JP5231402B2 - 中性子及びガンマ線モニタ - Google Patents

Description

発明の背景
テロリズムが増加する中、大量破壊放射性兵器や、例えば高原子量元素のような、放射線形検出を遮蔽するために使われる物質に対する、効果的な検出器の必要性が高まりつつある。特に懸念される３つの兵器は、いわゆる「汚い爆弾」、ウランベースの核爆弾、及びプルトニウムベースの核爆弾である。例えば、汚い爆弾は、爆轟により周囲を汚染しながら撒き散らされる放射性物質に囲まれた、化学爆発物を含む。汚い爆弾は、最も一般的な痕跡であるような、それらの放出された放射線、ガンマ及び制動放射線によって検出可能である。ウランベースの核爆弾は、原理上は、²³⁵U又は²³⁸Uの痕跡ガンマ線によって識別可能である。兵器級²³⁵Uからの放射フラックスは低いのであって、そしてそれ故に、バックグラウンドガンマ線から、及び無害なソースから、²³⁵U又は²³⁸U痕跡ガンマ線を区別するためには、優れた効率及び良いエネルギー分解能が望ましい。プルトニウムベースの核爆弾は、中性子放出によって検出することが可能である。中性子エミッタは十分に希薄であり、中性子バックグラウンドレベルを数回超える中性子源の検出は、プルトニウムが存在する明白な証拠となりうる。

ガンマ線と中性子との検出には、それらの発見にまでさかのぼる、長い歴史がある。ここに参照によって全体の教示が組み入れられている“Radiation Detection and Measurement”, Third Edition, 1999 by Glenn F. Knoll, Wiley Press（非特許文献１）を例として、論題にかかる多くの書籍やモノグラフが利用可能である。最近まで、放射線検出器は、ほぼ例外なく、害のない工業用途、又は研究用途のために使われていた。最も広く使われている無機シンチレータNaI(Tl)が１９４０年代後半に導入されて以来、良い効率とエネルギー分解能とを備えたガンマ線機器が利用可能となった。現在、例えば高純度ゲルマニウム等、さまざまな用途に適した構成の低エネルギー又は高エネルギーガンマ線を検出するための、市販されている入手可能な、多数の無機及び有機シンチレータ、及び多数の半導体検出器が存在する。シンチレータからの光を、例えば光電子増倍管、光ダイオード、及び電荷結合素子（CCD）等の光検出器によって検出することができる。しかしながら、これら検出器は、例えばリード、タングステン等の、Ｚの大きい物質からなる十分な質量体によって遮蔽されたガンマ線源を検出することができない。工業用中性子検出器が、併せて１９６０年代前半に利用可能となった。これらの比較的大きな機器は熱中性子を検出するのであり、熱中性子は典型的に、BF₃ 又は ³Heのうちのいずれか一方で満たされたガス比例計数管を用いて検出される。高エネルギー中性子は典型的に、活発な中性子が水素原子核と弾性衝突する時に発生する高電離陽子を検出する、プラスチック及び液体シンチレータによって測定することができる。また、含水素物質を用いて中性子を熱中性子化し、ないしは減速させ、そして結果として生じる熱中性子を、高効率熱中性子検出器を用いて検出することによっても、高速中性子の存在が決定される。この方法を採用する検出器の例としては、リチウム又はホウ素を含むようなプラスチック及び液体シンチレータがある。

米国特許出願公開第２００５００２３４７９号

"Radiation Detection and Measurement", Third Edition, 1999 by Glenn F. Knoll, Wiley Press

発明の概要
現行の工業用放射線検出器は、依然として４０年以上前に開発された中性子及びガンマ検出技術に基づいたものである。進歩といえば、もっぱら電子部品実装やコンピュータベースの情報解析におけるものであった。利用可能な検出器技術は依然として、選択性、効率、可搬性、及び放射線兵器における３つの主なタイプの検出を備えるような、本土防衛における放射線兵器検出へのニーズを、費用効率が高い手法で満たしてはいない。したがって、遮蔽された兵器を含む大量破壊放射性兵器の、より効果的な検出器の必要性が存在する。

本発明のさまざまな実施形態において、装置には、新しいタイプの、例えばプルトニウム等のような中性子エミッタの検出を容易にする中性子検出器や、例えばウラン等のようなガンマ線源の検出を容易にするガンマ線検出器が含まれる。

本発明の装置を採用することにより、透過性中性子放射線及びガンマ線を選択的に検出することができるのであり、したがって区別することができる。その装置は、第１の導光部と、第２の導光部と、及び、入射する光学光子に対して不透明な、第１及び第２の導光部の間に挟まれた中性子シンチレータシートとを、含むことができる。第１の導光部は、第１の光学検出器と光学的に接続されていてよく、そして第２の導光部は、第２の光学検出器と光学的に接続されていてよい。第２の導光部は、ガンマ線シンチレータ又は物質を含むことができる。

高速中性子が中性子シンチレータによって捕捉され、光を発生させるよう、導光部は高速中性子を熱中性子化することができる。熱中性子化をする導光部は、高速中性子を熱中性子化する含水素物質を含むことができる。例えば、導光部は、水、有機溶媒、鉱物油、及び有機ポリマーから選択された少なくとも１つの物質を含むことができる。

中性子シンチレータは、熱中性子捕捉同位体成分、及び、捕捉同位体が熱中性子に晒されるとシンチレートする（光を放つ）シンチレーション成分を含むことができる。捕捉同位体の例には、⁶Li, ¹⁰B, ¹¹³Cd, 及び ¹⁵⁷Gdが含まれる。中性子シンチレータ成分の例には、⁶LiF 及び ZnSが含まれる。

ガンマ線シンチレータは、例えばプラスチックのような含水素物質か、又は液体シンチレータ、又は、例えばNaI(Tl), CsI(Tl), BGO, BaF₂, LSO, 及び CdWO₄のような無機シンチレータから選択された物質を含むことができる。

その装置は更に、第１の光検出器及び第２の光検出器からの信号の同時発生を指示するプロセッサを含むことができる。その機器は、プロセッサが第１の光検出器及び第２の光検出器からの信号の同時発生を指示する場合には、検出された放射線を中性子として分類する。ガンマ線は、プロセッサが第２の光検出器からの信号を指示する場合であって、しかしながら第１の光検出器からの信号と同時に起こる信号ではない場合に、検出することができる。

装置は更に、放射線検出結果を表示するための、プロセッサに接続されたディスプレイを含むことができる。

装置を、手持ち式となるよう構成することができる。

装置は更に、複数の導光板をインターリーブする複数の中性子シンチレータシートを含むことができる。

前述した、及びその他の、本発明にかかる物、特徴、及び利点は、添付図面で説明されているような、以下に続く本発明の好ましい実施形態のより詳細な説明から明らかとなるであろう。その図面において、同様の参照文字は、異なったビュー全般に亘って同一の部分を参照するものである。図面を、必ず拡大縮小、強調すべきというわけではなく、その図面は本発明の原理を説明することを課せられたものである。

図１は、本発明の機器における１つの実施形態の概略図である。 図２は、本発明の機器における別の実施形態の概略図である。 図３は、本発明の機器における別の実施形態の概略図である。 図４は、本発明の機器における別の実施形態の概略図である。 図５は、本発明の機器における更に別の実施形態の概略図である。

発明の詳細な説明
本発明の好ましい実施形態の説明が、以下に続く。

図１は、ガンマ線と中性子とを検出するよう備えられた、選択的放射線検出装置１００の実施形態を表している。入射する光学光子に対して不透明な中性子シンチレータシート１１０が、第１の導光部１０２と第２の導光部１０６との間に挟まれている。第２の導光部１０６は、ガンマ線シンチレータ物質１０７を含む。光検出器１０４が、第１の導光部１０２に、直接的に、又は図１に示されているとおり任意の光ファイバ１０３によって、接続されている。光検出器１０４は、導光部１０２を介して導かれる中性子シンチレータシート１１０からのシンチレーションを検出するよう構成される。光検出器１０８は、導光部１０６に接続されている。光検出器１０４と同様に、光検出器１０８は、第２の導光部１０６に、直接的に、又は図１に示されているとおり任意の光ファイバ１０３によって、接続されていてよい。装置１００は、任意で減速材１１６により被覆されていてもよく、減速材１１６は、高速中性子の熱中性子化を更に促進するような物質であってよい。

検出器１０４及び１０８は、データの取得、制御、及び出力を提供することができるようなプロセッサ１１２に接続されていてよい。出力は、ディスプレイ１１４により遂行することができる。

機器１００の動作において、その機器が中性子線放射に晒されている場合、中性子シンチレータシート１１０は、導光部１０２及び１０６を介して第１の光検出器１０４及び第２の光検出器１０８に伝播される光学光子を生成し、それに応じて、プロセッサ１１２が、第１の光検出器及び第２の光検出器からの信号の同時発生を指示する。こうして、プロセッサ１１２が光検出器１０４及び光検出器１０８からの信号の同時発生を指示する場合には、検出された放射線は中性子として分類される。機器１００がガンマ線放射に晒される時、導光部１０６内のガンマ線シンチレータ物質１０７は、シート１１０における中性子相互作用からの強度と同じ強度の、光学光子フラックスを生成することができる。中性子シンチレータシート１１０は入射する光学光子に対して効果的に不透明であるので（典型的なシンチレータシート内での光の減衰は、７０の因子である。）、ガンマ線放射に応答して生成される光学光子は、導光部１０６のみを介して伝播されるであろう。そしてその光学光子は、第２の光検出器１０８によって検出されるものの、しかしながら第１の光検出器１０４によっては検出されないであろう。プロセッサ１１２は、第１の光検出器及び第２の光検出器からの信号の同時発生を指示しないであろう。こうして、プロセッサ１１２が光検出器１０８からの信号を指示し、しかしながら光検出器１０４からの信号を指示しない場合には、検出された放射線はガンマ線として分類される。

幾つかの実施形態においては、機器１００がガンマ線放射に晒される時、シンチレータシート１１０内では、シンチレーション物質を含む導光部１０２と導光部１０６との両方におけるシンチレーション光をもたらすような、何らかの相互作用が生じるであろう。中性子シンチレータシート１１０のガンマ線への応答は、中性子相互作用からの応答と比較して非常に弱いのであり、そして米国特許出願第１０／８６１，３３２号（現在、米国特許出願公開第２００５００２３４７９号（特許文献１）として公開されている。）において説明されているとおり、直ちに判別することが容易に可能である。

こうして、一つの実施形態において、機器１００は、中性子とガンマ線とを独立に、同時に数えることができる。例えば、中性子からのガンマ線の判別を、10⁸: 1を超えるレベルで成し遂げることが可能である。

プロセッサ１１２を、例えば、工業用Ｘ線蛍光ユニットにおける取得、制御、及び表示システム（Xli, Niton LLC, Billerica, Massachusetts）等の、手持ち式の放射線検出器具のための当該技術分野において知られている電子制御装置から容易に改造することができる。典型的に、装置１００は手持ち式となるよう構成される。例えば、全ての部品を、総質量が約2.5kgよりも小さいか、より典型的には約1.5kgよりも小さいような単一の小型ユニット内に備えることが可能である。

中性子シンチレータ１１０は、熱中性子を停止させ、シンチレーションシートの両方の表面から放出される光学光子を生成するための高い効率を有する。ここにおいて用いられている熱中性子とは、kTのオーダーの運動エネルギーを有する中性子である。ここにおいてkはボルツマン定数であって、そしてTはケルビン（Kelvin）での周囲の温度である。ここにおいて用いられている高速中性子とは、kTよりも大きい、典型的には非常に大きい（例えば数千から数百万電子ボルトの範囲内にある）運動エネルギーを有する中性子である。典型的に、中性子シンチレータ１１０の材料物質は、優れた熱中性子検出効率と、無視できるほどにわずかなＸ線又はガンマ線の検出効率とを有することが可能である。この物質は、捕捉同位体が熱中性子に晒されるとシンチレートするシンチレーション成分に結合された熱中性子捕捉同位体を含むことができる。捕捉同位体は、例えば⁶Li, ¹⁰B, ¹¹³Cd, ¹⁵⁷Gd等のような（一般的には⁶Li 又は ¹⁰Bであって、より典型的には⁶Liである。）、当該技術分野において知られている任意の熱中性子捕捉同位体であってよい。シンチレーション成分は、捕捉同位体による熱中性子捕捉の反応生成物に応じて、シンチレーションに対する当該技術分野において知られている任意の成分であってよい。例えば、シンチレーション成分はZnSであってよい。中性子シンチレータ１１０の材料物質は、例えばZnSと組み合わせられた⁶Li, ¹⁰B, ¹¹³Cd, 又は ¹⁵⁷Gdのうちの少なくとも１つを含む化合物のような、捕捉同位体とシンチレーション成分との任意の組み合わせであってよい。典型的には、中性子シンチレータは⁶LiF と ZnSとの組み合わせである。例えば、さまざまな実施形態において、中性子シンチレータ１１０は市販されている入手可能なスクリーン物質（Applied Scintillation Technologies, Harlow, United Kingdom）であり、LiF と ZnSとの混合物から作り出される、およそ0.5mmの厚さのものある。リチウムは同位体濃縮された⁶Liであって、熱中性子を捕捉し、4.78MeVの総エネルギー解放を伴ってヘリウム原子核⁴He及び三重子³Hへと即座に分裂するための、940バーン（barn）の断面積を有する同位体である。活発なアルファと三重子とは、アルファと三重子とが停止する際のメガボルトのエネルギー損失毎に対して約50,000個の光学光子を放出することにより自己をシンチレートさせるようなZnS内で、エネルギーを失うことができる。したがって、捕捉された各中性子は、数十万の光の量子を発生させる可能性が高い。

好ましくは、含水素物質を用いて、装置を小型で効率的な高速中性子検出器としつつ、高速中性子を熱中性子化するような光学誘導部１０２とシンチレータ−光学誘導部１０６とを作成することができる。

高速中性子を熱中性子化する物質からなる任意の中性子減速材１１６を、高速中性子検出効率を更に上昇させるために、加えることが可能である。当業者であれば、多くの適切な減速材物質を知っているであろう。そして当業者であれば、ガンマ線検出効率の如何なる損失をも最小化しつつ、減速材物質、厚さ、そして中性子検出効率を最大化するための配置を選択できる。例えば、典型的な中性子減速材は、水、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）、油及びワックス（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）、ポリアクリル酸塩（例えば、ポリメタクリル酸メチル）、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）、水又は有機溶媒とポリマーとが一緒になった複合材料又はゲル（例えば、ゼラチンの水ゲル、ポリアクリル酸、ヒアルロン酸等）、及びそれ以外の、当該技術分野において知られているそのような減速材等の、含水素物質である。

例えば幾つかの実施形態において、減速材１１６は、例えば高密度ポリエチレンのような有機ポリマーを用いて作成することができる。そして、入射する高速中性子を中性子シンチレータ１１０によって効率よく捕捉できるようにと、それら入射する高速中性子を減速させる（熱中性子化する）ため、減速減速材１１６によって装置１００を覆うことができる。他の実施形態において、減速材１１６は、例えば水、有機溶媒、水ゲル等のような、装置１００を覆う適切な厚さの液体減速材の層を有する容器であってよい。さまざまな実施形態において、中性子減速材中の水素原子核は、²H同位体に濃縮されていてよい。すなわち、減速材中の²Hの割合は、天然存在度レベルを超えるものである。幾つかの実施形態において、中性子減速材中の水素原子核の、少なくとも約50%、より典型的には少なくとも約90%、又は、好ましくは少なくとも約95%が、²H同位体である。

シンチレーション光子を光検出器１０４及び１０８へと導くことに加えて、導光部１０２及び１０６は任意で、高速中性子の減速材、又は熱中性子化材として振舞うことができる。すなわち高速中性子を、それらが中性子シンチレーションシート１１０によって効率よく捕捉されるよう、熱エネルギーまで減速させることができる。したがって、導光部１０２及び１０６は、例えば典型的には、水、有機溶媒、水又は有機溶媒とポリマーとが一緒になった、透過性有機ポリマー（例えば、ポリアクリル酸、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）複合材料又はゲル、鉱物油、等の含水素物質のような、透過性基準を満たすことができる上述の如何なる中性子減速材を含んでもよい。典型的には、導光部１０２及び１０６の材料物質は、例えば通常はポリアクリル酸塩（例えば幾つかの実施形態においては、ポリメチル・メタクリレートである。）であるような、有機ポリマー等の固体であってよい。さまざまな実施形態において、導光部１０２及び１０６の材料物質中の水素原子核は、²H同位体に濃縮されていてよい。すなわち、減速材中の²Hの割合は、天然存在度レベルを超えるものである。幾つかの実施形態において、中性子減速材中の水素原子核の、少なくとも約50%、より典型的には少なくとも約90%、又は、好ましくは少なくとも約95%が、²H同位体である。

導光部１０６は、当該技術分野において知られているような、さまざまなガンマ線シンチレーション物質１０７のうち、如何なるものを含んでもよい。そのような物質の例としては、タリウムがドープされたヨウ化ナトリウム(Na(Tl),タリウムがドープされたヨウ化セシウム(CsI(Tl)),ゲルマン酸ビスマス(BGO),フッ化バリウム(BaF₂),セシウムがドープされたルテチウムオキシオルトシリケート(LSO(Ce)),タングステン酸カドミウム(CWO),セリウムがドープされたイットリウムアルミニウムペロブスカイト(YAP(Ce)),セリウムがドープされたガドリニウムシリケート(GSO),等が含まれる。例えば、NaI(Tl)は高速、高効率、そして安価なものとすることが可能であるが、しかしながら湿りやすい可能性があり、典型的には湿気に対して密閉されている。BaF₂, BGO 又は LSO等のような吸湿性ではない結晶を採用することも可能である。そのような物質は典型的に、汚い爆弾からのガンマ線に対して良い検出効率を有するよう選択される。例えば、¹³⁷Cs（汚い爆弾における放射線の脅威として、しばしば挙げられる。）からの662 keVガンマ線は、2.5cm（1インチ）の厚さのLSO結晶内で、80%を超える吸収効率を有することが可能であり、これにより約10,000個の検出可能な光学光子を発生させることができる。一般的に、ガンマ線シンチレータはNaI(Tl), CsI(Tl), BGO, BaF₂, LSO, 又は CdWO₄のうちの（又は、より典型的にはBGO, BaF₂, 又は LSOのうちの）１つを含む。幾つかの実施形態において、ガンマ線シンチレータはBaF₂であり、そして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。

導光部１０６を、プラスチックシンチレータ又は液体シンチレータのような含水素シンチレータとすることができる。含水素シンチレータが有する、単一エネルギーガンマ線のエネルギー分解能は非常に低いのであって、それゆえガンマ線源の識別には適していないのであるが、しかしながらそれら含水素シンチレータは、電離放射線の存在を警告することと、放射線量の正確な測定値、すなわち放射フラックスの強度を与えることとの両方によく適しているし、そしてよく利用される。

ガンマ線シンチレーション物質１０７と導光部１０６とは、任意のシンチレーションイベントによって生成される光の波長に対して透過的であってよい。ここにおいて用いられる「透過的」及び「透過性」とは、例えばシンチレーション光等のような光の、物質内における単位経路長さ当たりの透過率に言及するものである。典型的には、シンチレーション光に対して透過的である物質は、物質におけるメートル当たり、そのシンチレーション光の少なくとも約90%、一般的には約95%、そしてより典型的には約98%を透過する。典型的に、透過されるシンチレーションは、約400ナノメートル(nm)から約600nmまで、一般的には約350から約600nmまで、又は、より典型的には約300から約600nmまで、の範囲内にある。したがって、幾つかの実施形態において、透過性物質（例えば、導光部やガンマ線シンチレータ等）は、約350nmと約600nmとの間のシンチレーションを、メートル当たり約95%透過するのであり、より典型的には、約300nmと約600nmとの間のシンチレーションを、約98%透過する。

上述のとおり、中性子シンチレータシート１１０は、ガンマ線シンチレーション物質１０７によって生成された光学光子に対して実質的に不透明であって、すなわち透過的ではなく、それ故にそのような光子が検出器１０４によって検出されることを妨げる。

さまざまな実施形態において、中性子シンチレータシート１１０と導光部１０２及び１０６のそれぞれの屈折率は、同じ範囲内（例えば約1.4から約2.4、又は、より典型的には、約1.5から約1.8）であってよく、そして一般的には、シンチレータ１１０と導光部１０２及び１０６との間の界面における反射を最小化すべく、類似するよう選択することが可能である。

図２において示される機器２００は、本発明にかかる機器の代替的実施形態である。機器２００は、複数の導光板（制限を加えるものではない例示として、３つの導光板２０２ａ，２０２ｂ，及び２０６が示されている。）をインターリーブする複数の中性子シンチレータシート（制限を加えるものではない例示として、２つの中性子シンチレータ２１０ａから２１０ｂが示されている。）を含む。図１において表されている機器１００の導光部１０６と同様に、導光部２０６はガンマ線シンチレーション物質２０７を含む。導光部２０２ａ及び２０２ｂは光検出器２０４ａ及び２０４ｂに光学的に接続され、一方で導光部２０６は光検出器２０８に光学的に接続される。導光部２０２ａ，２０２ｂ，及び２０６を検出器２０４ａ，２０４ｂ，及び２０８に接続するための手段には、任意で光ファイバ２０３を含むことができる。

検出器２０４及び２０８は、データの取得、制御、及び出力を提供することができるようなプロセッサ２１２（ここにおいては、以下で説明されるような、その動作の多層構造論理スキームと共に表されている。）に接続されていてよい。出力は、ディスプレイ２１４により遂行することができる。中性子シンチレータシート２１０ａ及び２１０ｂは、ガンマ線シンチレーション物質２０７によって生成された光学光子に対して実質的に不透明であって、すなわち透過的ではなく、それ故にそのような光子が検出器２０４によって検出されることを妨げる。

以下は、機器２００の動作に亘って採用される、プロセッサ２１２の論理である。

中性子が中性子シンチレータシート２１０ａにぶつかる場合、このイベントによって生成された光学光子は、２０２ａと２０２ｂとの両方の導光部を介して伝播し、そして２０４ａと２０４ｂとの両方の検出器によって検出される。検出器２０４ａ及び２０４ｂからの信号は「中性子検出器」要素２５２へと伝播し、要素２５２はディスプレイドライバ２７０に、中性子が検出されたことを指示するディスプレイ２１４上に表示されるべき信号を生成させるであろう。

中性子が中性子シンチレータシート２１０ｂにぶつかる場合、このイベントによって生成された光学光子は、２０２ｂと２０６との両方の導光部を介して伝播し、そして２０４ｂと２０８との両方の検出器によって検出される。２０４ｂと２０８との両方の検出器からの信号の存在は、同時計数器２５４によって検出されるであろう。同時計数器２５４は、「通常は閉じられている」ゲート２５６を開き、そして「通常は開かれている」ゲート２５８を閉じるであろう。「通常は閉じられている」ゲート２５６から伝播された信号は、「中性子検出器」要素２５２へと伝播し、要素２５２はディスプレイドライバ２７０に、中性子が検出されたことを指示するディスプレイ２１４上に表示されるべき信号を生成させるであろう。

ガンマ線が導光部２０６中のシンチレーション物質２０７にぶつかる場合、検出器２０８のみが信号を生成し、信号は「通常は開かれている」ゲート２５８を通って「ガンマ検出器」要素２６０へと伝播し、要素２６０は、「中性子検出器」要素２５２からの信号が存在しない場合は、ディスプレイドライバ２７０に、ガンマ線が検出されたことを指示するディスプレイ２１４上に表示されるべき信号を生成させるであろう。

図３に示される機器４００は、本発明にかかる機器の代替的実施形態である。機器４００は、複数の導光板（制限を加えるものではない例示として、４つの導光板４０２ａ，４０２ｂ，４０６ａ及び４０６ｂが示されている。）をインターリーブする複数の中性子シンチレータシート（制限を加えるものではない例示として、３つの中性子シンチレータ４１０ａから４１０ｃが示されている。）を含む。導光部４０６ａ及び４０６ｂは、ガンマ線シンチレーション物質４０７を含む。機器４００において、導光部４０２ａ及び４０２ｂは、導光部４０６ａ及び４０６ｂをインターリーブする。中性子シンチレータシート４１０ａから４１０ｄは、ガンマ線シンチレーション物質４０７によって生成された光学光子に対して実質的に不透明であって、すなわち透過的ではなく、それ故にそのような光子が検出器４０４によって検出されることを妨げる。

図３に示される機器４００の実施形態において、導光部４０２ａ及び４０２ｂは光検出器４０４に光学的に接続され、一方で導光部４０６ａ及び４０６ｂは光検出器４０８に光学的に接続される。光学的に接続するための手段には、任意で光ファイバ４０３を含むことができる。光検出器４０８からの信号が存在し、しかしながら光検出器４０４からの信号が存在しない場合、プロセッサ４１２はガンマ線を検出する。光検出器４０８と光検出器４０４との両方からの、既定レベルを超える同時信号が存在する場合、プロセッサ４１２は中性子を検出する。出力はディスプレイ４１４により遂行することができる。

図４において示される機器５００は、本発明にかかる機器の代替的実施形態である。機器５００は、複数の導光板（制限を加えるものではない例示として、４つの導光板５０２ａ，５０２ｂ，５０６ａ及び５０６ｂが示されている。）をインターリーブする複数の中性子シンチレータシート（制限を加えるものではない例示として、２つの中性子シンチレータ５１０ａと５１０ｂとが示されている。）を含む。導光部５０６ａ及び５０６ｂは、ガンマ線シンチレーション物質５０７を含む。機器５００において、導光部５０２ａ及び５０２ｂは、導光部５０６ａ及び５０６ｂをインターリーブする。中性子シンチレータシート５１０ａから５１０ｄは、ガンマ線シンチレーション物質５０７によって生成された光学光子に対して実質的に不透明であって、すなわち透過的ではい。

図４に示される機器５００の実施形態において、導光部５０２ａ及び５０２ｂは導光部５２０を介して光検出器５０４に光学的に接続され、一方で導光部５０６ａ及び５０６ｂは導光部５２２を介して光検出器５０８に光学的に接続される。導光部５０２ａ及び５０２ｂからの光子は、導光部５２２へ入ることを不透明部材５２６により妨害される。同様に、導光部５０６ａ及び５０６ｂからの光子は、導光部５２０へ入ることを不透明部材５２４により妨害される。１つの実施形態において、不透明部材５２０及び５２４は、導光部５０２ａ，５０２ｂ，５０６ａ，及び５０６ｂ上への反射性被膜物であってよい。

光検出器５０８からの信号が存在し、しかしながら光検出器５０４からの信号が存在しない場合、プロセッサ５１２はガンマ線を検出する。光検出器５０８と光検出器５０４との両方において、既定レベルを超える信号が存在する場合、プロセッサ５１２は中性子を検出する。出力は、ディスプレイ５１４により遂行することができる。

既に言及したとおり、ガンマ線からの中性子選択性は、ガンマ線源からの間違ったアラームを最小化しつつ、例えばプルトニウムのような中性子線源を検出するために欠かすことができないと言えるものである。例えば、ある現在の安全基準において、中性子検出器は、0.455kg（1ポンド）のプルトニウムを２メートル離れたところから検出することが望まれている。0.455kg（1ポンド）のプルトニウムは、毎秒およそ20,000個の高速中性子線を放出する。２メートル地点では、１秒当たり検出器を横切る中性子は、cm² 当たりで高々0.04個である。したがって、本発明にかかる機器によって達成可能な中性子の検出効率が50%であったならば、計数率はたった0.02/sec/cm²である。中性子検出器におけるガンマ線検出効率が10^-3であったならば、少量のソースからの20 ガンマ線/sec/cm² によって0.455kg（1ポンド）のプルトニウムからの中性子と同じ信号が与えられ、したがって警報がトリガされるであろう。たった2 × 10^-9のガンマ線検出効率しか有さないような本発明にかかる機器であれば、たとえ強力なガンマ線源によってでも、通常惑わされることはないであろう。実際、本発明にかかる機器は通常、ガンマ線源それ自身が深刻な健康上の危険でない限りは、ガンマ線源を中性子／プルトニウム安全基準に相当するほどは検出しないであろう。

本発明にかかる機器は、従来の³He検出器に比べて他にも実用上の利点を有する。工業用³He検出器は典型的に、例えば多くの工業用器具において用いられている高密度ポリエチレンの厚さ5cmのカバーのような厚い中性子減速材に囲まれていない限り、約10%だけの中性子検出効率を有するのみである。導光部により与えられる内在的な中性子の減速を備えた、開示されている中性子検出器は、高密度ポリエチレンカバーを用いずとも、ほぼ40%の効率を有することが可能である。更には、完全に減速された³He検出器の効率達成が必要とされる場合、開示されている中性子検出器は、大幅に薄い外部減速材（例えばポリエチレン）を採用し、完全な減速を得ることができる。こうして、ここにおいて開示される検出器を、同じ効率を有する工業用³He検出器よりも著しく軽くすることが可能であり、このことは手持ち式で用いるよう機器を構成するために最も重要なことである。

併せて、本発明にかかる機器を大変頑丈なものとすることが可能であり、そして本発明の機器は旅行制限を受けなくてもよい。³He検出器は典型的に、約2から約4気圧の圧力下で同位体³Heを含んでいる。多くの状況において、そのような検出器を輸送するためには輸送規制により特別な手続が要求される。

併せて、工業用³He検出器は典型的に、動作温度が+10^oC から +50^oCの範囲へと制限されており、そこにおいても依然として検出は温度変化の影響を受ける。本発明にかかる機器は、少なくとも約-10^oC から 約 50^oCの範囲に亘っては、温度変化により影響を受けないものとすることが可能である。

更に別の利点は、本土防衛の要件を満たすために十分に大きいサイズにおいて、開示されている検出器は、同等の効率の工業用³He検出器よりもコストのかからないものとすることができるということである。これは、例えば中性子シンチレーションシートのような類似の物質におけるコストが、従来型検出器における³Heと比較して、通常は大幅に安価だからである。

図５は、本発明の中性子検出スキームの１つの態様に従って構築される中性子検出装置５５０の概略図を描写している。この装置はガンマ線を10⁹:1のレベルで排斥することができる。すなわち、装置５５０に入る10⁹個のガンマ線に対して１個未満のガンマ線しかカウントされないであろう。装置５５０は、第１の導光部５６０ａと第２の導光部５６０ｂとの間に層をなす中性子シンチレータ５５５を含む。第１及び第２の導光部５６０ａ及び５６０ｂは、興味がある波長において実質的に光透過的であるような、如何なる適切な物質から形成されていても、又は物質の組み合わせから形成されていてもよい。ある特定の実装において、第１及び第２の導光部５６０ａ及び５６０ｂは含水素物質（例えば水、有機溶媒、鉱物油、又は有機ポリマー）を組み入れ、そこを通り過ぎる高速中性子を熱中性子化し、シンチレータ５５５内での中性子の捕捉を容易にする。中性子シンチレータ５５５と導光部５６０ａ及び５６０ｂとは実質的に平面的幾何学構造を有しているように描写されてはいるが、装置５５０はそのようなものへと制限されるわけではなく、中性子シンチレータと導波管とが同軸円筒状シェルとして形成されるような円筒状の構成を含む、別の幾何学構造で構築されてもよい。第１及び第２の導光部５６０ａ及び５６０ｂは各々、第１及び第２の光検出器５８０ａ及び５８０ｂに光学的に接続されている。各々の導波管の対応する検出器への光学的接続を、光ファイバ５７５ａ及び５７５ｂを用いて成し遂げてもよいし、又は代替的に、バルク光学要素を利用することもできる。第１の光検出器５８０ａは第１の導光部５６０ａから発せられる光を検出し、しかしながら第２の導光部５６０ｂからの光は検出しないよう、そして、第２の光検出器５８０ｂは第２の導光部５６０ｂから発せられる光を検出し、しかしながら第１の導光部５６０ａからの光は検出しないよう、光検出器５８０ａ及び５８０ｂは別々に、そして独立に構成される。第１及び第２の光検出器５８０ａ及び５８０ｂによって（そこで光を受け取ることに応答して）生成される信号は、プロセッサ５８５へと運ばれる。プロセッサ５８５は、受信された信号が時間的に同時であるかどうかを決定するための回路又は論理を備えている。

上述のとおり、中性子シンチレータ５５５は、捕捉同位体（例えば⁶LiF）及びシンチレータ（例えばZnS）成分の組み合わせから作成することができる。ガンマ線及び他の形の放射線に対しての判別を与えるために、中性子シンチレータ５５５は、そのような中性子ではない放射線には実質的に反応しない（すなわち、そこへの入射に応答して光を放出しない）物質から作られるべきである。使用においては、中性子シンチレータ５５５内で中性子５６５を捕捉すると、光の放出が引き起こされる。その光は、矢印５７０ａ及び５７０ｂによって指示されているとおり、第１の導光部５６０ａへと向かう第１の方向と、第２の導光部５６０ｂへと向かう第２の方向との両方に放出される。図５の実施形態と組み合わせて用いられている方向という用語は、シンチレータと導光部とによって定義される平面を横断する軸に沿った、中性子シンチレータ５５５に対しての放出された光の移動の成分について言及するものである。第１及び第２の方向はお互いが反対となるように言及されている。放出された光の幾らかはまた、これら平面に平行な移動成分を有するであろうということが、認識できるであろう。

中性子シンチレーションによって生成されて第１の導光部５７０ａへ向かって放出される光の少なくとも一部はそれによって捕捉され、そして第１の導光部５７０ａの長さ方向に沿って、第１の光検出器５８０ａへと向かって伝播される。同様に、中性子シンチレーションによって生成されて第２の導光部５７０ｂへ向かって放出される光の少なくとも一部はそれによって捕捉され、そして第２の導光部５７０ｂの長さ方向に沿って、第２の光検出器５８０ｂへと向かって伝播される。こうして、中性子シンチレータ５５５内における中性子捕捉イベントにより、第１及び第２の光検出器５８０ａ及び５８０ｂの両方へ向けられた光が発生されるであろう。中性子シンチレータ５５５は光学的に透過的には設計されておらず、それ故にそこを通り過ぎて伝播する光を減衰させるであろうということ、及びそれを理由として、導光部の一方により捕捉される（そして関連する光検出器によって検出される）光の強度は通常、もう一方の導光部によって捕捉される光の強度よりも大きいであろう、ということを認識すべきである。例えば、中性子が中性子シンチレータ５５５と第１の導光部５６０ａとの間の界面に近接して捕捉される場合、中性子シンチレータ５５５を通る第２の導光部５６０ｂまでの、より大きい距離を移動することから生じるさらに大きな減衰に起因して、第１の導光部５６０ａにより捕捉されて第１の光検出器５８０ａへと伝播される光の強度は、第２の導光部５６０ｂにより捕捉されて第２の光検出器５８０ｂへと伝播される光の強度よりも著しく大きくなるであろう。しかしながら、たとえ信号の強度が等しくないとしても、中性子捕捉イベントの結果として、光検出器５８０ａ及び５８０ｂから時間的に同時の信号が生成されることとなるであろう。

プロセッサ５８５は、絶え間なく、又は周期的に、第１及び第２の光検出器５８０ａ及び５８０ｂからの信号を取得し、その取得された信号が時間的に同時であるかどうかをテストする。時間的な同時性が存在すると決定された場合、その後プロセッサ５８５は中性子検出イベントを登録し、計数器を増加させるか、又は同等の動作を実行する。逆に、プロセッサ５８５が、一方の光検出器から受信された信号は時間的に同時であるようなもう一方の光検出器からの信号（これは検出器ノイズ又は散在する光源の存在により生じるかもしれない。）を伴うものではないと、決定する場合、その後プロセッサ５８５はその信号を無視し、中性子検出イベントを登録しない。

図５の実施形態の変形において、単一の光電管（ＰＭＴ）又は導光部５７０ａ及び５７０ｂの両方から光を受け取る他の光検出機器を利用して、中性子検出装置を構築することができる。ＰＭＴにより発生される信号へ閾値を適用することにより、中性子捕捉と他のイベント（例えば入射ガンマ線）とから生じるシンチレーションを判別することができる。中性子捕捉イベントにおいて、光子が両方の導光部へ放出されるというのは大変起こりやすいことであり、そして放出された光子は、典型的には複数ナノ秒であるようなＰＭＴの時間ウインドウにおいて加算されるであろう。対照的に、ガンマ線相互作用によって発生される光子は一方の導光部のみに放出されるということが大変起こりやすく、それによりＰＭＴにおいては弱い信号がもたらされる。この技法は、10⁸: 1のレベルでガンマ線を排斥できるということが観測されている。

本発明は、特にその好ましい実施形態を参照しつつ、示され、そして説明されてきたのであるが、当業者であれば、添付の請求項に包含される発明の範囲を逸脱することなく、その形式や細部にさまざまな変更を加えることが可能であるということが理解されるであろう。

Claims (14)

1. 第１の光検出器に光学的に接続された第１の導光部と、
   第２の光検出器に光学的に接続された、ガンマ線シンチレータ物質を含む第２の導光部と、
   前記ガンマ線シンチレータ物質によって生成された光子が前記第１の検出器によって検出されることを妨げるよう、入射する光学光子に対して不透明とされた、前記第１及び第２の導光部に挟まれた中性子シンチレータのシートと、
   前記第１及び第２の光検出器に接続されて、該第１及び第２の光検出器からの信号の同時発生に基づき、検出された放射線を中性子として分類するか、又は該第２の光検出器からであるが該第１の光検出器からではない信号に基づいてガンマ線として分類する、プロセッサと
   を含む、選択的放射線検出装置。
2. 高速中性子が前記中性子シンチレータにより捕捉され、光を発生させるよう、前記導光部は該高速中性子を熱中性子化する、請求項１に記載の装置。
3. 前記導光部は、高速中性子を熱中性子化する含水素物質を含む、請求項２に記載の装置。
4. 前記導光部は、水、有機溶媒、鉱物油、及び有機ポリマーから選択された少なくとも１つの物質を含む、請求項３に記載の装置。
5. 前記中性子シンチレータは、熱中性子捕捉同位体成分、及び、該捕捉同位体が熱中性子に晒されると光を放つシンチレーション成分を含む、請求項１に記載の装置。
6. 前記ガンマ線シンチレータはプラスチックシンチレータ又は液体シンチレータを含む、請求項１に記載の装置。
7. 前記捕捉同位体は、⁶Li, ¹⁰B, ¹¹³Cd, 及び ¹⁵⁷Gdから選択される、請求項５に記載の装置。
8. 前記中性子シンチレータは⁶LiF 及び ZnSを含む、請求項５に記載の装置。
9. 前記ガンマ線シンチレータは、NaI(Tl), CsI(Tl), BGO, BaF₂, LSO, 及び CdWO₄から選択された物質を含む、請求項１に記載の装置。
10. 中性子とガンマ線とを同時に独立に数え上げる、請求項１に記載の装置。
11. 放射線検出結果を表示するための、プロセッサに接続されたディスプレイを更に含む、請求項１に記載の装置。
12. 手持ち式となるよう構成される、請求項１に記載の装置。
13. 複数の中性子シンチレータシートと複数の導光板が交互に配置されている、請求項１に記載の装置。
14. 前記導光板に光学的に接続された複数の光検出器を更に含む、請求項１３に記載の装置。

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