特許 6862427 シンチレータアレイ

(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】6862427

(24)【登録日】2021年4月2日

(45)【発行日】2021年4月21日

(54)【発明の名称】シンチレータアレイ

(51)【国際特許分類】

   G21K 4/00 20060101AFI20210412BHJP

   G01T 3/06 20060101ALI20210412BHJP

   G01T 1/20 20060101ALI20210412BHJP

   G01T 1/203 20060101ALI20210412BHJP

   G01T 1/202 20060101ALI20210412BHJP

【ＦＩ】

   G21K4/00 A

   G01T3/06

   G01T1/20 B

   G01T1/20 D

   G01T1/203

   G01T1/202

【請求項の数】8

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2018-510617(P2018-510617)

(86)(22)【出願日】2017年4月4日

(86)【国際出願番号】JP2017014095

(87)【国際公開番号】WO2017175763

(87)【国際公開日】20171012

【審査請求日】2020年3月11日

(31)【優先権主張番号】特願2016-76704(P2016-76704)

(32)【優先日】2016年4月6日

(33)【優先権主張国】JP

(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】303058328

【氏名又は名称】東芝マテリアル株式会社

(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】福田 幸洋

(72)【発明者】

【氏名】足達 祥卓

(72)【発明者】

【氏名】中島 信昭

(72)【発明者】

【氏名】日塔 光一

【審査官】 山口 敦司

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−２２５６８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１３−５００４８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１５／１６６９９９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−１８１４１２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ２１Ｋ ４／００

Ｇ０１Ｔ １／２０

Ｇ０１Ｔ １／２０２

Ｇ０１Ｔ １／２０３

Ｇ０１Ｔ ３／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

４μｍ以上５μｍ以下の厚さを有し、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、
５μｍ以上１００μｍ以下の厚さを有し、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、
５μｍ以上の厚さを有し、前記一方向に沿って延在し、前記光を反射する反射部と、
を備える積層体を具備し、
前記反応部は、^１０Ｂ_４Ｃ、Ｂ_４Ｃ、Ｂ、^１０Ｂ、^６Ｌｉ、Ｌｉ、^６ＬｉＦ、ＬｉＦ、Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７、およびＬｉＢＯ_３からなる群より選ばれる少なくとも一つを含み、
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からなる群より選ばれる少なくとも一つを含み、
前記単結晶シンチレータは、
一般式：Ｂｉ_４Ｃｅ_３Ｏ_１２、または一般式：Ｌｕ_２ＳｉＯ_５：Ｃｅ
により表され、
前記ガーネットは、
一般式：（Ｙ：Ｇｄ、Ｌｕ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｔｂ
により表され、
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、および反射塗料からなる群より選ばれる少なくとも一つを含み、
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または請求項２に記載のシンチレータアレイ。

【請求項4】

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１ないし請求項３のいずれか一項に記載のシンチレータアレイ。

【請求項5】

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ないし請求項４のいずれか一項に記載のシンチレータアレイ。

【請求項6】

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ないし請求項５のいずれか一項に記載のシンチレータアレイ。

【請求項7】

前記吸収膜は、酸化ガドリニウムを含む、請求項６に記載のシンチレータアレイ。

【請求項8】

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ないし請求項７のいずれか一項に記載のシンチレータアレイ。

【発明の詳細な説明】

【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の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や熱外中性子（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を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、Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７単結晶からなるシンチレータを中性子検出に用い、その蛍光特性と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、Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７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を出発原料として、Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７とＣｅＯ_２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ＬｉＢＯ_３およびＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７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、シンチレータ素材を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】

高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）素子は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、そのアルファ線でＺｎＳ蛍光体を発光させる。実際の構成は、ＬｉＦ／ＺｎＳが粒状性の粉末であり、多くの場合、基板であるＡｌ板上にＬｉＦ／ＺｎＳ粉末を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を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を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で電子に変換し、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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0016】

【特許文献1】再公表特許第２００８／１３２８４９号

【発明の概要】

【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、４μｍ以上５μｍ以下の厚さを有し、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、５μｍ以上１００μｍ以下の厚さを有し、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、５μｍ以上の厚さを有し、一方向に沿って延在し、光を反射する反射部と、を備える積層体を具備する。反応部は、^１０Ｂ_４Ｃ、Ｂ_４Ｃ、Ｂ、^１０Ｂ、^６Ｌｉ、Ｌｉ、^６ＬｉＦ、ＬｉＦ、Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７、およびＬｉＢＯ_３からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む。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からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む。単結晶シンチレータは、一般式：Ｂｉ_４Ｃｅ_３Ｏ_１２、または一般式：Ｌｕ_２ＳｉＯ_５：Ｃｅにより表される。ガーネットは、一般式：（Ｙ：Ｇｄ、Ｌｕ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｔｂにより表される。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、および反射塗料からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む。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】

【図1】シンチレータアレイの構造例を示す図である。

【図2】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。

【図3】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。

【図4】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。

【図5】シンチレータアレイの他の構造例を示す図である。

【図6】シンチレータアレイの他の構造例を示す図である。

【図7】シンチレータアレイの他の構造例を示す図である。

【図8】従来のシンチレータアレイの構造例を示す図である。

【図9】従来のシンチレータアレイの構造例を示す図である。

【図10】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。

【図11】厚さと熱中性子の透過率との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【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が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の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、^１０Ｂ_４Ｃ（濃縮ボロンを含む炭化ボロン）、Ｂ_４Ｃ、Ｂ、^１０Ｂ、^６Ｌｉ、Ｌｉ、^６ＬｉＦ、ＬｉＦ、Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７、およびＬｉＢＯ_３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を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Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、一般式（Ｙ：Ｇｄ、Ｌｕ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ、一般式（Ｙ：Ｇｄ、Ｌｕ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｔｂ、一般式（Ｇｄ，Ｌｕ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：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Ｇｄ_２ＳｉＯ_５：Ｃｅ、一般式Ｂｉ_４Ｃｅ_３Ｏ_１２、または一般式Ｌｕ_２ＳｉＯ_５：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（Ｇｄ_２Ｏ_３）、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、^１０Ｂ_４Ｃ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（Ｇｄ_２Ｏ_３）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。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】