特許 7429124 中性子スペクトル測定装置および中性子スペクトル測定方法

(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】

(24)【登録日】2024-01-30

(45)【発行日】2024-02-07

(54)【発明の名称】中性子スペクトル測定装置および中性子スペクトル測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01T 3/00 20060101AFI20240131BHJP

   G21K 4/00 20060101ALI20240131BHJP

【ＦＩ】

G01T3/00 G

G01T3/00 Z

G21K4/00 K

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2020006937

(22)【出願日】2020-01-20

(65)【公開番号】P2021113758

(43)【公開日】2021-08-05

【審査請求日】2022-10-12

(73)【特許権者】

【識別番号】500216466

【氏名又は名称】住重アテックス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100116274

【弁理士】

【氏名又は名称】富所 輝観夫

(72)【発明者】

【氏名】上本 龍二

(72)【発明者】

【氏名】鵜野 浩行

(72)【発明者】

【氏名】日塔 光一

(72)【発明者】

【氏名】園田 幸生

【審査官】鳥居 祐樹

(56)【参考文献】

【文献】特表２００７－５０６９３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１２８００８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０２４１０５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｔ ３／００

Ｇ２１Ｋ ４／００

Ｇ０１Ｎ ２３／０５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

それぞれが原子番号の異なる元素を含有する複数種類の箔コンバータを有するコンバータユニットと、
対応する種類の箔コンバータと同一の元素をそれぞれが含有する複数種類のフィルタを有し、中性子線の入射方向から見て前記コンバータユニットの手前側に配置されるフィルタユニットと、を備え、
前記複数種類のフィルタは、前記中性子線の入射方向から見た平面視において互いに重ならないように配置され、
前記複数種類の箔コンバータは、前記対応する種類のフィルタと前記中性子線の入射方向に重なる部分を有するように配置され、
前記複数種類の箔コンバータは、ガドリニウム（Ｇｄ）、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）および亜鉛（Ｚｎ）を備える一群から選択されるいずれか一つの金属元素を含有する金属箔コンバータと、を含み、
前記コンバータユニットは、前記フィルタユニットから分離可能であり、前記フィルタユニットから分離された状態で、放射化された前記複数種類の箔コンバータのそれぞれから放出される放射線強度が測定されることを特徴とする中性子スペクトル測定装置。

【請求項2】

それぞれが原子番号の異なる元素を含有する複数種類の箔コンバータを有するコンバータユニットと、
対応する種類の箔コンバータと同一の元素をそれぞれが含有する複数種類のフィルタを有し、中性子線の入射方向から見て前記コンバータユニットの手前側に配置されるフィルタユニットと、を備え、
前記複数種類のフィルタは、前記中性子線の入射方向から見た平面視において互いに重ならないように配置され、
前記複数種類の箔コンバータは、前記対応する種類のフィルタと前記中性子線の入射方向に重なる部分を有するように配置され、
前記複数種類の箔コンバータは、硫黄（Ｓ）を含有する硫化物箔コンバータを含み、
前記コンバータユニットは、前記フィルタユニットから分離可能であり、前記フィルタユニットから分離された状態で、放射化された前記複数種類の箔コンバータのそれぞれから放出される放射線強度が測定されることを特徴とする中性子スペクトル測定装置。

【請求項3】

それぞれが原子番号の異なる元素を含有する複数種類の箔コンバータを有するコンバータユニットと、
対応する種類の箔コンバータと同一の元素をそれぞれが含有する複数種類のフィルタを有し、中性子線の入射方向から見て前記コンバータユニットの手前側に配置されるフィルタユニットと、を備え、
前記複数種類のフィルタは、前記中性子線の入射方向から見た平面視において互いに重ならないように配置され、
前記複数種類の箔コンバータは、前記対応する種類のフィルタと前記中性子線の入射方向に重なる部分を有するように配置され、
前記複数種類の箔コンバータの少なくとも一つは、４枚以上の箔片に分割されており、
前記４枚以上の箔片のそれぞれは、前記対応する種類のフィルタと前記中性子線の入射方向に重なるとともに、前記中性子線の入射方向から見た平面視において互いに重ならないように配置され、
前記コンバータユニットは、前記フィルタユニットから分離可能であり、前記フィルタユニットから分離された状態で、放射化された前記複数種類の箔コンバータのそれぞれから放出される放射線強度が測定されることを特徴とする中性子スペクトル測定装置。

【請求項4】

それぞれが原子番号の異なる元素を含有する複数種類の箔コンバータを有するコンバータユニットと、
対応する種類の箔コンバータと同一の元素をそれぞれが含有する複数種類のフィルタを有し、中性子線の入射方向から見て前記コンバータユニットの手前側に配置されるフィルタユニットと、を備え、
前記複数種類のフィルタは、前記中性子線の入射方向から見た平面視において互いに重ならないように配置され、
前記複数種類の箔コンバータは、前記対応する種類のフィルタと前記中性子線の入射方向に重なる部分を有するように配置され、
前記複数種類のフィルタのそれぞれは、前記中性子線の入射方向の厚さが５ｍｍ以上である部分を含み、
前記コンバータユニットは、前記フィルタユニットから分離可能であり、前記フィルタユニットから分離された状態で、放射化された前記複数種類の箔コンバータのそれぞれから放出される放射線強度が測定されることを特徴とする中性子スペクトル測定装置。

【請求項5】

それぞれが原子番号の異なる元素を含有する複数種類の箔コンバータを有するコンバータユニットと、
対応する種類の箔コンバータと同一の元素をそれぞれが含有する複数種類のフィルタを有し、中性子線の入射方向から見て前記コンバータユニットの手前側に配置されるフィルタユニットと、を備え、
前記複数種類のフィルタは、前記中性子線の入射方向から見た平面視において互いに重ならないように配置され、
前記複数種類の箔コンバータは、前記対応する種類のフィルタと前記中性子線の入射方向に重なる部分を有するように配置され、
前記複数種類のフィルタの少なくとも一つは、前記中性子線の入射方向の厚さが５ｍｍ以上である部分と、前記中性子線の入射方向の厚さが０．１ｍｍ以上３ｍｍ未満である部分とを含み、
前記コンバータユニットは、前記フィルタユニットから分離可能であり、前記フィルタユニットから分離された状態で、放射化された前記複数種類の箔コンバータのそれぞれから放出される放射線強度が測定されることを特徴とする中性子スペクトル測定装置。

【請求項6】

それぞれが原子番号の異なる元素を含有する複数種類の箔コンバータを有するコンバータユニットと、
対応する種類の箔コンバータと同一の元素をそれぞれが含有する複数種類のフィルタを有し、中性子線の入射方向から見て前記コンバータユニットの手前側に配置されるフィルタユニットと、を備え、
前記複数種類のフィルタは、前記中性子線の入射方向から見た平面視において互いに重ならないように配置され、
前記複数種類の箔コンバータは、前記対応する種類のフィルタと前記中性子線の入射方向に重なる部分を有するように配置され、
前記フィルタユニットは、熱中性子フィルタをさらに含み、
前記熱中性子フィルタは、前記複数種類の箔コンバータの少なくとも一つと前記中性子線の入射方向に重なる部分を有するとともに、前記複数種類のフィルタのそれぞれと前記中性子線の入射方向に重ならない部分を有するように配置され、
前記コンバータユニットは、前記フィルタユニットから分離可能であり、前記フィルタユニットから分離された状態で、放射化された前記複数種類の箔コンバータのそれぞれから放出される放射線強度が測定されることを特徴とする中性子スペクトル測定装置。

【請求項7】

前記熱中性子フィルタは、前記複数種類の箔コンバータの少なくとも一つに対応する種類のフィルタと前記中性子線の入射方向に重なる部分を有するように配置されることを特徴とする請求項６に記載の中性子スペクトル測定装置。

【請求項8】

それぞれが原子番号の異なる元素を含有する複数種類の箔コンバータを有するコンバータユニットと、
対応する種類の箔コンバータと同一の元素をそれぞれが含有する複数種類のフィルタを有し、中性子線の入射方向から見て前記コンバータユニットの手前側に配置されるフィルタユニットと、を備え、
前記複数種類のフィルタは、前記中性子線の入射方向から見た平面視において互いに重ならないように配置され、
前記複数種類の箔コンバータは、前記対応する種類のフィルタと前記中性子線の入射方向に重なる部分を有するように配置され、
前記コンバータユニットは、前記複数種類の箔コンバータのそれぞれに隣接するように配置される基準箔コンバータをさらに含み、
前記コンバータユニットは、前記フィルタユニットから分離可能であり、前記フィルタユニットから分離された状態で、放射化された前記複数種類の箔コンバータのそれぞれから放出される放射線強度が測定されることを特徴とする中性子スペクトル測定装置。

【請求項9】

前記複数種類の箔コンバータは、金（Ａｕ）を含有するＡｕ箔コンバータおよび銅（Ｃｕ）を含有するＣｕ箔コンバータの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の中性子スペクトル測定装置。

【請求項10】

前記複数種類の箔コンバータは、中性子を捕獲する反応によって１時間以上５００時間以下の半減期でベータ崩壊する別の放射性同位元素に変換される同位元素を含有することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の中性子スペクトル測定装置。

【請求項11】

前記複数種類のフィルタの少なくとも一つは、前記中性子線の入射方向の厚さが段階的に変化するステップウェッジであることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の中性子スペクトル測定装置。

【請求項12】

請求項１から１１のいずれか一項に記載の中性子スペクトル測定装置を用いる中性子スペクトル測定方法であって、
前記フィルタユニットを介して前記コンバータユニットに中性子線を照射し、前記複数種類の箔コンバータを放射化させることと、
前記フィルタユニットから前記コンバータユニットを分離した状態で、放射化された前記複数種類の箔コンバータのそれぞれから放出される放射線の二次元強度分布を転写プレートに転写することと、
前記転写プレートに転写された放射線の二次元強度分布に対応する画像を測定して画像データを生成することと、
前記画像データを解析し、前記複数種類の箔コンバータのそれぞれに対応する複数のエネルギー値における中性子束を算出することと、を備えることを特徴とする中性子スペクトル測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、中性子スペクトルの測定装置および測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

中性子線を用いて物質内を非破壊で透視する検査手法が知られており、中性子ラジオグラフィ検査（ＮＲＴ；Neutron Radiography Testing）または中性子イメージングと呼ばれる。中性子イメージングでは、主にＸ線での検査が難しいとされる原子番号の小さい元素を含む物質の検査に使用され、例えば水素（Ｈ）を含む水、油または樹脂、リチウム（Ｌｉ）や硼素（Ｂ）を含む物質などの検査に使用できる。Ｘ線の透過率が物質の原子番号や密度に依存する一方、中性子線では物質を構成する元素の原子核の違いに応じて散乱特性や吸収特性が変化する。したがって、中性子イメージングでは検査対象の物質を構成する同位体の違いを識別することもできる。

【0003】

中性子と物質の相互作用の態様は、中性子のエネルギーによっても変化するため、検査に用いる中性子線のエネルギー（スペクトル）を適切に調整および測定することが求められる。中性子スペクトルの測定方法として、例えば、検出器を包囲する減速材の厚みを変えることで異なるエネルギー値の中性子を測定する方法（例えば、特許文献１，２）、中性子パルスの飛行時間（ＴＯＦ；Time Of Flight）を用いてエネルギーを識別する方法（例えば、特許文献３）が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】登録実用新案第３１１６５４３号公報

【文献】特開２０１１－５３２１８号公報

【文献】特表２０１４－５３４４４２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

時間的に連続して出力される定常中性子源のスペクトルを直接的に測定しようとする場合、ＴＯＦ法をそのまま適用することはできない。また、熱中性子領域（約１０^－２～１０^－１ｅＶ）、熱外中性子領域（約１０^０～１０^３ｅＶ）および高エネルギー領域（１０^６ｅＶ以上）にわたって中性子スペクトルを測定するには、減速材の厚みを数ｃｍ～数十ｃｍ程度にする必要があり、測定装置の大型化につながるとともに、測定位置精度の低下にもつながる。また、一般的な中性子カウンタは、中性子線の照射環境下で発生する高線量のガンマ線を同時に計測してしまうため、ガンマ線の影響を考慮して測定結果を高精度で補正または較正する必要が生じる。

【0006】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、中性子スペクトルを簡便に計測する技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明のある態様の中性子スペクトル測定装置は、それぞれが原子番号の異なる元素を含有する複数種類の箔コンバータを有するコンバータユニットと、対応する種類の箔コンバータと同一の元素をそれぞれが含有する複数種類のフィルタを有し、中性子線の入射方向から見てコンバータユニットの手前側に配置されるフィルタユニットと、を備える。複数種類のフィルタは、中性子線の入射方向から見た平面視において互いに重ならないように配置され、複数種類の箔コンバータは、対応する種類のフィルタと中性子線の入射方向に少なくとも部分的に重なるように配置される。

【0008】

本発明の別の態様は、ある態様の中性子スペクトル測定装置を用いる中性子スペクトル測定方法である。この方法は、フィルタユニットを介してコンバータユニットに中性子線を照射し、複数種類の箔コンバータを放射化させることと、放射化された複数種類の箔コンバータのそれぞれから放出される放射線の二次元強度分布を転写プレートに転写することと、転写プレートに転写された放射線の二次元強度分布に対応する画像を測定して画像データを生成することと、画像データを解析し、複数種類の箔コンバータのそれぞれに対応する複数のエネルギー値における中性子束を算出することと、を備える。

【0009】

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、中性子スペクトルを簡便に計測できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】金（^１９７Ａｕ）の中性子エネルギーに対する反応割合を示す図である。

【図2】金（^１９７Ａｕ）の中性子エネルギーに対する閾値反応の割合を示す図である。

【図3】加速器中性子源から出力される中性子線のエネルギースペクトルを模式的に示す図である。

【図4】実施の形態に係る照射ユニットの構成を概略的に示す断面図である。

【図5】図５（ａ）～（ｃ）は、Ａｕ箔コンバータにより吸収される中性子スペクトルの一例を示すグラフである。

【図6】ＩｎフィルタおよびＣｄフィルタを介してＩｎ箔コンバータにより吸収される中性子スペクトルの一例を示すグラフである。

【図7】図７（ａ），（ｂ）は、Ｄｙ箔コンバータにより吸収される中性子スペクトルの一例を示すグラフである。

【図8】ＡｕフィルタおよびＣｄフィルタを介してＩｎ箔コンバータにより吸収される中性子スペクトルの一例を示すグラフである。

【図9】図９（ａ），（ｂ）は、転写ユニットの構成を概略的に示す断面図である。

【図10】照射工程および転写工程における金属箔コンバータの放射能の時間変化の一例を示すグラフである。

【図11】ステップウェッジを用いる照射ユニットの構成を概略的に示す断面図である。

【図12】図１１の照射ユニットを用いて取得される画像データの一例を模式的に示す図である。

【図13】複数種類の金属箔を用いる照射ユニットの構成を概略的に示す断面図である。

【図14】図１３のコンバータユニットの構成を概略的に示す上面図である。

【図15】図１３のフィルタユニットの構成を概略的に示す上面図である。

【図16】図１３のステップウェッジの構成を概略的に示す断面図である。

【図17】変形例に係る照射ユニットの構成を概略的に示す断面図である。

【図18】実施例に係る照射ユニットの構成を概略的に示す上面図である。

【図19】Ｄｙ箔コンバータの転写画像の一例を示す図である。

【図20】Ｉｎ箔コンバータの転写画像の一例を示す図である。

【図21】Ａｕ箔コンバータの転写画像の一例を示す図である。

【図22】Ｍｎ箔コンバータの転写画像の一例を示す図である。

【図23】Ｅｒ箔コンバータの転写画像の一例を示す図である。

【図24】中性子スペクトルの測定結果および対応するシミュレーション結果の一例を示すグラフである。

【図25】中性子スペクトル測定装置の構成を模式的に示す図である。

【図26】中性子スペクトル測定方法の流れを示すフローチャートである。

【図27】実施の形態に係る照射ユニットの構成を概略的に示す断面図である。

【図28】アルミニウム（^２７Ａｌ）の中性子エネルギーに対する閾値反応の割合を示す図である。

【図29】半減期の異なる２種類の放射性同位体を含む金属箔コンバータの放射能の時間変化の一例を示すグラフである。

【図30】箔コンバータおよびフィルタに使用する同位体元素の特性を示す図である。

【図31】図３１（ａ）～（ｃ）は、実施の形態に係る照射ユニットの構成を概略的に示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。また、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下の説明において参照する図面において、各構成部材の大きさや厚みは説明の便宜上のものであり、必ずしも実際の寸法や比率を示すものではない。

【0013】

本実施の形態は、中性子線のエネルギー分布である中性子スペクトルを測定する技術に関する。本実施の形態は、例えば、中性子イメージングとも呼ばれる中性子線を利用した検査手法に適用することができる。物質内を非破壊で透視する検査手法は、一般にラジオグラフィと呼ばれる。Ｘ線によるラジオグラフィ技術は一般的にレントゲン撮影と呼ばれ、医療用途や工業用途において幅広く用いられている。放射線源に中性子を用いた場合、特に「中性子ラジオグラフィ」または「中性子イメージング」と呼ばれている。

【0014】

Ｘ線は、照射対象の物質の原子番号Ｚに依存してＺが大きいほど、また、照射対象の物質の密度が高いほど透過しにくいという特性を有する。Ｘ線の場合、密度が同程度であれば、原子番号Ｚの近い元素では透過率がほぼ同じとなるため、原子番号の近い物質を区別することは難しい。またＸ線は、原子のＫ殻やＬ殻などの電子殻の軌道に応じて吸収端の異なるエネルギーで透過量が異なりうるが、一般的にはＸ線のエネルギーが高いほど透過率が高い傾向にある。

【0015】

一方、中性子と物質の相互作用の態様は、一般に原子番号に直接的に依存せず、原子核の構成に応じて変化する。そのため、同じ元素であっても同位体の違いによって中性子との反応や吸収の割合が変化し、その特性の違いに応じて物質を構成する元素の同位体を識別することができる。中性子と物質の相互作用をあらわす指標として中性子断面積（単位バーン（ｂ）：１ｂ＝１０^－２４ｃｍ^２）が用いられる。中性子断面積に原子数密度ρを乗算したものは巨視的断面積Σ（ｃｍ^－１）と呼ばれ、Ｘ線の線減弱係数に対応する。中性子の散乱には、干渉性散乱と非干渉性散乱の大きく二つの特性がある。多くの元素では干渉性散乱が支配的とされている。干渉性断面積の大きな元素は回折による散乱が主となり、中性子エネルギーの違いでブラッグ（Ｂｒａｇｇ）エッジが現れる。非干渉性散乱は、原子運動との散乱であり、中性子のエネルギーに等価な中性子速度ｖに反比例して断面積が増えていく。これは「１／ｖ法則」といわれ、例えば、硼素の同位体^１０Ｂやリチウムの同位体^６Ｌｉなどの元素では１／ｖ法則に対応する。これらの散乱断面積に加えて、元素によって異なる中性子エネルギー領域で現れる共鳴捕獲による吸収断面積がある。

【0016】

図１は、金（^１９７Ａｕ）の中性子エネルギーに対する反応割合を示す図である。中性子線のエネルギーは、熱中性子領域Ｒ１、熱外中性子領域Ｒ２および高エネルギー領域Ｒ３の三つに分類することができる。熱中性子領域Ｒ１は、中性子エネルギーが０．１ｅＶ以下、または０．４ｅＶ以下となる領域である。熱中性子領域Ｒ１では、中性子を捕獲してγ線を放出する（ｎ，γ）反応が生じる。熱外中性子領域Ｒ２は、熱中性子領域Ｒ１よりも中性子エネルギーが高い領域であり、１０^５ｅＶ（０．１ＭｅＶ）未満または１０^６ｅＶ（１ＭｅＶ）未満となる領域である。熱外中性子領域Ｒ２は、共鳴吸収による（ｎ，γ）反応が生じる領域であり、特定のエネルギーにおいて反応断面積がスパイク状に高まる領域である。金（^１９７Ａｕ）の場合、約５ｅＶの位置に反応断面積が最大となる共鳴ピークが存在し、（ｎ，γ）反応により^１９８Ａｕが生成され、半減期２．６９５日でβ^－壊変してベータ線（電子線）を放出する。高エネルギー領域Ｒ３は、中性子エネルギーが０．１ＭｅＶ以上または１ＭｅＶ以上となる領域であり、中性子を捕獲して陽子を放出する（ｎ，ｐ）反応や、中性子を捕獲してアルファ粒子を放出する（ｎ，α）反応といった粒子放出反応が生じる領域である。粒子放出反応は、反応が生じるエネルギーの下限となる閾値が存在するため、閾値反応とも呼ばれる。

【0017】

本明細書にて例示される金属元素の物性値は、日本原子力研究開発機構の核データ研究グループが開示する汎用標準核データライブラリ（ＪＥＮＤＬ－４．０，https://wwwndc.jaea.go.jp/jendl/j40/J40_J.html）から引用している。

【0018】

図２は、金（^１９７Ａｕ）の中性子エネルギーに対する閾値反応の割合を示す図である。閾値反応では、反応形態に応じて閾値や反応断面積が異なっている。金（^１９７Ａｕ）の場合、８．１１４ＭｅＶ以上の中性子エネルギーにおいて（ｎ，２ｎ）反応が生じる。（ｎ，２ｎ）反応は、１個の中性子を捕獲して２個の中性子を放出する反応であり、^１９７Ａｕから^１９６Ａｕが生成され、^１９６Ａｕは、半減期６．１８３日でβ^－壊変し、ベータ線（電子線）を放出する。

【0019】

また、熱中性子領域Ｒ１、熱外中性子領域Ｒ２および高エネルギー領域Ｒ３のそれぞれの反応性を示す指標として、１）熱中性子捕獲断面積（Thermal capture cross section)、２）共鳴吸収積分（Resonance Integral)、および、３）熱核分裂中性子スペクトル平均（Thermal Fission-Neutron Spectrum Average；Fiss. Spec. Average)がある。これら三つの指標は、同位体元素の種類に応じて異なるが、高エネルギー領域Ｒ３の反応断面積は、熱中性子領域Ｒ１や熱外中性子領域Ｒ２の反応断面積に比べて３桁以上小さい。例えば、金（^１９７Ａｕ）の場合、１）熱中性子捕獲断面積が９８．６５バーンであり、２）共鳴吸収積分が１５７１バーンであるのに対し、３）熱核分裂中性子スペクトル平均は７７．０７×１０^－３バーンであり、単位が３桁小さい。

【0020】

中性子イメージングでは、主にＸ線での検査が難しいとされる原子番号の小さい元素を含む物質の検査に使用され、例えば水素（Ｈ）を含む水、油または樹脂、リチウム（Ｌｉ）や硼素（Ｂ）を含む物質などの検査に使用できる。これらの検査では、中性子エネルギーが低い熱中性子領域（例えば、１０^－３～１０^－１ｅＶ程度）の中性子線を用いることが多い。この熱中性子領域のエネルギーを用いる場合、高エネルギーの中性子をモデレータと呼ばれる材料（主に水素を含む水やポリエチレンなど）で減速させて利用する。中性子源として、例えば、原子炉中性子源や、カリホルニウム（Ｃｆ）、アメリシウム（Ａｍ）、ベリリウム（Ｂｅ）などの放射性同位体（ＲＩ；Radio Isotope）を用いるＲＩ中性子源、サイクロトロンなどの加速器を用いる加速器中性子源などが挙げられる。また、時間的に連続して中性子線が出力される定常中性子源や、中性子線をパルス状に出力するパルス中性子源がある。一般に、中性子源から出力される中性子線には、様々なエネルギーの中性子が含まれる。

【0021】

このうち、特定のエネルギーの中性子のみを取り出して非破壊での応力測定などに用いることがある。例えば、定常中性子源およびモノクロメータ結晶装置を用いて単一波長の中性子線を抽出し、測定試料に照射して回折される角度を検出する角度分散型回折装置が知られている。また、Ｂｒａｇｇの回折条件により決定される波長（エネルギー）を測定するエネルギー分散型の回折装置も知られており、主にパルス中性子源での飛行時間法（ＴＯＦ法）が用いられる。また、ＴＯＦ法を用いて元素（同位体）固有の共鳴吸収ピークを測定することにより同位体を特定することも行われる。したがって、中性子イメージング技術では、利用目的に応じて中性子のエネルギーを調整できることが望ましい。

【0022】

図３は、加速器中性子源から出力される中性子線のエネルギー分布を模式的に示す図であり、四つのエネルギースペクトルＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の例を示している。加速器中性子源では、サイクロトロンなどで加速した陽子をターゲットに照射して中性子を発生させ、さらにモデレータで中性子を減速させることでエネルギースペクトルの形状が調整される。中性子線のスペクトル形状は、モデレータや装置の配置、コリメータの構造などによっても影響されるが、主にモデレータの量（厚さ）を変化させることで調整される。

【0023】

図３の四つのエネルギースペクトルＳ１～Ｓ４のそれぞれは、主にモデレータによる調整量が異なっている。第１スペクトルＳ１は、モデレータが少ない場合を示し、１ＭｅＶ（１０^６ｅＶ）程度以上の高エネルギー領域Ｒ３の成分が主体となっている。一方、第４スペクトルＳ４は、モデレータが多い場合を示し、第１スペクトルＳ１に比べて高エネルギー領域Ｒ３の成分が減少し、熱中性子領域Ｒ１の成分が増加している。熱中性子領域Ｒ１は、モデレータが中性子を減速させることで生成され、エネルギースペクトルの形状がマクスウェル分布であるとみなすことができる。第２スペクトルＳ２および第３スペクトルＳ３は、モデレータが中程度の場合を示し、第１スペクトルＳ１と第４スペクトルＳ４の間に位置する。なお、熱外中性子領域Ｒ２の成分は、熱中性子領域Ｒ１と高エネルギー領域Ｒ３の間を滑らかに接続したようなスペクトル形状を有しており、単調に増加する形状、ほぼ一定となる形状、および、単調に減少する形状が考えられる。このようにモデレータの量を調整することで、熱中性子領域Ｒ１、熱外中性子領域Ｒ２および高エネルギー領域Ｒ３のスペクトル形状を大まかに調整することができる。

【0024】

中性子イメージング技術では、利用目的に応じて中性子源から出力される中性子線のエネルギー分布（スペクトル）を精度良く測定できることが好ましい。パルス中性子源であれば、上述のＴＯＦ法によって熱中性子領域（約１０^－２～１０^－１ｅＶ）および熱外中性子領域（約１０^０～１０^３ｅＶ）中性子スペクトルの測定が可能である。しかしながら、高エネルギー領域（１０^６ｅＶ以上）では、中性子が非常に高速であるためにマイクロ（１０^－６）秒以下またはナノ（１０^－９）秒以下の時間分解能で中性子を測定する必要があり、高精度の計測が困難となる。また、定常中性子源の場合、検出器の手前に配置する減速材の厚みを変えることで異なるエネルギー値の中性子が測定する方法が知られている。しかしながら、熱中性子領域（約１０^－２～１０^－１ｅＶ）、熱外中性子領域（約１０^０～１０^３ｅＶ）および高エネルギー領域（１０^６ｅＶ以上）にわたって中性子スペクトルを測定するには、減速材の厚みを最大で数ｃｍ～数十ｃｍ程度にする必要があり、測定装置の大型化につながってしまう。また、一般的な中性子カウンタは、中性子線の照射環境下で発生する高線量のガンマ線を同時に計測してしまうため、ガンマ線の影響を考慮して測定結果を高精度で補正または較正しなければならない。

【0025】

その他、照射環境をモンテカルロ法などを用いてシミュレーション計算することによって照射場の中性子スペクトルを解析的に導出する方法も用いられている。しかしながら、適切な計算結果を得るためには、実際の照射場の建屋や機器等の配置を高精度に再現し、照射環境下での散乱線の影響等を考慮して計算しなければならず、解析に必要となるデータ量が膨大となる。また、１回の計算に数日から数週間かかることもあり、中性子スペクトルを得るために気軽に利用できる手法とは言えない。

【0026】

そこで、本実施の形態では、中性子スペクトルを簡便に測定する技術を提案する。本実施の形態に係る中性子スペクトル測定装置は、それぞれが原子番号の異なる元素を含有する複数種類の箔コンバータを有するコンバータユニットと、対応する種類の箔コンバータと同一の元素をそれぞれが含有する複数種類のフィルタを有し、中性子線の入射方向から見てコンバータユニットの手前側に配置されるフィルタユニットと、を備える。複数種類のフィルタは、中性子線の入射方向から見た平面視において互いに重ならないように配置され、複数種類の箔コンバータは、対応する種類のフィルタと中性子線の入射方向に少なくとも部分的に重なるように配置される。

【0027】

本実施の形態では、同一の元素で構成されるフィルタと箔コンバータを組み合わせて使用し、フィルタを透過した中性子線を箔コンバータに吸収させる。箔コンバータは、中性子線の吸収によって放射化し、中性子線の吸収量に応じた強さの放射能を獲得する。放射化された箔コンバータは、イメージングプレートなどの転写プレートに密着固定され、箔コンバータ表面の放射能強度分布に対応する画像が転写プレートに現像される。その後、転写プレートに現像された画像を読み出し、生成した画像データを解析することで、箔コンバータが吸収した中性子束を算出できる。

【0028】

本実施の形態では、測定対象とする中性子線のエネルギーに応じて二種類の測定方法を使用する。第１の測定方法は、共鳴吸収を利用して熱外中性子領域Ｒ２を測定するものであり、薄いフィルタを透過した中性子線を箔コンバータに吸収させる。共鳴吸収の反応断面積は非常に大きいため、薄いフィルタを用いることで共鳴エネルギーの中性子線をフィルタに選択的に吸収させることができ、共鳴エネルギー以外の中性子線を箔コンバータで測定できる。さらに、共鳴エネルギーのピーク位置が異なる複数種類の元素を用いることで、熱外中性子領域Ｒ２における複数の異なるエネルギーでの中性子束を求めることができる。

【0029】

第２の測定方法は、閾値反応を利用して高エネルギー領域Ｒ３を測定するものであり、厚いフィルタを透過した中性子線を箔コンバータに吸収させる。熱中性子領域Ｒ１および熱外中性子領域Ｒ２の反応断面積は、高エネルギー領域Ｒ３の閾値反応断面積より非常に大きいため、厚いフィルタを用いることで熱中性子領域Ｒ１および熱外中性子領域Ｒ２の中性子線のほとんどをフィルタに吸収させることができる。その結果、厚いフィルタを透過して実質的に高エネルギー領域Ｒ３のみとなった中性子線を箔コンバータで測定できる。さらに、閾値の異なる複数種類の元素を用いることで、高エネルギー領域Ｒ３における複数の異なるエネルギーでの中性子束を求めることができる。

【0030】

なお、熱中性子領域Ｒ１の中性子束は、Ｃｄをフィルタとして用いることで、いわゆるＣｄ比として測定することができる。したがって、第１の測定方法と第２の測定方法を組み合わせることで、熱中性子領域Ｒ１から高エネルギー領域Ｒ３にわたる広範囲のエネルギー分布を概略的に得ることができる。以下、第１の測定方法および第２の測定方法について詳述する。

【0031】

（第１の測定方法）
図４は、実施の形態に係る測定ユニット５０の構成を概略的に示す断面図である。測定ユニット５０は、金属箔コンバータ５２と、熱中性子フィルタ５４と、金属フィルタ５６とを備える。測定ユニット５０は、熱中性子領域Ｒ１および熱外中性子領域Ｒ２のエネルギーを測定するために用いられる。図４では、第１の測定方法に係る説明を簡易にするため、１種類の金属箔コンバータ５２および金属フィルタ５６のみを示している。

【0032】

金属箔コンバータ５２および金属フィルタ５６は、同一種類の金属元素で構成されており、例えば金（^１９７Ａｕ）で構成される。つまり、金属箔コンバータ５２はＡｕ箔コンバータであり、金属フィルタ５６はＡｕフィルタである。熱中性子フィルタ５４は、例えばカドミウム（Ｃｄ）で構成される均一な厚みの金属板であり、いわゆるＣｄフィルタである。金属箔コンバータ５２の厚みは、例えば０．０１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下である。金属フィルタ５６の厚みは、例えば０．１ｍｍ以上３ｍｍ未満である。Ｃｄフィルタ５４の厚みは、０．１ｍｍ以上３ｍｍ未満であり、例えば０．５ｍｍまたは１ｍｍである。

【0033】

金属箔コンバータ５２は、三つの測定領域５２ａ，５２ｂ，５２ｃを有する。第１測定領域５２ａの上には、熱中性子フィルタ５４および金属フィルタ５６が設けられず、測定対象となる中性子線ＮＢが第１測定領域５２ａに直接照射される。第２測定領域５２ｂの上には、熱中性子フィルタ５４のみが設けられており、熱中性子フィルタ５４を通過した中性子線ＮＢが第２測定領域５２ｂに入射する。第３測定領域５２ｃの上には、熱中性子フィルタ５４および金属フィルタ５６が重なっており、熱中性子フィルタ５４および金属フィルタ５６の双方を通過した中性子線ＮＢが第３測定領域５２ｃに入射する。

【0034】

図５（ａ）～（ｃ）は、Ａｕ箔コンバータにより吸収される中性子スペクトルの一例を示すグラフである。図５（ａ）は、図４のＡｕ箔コンバータ５２の第１測定領域５２ａに対応する中性子スペクトルである。図５（ａ）の破線は、Ａｕ箔コンバータ５２の第１測定領域５２ａに入射する中性子線ＮＢのスペクトルであり、実線は第１測定領域５２ａで吸収される中性子スペクトルを示す。測定対象の中性子線には様々なエネルギーの中性子が混在している。図示する例では、熱中性子領域Ｅ１の中性子束は１０^－６程度の緩やかなピークを有し、熱外中性子領域Ｅ２の中性子束は１０^－７程度でほぼ一定である。実線で示されるように、Ａｕ箔コンバータ５２の第１測定領域５２ａで吸収される中性子スペクトルは、約５ｅＶ（４．９０６ｅＶ）の位置に共鳴吸収のピークＥ_Ａｕを有する。また、Ａｕ箔コンバータ５２の第１測定領域５２ａは、熱中性子領域Ｅ１の中性子もある程度吸収する。Ａｕ箔コンバータ５２の第１測定領域５２ａが吸収する中性子の総量は、実線のスペクトルで示される領域全体の積分値に相当する。図５（ａ）の例では、熱中性子領域Ｅ１における中性子の吸収量の積分値と、熱外中性子領域Ｅ２における中性子の吸収量の積分値とは同程度である。

【0035】

図５（ｂ）は、図４のＡｕ箔コンバータ５２の第２測定領域５２ｂに対応する中性子スペクトルである。図５（ｂ）の破線は、熱中性子フィルタ５４を通過してＡｕ箔コンバータ５２の第２測定領域５２ｂに入射する中性子線ＮＢのスペクトルであり、実線は第２測定領域５２ｂで吸収される中性子スペクトルを示す。図５（ｂ）では、図５（ａ）と異なり、熱中性子フィルタ５４によって熱中性子領域Ｅ１の中性子束が遮蔽されている。その結果、Ａｕ箔コンバータ５２の第２測定領域５２ｂには熱外中性子領域Ｅ２のみが吸収され、吸収される中性子のほとんどが共鳴ピークＥ_Ａｕのエネルギー値を持つ。

【0036】

図５（ｃ）は、図４のＡｕ箔コンバータ５２の第３測定領域５２ｃに対応する中性子スペクトルである。図５（ｃ）の破線は、Ａｕフィルタ５６および熱中性子フィルタ５４を通過してＡｕ箔コンバータ５２の第３測定領域５２ｃに入射する中性子線ＮＢのスペクトルであり、実線は第３測定領域５２ｃで吸収される中性子スペクトルを示す。図５（ｃ）では、図５（ｂ）の破線のスペクトルからさらに金属フィルタ５６によって共鳴ピークＥ_Ａｕの中性子束が遮蔽される。その結果、Ａｕ箔コンバータ５２の第３測定領域５２ｃには熱外中性子領域Ｅ２のうち共鳴ピークＥ_Ａｕの部分を除いたエネルギーの中性子が吸収される。

【0037】

ここで、図５（ｂ），（ｃ）に実線で示される吸収スペクトルを比較すると、共鳴ピークＥ_Ａｕのエネルギーを持つ中性子束の吸収の有無のみが実質的な相違点となる。したがって、図５（ｂ）の第２測定領域５２ｂの中性子吸収量から図５（ｃ）の第３測定領域５２ｃの中性子吸収量を減算すれば、共鳴ピークＥ_Ａｕの中性子吸収量のみを求めることができる。その結果、Ａｕ箔コンバータ５２の共鳴ピークＥ_Ａｕのエネルギー（約５ｅＶ）における中性子束を求めることができる。Ａｕ箔コンバータ５２の中性子吸収量は、中性子の吸収によってＡｕが放射化し、その放射能強度を事後的に測定することで間接的に求めることができる。中性子線ＮＢを照射すると、Ａｕ箔コンバータ５２に含まれる^１９７Ａｕが（ｎ，γ）反応によって^１９８Ａｕに変換されて放射化する。^１９８Ａｕは、中性子線ＮＢの照射量に応じてＡｕ箔コンバータ５２に蓄積されていく。Ａｕ箔コンバータ５２に生成された^１９８Ａｕは、その後、β^－壊変してベータ線（電子線）を放出する。中性子線ＮＢの照射後にＡｕ箔コンバータ５２から放出される放射線（ベータ線）の強度を測定すれば、Ａｕ箔コンバータ５２の中性子吸収量を算出できる。詳細は別途後述する。

【0038】

なお、熱中性子フィルタ５４を用いなくても、Ａｕ箔コンバータ５２の共鳴ピークＥ_Ａｕでの中性子束を求めることができる。具体的には、Ａｕ箔コンバータ５２の測定領域のうち、金属フィルタ５６により遮蔽される領域とそうでない領域の中性子吸収量を測定し、両者を比較することで、共鳴ピークＥ_Ａｕの中性子吸収量を求めることもできる。しかしながら、この場合には熱中性子領域Ｅ１での中性子吸収量の割合が大きいため、共鳴ピークＥ_Ａｕでの吸収の有無による中性子吸収量の変化の割合が小さくなり、測定の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）の低下につながる。したがって、熱中性子フィルタ５４を用いることで、共鳴ピークＥ_Ａｕでの測定のＳ／Ｎ比を高め、より精度良く共鳴ピークＥ_Ａｕでの中性子束を算出できる。

【0039】

上述の手法は、共鳴吸収ピークが異なる別の種類の金属元素を含有する金属箔コンバータおよび金属フィルタの組み合わせにも適用可能である。図６は、ＩｎフィルタおよびＣｄフィルタを介してＩｎ箔コンバータにより吸収される中性子スペクトルの一例を示すグラフである。つまり、図６では、金属箔コンバータ５２および金属フィルタ５６を構成する金属元素として、金（Ａｕ）の代わりにインジウム（^１１５Ｉｎ）を用いている。図示されるように、インジウム（^１１５Ｉｎ）は約１．５ｅＶ（１．４５７ｅＶ）の位置に共鳴吸収のピークＥ_Ｉｎを有する。したがって、金属箔コンバータ５２と金属フィルタ５６の組み合わせとしてＩｎを用いることで、Ａｕ（約５ｅＶ）とは異なるエネルギー（約１．５ｅＶ）の中性子束を求めることができる。

【0040】

熱外中性子領域Ｅ２に共鳴吸収ピークを有する金属元素として、金（^１９７Ａｕ）、インジウム（^１１５Ｉｎ）の他に、マンガン（^５５Ｍｎ）、コバルト（^５９Ｃｏ）、銅（^６３Ｃｕ）、エルビウム（^１７０Ｅｒ）などが挙げられる。マンガン（^５５Ｍｎ）は約３００ｅＶ（３３７ｅＶ）の共鳴ピークを有し、コバルト（^５９Ｃｏ）は約１００ｅＶ（１３２ｅＶ）の共鳴ピークを有する。銅（^６３Ｃｕ）は約６００ｅＶ（５８０ｅＶ）の共鳴ピークを有し、エルビウム（^１７０Ｅｒ）は１００ｅＶの共鳴ピークを有する。なお、これらの金属元素を含有する合金を用いることもできる。一例を挙げれば、マンガン単体の金属を用いる代わりに、マンガンを含むマンガニン合金（銅８６％、マンガン１２％、ニッケル（Ｎｉ）２％）を用いることも可能である。

【0041】

上記の金属元素のうち、コバルト（Ｃｏ）は半減期が他の元素に比べて長いため、転写法による比較的短時間の測定には適していないかもしれない。一方、コバルトに近似した共鳴ピークを有するエルビウム（^１７０Ｅｒ）は、同位体存在割合が１４．９３％であり、(ｎ，γ）反応によって生成される^１７１Ｅｒがβ^－壊変する半減期が７．５１６時間である。また、他の同位体である^１６８Ｅｒの存在割合は２６．７８％であり、(ｎ，γ）反応によって生成される^１６９Ｅｒがβ^－壊変する半減期は９．４０日である。したがって、放射化および転写の工程においては、半減期の短い放射性同位体^１７１Ｅｒから放出されるベータ線が支配的であると考えられる。

【0042】

上述の手法は、共鳴吸収とは異なる反応特性を持つ金属元素を含有する金属箔コンバータおよび金属フィルムの組み合わせにも適用可能であり、例えば、熱中性子領域Ｅ１の反応断面積が大きいジスプロシウム（Ｄｙ）を用いることができる。図７（ａ），（ｂ）は、Ｄｙ箔コンバータにより吸収される中性子スペクトルの一例を示すグラフである。図７（ａ）の実線は、熱中性子フィルタ５４（Ｃｄフィルタ）がない場合のＤｙ箔コンバータの中性子吸収スペクトルを示す。図示されるように、Ｄｙ箔は、熱中性子領域Ｅ１と、熱外中性子領域Ｅ２の一部領域Ｅ３（０．４ｅＶ～１ｅＶ程度）とにわたって中性子を吸収する。図７（ｂ）の実線は、熱中性子フィルタ５４（Ｃｄフィルタ）がある場合のＤｙ箔コンバータの中性子吸収スペクトルを示す。図示されるように、Ｃｄフィルタを組み合わせることで熱中性子領域Ｅ１を遮蔽し、０．４ｅＶ～１ｅＶ程度の一部領域Ｅ３の中性子のみをＤｙ箔コンバータに吸収させることができる。したがって、Ｄｙ箔コンバータとＤｙフィルタ（およびＣｄフィルタ）を組み合わせることで、０．４ｅＶ～１ｅＶ程度のエネルギー範囲の中性子束を測定できる。

【0043】

なお、本実施の形態に係る測定方法は、反応特性の異なる金属箔コンバータと金属フィルタを組み合わせても意味がない。なぜなら、特定のエネルギーに対する反応が同じである同一種類の金属元素の金属箔コンバータと金属フィルタを組み合わせることで初めて、特定エネルギーにおける中性子束を高精度に測定できるからである。図８は、異なる種類の金属元素の金属箔コンバータと金属フィルタを組み合わせた場合の中性子吸収スペクトルを示し、ＡｕフィルタおよびＣｄフィルタにＩｎ箔コンバータを組み合わせた場合を示す。図示されるように、ＡｕとＩｎでは共鳴ピークＥ_Ａｕ，Ｅ_Ｉｎの位置が相違するため、Ｉｎ箔コンバータの中性子吸収スペクトルは、Ａｕフィルタの影響を実質的に受けていないことが分かる。

【0044】

次に、放射化した金属箔コンバータ５２の放射能強度の測定方法について説明する。図９（ａ），（ｂ）は、転写ユニット１４の構成を概略的に示す断面図である。図９（ａ）に示されるように、転写ユニット１４は、転写プレート４２と、緩衝材４４と、遮蔽容器４６とを備える。転写ユニット１４は、放射化された金属箔コンバータ５２の放射能強度分布を転写プレート４２に現像して画像化するためのカセッテである。

【0045】

転写プレート４２は、放射線（例えばベータ線およびガンマ線）に反応して放射線強度分布に対応する画像を生成するためのイメージングプレート（ＩＰ）である。転写プレート４２として、例えば輝尽性蛍光体を用いたものを使用できる。輝尽性蛍光体は、放射線（主にベータ線）に反応して蛍光するとともに、事後的に読出光を照射することで放射線に反応した箇所が再度発光するという記憶機能（光メモリ機能）を有する。その結果、輝尽性を有しない一般的な蛍光体を用いる場合に比べて高感度画像を得ることができ、ダイナミックレンジの大きい画像データを取得できる。また、中性子線の照射環境と、イメージングプレートへの転写環境とを分離することができ、中性子線の照射環境にて生じる高線量のガンマ線が転写工程に悪影響を及ぼすことを防ぐことができる。

【0046】

放射化された金属箔コンバータ５２は、その片面が転写プレート４２と密着した状態で遮蔽容器４６の内部に収容される。緩衝材４４は、スポンジ状の樹脂部材またはゴム部材であり、転写プレート４２を金属箔コンバータ５２に押し付けるようにする。これにより、転写プレート４２と金属箔コンバータ５２の間に隙間が生じないようにし、転写工程の間、転写プレート４２と金属箔コンバータ５２の相対位置が変わらないようにする。遮蔽容器４６は、転写工程の間、容器内部が暗室状態となるように外部からの光を遮蔽する。

【0047】

図９（ｂ）は、転写ユニット１４の変形例を示す。図９（ｂ）では、金属箔コンバータ５２の両面のそれぞれに転写プレート４２ａ，４２ｂに配置される点で図９（ａ）の構成と相違する。金属箔コンバータ５２の厚さは、例えば０．０１ｍｍ～０．３ｍｍ程度と薄いため、中性子線ＮＢが入射する表面と反対側の裏面のいずれも同じような二次元分布で放射化している。そのため、金属箔コンバータ５２の表面に対応する第１転写プレート４２ａに転写される画像と、金属箔コンバータ５２の裏面に対応する第２転写プレート４２ｂに転写される画像とを足し合わせて用いることができる。その結果、両面の転写結果を積算することで、金属箔コンバータ５２の片面のみを転写する場合に比べて、現像される画像の感度を高めることができる。

【0048】

図１０は、照射工程および転写工程における金属箔コンバータ５２の放射能強度の時間変化の一例を示すグラフであり、Ｄｙ箔コンバータの例を示す。金属箔にジスプロシウム（Ｄｙ）を用いる場合、（ｎ，γ）反応によって^１６４Ｄｙが^１６５Ｄｙに変換され、放射化した^１６５Ｄｙが半減期２．３３時間（約１４０分）でβ^－壊変する。グラフの縦軸は、金属箔コンバータ５２の放射能の表面密度（Ｂｑ／ｃｍ^２）であり、グラフの横軸は経過時間（分）である。時刻ｔ_１までの期間は、測定ユニット５０に中性子線ＮＢを連続して照射する照射工程であり、時間の経過とともに放射能強度が高まっていく。金属箔コンバータ５２に熱中性子をｔ秒照射して生成される放射能表面密度Ａｓ（ｔ）は、以下の式（１）で記述することができる。

【数1】

ここで、ｆ：照射中性子線の中性子束（ｎ／ｃｍ^２ｓ）、σ：金属箔の放射化断面積（ｃｍ^２）、θ：金属箔中の同位体存在割合、ρ：金属箔の密度（ｇ／ｃｍ^３）、Ｖ：金属箔の体積（ｃｍ^３）、ｔ：中性子線の照射時間（ｓ）、Ｔ：生成核の半減期（ｓ）、Ｍ：金属箔の原子量、Ｓ：金属箔の表面積（ｃｍ^２）である。式（１）より、照射時間ｔが長くなると、放射平衡に漸近していくことが分かる。

【0049】

図１０の時刻ｔ_１以降は中性子線の照射を停止した状態である。時刻ｔ_１～ｔ_２は、放射化した金属箔コンバータ５２を転写ユニット１４に収容する準備工程である。時刻ｔ_２～ｔ_３は、金属箔コンバータ５２の放射能強度分布を転写プレート４２に転写する転写工程である。中性子線の照射を停止すると、新たな放射性核種が生成されずに放射性核種が崩壊していくため、時間経過とともに放射能強度が減衰していく。照射停止（時刻ｔ_１）からｄ秒経過したときの放射能表面密度Ａｄ（ｄ）は、以下の式（２）で記述することができる。

【数2】

【0050】

時刻ｔ_２～ｔ_３の転写工程では、金属箔コンバータ５２から放射される放射線が転写プレート４２に蓄積されていく。転写プレート４２に蓄積される積算放射能強度Ｂは、図１０のグラフの斜線の領域に相当し、時刻ｔ_２から時刻ｔ_３まで放射能表面密度Ａｄ（ｄ）の積分値に対応する。放射能強度の測定感度を高めるためには、転写プレート４２に蓄積される積算放射能強度Ｂの値を最大化することが好ましい。積算放射能強度Ｂの最大化のためには、生成核の半減期Ｔの５倍以上の時間にわたって中性子線ＮＢを照射し、時刻ｔ_１～ｔ_２の準備工程の時間を極力短くし、半減期Ｔの５倍以上の時間にわたって金属箔コンバータ５２から転写プレート４２に放射線を積算照射することが好ましい。

【0051】

転写プレート４２に転写された放射能強度分布は、例えば、転写プレート４２に読出用のレーザ光をスキャン照射し、レーザ照射位置の蛍光量をフォトダイオードや光電子増倍管などの検出器で検出することでデジタル信号（画像データ）として画像化できる。例えば、イメージングプレート専用のリーダ（スキャナ）などを読取装置として用いることができる。このようにして取得した画像データの画素値は、上述の積算放射能強度Ｂに対応するため、照射工程、準備工程および転写工程の時間値と、金属箔コンバータ５２の物性値とを用いて式（１）および式（２）を逆算することで、金属箔コンバータ５２に照射された中性子束ｆを求めることができる。

【0052】

図４に示すように、金属箔コンバータ５２の各測定領域５２ａ～５２ｃに異なる条件で中性子線を照射している場合、各測定領域５２ａ～５２ｃに照射された中性子束を算出してこれらを比較することで、共鳴吸収ピークのエネルギー範囲の中性子束を求めることもできる。このとき、図９（ａ），（ｂ）に示すように、各測定領域５２ａ～５２ｃを有する金属箔コンバータ５２を同じ転写プレート４２に密着させることで、準備工程および転写工程の時間値を各測定領域５２ａ～５２ｃで同じにできる。その結果、中性子束を算出するために必要なパラメータを共通化することができ、より高精度に共鳴吸収ピークの中性子束を求めることができる。また、照射工程と転写工程とを分離しているため、ガンマ線の影響が少ない環境下で金属箔コンバータ５２の放射能強度分布を転写プレート４２に転写でき、画像データに含まれるノイズを抑制できる。

【0053】

図１１は、ステップウェッジを用いる測定ユニット６０の構成を概略的に示す断面図である。測定ユニット６０は、金属箔コンバータ６２と、熱中性子フィルタ６４と、金属フィルタ６６とを備える。測定ユニット６０は、金属フィルタ６６として段階的な厚さｔ_ａ～ｔ_ｅを有するステップウェッジを用いる点で、図４に示した測定ユニット５０の構成と相違する。ステップウェッジを用いることで、金属フィルタ６６の厚みの違いに応じた中性子束が得られ、共鳴吸収ピークの中性子束をより高精度に求めることができる。

【0054】

金属フィルタ６６は、５段のステップウェッジであり、厚みの異なる第１部分６６ａ、第２部分６６ｂ、第３部分６６ｃ、第４部分６６ｄおよび第５部分６６ｅを有する。各部分６６ａ～６６ｅの厚みｔ_ａ～ｔ_ｅは、例えば０．１ｍｍ以上３ｍｍ未満の範囲で設定される。一例を挙げれば、第１部分６６ａの厚みｔ_ａは０．１ｍｍであり、第２部分６６ｂの厚みｔ_ｂは０．２ｍｍであり、第３部分の厚みｔ_ｃは０．５ｍｍであり、第４部分６６ｄの厚みｔ_ｄは１．０ｍｍであり、第５部分６６ｅの厚みｔ_ｅは２．０ｍｍである。なお、ステップウェッジの段数は５段に限られず、２段、３段または４段のステップウェッジを用いてもよいし、６段以上のステップウェッジを用いてもよい。また、ステップウェッジの各段の厚みも上述したものに限られず、厚みを等間隔で線形的に変化させてもよいし、指数的または累乗的に非線形で変化させてもよい。

【0055】

金属箔コンバータ６２は、複数の測定領域６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄ，６２ｅを有する。第１測定領域６２ａには金属フィルタ６６の第１部分６６ａを通過した中性子線ＮＢが入射する。同様にして、第２測定領域６２ｂ、第３測定領域６２ｃ、第４測定領域６２ｄおよび第５測定領域６２ｅには、それぞれ金属フィルタ６６の第２部分６６ｂ、第３部分６６ｃ、第４部分６６ｄおよび第５部分６６ｅを通過した中性子線ＮＢが入射する。また、金属箔コンバータ６２と金属フィルタ６６の間にはＣｄフィルタなどの熱中性子フィルタ６４が配置される。したがって、熱中性子フィルタ６４を通過した中性子線ＮＢが金属箔コンバータ６２の各測定領域６２ａ～６２ｅに入射する。

【0056】

金属箔コンバータ６２および金属フィルタ６６は、上述の実施の形態と同様、例えば金（^１９７Ａｕ）で構成され、約５ｅＶの共鳴吸収ピークを有する。したがって、金属箔コンバータ６２の中性子吸収スペクトルは、図５（ｃ）と同様、共鳴ピークＥ_Ａｕの中性子束が金属フィルタ６６によって少なくとも部分的に除去されたものとなる。本実施の形態では、金属フィルタ６６の厚みが測定領域に応じて異なるため、金属フィルタ６６による共鳴ピークＥ_Ａｕの中性子吸収量が異なる。具体的には、金属フィルタ６６の厚みが小さい第１測定領域６２ａでは、金属フィルタ６６による吸収量が小さいため、第１測定領域６２ａが吸収する共鳴ピークＥ_Ａｕの中性子束は相対的に大きく、共鳴ピークＥ_Ａｕでのスペクトルの溝が浅くなる。一方、金属フィルタ６６の厚みが大きい第５測定領域６２ｅでは、金属フィルタ６６による吸収量が大きいため、第５測定領域６２ｅが吸収する共鳴ピークＥ_Ａｕの中性子束は相対的に小さく、共鳴ピークＥ_Ａｕでのスペクトルの溝が深くなる。

【0057】

図１２は、図１１の測定ユニット６０を用いて取得される画像データの一例を模式的に示す図であり、転写プレート４２に転写される画像６８を模式的に示す。転写画像６８は、金属箔コンバータ６２の各測定領域６２ａ～６２ｅに対応する複数の領域６８ａ，６８ｂ，６８ｃ，６８ｄ，６８ｅを有する。転写画像６８の各領域６８ａ～６８ｅの画素値は、金属箔コンバータ６２の各測定領域６２ａ～６２ｅが吸収した中性子束の大きさに比例し、それぞれが段階的に変化する黒化濃度を有する。第１領域６８ａは、中性子吸収量が相対的に大きい第１測定領域６２ａに対応するため、相対的に黒い（濃い）領域となる。一方、第５領域６８ｅは、中性子吸収量が相対的に小さい第５測定領域６２ｅに対応するため、相対的に白い（薄い）領域となる。このようにして、測定ユニット６０を用いた測定結果として、黒化濃度（濃淡）の異なる複数の領域６８ａ～６８ｅを有する転写画像６８が得られる。

【0058】

なお、各領域６８ａ～６８ｅの外側の背景領域６８ｆは、図面の分かりやすさのために白色としているが、実際には黒色であってもよい。例えば、金属箔コンバータ６２の測定領域６２ａ～６２ｅよりも外側の領域上に金属フィルタ６６が存在していなければ、その外側領域に入射する中性子束は測定領域よりも大きいであろう。その結果、相対的に大きい中性子吸収量に対応するように転写画像６８の背景領域６８ｆは黒い（濃い）部分となる。なお、金属箔コンバータ６２の測定領域外に入射する中性子線ＮＢの大部分を遮蔽するようなフィルタが設けられていれば、転写画像６８の背景領域６８ｆは白い（薄い）部分となるであろう。

【0059】

金属フィルタ６６として用いるステップウェッジの厚さは既知である。そのため、ステップウェッジの各部分６６ａ～６６ｅによる共鳴ピークＥ_Ａｕでの中性子束の吸収率（または減衰率）を計算により求めることができる。したがって、転写画像６８の各領域６８ａ～６８ｅの画素値と、ステップウェッジの各部分６６ａ～６６ｅの中性子束の吸収率とを相関させることで、測定ユニット６０に入射する中性子線ＮＢの共鳴ピークＥ_Ａｕでの中性子束を求めることができる。本実施の形態では、複数段（例えば５段）のステップウェッジに基づく測定値を利用できるため、図４の実施の形態のように金属フィルタ５６の有無による測定値を比較する場合よりも共鳴ピークＥ_Ａｕでの中性子束を高精度に求めることができる。

【0060】

図１３は、複数種類の金属箔を用いる測定ユニット１２の構成を概略的に示す断面図である。測定ユニット１２は、コンバータユニット２０と、フィルタユニット３０とを備える。フィルタユニット３０は、コンバータユニット２０に入射する中性子線ＮＢを遮蔽するようにコンバータユニット２０の中性子線ＮＢの入射側に配置される。図面において、中性子線ＮＢの入射方向をｚ方向（＋ｚ方向）とし、入射方向に直交する二つの方向をｘ方向およびｙ方向としている。

【0061】

コンバータユニット２０は、複数種類の金属箔コンバータ２１～２６と、熱中性子遮蔽板２８とを含む。フィルタユニット３０は、複数種類の金属フィルタ３１～３５と、支持板３８と、熱中性子フィルタ４０とを含む。本実施の形態では、中性子との反応特性が異なる複数種類の金属元素を利用することで、複数のエネルギーの中性子束を同時測定できるようにしている。

【0062】

図１４は、図１３のコンバータユニット２０の構成を概略的に示す上面図である。複数種類の金属箔コンバータ２１～２６は、熱中性子遮蔽板２８の上にｘ方向に並んで配置されている。複数種類の金属箔コンバータ２１～２６は、中性子線ＮＢの入射方向から見た平面（ｘｙ平面）視において、互いに重ならないように異なる位置に配置される。複数種類の金属箔コンバータ２１～２６は、例えば、図示されるようなｙ方向に長い矩形状であり、ｘ方向に間隔を空けて並べられる。なお、図示される複数種類の金属箔コンバータ２１～２６の形状および配置は一例にすぎず、他の形状および配置が用いられてもよい。例えば、複数種類の金属箔コンバータ２１～２６は、２次元アレイ状に配置されてもよい。熱中性子遮蔽板２８は、中性子線ＮＢの入射方向とは反対側（裏側）から散乱して金属箔コンバータ２１～２６に戻ってくる熱中性子（ノイズ成分）を除去するために設けられる。熱中性子遮蔽板２８を支持するためのアルミニウム（Ａｌ）板がさらに設けられてもよい。

【0063】

複数種類の金属箔コンバータ２１～２６は、それぞれ異なる種類の金属元素を含有し、それぞれが中性子の異なるエネルギーに反応して放射化する。複数種類の金属箔コンバータ２１～２６のそれぞれが含有する金属元素として、例えば、ジスプロシウム（Ｄｙ）、金（^１９７Ａｕ）、インジウム（^１１５Ｉｎ）、マンガン（^５５Ｍｎ）、コバルト（^５９Ｃｏ）、銅（^６３Ｃｕ）、エルビウム（^１７０Ｅｒ）のいずれかを選択することができる。上述の通り、ジスプロシウム（Ｄｙ）は、熱中性子領域Ｅ１の中性子束を測定するために用いることができる。また、金（^１９７Ａｕ）、インジウム（^１１５Ｉｎ）、マンガン（^５５Ｍｎ）、コバルト（^５９Ｃｏ）、銅（^６３Ｃｕ）およびエルビウム（^１７０Ｅｒ）は、熱外中性子領域Ｅ２における特定の共鳴吸収エネルギーの中性子束を測定するために用いることができる。

【0064】

なお、１ＭｅＶ程度以上の高エネルギーの中性子を測定するため、アルミニウム（Ａｌ）やマグネシウム（Ｍｇ）を用いることもできる。アルミニウム（^２７Ａｌ）に高エネルギーの中性子を照射すると、中性子を捕獲してアルファ線を放出する（ｎ，α）反応が生じ、放射化ナトリウム（^２４Ｎａ）が生成される。また、マグネシウム（^２４Ｍｇ）に高エネルギーの中性子を照射すると、中性子を捕獲して陽子を放出する（ｎ，ｐ）反応が生じ、放射化ナトリウム（^２４Ｎａ）が生成される。放射化ナトリウム（^２４Ｎａ）は、ベータ崩壊によりマグネシウム（^２４Ｍｇ）に安定化するため、放射化ナトリウムから放出されるベータ線（電子線）を測定することで、１ＭｅＶ程度以上の高エネルギー帯の中性子束を測定することができる。ＡｌおよびＭｇの上記反応断面積は、Ａｕなどの共鳴吸収における断面積に比べて小さく、金属フィルタを組み合わせるメリットが小さいため、金属箔コンバータを単独で使用してもよい。

【0065】

複数種類の金属箔コンバータ２１～２６のそれぞれをいずれの金属元素とするかは特に限られないが、一例として、第１金属箔コンバータ２１をＤｙ箔とし、第２金属箔コンバータ２２をＩｎ箔とし、第３金属箔コンバータ２３をＡｕ箔とし、第４金属箔コンバータ２４をＭｎ箔（またはマンガニン箔）とし、第５金属箔コンバータ２５をＥｒ箔とし、第６金属箔コンバータ２６をＡｌ箔とすることができる。

【0066】

図１５は、図１３のフィルタユニット３０の構成を概略的に示す上面図である。複数種類の金属フィルタ３１～３５は、支持板３８の上にｘ方向に並んで配置されている。支持板３８は、熱中性子領域Ｅ１および熱外中性子領域Ｅ２での吸収断面積が小さい材料で構成されることが好ましく、例えば、アルミニウム（Ａｌ）やマグネシウム（Ｍｇ）を用いることができる。複数種類の金属フィルタ３１～３５は、対応する金属箔コンバータ２１～２５と中性子線の入射方向（ｚ方向）に重なる位置に配置される。図示する例では、対応する金属箔コンバータ２１～２５および金属フィルタ３１～３５のｘ方向およびｙ方向の位置および大きさがちょうど揃うようにしているが、両者が互いにｘ方向およびｙ方向の少なくとも一方にずれるようにして重なりあってもよい。つまり、対応する金属箔コンバータ２１～２５および金属フィルタ３１～３５は、ｚ方向に少なくとも部分的に重なっていればよい。図示する例では、第６金属箔コンバータ（例えばＡｌ箔）２６に対応する金属フィルタを設けていないが、第６金属箔コンバータ２６に対応する第６金属フィルタをさらに配置してもよい。

【0067】

複数種類の金属フィルタ３１～３５のそれぞれは、ステップウェッジとして構成される。図１６は、図１５のステップウェッジの構成を概略的に示す断面図であり、図１５のＣ－Ｃ線断面を示す。第１金属フィルタ３１は、厚みが段階的に変化する複数の部分３１ａ～３１ｊを有する。ステップウェッジの各段は、ｘ方向に並べられている。ステップウェッジの左半分（図１５では上半分）に位置する第１部分３１ａ～第５部分３１ｅは、熱中性子フィルタ４０と重ならない位置に配置されている。その結果、第１金属フィルタ３１の第１部分３１ａ～第５部分３１ｅを通過して第１金属箔コンバータ２１に入射する中性子線ＮＢは、熱中性子領域Ｅ１の中性子束を含む。一方、ステップウェッジの右半分（図１５では下半分）に位置する第６部分３１ｆ～第１０部分３１ｊは、熱中性子フィルタ４０と重なる位置に配置されている。その結果、第１金属フィルタ３１の第６部分３１ｆ～第１０部分３１ｊを通過して第１金属箔コンバータ２１に入射する中性子線ＮＢは、熱中性子領域Ｅ１の中性子束が除外されている。したがって、本実施の形態の測定ユニット１２を用いることで、熱中性子領域Ｅ１の中性子を含むデータと、熱中性子領域Ｅ１の中性子が除外されたデータとを同時に取得できる。

【0068】

複数種類の金属フィルタ３１～３５のそれぞれは、対応する金属箔コンバータ２１～２５と同一種類の金属元素で構成される。したがって、上述の一例を挙げれば、第１金属フィルタ３１はＤｙステップウェッジであり、第２金属フィルタ３２はＩｎステップウェッジであり、第３金属フィルタ３３をＡｕステップウェッジであり、第４金属フィルタ３４はＭｎ（またはマンガニン）ステップウェッジであり、第５金属フィルタ３５はＥｒステップウェッジである。本実施の形態においても、ステップウェッジの厚みは、例えば０．１ｍｍ以上３ｍｍ未満の範囲で適宜設定することができる。

【0069】

測定ユニット１２に測定対象とする中性子線ＮＢを照射した後、放射化した複数種類の金属箔コンバータ２１～２６を転写ユニット１４を用いて転写プレート４２に密着させる。このとき、複数種類の金属箔コンバータ２１～２６の全てを同じ転写プレート４２に転写させることで、中性子束を算出するための準備工程および転写工程の時間値を共通化できる。なお、複数種類の金属箔コンバータ２１～２６のそれぞれを分離して別個の転写プレートに転写させてもよい。この場合、別個の転写プレートでの準備工程および転写工程の時間値を用いて各金属箔コンバータが吸収した中性子束を算出することが好ましい。その後、転写プレートを通じて取得された画像データを解析することで、複数種類の金属箔コンバータ２１～２６のそれぞれに対応するエネルギーの中性子束を算出できる。

【0070】

例えば、複数種類の金属箔コンバータ２１～２６の金属元素として、Ｄｙ、Ｉｎ、Ａｕ、Ｍｎ、Ｅｒ、Ａｌを選択することにより、熱中性子領域（～０．４ｅＶ）、熱外中性子領域（０．４ｅＶ～１ｅＶ，Ｄｙ）における中性子束と、１．５ｅＶ（Ｉｎ）、５ｅＶ（Ａｕ）、１００ｅＶ（Ｅｒ）、３３７ｅＶ（Ｍｎ）の共鳴吸収エネルギーにおける中性子束と、１ＭｅＶ程度以上の高エネルギーの中性子束（Ａｌ）とを得ることができる。これらの複数のエネルギー値における中性子束をグラフ化することで、簡易的な中性子エネルギー分布（スペクトル）を得ることができる。

【0071】

図１７は、変形例に係る測定ユニット１２の構成を概略的に示す断面図である。本変形例は、上述の図１３～図１６に示した測定ユニット１２と同様の構成を有するが、複数種類の金属箔コンバータ２１～２６が中性子線ＮＢの入射方向（ｚ方向）に重なり合うように配置されている点で、上述の実施の形態と相違する。

【0072】

コンバータユニット２０は、Ｄｙ箔コンバータ２１と、Ｉｎ箔コンバータ２２と、Ａｕ箔コンバータ２３と、Ｍｎ箔（またはマンガニン箔）コンバータ２４と、Ｅｒ箔コンバータ２５と、Ａｌ箔コンバータ２６とを備える。複数種類の金属箔コンバータ２１～２６のそれぞれは、フィルタユニット３０の複数種類の金属フィルタ（またはステップウェッジ）３１～３５の全てと中性子線ＮＢの入射方向に重なり合うように配置されている。

【0073】

複数種類の金属箔コンバータ２１～２６は、含有する金属元素の種類に応じて積層順序を適切に設定することが好ましい。例えば、熱中性子領域Ｅ１および熱外中性子領域Ｅ２の双方において反応断面積の小さいＡｌ箔コンバータ２６は、他の金属箔コンバータへの影響が小さいため、他の金属箔コンバータよりも中性子線ＮＢの入射方向の手前側（－ｚ方向側）に配置される。一方、熱中性子領域Ｅ１および熱外中性子領域Ｅ２の双方において反応断面積の大きいＤｙ箔コンバータ２１は、他の金属箔コンバータへの影響を避けるため、他の金属箔コンバータよりも中性子線ＮＢの入射方向の奥側（＋ｚ方向側）に配置される。

【0074】

その他の共鳴吸収ピークを有するＩｎ、Ａｕ、Ｍｎ、Ｅｒ箔コンバータの積層順はそれほど厳密ではないが、吸収断面積が相対的に小さい金属元素ほど中性子線の入射方向の手前側に配置することが好ましい。また、Ａｕ箔は中性子測定のためのリファレンスとして標準的に使用されることから、Ａｕ箔での測定誤差を低減するため、他の金属箔に比べてＡｕ箔コンバータ２３を中性子線の入射方向の手前側に配置することが好ましい。このような理由から、図示する例では、中性子線の入射側からＡｌ箔２６、Ａｕ箔２３、Ｅｒ箔２５、Ｉｎ箔２２、Ｍｎ箔２４、Ｄｙ箔２１の順に金属箔コンバータを積層させている。

【0075】

なお、複数種類の金属箔コンバータ２１～２６の一部について、対応する金属フィルタと重なり合う位置にのみ配置してもよい。例えば、Ｍｎ箔２４やＥｒ箔２５は他の金属箔と比較して材料が高価であるため、経済性を考慮すると金属箔の面積を可能な限り小さくした方が好ましい。そこで、Ｍｎ箔２４やＥｒ箔２５などの一部の金属箔については、上述の図１３の実施の形態と同様、対応する金属フィルタ３４，３５が位置する部分にのみ配置してもよい。一方、他の金属箔（例えば、Ｄｙ箔２１、Ｉｎ箔２２、Ａｕ箔２３、Ａｌ箔２６）については、複数の金属フィルタ３１～３５の全てと重なるように配置してもよい。

【0076】

本変形例においても、同一種類の金属元素の金属箔コンバータと金属フィルタが重なる部分の放射能強度を用いることで、上述の実施の形態と同様に中性子スペクトルを算出することができる。なお、本変形例では、異なる種類の金属元素で構成される金属箔コンバータと金属フィルタ（例えば、Ａｕ箔コンバータ２３とＩｎフィルタ３２）が重なる部分のデータも取得できるが、上述の中性子スペクトルを算出する目的において、このデータ取得は必須でない。

【0077】

つづいて、実際の測定に用いた実施例について説明する。図１８は、実施例に係る測定ユニット１２の構成を概略的に示す上面図である。本実施例は、上述の図１７の変形例に類似した構成を有する。フィルタユニット３０は、ステップウェッジであるＤｙフィルタ３１、Ｉｎフィルタ３２、Ａｕフィルタ３３、Ｍｎ（マンガニン）フィルタ３４、Ｅｒフィルタ３５およびＣｏフィルタ３６を有する。本実施例では、１００ｅＶ付近の中性子束を測定するためにエルビウム（Ｅｒ）とコバルト（Ｃｏ）を併用している。Ｃｄフィルタ４０は、ステップウェッジの下半分のみを被覆するように配置されている。

【0078】

また、フィルタユニット３０の支持板３８の上には、各種インジケータが配置されている。具体的には、文字マーク７２、米国試料材料協会（ＡＳＴＭ）規格準拠のビーム純度インジケータ７３および感度インジケータ７４、円印マーク７５、十字印マーク７６などを配置している。さらに、金（Ａｕ）を含有する試料として、万年筆のペン先７８を配置している。

【0079】

フィルタユニット３０の下には、図１７に示したものと同様のコンバータユニット２０が配置される。コンバータユニット２０は、Ｄｙ箔コンバータ２１、Ｉｎ箔コンバータ２２、Ａｕ箔コンバータ２３、Ｍｎ（マンガニン）箔コンバータ２４、Ｅｒ箔コンバータ２５および熱中性子遮蔽板（Ｃｄ板）２８を含む。本実施例ではＡｌ箔コンバータ２６は含まれていない。また、Ｅｒ箔コンバータ２５は、Ｅｒフィルタ３５またはＣｏフィルタ３６と、Ｃｄフィルタ４０とが重なり合う限定された領域にのみ配置されている。その他の金属箔コンバータ２１～２４は、フィルタユニット３０の全体にわたって位置するように大きさおよび位置が決められている。金属箔コンバータ２１～２５は、測定対象とする中性子線の入射方向にＥｒ箔、Ａｕ箔、Ｉｎ箔、Ｍｎ箔、Ｄｙ箔の順に配置されている。

【0080】

本実施例では、サイクロトロン加速器中性子源を利用し、電流量を１６μＡに設定して中性子線ＮＢを測定ユニット１２に７時間（４２０分）にわたって連続照射した。照射した中性子線の熱中性子領域Ｅ１の中性子束ｆは、約１．５×１０^５（ｎ／ｃｍ^２／ｓ）である。照射後、金属箔コンバータ２１～２５を転写ユニット１４にセットする準備工程の時間を２４分とし、転写プレート４２への転写時間を１７時間（１０２０分）とした。転写プレート４２に転写された画像は、専用のスキャナ（リーダ）を用いて画像データ化した。

【0081】

図１９は、Ｄｙ箔コンバータ２１の転写画像の一例を示す図である。図示されるように、フィルタユニット３０に含まれる各種金属フィルタ（ステップウェッジ）およびインジケータを高い空間分解能で画像化できていることが分かる。特に、ＡＳＴＭ規格のインジケータにより示される５０μｍのギャップを視認できることを確認している。

【0082】

熱中性子フィルタ４０のない上半分の領域は、熱中性子領域Ｅ１の中性子束を吸収しているため、熱中性子フィルタ４０のある下半分の領域と比較して黒化濃度が高い。また、複数種類の金属フィルタ３１～３６と重なる部分のうち、Ｄｙフィルタ３１に対応する部分の黒化濃度が相対的に低いことが分かる。これは、Ｄｙ箔コンバータ２１と同一金属元素のＤｙフィルタ３１により、測定感度の高い（つまり吸収断面積の高い）エネルギー範囲の中性子束が遮蔽されているためである。図示されるＤｙ箔コンバータ２１の転写画像において、Ｄｙフィルタ３１のステップウェッジに対応する部分の画素値を解析することで、Ｄｙが反応するエネルギー範囲の中性子束を算出できる。

【0083】

図２０は、Ｉｎ箔コンバータ２２の転写画像の一例を示す図である。図１９のＤｙ箔コンバータ２１の転写画像と同様、フィルタユニット３０の構成を高い空間分解能で画像化できている。Ｉｎ箔コンバータ２２の転写画像では、Ｉｎフィルタ３２と熱中性子フィルタ４０が重なる部分の黒化濃度が顕著に低くなっている。これは、Ｉｎ箔コンバータ２２の測定感度が相対的に高い熱中性子領域Ｅ１と共鳴吸収ピークＥ_Ｉｎの双方がフィルタユニット３０によって遮蔽されているためである。図示されるＩｎ箔コンバータ２２の転写画像において、Ｉｎフィルタ３２のステップウェッジに対応する部分の画素値を解析することで、Ｉｎの共鳴吸収に対応するエネルギー（約１ｅＶ）の中性子束を算出できる。

【0084】

図２１は、Ａｕ箔コンバータ２３の転写画像の一例を示す図である。図２０のＩｎ箔コンバータ２２の転写画像と同様、Ａｕフィルタ３３と熱中性子フィルタ４０が重なる部分の黒化濃度が顕著に低くなっている。また、金（Ａｕ）を含有するペン先７８の部分も黒化濃度が低くなっており、金を含有する試料を高精細に画像化できていることが分かる。図示されるＡｕ箔コンバータ２３の転写画像において、Ａｕフィルタ３３のステップウェッジに対応する部分の画素値を解析することで、Ａｕの共鳴吸収に対応するエネルギー（約５ｅＶ）の中性子束を算出できる。

【0085】

図２２は、Ｍｎ（マンガニン）箔コンバータ２４の転写画像の一例を示す図である。図２０のＩｎ箔コンバータ２２の転写画像と同様、Ｍｎ（マンガニン）フィルタ３４と熱中性子フィルタ４０が重なる部分の黒化濃度が顕著に低くなっている。図示されるＭｎ箔コンバータ２４の転写画像において、Ｍｎフィルタ３４のステップウェッジに対応する部分の画素値を解析することで、Ｍｎの共鳴吸収に対応するエネルギー（約３００ｅＶ）の中性子束を算出できる。

【0086】

図２３は、Ｅｒ箔コンバータ２５の転写画像の一例を示す図である。Ｅｒ箔コンバータ２５は、測定ユニット１２の一部領域にのみ配置しているため、測定ユニット１２全体との位置関係が分かりやすくなるように、Ｅｒ箔コンバータ２５の位置に転写画像を示している。図示されるように、Ｅｒフィルタ３５およびＣｏフィルタ３６と重なる部分の黒化濃度が顕著に低いことが分かる。図示する画像では鮮明に示されていないが、取得した画像の画素値ではステップウェッジの厚みによる違いも識別できている。したがって、Ｅｒフィルタ３５またはＣｏフィルタ３６のステップウェッジに対応する部分の画素値を解析することで、ＥｒまたはＣｏの共鳴吸収に対応するエネルギー（約１００ｅＶ）の中性子束を算出できる。

【0087】

図２４は、中性子スペクトルの測定結果および対応するシミュレーション結果の一例を示すグラフである。グラフの太実線は、上述の図１９～図２３の転写画像を用いて算出した中性子束の測定結果である。グラフの細実線および点線は、中性子線の照射場をシミュレーションにより解析した計算結果であり、細実線は中央値、上下の点線は解析上の標準偏差（±１σ）の値を示す。シミュレーションには、ＰＨＩＴＳ（Particle and Heavy Ion Transport code System, https://phits.jaea.go.jp/index.html, Tatsuhiko Sato, Yosuke Iwamoto, Shintaro Hashimoto, Tatsuhiko Ogawa, Takuya Furuta, Shin-ichiro Abe, Takeshi Kai, Pi-En Tsai, Norihiro Matsuda, Hiroshi Iwase, Nobuhiro Shigyo, Lembit Sihver and Koji Niita Features of Particle and Heavy Ion Transport code System (PHITS) version 3.02, J. Nucl. Sci. Technol. 55, 684-690 (2018)）を利用した。図示されるように、本実施例による測定結果は、シミュレーション結果の標準偏差の範囲内に収まっていることが分かる。したがって、本実施例によれば、中性子のエネルギー分布の傾向を比較的簡便な測定方法で求められることが分かる。

【0088】

図２５は、中性子スペクトル測定装置１０の構成を模式的に示す図である。中性子スペクトル測定装置１０は、測定ユニット１２と、転写ユニット１４と、読取装置１６と、解析装置１８とを備える。測定ユニット１２は、上述の実施の形態で測定ユニット１２，５０または６０である。転写ユニット１４は、測定ユニット１２に含まれる放射化した金属箔コンバータの放射能強度を転写プレート４２に転写するためのカセッテである。読取装置１６は、転写プレート４２に転写された画像を読み取るためのリーダまたはスキャナである。解析装置１８は、読取装置１６により生成される画像データを解析してエネルギー別の中性子束を算出する。解析装置１８は、例えば、汎用コンピュータと、汎用コンピュータにインストールされる解析ソフトウェアとにより実現できる。

【0089】

図２６は、中性子スペクトル測定方法の流れを示すフローチャートである。まず、測定ユニット１２に測定対象となる中性子線を照射する（Ｓ１０）。これにより、測定ユニット１２のフィルタユニット３０を介してコンバータユニット２０に中性子線を照射し、コンバータユニット２０に含まれる複数種類の金属箔コンバータ２１～２６を放射化させる。次に、放射化された複数種類の金属箔コンバータ２１～２６を転写ユニット１４にセットする（Ｓ１２）。これにより、放射化された複数種類の金属箔コンバータのそれぞれから放出される放射線の二次元強度分布を転写プレート４２に転写する。所定の転写時間が経過するまで転写工程を継続し（Ｓ１４のＮ）、所定の転写時間の経過後（Ｓ１４のＹ）、転写ユニット１４から転写プレート４２を取り出し、転写プレート４２に転写された画像を読取装置１６を用いて読み取る（Ｓ１６）。これにより、転写プレート４２に転写された放射線の二次元強度分布に対応する画像データを生成する。つづいて、生成した画像データを解析して中性子束を算出する（Ｓ１８）。これにより、複数種類の金属箔コンバータ２１～２６のそれぞれに対応する複数のエネルギー値における中性子束を算出することができ、中性子の簡易的なエネルギー分布（スペクトル）を求めることができる。

【0090】

本実施の形態によれば、高空間分解能（例えば５０μｍ）の測定が可能なため、複数種類の金属元素のステップウェッジを二次元的に並べたとしても、比較的小型の測定ユニット１２を実現できる。さらに、小型の測定ユニット１２を複数配置することで、異なる位置の中性子スペクトルを同時測定することもできる。例えば、中性子線ＮＢのビーム径が大きい場合には、そのビーム径の範囲内に複数の測定ユニット１２を並べることで、ビーム内の中性子束の二次元分布を得ることもできる。

【0091】

(第２の測定方法）
図２７は、実施の形態に係る測定ユニット９０の構成を概略的に示す断面図である。測定ユニット９０は、第１金属箔コンバータ９１と、第２金属箔コンバータ９２と、第１金属フィルタ９３と、第２金属フィルタ９４とを備える。図２７は、高エネルギー領域Ｒ３のエネルギーを測定するための構成を示す。図２７では、第２の測定方法に係る説明を簡易にするため、２種類の金属箔コンバータ９１，７２および２種類の金属フィルタ９３，７４のみを示している。

【0092】

第１金属箔コンバータ９１および第１金属フィルタ９３は、同一種類の金属元素で構成されており、例えば金（^１９７Ａｕ）で構成される。つまり、第１金属箔コンバータ９１はＡｕ箔コンバータであり、第１金属フィルタ９３はＡｕフィルタである。第１金属フィルタ９３は、第１金属箔コンバータ９１の上に重なるように配置されており、第１金属フィルタ９３を通過した中性子線ＮＢが第１金属箔コンバータ９１に入射する。

【0093】

第２金属箔コンバータ９２および第２金属フィルタ９４は、同一種類の金属元素で構成され、第１金属箔コンバータ９１および第１金属フィルタ９３とは異なる種類の金属元素で構成されている。第２金属箔コンバータ９２および第２金属フィルタ９４は、例えばアルミニウム（^２７Ａｌ）で構成される。つまり、第２金属箔コンバータ９２はＡｌ箔コンバータであり、第２金属フィルタ９４はＡｌフィルタである。第２金属フィルタ９４は、第２金属箔コンバータ９２の上に重なるように配置されており、第２金属フィルタ９４を通過した中性子線ＮＢが第２金属箔コンバータ９２に入射する。

【0094】

金属箔コンバータ９１，７２の厚みは、第１の測定方法と同様であり、例えば０．０１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下である。一方、金属フィルタ９３，７４の厚みは、第１の測定方法よりも大きく、例えば５ｍｍ以上１００ｍｍ以下である。第１金属フィルタ９３および第２金属フィルタ９４の厚みは、反応断面積の大きい熱中性子領域Ｒ１および熱外中性子領域Ｒ２の中性子線を選択的に吸収するために意図的に大きくしている。特に、金属フィルタと金属箔コンバータの元素を同一とすることで、熱中性子領域Ｒ１および熱外中性子領域Ｒ２において金属箔コンバータの吸収断面積の大きいエネルギーの中性子線を金属フィルタで好適に遮断できる。その結果、実質的に高エネルギー領域Ｒ３の中性子線のみを金属箔コンバータに吸収させることができる。言いかえれば、金属箔コンバータに熱中性子領域Ｒ１および熱外中性子領域Ｒ２の中性子線が入射して（ｎ，γ）反応により放射化する影響を分離できる。

【0095】

金属箔コンバータ９１，９２では、高エネルギー領域Ｒ３の中性子線を吸収して閾値反応が生じ、放射性同位体が生成される。第１金属箔コンバータ９１では、^１９７Ａｕが（ｎ，２ｎ）反応により^１９６Ａｕに変換されて放射化する。放射性同位体^１９６Ａｕは、半減期６．１８３日（約１４８時間）でβ^－壊変するため、第１金属箔コンバータ９１から放出されるベータ線を測定することで、^１９７Ａｕの（ｎ，２ｎ）反応が生じる８．１１４ＭｅＶ以上のエネルギー範囲の中性子束の積分値を算出できる。

【0096】

図２８は、アルミニウム（^２７Ａｌ）の中性子エネルギーに対する閾値反応の割合を示す図である。第２金属箔コンバータ９２では、^２７Ａｌの閾値反応として、１．８９６ＭｅＶ以上のエネルギーで（ｎ，ｐ）反応が生じ、３．２４９ＭｅＶ以上のエネルギーで（ｎ，α）反応が生じ、８．５８１ＭｅＶ以上のエネルギーで（ｎ，ｎｐ）反応が生じ、１３．５５ＭｅＶ以上のエネルギーで（ｎ，２ｎ）反応が生じる。このとき、（ｎ，ｐ）反応において半減期９．４５８分の^２７Ｍｇが生成され、（ｎ，α）反応では半減期１４．９５９時間の^２４Ｎａが生成され、（ｎ，２ｎ）反応では半減期７．１７×１０^５年の^２６Ａｌが生成される。このうち^２６Ａｌは、半減期が非常に長いために実際にはほとんど生成されない。したがって、第２金属箔コンバータ９２では、主に半減期９．４５８分の^２７Ｍｇと半減期１４．９５９時間の^２４Ｎａが生成されることとになる。なお、^２７Ｍｇの半減期は短いため、照射工程と転写工程の間隔を数時間程度設けることで、^２７Ｍｇの寄与を無視できる程度に小さくし、実質的に^２４Ｎａの寄与のみを測定することができる。その結果、第２金属箔コンバータ９２から放出されるベータ線を測定することで、^２７Ａｌの（ｎ，α）反応が生じる３．２４９ＭｅＶ以上のエネルギー範囲の中性子束の積分値を算出できる。

【0097】

さらに、金属箔コンバータ９１，９２の測定結果を組み合わせることで、高エネルギー領域Ｒ３の特定のエネルギー範囲の中性子束を算出できる。具体的には、第２金属箔コンバータ９２を用いて算出される第２閾値（３．２４９ＭｅＶ）以上のエネルギー範囲の中性子束の積分値から、第１金属箔コンバータ９１を用いて算出される第１閾値（８．１１４ＭｅＶ）以上のエネルギー範囲の中性子束の積分値を減算することで、第１閾値と第２閾値の間（つまり、３．２４９ＭｅＶ～８．１１４ＭｅＶ）のエネルギー範囲の中性子束を算出できる。

【0098】

第２の測定手法は、閾値エネルギーの異なる別の元素を含有する箔コンバータおよびフィルタの組み合わせにも適用可能である。また、閾値エネルギーの異なる元素を含有する複数種類の箔コンバータおよびフィルタの組み合わせを用いることで、高エネルギー領域Ｒ３における中性子スペクトルをより詳細に算出できる。第２の測定手法で用いる元素は、閾値反応によりβ^－壊変する放射性同位体に変換され、β^－壊変する放射性同位体の半減期が１時間以上５００時間以下であることが好ましい。第２の測定手法においても、ベータ線をイメージングプレートに転写するため、ベータ線を放出しない放射性同位体を使うことはできない。また、イメージングプレートへの転写工程の実施性を考慮すると、半減期が短すぎる（例えば数分以下）、または、長すぎる（例えば１年以上）放射性同位体を使うことはできない。例えば、半減期が短すぎる場合、中性子線ＮＢの照射直後に転写工程を開始しなければならず、測定作業が煩雑となる。また、半減期が長すぎる場合、イメージングプレートに蓄積される積算放射強度を最大化するために必要な転写時間が極めて長くなってしまうため、測定の利便性に欠ける。

【0099】

第２の測定手法に適した元素として、金（Ａｕ）およびアルミニウム（Ａｌ）の他に、ガドリニウム（Ｇｄ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、硫黄（Ｓ）が挙げられる。

【0100】

ガドリニウム（Ｇｄ）の場合、様々な同位体が存在し、同位体存在割合は、^１５２Ｇｄが０．２０％、^１５４Ｇｄが２．１８％、^１５５Ｇｄが１４．８０％、^１５６Ｇｄが２０．４７％、^１５７Ｇｄが１５．６５％、^１５８Ｇｄが２４．８４％、^１６０Ｇｄが２１．８６％である。このうち、^１６０Ｇｄから（ｎ，２ｎ）反応により生成される放射性同位体^１５９Ｇｄを用いることができる。^１６０Ｇｄの（ｎ，２ｎ）反応の閾値エネルギーは、７．４９８ＭｅＶであり、^１５９Ｇｄがβ^－壊変する半減期は１８．４７９時間である。

【0101】

銅（Ｃｕ）の場合、同位体存在割合は、^６３Ｃｕが６９．１７％、^６５Ｃｕが３０．８３％である。このうち、^６５Ｃｕは、閾値エネルギー１．３７ＭｅＶの（ｎ，ｐ）反応により半減期２．５１７時間でβ^－壊変する^６５Ｎｉに変換され、さらに、閾値エネルギー１０．０６ＭｅＶの（ｎ，２ｎ）反応により半減期１２．７時間でβ^－壊変する^６４Ｃｕに変換される。したがって、銅（Ｃｕ）を用いる場合、高エネルギー領域Ｒ３の中性子線が照射されたＣｕ箔コンバータには、^６５Ｎｉおよび^６４Ｃｕの双方が生成され、^６５Ｎｉおよび^６４Ｃｕのそれぞれから放出されるベータ線が同時に計測されてしまう。これらの影響を分離するには、少なくとも４枚のＣｕ箔コンバータを用意して同時に中性子線ＮＢを照射し、４枚のＣｕ箔コンバータのそれぞれの転写開始時刻をずらす必要がある。

【0102】

図２９は、半減期の異なる２種類の放射性同位体を含む金属箔コンバータの放射能の時間変化の一例を示すグラフである。Ａ１は、半減期２．５１７時間の放射能の減衰過程を示し、^６５Ｎｉに相当する。Ａ２は、半減期１２．７時間の放射能の減衰過程を示し、^６４Ｃｕに相当する。Ａは、Ａ１とＡ２を合計したものであり、^６５Ｎｉおよび^６４Ｃｕの双方を含むＣｕ箔コンバータの放射能の減衰過程に相当する。２種類の放射性同位体が混在している場合、それぞれの半減期は既知であるが、中性子線のエネルギースペクトルが分からないためにｔ＝０におけるＡ１、Ａ２のそれぞれの放射能表面密度Ａ１（ｔ＝０），Ａ２（ｔ＝０）は不明である。このとき、４枚のＣｕ箔コンバータの転写開始時刻を例えば、５分後（ｔ_１）、３０分後（ｔ_２）、１０時間後（ｔ_３）、２５時間後（ｔ_４）に設定し、Ａのグラフの２区間（例えばｔ_１からｔ_２の区間およびｔ_３からｔ_４の区間）の減衰量を算出することで、Ａ１の寄与とＡ２の寄与を分離できる。

【0103】

モリブデン（Ｍｏ）の場合、同位体存在割合は、^９２Ｍｏが１４．８４％、^９４Ｍｏが９．２５％、^９５Ｍｏが１５．９２％、^９６Ｍｏが１６．６８％、^９７Ｍｏが９．５５％、^９８Ｍｏが２４．１３％、^１００Ｍｏが９．６３％である。このうち、^１００Ｍｏは、閾値エネルギー８．３７３ＭｅＶの（ｎ，２ｎ）反応により半減期６５．９４時間でβ^－壊変する^９９Ｍｏに変換される。

【0104】

マグネシウム（Ｍｇ）の場合、同位体存在割合は、^２４Ｍｇが７８．９９％、^２５Ｍｇが１０．００％、^２６Ｍｇが１１．０１％である。このうち、^２４Ｍｇは、閾値エネルギー４．９３１ＭｅＶの（ｎ，ｐ）反応により半減期１４．９６時間でβ^－壊変する^２４Ｎａに変換される。

【0105】

亜鉛（Ｚｎ）の場合、同位体存在割合は、^６４Ｚｎが４８．６３％、^６６Ｚｎが２７．９０％、^６７Ｚｎが４．１０％、^６８Ｚｎが１８．７５％、^７０Ｚｎが０．６２％である。このうち、^６４Ｚｎは、閾値エネルギー１．２ＭｅＶの（ｎ，ｐ）反応により半減期１２．７時間でβ^－壊変する^６４Ｃｕに変換される。また、^７０Ｚｎは、閾値エネルギー９．３５１ＭｅＶの（ｎ，２ｎ）反応により半減期５６．４分でβ^－壊変する^６９Ｚｎに変換される。しかしながら、^７０Ｚｎの同位体存在割合は非常に小さいため、^７０Ｚｎの放射化による寄与はほぼ無視できる。

【0106】

硫黄（Ｓ）の場合、同位体存在割合は、^３２Ｓが９４．９３％、^３３Ｓが０．７６％、^３４Ｓが４．２９％、^３６Ｓが０．０２％である。^３２Ｓは、閾値エネルギー０．９５６９ＭｅＶの（ｎ，ｐ）反応により半減期１４．２６２日でβ^－壊変する^３２Ｐに変換される。^３４Ｓは、閾値エネルギー１．３７４ＭｅＶの（ｎ，α）反応により半減期２．６２１７時間でβ^－壊変する^３１Ｓｉに変換される。したがって、硫黄（Ｓ）を用いる場合、高エネルギー領域Ｒ３の中性子線の照射によって^３２Ｐおよび^３１Ｓｉの双方が生成されてしまう。しかしながら、^３２Ｐおよび^３１Ｓｉの半減期は大きく異なるため、銅（Ｃｕ）の場合について上述した方法を用いることで、^３２Ｐの寄与と^３１Ｓｉの寄与とを分離することができる。

【0107】

なお、硫黄（Ｓ）は、硫黄単体の結晶を板状の箔コンバータやフィルタに加工して使用することが難しい。したがって、硫黄（Ｓ）を含有する箔コンバータおよびフィルタの材料として、硫化物を使用してもよい。箔コンバータおよびフィルタとして使用する硫化物は特に問わないが、例えば、酸硫化ガドリニウム（Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ）を用いることができる。高エネルギー領域Ｒ３の中性子線でガドリニウム（Ｇｄ）が放射化した場合の半減期は１８．４７９時間であり、硫黄（Ｓ）が放射化した場合の半減期２．６２１７時間および１４．２６２日との差が大きいため、比較的容易にＧｄの寄与とＳの寄与を分離できる。

【0108】

図３０は、箔コンバータおよびフィルタに使用する同位体元素の特性を示す図である。図３０では、高エネルギー領域Ｒ３の測定に用いる同位体元素を閾値エネルギーの順に並べて示している。図示される複数種類の元素を組み合わせることで、１ＭｅＶから１０ＭｅＶ程度の範囲における異なるエネルギー値の中性子束を算出することができる。これにより、高エネルギー領域Ｒ３における中性子スペクトルを求めることができる。

【0109】

第２の測定手法においても、中性子線を照射した箔コンバータから放出されるベータ線をイメージングプレートに転写して画像を読み取る工程は、第１の測定手法と同じである。第２の測定手法では、箔コンバータに使用される元素の種類に応じた閾値反応の反応断面積や半減期の値に基づいて画像データが解析され、解析結果に基づいて閾値エネルギー以上のエネルギー範囲の中性子束の積分値が算出される。その後、複数種類の箔コンバータから得られる積分区間の異なる中性子束の積分値を比較することで、特定のエネルギーにおける中性子束の値が算出される。

【0110】

図３１（ａ）～（ｃ）は、実施の形態に係る照射ユニット１１２の構成を概略的に示す断面図である。照射ユニット１１２は、コンバータユニット１２０と、フィルタユニット１３０とを備える。照射ユニット１１２は、主に高エネルギー領域Ｒ３の中性子スペクトルを測定するために使用される。

【0111】

図３１（ａ）は、コンバータユニット１２０の構成を示す上面図である。コンバータユニット１２０は、第１Ａｕ箔コンバータ１２１と、４枚のＣｕ箔コンバータ１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ，１２２ｄ（総称してＣｕ箔コンバータ１２２ともいう）と、Ａｌ箔コンバータ１２３と、Ｇｄ箔コンバータ１２４と、Ｍｏ箔コンバータ１２５と、Ｍｇ箔コンバータ１２６と、Ｚｎ箔コンバータ１２７と、基準箔コンバータ１２８と、第２Ａｕ箔コンバータ１２９とを有する。複数種類の箔コンバータ１２１～１２９は、熱中性子遮蔽板１４０の上に互いに重ならないように配置されている。

【0112】

複数種類の箔コンバータ１２１～１２９のうち、基準箔コンバータ１２８および第２Ａｕ箔コンバータ１２９を除いた金属箔コンバータ１２１～１２７は、上述の第２の測定方法に基づいて高エネルギー領域Ｒ３の中性子束を測定するために用いられる。基準箔コンバータ１２８は、コンバータユニット１２０に入射する中性子線の面内均一性を評価するために用いられる。基準箔コンバータ１２８は、複数の金属箔コンバータ１２１～１２７のそれぞれと隣接するように配置される。基準箔コンバータ１２８の材料は特に限定されないが、例えばＡｌを用いることができる。基準箔コンバータ１２８は、ＡｕやＺｎで構成されてもよい。基準箔コンバータ１２８の測定結果は、複数種類の金属箔コンバータ１２１～１２７のそれぞれに入射する中性子束の大きさをシェーディング補正するために用いることができる。

【0113】

第２Ａｕ箔コンバータ１２９は、上述の第１の測定方法に基づいて熱中性子領域Ｒ１および熱外中性子領域Ｒ２の中性子束を測定するために用いられる。第２Ａｕ箔コンバータ１２９の測定結果は、高エネルギー領域Ｒ３の中性子束を算出する上での基準となる中性子束を算出するために用いられる。

【0114】

図３１（ｂ）は、フィルタユニット１３０の構成を示す上面図である。フィルタユニット１３０は、Ａｕフィルタ１３１と、Ｃｕフィルタ１３２と、Ａｌフィルタ１３３と、Ｇｄフィルタ１３４と、Ｍｏフィルタ１３５と、Ｍｇフィルタ１３６と、Ｚｎフィルタ１３７と、Ｃｄフィルタ１３８と、Ａｕ／Ｃｄフィルタ１３９とを有する。複数種類のフィルタ１３１～１３９は、支持板１４２の上に互いに重ならないように配置されている。

【0115】

複数種類のフィルタ１３１～１３９のうち、Ｃｄフィルタ１３８およびＡｕ／Ｃｄフィルタ１３９を除いた金属フィルタ１３１～１３７は、熱中性子領域Ｒ１および熱外中性子領域Ｒ２の中性子線を吸収するために厚さが５ｍｍ以上となるよう構成される。Ｃｄフィルタ１３８は、熱中性子領域Ｒ１の中性子線を吸収する熱中性子フィルタとして機能し、厚さが３ｍｍ以下となるよう構成される。Ａｕ／Ｃｄフィルタ１３９は、厚さの小さいＡｕフィルタとＣｄフィルタを積層させたものであり、厚さが３ｍｍ以下となるよう構成される。Ａｕ／Ｃｄフィルタ１３９は、熱中性子領域Ｒ１の中性子線と、熱外中性子領域Ｒ２におけるＡｕの共鳴ピークの中性子線とを吸収するフィルタとして機能する。

【0116】

複数種類の金属フィルタ１３１～１３７のそれぞれは、対応する種類の金属箔コンバータ１２１～１２７と重なるように配置される。Ａｕフィルタ１３１は、第１Ａｕ箔コンバータ１２１と重なる位置に配置される。Ｃｕフィルタ１３２は、４枚のＣｕ箔コンバータ１２２ａ～１２２ｄと重なる位置に配置される。Ａｌフィルタ１３３は、Ａｌ箔コンバータ１２３と重なる位置に配置される。Ｇｄフィルタ１３４は、Ｇｄ箔コンバータ１２４と重なる位置に配置される。Ｍｏフィルタ１３５は、Ｍｏ箔コンバータ１２５と重なる位置に配置される。Ｍｇフィルタ１３６は、Ｍｇ箔コンバータ１２６と重なる位置に配置される。Ｚｎフィルタ１３７は、Ｚｎ箔コンバータ１２７と重なる位置に配置される。

【0117】

Ｃｄフィルタ１３８は、基準箔コンバータ１２８と重なるように配置されるとともに、第２Ａｕ箔コンバータ１２９の一部と重なるように配置される。Ａｕ／Ｃｄフィルタ１３９は、第２Ａｕ箔コンバータ１２９の別の一部と重なるように配置される。第２Ａｕ箔コンバータ１２９は、フィルタが重ならない第１部分と、Ｃｄフィルタ１３８と重なる第２部分と、Ａｕ／Ｃｄフィルタ１３９と重なる第３部分とを有するように構成される。このように構成することで、図４の測定ユニット５０と同様の構成を実現できる。

【0118】

図３１（ｃ）は、照射ユニット１１２の断面構造を示し、図３１（ａ）のコンバータユニット１２０と図３１（ｂ）のフィルタユニット１３０を重ねた状態を示している。図示されるように、高エネルギー領域Ｒ３を測定するために用いる金属フィルタ１３３～１３７の厚さは大きい。一方、Ａｕ／Ｃｄフィルタ１３９を構成するＡｕフィルタ１３９ａおよびＣｄフィルタ１３９ｂの厚さは小さい。図面では、金属フィルタ１３３～１３７の厚さが同じであるが、フィルタの種類に応じて厚さを異ならせてもよい。例えば、箔コンバータに含まれる元素の反応断面積に応じてフィルタの厚さが調整されてもよい。フィルタの厚さは、熱中性子領域Ｒ１および熱外中性子領域Ｒ２のほとんどが吸収される一方、高エネルギー領域Ｒ３のほとんどが透過するように調整されることが好ましい。

【0119】

図３１に示す照射ユニット１１２を用いることで、熱中性子領域Ｒ１の中性子束と、熱外中性子領域Ｒ２におけるＡｕの共鳴ピークの中性子束と、高エネルギー領域Ｒ３における複数の閾値エネルギーの中性子束とを算出することができる。これにより、熱中性子領域Ｒ１、熱外中性子領域Ｒ２および高エネルギー領域Ｒ３にわたって中性子スペクトルの概略的な形状を得ることができる。

【0120】

なお、高エネルギー領域Ｒ３の中性子束を測定するためのフィルタとして、図１１や図１６に示されるようなステップウェッジを利用してもよい。例えば、複数段のステップウェッジの一部の段の厚さを５ｍｍ以上とすることで、高エネルギー領域Ｒ３の中性子束を測定するためのフィルタとして利用できる。また、厚さが３ｍｍ以下の部分と、厚さが５ｍｍ以上の部分とを有するステップウェッジを用意すれば、共通のステップウェッジを用いて第１の測定方法と第２の測定方法を同時に実現できる。

【0121】

共通のステップウェッジを用いて第１の測定方法と第２の測定方法を同時に実行する場合、金属箔コンバータおよび金属フィルタの材料として、例えば、金（Ａｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、銅（Ｃｕ）およびモリブデン（Ｍｏ）を用いることができる。金（Ａｕ）の場合、４．８９ｅＶの共鳴吸収ピークと８．１１４ＭｅＶの閾値反応の中性子束を測定できる。ガドリニウム（Ｇｄ）の場合、２２．３ｅＶの共鳴吸収ピーク（^１５８Ｇｄ）と、７．４９８ＭｅＶの閾値反応（^１６０Ｇｄ）の中性子束を測定できる。銅（Ｃｕ）の場合、６５０ｅＶの共鳴ピーク（^６３Ｃｕ）と、１．３７０ＭｅＶおよび１０．０６ＭｅＶの閾値反応（^６５Ｃｕ）の中性子束を測定できる。モリブデン（Ｍｏ）の場合、１２．２ｅＶの共鳴吸収ピーク（^９８Ｍｏ）と、８．３７３ＭｅＶの閾値反応（^１００Ｍｏ）の中性子束を測定できる。

【0122】

以上、本発明を実施の形態にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

【0123】

上述の実施の形態では、転写プレートとして輝尽性蛍光体を用いる場合を示したが、他の種類の蛍光体を用いてもよいし、鉛泊増感紙と感光フィルムの組み合わせを用いてもよい。

【0124】

上述の実施の形態では、照射工程と転写工程とを分離しているが、変形例では照射工程において画像データを同時に取得してもよい。例えば、金属箔コンバータに蛍光体シートを密着させることで、中性子線の照射中に発光する蛍光体シートをＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどの撮像することで放射能強度分布に対応する画像データを生成してもよい。

【0125】

上述の実施の形態の測定ユニットに対して、別の測定方法に用いる部材を追加的に配置してもよい。例えば、金属箔ではなく、ブロック状の金属部材を配置し、放射化した金属ブロックから放出される放射線をゲルマニウム（Ｇｅ）半導体検出器などの放射線カウンタを使用して測定してもよい。一例を挙げれば、金（Ａｕ）ブロックと、アルミニウム（Ａｌ）またはマグネシウム（Ｍｇ）ブロックとを測定ユニットに設け、放射化した各ブロックから放出されるガンマ線を測定してもよい。

【0126】

上述の実施の形態では、中性子イメージングのために中性子スペクトルを測定する場合について示した。本実施の形態に係る測定方法は、中性子イメージングへの応用に限られず、中性子線が利用される様々な分野に応用されてもよい。例えば、シリコンウェハに中性子線を照射することでシリコン（Ｓｉ）をリン（Ｐ）に変換してドーピングする中性子ドーピング（ＮＴＤ）法に用いる中性子線源の評価に用いてもよい。また、医療用の中性子線源を評価するために用いてもよく、例えば、癌組織に取り込まれたホウ素（Ｂ）に中性子線を照射することで癌組織を選択的に破壊するホウ素中性子補足療法（ＢＮＣＴ）に用いる中性子線源の評価に用いてもよい。

【符号の説明】

【0127】

１０…中性子スペクトル測定装置、１２…測定ユニット、１４…転写ユニット、１６…読取装置、１８…解析装置、２０…コンバータユニット、２１～２６…金属箔コンバータ、３０…フィルタユニット、３１～３５…金属フィルタ、４０…熱中性子フィルタ、４２…転写プレート、５０…測定ユニット、５２…金属箔コンバータ、５４…熱中性子フィルタ、５６…金属フィルタ、６０…測定ユニット、６２…金属箔コンバータ、６４…熱中性子フィルタ、６６…金属フィルタ、ＮＢ…中性子線。

【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】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】