JP2019020193A - 中性子ビーム検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】放射化の影響を低減し、精度よく中性子ビームを検出できる中性子ビーム検出器を提供する。
【解決手段】中性子ビーム15が通過する位置に設置され、透過する中性子ビーム15を検出する中性子ビーム検出器10である。中性子ビーム検出器10は、容器11、電極12、ガス13、およびβ線遮蔽部14a，14bを備える。容器11は、中性子ビーム15が透過する透過窓部21a，21bを有し、アルミニウムを材料に形成される。電極12は、容器11内に配置される。ガス13は、容器11内に封入される。β線遮蔽部14a，14bは、容器11の透過窓部21a，21bの内面側に設けられ、容器11の透過窓部21a，21bが放射化して発生するβ線を遮蔽する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、中性子ビームが通過する位置に設置され、透過する中性子ビームを検出する中性子ビーム検出器に関する。

原子炉もしくは加速器によって発生された強力な中性子ビームを利用して実験等を行う施設において、中性子ビームの強度を測定するために、中性子ビーム透過形の中性子ビーム検出器が用いられている。

中性子ビーム検出器には、気密の容器内に、中性子を検出した際に電離するガスを封入するとともに、ガスの電離により発生した電子を収集する電極を配置した比例計数管等がある。

中性子ビーム検出器は、中性子ビームが通過する途中位置に設置され、透過する中性子ビームの強度に応じて一部の中性子を吸収して電気信号に変換し、出力する。中性子ビーム検出器は、使用目的が強力な中性子ビームの強度を測定することであるため、中性子ビームの検出感度は低くてよいが、中性子ビームの透過ロスは小さいほど好ましい。中性子ビーム検出器の容器の材料としては、中性子ビームの透過ロスが少ないアルミニウムを使用することが多い。

現在、世界各地で、強力な中性子源を持つ大型施設の建設が進められている。これら施設では、中性子をビーム状とした中性子ビームを試料に照射し、散乱した中性子を調べることにより、試料の性質を調べる実験装置が設置されるが、中性子ビーム検出器は主にこういった施設で使用される。

技術の進歩とともに施設の中性子ビームの強度は強力になっているが、中性子ビームの強度が高くなってきたことにより、中性子ビームの強度を測定するのに用いられる中性子ビーム検出器においては、中性子による容器の放射化が生じ、この容器の放射化による測定への影響が無視できない状況となってきている。

中性子ビーム検出器の容器に使用されている材料としてアルミニウムを例にとると、アルミニウムは中性子透過率が高い材料ではあるものの、中性子の吸収は０というわけではない。アルミニウム（²⁷Ａｌ）は熱中性子に対して０．２３１ｂの反応断面積で中性子を吸収して²⁸Ａｌとなり、２．２分の半減期で平均１．２５ＭｅＶのβ線（電子）、１．８ＭｅＶのγ線を放出する。そのため、放射化した容器で発生する放射線が容器内のガスを電離し、信号として出力されることとなる。このとき、中性子の吸収率が確率で決まるγ線と異なり、β線は容器内のガス中を横切ると、必ずガスの電離が起こり、信号となることから、測定への影響が大きい。

中性子ビームが強い場合は、通常、中性子ビーム検出器の中性子検出効率が低くなるように設定するが、検出した中性子の数より、放射化した容器が発生するβ線を検出する数の方が多くなりうる。そのため、中性子を正確にカウントすることができず、精度よく中性子ビームの強度を測定ができない。

また、容器の放射化の影響を防ぐ方法としては、容器の材料を、中性子ビームの透過ロスが少なく、かつ、放射化による放射線の放出が少ない材料に変えればよいが、そのような材料は、気密接合が難しく、かつ高価であるため、量産品の容器の材料としては適さない。

特開２００６−１９４６２５号公報

本発明が解決しようとする課題は、放射化の影響を低減し、精度よく中性子ビームを検出できる中性子ビーム検出器を提供することである。

本実施形態は、中性子ビームが通過する位置に設置され、透過する中性子ビームを検出する中性子ビーム検出器である。中性子ビーム検出器は、容器、電極、ガス、およびβ線遮蔽部を備える。容器は、中性子ビームが透過する透過窓部を有し、アルミニウムを材料に形成される。電極は、容器内に配置される。ガスは、容器内に封入される。β線遮蔽部は、容器の透過窓部の内面側に設けられ、容器の透過窓部が放射化して発生するβ線を遮蔽する。

一実施形態を示す中性子ビーム検出器の断面図である。 同上中性子ビーム検出器の容器に用いる材料の候補を示す表である。 同上中性子ビーム検出器のβ線遮蔽部に用いる材料の候補を示す表である。

以下、一実施形態を、図１ないし図３を参照して説明する。

図１に示すように、中性子ビーム検出器10は、容器11、この容器11内に配置される電極12、ガス13およびβ線遮蔽部14a，14bを備えている。中性子ビーム検出器10は、中性子ビーム15が通過する途中位置に設置され、透過する中性子ビーム15の強度を測定するのに用いられる。

そして、容器11は、気密容器であり、扁平状の直方体や円筒形等の箱形で、内部に密閉空間20が形成されている。中性子ビーム15の入射側となる容器11の一面に中性子ビーム15が透過する透過窓部（入射側透過窓部または第１の透過窓部）21aが形成されているとともに、容器11の一面に対して反対側であって透過する中性子ビーム15の出射側となる他面に中性子ビーム15が透過する透過窓部（出射側透過窓部または第２の透過窓部）21bが形成されている。すなわち、容器11は、中性子ビーム15が透過する方向の一面および他面が平面状でかつ平行に対向しており、これら一面および他面に中性子ビーム15が透過する透過窓部21a，21bが形成されている。

透過窓部21a，21bは、中性子ビーム15が通過する領域に対応して形成されており、中性子ビーム15の透過ロスをできるだけ小さくするために、透過窓部21a，21bの厚みが透過窓部21a，21b以外の容器11の箇所での厚みよりも薄く形成されている。透過窓部21a，21bの外面側が容器11の外面に対して凹状に形成されている。

透過窓部21a，21bが平行に形成されていることにより、透過窓部21a，21bを透過する中性子ビーム15の強度の位置プロファイルを乱さず、中性子ビーム15が透過する範囲内では中性子ビーム15の透過距離が均一になっている。

容器11には、中性子透過率が高い材料が選定されているとともに、気密の容器11を形成するために溶接やロウ接等の気密接合が容易に可能な材料が選定されている。図２の表に容器11に用いる材料の候補を示す。これら材料のうち、アルミニウムは、他の材料と比べて、中性子透過率が高く、しかも、気密接合が容易で、かつ安価である。そのため、容器11の材料としては、アルミニウムが好適である。そして、アルミニウムによって形成された容器11は、導体であり、陰極としての機能も有する。

また、電極12は、中性子ビーム15の透過に影響を与えずかつ中性子ビーム15が透過する範囲内で均一な増幅度が得られるように、複数の細い金属線によって構成されている。複数の電極12は、一面側の透過窓部21aと他面側の透過窓部21bとの間の中間位置にこれら透過窓部21a，21bと平行状でかつ等間隔に並んで配置され、両端が容器11に対して絶縁状態に取り付けられている。そして、電極12は、陽極として構成される。

また、ガス13は、容器11の密閉空間20に封入されている。ガス13は、中性子と核反応を起こすガスが用いられている。中性子と核反応を起こすガスとしては、³Ｈｅ（ｎ＋³Ｈｅ→ｐ＋Ｔ＋７６５keV）、もしくは¹⁴Ｎ（ｎ＋¹⁴Ｎ→ｐ＋¹⁴Ｃ＋６２７keV）等が用いられている。これらは中性子との反応断面積が３桁異なるため、必要な感度に応じて使用する物質および封入圧力が選定される。

また、β線遮蔽部14a，14bは、中性子ビーム15が透過する容器11の透過窓部21a，21bの内面側にそれぞれ設けられた内張りである。β線遮蔽部14a，14bは、容器11の透過窓部21a，21bの外形よりも少し大きい平板状に形成されており、容器11の透過窓部21a，21bの内面側を覆って溶接やロウ接あるいは他の固定手段によって固定されている。そして、β線遮蔽部14a，14bは、容器11の透過窓部21a，21bの放射化によって発生したβ線が容器11の密閉空間20内に侵入しないよう遮蔽する。β線遮蔽部14a，14bは、導体であり、容器11とともに陰極を構成する。

β線遮蔽部14a，14bは、中性子透過率が良いこと、容器11の材料よりも放射化による放射線（β線）の発生が少ないこと、β線遮蔽部14a，14bの厚さが容器11の材料から放出されるβ線の飛程より厚いことが必要である。中性子透過率は、少なくとも９０％以上であることが好ましく、９０％に満たないと、中性子ビーム15の透過ロスが大きく、中性子ビーム15の利用効率が低下してしまう。

図３の表にβ線遮蔽部14a，14bの材料の候補を示す。中性子による放射化がアルミニウムよりも起こりにくい材料であることが大前提であるが、アルミニウムが発生するβ線を遮蔽しつつ、中性子透過率が高い必要がある。

例えば、ベリリウムは、表中の材料の中では最も中性子による放射化の影響が小さいが、β線の遮蔽能力が低いため、厚くせざるを得ず、その結果、中性子透過率が低くなり、β線遮蔽部14a，14bの材料としては好ましくない。

シリコンは、放射化、中性子透過率ともに好ましいが、導体ではないため、陰極を兼ねたβ線遮蔽部14a，14bとしては使用できない。

そのため、中性子による放射化の影響がアルミニウムよりも低く、β線を遮蔽するために必要な厚さでも中性子透過率が９０％以上である材料としては、クロム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデンが選定される。

したがって、β線遮蔽部14a，14bは、中性子透過率が９０％以上の材料で、かつ放射化によるβ線の発生がアルミニウムよりも少ない材料が選定される。そのβ線遮蔽部14a，14bの材料としては、クロム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデンのいずれか１つを含むことが好ましい。

また、中性子ビーム検出器10の容器11および電極12には、陰極である容器11およびβ線遮蔽部14a，14bと陽極である電極12との間に動作電圧を印加する高圧電源が接続される。さらに、電極12には、電極12からの出力電荷を処理し、中性子ビーム15の強度を測定する処理回路が接続される。これら中性子ビーム検出器10、高圧電源および処理回路等により、中性子ビーム15の強度を測定する中性子ビームモニタが構成されている。

そして、中性子ビーム検出器10は、中性子ビーム15が通過する途中位置に設置される。中性子ビーム15の発生時、中性子ビーム15が中性子ビーム検出器10を透過する。その際、容器11の内部で、透過する中性子ビーム15の強度に応じて一部の中性子とガス13とが核反応を起こしてイオンを発生し、このイオンのエネルギによってガス13が電離して電荷が発生する。発生した電荷は、陰極である容器11およびβ線遮蔽部14a，14bと陽極である電極12との間に形成される電場によって電極12に収集される。これにより、電極12から電荷が出力され、この電極12からの出力電荷を処理回路で処理し、中性子ビーム15の強度を測定する。

また、中性子ビーム15の強度が高いことにより、中性子ビーム15が透過する容器11の透過窓部21a，21bの箇所が放射化する。容器11はアルミニウムによって形成されているため、アルミニウム（²⁷Ａｌ）は熱中性子に対して０．２３１ｂの反応断面積で中性子を吸収して²⁸Ａｌとなり、２．２分の半減期で平均１．２５ＭｅＶのβ線（電子）、１．８ＭｅＶのγ線を放出する。このとき、中性子の吸収率が確率で決まるγ線と異なり、β線は容器11内のガス13中を横切ると、必ずガス13の電離が起こるため、中性子ビーム15の強度の検出への影響が大きい。

そして、本実施形態の中性子ビーム検出器10では、容器11の透過窓部21a，21bの内面側に設けたβ線遮蔽部14a，14bにより、容器11の透過窓部21a，21bの放射化によって発生するβ線が容器11内に侵入するのを遮蔽することができる。これにより、容器11の透過窓部21a，21bが発生するβ線が容器11内のガス13中に到達することがなく、容器11の放射化の影響を低減し、精度よく中性子ビーム15の強度を測定することができる。

しかも、β線遮蔽部14a，14bを設けることによって容器11の放射化の影響を低減することができるため、容器11の材料の選定条件から、放射化のしやすさを外すことができる。これにより、容器11の材料としては、放射化しやすくても、中性子透過率が良く、気密の容器11を形成するために溶接やロウ接等の気密接合が容易なアルミニウムを選定することができる。

さらに、β線遮蔽部14a，14bは、気密の容器11を形成する必要がないため、溶接やロウ接などの気密接合が困難な材料でも、β線を遮蔽可能な厚みの板に形成できさえすれば選定できる。しかも、β線遮蔽部14a，14bは、気密接合の必要がないため、容器11内に機械的に固定するだけで済む。

さらに、β線遮蔽部14a，14bには、容器11のアルミニウムよりも放射化によるβ線の発生が少ない材料を選定することにより、β線遮蔽部14a，14bを設けない場合と比べて、β線遮蔽部14a，14bの放射化による影響を小さくできる。

また、β線遮蔽部14a，14bは、中性子ビーム15の透過率が９０％以上の材料で形成されているため、中性子ビーム15の透過ロスを少なくすることができる。

そして、β線遮蔽部14a，14bの材料としては、ジルコニウム、モリブデン、ニオブ、クロムのいずれか１つを含むことにより、中性子透過率が良く、β線遮蔽部14a，14bの放射化によるβ線の発生が少なく、β線遮蔽部14a，14bとして最適な材料を選定できる。

また、β線遮蔽部14a，14bの厚みは、容器11の透過窓部21a，21bが発生するβ線の飛程より厚いことにより、容器11の透過窓部21a，21bが発生するβ線が容器11内に侵入するのを確実に遮蔽することができる。

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。

10 中性子ビーム検出器
11 容器
12 電極
13 ガス
14a，14b β線遮蔽部
15 中性子ビーム
21a，21b 透過窓部

Claims (5)

1. 中性子ビームが通過する位置に設置され、透過する前記中性子ビームを検出する中性子ビーム検出器であって、
   前記中性子ビームが透過する透過窓部を有し、アルミニウムを材料に形成された容器と、
   前記容器内に配置された電極と、
   前記容器内に封入されたガスと、
   前記容器の前記透過窓部の内面側に設けられ、前記容器の前記透過窓部が放射化して発生するβ線を遮蔽するβ線遮蔽部と
   を具備することを特徴とする中性子ビーム検出器。
2. 前記β線遮蔽部は、前記中性子ビームの透過率が９０％以上の材料で形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の中性子ビーム検出器。
3. 前記β線遮蔽部は、放射化によるβ線の発生がアルミニウムよりも少ない材料で形成されている
   ことを特徴とする請求項１または２記載の中性子ビーム検出器。
4. 前記β線遮蔽部の材料は、ジルコニウム、モリブデン、ニオブ、クロムのいずれか１つを含む
   ことを特徴とする請求項２または３記載の中性子ビーム検出器。
5. 前記β線遮蔽部の厚みは、前記容器の前記透過窓部が発生するβ線の飛程より厚い
   ことを特徴とする請求項１ないし４いずれか一記載の中性子ビーム検出器。

Images