WO2012081658A1 - 中性子用シンチレーターおよび中性子検出器 - Google Patents

中性子用シンチレーターおよび中性子検出器 Download PDF

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neutrons
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山根　久典
哲也 川野
吉川　彰
健之 柳田
有為 横田
藤本　裕
福田　健太郎
範明 河口
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株式会社トクヤマ
国立大学法人東北大学
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Definitions

  • the present invention relates to a neutron scintillator made of borate, and a neutron detector comprising the neutron scintillator and a photodetector. More specifically, the present invention relates to a neutron scintillator comprising a borate containing at least Mg and a divalent transition element.
  • a neutron detector is an elemental technology that supports neutron utilization technology. With the development of neutron utilization technology in the security field such as cargo inspection, industrial nondestructive inspection field, or academic research field such as structural analysis by neutron diffraction, etc. There is a need for higher performance neutron detectors.
  • the main performance required for a neutron detector is the detection efficiency for neutrons and the discrimination ability between neutrons and ⁇ rays (hereinafter also referred to as n / ⁇ discrimination ability).
  • Detection efficiency is the ratio of the amount of neutrons detected by the detector to the amount of neutrons emitted from the neutron source and incident on the detector.
  • the n / ⁇ discrimination ability is a ratio of a neutron detection signal to background noise derived from ⁇ rays.
  • ⁇ -ray is a component of a detection system for detecting neutrons, or Fe (iron), Pb (lead), Cd (cadmium), C (carbon), N (nitrogen), etc. contained in the object to be inspected.
  • the neutron scintillator refers to a substance that emits light when neutrons are incident, and the various performances of the neutron detector using the scintillator depend on the substance constituting the scintillator.
  • the detection efficiency of the scintillator for neutrons depends on the content of isotopes that can undergo a neutron capture reaction.
  • n / ⁇ discrimination ability depends on the density and effective atomic number of the scintillator. When the density and effective atomic number of the scintillator are small, the probability of interacting with ⁇ -rays decreases, and the background derived from ⁇ -rays. Ground noise can be reduced.
  • Non-Patent Document 1 6 Li-containing glass and plastic fibers coated with 6 Li and ZnS (Ag) have been developed as scintillators for neutrons, but the detection efficiency for neutrons and the n / ⁇ discrimination ability have not been improved. There was room (see Non-Patent Document 1).
  • the present inventors For the purpose of detecting neutrons with high sensitivity, the present inventors have focused on the 10 B isotope that is excellent in the efficiency of the neutron capture reaction, and applied the borate containing the 10 B isotope as a scintillator for neutrons. Various studies were made as possible. As a result, it has been found that by including a divalent transition element in the borate containing Mg, a scintillator that has less influence of background noise derived from ⁇ rays and exhibits high luminance can be obtained. It came to be completed.
  • a neutron scintillator that can detect neutrons with high sensitivity and is less affected by background noise derived from ⁇ rays.
  • a neutron detector using such a neutron scintillator can be suitably used in a security field such as cargo inspection, an industrial nondestructive inspection field, or an academic research field such as structural analysis by neutron diffraction.
  • This figure is a diagram showing voltage-current characteristics measured by the neutron detector of Example 1.
  • FIG. This figure is a graph showing voltage-current characteristics measured by the neutron detector of Example 2.
  • the divalent transition elements Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, and Zn have a small atomic number, so that the influence of background noise derived from ⁇ rays can be reduced, which is preferable in the present invention. Can be adopted.
  • Mn when a silicon light receiving element is used as the photodetector, it is most preferable to use Mn among the divalent transition elements. Since Mn emits light in the red wavelength region, and the photodetection sensitivity of the silicon light receiving element is high in the wavelength region, the signal output of the photodetector can be increased.
  • a borate containing at least Mg and a divalent transition element is represented by the chemical formula (A x Mg 1-x ) B 4 O 7 , (A x Mg 1-x ).
  • a preferred embodiment is a neutron scintillator which represents at least one divalent transition element and x represents a numerical value of 0.001 to 0.5.
  • the detection sensitivity to neutrons is further improved by using a borate containing Li.
  • the natural abundance ratio of 6 Li isotope is about 7%, and naturally available natural Li can be used in the present invention. However, in order to further improve the detection sensitivity to neutrons, the Li 6 Li isotope ratio is naturally increased. It is preferable to increase the abundance ratio or more.
  • the 6 Li isotope ratio of Li is preferably 50% or more, and particularly preferably 90% or more.
  • the chemical formula Li l Mg m B n O l / 2 + m + 3n / 2 (where l, m, and n represent positive integers) can be suitably used in the present invention.
  • the upper limits of l, m and n are not particularly limited, but are generally 10 or less.
  • the borate base materials LiMgBO 3 , Li 2 MgB 2 O 5 and Li 4 MgB 2 O 6 can increase the content of 10 B isotopes and 6 Li isotopes, and are particularly preferable.
  • the kind of divalent transition element contained in the borate further containing Li and the ratio of substituting Mg with the divalent transition element are the same as described above. Therefore, in the present invention, the chemical formula Li (A x Mg 1-x ) BO 3 , Li 2 (A x Mg 1-x ) B 2 O 5 , and Li 4 (A x Mg 1-x ) B 2 O 6 (where A is Cr, A preferred embodiment is a neutron scintillator that represents at least one divalent transition element selected from Mn, Fe, Co, Ni, Cu and Zn, and x represents a numerical value of 0.001 to 0.5.
  • the neutron scintillator of the present invention can be used as a crystal or glass, but is generally manufactured as a crystal and is preferably used.
  • a neutron scintillator made of a polycrystalline sintered body can be produced at low cost and can be suitably used in the present invention.
  • a scintillator for neutrons made of a single crystal can be used suitably in the present invention because it can obtain high emission intensity without causing light dissipation at the grain boundary.
  • the neutron scintillator of the present invention can be used as a neutron detector by combining with a photodetector.
  • the silicon light-receiving element is preferable because it can be obtained at a low cost and it is easy to arrange the miniaturized light-receiving elements in an array to form a position-sensitive photodetector.
  • an avalanche photodiode manufactured by Hamamatsu Photonics, S8664 series
  • the neutron detector of the present invention can be obtained by adhering the neutron scintillator of the present invention to a light receiving surface of the silicon light receiving element or the like using any optical grease such as transparent silicon grease.
  • the detector can be connected to an arbitrary current measuring device (for example, a picoammeter) to check the change in the current value and confirm the change in the current value according to the change in the amount of received light.
  • a reverse bias voltage may be applied to the silicon light receiving element for the purpose of improving the light receiving sensitivity, and in that case, a measuring instrument capable of performing voltage and current application and measurement simultaneously (for example, KEITHLEY 237 HIGH VOLTAG SOURCE MEASURE UNIT) may be used.
  • the value of the reverse bias voltage to be applied is preferably set according to the performance of the silicon light receiving element and the neutron irradiation to be measured. By measuring in advance the relationship between the amount of thermal neutron irradiation at the set reverse bias voltage and the current value, it can also be used as a neutron detector having quantitativeness.
  • Example 1 Manufacture of neutron scintillators>
  • a polycrystalline sintered body of (Mn 0.05 Mg 0.95 ) 2 B 2 O 5 was manufactured as a neutron scintillator.
  • MnO, MgO, and H 3 BO 3 were used as raw materials.
  • the purity of each raw material was 99.9%, 99.9% and 99.99%, respectively, and the 10 B isotope ratio of H 3 BO 3 was 95%.
  • the pellet was placed on a Pt plate, heated to 1000 ° C. at a temperature increase rate of 200 ° C./hr, and then baked at 1000 ° C. for 24 hours. Such firing was performed under an Ar stream, and ⁇ -Fe powder was placed on the upstream side of the Ar stream to prevent oxidation from Mn 2+ to Mn 3+ .
  • the obtained polycrystalline sintered body has a density of 2.4 g / cm 3 , and from the result of measurement by X-ray diffraction method, it belongs to triclinic system, space group P-1 (Mn 0.05 It was found to consist of Mg 0.95 ) 2 B 2 O 5 crystals.
  • the polycrystalline sintered body was cut and polished and processed into a square plate shape of 5 mm ⁇ 5 mm ⁇ 0.2 mm to obtain a neutron scintillator of the present invention.
  • a neutron detector was produced using the manufactured neutron scintillator, and the characteristics of the neutron detector were evaluated.
  • an avalanche photodiode (S8664-1010, manufactured by Hamamatsu Photonics Co., Ltd.), which is a silicon light receiving element, is used as the light detector, and the neutron scintillator of the present invention is transparent silicon on the light receiving surface of the avalanche photodiode.
  • the neutron detector of the present invention was obtained by bonding using grease.
  • the neutron detector was connected to a current measuring device (KEITHLEY 237, HIGH VOLTAGE SOURCE MEASURE UNIT), and a current value was measured while applying a reverse bias voltage of 300 to 400 V to evaluate voltage-current characteristics.
  • a current measuring device KITHLEY 237, HIGH VOLTAGE SOURCE MEASURE UNIT
  • the neutron detector was installed in the JRR-3 MUSASI port, and the voltage-current characteristics were evaluated while irradiating the neutron detector with thermal neutrons emitted from the port.
  • the amount of neutrons emitted from the port is about 8 ⁇ 10 5 neuron / cm 2 .
  • the results obtained are shown in FIG.
  • the solid line and the dotted line in FIG. 1 are voltage-current characteristics when the port is opened and thermal neutrons are emitted.
  • This figure shows the voltage-current characteristics when a metal cadmium plate (thickness 1 mm) having a high absorption efficiency for thermal neutrons is installed between the detectors to block the thermal neutrons.
  • the chain line in FIG. 1 shows the voltage-current characteristics when the port is closed and no neutrons are emitted.
  • the chain line in FIG. 1 is a so-called dark current and represents an electrical noise derived from an avalanche photodiode.
  • the dotted line in FIG. 1 shows the voltage-current when the neutron detector is irradiated only with ⁇ rays accompanying thermal neutrons. It is a characteristic, and the difference between the dotted line and the chain line represents background noise due to ⁇ -rays.
  • the solid line in FIG. 1 is a so-called dark current and represents an electrical noise derived from an avalanche photodiode.
  • the current value at a bias voltage of 350 V is 21.4 nA for the solid line and 19.2 nA for the dotted line. Therefore, the intensity of the signal based on the detection of thermal neutrons is sufficiently large as 2.2 nA. It can be seen that the neutron detector is effective. In addition, since it is 18.9 nA in the chain line, it can be seen that the background noise due to the ⁇ -ray is as extremely low as 0.3 nA, and the detector of the present invention is less influenced by the background noise derived from the ⁇ -ray.
  • Li 2 CO 3 , MnO, MgO and H 3 BO 3 were used as raw materials.
  • the purity of each raw material is 99.9%, 99.9%, 99.9%, and 99.99%, respectively.
  • the 6 Li isotope ratio of Li 2 CO 3 and the 10 B isotope ratio of H 3 BO 3 Were 7% and 95%, respectively.
  • the pellet was placed on a Pt plate, heated to 750 ° C. at a rate of temperature increase of 200 ° C./hr, and then calcined at 750 ° C. for 2 hours.
  • the obtained pellet was pulverized to produce a pellet again.
  • the pellet was placed on a Pt plate in the same manner as described above, heated to 800 ° C. at a temperature rising rate of 200 ° C./hr, and then baked at 800 ° C. for 12 hours.
  • the calcination and firing were performed under an Ar stream, and ⁇ -Fe powder was placed upstream of the Ar stream to prevent oxidation from Mn 2+ to Mn 3+ .
  • a neutron detector was prepared in the same manner as in Example 1 except that the neutron scintillator made of Li (Mn 0.05 Mg 0.95 ) BO 3 produced above was used, and the neutron detection characteristics were evaluated.

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Abstract

　【課題】　中性子を感度良く検出することができ、且つ、γ線に由来するバックグラウンドノイズの影響が少ない中性子用シンチレーター並びに当該中性子シンチレーターを使用した中性子検出器を提供する。　【解決手段】　少なくともＭｇ及び２価遷移元素を含むホウ酸塩からなることを特徴とする中性子用シンチレーターである。

Description

中性子用シンチレーターおよび中性子検出器
　本発明は、ホウ酸塩からなる中性子用シンチレーター、及び当該中性子用シンチレーターと光検出器を具備してなる中性子検出器に関する。詳しくは、少なくともＭｇ及び２価遷移元素を含むホウ酸塩からなることを特徴とする中性子用シンチレーターに関する。
　中性子検出器は、中性子利用技術を支える要素技術であって、貨物検査等の保安分野、工業用非破壊検査分野、或いは中性子回折による構造解析等の学術研究分野等における中性子利用技術の発展に伴い、より高性能な中性子検出器が求められている。
　中性子検出器に求められる主たる性能は、中性子に対する検出効率、並びに中性子とγ線との弁別能（以下、ｎ／γ弁別能ともいう）である。検出効率とは中性子源から放出され、検出器に入射した中性子量に対する検出器で検出した中性子量の比である。ｎ／γ弁別能とは、γ線に由来するバックグラウンドノイズに対する中性子検出信号の比である。γ線は、中性子を検出するための検出系の構成部材、或いは被検査対象物に含まれるＦｅ（鉄）、Ｐｂ（鉛）、Ｃｄ（カドミウム）、Ｃ（炭素）、Ｎ（窒素）等の元素に中性子が当たった際に発生し、ｎ／γ弁別能が低いと、中性子と被検査対象物との相互作用を反映しない信号が混入し、所謂バックグラウンドノイズが増大する。
　中性子は物質中で何の相互作用もせずに透過する力が強いため、中性子線の検出は、一般に中性子をエネルギーをもった荷電粒子に速やかに変換する中性子捕獲反応を利用して検出される。例えば、３Ｈｅ同位体による中性子捕獲反応を利用して、エネルギーをもった荷電粒子であるプロトン及びトリトンに変換して中性子を検出する３Ｈｅ検出器が従来から知られている。この検出器は、検出効率が高くｎ／γ弁別能にも優れるが、３Ｈｅは非常に高価な物質であり、近年、資源の枯渇が問題となっている（非特許文献１参照）。
　昨今、上記３Ｈｅ検出器の代替検出器として、中性子用シンチレーターを用いた検出器の開発が進められている。中性子用シンチレーターとは、中性子が入射したときに発光する物質のことをいい、当該シンチレーターを使用する中性子検出器の前記各種性能は、シンチレーターを構成する物質に依存する。例えば、シンチレーターの中性子に対する検出効率は、中性子捕獲反応を成し得る同位体の含有量に依存する。また、ｎ／γ弁別能はシンチレーターの密度及び有効原子番号に依存し、該シンチレーターの密度及び有効原子番号が小さい場合には、γ線と相互作用する確率が減少し、γ線に由来するバックグラウンドノイズを低減することができる。
　これまでに中性子用シンチレーターとして６Ｌｉ含有ガラスや６ＬｉとＺｎＳ（Ａｇ）で被覆されたプラスチックファイバー等が開発されているが、中性子に対する検出効率、並びにｎ／γ弁別能には、未だ改善の余地があった（非特許文献１参照）。
Ｒｉｃｈａｒｄ　Ｔ．　Ｋｏｕｚｅｓ，　ｅｔ　ａｌ．，　"Ｎｅｕｔｒｏｎ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｓ　ｔｏ　３Ｈｅ　ｆｏｒ　ｎａｔｉｏｎａｌ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ"，Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ　ａｎｄ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｉｎ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ａ　６２３（２０１０）１０３５－１０４５．
　本発明は、中性子を感度良く検出することができ、且つ、γ線に由来するバックグラウンドノイズの影響が少ない中性子用シンチレーター並びに中性子検出器を提供することを目的とする。
　本発明者等は、中性子を感度良く検出することを目的として、中性子捕獲反応の効率に優れる１０Ｂ同位体に着目し、該１０Ｂ同位体を含有するホウ酸塩を中性子用シンチレーターとして応用すべく種々検討した。その結果、Ｍｇを含むホウ酸塩に２価遷移元素を含めることによって、γ線に由来するバックグラウンドノイズの影響が少なく、且つ高輝度な発光を呈するシンチレーターが得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
　即ち、本発明によれば、少なくともＭｇ及び２価遷移元素を含むホウ酸塩からなることを特徴とする中性子用シンチレーターが提供される。
　また、本発明によれば、上記中性子用シンチレーター、及び光検出器を具備することを特徴とする中性子検出器が提供される。
　本発明によれば、中性子を感度良く検出することができ、且つ、γ線に由来するバックグラウンドノイズの影響が少ない中性子用シンチレーターを提供できる。かかる中性子用シンチレーターを用いた中性子検出器は、貨物検査等の保安分野、工業用非破壊検査分野、或いは中性子回折による構造解析等の学術研究分野等で好適に使用できる。
本図は、実施例１の中性子検出器で測定した電圧－電流特性を示す図である。 本図は、実施例２の中性子検出器で測定した電圧－電流特性を示す図である。
　本発明の中性子用シンチレーターは、少なくともＭｇ及び２価遷移元素を含むホウ酸塩からなる。当該中性子用シンチレーターは、中性子の入射によって、以下の過程に基づくシンチレーション光を発して中性子シンチレーターとして機能する。まず、中性子がシンチレーターに入射すると、中性子がシンチレーター中の１０Ｂ同位体と中性子捕獲反応を起こして２次粒子であるα粒子及び７Ｌｉを生じる。次いで、シンチレーターが前記２次粒子によって励起され、２価遷移元素を介して基底状態に戻る際にシンチレーション光を発する。
　すなわち、１０Ｂ同位体は中性子捕獲反応を利用して中性子を検出するための必須成分であり、本発明では、該１０Ｂ同位体の安定な化合物としてホウ酸塩を用いる。ホウ酸塩以外のホウ素化合物は、化学的安定性や生体に対する安全性に乏しく、実用上の問題が生じる。
　１０Ｂ同位体の天然存在比は約２０％と高いため、一般に入手可能な天然のホウ素からなるホウ酸塩を本発明に用いることができるが、中性子に対する検出感度をさらに高めるため、ホウ素の１０Ｂ同位体比を天然存在比以上に高めたホウ酸塩を用いることが好ましい。かかるホウ素の１０Ｂ同位体比は５０％以上とすることが好ましく、９０％以上とすることが特に好ましい。
　本発明の中性子用シンチレーターは、前記ホウ酸塩の中でもＭｇ及び２価遷移元素を含むホウ酸塩からなることを特徴とする。当該Ｍｇ及び２価遷移元素を含むホウ酸塩において、Ｍｇを含むホウ酸塩はホウ酸塩母材であり、２価遷移元素は該ホウ酸塩母材に添加される添加剤であって、シンチレーション光を発するための発光中心元素として作用する。
　かかるホウ酸塩母材は、化学的に安定で、且つ、Ｍｇが２価遷移元素に対する置換サイトとなり、２価遷移元素をホウ酸塩に含有せしめることが容易である。また、Ｍｇは原子番号が小さいため、γ線に由来するバックグラウンドノイズの影響を低減することができる。
　ホウ酸塩母材の内、化学式ＭｇｍＢｎＯｍ＋３ｎ／２（ただし、ｍ及びｎは正の整数を表わす）で表わされるホウ酸塩母材が本発明に好適に使用できる。前記化学式中、ｍ及びｎの上限は特に制限されないが、それぞれ１０以下が一般的である。前記ホウ酸塩母材の中でも、ＭｇＢ４Ｏ７、Ｍｇ２Ｂ２Ｏ５及びＭｇ３Ｂ２Ｏ６が１０Ｂ同位体の含有量を高めることができ、特に好ましい。
　本発明において、２価遷移元素は上記したように発光中心元素として作用する。すなわち、中性子と１０Ｂ同位体との中性子捕獲反応で生じた２次粒子によってシンチレーターが励起された後、２価遷移元素における電子遷移を介して基底状態へ緩和する際に発光が生じる。したがって、該２価遷移元素を含まない場合には発光の輝度は微弱となり、シンチレーターとしての使用に耐えない。
　該２価遷移元素の中でも、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎが、原子番号が小さいため、γ線に由来するバックグラウンドノイズの影響を低減することができ、本発明において好適に採用できる。なお、本発明の中性子検出器において、光検出器としてシリコン受光素子を用いる場合には、前記２価遷移元素の内、Ｍｎを用いることが最も好ましい。Ｍｎは赤色の波長領域における発光を呈し、該波長領域でシリコン受光素子の光検出感度が高いため、光検出器の信号出力を高めることができる。
　前記２価遷移元素は、前記Ｍｇを含むホウ酸塩中のＭｇの一部を置換することによって、ホウ酸塩中に含有される。なお、本発明においてはホウ酸塩中にＭｇと２価遷移元素の両方を含むことが必須であり、２価遷移元素でＭｇを全部置換すると、濃度消光によって２価遷移元素の発光が著しく減弱するという問題が生じるため、本発明では採用されない。２価遷移元素をホウ酸塩中に含有せしめる際に、２価遷移元素でＭｇを置換する割合は、０．００１～０．５とすることが好ましい。かかる割合を０．００１以上とすることによって、２価遷移元素による発光の輝度を十分に高めることができ、また、０．５以下とすることによって、濃度消光による２価遷移元素の発光の減弱を避けることができる。
　以上の説明から理解されるように、本発明において、少なくともＭｇ及び２価遷移元素を含むホウ酸塩が、化学式（ＡｘＭｇ１－ｘ）Ｂ４Ｏ７、（ＡｘＭｇ１－ｘ）２Ｂ２Ｏ５、及び（ＡｘＭｇ１－ｘ）３Ｂ２Ｏ６のいずれかで表わされるホウ酸塩（ただし、ＡはＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎから選ばれる少なくとも一つの２価遷移元素を示し、ｘは０．００１～０．５の数値を示す）である中性子シンチレーターが好ましい態様である。
　本発明において、前記要件に加えて、さらにＬｉを含むホウ酸塩を用いることが好ましい。Ｌｉに含まれる６Ｌｉ同位体は、ホウ素と同様に中性子捕獲反応の効率が高いため、Ｌｉを含むホウ酸塩を用いることによって、さらに中性子に対する検出感度が向上する。
　６Ｌｉ同位体の天然存在比は約７％であり、一般に入手可能な天然のＬｉを本発明に用いることができるが、中性子に対する検出感度をさらに高めるため、Ｌｉの６Ｌｉ同位体比を天然存在比以上に高めることが好ましい。かかるＬｉの６Ｌｉ同位体比は５０％以上とすることが好ましく、９０％以上とすることが特に好ましい。
　Ｌｉをさらに含むホウ酸塩母材として、化学式ＬｉｌＭｇｍＢｎＯｌ／２＋ｍ＋３ｎ／２（ただし、ｌ、ｍ及びｎは正の整数を示す）が本発明に好適に使用できる。前記化学式中、ｌ、ｍ及びｎの上限は特に制限されないが、それぞれ１０以下が一般的である。前記ホウ酸塩母材の中でも、ＬｉＭｇＢＯ３、Ｌｉ２ＭｇＢ２Ｏ５及びＬｉ４ＭｇＢ２Ｏ６が１０Ｂ同位体及び６Ｌｉ同位体の含有量を高めることができ、特に好ましい。
　当該Ｌｉをさらに含むホウ酸塩に含有せしめる２価遷移元素の種類及び２価遷移元素でＭｇを置換する割合は前記と同様であり、したがって、本発明において、化学式Ｌｉ（ＡｘＭｇ１－ｘ）ＢＯ３、Ｌｉ２（ＡｘＭｇ１－ｘ）Ｂ２Ｏ５、及びＬｉ４（ＡｘＭｇ１－ｘ）Ｂ２Ｏ６のいずれかで表わされるホウ酸塩（ただし、ＡはＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎから選ばれる少なくとも一つの２価遷移元素を示し、ｘは０．００１～０．５の数値を示す）である中性子シンチレーターが好ましい態様である。
　本発明の中性子用シンチレーターは、結晶、またはガラスとして用いることができるが、一般には結晶として製造され、好適に使用される。結晶の中でも、多結晶焼結体からなる中性子用シンチレーターは安価に製造することができ、本発明に好適に使用できる。一方、単結晶からなる中性子用シンチレーターは粒界における光の散逸を生じることなく高い発光強度を得ることができるため、本発明に好適に使用できる。
　本発明の中性子用シンチレーターは、光検出器と組み合わせることによって、中性子検出器として使用できる。
　本発明で用いる光検出器には特に制限はなく、アバランシェフォトダイオード等のシリコン受光素子、或いは光電子増倍管等の従来公知の光検出器を好適に使用できる。
　前記光検出器の中でも、シリコン受光素子は、安価に入手することができ、また、微細化した受光素子をアレイ状に配列して位置敏感型光検出器とすることが容易であるため、好ましい。かかるシリコン受光素子として、一例を挙げるとアバランシェフォトダイオード（浜松ホトニクス社製、Ｓ８６６４シリーズ）等が好適である。
　本発明の中性子用シンチレーターを前記シリコン受光素子等の受光面に、透明シリコングリース等の任意の光学グリースを用いて接着して本発明の中性子検出器とすることができる。該検出器は任意の電流測定器（例えばピコアンメーター）に接続して電流値の変化を調べ、受光量の変化に応じた電流値の変化を確認することができる。その際に受光感度を向上させる目的で、シリコン受光素子には逆バイアス電圧を印加してもよく、その場合、電圧または電流の印加と測定を同時に行うことのできる計測器（例えば、ＫＥＩＴＨＬＥＹ　２３７　ＨＩＧＨ　ＶＯＬＴＡＧＥ　ＳＯＵＲＣＥ　ＭＥＡＳＵＲＥ　ＵＮＩＴ）を用いてもよい。印加する逆バイアス電圧の値は、シリコン受光素子の性能や測定する中性子の照射量に応じて設定することが好ましい。設定した逆バイアス電圧における熱中性子の照射量と電流値の関係を事前に測定しておくことで、定量性を有する中性子検出器として用いることもできる。
　以下、本発明の実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら制限されるものではない。また、実施例の中で説明されている特徴の組み合わせすべてが本発明の解決手段に必須のものとは限らない。
　実施例１
　〈中性子用シンチレーターの製造〉
　本実施例では、中性子用シンチレーターとして（Ｍｎ０．０５Ｍｇ０．９５）２Ｂ２Ｏ５の多結晶焼結体を製造した。
　原料として、ＭｎＯ、ＭｇＯ及びＨ３ＢＯ３を用いた。各原料の純度は、それぞれ９９．９％、９９．９％及び９９．９９％であり、Ｈ３ＢＯ３の１０Ｂ同位体比は９５％であった。前記各原料の粉末をモル比でＭｎＯ：ＭｇＯ：Ｈ３ＢＯ３＝０．０５：０．９５：１となるように秤量し、メノウ乳鉢中で粉砕混合した後、圧縮プレスして直径８ｍｍ、厚さ２．５ｍｍのペレットを作製した。
　当該ペレットをＰｔ板上におき、２００℃／ｈｒの昇温速度で１０００度まで加熱した後、１０００℃で２４時間焼成した。なお、かかる焼成はＡｒ気流下で行い、また、Ｍｎ２＋からＭｎ３＋への酸化を防ぐため、Ａｒ気流の上流側にα－Ｆｅ粉末を置いて行った。
　得られた多結晶焼結体は、密度が２．４ｇ／ｃｍ３であり、また、Ｘ線回折法による測定の結果から、三斜晶系、空間群Ｐ－１に属する（Ｍｎ０．０５Ｍｇ０．９５）２Ｂ２Ｏ５結晶からなることが分かった。
　該多結晶焼結体を切断及び研磨して、５ｍｍ×５ｍｍ×０．２ｍｍの角板状に加工して本発明の中性子用シンチレーターを得た。
　〈中性子検出器の作製と特性評価〉
　前記製造した中性子用シンチレーターを用いて中性子検出器を作製し、該中性子検出器の特性を評価した。
　当該中性子検出器において、光検出器はシリコン受光素子であるアバランシェフォトダイオード（浜松ホトニクス社製、Ｓ８６６４－１０１０）を使用し、前記本発明の中性子シンチレーターを、該アバランシェフォトダイオードの受光面に透明シリコングリースを用いて接着し、本発明の中性子検出器とした。
　該中性子検出器を、電流測定器（ＫＥＩＴＨＬＥＹ　２３７　ＨＩＧＨ　ＶＯＬＴＡＧＥ　ＳＯＵＲＣＥ　ＭＥＡＳＵＲＥ　ＵＮＩＴ）と接続し、３００～４００Ｖの逆バイアス電圧を印加しながら電流値を測定し、電圧－電流特性を評価した。
　前記中性子検出器をＪＲＲ－３　ＭＵＳＡＳＩポートに設置し、該ポートから射出される熱中性子を中性子検出器に照射しながら、前記電圧－電流特性を評価した。なお、該ポートから射出される中性子量は、約８×１０５ｎｅｕｔｒｏｎ／ｃｍ２である。
　得られた結果を図１に示す。図１中の実線及び点線は、前記ポートを開いて熱中性子を射出した場合の電圧－電流特性であって、それぞれ熱中性子を中性子検出器に直接照射した場合、及び、ポートと本発明の中性子検出器の間に熱中性子に対して高い吸収効率を持つ金属カドミウムの板（厚み１ｍｍ）を設置して熱中性子を遮断した場合の電圧－電流特性を示す。また、図１中の鎖線は、前記ポートを閉じて中性子を射出しなかった場合の電圧－電流特性を示す。
　すなわち、図１中の鎖線は、いわゆる暗電流であって、アバランシェフォトダイオードに由来する電気的ノイズを表わす。また、金属カドミウムの板によって、熱中性子は遮断されるが、γ線は遮断されないため、図１中の点線は、熱中性子に随伴するγ線のみを中性子検出器に照射した際の電圧－電流特性であり、該点線と前記鎖線の差分が、γ線によるバックグラウンドノイズを表わす。また、図１中の実線は、熱中性子及びこれに随伴するγ線を中性子検出器に照射した際の電圧－電流特性であり、該実線と前記点線の差分が熱中性子の検出に基づく信号の強度を表わす。
　図１中の、例えばバイアス電圧３５０Ｖにおける電流値は、実線で２１．４ｎＡ、点線で１９．２ｎＡであり、したがって、熱中性子の検出に基づく信号の強度は２．２ｎＡと充分に大きく、本発明の中性子検出器が有効であることが分かる。また、鎖線では１８．９ｎＡであることから、γ線によるバックグラウンドノイズは０．３ｎＡと極めて小さく、本発明の検出器はγ線に由来するバックグラウンドノイズの影響が少ないことが分かる。
　実施例２
　〈中性子用シンチレーターの製造〉
　本実施例では、中性子用シンチレーターとしてＬｉ（Ｍｎ０．０５Ｍｇ０．９５）ＢＯ３の多結晶焼結体を製造した。
　原料として、Ｌｉ２ＣＯ３、ＭｎＯ、ＭｇＯ及びＨ３ＢＯ３を用いた。各原料の純度は、それぞれ９９．９％、９９．９％、９９．９％及び９９．９９％であり、Ｌｉ２ＣＯ３の６Ｌｉ同位体比及びＨ３ＢＯ３の１０Ｂ同位体比は、それぞれ７％及び９５％であった。前記各原料の粉末をモル比でＬｉ２ＣＯ３：ＭｎＯ：ＭｇＯ：Ｈ３ＢＯ３＝０．５：０．０５：０．９５：１となるように秤量し、メノウ乳鉢中で粉砕混合した後、圧縮プレスして直径８ｍｍ、厚さ２．５ｍｍのペレットを作製した。
　当該ペレットをＰｔ板上におき、２００℃／ｈｒの昇温速度で７５０度まで加熱した後、７５０℃で２時間仮焼した。得られたペレットを粉砕し、再度ペレットを作製した。当該ペレットを先と同様にＰｔ板上におき、２００℃／ｈｒの昇温速度で８００度まで加熱した後、８００℃で１２時間焼成した。なお、かかる仮焼および焼成はＡｒ気流下で行い、また、Ｍｎ２＋からＭｎ３＋への酸化を防ぐため、Ａｒ気流の上流側にα－Ｆｅ粉末を置いて行った。
　得られた多結晶焼結体は、密度が２．０４ｇ／ｃｍ３であり、また、Ｘ線回折法による測定の結果から、単斜晶系、空間群Ｃ２／ｃに属するＬｉ（Ｍｎ０．０５Ｍｇ０．９５）ＢＯ３結晶からなることが分かった。
　該多結晶焼結体を研磨して、直径８ｍｍ×０．５ｍｍの円板状に加工して本発明の中性子用シンチレーターを得た。
　〈中性子検出器の作製と特性評価〉
　前記製造したＬｉ（Ｍｎ０．０５Ｍｇ０．９５）ＢＯ３からなる中性子シンチレーターを用いる以外は、実施例１と同様にして中性子検出器を作製し、中性子検出特性を評価した。
　得られた結果を図２に示す。図２中の実線、点線及び鎖線は、それぞれ図１と同じ条件下での電圧－電流特性を示す。
　図２中の、例えばバイアス電圧３５０Ｖにおける電流値は、実線で１６．０ｎＡ、点線で１３．４ｎＡであり、したがって、熱中性子の検出に基づく信号の強度は２．６ｎＡと充分に大きく、本発明の中性子検出器が有効であることが分かる。また、鎖線では１３．１ｎＡであることから、γ線によるバックグラウンドノイズは０．３ｎＡと極めて小さく、本発明の検出器はγ線に由来するバックグラウンドノイズの影響が少ないことが分かる。

Claims (8)

  1. 　少なくともＭｇ及び２価遷移元素を含むホウ酸塩からなることを特徴とする中性子用シンチレーター。
  2. 　ホウ素の１０Ｂ同位体比が５０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の中性子用シンチレーター。
  3. 　化学式（ＡｘＭｇ１－ｘ）Ｂ４Ｏ７、（ＡｘＭｇ１－ｘ）２Ｂ２Ｏ５、及び（ＡｘＭｇ１－ｘ）３Ｂ２Ｏ６のいずれかで表わされるホウ酸塩（ただし、ＡはＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎから選ばれる少なくとも一つの２価遷移元素を示し、ｘは０．００１～０．５の数値を示す）からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の中性子用シンチレーター。
  4. 　さらにＬｉを含むホウ酸塩からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の中性子用シンチレーター。
  5. 　Ｌｉの６Ｌｉ同位体比が５０％以上であることを特徴とする請求項４に記載の中性子用シンチレーター。
  6. 　化学式Ｌｉ（ＡｘＭｇ１－ｘ）ＢＯ３、Ｌｉ２（ＡｘＭｇ１－ｘ）Ｂ２Ｏ５、及びＬｉ４（ＡｘＭｇ１－ｘ）Ｂ２Ｏ６のいずれかで表わされるホウ酸塩（ただし、ＡはＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎから選ばれる少なくとも一つの２価遷移元素を示し、ｘは０．００１～０．５の数値を示す）からなることを特徴とする請求項４又は５に記載の中性子用シンチレーター。
  7. 　請求項１～６に記載の中性子用シンチレーター及び光検出器を具備することを特徴とする中性子検出器。
  8. 　光検出器がシリコン受光素子であることを特徴とする請求項７記載の中性子検出器。
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