WO2021210191A1 - 中性子位置検出器 - Google Patents

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WO2021210191A1
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neutron
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nitrogen
tritium
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石澤　和哉
憲之 疋田
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キヤノン電子管デバイス株式会社
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    • G01T3/00—Measuring neutron radiation
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
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    • H01J47/00—Tubes for determining the presence, intensity, density or energy of radiation or particles
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    • H01J47/12—Neutron detector tubes, e.g. BF3 tubes
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • An embodiment of the present invention relates to a neutron position detector used for measuring a neutron position distribution.
  • the neutron position detector is used, for example, in an accelerator facility for examining the characteristics of a sample by irradiating the sample to be examined with neutrons and detecting the scattering of the neutrons.
  • the neutron position detector includes a neutron position detector, which is a position-sensitive proportional counter (PSD) for neutron detection, and a processing circuit that processes the output charge from this neutron position detector to calculate the incident position of neutrons. It has.
  • PSD position-sensitive proportional counter
  • the neutron position detector is provided with a tubular enclosure that serves as a cathode, an anode is arranged at the axis inside the enclosure, and a gas containing 3 He gas and an additive gas is enclosed in the enclosure. Has been done. Then, when neutrons enter the enclosure, 3 He in the gas undergoes a nuclear reaction with the neutrons to generate protons and tritium, and these protons and tritium jump out into the gas to ionize the surrounding gas. The ionized charge is collected at the anode. Then, in the processing circuit, the incident position of the neutron is detected based on the output charges from both ends of the anode.
  • the neutron position detector has a long life while ensuring the position resolution which is the detection accuracy of the incident position of the neutron.
  • An object of the present invention is to provide a neutron position detector capable of extending the life while ensuring the position resolution which is the detection accuracy of the incident position of neutrons.
  • the neutron position detector of the present embodiment includes a tubular enclosure serving as a cathode, an anode arranged at the axis inside the enclosure, 3 He gas, and an additive gas, and is enclosed in the enclosure. It is equipped with a gas. Additive gas, nitrogen as quenching gas and containing argon as the gas to reduce the projected range of the reaction product of neutrons and 3 He gas.
  • the neutron position detection device 10 includes a neutron position detector 11, a high-voltage power supply 12, and a processing circuit 13.
  • the processing circuit 13 includes preamplifiers 14a and 14b, an AD converter 15, an arithmetic unit 16, and the like.
  • the neutron position detector 11 is a one-dimensional position-sensitive proportional counter (PSD) for neutron detection.
  • PSD position-sensitive proportional counter
  • the neutron position detector 11 includes a tubular enclosure 20 which is a cathode, an anode 21 arranged at the axis of the enclosure 20, terminals 22a and 22b provided at both ends of the enclosure 20, and terminals 22a and 22b provided at both ends of the enclosure 20. It is equipped with a gas 23 enclosed in an enclosure 20.
  • the outer enclosure 20 is circular and tubular, long in the axial direction, and both ends are closed.
  • a closed space 24 is provided inside the outer enclosure 20.
  • the anode 21 is a resistant core wire (resistant metal wire) having a constant resistance value per unit length.
  • the anode 21 is arranged along the axis in the enclosure 20, and both ends are connected to the terminal portions 22a and 22b and are electrically connected.
  • the terminal portions 22a and 22b are arranged at both ends of the outer enclosure 20 in an insulated state from the outer enclosure 20. Both ends of the anode 21 are connected to the terminals 22a and 22b and are electrically connected.
  • the gas 23 is enclosed in the closed space 24 of the outer enclosure 20.
  • the gas 23 includes a 3 He gas that absorbs and ionizes neutrons, and an additive gas added to the 3 He gas.
  • the partial pressure of the 3 He gas is arbitrarily set according to the specifications of the neutron detection efficiency, and is in the range of, for example, 10 to 20 atm.
  • the added gas contains nitrogen as a quenching gas which is a molecular gas, and argon for shortening the range of protons and tritium which are reaction products of neutrons and 3 He gas.
  • nitrogen as a quenching gas which is a molecular gas
  • argon for shortening the range of protons and tritium which are reaction products of neutrons and 3 He gas.
  • the inner diameter of the outer enclosure 20 is d [cm] and the partial pressure of nitrogen is pN2 [atm]
  • the partial pressure of the argon to be added to the 3 He it is preferable that the higher relationship than the partial pressure of nitrogen.
  • the partial pressure of argon added to 3He is preferably in the range of 1 to 3 atm.
  • the composition of the gas 23 is, protons and so that the total of the projected range of in gas 23 of tritium is in the range of, for example, 2.0 ⁇ 2.7 mm, partial pressures of and additive gas of 3 He gas Is set.
  • the high-voltage power supply 12 applies an operating voltage between the enclosure 20 which is a cathode and the anode 21.
  • the operating voltage is set in the range of, for example, 2.0 to 2.5 kV so that the output charge from the anode 21 is, for example, 2 to 5 pC.
  • the preamplifiers 14a and 14b of the processing circuit 13 convert the output charges from both ends of the neutron position detector 11 (hereinafter referred to as both ends of the detector) into electric signals and output them.
  • the preamplifiers 14a and 14b include coupling capacitors 30a and 30b that cut the high-voltage component applied to the neutron position detector 11, and operational amplifiers 31a and 31a that convert the output charge from which the high-voltage component is cut into a predetermined electrical signal. It is equipped with 31b etc. By connecting two coupling capacitors 30a and 30b in parallel in response to an increase in the operating voltage of the neutron position detector 11, the capacitance is increased and the impedance is reduced to cause distortion. It may be reduced. Further, it is preferable that the operational amplifiers 31a and 31b use JFET input type operational amplifiers to minimize the operation delay distortion.
  • the AD converter 15 converts the electric signals (analog signals) at both ends of the detector output from the preamplifiers 14a and 14b into digital signals (waveform signals), respectively.
  • An element having a resolution of 14 bits or more is used in the AD converter 15.
  • the AD converter 15 may use an element having a resolution of 16 bits.
  • the arithmetic unit 16 obtains wave heights from the waveform data of the electric signals at both ends of the detector digitized by the AD converter 15, and based on the ratio of these wave heights, the neutrons in the axial direction of the neutron position detector 11 Calculate the incident position.
  • the high-voltage power supply 12 applies an operating voltage between the enclosure 20 which is the cathode and the anode 21.
  • FIGS. 2 (a) and 2 (b) when the neutron n is incident on the enclosure 20, the neutron n and the 3 He gas cause a nuclear reaction (n + 3 He ⁇ p + T + 765 keV), and the reaction product Proton p and tritium T are generated.
  • a shown in FIG. 2B is a position where the nuclear reaction occurred and a position where the proton p and tritium T were generated.
  • the proton p has an energy of about 574 keV
  • the tritium T has an energy of 191 keV
  • these protons p and tritium T jump out into the gas 23 in opposite directions.
  • the surrounding gas 23 collides with atoms and molecules, it gradually loses energy and stops.
  • the proton p and tritium T collide with the gas 23 a part of the energy of the proton p and tritium T is given to the gas 23 and ionized to generate an electric charge e.
  • the generated electric charge e is collected at the anode 21 by an electric field formed between the enclosure 20 which is a cathode and the anode 21.
  • output charges having a ratio corresponding to each distance from the charge e collecting position on the anode 21 to both ends of the anode 21 are output from both ends of the anode 21.
  • the output charge from both ends of the detector (both ends of the anode 21) is converted into an electric signal by the preamplifiers 14a and 14b, and the electric signal at both ends of the detector output from the preamplifiers 14a and 14b is converted into a digital signal (waveform signal) by the AD converter 15. ).
  • the wave height is obtained from the waveform data of the electric signals at both ends of the detector digitized by the AD converter 15, and the incident of neutron n in the axial direction of the neutron position detector 11 is based on the ratio of these wave heights. Calculate the position.
  • the neutron position detector 11 is a type of proportional counter.
  • a molecular gas is added in addition to the 3 He gas that causes a nuclear reaction with the neutron n in order to operate stably.
  • the purpose of adding a molecular gas, to absorb ultraviolet rays ionized 3 He ions are generated during recombination Yes, this is to stabilize the operation of the proportional counter.
  • a gas having this action is generally called a quenching gas.
  • Any gas that absorbs ultraviolet rays can be used, and methane (CH 4 ), carbon dioxide (CO 2 ), and carbon tetrafluoride (CF 4 ) are often used in commercial products, but others.
  • Nitrogen and hydrogen can also be used.
  • Reference 2 (US Pat. No. 30,92747) includes an example in which nitrogen is used as a quenching gas in a proportional counter.
  • the neutron position detector 11 is a detector for detecting the position of neutron n, but the accuracy of position detection, that is, the position resolution, which is an important item of the detector performance, is the reaction product proton p and tritium. Affected by the range of T in gas 23.
  • the electric charge e is generated in the range from the position A where the proton p and the tritium T are generated to the stop. Since the mass and energy of the proton p and the tritium T are not the same, the range from the position A where the nuclear reaction occurs to the stop is different. Therefore, as shown in FIG. 3, the center of gravity of the charge e created by the proton p and the tritium T is closer to the proton p side than the position A where the nuclear reaction occurred. Therefore, the position A where the nuclear reaction occurred and the center of gravity of the electric charge e deviate from each other. In addition, the directions in which the proton p and the tritium T pop out are random.
  • the center of gravity of the electric charge e is obtained to detect the incident position of the neutron n. Therefore, the larger the distance of the proton p and the tritium T, the more the neutron n. This will affect the detection accuracy of the incident position, that is, the position resolution.
  • the range of the proton p and the tritium T may be shortened, but for that purpose, it is necessary to make the added gas a heavy gas or increase the partial pressure of the added gas. be.
  • the table of FIG. 4 shows the relationship between the gas type and the range of proton p and tritium T.
  • the table of FIG. 4 shows the range of proton p and tritium T per 1 atm of gas at 0 ° C.
  • carbon tetrafluoride and carbon dioxide have a high effect of shortening the range of proton p and tritium T, and are excellent as an additive gas for the neutron position detector 11.
  • the table of FIG. 5 shows the relationship between the gas type and the operating voltage.
  • the added gas is 1 atm. The amount of increase in operating voltage when increased is shown.
  • nitrogen has a higher operating voltage than other gases.
  • the operating voltage of the neutron position detector 11 becomes high, problems such as a discharge may occur between the enclosure 20 and the anode 21 and the withstand voltage of the element used in the processing circuit 13 may be exceeded. do.
  • the stroke of nitrogen as a quenching gas, proton p which is a reaction product of neutron n and 3 He gas, and tritium T is shortened in the added gas. It contains argon as a gas.
  • the neutron position detector 11 is not used as a quenching gas due to the range length of proton p and tritium T and the high operating voltage, but the merit of nitrogen is its life. The length of is raised.
  • the triple bond of a nitrogen molecule has a larger bond energy than the double bond of carbon dioxide and the single bond of carbon tetrafluoride, and has the characteristic of being hard to break.
  • the partial pressure of nitrogen is d ⁇ pN2> 0.03, assuming that the inner diameter of the enclosure 20 is d [cm] and the partial pressure of nitrogen is pN2 [atm] in actual use of the neutron position detector 11. It is preferable to have a relationship of [atm ⁇ cm]. If the inner diameter of the outer enclosure 20 is small, ultraviolet rays must be absorbed over a short distance. Therefore, if the inner diameter is small, it is necessary to increase the partial pressure of nitrogen. If the partial pressure of nitrogen is lower than the partial pressure obtained by the above formula, the absorption of ultraviolet rays is not sufficient, the operation becomes unstable, or discharge may occur at a low voltage.
  • the applied voltage at which the same output charge can be obtained is significantly different between argon and nitrogen.
  • the effect of argon on the operating voltage is about 1/3 of that of nitrogen. Therefore, argon is superior to nitrogen as an additive gas for shortening the range of proton p and tritium T. That is, even if the partial pressure of argon is increased in order to shorten the range of the proton p and the tritium T, the influence on the operating voltage is small. In this case, in order to shorten the range of proton p and tritium T, it is preferable that the partial pressure of argon is higher than the partial pressure of nitrogen.
  • argon has the disadvantage of increasing the sensitivity of gamma rays compared to nitrogen, and the effect on the operating voltage is not so small that it can be ignored, so it is not possible to increase the voltage division indefinitely.
  • the higher the partial pressure of argon the shorter the range of proton p and tritium T, but the position resolution of the neutron position detector 11 is not determined only by the range of proton p and tritium T. Due to the influence of thermal noise of the electric circuit system and the S / N ratio of the preamplifier, increasing the partial pressure of argon does not necessarily improve the position resolution indefinitely.
  • the pressure of argon is too low, the range of the proton p and the tritium T will not be shortened, and the position resolution important for the neutron position detector 11 will not be improved.
  • the partial pressure of argon has an appropriate range in actual use, and is preferably 1 to 3 atm.
  • the total range of proton p and tritium T is approximately inversely proportional to the pressure, which is 13 mm at 1 atm of argon and 4.3 mm at 3 atm.
  • the actual position resolution of the neutron position detector 11 is in the range of 4 mm to 20 mm, and if argon is set to 1 to 3 atm, the position resolution is actually significantly improved.
  • the voltage division of argon is higher than this range, the range of proton p and tritium T becomes shorter, but other factors (thermal noise of the electric circuit, etc.) are superior, and the position resolution does not improve, and the gamma ray Sensitivity increases, operating voltage increases, and only the disadvantages become noticeable.
  • the division of argon is lower than this range, the effect of adding argon is small, and the obtained merit is poor.
  • the strokes of nitrogen as the quenching gas, proton p which is a reaction product of neutron n and 3 He gas, and tritium T are added to the added gas.
  • argon as the gas for shortening, the life can be extended while ensuring the position resolution which is the detection accuracy of the incident position of the neutron n.

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Abstract

実施形態に係る中性子位置検出器は、陰極となる管状の外囲器と、外囲器内の軸心に配置された陽極と、３Ｈｅガスおよび添加ガスを含み、外囲器内に封入されたガスとを備える。添加ガスは、クエンチングガスとして窒素、および、中性子と３Ｈｅガスの反応生成物の飛程を短くするガスとしてアルゴンを含む。

Description

中性子位置検出器
　本発明の実施形態は、中性子の位置分布測定に用いる中性子位置検出器に関する。
　中性子位置検出器は、例えば加速器施設において、調べたい試料に中性子を照射し、その中性子の散乱を検出することで、試料の特性を調べる用途等に用いられている。
　中性子位置検出器は、位置敏感型の中性子検出用比例計数管（ＰＳＤ）である中性子位置検出器、およびこの中性子位置検出器からの出力電荷を処理して中性子の入射位置を演算する処理回路等を備えている。
　中性子位置検出器は、陰極となる管状の外囲器を備え、この外囲器内の軸心に陽極が配置されているとともに、外囲器内に３Ｈｅガスおよび添加ガスを含むガスが封入されている。そして、中性子が外囲器内に入射すると、ガス中の３Ｈｅが中性子と核反応して陽子および三重水素が発生し、これら陽子および三重水素がガス中に飛び出して周囲のガスを電離させ、電離された電荷を陽極に収集する。そして、処理回路では、陽極の両端からの出力電荷に基づいて中性子の入射位置を検出する。
　このような中性子位置検出器では、中性子の強度が高い場合、添加ガスが劣化し、寿命が短くなりやすい。
　そのため、中性子位置検出器では、中性子の入射位置の検出精度である位置分解能を確保したまま、長寿命化することが望まれている。
特許第６２２８３４０号公報
　本発明は、中性子の入射位置の検出精度である位置分解能を確保したまま、長寿命化できる中性子位置検出器を提供することを目的とする。
　本実施形態の中性子位置検出器は、陰極となる管状の外囲器と、外囲器内の軸心に配置された陽極と、３Ｈｅガスおよび添加ガスを含み、外囲器内に封入されたガスとを備える。添加ガスは、クエンチングガスとして窒素、および、中性子と３Ｈｅガスの反応生成物の飛程を短くするガスとしてアルゴンを含む。
一実施形態を示す中性子位置検出器を用いた中性子位置検出装置の構成図である。 同上中性子位置検出器において中性子の入射からガスの電離までの動作を(a)(b)(c)の順に説明する説明図である。 同上中性子位置検出器において発生する電荷の位置と密度との関係を示すグラフである。 同上中性子位置検出器において添加ガスの種類と飛程の関係を示す表である。 同上中性子位置検出器において添加ガスの種類と動作電圧の関係を示す表である。
　以下、一実施形態を、図面を参照して説明する。
　図１に示すように、中性子位置検出装置10は、中性子位置検出器11、高圧電源12、および処理回路13を備える。処理回路13は、プリアンプ14a，14b、ＡＤ変換器15、および演算器16等を備える。
　そして、中性子位置検出器11は、一次元位置敏感型の中性子検出用比例計数管（ＰＳＤ）である。この中性子位置検出器11は、陰極である管状の外囲器20、この外囲器20の軸心に配置される陽極21、外囲器20の両端に設けられた端子部22a，22b、および外囲器20内に封入されたガス23を備えている。
　外囲器20は、円管状で、軸方向に長く、両端が閉塞されている。外囲器20の内部には密閉空間24が設けられている。
　陽極21は、単位長さあたりに一定の抵抗値を有する抵抗性芯線（抵抗性金属ワイヤ）である。陽極21は、外囲器20内の軸心に沿って配置され、両端が端子部22a，22bに連結されているとともに電気的に接続されている。
　端子部22a，22bは、外囲器20に対して絶縁状態で、外囲器20の両端に配設されている。端子部22a，22bに陽極21の両端が連結されるとともに電気的に接続されている。
　ガス23は、外囲器20の密閉空間24に封入されている。ガス23は、中性子を吸収し、電離する３Ｈｅガス、および、この３Ｈｅガスに添加される添加ガスを含む。
　３Ｈｅガスの分圧は、中性子の検出効率の仕様に応じて任意に設定されるもので、例えば１０～２０atmの範囲にある。
　添加ガスは、分子ガスであるクエンチングガスとして窒素、および、中性子と３Ｈｅガスの反応生成物である陽子と三重水素の飛程を短くするためのアルゴンを含む。この場合、外囲器20の内径をｄ［cm］、窒素の分圧をｐＮ２［atm］とすると、ｄ×ｐＮ２＞０．０３の関係を有することが好ましい。また、３Ｈｅに添加するアルゴンの分圧は、窒素の分圧よりも高い関係にあることが好ましい。３Ｈｅに添加するアルゴンの分圧は、１～３atmの範囲にあることが好ましい。
　そして、ガス23の組成は、陽子と三重水素のガス23中での飛程の合計が例えば２．０～２．７mmの範囲となるように、３Ｈｅガスの分圧および添加ガスの分圧が設定されている。
　また、高圧電源12は、陰極である外囲器20と陽極21との間に動作電圧を印加する。動作電圧は、陽極21からの出力電荷が例えば２～５pCとなるように、例えば２．０～２．５kVの範囲に設定されている。
　また、処理回路13のプリアンプ14a，14bは、中性子位置検出器11の両端（以下、検出器両端という）からの出力電荷をそれぞれ電気信号に変換して出力する。プリアンプ14a，14bは、中性子位置検出器11に印加されている高電圧成分をカットするカップリングコンデンサ30a，30b、および高電圧成分がカットされた出力電荷を所定の電気信号に変換するオペアンプ31a，31b等を備えている。なお、カップリングコンデンサ30a，30bは、中性子位置検出器11の動作電圧の増加に対応して、それぞれ並列に２個ずつ接続することにより、高容量化するとともに、低インピーダンス化して歪の発生を低減してもよい。さらに、オペアンプ31a，31bは、ＪＦＥＴ入力型オペアンプを用いることにより、動作遅れ歪を最小限に抑えることが好ましい。
　また、ＡＤ変換器15は、プリアンプ14a，14bから出力される検出器両端の電気信号（アナログ信号）をデジタル信号（波形信号）にそれぞれ変換する。ＡＤ変換器15には、分解能が１４bit以上の素子が用いられる。例えば、ＡＤ変換器15には、分解能が１６bitの素子を用いてもよい。
　また、演算器16は、ＡＤ変換器15でデジタル化された検出器両端の電気信号の波形データから波高をそれぞれ求め、これら波高の比に基づいて、中性子位置検出器11の軸方向における中性子の入射位置を演算する。
　そして、中性子位置検出装置10の動作を説明する。
　高圧電源12によって、陰極である外囲器20と陽極21との間に動作電圧を印加する。
　そして、図２(a)(b)に示すように、中性子ｎが外囲器20内に入射すると、中性子ｎと３Ｈｅガスとが核反応（ｎ＋３Ｈｅ→ｐ＋Ｔ＋７６５keV）を起こし、反応生成物である陽子ｐと三重水素Ｔが発生する。なお、図２(b)に示すＡは、核反応が起きた位置であるとともに、陽子ｐ、三重水素Ｔが発生した位置である。
　図２(c)に示すように、陽子ｐは約５７４keVのエネルギを持ち、三重水素Ｔは１９１keVのエネルギを持ち、これら陽子ｐ、三重水素Ｔが互いに反対方向へ向けてガス23中に飛び出し、周囲のガス23の原子・分子との衝突で徐々にエネルギを失って停止する。陽子ｐ、三重水素Ｔとガス23とが衝突する際、陽子ｐ、三重水素Ｔのエネルギの一部をガス23に与えて電離させ、電荷ｅを発生させる。
　発生した電荷ｅは、陰極である外囲器20と陽極21との間に形成される電場によって陽極21に収集される。これにより、陽極21の両端からは、陽極21における電荷ｅの収集位置から陽極21の両端までの各距離に応じた比の出力電荷がそれぞれ出力される。
　検出器両端（陽極21の両端）からの出力電荷をプリアンプ14a，14bで電気信号に変換し、プリアンプ14a，14bから出力される検出器両端の電気信号をＡＤ変換器15でデジタル信号（波形信号）に変換する。
　演算器16では、ＡＤ変換器15でデジタル化された検出器両端の電気信号の波形データから波高をそれぞれ求め、これら波高の比に基づいて、中性子位置検出器11の軸方向における中性子ｎの入射位置を演算する。
　次に、中性子位置検出器11に用いる添加ガスについて説明する。
　中性子位置検出器11は比例計数管の一種である。比例計数管においては、安定に動作させるため、中性子ｎと核反応を起こす３Ｈｅガス以外に、分子ガスが添加される。例えば参考文献１（放射線計測ハンドブック　第３版　１９０頁　日刊工業新聞社刊）にあるとおり、分子ガスを添加する目的は、電離した３Ｈｅイオンが再結合する際に発生する紫外線を吸収することにあり、これにより、比例計数管の動作を安定させることにある。
　この作用を持つガスは、一般にクエンチングガスと称されている。紫外線を吸収するガスであれば使用することが可能であり、市販品にはメタン（ＣＨ４）、二酸化炭素（ＣＯ２）、四フッ化炭素（ＣＦ４）が多く使用されているが、その他、窒素や水素なども使用可能とされている。例えば参考文献２（米国特許第３０９２７４７号明細書）に、比例計数管において窒素をクエンチングガスとして使用している例がある。
　一方、これまでの中性子位置検出器11においては、クエンチングガスとして、窒素を使用している製品はなく、二酸化炭素や四フッ化炭素を使用している製品が多い。
　以下に、中性子位置検出器11において、クエンチングガスとして窒素が用いられていない理由を説明する。
　（理由１）
　中性子位置検出器11は、中性子ｎの位置検出を行うための検出器であるが、検出器性能の重要項目である位置検出の精度、すなわち位置分解能は、反応生成物である陽子ｐ、三重水素Ｔのガス23中での飛程に影響を受ける。
　図２(c)に示したように、電荷ｅは、陽子ｐ、三重水素Ｔが発生した位置Ａから停止するまでの範囲で発生する。陽子ｐ、三重水素Ｔは、質量およびエネルギが同じではないため、核反応が起きた位置Ａから停止するまでの飛程がそれぞれ異なっている。そのため、図３に示すように、陽子ｐ、三重水素Ｔによって作られた電荷ｅの重心は、核反応が起きた位置Ａよりも陽子ｐ側に寄る。したがって、核反応が起きた位置Ａと電荷ｅの重心とはずれることになる。また、陽子ｐと三重水素Ｔが飛び出す方向はランダムである。
　このことから、多数の中性子ｎが中性子位置検出器11の１点で反応したと仮定した場合、ガス23中にできる電荷ｅの重心は、１点とはならず、陽子ｐ、三重水素Ｔの飛程と相関のある範囲に広がることとなる。
　中性子位置検出器11を用いた中性子位置検出装置10では、中性子ｎの入射位置を検出するのに電荷ｅの重心を求めているため、陽子ｐ、三重水素Ｔの飛程が大きいほど、中性子ｎの入射位置の検出精度、つまり位置分解能に影響が生じることとなる。
　したがって、位置分解能を向上させるためには、陽子ｐ、三重水素Ｔの飛程を短くすればよいが、そのためには、添加ガスを重いガスにするか、もしくは添加ガスの分圧を増やす必要がある。
　しかしながら、窒素は、陽子ｐ、三重水素Ｔの飛程を短くする作用が小さい。図４の表に、ガス種類と陽子ｐ、三重水素Ｔの飛程との関係を示す。なお、図４の表には、０℃でのガス１気圧当たりの陽子ｐ、三重水素Ｔの飛程を示す。
　図４の表から分かるとおり、四フッ化炭素や二酸化炭素は陽子ｐ、三重水素Ｔの飛程を短くする効果が高く、中性子位置検出器11の添加ガスとしては優れていることがわかる。
　一方、窒素は、クエンチングガスとしては機能するものの、陽子ｐ、三重水素Ｔの飛程が長いため、陽子ｐ、三重水素Ｔの所望の飛程を得るためには分圧を高くする必要がある。
　（理由２）
　中性子位置検出器11の添加ガスとして窒素を添加した場合、四フッ化炭素や二酸化炭素と比べ、印加する動作電圧に対する出力電荷が著しく下がる。
　添加する窒素の分圧が高いほど、印加する動作電圧に対する出力電荷の割合が下がるため、所望の出力電荷を得るためには、より高い動作電圧を印加する必要がある。
　図５の表に、ガス種類と動作電圧との関係を示す。なお、図５の表には、例として、典型的な中性子位置検出器11の製品（陰極径φ１／２＝１２．７mm、陽極径φ１１μm、３Ｈｅガスの圧力２０atm）において、添加ガスを１atm増やしたときの動作電圧の増加分を示す。
　図５の表から分かるとおり、窒素は、他のガスに比べて動作電圧が高くなる。中性子位置検出器11の動作電圧が高くなると、外囲器20と陽極21との間で放電が発生するおそれや、処理回路13に用いられる素子の耐電圧を超えるおそれがあるなどの問題が発生する。
　以上の理由１、２から、中性子位置検出器11の添加ガスとして窒素を添加する場合、クエンチングガスとしては機能するが、陽子ｐ、三重水素Ｔの飛程を短くする能力が弱く、そこで、陽子ｐ、三重水素Ｔの飛程を短くするために窒素の分圧を高くすると、今度は動作電圧が高くなってしまう。したがって、これまでは、中性子位置検出器11の添加ガスとしては、窒素は製品に適用されてこなかった。
　それに対して、本実施形態の中性子検出器11では、添加ガスに、クエンチングガスとして窒素、および、中性子ｎと３Ｈｅガスの反応生成物である陽子ｐ、三重水素Ｔの飛程を短くするガスとしてアルゴンを含んでいる。
　窒素については、前述のとおり中性子位置検出器11では、陽子ｐ、三重水素Ｔの飛程の長さや動作電圧の高さでクエンチングガスとして用いられてはいないが、窒素のメリットとして、その寿命の長さがあげられる。窒素の分子の三重結合は、二酸化炭素の二重結合、四フッ化炭素の一重結合よりも結合エネルギが大きく、壊れにくい特徴を有している。
　そして、陽子ｐ、三重水素Ｔの飛程の長さや動作電圧の高さといった窒素のデメリットは、窒素とともにアルゴンも添加することで解消する。
　この場合、窒素の分圧は、中性子位置検出器11の実使用上、外囲器20の内径をｄ［cm］、窒素の分圧をｐＮ２［atm］とすると、ｄ×ｐＮ２＞０．０３［atm・cm］の関係を有することが好ましい。外囲器20の内径が細いと、紫外線を短い距離で吸収しなければならないことから、内径が細い場合は窒素の分圧を高くする必要がある。窒素の分圧が、上記式で求められる分圧より低い場合、紫外線の吸収が十分ではなく、動作が不安定になり、あるいは低い電圧で放電が起こる可能性がある。
　また、アルゴンについては、図４の表から分かるとおり、陽子ｐ、三重水素Ｔの飛程は、窒素とほぼ同等である。
　しかし、アルゴンと窒素では同じ出力電荷が得られる印加電圧は大幅に異なる。図５の表から分かるとおり、アルゴンと窒素を同じ分圧で添加した場合、動作電圧に対する影響は、アルゴンは窒素の１／３程度である。したがって、陽子ｐ、三重水素Ｔの飛程を短くするための添加ガスとして、アルゴンは窒素より優れている。つまり、陽子ｐ、三重水素Ｔの飛程を短くするためにアルゴンの分圧を高くしても、動作電圧に対する影響が少ない。この場合、陽子ｐ、三重水素Ｔの飛程を短くするために、アルゴンの分圧は窒素の分圧よりも高い関係にあることが好ましい。
　ただし、アルゴンは、窒素と比べると、ガンマ線の感度が高くなるデメリットもあり、また動作電圧への影響が全く無視できるほど小さくはないので、無制限に分圧を高くできるわけではない。また、アルゴンの分圧が高い方が陽子ｐ、三重水素Ｔの飛程は短くなるが、中性子位置検出器11の位置分解能は、陽子ｐ、三重水素Ｔの飛程だけで決まるわけではなく、電気回路系の熱雑音、プリアンプのＳ／Ｎ比の影響もあり、アルゴンの分圧を高くするだけで無制限に位置分解能が良くなるわけではない。一方、アルゴンの圧力が低すぎると、陽子ｐ、三重水素Ｔの飛程が短くならず、中性子位置検出器11で重要な位置分解能がよくならない。
　したがって、アルゴンの分圧は、実使用上、適当な範囲があり、１～３atmとすることが好ましい。陽子ｐ、三重水素Ｔの飛程の合計は、概ね圧力に反比例し、アルゴンの１atmでは１３mm、３atmでは４．３mmである。一方、中性子位置検出器11の実使用上の位置分解能は、４mmから２０mmの範囲であり、アルゴンを１～３atmとすれば、実際に位置分解能の改善が有意に表れる。この範囲よりアルゴンの分圧を高くすると、陽子ｐ、三重水素Ｔの飛程は短くなるが、他の要因（電気回路の熱雑音等）の要因が勝り、位置分解能は改善せず、ガンマ線の感度が高くなり、また動作電圧が上がり、デメリットだけが顕著になる。一方、この範囲よりアルゴンの分割が低い場合は、アルゴンの添加の効果が小さく、得られるメリットが乏しくなる。
　以上のように、本実施形態の中性子位置検出器11では、添加ガスに、クエンチングガスとして窒素、および、中性子ｎと３Ｈｅガスの反応生成物である陽子ｐ、三重水素Ｔの飛程を短くするガスとしてアルゴンを含むことにより、中性子ｎの入射位置の検出精度である位置分解能を確保したまま、長寿命化できる。
　本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (4)

  1. 　陰極となる管状の外囲器と、
    　前記外囲器内の軸心に配置された陽極と、
    　３Ｈｅガスおよび添加ガスを含み、前記外囲器内に封入されたガスと、
    　を備え、
    　前記添加ガスは、クエンチングガスとして窒素、および、中性子と前記３Ｈｅガスの反応生成物の飛程を短くするガスとしてアルゴンを含む
    　ことを特徴とする中性子位置検出器。
  2. 　前記外囲器の内径をｄ［cm］、前記窒素の分圧をｐＮ２［atm］とすると、
    　ｄ×ｐＮ２＞０．０３の関係を有する
    　ことを特徴とする請求項１記載の中性子位置検出器。
  3. 　前記３Ｈｅに添加する前記アルゴンの分圧は、前記窒素の分圧よりも高い
    　ことを特徴とする請求項１または２記載の中性子位置検出器。
  4. 　前記３Ｈｅに添加する前記アルゴンの分圧は、１～３［atm］の範囲にある
    　ことを特徴とする請求項１ないし３いずれか一記載の中性子位置検出器。
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