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技術 シンチレータアレイ

出願人 株式会社東芝東芝マテリアル株式会社
発明者 福田幸洋足達祥卓中島信昭日塔光一
出願日 2017年4月4日 (4年5ヶ月経過) 出願番号 2018-510617
公開日 2019年2月14日 (2年6ヶ月経過) 公開番号 WO2017-175763
状態 特許登録済
技術分野 X線可視像変換
主要キーワード 散乱中性子 単位グリッド 透過撮影 キャピラリープレート 炭化ボロン 原子数割合 白色セラミックス 原子数密度
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (12)

課題・解決手段

シンチレータアレイは、一方向に沿って延在し、中性子と反応して放射線を放出する反応部と、一方向に沿って延在し且つ反応部を挟持し、放射線に応じて光を発するシンチレータ部と、一方向に沿って延在し、光を反射する反射部と、を備える積層体具備する。積層体は、光を反射部で反射させながらシンチレータ部の内部を伝搬させてシンチレータ部の外部に導出する。

概要

背景

従来から、中性子透過撮影、中性子イメージング中性子散乱実験などに用いる各種の中性子検出器(中性子二次元検出器)が提案されている。現在、世界各国において、各種の物質の物性研究や原子核に関する基礎実験のために、新しい大強度パルス中性子源建設が進行中である。

一般的な中性子の検出器としては、He(ヘリウム)の同位体である3He(He−3ともいう)ガスを用いた検出効率が高いHe−3ガス検出器や中性子と直接または二次的に反応して発光するシンチレータを用いたシンチレーション検出器が知られている。

中性子は電荷を有していないため、中性子を検出するためには、中性子と反応し荷電粒子あるいはガンマ線などに変換するコンバータを必要とする。中性子コンバータとしては、中性子吸収断面積が大きな3He、6Li(Li−6ともいう)、10B(B−10ともいう)、113Cd(Cd−113)、155Gd(Gd−155ともいう)、157Gd(Gd−157ともいう)等を用いた中性子コンバータが知られているが、現在は、ガンマ線に対して低感度であるという理由から、He−3ガスを用いた中性子検出器であるHe−3ガス検出器が用いられている。また、エネルギーが高い高速中性子熱外中性子(別名エピサーマル)を効率良く検出するために、中性子検出器の周りポリエチレンなどの中性子減速材で覆う構成も検討されている。

シンチレーション検出器は、高い計数能力を有するが、固体のため密度が大きくなり、ガンマ線に対する感度が高い。中性子を高計数率で検出するには、蛍光寿命が短い中性子検出用シンチレータを用いることが不可欠である。このため、Li2B4O7単結晶からなるシンチレータを中性子検出に用い、その蛍光特性光電子増倍管とを組み合わせた中性子検出器が開発されている。中性子検出あるいは中性子イメージングに不可欠なガンマ線による影響を軽減するためには、軽元素から構成されるシンチレータが好ましい。Li、B、およびOはいずれも軽元素であるため、Li2B4O7単結晶からなるシンチレータは、上記要求を満足する。

中性子シンチレータの例として、従来の中性子シンチレータに比べてより薄く、かつ、従来のLiベースシンチレータに比べてガンマ線感度や位置分解能の点で優れた中性子シンチレータが開発されている。これは、BおよびLiを主構成要素として含む酸化物にCeを添加して形成されたガラス出発原料として、Li2B4O7とCeO2とを混合した後に、少なくとも950℃以上の温度で加熱して1時間以上保持した後に、800〜400℃の温度の間を150℃/sec以上の速度で冷却して製造することができる。

ガンマ線感度が低いと見積もられる軽元素のみで構成されたLiBO3およびLi2B4O7化合物は、中性子による発光が極めて小さい。これらにCeを添加した単結晶では、結晶中に固溶するCeは極めて少量であり、中性子による発光が小さく、中性子イメージング用または中性子ラジオグラフィ用の二次元検出器として使用することは難しい。

LiおよびBは、中性子検出に数MeVの荷電粒子生成反応を用いるため、ガンマ線感度に関係なく、シンチレータ素材選別することができる。特に、Bは、同量のLiに対して約4倍の中性子検出効率が期待できるため、より薄いシンチレータを作製することができる。このシンチレータはガンマ線感度や位置分解能の点で非常に有利であるため、理想的な中性子コンバータである。しかしながら、Bは、生成される荷電粒子エネルギーが市販のLiガラス(Li−Glass)の半分程度であり、発光出力の点では不利とみなされており、従来の中性子シンチレータの殆どは、Liをコンバータとして用いている。

現在実用化されている代表的な中性子シンチレータとしては、例えば、LiF/ZnSを用いた中性子シンチレータが挙げられる。この中性子シンチレータは、高い発光量を有し、取り扱いにも優れるが、不透明で検出効率や計数能力に限界がある。

精細なイメージングを行う場合の分解能は、反応体とシンチレータを合わせて発光する際の広がりや、その光をイメージングする光学系や撮像素子の分解能に依存する。最近では、撮像系に用いられるCharge Coupled Device(CCD)やComplementary Metal Oxide Semiconductor(CMOS)素子飛躍的に高画素化されているため、主に反応膜とシンチレータの構成が分解能を決めていると考えられる。すなわち、反応膜で中性子と反応して荷電粒子が発生し、その荷電粒子とシンチレータが反応して発光する場合、荷電粒子の飛ぶ距離(飛程)とシンチレータで発光した光の拡散距離が、分解能に関わるボケの有無を決定する要因の一つである。

分解能を向上させるためには、反応膜を薄くし、発生する二次荷電粒子の飛程を短くする必要がある。LiF/ZnSの場合、Liが中性子と反応し、アルファ(α)線を出し、そのアルファ線ZnS蛍光体を発光させる。実際の構成は、LiF/ZnSが粒状性粉末であり、多くの場合、基板であるAl板上にLiF/ZnS粉末有機バインダで塗布して固めた構成となっている。

中性子と反応するLiは、反応効率を高めるために通常Li−6が用いられるが、バインダなど含め全体に占める原子数密度が少ないため、塗布された厚さは数百μm程度となっている。そのため、分解能はこの塗布された厚さで決まり、高くはない。特に中性子のエネルギーが高くなるとLi−6との反応割合はさらに少なくなり、効率も悪くなる。反応割合を高くするために厚さを厚くすることが考えられるが、LiF/ZnSは不透明で発光した光がLiF/ZnSで散乱して透過しないため厚くしても効率が上がらない。

これらを解決する方法として、厚さ方向に貫通する複数の開口部を有し、これら複数の開口部内に中性子と反応する液体シンチレータ充填したキャピラリープレートと、イメージング検出器とから中性子検出器を構成し、シンチレーション光計測する二次元検出器が提案されている。しかし、キャピラリープレート部分は反応せず、この部分は中性子が抜けてしまうため、高精細で高効率な二次元検出器とはならない。全てのキャピラリープレートの穴の中に均一にシンチレータを保持することは製造上も難しく未だ実用化には至っていない。

一方、高精細を実現し、感度を高めるために反応膜とシンチレータを組み合わせ、シンチレータの光を光電変換膜電子に変換し、増幅するイメージインテンシファイア(または電子増倍管)も開発されている。しかし、この構造は、高精細にするため、反応膜が5μm程度しかなく、中性子との反応効率がB−10の場合で約10%程度であり、残りの90%の中性子は透過して利用されない。さらに中性子のエネルギーが高くなると反応効率はさらに小さくなる。このため、高精細ではあるが反応効率が悪く、中性子発生数が少ない(フラックスが小さい)場合には、時間をかけて積算しなければならない。

上述したように、中性子を用い、物質や構造内部の状況を透過して非破壊で高精細、かつ高感度のイメージングを実現し、散乱中性子を二次元で検出するために、特に高エネルギーの中性子を高精細かつ高効率で検出することが可能な中性子検出器の開発が望まれている。

概要

シンチレータアレイは、一方向に沿って延在し、中性子と反応して放射線を放出する反応部と、一方向に沿って延在し且つ反応部を挟持し、放射線に応じて光を発するシンチレータ部と、一方向に沿って延在し、光を反射する反射部と、を備える積層体具備する。積層体は、光を反射部で反射させながらシンチレータ部の内部を伝搬させてシンチレータ部の外部に導出する。

目的

上述したように、中性子を用い、物質や構造内部の状況を透過して非破壊で高精細、かつ高感度のイメージングを実現し、散乱中性子を二次元で検出するために、特に高エネルギーの中性子を高精細かつ高効率で検出することが可能な中性子検出器の開発が望まれている

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

一方向に沿って延在し、中性子と反応して放射線を放出する反応部と、前記一方向に沿って延在し且つ前記反応部を挟持し、前記放射線に応じて光を発するシンチレータ部と、前記一方向に沿って延在し、前記光を反射する反射部と、を備える積層体具備し、前記積層体は、前記光を前記反射部で反射させながら前記シンチレータ部の内部を伝搬させて前記シンチレータ部の外部に導出する、シンチレータアレイ

請求項2

前記反応部は、前記一方向および前記一方向と交差する第2の方向に沿って延在して前記シンチレータ部を分割する、請求項1に記載のシンチレータアレイ。

請求項3

前記反応部は、前記一方向および前記一方向と交差する第2の方向に沿って延在して前記シンチレータ部を分割する第1の反応部と、前記一方向および前記一方向と交差し且つ前記第2の方向と交差する第3の方向に沿って前記シンチレータ部を分割する第2の反応部と、を含む、請求項1に記載のシンチレータアレイ。

請求項4

井桁状に積層された複数の前記積層体を備える、請求項1に記載のシンチレータアレイ。

請求項5

前記第1の方向は、前記中性子の入射方向に対して傾斜している、請求項1に記載のシンチレータアレイ。

請求項6

前記反応部は、10B4C、B4C、B、10B、6Li、Li、6LiF、LiF、Li2B4O7、およびLiBO3の少なくとも一つを含む、請求項1に記載のシンチレータアレイ。

請求項7

前記シンチレータ部は、単結晶シンチレータ水素原子を有するプラスチックシンチレータ、水素原子を有する樹脂層で挟まれたガラスシンチレータ多結晶体シンチレータ、および希土類酸硫化物蛍光体またはガーネットを含むセラミックスシンチレータの少なくとも一つを含む、請求項1に記載のシンチレータアレイ。

請求項8

前記シンチレータ部は、プラセオジムテルビウムユーロピウムセリウムジルコニウム、およびリンから選ばれる少なくとも1つをさらに含む、請求項7に記載のシンチレータアレイ。

請求項9

前記ガーネットは、一般式Y3Al5O12:Ce、一般式(Y:Gd、Lu)3(Al,Ga)5O12:Ce、一般式(Y:Gd、Lu)3(Al,Ga)5O12:Tb、または一般式(Gd,Lu)3(Al,Ga)5O12:Ceで表される材料を含む、請求項7に記載のシンチレータアレイ。

請求項10

前記単結晶シンチレータは、一般式Gd2SiO5:Ce、一般式Bi4Ce3O12、または一般式Lu2SiO5:Ceで表される材料を含む、請求項7に記載のシンチレータアレイ。

請求項11

前記反射部は、アルミニウム白色セラミックスシリコン、白色ポリエチレンテレフタレート、および反射塗料の少なくとも一つを含む、請求項1に記載のシンチレータアレイ。

請求項12

前記積層体は、前記反応部と前記シンチレータ部との間に設けられ、アルミニウム、マグネシウム酸化ガドリニウム、白色セラミックス、およびシリコンの少なくとも一つを含み、前記光を反射する反射膜をさらに備える、請求項1に記載のシンチレータアレイ。

請求項13

前記積層体は、前記シンチレータ部と前記反射部との間に設けられ、熱中性子を吸収する吸収膜をさらに備える、請求項1に記載のシンチレータアレイ。

請求項14

前記吸収膜は、酸化ガドリニウムを含む、請求項13に記載のシンチレータアレイ。

請求項15

前記積層体の側面に沿って設けられ、前記中性子を透過し且つ前記光を反射する反射層と、前記反射層と前記積層体の側面との間に設けられ、前記中性子と反応して前記放射線を放出する反応層と、をさらに具備する、請求項1に記載のシンチレータアレイ。

技術分野

0001

本発明の実施形態は、シンチレータアレイに関する。

背景技術

0002

従来から、中性子透過撮影、中性子イメージング中性子散乱実験などに用いる各種の中性子検出器(中性子二次元検出器)が提案されている。現在、世界各国において、各種の物質の物性研究や原子核に関する基礎実験のために、新しい大強度パルス中性子源建設が進行中である。

0003

一般的な中性子の検出器としては、He(ヘリウム)の同位体である3He(He−3ともいう)ガスを用いた検出効率が高いHe−3ガス検出器や中性子と直接または二次的に反応して発光するシンチレータを用いたシンチレーション検出器が知られている。

0004

中性子は電荷を有していないため、中性子を検出するためには、中性子と反応し荷電粒子あるいはガンマ線などに変換するコンバータを必要とする。中性子コンバータとしては、中性子吸収断面積が大きな3He、6Li(Li−6ともいう)、10B(B−10ともいう)、113Cd(Cd−113)、155Gd(Gd−155ともいう)、157Gd(Gd−157ともいう)等を用いた中性子コンバータが知られているが、現在は、ガンマ線に対して低感度であるという理由から、He−3ガスを用いた中性子検出器であるHe−3ガス検出器が用いられている。また、エネルギーが高い高速中性子熱外中性子(別名エピサーマル)を効率良く検出するために、中性子検出器の周りポリエチレンなどの中性子減速材で覆う構成も検討されている。

0005

シンチレーション検出器は、高い計数能力を有するが、固体のため密度が大きくなり、ガンマ線に対する感度が高い。中性子を高計数率で検出するには、蛍光寿命が短い中性子検出用シンチレータを用いることが不可欠である。このため、Li2B4O7単結晶からなるシンチレータを中性子検出に用い、その蛍光特性光電子増倍管とを組み合わせた中性子検出器が開発されている。中性子検出あるいは中性子イメージングに不可欠なガンマ線による影響を軽減するためには、軽元素から構成されるシンチレータが好ましい。Li、B、およびOはいずれも軽元素であるため、Li2B4O7単結晶からなるシンチレータは、上記要求を満足する。

0006

中性子シンチレータの例として、従来の中性子シンチレータに比べてより薄く、かつ、従来のLiベースシンチレータに比べてガンマ線感度や位置分解能の点で優れた中性子シンチレータが開発されている。これは、BおよびLiを主構成要素として含む酸化物にCeを添加して形成されたガラス出発原料として、Li2B4O7とCeO2とを混合した後に、少なくとも950℃以上の温度で加熱して1時間以上保持した後に、800〜400℃の温度の間を150℃/sec以上の速度で冷却して製造することができる。

0007

ガンマ線感度が低いと見積もられる軽元素のみで構成されたLiBO3およびLi2B4O7化合物は、中性子による発光が極めて小さい。これらにCeを添加した単結晶では、結晶中に固溶するCeは極めて少量であり、中性子による発光が小さく、中性子イメージング用または中性子ラジオグラフィ用の二次元検出器として使用することは難しい。

0008

LiおよびBは、中性子検出に数MeVの荷電粒子生成反応を用いるため、ガンマ線感度に関係なく、シンチレータ素材選別することができる。特に、Bは、同量のLiに対して約4倍の中性子検出効率が期待できるため、より薄いシンチレータを作製することができる。このシンチレータはガンマ線感度や位置分解能の点で非常に有利であるため、理想的な中性子コンバータである。しかしながら、Bは、生成される荷電粒子エネルギーが市販のLiガラス(Li−Glass)の半分程度であり、発光出力の点では不利とみなされており、従来の中性子シンチレータの殆どは、Liをコンバータとして用いている。

0009

現在実用化されている代表的な中性子シンチレータとしては、例えば、LiF/ZnSを用いた中性子シンチレータが挙げられる。この中性子シンチレータは、高い発光量を有し、取り扱いにも優れるが、不透明で検出効率や計数能力に限界がある。

0010

精細なイメージングを行う場合の分解能は、反応体とシンチレータを合わせて発光する際の広がりや、その光をイメージングする光学系や撮像素子の分解能に依存する。最近では、撮像系に用いられるCharge Coupled Device(CCD)やComplementary Metal Oxide Semiconductor(CMOS)素子飛躍的に高画素化されているため、主に反応膜とシンチレータの構成が分解能を決めていると考えられる。すなわち、反応膜で中性子と反応して荷電粒子が発生し、その荷電粒子とシンチレータが反応して発光する場合、荷電粒子の飛ぶ距離(飛程)とシンチレータで発光した光の拡散距離が、分解能に関わるボケの有無を決定する要因の一つである。

0011

分解能を向上させるためには、反応膜を薄くし、発生する二次荷電粒子の飛程を短くする必要がある。LiF/ZnSの場合、Liが中性子と反応し、アルファ(α)線を出し、そのアルファ線ZnS蛍光体を発光させる。実際の構成は、LiF/ZnSが粒状性粉末であり、多くの場合、基板であるAl板上にLiF/ZnS粉末有機バインダで塗布して固めた構成となっている。

0012

中性子と反応するLiは、反応効率を高めるために通常Li−6が用いられるが、バインダなど含め全体に占める原子数密度が少ないため、塗布された厚さは数百μm程度となっている。そのため、分解能はこの塗布された厚さで決まり、高くはない。特に中性子のエネルギーが高くなるとLi−6との反応割合はさらに少なくなり、効率も悪くなる。反応割合を高くするために厚さを厚くすることが考えられるが、LiF/ZnSは不透明で発光した光がLiF/ZnSで散乱して透過しないため厚くしても効率が上がらない。

0013

これらを解決する方法として、厚さ方向に貫通する複数の開口部を有し、これら複数の開口部内に中性子と反応する液体シンチレータ充填したキャピラリープレートと、イメージング検出器とから中性子検出器を構成し、シンチレーション光計測する二次元検出器が提案されている。しかし、キャピラリープレート部分は反応せず、この部分は中性子が抜けてしまうため、高精細で高効率な二次元検出器とはならない。全てのキャピラリープレートの穴の中に均一にシンチレータを保持することは製造上も難しく未だ実用化には至っていない。

0014

一方、高精細を実現し、感度を高めるために反応膜とシンチレータを組み合わせ、シンチレータの光を光電変換膜電子に変換し、増幅するイメージインテンシファイア(または電子増倍管)も開発されている。しかし、この構造は、高精細にするため、反応膜が5μm程度しかなく、中性子との反応効率がB−10の場合で約10%程度であり、残りの90%の中性子は透過して利用されない。さらに中性子のエネルギーが高くなると反応効率はさらに小さくなる。このため、高精細ではあるが反応効率が悪く、中性子発生数が少ない(フラックスが小さい)場合には、時間をかけて積算しなければならない。

0015

上述したように、中性子を用い、物質や構造内部の状況を透過して非破壊で高精細、かつ高感度のイメージングを実現し、散乱中性子を二次元で検出するために、特に高エネルギーの中性子を高精細かつ高効率で検出することが可能な中性子検出器の開発が望まれている。

先行技術

0016

公表特許第2008/132849号

0017

実施形態が解決すべき課題は、高エネルギーの中性子を高精細かつ高効率で検出することが可能な中性子検出器に使用されるシンチレータアレイを提供することである。

0018

実施形態のシンチレータアレイは、一方向に沿って延在し、中性子と反応して放射線を放出する反応部と、一方向に沿って延在し且つ反応部を挟持し、放射線に応じて光を発するシンチレータ部と、一方向に沿って延在し、光を反射する反射部と、を備える積層体具備する。積層体は、光を反射部で反射させながらシンチレータ部の内部を伝搬させてシンチレータ部の外部に導出する。

図面の簡単な説明

0019

シンチレータアレイの構造例を示す図である。
図1に示すシンチレータアレイの構造例の一部の拡大図である。
シンチレータアレイの単位グリッドの構造例を示す斜視図である。
シンチレータアレイの単位グリッドの他の構造例を示す斜視図である。
シンチレータアレイの他の構造例を示す図である。
シンチレータアレイの他の構造例を示す図である。
シンチレータアレイの他の構造例を示す図である。
従来のシンチレータアレイの構造例を示す図である。
従来のシンチレータアレイの構造例を示す図である。
中性子エネルギーと中性子吸収断面積との関係を示す図である。
厚さと熱中性子透過率との関係を示す図である。

実施例

0020

以下、実施形態の中性子検出器に使用されるシンチレータアレイについて、図面を参照して説明する。

0021

図1は、実施形態に係る中性子検出器に使用されるシンチレータアレイの構造例を示す図である。図8図9は、従来の中性子検出器に使用されるシンチレータアレイの構造例を示す図である。

0022

図8に示すシンチレータアレイは、粒状シンチレータ8(例えばLiF/ZnS蛍光体)を備える。一般的に粒状シンチレータ8は、アルミニウム(中性子が透過しやすい材料)からなるアルミニウム基板10に、粒状シンチレータ8を固定するためおよび光3を効率良く透過させるために、透明なバインダ9を用いている。そして、このバインダ9によって、粒状シンチレータ8をアルミニウム基板10の表面に固定している。

0023

基本的な中性子検出のメカニズムは、以下のとおりである。中性子(n)1が、アルミニウム基板10を透過して、粒状シンチレータ8のLiと反応する。Liは、厳密にはLi−6であり、Li−6と中性子(n)1が反応してアルファ(α)線2が放出される。この反応を(n,α)と記載する。放出されたアルファ線2に応じて粒状シンチレータ8のZnS蛍光体は光3を発する。

0024

アルファ線2は、粒状シンチレータ8内で四方八方に放出され、約5μmから10μm程度の飛程(放射線の飛ぶ距離)を有する。粒状シンチレータ8の粒径は、このアルファ線2の飛程と略同じ大きさであり、光3は、粒状シンチレータ8内で吸収され減衰しながら、粒状シンチレータ8の外に出てくる。光3は、他の粒状シンチレータ8内を透過したり、粒状シンチレータ8で反射し、バインダ9内を透過し、中性子検出器の外に出てくる。中性子と反応するLi−6原子は、粒状シンチレータ8全体の中で占める原子数割合LiF/ZnSが1/4であり、バインダ9の原子数を考えると全体での反応効率は悪くなる。

0025

効率を高めるためには、粒状シンチレータ8の塗布層を厚くする必要がある。ただし、厚すぎると、中性子1が入射した側の光3は、粒状シンチレータ8内を透過し、粒状シンチレータ8で反射し、また、バインダ9内を透過して中性子検出器の外に出てくるため、光の透過率が悪くなり、さらに拡散して透過するため、解像度が低下する。

0026

実際イメージングに用いられているこの構成のシンチレータは、数百μm程度の厚さである。中性子のエネルギーが高い高速中性子では、Li−6との反応断面積が熱中性子と比べてさらに桁で小さくなる。そのため、反応効率を高めるためにはさらに厚さを増さなければならないため、さらに解像度が悪くなる。

0027

解像度を高めて輝度明るいイメージ画像を得る方法として、図9に示す方法が実用化されている。この方法では、中性子との反応体にはLi−6(熱中性子断面積:940バーン)と比べて熱中性子断面積が4倍大きいB−10(熱中性子断面積:3838バーン)を用いている。また、反応する原子数割合も反応層4では、4/5であり、さらに、バインダ無しで、蒸着で作製できるため、単位体積中に存在するB−10の割合も多く、厚さが薄くても効率を高めることができる。

0028

しかしながら、B−10も、Li−6と同様に(n,α)反応で放出されるアルファ線2の飛程は約4〜5μm程度であるため、5μmより厚くすると、中性子1との反応によって入射側で放出されたアルファ線2は、反応層4内を通りぬけてCsI蛍光体11にまで到達することができない。反応層4の厚さが5μmの場合、総合的に見ると熱中性子では約80%が透過してしまい、約20%程度しか有効に利用されていない。ただし、図8の構成の場合と比べて反応面での単位体積当たりの原子数密度は高く、反応膜が5μm程度であることから高精細なイメージングを可能にしている。

0029

アルファ線2に応じて透明度が高い針状のCsI蛍光体11は光3を発し、光3は光電変換膜13で電子12に変換される。電子12を増幅する構成により、変換と伝達効率が高くなり、図8に示す構成として撮像素子で撮影する場合と比べて約100倍以上の感度を得ることができる。ただし、縦軸を中性子吸収断面積、横軸を中性子エネルギーとした図10グラフに示すように、高エネルギーの中性子(高速中性子)の場合には、熱中性子と比較して中性子吸収断面積が2桁小さくなるため、反応割合が極端に小さくなってしまう。

0030

次に、図1および図2を参照して、実施形態にかかる中性子検出器に使用されるシンチレータアレイの構成について説明する。図1および図2は、実施形態にかかる中性子検出器に使用されるシンチレータアレイの検出部の構造例を示す断面模式図である。図1および図2に示すように、実施形態にかかる中性子検出器に使用されるシンチレータアレイは、中性子1の入射側に位置する反射層6を具備する。この反射層6に隣接して、中性子1の入射方向に沿って各層が延在する多段積層構造が構成されている。

0031

すなわち、実施形態のシンチレータアレイは、中性子と反応して放射線を放出する反応層4を有する反応部と、放射線に応じて光を発するシンチレータ層5を有するシンチレータ部と、シンチレータ層5からの光を反射する反射層6を有する反射部と、を備える積層体を具備する。積層体は、シンチレータ部からの光を反射部で反射させながらシンチレータ層5の内部を伝搬させてシンチレータ部の外部に導出することができる。

0032

上記の積層構造が、さらに多数積層されて、中性子検出器に使用されるシンチレータアレイの検出部が構成されている。本実施形態では、上記の積層構造において、反応層4等の各層は、中性子1の入射方向に対して、傾斜する方向に沿って延在する。図1および図2において、反応層4等の各層は、前端側(図中左側)よりも後端側(図中右側)が高い。

0033

反応層4は、10B4C(濃縮ボロンを含む炭化ボロン)、B4C、B、10B、6Li、Li、6LiF、LiF、Li2B4O7、およびLiBO3の少なくとも一つを含む蒸着膜等を用いて構成されてもよい。反応層4の厚さ(図1および図2における上下方向の長さ)が、例えば4〜5μm程度とされている。反応層4は、中性子1と反応し、放射線(アルファ線2)を放出する。反応層4は、反射層6上に蒸着により形成されてもよい。

0034

シンチレータ層5は、例えば中性子1の入射方向に沿って延在し、反応層4を中性子の入射方向に沿って内部に延在させて含む。すなわち、シンチレータ層5を有するシンチレータ部は、反応層4を有する反応部を挟持する。複数のシンチレータ層5により反応層4を挟持してもよい。

0035

シンチレータ層5は、反射層6に隣接して、例えば中性子1の入射方向に沿って延在するように配設されている。シンチレータ層5の厚さ(図1および図2における上下方向の長さ)は、5μm以上、例えば数10μmから100μm程度である。シンチレータ層5は、反応層4内で放出されたアルファ線2に応じて光3を発する。

0036

シンチレータ層5は、単結晶シンチレータ水素原子を有するプラスチックシンチレータ、水素原子を有する樹脂層で挟まれたガラスシンチレータ多結晶体シンチレータ、希土類酸硫化物蛍光体またはガーネットを含むセラミックスシンチレータのいずれか1種から構成される。シンチレータ層5は、プラセオジムテルビウムユーロピウムセリウムジルコニウム、およびリンから選ばれる少なくとも一種付活剤として含有してもよい。

0037

ガーネットは、例えば一般式Y3Al5O12:Ce、一般式(Y:Gd、Lu)3(Al,Ga)5O12:Ce、一般式(Y:Gd、Lu)3(Al,Ga)5O12:Tb、一般式(Gd,Lu)3(Al,Ga)5O12:Ceのいずれか一種で表される材料により構成されてもよい。また、単結晶シンチレータは、一般式Gd2SiO5:Ce、一般式Bi4Ce3O12、または一般式Lu2SiO5:Ceで表される材料により構成されてもよい。

0038

反射層6は、中性子の入射方向に沿って反応層4を内部に延在させて含むシンチレータ層5の周囲に延在する。反射層6の厚さ(図1および図2における上下方向の長さ)は、5μm以上であることが好ましい。反射層6は、中性子1の入射方向に沿って延在し、光を反射する。

0039

反射層6は、例えばアルミニウム、AlN(窒化アルミニウム)などの白色セラミックスシリコン、白色ポリエチレンテレフタレート(PET)、および反射塗料の少なくとも一つを含んでいてもよい。

0040

実施形態において、この多段積層構造は、上記の通り反応層4と、シンチレータ層5と、反射層6とからなる積層体を、繰り返し多段(例えば、数百〜数千段)に積層させることにより形成される。この多段積層構造は、中性子1の入射面側から見たときに、井桁状グリッド状)に、積層方向が90°異なるように交互に配設されてもよい。これによって、二次元的に拡がった中性子入射面を有する中性子検出器に使用されるシンチレータアレイの検出部(二次元中性子反応シンチレータ)が構成されている。

0041

単位グリッドを斜視図で表すと、シンチレータアレイは、反射層6で囲まれた単位グリッド内に、シンチレータ層5の内部に中性子の入射方向に沿って延在して含まれる反応層4が、シンチレータ層5の周囲に延在する反射層6の対向する1組の面と平行にシンチレータ層5の対向する面の厚みを2分する面に延在する構成(図3)を具備してもよい。図3に示す構成を具備する場合、反応層4を有する反応部は、中性子の入射方向に平行または中性子の入射方向に対して傾斜する第1の方向および第1の方向と交差する第2の方向に沿って延在してシンチレータ層5を有するシンチレータ部を分割する。また、複数の反射層6は、シンチレータ部を囲む。

0042

シンチレータアレイは、シンチレータ層5の内部に中性子の入射方向に沿って延在して含まれる反応層4が、シンチレータ層5の周囲に延在する反射層6の対向する2組の面とそれぞれ平行にシンチレータ層5の対向するそれぞれの組の面の厚みを2分する面に延在する構成(図4)を具備してもよい。図4に示す構成を具備する場合、反応層4を有する反応部は、上記第1の方向および上記第2の方向に沿って延在してシンチレータ層5を有するシンチレータ部を分割する第1の反応部と、上記第1の方向および上記第1の方向と交差し且つ上記第2の方向と交差する第3の方向に沿って延在してシンチレータ層5を有するシンチレータ部を分割する第2の反応部と、を含む。また、複数の反射層6は、シンチレータ部を囲む。

0043

反応層4は、黒色での光の反射率が低いため、反応層4とシンチレータ層5とを直接積層させると、シンチレータ層5内で発生した光3を効率良く伝送しにくい。そのため、別の実施形態としては、図5のように、反応層4が蒸着膜7によって挟まれたサンドイッチ構造により、蒸着膜7が光を反射する反射膜として作用し、この蒸着膜7による反射を利用してシンチレータ層5内で発生した光3を効率良く伝送することができ、外部に取り出すことができる。蒸着膜7は、厚さ(図1および図2における上下方向の長さ)が0.1μm〜0.5μm程度とされており、反応層4とシンチレータ層5との界面に蒸着によって形成されている。蒸着膜7は、アルミニウム、マグネシウム酸化ガドリニウム(Gd2O3)、白色セラミックス、シリコンのいずれか1種の蒸着膜を有することが好ましい。

0044

上記のように、本実施形態の中性子検出器に使用されるシンチレータアレイでは、反応層4を内部に延在して含むシンチレータ層5は、反射層6によって挟まれた構成となっている。反応層4の各点で(n,α)反応により放出されるアルファ線2に応じて、中性子1に対してほぼ垂直方向(4〜5μmの厚さ方向)に放出される成分が、シンチレータ層5で光3として発せられる。光3は、透明度が高いシンチレータ層5内を、反射層6によって反射しながら進み、外部に取り出すことができる。

0045

図11は、縦軸を透過率、横軸を厚さとした反応材質の厚さと熱中性子の透過率の関係を示す図である。図11に示すとおり、10B4Cの場合、厚さが50μmで90%程度の熱中性子が反応する。したがって、反応層4の長さ(図1および図2における左右方向の長さ)が50μm程度に調整することにより、90%程度の熱中性子と反応させることができる。

0046

厚さ5μm以上の反射層6は、図1および図2の反応層4において上下方向に出たアルファ線2を吸収し、反射層6で隔てられた上下側のシンチレータ層5での発光を阻止する。これによって、位置分解能を向上させている。

0047

本実施形態では、上記のように中性子1の入射方向に沿って反応層4が延在するように形成されている。そして、中性子1が、この反応層4に対して垂直ではなく、水平に近く、かつ、傾きを有して配設された反応層4内を、対角線上を移動するように進むため反応効率を大幅に向上させることができる。

0048

以上のとおり、本実施形態に係る中性子検出器に使用されるシンチレータアレイでは、中性子の利用効率を大幅に向上させることができるとともに、光を拡散させずに効率良く伝番することができる。これによって、中性子を効率良く検出して高精細なイメージングが可能な中性子検出器に使用されるシンチレータアレイを得ることができる。

0049

次に、図6を参照して他の実施形態のシンチレータアレイについて説明する。本実施形態のシンチレータアレイは、中性子入射側(図6中左側)に、中性子入射面(例えば積層体の側面)に沿って延在するように、厚さが5μm以上の反射層6と、反応層4と、厚さが0.1μm〜0.5μm程度の蒸着膜7と、を備える。反射層6、反応層4、および蒸着膜7の説明としては、上記反射層6、反応層4、および蒸着膜7の説明を適宜援用することができる。また、その他の図1および図2に示す実施形態と同一の部分には同一の符号を付して重複した説明は省略する。

0050

図6に示す実施形態の中性子検出器に使用されるシンチレータアレイでは、図2に示すシンチレータにおける作用、効果に加えて、中性子入力面における中性子1との反応効率を高めることができる。これによって、中性子検出器の中性子が透過する方向(図6における左右方向)のサイズを短くコンパクトにすることができる。

0051

次に、図7を参照して、高速中性子の測定に好適な実施形態にかかる中性子検出器に使用されるシンチレータアレイについて説明する。この実施形態の中性子検出器に使用されるシンチレータアレイではプラスチックシンチレータ、水素を含まないガラスシンチレータや結晶シンチレータ、または希土類酸硫化物蛍光体またはガーネットなどのセラミックスシンチレータの場合には水素を含む樹脂に覆われたシンチレータ等をシンチレータ層5に使用し、シンチレータ層5と反射層6との間に熱中性子を吸収するための蒸着膜15(厚さ5μm以上)を設け、蒸着膜15を熱中性子を吸収する吸収膜として作用され、蒸着膜15とシンチレータ層5との間に光の反射用として蒸着膜7を形成した構成とする。蒸着膜15は、例えば酸化ガドリニウム(Gd2O3)を含む。

0052

図7に示すシンチレータアレイは、高速中性子14の入射側(図7中左側)に、高速中性子14の入射面に沿って延在するように、厚さが5μm以上とされた反射層6と、反応層4と、厚さが0.1μm〜0.5μm程度とされた光の反射用として蒸着膜7とを具備する。なお、他の部分については、図1および図2に示した実施形態と同様に構成されているので、対応する部分には同一の符号を付して重複した説明は省略する。

0053

図7に示すシンチレータアレイにおいて、高エネルギー成分の中性子である高速中性子14は、反応層4内で反応して、反応層4がアルファ線2を放出し、このアルファ線2がシンチレータ層5内で反応し、シンチレータ層5が光3を発する。ただし、反応層4内での(n,α)反応は、中性子のエネルギーが高くなると、縦軸を中性子吸収断面積、横軸を中性子エネルギーとした図10のグラフに示す濃縮硼素の中性子吸収断面積の線のように吸収断面積が桁のオーダーで減衰する。すなわち、反応確率(効率)が悪くなる。このため、反応層4の長さ(図7における左右方向の長さ)を熱中性子の場合より桁のオーダーで長くする必要が生じる。

0054

本実施形態では、中性子との反応で特に中性子エネルギーに対してほぼ一定の割合で散乱する水素に着目し、シンチレータ層5を用いて高速中性子14を水素等で減速させる。高速中性子14が減速されて生じる中性子1は、シンチレータ層5から等方向に拡散する。反応層4で中性子1が反応し、アルファ線2が放出され、このアルファ線2がシンチレータ層5と反応して光3が発生する。

0055

シンチレータ層5の上側の反応層4で、高速中性子14から減速された中性子1が反応してしまうと、上下のシンチレータ層5で発光が起き光3を出すために分解能が悪くなる。そこで、シンチレータ層5の上側の反応層4と反応しないように、反射層6の上に熱中性子領域で吸収断面積が大きいガドリニウム(Gd)を含む蒸着膜15を設けることで、下側の中性子の回り込みを防ぐことができる。

0056

以上説明したとおり図7の例の実施形態では、特に高エネルギーの中性子の場合には、反応層4との反応距離が長くなるため、シンチレータ層5の水素原子で高速中性子14が減速されて生じる中性子1を反応層4と反応させる。中性子1の飛程は数センチ以上であり拡散してしまうため、蒸着膜15(厚さ5μmから数10μm程度)を反射層6の一方の側(図7中下側)に形成することで、拡散する高速中性子14から減速された中性子1を吸収させる。これによって、検出効率を高めながら検出器の分解能を向上させることができる。蒸着膜15とシンチレータ層5との界面には光の反射用として蒸着膜7を形成している。

0057

以上、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、特許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。

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