３Ｆ３計数管は、管内部にｌ０ＢＦ３ガスを
封入、又は、管内壁にＩＯＢを塗布した比例計数管で、
一般に電極間に電離箱より高い電圧を印加し、中性子が
ここに入射したときに、いわゆるガス増幅作用により大
きな電圧パルスを得るものである。すなわち、中性子が
入射され（ｎ、　　α）反応により生ずるα線が管内部
の気体に電離を生じさせ、これにより発生する電子が、
高い電場の作用により電極へ加速される間にその途中の
気体原子に更に電離を生じさせ、この過程が繰り返され
て大きな電圧パルスを得られるものである。

そして、管の外側を中性子減速材、例えば水、パラフィ
ン、ポリエチレン等で囲み、高速中性子を熱中性子に減
速して検出を行う計数管や、更に数層に渡り減速層を設
け、熱中性子から高速中性子まで同一計数管で検出可能
としたいわゆるロングカウンタも知られている（例えば
Ａ、Ｏ，Ｈａｎｓｏｎａｎｄ　Ｊ、Ｌ、　ＭｃＫｉｂｂ
ｅｎ、Ｐｈｙｓ、Ｒｅｖ、、７２：８７３（１９４７）
参照）。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来の電離箱や比例計数管において
は、検出できる中性子のエネルギー範囲が狭いという問
題を有していた。

すなわち、検出器で用いられる検出用物質は、その物質
の性質に依存して、特定範囲内におけるエネルギーの中
性子と反応し、その他の範囲においては、その核反応の
確率が著しく小さいのである。

従って、例えば＋０１３を用いた従来の検出器において
は、検出できる中性子は、はとんど熱中性子に限られ、
中速中性子や高速中性子を検出する場合には、中性子減
速層を用い、エネルギーを小さくして検出を行っていた
。しかるに、広い範囲のエネルギーに渡る中性子を検出
する検出器が要望されていた。

また、広いエネルギー範囲の中性子を検出できるロング
カウンタにおいては、中性子減速層か多数層から成り、
検出器が大型化し、かつ構造が複雑であり、これにより
製作困難という問題を有していた。

発明の目的 本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、
その目的は、簡易な構成で広いエネルギー範囲の中性子
をγ線の影響を受けずに実時間で測定する電離箱型の広
エネルギー中性子検出器を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成させるために、本発明に係る広エネルギ
ー中性子検出器は、電離箱型の中性子検出器において、
主に熱中性子に反応して電離を生じる第１気体と、主に
熱外中性子及び中速中性子に反応して電離を生じる第２
気体とを電離箱内に封入したことを特徴とする。

また、本発明に係る広エネルギー中性子検出器は、検出
用電離箱の内壁に主に高速中性子に反応して電離箱内の
気体に電離を生じさせる粒子を発生する高速中性子反応
層を設けたことを特徴とする。

また、本発明に係る広エネルギー中性子検出器は、検出
用電離箱に隣接してγ線の補償用電離箱を設けたことを
特徴とする。

［作用］ 上記構成によれば、検出用電離箱に封入された第１気体
で熱中性子と反応を生じさせ、これにより生成される粒
子が電離作用をなし、この電離により生ずるイオン及び
電子を検知することにより熱中性子を検出てきる。また
、第２気体で熱外中性子及び中速中性子と反応を生じさ
せることにより、前記第１気体同様に熱外中性子及び中
速中性子を検出できる。また、この第１気体及び第２気
体の混合比率を所定値とすることにより、検出感度の一
定化を図ることができる。

更に、高速中性子反応層にて、高速中性子が核反応し、
これにより生じる粒子が気体原子を電離させることによ
り、高速中性子を検出できる。

また、検出用電離箱に隣接して、γ線の補償用電離箱を
設けることにより、この補償用電離箱でγ線を検出し、
検出用電離箱の出力（電離電流、電離パルス）からγ線
の寄与を除去できる。

すなわち、検出用電離箱と補償用電離箱の印加電圧が逆
極性の場合には、両者の出力の和を求めることにより、
また同極性の場合には、両者の出力を個々に測定し、両
者の差を求めることにより、中性子検出に係るγ線の影
響分を排除できる。

［実施例］ 以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例を説明する
。

第１図には、本発明に係る広エネルギー中性子検出器に
おけるγ線補償型電離箱が示されている。

この電離箱は、円筒形の中性子検出用電離箱２６と、同
じく円筒形のγ線補償用電離箱２８が絶縁体３０を介し
、一体形成されたものであり、中性子検出に係るγ線の
寄与を除去し、高感度で中性子検出を行うものである。

そして、この電離箱は、広いエネルギー範囲に渡って中
性子検出を行うため、中性子検出用電離箱２６の容器３
２内に熱中性子反応気体、本実施例ではＩＯＢ　ｐ３ガ
スが、封入され、更に、容器３２内に熱外中性子及び中
速中性子に対して反応する反応気体、本実施例では３Ｈ
ｅガスが、封入されている。加えて、容器内側壁には、
高速中性子の検出を行うため、高速中性子反応層１００
が設けられている。この中性子検出物質及びその作用に
ついては後述する。

また、本実施例においては、この中性子検出用電離箱２
６とγ線補償用電離箱２８は、同一のものが用いられて
おり（高速中性子反応層１００は電離箱２６のみ配置）
、以下、中性子検出用電離箱２６の構成を説明し、γ線
補償用電離箱２８の説明は省略する。なお、図において
両電離箱は、その円筒中心軸を含む垂直断面が示されて
いる。

電離箱２６の容器３２は、金属導体から成り、この容器
３２と、電離箱２６の下部に設けられた電極部３４とに
より、電離箱内部の気密空間が形成されている。そして
、この容器３２の円筒中心軸上には、電子又はイオンを
捕集する集電極３６が配置され、この集電極３６は電極
部３４に設けられた第１絶縁リング３８を介して支持固
定されている。また、第１絶縁リング３８の外側には、
ガードリング４０が設けられ、更にこのガードリング４
０と容器３２との間には第２絶縁リング４２が設けられ
、これらは互いに一体形成され容器の下部壁を形成して
いる。

ここで、周知のようにガードリング４０は、アースに接
続されることにより、容器３２から絶縁リングを介して
集電極３６へ洩れ電流が生じるのを防いでいる。すなわ
ち、このガードリング４０がゼロ電位になることにより
、第１絶縁リング３８内に電場が生じるのを防止し、こ
れにより電荷の移動を禁止し、集電極３６に生じる電子
又はイオンによる電離電流や電離パルスの検出を保証し
ている。

集電極３６の下端には、電極部３４に配置された同軸型
のコネクタ４４の中心電極が接続され、集電極３６の電
流はこのコネクタ４４の中心電極を介し外部測定器に出
力される。また、ガードリング４０は、このコネクタ４
４の外部導体に導電部材４６．４８を介し接続されてい
る。なお、図中５０は絶縁部材である。

容器３２の外側壁には、高電圧印加用の電極５２が設け
られており、この電極５２と集電極３６との間に電圧を
印加することにより、容器３２内部に電場を生じさせる
ことができる。

以上、本実施例における中性子検出用電離箱２６の主要
構成は、上記部材から成り、また前述したようにγ線補
償用電離箱２８の構成も、高速中性子反応層１００と封
入気体を除き、これと同一である。

以下、中性子検出物質について説明する。

前述したように、本実施例においては、熱中性子検出用
ガスとしてｌ０ＢＦ３ガス、熱外中性子及び中速中性子
検出用ガスとして３Ｈｅガスが用いられている。そして
、これらは混合ガス２００として、検出用電離箱２６に
封入されている。

周知のように、＋ｏＢは（ｎ、　　α）反応を生じ、特
に、この反応は主として熱中性子の検出に有効である。

そして、　３Ｈｅは（ｎ、ｐ）反応を生じ、この反応は
、熱中性子から中速中性子までの中性子に起因し、特に
、大きな反応断面積を有し、加えて発生する陽子のエネ
ルギーが比較的に大きいことから、中速領域までを含む
中性子の検出が可能である。

この他に、熱外中性子及び中速中性子を検出するガスと
しては、１４Ｎ、”Ｃｌ！、Ｃ２Ｈ，１等が挙げられ、
更にＣＨ４，Ｈ２等による陽子反跳を用いて熱外中性子
及び中速中性子を検出してもよい。

従って、この２つのガスを適宜に混合することにより、
熱中性子から中速中性子までを同−電離箱にて検出可能
である。

なお、本実施例においては、１０８Ｆ３ガスを１％、３
Ｈｅガスを１０％の割合で、安定気体（Ａｒ）に混合し
ている。ここで、安定気体はＡｒに限られず、例えば空
気、Ｎ２など、中性子に対して安定な気体であればよい
。

次に、高速中性子反応層１００について述べる。

上述したように、熱中性子反応気体及び熱外中性子及び
中速中性子反応気体を電離箱内に封入することにより、
従来の電離箱では困難とされていた広範囲に渡るエネル
ギーの中性子を、減速層を設けずに、検出できるのであ
るが、一方、高速中性子に対しては、検出感度が良好で
ない。

そこで、本発明に係る中性子検出器は、高速中性子反応
層１００が設けられている。

この高速中性子反応層１００は、所定値以上のエネルギ
ーの中性子に対して反応を生じる物質より構成され、本
実施例では、Ａ１を用いている。

ちなみに、この２７Ａ１は、１〜３ＭｅＶの中性子に対
して有効に反応して陽子を放出する。

従って、この陽子線で電離箱内の気体原子を電離させれ
ば、間接的に高速中性子検出が行なえる。

そして、上記の他に高速中性子反応層１００に用いるこ
とができるものとしては　６６Ｆｅ、　３２５等が挙げ
られる。また、これらを混合して用いてもよい。

以上述べたように、第１気体及び第２気体、加えて高速
中性子反応層１００の作用により、熱中性子から高速中
性子までを検出可能であり、更にこれらの物質の分量を
適切に設定すれば、中性子検出におけるエネルギー依存
性を小さくできる。

なお、本実施例では、高速中性子反応層１００を容器３
２の内側壁のみに設け、感度の調節を図っているが、適
宜変更してもよい。

また、本発明に係る電離箱においては、中性子検出用気
体２００及びγ線補償用電離箱内の気体（Ａｒ）３００
を加圧封入しており、実施例では、約８気圧にしている
。

これにより中性子に対しての反応効率や吸収効率を大気
圧に比べ向上させることができ、検出感度を高めること
ができる。

ここで、実施例では、γ線補償用ガス３００として、Ａ
ｒを用いたが、これに限られず、空気、＋１１３）’３
ガスと’Ｈｅガスの混合ガス等を用いてもよく、中性子
には不感でγ線に感応しかつ中性子検出用の気体に近似
した特性の気体が好適である。

次に、この電離箱の動作を第２図に基づき説明する。

第２図には、上記電離箱を用いた本発明に係る広エネル
ギー中性子検出器の全体構成が示されている。

中性子検出用の容器３２には、電源Ｖ１により負の高電
圧が印加されており、本実施例では一５００Ｖが印加さ
れている。また、γ線補償用容器５４には、電源Ｖ２よ
り正の高電圧が印加されており、本実施例では＋５００
Ｖが印加されている。

従って、各容器３２．５４の内部には、電場か生じてお
り、前述したように原子が電離した際には、イオンは負
電極へ引き寄せられ、電子は正電極にて補集される。

そして、集電極３６にて生じた電流、及び集電極５６に
て生じた電流は、混合されて振・動容量増幅器５８に入
力される。なお、本実施例においては、この２つの電流
混合によりγ線の寄与を除去しているが他の方法、例え
ば容器３２及び容器５４の双方に負の電圧を印加し、集
電極３６の出力電流と集電極５６の出力電流との差をと
り、中性子による電流のみを求めてもよい。

前記振動容量増幅器５８は、周知のように、直流電流を
交流に変換して、交流増幅を行い、再び直流に整流して
、負帰還させるとともに、電圧出力として取り出すもの
であり、微少電流の測定に適している。

しかるに、この振動容量増幅器５８の出力を他の計数器
や演算器に入力させることにより中性子の高精度測定を
行うことができる。また、本実施例においては電離箱か
らの電流出力、すなわち電離電流の平均を測定している
ため、比例計数管で見られるようなパイルアップの問題
も生じず、高密度中性子線を正確にモニタできる。

なお、本実施例においては、中性子検出を平均電流を求
めることにより行ったが、これに限られるものではなく
、電圧パルスを測定、あるいは積算的に電流を測定して
もよい。

また、本実施例における電離箱は、円筒形のものを用い
たが、当然これに限られるものではなく、直方体や円板
状の電離箱であってもよい。

加えて、電離箱の外側を中性子阻止部材、例えばホウ素
含有ポリエチレン層で囲み、更にその一部に窓を設ける
ことにより、電離箱に指向性を持たせることもできる。

更に、電離箱内にグリッド電極を設けて、イオンの動き
を抑制し、電子の補集効率を高めても好適である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明に係る広エネルギー中性子
検出器によれば、従来電離箱の難点とされていた検出範
囲の狭さを解消できる。

すなわち、第１気体と第２気体を封入することにより、
同時に熱中性子から中速中性子までを検出でき、加えて
、高速中性子反応層を設けることにより、広範なエネル
ギー範囲を検出できる。

そして、この検出器は、中性子束を測定する場合に、特
に有効な検出器であり、エネルギーによらず、中性子の
束（Ｆｌｕｘ）を安定かつ実時間で求めることができる
。

また、γ線補償用電離箱を備えることにより、中性子線
に伴う多量のγ線に対しても影響を除去でき、より検出
精度を向上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る広エネルギー中性子検出器にお
ける電離箱を示す断面図、 第２図は、本発明に係る広エネルギー中性子検出器の全
体構成を示す概略図、 第３図は、中性子のエネルギーと反応断面積との関係を
示すグラフ、 第４図は、従来例に係る補償型電離箱の概略図である。 ２８　・・・　γ線補償用電離箱 ３６．５６　　・・・　集電極 １００　・・・　高速中性子反応層

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）中性子反応気体が内部に封入された検出用電離箱
   を備え、前記中性子反応気体の電離により中性子検出を
   行う中性子検出器において、 前記中性子反応気体は、 主に熱中性子に反応して電離を生じる第１気体と、主に
   熱外中性子及び中速中性子に反応して電離を生じる第２
   気体と、を含み、 第１気体及び第２気体にて熱中性子から中速中性子まで
   を検出することを特徴とする広エネルギー中性子検出器
   。
2. （２）請求項（１）記載の広エネルギー中性子検出器に
   おいて、 前記検出用電離箱の内壁には主に高速中性子に反応して
   電離箱内の気体に電離を生じさせる粒子を発生する高速
   中性子反応層が設けられ、 熱中性子から高速中性子までを検出することを特徴とす
   る広エネルギー中性子検出器。
3. （３）請求項（１）記載の広エネルギー中性子検出器に
   おいて、 前記検出用電離箱に隣接してγ線の補償用電離箱が設け
   られ、 この補償用電離箱には、中性子に反応せずγ線に感応し
   て電離を生じる気体が封入され、 前記検出用電離箱の出力と前記補償用電離箱の出力に基
   づきγ線の寄与を除去し中性子検出を行うことを特徴と
   する広エネルギー中性子検出器。