(57)【要約】  【課題】  中性子線に対する感度が高く、かつγ線に由来するバックグラウンドノイズが少ない中性子検出用シンチレーター、及びそれを用いた中性子線検出器、中性子線撮像装置を提供する。  【解決手段】  Ｃｅを０．０４〜０．１６モル％含有し、単位体積当たり１．１〜１０原子（ａｔｏｍ／ｎｍ３）の６Ｌｉを含むＬｉＣａＡｌＦ６結晶からなる中性子検出用シンチレーター及び該中性子検出用シンチレーターを用いた中性子線検出器、中性子線撮像装置。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｅを０．０４〜０．１６モル％含有し、単位体積当たり１．１〜１０原子（ａｔｏｍ／ｎｍ３）の６Ｌｉを含むＬｉＣａＡｌＦ６単結晶からなる中性子検出用シンチレーター。
【請求項２】
請求項１記載の中性子検出用シンチレーターと光電子増倍管を組み合わせたことを特徴とする中性子線検出器。
【請求項３】
請求項１記載の中性子検出用シンチレーターと位置敏感型光電子増倍管を組み合わせたことを特徴とする中性子線撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中性子線の検出に用いる中性子検出用シンチレーターに関し、詳しくはＣｅを含有させたＬｉＣａＡｌＦ６結晶からなる中性子検出用シンチレーター及び該結晶を用いた中性子線検出器、中性子線撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
シンチレーターとは、α線、β線、γ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蛍光を発する物質のことであり、光電子増倍管などの光検出器と組み合わせることで放射線検出に用いられ、断層撮影などの医療分野、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の多彩な応用分野を持っている。
【０００３】
このシンチレーターとしては、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、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、または液体シンチレーターや気体シンチレーターがある。
【０００４】
従来の中性子検出には、３Ｈｅガスを用いた中性子線検出器が用いられてきたが、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中性子線検出器は、代替技術として有力な候補の一つである。
【０００５】
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、早い蛍光の減衰などがあげられるが、特に中性子線を検出対象とするシンチレーターにおいては、中性子と吸収物質との間で放射線捕獲反応が起こってγ線が生じやすいので、このγ線との弁別能が必要となる。
【０００６】
なお本発明における発光量（Ｌｉｇｈｔ  Ｙｉｅｌｄ）とは、シンチレーター分野で用いられる専門用語であり、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、γ線、α線励起の場合ｐｈｏｔｏｎｓ／ＭｅＶで、中性子線励起の場合ｐｈｏｔｏｎｓ／ｎｅｕｔｒｏｎである。
【０００７】
中性子検出用固体シンチレーターとしては、潮解性がなく、高速応答性を有する材料として６Ｌｉガラスシンチレーターが用いられてきたが、製作工程が複雑であるため高価で、大型化にも限界があった。これに対して、フッ化物結晶からなる中性子検出用シンチレーターは、大型のシンチレーターを安価に製造できる利点があり、例えば、ＬｉＢａＦ３結晶からなるシンチレーターが提案されている。しかしながら、該シンチレーターはγ線に対する感度が高く、γ線に由来するバックグラウンドノイズが大きいため、中性子検出用シンチレーターとして用いる際には特段の手段を講じる必要があった（非特許文献１参照）。
【０００８】
かかる問題に対して、本発明者らは、Ｃｅを含有させたＬｉＣａＡｌＦ６を含むいくつかの結晶について、その中性子検出用シンチレーターとしての応用を試みるべく、中性子線を照射した評価を行った。その結果、フッ化物単結晶に、単位体積当たり１．１〜２０原子（ａｔｏｍ／ｎｍ３）の６Ｌｉを含有させ、ＬｉＣａＡｌＦ６結晶中のＣｅ含有量をＬｉ１００モルに対して０．００５〜５モルとすることで、中性子検出用シンチレーターとして特に良好な特性を有することを見出した（特許文献１参照）。
【０００９】
しかし、該Ｃｅを含有させたＬｉＣａＡｌＦ６結晶の中性子線とγ線の弁別能については、有効原子番号の計算が行われており、中性子照射時のγ線ノイズの影響について考察していたものの、十分な線量のγ線を、意図的に照射した実験は行われておらず、従って発光量のα／γ比についてはこれまで調べられていなかった。
【００１０】
発光量のα／γ比は、α線励起時の発光量をγ線励起時の発光量で割った値であり、中性子とγ線との弁別能に影響する。なぜならば、Ｃｅを含有させたＬｉＣａＡｌＦ６結晶は、入射した中性子と６Ｌｉとの核反応による二次放射線であるα線の発生（一次機構）、続いてこのα線によるＣｅイオンの電子遷移に起因する約２９０〜３１０ｎｍの紫外線の発光（二次機構）という、二段階の機構によって発光が起こるため、最終的にはα線による励起で発光が起きるため、α線励起時の発光量とγ線励起時の発光量の比が該弁別能に影響するのである。
【００１１】
該弁別能を予測する一般に認められた理論式などは存在せず、実験的な検討なしに結果を正確に予測することは非常に困難である。従って、Ｃｅを含有させたＬｉＣａＡｌＦ６結晶の該弁別能が、特定のＣｅ含有量においてさらに向上することを事前に予測するのは困難であった。
【００１２】
また、中性子線撮像装置は、これまで原子炉等の人体に極めて有害な量の放射能を有する中性子源を用いたものが主に検討されており、汎用性は高くない。より応用範囲が広がることが予想される、放射能の少ない中性子線源（例えば２５２Ｃｆの密封線源）で撮像可能な中性子線撮像装置の検討例は比較的少ない状況であり、なおかつ３Ｈｅガス方式の代替候補となる該弁別能が良好な固体中性子検出用シンチレーターを用いた中性子線撮像装置は工業的に価値が高いものと考えられる。
【００１３】
なお、本発明においては、中性子線が衝突した際に蛍光を発する物質からなるものを中性子検出用シンチレーターと称する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Ｃ．Ｗ．Ｅ．  ｖａｎ  Ｅｉｊｋ  ｅｔ  ａｌ“ＬｉＢａＦ３，  ａ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｎｅｕｔｒｏｎ  ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒ  ｗｉｔｈ  ｏｐｔｉｍａｌ  ｎ−γ  ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ” Ｎｕｃｌａｒ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｉｎ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ａ  ３７４  （１９９６）  １９７−２０１．
【特許文献１】国際公開２００９／１１９３７８号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
中性子線に対する感度が高く、かつγ線に由来するバックグラウンドノイズが少ない、即ち、γ線に対して低感度である中性子用シンチレーション検出装置に好適に採用される中性子検出用シンチレーター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】
【００１６】
本発明者等は、種々の組成で、Ｃｅを含有させたＬｉＣａＡｌＦ６結晶を作製し、中性子線とγ線との弁別能を評価するため、α線励起時の発光量とγ線励起時の発光量を測定して比較した。その結果、Ｃｅを特定量含有させた場合に良好な該弁別能が得られることを見出し、さらに本発明の結晶を光電子増倍管と組み合わせることで中性子線検出器として動作し、位置敏感型光電子増倍管と組み合わせることで中性子線撮像装置として動作できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１７】
即ち、本発明は、Ｃｅを０．０４〜０．１６モル％含有し、単位体積当たり１．１〜１０原子（ａｔｏｍ／ｎｍ３）の６Ｌｉを含むＬｉＣａＡｌＦ６単結晶からなる中性子検出用シンチレーター、該シンチレーターと光電子増倍管を組み合わせたことを特徴とする中性子線検出器、及び該シンチレーターと位置敏感型光電子増倍管を組み合わせたことを特徴とする中性子線撮像装置である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のＣｅを含有させたＬｉＣａＡｌＦ６結晶は、従来よりもγ線に由来するバックグラウンドノイズが少ない中性子検出用シンチレーターである。更に、当該シンチレーターと光電子増倍管を組み合わせることで環境中の中性子線の有無の判別などの用途に用いることのできる中性子線検出器として有用であり、当該シンチレーターと位置敏感型光電子増倍管を組み合わせることで中性子撮像器とすることができ、該撮像器を用いた非破壊検査等において好適に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本図は、本発明のシンチレーターに使用される結晶のマイクロ引下げ法による製造装置の概略図である。
【図２】本図は、実施例１の中性子検出用シンチレーターの２４１Ａｍ、１３７Ｃｓ照射時の波高分布スペクトル図である。
【図３】本図は、実施例２の中性子検出用シンチレーターの２４１Ａｍ、１３７Ｃｓ照射時の波高分布スペクトル図である。
【図４】本図は、実施例３の中性子検出用シンチレーターの２４１Ａｍ、１３７Ｃｓ照射時の波高分布スペクトル図である。
【図５】本図は、参考例１の中性子検出用シンチレーターの２４１Ａｍ、１３７Ｃｓ照射時の波高分布スペクトル図である。
【図６】本図は、本発明の中性子線検出器を示す概略図である。
【図７】本図は、本発明の中性子線検出器による２５２Ｃｆ照射時の波高分布スペクトル図である。
【図８】本図は、本発明の中性子線撮像装置を示す概略図である。
【図９】本図は、本発明の中性子線撮像装置の動作試験の方法を説明するための模式図である。
【図１０】本図は、本発明の中性子線撮像装置、実施例５による２５２Ｃｆ照射による中性子撮像図である。
【図１１】本図は、本発明の中性子線撮像装置、実施例６による２５２Ｃｆ照射による中性子撮像図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の中性子検出用シンチレーターは、Ｃｅを含有させたＬｉＣａＡｌＦ６結晶である。特定のＣｅ含有量と６Ｌｉ含有量を有することを最大の特徴とする。
【００２１】
本発明において、上記６Ｌｉ含有量とはシンチレーター１ｎｍ３あたりに含まれるＬｉ元素の個数をいう。入射した中性子は、この６Ｌｉと核反応を起こしてα線を生じる。従って、該６Ｌｉ含有量は中性子線に対する感度に影響し、６Ｌｉ含有量が多いほど中性子線に対する感度が向上する。
【００２２】
かかる６Ｌｉ含有量は、中性子検出用シンチレーターの化学組成を選択し、また、Ｌｉ原料として用いるＬｉＦ等の６Ｌｉ含有率を調整することによって適宜調整できる。ここで、６Ｌｉ含有率とは、全Ｌｉ元素に対する６Ｌｉ同位体の元素比率であって、天然のＬｉでは約７．６％である。６Ｌｉ含有率を調整する方法としては、天然の同位体比を有する汎用原料を出発原料として、６Ｌｉ同位体を所期の６Ｌｉ含有率まで濃縮して調整する方法、或いはあらかじめ６Ｌｉが所期の６Ｌｉ含有率以上に濃縮された濃縮原料を用意し、該濃縮原料と前記汎用原料を混合して調整する方法が挙げられる。
【００２３】
本発明において、上記６Ｌｉ含有量は１．１ａｔｏｍ／ｎｍ３以上とする必要がある。６Ｌｉ含有量を１．１ａｔｏｍ／ｎｍ３以上とすることにより、中性子線に対する充分な感度を有する。この含有量は、特別に６Ｌｉ含有率を高めたＬｉ原料を用いることなく金属フッ化物結晶の種類を選択することによって達成できるので、安価に中性子検出用シンチレーターを提供できる。さらに中性子線に対する感度をより高めるためには、該６Ｌｉ含有量を２．９ａｔｏｍ／ｎｍ３以上とすることが特に好ましい。
【００２４】
一方、６Ｌｉ含有量の上限は１０ａｔｏｍ／ｎｍ３である。Ｃｅを含有させたＬｉＣａＡｌＦ６結晶における６Ｌｉ含有量は、計算上最大で約１０ａｔｏｍ／ｎｍ３程度であり、これ以上の６Ｌｉ含有量のものを得ることはできない。
【００２５】
なお、上記６Ｌｉ含有量は、下式〔１〕によって求めることができる。
【００２６】
６Ｌｉ含有量＝Ａ×Ｃ×ρ×１０−２１／Ｍ  〔１〕
（式中、ρはＣｅを含有させたＬｉＣａＡｌＦ６結晶の密度［ｇ／ｃｍ３］、Ｍは分子量［ｇ／ｍｏｌ］、ＣはＬｉ元素中の６Ｌｉ含有率［％］、Ａはアボガドロ数［６．０２×１０２３］を示す）
当該シンチレーターに、前出の二次放射線であるα線が当たると当該シンチレーターに多数の電子正孔対が生成され、該電子正孔対の一部がＣｅを介して再結合する際に発光が起こる。Ｃｅの場合は、５ｄ準位から４ｆ準位への電子遷移による５ｄ−４ｆ遷移に起因する発光が起こる。当該Ｃｅの５ｄ−４ｆ遷移に起因する発光は特に寿命が短く、従って高速応答性に優れたシンチレーターを得ることができる。
【００２７】
ＬｉＣａＡｌＦ６結晶に含有させるＣｅ含有量の範囲は、本発明の最大の特徴であり、ＬｉＣａＡｌＦ６に対して０．０４〜０．１６モル％である。元来、Ｃｅ含有量が高くなると、有効原子番号が大きくなるためγ線に由来するバックグラウンドノイズが増大する傾向にあるとされているが（特許文献１）、Ｃｅを含有するＬｉＣａＡｌＦ６結晶においてはＣｅ含有量が高くなるほど、中性子線入射時の発光量に対するγ線入射時の発光量は低くなり、従って、中性子線による信号とガンマ線によるノイズとの弁別能が向上する。特にＣｅ含有量をＬｉＣａＡｌＦ６に対して０．０４モル％以上とした場合、良好な弁別能が得られるため好適である。中でも、特に０．０５モル％以上とすることで、Ｃｅを含有させたＬｉＣａＡｌＦ６中性子検出用シンチレーターとしては、これまでにない高い弁別能が得られる。しかしながら、ＬｉＣａＡｌＦ６に対して０．１６モル％を超えてしまうと、白濁や割れが生じて単結晶育成が困難になるため、０．１６モル％以内とすることが好ましい。
【００２８】
結晶中に含有されるＣｅの存在様態は定かではないが、結晶格子間や結晶格子を構成する元素Ｃａ、Ａｌ原子の一部と置き換わって存在しているものと推察される。
【００２９】
後述するＬｉＣａＡｌＦ６結晶の製造過程においてＣｅを含有せしめる際に、該結晶中でのＣｅの偏析現象が見られる場合がある。かかる偏析現象が見られる場合にあっても、実効偏析係数（ｋ）をあらかじめ求めておき、下式〔２〕に基づいて原料中のＣｅ含有量を調整すれば、所望の含有量のＣｅを含有してなるＬｉＣａＡｌＦ６結晶を容易に得ることができる。
【００３０】
Ｃｓ＝ｋＣ０（１−ｇ）ｋ−１                  〔２〕
｛（式中、Ｃｓは金属フッ化物結晶中のＣｅ含有量［ｍｏｌ％（Ｃｅ／Ｃａ）］、ｋは実効偏析係数、Ｃ０は原料中のＣｅ含有量［ｍｏｌ％（Ｃｅ／Ｃａ）］、ｇは固化率を表す。｝
実効偏析係数は、文献（例えば、Ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  Ｃｅ−ｄｏｐｅｄ  ＬｉＣａＡｌＦ６  ａｎｄ  ＬｉＳｒＡｌＦ６  ｓｉｎｇｌｅ  ｃｒｙｓｔａｌｓ  ｂｙ  ｔｈｅ  Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ  ｕｎｄｅｒ  ＣＦ４  ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ）に記載されている値を採用できる。ただし、実効偏析係数は育成手法によっても変わり、本発明者等の検討によると、ＬｉＣａＡｌＦ６に対するＣｅの実効偏析係数はチョクラルスキー法の場合０．０２で、マイクロ引き下げ法の場合０．０４である。
【００３１】
また、実際の結晶中のＣｅ含有量は、一般的な元素分析の手法（例えば、ＩＣＰ質量分析、ＩＣＰ発光分析）により調べることができる。
【００３２】
本発明の結晶は単結晶または多結晶体であるが、単結晶とすることによって、格子欠陥に起因する非輻射遷移や結晶粒界でのシンチレーション光の散逸などによるロスを生じることなく、発光強度の高い中性子用シンチレーターとすることができるため、単結晶であることが好ましい。
【００３３】
本発明の結晶は、無色ないしはわずかに着色した透明な結晶であり、シンチレーション光の透過性に優れる。また、良好な化学的安定性を有しており、通常の使用においては短期間での性能の劣化は認められない。更に、機械的強度及び加工性も良好であり、所望の形状に加工して用いることが容易である。
【００３４】
本発明の結晶の製造方法は特に限定されず、公知の結晶製造方法によって製造することができるが、チョクラルスキー法、またはマイクロ引き下げ法によって製造することが好ましい。チョクラルスキー法、またはマイクロ引き下げ法で製造することにより、透明性等の品質に優れたＣｅを含有させたＬｉＣａＡｌＦ６結晶を製造することができる。マイクロ引下げ法によれば、結晶を特定の形状にて直接製造することができ、しかも短時間で製造することができる。一方、チョクラルスキー法によれば、直径が数インチの大型結晶を安価に製造することが可能となる。
【００３５】
以下、チョクラルスキー法によって金属フッ化物結晶を製造する際の、一般的な方法について説明する。
【００３６】
まず、所定量の原料を、坩堝１に充填する。原料の純度は特に限定されないが、９９．９９％以上とすることが好ましい。このような純度の高い混合原料を用いることにより、得られる結晶の純度を高めることができるため発光強度等の特性が向上する。原料は、粉末状あるいは粒状の原料を用いても良く、あらかじめ焼結或いは溶融固化させてから用いてもよい。
【００３７】
原料としては、ＬｉＦ、ＣａＦ２、ＡｌＦ３、ＣｅＦ３の金属フッ化物が用いられる。
【００３８】
前記チョクラルスキー法、またはマイクロ引き下げ法のような融液成長法によってＣｅを含有させたＬｉＣａＡｌＦ６結晶を製造する場合、これら原料の混合比は、ＬｉＦ、ＣａＦ２、ＡｌＦ３は１：１：１のモル比となるように秤量する。ただし、ＬｉＦ及びＡｌＦ３は揮発しやすいため、それぞれ１〜１０％程度多めに秤量してもよい。揮発量は、結晶育成条件（温度・雰囲気・工程）によって全く異なるため、予めＬｉＦ及びＡｌＦ３の揮発量を調べて秤量値を決めることが望ましい。また、結晶育成中に揮発しやすい温度で長時間保持する場合には、ＬｉＦ、ＡｌＦ３を１０％より多く秤量しなければならないこともある。ＣａＦ２とＣｅＦ３の揮発は、通常のＬｉＣａＡｌＦ６結晶の育成条件ではほとんど問題とならない。
【００３９】
ＣｅＦ３の量は、Ｃｅの偏析現象を考慮し、前述したように実行偏析係数を用いて原料の混合比を決定する。その際、ＣｅがＬｉＣａＡｌＦ６に対して０．０４〜０．１６モル％の範囲で含有されるように原料の混合比を計算する。０．０４％モル以上とすることで良好な弁別能を有する結晶が得られ、０．１６モル％以下とすることで白濁や割れのない結晶を製造することができる。
【００４０】
次いで、上記原料を充填した坩堝１、ヒーター２、断熱材３、及び可動ステージ４を図１に示すようにセットする。坩堝１の上に、底部に穴の開いた坩堝をもう一つ設置し、ヒーター２等に固定して吊るすことで、二重坩堝構造としてもよい。
【００４１】
また、種結晶５を自動直径制御装置６の先端に取り付ける。
【００４２】
種結晶には、替わりに白金などの高融点の金属を用いてもよいが、ＬｉＣａＡｌＦ６単結晶もしくはそれと近い結晶構造を持った単結晶を用いた方が、育成した結晶の結晶性が良好になりやすい。例えば、ＬｉＣａＡｌＦ６単結晶を６×６×３０ｍｍ３程度のサイズの直方体形状で３０ｍｍの辺がｃ軸方向に沿うように切断、研削、研磨したものしたものを用いることができる。
【００４３】
自動直径制御装置は種結晶及び育成された結晶の合計重量を測定し、その情報から種結晶の引き上げ速度を調整し、育成する結晶の直径を制御することのできる装置で、チョクラススキー法の結晶育成用に市販されている引上装置用ロードセルを用いることができる。
【００４４】
次に真空排気装置を用いて、チャンバー７の内部を１．０×１０−３Ｐａ以下まで真空排気した後、高純度アルゴン等の不活性ガスをチャンバー内に導入してガス置換を行う。ガス置換後のチャンバー内の圧力は特に限定されないが、大気圧が一般的である。このガス置換操作によって、原料或いはチャンバー内に付着した水分を除去することができ、かかる水分に由来する結晶の劣化を妨げることができる。
【００４５】
上記ガス置換操作によっても除去できない水分による悪影響を避けるため、フッ化亜鉛等の固体スカベンジャー或いは四フッ化メタン等の気体スカベンジャーを用いることが好ましい。固体スカベンジャーを用いる場合には原料中に予め混合しておく方法が好適であり、気体スカベンジャーを用いる場合には上記不活性ガスに混合してチャンバー内に導入する方法が好適である。
【００４６】
ガス置換操作を行った後、高周波コイル８、及びヒーター２によって原料を加熱して溶融させる。加熱方法は特に限定されず、例えば上記高周波コイルとヒーターの構成に替えて、抵抗加熱式のカーボンヒーター等を適宜用いることができる。
【００４７】
次いで、溶融した原料融液を、種結晶と接触させる。種結晶と接触した部分が凝固する温度になるようヒーター出力を調整した後、自動直径制御装置６による制御の元、引き上げ速度を自動調整しながら結晶を引き上げる。育成中、液面高さの調整のため可動ステージ４を上下方向に適宜動かしてもよい。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、所望の長さとなったところで液面から切り離し、育成した結晶に割れが入らない程度の十分な時間をかけて冷却することで、Ｃｅを含有させたＬｉＣａＡｌＦ６の単結晶を得ることができる。
【００４８】
フッ素原子の欠損あるいは熱歪に起因する結晶欠陥を除去する目的で、育成した結晶に対しアニール処理を行ってもよい。
【００４９】
得られたＣｅを含有させたＬｉＣａＡｌＦ６結晶は、良好な加工性を有しており、所望の形状に加工して用いることが容易である。加工に際しては、公知のブレードソー、ワイヤーソー等の切断機、研削機、或いは研磨盤を何ら制限無く用いる事ができる。
【００５０】
本発明のシンチレーターは、光電子増倍管と組み合わせて中性子線検出器とすることができる。即ち、中性子線の照射により中性子検出用シンチレーターから発せられた光（シンチレーション光）を、光電子増倍管によって電気信号に変換することによって、中性子線の有無及び強度を電気信号として捉えることができる。本発明のシンチレーターから発せられるシンチレーション光は、約２９０〜３１０ｎｍの波長の光であり、この領域の光を検出できる光電子増倍管が好適に使用できる。かかる光電子増倍管として具体的なものを例示すれば、浜松ホトニクス社製Ｒ７６００Ｕ、Ｈ７４１６等が挙げられる。
【００５１】
具体的には、例えば光電子増倍管の光電面に、Ｃｅを含有させたＬｉＣａＡｌＦ６結晶のブロックを光学グリース等で接着し、該光電子増倍管に高電圧を印加して、光電子増倍管より出力される電気信号を観測する方法が挙げられる。この光電子増倍管より出力される電気信号を利用して中性子線の強度等を解析する目的で、光電子増倍管の後段に増幅器や多重波高分析器等を設けてもよい。
【００５２】
更に、光検出器として、数ｍｍ角の有感領域を有する検出部をアレイ状に配列してなる位置敏感型光電子増倍管を用い、光電面の一部または全部を覆うサイズのＣｅを含有させたＬｉＣａＡｌＦ６結晶を接合することで、本発明の中性子線撮像装置とすることができる。
【００５３】
位置敏感型光電子増倍管には、本発明のシンチレーターから発せられるシンチレーション光である約２９０〜３１０ｎｍの波長の光を検出可能なもの（例えば、ＰＨＯＴＯＮＩＳ社製、ＸＰ８５０１２）を用いる。光電面と結晶の接合には光学グリース等を用いてもよい。結晶の形状は任意の形状で良く、板状、ブロック状、もしくは四角柱形状の結晶を規則的に配列させたシンチレーターアレイとすることができる。
【００５４】
また、中性子線の入射面以外を、カドミウム板やＬｉＦブロック等で覆い、周囲から中性子線が入射しないようにしてもよい。
【００５５】
位置敏感型光電子増倍管から出力される信号は、任意の読み取り用の機器を用いて読み出すことができ、制御用のパソコンで制御用プログラムを用いて制御してもよい。
【実施例】
【００５６】
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。
【００５７】
実施例１〜３
（中性子検出用シンチレーターの製造）
以下、実施例１について作製法を説明するが、原料秤量値が異なることを除いて実施例２、３についても同様の方法で作製した。
【００５８】
図１に示すチョクラルスキー法による結晶製造装置を用いて、Ｃｅを含有するＬｉＣａＡｌＦ６結晶を製造した。原料としては、純度が９９．９９％以上のＬｉＦ、ＣａＦ２、ＡｌＦ３、ＣｅＦ３の高純度フッ化物粉末を用いた。なお、ＬｉＦは、６Ｌｉ含有率が５０％のものを用いた。坩堝１、ヒーター２、及び断熱材３は、高純度カーボン製のものを使用した。
【００５９】
まず、表１に示す通りにそれぞれ秤量し、よく混合して得られた混合原料を坩堝１に充填した。原料を充填した坩堝１を、可動ステージ４上に設置し、その周囲にヒーター２、及び断熱材３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５とし、自動直径制御装置の先端に取り付けた。
【００６０】
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６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７内に大気圧まで導入し、ガス置換を行った。
【００６１】
高周波コイル８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５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６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。
【００６２】
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４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８０ｍｍ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８０ｍｍの、Ｃｅを含有させたＬｉＣａＡｌＦ６結晶を得た。
【００６３】
得られた結晶を、ダイヤモンドワイヤーを備えたワイヤーソーによって切断し、研削及び鏡面研磨を行い、長さ７ｍｍ、幅２ｍｍ、厚さ１ｍｍの形状に加工し、本発明の中性子シンチレーターを得た。実施例１〜３の中性子検出用シンチレーターは、式〔２〕よりＣｅ含有量がＬｉＣａＡｌＦ６に対し、それぞれ約０．０８、０．０６、０．０４モル％であった。
【００６４】
また、実施例１〜３の中性子検出用シンチレーターのＬｉ原料の６Ｌｉ含有率は５０％であり、したがって式〔１〕より、６Ｌｉ含有量は５．１ａｔｏｍ／ｎｍ３であった。
【００６５】
参考例１の中性子検出用シンチレーターとしては市販の６ＬｉガラスシンチレーターＧＳ２０（サンゴバン社製；長さ７ｍｍ、幅２ｍｍ、厚さ１ｍｍ）を用いた。
【００６６】
【表１】
2013116926.tif 000002
【００６７】
（α線、γ線励起時の発光量の比較）
実施例１〜３及び参考例１の中性子検出用シンチレーターの中性子線、γ線の弁別能を調べるため、α線、γ線励起時の発光量を以下の方法によって評価した。
【００６８】
まず光電子増倍管（浜松ホトニクス社製  Ｒ７６００Ｕ）の光電面に、中性子検出用シンチレーターの長さ７ｍｍ、幅２ｍｍの面を光学グリースで接着した。
【００６９】
次に、α線による評価の場合、４ＭＢｑの放射能を有する２４１Ａｍ、をシンチレーターの直近に配置し、α線を照射した状態で外部からの光が入らないように遮光シートで遮光した。γ線による評価の場合、外部からの光が入らないように遮光シートで遮光した後に、１ｋＢｑの放射能を有する１３７Ｃｓをシンチレーターから約３０ｍｍの位置に設置し、γ線を照射した。
【００７０】
シンチレーターより発せられたシンチレーション光を計測するため、８００Ｖの高電圧を印加した光電子増倍管を介して、シンチレーション光を電気信号に変換した。ここで、光電子増倍管より出力される電気信号は、シンチレーション光を反映したパルス状の信号であり、パルスの波高がシンチレーション光の発光強度を表し、また、その波形はシンチレーション光の減衰時定数に基づいた減衰曲線を呈する。このようにして光電子増倍管から出力された電気信号を整形増幅器で整形、増幅した後、多重波高分析器に入力して解析し、波高分布スペクトルを作成した。
【００７１】
実施例１、２、３及び参考例１の中性子検出用シンチレーターについて得られた波高分布スペクトルをそれぞれ図２、３、４及び５に示す。該波高分布スペクトルの横軸は、電気信号の波高値すなわちシンチレーション光の発光強度を表しており、ここでは、α線スペクトルのピーク値を１とした相対値で示した。また、縦軸は各波高値を示した電気信号の頻度を表し、ここでは、電気信号が計測された回数（ｃｏｕｎｔｓ）で示した。
【００７２】
参考例１の６Ｌｉガラスシンチレーターでは１３７Ｃｓによる励起で図５の波高値０．５付近に光電吸収ピークが観察されたものの、６Ｌｉガラスシンチレーターよりも低い有効原子番号のＬｉＣａＡｌＦ６結晶からなる実施例１〜３の中性子検出用シンチレーターでは光電吸収ピークが観察されず、γ線励起時の発光量を正確に決められないため、α／γ比の算出は困難だった。そのため、２４１Ａｍのα線励起時のピークを１とし、１３７Ｃｓのγ線励起時の波高分布における波高値の最大値を比較した。この値が低ければ低い程、γ線ノイズの波高値が低くなるため、閾値を設定して低い波高値の信号を除去して高い波高値の信号を選別することでγ線ノイズを除去することが容易となる。
【００７３】
実施例１、２、３及び参考例１の中性子検出用シンチレーターの、１３７Ｃｓのγ線励起時の波高値の最大値は、それぞれ０．３４、０．４４、０．５６、０．５８となった。実施例１、２、３より、Ｃｅを含有させたＬｉＣａＡｌＦ６の単結晶はＣｅ含有量が増加するに従って、この値が低くなりγ線ノイズを除去しやすくなることがわかる。さらに実施例１〜３のいずれも、参考例１の６Ｌｉガラスシンチレーターの値０．５８よりも低い値となり、良好な弁別能を有する中性子検出用シンチレーターであることがわかる。中でも、特にＣｅ含有量を０．０６、０．０８モル％とした場合の弁別能は良好で、０．０５モル％以上であれば、参考例１６Ｌｉガラスシンチレーターと比べて明確に優れた弁別能が得られる。
【００７４】
実施例４
（中性子線検出器の作製）
実施例２の中性子検出用シンチレーターを用い、Ｃｅを含有させたＬｉＣａＡｌＦ６結晶からなる中性子検出用シンチレーターと光電子増倍管を組み合わせた中性子線検出器を以下のように作製した。
【００７５】
図６に本発明の中性子線検出器の構成を示す。光電子増倍管９には浜松ホトニクス社製Ｒ７６００Ｕを用い、中性子検出用シンチレーターとして実施例２の中性子検出用シンチレーターの長さ７ｍｍ、幅２ｍｍの面を光電子増倍管９の光電面に対して光学グリースで接着した。
【００７６】
光電面に外の光が入射しないよう中性子線検出器を黒色のビニールシート製の遮光材１０で覆った後に、３．７ＭＢｑ以下の放射能の２５２Ｃｆ密封線源からの中性子線を、約４０ｍｍの厚みのポリエチレンブロックを介して熱中性子化して照射した。
【００７７】
シンチレーターより発せられたシンチレーション光を計測するため、光電子増倍管９には電源供給線より８００Ｖの高電圧を印加し、シンチレーション光を電気信号に変換、信号出力線より出力した。ここで、光電子増倍管より出力される電気信号は、シンチレーション光を反映したパルス状の信号であり、パルスの波高がシンチレーション光の発光強度を表し、また、その波形はシンチレーション光の減衰時定数に基づいた減衰曲線を呈する。このようにして光電子増倍管から出力された電気信号を整形増幅器で整形、増幅した後、多重波高分析器に入力して解析し、波高分布スペクトルを作成した。
【００７８】
得られた波高分布スペクトルを図７に示す。図７より中性子線を検出したことを示す明瞭なピークが確認でき、中性子線検出器として動作していることがわかる。該波高分布スペクトルの横軸は、電気信号の波高値すなわちシンチレーション光の発光強度を表しており、ここでは、波高分布スペクトルのピーク値を１とした相対値で示した。また、縦軸は各波高値を示した電気信号の頻度を表し、ここでは、電気信号が計測された回数（ｃｏｕｎｔｓ）で示した。
【００７９】
実施例５、６
（中性子線撮像装置の作製）
Ｃｅを含有させたＬｉＣａＡｌＦ６結晶を中性子検出用シンチレーターとして用い、位置敏感型光電子増倍管を組み合わせた中性子線撮像装置を以下のように作製した。
【００８０】
図８に本発明の中性子線撮像装置の構成を示す。中性子検出用シンチレーター部１１には、実施例５、６の中性子線撮像装置で、それぞれ異なる形状に加工したものを用いた。中性子検出用シンチレーター部１１の元となる結晶には、実施例２の中性子検出用シンチレーターの作製に用いた結晶を、ダイヤモンドワイヤーを備えたワイヤーソーによって切断し、研削及び鏡面研磨を行ったものを用いた。
【００８１】
実施例５の中性子線撮像装置の中性子検出用シンチレーターとしては、直径５５ｍｍ、厚さ２ｍｍの形状に加工し、シンチレータープレートとしたものを用いた。
【００８２】
実施例６の中性子線撮像装置の中性子検出用シンチレーターとしては、２×２×４ｍｍ３に加工したものを４００本作製し、２×２ｍｍ２の面を縦横に２０個×２０個で並べてアレイ状に配列し、反射率の高い硫酸バリウムを接合材として結晶同士を接合し、シンチレーターアレイとしたものを用いた。
【００８３】
該シンチレータープレート及びシンチレーターアレイを位置敏感型光電子増倍管１２の光電面に対し、光学グリースを用いて接着することで、実施例５、６の中性子線撮像装置とした。位置敏感型光電子増倍管１２には、６４チャンネルのＰＨＯＴＯＮＩＳ社製、ＸＰ８５０１２を用いた。
【００８４】
位置敏感型光電子増倍管１２は、ヘッドアンプユニット１３と接続した後に、光電面に外からの光が入射しないよう黒色のビニールシート製の遮光材１０で覆った。ヘッドアンプユニット１３には、クリアパルス社製、８０１９０型マルチアノード光電子増倍管ヘッドアンプユニットを用い、信号線からインターフェイス装置（クリアパルス社製、８０１９０型ＰＣＩＦ）を介してパソコンと接続して、同社製の制御用プログラムを用いて動作させ、６４チャンネルのそれぞれの波高値を時間ごとに取得できるようにした。
【００８５】
このようにして信号を読み出し可能な状態とした実施例５、６の中性子線撮像装置を用い、中性子線透過像の撮像を行った。以下、図９に示す模式図に従って説明する。
【００８６】
実勢例５、６に対し、図９の中性子検出用シンチレーター部１１に対し、３．７ＭＢｑ以下の放射能の２５２Ｃｆ密封線源１４からの中性子線を、約４０ｍｍの厚みのポリエチレンブロック１５を介して熱中性子化して照射した。
【００８７】
γ線を除去する目的で、実施例５、６とポリエチレンブロック１５の間には５０ｍｍの厚みの鉛ブロック１６を設置した。また、予期しない方向から中性子線が入射しないようにする目的で、中性子線が照射される面を除いて、実施例５、６の周囲は中性子線を透過しにくいＬｉＦブロック１７で覆った。
【００８８】
このとき、中性子透過像が撮像できることを確認するため、Ｔ字形状の厚み４ｍｍのカドミウム板１８を、実施例５、６の中性子線が照射される面に設置した。カドミウムは中性子線をよく吸収するため、中性子線を照射した際に、Ｔ字のカドミウム板１８の部分は中性子線が透過せず、Ｔ字の影が撮像されるはずである。
【００８９】
次に、２２００Ｖの電圧を印加して位置敏感型光電子増倍管１２及びヘッドアンプユニット１３を動作させた。６４チャンネルの内いずれかの箇所から、閾値として設定した値を超えた波高値の信号が出力された場合に、データを記録した。閾値の設定は、中性子検出用シンチレーター部１１が発光していない場合でも生じる装置のバックグラウンドノイズによる信号をできるだけ取得しないようにする目的で行った。
【００９０】
なお、１回の波高値の積算時間は５マイクロ秒とし、その間に得られた６４チャンネルの信号をイベントと呼称する。記録したデータはイベントの通し番号と、そのイベントにおける６４チャンネル（８×８）のそれぞれの波高値の情報であった。
【００９１】
得られたデータから、さらに中性子線によるイベントのみを選別するため、イベントごとの６４チャンネルの波高値の合計値を計算し、合計値のヒストグラム（度数分布図）を作成した。該ヒストグラムにおいて、該合計値が高い部分にピークが観察された。ピーク部分に相当する該合計値のイベントが中性子線によって生じたものと考え、後述する画像化のためのイベントとして採用した。
【００９２】
採用したデータを画像化する目的で、以下のような計算処理を行った。
【００９３】
６４チャンネルの四隅の内、任意の点を選んで原点とし、８×８の座標（ＸＡ，ＹＡ）を決めた。次に、そのようにして決めた座標の値及び測定した波高値から１回のイベントごとの電荷重心（ＸＤ，ＹＤ）を計算した。
【００９４】
電荷重心とは、位置敏感型光電子増倍管の光電面で発生した電子群の重心位置に相当する座標であり、６４チャンネルのそれぞれの箇所において、ＸＡの値とその位置での波高値を乗じた値の全６４チャンネル分の総和を、全６４チャンネル分の波高値の総和で割った値がＸＤとなる。また、ＹＡに対して同様の計算をすることでＹＤの値が得られる。計算したＸＤ，ＹＤの値は、さらにそれぞれ８倍し四捨五入することで、６４×６４の座標に変換した。
【００９５】
イベントごとに、上記の計算を行って得られた座標に対し、その座標が計算によって導出された回数を集計した。Ｘ軸、Ｙ軸を位置情報（単位ｍｍ）とし、該回数が多い場所、少ない場所をそれぞれ白色、黒色として、色の濃淡で表した図を描画した。
【００９６】
実施例５、６の中性子線撮像装置で撮像した中性子透過像を、それぞれ図１０、１１に示す。いずれにおいても、Ｔ字形状のカドミウム製の板の影が撮像できており、実施例６の中性子線撮像装置においては同時にシンチレーターアレイの接合部（中性子線に反応しない）の影も撮像できている。
【００９７】
図１０、１１より、実施例５、６は、比較的低い放射能の密封線源により撮像が可能な高感度な中性子線撮像装置であることがわかる。
【符号の説明】
【００９８】
１    坩堝
２    ヒーター
３    断熱材
４    可動ステージ
５    種結晶
６    自動直径制御装置
７    チャンバー
８    高周波コイル
９    光電子増倍管
１０  遮光材
１１  中性子検出用シンチレーター部
１２  位置敏感型光電子増倍管
１３  ヘッドアンプユニット
１４  ２５２Ｃｆ密封線源
１５  ポリエチレンブロック
１６  鉛ブロック
１７  ＬｉＦブロック
１８  カドミウム板
【図１】
2013116926.tif 000003
【図２】
2013116926.tif 000004
【図３】
2013116926.tif 000005
【図４】
2013116926.tif 000006
【図５】
2013116926.tif 000007
【図６】
2013116926.tif 000008
【図７】
2013116926.tif 000009
【図８】
2013116926.tif 000010
【図９】
2013116926.tif 000011
【図１０】
2013116926.tif 000012
【図１１】
2013116926.tif 000013