JP5044390B2 - 中性子放射線の検出のための線量計 - Google Patents

Description

本発明は、請求項1のプレアンブルに記載の0.025eVから数100GeVのエネルギー領域にある中性子放射線の捕獲のための線量計に関する。

研究目的に、および工業分野や医療分野で利用される加速装置は、粒子を非常に高いエネルギーに加速するために用いられる。例えば、最新型の重イオン加速器ではイオンは数100GeVのエネルギーにまで加速される。この高エネルギーイオンは物質と相互作用を起こせば、二次放射線、すなわち荷電粒子および中性子を生成する。生成された中性子の最大エネルギーはイオンの一次放射線と同じエネルギー領域に達することが可能であるので、生成された中性子のエネルギースペクトルは0.025eVから数100GeVにまで及んでいる。放射線に対する防護では、予備設定した限界値が遵守できるように、放射線防護対策、特に遮蔽調整するために、生成された中性子を捕獲することが必要である。高エネルギーの中性子は物質内の平均路程が大きいので、非常に強力な遮蔽をも透過することができる。それ故、特に重イオン治療器の場合では、中性子強度の測定および監視(周辺監視)が必要であり、かつ極めて重要である。放射線に対する防護監視には、熱中性子の領域(0.025eV)から数100GeVエネルギーに到るまでの中性子放射線の全エネルギー領域で使用することができる、中性子放射線の検出用線量計を開発することが重要である。

この分野で使用される線量計は、水素含有材料から成る、実質上球形の本体を有している。本体の中央には、入射線を捕獲する検出素子が配置されている。非常に高いエネルギーを持つ中性子放射線でも検出できるようにするため、金属原子を含む中性子コンバータが配備されている。これは捕獲対象の中性子を減速させて、0.025eVから1keVまでの適当なエネルギー領域の中性子に転換させるので、結果としてこれを検出素子によって記録することができる。捕獲された放射線を評価するため検出素子が構成されなければならない。従来型の線量計の構造は複雑で、そのため周辺の監視は比較的高いコストの下でしか可能でないことが明らかになった。

以上より、本発明の課題は、簡易な構造を持ち、延いてはより低コストでの周辺監視、つまり中性子放射線の線量評価を可能にする中性子放射線の検出のための線量計を創出することである。

この課題の解決のため、請求項1に記載の特徴を持つ線量計を提案する。当線量計は、その中央に検出素子が格納された、実質上球形の本体を有している。検出素子は金属原子を含む中性子コンバータに取り囲まれている。当線量計の秀でた特徴は、検出素子の位置に通じる出入通路が本体に設けられている点である。検出素子はこのようにして中性子コンバータの中に通し入れ、そこから取り出すことができる。中性子コンバータは好ましくは円筒形に形成されているので、検出素子に対する操作取り扱いが容易である。

従属請求項からは別の実施形態が読み取れる。

以下では図面を手掛かりに本発明をより詳しく説明する。

図1は本体3を含めて描いた線量計1の実施例である。ここでは本体は球形に形成されている。しかし、その外面が多数の平坦領域から構成された多面体を本体として使用することも考えられる。本体3については、好ましくは、様々な空間方向からの放射線に対して実質上一様な減速性を示すように構成されていることが決定的に重要な点である。

つまり、本体は減速材として用いられ、水素含有物質を含んでいる。本体は該物質で作られているのが好ましい。基礎材料としては、水素含有合成物質、特にポリエチレン(PE)および/またはメタクリル酸ポリメチル(PMMA)を使用することができるが、そのほかに水なども使用できる。

本体3の中央には、少なくとも1つの記憶素子および少なくとも1つの記録素子を装備することができる検出素子5が設置されている。これは本体3を透過する放射線を捕獲するのに用いられる。

検出素子5は、実質上円筒形に形成され検出素子5の外側に配置されている中性子コンバータ7に取り囲まれている。中性子コンバータ7は、その中に検出素子5が埋め込まれている充填材9をも取り囲んでいる。検出素子は、簡単に交換できるように、好ましくは、充填材9に設けられたスリット内に格納される。

充填材9も減速材として形成することができ、上記種類の水素含有物質を含ませることが、あるいは該物質で構成することが可能である。

中性子コンバータ7は、原子番号（核電荷数）Z>15、好ましくはZ>20を示す金属原子の含まれた囲壁11を有している。囲壁は、チタン、クロム、バナジウム、鉄、銅、タングステン、鉛および/またはビスマスの原子を含むことができる。金属原子が放射能特性に関して安定であることが重要である。囲壁11には原子番号の異なる金属原子を組み込むことが考えられる。合金の金属原子を使用することも可能である。

中性子コンバータは、原子番号Zの異なる金属原子を含む少なくとも2つの層を有しているのが好ましい。その場合、それぞれの層には実質上特定の原子番号を持つ金属原子しか含まれていない構造にすることができる。

層が、線量計の中性子放射線に向き合う側から見て、その原子番号が減少していくように金属原子を含むように選択し設定するのが好ましい。

少なくとも1つの層を金属箔として、好ましくは圧延加工した金属箔として、または金属を蒸着したポリマー箔として形成することも考えられる。

原子番号の異なる金属原子を含む層の順序は、好ましくは、検出素子5の捕獲対象である中性子放射線のエネルギースペクトルに適合している。

特に好ましい一実施例では中性子コンバータ7の囲壁11は厚さ0.5〜2.0cmの鉛でできている。中性子コンバータ7は、好ましくは、高さが8.0〜15cm、外径が1.0〜5.0cmである。

線量計1の本体3には、例えば穿孔として形成されている出入通路13が設けられている。この出入通路を通して検出素子5を線量計1の内部、ここでは中性子コンバータ7の内部に導き入れることができる。出入通路はまた、検出素子5を評価するための取出し通路にもなっている。

出入通路13と中性子コンバータ7との間の移行領域には、中性子コンバータ7の内部に通じる開口部15が設けられている。充填材9は、好ましくは、開口部15の領域では金属原子を含むように形成されているので、中性子コンバータ7の囲壁11と同じような構造様式のいわば遮蔽体17が構成される。

線量計1の使用時には出入通路13に閉鎖材19が入れられるが、その場合通路がこれで完全に満たされているのが好ましい。閉鎖材19は、出入通路13の領域に入射する放射線を本体3の他の領域におけるのと同じように減速作用下に置くという目的から、本体3と同じ材料を含むか、あるいは同じ材料で作られているのが好ましい。

以上のほかに、図1から見て取れるように、本体3と検出素子5との間に中性子吸収体21を追加配置することもできる。ここに描かれた実施例では、中性子吸収体21は中性子コンバータ7に外接する位置に吸収層として実現されており、破線で示してある。

しかし原則的には、中性子吸収体21は中性子コンバータ7の内側、例えばその内壁に設置することも可能である。

中性子吸収体21はホウ素原子を含んでいるのが好ましい。しかし、それに代えて、あるいはそれに追加してカドミウム原子を使用することもできる。

また、中性子吸収体21は中性子コンバータ7の囲壁11の外面または内面に設置された複数の層から構成することもできる。

検出素子5は少なくとも1つの記憶素子および少なくとも1つの記録素子を有することができる。その場合素子の少なくとも1つは受動素子として構成されているのが好ましい。例えば検出素子5は、少なくとも1つの記録素子が中性子を荷電粒子に変換させ、次に少なくとも1つの記憶素子がそれを捕獲するように構成することができる。

記憶素子は、例えば無機結晶、好ましくは熱ルミネセンス結晶である。好ましくはLiF結晶が使用される。記憶素子は核痕跡検出器として構成することも可能であり、好ましくは有機高重合体、特にMakrofolまたはCR39を組み込むことができる。最後に、記憶素子には無機ガラスおよび/または有機結晶を使用することも可能である。

記憶素子は能動素子として構成することもでき、半導体、好ましくはケイ素を投入することができる。特に固体記憶素子、好ましくはMOSFET型トランジスタの使用が可能である。

検出素子5の記録素子は、好ましくは薄層に配置された⁶Liおよび/または¹⁰Bおよび/または^{153、155、157}Gd原子を有している。

線量計1は検出素子5の記憶素子として、ケーシング内配置の固体記憶素子、好ましくは変形型MOSFETトランジスタを有することができる。なお、ケーシングは固体記憶素子と向き合った側に、すなわちそれ自体の内側に、好ましくは薄層として形成された、¹⁰Bおよび/または⁶Liおよび/または^{153、155、157}Gd原子を含む、記録層としての役割をする化合物を有している。この層は減速(熱)中性子に感応する層である。ケーシングと固体記憶素子との間の空隙には気体が満たされている。ここで使用される固体記憶素子は、従来型の固体記憶素子(EEPROM記憶素子)とは異なって、EEPROM酸化物層の周辺方向に向いた側に開口部があるため、その電位のないゲートは周辺気体と直接接触している。中性子が検出素子に衝突すると、MOSFETトランジスタを取り囲んでいるケーシング壁に取り付けられた層が荷電粒子を生成する。これらの粒子は固体記憶素子によって記録および記憶される。線量計の中性子感度は、異なる層材料の選択により様々な要求に対応可能なように調整することができる。

記憶素子および記録素子は中性子の捕獲によって活性化可能な原子、好ましくは金および/または銀および/またはカドミウムを有している。

以下では、線量計1の機能および使用についてより詳しく説明する。

線量計1は、例えばエネルギー高速加速器の周辺監視のために、中性子放射線の検出および記録が必要な場所に配置される。線量計1はその構造から、種々様々なエネルギーを持つ中性子、つまり0.025eVの熱中性子だけでなく数100GeVの中性子をも含めた中性子放射線の評価をすることができる。試験の結果、本体3としては、直径20〜35cmのポリエチレン製球体が特に有用であることが明らかになった。但し、中性子コンバータ7は、好ましくは厚さ0.5〜2.0cmの金属、特に鉛から成る囲壁11を有し、充填材9が投入されている。

熱中性子および低速中性子は線量計の本体3を通り検出素子5にまで拡散し、そこで発熱反応を惹き起こす。本体3の厚さ、つまり減速材の厚さは、一方ではこれらの中性子に対して検出素子5が十分に高い感度を示すように適合させなければならないが、しかし他方では、中速中性子、つまり平均的エネルギーを持つ中性子に対しては過度に高い感度は回避しなければならない。これは、線量計1が、好ましくは¹⁰ホウ素原子または¹⁰ホウ素含有材料を持つ中性子吸収体21を有していることによって、好ましくは実現することができる。

高速中性子については、検出素子5で記録できるようにする前に、まず最初に、減速材として用いられている線量計1の本体3で減速しなければならない。その場合線量計全体の直径が、この高速中性子領域での特定中性子エネルギーを表す検出曲線の極大値を決める基準になる。

超高速中性子、すなわち>10MeVのエネルギー領域にある中性子は、金属原子を持つ中性子コンバータ7の設置によって検出可能になる。多数の核子を持つ金属原子と中性子コンバータ7内で衝突する中性子が、陽子および中性子の破砕、つまり蒸発を誘起させる。金属原子の核には核内カスケードが形成され、そこでは陽子のほかに中性子も放出されるが、そのエネルギーは線量計1に衝突する中性子のエネルギーよりも小さい。その場合に生成される中性子のエネルギーはMeV領域のレベルにある。発生する中性子のエネルギー次第では、これを検出素子5で直接検出することも、あるいはまた中性子が充填材9において減速した後に検出することも可能である。

中性子コンバータ7の領域では、中性子が中性子コンバータ7の囲壁11内にある金属原子の核に衝突することによって***が起きることもある。核は崩壊して複数個になり、続いて粒子の蒸発過程が誘起される。その場合にも中性子が生成されるが、そのエネルギーは線量計1に衝突する中性子のエネルギーよりも小さい。

全体的に見れば、高エネルギーの中性子にとっては中性子コンバータ7が本質的に重要であることが明らかになる。なぜなら高エネルギーの中性子は、中性子コンバータによって適当なエネルギー領域の減速(熱)中性子に転換されることになるので、該中性子は検出素子5によって直接、または充填材9での減速後に検出することができるからである。

ここに記述した線量計1は、エネルギー領域に非常に大きな差のある中性子が検出できるという特徴を有している。特定エネルギーを持つ中性子に対する感度は、減速材として用いられている本体3の厚さ選択の如何によって、あるいはまた本体3に含まれる材料、または本体が作られている材料の選択如何によって決めることができる。それらに加えて、中性子コンバータ7の囲壁11の厚さも決定的な重要ファクタである。そのほか、線量計1を特定エネルギーを持つ中性子の捕獲に照準する場合では充填材9の材料も重要な役割を担っている。

最後に、以上のほかに、低速中性子用の最適吸収層として、その層厚を検出対象である中性子のエネルギーに合わせることができる中性子吸収体21を取り付けることができる。中性子吸収体21は一定の厚さにして、それに穴を設けることもできる。穴の面積は、中性子吸収体21の表面積の約10%から30%までとするのが好ましい。

ここに記述された種類の線量計1は、全体的に見れば、幅広いエネルギー領域にわたる中性子の検出に用いられる。これはまた、放射線混合場、すなわち光子線、中性子線および電子線の存在するところから中性子放射線を検出するのにも利用することができる。この場合検出素子5には、中性子捕獲有効横断面が少なくとも数桁異なるそれぞれ2つの同位元素、好ましくは⁶Liと⁷Liおよび/または¹⁰Bと¹¹B原子および/または^{153、155、157}Gdと^156、160Gdおよび/または²³⁵Uと²³⁹Puを含む化合物が使用される。例えば¹⁰Bと¹¹Bの有効横断面は6桁の差がある(3840バーンと5ミリバーン)。

放射線混在フィールド内の中性子放射線の測定は差分法によって行う。ここでの差分法とは、少なくとも2つの検出素子によって測定された放射線強度の差を求める方法である。その場合検出素子は、双方とも全体としての放射線強度を測定するように選択されるが、但し一方は減速中性子に敏感に反応するもの、もう一方は減速中性子に敏感には反応しないものとする。そのようにすることで、測定した放射線強度の差から中性子放射線の放射線強度が求められる。

熱ルミネセンス検出器の実現には、検出素子5の受動素子は⁶LiF結晶および⁷LiF結晶にするのが特に好ましい。

線量計1が受動線量計として形成できて、しかもその場合、非常に大きなエネルギー領域(0.025eV〜数100GeV)の中性子を含むパルス放射線を有する放射線フィールドの監視もできることは非常に有利であると判明した。線量計1の持つ構造により、放射線量の測定が実際上方向に依存せずに行われることが確保される。

図2は線量計1の別の実施例を示した透視図である。線量計の構造は図1を基に説明したものと同じなので、線量計1についての上記説明が参考になる。機能も同じである。

唯一の違いは、ここでは本体3が球形に形成されていないことである。その基本形態は元々円筒であって、その両額面から本体3の円筒形外側面への移行領域が傾斜面として形成されている。

したがって、中央部に実質上円筒形に形成された第1区分域23を有し、その2つの端面が鏡像形態になっている本体が得られる。その上端部25は平坦に構成されていて、本体の中心軸27を垂直に横切る円形閉鎖面を形成している。本例ではここに、図1を手掛かりに既に説明した出入通路13が設けられている。その中には、同様に既に記述した閉鎖材19が投入されている。

上端部25は円錐形の第2区分域29を介して円筒形の第1区分域23に通じている。

第2区分域29に対応するように、それとは逆方向に形成された円錐形の第3区分域31は円筒形の第1区分域23に接合しており、その円筒形の第1区分域23を出発点として下方に先細りになっていて下端部33にまで達している。下端部は、そこを中心軸27が垂直に通っている円形閉鎖面によって形成されている。したがって、下端部33は上端部25に平行な方向に向いている。

図2の実施例に描かれた線量計1の本体3は、図1の第1実施例を基に説明した本体の減速作用と減速作用の点で比較できるように形成するのが好ましい。その場合、図2の実施例に描かれた本体3の作製は比較的低コストで実施できることが確保されていなければならない。そのため、例えば円筒形本体の末端領域に傾斜面を設けて円錐形区分域を構成する。その場合、円筒形の第1区分域23がそこを通じて、中心軸27を垂直に横切る、上端部25および下端部33により形成された額面に到っている。

円錐形区分域29および31の中心軸27方向に計測した高さおよび円筒形の第1区分域23の高さは広い変動枠内で変更することができ、所望の本体3の減速特性に合わせることができる。図2の第2実施例において、できる限り方向に依存しない本体3の減速を達成するためには、好ましくは、本体3の形態を大まかには球体に適合させる。

図2に基づき説明した本体3は別の輪郭を持つことも可能である。中央部、ここでは円筒形の第1区分域23が、その赤道領域では実質上球体の輪郭にも一致した、大なり小なり湾曲した外輪郭を持つ場合も考えられる。第2区分域29および第3区分域33も精確に円錐形に形成する必要はない。中央の第1区分域23が、そこを介して上端部25および下端部33に到る、多少とも湾曲した領域を設けることもできる。

図2に基づく線量計1の内部は、図1の線量計1と同じ構造なので、ここで使用されている素子については図1の説明が参考になる。

図2に示された実施例の本体を構成している材料は、図1の線量計1に使用されているのと同じにすることができる。

そのため、上記のほかに線量計1の機能性も図2の場合は図1に基づき説明した内容と同じになる。

第1実施例における線量計横断面の概略原理図である。 第2実施例における線量計の透視法による概略原理図である。

Claims (18)

1. 減速材として用いられ、水素含有材料を含む実質上球形の本体(3)と、本体(3)の中央に配置された検出素子(5)と、検出素子(5)を取り囲む、検出対象である高エネルギーの中性子を適当なエネルギー領域の中性子に全面的に転換させる金属原子を含む中性子コンバータ(7)とを有する、0.025eVから数100GeVまでのエネルギー領域内にある中性子放射線の捕獲のための線量計(1)であって、該本体(3)に、前記検出素子(5)を前記中性子コンバータ(7)の中に通し入れ、かつそこから取り出すことができる出入通路(13)が設けられている線量計(1)において、前記検出素子(5)が、前記中性子を荷電粒子に変換する少なくとも1つの記録素子と、前記荷電粒子を捕獲するための少なくとも1つの記憶素子を有し、
   前記線量計(1)の使用時には、前記出入通路(13)には、前記本体(3)と同じ材料を含む閉鎖材(19)が入れられ、
   前記少なくとも１つの記憶素子が、無機結晶、核痕跡検出器、無機ガラス、有機結晶、及び半導体のうちの１つから実現され、
   前記少なくとも１つの記録素子が、中性子の検出によって活性化可能な原子を有する、ことを特徴とする線量計(1)。
2. 前記無機結晶は、熱ルミネセンス結晶であることを特徴とする、請求項１に記載の線量計(1)。
3. 前記核痕跡検出器は、有機高重合体を備えることを特徴とする、請求項１に記載の線量計(1)。
4. 前記半導体が固体記憶素子を有していることを特徴とする、請求項１に記載の線量計(1)。
5. 前記固定素子が変形型MOSFETトランジスタであることを特徴とする、請求項４に記載の線量計(1)。
6. 前記少なくとも1つの記録素子が⁶Liおよび/または¹⁰B原子を有していることを特徴とする、請求項1から５の何れか1項に記載の線量計(1)。
7. 前記⁶Liおよび/または¹⁰B原子が薄層に配置されていることを特徴とする、請求項６に記載の線量計(1)。
8. 光子線、中性子線および電子線を含む放射線混合場における中性子放射線の検出のための前記検出素子(5)が、中性子捕獲有効横断面が少なくとも数桁規模で異なるそれぞれ2つの同位元素を備えた記憶素子および記録素子を有していることを特徴とする、請求項１から７の何れか1項に記載の線量計(1)。
9. 前記本体(3)が多面体であることを特徴とする、請求項１から８の何れか1項に記載の線量計(1)。
10. 本体3が、先細りの区分域と接している円筒形の第1区分域(23)を有していることを特徴とする、請求項1から８の何れか1項に記載の線量計(1)。
11. 前記円筒形の第1区分域（23)が、直線的な外面形状、或いは湾曲した外面形状を有することを特徴とする、請求項１０に記載の線量計(1)。
12. 前記本体(3)の大きさおよび/または中性子コンバータ(7)の厚さが検出対象である中性子放射線のエネルギースペクトルに適合していることを特徴とする、請求項1から１１の何れか1項に記載の線量計(1)。
13. 中性子吸収体(21)が、本体(3)と検出素子(5)との間に配置されていることを特徴とする、請求項1から１２の何れか1項に記載の線量計(1)。
14. 前記中性子吸収体(21)が、薄層に配置されていることを特徴とする、請求項１３に記載の線量計(1)。
15. 中性子吸収体(21)が、本体(3)と中性子コンバータ(7)との間に配置されていることを特徴とする、請求項1から１２の何れか1項に記載の線量計(1)。
16. 中性子吸収体(21)が、中性子コンバータ(7)と検出素子(5)との間に配置されていることを特徴とする、請求項1から１３の何れか1項に記載の線量計(1)。
17. 前記中性子吸収体(21)が穴を有していることを特徴とする、請求項１３から１６の何れか1項に記載の線量計(1)。
18. 前記中性子コンバータ(7)が円筒として、或いは円筒形状に構成されていることを特徴とする、請求項1に記載の線量計(1)。

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