一致信号に基づく中性子検出方法および中性子検出装置
本方法は、第１信号と第２信号の時間近接に基づき中性子（１０２）を検出することを含む。第１信号は、中性子とガンマ線のうちの少なくとも１つの検出を示す。第２信号は、ガンマ線（１０４）の検出を示す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、中性子検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
中性子感応マイクロチャネル板（ＭＣＰ）は、プルトニウムのような特殊な核物質（ＳＮＭ）を検出するために使用できるか、または中性子画像化において使用できる。マイクロチャネル板は、入力電極と出力電極の間にガラス板を接合し、電極間に高圧の直流（ＤＣ）電流場を提供することによって形成できる。ガラス板には、実質的に規則的で並列なアレイの微細なチャネル（たとえば円筒状で空洞のチャネル）が穿孔される。各チャネル（独立した電子増倍管として作用できる）は、半導電性および電子放出層から形成された内壁面を有する。
【０００３】
ガラス板は、たとえばアルファ粒子とリチウム−７粒子を生成する反応中の中性子を捕らえることができるボロン−１０粒子に浸漬できる。リチウム−７粒子とアルファ粒子が近くのチャネルに入り、二次電子を生成すべく壁面に衝突する際に、二次電子は、チャネルに沿って加速し（直流電流場による）、チャネルに沿って更に壁面に衝突する。その結果、二次電子の数を増加させるときに、電子のカスケードが形成されることがある。電子カスケードは、チャネルに沿って成長し、デジタル画像を構築するために、電子的に登録され処理される検出可能な信号に増幅される。結果として生じる強度マップまたは画像は、マイクロチャネル板表面に衝突する中性子束の変化に対応する。サンプルの画像内のコントラスト差は、物理的および化学的性質を推論するために使用されることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願第１１／５２２，７９５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、中性子の誤検出低減には、改善の余地がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
１つの態様では、概して本方法は、第１信号と第２信号の時間近接に基づき、中性子を検出することを含む。第１信号は、中性子とガンマ線のうちの少なくとも１つの検出を示す。第２信号は、ガンマ線の検出を示す。
【０００７】
本方法の実施は、次の特徴のうちの一または複数を含むことが可能である。本方法は、マイクロチャネル板検出器を使用して、第１信号を生成することと；ガンマ線検出器を使用して、第２信号を生成することと；第２信号が、第１信号の発生後の閾値時間内に生じたか否か判定することとを含む。幾つかの例では、閾値時間は、５０ナノ秒未満である。幾つかの例では、閾値時間は、１０ナノ秒未満である。中性子の検出は、ボロン−１０粒子を使用して中性子を捕らえ、アルファ粒子とリチウム−７粒子を生成することを含む。中性子の検出は、マイクロチャネル板検出器が中性子またはガンマ線の検出を示す出力パルス発生後の５０ナノ秒未満内に、ガンマ線を検出することを含む。
【０００８】
別の態様では、概して本方法は、マイクロチャネル板検出器を使用して、第１信号を生成することを含む。第１信号は、中性子とガンマ線のうちの少なくとも１つの検出を示す。更に本方法は、ガンマ線検出器を使用して、第２信号を生成することを含む。第２信号
は、ガンマ線の検出を示す。更に本方法は、第２信号が第１信号発生後の閾値時間内に生じた場合に、中性子がマイクロチャネル板検出器によって検出されたことを示す第３信号を生成することを含む。
【０００９】
本方法の実施は、次の特徴の一または複数を含むことが可能である。本方法は、第１信号の発生と第２信号の発生との間の時間差を比較することを含む。第１信号の生成ステップは、マイクロチャネル板検出器を使用して、第１信号を生成することを含む。第２信号の生成ステップは、アルファ粒子とリチウム−７粒子を生成し、二次電子放出を誘発させることを含む。閾値時間は、５０ナノ秒未満である。
【００１０】
別の態様では、概して本装置は、第１信号と第２信号の時間近接に基づき、中性子を検出する中性子検出器を備える。第１信号は、中性子とガンマ線のうちの少なくとも１つの検出を示す。第２信号は、ガンマ線の検出を示す。
【００１１】
本装置の実施は、次の特徴の一または複数を含むことが可能である。中性子検出器は、第１信号を生成するマイクロチャネル板検出器を備える。幾つかの例では、マイクロチャネル板検出器は、ボロン−１０に浸漬されたガラスを備える。幾つかの例では、マイクロチャネル板検出器は、ガドリニウムに浸漬されたガラスを備える。中性子検出器は、第２信号を生成するガンマ線検出器を備える。中性子検出器は、第１信号の発生後の閾値時間内に、第２信号が発生したか否か判定する信号プロセッサを備える。幾つかの例では、閾値時間は、５０ナノ秒未満である。幾つかの例では、閾値時間は、１０ナノ秒未満である。
【００１２】
別の態様では、概して本装置は、中性子とガンマ線のうちの少なくとも１つの検出時に、第１検出信号を生成するマイクロチャネル板検出器と；ガンマ線の検出時に第２検出信号を生成するガンマ線検出器と；第１検出信号と第２検出信号を受信する際に中性子の検出を示す第３信号を生成する信号プロセッサとを備える。信号プロセッサは、第１検出信号の発生後の閾値時間内に、第２検出信号が発生したか否か判定する。
【００１３】
本装置の実施は、次の特徴の一または複数を含むことが可能である。マイクロチャネル板検出器は、ボロン−１０とガドリニウムのうちの少なくとも１つに浸漬されたガラスを備える。幾つかの例では、マイクロチャネル板検出器は、中性子の捕獲時に、続いてより低いエネルギ状態に崩壊してガンマ線を放出する励起状態で第２粒子を生成する第１粒子（たとえばボロン−１０）を含む。ガンマ線検出器は、シンチレータを備える。閾値時間は、５０ナノ秒未満である。
【００１４】
本装置と方法は、次の利点のうちの一または複数を有することができる。中性子検出は、より正確にできる。なぜならば、環境におけるガンマ線からの干渉を低減できるからであり、その結果、中性子の誤検出を低減できる。中性子とガンマ線の両方を放出する材料は、ガンマ線だけを放出する材料から識別できる。
【００１５】
本発明の他の特徴と利点は、次の記述と特許請求の範囲から明白である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】中性子検出器の模式図。
【図２】中性子検出システムのブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、中性子検出器１００の模式図であり、マイクロチャネル板検出器１０２とガンマ線検出器１０４を備える。マイクロチャネル板検出器１０２は、一または複数のマイク
ロチャネル板１０６が積み重ねられてなるマイクロチャネル板スタック１０５を備える。マイクロチャネル板スタック１０５は、負電圧に接続された上部電極１５０と、正電圧に接続された下部電極１５２を有する。陽極１０８は、マイクロチャネル板スタック１０５から電子放出を収集するために設けられる。マイクロチャネル板スタック１０５と陽極１０８は、真空室１５４内に収容される。マイクロチャネル板１０６は、中性子とガンマ線の両方に感応する。陽極１０８からの読出信号は、中性子またはガンマ線の検出を示すことがあるが、典型的には、中性子またはガンマ線が検出されたか否かについての情報を提供しない。
【００１８】
たとえばマイクロチャネル板１０６は、マサチューセッツ州スターブリッジのノバ・サイエンティフィック社から入手可能なＮＶＮ−７型であることができる。マイクロチャネル板１０６は、たとえば５ｍｏｌ％以上のボロン−１０酸化物、または２ｍｏｌ％以上のガドリニウム酸化物を有するボロン−１０、またはガドリニウム浸漬アルカリ・ケイ酸鉛ガラスから作られることができる。マイクロチャネル板１０６は、発明の名称が「中性子検出」である同時係属中の特許文献１に記述されるような、ガンマ線に対して低い感度を有するように構成できる。
【００１９】
ガンマ線検出器１０４は、高速シンチレータ水晶１１０と光電子増倍管（ＰＭＴ）１１２を備える。高速シンチレータ水晶１１０は、ガンマ線を受ける際にシンチレーション光を放出する。光電子増倍管１１２は、シンチレーション光を捕える。たとえば高速シンチレータ水晶１１０は、オハイオ州ニューベリのサンゴバン株式会社からのＬａＢｒ３：Ｃｅ高速シンチレータ水晶、ＢｒｉｌＬｉａｎＣｅ（登録商標）３８０水晶であることができる。光電子増倍管１１２は、バールインダストリーズ社から入手可能な、８３１１２−５０２型であることができる。
【００２０】
マイクロチャネル板１０６からの信号と、光電子増倍管１１２からの信号との間の時間近接を測定することによって、マイクロチャネル板検出器１０２が中性子を検出したか否か判定できる。マイクロチャネル板１０６からの信号は、中性子またはガンマ線の検出を示す。光電子増倍管１１２からの信号は、ガンマ線の検出を示す。より詳細に下に記述されるように、マイクロチャネル板１０６からの信号を検出した直後に（たとえば１００ピコ秒以内）、光電子増倍管１１２からの信号を検出することは、ガンマ線の放出を伴った中性子吸収事象が生じた高い可能性を示す。
【００２１】
マイクロチャネル板１０６は、各々がたとえば５ミクロン程度の径を有した微細チャネルのアレイを備える。各チャネルは、たとえば円形、正方形、長方形、または六角形の断面を有することができる。各チャネルは、独立した電子増倍管として作用し、半導電および電子放出層から形成された内壁面を有する。
【００２２】
マイクロチャネル板１０６は、チャネルを規定する壁を形成するボロン−１０浸漬ガラスを備える。ボロン−１０粒子が中性子１５８を捕らえるときに、下記の反応のように、アルファ粒子（４Ｈｅ）とリチウム−７粒子が解放される。
【００２３】
ｎ＋１０Ｂ→７Ｌｉ＋４Ｈｅ＋Ｑ
ここで、Ｑは、反応中に解放されたエネルギである。
リチウム−７とヘリウム−４粒子の一方または両方は、ガラスを通過し、隣接した一または複数のチャネルに入り、その途中で電子を解放する。マイクロチャネル板スタック１０５の下部電極１５２は、マイクロチャネル板スタック１０５の上部電極１５０よりも正の、ＤＣバイアス電圧を有する。ＤＣバイアス電圧は、下部電極１５２に自由電子を引き付ける電場（たとえば約１ｋＶ／ｍｍ）を生成する。電子がチャネル壁で跳ねる際に、より多くの電子が解放される。下部電極１５２の信号が読出され、光電子増倍管１１２から
の読出信号と比較するために、一致ユニット１３６（図２を参照）のような信号プロセッサに送られる。
【００２４】
更に、マイクロチャネル板検出器１０２は、チャネル内に電子カスケードを生じさせるガンマ線を検出できる（鉛含有マイクロチャネル板ガラスの典型である約１％から３％の効率で）。このように、マイクロチャネル板検出器１０２が検出信号を生成する場合、検出信号は、中性子の検出またはガンマ線の検出のいずれかを示すことができる。
【００２５】
マイクロチャネル板検出器１０２が中性子またはガンマ線を検出したか否か判定するために、高速応答の高速シンチレータ水晶１１０は、中性子捕獲反応の結果として生成されるガンマ線を検出するために使用される。ボロン−１０が中性子を捕らえるときに、ボロン−１０の核は、反対方向に移動するアルファ粒子（ヘリウム−４イオン）とリチウム−７イオンに分裂する。リチウム−７イオンが最初に励起状態になる確率は約９４％であり、その時、リチウム−７イオンは、より低いエネルギ状態になるように崩壊し、４７８ｋｅＶのガンマ線を放出する。ガンマ線が高速シンチレータ水晶１１０に向かって移動する場合、ガンマ線検出器１０４は、ガンマ線を検出できる。
【００２６】
中性子１５８がマイクロチャネル板検出器１０２によって検出される場合、ガンマ線検出器１０４は、非常に短時間（たとえば１００ピコ秒未満）内の反応から、即座のガンマ線を検出する可能性もある。このように、ガンマ線検出器１０４からの信号が、マイクロチャネル板検出器１０２からの信号の発生後のたとえば約１０ナノ秒のタイミング一致範囲内に生じるような、一致事象を検出することによって、有効な中性子の事象は、確実に高い確さでタグ付けできる。約１０ナノ秒のタイミング一致範囲は、殆どの背景環境のガンマ線（ＭＨｚ領域のガンマ束であっても）を、統計学的に除外するのに十分な短さである。
【００２７】
中性子検出器１００の利点は、マイクロチャネル板検出器１０２とガンマ線検出器１０４からの信号間の一致を検出することによって、中性子の誤検出を著しく低減できることである。
【００２８】
図２は、中性子検出システム１４０のブロック図であり、対象物から放出される中性子束（つまり、秒単位の中性子量）を判定できる。中性子検出システム１４０は、図１で示されたものと同様の、マイクロチャネル板検出器１０２、高速シンチレータ水晶１１０、および光電子増倍管１１２を備える。マイクロチャネル板検出器１０２の出力信号は、マイクロチャネル板検出器１０２の陽極１０８で受信した信号を増幅するために増幅器１３０に送られ、増幅器１３０の出力は、第１タイミングモジュール１３２に送られる。光電子増倍管１１２の出力は、第２タイミングモジュール１３４に送られる。第１タイミングモジュール１３２と第２タイミングモジュール１３４は、マイクロチャネル板検出器１０２と光電子増倍管１１２それぞれからの信号を調整し、マイクロチャネル板検出器１０２と光電子増倍管１１２から一致ユニット１３６に信号が移動する異なる信号経路を考慮に入れる。第１タイミングモジュール１３２と第２タイミングモジュール１３４それぞれの出力は、一致ユニット１３６に送られる。その結果、第２タイミングモジュール１３４からの信号は、第１タイミングモジュール１３２からの信号のタイミング一致範囲（たとえば１０ナノ秒）内に発生したか否か判定される。一致ユニット１３６は、たとえばコネチカット州メリデンのキャンベラ社からの２０４０型であることができる。
【００２９】
一致ユニット１３６は、第１タイミングモジュール１３２から受信した信号と、第２タイミングモジュール１３４から受信した信号との間の時間差を判定し、その時間差を、現在のタイミング一致範囲と比較する。時間差がタイミング一致範囲よりも短い（たとえば１０ナノ秒）場合、一致ユニット１３６は、スケーラ／カウンタ１３８に送られるパルス
１４２を生成し、中性子の事象を示す。スケーラ／カウンタ１３８は、単位時間当たり（たとえば秒単位）の中性子の事象の数を、カウントするように構成できる。スケーラ／カウンタ１３８は、たとえばキャンベラ社からの５１２型であることができる。スケーラ／カウンタ１３８の出力信号は、記録と分析のために、コンピュータまたはデータ取得装置に送られることができる。
【００３０】
マイクロチャネル板検出器１０２と高速シンチレータ水晶１１０それぞれの出力信号同士の間に、１０ナノ秒内の一致がない場合、（ｉ）任意のエネルギのガンマ線が、マイクロチャネル板検出器１０２によって検出されるが、４７８ｋｅＶのガンマ線は、１０ナノ秒のタイミング範囲内に高速シンチレータ水晶１１０によって検出されないか、または、（ｉｉ）ガンマ線は、高速シンチレータ水晶１１０よって検出されるが、対応する中性子信号は、マイクロチャネル板検出器１０２によって検出されないか、のいずれかである。
【００３１】
４７８ｋｅＶのガンマ線が、１０ナノ秒のタイミング範囲内に検出され、且つ、任意のエネルギの別の背景環境のガンマ線が、マイクロチャネル板検出器１０２によって検出される確率（ガンマ線に対して１％から３％の検出効率を有する）は、非常に小さい。４７８ｋｅＶのガンマ線の放出を伴って崩壊する励起状態のリチウム−７イオンを、ボロン−１０と中性子反応が生成する確率は、約９４％ある。よって、中性子の事象は、４７８ｋｅＶのガンマ線の放出に至らない可能性が約６％ある。等方的に放出される４７８ｋｅＶのガンマ線のうち、約１６％は、マイクロチャネル板検出器１０２の下部に配置された高速シンチレータ水晶１１０によって検出できる。
【００３２】
２つのより大きな高速シンチレータ水晶１１０を、マイクロチャネル板検出器１０２の上部と下部とに配置すると、より大きな立体角捕獲によって、ガンマ線の検出割合を著しく増大できる。
【００３３】
先の記述が例示を意図し、ここに記述される検出器の範囲を限定しないように意図されることは、理解されるべきである。他の実施形態は、次の特許請求の範囲内にある。たとえば図１では、陽極１０８はオプションであり、除去できる。光電子増倍管１１２は、アバランシェ・フォトダイオードで置換できる。陽極１０８は、検出された中性子に基づいた画像を形成できる、画素化イメージセンサであることができる。この場合、中性子検出器１００は、中性子の画像化に使用できる。ガンマ線シンチレータとしての高速シンチレータ水晶１１０は、マイクロチャネル板検出器１０２を実質的に囲む（たとえばマイクロチャネル板検出器１０２に対して、４πステラジアン立体角をカバーする）ように構成でき、その場合、中性子捕獲反応に起因するガンマ線を可能な限り多く捕らえる。タイミング一致範囲は、上述したものとは異なる値（たとえば１０ナノ秒から５０ナノ秒）を有することができる。中性子からガンマ線検出器１０４を保護するために、中性子シールドを、マイクロチャネル板検出器１０２とガンマ線検出器１０４の間に配置できる。
【００３４】
中性子を捕らえるためにボロン−１０を使用する代わりに、他の材料が使用されることもできる。たとえばマイクロチャネル板１０６は、次の反応のように中性子を捕らえることができる、ガドリニウム（Ｇｄ）に浸漬されたガラスから作られることができる。
【００３５】
ｎ＋１５５Ｇｄ→１５６Ｇｄ＋ガンマ線＋ベータ粒子＋Ｑ（７．９ＭｅＶ）
ｎ＋１５７Ｇｄ→１５８Ｇｄ＋ガンマ線＋ベータ粒子＋Ｑ（８．５ＭｅＶ）
ガドリニウム原子が中性子を捕らえるときに、ガンマ線は、同時に放出され、ガンマ線検出器１０４によって検出できる。
【００３６】
上述した異なる実施形態の要素は、特にここでは記述されていない実施形態を形成するために組合わせ可能である。特にここでは記述されていない他の実施もまた、次の特許請
求の範囲内である。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、中性子検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
中性子感応マイクロチャネル板（ＭＣＰ）は、プルトニウムのような特殊な核物質（ＳＮＭ）を検出するために使用できるか、または中性子画像化において使用できる。マイクロチャネル板は、入力電極と出力電極の間にガラス板を接合し、電極間に高圧の直流（ＤＣ）電流場を提供することによって形成できる。ガラス板には、実質的に規則的で並列なアレイの微細なチャネル（たとえば円筒状で空洞のチャネル）が穿孔される。各チャネル（独立した電子増倍管として作用できる）は、半導電性および電子放出層から形成された内壁面を有する。
【０００３】
ガラス板は、たとえばアルファ粒子とリチウム−７粒子を生成する反応中の中性子を捕らえることができるボロン−１０粒子に浸漬できる。リチウム−７粒子とアルファ粒子が近くのチャネルに入り、二次電子を生成すべく壁面に衝突する際に、二次電子は、チャネルに沿って加速し（直流電流場による）、チャネルに沿って更に壁面に衝突する。その結果、二次電子の数を増加させるときに、電子のカスケードが形成されることがある。電子カスケードは、チャネルに沿って成長し、デジタル画像を構築するために、電子的に登録され処理される検出可能な信号に増幅される。結果として生じる強度マップまたは画像は、マイクロチャネル板表面に衝突する中性子束の変化に対応する。サンプルの画像内のコントラスト差は、物理的および化学的性質を推論するために使用されることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願第１１／５２２，７９５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、中性子の誤検出低減には、改善の余地がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
１つの態様では、概して本方法は、第１信号と第２信号の時間近接に基づき、中性子を検出することを含む。第１信号は、中性子とガンマ線のうちの少なくとも１つの検出を示す。第２信号は、ガンマ線の検出を示す。
【０００７】
本方法の実施は、次の特徴のうちの一または複数を含むことが可能である。本方法は、マイクロチャネル板検出器を使用して、第１信号を生成することと；ガンマ線検出器を使用して、第２信号を生成することと；第２信号が、第１信号の発生後の閾値時間内に生じたか否か判定することとを含む。幾つかの例では、閾値時間は、５０ナノ秒未満である。幾つかの例では、閾値時間は、１０ナノ秒未満である。中性子の検出は、ボロン−１０粒子を使用して中性子を捕らえ、アルファ粒子とリチウム−７粒子を生成することを含む。中性子の検出は、マイクロチャネル板検出器が中性子またはガンマ線の検出を示す出力パルス発生後の５０ナノ秒未満内に、ガンマ線を検出することを含む。
【０００８】
別の態様では、概して本方法は、マイクロチャネル板検出器を使用して、第１信号を生成することを含む。第１信号は、中性子とガンマ線のうちの少なくとも１つの検出を示す。更に本方法は、ガンマ線検出器を使用して、第２信号を生成することを含む。第２信号
は、ガンマ線の検出を示す。更に本方法は、第２信号が第１信号発生後の閾値時間内に生じた場合に、中性子がマイクロチャネル板検出器によって検出されたことを示す第３信号を生成することを含む。
【０００９】
本方法の実施は、次の特徴の一または複数を含むことが可能である。本方法は、第１信号の発生と第２信号の発生との間の時間差を比較することを含む。第１信号の生成ステップは、マイクロチャネル板検出器を使用して、第１信号を生成することを含む。第２信号の生成ステップは、アルファ粒子とリチウム−７粒子を生成し、二次電子放出を誘発させることを含む。閾値時間は、５０ナノ秒未満である。
【００１０】
別の態様では、概して本装置は、第１信号と第２信号の時間近接に基づき、中性子を検出する中性子検出器を備える。第１信号は、中性子とガンマ線のうちの少なくとも１つの検出を示す。第２信号は、ガンマ線の検出を示す。
【００１１】
本装置の実施は、次の特徴の一または複数を含むことが可能である。中性子検出器は、第１信号を生成するマイクロチャネル板検出器を備える。幾つかの例では、マイクロチャネル板検出器は、ボロン−１０に浸漬されたガラスを備える。幾つかの例では、マイクロチャネル板検出器は、ガドリニウムに浸漬されたガラスを備える。中性子検出器は、第２信号を生成するガンマ線検出器を備える。中性子検出器は、第１信号の発生後の閾値時間内に、第２信号が発生したか否か判定する信号プロセッサを備える。幾つかの例では、閾値時間は、５０ナノ秒未満である。幾つかの例では、閾値時間は、１０ナノ秒未満である。
【００１２】
別の態様では、概して本装置は、中性子とガンマ線のうちの少なくとも１つの検出時に、第１検出信号を生成するマイクロチャネル板検出器と；ガンマ線の検出時に第２検出信号を生成するガンマ線検出器と；第１検出信号と第２検出信号を受信する際に中性子の検出を示す第３信号を生成する信号プロセッサとを備える。信号プロセッサは、第１検出信号の発生後の閾値時間内に、第２検出信号が発生したか否か判定する。
【００１３】
本装置の実施は、次の特徴の一または複数を含むことが可能である。マイクロチャネル板検出器は、ボロン−１０とガドリニウムのうちの少なくとも１つに浸漬されたガラスを備える。幾つかの例では、マイクロチャネル板検出器は、中性子の捕獲時に、続いてより低いエネルギ状態に崩壊してガンマ線を放出する励起状態で第２粒子を生成する第１粒子（たとえばボロン−１０）を含む。ガンマ線検出器は、シンチレータを備える。閾値時間は、５０ナノ秒未満である。
【００１４】
本装置と方法は、次の利点のうちの一または複数を有することができる。中性子検出は、より正確にできる。なぜならば、環境におけるガンマ線からの干渉を低減できるからであり、その結果、中性子の誤検出を低減できる。中性子とガンマ線の両方を放出する材料は、ガンマ線だけを放出する材料から識別できる。
【００１５】
本発明の他の特徴と利点は、次の記述と特許請求の範囲から明白である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】中性子検出器の模式図。
【図２】中性子検出システムのブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、中性子検出器１００の模式図であり、マイクロチャネル板検出器１０２とガンマ線検出器１０４を備える。マイクロチャネル板検出器１０２は、一または複数のマイク
ロチャネル板１０６が積み重ねられてなるマイクロチャネル板スタック１０５を備える。マイクロチャネル板スタック１０５は、負電圧に接続された上部電極１５０と、正電圧に接続された下部電極１５２を有する。陽極１０８は、マイクロチャネル板スタック１０５から電子放出を収集するために設けられる。マイクロチャネル板スタック１０５と陽極１０８は、真空室１５４内に収容される。マイクロチャネル板１０６は、中性子とガンマ線の両方に感応する。陽極１０８からの読出信号は、中性子またはガンマ線の検出を示すことがあるが、典型的には、中性子またはガンマ線が検出されたか否かについての情報を提供しない。
【００１８】
たとえばマイクロチャネル板１０６は、マサチューセッツ州スターブリッジのノバ・サイエンティフィック社から入手可能なＮＶＮ−７型であることができる。マイクロチャネル板１０６は、たとえば５ｍｏｌ％以上のボロン−１０酸化物、または２ｍｏｌ％以上のガドリニウム酸化物を有するボロン−１０、またはガドリニウム浸漬アルカリ・ケイ酸鉛ガラスから作られることができる。マイクロチャネル板１０６は、発明の名称が「中性子検出」である同時係属中の特許文献１に記述されるような、ガンマ線に対して低い感度を有するように構成できる。
【００１９】
ガンマ線検出器１０４は、高速シンチレータ水晶１１０と光電子増倍管（ＰＭＴ）１１２を備える。高速シンチレータ水晶１１０は、ガンマ線を受ける際にシンチレーション光を放出する。光電子増倍管１１２は、シンチレーション光を捕える。たとえば高速シンチレータ水晶１１０は、オハイオ州ニューベリのサンゴバン株式会社からのＬａＢｒ３：Ｃｅ高速シンチレータ水晶、ＢｒｉｌＬｉａｎＣｅ（登録商標）３８０水晶であることができる。光電子増倍管１１２は、バールインダストリーズ社から入手可能な、８３１１２−５０２型であることができる。
【００２０】
マイクロチャネル板１０６からの信号と、光電子増倍管１１２からの信号との間の時間近接を測定することによって、マイクロチャネル板検出器１０２が中性子を検出したか否か判定できる。マイクロチャネル板１０６からの信号は、中性子またはガンマ線の検出を示す。光電子増倍管１１２からの信号は、ガンマ線の検出を示す。より詳細に下に記述されるように、マイクロチャネル板１０６からの信号を検出した直後に（たとえば１００ピコ秒以内）、光電子増倍管１１２からの信号を検出することは、ガンマ線の放出を伴った中性子吸収事象が生じた高い可能性を示す。
【００２１】
マイクロチャネル板１０６は、各々がたとえば５ミクロン程度の径を有した微細チャネルのアレイを備える。各チャネルは、たとえば円形、正方形、長方形、または六角形の断面を有することができる。各チャネルは、独立した電子増倍管として作用し、半導電および電子放出層から形成された内壁面を有する。
【００２２】
マイクロチャネル板１０６は、チャネルを規定する壁を形成するボロン−１０浸漬ガラスを備える。ボロン−１０粒子が中性子１５８を捕らえるときに、下記の反応のように、アルファ粒子（４Ｈｅ）とリチウム−７粒子が解放される。
【００２３】
ｎ＋１０Ｂ→７Ｌｉ＋４Ｈｅ＋Ｑ
ここで、Ｑは、反応中に解放されたエネルギである。
リチウム−７とヘリウム−４粒子の一方または両方は、ガラスを通過し、隣接した一または複数のチャネルに入り、その途中で電子を解放する。マイクロチャネル板スタック１０５の下部電極１５２は、マイクロチャネル板スタック１０５の上部電極１５０よりも正の、ＤＣバイアス電圧を有する。ＤＣバイアス電圧は、下部電極１５２に自由電子を引き付ける電場（たとえば約１ｋＶ／ｍｍ）を生成する。電子がチャネル壁で跳ねる際に、より多くの電子が解放される。下部電極１５２の信号が読出され、光電子増倍管１１２から
の読出信号と比較するために、一致ユニット１３６（図２を参照）のような信号プロセッサに送られる。
【００２４】
更に、マイクロチャネル板検出器１０２は、チャネル内に電子カスケードを生じさせるガンマ線を検出できる（鉛含有マイクロチャネル板ガラスの典型である約１％から３％の効率で）。このように、マイクロチャネル板検出器１０２が検出信号を生成する場合、検出信号は、中性子の検出またはガンマ線の検出のいずれかを示すことができる。
【００２５】
マイクロチャネル板検出器１０２が中性子またはガンマ線を検出したか否か判定するために、高速応答の高速シンチレータ水晶１１０は、中性子捕獲反応の結果として生成されるガンマ線を検出するために使用される。ボロン−１０が中性子を捕らえるときに、ボロン−１０の核は、反対方向に移動するアルファ粒子（ヘリウム−４イオン）とリチウム−７イオンに分裂する。リチウム−７イオンが最初に励起状態になる確率は約９４％であり、その時、リチウム−７イオンは、より低いエネルギ状態になるように崩壊し、４７８ｋｅＶのガンマ線を放出する。ガンマ線が高速シンチレータ水晶１１０に向かって移動する場合、ガンマ線検出器１０４は、ガンマ線を検出できる。
【００２６】
中性子１５８がマイクロチャネル板検出器１０２によって検出される場合、ガンマ線検出器１０４は、非常に短時間（たとえば１００ピコ秒未満）内の反応から、即座のガンマ線を検出する可能性もある。このように、ガンマ線検出器１０４からの信号が、マイクロチャネル板検出器１０２からの信号の発生後のたとえば約１０ナノ秒のタイミング一致範囲内に生じるような、一致事象を検出することによって、有効な中性子の事象は、確実に高い確さでタグ付けできる。約１０ナノ秒のタイミング一致範囲は、殆どの背景環境のガンマ線（ＭＨｚ領域のガンマ束であっても）を、統計学的に除外するのに十分な短さである。
【００２７】
中性子検出器１００の利点は、マイクロチャネル板検出器１０２とガンマ線検出器１０４からの信号間の一致を検出することによって、中性子の誤検出を著しく低減できることである。
【００２８】
図２は、中性子検出システム１４０のブロック図であり、対象物から放出される中性子束（つまり、秒単位の中性子量）を判定できる。中性子検出システム１４０は、図１で示されたものと同様の、マイクロチャネル板検出器１０２、高速シンチレータ水晶１１０、および光電子増倍管１１２を備える。マイクロチャネル板検出器１０２の出力信号は、マイクロチャネル板検出器１０２の陽極１０８で受信した信号を増幅するために増幅器１３０に送られ、増幅器１３０の出力は、第１タイミングモジュール１３２に送られる。光電子増倍管１１２の出力は、第２タイミングモジュール１３４に送られる。第１タイミングモジュール１３２と第２タイミングモジュール１３４は、マイクロチャネル板検出器１０２と光電子増倍管１１２それぞれからの信号を調整し、マイクロチャネル板検出器１０２と光電子増倍管１１２から一致ユニット１３６に信号が移動する異なる信号経路を考慮に入れる。第１タイミングモジュール１３２と第２タイミングモジュール１３４それぞれの出力は、一致ユニット１３６に送られる。その結果、第２タイミングモジュール１３４からの信号は、第１タイミングモジュール１３２からの信号のタイミング一致範囲（たとえば１０ナノ秒）内に発生したか否か判定される。一致ユニット１３６は、たとえばコネチカット州メリデンのキャンベラ社からの２０４０型であることができる。
【００２９】
一致ユニット１３６は、第１タイミングモジュール１３２から受信した信号と、第２タイミングモジュール１３４から受信した信号との間の時間差を判定し、その時間差を、現在のタイミング一致範囲と比較する。時間差がタイミング一致範囲よりも短い（たとえば１０ナノ秒）場合、一致ユニット１３６は、スケーラ／カウンタ１３８に送られるパルス
１４２を生成し、中性子の事象を示す。スケーラ／カウンタ１３８は、単位時間当たり（たとえば秒単位）の中性子の事象の数を、カウントするように構成できる。スケーラ／カウンタ１３８は、たとえばキャンベラ社からの５１２型であることができる。スケーラ／カウンタ１３８の出力信号は、記録と分析のために、コンピュータまたはデータ取得装置に送られることができる。
【００３０】
マイクロチャネル板検出器１０２と高速シンチレータ水晶１１０それぞれの出力信号同士の間に、１０ナノ秒内の一致がない場合、（ｉ）任意のエネルギのガンマ線が、マイクロチャネル板検出器１０２によって検出されるが、４７８ｋｅＶのガンマ線は、１０ナノ秒のタイミング範囲内に高速シンチレータ水晶１１０によって検出されないか、または、（ｉｉ）ガンマ線は、高速シンチレータ水晶１１０よって検出されるが、対応する中性子信号は、マイクロチャネル板検出器１０２によって検出されないか、のいずれかである。
【００３１】
４７８ｋｅＶのガンマ線が、１０ナノ秒のタイミング範囲内に検出され、且つ、任意のエネルギの別の背景環境のガンマ線が、マイクロチャネル板検出器１０２によって検出される確率（ガンマ線に対して１％から３％の検出効率を有する）は、非常に小さい。４７８ｋｅＶのガンマ線の放出を伴って崩壊する励起状態のリチウム−７イオンを、ボロン−１０と中性子反応が生成する確率は、約９４％ある。よって、中性子の事象は、４７８ｋｅＶのガンマ線の放出に至らない可能性が約６％ある。等方的に放出される４７８ｋｅＶのガンマ線のうち、約１６％は、マイクロチャネル板検出器１０２の下部に配置された高速シンチレータ水晶１１０によって検出できる。
【００３２】
２つのより大きな高速シンチレータ水晶１１０を、マイクロチャネル板検出器１０２の上部と下部とに配置すると、より大きな立体角捕獲によって、ガンマ線の検出割合を著しく増大できる。
【００３３】
先の記述が例示を意図し、ここに記述される検出器の範囲を限定しないように意図されることは、理解されるべきである。他の実施形態は、次の特許請求の範囲内にある。たとえば図１では、陽極１０８はオプションであり、除去できる。光電子増倍管１１２は、アバランシェ・フォトダイオードで置換できる。陽極１０８は、検出された中性子に基づいた画像を形成できる、画素化イメージセンサであることができる。この場合、中性子検出器１００は、中性子の画像化に使用できる。ガンマ線シンチレータとしての高速シンチレータ水晶１１０は、マイクロチャネル板検出器１０２を実質的に囲む（たとえばマイクロチャネル板検出器１０２に対して、４πステラジアン立体角をカバーする）ように構成でき、その場合、中性子捕獲反応に起因するガンマ線を可能な限り多く捕らえる。タイミング一致範囲は、上述したものとは異なる値（たとえば１０ナノ秒から５０ナノ秒）を有することができる。中性子からガンマ線検出器１０４を保護するために、中性子シールドを、マイクロチャネル板検出器１０２とガンマ線検出器１０４の間に配置できる。
【００３４】
中性子を捕らえるためにボロン−１０を使用する代わりに、他の材料が使用されることもできる。たとえばマイクロチャネル板１０６は、次の反応のように中性子を捕らえることができる、ガドリニウム（Ｇｄ）に浸漬されたガラスから作られることができる。
【００３５】
ｎ＋１５５Ｇｄ→１５６Ｇｄ＋ガンマ線＋ベータ粒子＋Ｑ（７．９ＭｅＶ）
ｎ＋１５７Ｇｄ→１５８Ｇｄ＋ガンマ線＋ベータ粒子＋Ｑ（８．５ＭｅＶ）
ガドリニウム原子が中性子を捕らえるときに、ガンマ線は、同時に放出され、ガンマ線検出器１０４によって検出できる。
【００３６】
上述した異なる実施形態の要素は、特にここでは記述されていない実施形態を形成するために組合わせ可能である。特にここでは記述されていない他の実施もまた、次の特許請
求の範囲内である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１信号と第２信号の時間近接に基づく中性子検出方法であって、
前記第１信号は、中性子とガンマ線のうちの少なくとも１つの検出を示し、
前記第２信号は、前記ガンマ線の検出を示すことを特徴とする、中性子検出方法。
【請求項２】
前記中性子検出方法は更に、マイクロチャネル板検出器を使用して前記第１信号を生成することを含む、請求項１記載の中性子検出方法。
【請求項３】
前記中性子検出方法は更に、ガンマ線検出器を使用して前記第２信号を生成することを含む、請求項１記載の中性子検出方法。
【請求項４】
前記中性子検出方法は更に、前記第２信号が、前記第１信号の発生後の閾値時間内に生じたか否か判定することを含む、請求項１記載の中性子検出方法。
【請求項５】
前記閾値時間は、５０ナノ秒未満である、請求項４記載の中性子検出方法。
【請求項６】
前記閾値時間は、１０ナノ秒未満である、請求項４記載の中性子検出方法。
【請求項７】
前記中性子の検出は、ボロン−１０粒子を使用して中性子を捕らえ、アルファ粒子とリチウム−７粒子を生成すること含む、請求項１記載の中性子検出方法。
【請求項８】
前記中性子の検出は、マイクロチャネル板検出器が中性子またはガンマ線の検出を示す出力パルスを生成後の、５０ナノ秒未満内に前記ガンマ線を検出することを含む、請求項１記載の中性子検出方法。
【請求項９】
中性子検出方法であって、前記中性子検出方法は、
マイクロチャネル板検出器を使用して第１信号を生成することであって、前記第１信号は、中性子とガンマ線のうちの少なくとも１つの検出を示すことと；
ガンマ線検出器を使用して第２信号を生成することであって、前記第２信号は、前記ガンマ線の検出を示すことと；および
前記第２信号が前記第１信号の発生後の閾値時間内に生じる場合に、前記中性子が前記マイクロチャネル板検出器によって検出されたことを示す第３信号を生成することと
を含むことを特徴とする、中性子検出方法。
【請求項１０】
前記中性子検出方法は更に、前記第１信号の発生と前記第２信号の発生との間の時間差を比較することを含む、請求項９記載の中性子検出方法。
【請求項１１】
前記第１信号の生成は、前記マイクロチャネル板検出器を使用して、前記第１信号を生成することを含む、請求項９記載の中性子検出方法。
【請求項１２】
前記第１信号の生成は、
アルファ粒子とリチウム−７粒子を生成することと；および
二次電子放出を生じさせることと
を含む、請求項９記載の中性子検出方法。
【請求項１３】
前記閾値時間は、５０ナノ秒未満である、請求項９記載の中性子検出方法。
【請求項１４】
中性子検出器を備える中性子検出装置であって、
前記中性子検出器は、第１信号と第２信号の時間近接に基づき中性子を検出し、
前記第１信号は、中性子とガンマ線のうちの少なくとも１つの検出を示し、
前記第２信号は、ガンマ線の検出を示すことを特徴とする、中性子検出装置。
【請求項１５】
前記中性子検出器は、前記第１信号を生成するマイクロチャネル板検出器を備える、請求項１４記載の中性子検出装置。
【請求項１６】
前記マイクロチャネル板検出器は、ボロン−１０に浸漬されたガラスを備える、請求項１５記載の中性子検出装置。
【請求項１７】
前記マイクロチャネル板検出器は、ガドリニウムに浸漬されたガラスを備える、請求項１５記載の中性子検出装置。
【請求項１８】
前記中性子検出器は、前記第２信号を生成するガンマ線検出器を備える、請求項１４記載の中性子検出装置。
【請求項１９】
前記中性子検出器は、前記第１信号の発生後の閾値時間内に前記第２信号が発生したか否か判定する信号プロセッサを備える、請求項１４記載の中性子検出装置。
【請求項２０】
前記閾値時間は、５０ナノ秒未満である、請求項１９記載の中性子検出装置。
【請求項２１】
前記閾値時間は、１０ナノ秒未満である、請求項１９記載の中性子検出装置。
【請求項２２】
マイクロチャネル板、ガンマ線検出器、および信号プロセッサを備える中性子検出装置であって、
前記マイクロチャネル板検出器は、中性子とガンマ線のうちの少なくとも１つの検出時に第１検出信号を生成し、
前記ガンマ線検出器は、ガンマ線の検出時に第２検出信号を生成し、
前記信号プロセッサは、前記第１検出信号と前記第２検出信号を受信し、前記第１検出信号の発生後に前記第２検出信号が閾値時間内に生じたと判定する際に、中性子の検出を示す第３信号を生成することを特徴とする、中性子検出装置。
【請求項２３】
前記マイクロチャネル板検出器は、ボロン−１０とガドリニウムのうちの少なくとも１つに浸漬されたガラスを備える、請求項２２記載の中性子検出装置。
【請求項２４】
前記マイクロチャネル板検出器は、中性子の捕獲時に、続いてより低いエネルギ状態に崩壊してガンマ線を放出する励起状態で第２粒子を生成する第１粒子を含む、請求項２２記載の中性子検出装置。
【請求項２５】
前記ガンマ線検出器は、シンチレータを備える、請求項２２記載の中性子検出装置。
【請求項２６】
前記閾値時間は、５０ナノ秒未満である、請求項２２記載の中性子検出装置。
【請求項１】
第１信号と第２信号の時間近接に基づく中性子検出方法であって、
前記第１信号は、中性子とガンマ線のうちの少なくとも１つの検出を示し、
前記第２信号は、前記ガンマ線の検出を示すことを特徴とする、中性子検出方法。
【請求項２】
前記中性子検出方法は更に、マイクロチャネル板検出器を使用して前記第１信号を生成することを含む、請求項１記載の中性子検出方法。
【請求項３】
前記中性子検出方法は更に、ガンマ線検出器を使用して前記第２信号を生成することを含む、請求項１記載の中性子検出方法。
【請求項４】
前記中性子検出方法は更に、前記第２信号が、前記第１信号の発生後の閾値時間内に生じたか否か判定することを含む、請求項１記載の中性子検出方法。
【請求項５】
前記閾値時間は、５０ナノ秒未満である、請求項４記載の中性子検出方法。
【請求項６】
前記閾値時間は、１０ナノ秒未満である、請求項４記載の中性子検出方法。
【請求項７】
前記中性子の検出は、ボロン−１０粒子を使用して中性子を捕らえ、アルファ粒子とリチウム−７粒子を生成すること含む、請求項１記載の中性子検出方法。
【請求項８】
前記中性子の検出は、マイクロチャネル板検出器が中性子またはガンマ線の検出を示す出力パルスを生成後の、５０ナノ秒未満内に前記ガンマ線を検出することを含む、請求項１記載の中性子検出方法。
【請求項９】
中性子検出方法であって、前記中性子検出方法は、
マイクロチャネル板検出器を使用して第１信号を生成することであって、前記第１信号は、中性子とガンマ線のうちの少なくとも１つの検出を示すことと；
ガンマ線検出器を使用して第２信号を生成することであって、前記第２信号は、前記ガンマ線の検出を示すことと；および
前記第２信号が前記第１信号の発生後の閾値時間内に生じる場合に、前記中性子が前記マイクロチャネル板検出器によって検出されたことを示す第３信号を生成することと
を含むことを特徴とする、中性子検出方法。
【請求項１０】
前記中性子検出方法は更に、前記第１信号の発生と前記第２信号の発生との間の時間差を比較することを含む、請求項９記載の中性子検出方法。
【請求項１１】
前記第１信号の生成は、前記マイクロチャネル板検出器を使用して、前記第１信号を生成することを含む、請求項９記載の中性子検出方法。
【請求項１２】
前記第１信号の生成は、
アルファ粒子とリチウム−７粒子を生成することと；および
二次電子放出を生じさせることと
を含む、請求項９記載の中性子検出方法。
【請求項１３】
前記閾値時間は、５０ナノ秒未満である、請求項９記載の中性子検出方法。
【請求項１４】
中性子検出器を備える中性子検出装置であって、
前記中性子検出器は、第１信号と第２信号の時間近接に基づき中性子を検出し、
前記第１信号は、中性子とガンマ線のうちの少なくとも１つの検出を示し、
前記第２信号は、ガンマ線の検出を示すことを特徴とする、中性子検出装置。
【請求項１５】
前記中性子検出器は、前記第１信号を生成するマイクロチャネル板検出器を備える、請求項１４記載の中性子検出装置。
【請求項１６】
前記マイクロチャネル板検出器は、ボロン−１０に浸漬されたガラスを備える、請求項１５記載の中性子検出装置。
【請求項１７】
前記マイクロチャネル板検出器は、ガドリニウムに浸漬されたガラスを備える、請求項１５記載の中性子検出装置。
【請求項１８】
前記中性子検出器は、前記第２信号を生成するガンマ線検出器を備える、請求項１４記載の中性子検出装置。
【請求項１９】
前記中性子検出器は、前記第１信号の発生後の閾値時間内に前記第２信号が発生したか否か判定する信号プロセッサを備える、請求項１４記載の中性子検出装置。
【請求項２０】
前記閾値時間は、５０ナノ秒未満である、請求項１９記載の中性子検出装置。
【請求項２１】
前記閾値時間は、１０ナノ秒未満である、請求項１９記載の中性子検出装置。
【請求項２２】
マイクロチャネル板、ガンマ線検出器、および信号プロセッサを備える中性子検出装置であって、
前記マイクロチャネル板検出器は、中性子とガンマ線のうちの少なくとも１つの検出時に第１検出信号を生成し、
前記ガンマ線検出器は、ガンマ線の検出時に第２検出信号を生成し、
前記信号プロセッサは、前記第１検出信号と前記第２検出信号を受信し、前記第１検出信号の発生後に前記第２検出信号が閾値時間内に生じたと判定する際に、中性子の検出を示す第３信号を生成することを特徴とする、中性子検出装置。
【請求項２３】
前記マイクロチャネル板検出器は、ボロン−１０とガドリニウムのうちの少なくとも１つに浸漬されたガラスを備える、請求項２２記載の中性子検出装置。
【請求項２４】
前記マイクロチャネル板検出器は、中性子の捕獲時に、続いてより低いエネルギ状態に崩壊してガンマ線を放出する励起状態で第２粒子を生成する第１粒子を含む、請求項２２記載の中性子検出装置。
【請求項２５】
前記ガンマ線検出器は、シンチレータを備える、請求項２２記載の中性子検出装置。
【請求項２６】
前記閾値時間は、５０ナノ秒未満である、請求項２２記載の中性子検出装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公表番号】特表２０１０−５０３８７３（Ｐ２０１０−５０３８７３Ａ）
【公表日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５２９３２１（Ｐ２００９−５２９３２１）
【出願日】平成１９年９月１７日（２００７．９．１７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０７８６２４
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０３６５９２
【国際公開日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【出願人】（５０９０７７６８０）ノバ サイエンティフィック インコーポレイテッド (1)
【氏名又は名称原語表記】ＮＯＶＡ ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＣ，ＩＮＣ．
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月１７日（２００７．９．１７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０７８６２４
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０３６５９２
【国際公開日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【出願人】（５０９０７７６８０）ノバ サイエンティフィック インコーポレイテッド (1)
【氏名又は名称原語表記】ＮＯＶＡ ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＣ，ＩＮＣ．
【Ｆターム（参考）】
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