JP6214095B2 - 中性子モニター装置及び中性子測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、中性子、特に熱外中性子の線量を測定する中性子モニター装置及び中性子測定方法に関するものである。

現在、ホウ素中性子捕捉療法(Boron neutron capture therapy; BNCT)が癌細胞を選択的に殺傷し治療できる技術として注目されている。ＢＮＣＴでは、熱中性子や熱外中性子を利用する必要があるため、患者が中性子を生成利用できる原子炉まで出向く必要がある等の制約が多いため、病院内で中性子を発生させ得る小型の中性子発生装置が望まれている。中性子発生装置では、ベリリウムやリチウムのターゲットに加速器で加速させた陽子や重陽子を衝突させる。

従来の加速器としては、非特許文献１に記載のようなものが知られている。この加速器は、ＥＣＲ（electron cyclotron resonance）型のイオン源と、高周波四重ごく線形加速器（ＲＦＱリニアック）と、ドリフト導入管型線形加速器（ＤＴＬ）とを連設した構成である。この加速器では、ＲＦＱリニアックにより重陽子イオンを５ＭｅＶまで加速させ、ＤＴＬにより４０ＭｅＶまで加速させる。加速した重陽子イオンのビームは、湾曲したバックウォール上に流れる液体リチウムに照射され、その背後に中性子を発生させる。

国際核融合材料照射施設（ＩＦＭＩＦ）計画の概要 東北大学金属材料研究所，日本原子力研究所 松井秀樹 第１１回核融合研究開発問題検討会 平成１５年９月２９日 第１４頁

熱外中性子を患者に照射するにあたり、必要以上の線量を照射しないようにするため、照射の前に中性子の線量を推定する必要がある。この場合、１０ｋｅＶを超える高エネルギー成分の中性子は、生物学的効果比が高くなるため特に問題となる。しかしながら、現在、中性子の高エネルギー成分のスペクトルを測定する簡単かつ有効な手段が確立していない。特に１０kｅＶ〜数１００kｅＶのエネルギーを持つ中性子の強度の測定には高いニーズがある。この発明は、当該エネルギー領域に感度を持つ中性子の強度測定を簡単に実施できるモニターの開発を目的とする。

本発明の中性子モニター装置は、水素含有素材で形成した所定半径の球体部分を含む第一本体、前記球体部分の中心に配置したＧａを含む第一試験片、前記球体部分の外側面に設けたＣｄ層、及び前記第一試験片の周囲に設けたＢ層からなる第一検出器と、水素含有素材で形成され且つ前記第一検出器の球体部分の半径とは異なる半径の球体部分を含む第二本体、前記球体部分の中心に配置したＧａを含む第二試験片、前記球体部分の外側面に設けたＢ層、及び前記第二試験片の周囲に設けたＣｄ層からなる第二検出器とからなることを特徴とする。

また、本発明の中性子測定方法は、上記発明に係る中性子モニター装置の第一検出器及び第二検出器を中性子の照射領域に置き、中性子を照射した後、前記第一検出器と第二検出器の感度の差から中性子の線量を測定することを特徴とする。

上記中性子モニター装置の第一検出器において、前記第一本体の外側面に設けたＣｄ層は、内側のＢ層で取り除ききれなかった、ごく低エネルギーの中性子を吸収する。これにより、熱付近の入射中性子が中性子モニターの感度特性に影響を与えないようにする。前記第二本体の前記第二試験片の周囲（内側）に設けたＣｄ層は、１００ｅＶ以下の入射中性子の寄与を無くすことができる。これは、３０ｍｍ前後の半径（厚さ）の水素含有素材の本体では減速した中性子が熱化するので感度が０になるからである。

また、前記第二検出器において、第二本体の外側面に設けたＢ層は、中間エネルギー以下の中性子を減少させることで、第一検出器と第二検出器の感度差が負に振れている領域（図７中Ａ領域）を除去する。第一本体の前記第一試験片の周囲（内側）に設けたＢ層は、１００ｅＶ以下の入射中性子については、前記Ｃｄ層と同じ機能を有するが、中間エネルギーの感度を下げて、引き算後に残る１０ｋｅＶ以下の領域における感度特性の正側に見られる振動を除去する。

また、前記第一検出器及び第二検出器の水素含有素材はＰＥからなり、前記第一検出器及び第二検出器のピーク感度が所望の感度範囲の下限値付近でずれるように前記第一検出器の球体部分の半径および第二検出器の球体部分の半径をそれぞれ設定できる。例えば、第一検出器及び第二検出器において、前記水素含有素材の半径は、第一検出器及び第二検出器のピーク感度が１０ｋｅＶ前後になるように設定する。換言すれば、第一検出器及び第二検出器の水素含有素材の半径は、所望の感度範囲の下限値前後に感度ピークを設定できるような半径とする。係る構成によれば、中性子モニター装置は、１０ｋｅＶ〜数１００ｋｅＶの範囲において感度特性を有するものとなる。

また、本発明の中性子モニター装置は、水素含有素材で形成した所定半径の球体部分を含む第一本体、前記球体部分の中心に配置したＧａを含む第一試験片、及び前記第一試験片の周囲に設けたＢ層からなる第一検出器と、水素含有素材で形成され且つ前記第一検出器の球体部分の半径とは異なる半径の球体部分を含む第二本体、前記球体部分の中心に配置したＧａを含む第二試験片、前記球体部分の外側面に設けたＢ層、及び前記第二試験片の周囲に設けたＣｄ層からなる第二検出器とからなることを特徴とする。

このように、前記球体部分の外側面に設けたＣｄ層を省略しても、１０kｅＶ以下の正側への振れはわずかであるため、比較的正確な中性子の測定が可能である。

また、本発明の中性子モニター装置は、水素含有素材で形成した所定半径の球体部分を含む第一本体、前記球体部分の中心に配置したＧａを含む第一試験片、及び前記第一試験片の周囲に設けたＣｄ層からなる第一検出器と、水素含有素材で形成され且つ前記第一検出器の球体部分の半径とは異なる半径の球体部分を含む第二本体、前記球体部分の中心に配置したＧａを含む第二試験片、前記球体部分の外側面に設けたＢ層、及び前記第二試験片の周囲に設けたＣｄ層からなる第二検出器とからなることを特徴とする。

このように、第一検出器の球体部分の第一試験片の周囲をＢ層ではなく、Ｃｄ層としても良い。この場合、１０ｋｅＶ以下の領域で正側への振動が生じるものの、全体的には中性子の測定が比較的正確に行える。また、第一試験片及び第二試験片の周囲をＢ層にしても良い。

この発明の実施の形態１に係る中性子モニター装置の第一検出器を示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係る中性子モニター装置の第二検出器を示す構成図である。 第一検出器１の感度から第二検出器２の感度を引き算した場合の感度特性を示すグラフ図である。 Ｇａの中性子検出反応断面積を示すグラフ図である。 中性子モニター装置の１０ｋｅＶ付近の中性子検出感度を示すグラフ図である。 第一検出器及び第二検出器の感度カーブを示す概念図である。 第一検出器と第二検出器との感度特性の差を表すグラフ図である。 Ｂの中性子捕捉断面積を示すグラフ図である。 第一検出器と第二検出器との感度特性の差を表すグラフ図である。 Ｃｄ層の中性子捕獲断面積を示すグラフ図である。

図１及び図２は、この発明の実施の形態１に係る中性子モニター装置を示す構成図である。この中性子モニター装置１００は、第一検出器１及び第二検出器２からなり、各検出器１，２は、水素を含有する樹脂であるＰＥ（ポリエチレン）により半球体の第一本体１１及び第二本体２１を形成し、この第一本体１１，第二本体２１の中心に薄厚四角形のＧａＮからなる第一試験片１２，第二試験片２２を配置した構成である。前記ＰＥの密度は、例えば０．９２ｇ／ｃｍ^３である。

第一試験片１２，第二試験片２２は、縦横寸法が１０ｍｍ、厚さ１ｍｍである。密度は、例えば６．１５ｇ／ｃｍ^３である。第一試験片１２，第二試験片２２は、中性子の主な照射方向に面が向くように前記第一本体１１，第二本体２１に配置するのが好ましい。

第一検出器１は、第一本体１１のＰＥの半径（厚さ）が３１ｍｍであり、外側面にＣｄ層１３が設けられ、前記第一試験片の周囲にＢ層１４が設けられている。Ｃｄ層１３の厚さ（層厚）は、１．１ｍｍであり、Ｂ層１４の厚さ（層厚）は、１ｍｍである。Ｂ層１４は、Ｂ_４Ｃからなる。ここで、前記第一試験片の周囲とは、第一試験片１２の周囲であり、換言すればＰＥからなる第一本体１１の第一試験片１２を配置する内部空間をいう（第二検出器２においても同様）。

第二検出器２は、ＰＥの厚さが２７ｍｍであり、外側面にＢ層２３が設けられ、前記第二試験片の周囲にＣｄ層２４が設けられている。Ｂ層２３の厚さ（層厚）は、３．２ｍｍであり、Ｃｄ層２４の厚さ（層厚）は、０．５ｍｍである。Ｂ層２３は、Ｂ_４Ｃからなる。

本発明では、第一検出器１の感度から第二検出器２の感度を引き算したものから、熱外中性子の強度を測定する。図３に、第一検出器１の感度から第二検出器２の感度を引き算した場合の感度特性を示す。この感度特性が示すように、上記構成の第一検出器１及び第二検出器２による差分により求める感度は、１０ｋｅＶ〜数１００ｋｅＶの範囲で平坦な特性が得られている。なお、図中上側点線は、１０ｋｅＶ〜１００ｋｅＶの感度の平均値を示す。図中下側点線は、２５ｋｅＶラインを示す。図中破線は、１０ｋｅＶ以下の感度の平均値を示す。

以下に、上記中性子モニター装置１００の構成を採用した理由を以下に述べる。中性子は、軽い核との衝突で減速するため、ＰＥまたは水を使用して減速する。中性子モニター装置１００の減速材には、成形の容易性等からＰＥを用いるのが好ましい。

なお、図示しないが、水をＰＥ等の容器に封入して同様の第一本体１１，第二本体２１を形成しても良い。即ち、水もＰＥと同様に中性子を減速する能力があるため、前記第一本体１１，第二本体２１を構成するＰＥと同等の中性子減速能力を備えた厚さに容器の形状及び体積を設定すれば良い。

ＧａＮは、エネルギーが低いほど高い感度を示す。^７１Ｇａの中性子反応断面積を図４に示す。同図のcaptureの鎖線が中性子検出反応である。図に示すように、低エネルギーの領域の感度は中性子の速度分の１に比例することがわかる。ＰＥなしの場合、低エネルギー中性子に感度がある。

ここで入射エネルギーを上げながら、ＰＥの厚さを増すものとする。例えば、Ｅ＝１ＭｅＶの場合、ＰＥがないとエネルギーが高すぎるので感度が低くなる。一方、ＰＥの厚さが増すと中性子が減速してから第一試験片１２，第二試験片２２に届くので、感度が上がる。Ｅ＝０．０２５ｅＶ（熱中性子）の場合、エネルギーが低いので、ＰＥがない状態では感度が高い。ＰＥの厚さを増すと中性子が遮蔽されて中性子が第一試験片１２，第二試験片２２に届かなくなるので、感度が下がる。

上記のバランスで中性子モニター装置１００の感度が決まる。即ち、ＰＥの厚さを０ｍｍから増やしていく場合、はじめは中性子が減速されないため低エネルギーに感度があるが、厚さが増えるにしたがって、中性子が減速されて低エネルギーの感度が下がり、高エネルギーの感度が上昇してくる。つまり、感度のピークは、ＰＥの厚さが増すに伴って高エネルギー側にシフトする。よって、低エネルギーは感度が低く、高エネルギーも感度が低く、中間エネルギーでちょうど減速の度合いが良く感度が高くなるように、ＰＥの厚さを設定することができる。

本発明では、感度のピークが１０kｅＶになるようにＰＥの厚さを設定する。図５に、１０ｋｅＶ付近の中性子検出感度を示す。なお、第一検出器１及び第二検出器２の内側（試験片１２，２２の周囲）には予めＣｄ層を設ける。こうすることで、１００ｅＶ以下の中性子は上記ＰＥの厚さで完全に熱化するため、第一検出器１及び第二検出器２の感度が０になり、図５のように低エネルギー部分の感度を取り除くことができる。

図６は、第一検出器１及び第二検出器２の感度カーブを示す概念図である。中性子モニター装置１００の第一検出器１のＰＥの厚さが３１ｍｍ、第二検出器２のＰＥの厚さが２７ｍｍである。第一検出器１も第二検出器２も概ね１０ｋｅＶ辺りに感度のピークが設定される。上記のように、感度はＰＥの厚さにより変化するので、第一検出器１（ＰＥ：３１ｍｍ厚）の感度カーブは第二検出器２（ＰＥ：２７ｍｍ）より高エネルギー側にシフトしたカーブ特性を有する。

また、後述するように、本発明は、１０ｋｅＶ〜数１００ｋｅＶの感度範囲での平坦な特性を得ることを目的としているので、前記第一検出器１及び第二検出器２のピーク感度が、所望の感度範囲の下限値である１０ｋｅＶ付近でずれるように第一検出器１のＰＥの厚さ及び第二検出器２のＰＥの厚さをそれぞれ設定すれば良い。また、中性子のエネルギー測定の誤差を数％に抑えるのが好ましい。係る観点から、前記第一検出器１および第二検出器２のＰＥの厚さは±３ｍｍ程度の変更を許容できる。

この状態で中性子モニター装置の構成は、以下のようになる（下記の「→」は中性子の照射方向を示す。以下同様）。
第一検出器１：３１ｍｍＰＥ＋Ｃｄ層 → 第一試験片
第二検出器２：２７ｍｍＰＥ＋Ｃｄ層 → 第二試験片

次に、第一検出器１の感度から第二検出器２の感度を引き算すると、図７に示すような特性が得られる。また、上記のようにＰＥの厚さにより感度のピークを所望の値に設定できるので、前記ＰＥの厚さによりゼロクロス点を１０ｋｅＶに設定する。なお、前記Ｃｄ層に代えてＢ層としても良い。

上記引き算により感度特性は、上記振動を除去した場合でも、Ａ領域において負の特性が存在する。これは、１０ｋｅＶ以下における前記第一検出器１と第二検出器２の感度に図６のような差があるためである。そこで、第二検出器２におけるＢ領域の感度に影響を及ぼさないようにＡ領域の感度を下げる必要がある。この発明では、第二検出器２の外側にＢ層を設けることで中間エネルギーの中性子を減少させる。Ｂの中性子捕獲断面積は、図８に示すように、中間エネルギーの中性子を減少させるために好ましい特性を有する。第二検出器２の外側にＢ層を設けることで、図９に示すように、Ａ領域の負の感度特性が取り除かれる。

この状態で中性子モニター装置の構成は、以下のようになる。
第一検出器１： ３１ｍｍＰＥ＋Ｃｄ層 → 第一試験片
第二検出器２：Ｂ層＋２７ｍｍＰＥ＋Ｃｄ層 → 第二試験片

この状態でも、図９に示すように、１０ｋｅＶ以下で少し正側にオフセットされた振動がみられるので、これを除去する。図１０に、Ｃｄ層の中性子捕獲断面積を示す。ＣｄとＢとは熱中性子を吸収して除去する点で共通するが、Ｃｄは中間エネルギーの中性子を吸収せず、Ｂは吸収する。そこで、第一検出器１の内側のＣｄ層をＢ層に変更することで、中間エネルギーの中性子を除去する。これにより、正側へのオフセットを取り除き、差分を０にできる。

この状態で中性子モニター装置の構成は、以下のようになる。
第一検出器１： ３１ｍｍＰＥ＋ Ｂ層 → 第一試験片
第二検出器２：Ｂ層＋２７ｍｍＰＥ＋Ｃｄ層 → 第二試験片

なお、検出器内側をＢ層とした構成の場合、第二検出器２の内側のＢ層をＣｄ層に変更することで同様の作用・効果が得られる。

更に、ごく低エネルギー側の正側への若干の振れが残る。これを除去するため、第一検出器１の内側にＣｄ層を設け、ごく低エネルギーの中性子を吸収する。これにより、１０kｅＶ以下の中性子が感度特性に影響を与えないようにできる。

最終的に、中性子モニター装置の構成は、以下のようになる。
第一検出器１：Ｃｄ層＋３１ｍｍＰＥ＋ Ｂ層 → 第一試験片
第二検出器２：Ｂ層 ＋２７ｍｍＰＥ＋Ｃｄ層 → 第二試験片

最終的な感度特性は図３に示した通りである。このように、１０kｅＶ以上の感度範囲でフラットな特性が得られた。第一検出器１にＣｄ層を設ける前では、感度が平坦にならなかったが、第一検出器１と第二検出器２との両方に、Ｃｄ層とＢ層の組み合わせを設けることで、吸収特性を一致させることができるため、感度特性を平坦化できることが判った。

以上の構成からなる中性子モニター装置１００により熱外中性子を測定する。図３に示すように、１０ｋｅＶ〜数１００ｋｅＶの感度範囲で平坦な特性が得られているため、熱外中性子を超える中性子のみに感度を持つ。具体的には以下の手順で測定する。第一試験片１２及び第二試験片２２を測定したい中性子場に設置する。両試験片は様々なエネルギーの中性子によって放射化する。この第一試験片１２及び第二試験片２２の放射能を分析し、上記のように第一試験片１２及び第二試験片２２の放射能の差を求める。これが図３に示す感度により決まるため、この差が、１０ｋｅＶ〜数１００ｋｅＶの中性子の積分量による寄与となる。本方法により、逆に熱外中性子のみの測定を実現することができる。

特に、１０ＫｅＶ以下の領域の中性子が感度に影響しないように構成されていることから、熱外中性子の線量を正確に測定できるようになる。

また、次に示す構成のように、外側にＢ層を設けることで一定の効果を奏することができる。
第一検出器１：３１ｍｍＰＥ＋ Ｂ層 → 第一試験片
第二検出器２：Ｂ層 ＋２７ｍｍＰＥ＋Ｃｄ層 → 第二試験片
更に、以下の構成であっても同様である。
第一検出器１：３１ｍｍＰＥ＋ Ｂ層 → 第一試験片
第二検出器２：Ｂ層 ＋２７ｍｍＰＥ＋Ｂ層 → 第二試験片

１００ 中性子モニター装置
１ 第一検出器
２ 第二検出器
１１ 第一本体
１２ 第一試験片
１３ Ｃｄ層
１４ Ｂ層
２１ 第二本体
２２ 第二試験片
２３ Ｂ層
２４ Ｃｄ層

Claims (5)

1. 水素含有素材で形成した所定半径の球体部分を含む第一本体、前記球体部分の中心に配置したＧａを含む第一試験片、前記球体部分の外側面に設けたＣｄ層、及び前記第一試験片の周囲に設けたＢ層からなる第一検出器と、
   水素含有素材で形成され且つ前記第一検出器の球体部分の半径とは異なる半径の球体部分を含む第二本体、前記球体部分の中心に配置したＧａを含む第二試験片、前記球体部分の外側面に設けたＢ層、及び前記第二試験片の周囲に設けたＣｄ層からなる第二検出器と、
   からなることを特徴とする中性子モニター装置。
2. 水素含有素材で形成した所定半径の球体部分を含む第一本体、前記球体部分の中心に配置したＧａを含む第一試験片、及び前記第一試験片の周囲に設けたＢ層からなる第一検出器と、
   水素含有素材で形成され且つ前記第一検出器の球体部分の半径とは異なる半径の球体部分を含む第二本体、前記球体部分の中心に配置したＧａを含む第二試験片、前記球体部分の外側面に設けたＢ層、及び前記第二試験片の周囲に設けたＣｄ層からなる第二検出器と、
   からなることを特徴とする中性子モニター装置。
3. 水素含有素材で形成した所定半径の球体部分を含む第一本体、前記球体部分の中心に配置したＧａを含む第一試験片、及び前記第一試験片の周囲に設けたＣｄ層又はＢ層からなる第一検出器と、
   水素含有素材で形成され且つ前記第一検出器の球体部分の半径とは異なる半径の球体部分を含む第二本体、前記球体部分の中心に配置したＧａを含む第二試験片、前記球体部分の外側面に設けたＢ層、及び前記第二試験片の周囲に設けたＣｄ層又はＢ層からなる第二検出器と、
   からなることを特徴とする中性子モニター装置。
4. 前記第一検出器及び第二検出器の水素含有素材はＰＥからなり、前記第一検出器及び第二検出器のそれぞれのピーク感度が所望の感度範囲の下限値付近でずれるように前記第一検出器の球体部分の半径と第二検出器の球体部分の半径とが設定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の中性子モニター装置。
5. 上記請求項１〜４のいずれか一つに記載の中性子モニター装置の第一検出器及び第二検出器を中性子の照射領域に置き、
   中性子を照射した後、前記第一検出器と第二検出器の感度の差から中性子強度を測定することを特徴とする中性子測定方法。

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