JP2020024105A - 中性子スペクトル測定装置および中性子スペクトル測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】中性子スペクトルを簡便に計測する。【解決手段】測定ユニット１２は、測定対象とする中性子線のエネルギーに反応して放射化する異なる種類の金属元素をそれぞれが含有する複数種の金属箔コンバータ２１〜２５を有するコンバータユニット２０と、対応する金属箔コンバータ２１〜２５と同一種類の金属元素をそれぞれが含有する複数種の金属フィルタ３１〜３５を有し、コンバータユニット２０の中性子線の入射側に配置されるフィルタユニット３０と、を備える。複数種の金属箔コンバータ２１〜２５は、対応する金属フィルタ３１〜３５と中性子線ＮＢの入射方向に少なくとも部分的に重なる位置に配置される。【選択図】図１４

Description

本発明は、中性子スペクトルの測定装置および測定方法に関する。

中性子線を用いて物質内を非破壊で透視する検査手法が知られており、中性子ラジオグラフィ検査（ＮＲＴ；Neutron Radiography Testing）または中性子イメージングと呼ばれる。中性子イメージングでは、主にＸ線での検査が難しいとされる原子番号の小さい元素を含む物質の検査に使用され、例えば水素（Ｈ）を含む水、油または樹脂、リチウム（Ｌｉ）や硼素（Ｂ）を含む物質などの検査に使用できる。Ｘ線の透過率が物質の原子番号や密度に依存する一方、中性子線では物質を構成する元素の原子核の違いに応じて散乱特性や吸収特性が変化する。したがって、中性子イメージングでは検査対象の物質を構成する同位体の違いを識別することもできる。

中性子と物質の相互作用の態様は、中性子のエネルギーによっても変化するため、検査に用いる中性子線のエネルギー（スペクトル）を適切に調整および測定することが求められる。中性子スペクトルの測定方法として、例えば、検出器を包囲する減速材の厚みを変えることで異なるエネルギー値の中性子を測定する方法（例えば、特許文献１，２）、中性子パルスの飛行時間（ＴＯＦ；Time Of Flight）を用いてエネルギーを識別する方法（例えば、特許文献３）が知られている。

登録実用新案第３１１６５４３号公報 特開２０１１−５３２１８号公報 特表２０１４−５３４４４２号公報

時間的に連続して出力される定常中性子源のスペクトルを直接的に測定しようとする場合、ＴＯＦ法をそのまま適用することはできない。また、熱中性子領域（約１０^−２〜１０^−１ｅＶ）および熱外中性子領域（約１０^０〜１０^３ｅＶ以上）にわたって中性子スペクトルを測定するには、減速材の厚みを数ｃｍ〜数十ｃｍ程度にする必要があり、測定装置の大型化につながるとともに、測定位置精度の低下にもつながる。また、一般的な中性子カウンタは、中性子線の照射環境下で発生する高線量のガンマ線を同時に計測してしまうため、ガンマ線の影響を考慮して測定結果を高精度で補正または較正する必要が生じる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、中性子スペクトルを簡便に計測する技術を提供することにある。

本発明のある態様の中性子スペクトル測定装置は、測定対象とする中性子線のエネルギーに反応して放射化する異なる種類の金属元素をそれぞれが含有する複数種の金属箔コンバータを有するコンバータユニットと、対応する金属箔コンバータと同一種類の金属元素をそれぞれが含有する複数種の金属フィルタを有し、コンバータユニットの中性子線の入射側に配置されるフィルタユニットと、を備える。複数種の金属フィルタは、中性子線の入射方向から見た平面視において互いに異なる位置に配置され、複数種の金属箔コンバータは、対応する金属フィルタと中性子線の入射方向に少なくとも部分的に重なる位置に配置される。

本発明の別の態様は、中性子スペクトル測定装置を用いる中性子スペクトル測定方法である。この方法は、フィルタユニットを介してコンバータユニットに中性子線を照射し、複数種の金属箔コンバータを放射化させることと、放射化された複数種の金属箔コンバータのそれぞれから放出される放射線の二次元強度分布を転写プレートに転写することと、転写プレートに転写された放射線の二次元強度分布に対応する画像を測定して画像データを生成することと、画像データを解析し、複数種の金属箔コンバータのそれぞれに対応する複数のエネルギー値における中性子束を算出することと、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、中性子スペクトルを簡便に計測できる。

実施の形態に係る照射ユニットの構成を概略的に示す断面図である。 図２（ａ）〜（ｃ）は、Ａｕ箔コンバータにより吸収される中性子スペクトルの一例を示すグラフである。 ＩｎフィルタおよびＣｄフィルタを介してＩｎ箔コンバータにより吸収される中性子スペクトルの一例を示すグラフである。 図４（ａ），（ｂ）は、Ｄｙ箔コンバータにより吸収される中性子スペクトルの一例を示すグラフである。 ＡｕフィルタおよびＣｄフィルタを介してＩｎ箔コンバータにより吸収される中性子スペクトルの一例を示すグラフである。 図６（ａ），（ｂ）は、転写ユニットの構成を概略的に示す断面図である。 照射工程および転写工程における金属箔コンバータの放射能の時間変化の一例を示すグラフである。 ステップウェッジを用いる照射ユニットの構成を概略的に示す断面図である。 図８の照射ユニットを用いて取得される画像データの一例を模式的に示す図である。 複数種の金属箔を用いる照射ユニットの構成を概略的に示す断面図である。 図１０のコンバータユニットの構成を概略的に示す上面図である。 図１０のフィルタユニットの構成を概略的に示す上面図である。 図１０のステップウェッジの構成を概略的に示す断面図である。 変形例に係る照射ユニットの構成を概略的に示す断面図である。 実施例に係る照射ユニットの構成を概略的に示す上面図である。 Ｄｙ箔コンバータの転写画像の一例を示す図である。 Ｉｎ箔コンバータの転写画像の一例を示す図である。 Ａｕ箔コンバータの転写画像の一例を示す図である。 Ｍｎ箔コンバータの転写画像の一例を示す図である。 Ｅｒ箔コンバータの転写画像の一例を示す図である。 中性子スペクトルの測定結果および対応するシミュレーション結果の一例を示すグラフである。 中性子スペクトル測定装置の構成を模式的に示す図である。 中性子スペクトル測定方法の流れを示すフローチャートである。

本実施の形態は、中性子線のエネルギー分布である中性子スペクトルを測定する技術に関する。本実施の形態は、例えば、中性子イメージングとも呼ばれる中性子線を利用した検査手法に適用することができる。物質内を非破壊で透視する検査手法は、一般にラジオグラフィと呼ばれる。Ｘ線によるラジオグラフィ技術は一般的にレントゲン撮影と呼ばれ、医療用途や工業用途において幅広く用いられている。放射線源に中性子を用いた場合、特に「中性子ラジオグラフィ」または「中性子イメージング」と呼ばれている。

Ｘ線は、照射対象の物質の原子番号Ｚに依存してＺが大きいほど、また、照射対象の物質の密度が高いほど透過しにくいという特性を有する。Ｘ線の場合、密度が同程度であれば、原子番号Ｚの近い元素では透過率がほぼ同じとなるため、原子番号の近い物質を区別することは難しい。またＸ線は、原子のＫ殻やＬ殻などの電子殻の軌道に応じて吸収端の異なるエネルギーで透過量が異なりうるが、一般的にはＸ線のエネルギーが高いほど透過率が高い傾向にある。

一方、中性子と物質の相互作用の態様は、一般に原子番号に直接的に依存せず、原子核の構成に応じて変化する。そのため、同じ元素であっても同位体の違いによって中性子との反応や吸収の割合が変化し、その特性の違いに応じて物質を構成する元素の同位体を識別することができる。中性子と物質の相互作用をあらわす指標として中性子断面積（単位バーン（ｂ）：１ｂ＝１０^−２４ｃｍ^２）が用いられる。中性子断面積に原子数密度ρを乗算したものは巨視的断面積Σ（ｃｍ^−１）と呼ばれ、Ｘ線の線減弱係数に対応する。中性子の散乱には、干渉性散乱と非干渉性散乱の大きく二つの特性がある。多くの元素では干渉性散乱が支配的とされている。干渉性断面積の大きな元素は回折による散乱が主となり、中性子エネルギーの違いでブラッグ（Ｂｒａｇｇ）エッジが現れる。非干渉性散乱は、原子運動との散乱であり、中性子のエネルギーに等価な中性子速度ｖに反比例して断面積が増えていく。これは「１／ｖ法則」といわれ、例えば、硼素の同位体^１０Ｂやリチウムの同位体^６Ｌｉなどの元素では１／ｖ法則に対応する。これらの散乱断面積に加えて、元素によって異なる中性子エネルギー領域で現れる共鳴捕獲による吸収断面積がある。

中性子イメージングでは、主にＸ線での検査が難しいとされる原子番号の小さい元素を含む物質の検査に使用され、例えば水素（Ｈ）を含む水、油または樹脂、リチウム（Ｌｉ）や硼素（Ｂ）を含む物質などの検査に使用できる。これらの検査では、中性子エネルギーが低い熱中性子領域（例えば、１０^−３〜１０^−１ｅＶ程度）の中性子線を用いることが多い。この熱中性子領域のエネルギーを用いる場合、高エネルギーの中性子をモデレータと呼ばれる材料（主に水素を含む水やポリエチレンなど）で減速させて利用する。中性子源として、例えば、原子炉中性子源や、カリホルニウム（Ｃｆ）、アメリシウム（Ａｍ）、ベリリウム（Ｂｅ）などの放射性同位体（ＲＩ；Radio Isotope）を用いるＲＩ中性子源、サイクロトロンなどの加速器を用いる加速器中性子源などが挙げられる。また、時間的に連続して中性子線が出力される定常中性子源や、中性子線をパルス状に出力するパルス中性子源がある。

一般に、中性子源から出力される中性子線には、様々なエネルギーの中性子が含まれる。このうち、特定のエネルギーの中性子のみを取り出して非破壊での応力測定などに用いることがある。例えば、定常中性子源およびモノクロメータ結晶装置を用いて単一波長の中性子線を抽出し、測定試料に照射して回折される角度を検出する角度分散型回折装置が知られている。また、Ｂｒａｇｇの回折条件により決定される波長（エネルギー）を測定するエネルギー分散型の回折装置も知られており、主にパルス中性子源での飛行時間法（ＴＯＦ法）が用いられる。また、ＴＯＦ法を用いて元素（同位体）固有の共鳴吸収ピークを測定することにより同位体を特定することも行われる。

このように、中性子イメージング技術では、利用目的に応じて中性子のエネルギーを調整できることが望ましく、中性子源から出力される中性子線のエネルギー分布（スペクトル）を精度良く測定できることが好ましい。パルス中性子源であれば、上述のＴＯＦ法によって中性子スペクトルの測定が可能である。一方、定常中性子源の場合、検出器の手前に配置する減速材の厚みを変えることで異なるエネルギー値の中性子が測定する方法が知られている。しかしながら、熱中性子領域（約１０^−２〜１０^−１ｅＶ）および熱外中性子領域（約１０^０〜１０^３ｅＶ以上）にわたって中性子スペクトルを測定するには、減速材の厚みを最大で数ｃｍ〜数十ｃｍ程度にする必要があり、測定装置の大型化につながってしまう。また、一般的な中性子カウンタは、中性子線の照射環境下で発生する高線量のガンマ線を同時に計測してしまうため、ガンマ線の影響を考慮して測定結果を高精度で補正または較正しなければならない。

その他、照射環境をモンテカルロ法などを用いてシミュレーション計算することによって照射場の中性子スペクトルを解析的に導出する方法も用いられている。しかしながら、適切な計算結果を得るためには、実際の照射場の建屋や機器等の配置を高精度に再現し、照射環境下での散乱線の影響等を考慮して計算しなければならず、解析に必要となるデータ量が膨大となる。また、１回の計算に数日から数週間かかることもあり、中性子スペクトルを得るために気軽に利用できる手法とは言えない。

そこで本実施の形態では、中性子スペクトルを簡便に測定する技術を提案する。本実施の形態に係る中性子スペクトル測定装置は、測定対象とする中性子線のエネルギーに反応して放射化する異なる種類の金属元素をそれぞれが含有する複数種の金属箔コンバータを有するコンバータユニットと、対応する金属箔コンバータと同一種類の金属元素をそれぞれが含有する複数種の金属フィルタを有し、コンバータユニットの中性子線の入射側に配置されるフィルタユニットと、を備える。複数種の金属フィルタは、中性子線の入射方向から見た平面視において互いに異なる位置に配置され、複数種の金属箔コンバータは、対応する金属フィルタと中性子線の入射方向に少なくとも部分的に重なる位置に配置される。

本実施の形態では、同一種類の金属元素で構成される金属フィルタと金属箔コンバータを組み合わせて使用し、金属フィルタを透過した中性子線を金属箔コンバータに吸収させる。金属箔コンバータは、中性子線の吸収によって放射化し、中性子線の吸収量に応じた強さの放射能を獲得する。放射化された金属箔コンバータは、イメージングプレートなどの転写プレートに密着固定され、金属箔コンバータ表面の放射能強度分布に対応する画像が転写プレートに現像される。その後、転写プレートに現像された画像を読み出し、生成した画像データを解析することで、金属箔コンバータが吸収した中性子束を算出できる。このとき、特定のエネルギーにおいて共鳴吸収する金属元素を選択することで、共鳴エネルギーの中性子束を精度良く求めることができる。さらに、共鳴エネルギーのピーク位置が異なるといったエネルギー特性の異なる複数種の金属元素を用いることで、複数の異なるエネルギーでの中性子束を求めることができる。これにより、中性子のエネルギー分布を概略的に得ることができる。

以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。また、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下の説明において参照する図面において、各構成部材の大きさや厚みは説明の便宜上のものであり、必ずしも実際の寸法や比率を示すものではない。

（第１の実施の形態）
図１は、実施の形態に係る測定ユニット５０の構成を概略的に示す断面図である。測定ユニット５０は、金属箔コンバータ５２と、熱中性子フィルタ５４と、金属フィルタ５６とを備える。図１では、本実施の形態に係る測定方法の説明を簡易にするため、１種類の金属箔コンバータ５２および金属フィルタ５６のみを示している。

金属箔コンバータ５２および金属フィルタ５６は、同一種類の金属元素で構成されており、例えば金（^１９７Ａｕ）で構成される。つまり、金属箔コンバータ５２はＡｕ箔コンバータであり、金属フィルタ５６はＡｕフィルタである。熱中性子フィルタ５４は、例えばカドミウム（Ｃｄ）で構成される均一な厚みの金属板であり、いわゆるＣｄフィルタである。金属箔コンバータ５２の厚みは、例えば０．０１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下である。金属フィルタ５６の厚みは、例えば０．１ｍｍ以上３ｍｍ未満である。Ｃｄフィルタ５４の厚みは、０．１ｍｍ以上３ｍｍ未満であり、例えば０．５ｍｍまたは１ｍｍである。

金属箔コンバータ５２は、三つの測定領域５２ａ，５２ｂ，５２ｃを有する。第１測定領域５２ａの上には、熱中性子フィルタ５４および金属フィルタ５６が設けられず、測定対象となる中性子線ＮＢが第１測定領域５２ａに直接照射される。第２測定領域５２ｂの上には、熱中性子フィルタ５４のみが設けられており、熱中性子フィルタ５４を通過した中性子線ＮＢが第２測定領域５２ｂに入射する。第３測定領域５２ｃの上には、熱中性子フィルタ５４および金属フィルタ５６が重なっており、熱中性子フィルタ５４および金属フィルタ５６の双方を通過した中性子線ＮＢが第３測定領域５２ｃに入射する。

図２（ａ）〜（ｃ）は、Ａｕ箔コンバータにより吸収される中性子スペクトルの一例を示すグラフである。図２（ａ）は、図１のＡｕ箔コンバータ５２の第１測定領域５２ａに対応する中性子スペクトルである。図２（ａ）の破線は、Ａｕ箔コンバータ５２の第１測定領域５２ａに入射する中性子線ＮＢのスペクトルであり、実線は第１測定領域５２ａで吸収される中性子スペクトルを示す。測定対象の中性子線には様々なエネルギーの中性子が混在している。図示する例では、熱中性子領域Ｅ１の中性子束は１０^−６程度の緩やかなピークを有し、熱外中性子領域Ｅ２の中性子束は１０^−７程度でほぼ一定である。実線で示されるように、Ａｕ箔コンバータ５２の第１測定領域５２ａで吸収される中性子スペクトルは、約５ｅＶ（４．９０６ｅＶ）の位置に共鳴吸収のピークＥ_Ａｕを有する。また、Ａｕ箔コンバータ５２の第１測定領域５２ａは、熱中性子領域Ｅ１の中性子もある程度吸収する。Ａｕ箔コンバータ５２の第１測定領域５２ａが吸収する中性子の総量は、実線のスペクトルで示される領域全体の積分値に相当する。図２（ａ）の例では、熱中性子領域Ｅ１における中性子の吸収量の積分値と、熱外中性子領域Ｅ２における中性子の吸収量の積分値とは同程度である。

図２（ｂ）は、図１のＡｕ箔コンバータ５２の第２測定領域５２ｂに対応する中性子スペクトルである。図２（ｂ）の破線は、熱中性子フィルタ５４を通過してＡｕ箔コンバータ５２の第２測定領域５２ｂに入射する中性子線ＮＢのスペクトルであり、実線は第２測定領域５２ｂで吸収される中性子スペクトルを示す。図２（ｂ）では、図２（ａ）と異なり、熱中性子フィルタ５４によって熱中性子領域Ｅ１の中性子束が遮蔽されている。その結果、Ａｕ箔コンバータ５２の第２測定領域５２ｂには熱外中性子領域Ｅ２のみが吸収され、吸収される中性子のほとんどが共鳴ピークＥ_Ａｕのエネルギー値を持つ。

図２（ｃ）は、図１のＡｕ箔コンバータ５２の第３測定領域５２ｃに対応する中性子スペクトルである。図２（ｃ）の破線は、Ａｕフィルタ５６および熱中性子フィルタ５４を通過してＡｕ箔コンバータ５２の第３測定領域５２ｃに入射する中性子線ＮＢのスペクトルであり、実線は第３測定領域５２ｃで吸収される中性子スペクトルを示す。図２（ｃ）では、図２（ｂ）の破線のスペクトルからさらに金属フィルタ５６によって共鳴ピークＥ_Ａｕの中性子束が遮蔽される。その結果、Ａｕ箔コンバータ５２の第３測定領域５２ｃには熱外中性子領域Ｅ２のうち共鳴ピークＥ_Ａｕの部分を除いたエネルギーの中性子が吸収される。

ここで、図２（ｂ），（ｃ）に実線で示される吸収スペクトルを比較すると、共鳴ピークＥ_Ａｕのエネルギーを持つ中性子束の吸収の有無のみが実質的な相違点となる。したがって、図２（ｂ）の第２測定領域５２ｂの中性子吸収量から図２（ｃ）の第３測定領域５２ｃの中性子吸収量を減算すれば、共鳴ピークＥ_Ａｕの中性子吸収量のみを求めることができる。その結果、Ａｕ箔コンバータ５２の共鳴ピークＥ_Ａｕのエネルギー（約５ｅＶ）における中性子束を求めることができる。Ａｕ箔コンバータ５２の中性子吸収量は、中性子の吸収によってＡｕが放射化し、その放射能強度を事後的に測定することで間接的に求めることができる。より具体的には、Ａｕ原子が中性子を捕獲してガンマ線を放出する（ｎ，γ）反応におけるガンマ線強度を事後的に測定することで、Ａｕ箔コンバータ５２の中性子吸収量を算出できる。詳細は別途後述する。

なお、熱中性子フィルタ５４を用いなくても、Ａｕ箔コンバータ５２の共鳴ピークＥ_Ａｕでの中性子束を求めることができる。具体的には、Ａｕ箔コンバータ５２の測定領域のうち、金属フィルタ５６により遮蔽される領域とそうでない領域の中性子吸収量を測定し、両者を比較することで、共鳴ピークＥ_Ａｕの中性子吸収量を求めることもできる。しかしながら、この場合には熱中性子領域Ｅ１での中性子吸収量の割合が大きいため、共鳴ピークＥ_Ａｕでの吸収の有無による中性子吸収量の変化の割合が小さくなり、測定の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）の低下につながる。したがって、熱中性子フィルタ５４を用いることで、共鳴ピークＥ_Ａｕでの測定のＳ／Ｎ比を高め、より精度良く共鳴ピークＥ_Ａｕでの中性子束を算出できる。

上述の手法は、共鳴吸収ピークが異なる別の種類の金属元素を含有する金属箔コンバータおよび金属フィルタの組み合わせにも適用可能である。図３は、ＩｎフィルタおよびＣｄフィルタを介してＩｎ箔コンバータにより吸収される中性子スペクトルの一例を示すグラフである。つまり、図３では、金属箔コンバータ５２および金属フィルタ５６を構成する金属元素として、金（Ａｕ）の代わりにインジウム（^１１５Ｉｎ）を用いている。図示されるように、インジウム（^１１５Ｉｎ）は約１．５ｅＶ（１．４５７ｅＶ）の位置に共鳴吸収のピークＥ_Ｉｎを有する。したがって、金属箔コンバータ５２と金属フィルタ５６の組み合わせとしてＩｎを用いることで、Ａｕ（約５ｅＶ）とは異なるエネルギー（約１．５ｅＶ）の中性子束を求めることができる。

熱外中性子領域Ｅ２に共鳴吸収ピークを有する金属元素として、金（^１９７Ａｕ）、インジウム（^１１５Ｉｎ）の他に、マンガン（^５５Ｍｎ）、コバルト（^５９Ｃｏ）、銅（^６３Ｃｕ）、エルビウム（^１７０Ｅｒ）などが挙げられる。マンガン（^５５Ｍｎ）は約３００ｅＶ（３３７ｅＶ）の共鳴ピークを有し、コバルト（^５９Ｃｏ）は約１００ｅＶ（１３２ｅＶ）の共鳴ピークを有する。銅（^６３Ｃｕ）は約６００ｅＶ（５８０ｅＶ）の共鳴ピークを有し、エルビウム（^１７０Ｅｒ）は１００ｅＶの共鳴ピークを有する。なお、これらの金属元素を含有する合金を用いることもできる。一例を挙げれば、マンガン単体の金属を用いる代わりに、マンガンを含むマンガニン合金（銅８６％、マンガン１２％、ニッケル（Ｎｉ）２％）を用いることも可能である。

上記の金属元素のうち、コバルト（Ｃｏ）は半減期が他の元素に比べて長いため、転写法による比較的短時間の測定には適していないかもしれない。一方、コバルトに近似した共鳴ピークを有するエルビウム（^１７０Ｅｒ）は、同位体存在割合が１４．９３％であり、半減期が７．５１６時間である。また、他の同位体である^１６８Ｅｒの存在割合は２６．７８％であり、半減期は９．４０日である。^１７０Ｅｒおよび^１６８Ｅｒはいずれもベータ崩壊であるが、放射化および転写の工程においては、半減期の短い^１７０Ｅｒが支配的であると考えられる。なお、本明細書にて例示される金属元素の物性値は、日本原子力研究開発機構の核データ研究グループが開示する汎用標準核データライブラリ（ＪＥＮＤＬ−４．０，https://wwwndc.jaea.go.jp/jendl/j40/J40_J.html）から引用している。

上述の手法は、共鳴吸収とは異なる反応特性を持つ金属元素を含有する金属箔コンバータおよび金属フィルムの組み合わせにも適用可能であり、例えば、熱中性子領域Ｅ１の反応断面積が大きいジスプロシウム（Ｄｙ）を用いることができる。図４（ａ），（ｂ）は、Ｄｙ箔コンバータにより吸収される中性子スペクトルの一例を示すグラフである。図４（ａ）の実線は、熱中性子フィルタ５４（Ｃｄフィルタ）がない場合のＤｙ箔コンバータの中性子吸収スペクトルを示す。図示されるように、Ｄｙ箔は、熱中性子領域Ｅ１と、熱外中性子領域Ｅ２の一部領域Ｅ３（０．４ｅＶ〜１ｅＶ程度）とにわたって中性子を吸収する。図４（ｂ）の実線は、熱中性子フィルタ５４（Ｃｄフィルタ）がある場合のＤｙ箔コンバータの中性子吸収スペクトルを示す。図示されるように、Ｃｄフィルタを組み合わせることで熱中性子領域Ｅ１を遮蔽し、０．４ｅＶ〜１ｅＶ程度の一部領域Ｅ３の中性子のみをＤｙ箔コンバータに吸収させることができる。したがって、Ｄｙ箔コンバータとＤｙフィルタ（およびＣｄフィルタ）を組み合わせることで、０．４ｅＶ〜１ｅＶ程度のエネルギー範囲の中性子束を測定できる。

なお、本実施の形態に係る測定方法は、反応特性の異なる金属箔コンバータと金属フィルタを組み合わせても意味がない。なぜなら、特定のエネルギーに対する反応が同じである同一種類の金属元素の金属箔コンバータと金属フィルタを組み合わせることで初めて、特定エネルギーにおける中性子束を高精度に測定できるからである。図５は、異なる種類の金属元素の金属箔コンバータと金属フィルタを組み合わせた場合の中性子吸収スペクトルを示し、ＡｕフィルタおよびＣｄフィルタにＩｎ箔コンバータを組み合わせた場合を示す。図示されるように、ＡｕとＩｎでは共鳴ピークＥ_Ａｕ，Ｅ_Ｉｎの位置が相違するため、Ｉｎ箔コンバータの中性子吸収スペクトルは、Ａｕフィルタの影響を実質的に受けていないことが分かる。

次に、放射化した金属箔コンバータ５２の放射能強度の測定方法について説明する。図６（ａ），（ｂ）は、転写ユニット１４の構成を概略的に示す断面図である。図６（ａ）に示されるように、転写ユニット１４は、転写プレート４２と、緩衝材４４と、遮蔽容器４６とを備える。転写ユニット１４は、放射化された金属箔コンバータ５２の放射能強度分布を転写プレート４２に現像して画像化するためのカセッテである。

転写プレート４２は、放射線（例えばベータ線およびガンマ線）に反応して放射線強度分布に対応する画像を生成するためのイメージングプレート（ＩＰ）である。転写プレート４２として、例えば輝尽性蛍光体を用いたものを使用できる。輝尽性蛍光体は、放射線に反応して蛍光するとともに、事後的に読出光を照射することで放射線に反応した箇所が再度発光するという記憶機能（光メモリ機能）を有する。その結果、輝尽性を有しない一般的な蛍光体を用いる場合に比べて高感度画像を得ることができ、ダイナミックレンジの大きい画像データを取得できる。また、中性子線の照射環境と、イメージングプレートへの転写環境とを分離することができ、中性子線の照射環境にて生じる高線量のガンマ線が転写工程に悪影響を及ぼすことを防ぐことができる。

放射化された金属箔コンバータ５２は、その片面が転写プレート４２と密着した状態で遮蔽容器４６の内部に収容される。緩衝材４４は、スポンジ状の樹脂部材またはゴム部材であり、転写プレート４２を金属箔コンバータ５２に押し付けるようにする。これにより、転写プレート４２と金属箔コンバータ５２の間に隙間が生じないようにし、転写工程の間、転写プレート４２と金属箔コンバータ５２の相対位置が変わらないようにする。遮蔽容器４６は、転写工程の間、容器内部が暗室状態となるように外部からの光を遮蔽する。

図６（ｂ）は、転写ユニット１４の変形例を示す。図６（ｂ）では、金属箔コンバータ５２の両面のそれぞれに転写プレート４２ａ，４２ｂに配置される点で図６（ａ）の構成と相違する。金属箔コンバータ５２の厚さは、例えば０．０１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度と薄いため、中性子線ＮＢが入射する表面と反対側の裏面のいずれも同じような二次元分布で放射化している。そのため、金属箔コンバータ５２の表面に対応する第１転写プレート４２ａに転写される画像と、金属箔コンバータ５２の裏面に対応する第２転写プレート４２ｂに転写される画像とを足し合わせて用いることができる。その結果、両面の転写結果を積算することで、金属箔コンバータ５２の片面のみを転写する場合に比べて、現像される画像の感度を高めることができる。

図７は、照射工程および転写工程における金属箔コンバータ５２の放射能強度の時間変化の一例を示すグラフであり、Ｄｙ箔コンバータの例を示す。金属箔にジスプロシウム（Ｄｙ）を用いる場合、中性子との反応により生成される主な放射性核種は^１６４Ｄｙ（ｎ，γ）^１６５Ｄｙである。グラフの縦軸は、金属箔コンバータ５２の放射能の表面密度（Ｂｑ／ｃｍ^２）であり、グラフの横軸は経過時間（分）である。時刻ｔ_１までの期間は、測定ユニット５０に中性子線ＮＢを連続して照射する照射工程であり、時間の経過とともに放射能強度が高まっていく。金属箔コンバータ５２に熱中性子をｔ秒照射して生成される放射能表面密度Ａｓ（ｔ）は、以下の式（１）で記述することができる。
ここで、ｆ：照射中性子線の中性子束（ｎ／ｃｍ^２ｓ）、σ：金属箔の放射化断面積（ｃｍ^２）、θ：金属箔中の同位体存在割合、ρ：金属箔の密度（ｇ／ｃｍ^３）、Ｖ：金属箔の体積（ｃｍ^３）、ｔ：中性子線の照射時間（ｓ）、Ｔ：生成核の半減期（ｓ）、Ｍ：金属箔の原子量、Ｓ：金属箔の表面積（ｃｍ^２）である。式（１）より、照射時間ｔが長くなると、放射平衡に漸近していくことが分かる。

図７の時刻ｔ_１以降は中性子線の照射を停止した状態である。時刻ｔ_１〜ｔ_２は、放射化した金属箔コンバータ５２を転写ユニット１４に収容する準備工程である。時刻ｔ_２〜ｔ_３は、金属箔コンバータ５２の放射能強度分布を転写プレート４２に転写する転写工程である。中性子線の照射を停止すると、新たな放射性核種が生成されずに放射性核種が崩壊していくため、時間経過とともに放射能強度が減衰していく。照射停止（時刻ｔ_１）からｄ秒経過したときの放射能表面密度Ａｄ（ｄ）は、以下の式（２）で記述することができる。

時刻ｔ_２〜ｔ_３の転写工程では、金属箔コンバータ５２から放射される放射線が転写プレート４２に蓄積されていく。転写プレート４２に蓄積される積算放射能強度Ｂは、図７のグラフの斜線の領域に相当し、時刻ｔ_２から時刻ｔ_３まで放射能表面密度Ａｄ（ｄ）の積分値に対応する。放射能強度の測定感度を高めるためには、転写プレート４２に蓄積される積算放射能強度Ｂの値を最大化することが好ましい。積算放射能強度Ｂの最大化のためには、生成核の半減期Ｔの５倍以上の時間にわたって中性子線ＮＢを照射し、時刻ｔ_１〜ｔ_２の準備工程の時間を極力短くし、半減期Ｔの５倍以上の時間にわたって金属箔コンバータ５２から転写プレート４２に放射線を積算照射することが好ましい。

転写プレート４２に転写された放射能強度分布は、例えば、転写プレート４２に読出用のレーザ光をスキャン照射し、レーザ照射位置の蛍光量をフォトダイオードや光電子増倍管などの検出器で検出することでデジタル信号（画像データ）として画像化できる。例えば、イメージングプレート専用のリーダ（スキャナ）などを読取装置として用いることができる。このようにして取得した画像データの画素値は、上述の積算放射能強度Ｂに対応するため、照射工程、準備工程および転写工程の時間値と、金属箔コンバータ５２の物性値とを用いて式（１）および式（２）を逆算することで、金属箔コンバータ５２に照射された中性子束ｆを求めることができる。

図１に示すように、金属箔コンバータ５２の各測定領域５２ａ〜５２ｃに異なる条件で中性子線を照射している場合、各測定領域５２ａ〜５２ｃに照射された中性子束を算出してこれらを比較することで、共鳴吸収ピークのエネルギー範囲の中性子束を求めることもできる。このとき、図６（ａ），（ｂ）に示すように、各測定領域５２ａ〜５２ｃを有する金属箔コンバータ５２を同じ転写プレート４２に密着させることで、準備工程および転写工程の時間値を各測定領域５２ａ〜５２ｃで同じにできる。その結果、中性子束を算出するために必要なパラメータを共通化することができ、より高精度に共鳴吸収ピークの中性子束を求めることができる。また、照射工程と転写工程とを分離しているため、ガンマ線の影響が少ない環境下で金属箔コンバータ５２の放射能強度分布を転写プレート４２に転写でき、画像データに含まれるノイズを抑制できる。

（第２の実施の形態）
図８は、ステップウェッジを用いる測定ユニット６０の構成を概略的に示す断面図である。測定ユニット６０は、金属箔コンバータ６２と、熱中性子フィルタ６４と、金属フィルタ６６とを備える。本実施の形態では、金属フィルタ６６として段階的な厚さｔ_ａ〜ｔ_ｅを有するステップウェッジを用いる点で上述の実施の形態と相違する。ステップウェッジを用いることで、金属フィルタ６６の厚みの違いに応じた中性子束が得られ、共鳴吸収ピークの中性子束をより高精度に求めることができる。以下、上述の実施の形態との相違点を中心に説明する。

金属フィルタ６６は、５段のステップウェッジであり、厚みの異なる第１部分６６ａ、第２部分６６ｂ、第３部分６６ｃ、第４部分６６ｄおよび第５部分６６ｅを有する。各部分６６ａ〜６６ｅの厚みｔ_ａ〜ｔ_ｅは、例えば０．１ｍｍ以上３ｍｍ未満の範囲で設定される。一例を挙げれば、第１部分６６ａの厚みｔ_ａは０．１ｍｍであり、第２部分６６ｂの厚みｔ_ｂは０．２ｍｍであり、第３部分の厚みｔ_ｃは０．５ｍｍであり、第４部分６６ｄの厚みｔ_ｄは１．０ｍｍであり、第５部分６６ｅの厚みｔ_ｅは２．０ｍｍである。なお、ステップウェッジの段数は５段に限られず、２段、３段または４段のステップウェッジを用いてもよいし、６段以上のステップウェッジを用いてもよい。また、ステップウェッジの各段の厚みも上述したものに限られず、厚みを等間隔で線形的に変化させてもよいし、指数的または累乗的に非線形で変化させてもよい。

金属箔コンバータ６２は、複数の測定領域６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄ，６２ｅを有する。第１測定領域６２ａには金属フィルタ６６の第１部分６６ａを通過した中性子線ＮＢが入射する。同様にして、第２測定領域６６ｂ、第３測定領域６６ｃ、第４測定領域６６ｄおよび第５測定領域６６ｅには、それぞれ金属フィルタ６６の第２部分６６ｂ、第３部分６６ｃ、第４部分６６ｄおよび第５部分６６ｅを通過した中性子線ＮＢが入射する。また、金属箔コンバータ６２と金属フィルタ６６の間にはＣｄフィルタなどの熱中性子フィルタ６４が配置される。したがって、熱中性子フィルタ６４を通過した中性子線ＮＢが金属箔コンバータ６２の各測定領域６２ａ〜６２ｅに入射する。

金属箔コンバータ６２および金属フィルタ６６は、上述の実施の形態と同様、例えば金（^１９７Ａｕ）で構成され、約５ｅＶの共鳴吸収ピークを有する。したがって、金属箔コンバータ６２の中性子吸収スペクトルは、図２（ｃ）と同様、共鳴ピークＥ_Ａｕの中性子束が金属フィルタ６６によって少なくとも部分的に除去されたものとなる。本実施の形態では、金属フィルタ６６の厚みが測定領域に応じて異なるため、金属フィルタ６６による共鳴ピークＥ_Ａｕの中性子吸収量が異なる。具体的には、金属フィルタ６６の厚みが小さい第１測定領域６２ａでは、金属フィルタ６６による吸収量が小さいため、第１測定領域６２ａが吸収する共鳴ピークＥ_Ａｕの中性子束は相対的に大きく、共鳴ピークＥ_Ａｕでのスペクトルの溝が浅くなる。一方、金属フィルタ６６の厚みが大きい第５測定領域６２ｅでは、金属フィルタ６６による吸収量が大きいため、第５測定領域６２ｅが吸収する共鳴ピークＥ_Ａｕの中性子束は相対的に小さく、共鳴ピークＥ_Ａｕでのスペクトルの溝が深くなる。

図９は、図８の測定ユニット６０を用いて取得される画像データの一例を模式的に示す図であり、転写プレート４２に転写される画像６８を模式的に示す。転写画像６８は、金属箔コンバータ６２の各測定領域６２ａ〜６２ｅに対応する複数の領域６８ａ，６８ｂ，６８ｃ，６８ｄ，６８ｅを有する。転写画像６８の各領域６８ａ〜６８ｅの画素値は、金属箔コンバータ６２の各測定領域６２ａ〜６２ｅが吸収した中性子束の大きさに比例し、それぞれが段階的に変化する黒化濃度を有する。第１領域６８ａは、中性子吸収量が相対的に大きい第１測定領域６２ａに対応するため、相対的に黒い（濃い）領域となる。一方、第５領域６８ｅは、中性子吸収量が相対的に小さい第５測定領域６２ｅに対応するため、相対的に白い（薄い）領域となる。このようにして、測定ユニット６０を用いた測定結果として、黒化濃度（濃淡）の異なる複数の領域６８ａ〜６８ｅを有する転写画像６８が得られる。

なお、各領域６８ａ〜６８ｅの外側の背景領域６８ｆは、図面の分かりやすさのために白色としているが、実際には黒色であってもよい。例えば、金属箔コンバータ６２の測定領域６２ａ〜６２ｅよりも外側の領域上に金属フィルタ６６が存在していなければ、その外側領域に入射する中性子束は測定領域よりも大きいであろう。その結果、相対的に大きい中性子吸収量に対応するように転写画像６８の背景領域６８ｆは黒い（濃い）部分となる。なお、金属箔コンバータ６２の測定領域外に入射する中性子線ＮＢの大部分を遮蔽するようなフィルタが設けられていれば、転写画像６８の背景領域６８ｆは白い（薄い）部分となるであろう。

本実施の形態において、金属フィルタ６６として用いるステップウェッジの厚さは既知である。そのため、ステップウェッジの各部分６６ａ〜６６ｅによる共鳴ピークＥ_Ａｕでの中性子束の吸収率（または減衰率）を計算により求めることができる。したがって、転写画像６８の各領域６８ａ〜６８ｅの画素値と、ステップウェッジの各部分６６ａ〜６６ｅの中性子束の吸収率とを相関させることで、測定ユニット６０に入射する中性子線ＮＢの共鳴ピークＥ_Ａｕでの中性子束を求めることができる。本実施の形態では、複数段（例えば５段）のステップウェッジに基づく測定値を利用できるため、図１の実施の形態のように金属フィルタ５６の有無による測定値を比較する場合よりも共鳴ピークＥ_Ａｕでの中性子束を高精度に求めることができる。

（第３の実施の形態）
図１０は、複数種の金属箔を用いる測定ユニット１２の構成を概略的に示す断面図である。測定ユニット１２は、コンバータユニット２０と、フィルタユニット３０とを備える。フィルタユニット３０は、コンバータユニット２０に入射する中性子線ＮＢを遮蔽するようにコンバータユニット２０の中性子線ＮＢの入射側に配置される。図面において、中性子線ＮＢの入射方向をｚ方向（＋ｚ方向）とし、入射方向に直交する二つの方向をｘ方向およびｙ方向としている。

コンバータユニット２０は、複数種の金属箔コンバータ２１〜２６と、熱中性子遮蔽板２８とを含む。フィルタユニット３０は、複数種の金属フィルタ３１〜３５と、支持板３８と、熱中性子フィルタ４０とを含む。本実施の形態では、中性子との反応特性が異なる複数種類の金属元素を利用することで、複数のエネルギーの中性子束を同時測定できるようにしている。以下、上述の実施の形態との相違点を中心に説明する。

図１１は、図１０のコンバータユニット２０の構成を概略的に示す上面図である。複数種の金属箔コンバータ２１〜２６は、熱中性子遮蔽板２８の上にｘ方向に並んで配置されている。複数種の金属箔コンバータ２１〜２６は、中性子線ＮＢの入射方向から見た平面（ｘｙ平面）視において、互いに重ならないように異なる位置に配置される。複数種の金属箔コンバータ２１〜２６は、例えば、図示されるようなｙ方向に長い矩形状であり、ｘ方向に間隔を空けて並べられる。なお、図示される複数種の金属箔コンバータ２１〜２６の形状および配置は一例にすぎず、他の形状および配置が用いられてもよい。例えば、複数種の金属箔コンバータ２１〜２６は、２次元アレイ状に配置されてもよい。熱中性子遮蔽板２８は、中性子線ＮＢの入射方向とは反対側（裏側）から散乱して金属箔コンバータ２１〜２６に戻ってくる熱中性子（ノイズ成分）を除去するために設けられる。熱中性子遮蔽板２８を支持するためのアルミニウム（Ａｌ）板がさらに設けられてもよい。

複数種の金属箔コンバータ２１〜２６は、それぞれ異なる種類の金属元素を含有し、それぞれが中性子の異なるエネルギーに反応して放射化する。複数種の金属箔コンバータ２１〜２６のそれぞれが含有する金属元素として、例えば、ジスプロシウム（Ｄｙ）、金（^１９７Ａｕ）、インジウム（^１１５Ｉｎ）、マンガン（^５５Ｍｎ）、コバルト（^５９Ｃｏ）、銅（^６３Ｃｕ）、エルビウム（^１７０Ｅｒ）のいずれかを選択することができる。上述の通り、ジスプロシウム（Ｄｙ）は、熱中性子領域Ｅ１の中性子束を測定するために用いることができる。また、金（^１９７Ａｕ）、インジウム（^１１５Ｉｎ）、マンガン（^５５Ｍｎ）、コバルト（^５９Ｃｏ）、銅（^６３Ｃｕ）およびエルビウム（^１７０Ｅｒ）は、熱外中性子領域Ｅ２における特定の共鳴吸収エネルギーの中性子束を測定するために用いることができる。

なお、１ＭｅＶ程度以上の高エネルギーの中性子を測定するため、アルミニウム（Ａｌ）やマグネシウム（Ｍｇ）を用いることもできる。アルミニウム（^２７Ａｌ）に高エネルギーの中性子を照射すると、中性子を捕獲してアルファ線を放出する（ｎ，α）反応が生じ、放射化ナトリウム（^２４Ｎａ）が生成される。また、マグネシウム（^２４Ｍｇ）に高エネルギーの中性子を照射すると、中性子を捕獲して陽子を放出する（ｎ，ｐ）反応が生じ、放射化ナトリウム（^２４Ｎａ）が生成される。放射化ナトリウム（^２４Ｎａ）は、ベータ崩壊によりマグネシウム（^２４Ｍｇ）に安定化するため、放射化ナトリウムから放出されるベータ線（電子線）を測定することで、１ＭｅＶ程度以上の高エネルギー帯の中性子束を測定することができる。ＡｌおよびＭｇの上記反応断面積は、Ａｕなどの共鳴吸収における断面積に比べて小さく、金属フィルタを組み合わせるメリットが小さいため、金属箔コンバータを単独で使用してもよい。

複数種の金属箔コンバータ２１〜２６のそれぞれをいずれの金属元素とするかは特に限られないが、一例として、第１金属箔コンバータ２１をＤｙ箔とし、第２金属箔コンバータ２２をＩｎ箔とし、第３金属箔コンバータ２３をＡｕ箔とし、第４金属箔コンバータ２４をＭｎ箔（またはマンガニン箔）とし、第５金属箔コンバータ２５をＥｒ箔とし、第６金属箔コンバータ２６をＡｌ箔とすることができる。

図１２は、図１０のフィルタユニット３０の構成を概略的に示す上面図である。複数種の金属フィルタ３１〜３５は、支持板３８の上にｘ方向に並んで配置されている。支持板３８は、熱中性子領域Ｅ１および熱外中性子領域Ｅ２での吸収断面積が小さい材料で構成されることが好ましく、例えば、アルミニウム（Ａｌ）やマグネシウム（Ｍｇ）を用いることができる。複数種の金属フィルタ３１〜３５は、対応する金属箔コンバータ２１〜２５と中性子線の入射方向（ｚ方向）に重なる位置に配置される。図示する例では、対応する金属箔コンバータ２１〜２５および金属フィルタ３１〜３５のｘ方向およびｙ方向の位置および大きさがちょうど揃うようにしているが、両者が互いにｘ方向およびｙ方向の少なくとも一方にずれるようにして重なりあってもよい。つまり、対応する金属箔コンバータ２１〜２５および金属フィルタ３１〜３５は、ｚ方向に少なくとも部分的に重なっていればよい。図示する例では、第６金属箔コンバータ（例えばＡｌ箔）２６に対応する金属フィルタを設けていないが、第６金属箔コンバータ２６に対応する第６金属フィルタをさらに配置してもよい。

複数種の金属フィルタ３１〜３５のそれぞれは、ステップウェッジとして構成される。図１３は、図１２のステップウェッジの構成を概略的に示す断面図であり、図１２のＣ−Ｃ線断面を示す。第１金属フィルタ３１は、厚みが段階的に変化する複数の部分３１ａ〜３１ｊを有する。ステップウェッジの各段は、ｘ方向に並べられている。ステップウェッジの左半分（図１２では上半分）に位置する第１部分３１ａ〜第５部分３１ｅは、熱中性子フィルタ４０と重ならない位置に配置されている。その結果、第１金属フィルタ３１の第１部分３１ａ〜第５部分３１ｅを通過して第１金属箔コンバータ２１に入射する中性子線ＮＢは、熱中性子領域Ｅ１の中性子束を含む。一方、ステップウェッジの右半分（図１２では下半分）に位置する第６部分３１ｆ〜第１０部分３１ｊは、熱中性子フィルタ４０と重なる位置に配置されている。その結果、第１金属フィルタ３１の第６部分３１ｆ〜第１０部分３１ｊを通過して第１金属箔コンバータ２１に入射する中性子線ＮＢは、熱中性子領域Ｅ１の中性子束が除外されている。したがって、本実施の形態の測定ユニット１２を用いることで、熱中性子領域Ｅ１の中性子を含むデータと、熱中性子領域Ｅ１の中性子が除外されたデータとを同時に取得できる。

複数種の金属フィルタ３１〜３５のそれぞれは、対応する金属箔コンバータ２１〜２５と同一種類の金属元素で構成される。したがって、上述の一例を挙げれば、第１金属フィルタ３１はＤｙステップウェッジであり、第２金属フィルタ３２はＩｎステップウェッジであり、第３金属フィルタ３３をＡｕステップウェッジであり、第４金属フィルタ３４はＭｎ（またはマンガニン）ステップウェッジであり、第５金属フィルタ３５はＥｒステップウェッジである。本実施の形態においても、ステップウェッジの厚みは、例えば０．１ｍｍ以上３ｍｍ未満の範囲で適宜設定することができる。

測定ユニット１２に測定対象とする中性子線ＮＢを照射した後、放射化した複数種の金属箔コンバータ２１〜２６を転写ユニット１４を用いて転写プレート４２に密着させる。このとき、複数種の金属箔コンバータ２１〜２６の全てを同じ転写プレート４２に転写させることで、中性子束を算出するための準備工程および転写工程の時間値を共通化できる。なお、複数種の金属箔コンバータ２１〜２６のそれぞれを分離して別個の転写プレートに転写させてもよい。この場合、別個の転写プレートでの準備工程および転写工程の時間値を用いて各金属箔コンバータが吸収した中性子束を算出することが好ましい。その後、転写プレートを通じて取得された画像データを解析することで、複数種の金属箔コンバータ２１〜２６のそれぞれに対応するエネルギーの中性子束を算出できる。

例えば、複数種の金属箔コンバータ２１〜２６の金属元素として、Ｄｙ、Ｉｎ、Ａｕ、Ｍｎ、Ｅｒ、Ａｌを選択することにより、熱中性子領域（〜０．４ｅＶ）、熱外中性子領域（０．４ｅＶ〜１ｅＶ，Ｄｙ）における中性子束と、１．５ｅＶ（Ｉｎ）、５ｅＶ（Ａｕ）、１００ｅＶ（Ｅｒ）、３３７ｅＶ（Ｍｎ）の共鳴吸収エネルギーにおける中性子束と、１ＭｅＶ程度以上の高エネルギーの中性子束（Ａｌ）とを得ることができる。これらの複数のエネルギー値における中性子束をグラフ化することで、簡易的な中性子エネルギー分布（スペクトル）を得ることができる。

図１４は、変形例に係る測定ユニット１２の構成を概略的に示す断面図である。本変形例は、上述の図１０〜図１３に示した測定ユニット１２と同様の構成を有するが、複数種の金属箔コンバータ２１〜２６が中性子線ＮＢの入射方向（ｚ方向）に重なり合うように配置されている点で、上述の実施の形態と相違する。

コンバータユニット２０は、Ｄｙ箔コンバータ２１と、Ｉｎ箔コンバータ２２と、Ａｕ箔コンバータ２３と、Ｍｎ箔（またはマンガニン箔）コンバータ２４と、Ｅｒ箔コンバータ２５と、Ａｌ箔コンバータ２６とを備える。複数種の金属箔コンバータ２１〜２６のそれぞれは、フィルタユニット３０の複数種の金属フィルタ（またはステップウェッジ）３１〜３５の全てと中性子線ＮＢの入射方向に重なり合うように配置されている。

複数種の金属箔コンバータ２１〜２６は、含有する金属元素の種類に応じて積層順序を適切に設定することが好ましい。例えば、熱中性子領域Ｅ１および熱外中性子領域Ｅ２の双方において反応断面積の小さいＡｌ箔コンバータ２６は、他の金属箔コンバータへの影響が小さいため、他の金属箔コンバータよりも中性子線ＮＢの入射方向の手前側（−ｚ方向側）に配置される。一方、熱中性子領域Ｅ１および熱外中性子領域Ｅ２の双方において反応断面積の大きいＤｙ箔コンバータ２１は、他の金属箔コンバータへの影響を避けるため、他の金属箔コンバータよりも中性子線ＮＢの入射方向の奥側（＋ｚ方向側）に配置される。

その他の共鳴吸収ピークを有するＩｎ、Ａｕ、Ｍｎ、Ｅｒ箔コンバータの積層順はそれほど厳密ではないが、吸収断面積が相対的に小さい金属元素ほど中性子線の入射方向の手前側に配置することが好ましい。また、Ａｕ箔は中性子測定のためのリファレンスとして標準的に使用されることから、Ａｕ箔での測定誤差を低減するため、他の金属箔に比べてＡｕ箔コンバータ２３を中性子線の入射方向の手前側に配置することが好ましい。このような理由から、図示する例では、中性子線の入射側からＡｌ箔２６、Ａｕ箔２３、Ｅｒ箔２５、Ｉｎ箔２２、Ｍｎ箔２４、Ｄｙ箔２１の順に金属箔コンバータを積層させている。

なお、複数種の金属箔コンバータ２１〜２６の一部について、対応する金属フィルタと重なり合う位置にのみ配置してもよい。例えば、Ｍｎ箔２４やＥｒ箔２５は他の金属箔と比較して材料が高価であるため、経済性を考慮すると金属箔の面積を可能な限り小さくした方が好ましい。そこで、Ｍｎ箔２４やＥｒ箔２５などの一部の金属箔については、上述の図１０の実施の形態と同様、対応する金属フィルタ３４，３５が位置する部分にのみ配置してもよい。一方、他の金属箔（例えば、Ｄｙ箔２１、Ｉｎ箔２２、Ａｕ箔２３、Ａｌ箔２６）については、複数の金属フィルタ３１〜３５の全てと重なるように配置してもよい。

本変形例においても、同一種類の金属元素の金属箔コンバータと金属フィルタが重なる部分の放射能強度を用いることで、上述の実施の形態と同様に中性子スペクトルを算出することができる。なお、本変形例では、異なる種類の金属元素で構成される金属箔コンバータと金属フィルタ（例えば、Ａｕ箔コンバータ２３とＩｎフィルタ３２）が重なる部分のデータも取得できるが、上述の中性子スペクトルを算出する目的において、このデータ取得は必須でない。

（実施例）
つづいて、実際の測定に用いた実施例について説明する。図１５は、実施例に係る測定ユニット１２の構成を概略的に示す上面図である。本実施例は、上述の図１４の変形例に類似した構成を有する。フィルタユニット３０は、ステップウェッジであるＤｙフィルタ３１、Ｉｎフィルタ３２、Ａｕフィルタ３３、Ｍｎ（マンガニン）フィルタ３４、Ｅｒフィルタ３５およびＣｏフィルタ３６を有する。本実施例では、１００ｅＶ付近の中性子束を測定するためにエルビウム（Ｅｒ）とコバルト（Ｃｏ）を併用している。Ｃｄフィルタ４０は、ステップウェッジの下半分のみを被覆するように配置されている。

また、フィルタユニット３０の支持板３８の上には、各種インジケータが配置されている。具体的には、文字マーク７２、米国試料材料協会（ＡＳＴＭ）規格準拠のビーム純度インジケータ７３および感度インジケータ７４、円印マーク７５、十字印マーク７６などを配置している。さらに、金（Ａｕ）を含有する試料として、万年筆のペン先７８を配置している。

フィルタユニット３０の下には、図１４に示したものと同様のコンバータユニット２０が配置される。コンバータユニット２０は、Ｄｙ箔コンバータ２１、Ｉｎ箔コンバータ２２、Ａｕ箔コンバータ２３、Ｍｎ（マンガニン）箔コンバータ２４、Ｅｒ箔コンバータ２５および熱中性子遮蔽板（Ｃｄ板）２８を含む。本実施例ではＡｌ箔コンバータ２６は含まれていない。また、Ｅｒ箔コンバータ２５は、Ｅｒフィルタ３５またはＣｏフィルタ３６と、Ｃｄフィルタ４０とが重なり合う限定された領域にのみ配置されている。その他の金属箔コンバータ２１〜２４は、フィルタユニット３０の全体にわたって位置するように大きさおよび位置が決められている。金属箔コンバータ２１〜２５は、測定対象とする中性子線の入射方向にＥｒ箔、Ａｕ箔、Ｉｎ箔、Ｍｎ箔、Ｄｙ箔の順に配置されている。

本実施例では、サイクロトロン加速器中性子源を利用し、電流量を１６μＡに設定して中性子線ＮＢを測定ユニット１２に７時間（４２０分）にわたって連続照射した。照射した中性子線の熱中性子領域Ｅ１の中性子束ｆは、約１．５×１０^５（ｎ／ｃｍ^２／ｓ）である。照射後、金属箔コンバータ２１〜２５を転写ユニット１４にセットする準備工程の時間を２４分とし、転写プレート４２への転写時間を１７時間（１０２０分）とした。転写プレート４２に転写された画像は、専用のスキャナ（リーダ）を用いて画像データ化した。

図１６は、Ｄｙ箔コンバータ２１の転写画像の一例を示す図である。図示されるように、フィルタユニット３０に含まれる各種金属フィルタ（ステップウェッジ）およびインジケータを高い空間分解能で画像化できていることが分かる。特に、ＡＳＴＭ規格のインジケータにより示される５０μｍのギャップを視認できることを確認している。

熱中性子フィルタ４０のない上半分の領域は、熱中性子領域Ｅ１の中性子束を吸収しているため、熱中性子フィルタ４０のある下半分の領域と比較して黒化濃度が高い。また、複数種の金属フィルタ３１〜３６と重なる部分のうち、Ｄｙフィルタ３１に対応する部分の黒化濃度が相対的に低いことが分かる。これは、Ｄｙ箔コンバータ２１と同一金属元素のＤｙフィルタ３１により、測定感度の高い（つまり吸収断面積の高い）エネルギー範囲の中性子束が遮蔽されているためである。図示されるＤｙ箔コンバータ２１の転写画像において、Ｄｙフィルタ３１のステップウェッジに対応する部分の画素値を解析することで、Ｄｙが反応するエネルギー範囲の中性子束を算出できる。

図１７は、Ｉｎ箔コンバータ２２の転写画像の一例を示す図である。図１６のＤｙ箔コンバータ２１の転写画像と同様、フィルタユニット３０の構成を高い空間分解能で画像化できている。Ｉｎ箔コンバータ２２の転写画像では、Ｉｎフィルタ３２と熱中性子フィルタ４０が重なる部分の黒化濃度が顕著に低くなっている。これは、Ｉｎ箔コンバータ２２の測定感度が相対的に高い熱中性子領域Ｅ１と共鳴吸収ピークＥ_Ｉｎの双方がフィルタユニット３０によって遮蔽されているためである。図示されるＩｎ箔コンバータ２２の転写画像において、Ｉｎフィルタ３２のステップウェッジに対応する部分の画素値を解析することで、Ｉｎの共鳴吸収に対応するエネルギー（約１ｅＶ）の中性子束を算出できる。

図１８は、Ａｕ箔コンバータ２３の転写画像の一例を示す図である。図１７のＩｎ箔コンバータ２２の転写画像と同様、Ａｕフィルタ３３と熱中性子フィルタ４０が重なる部分の黒化濃度が顕著に低くなっている。また、金（Ａｕ）を含有するペン先７８の部分も黒化濃度が低くなっており、金を含有する試料を高精細に画像化できていることが分かる。図示されるＡｕ箔コンバータ２３の転写画像において、Ａｕフィルタ３３のステップウェッジに対応する部分の画素値を解析することで、Ａｕの共鳴吸収に対応するエネルギー（約５ｅＶ）の中性子束を算出できる。

図１９は、Ｍｎ（マンガニン）箔コンバータ２４の転写画像の一例を示す図である。図１７のＩｎ箔コンバータ２２の転写画像と同様、Ｍｎ（マンガニン）フィルタ３４と熱中性子フィルタ４０が重なる部分の黒化濃度が顕著に低くなっている。図示されるＭｎ箔コンバータ２４の転写画像において、Ｍｎフィルタ３４のステップウェッジに対応する部分の画素値を解析することで、Ｍｎの共鳴吸収に対応するエネルギー（約３００ｅＶ）の中性子束を算出できる。

図２０は、Ｅｒ箔コンバータ２５の転写画像の一例を示す図である。Ｅｒ箔コンバータ２５は、測定ユニット１２の一部領域にのみ配置しているため、測定ユニット１２全体との位置関係が分かりやすくなるように、Ｅｒ箔コンバータ２５の位置に転写画像を示している。図示されるように、Ｅｒフィルタ３５およびＣｏフィルタ３６と重なる部分の黒化濃度が顕著に低いことが分かる。図示する画像では鮮明に示されていないが、取得した画像の画素値ではステップウェッジの厚みによる違いも識別できている。したがって、Ｅｒフィルタ３５またはＣｏフィルタ３６のステップウェッジに対応する部分の画素値を解析することで、ＥｒまたはＣｏの共鳴吸収に対応するエネルギー（約１００ｅＶ）の中性子束を算出できる。

図２１は、中性子スペクトルの測定結果および対応するシミュレーション結果の一例を示すグラフである。グラフの太実線は、上述の図１６〜図２０の転写画像を用いて算出した中性子束の測定結果である。グラフの細実線および点線は、中性子線の照射場をシミュレーションにより解析した計算結果であり、細実線は中央値、上下の点線は解析上の標準偏差（±１σ）の値を示す。シミュレーションには、ＰＨＩＴＳ（Particle and Heavy Ion Transport code System, https://phits.jaea.go.jp/index.html, Tatsuhiko Sato, Yosuke Iwamoto, Shintaro Hashimoto, Tatsuhiko Ogawa, Takuya Furuta, Shin-ichiro Abe, Takeshi Kai, Pi-En Tsai, Norihiro Matsuda, Hiroshi Iwase, Nobuhiro Shigyo, Lembit Sihver and Koji Niita Features of Particle and Heavy Ion Transport code System (PHITS) version 3.02, J. Nucl. Sci. Technol. 55, 684-690 (2018)）を利用した。図示されるように、本実施例による測定結果は、シミュレーション結果の標準偏差の範囲内に収まっていることが分かる。したがって、本実施例によれば、中性子のエネルギー分布の傾向を比較的簡便な測定方法で求められることが分かる。

図２２は、中性子スペクトル測定装置１０の構成を模式的に示す図である。中性子スペクトル測定装置１０は、測定ユニット１２と、転写ユニット１４と、読取装置１６と、解析装置１８とを備える。測定ユニット１２は、上述の実施の形態で測定ユニット１２，５０または６０である。転写ユニット１４は、測定ユニット１２に含まれる放射化した金属箔コンバータの放射能強度を転写プレート４２に転写するためのカセッテである。読取装置１６は、転写プレート４２に転写された画像を読み取るためのリーダまたはスキャナである。解析装置１８は、読取装置１６により生成される画像データを解析してエネルギー別の中性子束を算出する。解析装置１８は、例えば、汎用コンピュータと、汎用コンピュータにインストールされる解析ソフトウェアとにより実現できる。

図２３は、中性子スペクトル測定方法の流れを示すフローチャートである。まず、測定ユニット１２に測定対象となる中性子線を照射する（Ｓ１０）。これにより、測定ユニット１２のフィルタユニット３０を介してコンバータユニット２０に中性子線を照射し、コンバータユニット２０に含まれる複数種の金属箔コンバータ２１〜２６を放射化させる。次に、放射化された複数種の金属箔コンバータ２１〜２６を転写ユニット１４にセットする（Ｓ１２）。これにより、放射化された複数種の金属箔コンバータのそれぞれから放出される放射線の二次元強度分布を転写プレート４２に転写する。所定の転写時間が経過するまで転写工程を継続し（Ｓ１４のＮ）、所定の転写時間の経過後（Ｓ１４のＹ）、転写ユニット１４から転写プレート４２を取り出し、転写プレート４２に転写された画像を読取装置１６を用いて読み取る（Ｓ１６）。これにより、転写プレート４２に転写された放射線の二次元強度分布に対応する画像データを生成する。つづいて、生成した画像データを解析して中性子束を算出する（Ｓ１８）。これにより、複数種の金属箔コンバータ２１〜２６のそれぞれに対応する複数のエネルギー値における中性子束を算出することができ、中性子の簡易的なエネルギー分布（スペクトル）を求めることができる。

本実施の形態によれば、高空間分解能（例えば５０μｍ）の測定が可能なため、複数種の金属元素のステップウェッジを二次元的に並べたとしても、比較的小型の測定ユニット１２を実現できる。さらに、小型の測定ユニット１２を複数配置することで、異なる位置の中性子スペクトルを同時測定することもできる。例えば、中性子線ＮＢのビーム径が大きい場合には、そのビーム径の範囲内に複数の測定ユニット１２を並べることで、ビーム内の中性子束の二次元分布を得ることもできる。

以上、本発明を実施の形態にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

上述の実施の形態では、転写プレートとして輝尽性蛍光体を用いる場合を示したが、他の種類の蛍光体を用いてもよいし、鉛泊増感紙と感光フィルムの組み合わせを用いてもよい。

上述の実施の形態では、照射工程と転写工程とを分離しているが、変形例では照射工程において画像データを同時に取得してもよい。例えば、金属箔コンバータに蛍光体シートを密着させることで、中性子線の照射中に発光する蛍光体シートをＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどの撮像することで放射能強度分布に対応する画像データを生成してもよい。

上述の実施の形態の測定ユニットに対して、別の測定方法に用いる部材を追加的に配置してもよい。例えば、金属箔ではなく、ブロック状の金属部材を配置し、放射化した金属ブロックから放出される放射線をゲルマニウム（Ｇｅ）半導体検出器などの放射線カウンタを使用して測定してもよい。一例を挙げれば、金（Ａｕ）ブロックと、アルミニウム（Ａｌ）またはマグネシウム（Ｍｇ）ブロックとを測定ユニットに設け、放射化した各ブロックから放出されるガンマ線を測定してもよい。これにより、Ａｕブロックの測定結果を参照基準として、１ＭｅＶ程度以上の高エネルギーの中性子束を算出してもよい。

１０…中性子スペクトル測定装置、１２…測定ユニット、１４…転写ユニット、１６…読取装置、１８…解析装置、２０…コンバータユニット、２１〜２６…金属箔コンバータ、３０…フィルタユニット、３１〜３５…金属フィルタ、４０…熱中性子フィルタ、４２…転写プレート、５０…測定ユニット、５２…金属箔コンバータ、５４…熱中性子フィルタ、５６…金属フィルタ、６０…測定ユニット、６２…金属箔コンバータ、６４…熱中性子フィルタ、６６…金属フィルタ、ＮＢ…中性子線。

Claims (10)

1. 測定対象とする中性子線のエネルギーに反応して放射化する異なる種類の金属元素をそれぞれが含有する複数種の金属箔コンバータを有するコンバータユニットと、
   対応する金属箔コンバータと同一種類の金属元素をそれぞれが含有する複数種の金属フィルタを有し、前記コンバータユニットの前記中性子線の入射側に配置されるフィルタユニットと、を備え、
   前記複数種の金属フィルタは、前記中性子線の入射方向から見た平面視において互いに異なる位置に配置され、
   前記複数種の金属箔コンバータは、対応する金属フィルタと前記中性子線の入射方向に少なくとも部分的に重なる位置に配置されることを特徴とする中性子スペクトル測定装置。
2. 前記複数種の金属箔コンバータは、前記中性子線の入射方向に少なくとも部分的に重なるように位置および大きさが決められることを特徴とする請求項１に記載の中性子スペクトル測定装置。
3. 前記複数種の金属箔コンバータは、
   ジスプロシウム（Ｄｙ）を含有するＤｙ箔コンバータと、
   金（Ａｕ）を含有するＡｕ箔コンバータと、
   インジウム（Ｉｎ）、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、エルビウム（Ｅｒ）および銅（Ｃｕ）を備える一群から選択されるいずれか一つの金属元素を含有する金属箔コンバータと、を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の中性子スペクトル測定装置。
4. 前記Ｄｙ箔コンバータは、他の金属箔コンバータよりも前記中性子線の入射方向の奥側に配置され、前記Ａｕ箔コンバータは、他の金属箔コンバータよりも前記中性子線の入射方向の手前側に配置されることを特徴とする請求項３に記載の中性子スペクトル測定装置。
5. 前記複数種の金属箔コンバータは、インジウム（Ｉｎ）、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、エルビウム（Ｅｒ）および銅（Ｃｕ）を備える一群から選択される第１の金属元素を含有する金属箔コンバータと、前記一群から選択される前記第１の金属元素とは異なる第２の金属元素を含有する金属箔コンバータと、を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の中性子スペクトル測定装置。
6. 前記複数種の金属フィルタは、前記中性子線の入射方向の厚さが段階的に変化するステップウェッジであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の中性子スペクトル測定装置。
7. 前記複数種の金属フィルタの前記中性子線の入射方向の厚さは、０．１ｍｍ以上３ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の中性子スペクトル測定装置。
8. 前記フィルタユニットは、前記複数種の金属フィルタの少なくとも一つと前記中性子線の入射方向に少なくとも部分的に重なる位置に配置される熱中性子フィルタをさらに備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の中性子スペクトル測定装置。
9. 前記複数種の金属箔コンバータの前記中性子線の入射方向の厚さは、０．０１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の中性子スペクトル測定装置。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の中性子スペクトル測定装置を用いる中性子スペクトル測定方法であって、
    前記フィルタユニットを介して前記コンバータユニットに中性子線を照射し、前記複数種の金属箔コンバータを放射化させることと、
    放射化された前記複数種の金属箔コンバータのそれぞれから放出される放射線の二次元強度分布を転写プレートに転写することと、
    前記転写プレートに転写された放射線の二次元強度分布に対応する画像を測定して画像データを生成することと、
    前記画像データを解析し、前記複数種の金属箔コンバータのそれぞれに対応する複数のエネルギー値における中性子束を算出することと、を備えることを特徴とする中性子スペクトル測定方法。