中性子検出と計数

中性子線源

燃料サイクルの原理で中性子を生成する方法は、以下の通りになります。

1. アルファ粒子誘導反応
   プルトニウムとウラン同位元素は、アルファ粒子の放出によって崩壊します。アルファ粒子は、低原子番号元素（Li、B、Be、O、F、C、Siなど）の原子核によって吸収され、中性子が生成されます。収率は、母材の化学組成と、プルトニウムとウランのアルファ核種の生成率に依存します。（α,n）反応から中性子は、ランダムに生成され（時間相関ではなく）、幅広いエネルギースペクトルを示します。他のα線放出核種 、 例えば²⁴¹Amなども 自発的な 核分裂 に重要な影響を与える可能性があります。
2. 自発核分裂
   プルトニウムの偶数同位元素（²³⁸Pu、²⁴⁰Puおよび ²⁴²Pu）は、それぞれ 1100、471、および 800 SF/グラム秒の速度で自発的に核分裂（SF）します。（α,n）中性子と同様に、SF中性子は幅広いエネルギースペクトルを持っています。SF中性子は、時間相関であり（複数の中性子が同時に生成されます）、核分裂あたりの中性子数は2.16～2.26です。ウラン同位元素と奇数番号付きプルトニウム同位元素は、はるかに低い率で自発的に核分裂します（0.0003～0.006 SF/グラム秒）。使用済み燃料では、CmとCf同位体が重要になります。
3. 誘導核分裂
   ²³⁹Pu、²³⁵U、²³⁸Uでは、外部中性子線源のサンプルの中性子反応によって核分裂が誘発されます。SF中性子と同様に、それらは幅広いエネルギースペクトルを持ち、時間相関します。

中性子検出

中性子には質量がありますが、電荷ありません。このため、検出器でイオン化を直接生成することはできず、それ故に、直接検出することもできません。つまり、中性子検出器は、入射中性子が原子核と相互作用して二次荷電粒子を生成する変換プロセスに依存する必要があります。これらの荷電粒子は、その後、直接検出され、それらから中性子の存在が推定されます。

今日、高効率熱中性子検出に使用される最も一般的な反応は、次のとおりです：

この場合、陽子とトリトン（三重陽子）の両方が、³He充填ガスを使用するガス充填比例計数管によって検出されます。クエンチガスも、イオン化プロセスを制御するために追加されます。

別の一般的な方法では、¹⁰B原子の核分裂を利用して荷電粒子を得るBF₃充填検出器を使用しています。

これらの検出器で使用できる典型的な機器構成を図1.48に示します。

図1.48 中性子計数管エレクトロニクス

ガス充填比例計数管は、接続されたニュークレオニクスチェーンによって処理される電荷パルスを生成するイオン化イベントの低ノイズ増幅を提供します。これらは、優れたガンマ線弁別能で高い検出効率を実現します。また、幅広い応用範囲の検出器を構築するための費用対効果が高く、安定した手段も提供します。

このようなガス比例検出器は、熱中性子（低エネルギー）に対してのみ効率的で、高エネルギー中性子では検出断面積が非常に小さく、中性子が充填ガスと相互作用して必要な検出反応を引き起こす可能性は極めて低くなります。このため、中性子を減速して相互作用の確率を高める必要があります。

これは、通常、検出器やサンプルを、高密度ポリエチレンなどの水素含有物質（減速剤）で囲むことによって行われます。通常、検出器の周囲には10cmのポリエチレンで囲まれており、比例計数管と中性子線源の間には数cmの間隔があります。

典型的な³He中性子検出器の熱中性子相互作用からのパルス高スペクトルは、図1.49に示すようになります。おそらく注意すべき最も重要な点は、一次中性子スペクトルに関する情報がないことです。なぜなら、検出された中性子は熱レベルまでエネルギーが低下するように減速されているため、すべての中性子エネルギー情報が失われるからです。対象事象はすべて、反応エネルギー（765keV）である1つのピークに該当します。ガンマ線干渉や検出器の壁との相互作用によって生じる事象を排除するように弁別器を設定すると、必要なのは単純な総計数だけとなります。

中性子同時計数

中性子検出と計数の一般的な用途の1つは、核分裂性核種のSFシグネチャーによる核分裂性物質の分析です。核分裂性物質が高密度マトリックスまたは核分裂生成物を含むマトリックスに含まれている場合、核分裂生成物からの干渉ガンマ線が核分裂性物質から放出される弱いガンマ線を圧倒する可能性があるため、中性子計数が分析を実施するための唯一の実行可能な方法となります。一般に、中性子とガンマ技術は補完的な技術です。HRGSでは、たとえば、相対同位体情報と中性子分析のバルク非破壊定量化を行うことができます。

図1.49 緩和³He検出器からの熱中性子誘起パルス高スペクトル

残念ながら、ほとんどの分析ニーズでは、検出された中性子すべてを単に計数することはできず、その結果からサンプル中に存在する核分裂性物質の量を決定します。核分裂性物質の放射性崩壊は、アルファ粒子を生成し、サンプルマトリックス内の元素との（α,n）反応を介して中性子を生成します。多くの対象となる物質では、検出される中性子の大半は、核分裂性物質の自発核分裂ではなく、（α,n）反応からのものです。

エネルギー弁別を使用して、さまざまな線源からの中性子を区別することは不可能であるため、従来のスペクトロスコピー技術は使用できません。しかし、（α,n）中性子と、核分裂事象の結果として生成される中性子との間には、特性の時間分布の違いがあり、それが悪用される可能性があります。具体的には、核分裂事象は複数の中性子（通常は2つ、場合によっては3つ）を同時に生成します。一方、（α,n）中性子は個別にランダム生成されます。これにより、同時計数技術を使用して、ランダム（α,n）中性子から迅速な核分裂中性子を区別することができます。

中性子同時計数システムを図1.50に図示します。³He管からの出力は、まず、高速プリアンプ/アンプ/弁別器（PAD）回路によって処理され、中性子同時計数アナライザーの入力に論理的にORされ、処理されます。

同時計数ロジックは、短時間内に互いに発生する中性子計数、つまり核分裂中性子、密集した(α,n)中性子、および「偶然の一致」による計数を識別します。一度中性子が検出されると、同じ核分裂から別の中性子が検出される確率は、次式に従って時間とともにほぼ指数関数的に減少します：P(t) = exp^(–t/td)　
（ここでは、
P(t) = 同時中性子を時間tで検出する確率、
t_d = 減速検出器のダイアウェイ時間）

ダイアウェイ時間は、中性子が³Heチューブに吸収されるか、計数管を脱出する前に生存する特性時間です。中性子ダイアウェイ時間は、通常、計数ジオメトリーに応じて、10～128µsの範囲です。

アイテムからランダム中性子を検出する確率は、時間と共に一定になります。検出された中性子事象が時間相関しているかどうかを判断するために、2つの等時間周期が、検出された各中性子同時計数論理によってサンプリングされます。第1ゲートまたは計数窓は、中性子が検出された後、約1.267t_dの時間期間開かれます。この期間内の他の計数には、トリガー事象、他の核分裂、（α,n）反応からの複数の核分裂中性子によるものです。約4000µsの遅延後、第2ゲートが開き、ランダム中性子事象が計数されます。4000µsの遅延は、計数を引き起こす中性子との時間相関がないことを保証します。2つのタイムゲート計数（Reals+AccidentalsとAccidentals）の差は、正味実数同時計数、または複数の実数です。正味実数計数は、校正定数によってサンプル中の核分裂性物質と関連付けされます。最新型のMIRION中性子分析装置は、シフトレジスター計数に基づいています。シフトレジスターは、パルスシーケンスを保持し、各中性子事象の同時計数データを評価できます。

図1.50 熱ウエル同時計数管の回路図配置

多重度計数

中性子同時計数では、2つの測定値（実数と合計）があります。場合によっては、測定から決定する必要がある3つの（またはそれ以上）未知の変数があります。通常、これらは、²⁴⁰Pu効果（_メフ）、（α,n）対（SF,n）比（α）、乗算係数（MまたはM_L）です。この必要性の例としては、分析対象の物質中の不純物が、典型的な同位体法によるアルファ比率αの推定を妨げる場合があります。これらの場合には、3番目の測定パラメータがないと、サンプルに対して何らかの仮定がされ、大きな測定バイアスまたは不正確さにつながる可能性があります。

多重度計数では、自発核分裂事象（多重度分布）で放出される中性子数の分布から、第3測定パラメーターが抽出されます。3つのパラメータは、シングル、ダブル、トリプルで、シングルとダブルは、それぞれ合計と実数に似ており、トリプルは派生する追加のパラメーターです。3つの測定パラメーターで、3つの未知のパラメーターを計算できます。

特別バージョンのシフトレジスタ中性子同時計数アナライザーは、必要なデータ収集を実行し、ソフトウェアは、記録された多重度事象のヒストグラムを、シングル、ダブル、トリプル事象率に縮小します。これらは、解釈モデルと組み合わせて使用され、未知の変数を_メフ、α、M_Lを抽出します。

多重度計数の主な用途は、物質特性の仮定を必要としないサンプルの測定ですが、多重度計数（および第3のパラメーターの抽出）が利益をもたらす他の状況もあります。M_L～1の低レベル廃棄物では、_メフとαに加えて、検出効率εも抽出できます。これにより、測定のための検出効率の慎重な評価の必要性が低減されます。別の用途には、廃棄物質中の宇宙線誘起核破砕現象によって引き起こされる検出限界や低レベルバイアスを低減させるために起動できる、測定された多重度パラメーターの特殊アルゴリズムでの使用があります。

受動的中性子計数管

²³⁸Pu、²⁴⁰Pu、²⁴²Puの分析に中性子同時計数管が使用されると、これら同位元素の自発核分裂からの中性子が検出され計数されます。核分裂を誘導するために外部中性子線源は必要ないため、この種類の分析システムは、受動的中性子計数管として知られています。

動的中性子計数管

²³⁵U、²³⁸U、²³⁹Puは、受動分析技術を使用できるほど十分な高率で自発核分裂をしません。このため、ウラン分析では、外部中性子線源を使用して、サンプル中の核分裂を誘導します。この技術を使用する分析システムは、動的中性子計数管として知られています。さまざまな種類があります。例：Am Li線源を使用する動的ウェル同時計数管、²⁵²Cfシャフラー、パルス中性子発生器を使用するダイ ダイアウェイ時間差分析技術など。ミリオン社では、これらすべての方法を取り扱っており、特別な用途についてもお引き受けしております。