(57)【要約】  高エネルギーの中性子を高精細かつ高効率で検出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。シンチレータアレイは、複数の積層体を備え、複数の積層体が積層されている構造体を具備する。複数の積層体のそれぞれは、セラミックスまたは単結晶シリコンを含み、光を反射する反射膜と、積層体の積層方向に交差する方向に沿って入射する中性子と反応して放射線を放出する第１の膜と、光を反射する材料を含む第２の膜と、放射線に応じて光を発するシンチレータ層と、を順に有する。シンチレータ層により発せられる光は、反射膜および第２の膜により反射されながらシンチレータ層内を伝搬して構造体の外部に導出される。
2017047094.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の積層体を備え、前記複数の積層体が積層されている構造体を具備し、
前記複数の積層体のそれぞれは、
セラミックスまたは単結晶シリコンを含み、光を反射する反射膜と、
前記積層体の積層方向に交差する方向に沿って入射する中性子と反応して放射線を放出する第１の膜と、
光を反射する材料を含む第２の膜と、
前記放射線に応じて光を発するシンチレータ層と、を順に有し、
前記シンチレータ層により発せられる光は、前記反射膜および前記第２の膜により反射されながら前記シンチレータ層内を伝搬して前記構造体の外部に導出される、シンチレータアレイ。
【請求項２】
前記セラミックスは、窒化アルミニウムを含む、請求項１に記載のシンチレータアレイ。
【請求項３】
複数の前記構造体を具備し、
前記複数の構造体は、井桁状に積層されている、請求項１に記載のシンチレータアレイ。
【請求項４】
前記シンチレータ層は、希土類酸硫化物蛍光体またはガーネットを含む、請求項１に記載のシンチレータアレイ。
【請求項５】
前記シンチレータ層は、プラセオジウム、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つの元素をさらに含む、請求項４に記載のシンチレータアレイ。
【請求項６】
前記シンチレータ層は、一般式Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ、一般式Ｇｄ３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２：Ｃｅ、一般式Ｌｕ３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２：Ｃｅ、一般式Ｇｄ３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２：Ｔｂ、一般式Ｌｕ３（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１に記載のシンチレータアレイ。
【請求項７】
前記構造体の側面に沿って延在する第１の面を有し、光を反射する第１の反射層と、
前記構造体の側面に沿って延在する第２の面を有し、光を反射する第２の反射層と、
前記第１の反射層と前記第２の反射層との間に設けられ、入射する中性子と反応して放射線を放出する中性子反応層と、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。
【請求項８】
前記反射膜、前記第１の膜、前記第２の膜、および前記シンチレータ層のそれぞれは、前記第１の面に垂直な方向に対して傾斜する方向に沿って延在する、請求項７に記載のシンチレータアレイ。
【請求項９】
前記第１の膜は、濃縮されたボロン１０同位体を含む濃縮ボロンカーバイドを有し、
前記第２の膜は、窒化アルミニウムまたはアルミニウムを含む、請求項１に記載のシンチレータアレイ。
【請求項１０】
前記複数の積層体のそれぞれは、前記反射膜と前記第１の膜との間に設けられ、熱中性子を吸収する第３の膜をさらに有する、請求項１に記載のシンチレータアレイ。
【請求項１１】
前記第３の膜は、酸化ガドリニウムを含む、請求項１０に記載のシンチレータアレイ。
【請求項１２】
前記シンチレータ層は、水素原子を含むプラスチックシンチレータ、水素原子を含む樹脂層と前記樹脂層で挟まれたガラスシンチレータもしくは多結晶シンチレータとを備えるシンチレータ、または希土類酸硫化物蛍光体もしくはガーネットを含むセラミックスシンチレータである、請求項１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られる各種の中性子検出器（中性子２次元検出器）が提案されている。また、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、例えばＨｅ（ヘリウム）の同位体３Ｈｅ（以下Ｈｅ−３と記載する。）ガスを用い且つ高い検出効率を有するＨｅ−３ガス検出器や中性子と直接または２次的に反応して発光するシンチレータを具備する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、中性子を荷電粒子またはガンマ線などに変換する中性子コンバータが必要となる。中性子コンバータとしては、大きな中性子吸収断面積を有するＨｅ−３、Ｌｉ−６、Ｂ−１０、Ｃｄ−１１３、Ｇｄ−１５５、Ｇｄ−１５７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ガスを用いる中性子検出器であるＨｅ−３ガス検出器が用いられている。高いエネルギーを有する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。しかしながら、固体であるため密度が大きく、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、例えばＬｉ２Ｂ４Ｏ７単結晶からなるシンチレータを、中性子検出に用い、その蛍光特性と光電子増倍管と組み合わせた中性子検出器が開発されている。また、特に中性子検出または中性子イメージングに不可欠なガンマ線による影響の軽減に関しては、軽元素から構成されるシンチレータが好ましいが、Ｌｉ、Ｂ及びＯとも軽元素であるため、この点についても、Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７単結晶からなるシンチレータは、要求を満足している。【０００６】
さらに、従来の中性子シンチレータに比べてより薄く構成することができ、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構成した酸化物にＣｅを添加してガラスにした中性子シンチレータを出発原料として、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以上の速度で冷却することにより製造される。【０００７】
これらガンマ線感度が低い軽元素のみで構成されたＬｉＢＯ３ならびにＬｉ２Ｂ４Ｏ７化合物は、中性子による発光が極めて小さい。さらに、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２次元検出器として使用することは難しい。【０００８】
一方、Ｌｉならびに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可能である。このこと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を実現することができる。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】
ここで、現在実用化されている中性子シンチレータの代表としては、例えば、ＬｉＦ／ＺｎＳがある。この中性子シンチレータは、高い発光量を有し、取り扱い性も優れているが、不透明で検出効率や計数能力に対して限界を有する。【００１０】
特に、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）素子やＣＭＯＳ素子の画素数は飛躍的に増加しているため、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を生じさせる。【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２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）線を放出し、α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、基板となるＡｌ板上に有機バインダで保持されたＬｉＦ／ＺｎＳ粉末を有する。【００１２】
中性子と反応するＬｉは、反応効率を上げるために通常濃縮された同位体Ｌｉ−６が用いられる。しかしながら、バインダ等を含む全体に対する原子数密度が少ないため、塗布された層の厚さは数百μｍ程度である。そのため、分解能は塗布された層の厚さで決まり、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層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２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２次元検出器とはならない。また、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、電子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、この構造では、高精細にするために反応膜の厚さが５μｍ程度であり、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低くなる。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、かつ高感度にイメージングしたり、散乱中性子を２次元で検出したりするための中性子検出器においては、特に高エネルギーの中性子領域を高精細かつ高効率で検出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ＷＯ２００８／１３２８４９
【発明の概要】
【００１７】
本発明の一態様は、高エネルギーの中性子を高精細かつ高効率で検出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を課題の一つとする。
【００１８】
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は、複数の積層体を備え、複数の積層体が積層されている構造体を具備する。複数の積層体のそれぞれは、セラミックスまたは単結晶シリコンを含み、光を反射する反射膜と、積層体の積層方向に交差する方向に沿って入射する中性子と反応して放射線を放出する第１の膜と、光を反射する材料を含む第２の膜と、放射線に応じて光を発するシンチレータ層と、を順に有する。シンチレータ層により発せられる光は、反射膜および第２の膜により反射されながらシンチレータ層内を伝搬して構造体の外部に導出される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】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の構造例を示す図である。
【図２】図１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拡大図である。
【図３】他の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拡大図である。
【図４】他の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拡大図である。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】厚さと熱中性子の透過率との関係を示す図である。
【図８】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。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明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実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一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。また、図５、図６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５に示す従来の中性子検出器に使用されるシンチレータアレイは、粒状シンチレータ４（例えばＬｉＦ／ＺｎＳ蛍光体）を有する。粒状シンチレータ４は、構造体となるアルミニウム（中性子の透過しやすい材料）からなるアルミニウム基板１７と、粒状シンチレータ４を固定しつつ発光された光５を効率良く透過させるために設けられた透明なバインダ６と、を備える。バインダ６によって、粒状シンチレータ４がアルミニウム基板１７に固定されて中性子検出器に使用されるシンチレータアレイが構成されている。
【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１７を透過して、粒状シンチレータ４のＬｉと反応する。Ｌｉは、厳密にはＬｉ−６の同位体であり、この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α線２により粒状シンチレータ４のＺｎＳ蛍光体は光５を発する。
【００２４】
α線２は、粒状シンチレータ４内で四方八方に放出され、約５μｍから１０μｍ程度の飛程（放射線の飛距離）を有する。粒状シンチレータ４の粒径の値は、このα線２の飛程の値と略同じであり、粒状シンチレータ４の内部で発せられた光５は、粒状シンチレータ４内で吸収され減衰しながら、粒状シンチレータ４の外に出てくる。この光５は、他の粒状シンチレータ４内を透過したり、粒状シンチレータ４で反射し、また、バインダ６内を透過し、中性子検出器の外に出てくる。粒状シンチレータ４全体の中で占める中性子と反応するＬｉ−６原子の原子数割合をＺｎＳに対するＬｉＦの比ＬｉＦ／ＺｎＳで考えると、ＬｉＦ／ＺｎＳは１／４であり、バインダ６の原子数を考えると全体での反応効率は悪くなる。
【００２５】
従って、効率を高めるためには、粒状シンチレータ４の塗布部の厚さを厚くする必要がある。但し、中性子１が入射する側の粒状シンチレータ４の領域で発せられる光５は、粒状シンチレータ４内を透過したり、粒状シンチレータ４で反射し、また、バインダ６内を透過して中性子検出器の外に出てくるため、光の透過率が低下し、さらに拡散して透過するために解像度も悪くなる。
【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程度の厚さを有する。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の反応断面積よりも数桁小さい。そのため、反応効率を上げるためにはさらに厚さを増さなければならないため、益々解像度が悪くなる。
【００２７】
解像度を上げて高輝度で明るいイメージ画像を得る方法として、図６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、熱中性子断面積がＬｉ−６（熱中性子断面積：９４０バーン）よりも４倍大きいＢ−１０（熱中性子断面積：３８３８バーン）が用いられる。また、反応する原子数割合も膜７では、４／５である。さらに、膜７は、バインダ無しで、蒸着により形成されるため、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同様に（ｎ，α）反応で放出されるα線２の飛程は約４〜５μｍ程度であるため、５μｍよりも厚くすると、中性子１との反応によって入射側で放出されたα線２は、７内を通過してＣｓＩ蛍光体８に到達することができない。膜７の厚さが５μｍの場合、総合的に見ると熱中性子の約８０％が透過してしまい、約２０％程度の熱中性子しか有効に利用されていない。但し、図５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】
反応したα線２は、透明度の高い針状のＣｓＩ蛍光体８により光５を発し、さらに、光電変換膜１８で電子１０を生成し、この電子を増幅することで、変換と伝達効率が高くなり、図５に示した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。但し、中性子吸収断面積を示す縦軸と中性子エネルギーを示す横軸とを有する図８に示すように、高エネルギーの中性子（高速中性子）の場合、熱中性子と比較して中性子吸収断面積が２桁小さいため、反応割合が極端に小さい。
【００３０】
次に、図１、２を参照して、本発明の一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。
【００３１】
図１、２は、本発明の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図である。図１に示すシンチレータアレイは、中性子１の入射側に位置するように、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）などの白色セラミックスから構成されたセラミックス基板またはシリコン単結晶基板である基板３を具備している。この基板３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体が構成されている。
【００３２】
第１実施形態においてこの多段積層構造体は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）などの白色セラミックスから構成されたセラミックス膜またはシリコン単結晶膜である膜１２と、１０Ｂ４Ｃ（ボロン１０同位体を濃縮した濃縮ボロンカーバイド）蒸着膜である膜７と、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）などの白色セラミックスから構成されたセラミックス蒸着膜、またはＡｌ（アルミニウム）蒸着膜である膜１３と、シンチレータ１１とからなる積層構造を、繰り返し多段（例えば、数百〜数千段）に積層させた積層体を有する多段積層構造体を有している。この多段積層構造体は、中性子１の入射面側から見たとき、井桁状（グリッド状）に、積層方向が９０度異なるように交互に配設されており、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（２次元中性子反応シンチレータ）が構成されている。
【００３３】
膜１２は、５μｍ以上の厚さ（図１、２における上下方向の長さ）を有する。膜１２は、中性子１の入射方向に沿って延在する。膜１２は、光を反射する反射膜として作用する。
【００３４】
膜７は、膜１２上に蒸着により形成されており、中性子１の入射方向に沿って延在している。膜７は、例えば４〜５μｍ程度の厚さ（図１、２における上下方向の長さ）を有する。膜７中では、ボロン１０が中性子１と反応し、放射線（α線２）を放出する。中性子は、例えば積層構造の積層方向に交差する方向に沿って膜７に入射する。
【００３５】
膜１３は、０．１μｍ〜０．５μｍ程度の厚さ（図１、２における上下方向の長さ）を有する。膜１３は、膜７と隣接するように蒸着によって膜７上に形成されている。したがって、膜１３も中性子１の入射方向に沿って延在する。膜１３は、光を反射する反射膜として作用する。
【００３６】
シンチレータ１１は、プラスチックシンチレータなどからなる。シンチレータ１１は、膜１３に隣接して、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。このシンチレータ１１は、５μｍ以上の厚さ（図１、２における上下方向の長さ）を有する。シンチレータ１１の厚さは、例えば数１０μｍから１００μｍ程度である。シンチレータ１１は、膜７内で放出されたα線２によって光５を発する。
【００３７】
シンチレータ１１は、希土類酸硫化物蛍光体またはガーネットのいずれか一種も含み、さらに、これらにプラセオジウム、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つを付活剤として含有する。
【００３８】
シンチレータ層は、一般式Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ、一般式Ｇｄ３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２：Ｃｅ、一般式Ｌｕ３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２：Ｃｅ、一般式Ｇｄ３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２：Ｔｂ、一般式Ｌｕ３（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。
【００３９】
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、膜７などの各層は、中性子１の入射方向に対して、積層方向に傾斜を有する構成、つまり、図１、２において、基板３に垂直な方向に対して傾斜する方向に沿って延在し、後端側（図中右側）が上側に向かって上げられている構成となっている。
【００４０】
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は、膜１３と膜１２との間に挟まれたシンチレータ１１を有する。また、膜７も、膜１３と膜１２のいずれかとによって挟まれた構成となっている。
【００４１】
膜７は、黒色であり、光の反射率が低いため、膜７とシンチレータ１１とを直接積層させると、シンチレータ１１内で発せられた光５を効率良く伝送することができない。これに対して、本実施形態のようにシンチレータ１１を、膜１３と膜１２とによって挟まれたサンドイッチ構造とすることによって、膜１３と膜１２による反射を利用してシンチレータ１１内で発せられた光５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。
【００４２】
膜７内の各点で（ｎ，α）反応により放出されるα線２は、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１１で光５として発せられる。光５は、透明度の高いシンチレータ１１内を、膜１３と膜１２によって反射されながら伝搬し、多段積層構造体の外部まで導出させて取り出すことができる。
【００４３】
厚さ５μｍ以上の膜１２は、図１、２中の膜７内において下向きに出たα線２を吸収し、下側のシンチレータ１１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。
【００４４】
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膜７が延在するように形成されている。そして、中性子１が、この膜７に対して垂直ではなく、水平に近く、かつ、傾けられて配設された膜７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。
【００４５】
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、発光した光５の伝播を効率良くかつ光を拡散させずに行うことができる。これによって、効率良く高精細にイメージングできる中性子に対する２次元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。
【００４６】
図７は、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７において、縦軸は透過率を示し、横軸は厚さを示す。図７のとおり、１０Ｂ４Ｃの場合、厚さが５０μｍで透過率が１０％程度である。このことから９０％程度の熱中性子が反応していることがわかる。よって、膜７の長さ（図１、２における左右方向の長さ）を５０μｍ程度にすることによって、９０％程度の熱中性子と反応させることができる。
【００４７】
このように、実施形態のシンチレータアレイは、中性子の幅広いエネルギーに対して、特に高エネルギーに対して、高精細かつ高効率で検出することが可能である。
【００４８】
次に、図３を参照して第２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。この第２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は、中性子入射側（図３中左側）に、中性子入射面に沿って延在するように、５μｍ以上の厚さを有する膜１２と、膜７と、０．１μｍ〜０．５μｍ程度の厚さを有する光反射用の膜１３とを備える。膜１２、１３は、反射層として機能し、膜７は中性子と反応して放射線を放出する中性子反応層として機能する。なお、他の部分については、図１、２に示した第１実施形態と同様に構成されているため、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。
【００４９】
第２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、第１実施形態の中性子検出器における作用、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。これにより、中性子検出器の中性子が透過する方向（図３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。
【００５０】
次に、図４を参照して、高速中性子の測定に好適な第３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。第３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は、膜７と、５μｍ以上の厚さ（図４における上下方向の長さ）を有する膜１２と、の間に配置された熱中性子を吸収するための膜１４（厚さ５μｍ以上）と、シンチレータ１１の代わりのシンチレータ１６と、を備える。
【００５１】
シンチレータ１６として、例えばプラスチックシンチレータを用いることができる。また、シンチレータ１６として、水素を含まないガラスシンチレータや多結晶シンチレータ、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を用いる場合、水素を含む樹脂でシンチレータを覆うことが好ましい。中性子１の入射側（図４中左側）に、中性子１の入射面に沿って延在するように、５μｍ以上の厚さを有する膜１２と、膜７と、０．１μｍ〜０．５μｍ程度の厚さを有する膜１３とを、備える。なお、他の部分については、図１、２に示した第１実施形態と同様に構成されているため、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。
【００５２】
上記構成の第３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では、高エネルギー成分の中性子である高速中性子９は、膜７内で反応して、α線２を放出し、このα線２がシンチレータ１６内で反応して光５として発せられる。但し、膜７内での（ｎ，α）反応では、中性子のエネルギーが高くなると、中性子吸収断面積を示す縦軸と中性子エネルギーを示す横軸とを有する図８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、膜７の長さ（図３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。
【００５３】
そこで、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、第３実施形態では、シンチレータ１６を使用し、高速中性子９を水素で減速させる。減速された中性子１５は、シンチレータ１６から等方向に拡散する。シンチレータ１６の下側の膜７で減速された中性子１５が反応し、α線２が放出され、このα線２がシンチレータ１６と反応して光５が発せられる。
【００５４】
一方、シンチレータ１６の上側の膜７で、減速された中性子１５が反応してしまうと、上下のシンチレータ１６で光５を発するために分解能が悪くなる。そこで、シンチレータ１６の上側の膜７と反応しないように、上側の膜７の下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Ｇｄ２Ｏ３蒸着膜である膜１４を設けることで、下側の中性子の周り込みを防ぐことができる。
【００５５】
以上説明したとおり第３実施形態では、特に高エネルギーの中性子の場合には、膜７との反応距離が長くなるため、シンチレータ１６の水素原子で高速中性子９を減速された中性子１５に変換し、膜７と反応させる。減速された中性子１５の飛程は数センチ以上あり拡散してしまうため、膜１４（厚さ５μｍから数１０μｍ程度）を膜７の一方の側（図４中下側）に形成することで、拡散する減速された中性子１５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。
【００５６】
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】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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