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JP2018013378A - 中性子入射方向検出器 - Google Patents

中性子入射方向検出器 Download PDF

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JP2018013378A JP2016142148A JP2016142148A JP2018013378A JP 2018013378 A JP2018013378 A JP 2018013378A JP 2016142148 A JP2016142148 A JP 2016142148A JP 2016142148 A JP2016142148 A JP 2016142148A JP 2018013378 A JP2018013378 A JP 2018013378A
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detector
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Yuichi Ikeda
祐一 池田
福田 健太郎
Kentaro Fukuda
健太郎 福田
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Tokuyama Corp
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Abstract

【課題】 従来の技術では中性子の入射方向を特定するために複数の検出器を配置するが、入射方向を特定する原理上、該検出器を配置する位置が決定あるいは制限されており、配置に対する自由度が無かった。これは検出器を設計する上で外観や形状に対する制限が大きく、特に外観形状の変化に十分な冗長性が求められるウェアラブル型の検出器には採用が困難であった。【解決手段】 複数の中性子検出部を、中性子を減速する作用を有する人体、含水体、ポリエチレン等(以下、減速体という)に装着して用い、該検出部の計数を比較することによって、中性子線源の方向を特定できる。また複数の中性子検出部は減速体に装着する際に互いに重ならなければ該検出部の配置を制限されないことから布等のフレキシブルな素材に取り付けられることで、外観形状の変化に十分な冗長性を持たせることが可能となる。【選択図】 図4

Description

本発明は中性子シンチレーターを用いる中性子検出器に関する。詳しくは中性子線源の方向を特定する中性子検出器に関する。
放射線の入射方向を検出する技術として特許文献1〜3に記載にされる従来技術がある。特許文献1に記載される技術は、特にガンマ線ではあるが放射線の入射方向を検出するため、同じ材質の独立した柱状の複数本のシンチレーターを一本の柱を形成するように束ねて配置している。複数本のシンチレーターが入射する放射線に対して互いに影を形成するように並べて配置することで、各シンチレーターに対して直接入射する放射線と他のシンチレーターの影になって間接的に入射する放射線の割合の組み合わせが放射線の入射方向によって変化するようにされている。
特許文献2に記載される技術は、中性子の入射方向を検出するため4つの無指向性中性子検出器は前後と左右で対象性を持つように密に配置され、前後の該検出器の中性子の計数差と左右の該検出器の中性子の計数差から合成されるベクトルから中性子の入射方向を求めている。
特許文献3に記載される技術は、6つの中性子検出器を規則正しくH型に並べることで、入射する中性子に向いた検出器とその検出器に遮蔽された検出器の各々の計数率の差から角度分解能を得ている。
特開2008−134200号公報 米国特許番号5345084号 米国特許番号5659177号
しかしながら、特許文献1〜3の技術では中性子の入射方向を特定するために複数の検出器を配置するが、入射方向を特定する原理上、該検出器を配置する位置が決定(制限)されており、配置に対する自由度が無かった。これは検出器を設計する上で外観や形状に対する制限が大きい。特に外観形状の変化に十分な冗長性が求められるウェアラブル型の検出器には採用が困難である。
該ウェアラブル型検出器は特にテロリストが所持、あるいは秘匿、隠蔽した核物質を探知する場合に有効性を発揮する。従来の検出器は検出器本体をバックパック等に入れて背負い、核物質を探しながら巡回して使用している。この場合、検出器を所持していることが第3者から見て分かり易く、目立ち易いため、ひいてはテロリストの警戒を招く可能性がある。ウェアラブル型の検出器であれば装着して使用することで外見から検出器を所持していることが第3者に分かり難くすることが出来、ひいてはテロリストを警戒させずに核物質を探索することが可能になる。
本発明は上記のような問題点を解決することを目的になされた。中性子の入射方向を特定でき検出器の配置に制限の少ない中性子検出器を提供する。
本発明者は中性子の入射方向を特定できる検出器について鋭意検討を重ねた。その結果、複数の中性子検出部を、中性子を減速する作用を有する人体、含水体、ポリエチレン等(以下、減速体という)に装着して用い、該検出部の計数を比較することによって、中性子線源の方向を特定できることを見出した。さらに、複数の中性子検出部は減速体に装着する際に互い重ならなければ配置を制限されないことを見出した。
即ち、本発明は、装着して用いる中性子検出器であって、装着時には異なる位置に位置することになる複数の中性子検出部と、該検出部で検出された信号の計数を比較する手段と、該比較結果から中性子線源の方向を特定する手段を具備する装着型中性子検出器である。
また本発明は、中性子検出部がフレキシブルな布状素材上に取り付けられてなる装着型中性子検出器であって、フレキシブルな布状素材は上衣形状をしていることが好ましい。
本発明によると中性子検出器により中性子線源の方向を特定でき、中性子検出部の配置に制限が少ないことから検出器の外観形状の変化に十分な冗長性を持たせることが可能な中性子検出器を提供出来る。
検出部が中性子を検出する様子を表した図である。 2個の検出部の減速体への配置と、減速体と線源の位置関係を表した図である。 3個の検出部の減速体への配置と、減速体と線源の位置関係を表した図である。 4個の検出部の減速体への配置と、減速体と線源の位置関係を表した図である。 3個の検出部を3等分した区域に1個ずつ配置した図である。 3個の検出部を等間隔に配置した図である。 3個の検出部で方位角の強度比を比較したスペクトルである。 4個の検出部で仰俯角の強度比を比較したスペクトルである。 実施例1~3の4個の検出部の減速体への配置を表した図である。 実施例1~3の減速体と線源の位置関係を表した図である。 実施例1で得られた波高分布スペクトルである。 実施例1の線源の方向を特定するため方位角に対する最小二乗法で求めた誤差を表した図である。 図12の方位角0°付近を拡大表示した図である。 実施例2で得られた波高分布スペクトルである。 実施例2の線源の方向を特定するため方位角に対する最小二乗法で求めた誤差を表した図である。 図15の方位角90°付近を拡大表示した図である。 実施例3で得られた波高分布スペクトルである。 実施例3の線源の方向を特定するため方位角に対する最小二乗法で求めた誤差を表した図である。 図18の方位角45°付近を拡大表示した図である。
以下、本発明に係る中性子検出器の実施形態を説明する。ただし、本発明はここで取り挙げた実施形態に限定されるものではなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。
本発明の検出部は、減速されてエネルギーが低下した中性子、所謂熱中性子を検出する。そのため線源から飛来する中性子のうち直接検出部に飛来した中性子は減速する前でエネルギーが低下していないため検出されない。図1に検出部が中性子を検出する様子を示す。
線源から飛来した中性子のうち減速体に入射した中性子は減速体を構成する物質と衝突しエネルギーを衝突相手に与えながら減速する。中性子は減速されながら減速体内部を通過・散乱して、減速体に装着された検出部に到達し検出される。ここで、減速体は、中性子を減速すると同時に遮蔽もする。したがって、検出部に到達するまでに減速体内部を通過する距離が長いほど、中性子の計数は低下する。本発明は、この現象を応用し、複数の中性子検出部を減速体に装着し、該複数の検出部の計数を比較することによって、中性子線源の方向を特定する。
以下、本発明の中性子検出器の作用機序を、図2~4を用いて具体的に説明する。なお、便宜的に水平面上に検出器を設置し、方位角と仰俯角を特定する態様について説明するが、本発明の中性子検出器の使用方法はかかる態様に限定されない。
例えば図2に示すように、減速作用を有する人体の胸部に2個の検出部を装着する。正面の位置(A)に線源がある場合には、線源と2個の検出部の位置が対称的であるため2個の検出部の計数は同じである。一方、側面(C)の位置に線源がある場合には、中性子が検出部aに到達するまでに減速体を通過する距離は、検出部bに到達するまでに減速体を通過する距離に比較して短い。
したがって、検出部aの計数は検出部bの計数に比較して大きくなる。また、斜め前方の位置(B)に線源がある場合にも、検出部aの計数は検出部bの計数に比較して大きくなるが、検出部bの計数に対する検出部aの計数の比(a/b)は、Cの位置の場合に比較して小さくなる。したがって、予め各方位角に線源がある場合の検出部aの計数と検出部bの計数の比較結果を求めておき、実際の計測の際に得られた比較結果と照合することによって、線源の方向を特定することができる。
なお、図2に示した態様では、斜め前方の位置(B)に線源がある場合と斜め後方の位置(B’)に線源がある場合とでは検出部aの計数と検出部bの計数の比較結果が類似するため、線源の方向を特定することが困難となる。したがって、図3に示すように検出部を3個以上用いることが好ましい。
図3に示す態様では、胸部に加えて背部に検出部cを装着している。斜め前方の位置(B)に線源がある場合に中性子が検出部cに到達するまでに減速体を通過する距離は、斜め後方の位置(B’)に線源がある場合と比較して長い。したがって、検出部aおよびbの計数に対する検出部cの計数の比(それぞれc/aおよびc/b)は、線源の位置が斜め前方の位置(B)にある場合に、斜め後方の位置(B’)にある場合と比較して小さくなる。
したがって、予め各方位角に線源がある場合の検出部a,b及びcの計数の相互の比較結果を求めておき、実際の計測の際に得られた比較結果と照合することによって、線源の方向を特定することができる。よって、中性子検出部が3個以上あれば中性子の入射方向の方位角を360°の方向で特定することができる。
さらに図4に示す態様では、胸部に2個の検出部を地上から同じ高さで装着し、背部に2個の検出部を地上から異なる高さで装着している。これによって中性子線源の方位角を特定したのと同様の原理で仰俯角を特定することが出来る。水平の位置(E)に線源がある場合には、線源と検出部fと検出部gの位置が対称的であるため2個の検出部の計数は同じである。
一方、頭上(G)の位置に線源がある場合には、中性子が検出部fに到達するまでに減速体を通過する距離は、検出部gに到達するまでに減速体を通過する距離に比較して短い。したがって、検出部fの計数は検出部gの計数に比較して大きくなる。
また、斜め上方の位置(F)に線源がある場合にも、検出部fの計数は検出部gの計数に比較して大きくなるが、検出部gの計数に対する検出部fの計数の比(f/g)は、Gの位置の場合に比較して小さくなる。したがって、予め各仰俯角に線源がある場合の検出部fの計数と検出部gの計数の比較結果を求めておき、実際の計測の際に得られた比較結果と照合することによって、線源の仰俯角を特定することができる。
なお、斜め上方の位置(F)に線源がある場合と斜め上方の位置(F’)に線源がある場合とでは検出部fの計数と検出部gの計数の比較結果が類似するため、該比較結果から線源の方向を特定することが困難となるが、該比較結果に加えて検出部dならびに検出部eとの比較結果を組み合わせることで特定できる。即ち、斜め上方の位置(F)に線源がある場合に中性子が検出部dならびに検出部eに到達するまでに減速体を通過する距離は、斜め上方の位置(F’)に線源がある場合と比較して短い。
したがって、検出部fならびに検出部gの計数に対する検出部dならびに検出部eの計数の比は、線源の位置が斜め上方の位置(F)にある場合、斜め上方の位置(F’)にある場合と比較して大きい。したがって、予め各方向に線源がある場合の検出部d、e、f及びgの計数の相互の比較結果を求めておき、実際の計測の際に得られた比較結果と照合することによって、線源の方向を特定することができる。よって、中性子検出部が4個以上あれば、方位角に加えて仰俯角を特定することができ、全球型の検出器とすることができる。
本発明による中性子検出器の中性子検出部には無機蛍光体と樹脂とを含有する樹脂組成物からなる中性子シンチレーターや、LiF/ZnS:Ag,Liガラス(サンゴバン社製、GS−20等)、Ce:CsLiYCl等の中性子シンチレーターを用いたシンチレーション検出器、He−3比例計数管、BF比例計数管、ホウ素コート比例計数管等の比例計数管等を特に制限なく用いることができる。
シンチレーション検出器とは、シンチレーターと光検出器を接続したもので、入射した中性子の数に応じてシンチレーターが蛍光を発し、蛍光を検知した光検出器が光を電子に変換し増幅する。そしてパルス状の信号として出力し、該パルス状信号の強度(波高値)によって中性子の数を計測している。
比例計数管とは、ガス中での電子のなだれ増殖を利用した検出器である。円筒形の容器の中に不活性ガスをつめ、中に張った芯線に高電圧をかけることで計数管として動作させる。中性子の入射によってガスが電離され、中性子のエネルギーに比例した数の一次電子雲が作られる。電子は電場に引かれ芯線に向かって加速と電離を繰り返しながら増幅する。電子は芯線に到達すると電気パルスを発生し、該電気パルスの強度(波高値)と頻度によって中性子の数を計測している。
中でも前記樹脂組成物からなる中性子シンチレーターを中性子検出部に用いることによって、特に形状自由度の高い中性子検出器を得ることができるため好ましい。該中性子シンチレーターは例えば特開WO2014/092202に開示されており、リチウム6及びホウ素10から選ばれる少なくとも1種の中性子捕獲同位体を含む無機蛍光体と樹脂とを含有する樹脂組成物からなる中性子シンチレーターである。樹脂組成物からなるため柔軟性があり外力による変形が容易であるため減速体の形状に合わせて中性子検出部を装着することができる。
中性子検出器の中性子検出部は減速体に装着して用いる。減速体は中性子を減速する作用を有していれば構成成分に制限はない。また、減速体の形状に制限はなく、柱状、球状、錐体状、や凹凸のある形状でも使用できる。なお、線源の方向を特定する精度を高めるため、計測対象とする各方向に線源を置いた場合に、全ての検出部で中性子を計数可能なように減速体の形状を調整することが好ましい。
中性子検出部は互いに重ならなければ配置は制限されないが、減速体を中心とする360°方向を、検出部の数で等角度分割した区域を設定し、各区域に1個ずつ中性子検出部を配置することが好ましい。即ち、例えば図5に示すように中性子検出部の数が3個の場合であれば、減速体を中心とする360°方向を、3個の区域に等角度分割(120°毎)し、各区域に1個ずつ中性子検出部を配置すれば良い。このように配置することで全方位に偏りなく検出感度を持たせることが出来る。より好ましくは図6に示すように減速体を中心として中性子検出部を等角度間隔に配置することで、全方位に特に偏りなく検出感度を持たせることが出来る。
本発明において、中性子検出器を装着するとは中性子検出部を減速体の表面近傍に保持することをいう。中性子検出部と減速体表面の距離は特に制限されないが、中性子の入射方向を精度良く特定するため、中性子検出部と減速体表面の距離を短くすることが好ましい。当該中性子検出部と減速体表面の距離は、一般には0〜20cmの範囲内であり、好ましくは0〜10cm、より好ましくは0〜5cmである。
計数を比較する手段は特に制限されず、個々の検出部について従来公知の計数法を採用し、個々の検出部の計数を求めてお互いに比較すれば良い。具体的な計数法として、前記シンチレーション検出器或いは比例計数管等の検出部から出力される出力信号を、増幅器等を介して増幅した後、所定の閾値を設けたコンパレータ等に入力して該閾値を超える信号の頻度を計数する方法が好適に採用される。また、各検出部に前記計数法を行う機器をそれぞれ接続し、各検出部の計数を得て、該計数をお互いに比較する手段が好適に採用される。
以下、計数の比較結果から中性子線源の方向を特定する手段について具体的に説明するが、以下に説明する手段に限定されない。
例えば図3の態様において、各方向に中性子線源を置いた場合に得られる各検出部の計数の比較結果を図7に示す。該比較結果と実際の計測の際に得られた比較結果とを照合することによって、線源の方向を特定することができる。
照合を簡便にするため、予め各方向に中性子線源を置いた場合に得られる各検出部の計数を応答関数で近似して表すことが好ましい。前記図7で得られた各検出部の計数は、例えば下記式(1)の応答関数で近似して表すことができる。
=a・sin(θ+αi)+b (1)
(ただし、Nはi番目の検出部の計数、θは線源の方位角を表し、αiはi番目の検出部の装着位置に基づく定数であり、aおよびbは定数である。)
前記式(1)から得られる各θにおける計算値(N)と、実際の計測で得られたi番目の検出部の計数の実測値(N’)を照合し、最小二乗法によって最も誤差が小さくなるθを求め、線源の方向として特定することができる。
なお、前記応答関数は、用いる検出部の種類や減速体の形状等によって異なるため、所望の態様に応じて適宜求めることが好ましい。応答関数としては、前記三角関数の他、例えば下記の多項式を好適に用いることができる。
=a・(θ+αi)+an−1・(θ+αi)n−1+・・・+a・(θ+αi)+a
(ただし、Nはi番目の検出部の計数、θは線源の方位角を表し、αiはi番目の検出部の装着位置に基づく定数であり、a~aは定数である。)
次に計数の比較結果から中性子線源の仰俯角を特定する手段について具体的に説明するが、以下に説明する手段に限定されない。
例えば図4の態様において、各仰俯角に中性子線源を置いた場合に得られる各検出部の計数の比較結果を図8に示す。該比較結果と実際の計測の際に得られた比較結果とを照合することによって、線源の仰俯角を特定することができる。
照合を簡便にするため、予め各方向に中性子線源を置いた場合に得られる各検出部の計数を応答関数で近似して表すことが好ましい。前記図7で得られた各検出部の計数は、例えば下記式(1)の応答関数で近似して表すことができる。
=a・sin(θ+αi)+b (1)
(ただし、Nはi番目の検出部の計数、θは線源の方位角を表し、αiはi番目の検出部の装着位置に基づく定数であり、aおよびbは定数である。)
前記式(1)から得られる各θにおける計算値(N)と、実際の計測で得られたi番目の検出部の計数の実測値(N’)を照合し、最小二乗法によって最も誤差が小さくなるθを求め、線源の方向として特定することができる。
なお、前記応答関数は、用いる検出部の種類や減速体の形状等によって異なるため、所望の態様に応じて適宜求めることが好ましい。応答関数としては、前記三角関数の他、例えば下記の多項式を好適に用いることができる。
=a・(θ+αi)+an−1・(θ+αi)n−1+・・・+a・(θ+αi)+a
(ただし、Nはi番目の検出部の計数、θは線源の方位角を表し、αiはi番目の検出部の装着位置に基づく定数であり、a~aは定数である。)
次に計数の比較結果から中性子線源の仰俯角を特定する手段について具体的に説明するが、以下に説明する手段に限定されない。
例えば図4の態様において、各仰俯角に中性子線源を置いた場合に得られる各検出部の計数の比較結果を図8に示す。該比較結果と実際の計測の際に得られた比較結果とを照合することによって、線源の仰俯角を特定することができる。
照合を簡便にするため、予め各仰俯角に中性子線源を置いた場合に得られる各検出部の計数を応答関数で近似して表すことが好ましい。前記図8で得られた各検出部の計数は、例えば下式の応答関数で近似して表すことができる。
=a・cos(θ+αi)+b
(ただし、Nはi番目の検出部の計数、θは線源の仰俯角を表し、αiはi番目の検出部の装着位置に基づく定数であり、aおよびbは定数である。)
前記式から得られる各θにおける計算値(N)と、実際の計測で得られたi番目の検出部の計数の実測値(N’)を照合し、最小二乗法によって最も誤差が小さくなるθを求め、線源の仰俯角として特定することができる。
なお、前記応答関数は、用いる検出部の種類や減速体の形状等によって異なるため、所望の態様に応じて適宜求めることが好ましい。応答関数としては、前記三角関数の他、例えば下記の多項式を好適に用いることができる。
=a・(θ+αi)+an−1・(θ+αi)n−1+・・・+a・(θ+αi)+a
(ただし、Niはi番目の検出部の計数、θは線源の仰俯角を表し、αiはi番目の検出部の装着位置に基づく定数であり、a~aは定数である。)
本発明の装着型中性子検出器の形状は、装着対象の形状に従って適宜設定すればよいが、装着を簡便に行うため、或いは中性子検出部の柔軟性及び可撓性を維持しながら機械的な強度を高めるため、中性子検出部が布等のフレキシブルな素材に取り付けられていることが好ましい。また、人体に装着する際の操作性を鑑みて、該布がシャツやベスト等の上衣の形状を有していることが特に好ましい。
なお、中性子検出部の取り付け位置は上述した通りであるが、その他の装置の取り付け位置は特に限定されない。例えば特定された中性子線源の位置を装着者が直接確認できるよう、表示機器を具備することが好ましく、また、操作性を鑑みて手の平に収まる程度の大きさの無線の表示機器を具備することが特に好ましい。
上述した本発明の中性子入射方向検出器の実施例について説明する。 減速体として高密度ポリエチレンを用意した。中性子シンチレーターには前記樹脂組成物からなる中性子シンチレーターを使用し、光検出器と接続して中性子検出部とした。中性子検出部を4個用意し、減速体に装着した。
なお、減速体を中心とする360°方向を、4個の区域に等角度分割(90°毎)し、各区域に1個ずつ中性子検出部を配置した。具体的には図9のように、検出部aと検出部b、検出部cと検出部dの間の角が120°となるように、検出部aと検出部d、検出部bと検出部cの間の角が60°となるように装着した。ここで減速体を検出部aと検出部bを同時に見る側を基準の0°とし、検出部aと検出部dを同時に見る側を90°、またその間を二等分する位置を45°とした。
中性子線源を図10のように減速体からみて0°の方向となる線源位置(A)に配置し中性子を検出したところ、各中性子検出部から図11のような波高分布スペクトルを得た。得られた各スペクトルから閾値を超えた信号の頻度を計数し、各中性子検出部の計数を比較した。
該比較結果と予め各方位角に線源がある場合の各検出部の計数の比較結果とを照合し線源の方向を求めた。なお、本実施例では、予め各方位角に線源がある場合の各検出部の計数を、前記式(1)の応答関数で表し、該応答関数から得られる各θにおける計算値(N)と、実際の計測で得られたi番目の検出部の計数の実測値(N’)を照合し、最小二乗法によって最も誤差が小さくなるθを求めた。
即ち、方位角1°毎に計算値と実測値の残差平方和{Σ(N−N’}を求め、該残差平方和が最小となる方位角を線源の方向とした。各方位角における残差平方和を図12、図13に示す。この結果より、方位角0°と特定することができた。
実施例1と同様のセッティングを行い、中性子線源の位置を図10のように減速体からみて90°の方向となる線源位置(C)に配置し中性子を検出した。各中性子検出部から図14のような波高分布スペクトルを得た。得られた各スペクトルから閾値を超えた信号の頻度を計数し、各中性子検出部の計数を比較した。
実施例1と同様にして、該比較結果と予め各方位角に線源がある場合の各検出部の計数の比較結果とを照合し線源の方向を求めたところ、図15、図16で示すように方位角87°と特定することができた。
実施例1と同様のセッティングを行い、中性子線源の位置を図10のように減速体からみて45°の方向となる線源位置(B)に配置し中性子を検出した。各中性子検出部から図17のような波高分布スペクトルを得た。得られた各スペクトルから閾値を超えた信号の頻度を計数し、各中性子検出部の計数を比較した。
実施例1と同様にして、該比較結果と予め各方位角に線源がある場合の各検出部の計数の比較結果とを照合し線源の方向を求めたところ、図18、図19で示すように方位角43°と特定することができた。

Claims (3)

  1. 装着して用いる中性子検出器であって、装着時には異なる位置に位置することになる複数の中性子検出部と、該検出部で検出された信号の計数を比較する手段と、該比較結果から中性子線源の方向を特定する手段を具備する装着型中性子検出器。
  2. 中性子検出部がフレキシブルな布状素材上に取り付けられてなる請求項1記載の装着型中性子検出器。
  3. フレキシブルな布状素材が、上衣形状をしている請求項2記載の装着型中性子検出器。
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