JP6255552B2 - 中性子検出器 - Google Patents
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Description
本出願は、2011年11月1日出願の特許仮出願番号第61/628,474号の優先権を主張するものであり、参照により、その内容全体が、中性子スペクトロメータに関連するデバイス、材料、技術、処理方法、ソフトウェア及びその他の詳細について本明細書に組み込まれる。
図1は、本発明の一実施形態に係る中性子スペクトロメータ100の一実施形態を示す。スペクトロメータ100は、検出器アセンブリの遮光筺体40内の、検出器ヘッド10と、光電子増倍管(PMT)20と、分圧器30を含む。筺体40と、デジタイザ50と、高圧電源60と、コンピュータ・マザーボード70は共に、中性子スペクトロメータ・アセンブリ80を構成する。
1.6Li6 natGd10B3O9: Ce(LGB)シンチレータ結晶
2.ポリビニル・トルエン(PVT)シンチレータ中に均一に分散したLGBシンチレータ結晶からなる複合検出器
3.LGBシンチレータ結晶(3つの中性子捕獲核を含む)とPVTシンチレータによって生成される複合信号を分析するパルス波形弁別(PSD)アルゴリズム/ソフトウェア
検出器ヘッド10は、LGB/PVTシンチレータを内蔵する。LGBの結晶構造は、三次元の混合骨格内で単離されたホウ素−酸素三角形によって結合された希土類及びアルカリイオンの酸素多面体からなる。図2に示す6Li6 natGd10B3O9: Ce単結晶の単位格子は、共有結合(太線)とイオン結合(細線)から構成される。この構造の更なる詳細は、Dolzhenkova、E.F.、V.N Baumer、S.I.Gordeev「Fracture Toughness and Crystallographic Characteristics of 6Li6 natGd10B3O9 Single Crystals」、Crystallography Reports、Vol.48、No.4、pp.563―567に記載され、その全体は参照により本明細書に組み込まれる。
PMT20は、ADIT/Ludlum社製のB133D01であり、検出器ヘッド10から受光し、その光を電気信号に変換する。直径5インチ(12.7 cm)で10段のエンドオン光電子増倍管であり、青色波長領域の感度を拡張したものである。70ma/Wattを超える最大感度は、20%を上回る量子効率で380〜470nmに及ぶ。通常の高電圧入力は、推奨される最大作動電圧が1500VDCとしたとき、1100VDCである。本発明の一実施形態では、1250〜1450VDCの範囲で作動する。入射光によって生じる電流は、1100VDCで、1,000,000〜1倍に増幅される。
デジタイザ50は、分圧器30を介してPMT20から電気信号を受信するものであり、Gage Applied Technologies(ケベック州Lachine)社製の多チャンネル・デジタイザ:型式Razor CompuScope1422である。この波形デジタイザは、14ビット、サンプリング・レート200メガサンプル/秒(MS/秒)で作動する。200MS/秒でのサンプル間の時間は、周辺構成機器相互接続(PCI)32ビット・バス・インターフェースを用いて5ナノ秒である。本実施形態では、デジタイザは、オンボード・メモリのサイズとコンピュータのハードドライブのメモリへのデータ転送速度が遅いためリアルタイムで収集することができないが、メモリの容量が大きく高速であればリアルタイムでの収集を利用することができ、これも本発明の範囲内である。収集されバイナリ信号ファイルに保存される不連続データのセグメントであるトリガ毎のセグメント幅は、592マイクロ秒である。
コンピュータ・マザーボード70は、デジタイザ50からデータを受信する、Lian‐Li社製のMini‐ITXシャーシ:型式Mini‐Q PC‐Q08に搭載されたJetway社製のmini‐ITXボード:型式NC9C‐550である。マザーボードは、NM10コントローラ・ハブと組み合わされた1.5GHzのIntel(R) AtomTMN550デュアルコアファンレスプロセッサを有する拡張可能プラットフォームである。デュアルギガビットLAN、VGA、PCI、ワイヤレス機能用のPCIe Mini Cardスロット、GPIO、LVDS、及び、4つのUSB2.0ポートのサポートを特徴とするものである。11ワットの電力を使用し、メモリが最大2GBである。
高圧電源(HVPS)60は、PMT20に直流高電圧を供給するために用いられ、分圧器30に接続している。電源は、ニューヨーク州RonkonkomaのUltravolt社製で型式:2A12―P4である。分圧器30は、コネチカット州MeridenのCanberra Industries社製で型式:2007である。50Ωの終端装置がダイノード出力に接続され、検出器の出力パルス信号が分圧器30の陽極からデジタイザ50のチャネル1に接続される。
以下の一連のグラフは、LGB/PVT複合検出器ヘッド10内でガンマ線及び中性子線により生成される信号を示す。ガンマ線に反応する2つのシンチレータ(無機LGB結晶及び有機PVT)と4つの主な中性子捕獲核のうちの3つ(Li、B、及びGd)が存在することから、放射線に反応してこのシステムにより生成される信号の数と種類は、多様且つ複雑である。幸いにも、これらの信号はデジタル化が可能であり、また十分に相違するため種類によって識別及び分類することができる。後述するように、図3Aに示される中性子相互作用の後、適切な時間枠内で3つの核(図3B及び3C)のうちの1つで捕獲が起きる場合、信号のこの組み合せは、一意的に中性子を同定し、ガンマ線イベントから中性子イベントの分離(又は弁別)ができるようにする。
図3A〜3Cは、複合検出器ヘッドとの中性子の相互作用により生成される信号をまとめて示す。図3Aは、PVTシンチレータとの中性子相互作用を表し、図3B及び3Cは、LGBシンチレータにおける中性子捕獲により生成される信号を表す。図3A〜3Fにおいて、水平境界線は、それぞれ100ナノ秒である。
図3Dは、パルス高さ(N0)が可変のPVTプラスチック・シンチレータとガンマ線の相互作用を表すパルスを示し、これは非常に急速に減衰して非常に狭いパルス(PW10)となる。
コンピュータ・マザーボードは、上記の他の構成要素と共に、パルス波形弁別(PSD)信号解析及び処理を行う。
複合シンチレータは、シンチレーションPVTプラスチックに均一に埋め込まれたシンチレーションLGB結晶を含み、検出器本体内での中性子衝突(減速)に伴うパルスと、LGB単結晶内の次の捕獲で別のパルスを生成する。
中性子スペクトロメータ/線量計100の出力信号は、信号解析及び診断機能を自動化してパルス信号を特性化、識別、分類及び関連づける(ペアにする)中性子識別・分析ソフトウェアNeutron.Analyst(N.A)により処理される。一旦ペアになると、ソフトウェアはバックグラウンドも概算し、総カウント数を調節して測定した中性子カウント数を得る。信号を特徴付けて分類するために用いられるいくつかのテンプレート・パラメータを以下に述べる。
N=N0 x e− λt
スペクトロメータのアルゴリズムによる中性子線/ガンマ線弁別及び除去方法を改善するため、本発明者らは、ワシントン州立大学(WSU)構内で「純」ガンマ線場における試験を行った。図11は、直径2インチ(5.08cm)×長さ2インチ(5.08cm)の寸法のLGB/PVT検出器ヘッドを用いたWSUのデータについて、面積に対するラムダ分布(N.Aプログラムにより作成)を示す。本発明の一実形態において、領域R(捕獲パルス)は赤であり、領域G(減速パルス)は緑である。本試験は、Cf―252源、即ち、中性子線/ガンマ線を混合した供給源を使って行われた。そして、本発明者らは、PVT材料からなる検出器ヘッドの試験を行い、PVTとガンマ線の相互作用をプロットした図11の領域を識別した。図12に、その試験結果を示す。
ペア信号のうち減速パルスは、衝突中性子のエネルギーを推定するための情報を含む。中性子エネルギーは、中性子検出器用に校正された応答行列(CRM)を展開及び使用し、後述の展開法を使用することにより減速パルスの面積と直接相関させることができる。
図14は、本発明者らが2箇所の試験施設において0.8〜200MeVの範囲で測定した全ての減速パルスの散布図である。図14の中性子のエネルギーは、本発明者らがLos Alamos Neutron Science Center(LANSCE)の施設及びオハイオ大学のEdwards Accelerator Laboratory (EAL)で行った飛行時間(TOF)実験において、中性子が加速器ビームのターゲットからLGB検出器までの移動にかける時間に基づき測定された。減速(開始)パルスの面積が算出され、TOFエネルギーに関連付けてプロットされる。この散布図は、エネルギーと、パルス面積の上部つまり1回の衝突でその全てエネルギーを失う上位2%の中性子との間のほぼ直線的な関係を示す。複数回の衝突を経た残り98%の中性子が、上部2%より小さいパルス面積を有することも、このプロットから明らかである。散布図が狭い中性子エネルギー領域又はビンに細分されている場合、減速パルス面積の変動は、CRMを展開するための基礎を表す。
飛行時間(TOF)データは、LANSCE及びEAL試験施設において、減速パルス面積とTOF中性子エネルギーの関係を特定するために多チャネル・デジタイザを使って収集した。中性子エネルギーの計算は、光速と、加速器ビームがターゲットに達する時点と中性子がLGB検出器に入る間の時間測定に基づき非常に正確である。図15にサンプル・データの測定結果を示す。TOF値は、Δtとして、又は、タイミングマーク(ビームがターゲットに達する時点)と減速パルス上昇の間の時間として示される。
本発明者らは、LANSCE及びEALでの飛行時間実験により、減速パルス面積と中性子エネルギーの間の予測可能な相関関係が実証されたことを発見した。エネルギー領域全体の中性子の総数が「複数のエネルギー群」に分けられる場合、各エネルギー群は、その群のエネルギー範囲に伴うパルス面積の一部を含む。例えば、2〜3MeVの範囲の中性子1000個のパルス面積の分布は、80〜90MeVの範囲の中性子1000個のパルス面積の分布とは異なるため、異なるエネルギー領域の中性子は、異なる特性パルス面積分布を有することになる。応答行列は、エネルギーが最も低い上部から始まり、底部の最も高いエネルギー群までの全てのエネルギー群を含むよう構成される。かかる行列の一例を図16に示す。図16において、各行は、異なるエネルギー領域(例えば、約1.38828MeVのエネルギー領域)を示し、各列は、異なるパルス面積であり、ボルト/ナノ秒(図3参照)で表される。例えば、1.38828MeVのエネルギー・ビンで、パルスの約65%(0.645719)が約1.656852ボルト/ナノ秒のパルス面積を有する。各エネルギー群のパルス面積の割合は、(水平線に沿った)合計が1.0となる。
中性子検出効率は、正確さと妥当性を確実にするエネルギーの関数として定義された。LGB中性子検出効率は、計器で測定した中性子数を、検出器前面に入射した中性子数で除した比率として定義される。LANSCEのビームによる入射中性子の数は、LGB検出器を使用する正確な試験場所で、ウラン238の金属箔を用いた校正試験により測定された。図17は、LANSCEの高エネルギーのTOF試験において20〜200MeVの間で算出されたLGB中性子検出効率を示す。MCNP(コンピュータ・モデル)の効率予測(個々のデータ・ポイント)と、その予測と試験測定結果との比較もまた示している。
上述した信号処理は、以下に記載する展開が「良好な」データに基づいて行われるように、「不良な」又は不要なデータを排除する役割を果たす。異なる減速パルス面積で分布するカウント数をデコンボリューションし、中性子スペクトルを生成するため、2種類の展開アルゴリズム、すなわち、MAXED―FC33と平滑化した逐次最小二乗(SLS)が用いられた。しかし、本発明は、かかる技術の使用に限定されるものではなく、その他の展開又はデコンボリューション技術を用いてもよい。MAXED―FC33コードは、UMGコード(オークリッジ国立研究所から入手できる最大エントロピー符号UMG、Reginatto及びMarcel「The Few−Channel, MXD_FC33, Unfolding Program Manual in the UMG 3.3 Package」エネルギー省、発売日2004年3月1日、この内容全体が、展開に関連したアルゴリズム、技術及びプロセスを参照することにより本明細書に組み込まれる)の一部である。MAXED―FC33コードは、N.Aプログラムで使用される実際のSLSコードを認証するために用いられる。基本的なSLSコードは、刊行物から入手できる(Y.Xu、T.J.Downar、M.Flaska、S.A.Pozzi及びV.Protopopescu「Sequential Least Square Method for Neutron Spectrum Unfolding from Pulse−Height Distributions Measured with Liquid Scintillators」、数学と計算(Mathematics & Computation)と原子力におけるスーパーコンピューティング(Supercomputing in Nuclear Applications)との合同国際会議(M&C+SNA2007)カルフォルニア州モントレーで4月15〜19日まで開催、この内容全体が、展開に関連したアルゴリズム、技術及びプロセスを参照することにより本明細書に組み込まれる)。いずれのコードも、展開されたスペクトルを計算するために、以下の入力を必要とする。校正された応答行列(CRM)、中性子検出器で測定したデータ、及び、実際のスペクトルを計算するための基準点としての役割を果たす初期のスペクトルである。LANSCE及びEALでの試験の初期のスペクトルは、標準化され完全に文書化された手順に基づいて施設の計器により提供された。施設の計器により提供されるスペクトルとスペクトロメータ100で測定され展開されたスペクトルとを比較するために、初期(又は施設)のスペクトルをLGB検出器の中性子検出効率で乗算した。MAXED―FC33及びSLSコードの計算の詳細は、以下に後述する。
上述したように、図19は、中性子スペクトルの表示から終了までの処理の概略を示す。測定された中性子データが展開された時点で、N.Aプログラムは、結果として得られた中性子スペクトルをGUIに表示する(ステップ9)ための処理を更にいくつか含んでいる。このプロセスステップは図19に示されており、等価線量の計算(ステップ10)、結果として測定されたスペクトルに最も適合するライブラリとの照合(ステップ12)、及び、これらの2つの結果のそれぞれの表示(それぞれステップ11及び13)を含む。等価線量は、以下の基準のうちの1つに基づく。即ち、国際原子力機関(IAEA)、国際放射線防護委員会(ICRP)又は米国原子力規制委員会(NRC)の定める損傷係数である。どの調節領域において計器が使われているかにより、ユーザは所望の損傷係数値を選択することができる。
スペクトロメータ/線量計100の性能が基準を満たすことを証明するために、以下に記載する検証テストが行われた。
Weapons Neutron Research Facility (WNR、LANSCE)は、LANSCEの直線加速器による800MeVの陽子ビームを用いて、約0.1MeVから800MeVを超える範囲のエネルギーを有する中性子ビームを非減速タングステン破砕源から得ている。妥当性検証の研究には、17MeVを超えるエネルギーが必要であっため、4FP 15L(90メートル)のビームラインが使われた。一旦生成された中性子は、ビームサイズが露出室内の直径8mmの最終開口部まで次第に縮径するように、5センチ(2インチ)の鉛と20センチ(7.9インチ)の減速材ポリエチレン(CH2)で更にフィルタリングされる。
オハイオ大学(オハイオ州Athens)にあるEALは、6MeVの重陽子ビームを生成することができるアクティブ型のタンデム式バンデグラーフ型加速器を所有する。6MeVのビームがAl―27ターゲットに当った際に、1〜12MeVの間の中性子エネルギーのスペクトルが放射される。中性子は、直径10.61cmのコリメータを通過し、直径2.1mのコンクリートのトンネルに入る。スペクトロメータ100は、コリメータの下流、ターゲットから7mの中心部に置かれた。
本発明の実施形態において熱中性子及び熱外中性子エネルギー領域内の放射場を測定するため、マサチューセッツ大学Lowell校で1MWの核***原子炉も用いた。ビーム管を中性子イメージング用に最適化したが、この場合、エピカドミウム・カットオフを上回るエネルギーを有する中性子の数が少ない熱中性子及び熱外中性子の均一磁場が必要とされる。中性子ビームの調節は、4フィートのグラファイト、0.1インチの開口部及びビーム出射口にマスク・フィルタのないコリメータを通過させることを含む。
低速中性子数= (up - pc (1-Effassociation)/Effassociation)/Eff slow neutron
区域放射線監視、放射能源の特定及び保健物理計測などの特定の利用において、本実施形態のスペクトロメータ/線量計は、「ユーザ」モードで動作することができる。このモードでは、計器は、デジタイザからデータを流し、0.0296秒のデータの各「パケット」を分析し、その後スペクトル、束、フルエンス及び等価線量の総量と比率を表示する。出力例を図25に示す。
上記の結果は、LGB/PVT中性子複合検出器が識別可能な捕獲ゲート反応を示すことを立証している。PVTプラスチックに均一に埋め込まれたLGB結晶を含む複合シンチレータは、中性子衝突(減速)に伴うパルスと、それに続く捕獲の第2のパルスを生成する。これらイベントを区別するために、検出器は、中性子とガンマの衝突と中性子捕獲からシンチレーションを分類することができる高度なパルス波形弁別アルゴリズムを用いる。測定されたパルス面積信号を含む収集されたシンチレーションが、(本発明者らが発見したように)、中性子ごとにそのエネルギー、衝突している構成物質及び衝突ごとのエネルギー損失に起因して確率的に変化するため、平滑化した逐次最小二乗(SLS)などの展開・アルゴリズムが、測定した中性子スペクトルをデコンボリューションするために用いられる。自動化したN.Aソフトウェア・パッケージにおいてSLS展開法を使用することで、既知のビーム・スペクトルと良好に相関することとなり、LGB中性子スペクトロメータ/線量計の性能を実証する。
(MAXED―FC33展開法)
MAXED―FC33は、相対エントロピーを最大化し、単純な方法の不安定性を回避する工程を利用している。必要な入力データ(ファイル)としては、(1)増加しているパルス面積で測定したカウント数、(2)校正された応答行列(CRM、パルス面積分布と中性子エネルギーとを関連付ける)、及び、(3)初期の(最初に推測した)中性子スペクトルが挙げられる。
ここで、k=1〜m及びi=1〜nであり、m<nである。展開により、以下の方程式を満たす一組のパラメータ{λk, γ}となる。
特定のいくつかの実施形態では、SLSを使って中性子エネルギー・スペクトルをリアルタイムで生成する。本明細書において使用される「リアルタイム」とは、スペクトルが1時間未満、好ましくは30分未満、更に好ましくは10分未満に生成されることを意味する。最小二乗方程式を解くため、クリロフ部分空間反復法を含む変更されたSLS法が用いられる。SLS法の周知の効果は、結果が正しい中性子スペクトルから上下してもよいことであり、従って、5―タップの二次デジタルフィルタ(平滑化技術)を使ってこれらの変動の程度を低減し、より有意義なスペクトルを生成した。MAXEDと同様に、必要な入力データ(ファイル)としては、(1)増加しているパルス面積で測定したカウント数、(2)CRM、及び、(3)全ての中性子の値がゼロより大きい初期の(最初に推測した)中性子スペクトルを含んでいるが挙げられる。
xi=0、i∈SA、SBの部分集合
w=重み関数、通常sqrt(N)に設定されるか、或いは、全ての値が1に設定される。
N=領域ビン中に分散する測定された中性子カウント数。R=応答行列。
SB=完全な組、SA=活性組、SB\SA=不活性組
s、g及びα=アルゴリズムを解く際に使用される中間媒介変数
を解く。
そして、αを決定し、以下の方程式により次のステップに進む。
gqの更なる値を計算する直前に、gqのすべての正の値について、qを不活性組に移動させる。
Claims (12)
- 有機モデレータと、
中性子を捕獲するホウ酸リチウム・ガドリニウムを含む無機シンチレータと、
プロセッサと、
を備える中性子検出器であって、
前記プロセッサは、
(1)前記無機シンチレータのシンチレーションを表す複数の信号を受信して、前記ホウ酸リチウム・ガドリニウムの中性子捕獲から生じた信号を識別し、(i)ガンマ線と前記ホウ酸リチウム・ガドリニウムの相互作用と(ii)ガンマ線と 157 Gdの相互作用から生じた信号を中性子捕獲信号から弁別し、
(2)ステップ(1)の前記ホウ酸リチウム・ガドリニウムの中性子捕獲から生じた信号として識別された前記複数の信号を用いて、前記中性子検出器に入射した中性子のデータを生成して出力する、
ことを特徴とする中性子検出器。 - 前記無機シンチレータは、セリウム又は他の活性材を含む請求項1記載の中性子検出器。
- 前記プロセッサは、少なくともパルス面積に基づき、前記中性子捕獲から生じた信号を識別し、前記中性子捕獲から生じた前記信号を前記他の複数の信号から弁別する請求項1記載の中性子検出器。
- 前記有機モデレータは、ポリビニル・トルエン又は他の有機水素減速材を含む請求項1記載の中性子検出器。
- 前記プロセッサは、面積を決定するために積分処理を行う請求項1記載の中性子検出器。
- 前記プロセッサは、パルスの減少側後端のデータ・ポイントを曲線適合させて、パルス減衰定数を算出する請求項1記載の中性子検出器。
- 前記無機シンチレータはLi6GdB3O9: Ceからなり、前記無機シンチレータは157Gdを含む請求項1記載の中性子検出器。
- 前記無機シンチレータは6Li6Gd10B3O9: Ceからなり、6Li、 10B及び 157Gdの中性子捕獲はCe放射に特有の形状から前記プロセッサにより識別され、157Gdの捕獲は前記プロセッサにより処理される請求項1記載の中性子検出器。
- 前記ガンマ線の一部はGdと相互作用してシンチレーションを起こし、残りの部分はLGB結晶のGdサイトに衝突エネルギーを蓄積してCeシンチレーションを起こし、これが前記プロセッサによって識別及び分離されるパルスを発生させる請求項1記載の中性子検出器。
- 前記プロセッサは、前記有機モデレータと前記無機シンチレータのシンチレーションを表す信号を受信し、前記信号は、中性子と157Gdの相互作用を表す信号を含む請求項1記載の中性子検出器。
- 前記有機モデレータはシンチレータである請求項1記載の中性子検出器。
- 前記プロセッサは、(i)前記ガンマ線と前記ホウ酸リチウム・ガドリニウムの相互作用と(ii)前記ガンマ線と 157 Gdの相互作用から生じた信号を、パルス減衰定数とパルス領域に基づき前記中性子捕獲信号から弁別する請求項1記載の中性子検出器。
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