(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中性子の入射方向に沿って延在し、光を反射する反射層としての作用を有する金属膜と、
前記金属膜上に形成され、中性子の入射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第１の蒸着膜と、
中性子の入射方向に沿って延在し、かつ、前記第１の蒸着膜に隣接して配設され、光を反射する反射材料からなる第２の蒸着膜と、
中性子の入射方向に沿って延在し、かつ、前記第２の蒸着膜に隣接して配設され、前記第１の蒸着膜にて発生した前記放射線から光を発生させるシンチレータ層と、
を有する積層構造を、複数段積層させた多段積層構造を有し、
前記シンチレータ層で発生させた光を、前記金属膜と前記第２の蒸着膜で反射させつつ前記シンチレータ層内を伝搬させて外部に導出するよう構成した検出部を有することを特徴とする中性子検出器。
【請求項２】
請求項１記載の中性子検出器であって、
前記検出部が、前記多段積層構造を、井桁状に組み合わせた構成を有することを特徴とする中性子検出器。
【請求項３】
請求項１又は２項記載の中性子検出器であって、
前記検出部の中性子入射側に、中性子入射面に沿って延在し、中性子と反応して放射線を放出する入射側中性子反応層と、
前記検出部の中性子入射側に、かつ、前記入射側中性子反応層の中性子入射方向において後側に隣接して配設され、中性子入射面に沿って延在し、光を反射する反射材料からなる入射側反射層と
を具備したことを特徴とする中性子検出器。
【請求項４】
請求項１〜３いずれか１項記載の中性子検出器であって、
前記検出部の多段積層構造は、中性子の入射方向に対して、積層方向に傾きを持って配設されていることを特徴とする中性子検出器。
【請求項５】
請求項１〜４いずれか１項記載の中性子検出器であって、
前記第1の蒸着膜は、ボロン１０同位体を濃縮した濃縮ボロンカーバイト（１０Ｂ４Ｃ）から構成され、前記第２の蒸着膜は、アルミニウムから構成されていることを特徴とする中性子検出器。
【請求項６】
請求項１〜５いずれか１項記載の中性子検出器であって、
前記検出部の前記金属膜と、前記第１の蒸着膜との間に、中性子の入射方向に沿って延在し、熱中性子を吸収する第３の蒸着膜が形成されていることを特徴とする中性子検出器。
【請求項７】
請求項６記載の中性子検出器であって、
前記第３の蒸着膜が、酸化ガドリニウム（Ｇｄ２Ｏ３）から構成されていることを特徴とする中性子検出器。
【請求項８】
請求項６又は７記載の中性子検出器であって、
前記シンチレータ層が、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で挟まれたガラスシンチレータ又は結晶シンチレータのいずれかから構成されていることを特徴とする中性子検出器。
【請求項９】
請求項１〜８いずれか１項記載の中性子検出器であって、
前記検出部の発光像を光学レンズで光イメージインテンシファイア管に結像し、光電変換して増幅するとともに、前記光イメージインテンシファイア管の画像を撮像する撮像カメラを中性子照射ラインからずらして設置したことを特徴とする中性子検出器。
【請求項１０】
請求項１〜８いずれか１項記載の中性子検出器であって、
前記検出部をイメージインテンシファイア管の入力面に形成するとともに、前記検出部の中性子入射方向において後側の真空雰囲気中に光電変換膜を形成した中性子イメージインテンシファイア管によって、前記検出部の発光像を光電変換して増幅するとともに、前記中性子イメージインテンシファイア管の画像を撮像する撮像カメラを中性子照射ラインからずらして設置したことを特徴とする中性子検出器。
【請求項１１】
請求項１〜８いずれか１項記載の中性子検出器であって、
前記検出部の光出力面から、バンドル型の光ファイバー又はテーパーファイバーを介して発光像をマイクロチャネルタイプイメージインテンシファイアに導入して光増幅し、前記マイクロチャネルタイプイメージインテンシファイアの出力画像を撮像カメラで撮影することを特徴とする中性子検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、中性子検出器に関する。
【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】
一般的に、中性子の検出器としては、検出効率の高い検出器としてＨｅ（ヘリウム）の同位体３Ｈｅ（以下Ｈｅ−３と記載する。）ガスを用いた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用いたシンチレーション検出器が知られている。 
【０００４】
ここで、中性子は電荷を持っていないため、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が必要となる。中性子コンバータとしては、中性子吸収断面積の大きな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。
【０００５】
さらに、エネルギーの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に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。
【０００６】
一方、シンチレーション検出器は高い計数能力を有するものの、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くなってしまう。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、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。
【０００７】
更に、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以上の速度で冷却して製造するものである。
【０００８】
これら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。
【０００９】
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成することが可能になる。このためガンマ線感度や位置分解能の点で非常に有利になるので、理想的な中性子コンバータということができる。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。 
【００１０】
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、高い発光量を持ち、取り扱いにも優れているものの、不透明で検出効率や計数能力に限界がある。
【００１１】
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ＣＣＤや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となる。
【００１２】
このため、分解能を向上させるには、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）線を出し、その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ＬｉＦ／ＺｎＳ粉末を有機バインダーで塗布して固めた構成となっている。
【００１３】
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が用いられるが、バインダー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との反応割合は更に少なくなり、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。
【００１４】
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作上も難しく未だ実用化には至っていない。
【００１５】
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かえ、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（例えば、特許文献１参照。）。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。更に中性子のエネルギーが高くなると反応効率は更に小さくなる。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。
【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】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
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迄、高精細かつ高効率で検出することのできる中性子検出器の開発が望まれていた。
【００１８】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みなされたもので、その目的は、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のできる中性子検出器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
実施形態の中性子検出器は、中性子の入射方向に沿って延在し、光を反射する反射層としての作用を有する金属膜と、前記金属膜上に形成され、中性子の入射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第１の蒸着膜と、中性子の入射方向に沿って延在し、かつ、前記第１の蒸着膜に隣接して配設され、光を反射する反射材料からなる第２の蒸着膜と、中性子の入射方向に沿って延在し、かつ、前記第２の蒸着膜に隣接して配設され、前記第１の蒸着膜にて発生した前記放射線から光を発生させるシンチレータ層と、を有する積層構造を、複数段積層させた多段積層構造を有し、前記シンチレータ層で発生させた光を、前記金属膜と前記第２の蒸着膜で反射させつつ前記シンチレータ層内を伝搬させて外部に導出するよう構成した検出部を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、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のできる中性子検出器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】一実施形態に係る中性子検出器の要部概略構成を示す図。
【図２】図１の中性子検出器の要部概略構成を拡大して示す図。
【図３】他の実施形態に係る中性子検出器の要部概略構成を拡大して示す図。
【図４】他の実施形態に係る中性子検出器の要部概略構成を拡大して示す図。
【図５】中性子エネルギーと中性子吸収断面積との関係を示すグラフ。
【図６】厚さと熱中性子の透過率との関係を示すグラフ。
【図７】一実施形態に係る中性子検出器の全体構成を示す図。
【図８】他の実施形態に係る中性子検出器の全体構成を示す図。
【図９】他の実施形態に係る中性子検出器の全体構成を示す図。
【図１０】他の実施形態に係る中性子検出器の全体構成を示す図。
【図１１】他の実施形態に係る中性子検出器の全体構成を示す図。
【図１２】従来の中性子検出器の要部概略構成を示す図。
【図１３】従来の中性子検出器の要部概略構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係る中性子検出器の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２３】
図１は、本発明の一実施形態に係る中性子検出器の要部断面概略構成を示す図である。また、図１２、図１３は、従来の中性子検出器の要部断面概略構成を示す図である。
【００２４】
図１２に示す従来の中性子検出器は、粒状シンチレータ４（例えばＬｉＦ／ＺｎＳ蛍光体）を使用したものである。一般的に粒状シンチレータ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）からなるアルミ基板３に、粒状シンチレータ４を固定するためと発光した光５を効率良く透過させるために、透明なバインダー６を用いている。そして、このバインダー６によって、粒状シンチレータ４をアルミ基板３に固定して中性子検出器が構成されている。
【００２５】
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、アルミ基板３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は、粒状シンチレータ４のＺｎＳ蛍光体で発光し光５となる。
【００２６】
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（放射線の飛ぶ距離）を持つ。粒状シンチレータ４の粒径は、このα線２の飛程と略同じ大きさであり、粒状シンチレータ４の内部で発光した光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、バインダー６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４全体の中で占める原子数割合がＬｉＦ／ＺｎＳとすると１/４であり、バインダー６の原子数を考えると全体での反応効率は悪くなる。
【００２７】
従って、効率を上げるためには、粒状シンチレータ４を塗布する厚さを厚くする必要がある。但し、中性子１の入射した側で発光した光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、バインダー６内を透過して中性子検出器の外に出てくるため、光の透過率が悪くなり、更に拡散して透過するために解像度も悪くなる。
【００２８】
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更に桁で小さくなる。そのため、反応効率を上げるためには更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。
【００２９】
解像度を上げて輝度の明るいイメージ画像を得る方法として、図１３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１０Ｂ４Ｃ蒸着膜７では、４／５であり、さらに、バインダー無しで、蒸着で製作できるため、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。
【００３０】
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、１０Ｂ４Ｃ蒸着膜７内を通りぬけてＣｓＩ蛍光体８にまで至ることができない。１０Ｂ４Ｃ蒸着膜７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。但し、図１２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。
【００３１】
しかも、反応したα線２は、透明度の高い針状のＣｓＩ蛍光体８で発光し、光５となり、さらに、光電変換膜９で電子１０となり、この電子を増幅する構成とすることで、変換と伝達効率が高くなり、図１２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、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５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。
【００３２】
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の構成について説明する。
【００３３】
図１，２は、本発明の第１実施形態にかかる中性子検出器の検出部の要部構成を拡大して示すものである。図１に示すように、本発明の一実施形態にかかる中性子検出器は、中性子１の入射側に位置するように、アルミニウムから構成されたアルミ基板３を具備している。このアルミ基板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が構成されている。
【００３４】
第１実施形態においてこの多段積層構造は、Ａｌ（アルミニウム）膜１２と、第１の蒸着膜としての１０Ｂ４Ｃ（ボロン１０同位体を濃縮した濃縮ボロンカーバイト）蒸着膜７と、第２の蒸着膜としてのＡｌ（アルミニウム）蒸着膜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）に積層させた多段積層構造を有している。この多段積層構造は、中性子１の入射面側から見た時に、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。
【００３５】
Ａｌ膜１２は、厚さ（図１，２における上下方向の長さ）が５μｍ以上とされており、中性子１の入射方向に沿って延在し、光を反射する反射層として作用する。１０Ｂ４Ｃ蒸着膜７は、このＡｌ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。この１０Ｂ４Ｃ蒸着膜７は、厚さ（図１，２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。１０Ｂ４Ｃ蒸着膜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。
【００３６】
Ａｌ蒸着膜１３は、厚さ（図１，２における上下方向の長さ）が０．１μｍ〜０.５μｍ程度とされており、１０Ｂ４Ｃ蒸着膜７上に、１０Ｂ４Ｃ蒸着膜７と隣接するように、蒸着によって形成されている。したがって、このＡｌ蒸着膜１３も中性子１の入射方向に沿って延在した構成となっている。このＡｌ蒸着膜１３は、光を反射する反射膜として作用する。
【００３７】
シンチレータ１１は、プラスチックシンチレータ等からなり、Ａｌ蒸着膜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、厚さ（図１，２における上下方向の長さ）が５μｍ以上、例えば数１０μｍから１００μｍ程度とされている。シンチレータ１１は、１０Ｂ４Ｃ蒸着膜７内で放出されたα線２によって発光し、光５を発生させる。
【００３８】
そして、上記の積層構造が、さらに多数積層されて、中性子検出器の検出部が構成されている。また、本実施形態では、上記の積層構造において、１０Ｂ４Ｃ蒸着膜７等の各層は、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、後端側（図中右側）が上側に向かって上がった構成となっている。
【００３９】
上記のように、本実施形態の中性子検出器では、シンチレータ１１は、Ａｌ蒸着膜１３とＡｌ膜１２とによって挟まれており、また、１０Ｂ４Ｃ蒸着膜７も、Ａｌ蒸着膜１３とＡｌ膜１２とによって挟まれた構成となっている。
【００４０】
１０Ｂ４Ｃ蒸着膜７は、黒色で光の反射率が低いので、１０Ｂ４Ｃ蒸着膜７とシンチレータ層１１とを直接積層させると、シンチレータ層１１内で発生した光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層１１を、Ａｌ蒸着膜１３とＡｌ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、Ａｌ蒸着膜１３とＡｌ膜１２による反射を利用してシンチレータ層１１内で発生した光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。
【００４１】
すなわち、１０Ｂ４Ｃ蒸着膜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で発光し光５となる。この発光した光５は、透明度の高いシンチレータ１１（プラスチックシンチレータ）内を、Ａｌ蒸着膜１３及びＡｌ膜１２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。
【００４２】
また、厚さ５μｍ以上のＡｌ膜１２は、図１，２中１０Ｂ４Ｃ蒸着膜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。
【００４３】
さらに、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１０Ｂ４Ｃ蒸着膜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１０Ｂ４Ｃ蒸着膜７に対して垂直ではなく、水平に近く、かつ、傾きを持って配設された１０Ｂ４Ｃ蒸着膜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。
【００４４】
以上のとおり、本実施形態に係る中性子検出器では、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次元検出器を得ることができる。
【００４５】
縦軸を透過率、横軸を厚さとした図６のグラフに反応材質の厚さと熱中性子の透過率の関係を示す。図６に示されるとおり、１０Ｂ４Ｃの場合、厚さが５０μｍで９０％程度の熱中性子が反応することになる。したがって、１０Ｂ４Ｃ蒸着膜７の長さ（図１，２における左右方向の長さ）を５０μｍ程度とすることによって、９０％程度の熱中性子と反応させることができる。
【００４６】
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ついて説明する。この第２実施形態の中性子検出器では、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、厚さが５μｍ以上とされたＡｌ膜１２と、１０Ｂ４Ｃ蒸着膜７と、光の反射用として厚さが０．１μｍ〜０.５μｍ程度とされたＡｌ蒸着膜１３とを配設した構成となっている。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。
【００４７】
この第２実施形態の中性子検出器では、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との反応効率を上げることができる。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。
【００４８】
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ついて説明する。この第３実施形態の中性子検出器では、１０Ｂ４Ｃ蒸着膜７と、厚さ（図４における上下方向の長さ）が５μｍ以上とされたＡｌ膜１２との間に、熱中性子を吸収するためのＧｄ２Ｏ３蒸着膜１４（厚さ５μｍ以上）を挿入した構成とされている。
【００４９】
また、シンチレータとして第３実施形態ではプラスチックシンチレータ１６を使用しており、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、厚さが５μｍ以上とされたＡｌ膜１２と、１０Ｂ４Ｃ蒸着膜７と、厚さが０．１μｍ〜０.５μｍ程度とされたＡｌ蒸着膜１３とを配設した構成となっている。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。
【００５０】
上記構成の第３実施形態にかかる中性子検出器では、高エネルギー成分の中性子である高速中性子９は、１０Ｂ４Ｃ蒸着膜７内で反応して、α線２を放出し、このα線２がプラスチックシンチレータ１６内で反応して発光し、光５となる。但し、１０Ｂ４Ｃ蒸着膜７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５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、１０Ｂ４Ｃ蒸着膜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。
【００５１】
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、プラスチックシンチレータ１６（または、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の場合には水素を含む樹脂でシンチレータを覆ったもの）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、プラスチックシンチレータ１６から等方向に拡散する。プラスチックシンチレータ１６の下側の１０Ｂ４Ｃ蒸着膜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がプラスチックシンチレータ１６と反応して光５が発生する。
【００５２】
一方、プラスチックシンチレータ１６の上側の１０Ｂ４Ｃ蒸着膜７で、減速された中性子１５が反応してしまうと、上下のプラスチックシンチレータ１６で発光が起き光５を出すために分解能が悪くなる。そこで、プラスチックシンチレータ１６の上側の１０Ｂ４Ｃ蒸着膜７と反応しないように、上側の１０Ｂ４Ｃ蒸着膜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１４を設けることで、下側の中性子の周り込みを防ぐこととができる。
【００５３】
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、１０Ｂ４Ｃ蒸着膜７との反応距離が長くなるため、プラスチックシンチレータ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、１０Ｂ４Ｃ蒸着膜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、Ｇｄ２Ｏ３蒸着膜１４（厚さ５μｍから数１０μｍ程度）を１０Ｂ４Ｃ蒸着膜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、検出効率を上げながら検出器の分解能を向上させることができる。
【００５４】
次に、上記構成の検出部を有する中性子検出器の全体構成について説明する。
【００５５】
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で高効率の２次元検出器としてイメージングできる中性子検出器を提供するためには、上記した構成の検出部である２次元中性子反応シンチレータで発光した光のイメージを、光学レンズ等で調整して撮像カメラのＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子でイメージングする必要がある。特に中性子でイメージングするためには、２次元中性子反応シンチレータの光を効率よく撮像する必要があり、中性子強度が弱いと発光する光も弱く、できるだけ光学ロスを少なくする必要がある。そのためには、２次元中性子反応シンチレータで発光した光を増幅してロスを少なく検出効率を高める工夫が必要となる。
【００５６】
図７に示す光イメージインテンシファイア管１０３は、口径の大きなイメージ増幅管として有効である。また、中性子が撮像カメラ１０６に直接あたると撮像素子にダメージを与える可能性があり、撮像素子を中性子照射ライン上から遠ざける工夫が必要である。そのため、図７に示す実施形態では、光イメージインテンシファイア管１０３の出力蛍光体１０３ｃにて発光したイメージ像を、光学反射鏡１０４にて中性子照射ラインから直角な方向に反射させた後、光学レンズ１０５を通して撮像カメラ１０６で２次元検出する構成となっている。
【００５７】
図７に示す実施形態では、前述した構成の検出部である２次元中性子反応シンチレータ１０１で発光した光のイメージを、効率良く撮像素子に導入し、かつ撮像素子に対する中性子やガンマ線等の放射線による損傷をできるだけ少なくするように、光学レンズ１０２、光イメージインテンシファイア管１０３、光学反射鏡１０４、光学レンズ１０５、撮像カメラ１０６を組み合わせてノイズの少ない２次元検出器イメージングを実現している。
【００５８】
２次元中性子反応シンチレータ１０１では、図１、図３に示したように、中性子は、中性子と反応が少ないシンチレータ構成基板であるアルミ基板３及びＡｌ膜１２を通過し、厚さ４〜５μｍ程度の１０Ｂ４Ｃ蒸着膜７と反応する。この１０Ｂ４Ｃ蒸着膜７はＡｌ膜１２と厚さ０．１〜０．５μｍ程度のＡｌ蒸着膜１３でサンドイッチした構造となっている。１０Ｂ４Ｃ蒸着膜７と中性子が反応するとアルファ線が放出され、シンチレータ１１と反応して発光する。多くは、青色から緑色で発光する。
【００５９】
２次元中性子反応シンチレータ１０１で発光した２次元のイメージ画像を、光学レンズ１０２で光イメージインテンシファイア管１０３の光電変換膜１０３ａに結像する。この光イメージインテンシファイア管１０３の入力面はガラスでできている。また、光イメージインテンシファイア管１０３の入力面サイズは、４インチから最大２０インチの口径まであり、口径が大きいほど]２次元中性子反応シンチレータ１０１の発光を幾何学的に効率よく光電変換膜１０３に結像することができる。特に光学レンズ１０２の径よりも２次元中性子反応シンチレータ１０１の径（大きさ）が小さいほど効率は上がる。
【００６０】
光電変換膜１０３ａで電子に変換され、電子レンズ１０３ｂで出力蛍光体１０３ｃに結像され、再度イメージ画像として発光する。光イメージインテンシファイア管１０３内で、電子は電極間にかけられた高電圧により電子増幅され、微小なイメージ像も明るく出力される。この出力画像を撮像カメラ１０６にて光学レンズ１０５でピント調整して撮影する。但し、一般に使われている撮像カメラ１０６の撮像素子は、ＣＣＤやＣＭＯＳといったものが多く、これらは、中性子やガンマ線など放射線でダメージを受けて画像にノイズを残してしまう。そこで、照射される中性子のビームラインから離して撮像カメラ１０６を設置するように光学反射鏡１０４を用いる。これによって、撮像カメラ１０６に直接放射線が照射されることを防止することができ、撮像カメラ１０６に対するダメージを少なくすることができる。
【００６１】
２次元中性子反応シンチレータ１０１で発光する光量は、照射する中性子の強度により異なるが、一般的には肉眼で確認できるほど明るくない。そこで、光イメージインテンシファイア管１０３を用い、特に２次元中性子反応シンチレータ１０１で発光する波長にマッチングして変換能率の高い光電変換膜１０３ａを用いて電子に変換し、電子増幅させて出力蛍光体１０３ｃで発光させることで肉眼でも確認できるくらいに光増幅される。この画像を中性子やガンマ線の照射ラインよりずらして設置した撮像カメラ１０６で撮影することで撮像素子へのダメージを極力少なくすることができ、放射線によるノイズの少ない２次元イメージ画像を撮影することができる。なお、撮像カメラ１０６の周りに中性子やガンマ線に対して遮蔽できる構造を設けることで、この効果を更に向上させることができる。
【００６２】
次に、図８を参照して他の実施形態について説明する。この実施形態では、図７における２次元中性子反応シンチレータ１０１に相当する２次元中性子反応シンチレータ１１１が、中性子イメージインテンシファイア管１１３内の中性子入力反応面に形成されている。このため、図７の光イメージインテンシファイア管１０３の入力面は光を通す目的で透明なガラス製であったのに対して、図８に示す中性子イメージインテンシファイア管１１３の場合は、中性子が透過しやすいアルミ製となっている。中性子イメージインテンシファイア管１１３の内部に配設した２次元中性子反応シンチレータ１１１には、光電変換膜１１３ａが直接コーティングして形成されている。これによって、２次元中性子反応シンチレータ１１１からの発光をより効率よく電子に変換して電子レンズ１１３ｂで増幅し、出力蛍光体１１３ｃに結像させることができる。
【００６３】
上記構成の中性子検出器によれば、２次元中性子反応シンチレータ１１１からの発光を光学レンズによる幾何学的なロスなく効率よく利用できるだけでなく、部品点数の削減と調整時間の短縮を図れるとともに、調整ミスを少なくすることができる。
【００６４】
次に、図９を参照して他の実施形態について説明する。この実施形態では、電子レンズによるイメージインテンシファイアの増幅ではなく、マイクロチャネルタイプイメージインテンシファイア１２３を光の増幅に用いている。
【００６５】
２次元中性子反応シンチレータ１０１からの発光を、光学レンズにてマイクロチャネルタイプイメージインテンシファイア１２３の入力面に結蔵して使用することも可能であるが、図９に示す実施形態では、光学部品が少なく、かつ調整の少ないテーパーファイバー１１２を用いて、マイクロチャネルタイプイメージインテンシファイア１２３の入力面と結合させている。なお、図９において、１２３ａは光電変換膜を示している。
【００６６】
図９に示す実施形態では、マイクロチャネルタイプイメージインテンシファイア１２３の入力面よりも２次元中性子反応シンチレータ１０１のサイズが大きいため、テーパーファイバー１１２を用いているが、逆に２次元中性子反応シンチレータ１０１のサイズが小さい場合には、逆のテーパーファイバー又はストレートなバンドル型ファイバーを用いる。また、図９に示す実施形態では、マイクロチャネルタイプイメージインテンシファイア１２３の出力蛍光面１２３ｃを、光学レンズ１０５と撮像カメラ１０６を組み合わせて撮像する構成としているが、マイクロチャネルタイプイメージインテンシファイア１２３の出力蛍光面１２３ｃに、バンドル型ファイバーあるいはテーパーファイバーを介してＣＣＤ素子やＣＭＯＳ素子を直接結合してもよい。
【００６７】
上記構成の中性子検出器によれば、２次元中性子反応シンチレータ１０１からの発光を、テーパーファイバー１１２（或いはバンドル型ファイバー）で幾何学的なロスなく効率よくマイクロチャネルタイプイメージインテンシファイア１２３の入力面に結像できるだけでなく、部品点数の削減と調整時間の短縮を図れ、かつ、調整ミスを少なくすることができる。また、マイクロチャネルタイプイメージインテンシファイア１２３を使うことで全体をコンパクトにすることができる。但し、マイクロチャネルタイプイメージインテンシファイア１２３のチャネル間隔で分解能が決まるため、分解能については制限がある。
【００６８】
次に、図１０を参照して他の実施形態について説明する。この実施形態では、図９に示したマイクロチャネルタイプイメージインテンシファイア１２３による増幅ではなく、高感度撮像カメラ１１６を用いている。高感度撮像カメラ１１６は、その撮像機構の光電変換膜に、電子増幅機能のあるＨＡＲＰ（High-gain Avalanche Rushing amorphous Photoconductor）光電変換膜１０７を用い、更に冷陰極電子源にＨＥＥＤ（High-efficiency Electron Emission Device）冷陰極電子源１０８を用いている。
【００６９】
上記構成の中性子検出器によれば、２次元中性子反応シンチレータ１０１からの発光を、テーパーファイバー１１２（或いはバンドル型ファイバー）で幾何学的なロスなく効率よくＨＡＲＰ光電変換膜１０７の入力面に結像できるだけでなく、撮像系が一体となり、部品点数の削減と調整時間の短縮を図れ、かつ、調整ミスを少なくすることができる。また、光イメージインテンシファイア管１０３、中性子イメージインテンシファイア管１１３、マイクロチャネルタイプイメージインテンシファイア１２３等を用いた場合に比べて更に、全体の大きさがコンパクトになる。但し、感度の点はイメージインテンシファイアによる増幅機能が少なくなる分低下する。
【００７０】
次に、図１１を参照して他の実施形態について説明する。この実施形態は、マイクロチャネルタイプイメージインテンシファイアによる増幅ではなく、中性子イメージインテンシファイア管１１３を用いたものであるが、電子増幅機能のあるＨＡＲＰ光電変換膜１０７とＨＥＥＤ冷陰極電子源１０８を出力蛍光体１１３ｃの直後（中性子入射方向に対して）に設置し撮像機能を持たせたものである。このような構成を採用することによって、電子増幅機能を高め、高精細に撮像が可能になる。
【００７１】
ＨＡＲＰ光電変換膜１０７とＨＥＥＤ冷陰極電子源１０８は共に真空容器内に配置する必要があり、中性子イメージインテンシファイア管１１３も真空容器となっているため、その内部に設置することが可能である。但し、電位の関係でＨＡＲＰ光電変換膜１０７とＨＥＥＤ冷陰極電子源１０８は更にガラス封入してから中性子イメージインテンシファイア管１１３の内部に設置する方がよい場合がある。
【００７２】
上記構成の実施形態によれば、中性子イメージインテンシファイア管１１３内部に配設した２次元中性子反応シンチレータ１０１からの発光を、より効率よく電子に変換し増幅して利用することができる。また、テーパーファイバーあるいはバンドル型ファイバーによる光学ロスもないので、高感度になり、量子ノイズの少ない画像が得られる。さらに、マイクロチャネルタイプイメージインテンシファイアと比べてマイクロチャネル間隔の制限がなく高精細な検出が可能になる。また、撮像系が一体となり、部品点数の削減と調整時間の短縮を図ることができるとともに、調整ミスを少なくすることができ、製作初期にピント調整を行えば、そのまま使用が可能になる。
【００７３】
なお、ＨＡＲＰ光電変換膜１０７とＨＥＥＤ冷陰極電子源１０８を配設する換わりに、同じ真空管のＨＡＲＰ撮像管を真空容器内に組み合わせて使用することも可能である。この実施形態では、真空内での製作が多くなる点で製作が複雑になるが、外部に光学部分の調整がなくなり、シンプルな撮像管となり、組み立て調整後にピントがずれる心配が無い。
【００７４】
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。
【符号の説明】
【００７５】
１……中性子、２……α線、５……光、６……アルミ基板、７……１０Ｂ４Ｃ蒸着膜、１１……シンチレータ、１２……Ａｌ膜、１３……Ａｌ蒸着膜。
【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】
0005710352.tif 000009
【図９】
0005710352.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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