(57)【要約】【課題】中性子の線量や線量率の測定に加えて、そのエネルギーを推定することもできる小型・軽量の中性子検出器を提供する。【解決手段】有感部の上方にポリエチレンラジエータ４１を配されたシリコン検出素子４２で中性子を検出する中高速中性子検出ユニット４と、有感部上にボロン膜５１を成膜されたシリコン検出素子４２で中性子を検出する熱中性子検出ユニット５と、シリコン検出素子４２自体で中性子を検出する高速中性子検出ユニット６と、各ユニットからの信号を処理し、線量値やエネルギー値を出力する信号処理回路及び付属回路３ａ等と、を備える。高速中性子検出ユニット６の装備で、中性子のエネルギーが前２つのユニットの計数値の比から推定可能となる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なるエネルギー特性をもつ複数の中性子検出素子と、これらの中性子検出素子からの信号を処理して所定の出力を出力する信号処理部と、を備え、中性子検出素子毎の計数値の比に基づいて検出した中性子のエネルギーを推定する中性子検出器であって、
中性子検出素子として、
放射線有感部の上方にポリエチレンラジエータを配置されたシリコン放射線検出素子で中性子を検出する中高速中性子検出ユニットと、
放射線有感部の表面にボロン膜を生膜されたシリコン放射線検出素子で中性子を検出する熱中性子検出ユニットと、
シリコン放射線検出素子そのもので中性子を検出する高速中性子検出ユニットと、を備え、
高速中性子検出ユニットの計数値に対する熱中性子検出ユニットの計数値の比によって、検出した中性子のエネルギー領域が高エネルギー側領域または低エネルギー側領域のいずれであるかを判定し、
その判定に基づいて、それぞれの領域毎に予め求められた、中高速中性子検出ユニットの計数値に対する熱中性子検出ユニットの計数値の比と中性子エネルギーとの関係から、検出された中性子のエネルギーを推定する、
ことを特徴とする中性子検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、原子力発電所等における放射線の線量や線量率等を計測するための放射線計測技術の内の、中性子の計測技術に関し、検出された中性子のエネルギーも推定することができる中性子検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
中性子は、電荷をもたない放射線であって、物質との相互作用が弱く、直接検出することが難しい放射線である。そのため、中性子検出器には、中性子との相互作用の断面積（核反応断面積）が大きい物質との相互作用で発生する陽子やα線を介して中性子を検出する方式が採用されている。
この方式の中性子検出器の一つに、熱中性子との核反応断面積が大きい３Ｈｅを用いた球形の３Ｈｅ中性子計数管と、入射した中高速中性子を減速するためのポリエチレン等からなる球形のモデレータと、を組み合わせた方式のものがある。
【０００３】
３Ｈｅと熱中性子の核反応断面積は非常に大きく（５３２７バーン）、核反応の結果として陽子が放出される。３Ｈｅ中性子計数管は、この陽子による電離電流を検出することによって中性子、主に熱中性子、を検出する。ポリエチレン等からなるモデレータは、３Ｈｅ中性子計数管の球状部と同じ中心をもつ球状で、エネルギーの大きい中高速中性子を減速して、３Ｈｅ中性子計数管で検出され易い熱中性子を含む低速中性子にする。その大きさは、高速中性子用の場合には、Φ３５０ｍｍ程度である。
参考までに、３Ｈｅと中性子の核反応断面積を、中性子のエネルギーが１ＭｅＶの場合を基準として示すと、下記のとおりである。
【０００４】
熱中性子    ：    ８，７００
１０  ｋｅＶ    ：      １３
０．１  ＭｅＶ    ：        ３．１
１  ＭｅＶ    ：        １
５  ＭｅＶ    ：        ０．５６
図４は、この方式によって中性子を検出し且つそのエネルギーを推定する中性子検出器の一例の構成を示す概念図である。
この中性子検出器は、“ボナーボールカウンタ”と呼ばれるものであり、３Ｈｅ中性子計数管１単独と、小モデレータ２１に外側を囲まれた３Ｈｅ中性子計数管１と、大モデレータ２２に外側を囲まれた３Ｈｅ中性子計数管１と、これらからの信号を処理して、中性子の線量率やエネルギー等を出力する信号処理回路及び付属回路３と、で構成されている。
【０００５】
３Ｈｅ中性子計数管１単独では、上述したように、３Ｈｅとの核反応断面積が熱中性子の場合に最大であるので、熱中性子の検出感度が高く、主に熱中性子を検出する。小モデレータ２１は、例えばΦ１５０ｍｍのポリエチレンからなり、中速以下のエネルギーをもつ中性子を、熱中性子を含む低速中性子まで減速する。したがって、小モデレータ２１に囲まれた３Ｈｅ中性子計数管１では、熱中性子から中速中性子までを検出することができる。大モデレータ２２は、例えばΦ３５０ｍｍのポリエチレンからなり、高速のエネルギーをもつ中性子でも熱中性子を含む低速中性子まで減速する。したがって、大モデレータ２２に囲まれた３Ｈｅ中性子計数管１では、熱中性子から高速中性子までを検出することができる。
【０００６】
これら３つの中性子検出部は、前から順に、熱中性子、熱〜中速中性子及び熱〜高速中性子に対する感度が高いので、このようなエネルギー特性の違いを利用することによって、広いエネルギー範囲にわたる中性子の線量や線量率を測定することができるだけではなく、検出した中性子のエネルギーを推定することもでき、エネルギースペクトラムを求めることもできる。なお、測定範囲を広げ測定精度を高めるために、モデレータと３Ｈｅ中性子計数管との組み合わせを更に多くすることもある。
中性子の線量及び線量率の測定に加えて、そのエネルギー値の把握が必要な理由は、線量及び線量率の変化だけでは把握できない状況を、エネルギーの変化で把握できるからである。例えば、原子力発電所の場合では、検出された中性子のエネルギー値が分かることによって、中性子の遮蔽壁の劣化や損傷等を検知することができる。
【０００７】
以上に説明してきた中性子検出器は熱中性子の検出素子である  ３Ｈｅ中性子計数管１をベースとするものであるが、シリコンを素材とするシリコン放射線検出素子（以下ではシリコン検出素子と略称する）を用いた中性子検出器もある。熱中性子の検出には、放射線有感部の表面にボロン膜を成膜されたシリコン検出素子があり、中高速中性子の検出には、放射線有感部の上方にポリエチレンラジエータを配置されたシリコン検出素子がある。前者は、中性子と１０Ｂとの核反応によって放出されるα線で中性子を検出するものであり、この核反応も３Ｈｅの場合と同様に、熱中性子に対して極めて大きな核反応断面積（３８３７バーン）をもつので、主に熱中性子を検出する。後者は、ポリエチレンラジエータに入射した中性子によって弾き出された反跳陽子で中性子を検出するものであり、反跳陽子のもつエネルギーは入射した中性子のエネルギーを最大値としてそれ以下に分布するので、シリコン検出器が検出できる反跳陽子のエネルギーによって検出可能な中性子のエネルギーの下限が決まる。この値は、例えば５００ｋｅＶであるので、この方式の中性子検出素子は中高速中性子の検出用となる。ポリエチレンラジエータが使用されるのは、ポリエチレンが水素の含有率の最も大きい一般的な材料であるからである。
【０００８】
参考までに、１０Ｂと中性子の核反応断面積を、中性子のエネルギーが１ＭｅＶの場合を基準として示すと、下記のとおりである。１０Ｂは天然ボロン中に約２０％含まれている。
熱中性子    ：    １９，２００
１０  ｋｅＶ    ：        ２７．５
０．１  ＭｅＶ    ：        １１
１  ＭｅＶ    ：        １
５  ＭｅＶ    ：        ０．３０
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ボナーボールカウンタを用いると、専門的な知識や解析等が必要ではあるが、中性子のエネルギースペクトラムを求めることができる。しかし、平均的なエネルギーを求めようとすると、例えば、熱中性子用と中速以下用との計数値の比から中速以下の領域のエネルギーを、中速以下用と高速以下用との計数値の比から中速以上の領域のエネルギーを推定することができる。
しかし、ボナーボールカウンタは上述したように、高速中性子用には例えばΦ３５０ｍｍの大モデレータ２２を必要とするので、大型になって重くなる。そのため、より小型で軽量な中性子検出器で、中性子の平均的なエネルギーを推定することができるものが求められている。
【００１０】
この発明の課題は、このような状況に対応して、中性子の線量や線量率の測定に加えて、その平均的なエネルギーを推定できる小型・軽量の中性子検出器を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明の発明者は、シリコンを素材とするシリコン検出素子が１０ＭｅＶを越えるエネルギー領域の中性子に対して比較的大きな感度を有することを実験的に把握し、シリコン検出素子そのものを高エネルギー中性子の検出素子として利用すれば、従来技術の項で説明した熱中性子検出素子及び中高速中性子検出素子と組み合わせることによって、検出した中性子の平均的なエネルギーを推定することが可能となることに考え至ったのである。すなわち、従来から存在する、熱中性子検出素子としてのボロン膜付きシリコン検出素子と、中高速中性子検出素子としてのポリエチレンラジエータを備えたシリコン検出素子とによれば、両者の感度の比は５ＭｅＶ近傍に極小値があって、それ以上かそれ以下かの分離ができなく、平均的なエネルギーを推定することができなかった。しかし、シリコン検出素子が１０ＭｅＶを越えるエネルギー領域の中性子に対して比較的大きな感度を有することが分かったので、これを組み合わせることによって、中性子のエネルギーが５ＭｅＶ以上か５ＭｅＶ以下かを分離することが可能となるのである。
【００１２】
なお、シリコン検出素子が１０ＭｅＶを越えるエネルギー領域の中性子に対して比較的大きな感度を有することは、シリコンがこのような高エネルギーの中性子と核反応して陽子を放出する確率が比較的に大きいことに依存している。この核反応断面積は、２８Ｓｉでは１４．６ＭｅＶの中性子に対して０．２６２バーンであり、２９Ｓｉでは１４．５ＭｅＶの中性子に対して０．１１２バーンであり、３０Ｓｉでは１４ＭｅＶの中性子に対して０．１８バーンであり、天然シリコン中には、２８Ｓｉが９２．２％、２９Ｓｉが４．７％、３０Ｓｉが３．１％含まれている。しかも、この核反応は検出素子そのものの内部で発生するのであるから、その反応で放出される陽子は最も効率よく検出される。
【００１３】
この発明は、異なるエネルギー特性をもつ複数の中性子検出素子と、これらの中性子検出素子からの信号を処理して所定の出力を出力する信号処理部と、を備え、中性子検出素子毎の計数値の比に基づいて検出した中性子のエネルギーを推定する中性子検出器であって、中性子検出素子として、放射線有感部の上方にポリエチレンラジエータを配置されたシリコン検出素子で中性子を検出する中高速中性子検出ユニット（以下ではユニットＩと呼称する）と、放射線有感部の表面にボロン膜を生膜されたシリコン検出素子で中性子を検出する熱中性子検出ユニット（以下ではユニットＩＩと呼称する）と、シリコン検出素子そのもので中性子を検出する高速中性子検出ユニット（以下ではユニットＩＩＩと呼称する）と、を備え、ユニットＩＩＩの計数値に対するユニットＩＩの計数値の比（以下では計数値比ＩＩ／ＩＩＩと呼称する）によって、検出した中性子のエネルギー領域が高エネルギー側領域または低エネルギー側領域のいずれであるかを判定し、その判定に基づいて、それぞれの領域毎に予め求められた、ユニットＩの計数値に対するユニットＩＩの計数値の比（以下では計数値比ＩＩ／Ｉと呼称する）と中性子エネルギーとの関係から、検出された中性子のエネルギーを推定する。
【００１４】
従来から使用されているユニットＩ及びユニットＩＩに、シリコン検出素子そのもので中性子を検出するユニットＩＩＩを加え、計数値比ＩＩ／ＩＩＩを算出することによって、計数値比ＩＩ／Ｉに対応するエネルギーが、計数値比ＩＩ／Ｉの最小値に相当するエネルギーより低いエネルギー領域のエネルギーか、高いエネルギー領域のエネルギーか、を分離することができ、計数値比ＩＩ／Ｉからエネルギー値を推定することが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
この発明による中性子検出器の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
図１は、この発明による中性子検出器の実施例の構成を示す概念図であり、図２は、実施例のエネルギー特性を示し、（ａ）は各検出ユニットの感度のエネルギー依存性を示す線図、（ｂ）は感度比のエネルギー依存性を示す線図であり、図３は、感度比から検出した中性子のエネルギーを推定する線図である。
この中性子検出器は、エネルギー特性の異なる３つの中性子検出ユニット、すなわちユニットＩ（中高速中性子検出ユニット）４、ユニットＩＩ（熱中性子検出ユニット）５及びユニットＩＩＩ（高速中性子検出ユニット）６と、これらからの信号を処理して所定の出力を出力する信号処理回路及び付属回路３ａと、出力を表示する表示回路７と、で構成されている。
【００１６】
ユニットＩ４は、シリコン検出素子４２とこれの有感部の上方に配されたポリエチレンラジエータ４１とで構成され、中高速中性子によってポリエチレンラジエータ４１から放出された反跳陽子をシリコン検出素子４２で検出することによって、中高速中性子を検出する。ユニットＩＩ５は、シリコン検出素子４２とこれの有感部上に成膜されたボロン膜５１とで構成され、熱中性子と１０Ｂとの核反応によって放出されるα線をシリコン検出素子４２が検出することによって、主に熱中性子を検出する。以上の２つの中性子検出ユニットは「従来の技術」の項でも説明した通りである。ユニットＩＩＩ６は、「課題を解決するための手段」の項で説明したように、この発明の発明者が、シリコン検出素子４２そのものが１５ＭｅＶ前後の高速中性子に比較的大きな感度を有することを把握したことに基づくもので、ユニットＩ及びユニットＩＩと同じパッケージ内にシリコン検出素子４２を収納したものであり、高速中性子を検出する。
【００１７】
これらのユニットＩ４、ユニットＩＩ５及びユニットＩＩＩ６のエネルギー特性は、図２（ａ）に示す通りである。図において、縦軸は感度（ｃｐｓ／ｍＳｖ／ｈ）であり、横軸は中性子のエネルギー（ＭｅＶ）である。
ユニットＩのエネルギー特性は、図２（ａ）にベタ黒の四角で示した曲線“Ｉ”であり、その感度は、１５ＭｅＶで最大であって、１５ＭｅＶから５ＭｅＶまでは緩やかに減少し、５ＭｅＶ以下で急激に減少している。ユニットＩＩのエネルギー特性は、図２（ａ）にベタ黒の丸で示した曲線“ＩＩ”であり、その感度は、１５ＭｅＶで最大であって、１５ＭｅＶから５ＭｅＶまでは比較的急に減少し、５ＭｅＶ以下では徐々に増加傾向を強くしている。図に示した範囲では、１５ＭｅＶに最大値があるが、熱中性子に対する感度が最大（約１０ｃｐｓ／ｍＳｖ／ｈ）であり、図示以下の低エネルギー領域でその感度値まで増大する。ユニットＩＩＩのエネルギー特性は、図２（ａ）にベタ黒の菱形で示した曲線“ＩＩＩ”であり、その感度は、１５ＭｅＶで最大であって、１５ＭｅＶから２ＭｅＶまで急激に減少し、１ＭｅＶに極小値があって、それ以下では増加傾向を示している。
【００１８】
これら３つの曲線が、全て１５ＭｅＶで最大値をもっているのは、「課題を解決するための手段」の項で説明した、シリコンと高速中性子との核反応による放出陽子によるものと考えられる。そのため、ユニットＩでは、これがポリエチレンラジエータ４１からの反跳陽子に重畳されて、中高速領域に高い感度をもつエネルギー特性となり、ユニットＩＩでは、核反応による放出陽子が、熱中性子を主とする低速中性子によってボロン膜から放出されるα線に重畳されるので、２〜５ＭｅＶに極小値をもつエネルギー特性となり、ユニットＩＩＩでは、シリコン検出素子４２だけのエネルギー特性となるため、上記のような１５ＭｅＶから２ＭｅＶまで急激に減少するエネルギー特性となっている。
【００１９】
図２（ｂ）は、図２（ａ）に基づいて算出された、感度比のエネルギー依存性を示しており、ここでは、縦軸が感度比であり、横軸が中性子のエネルギー（ＭｅＶ）である。ユニットＩの感度に対するユニットＩＩの感度の比を曲線“［ＩＩ／Ｉ］”で示し、ユニットＩＩＩの感度に対するユニットＩＩの感度の比を曲線“［ＩＩ／ＩＩＩ］”で示している。ここでは、縦軸を感度比と表示しているが、感度比を計数値比と置き換えても全く同じである。
曲線“［ＩＩ／Ｉ］”は、「課題を解決するための手段」の項でも説明したように、５ＭｅＶに極小値をもっていて、５ＭｅＶより大きくなっても小さくなっても増加していく。一方、曲線“［ＩＩ／ＩＩＩ］”は、１ＭｅＶ以上では、エネルギーの増加に対して単調な減少傾向を示し、５ＭｅＶでは３．７となり、５ＭｅＶを越えれば３．７より小さく、５ＭｅＶまでは３．７より大きい。したがって、感度比［ＩＩ／ＩＩＩ］が、３．７より大きいか小さいか、を判定すれば、中性子のエネルギーが５ＭｅＶ未満であるか５ＭｅＶを越えているか、を知ることができる。
【００２０】
図３は、この判定に基づいて、感度比［ＩＩ／Ｉ］から中性子のエネルギーを推定する線図であって、（ａ）は、感度比［ＩＩ／ＩＩＩ］≧３．７  の場合に使用する線図であって、５ＭｅＶ以下の中性子のエネルギーの場合に対応し、（ｂ）は、感度比［ＩＩ／ＩＩＩ］≦３．７  の場合に使用する線図であって、５ＭｅＶ以上の中性子のエネルギーの場合に対応する。
このようにして、この実施例においては、３つのユニットからの計数値から中性子の線量や線量率が測定できるだけではなく、図３を用いて、そのエネルギーを推定することもできる。
【００２１】
なお、ユニットＩからユニットＩＩＩに使用されるシリコン検出素子４２は、全て同じタイプのシリコン検出素子で、例えば１０ｍｍ角のシリコンチップであって、極めて小型・軽量である。
【００２２】
【発明の効果】
この発明においては、従来から使用されているユニットＩ及びユニットＩＩに、シリコン検出素子そのもので中性子を検出するユニットＩＩＩを加え、計数値比ＩＩ／ＩＩＩ、すなわち感度比［ＩＩ／ＩＩＩ］、を算出することによって、計数値比ＩＩ／Ｉ、すなわち感度比［ＩＩ／Ｉ］、に対応するエネルギーが、計数値比ＩＩ／Ｉの最小値に相当するエネルギーより低いエネルギー領域のエネルギーか、高いエネルギー領域のエネルギーか、を分離することができ、計数値比ＩＩ／Ｉからエネルギー値を推定することが可能となる。なお、この発明に使用される３つの中性子検出ユニットには同じタイプのシリコン検出素子が使用され、例えば１０ｍｍ角と極めて小型・軽量である。
【００２３】
したがって、この発明によれば、中性子の線量や線量率の測定に加えて、そのエネルギーを推定することもできる小型・軽量の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】
【図１】この発明による中性子検出器の実施例の構成を示す概念図
【図２】実施例のエネルギー特性を示し、（ａ）は各検出ユニットの感度のエネルギー依存性を示す線図、（ｂ）は感度比のエネルギー依存性を示す線図
【図３】感度比から検出した中性子のエネルギーを推定する線図
【図４】従来技術による中性子検出器の一例の構成を示す概念図
【符号の説明】
１  ３Ｈｅ中性子計数管
２１  小モデレータ
２２  大モデレータ
３，  ３ａ  信号処理回路及び付属回路
４  中高速中性子検出ユニット（ユニットＩ）
４１  ポリエチレンラジエータ
４２  シリコン検出素子
５  熱中性子検出ユニット（ユニットＩＩ）
５１  ボロン膜
６  高速中性子検出ユニット（ユニットＩＩＩ）
７  表示回路
【図１】
2004233283.tif 000003
【図２】
2004233283.tif 000004
【図３】
2004233283.tif 000005
【図４】
2004233283.tif 000006