[論文レビュー] Multi-Grid Boron-10 detector for large area applications in neutron scattering science

K.H. Andersen, T. Bigault+13 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2012

Nuclear Physics and Applications参考文献 1被引用数 18

ひとこと要約

本稿では、大面積の中性子散乱応用における3Heベースの中性子検出器の代替として、10B4C被膜を施したアルミニウムブレードとガス充填セルを用いたマルチグリッド型ボロン-10検出器を提案する。この検出器は、0.16 m²の有効面積において、1%未満の均一性を達成し、53%の中性子検出効率を実現しており、5760ボクセルの高解像度3次元イメージングと、最適化されたガス圧およびアノード線リードアウトによるガンマ線の改善された遮断性能を有する。

ABSTRACT

The present supply of 3He can no longer meet the detector demands of the upcoming ESS facility and continued detector upgrades at current neutron sources. Therefore viable alternative technologies are required to support the development of cutting-edge instrumentation for neutron scattering science. In this context, 10B-based detectors are being developed by collaboration between the ESS, ILL, and Linköping University. This paper reports on progress of this technology and the prospects applying it in modern neutron scattering experiments. The detector is made-up of multiple rectangular gas counter tubes coated with B4C, enriched in 10B. An anode wire reads out each tube, thereby giving position of conversion in one of the lateral co-ordinates as well as in depth of the detector. Position resolution in the remaining co-ordinate is obtained by segmenting the cathode tube itself. Boron carbide films have been produced at Linköping University and a detector built at ILL. The characterization study is presented in this paper, including measurement of efficiency, effects of the fill gas species and pressure, coating thickness variation on efficiency and sensitivity to gamma-rays.

研究の動機と目的

• 大面積の中性子検出器のためのスケーラブルで高効率な代替手段を提供し、3Heの世界的な不足を解決すること。
• ヨーロッパスパリューションソース（ESS）のような次世代の中性子散乱施設における大面積中性子検出を可能にすること。
• 固体10B4Cコンバーターとセグメンテッドガスセルを用いて、3He検出器と同等の高い空間分解能と位置感度を達成すること。
• コーティング厚さ勾配の補正を体系的に行うことで、検出器表面全体における効率非均一性を最小限に抑えること。
• バックグラウンド豊富な環境下でも信頼性の高い中性子信号検出を実現するため、ガンマ線遮断性能を最適化すること。

提案手法

• 28枚の薄い10B4C被膜を施したアルミニウムブレード（1.0 μm 厚さ、97% 10B含有率）を、0.5 mm 厚さのAl基板上にDC磁気スパッタリング法で堆積した。
• ブレードは0.4 mm間隔で96本の直交グリッドに配置され、1行あたり15個のガスセルを形成しており、各セルには中央にアノード線が配置され、位置検出が可能である。
• 中性子検出は10B4C膜内での10B(n,α)7Li反応に依存し、生成物がセル内のガスをイオン化することで検出可能な信号を発生させる。
• 位置分解能はアノード線（1次元）およびセグメンテッドカソードグリッド（1次元）により達成され、3次元ボクセル再構成（4×15×96 = 5760ボクセル）が可能である。
• コーティング厚さ勾配（最大11%）は、各フレームにおけるブレードの向きを交互にすることで補正され、均一な効率が確保された。
• CF4およびAr/CO2ガス混合ガスを1 barで使用し、複数のガンマ線源を用いて偏位電圧を変化させた条件でガンマ線応答を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチグリッド型10B4C検出器は、大面積カバーを維持した上で、3He検出器と同等の中性子検出効率を達成できるか？
• RQ2 大面積10B4C膜におけるコーティング厚さ非均一性は、どのように補正することで検出器の均一性を確保できるか？
• RQ3 固体コンバーター型検出器において、中性子対ガンマ線の識別性能を最大化する最適なガスタイプと圧力は何か？
• RQ4 検出器のガンマ線感度が中性子信号の忠実性に与える影響はどの程度であり、運用パラメータの最適化によってこれを軽減できるか？
• RQ5 ブレードの向きを交互にすることで、0.16 m²の有効面積において1%未満の効率均一性を達成できるか？

主な発見

• Al基板および容器の散乱損失を考慮した場合、2.5 Åの中性子に対して53%の中性子検出効率を達成した。
• 基板損失を除いた内在的効率は、97% 10B含有率の1.0 μm 厚さの10B4C膜を28層積層した場合に58%であった。
• ブレード表面におけるコーティング厚さのばらつきは11%であり、上部および下部のブレード位置で最大8%の勾配が観測された。
• 各フレームにおけるブレードの向きを交互にすることで、有効面積全体で効率非均一性が1%未満にまで低減された。
• 最低偏位電圧でのガンマ線検出効率は10−6未満であり、優れたガンマ線遮断性能を示した。
• ブレードの向きを交互にしない非補正フレームでは2%の効率偏差が観測され、補正戦略の有効性が裏付けられた。