(57)【要約】選択的に放射線を検出する装置は、中性子放射物、例えばプルトニウム等の検出を容易にする中性子検出器と、ガンマ線源、例えばウラニウム等の検出を容易にするガンマ線検出器と、および／または放射線源を遮蔽することのできる材料、例えば鉛等の検出を容易にする蛍光Ｘ線分析器とを含む。
2006526791.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中性子シンチレータと、
光検出器と、
前記中性子シンチレータを前記光検出器に結合する固体または液体の光ガイドとを含む、選択的に放射線を検出する検出装置。
【請求項２】
請求項１において、前記検出装置が手持ちに適合するようにされた検出装置。
【請求項３】
請求項１において、前記中性子シンチレータが、ガンマ線より少なくとも１０，０００：１の比率で選択的に熱中性子に応答する検出装置。
【請求項４】
請求項１において、前記検出装置が、ガンマ線より少なくとも１，０００，０００：１の比率で選択的に熱中性子に応答する検出装置。
【請求項５】
請求項１において、複数の光ガイドを含む検出装置。
【請求項６】
請求項１において、複数の中性子シンチレータを含む検出装置。
【請求項７】
請求項１において、前記中性子シンチレータが高速中性子に応答する検出装置。
【請求項８】
請求項１において、前記中性子シンチレータが熱中性子に応答する検出装置。
【請求項９】
請求項８において、前記中性子シンチレータは、捕獲同位元素が熱中性子に接触する際にシンチレーションを起す、シンチレーション成分に結合させた熱中性子捕獲同位元素を含む検出装置。
【請求項１０】
請求項９において、前記捕獲同位元素が６Ｌｉ、１０Ｂ、１１３Ｃｄ、１５７Ｇｄから選択される検出装置。
【請求項１１】
請求項９において、前記シンチレーション成分がＺｎＳである検出装置。
【請求項１２】
請求項９において、前記中性子シンチレータが６ＬｉＦとＺｎＳを含む検出装置。
【請求項１３】
請求項７において、前記光ガイドが１．４〜２．４の屈折率を有する検出装置。
【請求項１４】
請求項１３において、前記光ガイドが高速中性子を熱化する水素含有材料を含む検出装置。
【請求項１５】
請求項１３において、前記光ガイドが、水、有機溶媒、鉱物油、有機ポリマーから選択される少なくとも１種の材料を含む検出装置。
【請求項１６】
請求項１３において、前記光ガイドがポリメチルメタクリラートである検出装置。
【請求項１７】
請求項１４において、前記光ガイド中に含まれる水素原子核は水素の２Ｈ同位元素が豊富である検出装置。
【請求項１８】
請求項１において、前記検出装置が高速中性子を熱化する材料によって少なくとも部分的に被覆されている検出装置。
【請求項１９】
請求項１８において、前記検出装置が、水、有機溶媒、鉱物油、有機ポリマーから選択される１種の材料によって少なくとも部分的に被覆される検出装置。
【請求項２０】
請求項１９において、前記光ガイド中に含まれる水素原子核は水素の２Ｈ同位元素が豊富である検出装置。
【請求項２１】
請求項１において、前記検出装置が、高密度ポリエチレンによって少なくとも部分的に被覆されている検出装置。
【請求項２２】
請求項８において、前記光検出器に結合された制御装置をさらに含む検出装置。
【請求項２３】
請求項２２において、前記制御装置に結合されて放射線検出結果を表示するディスプレイをさらに含む検出装置。
【請求項２４】
請求項２２において、前記光ガイドが、高速中性子シンチレータと、熱中性子に対応するシンチレーション光と高速シンチレーションに対応するシンチレーション光を識別するためのシンチレーション光の時間特性を検出する前記制御装置とを含む検出装置。
【請求項２５】
請求項２２において、複数の中性子シンチレータと複数の光ガイドを含み、前記中性子シンチレータの主要面が実質上前記光検出器の光学軸に調整されている検出装置。
【請求項２６】
請求項２５において、前記光ガイドがポリメチルメタクリラートの平坦なシートである検出装置。
【請求項２７】
請求項２５において、前記制御装置が、前記光検出器で少なくとも２個の光ガイドの各々からシンチレーション信号を独立に検出し、各々のシンチレーション信号の相対強度と前記検出装置への中性子源の入射方向とを関係付けている検出装置。
【請求項２８】
請求項８において、前記光検出器に結合させたガンマ線シンチレータをさらに含む検出装置。
【請求項２９】
請求項２８において、前記ガンマ線シンチレータが１．４〜２．４の屈折率を有する検出装置。
【請求項３０】
請求項２８において、前記ガンマ線シンチレータが、３００ｎｍ〜６００ｎｍの光について１メートル当たり少なくとも９５％の透過率を有する検出装置。
【請求項３１】
請求項２８において、前記ガンマ線シンチレータが、ＮａＩ（Ｔｌ）、ＣｓＩ（Ｔｌ）、ＢＧＯ、ＢａＦ２、ＬＳＯ、ＣｄＷＯ４から選択される材料を含む検出装置。
【請求項３２】
請求項２８において、前記ガンマ線シンチレータがＢａＦ２である検出装置。
【請求項３３】
請求項２８において、前記光検出器に結合されて中性子とガンマ線を選択的に検出する制御装置をさらに含む検出装置
【請求項３４】
請求項３３において、前記制御装置が、それらのシンチレーション信号の時間特性によって中性子とガンマ線を選択的に検出する検出装置。
【請求項３５】
請求項２８において、蛍光Ｘ線分析器をさらに含む検出装置。
【請求項３６】
請求項３５において、前記蛍光Ｘ線分析器が、アンビリカルコードまたは無線通信によって独立に操作するようにされた検出装置。
【請求項３７】
請求項３５において、さらに、
前記光検出器に結合されて中性子とガンマ線を選択的に検出し、前記蛍光Ｘ線分析器に結合されて蛍光Ｘ線を検出する制御装置を含む検出装置。
【請求項３８】
請求項３７において、前記制御装置が蛍光Ｘ線分析器に結合されて対象物をＸ線で照射し、対象物からの蛍光Ｘ線を選択的に検出する検出装置。
【請求項３９】
請求項１において、前記蛍光Ｘ線分析器をさらに含む検出装置。
【請求項４０】
請求項３９において、前記蛍光Ｘ線分析器が、アンビリカルコードまたは無線通信によって独立に操作するようにされた検出装置。
【請求項４１】
請求項３９において、前記光検出器に結合されて中性子を選択的に検出する制御装置をさらに含む検出装置。
【請求項４２】
請求項４１において、前記制御装置が蛍光Ｘ線分析器に結合されて対象物をＸ線で照射し、対象物からの蛍光Ｘ線を選択的に検出する検出装置。
【請求項４３】
請求項８において、固体ガンマ線検出器をさらに含む検出装置。
【請求項４４】
蛍光Ｘ線分析器と、
少なくとも１個の光検出器に結合されたガンマ線シンチレータとを含む、選択的に放射線を検出する検出装置。
【請求項４５】
請求項４４において、前記蛍光Ｘ線分析器が、アンビリカルコードまたは無線通信によって独立に操作するようにされた検出装置。
【請求項４６】
請求項４４において、前記ガンマ線シンチレータがＢａＦ２である検出装置。
【請求項４７】
請求項４６において、さらに、
前記光検出器に結合されてガンマ線を選択的に検出し、前記蛍光Ｘ線分析器に結合されて対象物をＸ線で照射し、前記対象物からの蛍光Ｘ線を選択的に検出する制御装置を含む検出装置。
【請求項４８】
請求項４６において、前記検出装置が手持ちに適合するようにされた検出装置。
【請求項４９】
蛍光Ｘ線分析器と、
光検出器に結合された中性子シンチレータとを含む、選択的に放射線を検出する検出装置。
【請求項５０】
請求項４９において、前記蛍光Ｘ線分析器が、アンビリカルコードまたは無線通信によって独立に操作するようにされた検出装置。
【請求項５１】
請求項４９において、さらに、
前記光検出器に結合されて、シンチレーション光によって高速および熱中性子を時間の関数として選択的に検出し、前記蛍光Ｘ線分析器に結合されて、対象物をＸ線で照射し、前記対象物からの蛍光Ｘ線を選択的に検出し、ディスプレイに結合されて放射線検出の結果を表示する制御装置を含む検出装置。
【請求項５２】
請求項５０において、前記検出装置が手持ちに適合するようにされた検出装置。
【請求項５３】
光検出器に結合されたガンマ線検出器と中性子シンチレータを含む、放射線を選択的に検出する検出装置。
【請求項５４】
請求項５３において、前記ガンマ線検出器が前記光検出器に結合されたガンマシンチレーション検出器である検出装置。
【請求項５５】
請求項５４において、前記光検出器に結合されて中性子とガンマ線をそれらの時間特性によって選択的に検出する制御装置をさらに含む検出装置。
【請求項５６】
請求項５４において、前記制御装置が、高速中性子と、熱中性子と、ガンマ線をそれらの時間特性によって検出する検出装置。
【請求項５７】
請求項５６において、さらに、
前記蛍光Ｘ線分析器に結合されて、対象物をＸ線で照射し、対象物からの蛍光Ｘ線を選択的に検出し、ディスプレイに結合されて放射線検出の結果を表示する制御装置を含む検出装置。
【請求項５８】
請求項５７において、前記検出装置が手持ちに適合するようにされた検出装置。
【請求項５９】
請求項１において、さらに、
前記光検出器に結合されたガンマ線シンチレータと、
蛍光Ｘ線分析器とを含む検出装置。
【請求項６０】
請求項５９において、前記光検出器に結合された前記ガンマ線シンチレータおよび中性子シンチレータが、アンビリカルコードまたは無線通信によって蛍光Ｘ線分析器から独立に操作するようにされた検出装置。
【請求項６１】
請求項５９において、さらに、
前記光検出器に結合されて高速中性子、遅い中性子、およびガンマ線をそれらのシンチレーション信号の時間特性によって選択的に検出し、前記蛍光Ｘ線分析器に結合されて対象物をＸ線で照射し、前記対象物からの蛍光Ｘ線を選択的に検出し、ディスプレイに結合されて放射線検出の結果を表示する制御装置を含む検出装置。
【請求項６２】
請求項６１において、前記検出装置が手持ちに適合するようにされた検出装置。
【請求項６３】
ガンマ線より少なくとも１，０００，０００：１の比率で選択的に熱中性子に応答する中性子シンチレータと、
光検出器と、
前記中性子シンチレータを前記光検出器に結合する光ガイドとを含む、放射線を選択的に検出する検出装置。
【請求項６４】
ガンマ線より少なくとも１，０００，０００：１の比率で選択的に熱中性子に応答する中性子シンチレータ材料と、
ガンマ線シンチレータと、
前記中性子シンチレータと前記ガンマ線シンチレータに結合された光検出器と、
前記中性子シンチレータ材料を挟んで中性子シンチレーション光を光検出器に導入する、平坦なシートの形の複数の光ガイドと、
蛍光Ｘ線分析器と、
前記光検出器と前記蛍光Ｘ線分析器に結合された制御装置とを含む、放射線を選択的に検出する手持ち検出装置。
【請求項６５】
中性子シンチレータを中性子放射線源に接触させるステップと、
前記中性子シンチレータからのシンチレーション光を光ガイドを通して光検出器に導くステップと、
ガンマ線に比べて少なくとも１０，０００：１の比率で中性子を選択的に検出するステップとを含む、放射線を選択的に検出する方法。
【請求項６６】
請求項６５において、前記中性子が手持ち検出装置によって検出される方法。
【請求項６７】
請求項６５において、ガンマ線に比べて少なくとも約１，０００，０００：１の比率で中性子を選択的に検出することをさらに含む方法。
【請求項６８】
請求項６５において、前記シンチレーション光を複数の光ガイドで前記光検出器へ導くことを含む方法。
【請求項６９】
請求項６５において、複数の中性子シンチレータを中性子放射線源に接触させることを含む方法。
【請求項７０】
請求項６５において、高速中性子を検出することをさらに含む方法。
【請求項７１】
請求項６５において、熱中性子を検出することをさらに含む方法。
【請求項７２】
請求項６５において、さらに前記光ガイドが、水、有機溶媒、鉱物油、有機ポリマーから選択される少なくとも１種の材料を含み、高速中性子を前記光ガイドで熱化することを含む方法。
【請求項７３】
請求項７１において、前記光ガイドがポリメチルメタクリラートである方法。
【請求項７４】
請求項７２において、前記光ガイド中に含まれる水素原子核は水素の２Ｈ同位元素が豊富である方法。
【請求項７５】
請求項６５において、前記中性子が前記中性子シンチレータまたは光ガイドに接触する前に高速中性子を熱化することをさらに含む方法。
【請求項７６】
請求項６５において、６Ｌｉ、１０Ｂ、１１３Ｃｄ、１５７Ｇｄから選択される捕獲同位元素で熱中性子を捕獲することをさらに含む方法。
【請求項７７】
請求項７６において、前記熱中性子と前記捕獲同位元素との反応生成物をＺｎＳと接触させることによってシンチレーションを起させる方法。
【請求項７８】
請求項６５において、放射線を自動的に選択検出することをさらに含む方法。
【請求項７９】
請求項７８において、放射線検出結果を自動的に表示することをさらに含む方法。
【請求項８０】
請求項７８において、さらにシンチレーション光の時間特性を検出することによって、高速中性子に対応するシンチレーション光を熱中性子に対応するシンチレーション光から自動的に識別することを含む方法。
【請求項８１】
請求項７８において、少なくとも２個の光ガイドから前記光検出器に導かれたシンチレーション光を比較することによって、前記光検出器に関する中性子源の方向を自動的に決定することをさらに含む方法。
【請求項８２】
請求項６５において、ＮａＩ（Ｔｌ）、ＣｓＩ（Ｔｌ）、ＢＧＯ、ＢａＦ２、ＬＳＯ、ＣｄＷＯ４から選択されたガンマ線シンチレータをガンマ線に接触させ、ガンマ線シンチレーション光を前記光検出器に導いて前記ガンマ線シンチレーション光を検出することをさらに含む方法。
【請求項８３】
請求項８２において、中性子およびガンマ線シンチレーション光を光検出器で自動的に選択検出することをさらに含む方法。
【請求項８４】
請求項８３において、ガンマ線および中性子をそれらのシンチレーション信号の時間特性を比較することによって選択的に検出することをさらに含む方法。
【請求項８５】
請求項８４において、対象物をＸ線で自動的に照射し、大きい原子量の元素を含む放射能遮蔽材料の証拠となる前記対象物からの蛍光Ｘ線を選択的に検出することをさらに含む方法。
【請求項８６】
請求項８５において、前記蛍光Ｘ線分析がアンビリカルコードまたは無線通信によって独立に行われることをさらに含む方法。
【請求項８７】
対象物からの蛍光Ｘ線を分析することと、
ガンマ線シンチレータをガンマ線と接触させ、シンチレーション光を検出することによってガンマ線を検出することとを含む、放射線を選択的に検出する方法。
【請求項８８】
請求項８７において、対象物をＸ線で自動的に照射して前記対象物からの蛍光Ｘ線を選択的に検出することをさらに含む方法
【請求項８９】
請求項８７において、放射線検出結果を自動的に表示することをさらに含む方法。
【請求項９０】
請求項８７において、前記蛍光Ｘ線分析がアンビリカルコードまたは無線通信によって独立に行われることをさらに含む方法。
【請求項９１】
対象物からの蛍光Ｘ線を分析することと、
中性子シンチレータを中性子と接触させシンチレーション光を検出することによって中性子を検出することとを含む、放射線を選択的に検出する方法。
【請求項９２】
請求項９１において、対象物をＸ線で自動的に照射して前記対象物からの蛍光Ｘ線を選択的に検出することをさらに含む方法。
【請求項９３】
請求項９１において、放射線検出結果を自動的に表示することをさらに含む方法。
【請求項９４】
請求項９１において、さらに前記中性子シンチレータ中の中性子からのシンチレーション光を自動的に検出し、中性子が、ガンマ線に比べて少なくとも１，０００，０００：１の比率で中性子シンチレータ中で選択的に検出されることを含む方法。
【請求項９５】
請求項９１において、前記中性子検出がアンビリカルコードまたは無線通信によって前記制御装置と通信する分離したモジュール中で行われる方法。
【請求項９６】
中性子シンチレータを中性子に接触させることと、
ガンマ線シンチレータをガンマ線に接触させることと、
前記中性子およびガンマ線からのシンチレーション光を選択的に検出することとを含む、放射線を選択的に検出する方法。
【請求項９７】
請求項９６において、中性子とガンマ線をそれらのシンチレーション光の時間特性を比較することによって自動的に選択検出することをさらに含む方法。
【請求項９８】
請求項９６において、高速中性子と、熱中性子と、ガンマ線をそれらのシンチレーション光の時間特性を比較することによって自動的に選択検出することをさらに含む方法。
【請求項９９】
請求項９６において、前記中性子シンチレータ中の中性子からのシンチレーション光を自動的に検出し、前記中性子が、ガンマ線に比べて少なくとも１，０００，０００：１の比率で前記中性子シンチレータ中で選択的に検出されることをさらに含む方法。
【請求項１００】
中性子シンチレータを疑わしい中性子源に接触させ、中性子からの前記中性子シンチレータ中のシンチレーション光を解析し、中性子が、ガンマ線に比べて少なくとも１，０００，０００：１の比率で前記中性子シンチレータ中で選択的に検出されることと、
ガンマ線シンチレータを疑わしいガンマ線源に接触させ、前記ガンマ線シンチレータ中のガンマ線からのシンチレーション光を解析することと、
対象物をＸ線で照射して前記対象物からの蛍光Ｘ線を選択的に分析して大きい原子量の遮蔽材料の存在を実証することとを含む、大量破壊の放射線武器またはその遮蔽材を選択的に検出する方法。
【請求項１０１】
中性子シンチレータを中性子放射線源に接触させる手段と、
前記中性子シンチレータからのシンチレーション光を光検出器へ導く手段と、
中性子をガンマ線に比べて少なくとも１，０００，０００：１の比率で選択的に検出する手段とを含む、放射線の選択検出手段。
【請求項１０２】
対象物からの蛍光Ｘ線を分析する手段と、
ガンマ線を検出する手段とを含む、放射線の選択検出手段。
【請求項１０３】
対象物からの蛍光Ｘ線を分析する手段と、
中性子を検出する手段とを含む、放射線の選択検出手段。
【請求項１０４】
中性子を検出する手段と、
ガンマ線を検出する手段とを含む、放射線の選択検出手段。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、２００３年６月５日出願の米国特許仮出願第６０／４７６，１０１号の優先権を主張するものであり、その教示の全ては参照により本明細書に組み込まれている。
【背景技術】
【０００２】
テロリズムの発生で、大量破壊の放射線武器またはそれらの放射線の検出を遮蔽するのに使用される材料、例えば原子量の大きな元素を検出する効率的な検出器の必要が高まっている。特に重要な３種類の武器は、いわゆる「汚染武器」、ウラニウム系原子爆弾、プルトニウム系原子爆弾である。例えば、汚染武器は、爆発によって飛散される放射線材料で取り囲んだ化学的爆発物を含み、周辺を汚染する。汚染武器はその放出される放射線によって検出することができ、ガンマ線および制動放射線が最も通常の痕跡である。ウラニウム系原子爆弾は原理的に２３５Ｕまたは２３８Ｕの痕跡ガンマ線で識別することができる。武器級の２３５Ｕからの放射線束は少なく、したがって、２３５Ｕまたは２３８Ｕ痕跡ガンマ線をバックグラウンドのガンマ線または無関係な線源から識別するためには優れた効率と良好なエネルギー分解能が望まれる。プルトニウム系原子爆弾は、中性子放射によって検出することができる。中性子放射物は希少であり、中性子のバックグラウンドレベルよりも数倍高い中性子源を検出することが、プルトニウム存在の明らかな証拠となり得る。
【０００３】
ガンマ線と中性子の検出はその発見から辿る長い歴史を有する。多くの主題の本および研究論文、例えば、Ｇｌｅｎｎ  Ｆ．Ｋｎｏｌｌによる「放射線検出および測定（Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）、第３版、１９９９」、Ｗｉｌｅｙ  Ｐｒｅｓｓが入手可能であり、その教示の全ては参照により本明細書に組み込まれている。最近まで、放射線検出器は殆ど害のない産業用または研究用途のために使用された。最も広く用いられたシンチレータであるＮａＩ（Ｔｌ）が１９４０年終わりに導入されて以来、良好な効率とエネルギー分解能を備えるガンマ線デバイスが入手可能であった。現在では、低エネルギーおよび高エネルギーのガンマ線を検出するための多くの無機および有機シンチレータ、ならびに多数の半導体検出器があり、様々な用途に適合する形態で市場で入手可能である。シンチレータからの光は光検出器、例えば光電子増倍管、フォトダイオード、および電荷結合デバイス（ＣＣＤ）等によって検出することができる。しかし、これらの検出器は大きい質量の大きい原子番号の材料、例えば鉛、タングステン等で遮蔽されたガンマ線源を検出することができない。また、１９６０年代初めには市場で中性子検出器が入手可能になった。これらの比較的嵩高な装置は、ＢＦ３または３Ｈｅのいずれかを充填したガス比例計数管で熱中性子を検出する。高エネルギーの中性子は主にプラスチックおよび液体シンチレータによって測定することができ、エネルギーを有する中性子が水素核と弾性的に衝突するとき、高次にイオン化するプロトンを検出する。また、高速中性子の存在は、中性子の速度を水素含有材料で熱化（熱エネルギ程度に減速する）し、または減速し、得られる熱中性子を効率的な熱中性子検出器で検出することによって求めることができる。リチウムまたはホウ素を含むプラスチックシンチレータおよび液体シンチレータは、この方法を用いる検出器の例である。
【発明の開示】
【０００４】
既存の市販放射線検出器は、選択性、効率、携帯性、および３種類の主要な放射線武器の検出を含む、既存の核放射線武器検出の要求を満たさない。さらに、既存の放射線検出器は遮蔽された武器、例えば鉛で遮蔽された武器からのガンマ線を検出することができない。したがって、遮蔽された武器を含む、大量破壊の放射線武器を効率的に検出する必要性がある。
【０００５】
本発明の様々な実施形態において、検出装置は例えばプルトニウム等の中性子放射物の検出を容易にする中性子検出器、例えばウラニウム等のガンマ線源の検出を容易にするガンマ線検出器、および／または例えば鉛等の放射能源を遮蔽することのできる材料の検出を容易にするＸ線分析器を含む。
【０００６】
一実施形態において、放射線選択検出装置は中性子シンチレータ、光検出器、中性子シンチレータと光検出器を連結する光ガイドを含む。光ガイドは液体または固体であり、典型的には固体である。様々な実施形態において、中性子シンチレータは高速中性子、熱中性子、またはその両方に応答することができる。
【０００７】
他の実施形態において、放射線選択検出器装置は、蛍光Ｘ線分析器および光検出器と連結した中性子またはガンマ線シンチレータを含む。
【０００８】
他の実施形態において、放射線選択検出器装置は、光検出器と連結したガンマ線シンチレータおよび中性子シンチレータ、および蛍光Ｘ線分析器を含む。
【０００９】
他の実施形態において、選択的放射線検出器のための装置は、光検出器と連結したガンマ線シンチレータおよび中性子シンチレータを含む。
【００１０】
様々な実施形態において、前述の各装置は手持で使用することができる。いくつかの実施形態において、前述の各装置は、制御装置、例えば電子制御装置によって制御することができる。例えば、制御装置を光検出器と連結させて、熱中性子、高速中性子、および／またはガンマ線を選択的に検出することができ、あるいは、制御装置は蛍光Ｘ線分析器と連結させて蛍光Ｘ線を検出することができ、例えばＸ線で対象物を照射し、対象物からの蛍光Ｘ線を選択的に検出することができる。
【００１１】
また、放射線の選択的な検出方法も含まれる。
【００１２】
本明細書に開示する実施形態は、特に大量破壊武器に伴う放射線および放射線遮蔽の検出の特徴から見て、従来の市販の放射線検出器を超える多くの利点を提供する。
【００１３】
例えば、異なる放射線源のための多重検出器、例えば熱中性子検出器、高速中性子検出器、および／またはガンマ線検出器は単一検出器として組合わせることができる。また、それらの放射線検出器は、典型的な放射線遮蔽材料の存在を検出することのできる蛍光Ｘ線分析器と組合わせることができる。
【００１４】
新しい中性子検出器が開示され、シンチレーション光は、高速中性子シンチレータおよび／または高速中性子熱化材としても機能することのできる光ガイドによって、光検出器に導入される。この新規な中性子検出器は、従来の３Ｈｅ中性子検出器に比べて同じ効率でより軽量であり、より安価であり、ガンマ線よりも中性子に選択性があり、温度に対して鈍感であり、移動の制約が少ないことを含む、大きな利点を有する。さらに、この検出器は放射線検出装置に対する中性子源の方向の検出を可能にする構成で作製することができる。
【００１５】
光ガイドとシンチレーション用に光学的に透過な材料を提供することによって、２個またはそれ以上の線源（例えば高速中性子、熱中性子、および／またはガンマ線）から生じるシンチレーション光を同じ光検出器へ導くことが可能になる。さらに、使用したシンチレーション材料は、時間の関数としてのシンチレーション信号によって、電子制御装置が異なる種類の放射線を識別することを可能にする。
【００１６】
個々の放射線検出器および蛍光Ｘ線分析器は同じ制御装置によって制御することができる。軽量または多重機能の組み合わせを可能にする前述の他の特徴と組合わせて、本明細書の様々な実施形態は、軽量で手持ちのできる自動化された多機能の放射線選択検出器を提供する。
【００１７】
したがって、本明細書の様々な実施形態は汚染爆弾、ウラニウム系原子爆弾、およびプロトニウム系原子爆弾の存在を同時に検出し、放射線源の放射線レベルを識別して測定し、かつ、それらの放射線源を検出できないように遮蔽するために使用することのできる材料を検出することができる。
【００１８】
本発明の前述の目的および他の目的、特徴、および利点は、添付図面で示すように、本発明の好ましい実施形態のより具体的な以下の説明から明らかになるであろう。異なる図面においても同様の参照符号は同一の部品を指す。図面は必ずしも縮尺通りではなく、本発明の原理を説明することに重点を置いている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明の好ましい実施形態を説明する。
【００２０】
本明細書の様々な実施形態は、対象物、例えば中性子およびガンマ線などの放射線武器の痕跡、およびガンマ線源を検出から遮蔽することのできる大きい原子番号の材料、例えば鉛、タングステン等を検出するための方法および装置に関する。本明細書に説明する様々な実施形態は、それらの対象物を識別することができ、「汎用性」があり、携帯性で手持ちの、テロリスト脅威検出器の多くの構成の例である。様々な実施形態において、検出は、ガンマ線、例えば特定の放射線同位元素のガンマ線特性、プルトニウムの中性子特性、および放射能、例えばガンマ線源を遮蔽することのできる大きい原子量（大きい原子番号）の材料など一つのまたは複数の対象物について可能である。いくつかの実施形態において、単一の手持ち検出器を用いてこれらの対象物の存在の証拠を記録し、作業者にその存在を警告する。
【００２１】
図１は、ガンマ線と中性子を検出するように装備した放射線選択検出装置１０の実施形態を示す。中性子シンチレータ１４は光ガイド２２およびガンマ線シンチレータ１８と結合される。光検出器２６が結合され、中性子シンチレータ１４とガンマ線シンチレータ１８からのシンチレーション光を検出する。また、この装置は、任意選択的に高速中性子を熱化する材料とすることのできる減速体３８で覆うことができる。検出器２６は、プリアンプ３０を介してデータ取得、制御、表示、出力を提供することのできる制御装置７０に結合することができる。制御装置７０は、手持ち放射線検出機器として当技術分野に既知の電子制御装置、例えば、市販の蛍光Ｘ線ユニット（Ｘｌｉ、Ｎｉｔｏｎ  ＬＬＣ、Ｂｉｌｌｅｒｉｃａ、Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ）のデータ取得、制御、および表示装置を容易に用いることができる。主に、装置１０は手持ちに設計することができ、例えば、全ての要素を約２．５ｋｇ未満、またはさらに典型的には約１．５ｋｇ未満の総質量を有する単一の小型ユニットに収納することができる。
【００２２】
本明細書で説明するように、ガンマ線検出器は当技術分野で既知の任意のガンマ線検出器、例えば、固体半導体検出器、または光検出器（例えば２６）と結合したガンマ線シンチレータ（例えば１８）とすることができる。典型的にガンマ線検出器はガンマ線シンチレータを含む。ガンマ線シンチレータを説明する開示した実施形態の中で、ガンマ線チンチレーターを固体ガンマ線検出器で置き換えた他の実施形態も意図されている。
【００２３】
中性子シンチレータ１４は、高速中性子、熱中性子に応答してシンチレートする材料、または両方の種類の中性子に応答する材料の組み合わせを含むことができる。本明細書に使用される、熱中性子は、ｋＴ程度の運動エネルギーを有する中性子であり（ｋはボルツマン定数であり、Ｔはケルビン温度である）、高速中性子はｋＴよりも大きな運動エネルギー、例えば、主に数千〜数百万電子ボルトの範囲よりもはるかに大きな運動エネルギーを有する中性子である。一般的に中性子シンチレータ１４の材料は熱中性子検出の優れた効率を有し、Ｘ線またはガンマ線検出の効率は無視できる。この材料はシンチレーション成分に結合した熱中性子捕獲同位元素を含むことができ、捕獲同位元素を熱中性子に接触させることによってシンチレーションを行う。捕獲同位元素は当技術分野で既知の任意の熱中性子捕獲同位元素、例えば、６Ｌｉ、１０Ｂ、１１３Ｃｄ、１５７Ｇｄ等とすることができ、一般に６Ｌｉ、１０Ｂであり、またはより典型的には６Ｌｉである。シンチレーション成分は、捕獲同位元素によって捕獲された熱中性子の反応生成物に応答してシンチレーションを行う当技術分野で既知の任意の成分とすることができ、例えば、シンチレーション成分はＺｎＳとすることができる。中性子シンチレータ１４の材料は、捕獲同位元素とシンチレーション成分の任意の組み合わせ、例えば、ＺｎＳと６Ｌｉ、１０Ｂ、１１３Ｃｄ、１５７Ｇｄの少なくとも１種との組合わせを含む化合物とすることができる。典型的に、中性子シンチレータは６ＬｉＦとＺｎＳの組み合わせである。例えば、様々な実施形態において、中性子シンチレータ１４はＬｉＦとＺｎＳの混合物から作製された厚さ約０．５ｍｍの市場で入手可能なスクリーン材料（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｓｃｓｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、Ｈａｒｌｏｗ、Ｕｎｉｔｅｄ  Ｋｉｎｇｄｏｍ）である。リチウムは、同位元素的に豊富な断面積９４０バーンの同位元素６Ｌｉであり、熱中性子を捕獲してヘリウム原子核４Ｈｅ（アルファ粒子）とトリトン３Ｈに分裂し、総放出エネルギーは４．７８ＭｅＶである。エネルギーを持つアルファ粒子とトリトンはＺｎＳ中でエネルギーを失い、ＺｎＳにシンチレーションを行わせて、アルファ粒子とトリトンが静止する際に損失エネルギーキロボルト毎に約５０フォトンを放出する。したがって、各捕獲された中性子は数十万個の光学的な光量子を生成する高い確率を有するはずである。
【００２４】
６ＬｉF／ＺｎＳスクリーンの試験は、それらが他の放射線、例えばガンマ線、Ｘ線等よりも熱中性子に選択性があることを示し、例えば、これらのスクリーンは熱中性子の検出に約５０％の固有の効率を有するが、それらのガンマ線検出効率は、例えば約１０−８未満で無視できる。ガンマ線に対する熱中性子のこの選択性は、大量破壊武器に伴う中性子放射物による有効な警報を選択するので、比較的一般的なガンマ線源（医療用同位元素、工業的試験装置の放射線源等）による「誤警報」の割合を低減することができる。ガンマ線に対する熱中性子検出のこの選択性は比率で表すことができる。典型的な構成では、ガンマ線に対する熱中性子の選択性は少なくとも約１０，０００：１、さらに典型的には少なくとも１，０００，０００：１であり、ある実施形態において少なくとも約１０，０００，０００：１である。
【００２５】
任意選択的な中性子減速体３８は、高速中性子を熱化する材料から作製することができる。当業者であれば、多くの適切な減速材料の知識を有し、減速材料、厚さ、およびガンマ線検出効率の損失を最小にしながら、中性子検出効率を最大にする配置を選択することができよう。例えば、主に中性子減速材は、水などの水素含有材料、有機溶媒（アルコール、エーテル（例えばジエチルエーテル、テトラヒドロフラン）、ケトン（例えばアセトン、メチルエチルケトン）、アルカン（例えばヘキサン、デカン）、アセトニトリル、Ｎ，Ｎ’−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ベンゼン、トルエン、キシレン等）、油およびワックス（例えば鉱物油、パラフィン等）、有機ポリマー（例えばポリアルカン（例えばポリエチレン、ポリプロピレン等）、ポリエステル、ポリビニレン（例えばポリ塩化ビニル）、ポリアクリラート（例えばポリメチルメタクリラート）、ポリスチレン、ポリアルキルシロキサン（例えばポリジメチルシロキサン）等）、水または有機溶媒とポリマーの複合材もしくはゲル（例えばゼラチン、ポリアクリル酸、ヒアルロン酸等の水ゲル）、および当技術分野で知られた多くの他の減速材である。
【００２６】
例えば、ある実施形態において、減速体３８は、有機ポリマー、例えば高密度ポリエチレンから作製することができ、装置１０の上に配置して入射する高速中性子を減速（熱化）することができるので、それらは中性子シンチレータ１４によって効率的に捕獲することができる。他の実施形態において、減速材３８は装置１０を覆う液体減速材、例えば水、有機溶媒、水ゲル等の適切な厚さの層を保持する容器とすることができる。様々な実施形態において、中性子減速材中の水素原子核は、２Ｈ同位元素を富裕にする、すなわち、減速材中の２Ｈの割合が天然の存在量レベルよりも多くすることができる。ある実施形態において、中性子減速材中の水素原子核は、少なくとも約５０％、さらに典型的には少なくとも約９０％、または好ましくは少なくとも約９５％が２Ｈ同位元素である。
【００２７】
光ガイド２２を中性子シンチレータ１４に結合して、シンチレーション光を光検出器２６に導くことができる。光ガイド２２は比較的大きなシンチレーション表面積からのシンチレーションフォトンを収集し、それらを検出器２６のより小さな面積に導くことができる。これは、所定の検出器表面積についてより高いシンチレーション光収集効率をもたらすことができる。他の構成も可能であるが、光ガイド２２が（検出器２６の検出表面に垂直とすることができる）シンチレータ１４の表面に平行な構成は手持ちユニットに適した小型構造を提供する。
【００２８】
シンチレーションフォトンの光検出器２６への案内に加えて、光ガイド２２は任意選択的に以下の追加の機能のひとつまたは両方を行うことができる。
【００２９】
第１に、光ガイド材料は高速中性子の減速材または熱化材として作用することができ、したがってそれらを減速させて熱エネルギーに変えるので、それらを効率的に中性子シンチレータ１４に捕獲することができる。したがって、光ガイド２２は、透過性の基準を満たすことのできる上述の任意の中性子減速材、例えば、典型的に水などの水素含有材料、有機溶媒、透過な有機ポリマー（例えばポリアクリル樹脂、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリアルキルシロキサン）複合材、水または有機溶媒とポリマーのゲル、鉱物油等を含むことができる。主に、光ガイド２２の材料は固体、例えば有機ポリマー、一般にポリアクリラートとすることができ、例えばある実施形態においてポリメチルメタクリラートである。様々な実施形態において、光ガイド２２の材料中に含まれる水素原子核の２Ｈ同位元素を豊富にする、すなわち、減速材中の２Ｈの割合が天然の存在量レベルよりも多くすることができる。ある実施形態において、中性子減速材中の水素原子核は、少なくとも約５０％、さらに典型的には少なくとも約９０％、または好ましくは少なくとも約９５％が２Ｈ同位元素である。
【００３０】
第２に、前節で説明した光ガイドの材料は、高速中性子に応答するシンチレーションに有限の効率を有することができ、例えば、高速中性子が水素原子核に衝突するとき、水素原子核はイオン化させることができる十分なエネルギーで散乱し、これは光検出器２６によって検出することができる。ある実施形態において、光ガイド２２は、高速中性子シンチレータとして機能することができ、したがって中性子シンチレータ１４を含む。したがって、様々な実施形態において、装置１０は材料および光ガイド２２および中性子シンチレータ１４の選択に応じて、高速中性子、熱中性子、または高速および熱中性子を検出することができる。
【００３１】
ガンマ線検出器１８は当技術分野に知られている様々なガンマ線シンチレータの任意のもの、例えば、タリウムをドープしたヨウ化ナトリウム（ＮａＩ（Ｔｌ））、タリウムをドープしたヨウ化セシウム（ＣｓＩ（Ｙｌ））、ゲルマン酸ビスマス（ＢＧＯ）、フッ化バリウム（ＢａＦ２）、セリウムをドープしたオキシオルソケイ酸ルテチウム（ＬＳＯ（Ｃｅ））、タングステン酸カドミウム（ＣｄＷＯ４）、セリウムをドープしたイットリウムアルミニウムペロブスカイト（ＹＡＰ（Ｃｅ））、セリウムをドープしたケイ酸ガドリニウム（ＧＳＯ（Ｃｅ）等とすることができる。例えば、ＮａＩ（Ｔｌ）は高速で効率的かつ安価であるが、吸湿性があり、主に湿気をシールして使用される。ＢａＦ２、ＢＧＯまたはＬＳＯ等の非吸湿性結晶を用いることもできる。それらの材料は典型的に汚染爆弾からのガンマ線を検出する良好な効率を有するように選択され、例えば、１３７Ｃｓ（しばしば汚染爆弾の放射能脅威として引用される）からの６６２ｋｅＶガンマ線は、厚さ２．５ｃｍ（１インチ）のＬＳＯ結晶中で８０％を超える吸収効率を有し、これは約１０，０００個の検出可能な光フォトンを生成することができる。一般に、ガンマ線シンチレータは、ＮａＩ（Ｔｌ）、ＣｓＩ（Ｔｌ）、ＢＧＯ、ＢａＦ２、ＬＳＯ、またはＣｄＷＯ４を含み、さらに典型的にはＢＧＯ、ＢａＦ２、またはＬＳＯを含む。ある実施形態において、ガンマ線シンチレータはＢａＦ２であり、他の実施形態において、ガンマ線シンチレータはＬＳＯである。
【００３２】
様々な実施形態において、ガンマ線シンチレータ１８および光ガイド２２はいかなるシンチレーション事象によって発生した光学波長に対しても透過である。本明細書に使用される用語「透過な」および「透過度」は光、例えばシンチレーション光の単位路長当たりの透過率を指す。典型的に、シンチレーション光に対する材料の１メートル当たりの透過率の少なくとも約９０％、一般に約９５％、さらに典型的には約９８％を透過する。主に、透過したシンチレーション光は約４００ナノメートル（ｎｍ）〜約６００ｎｍ、一般に約３５０〜約６００ｎｍ、さらに典型的には約３００〜６００ｎｍの範囲である。したがって、ある実施形態において、透過な材料（例えば光ガイド、ガンマ線シンチレータ等）は約３５０ｎｍ〜約６００ｎｍのシンチレーション光の約９５％／メートルが透過し、さらに典型的に約３００ｎｍ〜約６００ｎｍのシンチレーション光の約９８％が透過する。
【００３３】
様々な実施形態において、シンチレータ１８および光ガイド２２のそれぞれの屈折率は、同じ範囲、例えば約１．４〜約２．４、またはさらに典型的には約１．５〜約１．８とすることができ、かつ、一般にシンチレータ１８と光ガイド２２間の界面の反射を同様に最小化するように選択することができる。
【００３４】
したがって、様々な実施形態において、光ガイド２２および／またはガンマ線シンチレータ１８はシンチレーション光に対して透過であり、これは光検出器２６での検出効率にとって有利である。さらに、複数のシンチレーション光源からの光を収集して検出器２６の光学面に送達することができるので、単一の光検出器２６だけで使用できる。例えば、図１に示すように、中性子シンチレータ１４と相互作用している熱中性子からのシンチレーション光は、光ガイド２２およびガンマ線シンチレータ１８を経て検出器２６に入ることができる。光ガイド２２が高速中性子シンチレータとしても機能することのできる実施形態では、そのシンチレーション光もガンマ線シンチレータ１８を経て検出器２６に入ることができ、したがって、３個の光源（光ガイド２２中の高速中性子、シンチレータ１４中の遅い中性子、およびシンチレータ１８中のガンマ線）からのシンチレーション光は単一の光検出器２６によって検出することができる。さらに、ある実施形態において、これらの要素は入替の配置が可能であり、例えば、光ガイド２２とガンマ線シンチレータ１８の順序を逆にすることができ、ガンマ線シンチレーション光がシンチレータ１８から光ガイド２２を通って検出器２６へ入ることができる。
【００３５】
２種またはそれ以上のシンチレーション光が検出器２６で検出される様々な実施形態において、それらはその時間特性すなわち時間の関数によって識別される。例えば、高速中性子、熱中性子、およびガンマ線を検出するように装備された装置１０の実施形態において、制御装置７０は、例えば立ち上がり時間、減衰時間等の時間特性の特徴に応じた検出信号によって区分するようにプログラムすることができる。例えば、ある実施形態において、光ガイド２２用にポリメチルメタクリラートを使用すると、約２ナノ秒の高速中性子の減衰時間を与え、シンチレータ１８用にＬＳＯを使用すると、約４０ナノ秒のガンマ線シンチレーションの減衰時間を与え（２０倍遅い）、シンチレータ１４に６ＬｉＦ／ＺｎＳを使用すると、約３０マイクロ秒の熱中性子シンチレーション減衰時間を与える（高速中性子シンチレーション減衰よりも約１５０００倍遅く、ガンマ線シンチレーション減衰よりも約７００倍遅い）。当技術分野に知られている標準的な立ち上がり時間検出回路は、それらの時間的に分離された信号を容易に識別することができ、したがって複数の種類のシンチレーション光を分離したデータ、例えば各シンチレーション光の種類ごとにパルス高さスペクトルを生成する制御装置７０によって典型的に明白に区分することができる。当技術分野に知られた標準的な回路を制御装置７０に使用することができ、これは十分高速であり、複数シンチレーション光からの実質上全ての信号を処理することができる。
【００３６】
図２は、放射線材料、例えばガンマ線源５６を遮蔽することのできる大きい原子量（大きい原子番号）の材料５４を検出するための、制御装置７０と結合した蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）検出器４０を示す。
【００３７】
ＸＲＦ分析器４０は、当技術分野で既知の市販の検出器、例えば、Ｘｌｉ  ＸＲＦ分析器（Ｎｉｔｏｎ  ＬＬＣ、Ｂｉｌｌｅｒｉｃａ、Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ）を容易に用いることができる。Ｘｌｉは蛍光Ｘ線を発生させることができる放射線源を含む重さ１ｋｇ（２ポンド）未満の手持ちユニットであり、例えば、それは１２２ｋｅＶのガンマ線を放出する強い５７Ｃｏ源を含むことができ、タングステン、鉛、ウラニウム、プルトニウム等を含む様々な大きい原子番号の重い元素の特性Ｘ線を励起することができる。放出された蛍光Ｘ線放射は、大きい原子番号材料の特性Ｘ線の検出に優れた効率と分解能を有することのできる検出器、例えば、冷却したＣｄＴｅ検出器で検出することができる。処理された情報は例えば液晶ディスプレイに表示することができる。パルス高さスペクトルを含む集められた情報は、ユニット７０中に記憶することができ、遠隔測定することができ、作業者に潜在的な危険を自動的に警告することができる。
【００３８】
したがって、ＸＲＦ分析器４０は、対象物材料、例えば爆弾５２中の放射線源５６を取り囲む遮蔽材料５４中の蛍光Ｘ線を発生させる放射線源４８（典型的に遮蔽６４で封入されている）を任意に選択することができる。例えば、一実施形態において、放射能源４８（図２には任意の二重源として示されている）は５７Ｃｏとすることができ、これはその減衰の約９０％の間１２２ｋｅＶのガンマ線を放出することができる。１２２ｋｅＶのガンマ線は、放射能源５６を遮蔽するのに適した大きい原子量／大きい原子番号の材料５４、例えば、タングステン、鉛、ウラニウム、プルトニウム等のＫ線を効率的に励起することができる。ＸＲＦ分析器４０は検出器６０を含み、これは当技術分野に既知の任意のＸ線検出器とすることができ、例えば様々な実施形態において、検出器６０はプリアンプ６８に結合した厚さ約２ｍｍのＣｄＴｅ（テルル化カドミウム）半導体検出器とすることができる。厚さ２ｍｍのＣｄＴｅ検出器は、大きい原子量／大きい原子番号の元素のＫ線の検出に約８０％を超える固有効率を有することができる。市場で入手可能なＣｄＴｅ検出器のエネルギー分解能は１００ｋｅＶのガンマ線について約２ｋｅＶを超えることができ、これは様々な重元素のＫ線を分離し、少なくともある程度遮蔽材料５４の元素組成物を識別することができる。当業者であれば、ある実施形態において、市場で入手可能な５７Ｃｏの１００ミリキュリー（ｍＣｉ）リング源と、１ｃｍ２で厚さ２ｍｍのＣｄＴｅ検出器と一緒に用いると、検出器から１フィートの距離で厚さ６．４ｍｍ（１／４インチ）までの鋼容器内部の鉛遮蔽材があることを見つけることができるのを理解することができよう。
【００３９】
方法および装置の様々な実施形態において、放射線検出器の可能な組み合わせの各々が意図されている。例えば、様々な実施形態に含まれるものは、ＸＲＦおよび高速中性子検出器、ＸＲＦおよび熱中性子検出器、ＸＲＦおよびガンマ線検出器、ＸＲＦ、高速中性子およびガンマ線検出器、ＸＲＦ、熱中性子、およびガンマ線検出器、ＸＲＦ、高速中性子、熱中性子、およびガンマ線検出器、高速中性子およびガンマ線検出器、熱中性子およびガンマ線検出器、高速中性子、および熱中性子検出器、高速中性子、熱中性子、およびガンマ線選出器等である。さらにこれらの各々は様々な実施形態において、例えば単一制御装置７０によって自動制御されること、および手持ち操作、例えば単一手持ちユニットに設計することが意図されている。
【００４０】
他の実施形態において、１個または複数の検出器をアンビリカルコード（必須の接続線）または無線通信リンクによって制御装置７０に結合することができる。例えば、単一の手持ち装置は、制御装置とガンマ線／中性子検出器サブユニットと結合したＸＲＦ分析器を含むことができ、サブユニットは制御装置とＸＲＦユニットを含む主要ユニットから取り外すことができ、アンビリカルコードまたは無線通信リンクを経由して制御装置と通信することができる。これはさらに柔軟性のある検出器の使用を可能にし、例えば、取り外し可能なガンマ線／中性子検出子を使用して、乗物または限定された空間中の到達困難な領域を探査することができる。
【００４１】
図３は、光ガイド８２と熱中性子シンチレータ層８０の構成を用いる新しい中性子検出器装置１２０の一実施形態を示す。装置１２０は、図１の装置１０に示した他の構成と任意選択的に組み合わせて、中性子検出器として使用することができる。新しい検出器は熱中性子捕獲シンチレータ材料８０の層またはシートを、光学的に透過な光要素、好ましくは水素含有材料の光ガイド板８２で挟む。
【００４２】
光ガイド板８２は中性子チンチレーター８０と結合させてシンチレーション光を光検出器２６へ導くことができる。光ガイド８２は、複数のシンチレータ層８０によって形成される比較的大きなシンチレーション表面積から、シンチレーションフォトンを集め、それらを検出器２６のより小さな面積に導く。これは所定の検出器表面積について高いシンチレーション光収集効率をもたらす。他の構成も可能であるが、光ガイド８２がシンチレータ層８０の表面（検出器２６の検出表面に垂直とすることができる）に平行な構成は手持ちユニットに適した小型構造を提供する。
【００４３】
光ガイド８２は二つの独立した機能を有することができる。それらは高速中性子を熱化（減速）するので、それらは熱中性子検出器シンチレータ８０に捕獲されて光学的な光を生成し、それらはシンチレーション光を光検出器へ導くことができる。好ましい実施形態は、熱中性子シンチレータ８０を６ＬｉＦ：ＺｎＳから作製された厚さ約０．５ｍｍのシンチレーション光検出スクリーンとして使用する。市場で入手可能な厚さ０．５ｍｍのシンチレーション材料（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｓｃｓｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、Ｈａｒｌｏｗ、Ｕｎｉｔｅｄ  Ｋｉｎｇｄｏｍ）は、約５０％の熱中性子捕獲確率を有することができる。光ガイド８２は良好な高速中性子の減速材でもある任意の光学的に透過な材料、例えばポリメチルメタクリラートなどのアクリルプラスチックとすることができる。
【００４４】
また、光ガイド８２は、任意の透過なプラスチックシンチレータ、例えば、熱中性子、高速中性子、および／または他の注目する放射線に応答してシンチレーションを行う当技術分野で既知の様々な化合物をドープした光学的に透過なプラスチックシートとすることができる。典型的なシンチレータはそれ自体よく知られた高速中性子の検出器であり、固有の高速中性子シンチレータ、中性子減速材、および光検出器２６への光ガイドとしての３つの役割を有する。さらに、光ガイド８２は水、Ｈ２Ｏ、または重水Ｄ２Ｏとすることができ、水素を水素の同位元素２Ｈと置換することができる。水は特に効果的な中性子減速材であり、重水が中性子を吸収する確率は非常に小さい。光ガイド８２に使用することのできる当技術分野で既知のさらに他の材料は、良好な中性子減速材となることのできる液体シンチレータであり、高速中性子に応答してシンチレーションを行い、ガンマ線シンチレーションからのシンチレーションを識別する。熱中性子シンチレータ８０は、典型的にポリメチルメタクリラート光ガイド８２に結合させることができ、例えば、光学的に透過なシリコン、エポキシの層、および／または液体結合剤とスクリーンに直接接触する。光学的に不透過とすることのできる任意選択的な中性子減速材８４、例えば高密度ポリエチレンを用いて中性子検出の効率を高めることができる。
【００４５】
図４は単一光検出器２６から見た中性子とガンマ線の選択的検出を行うための装置１３０の要素を示す。ガンマ線と中性子を選択的に検出されることが望ましい用途において、ガンマ線シンチレーション検出器１８は光ガイド／シンチレータ８２／８０の一端部に取り付けることができる。ガンマ線検出器と中性子検出器からの信号は、前記のそれらの異なる時間特性によって分離することができる。光ガイド／シンチレータ８２／８０によって画定される装置１３０の部分が例えば長さ約３０ｃｍを超えて長ければ、組合わせたガンマ線と中性子結合器の両端に光検出器を配置することが有利であろう。２個の光検出器からの信号は加えることができ、組み合わされた信号は前記の時間特性によって中性子とガンマ線信号に別々に分析することができる。
【００４６】
装置１３０のさらに他の実施形態は、高速中性子の検出が望まれる用途に有いることができる。ある実施形態において、中性子シンチレータ８２は、例えば高速中性子に応答してシンチレーションを行う有機ポリマー材料から作製することができる。他の実施形態において、６ＬｉＦ：ＺｎＳ中性子シンチレータ材料は、例えば、水、有機溶媒、鉱物油等の液体シンチレータ中に懸濁させることができ、ガンマ線または電子が検出されるときに放出されたシンチレーション光の減衰時間は、高速プロトン（例えば高速中性子シンチレーションによる）が検出されるときに放出されたシンチレーション光の減衰時間とは大きく異なることができる。液体シンチレータの２種の減衰時間定数はガンマ線検出器または光ガイド／シンチレータ８２／８０の減衰時間定数と大きく異なるので、４つの信号を全て分離することが可能であり、したがって、単一光検出器（またはその出力が互いに加えられる１個または複数の光検出器）を用いて、高速中性子、熱中性子、およびガンマ線を完全に区別することができる。
【００４７】
図５は新しい中性子シンチレータ／光ガイド装置１５０の等角図を示す。広さ約５．１ｃｍ、長さ約３０．５ｃｍ、厚さ約１．２５ｃｍで、全ての側面を研磨した光学的に透過なポリメチルメタクリラートの４枚のシート、１１０、１１２、１１４、１１６は、熱中性子シンチレータ材料６ＬｉＦ：ＺｎＳ１１８を各５．１ｃｍ×３０．５ｃｍの側面の間および上部と底部に層として有する。それらの６ＬｉＦ：ＺｎＳスクリーンを備える４個の平板は５．１ｃｍ×３０．５ｃｍ×高さ約５．６ｃｍの多層サンドイッチ１５０を形成する。装置１５０は光検出器と結合することができ、例えば装置１５０は図４中の中性子シンチレータ／光ガイド８０／８２を置き換えることができる。上述のように、非常に長い検出器および／またはかすかな信号の検出を必要とする用途では、それらの光ガイド／シンチレータ装置の各端部に第２の光検出器、例えば、光電子増倍管を取り付けて、２個の検出器を用いて検出された光量を増加させることができる。
【００４８】
実験で確認されたモンテカルロシミュレーションは、ポリメチルメタクリラートが高密度ポリエチレンの中性子の熱化率は約７５％ほどの効率であることを示している。したがって、中性子シンチレータ／光ガイド１５０は示したように効率的な中性子検出器であり得る。検出器の長さを中性子減速材１３４の層、例えば、高密度ポリエチレンで被覆することによって約３０％さらに効率的にすることができ、光ガイド／シンチレータ１５０と中性子減速材１３４の間に中性子シンチレータ材料の層を配置することによってさらに効率化することができる。
【００４９】
光ガイド／シンチレータ１５０のガンマ線に対する中性子の選択性は５×１０８：１の比率で測定された。中性子検出器の現在の「ゴールド標準」である市販の３Ｈｅガス比例計数管は、１０３〜１０６の範囲の排除率である。したがって、本発明の検出器は最善の現在の市販３Ｈｅ検出器よりも１０００以上倍大きなガンマ線排除率を有する。
【００５０】
上述のように、ガンマ線源からの誤警報を最小にしながら、中性子源例えば、プルトニウムを検出するためには、ガンマ線に対する中性子の選択性が重要である。例えば、ひとつの現在の保安基準は、２メートルの距離から０．４５５ｋｇ（１ポンド）のプルトニウムの存在を検出する中性子検出器を必要とする。０．４５５ｋｇ（１ポンド）のプルトニウムは毎秒約２０，０００個の高速中性子を放出する。２メートルで、秒当たり検出器の１ｃｍ２当たりで横切る最大０．０４個の中性子がある。光ガイド／シンチレータ１５０で達成できる中性子の検出効率が５０％であれば、計数率はわずかに０．０２／秒／ｃｍ２である。ガンマ線を検出する中性子検出器の効率が１０−３であれば、小さなガンマ線源からの２０ガンマ線／秒／ｃｍ２が０．４５５ｋｇ（１ポンド）のプルトニウムからの中性子と同じ信号を与え、警報を発する。ガンマ線検出の効率がわずかに２×１０−９の中性子光ガイド／シンチレータ１５０は、プルトニウムからの中性子放出のための前述の保安基準に比べると、小さなガンマ線源によっては警告を発しないであろう。実際に、中性子光ガイド／シンチレータ１５０は、ガンマ線源がそれ自体健康に重要な危険性がないかぎり、中性子／プルトニウム保安基準に等しいガンマ線源は通常検出しないであろう。
【００５１】
光ガイド／シンチレータ１５０は、従来の３Ｈｅを超える他の実際的な利点を有する。市販の３Ｈｅ検出器は、厚さ５．１ｃｍの高密度ポリエチレンの被覆などの厚い中性子減速材によって包囲されていないかぎり、一般的にわずかに約１０％の中性子検出効率を有する。中性子光ガイド／シンチレータ１５０中に、光ガイド、例えばポリメチルメタクリラート光ガイド１１０、１１２、１１４、１１６によって提供された固有の中性子減速を有する開示の中性子検出器は、高密度ポリエチレン被覆がなくても、殆ど４０％の効率を有することができる。さらに、完全に減速した３Ｈｅ検出器の効率を達成する必要があれば、開示した中性子検出器は、完全な減速を得るためにはるかに薄い減速材（例えばポリエチレン）を使用することができる。したがって、本明細書に開示する検出器は同じ効率の市販の３Ｈｅ検出器よりもはるかに軽くすることができ、これは装置を手持ち使用にするために最も重要である。
【００５２】
また、光ガイド／シンチレータ１５０は非常に堅牢にすることができ、移動の制約がない。３Ｈｅ検出器は一般的に約２〜４気圧の圧力で同位元素３Ｈｅを入れている。多くの場合、輸送法規はそれらの検出器を輸送するために特別な手順を必要とする。
【００５３】
また、市販の３Ｈｅ検出器は、＋１０℃〜＋５０℃の範囲の温度での操作に制限され、やはり検出は温度変化で影響を受ける。光ガイド／シンチレータ１５０は少なくとも−１０℃〜約５０℃の範囲にわたって温度変化に鈍感である。
【００５４】
さらに他の利点は、自国防衛の要求を満たすのに必要な十分大きなサイズを有する開示の検出器が、同等の材料、例えば光ガイド材料のコストが従来の検出器の３Ｈｅのコストに比べて典型的にはるかに安価であるので、同等の効率の市販の３Ｈｅ検出器よりも安価なことである。
【００５５】
当業者であれば、１個または複数の光ガイドおよび１個または複数の中性子シンチレーション層の多くの可能性のある配置と光検出器とを組合わせて中性子検出器を形成することができ、例えば、中性子シンチレーション層を光ガイド材料の塊の前面に設計し、光検出器を光ガイド材料の塊の後面に結合させることができることを理解するであろう。しかし、図３〜図５に示すように、１個または複数の光検出器と組合わせた、光ガイドの複数の層と中性子シンチレータは上述のように特に効率的である。
【００５６】
図６は、複数の光ガイド部分１６０を用いて方向性感度のある中性子検出器を提供する中性子シンチレータ／光ガイド装置１６８の他の実施形態を示す。光ガイド部分１６０は６個のパイ状部分に分割された六角形の形に配置される。各光ガイドセグメント１６０を取り囲むように、６ＬｉＦ：ＺｎＳ熱中性子シンチレータ材料１６６を設けることができる。光ガイド材料中の高速中性子シンチレーションから、または材料１６６中の熱中性子シンチレーションのいずれか、あるいは両方からの各セグメントから集められたシンチレーション光は、例えば市場で入手可能なセグメント化された光検出器を用いて、または個別の光検出器を用いて個別に検出することができる。異なるセグメントに集められた光は、例えば適切なモデル化または計量実験を行うことによって、中性子源の方向の相関を明らかにすることができる。当業者であれば、図６に示した六角形の分割が、検出器に対する中性子源の方向に基づいてシンチレーションの差動検出を可能にする多くの構成の中のひとつであること、例えば、図４および図５中の中性子シンチレータ材料８０と光ガイド８２が同じ機能を有することができることを理解するであろう。
【００５７】
図７は、中性子およびガンマ検出器、および蛍光Ｘ線分析器を制御装置と一体化して、手持ちの自国防衛用爆弾検出器に適合する単一の小型ユニットにした装置７００を示す。装置７００は実験的試験とモンテカルロコンピュータシミュレーションによって設計された。装置７００は、ガンマ線に鈍感な中性子選択検出器、中性子に鈍感なガンマ線選択検出器、および３．１ｍｍ（１／８インチ）鋼から作られた箱の内部の少なくとも約３０．５ｃｍ（１２インチ）の遮蔽材料を発見する能力のあるＸＲＦ検出器を含む。
【００５８】
全体的な寸法が５．１ｃｍ×５．１ｃｍ×２５．４ｃｍの中性子検出器は、各々１．２５ｃｍ×５．１ｃｍ×２５．４ｃｍの研磨した４枚の透過なポリメチルメタクリラート光ガイドシート７１０からなり、光電子増倍管である光検出器７１４の５．１ｃｍの面に接する端部を除いて、厚さ０．４３ｍｍの６ＬｉＦ／ＺｎＳ中性子シンチレータ７１２が、ガイド７１０の全ての面を被覆する。検出器の外側は厚さ１．２５ｃｍの高密度ポリエチレンの中性子減速材７１６で被覆され、ポリメチルメタクリラート光ガイド７１０と共に入射する高速中性子を減速するので、それらは６ＬｉＦ／ＺｎＳ中性子シンチレータ７１２によって効率的に捕獲される。ガンマ線シンチレータ７１８は直径５．１ｃｍ、長さ５．１ｃｍのＢａＦ２単結晶であり、ガンマ線検出に良好な効率を有し放射性同位元素の識別に良好なエネルギー分解能を有する。ガンマ線シンチレータ７１８の前面の、および光検出器７１４に平行な、例えば厚さ約０．８ｍｍのアルミニウムまたはプラスチックの薄い窓７２０は、ガンマ検出器が５０ｋｅＶ〜数ＭｅＶのガンマ放射線に感度よくすることができる。当業者であれば、ガンマ線検出器を他の放射線範囲に適合させるために、どのようにして他の材料または厚さの窓を選択するかの知識を有するであろう。示した実施形態において、シンチレータ７１８はガイド／シンチレータ７１０／７１２をはさんで検出器７１４と反対側に配置される。（他の実施形態において、シンチレータ７１８を検出器７１４とガイド／シンチレータ７１０／７１２の間に配置することによって、ＢａＦ２ガンマシンチレータ７１８のより高いエネルギー分解能を得ることができる。例えば、厚さ０．８ｍｍのアルミニウムまたはプラスチックの薄い層は、ガンマシンチレータ７１８の周りに検出器７１４の面に垂直に帯として配置することができる。）ＢａＦ２からのシンチレーション光は光ガイド７１０を通って光検出器７１４へ伝わる。
【００５９】
ＢａＦ２ガンマシンチレータ７１８からの信号は、それぞれ０．６３マイクロ秒および〜３０マイクロ秒であるそれらの異なる減衰時間によって、６ＬｉＦ／ＺｎＳ中性子シンチレータ７１２からの信号と分離される。
【００６０】
変更モデルＸＬｐ  ＸＲＦ分析器７２４（Ｎｉｔｏｎ、同）の最上位機として中性子／ガンマ組み立て体７２２が取り付けられ、これはデジタル化されたパルス処理を用いて２個の検出器７１４とＸＲＦ検出器７２６を同時に解析し、４，０９６チャンネルのデータのスペクトルと結果を記憶し、その全を中央指令ポイントに無線で遠隔送信することができる。
【００６１】
ＸＲＦ分析器７２４は１００ミリキュリー（ｍＣｉ）の十分遮蔽された５７Ｃｏ源７２６を用い、シャッター７２８が起動装置７３０で開かれるとき、１２２ｋｅＶのガンマ線を放射して重元素遮蔽の特性Ｘ線を励起し、特性Ｘ線は大面積ＣｄＴｅ検出器７３２中で検出される。装置７００のサイズは大きなコードレスドリルのサイズと同様であり、重量はバッテリー電源を含んで約３ｋｇである。電池のフル充電で１２時間以上の連続運転ができる。
【００６２】
制御装置７３４は装置７００の検出器を作動させ、放射線検出結果を表示スクリーン７３６に表示する。携帯電源７３８、例えばバッテリーまたは燃料電池を含むことができる。
【００６３】
様々な実施形態において、モジュール設計によって各検出器／分析器は互いにまたは制御装置と分離して操作することができる。例えば、中性子／ガンマ線検出器はＸＲＦ分析器と制御装置を含む基本ユニットから取り外し可能なユニットとすることができ、中性子／ガンマ線検出器はアンビリカルコード、無線通信等を経由して制御装置と通信することができる。したがって、中性子／ガンマ線検出器は完全に独立したモジュールとすることができ、あるいは装置７００の残りと一体化することができることが好ましい。当業者であれば、例えば、アンビリカルコード運転の場合、適切なプリアンプ回路を用いて、または無線運転の場合、市販の無線通信モジュールを制御装置とＸＲＦ検出器に連結して、それらの遠隔操作を提供することができる。
【００６４】
政府の機関は、例えばテロリズム対策、環境監視等の目的のための望ましい検出規格を制定することができる。様々な実施形態は例えば１種または複数種の以下の規格に適合することができる。
（１）毎秒２０，０００個またはそれ以上の中性子を放出する遮蔽しない中性子源を２メートルの距離で１０秒内に検出する。
（２）遮蔽しない１０マイクロキュリー（μＣｉ）の１３７Ｃｓ源を２メートルの距離で１０秒内に検出する。
（３）放出されたガンマ線に基づいて特定の放射性同位元素を同定する。
（４）検出器から１フィート（３０．５ｃｍ）まで、および鋼または等しい吸収材料の１／４インチ（６．４ｍｍ）までの裏側の大きい原子番号の遮蔽材を検出する。
【００６５】
本発明をその好ましい実施形態を参照して具体的に示し説明したが、当業者であれば、特許請求の範囲に包含される本発明の範囲から逸脱することなく、形状と設計における様々な変更をそれに加えることができることを理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】ガンマ線および中性子を検出する放射線選択検出装置１０の一実施形態を示す図である。
【図２】放射性材料、例えばガンマ線源５６を遮蔽することのできる大きい原子量（大きい原子番号）の材料５４を検出するための、制御装置７０と結合した任意選択的な蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）検出器４０を示す図である。
【図３】光ガイド８２および熱中性子シンチレータ層８０の構成を用いる新しい中性子検出装置１２０の実施形態を示す図である。
【図４】単一の光検出器２６によって検出される中性子およびガンマ線を選択的に検出するための装置１３０の構成要素を示す図である。
【図５】新しい中性子シンチレータ／光ガイド装置１５０の一実施形態の斜視図である。
【図６】多重光ガイド部分１６０を用いて方向性感度のある中性子検出器を提供する、中性子シンチレータ／光ガイド装置１６８の他の実施形態を示す図である。
【図７】中性子とガンマ線検出器と蛍光Ｘ線分析器とを、制御装置と一体化して手持ちの自国防衛用爆弾検出に適合する単一の小型ユニットにした、装置７００を示す図である。
【図１】
2006526791.tif 000003
【図２】
2006526791.tif 000004
【図３】
2006526791.tif 000005
【図４】
2006526791.tif 000006
【図５】
2006526791.tif 000007
【図６】
2006526791.tif 000008
【図７】
2006526791.tif 000009
【国際調査報告】
2006526791.tif 000010
2006526791.tif 000011
2006526791.tif 000012
2006526791.tif 000013
2006526791.tif 000014