中高速中性子測定用シンチレータ

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作成： 2000/1/27 山内　良麿データ番号　　　：040162 中高速中性子測定用シンチレータ目的　　　　　　：中高速中性子の測定とその応用放射線の種別　　：ガンマ線,陽子,中性子放射線源　　　　：タンデム加速器利用施設名　　　：オハイオ大学タンデム加速器照射条件　　　　：大気中応用分野　　　　：核物理、核融合技術、中性子計測、核医学概要　　　　　　：　中性子には電荷が無いので、中性子の検出には¹H(n,n)¹H, ⁶Li(n,α)T, ³He(n,p)T 反応等からの荷電粒子を測定する必要がある。10keV-200MeVの中性子の検出には液体や固体の有機シンチレーション検出器が用いられる。10keV 以下では主として⁶Liグラスシンチレーターが使われる。詳細説明　　　　：　中性子測定のためのシンチレーション検出器については、オークリッジ国立研究所のJ.A.Harveyらのレヴューがある。高速中性子の検出は主として¹H(n,n)¹H 反応からの反跳陽子を測定することによって行われる。中速中性子については、⁶Li(n,α)T, ³He(n,p)T 反応からの荷電粒子を測定することによって中性子を検出する。中性子検出器で重要な特性は、検出効率、時間分解能、ガンマ線波形弁別性能および波高分解能が優れていることである。高エネルギー分解能の中性子測定は通常飛行時間法によって行われる。　有機液体シンチレーターとプラスチックシンチレーターの急速の進歩は中性子分光学の進展の基になった。有機シンチレーターは10keV-200MeVの中性子の検出に広く使われている。有機シンチレーターの減衰時間は無機シンチレーターに比べて早く、時間分解能は1ns 以下である。液体シンチレーターではNE213, NE224 が固体シンチレーターではスチルベンが多く用いられ、いずれも中性子ガンマ線波形弁別性能が良い。プラスチックシンチレーターPILOT-U は減衰時間が短く、立ち上がりの早いパルスが得られる。検出効率は、随伴粒子法か、モンテカルロ計算法で決定する。有機シンチレーターの波高分解能は23keVから75MeVのエネルギー範囲では、約10%である。　図1にNE213シンチレーターによる波高分布と波高応答関数による解析から得られた中性子スペクトルを示す。図1　Pulse-height distribution and unfolded neutron spectrum obtained with a 46.0 mm by 46.5 mm diam. NE213 scintillator for the ⁹Be(α,n)¹²C reactions at an angle of 0°and with E_α= 8 MeV. （原論文4より引用。　Reproduced from Nucl. Instr. Meth., vol.67, 181 (1969), W.R.Burrus, V.V.Verbinski: Fast-Neutron Spectroscopy with Thick Organic Scintillator, Figure 6 (Data source 4, pp.192), Copyright (1969), with permission from Elsevier Science.）　中性子の検出に用いられる無機シンチレーターとしては、⁶Li(n,α)T 反応を利用した⁶LiI(Eu), ⁶Li-ZnS(Ag), ⁶Li₂O(Ce) がある。⁶Liグラスシンチレーターはガンマ線に対する感度が低く、低エネルギーで検出効率が大きいので中速中性子の検出器として広く使われており、波高分解能は30%である。　窒素、アルゴン、キセノン等はガスシンチレーターとして利用できる。ガス圧20atmの³He 90%, Xe 10% のガスシンチレーターではMeVエネルギー領域の中性子に対して14%の波高分解能が得られている。　中性子標準断面積のような精度1%が要求される精密測定には、MeV領域の中性子に対して、ほとんどの中性子がシンチレーター中でそれらのエネルギーの全てを失うほどの大きさのシンチレーターで、検出効率が～100%のblack neutron detector が用いられる。　³He(n,p)T 反応を利用した10atm 5cm 厚の³Heガスシンチレーターは100eV で効率が約10%になる。液体³Heシンチレーターでは、厚さ5cm、直径4.6cmのものが作られ、MeV領域の中性子で試された。発光スペクトルの波長域は60-100nmなので、³He容器の内壁はウエーブレングスシフターでコーティングする必要がある。得られた時間分解能は1.2ns, 効率は100keV-10MeVで数%であった。　ケント州立大学のR.A.Cecilらはモンテカルロ法による中性子検出器効率コードを開発し、1-300MeV 領域での炭化水素を含む色々なシンチレーターの中性子検出効率を計算した。計算結果はほとんどの場合、数%以内で実験値と一致する。図2にプラスチックシンチレーターの効率に関する計算と測定の比較を示す。図2　Comparison of efficiency measurements with calculations of Monte-Carlo computer code for plastic scintillators with thresholds set from 0.2 to 4.2 MeV equivalent-electron energies: (a) Wiegand et al., (b) Hunt et al., (c) Edelstein et al. and (d) McNaughton et al. （原論文2より引用。　Reproduced from Nucl. Instr. Meth., vol.161, 439 (1979), R.A.Cecil, B.D.Anderson and R.Madey: Improved Predictions of Neutron Detection Efficiency for Hydrocarbon Scintillators from 1 MeV to about 300 MeV, Figure 2 (Data source 2, pp.443), Copyright (1979), with permission from Elsevier Science.）　高時間分解能で大型中性子検出器の例では、オハイオ大学のJ.D.Carlsonらが厚さ29.2cm, 直径18.2cmのNE224シンチレーター検出器を開発した。シンチレーターの厚さによる時間分解能の広がりを補正するために、シンチレーターの前面と後面にそれぞれ光電子増倍管を取り付け、中性子を主軸に平行に入射させる。17.1MeVの中性子に対して1.07nsの時間分解能を得た。図3にこの検出器による中性子飛行時間法スペクトルを示す。図3　'Compensated' time-of-flight spectrum of neutrons from the ¹¹B(d,n)¹²C reaction at 15゜and E_d=8.0 MeV. The Q-value for the ground state transition is +13.73 MeV. The spectrum was obtained with the compensation optimized for the 4.43 MeV state (E_n=17.1 MeV). A width of 2.18 ns (fwhm) was observed for this state without employing time compensation. （原論文3より引用。　Reproduced from Nucl. Instr. Meth., vol.147, 353 (1977), L.D.Carlson, R.W.Finlay and D.E.Bainum: High Intrinsic Efficiency, Time-Compensated Scintillation Detecto, Figure 4 (Data source 3, pp.356), Copyright (1977), with permission from Elsevier Science.）コメント　　　　：　中性子の測定では、数多いシンチレーション検出器や測定技術の中から、中性子のエネルギー、測定の目的、バックグラウンド環境等を考慮して、最も適した中性子検出器と測定法を選択する必要がある。原論文１ Data source 1： Scintillation Detectors for Neutron Physics Research J.A.Harvey and N.W.Hill Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee 37830, U.S.A. Nuclear Instruments and Methods, vol.162 (1979) 507-529 原論文２ Data source 2： Improved Predictions of Neutron Detection Efficiency for Hydrocarbon Scintillators from 1 MeV to about 300 MeV R.A.Cecil, B.D.Anderson and R.Madey Department of Physics, Kent State University, Kent, Ohio 44242, U.S.A. Nuclear Instruments and Methods, vol.161 (1979) 439-447 原論文３ Data source 3： High Intrinsic Efficiency, Time-Compensated Scintillation Detector L.D.Carlson, R.W.Finlay and D.E.Bainum John E. Edwards Accelerator Laboratory, Ohio University, Athens, Ohio 45701, U.S.A. Nuclear Instruments and Methods, vol.147 (1977) 353-360 原論文４ Data source 4： Fast-Neutron Spectroscopy with Thick Organic Scintillators W.R.Burrus and V.V.Verbinski Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee 37830, U.S.A. Nuclear Instruments and Methods, vol.67 (1969) 181-196 キーワード：シンチレーション検出器、中性子検出器、検出効率、有機シンチレーター、中性子飛行時間法、中性子スペクトル scintillation detector, neutron detector, detection efficiency, organic scintillator, neutron time-of-flight method, neutron spectrum 分類コード：040103, 040301
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