特開 2021-169956 中性子位置検出器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2021-169956(P2021-169956A)

(43)【公開日】2021年10月28日

(54)【発明の名称】中性子位置検出器

(51)【国際特許分類】

   G01T 3/00 20060101AFI20211001BHJP

   H01J 47/12 20060101ALI20211001BHJP

   H01J 47/06 20060101ALI20211001BHJP

【ＦＩ】

   G01T3/00 C

   H01J47/12

   H01J47/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2020-72928(P2020-72928)

(22)【出願日】2020年4月15日

(71)【出願人】

【識別番号】503382542

【氏名又は名称】キヤノン電子管デバイス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100092565

【弁理士】

【氏名又は名称】樺澤 聡

(74)【代理人】

【識別番号】100112449

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 哲也

(74)【代理人】

【識別番号】100062764

【弁理士】

【氏名又は名称】樺澤 襄

(72)【発明者】

【氏名】石澤 和哉

(72)【発明者】

【氏名】疋田 憲之

【テーマコード（参考）】

2G188

5C038

【Ｆターム（参考）】

2G188AA27

2G188BB09

2G188CC03

2G188CC05

2G188DD10

2G188EE06

2G188EE39

5C038DD02

5C038DD03

5C038DD04

5C038DD10

(57)【要約】

【課題】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。
【解決手段】中性子位置検出器11は、陰極となる管状の外囲器20と、外囲器20内の軸心に配置された陽極21と、^３Ｈｅガスおよび添加ガスを含み、外囲器20内に封入されたガス23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。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項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。

【請求項2】

前記外囲器の内径をｄ［cm］、前記窒素の分圧をｐ_Ｎ２［atm］とすると、
ｄ×ｐ_Ｎ２＞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。

【請求項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。

【請求項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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【0004】

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。

【0005】

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。

【0006】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特許第６２２８３４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

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。

【課題を解決するための手段】

【0009】

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。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】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。

【図2】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。

【図3】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。

【図4】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。

【図5】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。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、一実施形態を、図面を参照して説明する。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

^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。

【0019】

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ｐ_Ｎ２［atm］とすると、ｄ×ｐ_Ｎ２＞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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

そして、中性子位置検出装置10の動作を説明する。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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（ＣＨ_４）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、四フッ化炭素（ＣＦ_４）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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

（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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

（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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

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。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

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ｐ_Ｎ２［atm］とすると、ｄ×ｐ_Ｎ２＞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。

【0054】

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。

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

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。

【符号の説明】

【0060】

11 中性子位置検出器
20 外囲器
21 陽極
23 ガス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】