JP2012512388A - 制動光子のスペクトル及び空間分布の測定方法、及びそれに関する装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、空間における（ｘ、ｙ、ｚ）方向のうち少なくとも１つに沿って制動光子流のスペクトル及ぶ空間分布を測定する方法に関し、該方法は、空間における（ｘ、ｙ、ｚ）方向に動く少なくとも１つの変換ターゲット（５）上に制動光子（ｐｈ）が衝突することによって生じる中性子の測定を含むことを特徴とする。本発明は、Ｘ線、医用画像、トモグラフィなどに利用することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、制動光子（braking photons）のスペクトル及び空間分布（spectral and spatial distribution）の測定方法、及び当該方法に関連する装置に関する。

本発明は、例えば、Ｘ線分野、医用画像、トモグラフィ、不正な物質の非破壊評価、高強度な中性子流の生成などに使用することができる。

電子加速器による中性子の生成は、大流量の中性子を実現できる技術として知られている。電子からの中性子の生成は、加速器からの電子が、制動ターゲット（braking target）として知られ、光子を放出する第１のターゲットに向けられ、それによって出射された光子が次に、変換ターゲット（conversion target）として知られ、中性子を放出する第２のターゲットに向けられる、という光子ビームを介して行われる。

そのような電子加速器を使用する測定技術の範囲内では、放出された光子のスペクトル及び空間分布、及び検出器と電子工学技術の習得（acquisition electronics）とから成るアセンブリの動作に精通していることが要求される。本発明の方法は、この要求を満たす。

本発明は、制動ターゲット上の電子パルスの相互作用の結果生じる制動光子流の少なくとも１軸に沿ったスペクトル及び空間分布の測定方法を提供する。

本発明は、制動ターゲット上の電子パルスの相互作用の結果生じる制動光子流を少なくとも１軸に沿ってスペクトル及び空間分布を測定する装置を提供する。

本発明は、制動ターゲット（breaking target）上の電子パルスの相互作用によって生じる制動光子流（breaking photon flow）の少なくとも１軸に沿ったスペクトル及び空間分布を測定する方法に関連し、該方法は、
前記軸の第１位置上に中心があり、第１エネルギー閾値よりも実質的に大きなエネルギーの光子に高感度である第１変換ターゲット上における制動光子の衝突によって生じる中性子が、２つの連続する電子パルスの間の時間幅に亘って検出されてカウントされた中性子検出及び信号のカウントを一体にする前記軸の前記第１位置における第１の中性子測定と、
前記第１位置で実行される中性子測定に準拠する中性子測定を軸の各々の位置で実行するための、軸の異なる位置への第１変換ターゲットの連続する移動と、
互いに異なり且つ第１エネルギー閾値とは異なるエネルギー閾値に関連付けられる異なる一連の変換ターゲットを用いて、前記第１位置及び前記異なる位置で実行された測定に準拠する一連の中性子測定と、を含むことを特徴とする。

本発明はまた、制動ターゲット上の電子パルスの相互作用によって生じる制動光子流の少なくとも１軸に沿ったスペクトル及び空間分布を測定する装置に関連し、該装置は、
制動光子の作用下で誘起された中性子を生成することが可能であり、互いの異なるエネルギー閾値よりも実質的に大きなエネルギーの光子に対して各々が高感度である少なくとも２つの変換ターゲットと、制動ターゲットに面してその表面に各変換ターゲットが連続して配置されている熱中性子の吸収材に覆われた中性子減速材内に配置され、各変換ターゲットから生成された誘起された中性子を検出してカウントする１つ以上のヘリウム^３Ｈｅ検出器を備える測定ユニットと、を含む中性子変換及び検出アセンブリと、
２つの連続する電子パルスの間の時間幅に亘って中性子の検出及びカウントを制御する手段を備え、中性子変換及び検出アセンブリによって供給された信号を処理する電子処理回路と、
前記軸に沿って中性子変換及び検出アセンブリを移動させる手段と、を具備することを特徴とする装置。

本発明の方法の効果は、電子加速器の正常動作及びドリフトが起こっていないことをオンラインで確認し、チェックすることの実現を提供する。中性子測定は、少なくともその不可欠の要件、言い換えると、その強度、そのエネルギー（即ち、そのパワー）の下、光子ビームの安定性に関する知識を得ることを有利に可能にする。

本発明はまた、誘起された中性子成分の測定を活用して光子成分の特徴を有利な方法で得ることを可能にする（コントラストゲイン（gain in contrast））。

本発明の方法によって得られる光子流の良好な空間特性解析（spatial characterisation）は、中性子の生成を目的とする変換ターゲットを最適化することが可能となる。

さらに、制動光子のビームを活用した特性解析される物質の直接的なインターロゲーション（iterrogation）は非常に興味深いことが知られている。本発明が可能にする制動光子のビームの正常な特性解析は、物質の特性解析のためのより良好な結果を有利に得ることが可能である。これは、特に、性能（performance）を最適化し、測定の継続期間を減少させて、結果として、コストを低減することが可能である。

本発明の方法を実装する装置を示す図面である。 図１に示した本発明の装置に使用される中性子測定ユニットの斜視図である。 本発明の実施のために使用される移動ユニットの一例を示す図面である。 本発明によって得られた制動光子のスペクトル及び空間分布の一例を示す図面である。 制動光子の異なる放射エネルギーに関する、本発明によって測定された信号を異なる正規化数によって形成した比率Ｒを示す。

本発明の他の特性及び利点は、添付の図面を参照して説明される好ましい実施形態により明確にされる。全ての図面において、同一の参照符号は同一の要素を表す。

図１は、本発明の方法を実施する装置を示す。この装置は、制動光子を生成する手段と、生成された制動光子のスペクトル及び空間分布を少なくとも空間の１軸に沿って測定する手段と、と含む。

制動光子を生成する手段は、電子加速器１と、ターゲットホルダ３中に設置された制動ターゲット２と、を含む。電子加速器１は、電子ｅ⁻をパルス状に出射する。パルスの周波数は、例えば、１０Ｈｚ〜３００Ｈｚであり、パルス幅は、例えば、４．５μｓに等しい。電子は、例えば、６ＭｅＶ、９ＭｅＶ、又は１１ＭｅＶに相当するエネルギーを有する。制動ターゲット２、例えば、タングステンターゲットとの干渉において、電子は、制動光子ｐｈを生成する。

光子ビームのスペクトル及び空間分布を測定する手段は、中性子を変換し検出するためのアセンブリ６と、電子処理回路９と、を含む。中性子変換及び検出アセンブリ６は、少なくとも２つの変換ターゲット５と、測定ユニット１０と、を含み、変換ターゲットは測定ユニット１０上に順々に設置される。各変換ターゲットは、光子ｐｈビームの所定のエネルギー閾値を超えて誘起された中性子を生成することが可能であり、ターゲットに関連付けられるエネルギー閾値はターゲットによって異なる。測定ユニット１０は、各変換ターゲット５によって生成された誘起された中性子を測定する。測定ユニット１０は、熱中性子（超低エネルギー中性子）を吸収する吸収材４に覆われた中性子減速材（neutron moderator）７内に配置された１つ以上のヘリウム３^３Ｈｅ検出器８を含む。検出ユニットは、高速な中性子にのみ高感度であるように設計されており、この結果、周囲環境及び中性子への緩和効果によっては僅かな影響しか受けない。

変換ターゲット５は、制動ターゲット２に面する吸収材４の表面に設置される。図２に示すように、変換ターゲット５は、光子ｐｈの検出を最適化するために、吸収材４の表面の中心に配置される。変化ターゲット５の中央部の面４の表面への垂線をｘ軸として定義する。本発明の好ましい実施形態によれば、ヘリウム検出器８は、２つ一組でグループ化されて、１つの前方チャネル及び２つの後方チャネルの３つの測定チャネルを形成する。電子処理回路９は、高速電子回路であり、各測定チャネルｉ（ｉ＝１，２，３）について、ＡＤＳＦタイプ増幅器Ａ_ｉ（ｉ＝１，２，３）（ＡＤＳＦ：Amplificateur Discriminateur Seuil Fenetre）（弁別閾値窓の増幅器（threshold window discriminator amplifier））を有する。

中性子の測定は、電子パルスの間に放射される制動光子から抜け出すことができる時間間隔で実行される。前記時間間隔は、好ましくは、前記中性子検出器及び電子処理回路が有する全ての検出特性（detection properties）を回復するための十分な時間を残すように、選択される。

実際には、制動光子は、電子と制動ターゲット２との相互作用の間に見かけ上瞬時に生成される。制動光子は、したがって、電子と同じ時間分布、即ち、同じパルス幅且つ同じ繰り返し周波数で出射される。したがって、これらの制動光子は、変動する電子パルスの全体幅の間、一般的には、数マイクロ秒から数十マイクロ秒の間存在する。電子パルスの間、中性子検出器は、その後に続いて起こる光子パルスによって検出機能が完全に失われ、結果として動作不能となる。中性子検出器が全ての特性を回復するには、光子パルスの停止の後、数十マイクロ秒しかかからない。したがって、誘起された中性子成分の測定は、光子パルスと光子パルスの間、及び中性子検出器だけでなく電子的処理も検出特性を回復するよう適合された時間範囲内に行われる。このため、電子処理回路９は、前記時間範囲外の中性子の検出及びカウントを抑制するコントロールＣを伝達する手段コントロールＭが適用されており、該コントロール手段Ｍを含む。中性子変換及び検出アセンブリ６の所定の位置では、測定サイクルは、連続する電子パルスと電子パルスの間に測定される一連の中性子検出と信号のカウントを一体にすることによって構成される。

非限定的な例として、測定は９０Ｈｚと同程度の電子パルスの周波数で実行され、５４００回のサイクルで測定が行われ、測定チャネルあたりの捕捉時間（acquisition time）は１０μ秒に等しい。

手段は、中性子変換及び検出アセンブリ６が空間内の少なくとも１つの軸に沿って移動することを可能にする。例えば、まっすぐな方向性を有する３面体によって定義された空間内の３つの垂直方向（ｘ、ｙ、ｚ）のうちの少なくとも１つに沿って移動する。尚、ｘ軸は前に定義している。図３は、例として、中性子変換及び検出アセンブリ６を横座標の中心位置ｙ＝０から−５００ｍｍに位置づけされた第１端部Ａと前記中心位置から＋５００ｍｍに位置づけされた第２端部Ｕとの間をｙ軸に沿って５０ｍｍずつ動かすリモートコントロール移動ユニットＢを示す。

変換ターゲット５は、光子ｐｈビームの所定のエネルギー閾値を超えて、結果的に、電子ｅ⁻の所定のエネルギー閾値を超えて誘起される中性子を生成可能な物質から構成される。したがって、本発明の方法を実行するために、電子の異なるエネルギー閾値に適合する異なるターゲットが順次選択され、その結果として大きなエネルギー範囲に亘り、光子流の分布の決定をすることができる。ターゲット５は、例えば、６ＭｅＶ超の電子エネルギー用のウラン^２３８Ｕターゲット、及び１．６７ＭｅＶ超の電子エネルギー用のベリリウムＢｅターゲットであってもよい。

図４は、本発明の方法により得られたスペクトル及び空間分布の一例を示す。ウラン^２３８Ｕ変換ターゲットを備えるヘリウム^３Ｈｅ検出器は、制動ターゲットの前で制動ターゲット２から実質的に１ｍ離れて、ｙ軸に沿って移動される。ターゲットの移動は、５０ｍｍずつ−５００ｍｍから＋５００ｍｍの測定間で行われる（図３参照）。ターゲットは、半径が実質的に５０ｍｍ、厚さ３ｍｍである円形のウランペレットから構成される。電子エネルギーは実質的に９ＭｅＶである。図４は、ヘリウム検出器によって検出されたカウント数（Number of Counts）をビームの開口角θの関数として示す（角度は、ｘ軸と制動ターゲット2及びターゲット５によって定義される軸との間の角度である）。

図５は、異なる電子エネルギーに関し、本発明の方法によって測定された信号を異なる正規化数によって形成した比率Ｒを測定ターゲットの動きの関数として示す。測定装置の所定の位置における、比率Ｒは、全ての位置において測定された信号の最大信号値で当該所定の位置で測定された信号を割り算した値に等しい。測定ターゲットの移動は、制動ターゲット２から実質的に１ｍ離れて、ｙ軸に沿って行われる。測定ターゲットの移動は、−８０ｍｍから＋８０ｍｍの間の範囲で１０ｍｍずつ行われる。曲線Ｃ１、Ｃ２及びＣ３は、それぞれ、６ＭｅＶ、９ＭｅＶ及び１１ＭｅＶの電子エネルギーに対応する。得られた曲線形状は、全てのエネルギーで極めて一定である。

図４及び図５に示された結果は、測定ターゲット５がウラン^２３８Ｕターゲットである場合に関する。既に前述されているように、そのようなターゲットは、^２３８Ｕ同位体の閾値エネルギーである６ＭｅＶ以上の電子エネルギーの場合に優先的に利用される。エネルギー値６ＭｅＶ未満の場合は、他のターゲット、例えば、ベリリウムＢｅターゲットが使用される。

測定された中性子信号は、光子と変換ターゲットとの相互作用によって生じ、加速器の運転において固有の中性子信号でかき消されてしまう。したがって、加速器の運転時の中性子信号を示すノイズを測定するために、ターゲットが存在しない状態で中性子のカウントを行うことが望ましく、前記ノイズは、その後、有効な信号から差し引かれる。このため、測定ユニット６に接続される電子処理回路は、実行された測定を記憶し、変換ターゲットが存在する状態と存在しない状態とでそれぞれ測定された信号の差を計算する回路を含む。

Claims (7)

1. 制動ターゲット（２）上の電子パルスの相互作用によって生じる制動光子流の少なくとも１軸に沿ったスペクトル及び空間分布を測定する方法であって、
   前記軸の第１位置上に中心があり、第１エネルギー閾値よりも実質的に大きなエネルギーの光子に高感度である第１変換ターゲット（５）上における制動光子（ｐｈ）の衝突によって生じる中性子が、２つの連続する電子パルスの間の時間幅に亘って検出されてカウントされた中性子検出及び信号のカウントを一体にする前記軸の前記第１位置における第１の中性子測定と、
   前記軸の前記第１位置で実行される中性子測定に準拠する中性子測定を前記軸の各々の位置で実行するための、前記軸の異なる位置への前記第１変換ターゲット（５）の連続する移動と、
   互いに異なり且つ前記第１エネルギー閾値とは異なるエネルギー閾値に関連付けられる異なる一連の変換ターゲットを用いて、前記第１位置及び前記異なる位置で実行された測定に準拠する一連の中性子測定と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記第１変換ターゲットは、第１エネルギー閾値を有するベリリウムターゲットであり、
   第２変換ターゲットは、前記第１閾値の値よりも大きな値の第２エネルギー閾値を有するウラン^２３８Ｕターゲットであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 電子と制動ターゲット（２）との相互作用により光子を生成する電子加速器（１）の運転時における固有の中性子信号は、前記変換ターゲットが存在しない状態で、前記時間幅に亘って、前記軸の各位置で測定され、
   電子加速器（１）の運転時における固有の中性子信号の測定値は、前記変換ターゲットが存在する状態で測定された中性子検出及び信号カウントから差し引かれることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記検出及び信号カウントは、ヘリウム３^３Ｈｅ検出ユニットによって測定されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の方法。
5. 制動ターゲット（２）上の電子パルスの相互作用によって生じる制動光子流の少なくとも１軸に沿ったスペクトル及び空間分布を測定する装置であって、
   制動光子の作用下で誘起された中性子を生成することが可能であり、互いの異なるエネルギー閾値よりも実質的に大きなエネルギーの光子に対して各々が高感度である少なくとも２つの変換ターゲット（５）と、前記制動ターゲット（２）に面してその表面に前記各変換ターゲット（５）が連続して配置されている熱中性子の吸収材（４）に覆われた中性子減速材（７）内に配置され、各変換ターゲットから生成された誘起された中性子を検出してカウントする１つ以上のヘリウム^３Ｈｅ検出器（８）を備える測定ユニット（１０）と、を含む中性子変換及び検出アセンブリ（６）と、
   ２つの連続する電子パルスの間の時間幅に亘って中性子の検出及びカウントを制御する手段を備え、前記中性子変換及び検出アセンブリ（６）によって供給された信号を処理する電子処理回路（９）と、
   前記軸に沿って前記中性子変換及び検出アセンブリを移動させる手段（Ｂ）と、
   を具備することを特徴とする装置。
6. 前記軸に沿って前記中性子変換及び検出アセンブリを移動させる前記手段（Ｂ）は、リモートコントロール移動ユニット（Ｂ）から構成されることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 第１の変換ターゲットは、第１のエネルギー閾値を有するベリリウムターゲットであり、
   第２の変換ターゲットは、前記第１の閾値よりも大きな第２のエネルギー閾値を有するウラン^２３８Ｕターゲットであることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の装置。

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