特許 6377502 中性子測定装置および中性子測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6377502

(24)【登録日】2018年8月3日

(45)【発行日】2018年8月22日

(54)【発明の名称】中性子測定装置および中性子測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01T 3/00 20060101AFI20180813BHJP

   G01T 3/06 20060101ALI20180813BHJP

【ＦＩ】

   G01T3/00 C

   G01T3/06

【請求項の数】13

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2014-234570(P2014-234570)

(22)【出願日】2014年11月19日

(65)【公開番号】特開2016-99161(P2016-99161A)

(43)【公開日】2016年5月30日

【審査請求日】2017年7月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001092

【氏名又は名称】特許業務法人サクラ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】久米 直人

(72)【発明者】

【氏名】加藤 昌代

(72)【発明者】

【氏名】宮寺 晴夫

(72)【発明者】

【氏名】浅野 和仁

【審査官】 右▲高▼ 孝幸

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０８−１２２４４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−１６３１８７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｔ ３／

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

中性子を捕獲して放射線を発生する中性子捕獲ガスと、前記放射線との相互作用により光を発生するシンチレータガスとを内包して開口が形成されるとともに、前記放射線との相互作用により光を発生する物質を内表面に用いた少なくとも１つの容器と、
前記開口に取り付けられて前記容器とともに密閉空間を形成し、前記シンチレータガスが発生した光を導く集光部材と、
前記集光部材の外部に設けられて前記集光部材からの光を検出する光検出部と、
を備えることを特徴とする中性子測定装置。

【請求項2】

前記中性子捕獲ガスは、少なくとも２つ以上の中性子捕獲ガスを含み、当該２つ以上のそれぞれの中性子捕獲ガスの中性子捕獲断面積が最大となるエネルギー領域は互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の中性子測定装置。

【請求項3】

前記中性子捕獲ガスは、中性子との相互作用によって荷電粒子を生成せず捕獲ガンマ線を生成するものを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の中性子測定装置。

【請求項4】

前記中性子捕獲ガスは、クリプトン８３、キセノン１２９およびキセノン１３１のいずれかを含むことを特徴とする請求項３に記載の中性子測定装置。

【請求項5】

前記シンチレータガスは、前記中性子捕獲ガスを兼ねることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の中性子測定装置。

【請求項6】

前記中性子捕獲ガスは、中性子との相互作用によって荷電粒子および捕獲ガンマ線を生成するものを含むことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の中性子測定装置。

【請求項7】

前記中性子捕獲ガスは、ホウ素１０およびヘリウム３のいずれかを含むことを特徴とする請求項６に記載の中性子測定装置。

【請求項8】

前記物質は、合成石英、ホウケイ酸ガラス、タリウム活性化ヨウ化ナトリウム、およびゲルマニウム酸ビスマスのいずれかを含むことを特徴とする請求項１に記載の中性子測定装置。

【請求項9】

前記光検出部は前記容器の内部空間で発生した内部空間発生光とともに、当該容器において発生した容器部発生光を検出し、
エネルギー推定部は、少なくとも、前記内部空間発生光の発生と前記容器部発生光の発生が同時であるか否かを含む情報に基づき前記中性子のエネルギー領域を推定する、
ことを特徴とする請求項１または請求項８に記載の中性子測定装置。

【請求項10】

前記光検出部は、前記集光部材の外側に前記集光部材に沿って設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の中性子測定装置。

【請求項11】

前記集光部材と前記光検出部間を接続する光伝送部材をさらに有し、前記光は、当該光伝送部材を経由して前記光検出部に到達することを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載の中性子測定装置。

【請求項12】

測定対象の中性子のビームに対して互いに並列に配された複数の前記容器を有し、前記容器のそれぞれに収納されている前記中性子捕獲ガスは最大の中性子捕獲断面積を与えるエネルギー領域が互いに異なる核種を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか一項に記載の中性子測定装置。

【請求項13】

中性子を捕獲して放射線を発生する中性子捕獲ガスと前記放射線との相互作用により光を発生するシンチレータガスを内包するとともに、前記放射線との相互作用により光を発生する物質を内表面に用いた容器に中性子を照射する放射線生成ステップと、
前記シンチレータガスが前記放射線との相互作用で光を発生する光変換ステップと、
発生した前記光を、光検出部で検出する検出ステップと、
を有することを特徴とする中性子測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、中性子測定装置および中性子測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

中性子ビームを用いた材料検査やホウ素中性子捕獲療法（ＢＮＣＴ：Ｂｏｒｏｎ Ｎｅｕｔｒｏｎ Ｃａｐｔｕｒｅ Ｔｈｅｒａｐｙ）などでは、照射対象に入射する中性子ビームの状態を正確に把握しておく必要があり、事前に中性子ビームのプロファイルを測定する検出器が必要である。中性子ビームを計測する検出器としては、中性子に対する捕獲断面積の大きい^３Ｈｅや^１０Ｂを含んだガス検出器、シンチレータ検出器や、中性子に対する弾性散乱断面積の大きい水素を多く含む液体シンチレータ等を用いた検出器が存在する。これらは、中性子のエネルギーに応じて感度が変化するため測定対象の中性子エネルギーに適した検出器を選定して使用することができる。

【0003】

特に、熱外中性子等への感度が高い液体シンチレータやプラスチックシンチレータは、中性子とガンマ線を弁別することが可能であり、たとえば、アンフォールディング手法を用いることで中性子のエネルギーも測定可能である。

【0004】

しかし、これらの検出器は中性子を捕獲し検出するタイプとは異なり、中性子の多くが検出器内で散乱する。このため、照射対象に掃射される中性子ビームは、検出器を通過後、一部が方向を変えることにより検出器に入射する中性子ビームとは異なる強度となってしまうことが課題であった。

【0005】

上記課題に対して、測定対象に至る中性子ビームの通路に開口部を設け、開口部の周辺の中性子を測定しそのデータからビーム中心の中性子量を測定する手法が知られている。また、金の薄膜等の放射化量を評価することで中性子ビームへの影響を抑えることが可能な手法が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１４−１９０７５４号公報

【特許文献2】特開２００４−２３３１６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

中性子ビームへの影響をなくすことは可能であるが、実際に照射される中性子ビーム量の評価が困難であった。また、エネルギーの測定も困難である。特許文献２で言及されている技術では、中性子ビームへの影響は少なく薄膜の種類を変更することでエネルギー特性を評価できるが、オンライン測定が困難であるということが課題であった。

【0008】

本発明の実施形態は、上述した課題を解決するためのものであり、中性子ビームへの影響を抑えつつ、中性子をオンラインで測定可能とすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上述の目的を達成するため、本実施形態に係る中性子測定装置は、中性子を捕獲して放射線を発生する中性子捕獲ガスと、前記放射線との相互作用により光を発生するシンチレータガスとを内包して開口が形成されるとともに、前記放射線との相互作用により光を発生する物質を内表面に用いた少なくとも１つの容器と、前記開口に取り付けられて前記容器とともに密閉空間を形成し、前記シンチレータガスが発生した光を導く集光部材と、前記集光部材の外部に設けられて前記集光部材からの光を検出する光検出部と、を備えることを特徴とする。

【0010】

また、本実施形態に係る中性子測定方法は、中性子を捕獲して放射線を発生する中性子捕獲ガスと前記放射線との相互作用により光を発生するシンチレータガスを内包するとともに、前記放射線との相互作用により光を発生する物質を内表面に用いた容器に中性子を照射する放射線生成ステップと、前記シンチレータガスが前記放射線との相互作用で光を発生する光変換ステップと、発生した前記光を、光検出部で検出する検出ステップと、を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明の実施形態によれば、中性子ビームへの影響を抑えつつ、中性子をオンラインで測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】第１の実施形態に係る中性子測定装置を含めた構成を示す概念的ブロック図である。

【図2】第１の実施形態に係る中性子測定装置の検出用セルの縦断面図を含む構成図である。

【図3】第１の実施形態に係る中性子測定装置の中性子捕獲ガスに用いられる元素の中性子捕獲に関する特性を示す表である。

【図4】第１の実施形態に係る中性子測定装置のシンチレータガスに用いられる元素の特性を示す表である。

【図5】第１の実施形態に係る中性子測定方法の手順を示すフロー図である。

【図6】第２の実施形態に係る中性子測定装置の検出用セルの縦断面図を含む構成図である。

【図7】第３の実施形態に係る中性子測定装置の検出用セルの縦断面図を含む構成図である。

【図8】対ガンマ線中性子比のエネルギー依存性の例を示す概念的なグラフである。

【図9】第４の実施形態に係る中性子測定装置の検出用セルの縦断面図を含む構成図である。

【図10】第４の実施形態に係る中性子測定装置の作用を示す概念図であり、荷電粒子を生成する反応の場合を示す。

【図11】第４の実施形態に係る中性子測定装置の作用を示す概念図であり、中性子捕獲ガンマ線のみを生成する反応の場合を示す。

【図12】第５の実施形態に係る中性子測定装置の検出用セルの斜視図を含む構成図である。

【図13】複数核種の対ガンマ線中性子比のエネルギー依存性の例を示す概念的なグラフである。（ａ）はすべてが混合された場合の特性、（ｂ）はそれぞれの検出用セルにおける場合の特性を示す。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る中性子測定装置について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

【0014】

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る中性子測定装置を含めた構成を示す概念的ブロック図である。中性子測定装置１００は、中性子発生源１で生成されて、照射対象２に照射される中性子ビームを測定するものである。ここで、中性子発生源１は、たとえば、図１に示す加速器であり、あるいは、原子炉などがある。照射対象２は、たとえば、図１に示すようなＢＮＣＴによる治療を受ける患者の場合がある。あるいは、材料照射試験などの場合は、中性子照射を受ける材料の場合がある。

【0015】

中性子測定装置１００は、検出用セル１０、放射線種弁別部３０およびエネルギー推定部４０を有する。検出用セル１０は、中性子発生源１から照射対象２に発せられる中性子ビームＢＩの途中に設けられる。すなわち、中性子ビームＢＩが検出用セル１０に入射して検出用セル１０を通過し、中性子ビームＢＯとなって照射対象２に流れていく。

【0016】

図２は、検出用セルの縦断面図を含む構成図である。検出用セル１０は、容器１１、容器１１に形成された開口に取付けられて容器１１とともに密閉空間１８を形成する集光部材１２、および集光部材１２の外面に沿って設けられている側面型光検出部２０を有し、これらが一体に組み立てられている。

【0017】

容器１１は、一端が閉止された円筒形状で、他端が開放されている。容器１１の材料としては、中性子の吸収断面積、散乱断面積が小さい材料、あるいは減速効果が小さい材料が好ましい。たとえば、水素を多く含むプラスチック材料は減速効果が大きく好ましくない。あるいは、鉛などの重金属も好ましくない。また、内圧あるいは外圧に耐える範囲でできる限り薄いものが好ましい。

【0018】

容器１１の開放部分に集光部材１２が設けられている。集光部材１２は、光を透過し、かつ中性子の吸収断面積、散乱断面積が小さい材料、あるいは減速効果が小さい材料が好ましい。たとえば、透明ガラス等である。容器１１は、中性子捕獲ガス１３およびシンチレータガス１４を内包している。なお、容器１１の形状は、円筒形状には限らない。たとえば、多面体の一つの面が開放されている形状でもよいし、一部に開口を有する球殻形状でもよい。

【0019】

中性子捕獲ガス１３は、中性子に対する捕獲断面積が大きく反応により放射線を生ずる元素（中性子捕獲元素）を含む気体を用いる。中性子捕獲ガス用の元素としては、大別して２種類がある。１つ目は、中性子の捕獲反応によって、荷電粒子と捕獲ガンマ線を放出する元素である。２つ目は、荷電粒子を生ぜず、捕獲ガンマ線のみを生ずる元素である。中性子捕獲ガス１３は、これらのうち少なくとも１種類の元素を有する。

【0020】

シンチレータガス１４は、荷電粒子や捕獲ガンマ線などの放射線により発光する元素を含む気体である。このような元素としては、たとえば、ヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）およびキセノン（Ｘｅ）などがあり、シンチレータガス１４はこれらの元素のうち少なくとも一つを有する。以下、発生する可視光領域の光、遠紫外光、紫外光、赤外光、遠赤外光を含む光を「光」と総称する。

【0021】

中性子捕獲ガス１３およびシンチレータガス１４は、混合されて容器１１内に収納されている。封入したガスの圧力や、ガスの封入方法（封じ切り、連続置換）のいずれも対応可能である。

【0022】

側面型光検出部２０は、シンチレータガス１４の発光時間、発光量を測定するための検出器である。側面型光検出部２０は、入射する光を電気的なパルス信号に変換する。側面型光検出部２０としては、光電子増倍管（ＰＭＴｓ：Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ Ｔｕｂｅ）、シリコンＰＭＴ（Ｓｉ−ＰＭＴ）、フォトダイオード（ＰＤ：Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）などが使用可能である。あるいは電荷結合素子（ＣＣＤ：Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）／相補性金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ：Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の撮像素子など、光を電気信号として計測できるものであればいずれの種類でも、シンチレータガス１４の発光波長に対して感度を有するものであれば選定可能である。

【0023】

なお、容器１１の内部でシンチレータガス１４が発光したときには、光は周囲の空間に図中矢印の方向に等方的に進行する。この場合、集光部材１２の方向に直接に進行する光はその一部であるため、それ以外の光も集光部材１２の方向に集光させることが望ましい。このために、容器１１の内面には、図２に示すように、反射部材１６が設けられている。反射部材１６は、膜状の板を容器１１の内面に張り付けてもよいが、反射材を用いて容器１１の内面に蒸着等で形成してもよい。反射部材１６はシンチレータガス１４の種類に対応した材料のものを使用する。

【0024】

図２に示す放射線種弁別部３０は、側面型光検出部２０と信号ケーブル２５で接続されている。信号ケーブル２５は、側面型光検出部２０の電気的パルス信号を正確に伝送できるものであり、たとえば同軸ケーブルである。

【0025】

放射線種弁別部３０は、側面型光検出部２０で得られたパルス信号の波高値、時間幅等から測定対象の中性子の信号と、ガンマ線の信号を弁別する。測定対象の中性子の信号とガンマ線の信号とでは、中性子の反応により放出されるエネルギーが、中性子の反応以外による外部からのバックグラウンドのガンマ線のエネルギーとは異なることから、信号の波高値が異なる。また、波形も異なることから、これらを区別することができる。

【0026】

放射線種弁別部３０としては、パルス信号の波高値や時間幅を分析できる機能を備えたものであればいずれも適用可能である。例えば、フラッシュ型アナログ−ディジタル変換回路（Ｆｌａｓｈ Ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を用いて、波高値および時間推移を同時に計測することができる。あるいは、マルチチャンネルアナライザー（ＭＣＡ：Ｍｕｌｔｉ−ｃｈａｎｎｅｌ Ａｎａｌｙｚｅｒ）やＴＤＣ（Ｔｉｍｅ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を組み合わせたものでもよい。

【0027】

図２に示すエネルギー推定部４０は、パルス信号の波高値から中性子のエネルギーを算出する装置であり、中性子エネルギーに対応した検出器の応答をメモリ等で保存したものと測定結果を参照することでエネルギー分布を測定する。そのため、メモリと比較演算のできる機能がついている計算機等で対応可能である。メモリに保存するデータは、たとえば、校正試験時に後述する種々の核種の中性子捕獲反応時の応答データを測定して保存することにより取得可能である。あるいは、核種のデータハンドブック等から集積することもできる。

【0028】

次に、本実施形態の作用を説明する。中性子捕獲ガス１３およびシンチレータガス１４の混合ガスを内包する容器１１と集光部材１２の外側に設けられた側面型光検出部２０とを有する検出用セル１０が、中性子発生源１から照射対象２に発せられる中性子ビームＢＩの途中に設けられる。中性子は電荷をもっていないため物質に入射した場合、物質中の原子核との間で、弾性散乱、非弾性散乱、捕獲等の反応が発生する。これらの反応断面積は、中性子のエネルギーと物質の原子核の種類で決まる。中性子測定装置の場合、散乱で弾き飛ばされた荷電粒子であるたとえば陽子を測定する手法と、中性子と反応し生じた荷電粒子を測定する手法の大きく２つがある。どちらの手法の場合であっても、反応で生じた荷電粒子をシンチレータ方式の検出器、半導体式の検出器で計測することが可能である。本実施形態では、後者の方法である中性子の捕獲による反応を利用している。

【0029】

検出用セル１０に流入する中性子の一部は、容器１１内の中性子捕獲ガス１３中の中性子捕獲元素に捕獲される。図３は、中性子捕獲ガスに用いられる元素の中性子捕獲に関する特性を示す表である。それぞれ、１ｋｅＶのエネルギーの中性子の場合について示している。

【0030】

中性子の捕獲反応によって荷電粒子と捕獲ガンマ線が生成される元素としては、図３でＢ−１０と表示しているホウ素１０（Ｂ^１０）がある。Ｂ^１０の（ｎ，α）反応の反応断面積は、中性子のエネルギーが増大するにつれて小さくなり、１ｋｅＶのエネルギーの中性子の場合、反応断面積は約２０ｂａｒｎである。Ｂ^１０の（ｎ，α）反応によって、ヘリウム原子核すなわちアルファ線と、リチウム７および捕獲ガンマ線が生成される。放出されるアルファ線のエネルギーは２．５×１０^３ｋｅＶ、すなわち２．５ＭｅＶである。また、生成される捕獲ガンマ線のエネルギーは、４７８ｋｅＶである。

【0031】

また、荷電粒子を生ぜず捕獲ガンマ線のみを生ずる元素としては、キセノン１２９（Ｘｅ^１２９）およびキセノン１３１（Ｘｅ^１３１）がある。Ｘｅ^１２９は１ｋｅＶのエネルギーの中性子の場合、約２０００ｂａｒｎと大きな共鳴吸収断面積を有する。生成される捕獲ガンマ線のエネルギーは、５３６ｋｅＶである。Ｘｅ^１３１は１ｋｅＶのエネルギーの中性子の場合、約１０００ｂａｒｎの共鳴吸収断面積を有する。生成される捕獲ガンマ線のエネルギーは、６６８ｋｅＶである。

【0032】

図３には表示していないが、中性子の捕獲反応によって荷電粒子と捕獲ガンマ線が生成されるその他の元素として、ヘリウム３（Ｈｅ^３）は、中性子の捕獲反応によって、三重水素と反跳陽子および捕獲ガンマ線を生成する。この反応で放出されるエネルギーは０．７６４ＭｅＶである。また、リチウム６（Ｌｉ^６）は、中性子の捕獲反応によって、ヘリウム原子核（アルファ線）と三重水素および捕獲ガンマ線を生成する。この反応で放出されるエネルギーは４．７８ＭｅＶである。

【0033】

また、荷電粒子を生ぜず捕獲ガンマ線のみを生ずるその他の元素としては、たとえば、クリプトン８３（Ｋｒ^８３）がある。

【0034】

いま、中性子捕獲ガス１３がＢ^１０を含む化合物、たとえばＢＦ_３の場合、入射する中性子との間で（ｎ，α）反応が発生し、発生放射線としてアルファ線および捕獲ガンマ線が発生する。具体的には、Ｂ^１０の（ｎ，α）反応の２．５ＭｅＶのアルファ線と、Ｂ^１０の捕獲ガンマ線（４７７．５９５ｋｅＶ）、Ｘｅ^１２９の捕獲ガンマ線（５３６ｋｅＶ）やＸｅ^１３１の捕獲ガンマ線（６６７．７９ｋｅＶ）が生じる。Ｂ^１０の（ｎ，α）反応の反応断面積は、中性子のエネルギーが増大するにつれて小さくなるのに対し、たとえば、Ｘｅ^１２９では０．１ｋｅＶ〜２ｋｅＶ付近では共鳴ピークを持つため、０．１ｅＶにおける捕獲断面積より大きく、この領域の中性子に対してのみ高感度となる。

【0035】

これらの発生放射線の一部が容器１１内のシンチレータガス１４と反応し、シンチレータガス１４内の原子にエネルギーを付与し、付与されたエネルギーに応じた光が発生する。

【0036】

図４は、シンチレータガスに用いられ得る元素の特性を示す表である。それぞれ、４．７ＭｅＶのエネルギーのアルファ線に対する反応の場合を示している。なお、４．７ＭｅＶというエネルギーは、アルファ線源として一般的に用いられるアメリシウム２４１のアルファ線のエネルギーである。

【0037】

キセノンの場合、平均発光波長は３２５ｎｍ、波長２００ｎｍ以上の光子数で規定した発光量は３７００［１／α］である。同じく、クリプトンの場合、平均発光波長は３１８ｎｍ、発光量は２１００［１／α］、アルゴンの場合、平均発光波長は２５０ｎｍ、発光量は１１００［１／α］、ヘリウムの場合、平均発光波長は３９０ｎｍ、発光量は１１００［１／α］、窒素の場合、平均発光波長は３９０ｎｍ、発光量は８００［１／α］である。以上のように、発光量、発光波長はガスの種類によって異なる。以上の元素の場合は、光は、いずれも紫外光である。

【0038】

発生した光は、発光か所から等方的に広がり、一部は直接、集光部材１２に至る。また、その他の紫外光は、容器１１の内面に設けられた反射部材１６により反射し、反射の後、あるいは多重反射を繰り返した後に、集光部材１２に到達する。集光部材１２に到達した紫外光は、集光部材１２を通過して側面型光検出部２０に流入する。

【0039】

側面型光検出部２０に流入した紫外光は、その強度に応じた電気的なパルス信号に変換される。側面型光検出部２０で得られたパルス信号は信号ケーブル２５で放射線種弁別部３０に伝送される。放射線種弁別部３０では、パルス信号の波高値、時間幅等から測定対象である中性子の信号と、測定上はノイズとなるガンマ線の信号を弁別する。

【0040】

次に、電気的パルス信号は、エネルギー推定部４０に信号ケーブル３５で伝送される。エネルギー推定部４０では、ガンマ線を含むこれらのエネルギーを放射線種弁別部３０で識別し、放射線のエネルギー別に強度分布を測定する。これらの強度分布からエネルギー推定部４０で、Ｂ^１０の反応断面積の大きい０．１ｋｅＶ以下の熱中性子量と、Ｘｅの共鳴ピークが存在する１ｋｅＶ付近の熱外中性子の量を推定することができる。

【0041】

なお、電気的パルス信号のレベルを、検出感度の確保等のために適正な値にするには、混合ガスの圧力を調整することによって可能である。

【0042】

図５は、第１の実施形態に係る中性子測定方法の手順を示すフロー図である。図５を引用しながら、中性子測定方法について説明する。まず、中性子との反応により放射線を生成する中性子捕獲ガス１３と放射線により発光するシンチレータガス１４を封入した容器１１を有する検出用セル１０を中性子ビーム中に設置する（ステップＳ０１）。中性子との反応で発生した荷電粒子のエネルギーをシンチレータガス１４により光に変換する（ステップＳ０２）。

【0043】

発生した光を、集光部材１２を介して光検出部である側面型光検出部２０で受光し、電気的なパルス信号に変換する（ステップＳ０３）。電気的パルス信号を受け入れて、放射線弁別部３０で線種を弁別するとともに、エネルギー推定部４０でエネルギー別の強度を測定する（ステップＳ０４）。

【0044】

本実施形態においては、中性子ビーム中に設置される検出用セル１０は、混合ガスを内包する容器１１および側面型光検出部２０が主な構成要素であり、その体積の大部分はガス空間であることから、中性子ビームへの外乱を最小限に抑えることができる。また、基本的に発光の検出のみなので、検出用セル１０については電圧印加等が不要であり装置構成上の複雑さが無い。

【0045】

以上のように、本実施形態によれば、中性子ビームへの影響を抑えつつ、中性子をオンラインで測定することができる。

【0046】

［第２の実施形態］
図６は、第２の実施形態に係る中性子測定装置の検出用セルの縦断面図を含む構成図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。第１の実施形態においては、側面型光検出部２０が、集光部材１２の外側に設けられているのに対して、本第２の実施形態においては、分離型光検出部２１が検出用セル１０とは別に設けられている。すなわち、本第２の実施形態においては、検出用セル１０には光検出部は含まれていない。

【0047】

検出用セル１０と別置きされている分離型光検出器２１と集光部材１２ａ間には、光伝送部材２４が設けられている。光伝送部材２４は、集光部材１２ａを経由した光を伝送することが可能な部材であり、たとえば、光ファイバー等が適用可能である。光ファイバーはシンチレータガス１４の発光波長を少ない減衰で伝送できるものであれば、構造は問わない。

【0048】

本実施形態における集光部材１２ａは、容器１１内のシンチレータガス１４から生じた光を受けて、光伝送部材２４に伝達する。集光部材１２ａは、図示していないが、その内部に入射した光をその内表面で全反射させ、直接または多重反射の上、光伝送部材２４に到達するように形成されている。

【0049】

集光部材１２ａおよび光伝送部材２４を経由した光は、分離型光検出部２１に到達する。分離型光検出部２１に流入した光は、その強度に応じた電気的なパルス信号に変換される。分離型光検出部２１で得られたパルス信号は信号ケーブル２５で放射線種弁別部３０に伝送される。

【0050】

本実施形態によれば、中性子ビーム上に設置される検出用セルに光検出部を含まないため、さらに中性子ビームへの影響を低減することができる。

【0051】

［第３の実施形態］
図７は、第３の実施形態に係る中性子測定装置の検出用セルの縦断面図を含む構成図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第３の実施形態においては、集光部材１２の外側に、側面型光検出部２０ａおよび側面型光検出部２０ｂが互いに並列に設けられている。側面型光検出部２０ａと放射線種弁別部３０間には信号ケーブル２６ａが設けられている。また、側面型光検出部２０ｂと放射線種弁別部３０間には信号ケーブル２６ｂが設けられている。

【0052】

容器１１内には、シンチレータガス１４および２種類の中性子捕獲ガスが収納されている。中性子捕獲ガスは、第１の中性子捕獲ガス１３ａと第２の中性子捕獲ガス１３ｂとからなる。第１の中性子捕獲ガス１３ａと第２の中性子捕獲ガス１３ｂとは、互いに特性の異なるガスである。例えば、Ｈｅを用いた場合Ｈｅ^３では、高い断面積で（ｎ，ｐ）反応を起こす。また、第１の実施形態の中で説明したＸｅ以外でも、Ｋｒ^８３では１ｋｅＶ〜１０ｋｅＶで１０ｂａｒｎ程度の比較的高い捕獲断面積を持ち８８１ｋｅＶの捕獲ガンマ線を発生する。そのため、例えば、Ｈｅ^３、Ｘｅ^１２９、Ｋｒ^８３の混合ガスを使用した場合、１００ｅＶ以下ではＨｅ^３の（ｎ，ｐ）反応、１００ｅＶから２ｋｅＶまではＸｅ^１２９の中性子捕獲、それ以上はＫｒ^８３の中性子捕獲のそれぞれの反応の断面積が大きく、広いエネルギー領域にわたって中性子の検出感度を確保することができる。

【0053】

図８は、対ガンマ線中性子比のエネルギー依存性の例を示す概念的なグラフである。すなわち、放射線種弁別部３０で中性子起因の光と、ガンマ線起因の光が弁別されるが、対ガンマ線中性子比＝（中性子起因の光の強度）／（ガンマ線起因の光の強度）のように定義した場合、対ガンマ線中性子比は、エネルギー依存性を有する。

【0054】

すなわち、たとえば、Ｈｅ^３の（ｎ，ｐ）反応の断面積のように低エネルギーで大きく、かつ、共鳴ピークを持たない反応では、たとえば、図８のＥ０近傍のエネルギーのように平坦な特性となる。一方、Ｘｅ^１２９のように、たとえば、Ｅ１近辺で中性子捕獲反応に共鳴ピークを持つ核種の場合は、対ガンマ線中性子比はＥ１近辺で大きく低下することになる。

【0055】

これらの特性は、中性子捕獲核種と、組合せが決まれば予め把握できるものである。たとえば、第１の中性子捕獲ガス１３ａがＨｅ^３を含むヘリウムで、第２の中性子捕獲ガス１３ｂがＸｅ^１２９の場合を考える。対ガンマ線中性子比が図８のｒ０である場合は、Ｘｅ^１２９の共鳴領域のエネルギーの中性子の存在はほぼ無視できることになる。また、たとえば、対ガンマ線中性子比が図８のｒ１である場合は、Ｘｅ^１２９の共鳴領域のエネルギーの中性子の割合が大きいことになる。このように、対ガンマ線中性子比からも、中性子のエネルギー領域を推定することができる。

【0056】

以上のように、分離型光検出部２１で得られた信号を放射線種弁別部３０で弁別し、Ｈｅ^３由来の陽子、Ｘｅ^１３１由来の６６８ｋｅＶガンマ線、Ｋｒ^８３由来の８８１ｋｅＶガンマ線の量を測定することにより、もしくはその比を測定することで、どのエネルギー領域の中性子が多いのか中性子エネルギーを推定することが可能となる。

【0057】

［第４の実施形態］
図９は、第４の実施形態に係る中性子測定装置の検出用セルの縦断面図を含む構成図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第４の実施形態においては、容器１１は、中性子捕獲ガス１３およびシンチレータガス１４を収納する容器であるとともに、自身が、放射線によって発光するシンチレータとしての機能を有する容器型シンチレータ部１５でもある。

【0058】

容器型シンチレータ部１５は、第１の実施形態における容器と同様の形状であるが、材料が異なる。本第４の実施形態における容器型シンチレータ部１５は、放射線による発光性を有する第２のシンチレータ１４ｂを用いている。第２のシンチレータ１４ｂ用の放射線に対する発光性を有する材料としては、合成石英、ホウケイ酸ガラス、タリウム活性化ヨウ化ナトリウム、ゲルマニウム酸ビスマス（ＢＧＯ：Ｂｉ_４Ｇｅ_３Ｏ_１２）などがある。なお、これらの材料の構造強度が十分ではない等の場合は、中性子ビームへの外乱を極力抑えながら、容器型シンチレータ部１５の周囲を囲むような２重容器形状の容器内に収納することでもよい。

【0059】

第１の実施形態と同様に、容器型シンチレータ部１５と集光部材１２により密閉空間１８が形成されている。密閉空間１８内には、第１の中性子捕獲ガス１３ａ、第２の中性子捕獲ガス１３ｂ、および第１のシンチレータガス１４ａが封入されている。

【0060】

図１０は、中性子測定装置の作用を示す概念図であり、荷電粒子を生成する反応の場合を示す。また、図１１は、中性子捕獲ガンマ線のみを生成する反応の場合を示す。

【0061】

図１０の場合、第１の中性子捕獲ガス１３ａ中の中性子捕獲原子Ａ１に中性子が捕獲され、荷電粒子Ａ２と捕獲ガンマ線Ａ４が発生する。荷電粒子Ａ２はすぐに第１のシンチレータガス１４ａ中のシンチレータ原子Ａ３にエネルギーを与え、シンチレータ原子Ａ３は発光する。一方、捕獲ガンマ線Ａ４の第１のシンチレータガス１４ａとの相互作用の確率は小さいが、容器型シンチレータ部１５まで到達すると固体である第２のシンチレータ１４ｂとの相互作用の確率は高く多くは相互作用を起こし、容器型シンチレータ部１５中のシンチレータ原子Ａ５が発光する。

【0062】

以上のように、第１の中性子捕獲ガス１３ａ中の中性子捕獲原子Ａ１に中性子が捕獲される場合は、シンチレータ原子Ａ３が発光した後に、シンチレータ原子Ａ５が発光するので、この場合は、２つの発光が僅かな時間差で生ずることになる。

【0063】

一方、図１１の場合、第２の中性子捕獲ガス１３ｂ中の中性子捕獲原子Ｂ１に中性子が捕獲される場合は、捕獲ガンマ線Ｂ２が生成され、容器型シンチレータ部１５まで到達すると、多くは第２のシンチレータ１４ｂとの相互作用を起こし第２のシンチレータ１４ｂ中のシンチレータ原子Ｂ３が発光する。

【0064】

以上のように、２つのケースでは、発光の様相が異なることから、僅かな時間差の発光の有無によって、いずれの場合であるか区別できることになる。第１の中性子捕獲ガス１３ａ中の中性子捕獲原子Ａ１の中性子捕獲断面積が最大となる中性子エネルギー、第２の中性子捕獲ガス１３ｂ中の中性子捕獲原子Ｂ１の中性子捕獲断面積が最大となる中性子エネルギーは既知であるので、中性子のエネルギー領域がいずれの領域であるかを推定できることになる。

【0065】

［第５の実施形態］
図１２は、第５の実施形態に係る中性子測定装置の検出用セルの斜視図を含む構成図である。本実施形態は第１の実施形態の変形である。本第５の実施形態における中性子測定装置１００は、複数の検出用セルを有する。検出用セル１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、および１０ｄは、中性子ビームの進行方向に垂直な方向に互いに並列に配列されている。

【0066】

第１の検出用セル１０ａ内には、第１の中性子捕獲ガス１３ａ、第２の中性子捕獲ガス１３ｂ、およびシンチレータガス１４が収納されている。第２の検出用セル１０ｂ内には、第１の中性子捕獲ガス１３ａ、第３の中性子捕獲ガス１３ｃ、およびシンチレータガス１４が収納されている。第３の検出用セル１０ｃ内には、第１の中性子捕獲ガス１３ａ、第４の中性子捕獲ガス１３ｄ、およびシンチレータガス１４が収納されている。第４の検出用セル１０ｄ内には、第１の中性子捕獲ガス１３ａ、第５の中性子捕獲ガス１３ｅ、およびシンチレータガス１４が収納されている。第１の中性子捕獲ガス１３ａ、第２の中性子捕獲ガス１３ｂ、第３の中性子捕獲ガス１３ｃ、第４の中性子捕獲ガス１３ｄ、および第５の中性子捕獲ガス１３ｅは、それぞれに中性子捕獲断面積が最大となるエネルギー領域を異にする核種を有するガスである。

【0067】

第１の検出用セル１０ａと放射線種弁別部３０との間には、信号ケーブル２７ａが設けられている。同様に、第２の検出用セル１０ｂ、第３の検出用セル１０ｃおよび第４の検出用セル１０ｄと放射線種弁別部３０との間には、それぞれ信号ケーブル２７ｂ、２７ｃおよび２７ｄが設けられている。

【0068】

以上のように構成された本中性子測定装置１００においては、それぞれの検出用セルは、第１の中性子捕獲ガス１３ａおよびシンチレータガス１４を共通に有するとともに、さらに、互いに異なるかつ第１の中性子捕獲ガス以外の中性子捕獲ガスを有する。

【0069】

このため、それぞれの検出用セル１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄにおいては、異なるエネルギーの中性子に対する感度を有する中性子捕獲ガスを有することになる。

【0070】

図１３は、複数核種の対ガンマ線中性子比のエネルギー依存性の例を示す概念的なグラフである。たとえば、第１の中性子捕獲ガス１３ａがＨｅ^３で、第２の中性子捕獲ガス１３ｂがＫｒ^８３、第３の中性子捕獲ガス１３ｃがＸｅ^１２９、第４の中性子捕獲ガス１３ｄがＸｅ^１３１、第５の中性子捕獲ガス１３ｅがＮ_２の場合を考える。

【0071】

これらのガスがすべて混合された場合は、（ａ）のように複数のピークを生ずる特性を示すことになる。この場合、対ガンマ線中性子比がたとえば図１３のｒ１であることが導かれたとしても、いずれの共鳴ピークに起因するものなのか区別をつけることができない。

【0072】

本実施形態のように、それぞれの検出用セルに、共鳴ピークを有する互いに異なる中性子捕獲ガスが分散して封入されている場合は、それぞれが（ｂ）に示すような特性を有することから、容易に起因する共鳴ピークを判別でき、その結果、中性子のエネルギーを推定することが可能となる。

【0073】

なお、本実施形態においては、検出用セル１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄのそれぞれにおいて２種類の中性子捕獲ガスが用いられている場合を示したが、これには限定されない。たとえば、１種類のみの中性子捕獲ガスが用いられる検出用セルを含んでいてもよい。あるいは、分別が可能であれば、３種類以上の中性子捕獲ガスが用いられる検出用セルを含んでいてもよい。

【0074】

［その他の実施形態］
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。

【0075】

たとえば、実施形態では、容器１１内に収納される中性子捕獲ガス１３とシンチレータガス１４との混合ガスについては、照射される中性子ビームのエネルギー、強度等に基づいて、その混合比および封入圧力が決定され、その仕様に基づいて製作されることとしている。ただしこれには限定されない。たとえば、封入方法は、このような封じ切りではなく、連続的あるいは間欠的に置換されるように補給部と放出部を設けてもよい。

【0076】

また、中性子捕獲ガス１３とシンチレータガス１４の混合比を調整できるように、たとえば補給タンクと調節弁とを備えて一方のガスを補給可能としてもよい。また、両者の絶対量を圧力を変化させることにより調節できるように圧力レギュレータを設けてもよい。

【0077】

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。たとえば、第２の実施形態ないし第５の実施形態のそれぞれは、第１の実施形態の変形である。したがって、第２ないし第５の実施形態のそれぞれの特徴同士を組み合わせてもよい。

【0078】

さらに、これらの実施形態は、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同様に、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ものである。

【符号の説明】

【0079】

１…中性子発生源、２…照射対象、１０…検出用セル、１０ａ…第１の検出用セル、１０ｂ…第２の検出用セル、１０ｃ…第３の検出用セル、１０ｄ…第４の検出用セル、１１…容器、１２、１２ａ…集光部材、１３…中性子捕獲ガス、１３ａ…第１の中性子捕獲ガス、１３ｂ…第２の中性子捕獲ガス、１３ｃ…第３の中性子捕獲ガス、１３ｄ…第４の中性子捕獲ガス、１３ｅ…第５の中性子捕獲ガス、１４…シンチレータガス、１４ａ…第１のシンチレータガス、１４ｂ…第２のシンチレータ、１５…容器型シンチレータ部、１６、１６ｂ、１６ｃ…反射部材、１８…密閉空間、２０、２０ａ、２０ｂ…側面型光検出部（光検出部）、２１…分離型光検出部（光検出部）、２４…光伝送部材、２５、２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄ…信号ケーブル、３０…放射線種弁別部、３５…信号ケーブル、４０…エネルギー推定部、１００…中性子測定装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】