JPS60155991A - 中性子又はガンマ線又はその双方の検出系 - 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〕 この発明は、大きな受容面に入射した放射線がシンチレ
ータから光量子を放出させ、この光量子が光ファイバに
光結合される中性子とγ線のいずれか一方又はその双方
に対する検出系に関する。

この発明は特に回転橿室用のものを対象として考えてい
る。

〔従来の技術と問題点〕

中性子検出の実施は人員堰塞における核物質監視の補助
手段である。持出し側において中性子遮蔽を行なうこと
はγ検出の場合よりもはるかに困難であるから、材料対
照領域からの不法な核物質搬出を発見する確率はこの補
助手段によって高められる。

ＺｎＳ　（Ａｇ）は検出目的に使用できる最強力のシン
チレーション物質の一つである。しかし効果的な検出器
の構成には発生した光の、坤“集と光電増倍管（ＰＴＭ
）への伝達を最良にすることが条件となる。従来次のよ
うな光収集構造が採用されている。文献（１）（別表参
照）によるＰＴＭ入射窓では検出盤が直接ＰＴＭにとり
つけられ、光伝送路を短くして損失を少くする。この構
造の欠点は使用される光電増倍管の入射窓の直径に限定
されることである。文献（２）Ｋよる構造はシンチレー
タ内に組み込まれた光伝導板の有効光結合面を５倍に拡
げるが、この構造でも小型のユニットでは回転堰塞に設
けた場合捕捉立体角が不さ過ぎる。

従来の等方性光伝送路は次の欠点を持つ。

（１）光密度が高いシンチレータに直接光結合する場合
散乱損失が生ず机 （２）減衰による損失が大きい。

（３）光フアイバ断面（光放出面）と集光面の面積比が
不利である。

大形のシンチレータ結晶の光放出効率は屈折率に関係し
て５乃至１１％程度である。

光学的に希薄な（屈折率小）媒質である空気に境を接す
る等方性光伝送路の結合効率と伝送効率に関する上記の
値は大面積のシンチレータに適した光学系は次の要求を
満たしていなければならないことを示している。

（１）境界面においての散乱損失を避けるため光源と光
伝送路の間はシンチレータ（ｎ　ｚ　１．５　）よりも
屈折率が低い中間層をはさんで隔離しなければならない
。

（２）光電増倍管までの伝送距離を乗り越えるため充分
な強度の光を光結合すること。

光ファイバ端面を通しての光結合方式は検出器に使用す
る場合必要な光路の反転に際して文献（３）の残光増幅
器の大画面スクリーンの構成に利用されている。この場
合の欠点はファイバ材料に対する高度の要求と光の放出
面に対する入射面の比の達成可能な低減率が低いことで
ある。これらの欠点により従来使用されていなかった光
結合方式が考えられるようになった。

〔発明の目的〕

この発明の基本的な目的は、冒頭に挙げた大面積検出系
を核物理の分野でも有効なシンチレーション物質の使用
も、又検出系への光の伝達に有効なファイバの使用をも
可能にするように構成することである。

〔発明の要旨〕

この目的は特許請求の範囲第１項に特徴として挙げた構
造とすることによって達成される。この発明の有利な実
施態様は特許請求の範囲第２項以下に示されている。

この発明による検出系には光の収集機能と伝送機能が分
離して作用する異方性光伝送系を使用すると特に有利で
ある。これによって空間的に拡がった検出系において光
の吸収による損失が著しく低下する。光導体の表面を通
して入射した光強度は光導体端に結合されたオプトエレ
クロニク増幅器にほとんど減衰されることなく到着する
。

ファイバクラッドを通す光結合作用は、ファイバコア内
に励起可能の固有振動波の位相速度と偏光方向の同期化
に基くものである。

円筒対称ファイバを使用する場合電磁波の形状に基いて
ファイバクラッドを通しての光結合を可能にする特性が
生ずることは実験的に確められている。ファイバコアの
半径又はファイバの直径の上昇に伴って増大するモード
容積（可能な固有振動の個数）はファイバクラッド内の
両波の同期化確率を高める。この事実は時間空間的に確
率現象的の位相変化が起る非コヒーレント光の結合に対
して重大な意味を持つ。

円筒対称ファイバのそれ自体として公知であるこのよう
な特性は従来次の場合に限定されていた。

ａ）光学的トンネル効果を利用するときは別の境界条件
に導く平面形異方性薄膜光ファイバを使用する場合 ｂ）コヒーレント光源（レーザー光源）を結合する場合
。

しかしこれらは技術的に利用されるものではなく、特に
光学異方性光ファイバが中性子検出に使用されたことは
ない。

〔発明の実施例〕

次に第１図乃至第４図を参照して理論と実験結果によっ
てこの発明を更に詳細に説明する。

プリズム形の基体５　（ＺｎＳ　（Ａｇ）／Ｂマトリッ
クス）の光受容面２を通して光結合されているファイバ
検出器１の動作原理を第１図に示す。中性子束３により
基体５のシンチレーション物質から閃光４が放出される
。この閃光は平行に並べられ多重層状に重ねられたファ
イバ６によって捕捉される。各ファイバ６は基板の両端
面においてファイバ束７に會とめられ、その一方は光電
増倍管８に導かれる。

次にファイバ６０種々の断面半径においてシンチレータ
５内に埋め込まれた光捕集面と光放出面との面積比と照
射光強度の間の関係を説明する。

光結合個所（屈折率ｎｌ　、　＋１２の境界面）におい
て達成可能の照射光強度は各ファイバの半径Ｒで決定さ
れる光捕集面への光放出面に対する面積比に対応する。

ファイバ半径孔の低下に伴ってファイバのクラッド表面
積はＲに比例して減少し、ファイバ端面積はＲ２に比例
して減少する。シンチレータ内の光捕集面積を一定に保
持するためには、ファイバの直径の低下と共にファイバ
の本数を増す必要がある。ファイバ束の端面積もファイ
バ半径孔の自乗に比例して低下するから、１本のファイ
バ６を追加したときの光結合表面の増大は次式％式％ 埋め込まれたマントル表面積が大きくなると各シンチレ
ータ光源と近接光フアイバ表面との間の間隔が減少し、
光ファイバ６に結合される光の強度が増大する。

次表に一般的なファイバ直径に対して種々の境界条件の
下での光源・結合個所間の距離を示す。

１５００　１１００　Ｒ３４００ １０５０２２７０１２，０３１５ ５００１００００２５，１１５０ １００２５００００１２Ｇ、０　、　３０７０　５１０
２００　１８０．０　２１３ＣＩ　２７７７７８０　４
２０．０　９１０　２５００００００　１２５’ＺＯ３
これから１５００μフアイバと７０μフアイバとの間で
光結合個所（屈折率ｎ１とＲ２の境界面）においての照
射光強度比は１／８６３となる。

上記の説明から光フアイバ検出器の構成に対しては次の
事項が重要であることが示唆される。

−ファイバ・クラッドを通しての光結合のメカニズム −ファイバに入射した光に対する伝送特性異方性光ファ
イバは屈折率ｎ１のコアと屈折率ｎ２のクラッドから構
成される。光波の伝送に際して電磁場エネルギーは主と
して高い屈折率ｎ１の物質内に偏在する（文献（４））
。

低屈折率媒質との境界面における全反射の条件は幾何光
学のスネルの法則から導かれる（文献（５））。

詳細な理論に立入ることなく主要な結論だけを次に挙げ
る。

げ）光の伝送は低屈折率ｎ２の層における全反射の原理
に基く。有限の光フアイバ直径に対して光の波長λ、開
口数ＮＡおよびファイバコア直径ａに関係してファイバ
内の伝搬条件が具体的にめられる。

（ロ）幾何光学からの推断に反して全反射の場合禁止側
の低屈折率媒質にもエネルギーが移る。その際波動ペル
トルｋｏはｎｌ・０２　間の境界層に平行に０２　層内
を進む。周囲の媒質への放射損失によるファイバコアの
光損失はファイバクラッドの厚さＳの部分（トンネル領
域）によって決定される。波長λが０５μｍ付近の可視
光に対する多モード・ファイバでは一般に厚さＳはほぼ
波長の７乃至１０倍である。

これによって生ずるらせん状の光伝搬はｎ２媒質のトン
ネル領域内のジンクロン表面波と外部シンチレータ光と
の結合を補助の光カブラ例えばプリズムを使用すること
なく可能にする。シンチレータＬＱｎから放出された光
は円錐状に拡がり、ｎｌ・ｎ２間の境界面に接触する。

入射角γＶと０７′の選定に対応して位相速度と偏光方
向に関する同期化条件が一致する場合、共振により固有
振動に属する表面波を通してファイバ内にＶ番目の電磁
固有振動が起る。湾曲した光学境界面の形状効果を利用
する光結合は実地において次の利点を示す。

（１）低屈折率フィルムへの光結合に使用される補助の
結合系例えばプリズム・カプラが不要となる。

（２）光結合のメカニズムは結合光路の優先選択に関し
て不均等である。その結果入射した光エネルギーは長い
伝送区間に亘ってファイバ内にとどまる。

（３）　ファイバの全長が結合領域として利用される。

入射した光エネルギーの中ファイバの品質に関係して約
１０％は結合損失と吸収損失によって失われる。

検出器の構想の適否を調べるため第２図に断面を示した
堰塞検出器を組立てた。矩形容器９は蓋板１０と底板１
１から成り、これらは互にねじ止めされ、周縁に沿って
置かれたバッキング１２により基板５を収容する室１３
が外周に対して気密閉鎖される。光ファイバ束７（第１
図）、は多くの場合対角線上に配置された管１４．１５
を通して引き出され、そこに固定される。

有効な検出面の大きさは９００　ｃｔ！であり、直径１
５００μｍのファイバが単層配置をもってＺｎ５（Ａ’
ｇ）−ホウ酸・マトリックス内に埋め込まれる。断面積
の大きいファイバの使用は光学的の見地からは不利であ
るが、加工技術上では有利である。太いファイバを使用
して充分な光結合効率を達成するためファイバのクラッ
ド表面を粗面にした。表面に作られた散乱中心は平面光
ファイバに使用された格子カプラと類似の作用がある。

ｎｌ・ｎ２境界面に垂直に入射するシンチレータ光が表
面波との結合に同期化された入射方向に散乱することに
より、結合光の強度を平滑なファイバ表面の場合に比べ
て約２０倍に高めることができる。

γ感度の測定は次の境界条件の下で行なわれた。

最適パラメーターを文献（７）に記載されている仕様と
試行によって調整する。使用された増幅電子部品（Ｐｈ
ｉｌｉｐｓ社ＸＰ２２３０光電増倍管）はγ検出用のＩ
ＲＴ液体シンチレータ装置のそれと同一である。

選別器しきい値Ｕｕと窓幅ＩＪｙは種々のγエネルギー
において測定され゛たＳＮ比Ｓ５／Ｂを使用して決める
。測定されたエネルギー値範囲はＡｍ−２４１（Ｕｕ”
０．ＩＶにおいてＥ＝６０　ｋｅＶ）からＢａ−１３３
（Ｅ＝３６０　ｋｅＶ）を経てＣｏ−６０（Ｅン１１７
０　ｋｅｙ）に達する。

選別器の設定は測定結果としてＵｕ＝０．ＩＶ。

Ｕｗ＝３．ＯＶＫ固定された。

線源から検出器板の中心までの距離の種々の値において
められたＳＮ比は第３図に示されている。更に誤嘗報率
を０．０１％として検出確率９５％に対応してＳ２／／
Ｂ−５，６５０”であることも記入されている。設定さ
れた４σ警報しきい値は電子装置の安定度の変動を考慮
したものである。検出確率９５％は書報しきい値より１
．６５０だけ高い正味信号５＝Ｇ−Ｂに対応し８％る。

要求されたＳＮ比は絶対ｍ数し−）Ｂに無関係に Ｓ２’Ｂ　＝　（５，６５婦）”／Ｂ＝３２となる。Ｓ
２／Ｂは増幅パラメータの調整にはほとんど無関係な検
出器良否判定基準となる。

第３図の測定値は検出板中心位置を（ｘ、ｙ）＝　（５
，５）としてそこから種々の距離においてめたものであ
る。

第４図には２を一定として光電増倍管までの距離に対す
るＳＮ比Ｓ２／Ｂの値を示す。ｙ＝ｌは最短距離３０ｃ
ｍに対応し、ｙ−９は約ＱＯｃｍの距離に対応する。

測定結果は異方性光ファイバが大きな直径のファイバを
使用する場合にも光の収集ならびに伝送媒質として機能
することを保証している。

中性子とガンマ線に対して予期される信号強度の差異に
基く言１数レート効率の差異からＺ　ｎ　８　（Ａｇ）
−ホウ酸検出器が同時にγ検出に使用され、その際信号
の分離は異るエネルギーしきい値の設定により達成され
るとの推定が可能である。

−■里文監 Ｎｕｃｌｅｏｎｉｓ　（Ｊｕｌｙ　１９５６）＋２１　
Ｗ、　８．　ＥｍｍｅｒｉｃｈＰｌｅｎｕｍ　Ｐｒｅｓ
ｓ、’Ｌｏｎｄｏｎ、　Ｎ、　Ｙ、　１９７３（５）　
Ｗ、　Ｐｏｈｌ Ｓｐｒｉｎｇｅｒ、　Ｂｅｒｌｉｎ　１９８３

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の対象となる光ファイノぐ検出器の概
観図、第２図はこの発明による堰塞検出器の断面図、第
３図と第４図は種々の放射線エネルギーにおいて放射線
源・検出面間の距離と８Ｎ比の関係を示すグラフである
。第１図において１：ファイバ検出器、３：中性子束、
４：シンチレータ閃光、５：シンチレーション物質基板
、６：光ファイバ、８：光電増倍管。 手続補正書（方式） 昭和６０年２月２８日 １、事件の表示 事件との関係　特許出願人 住　所　ドイツ連邦共和国カールスルーＩＣ番地なし）
名称　ケルン７オルシュングスツエントルム、カールス
ルーエ、ゲゼルシャフト、ミツト、ベシュレンクテル、
ハフラング４、代理人〒１１２ 住　所　東京都文京区大塚４−１６−１２σ１用文献 （１）　サン、マルムバークおよびベチャック著「シン
チレーション　カウンタース」 （Ｋ、　Ｈ，Ｓｕｎ、　Ｐ、　Ｒ，Ｍａ　Ｉｍｂｅｒｇ
、、　Ｆ、んＰｅｃｊａｋＳｃｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎ
　ＣｏｕｎｔｅｒｓＮｕｃｌｅｏｎｉｓ（Ｊｕｌｙ　１
９５６））（２１エマーリッチ著ｒ７７アース）　ニュ
ートロンシンチレータ」 （Ｗ、　Ｓ、　ＦｊＴｌＩＴＩｅｒｉｃｈＡ　Ｆａｓｔ
　Ｎｅｕｔｒｏｎ　５ｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒＲｅｖ、
５ｃｉｅｎ、Ｉｎ５ｔ、、Ｖｏｌ、２５．Ｎｏ、１．Ｊ
ａｎ。 １９５４〕 （３）アラン著［ファイバ　オブチクス、セオリー　ア
ンド　プラクチス］ （Ｆｉｂｒｅ　０ｐｔｉｃｓ、Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　
ＰｒａｃｔｉｃｅＰｌｅｎｕｍ　Ｐｒｅｓｓ、　Ｌｏｎ
ｄｏｎ、　Ｎ、　Ｙ、　１９７３　）（４）カバニおよ
びパーク著「ファイバ　オブチクス■、ウエイブガイド
エフエクツ」 （Ｎ、　Ｓ、　Ｋａｐａｎｙ、　Ｊ、　Ｊ、　Ｂｕｒｋ
ｅＦｉｂｅｒ　０ｐｔｉｃｓ　■、Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ
　ＥｆｆｅｃｔｓＪ、　Ａｍ、、Ｏｐｔ、　Ｓｏｃ、　
Ｖｏｌ、　５１．　Ｎｏ、　１０．　Ｏｃｔ。 １９（１１） （５）ボール著「オフチク　ラント　アトームフイジー
ク」〔Ｗ、　Ｐｏｌ＋１ ０ｐｔｉｋ　ｕｎｄ　Ａｔｏｍｐｈｙｓｉｋ８ｐｒｉｎ
ｇｅｒ　１９２８） （６）ホルン著「オフチク」 （Ｍ、１３０ｒｎ ｐｔｉｋ Ｓｐｒｉｎｇｅｒ、Ｂｅｒｌｉｎ　１０３３）（７）チ
ャン著「ペリオディック　ストラクチュアズ　アンドゼ
アアプリケーション　イン　インテグレーテッド　オフ
。 チフス」 （Ｗ、　Ｓ、　Ｃ，Ｃ１１ａｎｇ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）光ファイバが受容面全体に亘ってシンチレータ内に
   設けられていること、光の結合が光ファイバのクラッド
   面全体に亘って行なわれること、光ファイバが異方性構
   成であることを特徴とする検出放射線の受容面が大きく
   、シンチレータで発生した光量子が光ファイバに導かれ
   る中性子とガンマ線のいずれか一方又はその双方の検出
   系。 ２）光ファイバが放射線受容面に平行な一つ又は複数の
   層を形成するように互に平行に並べられてシンチレータ
   内に埋め込まれていることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の検出系。 ３）シンチレーション光の取り出しが光ファイバの一方
   の端面でｔテなわれることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項又は第２項記載の検出系。 ４）光ファイバが円筒対称構成であり、そのコアの屈折
   率ｎ１がクラッドの屈折率ｎ２より大きいことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項乃至第３項の一つに記載の検
   出系。 ５）光ファイバのクラッドの表面が粗面になっているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第４項の一つ
   に記載の検出系。 ６）受容面が正方形又は矩形であることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項乃至第５項の一つに記載の検出系。