(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一対の第一隣接プラスチックシンチレータと第二隣接プラスチックシンチレータを形成するように隣接配置されている複数のプラスチックシンチレータ（Ｓ１〜Ｓ４、Ｓ１〜ＳＮ）と、
各々が前記複数のプラスチックシンチレータの一つに対応付けられて当該プラスチックシンチレータによって生成された光信号を表す電気信号を提供する複数の光電子増倍管（Ｐ１〜Ｐ４、Ｐ’１〜Ｐ’４、Ｐ１〜ＰＮ）と、
計算機（２）と、
を備えており、
前記計算機（２）は、
所定期間内に、前記第一隣接プラスチックシンチレータに対応付けられた前記複数の光電子増倍管の一つから提供された前記電気信号に第一パルスが検出され、かつ前記第二隣接プラスチックシンチレータに対応付けられた前記複数の光電子増倍管の一つから提供された前記電気信号に第二パルスが検出されるパルスコインシデンスを検出し、
各パルスコインシデンスについて、ゼロ基準として用いられる最大振幅を有する前記第一パルスと前記第二パルスの一方に対する前記第一パルスと前記第二パルスの間の時間ずれを判断し、
前記時間ずれの量が所定の時間ずれ範囲に含まれるパルスコインシデンスの数を判断する、
ように構成されている、
放射を検出するシステム（１）。
【請求項２】
前記計算機は、中性子、γ粒子、およびμ中間子を区別するために三つの時間ずれ範囲を用いて前記パルスコインシデンスの数を判断するように構成されている、
請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記計算機は、プラスチックシンチレータにおいて生成されたパルスの数をその振幅の関数として判断し、当該振幅が低閾値と高閾値の間にあるパルスの数を計数するように構成されている、
請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
少なくとも二対の隣接プラスチックシンチレータを形成するように少なくとも三つのプラスチックシンチレータを備えている、
請求項１から３のいずれか一項の記載のシステム。
【請求項５】
前記少なくとも一対の隣接プラスチックシンチレータを形成している前記複数のプラスチックシンチレータの間に、カドミウムまたはガドリニウムのシートが介挿されている、請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
前記複数のプラスチックシンチレータは、直方体形状を有している、
請求項１から５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項７】
前記複数のプラスチックシンチレータは、デシメートル寸法の横断面を有している、
請求項１から６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項８】
前記複数のプラスチックシンチレータは、数デシメートルの長さを有している、
請求項１から７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
前記パルスコインシデンスを検出する前記所定期間は、±５０ナノ秒未満である、
請求項１から８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
少なくとも一対の第一隣接プラスチックシンチレータと第二隣接プラスチックシンチレータを形成するように隣接配置された複数のプラスチックシンチレータに対応付けられた複数の光電子増倍管に接続された計算機によって実施される放射検出方法であって、
所定期間内に、前記第一隣接プラスチックシンチレータに対応付けられた前記複数の光電子増倍管の一つから提供された電気信号に第一パルスが検出され、かつ前記第二隣接プラスチックシンチレータに対応付けられた前記複数の光電子増倍管の一つから提供された電気信号に第二パルスが検出されるパルスコインシデンスを検出し、
各パルスコインシデンスについて、ゼロ基準として用いられる最大振幅を有する前記第一パルスと前記第二パルスの一方に対する前記第一パルスと前記第二パルスの間の時間ずれを判断し、
前記時間ずれの量が所定の時間ずれ範囲に含まれるパルスコインシデンスの数を判断する、
放射検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射線検出に係る分野、特にセキュリティ検出器の近傍を通過する可能性がある放射線源の検出に関連する。
【０００２】
放射線を検出する装置は、核施設および多くの公共の場所（海運コンテナ用の港、空港、駅、税関など）への車両や歩行者の通路などに設置可能である。
【背景技術】
【０００３】
動いている車両や人々が通過する際に潜在的な放射線を迅速に検出する高感度な放射線モニタリング検出器を製作する試みがなされている。特に中性子由来の放射線部とγ粒子およびμ中間子由来の放射線部を区別することが必要であることが分かっている。
【０００４】
従来、中性子の測定は、ヘリウム３ベースの検出器を用いて行なわれていた。しかしながら、良好なモニタリング検出器を開発する製造業者は、約十年にわたってヘリウム３の希少性と当該検出器のコスト上昇に直面している。
【０００５】
この問題を回避するために、プラスチックシンチレータの使用が推奨されている。プラスチックシンチレータは、検出器の製造を安定かつ容易にし、輸出規制もなく、生成される毒性物質を含むこともないという利点を有している。プラスチックシンチレータの低コスト性は、産業応用上の重要性を増している。
【０００６】
しかしながら、今日、車両のモニタリングの標準を目的とし、２ｍの距離でＣｆ２５２線源を検出するためにγ粒子の背景ノイズを除きうる簡易なプラスチックシンチレータ検出器は得られていない。Ｃｆ２５２線源は、立体角４πの全休空間に毎秒２万個の中性子を放出する。
【０００７】
プラスチックシンチレータの短所は、低密度であること、および提供されるパルス信号波形が、γ粒子、μ中間子、および中性子の間で非常に似ていることにある。製造業者は、中性子に対して感度が高い一方で自然に存在するγ粒子とμ中間子を除くことが可能な検出装置を作ることの困難に直面している。さらに、毎秒１００万個を上回るγ粒子を放出する強力なγ線源の存在にもかかわらず、当該検出装置は弱い線源に由来する中性子に対して感度を持たねばならない（検出装置において毎秒約１０個の中性子）という標準が課せられている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、この困難を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、
少なくとも一対の隣接プラスチックシンチレータを形成するように隣接配置されている複数のプラスチックシンチレータと、
各プラスチックシンチレータに対応付けられて当該プラスチックシンチレータによって生成された光信号を表す電気信号を提供する光電子増倍管と、
計算機と、
を備えており、
前記計算機は、
一対の隣接プラスチックシンチレータに対応付けられた複数の前記光電子増倍管から提供された複数の前記電気信号間の所定期間内におけるパルスコインシデンスを検出し、
各パルスコインシデンスについて、ゼロ基準として用いられる最大振幅を有するパルスに対する複数のコインシデンスパルスの時間ずれを判断し、
前記時間ずれの量が所定の時間ずれ範囲に含まれるパルスコインシデンスの数を判断する、
ように構成されている放射システムを提供する。
【００１０】
上記システムの好ましい態様は以下に列挙される通りであるが、これらに限定されるものではない。
【００１１】
前記計算機は、中性子、γ粒子、およびμ中間子を区別するために三つの時間ずれ範囲を用いて前記パルスコインシデンスを選択するように構成されている。
【００１２】
前記計算機は、プラスチックシンチレータにおいて生成されたパルスの数をその振幅の関数として判断し、当該振幅が低閾値と高閾値の間にあるパルスの数を計数するように構成されている。
【００１３】
前記システムは、少なくとも二対の隣接プラスチックシンチレータを形成するように少なくとも三つのプラスチックシンチレータを備えている。
【００１４】
前記少なくとも一対の隣接プラスチックシンチレータを形成している前記複数のプラスチックシンチレータの間に、カドミウムまたはガドリニウムのシートが介挿されている。
【００１５】
前記複数のプラスチックシンチレータは、直方体形状を有している。
【００１６】
前記複数のプラスチックシンチレータは、デシメートル寸法の横断面を有している。
【００１７】
前記複数のプラスチックシンチレータは、マルチデシメートルの長さを有している。
【００１８】
前記パルスコインシデンスを検出する前記所定期間は、±５０ナノ秒未満である。
【００１９】
第二の態様によれば、本発明は、少なくとも一対の隣接プラスチックシンチレータを形成するように隣接配置された複数のプラスチックシンチレータに対応付けられた複数の光電子増倍管に接続された計算機によって実施される放射検出方法に関する。当該方法は、
一対の隣接プラスチックシンチレータに対応付けられた前記複数の光電子増倍管から提供された複数の前記電気信号間の所定期間内におけるパルスコインシデンスを検出し、
各パルスコインシデンスについて、ゼロ基準として用いられる最大振幅を有するパルスに対する複数のコインシデンスパルスの時間ずれを判断し、
前記時間ずれの量が所定の時間ずれ範囲に含まれるパルスコインシデンスの数を判断する。
【００２０】
本発明のさらなる態様、目的、利点、および特徴は、非限定的な例を通じて提供される以下の好適な実施形態の詳細な説明を読むことにより、および添付の図面を参照することにより明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１ａ】本発明に係る検出装置に用いられる複数のプラスチックシンチレータの配列を例示する図である。
【図１ｂ】本発明に係る検出装置に用いられる複数のプラスチックシンチレータの配列を例示する図である。
【図２】本発明に係る検出システムの一実施形態を例示する図である。
【図３】パルスコインシデンスの数を、ゼロ基準として用いられる最大振幅のパルスに対するその時間ずれの関数として示す図である。
【図４】本発明の一実施形態として実施されうる、パルスの振幅に基づく弁別を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１ａ、図１ｂ、および図２に示されるように、本発明は、少なくとも一対の隣接プラスチックシンチレータを形成するように配置された複数のプラスチックシンチレータＳ１〜Ｓ４、Ｓ１〜ＳＮを備えている放射検知システム１に関連する。
【００２３】
二個から数十個の範囲をとりうる当該複数のプラスチックシンチレータは、互いに接するように配列される。プラスチックシンチレータの数は、少なくとも二対の隣接プラスチックシンチレータを形成するように、三個以上であることが好ましい。図１ａと図１ｂにおいては、三対の隣接プラスチックシンチレータＳ１〜Ｓ２、Ｓ２〜Ｓ３、Ｓ３〜Ｓ４を形成できるように、四個のシンチレータが使用されている。これらのシンチレータは同一のものであり、例えばEljen Technology社のＥＪ−２００シンチレータである。
【００２４】
各シンチレータは、直方体形状を有していることが好ましく、デシメートル寸法の横断面とマルチデシメートル寸法の長さを有していることが好ましい（例えば、１０ｃｍ×１０ｃｍ×１００ｃｍ）。
【００２５】
直方体形状は、広い検出面積とシンチレータ間の平坦な界面を提供する。十分な長さは、平均５０ｃｍという相互作用距離を実現し、得られるパルスの分離と時間的選択を可能にする。デシメートル単位の寸法は、速い相互作用粒子（μ中間子と高エネルギーγ粒子など）を遅い粒子（中間子など）から区別可能にする。
【００２６】
一実施形態例においては、少なくとも一対の隣接プラスチックシンチレータにおけるプラスチックシンチレータ同士の接触面の間にカドミウムまたはガドリニウムのシートが介挿されている。例えば０．１ｍｍ〜５ｍｍの厚さを有するこのシートは、シンチレータの全ての面上に配置されうる。このシートによって、等価有効断面積における中性子のカドミウムやガドリニウムなどの物質との相互作用がプラスチックにより捕獲される即発γ粒子の生成を促進するという利点が得られる。そのようなシートの存在によってシステムの感度が向上し、中性子を検出するための発光プラスチック本来の効率と比較して利得は１０倍になる。
【００２７】
少なくとも光電子増倍管（Ｐ１〜Ｐ４、Ｐ’１〜Ｐ’４、Ｐ１〜ＰＮ）が各プラスチックシンチレータに対応付けられており、当該プラスチックシンチレータにより生成された光信号を表す電気信号を提供する。光電子増倍管は、プラスチックシンチレータの一端に配置され、当該シンチレータに沿う相互作用を可能にする。
【００２８】
図１ａに示されるように、光電子増倍管Ｐ１〜Ｐ４は、それぞれシンチレータＳ１〜Ｓ４に対応付けられている。図１ｂに示されるように、シンチレータＳ１〜Ｓ４毎に二つの光電子増倍管列Ｐ１〜Ｐ４、Ｐ’１〜Ｐ’４が使用されてもよい。シンチレータ毎に二つの光電子増倍管列を使用すると、検出器を通過して相互作用するμ中間子をよりよく中性子と区別可能にするという利点がある。中性子は、検出器における一領域（デシメートル単位）における局所的相互作用を示す。
【００２９】
図２に示されるように、検出システム１は、計算機２も備えている。計算機２は、Ａ／Ｄコンバータ３を通じて光電子増倍管Ｐ１〜ＰＮに接続されている。検出システム１は、マンマシンインターフェースモジュール４（測定結果が可視化されるスクリーンなど）も備えている。
【００３０】
計算機は、中性子、γ粒子、μ中間子の物理的特性の関数（具体的には、速度とエネルギーの差）として検出器で生成されたパルスが選択されることを可能にする後述のアルゴリズムを実施するように構成されている。速度は、二つのパルスの時間的なずれとパルス継続時間に反映される。エネルギーは、パルスの振幅に反映される。
【００３１】
計算機は、一対の隣接シンチレータからの信号同士を比較する。隣接シンチレータの対が複数ある場合、この比較は、対毎になされることが好ましい。同種の核放射（高エネルギーのγ粒子と低エネルギーのγ粒子、中性子とμ中間子）に基づくパルスを検出するためである。
【００３２】
中性子は、プラスチックシンチレータ内で二度相互作用する。高速の中性子は、プラスチックシンチレータ内の水素原子核と衝突する。この弾性衝突が起こるたびに反跳陽子が移動する。当該反跳陽子は、プラスチック原子の電子層をイオン化する結果として、エネルギー移動によって光が放射される。反跳陽子によって解放されるエネルギーの平均値は、約０．１〜０．４ＭｅＶである。
【００３３】
そして、中性子はカドミウムと相互作用し、約８ＭｅＶの非常に高いエネルギーとともに即発γ粒子を生成する。即発γ粒子は、プラスチックと相互作用することになる。
【００３４】
中性子と検出システムの第一相互作用と第二相互作用は、時間にして平均２０ナノ秒（４〜４０ナノ秒）ほどの間隔をあける。さらに、両相互作用のエネルギーレベルは、大きく異なる。中性子はそのエネルギーに比例する速度で移動する（２ＭｅＶのエネルギーの場合で１ナノ秒あたり３０ｃｍ）。
【００３５】
よって、中性子については、反跳陽子に由来する低振幅の第一ピーク、および後続する即発γ粒子に由来する高振幅の第二ピークが隣接シンチレータにおいて観測される。
【００３６】
６０ＫｅＶから２ＭｅＶのエネルギーを持つγ粒子は、非常に高い効率で隣接プラスチックシンチレータと相互作用する。γ粒子は、１ナノ秒あたり３０ｃｍの速度で移動し、異なるシンチレータにおいてほぼ同時に検出される。高振幅の第一ピークと、ほぼ同時に後続する低振幅の第二コンプトンピークが隣接シンチレータにおいて検出される。μ中間子は、同振幅の二つのピークが隣接シンチレータにおいてほぼ同時に検出される。
【００３７】
検出システムの計算機は、上記の性質を用い、後述する手法によって中性子、γ粒子、およびμ中間子を区別する。
【００３８】
計算機は、ある期間において、一対の隣接プラスチックシンチレータに対応付けられた複数の光電子増倍管から供給された複数の電気信号間のパルスコインシデンスをまず検出するように構成されている。当該期間は、±５０ナノ秒未満であることが好ましく、例えば±４０ナノ秒である。この短い期間が、二つのコインシデンスパルスが検出された後で計算機が後続のコインシデンス検出に利用されることを可能にしている。遅延された中性子により動作する比較例としてのシステムは、本発明に係るシステムの４０ナノ秒に対し、数十億ナノ秒オーダーでエレクトロニクスを動作させる必要がある。
【００３９】
また、計算機は、ゼロ基準として用いられる最大振幅を有するパルスに対するコインシデンスパルスの時間のずれを、パルスコインシデンスごとに判断するように構成されている。
【００４０】
図３においては、パルスコインシデンスの数Ｎが、計算機によって判断されたその時間ずれΔｔの関数として示されている。よって、ほぼ同時に相互作用するパルスが、数十ナノ秒の遅れを伴って相互作用するパルスと区別される。
【００４１】
すなわち、γ粒子コインシデンスは、時間基準ゼロの周囲に集まる。γ粒子は、二つの隣接するプラスチックシンチレータと相互作用する最速の粒子である。γ粒子コインシデンスは、時間スペクトルにおける中央のピークを形成する（−３ナノ秒から＋３ナノ秒の範囲）。
【００４２】
エネルギーが非常に高い（２０ＧｅＶ）μ中間子によって生成されるパルスの時間ずれの測定は、電子の飽和によってやや多めに見積もられる。したがって、時間スペクトルにおけるμ中間子は、γ粒子のピークの裾の両側に分布し、第一の隆起を形成する（−１０から−３ナノ秒の範囲と＋３から＋１０ナノ秒の範囲）。γ粒子の５倍から１０倍遅い中性子は常に遅れを伴い、時間スペクトルにおいてγ粒子のピークの裾の両側に第二の隆起を形成する（−４０から−１０ナノ秒の範囲と＋１０から＋４０ナノ秒の範囲）。
【００４３】
また、計算機は、時間ずれの大きさが所定の範囲に含まれるパルスコインシデンスの数を判断するように構成されている。よって、特定種の核放射を伴うパルスコインシデンスが選択されうる。上記の所定の範囲が絶対値で３ナノ秒未満である場合、γ粒子の計数が可能とされる。上記の所定の範囲が絶対値で３ナノ秒から１０ナノ秒である場合、μ中間子の計数が可能とされる。上記の所定の範囲が絶対値で１０ナノ秒から４０ナノ秒である場合、中性子の計数が可能とされる。
【００４４】
アディティブなγ粒子源（毎秒１００万個）と三つのシンチレータの場合、シンチレータ毎に毎秒３０万個のγ粒子が存在する。すなわち、４０ナノ秒の期間内には１２００個のγ粒子が存在する。μ中間子は、天頂に対するシンチレータの位置に応じて毎秒４〜１２個の背景ノイズとして加わりうる。本発明に係る検出システムは、中性子の検出時にこの背景ノイズを除去可能にしている。μ中間子の分離によって、背景ノイズはほぼゼロに近づく。これにより、非常に少量の中性子（毎秒１０個未満）の検出が可能とされる。同様に、強力なアディティブなγ粒子源の存在下における中性子の検出が可能とされる。
【００４５】
一実施形態においては、計算機は、プラスチックシンチレータによって生成されたパルスの数を、その振幅の関数として判断するように構成されうる。その場合、パルスは、低い閾値Ｓ１と高い閾値Ｓ２によって、これらの値の間に含まれるパルスのみが計数されるように区別される。よって、即発γ粒子に由来するパルスよりも必ず非常に小さな振幅を有する（約１０分の１以下）コンプトンγ放射に由来するパルスが除去されうる。
【００４６】
図４においては、そのような振幅の関数としてのパルスの弁別が示されている。エネルギースペクトルは、生成されたパルス数Ｉがその振幅Ａの関数として示されている。この弁別によってエネルギー分解能が改善し（低エネルギースペクトルは非常に高い値ではなく、ゼロに近い値の計数結果を示す）、アメリシウムのような低エネルギー（２４１〜５９００ｅＶ）のγ粒子放射性同位体の同定を可能にする。
【００４７】
本発明は、上述の検出システムに限定されるものではなく、特に下記のステップを遂行する計算機によって実現される方法にも及ぶ。
・一対の隣接プラスチックシンチレータに対応付けられた複数の光電子増倍管によって提供された複数の電気信号間の所定期間内におけるパルスコインシデンスを検出するステップ。
・各パルスコインシデンスについて、ゼロ基準として用いられる最大振幅を有するパルスに対するコインシデンスパルスの時間のずれを判断するステップ。
・時間ずれの大きさが所定の範囲に含まれるパルスコインシデンスの数を判断するステップ。
【００４８】
また、本発明は、プログラムがコンピュータ上で実行されることによって上記のステップを遂行するコード命令群を含むコンピュータプログラム製品にも及ぶ。
【図１ａ】
0006505109.tif 000002
【図１ｂ】
0006505109.tif 000003
【図２】
0006505109.tif 000004
【図３】
0006505109.tif 000005
【図４】
0006505109.tif 000006