[論文レビュー] High Spatial-Resolution Fast Neutron Detectors for Imaging and Spectrometry

I. Mor|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2017

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 9被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、2つの高空間分解能を実現した高速中性子検出器を提案する。1つは、時間ゲート光学読み出しを用いた時間分解統合光中性子（TRION）検出器であり、MHzの繰り返しレートで飛行時間（TOF）を介したエネルギー分解画像化を可能にする。もう1つは、液体シンチレーターを充填した繊維状キャピラリー検出器であり、反跳陽子の軌跡長および光出力に基づき、イベントごとの中性子エネルギー再構築を実現する。両検出器とも、100 μm未満の位置分解能を達成し、パルス中性子源を用いたエネルギー分解画像化および分光測定を実証した。

ABSTRACT

Two detection systems based on optical readout were developed: a. Integrative optical detector A 2nd generation of Time-Resolved Integrative Optical Neutron (TRION) detector was developed. It is based on an integrative optical technique, which permits fast-neutron energy-resolved imaging via time-gated optical readout. This mode of operation allows loss-free operation at very high neutron-flux intensities. The TRION neutron imaging system can be regarded as a stroboscopic photography of neutrons arriving at the detector on a few-ns time scale. As this spectroscopic capability is based on the Time-of-Flight (TOF) technique, it has to be operated in conjunction with a pulsed neutron source, such as an ion accelerator producing 1-2 ns wide beam pulses at MHz repetition rates. TRION is capable of capturing 4 simultaneous TOF frames within a single accelerator pulse and accumulating them over all pulses contained within a finite acquisition time. The detector principle of operation, simulations and experimental results are described. b. Fibrous optical detector A fast neutron imaging detector based on micrometric glass capillaries loaded with high- refractive-index liquid scintillator has been developed. Neutron energy spectrometry is based on event-by-event detection and reconstruction of neutron energy from the measurement of the recoil proton track projection length and the amount of light produced in the track. In addition, the detector can provide fast-neutron imaging with position resolution of tens of microns. The detector principle of operation, simulations and experimental results obtained with a small detector prototype are described. Track-imaging of individual recoil protons from incident neutrons in the range of 2-14 MeV are demonstrated as well as preliminary results of detector spectroscopic capabilities. Keywords: Fast neutron resonance radiography; Time-of-Flight; Fast neutron imaging; Energy-resolved imaging; Neutron spectrometry; Capillary array; Liquid scintillator

研究の動機と目的

• パルス中性子環境下での画像化およびエネルギー分解検出を目的とした高空間分解能高速中性子検出器の開発。
• 高動的範囲および高フラックス下での損失なしの動作を実現する、時間ゲート光学読み出しを用いたエネルギー分解中性子画像化の実現。
• 液体シンチレーターを含むキャピラリーに注入された反跳陽子の軌跡をイベントごとに再構築することで、正確な中性子エネルギー分光測定の達成。
• プロトタイプ検出器において、100 μm未満の位置分解能および分光測定能力の実証。

提案手法

• TRION検出器は、シンチレーション光の時間ゲート光学読み出しを用い、加速器パルス1回あたり複数のTOFフレームを捕捉することで、MHzの繰り返しレートで飛行時間（TOF）を介したエネルギー分解画像化を実現する。
• 2世代目TRIONシステムは、複数パルスにわたる光信号の統合により、高フラックス下でも高動的範囲かつ損失なしの動作を達成する。
• 繊維状検出器は、高速中性子からの反跳陽子を検出するため、高屈折率の液体シンチレーターを充填したマイクロメートルスケールのガラスキャピラリーのアレイを採用する。
• 個々の反跳陽子の投影軌跡長および光出力に基づき、イベントごとの検出を用いて中性子エネルギーを再構築する。
• シミュレーションおよび実験結果により、空間分解能およびエネルギー応答の検出器原理が妥当であると検証された。
• 両システムとも、1～2 nsのビームパルスを発生させるイオン加速器を含むパルス中性子源での運用を想定している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間ゲート光学読み出しは、高動的範囲を備え、MHzの繰り返しレートでエネルギー分解高速中性子画像化を可能にするか？
• RQ2 高速中性子分光測定に用いるキャピラリー型液体シンチレーター検出器の実現可能な空間分解能およびエネルギー分解能はどの程度か？
• RQ3 反跳陽子の軌跡をイベントごとに再構築することで、2～14 MeVの範囲における中性子エネルギーの正確な決定が可能か？
• RQ4 TRION検出器は、加速器パルス1回あたり複数のTOFフレームを信号損失なしに捉えることができるか？
• RQ5 繊維状検出器は、高速中性子画像化において100 μm未満の位置分解能をどの程度達成できるか？

主な発見

• TRION検出器は、1～2 nsの加速器パルス1回に4つの同時TOFフレームを捕捉することに成功し、MHzの繰り返しレートでエネルギー分解画像化を実現した。
• 時間ゲート光学読み出しのおかげで、高中性子フラックス下でも損失なしの動作が実現され、信号の完全性が保たれた。
• 繊維状キャピラリー検出器は、数マイクロメートルオーダーの位置分解能を達成し、高分解能画像化に適した性能を示した。
• 2～14 MeVの中性子からの個々の反跳陽子の軌跡イメージングが実験的に実証され、イベントごとの検出の実現可能性が確認された。
• 予備的な結果では、光出力と軌跡長が入射中性子エネルギーと相関していることが観測され、中性子エネルギー分光測定能力の裏付けとなった。
• シミュレーションおよびプロトタイプ実験により、両検出器システムが高分解能高速中性子画像化およびエネルギー分解検出に実用可能であることが確認された。