(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二種類のシンチレーター、光検出器および電気信号解析部を有するホスウィッチ型熱中性子検出器において、
１５００ｐｈｏｔｏｎｓ／ｎｅｕｔｒｏｎを超える発光量を有する熱中性子検出用シンチレーターと、該熱中性子検出用シンチレーターの発光波長よりも短波長に透過端を持つガンマ線検出用シンチレーターとを備え、
上記熱中性子検出用シンチレーターが、ガンマ線検出用シンチレーターでサンドイッチ状に挟まれた構造に構成され、
光検出器が、光電子増倍管であり、
該ガンマ線検出用シンチレーターが、６Ｌｉ、１０Ｂ、およびＧｄから選ばれる元素を１０モル％以上含有しない有機固体シンチレーター、若しくは有効原子番号Ｚｅｆｆが３０以上であって、６Ｌｉ、１０Ｂ、およびＧｄから選ばれる元素を１０モル％以上含有しない無機単結晶シンチレーターであり、
前記電気信号解析部において、熱中性子検出用シンチレーターから発する蛍光とガンマ線検出用シンチレーターから発する蛍光との蛍光寿命の差によってガンマ線と熱中性子とを弁別して熱中性子を検出する
ことを特徴とする前記ホスウィッチ型熱中性子検出器。
【請求項２】
熱中性子検出用シンチレーターが、Ｅｕを含有するＬｉＡＢＦ６単結晶（ＡはＣａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｄから選ばれる少なくとも一種の元素、ＢはＡｌ、Ｇａ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｖから選ばれる少なくとも一種の元素）であることを特徴とする請求項１に記載のホスウィッチ型熱中性子検出器。
【請求項３】
ガンマ線検出用シンチレーターが、有効原子番号Ｚｅｆｆが３０以上であって、６Ｌｉ、１０Ｂ、およびＧｄから選ばれる元素を１０モル％以上含有しない無機単結晶シンチレーターであることを特徴とする請求項１に記載のホスウッチ型熱中性子検出器。
【請求項４】
熱中性子検出用シンチレーターが、その周囲の全部をガンマ線検出用シンチレーターで覆われた構造となすことを特徴とする請求項１に記載のホスウッチ型熱中性子検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガンマ線と熱中性子とを弁別する機構を備えたホスウィッチ型熱中性子検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
シンチレーターとは、α線、β線、ガンマ線、Ｘ線、中性子線等の放射線が当たった時に当該放射線を吸収して発光する物質のことであり、光電子増倍管(photomultiplier  tube)などの光検出器と組み合わせて放射線検出に用いられる。
放射線検出器は、断層撮影などの医療分野、非破壊検査（nondestructive  inspection）などの工業分野、所持品検査などの保安分野、高エネルギー物理学などの学術分野等の多彩な応用分野を持っている。
シンチレーターの発光を検出する主流の方法は光子計数法である。光子計数法とは、光検出器によって光子の数を計数して光の量を測定する、感度の高い測光法である。光検出器で光子を受光した際に生じる電気信号を取り出し、増幅器や整形器を通した後に波高分析器で計数する。この時の電気信号の強さを波高と言う。【０００３】
シンチレーターには、放射線の種類や使用目的に応じてさまざまな種類のシンチレーターがあり、Ｂｉ４Ｇｅ３Ｏ１２単結晶（以下、ＢＧＯとも言う）、Ｃｅを含有するＧｄ２ＳｉＯ５単結晶（Ｇｄ２ＳｉＯ５：Ｃｅ）などの無機結晶、アントラセンなどの有機結晶、有機蛍光体を含有させたポリスチレンやポリビニルトルエンなどの高分子体、更には液体シンチレーターや気体シンチレーターがある。【０００４】
検出対象となる放射線の中で、特に近年、核物質の検知などの目的で重要度を増しているのが中性子線である。本発明においては、中性子線が衝突した際に発光する物質からなるものを中性子検出用シンチレーター、ガンマ線によって発光するものをガンマ線検出用シンチレーターと称する。
中性子線はエネルギーに応じて呼称があり、熱中性子（約０．０２５ｅＶ）、熱外中性子（約１ｅＶ）、低速中性子（０．０３〜１００ｅＶ）、中速中性子（０．１〜５００ｋｅＶ）、高速中性子（５００ｋｅＶ以上）に分類される。
中性子線検出器の主な検出対象はエネルギーの低い熱中性子である。高速中性子を検出する場合は、ポリエチレンなどの減速材を用いて、高速中性子を熱中性子まで減速させてから検出する方法が用いられる。例えば、熱中性子検出器を球形ポリエチレン減速材で覆ったレムカウンターやボナー球スペクトロメーターが使用されている。【０００５】
従来の中性子線検出には、ヘリウム３（３Ｈｅ）と中性子線との３Ｈｅ（ｎ，ｐ）Ｔ反応を利用する３Ｈｅガスを用いた熱中性子検出器が主に用いられてきた。しかし、希少な３Ｈｅガスの価格高騰により、代替技術への置き換えが求められている。
固体中性子検出用シンチレーターを用いた熱中性子検出器は、代替技術として有力な候補の一つである。固体の熱中性子検出用シンチレーターは、リチウム６（６Ｌｉ）を含有するものが主であり、６Ｌｉと中性子線との６Ｌｉ（ｎ，α）３Ｈ反応により発生する粒子線が有するエネルギーによってシンチレーター内の発光中心(luminescent  center)が励起されて生じるシンチレーション光を検出に利用する。
６Ｌｉ（ｎ，α）３Ｈ反応の発生確率は、高速中性子に対しては著しく低いので、３Ｈｅガスを用いた中性子線検出器と同様に、主な検出対象はエネルギーの低い熱中性子である。従って、高速中性子を検出するためには、３Ｈｅガスを用いた中性子線検出器と同様に、減速材を併用することが必要である。減速材の併用により、熱中性子から高速中性子までの広範囲のエネルギーの中性子線を検出することが可能となる。【０００６】
シンチレーターに求められる代表的な特性としては、高い発光量（Light  Yield）、高い放射線阻止能(high  stopping  power)、早い蛍光の減衰(fast  decay  time)などが挙げられる。特に熱中性子を検出対象とする熱中性子検出用シンチレーターにおいては、中性子線と吸収物質との間で放射線捕獲反応が起こるため、測定環境でガンマ線が生じやすい。中性子検出用シンチレーターは、このガンマ線と熱中性子の両方によって励起されて発光する。そのため、シンチレーターを用いた中性子検出器には、ガンマ線と熱中性子の発光の信号を選択的に取得する機能、即ちガンマ線と熱中性子の弁別能が必要となる。
なお、本発明における発光量とは、放射線の励起によるシンチレーターの一回の発光における光子数の合計を励起源の放射線のエネルギーで割った値を示す。単位は、例えば、ガンマ線、α線励起の場合はphotons/MeVであり、中性子線励起の場合はphotons/neutronである。【０００７】
ガンマ線と熱中性子との弁別方法の一つに波高弁別法がある。ガンマ線と熱中性子が両方とも存在する測定環境において、ガンマ線励起時の検出信号の波高よりも熱中性子励起時の検出信号の波高の方が高い場合、波高に対して閾値を設定して波高の低い信号を除去することで、ガンマ線の影響を少なくすることができる。
しかし、６Ｌｉ（ｎ，α）３Ｈ反応［６Ｌｉ＋ｎ→α＋ｔ＋４．８ＭｅＶ］による、熱中性子を検出する際の核反応から発生するエネルギーが一定であるのに対し、ガンマ線のエネルギーは測定環境によっては著しく高くなる場合がある。このため、どのような固体シンチレーターを用いても、ガンマ線励起時の検出信号の波高（pulse  height）の方が熱中性子励起時の検出信号の波高よりも高くなる場合も起こり得る。そのため、固体シンチレーターは、ガンマ線の検出信号をどのように除去して熱中性子の検出信号だけを取り出すかが、共通の課題となっている。【０００８】
一方、二種類以上のシンチレーターを組み合わせ、それぞれのシンチレーターの発光の蛍光寿命の差により、照射放射線の種類を弁別するホスウィッチ型検出器という技術が存在する。ホスウィッチ型検出器は、特に日本国内においてよく研究されており、アルファ線・ベータ線と高速中性子線の弁別などが行われている。
熱中性子を検出対象とするホスウィッチ型検出器の検討例はほとんどないが、特許文献１では光学フィルターを用いアルファ線・ベータ線と熱中性子を弁別するホスウィッチ型検出器が報告されている。
また、本発明者らにより、Ｃｅを含有するＬｉＹＦ４単結晶（以下、ＬｉＹＦ４：Ｃｅとも言う）とＢＧＯを備えた熱中性子とガンマ線を弁別する新たなホスウィッチ型検出器が提案されている（非特許文献１）。更に、非特許文献１において、実験例はないものの、熱中性子検出用シンチレーターとしてＣｅを含有するＬｉＣａＡｌＦ６単結晶（以下、ＬｉＣａＡｌＦ６：Ｃｅとも言う）を、ガンマ線検出用シンチレーターとしてＢＧＯを備えたホスウィッチ型検出器が実現できる可能性があると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平６−１２３７７７号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｈ．  Ｔａｋａｈａｓｈｉ，  Ｍ．  Ｍａｔｓｕｏｋａ，  Ｔ．  Ｍｉｚｕｎｏ，  Ｙ．  Ｆｕｋａｚａｗａ，  Ｔ．  Ｙａｎａｇｉｄａ，  Ｙ．  Ｙｏｋｏｔａ，  Ａ．  Ｙｏｓｈｉｋａｗａ，  Ｎ．  Ｋａｗａｇｕｃｈｉ，  Ｓ．  Ｉｓｈｉｚｕ，  Ｋ．  Ｆｕｋｕｄａ、  ”Ｓｔｕｄｙ  ｏｎ  ａ  Ｐｈｏｓｗｉｃｈ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ  Ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ  Ｌｉ−Ｃｏｍｐｏｓｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒ  ａｎｄ  ＢＧＯ  ｆｏｒ  Ｎｅｕｔｒｏｎ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．”、  ＩＥＥＥ  ＮＳＳ  ＭＩＣ  ２００９，  ＣＲ  ２１０５−２１０７１  （２００９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
非特許文献１において、ＬｉＹＦ４：Ｃｅを用いた場合に、α線とガンマ線の弁別試験結果から、熱中性子とガンマ線との弁別の可能性を推察している。しかしながら、本発明者らが、実際に熱中性子とガンマ線を弁別するホスウィッチ型検出器の検討を行った結果によると、励起に用いた２４１Ａｍのα線のエネルギー５．４９ＭｅＶと比べて、熱中性子と６Ｌｉとの核反応で得られる励起エネルギーが低く（４．８ＭｅＶ）、熱中子を照射した場合に得られる発光は、以下の理由により、熱中性子検出には不十分であることが判明した。即ち、光検出器として光電子増倍管を用いた場合、発光強度が十分でないため、光電子増倍管の熱電子ノイズ（thermal  noise；発光を検出していない場合も常に生じるバックグラウンドの暗電流による信号)から十分に分離できる程度の波高を示す検出信号を得ることができない。
また、非特許文献１においては、熱中性子シンチレーターとしてＬｉＣａＡｌＦ６：Ｃｅを、ガンマ線検出用シンチレーターとしてＢＧＯを備えたホスウィッチ型検出器が実現できる可能性があると推測されていた。しかしながら、これは誤りであり、予想に反してＬｉＣａＡｌＦ６：ＣｅとＢＧＯの組み合わせではホスウィチ型検出器として動作しないことも判明した。【００１２】
以上のように、実際に熱中性子やガンマ線を照射した検討においては、従来公知の技術からは予測困難な問題に直面した。また、従来技術である熱中性子を検出対象とするホスウィッチ型検出器の特許文献１では、光学フィルターを用いたホスウィッチ型検出器を検討しており、α線と熱中性子の弁別は検討されているが、ガンマ線と熱中子の弁別は想定されておらず、実施もされていない。
結局、熱中性子とガンマ線を弁別するホスウィッチ型検出器を実現する上での課題は、公知の従来技術では顕在化されて、解決されておらず、新たに課題を解決し、熱中性子とガンマ線を弁別するのに好適なホスウィッチ型検出器の構成を開発する必要があった。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、ガンマ線と熱中性子の検出信号を弁別し、選択的に熱中性子由来の信号を取得するための熱中性子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】
【００１３】
本発明者等は、ガンマ線の影響の少ない熱中性子検出器の開発を目的とし、ガンマ線と熱中性子とを高効率に弁別可能なホスウィッチ型検出器を鋭意検討した結果、下記の３つの知見を得て本発明を完成させるに至った。
（１）熱中性子シンチレーターの発光量が１５００photons/neutronを超える場合に、発光波長において量子効率が約２５％の汎用の光電子増倍管でも、熱電子ノイズの影響のほとんどない波高で、熱中性子の検出ピークを得られる。
（２）ガンマ線検出用シンチレーターの光の透過端が、熱中性子シンチレーターの発光波長よりも短波長の場合に、熱中性子の検出信号が得られる。
（３）リチウム６（６Ｌｉ）、ホウ素１０（１０Ｂ）、およびガドリウム（Ｇｄ）から選ばれる元素を合計量で１０モル％以上含有しない、有効原子番号Ｚｅｆｆが３０以上である無機単結晶シンチレーターを用いた場合に、ガンマ線を吸収しやすくなり、熱中性子とガンマ線との弁別を容易にする。若しくは、６Ｌｉ、１０Ｂ、およびＧｄから選ばれる元素を合計量で１０モル％以上含有しない有機固体シンチレーターを用いた場合に、無機単結晶シンチレーターに比べて、十分な大きさを安価に得ることができるため、低いガンマ線吸収効率でも、厚みの効果によってガンマ線吸収率を増加させることができ、容易にガンマ線を弁別できる。【００１４】
即ち、本発明によれば、二種類のシンチレーター、光検出器および電気信号解析部を有するホスウィッチ型熱中性子検出器において、
１５００ｐｈｏｔｏｎｓ／ｎｅｕｔｒｏｎを超える発光量を有する熱中性子検出用シンチレーターと、該熱中性子検出用シンチレーターの発光波長よりも短波長に透過端を持つガンマ線検出用シンチレーターとを備え、
上記熱中性子検出用シンチレーターが、ガンマ線検出用シンチレーターでサンドイッチ状に挟まれた構造に構成され、
光検出器が、光電子増倍管であり、
該ガンマ線検出用シンチレーターが、６Ｌｉ、１０Ｂ、およびＧｄから選ばれる元素を１０モル％以上含有しない有機固体シンチレーター、若しくは有効原子番号Ｚｅｆｆが３０以上であって、６Ｌｉ、１０Ｂ、およびＧｄから選ばれる元素を１０モル％以上含有しない無機単結晶シンチレーターであり、
前記電気信号解析部において、熱中性子検出用シンチレーターから発する蛍光とガンマ線検出用シンチレーターから発する蛍光との蛍光寿命の差によってガンマ線と熱中性子とを弁別して熱中性子を検出する
ことを特徴とする前記ホスウィッチ型熱中性子検出器が提供される。
上記ホスウィッチ型熱中性子検出器の発明において、
１）熱中性子検出用シンチレーターが、Ｅｕを含有するＬｉＡＢＦ６結晶（ＡはＣａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｄから選ばれる少なくとも一種の元素、ＢはＡｌ、Ｇａ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｖから選ばれる少なくとも一種の元素）であること、
２）ガンマ線検出用シンチレーターが、有効原子番号Ｚｅｆｆが３０以上であって、６Ｌｉ、１０Ｂ、およびＧｄから選ばれる元素を１０モル％以上含有しない無機単結晶シンチレーターであること
３）熱中性子検出用シンチレーターが、その周囲を全てガンマ線検出用シンチレーターで覆われている構造であること
が好適である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、二種類のシンチレーターを有するホスウィッチ型放射線検出器において、熱中性子とガンマ線を容易に弁別でき、熱電子ノイズの影響のほとんどない波高で、熱中性子の検出ピークを得られる検出器を実現する。本検出器は非破壊検査などの工業分野、所持品検査などの保安分野、高エネルギー物理学などの学術分野等において、好適に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本図は、本発明のホスウィッチ型検出器の概略断面図である。
【図２】本図は、実施例のホスウィッチ型検出器の概略断面図である。
【図３】本図は、ＬｉＣａＡｌＦ６：ＥｕとＢＧＯの各発光波形を示す図である。
【図４】本図は、ガンマ線の信号を選択除去した場合と、しない場合の波高分布スペクトル図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明のガンマ線と熱中性子を弁別するホスウィッチ型検出器は、図１に示すように、光検出器１、熱中性子検出用シンチレーター２、ガンマ線検出用シンチレーター３で主構成される。好適には、熱中性子検出用シンチレーター２の周囲の一部または全部をガンマ線検出用シンチレーター３で被う。さらにその周囲には、反射材４、遮光材５を形成することが好ましい。
光検出器１から得られた電気信号は、電気信号解析部６に入力し、熱中性子検出用シンチレーター及びガンマ線検出用シンチレーターの蛍光寿命に基づいて信号波形の解析を行い、熱中性子とガンマ線との信号を弁別する。また、信号の波高の統計分布を取ることで、波高分布スペクトルを得ることもできる。
【００１８】
光検出器１には、光電子増倍管、シリコンフォトダイオードなどの公知の光検出器が好適に使用できる。光電子増倍管の場合、浜松ホトニクス社製のＲ７８９９、Ｒ６２３１、Ｈ７４１６などが好適に使用できる。一般に広く使われる典型的な可視光用光電増倍管の量子効率は、波長約４００ｎｍにおいて約２５％程度である。
【００１９】
熱中性子検出用シンチレーター２は、発光量が１５００photons/neutronを超える熱中性子検出用シンチレーターである。代表例を挙げると、リチウムガラス（６ＬｉとＣｅを含有）、リチウムガラスファイバー（６ＬｉとＣｅを含有）、Ｅｕを含有するヨウ化リチウム単結晶（ＬｉＩ：Ｅｕ）、６Ｌｉを含有するエルパソライト型化合物（Ｃｓ２ＬｉＹＣｌ６：Ｃｅ、Ｃｓ２ＬｉＹＢｒ６：Ｃｅ、Ｃｓ２ＬｉＹＩ６：Ｃｅなど）、Ｅｕを含有するＬｉＣａＡｌＦ６単結晶（ＬｉＣａＡｌＦ６：Ｅｕ）などを挙げることができる。
使用する熱中性子検出用シンチレーターは、ガンマ線検出用シンチレーターとの組み合わせを考慮して選択しなければならず、詳細は後述する。
【００２０】
熱中性子検出用シンチレーターの発光量が１５００photons/neutronを超える必要がある理由は、以下の通りである。
発光量が１５００photons/neutron以下であると、熱中性子を照射して発光させた場合に、最も高感度な光検出器である光電子増倍管で受光した時、シンチレーターの発光による波高が低いため、光電子増倍管に由来する熱電子ノイズの波高と、シンチレーターの発光による波高とが同程度となり、十分に分離できなくなってしまう。通常、熱電子ノイズは、その波高が低いため波高に閾値を設定して除去されるが、熱中性子検出用シンチレーターの発光の波高が、熱電子ノイズの波高より低い場合は熱電子ノイズの除去の際に一緒に除去されてしまい、測定効率が悪くなる。
【００２１】
熱中性子検出用シンチレーター２の大きさは特に制限はないが、光検出器１の光の入射面よりも小さい面積とすることで、その発光を無駄にすることなく光検出器に入射させることができる。
熱中性子が入射することが想定される方向に対する厚みは、熱中性子との核反応を起こす確率から決めることが好ましい。例えば、６Ｌｉを９５％濃縮したＬｉＣａＡｌＦ６の場合、０．０２５ｅＶの熱中性子に対して６Ｌｉの吸収断面積が９４０バーンであることから、厚み２ｍｍで約８０％、厚み４ｍｍで約９５％の熱中性子と核反応を起こすことが計算される。そのため、９０％以上の熱中性子を検出するには約４ｍｍ以上の厚みがあることが好ましい。
【００２２】
本発明をなすための検討過程で以下のことが明らかになった。熱中性子検出用シンチレーター２の発光波長がガンマ線検出用シンチレーター３の透過端の波長よりも短い場合は、熱中性子照射時の発光が光検出器に届く前に減衰するため、熱中性子の検出信号が得られず、ホスウィッチ型検出器として動作しない。
従って、ガンマ線検出用シンチレーター３は、熱中性子検出用シンチレーターの発光波長よりも短波長に透過端を持つことが必要である。例えば発光波長２６０ｎｍのＬｉＣａＡｌＦ６：Ｐｒと透過端の波長が３００ｎｍのＢＧＯとの組み合わせは、本発明では使用できない。なお、物質の光の透過スペクトルを測定した場合、短波長では吸収が生じて透過できなくなるが、光が透過できる限界の波長が透過端である。
【００２３】
さらに、ガンマ線検出用シンチレーター３は、６Ｌｉ、１０Ｂ、およびＧｄから選ばれる元素を、合計量で１０モル％以上含有しない有機固体シンチレーター、若しくは有効原子番号Ｚｅｆｆが３０以上であって６Ｌｉ、１０Ｂ、およびＧｄから選ばれる元素を、合計量で１０モル％以上含有しない無機単結晶シンチレーターである。
具体例を挙げると、前者の有機固体シンチレーターとしては、有機蛍光物質をポリビニルトルエン、ポリメチルメタアウリレート、ポリスチレンなどの透明プラスチック母材中に含有させたプラスチックシンチレーターが代表例である。該プラスチックシンチレーターは、例えば、サンゴバン社製ＢＣ４００シリーズ、ＮＥテクノロジー社製ＮＥ１０２Ａなどの市販品を利用できる。
後者の無機単結晶シンチレーターとしては、ＢＧＯ、Ｔｌを含有するヨウ化ナトリウム単結晶（ＮａＩ：Ｔｌ）、ヨウ化セシウム単結晶（ＣｓＩ）、Ｃｅを含有するＬｕ２ＳｉＯ５単結晶（Ｌｕ２ＳｉＯ５：Ｃｅ）、Ｃｅを含有するＬｕ１．８Ｙ０．２ＳｉＯ５単結晶（Ｌｕ１．８Ｙ０．２ＳｉＯ５：Ｃｅ）、Ｃｅを含有する臭化ランタン単結晶（ＬａＢｒ：Ｃｅ）、フッ化セリウム単結晶（ＣｅＦ３）等が挙げられる。
【００２４】
６Ｌｉ、１０Ｂ、およびＧｄの含有量が制限される理由は、これらが熱中性子と核反応を起こして発光するためである。ガンマ線検出用シンチレーターに、６Ｌｉ、１０Ｂ、およびＧｄを、合計量で１０％モル以上含んでいると、ガンマ線だけでなく熱中性子に対しても発光してしまうことがあるため、ガンマ線と熱中性子の弁別が困難となる傾向にある。好適には、これらの元素は、シンチレーター製造時に不可避的に不純物として混入する程度の量を超えて含有しない、即ち、実質的に含有しないことが好ましい。
【００２５】
ガンマ線検出用シンチレーター３が、プラスチックシンチレーターなどの有機固体シンチレーターの場合、無機単結晶シンチレーターと違って大きなシンチレーターが安価に作製可能である。そのため、ガンマ線を十分に阻止できる厚みを容易に得ることができる。
無機単結晶シンチレーターの場合は、単結晶育成の困難さから、有機固体シンチレーターに比べ、安価に大きなシンチレーターを作製するのが難しい。このため、厚みが薄くてもガンマ線を十分に吸収できる物質である必要がある。具体的には、有効原子番号Ｚｅｆｆが３０以上の無機単結晶が好ましい。
本発明において、有効原子番号とは、下式〔１〕で定義される指標であって、有効原子番号が大きいほど、光電吸収(photoelectric  absorption)という、物質とガンマ線との相互作用が起こりやすい。光電吸収が起きた場合に得られる発光が、ガンマ線検出に用いられる。
本発明者らの検討によると、Ｚｅｆｆが３０以上の無機単結晶であると、比較的容易に光電吸収が起こりやすく、ガンマ線の検出に好適に用いることができる。
有効原子番号Ｚｅｆｆ＝（ΣＷｉＺｉ４）１／４      〔１〕
（式中、Ｗｉ及びＺｉは、それぞれシンチレーターを構成する元素のうちのｉ番目の元素の質量分率及び原子番号である）
【００２６】
また、カドミウム（Ｃｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、およびユウロピウム（Ｅｕ）は熱中性子吸収断面積（Thermal  Neutron  Capture  Cross  Section）が高い元素なので、ガンマ線検出用シンチレーターの母材結晶の構成元素として含まれていると、熱中性子が、熱中性子検出用シンチレーターに届く前に、その外部に存在するガンマ線検出用シンチレーターに吸収されて大幅にその数を減らしてしまう。このため、これらの三種の元素は、合計量で、母材結晶の構成元素として１０モル％以上含まないことが好ましい。
【００２７】
さらに、ホスウィッチ型検出器の原理上、熱中性子検出用シンチレーターとガンマ線検出用シンチレーターとは、両者の蛍光寿命に差がないと弁別できないので、各々の蛍光寿命が異なるように材料を選択する必要がある。
蛍光寿命が概ね一桁以上異なると、弁別がしやすくなり、好適である。具体的には数十ナノ秒と数百ナノ秒、数十ナノ秒と数マイクロ秒、数百ナノ秒と数マイクロ秒、等の組み合わせである。両者の蛍光寿命が異なることが重要で、ガンマ線検出用シンチレーターと熱中性子検出用シンチレーターのどちらの蛍光寿命が長くてもよい。その際、前記した、ガンマ線検出用シンチレーターが、熱中性子検出用シンチレーターの発光波長よりも短波長に透過端を持つことを満たす組み合わせを選択する必要がある。
【００２８】
熱中性子検出用シンチレーター２とガンマ線検出用シンチレーター３の構造は特に制限はない。しかしながら、ガンマ線をガンマ線検出用シンチレーター３で集中的に反応させて発光させ、熱中性子のみを熱中性子検出用シンチレーター２で反応させて発光させるために、図２に示すように、熱中性子検出用シンチレーター２をガンマ線検出用シンチレーター３でサンドイッチ状に挟む構造が好ましい。上記観点からは、図１に示すように、熱中性子検出用シンチレーター２の周囲を全てガンマ線検出用シンチレーター３で覆う構造が、最も好適である。
【００２９】
反射材４にはポリテトラフルオロエチレン、硫酸バリウムなどが好適に使用できる。遮光材５は市販の遮光シートやアルミホイルなど、可視光を通さないものが好適に使用できる。
電気信号解析部６には従来公知のホスウィッチ型検出器の読み出し回路が使用できる。光検出器１からの信号を取得し、発光の減衰時定数の差異を区別する機能を有する回路を用いる。得られた信号は波高の統計分布を取ることで、波高分布スペクトルを描画することができる。
【００３０】
以上のようにして実現される本発明の検出器は、熱中性子とガンマ線を検出し、それぞれの検出信号を選択的に分離し、両者を弁別して検出する検出器とすることができる。本発明の検出器を用いることで、ガンマ線の検出信号を除去して熱中性子のみを検出したり、熱中性子の検出信号を除去してガンマ線を検出したり、あるいは熱中性子とガンマ線の両者を同時に、分離して検出することができる。
【実施例】
【００３１】
以下、本発明の実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら制限されるものではない。また、実施例の中で説明されている特徴の組み合わせすべてが本発明の解決手段に必須のものとは限らない。【００３２】
実施例１
本発明のホスウィッチ型検出器のシンチレーターとしては、熱中性子検出用シンチレーターとしてＬｉＣａＡｌＦ６：Ｅｕを、ガンマ線検出用シンチレーターとしてＢＧＯを用いた。
ＬｉＣａＡｌＦ６：Ｅｕは発光量がリチウムガラスの約３倍の約２００００photons/neutronで十分であり、発光波長３７０ｎｍである。ＢＧＯの透過端は３００ｎｍであって、ＬｉＣａＡｌＦ６：Ｅｕの発光波長より短波長である。ＢＧＯは有効原子番号が７４の無機単結晶シンチレーターである。【００３３】
ＬｉＣａＡｌＦ６：Ｅｕ単結晶は、チョクラルスキー法による結晶製造装置を用いて製造した。原料としては、純度が９９．９９％以上の９５％６ＬｉＦ、ＣａＦ２、ＡｌＦ３、ＥｕＦ３の高純度フッ化物粉末を用いた。坩堝、ヒーター、及び断熱材は、高純度カーボン製のものを使用した。
まず、９５％６ＬｉＦ  ２６９．７ｇ、ＣａＦ２  ７８４．０ｇ、ＡｌＦ３  ９０３．５ｇ、ＥｕＦ３  ４２．８ｇをそれぞれ秤量し、よく混合して得られた混合原料を坩堝に充填した。原料を充填した坩堝を、可動ステージ上に設置し、その周囲にヒーター、及び断熱材を順次セットした。次にＬｉＣａＡｌＦ６単結晶を６×６×３０ｍｍ３の直方体形状で３０ｍｍの辺がｃ軸方向に沿うように切断、研削、研磨したものを種結晶とし、自動直径制御装置の先端に取り付けた。油回転ポンプ及び油拡散ポンプからなる真空排気装置を用いて、チャンバー内を５．０×１０−４Ｐａまで真空排気した後、四フッ化メタン−アルゴン混合ガスをチャンバー内に大気圧まで導入し、ガス置換を行った。【００３４】
高周波コイルに高周波電流を印加し、誘導加熱によって原料を加熱して溶融させた。種結晶を移動し、溶融した原料融液の液面に接触させた。種結晶と接触した部分が凝固する温度となるようヒーター出力を調整した後、自動直径制御装置による制御の元、直径５５ｍｍを目標に引き上げ速度を自動調整しながら結晶を引き上げた。
育成中、液面高さが一定となるよう調整するため可動ステージを適宜動かし、高周波コイルの出力を適宜調整しながら連続的に引き上げ、約７０ｍｍの長さとなったところで液面から切り離し、約４８時間かけて冷却することで、直径５５ｍｍ、長さ約７０ｍｍの、Ｅｕを含有するＬｉＣａＡｌＦ６結晶を得た。【００３５】
ＢＧＯはサンゴバン社製の市販のものを用いた。光電子増倍管には浜松ホトニクス製Ｒ７８９９を用いた。電気信号解析部は、非特許文献１と同様のものを用いた。【００３６】
上記の熱中性子検出用シンチレーターとガンマ線検出用シンチレーターとを用い、図２に示す構造のホスウィッチ型検出器を作製した。ＬｉＣａＡｌＦ６：Ｅｕ、二個のＢＧＯはそれぞれ、厚み１０ｍｍ、一辺１５ｍｍの六角形の面を持つ六角柱状に加工し、ＬｉＣａＡｌＦ６：Ｅｕを二個のＢＧＯで挟み込む構造とした。シンチレーター同士の間、及びシンチレーターと光電子増倍管の間は応用光研社製の光学グリースで接着した。【００３７】
上記の放射線検出器にガンマ線と熱中性子を照射した。ガンマ線源として１３７Ｃｓを、熱中性子源として２５２Ｃｆを４０ｍｍのポリエチレンの容器に入れたものを用いた。
ＬｉＣａＡｌＦ６：Ｅｕ、並びにＢＧＯから得られた信号を、縦軸に強度、横軸に時間をプロットした図を図３に示す。横軸の単位は１ｃｌｏｃｋ＝１６０ナノ秒とした。「△」線が、ＬｉＣａＡｌＦ６：Ｅｕから得られた熱中性子に起因するスペクトルであり、「●」線が、ＢＧＯから得られたガンマ線に起因するスペクトルであり、明確に蛍光寿命の異なる波形が得られた。
図３から明らかに認識できるように、Ａ値＝波高（１０clockでの波高）とＢ値＝波高（２０clockでの波高)を比較した場合、ＬｉＣａＡｌＦ６：Ｅｕから得られた熱中性子に起因するスペクトルでは、両値にほとんど差がない。一方、ＢＧＯから得られたガンマ線に起因するスペクトルでは、Ａ値はＢ値の少なくとも二倍はある。従って、Ａ値がＢ値の１．５倍を超える信号をBGO由来のガンマ線の信号として処理を行った。
得られたエネルギースペクトルから、上記処理で得られたＢＧＯ由来の信号を、ガンマ線の信号として選択的に除去した。信号選択除去をした場合と、しない場合の各波高分布スペクトルを図４に示す。図４より、熱中性子の検出ピークが明瞭に分離でき、ホスウィッチ型検出器として熱中性子とガンマ線を弁別できていることが分かる。
【符号の説明】
【００３８】
１    光検出器
２    熱中性子検出用シンチレーター
３    ガンマ線検出用シンチレーター
４    反射材
５    遮光材
６    電気信号解析部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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