JP2002062360A

JP2002062360A - 高速・高位置分解能型中性子検出用ガスカウンタ計測システム

Info

Publication number: JP2002062360A
Application number: JP2000253967A
Authority: JP
Inventors: Shuji Yamagishi; 秀志山岸; Junichi Kaneko; 純一金子
Original assignee: Japan Atomic Energy Research Institute
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2000-08-24
Filing date: 2000-08-24
Publication date: 2002-02-28

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】マイクロストリップ型あるいはピクセル型ガ
スカウンタにヘリウム−３を主成分とする混合ガスを封
入した１次元または２次元位置検出型中性子計測システ
ムの高速化・高位置分解能化を達成する。【解決手段】中性子センサ部で発生したイオン対１９の
電子に対する増幅（キャピラリープレイト等による）及
び陽極７近傍におけるガス増幅２０を比例領域で作動さ
せ、センサ出力の信号パルス増幅器２ｘ、２ｙに線形ま
たは非線形電流パルス増幅器を採用する。その出力に接
続された信号高速選別器でプロトンによる波高の低いパ
ルスの一部を除去し、且つトリトンによる出力チャンネ
ル数よりもプロトンによる出力チャンネル数が多くなる
ように信号選別レベルを設定し、プロトンとトリトンの
トラック長の相違から中性子検出位置を検知する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、これまでになかっ
た１０⁶カウント／秒（ｃｐｓ）以上の高速且つ２５０
μｍ以下の高位置分解能の１次元、または２次元位置検
出型中性子計測システムを提供し、例えば、原子炉ビー
ム照射孔及び大強度陽子加速器を用いた、生物や物質を
構成する原子または分子の構造を解明するための中性子
散乱実験、及び水素原子を有した物質で製作された構造
物のリアルタイム透視を行うための中性子ラジオグラフ
ィー実験等への利用が期待できる。

【０００２】

【従来の技術】絶縁基板上に電極をプリントする方式の
放射線検出器（主にＸ線等の低エネルギー放射線の検出
に使用）は、微細加工技術の発達により電極間隔を数１
０μｍ以下に配置することも可能であり、このような微
少間隔の電極対を多数絶縁基板上に高い精度で配置する
ことも自由に行え、電極基板の製造コストも安価である
などの利点がある。その上、微少間隔で配置した電極対
構造は、位置検出分解能を数１００μｍ以下に高めるこ
とをも可能にし、さらに、陽極ストリップ近傍のガス増
幅作用によって発生したイオン群を近接して配置された
陰極ストリップに素早く収集できるため、高計数率計測
を１０⁶ｃｐｓ以上にできる等飛躍的に性能を向上させ
ることが可能である。

【０００３】上記のような優れた性能及び機能を利用し
て、ヘリウム−３ガスまたはヘリウム−３ガスを主成分
とした混合ガスをチェンバ内に封入した中性子位置検出
型ガスカウンタ及び計測システムの開発が進められてい
る。しかし、中性子とヘリウム−３ガスが核反応して発
生するプロトン及びトリトンのエネルギーは夫々５７４
ｋｅＶ、１９１ｋｅＶと高いためにヘリウム−３ガスま
たはその混合ガス中におけるプロトンとトリトンの合計
の飛程（飛行距離）が数ｍｍ以上となる。この結果、計
測システムによる測定データの１点が１つの中性子検出
信号と対応することが要求される計測システムにおいて
は、封入ガス圧を上げてもまた混合するガスをいろいろ
選択しても位置分解能を半値幅で１ｍｍ以下にすること
が困難であった。

【０００４】図３に従来の計測システムの構成を示す。
従来の計測システムで中性子センサ部のガス増幅を大き
くして信号がデジタルパルスになるように作動させてい
るシステムにおいては、Ｘ及びＹ軸系信号パルス増幅器
群（２ｘ、２ｙ）は０、１のデジタル信号増幅器であ
り、その出力は図４に示すような一様な波高のパルス分
布になる。中性子センサ部が比例領域で作動されるもの
にあっては、信号パルス増幅器群（２ｘ、２ｙ）には夫
々線形パルス増幅器を用いるが、信号計測には不要な電
子回路ノイズを除去するため、それらの出力にはノイズ
弁別器群（３ｘ、３ｙ）が設けられる。

【０００５】図５に線形パルス増幅器各チャンネル出力
のパルス波高分布（２，３）とノイズ弁別レベル（４）
を合わせて示した。図６はノイズ弁別器群からの出力チ
ャンネル列を示したものである。信号の発生から全てデ
ジタル信号として扱うシステムにおいても、また一部ア
ナログ信号として扱うシステムにおいても、従来の計測
システムではトリトン（２）とプロトン（３）の飛行に
よる全てのチャンネル出力を信号として扱い出力してい
る。この点が本発明の計測システムと異なるところであ
る。

【０００６】中性子が２次元検出器電極基板面に対して
垂直に断面積ゼロのビーム状で入射した場合の従来計測
システムによる測定例として、ヘリウム−３ガスと２０
％のエタンガス（Ｃ₂Ｈ₆）の混合ガスを５気圧封入した
条件で検出器の作動をシミュレーション計算して位置検
出分解能を求めた。その結果は図７（ａ）及び７（ｂ）
に３次元グラフで示したように半値幅で２．８ｍｍであ
った。

【０００７】図８はヘリウム−３ガスと２０％のエタン
ガスの混合ガスで，封入ガス圧力を５、８及び１０気圧
に変えた場合に得られる位置検出分解能の計算結果を比
較して示したものである。２次元検出器の場合、測定結
果は図７（ａ）に示したような円柱状になるが、図８で
は円柱の断面を２次元グラフとして示している。最も特
性の良い１０気圧の場合でも半値幅は約１．４ｍｍであ
る。

【０００８】図９にヘリウム−３ガスに２０％のアルゴ
ンガス（Ａｒ）、メタンガス（ＣＨ ₄）又はエタンガス
を夫々混入して、封入ガス圧を５気圧にした場合の位置
検出分解能の計算結果を比較して示した。最も特性の良
い２０％のエタンガスを混入した場合でも半値幅は２．
８ｍｍである。

【０００９】図１０にヘリウム−３ガスに対するエタン
ガスの混合比を夫々２０、３０または４０％に変え、封
入ガス気圧は８気圧一定にした場合得られる位置検出分
解能の計算結果を比較して示した。添加ガスの比率を増
加させるに従って位置検出分解能は改善されるが、４０
％の混合比においても半値幅は１．０ｍｍである。添加
ガス比率を高めるに従って中性子に有感なヘリウム−３
の絶対量が減少する結果、中性子の検出効率が低下する
という欠点がある。更に、エタンガス等の混合ガスの混
合比を高くするに従って、また混合ガス封入圧力を上げ
るに従って、検出器の印加電圧を大幅に高くする必要が
生じて、電極間放電ノイズが増加するなどのマイナス面
もある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来のマイクロストリ
ップ型ガスカウンタ（ＭＳＧＣ）及びピクセル型ガスカ
ウンタ（ＰＴＧＣ）にヘリウム−３ガスを主成分とした
混合ガスを封入した１次元あるいは２次元位置検出型中
性子計測システムで、且つ計測システムによる測定デー
タの１点が１つの中性子検出信号と対応することが要求
される計測システムにおいて、中性子検出位置分解能を
半値幅で１ｍｍ以下にすることは困難であった。実用的
なガス圧の５〜８気圧の範囲では半値幅で１．５〜２．
５ｍｍ程度であった。この結果、このような従来型の検
出器を中性子散乱実験及び中性子ラジオグラフィー実験
等に用いた時に、測定画像が極めて不鮮明となって実験
実用上の大きな課題であった。

【００１１】Ｘ線検出用のＭＳＧＣ及びＰＴＧＣの大き
な特徴は有効測定面積が１０×１０ｃｍ程度ではある
が、１０⁶ｃｐｓ以上の高計数率信号をリアルタイムで
計測可能、且つ数１００μｍ以下の高い位置検出分解能
が得られることにある。中性子計測分野においても、上
記の両性能を同時に満たしたＭＳＧＣまたはＰＴＧＣ方
式の中性子計測システムの実現が大きく期待、要求され
ている。

【００１２】また、陽子加速器を用いたパルス中性子発
生装置の中性子散乱実験現場においてはガンマ線も発生
しており、ガンマ線がノイズとなって実験データの精度
を低下させるため、中性子とガンマ線を弁別して、ガン
マ線のみを除去することが要求されている。

【００１３】本発明は１０⁶ｃｐｓ以上の高計数率信号
をリアルタイムで計測可能、且つ数１００μｍ以下の高
い位置検出分解能の両性能を有し、更に実験に支障を与
えるガンマ線の弁別・除去を可能にした中性子検出用の
ＭＳＧＣ及びＰＴＧＣ計測システムを提供することにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明では、中性子の検
出位置を高速で検知するためＭＳＧＣあるいはＰＴＧＣ
の中性子センサ部と電流パルス増幅器群、信号高速選別
器群及び原子弁別回路を組み合わせて設けていることが
特徴であるが、電流パルス増幅器を高速の線形あるいは
非線形増幅器に設計し、信号高速選別器の信号選別レベ
ルをトリトンによる出力チャンネル数よりプロトンによ
る出力チャンネル数が多くなるような特定の値に設計し
ておき、後段の原子弁別回路によってトリトンとプロト
ントラックを弁別して中性子の検出位置を検知する。

【００１５】即ち、絶縁基板シート上に多数個の正負電
極対を配置した構造により、１次元あるいは２次元位置
検出の機能を持たせた位置有感型中性子線検出器で且つ
計測システムの１出力信号が１つの中性子検出信号と対
応することが要求される計測システムにおいて、中性子
と検出器内の封入ガス（ヘリウム−３ガスまたは、それ
を主成分とした混合ガス）との核反応によって発生した
原子（プロトン及びトリトン）のガス中の飛程が長い
（例えばヘリウム−３ガス圧が５気圧でプロトンの飛程
は約１０．４ｍｍ）ために混合するガスを種々選択して
もまた封入ガス圧力を上げても飛程を短くすることには
限界があり、位置検出分解能を半値幅で１ｍｍ以下とす
ることは困難であった。

【００１６】そこで、本発明では、中性子が封入ヘリウ
ム−３ガスと核反応した時に発生する二種類の原子、プ
ロトンとトリトンのガス中飛程（トラック）長の違いを
高速で弁別することにより中性子の反応位置を検知する
計測システムを考案し、これを採用することによってこ
れまでできなかった０．２５ｍｍ以下の半値幅の高い位
置検出分解能を有した高速・高位置分解能型中性子検出
用ガスカウンタ計測システム（ＨＲＮＧＣ）を提供する
ものである。

【００１７】図１に２次元位置検出器の場合の全体構造
を示す。本発明のＨＲＮＧＣは中性子センサ部（１）、
Ｘ軸電流パルス増幅器群（２ｘ）、Ｙ軸電流パルス増幅
器群（２ｙ）、Ｘ軸信号高速選別器群（３ｘ）、Ｙ軸信
号高速選別器群（３ｙ）、Ｘ軸原子弁別回路（４ｘ）、
Ｙ軸原子弁別回路（４ｙ）、及びデータ表示及び記憶装
置（５）から構成される。１次元位置検出器の場合につ
いては、Ｙ軸信号系の全ての機器は不要である。中性子
センサ部（１）の内部構造は複雑であるので、作動原理
図としてマイクロストリップ型センサ部構造を図２に示
した。マイクロストリップ型センサ部は陽極ストリップ
（７）、高圧電流（８）、高圧負荷抵抗（９）、陰極ス
トリップ（１０）、陰極接地（１１）、絶縁基板シート
（１２）、パックストリップ（１３）、電離ガス（１
４）、陰極板（１５）、検出器容器（１６）、及びカッ
プリングコンデンサ（１７）から構成される。

【００１８】又、本発明では、中性子センサ部に接続さ
れるＸ及びＹ軸電流パルス増幅器群（２ｘ及び２ｙ）を
線形増幅器あるいは非線形増幅器として設計し、それら
の後段に夫々信号高速選別器群（３ｘ及び３ｙ）、原子
弁別回路（４ｘ及び４ｙ）及びデータ表示及び記憶装置
（５）を設け、プロトンとトリトンのトラック長の相違
から中性子検出位置を検知する方式を採用したことを特
徴としている。

【００１９】

【発明の実施の形態】電流パルス増幅器の性能、機能に
ついて以下に説明する。図１１にトリトントラック及び
プロトントラックと電極基板との角度関係を示したが、
図では中性子が検出器内のヘリウム−３原子と核反応を
起こして発生したトリトン（３）とプロトン（４）が混
合ガス中を電極基板面に対して平行（θ＝０°）且つＸ
軸に対しても平行（δ＝０°）に飛行した場合と、トリ
トン（５）及びプロトン（６）がθ＝４５°且つδ＝０
°で飛行した場合について示している。

【００２０】トリトンの初期エネルギーは１９１ｋｅＶ
であり、プロトンの初期エネルギーは５７４ｋｅＶであ
る。トリトン及びプロトン荷電粒子からＸ軸及びＹ軸の
夫々の電極１本当たりに付与される初期エネルギーは下
記の式（１）から（６）により計算される。

【００２１】

【式１】

【００２２】ここで、ｄａは電極ストリップのピッチで
ある。式（３）から（６）に示された（ｄＥ／ｄｘ）**
はトリトンまたはプロトンの夫々の荷電粒子に対する混
合ガスの阻止能であり、荷電粒子が持つエネルギーの関
数である。

【００２３】図１２は一例としてヘリウム−３ガスに２
０％のエタンガスを５気圧封入したＭＳＧＣあるいはＰ
ＴＧＣのチェンバ内において、トリトン及びプロトンの
飛行角度がθ＝０°でδ＝０°の場合におけるＸ軸の各
電極ストリップに与えられる初期エネルギーの大きさを
計算して比較したものである。図の横軸は距離２００μ
ｍを１デヂットとして表し、デヂット８が中性子の核反
応位置（１）であり、デヂット８から減少方向がトリト
ンの飛行経路（２）を、増加方向がプロトンの飛行経路
（３）を夫々表している。図からトリトンは飛行初期に
大きなエネルギーを付与するのに対して、プロトンのほ
うは飛行初期のエネルギー付与が小さく飛行距離が進む
に従ってエネルギー付与が増大して飛程終端近くで最大
になることを示している。これらエネルギー付与曲線の
相違は、トリトンの質量がプロトンの３倍で初期エネル
ギーが１／３倍であることによって生じている。

【００２４】ＭＳＧＣあるいはＰＴＧＣではガス増幅を
比例領域で作動させれば、図１２に示すヒストグラムと
同様の波高分布を持った信号が夫々の電極ストリップに
与えられる。本発明の電流パルス増幅器群には図１２に
示したような電極ストリップからの波高分布を線形ある
いは非線形で増幅して出力する性能、機能を有するよう
に設計する。

【００２５】図１２の波高分布から、全てのチャンネル
出力のパルス波高を計測すれば波高の変化から中性子核
反応位置の検知が可能であることは容易に推測される。
しかし、全てのチャンネル出力のパルス波高を計測する
と中性子を１個検出するに必要な計測時間が長くなって
計数率１０⁶ｃｐｓのような高速性能は実現できないこ
と、その上膨大なデータの処理が必要になってデータ処
理回路の制作コストを大幅に増加させる。

【００２６】本発明の信号高速選別器群では、トリトン
とプロトンが電極基板に対して並行に飛行した条件の下
で、トリトンによる出力チャンネル数よりプロトンによ
る出力チャンネル数が多くなる信号選別レベルの範囲内
で、その最大値を電子回路の設計値とする。図１２の列
では信号選別レベル（４）は３７．５である。

【００２７】上記のように設定した場合の信号高速選別
器出力を図１３に示したが、この例ではトリトン及びプ
ロトンによる出力は夫々２と４チャンネルである。図１
３の例ではトリトンがＸ軸左方向に、プロトンが右方向
に飛行した場合であり、実際には図１４に示すようにト
リトンとプロトンの飛行方向が逆転することも同じ確率
で発生し、この場合の信号高速選別器出力は図１５のよ
うになって図１３とは逆転する。図１２及び１４で示さ
れるように、本発明の計測システムにおける信号選別レ
ベル（４）はノイズパルス波高レベルよりもはるかに高
いレベルに設定される結果、ガンマ線によるノイズパル
スを完璧に弁別、除去できることがわかる。

【００２８】本発明の原子弁別回路の性能、機能につい
て説明する。原子弁別回路にはＸとＹ軸信号系の２系統
あるが、２系統は夫々独立して作動して、夫々の位置情
報出力をデータ表示装置へ伝送する。原子弁別回路の機
能は大別して２つあり、その１つは上記に述べた２群か
ら構成される信号高速選別器群の出力チャンネル列から
トリトンとプロトン原子のトラックを特定して、この結
果から中性子の反応位置を検知することである。もう１
つは信号高速選別器群の出力で２群に分離されず１連の
チャンネル列になった信号を受けた場合に、１連のチャ
ンネル列であることを判定しチャンネル列の中央を中性
子反応位置としてデータ表示装置に伝送することであ
る。原子弁別回路に与えられる詳細な性能、機能を以下
に示す。信号高速選別器出力が図１３及び１５の関係に
あるとき、中性子検出位置は下記の判別式で求めること
が可能である。

【００２９】Ａ１＝│Ｘ２−Ｘ１│−│Ｘ４−Ｘ３│ Ａ１<０ならばトリトンとプロトンの配置は図１３の通
りであり、中性子の検出位置はＰｘ＝（Ｘ２＋１）ｄａ（７）により求めることができる。

【００３０】Ａ１>０ならばトリトンとプロトンの配置
は図１５のようになって、中性子の検出位置はＰｘ＝（Ｘ３−１）ｄａ（８）により求めることができる。但しｄａは電極ストリップ
のピッチである。

【００３１】図１６はトリトンとプロトンの飛行角度が
電極基板面に対してθ＝４５°但しＸ軸とは並行δ＝０
°に飛行した場合の各電極に与えられるパルス波高と信
号選別レベル（４）を図１２と同じ３７．５に設定した
時の信号高速選別器出力を１つのグラフにして表したも
のである。このように飛行角度θが多きくなると、トリ
トン（２）とプロトン（３）の各出力波高が増大し、こ
の結果トリトンとプロトンによる夫々の信号高速選別器
出力チャンネル数（|ｘ₂−ｘ₁|及び|ｘ₄−ｘ₃|）も増加
する。その上、２群からなる信号高速選別器出力列
（５）の全長及び２群間の無出力チャンネル列の長さが
減少する。このような条件でも中性子の検出位置は式
（７）及び（８）から求めることができる。

【００３２】電極基板面に対するトリトンとプロトンの
飛行角度θが更に増大すると、図１７に示すように信号
高速選別器出力（５）は連続した１群の出力チャンネル
列になって、トリトン（２）とプロトン（３）のトラッ
クは識別不可能に至る。このような飛行角度のトラック
に対しては、トリトンとプロトンの総トラック長の電極
基板面への投影長さの中央点を中性子検出位置として与
える。実際には信号高速選別器出力チャンネル列（５）
の両端の読取値ｘ₁とｘ₂を用いた下記の計算結果を中性
子の核反応位置として与える。

【００３３】Ｘ３＝０且つＸ４＝０ならば、中性子の核
反応位置は式（９）により与えられる。

【００３４】

【式２】

【００３５】上記のような条件における中性子の位置検
出誤差Ｅｒｐは式（１０）で表される。

【００３６】

【式３】

【００３７】上式でＰ₀は中性子入射位置のチャンネル
番号である。上記のように出力チャンネル列が連続して
しまった場合でも飛行角度が増加するに従って式（１
０）に示す出力チャンネル列の長さ（ｘ₂−ｘ₁）も減少
する結果、出力チャンネルの中央点を中性子の検出位置
として与えても位置検出誤差Ｅｒｐは減少し、飛行角度
が電極基板面に対して垂直θ＝９０°になった時、ｘ₂
−ｘ₁＝０となって、図１８に示すように位置検出分誤
差Ｅｒｐはゼロとなる。

【００３８】一方、Ｘ軸に対する飛行角度δの増大は式
（１）が示すように角度θの効果と同様の効果を与え、
また、θとδの両角度の増大は相乗効果をもたらす。Ｙ
軸の各電極に対する飛行角度δの増大の効果は式（２）
が示すように、Ｘ軸へのδの効果と相補の関係にある
が、Ｙ軸の中性子検出位置もＸ軸と同様の手法によって
求めることができる。

【００３９】超高位置検出分解能を必要とするシステム
では、式（９）で表せるようなトリトンとプロトンのト
ラックが識別不可能になった信号のうち信号高速選別器
出力チャンネル列が長い信号、即ち位置検出分解能の低
い信号、例えば半値幅で０．３ｍｍ以上を有する信号は
廃棄する。このような信号処理は、連続した出力チャン
ネル列のデータのうち例えば８チャンネル以上のものは
計数しない等の簡単な方法によって実現可能である。こ
のような手法を採用した場合には中性子検出効率は２０
％程低下するが、廃棄されるデータは信号分布の裾野を
広げている誤差の大きいデータである。上記の手法を採
用することにより、信号分布の裾野幅でも０．３ｍｍ以
下の極めて高い位置検出分解能を有する計測システムを
実現可能である。

【００４０】

【実施例】本発明を高速・高分解能２次元マイクロスト
リップガスカウンタ（ＭＳＧＣ）に応用した場合の作動
原理は図１及び２に示した通りである。本発明の計測シ
ステムのＭＳＧＣ中性子検出部に熱中性子を直線ビーム
状で入射した場合の信号計測をシミュレーション計算
し、その測定結果を３次元グラフで表し、図１９（ａ）
及び１９（ｂ）に示した。

【００４１】ＭＳＧＣ中性子検出部の条件は以下の通り
である。陽電極ストリップ間隔が２００μｍで、封入ガ
スはヘリウム−３ガスに２０％のエタンガスを混合した
ものであり、ガス圧力を５気圧とした。図１９（ａ）の
グラフの縦軸は中性子信号の計数値である。この測定結
果から中性子の位置検出分解能は半値幅で約０．２５ｍ
ｍ得られることを示している。図１９（ｂ）の中性子入
射方向から平面的に観察した測定結果では、Ｘ及びＹ軸
方向に信号の若干の広がりを示し全幅で１ｍｍ程度の十
字形状を示しているが、図１９（ａ）から明らかなよう
に信号計数分布の裾野部における計数の少ない領域であ
る。これらはトリトンとプロトンの電極基板上投影トラ
ックで両者の分離計測ができなく且つ比較的投影トラッ
クが長い信号によるものである。

【００４２】本発明では上記のような裾野部の若干の広
がりを取り除く超高分解能計測システムも提供してい
る。超高分解能計測システムを採用した場合のシミュレ
ーション計算結果を図２０（ａ）と図２０（ｂ）に示し
た。図２０（ｂ）の測定結果から位置検出分解能の半値
幅は、高分解能型計測システムと同じく、０．２５ｍｍ
であるが裾野部の広がりがほとんど見られず改善されて
いることを示している。図２０（ｂ）の中性子入射方向
から観察した平面図では、信号分布は極めて小さな円形
をしており良好な位置分解能が得られることがわかる。
但し、この超高分解能型計測システムでは分散した信号
を除去する結果、検出効率は高分解能型計測システムと
比較して約３０％程低下する。

【００４３】

【発明の効果】図２１及び２２の本発明の計測システム
を用いた場合と従来計測システムによる位置検出分解能
を信号パルス計数分布の断面、即ち２次元グラフで比較
して示した。図２１は混合ガスとしてヘリウム−３に２
０％のエタンを混合して５気圧の圧力で封入した場合の
同条件でのシミュレーション計算結果である。従来の計
測システムにる位置検出分解能は２．８ｍｍであるのに
対して、本発明の計測システムでは０．２３ｍｍであり
１／１０以下に改善されることを示している。

【００４４】図２２は混合ガス条件を変えてヘリウム−
３に３０％のエタンを混合して８気圧封入した場合の比
較である。従来の計測システムの位置検出分解能は１．
４ｍｍとなり、本発明の計測システムでは０．２４ｍｍ
であり、ガス条件が変わっても性能の改善が大幅である
ことを示している。

【００４５】図２３は混合ガス比率を８０パーセントヘ
リウム−３と２０％エタンとして、封入ガス圧力を１０
気圧まで変えた時の、本発明と従来計測システムの性能
を比較したものである。中性子感度については本発明及
び従来計測システムの両方ともガス圧力を上げるに従っ
て上昇するが、ガス圧を上げると検出器印加電圧を上げ
る必要が生じるため、検出器の設計時点においてガス圧
は検出器の構造により最適値が決定される。

【００４６】本発明の計測システムではガス圧に関係な
くほぼ一定で０．２４ｍｍの極めて良好な位置検出分解
能が得られる。従来の計測システムではガス圧を上げる
と位置検出分解能は改善されるが、１０気圧の高圧にし
ても１．４ｍｍである、このことから本発明の計測シス
テムの優位性を示している。

【００４７】図２４はヘリウム−３とエタンの混合ガス
を８気圧一定にして、２ガスの混合比率のみを変えた場
合の性能比較である。本発明も従来システムも中性子感
度はエタンガスの混合比率を上げるに従って低下する。
本発明の計測システムではエタンガスの混合比率が変わ
っても位置検出分解能は変化なく約０．２４ｍｍである
のに対して、従来計測システムではエタンガス比率が上
がるに従って分解能は改善されるが中性子感度の低下を
招く。しかし４０％の混合比率においても約１ｍｍであ
り、本発明の計測システムにより高い性能が提供される
ことを示している。

【図面の簡単な説明】

【図１】高速・高位置分解能型中性子検出用ガスカウ
ンタ計測システムの構成。１．中性子センサ部、２ｘ．Ｘ軸電流パルス増幅器群、
２ｙ．Ｙ軸電流パルス増幅器群、３ｘ．Ｘ軸信号高速選
別器群、３ｙ．Ｙ軸信号高速選別器群、４ｘ．Ｘ軸原子
弁別回路、４ｙ．Ｙ軸原子弁別回路、５．データ表示及
び記憶装置

【図２】高速・高位置分解能型中性子検出用ガスカウ
ンタ計測システムの中性子センサ部。２ｘ．Ｘ軸信号パルス増幅器、２ｙ．Ｙ軸信号パルス増
幅器、７．陽陰ストリップ（Ｘ軸）、８．高圧電源、
９．高圧負荷抵抗、１０．陰極ストリップ、１１．陰極
接地、１２．絶縁基板シート、１３．バックストリップ
（Ｙ軸）、１４．電離ガス、１５．陰極板、１６．検出
器容器、１７．カップリングコンデンサ、１８．入射中
性子線、１９．一次電離イオン対群、２０．ガス増幅イ
オン対群、２１．ガス増幅イオン群の収集

【図３】従来の位置分解能型中性子検出用ガスカウン
タ計測システムの構成。１．中性子センサ部、２ｘ．Ｘ軸系信号パルス増幅器
群、２ｙ．Ｙ軸系信号パルス増幅器群、４ｘ．Ｘ軸系原
子トラック中央演算器、４ｙ．Ｙ軸系原子トラック中央
演算器、５．データ表示及び記憶装置、但し、アナログ
信号処理系の場合のみ下記回路を追加、３ｘ．Ｘ軸系ノ
イズ弁別器群、３ｙ．Ｙ軸系ノイズ弁別器群

【図４】従来システムにおいて中性子センサ部をデジ
タル信号領域で作動させた場合のパルス増幅器出力。１．中性子核反応位置、２．トリトンによる出力パル
ス、３．プロトンによる出力パルス

【図５】従来システムにおいて中性子ビームを計測し
た時の信号パルス増幅器の出力パルス波高分布。１．中性子核反応位置、２．トリトンによる出力パル
ス、３．プロトンによる出力パルス、４．ノイズ弁別レ
ベル、５．ノイズパルス

【図６】従来システムによって中性子ビームを計測し
た時のノイズ弁別器出力パルス分布。１．中性子核反応
位置、２．トリトンによる出力パルス、３．プロトンに
よる出力パルス。

【図７】（ａ）従来システムを用いて中性子ビームを
計測した場合の信号パルス分布を３次元グラフで示した
もの。１．中性子入射位置、２．計測システム出力のパルス計
数分布、３．位置検出分解能（半値幅ＦＷＨＭ）：２．
８ｍｍ（ｂ）従来システムを用いて中性子ビームを計測した場
合の信号パルス分布を上部から平面的に観察した結果。１．中性子入射位置、２．計測システム出力のパルス計
数分布、３．位置検出分解能（半値幅ＦＷＨＭ）

【図８】従来計測システムで封入ガス圧力を変えた時
の位置検出分解能の変化。１．中性子核反応位置、２．ヘリウム−３ガスにエタン
ガス（Ｃ₂Ｈ₆）を２０％混合して５気圧封入した時のパ
ルス計数分布、３．同混合ガスを８気圧封入した時のパ
ルス計数分布、４．同混合ガスを１０気圧封入した時の
パルス計数分布、５．混合ガスを５気圧封入した時の位
置検出分解能：２．８ｍｍ、６．混合ガスを８気圧封入
した時の位置検出分解能：１．８ｍｍ、７．混合ガスを
１０気圧封入した時の位置検出分解能：１．４ｍｍ

【図９】従来計測システムで混合するガスの種類を変
えた時の位置検出分解能の変化。１．中性子核反応位置、２．ヘリウム−３ガスにアルゴ
ンガス（Ａｒ）を２０％混合して５気圧封入した時のパ
ルス計数分布、３．ヘリウム−３ガスにメタンガス（Ｃ
Ｈ₄）を２０％混合して５気圧封入した時のパルス計数
分布、４．ヘリウム−３ガスにエタンガス（Ｃ₂Ｈ₆）を
２０％混合して５気圧封入した時のパルス計数分布、
５．アルゴンガスを２０％混合した時の位置検出分解
能：４ｍｍ，６．メタンガスを２０％混合した時の位置
検出分解能：４ｍｍ，７．エタンガスを２０％混合した
時の位置検出分解能：２．８ｍｍ

【図１０】従来計測システムで添加するガスの比率を
変えた時の位置検出分解能の変化。１．中性子核反応位置、２．ヘリウム−３ガスにエタン
ガス（Ｃ₂Ｈ₆）を２０％混合して８気圧封入した時のパ
ルス計数分布、３．エタンガスの混合比を３０％にして
８気圧封入した時のパルス計数分布、４．エタンガスの
混合比を４０％にして８気圧封入した時のパルス計数分
布、５．エタンガスの混合比が２０％の時の位置検出分
解能：１．８ｍｍ、６．エタンガスの混合比が３０％の
時の位置検出分解能：１．４ｍｍ、７．エタンガスの混
合比が４０％の時の位置検出分解能：１．０ｍｍ

【図１１】中性子核反応物質のトリトン及びプロトン
荷電粒子のトラックと電極基板面の間の立体角度関係。１．電極基板、２．中性子核反応位置、３．飛行角度θ
＝０°且つδ＝０°の時のトリトンのトラック、４．飛
行角度θ＝０°且つδ＝０°の時のプロトンのトラッ
ク、５．飛行角度θ＝４５°且つδ＝０°の時のトリト
ンのトラック、６．飛行角度θ＝４５°且つδ＝０°の
時のプロトンのトラック

【図１２】Ｘ軸信号系の電流パルス増幅器群各チャン
ネルから出力されるパルスの波高分布。１．中性子核反応位置、２．トリトンによる出力パル
ス、３．プロトンによる出力パルス、４．信号選別レベ
ル、５．ノイズパルス

【図１３】Ｘ軸信号系の信号高速選別器各チャンネル
から出力される信号分布。１．中性子核反応位置、２．トリトンによる出力パル
ス、３．プロトンによる出力パルス、４．信号選別レベ
ル、５．選別された信号の出力チャンネル列

【図１４】トリトン及びプロトンが図−１２の場合と
逆方向に飛行した場合のＸ軸信号系の電流パルス増幅器
群各チャンネルから出力されるパルスの波高分布。１．中性子核反応位置、２．トリトンによる出力パル
ス、３．プロトンによる出力パルス、４．信号選別レベ
ル、５．ノイズレベル

【図１５】トリトン及びプロトンが図−１２の場合と
逆方向に飛行した場合のＸ軸信号系の信号高速選別器各
チャンネルから出力される信号分布。１．中性子核反応位置、２．トリトンによる出力パル
ス、３．プロトンによる出力パルス、４．信号選別レベ
ル、５．選別された信号の出力チャンネル列

【図１６】トリトン及びプロトンの飛行角度θが４５
°の場合におけるＸ軸信号系の電流パルス増幅器群と信
号高速選別器群各チャンネルから出力されるパルスの波
高分布及び信号分布。１．中性子核反応位置、２．トリトンによる出力パル
ス、３．プロトンによる出力パルス、４．信号選別レベ
ル、５．選別された信号の出力チャンネル列

【図１７】トリトン及びプロトンの飛行角度θが５
８．５°の場合におけるＸ軸信号系の電流パルス増幅器
群と信号高速選別器群各チャンネルから出力されるパル
スの波高分布及び信号分布。１．中性子核反応位置、２．トリトンによる出力パル
ス、３．プロトンによる出力パルス、４．信号選別レベ
ル、５．選別された信号の出力チャンネル列

【図１８】トリトン及びプロトンの飛行角度θが９０
°の場合におけるＸ軸信号系の電流パルス増幅器群と信
号高速選別器群各チャンネルから出力されるパルスの波
高分布及び信号分布。１．中性子核反応位置、２．トリトンによる出力パル
ス、３．プロトンによる出力パルス、４．信号選別レベ
ル、５．飛行角度θが９０°に近い時の信号出力チャン
ネル：１チャンネル

【図１９】（ａ）本発明を用いて中性子ビームを計測
した場合の信号パルス分布を３次元グラフで示したも
の。１．中性子入射位置、２．出力パルス計数分布、３．位
置検出分解能（半値幅、ＦＷＨＭ）：０．２５ｍｍ（ｂ）本発明を用いて中性子ビームを計測した場合の信
号パルス分布を上部から平面的に観察した結果。１．中性子入射位置、２．出力パルス計数分布、３．位
置検出分解能

【図２０】（ａ）本発明の超高位置検出分解能手法を
用いて中性子ビームを計測した場合の信号パルス分布を
３次元グラフで示したもの。１．中性子入射位置、２．出力パルス計数分布、３．位
置検出分解能（半値幅、ＦＷＨＭ）：０．２５ｍｍ（ｂ）本発明の超高位置検出分解能手法を用いて中性子
ビームを計測した場合の信号パルス分布を上部から平面
的に観察した結果。１．中性子入射位置、２．出力パルス計数分布、３．位
置検出分解能

【図２１】本発明の計測システムと従来システムによ
る位置検出分解能の比較。混合ガス条件は両計測システ
ムともヘリウム−３ガスにエタンガスを２０％混合し
て、５気圧封入したものを用いた。１．本発明の計測システムで得られる位置検出分解能
（半値幅、ＦＷＨＭ）：０．２５ｍｍ、２．従来システ
ムによる位置検出分解能：２．８ｍｍ

【図２２】本発明の計測システムと従来システムによ
る位置検出分解能の比較。混合ガス条件は両計測システ
ムともヘリウム−３ガスにエタンガスを３０％混合し
て、８気圧封入したものを用いた。１．本発明の計測システムで得られる位置検出分解能
（半値幅、ＦＷＨＭ）：０．２４ｍｍ、２．従来システ
ムによる位置検出分解能：１．４ｍｍ

【図２３】封入ガス圧力を変えた時の本発明計測シス
テムと従来システムの性能比較。混合ガス条件は両計測
システムともヘリウム−３ガスにエタンガスを２０％混
合してしたものを用いた。１．本発明の計測システムで得られる位置検出分解能、
２．従来システムによる位置検出分解能、３．両計測シ
ステムの中性子感度の低下率

【図２４】添加ガス比率を変えた時の本発明計測シス
テムと従来システムの性能比較。混合ガス条件は両計測
システムともヘリウム−３ガスとエタンガスの混合ガス
を８気圧封入したものを用いた。１．本発明の計測システムで得られる位置検出分解能、
２．従来システムによる位置検出分解能、３．両計測シ
ステムの中性子感度の低下率

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2G088 EE27 EE30 FF09 GG03 GG05 JJ04 JJ05 JJ31 JJ32 KK01 KK05 KK21 KK24 KK35 LL12 LL13 LL18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁基板シート上に陽極ストリップと陰
極ストリップの対電極を多数個配置した構造の位置検出
型中性子センサ部、あるいは絶縁基板シート上に点状陽
極の周りにリング状陰極を配置した対電極を多数個配置
した構造で、中性子に対して核反応断面積の大きいヘリ
ウム−３（³Ｈｅ）ガスを単一又は他のガスと混合して
封入した位置検出型中性子センサ部を用いた１次元ある
いは２次元位置検出型中性子検出用計測システムにおい
て、中性子センサ部で発生したイオン対の電子に対する
増幅（キャピラリープレイト等による）及び陽極近傍に
おけるガス増幅を比例領域で作動させ、中性子センサ部
に接続される信号パルス増幅器に線形あるいは非線形電
流パルス増幅器を採用し、その出力に接続された信号高
速選別器によりプロトンによる波高の低いパルスの一部
を出力しないように設定し、且つトリトンにより出力チ
ャンネル数よりもプロトンによる出力チャンネル数が多
くなるように信号選別レベルを設計した計測システム。
【請求項２】絶縁基板シート上に陽極ストリップと陰
極ストリップの対電極を多数個配置した構造の位置検出
型中性子センサ部、あるいは絶縁基板シート上に点状陽
極の周りにリング状陰極を配置した対電極を多数個配置
した構造で、中性子に対して核反応断面積の大きいヘリ
ウム−３（³Ｈｅ）ガスを単一又は他のガスと混合して
封入した位置検出型中性子センサ部を用いた１次元ある
いは２次元位置検出型中性子検出用計測システムにおい
て、中性子センサ部で発生したイオン対の電子に対する
増幅（キャピラリープレイト等による）及び陽極近傍に
おけるガス増幅を比例領域で作動させた場合に、プロト
ン及びトリトンの電極基板に対する飛行角度によって電
極に誘起される信号パルスの波高値が１から数十倍の間
で大幅に変動することによるパルス増幅器の飽和を防止
するため、及び高計数率（１０⁵ｃｐｓ以上）のパルス
を計測できるようにするために、Ｘ軸信号系及びＹ軸信
号系に接続されるパルス増幅器群に入力信号パルス波高
が大きくなるにしたがって増幅器ゲインが小さくなるよ
うな、あるいは一定以上の出力パルス波高及びパルス幅
を制限するような非線形電流パルス増幅器を採用した計
測システム。
【請求項３】請求項１〜２のような計測システムにお
いて、Ｘ軸信号系及びＹ軸信号系の多数個の信号高速選
別器から出力される信号チャンネル列で連なる２つのチ
ャンネル列のうち短いほうを判別して、長いチャンネル
列と接する短いチャンネル列の先端位置を中性子検出位
置として検知するか、あるいはその位置を表す数値に定
数をプラスまたはマイナスするかあるいは除算または乗
算する回路を設けることによって中性子検出位置を検知
する計測システム。
【請求項４】請求項１〜３のような計測システムにお
いて、トリトン及びプロトン原子の飛行立体角度が、電
極基板に対して垂直方向、あるいはＸ軸計測にあっては
Ｘ軸電極に、Ｙ軸計測にあってはＹ軸電極に対して並行
方向に近づいた結果、信号高速選別器群の出力チャンネ
ル列がトリトンとプロトンに分離されずに連続した１本
のチャンネル列になった場合を判定するか、または、一
群あるいは二群からなるチャンネル列の全長が指定値
（最長時、飛行角度θ＝０°、δ＝０°の時の４０〜２
０％）以下になった場合を判定することによりチャンネ
ル列の中央点の位置を中性子検出位置とする計測システ
ム。
【請求項５】請求項１〜４の計測システムにおいて、
中性子を検出した位置で指定した値以上の誤差を有した
データを除去する方法によって、中性子検出位置のバラ
ツキを小さくして、極めて高い位置検出分解能を得るた
め、電極基板面に投影されたトリトンとプロトンの夫々
のトラックによる出力チャンネル列が分離されずに連続
したチャンネル列の内、４チャンネル以上連なった中性
子計測信号を除去する機能を持つ回路を信号高速選別器
の後段に設けた計測システム。