JP7788951B2 - Neutron and gamma ray collimators, radiography equipment - Google Patents
Neutron and gamma ray collimators, radiography equipmentInfo
- Publication number
- JP7788951B2 JP7788951B2 JP2022099731A JP2022099731A JP7788951B2 JP 7788951 B2 JP7788951 B2 JP 7788951B2 JP 2022099731 A JP2022099731 A JP 2022099731A JP 2022099731 A JP2022099731 A JP 2022099731A JP 7788951 B2 JP7788951 B2 JP 7788951B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- neutron
- gamma ray
- diaphragm
- gamma
- collimator
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21K—HANDLING OF PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
- G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
- G21K1/02—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diaphragms, collimators
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Measurement Of Radiation (AREA)
Description
本発明の実施形態は、中性子及びガンマ線コリメータ、ラジオグラフィ装置に関する。 Embodiments of the present invention relate to neutron and gamma ray collimators and radiography devices.
従来から、原子炉あるいは加速器、ラジオアイソトープ線源から発生する放射線で、特に中性子やγ線、X線、あるいはこれらの放射線が物質と反応して反射や散乱する二次的な放射線を遮蔽して線束をコリメートするコリメータが使用されている。 Collimators have traditionally been used to shield radiation generated by nuclear reactors, accelerators, and radioisotope sources, particularly neutrons, gamma rays, and X-rays, as well as secondary radiation that is reflected or scattered when these rays react with matter, thereby collimating the beam of radiation.
放射線は、X線、γ線、中性子線などビーム状に取り出して工業分野や医療分野で利用されている。この放射線源は、自発的に発生する線源や原子炉のように核反応によって発生する中性子やγ線、X線(以下、発生のメカニズムによるX線とγ線の違いはあるが、線質として共通するため代表してγ線として記す)は等方に360度球体として放出される。 Radiation, such as X-rays, gamma rays, and neutron rays, is extracted in the form of beams and used in industrial and medical fields. These radiation sources include spontaneously generated radiation sources, and neutrons, gamma rays, and X-rays generated by nuclear reactions such as those in nuclear reactors (below, X-rays and gamma rays differ in terms of their generation mechanism, but since they share the same radiation quality, they will be referred to as gamma rays). These are emitted isotropically in a 360-degree sphere.
照射場所にビーム状として用いるためには、発生した放射線を切り出して減速材や反射材、ダイヤフラム、導管(飛行管)などを経て導く必要がある。RI(ラジオアイソトープ)線源や原子炉で、特に線源ボリュウームの大きい場合には、ダイヤフラムが、光に対するカメラの絞りと同様に放射線を切り出す絞りとして用いられる。 In order to use the generated radiation as a beam at the irradiation site, it is necessary to extract the radiation and guide it through a moderator, reflector, diaphragm, and conduit (flight tube). In the case of RI (radioisotope) sources and nuclear reactors, particularly when the source volume is large, a diaphragm is used as an aperture to extract the radiation, similar to the aperture of a camera for light.
線源周りからの散乱線の回り込みや、ダイヤフラムで切り出した放射線が反射して照射場所に到達するのを防ぐために飛行管(主に線源からの散乱や反射の放射線成分を照射場所で防ぐことを目的としたもの)を設置する場合がある。これらダイヤフラムも飛行管も基本的な材料として放射線を遮蔽する性能が重要となる。これらダイヤフラムと飛行管をまとめてコリメータと称する。 In order to prevent scattered radiation from around the radiation source or radiation cut off by the diaphragm from being reflected and reaching the irradiation site, a flight tube (mainly intended to prevent scattered and reflected radiation components from the radiation source from reaching the irradiation site) may be installed. Both the diaphragm and flight tube are made of basic materials, and their ability to block radiation is important. These diaphragms and flight tubes are collectively referred to as a collimator.
ダイヤフラムの開口径:Dとダイヤフラムからビームが照射される場所までの飛行管の距離:Lの関係からL/Dの値が、線束のコリメータの性能指標として用いられている。このL/Dの値が大きいほどコリメータの性能が高く、ラジオグラフィとしてイメージング用に用いる場合には画質の解像度に大きく影響する。L/Dの値が大きいほど解像度が良くなるが、同じ距離Lの場合にはDの値が小さくなる(絞られる)ため、ダイヤフラムを透過する放射線の量が少なくなり、同じ感度の撮像システムでは照射時間や撮影時間が長くなる。 The L/D value, which is the relationship between the diaphragm opening diameter (D) and the flight tube distance (L) from the diaphragm to the point where the beam is irradiated, is used as a performance indicator of the beam collimator. The larger the L/D value, the higher the performance of the collimator, and when used for radiography imaging, it has a significant impact on the image resolution. The larger the L/D value, the better the resolution, but for the same distance L, the smaller the D value (the more narrowed), so the amount of radiation that passes through the diaphragm decreases, and for an imaging system with the same sensitivity, the exposure time and imaging time will be longer.
ダイヤフラムと飛行管の材質は、放射線を遮蔽するものでなければならないが、放射線の種類やエネルギーによって材質や形状を最適化する必要がある。例えば可視光のカメラの場合、ダイヤフラムに相当する絞りは、薄く遮光できる材質となっている。当然、材質が透明であると絞りとしての役目をなさない。半透明や多少でも光を通す材質でも同様に絞りとしての機能を満たさない。また、光に対して遮光できていても絞り部分の厚さが厚い場合には、絞りの内壁部分で光が反射・散乱するため、絞りの性能が悪くなってしまう。従って、絞りとしては、薄くて遮光性能の高い材質が適している。ダイヤフラムの場合も同様である。これら中性子イメージング用ビームの生成については、非特許文献1に詳しく記載されている。 The materials used for the diaphragm and flight tube must be able to block radiation, but the material and shape must be optimized depending on the type and energy of the radiation. For example, in the case of a visible light camera, the aperture, which corresponds to the diaphragm, is made of a thin, light-blocking material. Naturally, a transparent material will not function as an aperture. Materials that are translucent or allow even a small amount of light to pass through will also not function as an aperture. Furthermore, even if the aperture is able to block light, if the thickness of the aperture is thick, the light will be reflected and scattered by the inner walls of the aperture, reducing the aperture's performance. Therefore, a thin material with high light-blocking properties is suitable for the aperture. The same is true for the diaphragm. The generation of these beams for neutron imaging is described in detail in Non-Patent Document 1.
γ線の場合、光と同じような性質を示すが、絞りの材質は、原子番号Zの4乗に比例して透過量が変わり、密度が低いと透過しやすくなる。従って、鉛(Pb、Z=82、密度=11.34g/cm3)やタングステン(W、Z=74、密度=19.25g/cm3)のように原子番号Zが大きく密度(比重)の大きい材質が適している。但し、これら鉛やタングステンは、中性子に対して遮蔽材とならないため、光に対する透明な材質と同様になってしまう。 Gamma rays exhibit similar properties to light, but the amount of transmission of the aperture material varies in proportion to the fourth power of the atomic number Z, with lower density resulting in easier transmission. Therefore, materials with high atomic number Z and high density (specific gravity), such as lead (Pb, Z = 82, density = 11.34 g/cm 3 ) and tungsten (W, Z = 74, density = 19.25 g/cm 3 ), are suitable. However, lead and tungsten do not act as shielding materials for neutrons, and are therefore similar to transparent materials for light.
中性子の場合には、エネルギーに依存するが、熱中性子領域の0.025eVでは、ガドリニウム(Gd、Z=64、密度=7.90g/cm3)が天然元素の中で一番遮蔽効果が高い(反応断面積が大きい)。Gdは、原子番号Zが鉛よりも小さいが、他の中性子遮蔽効果の高いホウ素(B、Z=5、密度=2.08g/cm3)やリチウム(Li、Z=3、密度=0.534g/cm3)と比べて原子番号Zが大きく、密度も高いため、ホウ素やリチウムよりもγ線の遮蔽効果は高くなる。従って、熱中性子とγ線を同時に遮蔽する材料としては、ホウ素やリチウム、鉛やタングステンと比べてガドリニウムは優れている。 In the case of neutrons, although it depends on the energy, in the thermal neutron region of 0.025 eV, gadolinium (Gd, Z = 64, density = 7.90 g/cm 3 ) has the highest shielding effect (largest reaction cross section) among natural elements. Although Gd has a smaller atomic number Z than lead, it has a larger atomic number Z and a higher density than other elements with high neutron shielding effects, such as boron (B, Z = 5, density = 2.08 g/cm 3 ) and lithium (Li, Z = 3, density = 0.534 g/cm 3 ), and therefore has a higher gamma-ray shielding effect than boron or lithium. Therefore, gadolinium is superior to boron, lithium, lead, and tungsten as a material that can simultaneously shield thermal neutrons and gamma rays.
ガドリニウムは、天然にGd-152,154,155,156,157,158,160の同位体が存在し、熱中性子とは天然存在割合24.84%のGd-158が反応し、γ線を放出する(n,γ)反応を起こす。この反応により内部転換電子と生成されるGd-159(半減期18.479時間)からのβ線(主に970.6keV:放出割合62%、912.6keV:26%、607.09keV:12%、622.42keV:0.31%)とγ線(主に363.55keV:11.4%、58keV:2.15%、348.16keV:0.234%、226.01keV:0.215%)が放出される。 Gadolinium naturally exists as the isotopes Gd-152, 154, 155, 156, 157, 158, and 160. Gd-158, which has a natural abundance of 24.84%, reacts with thermal neutrons in an (n,γ) reaction, emitting gamma rays. This reaction produces internal conversion electrons and the resulting Gd-159 (half-life 18.479 hours), which emits beta rays (mainly 970.6 keV: 62% emission rate, 912.6 keV: 26%, 607.09 keV: 12%, 622.42 keV: 0.31%) and gamma rays (mainly 363.55 keV: 11.4%, 58 keV: 2.15%, 348.16 keV: 0.234%, 226.01 keV: 0.215%).
ガドリニウムを中性子ラジオグラフィで撮像系として用いる場合には、ガドリニウムをコンバータとしてフィルムなどと密着させて、中性子照射中に発生する内部転換電子で撮像している。撮像時間がリアルタイムや短時間撮影では、撮像時間に比べて半減期の長いGd-159からのβ線やγ線の生成量は少なく影響は少ない。しかし、ダイヤフラムや飛行管のコリメータとして使用する場合には、長時間の照射で生成核種Gd-159の影響を受ける。 When gadolinium is used as an imaging system in neutron radiography, it is attached to a film or other material as a converter, and images are taken using the internal conversion electrons generated during neutron irradiation. When imaging is done in real time or for short periods of time, the amount of beta and gamma rays produced by Gd-159, which has a long half-life compared to the imaging time, is small, so there is little impact. However, when used as a diaphragm or flight tube collimator, there is an impact from the nuclide Gd-159 produced during long-term irradiation.
中性子及びガンマ線コリメータの利用としては、ホウ素中性子捕捉療法(BNCT:Boron Neutron Capture Therapy)が医療分野で用いられている。近年、BNCTの中性子源は、原子炉から加速器を用いる方法が開発され、発生する高速中性子を熱外領域まで減速して用いられている。 Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) is a medical application of neutrons and gamma-ray collimators. In recent years, a method has been developed for using an accelerator instead of a nuclear reactor as a neutron source for BNCT, and the high-speed neutrons generated are slowed down to the epithermal region for use.
BNCTは、ホウ素化合物を患者に投与して、がん細胞に集積したところに中性子を照射し、ホウ素の同位体B-10が中性子と反応してα線を放出する(n,α)反応によるα線でがん細胞を死滅させる方法である。組織の深部に到達できる程度の高いエネルギーが必要で治療に用いられる中性子線は、熱外中性子領域のエネルギー強度が高く、高速中性子領域、熱中性子領域のエネルギー強度が低いことが要求されている。照射の治療を短時間で効率良く効果的に行う観点と正常細胞の損傷を避ける観点や被曝の低減の観点から患者の患部に適切に照射できるよう遮蔽材やコリメータの工夫がなされている(特許文献1参照。)。 BNCT is a method in which a boron compound is administered to a patient, and neutrons are irradiated onto the cancer cells where the compound has accumulated. The boron isotope B-10 reacts with the neutrons to emit alpha rays, resulting in the (n, α) reaction that kills the cancer cells. The neutron beams used in treatment require high enough energy to penetrate deep into tissue, and are required to have high energy intensity in the epithermal neutron region and low energy intensity in the fast neutron and thermal neutron regions. Shielding materials and collimators have been devised to ensure that the patient's affected area is appropriately irradiated, from the perspectives of efficiently and effectively performing radiation treatment in a short time, avoiding damage to healthy cells, and reducing radiation exposure (see Patent Document 1).
このコリメータの特徴は、ラジオグラフィ用のコリメータの考え方と異なる。コリメータの基本となる放射線を遮蔽する隔壁に貫通孔を設けている点は同じであるが、ラジオグラフィのように散乱線をできるだけ除去するのと異なり、貫通孔を通過する中性子を集束させて照射視野を整形する構造になっている。特に熱外中性子をできるだけ取り出して照射することを目的としている。従って、コリメータの設計は利用する中性子のエネルギーによって最適化が必要となる。 The characteristics of this collimator differ from the concept of collimators used in radiography. The basic principle of the collimator is the same: a through-hole is provided in the partition that blocks radiation. However, unlike radiography, which aims to remove as much scattered radiation as possible, this collimator is designed to focus neutrons that pass through the through-hole and shape the irradiation field. In particular, the aim is to extract as many epithermal neutrons as possible for irradiation. Therefore, the design of the collimator needs to be optimized depending on the energy of the neutrons being used.
BNCT用の中性子減速照射装置及び延長コリメータの材料には、減速材にフッ化マグネシウム、反射材に鉛、黒鉛、鉄、ベリリウム、ビスマス、ニッケル等、吸収材にホウ素-ポリエチレン、フッ化リチウム-ポリエチレン、炭化ホウ素等、コリメータに反射材と同じ材料が用いられている。但し、このコリメータも熱外中性子のエネルギーはできるだけ取り出すように考えられているが、熱中性子領域のエネルギーやγ線についてはできるだけ遮蔽されることが望まれている。 The materials used for the neutron moderation irradiation device and extended collimator used in BNCT are magnesium fluoride for the moderator, lead, graphite, iron, beryllium, bismuth, nickel, etc. for the reflector, boron-polyethylene, lithium fluoride-polyethylene, boron carbide, etc. for the absorber, and the same materials as the reflector are used for the collimator. However, while this collimator is designed to extract as much epithermal neutron energy as possible, it is desirable to shield as much as possible from thermal neutron energy and gamma rays.
中性子及びガンマ線コリメータの基本は、照射したい視野以外の場所は放射線を遮蔽する構造であること、照射する中性子やγ線のエネルギーに応じてそれ以外のエネルギー成分をできるだけ少なくするように遮蔽できていることである。 The basic features of neutron and gamma ray collimators are that they are designed to shield radiation from areas other than the field of view that is to be irradiated, and that they are able to shield other energy components as little as possible depending on the energy of the irradiating neutrons or gamma rays.
コリメータの使用目的によってはその構造は大きく変わる。ラジオグラフィのようにイメージング用ではカメラの絞りと散乱線が入らないようなフードや筒の構造となり、BNCT用では、レンズにより集光させるように散乱線も含めて中性子を集束させる構造となる。 The structure of a collimator varies greatly depending on its intended use. For imaging applications such as radiography, it has a hood or cylindrical structure that blocks the camera aperture and scattered radiation, while for BNCT, it has a structure that focuses neutrons, including scattered radiation, in the same way that a lens focuses light.
共に照射視野で使用したい中性子エネルギーやγ線エネルギー以外(BNCT用では照射視野でのγ線も極力遮蔽する)を遮蔽するコリメータ構造になっていることである。また、できるだけ材料を複雑に組み合わせずに薄くあるいは小さくコンパクトに遮蔽できる構造であることが求められる。 Both have a collimator structure that shields all energy other than the neutron and gamma ray energy desired in the irradiation field (for BNCT, gamma rays in the irradiation field are also shielded as much as possible). Furthermore, the structure is required to be thin, small, and compact, allowing for shielding without using complex combinations of materials.
しかしながら、中性子源を扱う場合、中性子のエネルギーによってコリメータ材質と反応してγ線やβ線など種々のエネルギーの放射線が発生する。特に熱中性子との反応割合(反応断面積)が一番大きい天然に存在する元素がガドリニウム(Gd)であるが、中性子と反応してγ線を放出する(n,γ)反応を起こし、γ線と内部転換電子が放出される。照射視野にこれらのγ線や電子線、β線が影響する機器を用いる場合にはこれらを排除しなければならない課題がある。 However, when using a neutron source, the energy of the neutrons reacts with the collimator material, generating radiation of various energies, such as gamma rays and beta rays. Gadolinium (Gd) is the naturally occurring element with the highest reaction rate (reaction cross section) with thermal neutrons. It reacts with neutrons in an (n, gamma) reaction, emitting gamma rays, resulting in the release of gamma rays and internal conversion electrons. When using equipment that is affected by gamma rays, electron beams, or beta rays within the irradiation field, eliminating these rays presents a challenge.
本発明の目的は、ラジオグラフィ用の熱中性子並びにγ線を同時あるいはどちらかを選択的に照射視野に導くことのできる中性子及びガンマ線コリメータ、ラジオグラフィ装置を提供することにある。 The object of the present invention is to provide a neutron and gamma ray collimator and radiography device that can guide thermal neutrons and gamma rays for radiography simultaneously or selectively into the irradiation field.
本発明の一態様は、中性子用ダイヤフラムと、ガンマ線用ダイヤフラムと、前記中性子用ダイヤフラム及び前記ガンマ線用ダイヤフラムを固定するダイヤフラム固定板と、前記ダイヤフラム固定板と一体化され、中性子遮蔽体と当該中性子遮蔽体の内側に内張されたガンマ線遮蔽体とを有する飛行管とを有し、前記中性子用ダイヤフラム、及び、前記飛行管の前記中性子遮蔽体にガドリニウム化合物を用い、前記飛行管の前記ガンマ線遮蔽体にビスマス化合物を用いることを特徴とする。 One aspect of the present invention comprises a neutron diaphragm, a gamma ray diaphragm, a diaphragm fixing plate that fixes the neutron diaphragm and the gamma ray diaphragm, and a flight tube that is integrated with the diaphragm fixing plate and has a neutron shield and a gamma ray shield lined inside the neutron shield, wherein a gadolinium compound is used for the neutron diaphragm and the neutron shield of the flight tube, and a bismuth compound is used for the gamma ray shield of the flight tube.
本発明の実施形態によれば、ラジオグラフィ用の熱中性子並びにγ線を同時あるいはどちらかを選択的に照射視野に導くことのできる中性子及びガンマ線コリメータ、ラジオグラフィ装置を提供することができる。 Embodiments of the present invention provide a neutron and gamma ray collimator and radiography device that can guide thermal neutrons and gamma rays for radiography simultaneously or selectively into an irradiation field.
以下、実施形態に係る中性子及びガンマ線コリメータ、ラジオグラフィ装置について、図面を参照して説明する。 The neutron and gamma ray collimators and radiography devices according to the embodiments will be described below with reference to the drawings.
本実施形態は、原子炉あるいは加速器、ラジオアイソトープ線源から発生する放射線で特に中性子やγ線、X線、あるいはこれらの放射線が物質と反応して反射や散乱する二次的な放射線を遮蔽して線束を揃えて取り出す中性子及びガンマ線コリメータ、及びこれを用いたラジオグラフィ装置に関する。 This embodiment relates to a neutron and gamma ray collimator that shields radiation generated from nuclear reactors, accelerators, and radioisotope sources, particularly neutrons, gamma rays, and X-rays, as well as secondary radiation that is reflected or scattered when these radiations react with matter, and extracts a uniform beam of radiation, and to a radiography device using the same.
本実施形態の中性子及びガンマ線コリメータが適用される施設としては、例えば、中性子の発生を伴う施設として原子炉や加速器施設、RI中性子源施設があり、医療分野でもBNCT(中性子補足療法)施設などがある。これらの施設では、非破壊検査や医療照射による治療のために放射線を取出して利用している。特に取出して照射する場所(視野)以外、周りは十分に遮蔽されている必要がある。 Facilities to which the neutron and gamma ray collimator of this embodiment can be applied include, for example, nuclear reactors, accelerator facilities, and RI neutron source facilities that generate neutrons, as well as BNCT (neutron capture therapy) facilities in the medical field. In these facilities, radiation is extracted and used for non-destructive testing and medical irradiation treatment. In particular, the surrounding area must be adequately shielded, except for the area (field of view) where radiation is extracted and irradiated.
この照射したい場所に放射線を導き取出して使用するのに中性子及びガンマ線コリメータが使用される。コリメータは使用目的に応じて設計が異なる。医療照射のように患者の患部に中性子を集中させて照射する場合には、発生源の中性子をできるだけ反射させながら集めてコリメータ出口の開口部に集めるようにしている。 Neutron and gamma ray collimators are used to guide and extract the radiation to the desired location. Collimators are designed differently depending on the intended use. When concentrating neutrons on the patient's affected area, such as in medical irradiation, the neutrons from the source are reflected as much as possible and collected at the opening at the collimator exit.
一方、非破壊検査のイメージング用には、光のカメラと同様に絞りと遮蔽筒(遮蔽箱)に相当するダイヤフラムと飛行管が、放射線を切り出すように絞り、外部からの放射線を遮蔽し、絞られた放射線が飛行管内面で散乱しないように工夫したコリメータとなっている。本実施形態は、特に後者の非破壊検査のイメージングに向けた中性子及びガンマ線コリメータについて説明する。 On the other hand, for imaging in non-destructive testing, a collimator is used in which a diaphragm and flight tube, which correspond to the aperture and shielding cylinder (shielding box) of an optical camera, narrow the radiation to cut it out, shield external radiation, and prevent the narrowed radiation from scattering on the inner surface of the flight tube. This embodiment will particularly explain neutron and gamma ray collimators aimed at the latter type of imaging in non-destructive testing.
コリメータのダイヤフラムにしても飛行管にしても基本は、コリメートしたい放射線の種類に応じて遮蔽できる素材で構成されていること(光の場合には遮光できることに相当)と、内面はこれら放射線で反射や散乱しないことが重要である。 Whether it's the collimator diaphragm or the flight tube, the basic requirement is that they be made of a material that can block the type of radiation you want to collimate (in the case of light, this corresponds to being able to block light), and that the inner surface does not reflect or scatter these radiations.
X線やγ線は、照射対象の物質の原子番号Zに依存してZが大きいほど、また、照射対象の物質の密度が高いほど透過しにくいという特性を有する。X線やγ線の場合、密度が同程度であれば、原子番号Zの近い元素では透過率(遮蔽効果)がほぼ同じとなる。またX線は、原子のK殻やL殻などの電子殻の軌道に応じて吸収端の異なるエネルギーで透過量が異なるが、同位体での区別はない。更にX線やγ線のエネルギーが高いほど透過率が高くなる(遮蔽効率が悪くなる)。 X-rays and gamma rays have the property that they are less likely to penetrate depending on the atomic number Z of the material being irradiated, and the higher Z and the density of the material being irradiated. In the case of X-rays and gamma rays, if the density is about the same, elements with similar atomic numbers Z will have roughly the same transmittance (shielding effect). Furthermore, the amount of X-rays that penetrate varies at different energies at the absorption edge depending on the orbital of the electron shell, such as the K shell or L shell, of the atom, but there is no distinction between isotopes. Furthermore, the higher the energy of X-rays and gamma rays, the higher the transmittance (poorer the shielding efficiency).
一方、中性子と物質の相互作用の態様は、一般に原子番号に直接的に依存せず、原子の同位体に応じて変化する。そのため、同じ元素であっても、同位体の違いによって、中性子のエネルギーによって、反応や吸収の割合が変化し、中性子線の透過率(遮蔽効果)の割合が異なる。この反応割合は、中性子と物質の相互作用を表す指標として中性子断面積(単位バーン(b):1b=10-24cm2)が用いられる。中性子断面積に原子数密度ρを乗算したものは、巨視的断面積Σ(cm-1)と呼ばれ、X線の線減弱係数に対応する。 On the other hand, the mode of interaction between neutrons and matter generally does not depend directly on the atomic number, but changes depending on the isotope of the atom. Therefore, even for the same element, the reaction and absorption rates change depending on the neutron energy and the isotope, resulting in different rates of neutron beam transmittance (shielding effect). The neutron cross section (unit: barn (b): 1b = 10 -24 cm 2 ) is used as an index of this reaction rate to represent the interaction between neutrons and matter. The neutron cross section multiplied by the atomic number density ρ is called the macroscopic cross section Σ (cm -1 ), and corresponds to the linear attenuation coefficient of X-rays.
中性子の散乱には、干渉性散乱と非干渉性散乱の大きく二つの特性がある。多くの元素では、干渉性散乱が支配的とされている。干渉性断面積の大きな元素は回折による散乱が主となり、中性子エネルギーの違いでブラッグ(Bragg)エッジが現れる。非干渉性散乱は、原子運動との散乱であり、中性子のエネルギーに等価な中性子速度Vに反比例して断面積が増えていく。これは「1/V法則」といわれ、例えば、ホウ素の同位体B-10やリチウムの同位体Li-6などの元素では1/V法則に対応し、エネルギーが高く(速度Vが早く)なると反応しにくくなり遮蔽の効率は悪くなる。これらの散乱断面積に加えて、元素同位体によって異なる中性子エネルギー領域で現れる共鳴捕獲による吸収断面積がある。 Neutron scattering has two main characteristics: coherent scattering and incoherent scattering. For many elements, coherent scattering is dominant. For elements with large coherent cross sections, scattering is primarily due to diffraction, and Bragg edges appear depending on the neutron energy. Incoherent scattering occurs with atomic motion, and the cross section increases in inverse proportion to the neutron velocity V, which is equivalent to the neutron energy. This is known as the "1/V law." For example, elements such as the boron isotope B-10 and the lithium isotope Li-6 correspond to the 1/V law; as the energy increases (the velocity V increases), the reaction becomes more difficult and the shielding efficiency decreases. In addition to these scattering cross sections, there is also an absorption cross section due to resonance capture, which appears in different neutron energy ranges depending on the element isotope.
一般に、中性子源から出力される中性子線には、様々なエネルギーの中性子が含まれ、1MeVよりも小さいエネルギーでは1/V法則や共鳴吸収などレゾナンス領域での反応(主に中性子と反応してγ線が放出される反応以下この反応を(n,γ)反応と記す)となるが、1MeV以上ではこれらの反応とは異なる閾値反応(1個の中性子と反応して2個の中性子を放出する(n,2n)反応や中性子と反応してプロトンが放出する(n,p)反応、中性子と反応してα線が放出される(n,α)反応など)が起こる。特にγ線との反応と異なり、中性子との反応ではホウ素がリチウムになったり、硫黄がリンになったり元素が変わってしまうことや、元々は放射性物質でなかった元素が放射性物質になってしまうことがある。放射性物質になり放射線を出す割合が壊変に伴い半分になるまでの時間指標を半減期で表示する。半減期がミリ秒単位やナノ秒単位であれば、ほぼ瞬間に放射性物質ではなくなるために特に問題とならないが、高線量で照射されて半減期の長い物質となると、遮蔽体自体が長期にわたり放射線放出源となってしまい、遮蔽体としての役割を満足しない。 Generally, neutron beams emitted from a neutron source contain neutrons of various energies. At energies below 1 MeV, reactions occur in the resonance region, such as the 1/V law and resonance absorption (primarily reactions in which gamma rays are emitted in response to a neutron; hereafter, these reactions will be referred to as (n,γ) reactions). However, at energies above 1 MeV, threshold reactions different from these reactions occur (such as the (n,2n) reaction in which two neutrons are emitted in response to a single neutron, the (n,p) reaction in which a proton is emitted in response to a neutron, and the (n,α) reaction in which alpha rays are emitted in response to a neutron). In particular, unlike reactions with gamma rays, reactions with neutrons can change elements, such as boron becoming lithium or sulfur becoming phosphorus, and elements that were not originally radioactive can become radioactive. The half-life indicates the time it takes for a substance to become radioactive and the rate at which it emits radiation is halved due to decay. If the half-life is in the millisecond or nanosecond range, it will no longer be a radioactive substance almost instantly, so this is not a particular problem, but if it is irradiated at a high dose and becomes a substance with a long half-life, the shielding itself will become a source of radiation for a long period of time, and will no longer be able to fulfill its role as a shielding material.
中性子遮蔽材料として用いられているホウ酸(B2O3)や炭化ホウ素(B4C)の中性子反応体はホウ素である。天然のホウ素にはB-10(天然存在比19.9%:10B記載と同じ)とB-11(天然存在比80.1%:11B記載と同じ)の同位体が存在する。中性子エネルギーとの反応割合(断面積:Cross Section単位barns)を示す核データJENDL-4.0は日本原子力研究開発機構の各データ研究グループ(https://wwwndc.jaea.go.jp/jendl/j40/J40_J.html♯Reports)から確認できる。[引用文献:K.Shibata,O.Iwamoto,T.Nakagawa,N.Iwamoto,A.Ichihara,S.Kunieda,S.Chiba,K.Furutaka,N.Otuka,T.Ohsawa,T.Murata,H.Matsunobu,A.Zukeran,S.Kamada,and J.Katakura:゛JENDL-4.0:A New Library for Nuclear Science and Engineering,″J.Nucl.Sci.Technol.48(1),1-30 (2011)] The neutron reactant of boric acid (B 2 O 3 ) and boron carbide (B 4 C), which are used as neutron shielding materials, is boron. Natural boron exists as the isotopes B-10 (natural abundance 19.9%: same as 10 B) and B-11 (natural abundance 80.1%: same as 11 B). The nuclear data JENDL-4.0, which indicates the reaction rate with neutron energy (cross section: Cross Section unit barns), can be confirmed from each data research group of the Japan Atomic Energy Agency (https://wwwndc.jaea.go.jp/jendl/j40/J40_J.html#Reports). [References: K. Shibata, O. Iwamoto, T. Nakagawa, N. Iwamoto, A. Ichihara, S. Kunieda, S. Chiba, K. Furutaka, N. Otuka, T. Ohsawa, T. Murata, H. Matsunobu, A. Zukeran, S. Kamada, and J. Katakura: "JENDL-4.0: A New Library for Nuclear Science and Engineering," J. Nucl. Sci. Technol. 48 (1), 1-30 (2011)]
熱中性子領域でB-10とB-11では、約6桁B-10の断面積が大きい。但し、1MeVを超えるエネルギーの高い領域では、B-10もB-11もほぼ同じ反応断面積となる。B-10の反応は、中性子と反応してα線を放出してLi-7となる。より正確には10B(n,α)7*Li反応と記載され、7*Liは(n,α)反応による初期反跳エネルギー840keVを付与され、そして0.105psという短寿命で運動しながら478keVの即発γ線を放出して基底状態のLi-7になる。従って、放射線の遮蔽という観点から天然の鉱物等を用いる場合、その中に存在するホウ素の原子数、そして中性子と反応割合の高いB-10の同位体割合と中性子エネルギーに依存した断面積、これらの積で決まる。また、中性子のエネルギーが高いと断面積が小さくなることから高エネルギーの中性子を水素や炭素といった減速材で中性子との衝突回数でエネルギーを下げて効率よく反応させることが重要となる。更に478keVの即発γ線を出すことから、このγ線に対しても遮蔽を考えなければならない。ホウ素を含む化合物の密度は約2.5g/cm3と鉄と比べても約1/3程度であり、原子番号ZもZ=5と小さい。X線やγ線との相互作用で重要な質量減弱係数μ/ρ(μ:線吸収係数、ρ:物質の密度)は一般的にZの3~4乗に比例すると言われる。従って、ホウ素を含む化合物のγ線に対する遮蔽効果は低い。 In the thermal neutron region, the cross section of B-10 is approximately six orders of magnitude larger than that of B-11. However, in the high-energy region above 1 MeV, B-10 and B-11 have roughly the same reaction cross section. The B-10 reaction reacts with a neutron, emitting an α-ray to form Li-7. More precisely, this is described as the 10 B(n,α) 7* Li reaction. 7* Li is given an initial recoil energy of 840 keV in the (n,α) reaction, and then, moving with a short lifetime of 0.105 ps, emits a prompt γ-ray of 478 keV, becoming ground-state Li-7. Therefore, when using natural minerals, etc., from the perspective of radiation shielding, the cross section is determined by the product of the number of boron atoms present in the mineral, the proportion of B-10 isotopes that react frequently with neutrons, and the cross section, which depends on the neutron energy. Furthermore, since the cross section of neutrons decreases as their energy increases, it is important to reduce the energy of high-energy neutrons by using moderators such as hydrogen or carbon to increase the number of collisions with neutrons, thereby enabling efficient reactions. Furthermore, since boron emits prompt gamma rays of 478 keV, shielding against these rays must also be considered. The density of boron-containing compounds is approximately 2.5 g/ cm³ , about one-third that of iron, and their atomic number Z is also small, at Z = 5. The mass attenuation coefficient μ/ρ (μ: linear absorption coefficient, ρ: density of material), which is important in interactions with X-rays and gamma rays, is generally said to be proportional to the third or fourth power of Z. Therefore, the shielding effect of boron-containing compounds against gamma rays is low.
本実施形態では、熱中性子に対する反応断面積が元素の中で一番大きいガドリニウム(Gd)に着目し、原子番号Z=64であることからγ線に対する遮蔽効果も高くなる点に着目している。ガドリニウムは希土類元素のレアアースで希少金属である。天然に存在する同位体は、Gd-154(2.18%)、Gd-155(14.80%)、Gd-156(20.47%)、Gd-157(15.65%)、Gd-158(24.84%)、Gd-160(21.86%)の6種類(括弧内の%は天然存在割合)である。特にGd-157とGd-155は中性子のエネルギー0.0253eVの熱中性子領域でB-10と比べてGd-157で66倍、Gd-155で15.8倍断面積が大きい。100eVから1keV付近のエネルギーでは他のGd同位体含めて複数の共鳴吸収ピークを持ち、B-10よりも断面積が大きくなる。 This embodiment focuses on gadolinium (Gd), which has the largest reaction cross section for thermal neutrons among all elements, and its atomic number Z = 64, which also enhances its shielding effect against gamma rays. Gadolinium is a rare earth element and a rare metal. There are six naturally occurring isotopes: Gd-154 (2.18%), Gd-155 (14.80%), Gd-156 (20.47%), Gd-157 (15.65%), Gd-158 (24.84%), and Gd-160 (21.86%) (the percentages in parentheses indicate the natural abundance). In particular, Gd-157 and Gd-155 have cross sections 66 times and 15.8 times larger than B-10 in the thermal neutron region at neutron energy 0.0253 eV. At energies between 100 eV and 1 keV, it has multiple resonance absorption peaks, including other Gd isotopes, and has a larger cross section than B-10.
ガドリニウムの主な反応はホウ素と異なり中性子と反応してγ線を放出する(n,γ)反応である。ホウ素の場合は(n,α)反応で7*Liが生成され、Li-7になる過程で478keVの即発γ線を出していたが、Gdの場合、154Gd(n,γ)155Gd、155Gd(n,γ)156Gd、156Gd(n,γ)157Gd、157Gd(n,γ)158Gdで生成されるそれぞれGd-155、Gd-156、Gd-157、Gd-158は安定同位体となり、壊変に伴ってβ線やγ線は放出されない。158Gd(n,γ)159Gd反応により生成されるGd-159は、β壊変を伴って安定同位体のTb-159になる。この壊変でβ線のエネルギー970.6keV(62%)、912.6keV(26%)、607.09keV(12%)、622.42keV(0.31%)が放出され、γ線のエネルギー363.55keV(11.4%)、58keV(2.15%)、348.16keV(0.234%)、226.01keV(0.215%)が放出される。特に熱中性子領域で反応断面積が大きいGd-157とGd-155は(n,γ)反応で8MeVの中性子捕獲γ線を放出する。 Unlike boron, the main reaction of gadolinium is the (n,γ) reaction, which reacts with neutrons and emits gamma rays. In the case of boron, 7* Li is produced in the (n,α) reaction, and in the process of becoming Li-7, a prompt gamma ray of 478 keV is emitted. In the case of Gd, however, the reactions 154 Gd(n,γ) 155 Gd, 155 Gd(n,γ) 156 Gd, 156 Gd(n,γ) 157 Gd, and 157 Gd(n,γ) 158 Gd produce stable isotopes, Gd-155, Gd-156, Gd-157, and Gd-158, respectively, and do not emit beta or gamma rays during decay. Gd-159, produced by the 158 Gd(n,γ) 159 Gd reaction, undergoes β decay to become the stable isotope Tb-159. This decay releases β-rays with energies of 970.6 keV (62%), 912.6 keV (26%), 607.09 keV (12%), and 622.42 keV (0.31%), and gamma rays with energies of 363.55 keV (11.4%), 58 keV (2.15%), 348.16 keV (0.234%), and 226.01 keV (0.215%). Gd-157 and Gd-155, which have particularly large cross sections in the thermal neutron region, emit neutron capture gamma rays of 8 MeV in the (n,γ) reaction.
このγ線の放出モードは(1)連続スペクトル(93.8%)と(2)離散スペクトル(6.2%)の2つに大別される。ほとんどが(1)の連続スペクトルで、不安定な複合核から安定な基底レベルまで8MeVの単一エネルギーではなく高いエネルギーから低いエネルギーにわたって放出割合が多くなるスペクトルとなっている。(2)離散スペクトルは、5.62MeV+2.25MeV(1.3%)、5.88MeV+1.99MeV(1.6%)、6.74MeV+1.11MeV(3.2%)、7.87MeV(0.02%)である。離散スペクトルのエネルギーは高エネルギーとなるがその割合は少ない。 These gamma-ray emission modes can be broadly divided into two: (1) continuous spectrum (93.8%) and (2) discrete spectrum (6.2%). Most are (1) continuous spectrum, which means that the emission proportion increases across a range of energies from unstable compound nuclei to the stable ground level, rather than a single energy of 8 MeV. (2) Discrete spectrum modes are 5.62 MeV + 2.25 MeV (1.3%), 5.88 MeV + 1.99 MeV (1.6%), 6.74 MeV + 1.11 MeV (3.2%), and 7.87 MeV (0.02%). The energies of discrete spectrum modes are higher, but their proportion is low.
ここで、コリメータにとって放射線の遮蔽技術で重要なことは、放射線の種類に応じてコリメートできる能力が異なる点である。また、使用する検出器の放射線に対する感度である。原子番号Zの大きい物質を透過してしまう高いエネルギーのγ線は、軽元素で構成される薄膜の検出器素子を、遮蔽材同様に透過する。すなわち、保護対象とする物質中での放射線による線エネルギー付与(LET:Linear Energy Transfer放射線が物質中を通過する途中で物質にエネルギーをどれだけ与えるかを表す)が少なければ、透過する物質にエネルギーが与えられることが少なく、検出されない。逆にLETが大きくなるほど、物質に与えられるエネルギーが大きくなり、検出効果が高くなる。 Here, what is important about radiation shielding technology for collimators is that their collimating ability differs depending on the type of radiation. Another factor is the sensitivity of the detector used to radiation. High-energy gamma rays that pass through materials with a high atomic number Z will pass through thin-film detector elements made of light elements in the same way as shielding materials. In other words, if the linear energy transfer (LET: Linear Energy Transfer, which represents the amount of energy radiation imparts to a material as it passes through it) by the radiation in the material to be protected is low, little energy will be imparted to the material it passes through, and it will not be detected. Conversely, the higher the LET, the more energy is imparted to the material, and the greater the detection effect.
程度にもよるが、このようなコリメータ材質の遮蔽による目的から考えると、高いエネルギーのγ線の場合にはγ線遮蔽材を透過してしまっても、遮蔽の目的が達成できることになる。例えば、1MeVと50keVのγ線は発生時点で単色のエネルギー(厳密にはエネルギーの幅を持つ)であっても、γ線と物質との相互作用から光電効果やコンプトン散乱等によりエネルギーが減衰し、低いエネルギー領域まで広がってしまう。特に低いエネルギー領域では、γ線の遮蔽材料としては、50keVのγ線の方が1MeVのγ線よりもより多く反応して減衰する。そして、数十keV以下のγ線はエネルギーが低いほどセンサーなど機器に対するLETが大きくなり、イメージングのカブリとなり画像の先鋭度が悪くなる。 Depending on the degree, given the shielding purpose of such collimator materials, the shielding purpose can be achieved in the case of high-energy gamma rays even if they pass through gamma-ray shielding materials. For example, even though 1 MeV and 50 keV gamma rays are monochromatic in energy (strictly speaking, they have a range of energies) at the time of generation, their energy attenuates due to the photoelectric effect and Compton scattering caused by the interaction between the gamma rays and matter, and they spread into the lower energy range. In particular, in the low-energy range, 50 keV gamma rays react more with and attenuate than 1 MeV gamma rays as a gamma-ray shielding material. Furthermore, the lower the energy of gamma rays below several tens of keV, the greater the LET for sensors and other equipment, resulting in imaging fogging and reduced image sharpness.
コリメータの遮蔽材料について1cm厚さでのγ線透過割合を計算で求めた。特に熱中性子の遮蔽材として用いられているフッ化リチウム(LiF)と炭化ホウ素(B4C)、γ線の吸収が大きい鉛(Pb)と鉄(Fe)、そして本実施形態で使用している酸硫化ガドリニウム(Gd2O2S)(以下、GOSと記す)を比較した。図5のグラフにこの結果を示す。図5のグラフに示されるように、0.5MeV(500keV)以下では、中性子用の遮蔽体であるフッ化リチウムや炭化ホウ素に比べてGOSはおおよそ2倍以上の遮蔽効果になっており、鉛には及ばないものの鉄と比べても遮蔽効果が高いことが示される。 The gamma-ray transmission rate of the collimator shielding material at a thickness of 1 cm was calculated. In particular, lithium fluoride (LiF) and boron carbide ( B4C ), which are used as thermal neutron shielding materials, lead (Pb) and iron (Fe), which have high gamma-ray absorption, and gadolinium oxysulfide ( Gd2O2S ) (hereinafter referred to as GOS ), which is used in this embodiment, were compared. The results are shown in the graph of Figure 5. As shown in the graph of Figure 5, at 0.5 MeV (500 keV) or less, GOS has approximately twice the shielding effect of lithium fluoride and boron carbide, which are neutron shielding materials, and although it is not as effective as lead, it still has a higher shielding effect than iron.
実際にイメージングで用いられるフィルムやイメージングプレートの感度特性を考慮して実効エネルギー100keVの場合について遮蔽体の厚さとγ線透過割合を比較した。その結果を図6のグラフに示す。図6のグラフに示されるように、GOSは鉄と比べても遮蔽効果が高いことがわかる。 Taking into account the sensitivity characteristics of the film and imaging plates actually used in imaging, we compared the shielding thickness and gamma ray transmission rate for an effective energy of 100 keV. The results are shown in the graph in Figure 6. As shown in the graph in Figure 6, it can be seen that GOS has a higher shielding effect than iron.
次に、熱中性子の透過割合について具体的にGOSを遮蔽体用に樹脂成型したサンプルと、コンクリートサンプルにした厚さの異なるステップウェッジを作成し、同じ形状の鉛(Pb)と鉄を骨材とした重コンクリートのステップウェッジと比較試験を行った。試験は、北海道大学の加速器駆動パルス中性子源「HUNS」の熱中性子照射ポートを利用した。ジスプロシウム箔をコンバータとしてステップウェッジの透過割合で放射化して、その放射化したジスプロシウム箔をイメージングプレート(IP)に転写して得られた画像の輝度データ(PSL値)から透過割合をデジタルで求めた。この転写法はγ線による影響がないため、純粋に熱中性子による透過の状況を求めることができる。 Next, to specifically examine the thermal neutron transmission rate, step wedges of different thicknesses were created using GOS as a resin-molded shielding sample and concrete samples, and a comparative test was conducted with a heavy concrete step wedge of the same shape made with lead (Pb) and iron aggregate. The test utilized the thermal neutron irradiation port of Hokkaido University's accelerator-driven pulsed neutron source "HUNS." Dysprosium foil was used as a converter to activate the step wedge at the transmission rate, and the activated dysprosium foil was transferred to an imaging plate (IP), where the transmission rate was digitally calculated from the brightness data (PSL value) of the image obtained. This transfer method is not affected by gamma rays, so it is possible to determine the transmission rate purely due to thermal neutrons.
図7のグラフには、ガンマ線の透過と同様にステップウェッジの厚さに対する熱中性子の透過割合を相対的に求めた結果を示す。本来Pbや鉄を骨材とした重コンクリート同様に厚さに対して透過割合は指数関数で図7のように直線的に減衰する。しかし、GOSの場合樹脂でもコンクリートでも5mmの厚さで2/100~3/100に急激に減衰しあとは測定上飽和した傾向になっている。計算上では鉛や重コンクリートと同様に直線的に減衰するが、ガドリニウムの熱中性子吸収断面積が大きいため、測定上IPもベース輝度の影響が出ていると判断される。この結果から重コンクリートと比べて1/50以下の厚さで同じ遮蔽能力となっていることがわかる。γ線の吸収が大きい鉛と比べると約30倍遮蔽能力が高い。この結果から熱中性子を含むコリメータとしての遮蔽材料としてはGOSを用いることがγ線との複合での遮蔽において有効であることがわかる。 The graph in Figure 7 shows the relative thermal neutron transmission rate versus step wedge thickness, calculated in the same way as for gamma ray transmission. Like heavy concrete made with Pb or iron aggregate, the transmission rate is exponential and decays linearly with thickness, as shown in Figure 7. However, in the case of GOS, whether resin or concrete, the rate rapidly decays to 2/100 to 3/100 at a thickness of 5 mm, after which it tends to saturate in measurements. While the calculations show a linear decay, similar to lead and heavy concrete, due to the large thermal neutron absorption cross section of gadolinium, it is believed that the IP also exhibits base brightness effects in measurements. These results show that the same shielding ability is achieved at a thickness of 1/50 or less compared to heavy concrete. Compared to lead, which has high gamma ray absorption, the shielding ability is approximately 30 times greater. These results demonstrate that using GOS as a shielding material for collimators, including thermal neutrons, is effective in shielding against combined gamma rays.
しかし、ガドリニウムと熱中性子で懸念される事項がある。158Gd(n,γ)159Gd反応により生成されるGd-159はβ壊変を伴って安定同位体のTb-159になる。この壊変でβ線のエネルギー970.6keV(62%)、912.6keV(26%)、607.09keV(12%)、622.42keV(0.31%)が放出され、γ線のエネルギー363.55keV(11.4%)、58keV(2.15%)、348.16keV(0.234%)、226.01keV(0.215%)が放出される。熱中性子の透過については5mm厚さでも十分遮蔽ができているが、コリメータ内の反射を考えた場合には、β線や検出器の効率が高い低エネルギーのγ線を遮蔽する必要がある。 However, there are concerns regarding gadolinium and thermal neutrons. The Gd-159 produced by the 158 Gd(n,γ) 159 Gd reaction undergoes β decay to form the stable isotope Tb-159. This decay releases β rays with energies of 970.6 keV (62%), 912.6 keV (26%), 607.09 keV (12%), and 622.42 keV (0.31%), and gamma rays with energies of 363.55 keV (11.4%), 58 keV (2.15%), 348.16 keV (0.234%), and 226.01 keV (0.215%). While a 5 mm thickness provides sufficient shielding for thermal neutron penetration, considering reflections within the collimator, it is necessary to shield β rays and low-energy gamma rays, which are more efficient for detectors.
そこで、中性子との反応で特にγ線を放出しないビスマスに着目してGOS遮蔽材(GOSコンクリートまたはGOS樹脂)の内側(後述する飛行管4の内側)に数mmから数cmの厚さビスマス化合物[例えば酸化ビスマス(Bi2O3)、次没食子酸ビスマス(C7H5BiO6)、塩化酸化ビスマス(BiOCl)、次硝酸ビスマス(Bi5O(OH)9(NO3)4)]を内張する。ビスマス(Bi)は天然存在比100%のBi-209同位体で、中性子とは主に(n,γ)反応でBi-210が生成される。半減期は5.013日でγ線は出さず、1.162MeVのβ線を出す。ビスマスの熱中性子断面積は比較的小さいため、内側からの熱中性子は、ビスマス内張材を透過してGOS遮蔽材の表層と反応する。反応して放出されるβ線と低エネルギーのγ線はビスマス材で吸収されコリメータ内側面までは到達することが少なくなり、検出器に対してカブリやノイズといった影響を少なく先鋭度の良い画像を提供できるようになる。 Therefore, focusing on bismuth, which does not emit gamma rays in particular when reacting with neutrons, the inside of the GOS shielding material (GOS concrete or GOS resin) (the inside of the flight tube 4 described below) is lined with a bismuth compound [for example, bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), bismuth subgallate (C 7 H 5 BiO 6 ), bismuth oxychloride (BiOCl), or bismuth subnitrate (Bi 5 O(OH) 9 (NO 3 ) 4 )] to a thickness of several millimeters to several centimeters. Bismuth (Bi) is the Bi-209 isotope, which has a natural abundance of 100%, and when it reacts with neutrons, Bi-210 is produced mainly in the (n,γ) reaction. Its half-life is 5.013 days, and it does not emit gamma rays, but it emits 1.162 MeV beta rays. Because the thermal neutron cross section of bismuth is relatively small, thermal neutrons from the inside pass through the bismuth lining and react with the surface of the GOS shielding material. The beta rays and low-energy gamma rays emitted as a result of the reaction are absorbed by the bismuth material, and few of them reach the inner surface of the collimator, allowing the detector to provide a sharp image with less fogging and noise.
ガドリニウム化合物としては、密度が6.5g/cm3以上で水に溶けないセラミック、あるいは焼結体を用いることが好ましい。このようなガドリニウム化合物としては、例えば、密度7.4g/cm3の酸化ガドリニウム(Gd2O3)、密度7.09g/cm3のガドリニウムガリウムガーネット(Gd3Ga5O12)、密度7.3g/cm3の酸硫化ガドリニウム(Gd2O2S)、密度6.7g/cm3のケイ酸ガドリニウム(Gd2SiO5)等が挙げられる。更に、これらを母材としてプラセオジム(Pr)やテルビウム(Tb)、ユーロピウム(Eu)、セリウム(Ce)等を賦活剤として混ぜた蛍光体材料を用いることができる。これらのガドリニウム化合物を骨材としてセメントを混ぜてコンクリート遮蔽材、あるいはセメントの代わりに樹脂で成型したもので遮蔽壁として形成される。 The gadolinium compound is preferably a water-insoluble ceramic or sintered body having a density of 6.5 g/ cm or more. Examples of such gadolinium compounds include gadolinium oxide ( Gd2O3 ) with a density of 7.4 g/ cm3 , gadolinium gallium garnet ( Gd3Ga5O12 ) with a density of 7.09 g/ cm3 , gadolinium oxysulfide ( Gd2O2S ) with a density of 7.3 g / cm3 , and gadolinium silicate ( Gd2SiO5 ) with a density of 6.7 g / cm3 . Furthermore, phosphor materials can be used that use these compounds as base materials and incorporate praseodymium (Pr), terbium (Tb), europium (Eu), cerium (Ce) , or the like as activators. These gadolinium compounds can be used as aggregates to mix with cement to form concrete shielding materials, or can be molded with resin instead of cement to form shielding walls.
前述したように、ガドリニウムは、中性子との(n,γ)反応により内部転換電子と生成されるGd-159からのβ線とγ線が放出される。しかし、熱中性子に対しては数mmで約2桁以上遮蔽され、この数mm内で発生した内部転換電子やβ線も数mmで遮蔽される。更に、ガドリニウム化合物が数cmあれば、γ線もガドリニウム自体で自己遮蔽される。特にコリメータのダイヤフラムの部品構成に適用できる。 As mentioned above, gadolinium emits internal conversion electrons and beta and gamma rays from the Gd-159 produced by its (n, gamma) reaction with neutrons. However, a few millimeters provides shielding against thermal neutrons by more than two orders of magnitude, and the internal conversion electrons and beta rays generated within these few millimeters are also shielded by a few millimeters. Furthermore, if a gadolinium compound is present in a few centimeters, the gadolinium itself will self-shield against gamma rays. This makes it particularly applicable to the component construction of collimator diaphragms.
コリメータのダイヤフラムについては、熱中性子用のGOS遮蔽材と、γ線用の遮蔽材として、例えば、タングステン、タングステン化合物、タングステン化合物であるヘビアロイ又はビスマス化合物等を使用することができ、これらを組み合わせて用いることができる。特にγ線用は光の絞りと同様にダイヤフラムの厚さが薄い方が良い。厚さが厚くなると穴の内面でγ線が反射して散乱線が多くなる。そのため原子番号Zが大きく密度(比重)の大きい材料の方が良い。また、中性子と反応して発生するγ線も遮蔽できるようにするため、線源側にGOS遮蔽材のダイヤフラムを設置し、出口側にタングステン化合物等のダイヤフラムを設置する構成とすることが好ましい。 Collimator diaphragms can be made of GOS shielding material for thermal neutrons and gamma ray shielding material such as tungsten, tungsten compounds, or tungsten compounds such as heavy alloys or bismuth compounds, or a combination of these can be used. For gamma rays in particular, a thinner diaphragm is preferable, just like an optical aperture. A thicker diaphragm results in more gamma rays being reflected by the inner surface of the hole, resulting in more scattered rays. Therefore, a material with a high atomic number Z and high density (specific gravity) is preferable. Furthermore, to be able to shield gamma rays generated by reaction with neutrons, it is preferable to install a diaphragm made of GOS shielding material on the radiation source side and a diaphragm made of a tungsten compound or similar on the exit side.
以上のように、本実施形態の中性子及びガンマ線コリメータは、中性子用のダイヤフラムに、ガドリニウム化合物、例えばGOS遮蔽材を用い、ガンマ線用のダイヤフラムに例えば、タングステンまたはタングステン化合物、ビスマス化合物等の遮蔽材を用い、飛行管にはGOS遮蔽材の内面にビスマス化合物を内張する構造として熱中性子によるガドリニウムとの反応で生成されるGd-159からのβ線や低エネルギーのγ線を遮蔽してS/Nの良い熱中性子並びにγ線のイメージ画像を提供できる。 As described above, the neutron and gamma ray collimator of this embodiment uses a gadolinium compound, such as GOS shielding material, for the neutron diaphragm, and a shielding material such as tungsten or a tungsten compound or a bismuth compound for the gamma ray diaphragm. The flight tube has a structure in which the inner surface of the GOS shielding material is lined with a bismuth compound, shielding against beta rays and low-energy gamma rays from Gd-159, which are generated by the reaction of thermal neutrons with gadolinium, and providing thermal neutron and gamma ray images with a good S/N ratio.
以下、図1乃至4を参照して、実施形態に係る中性子及びガンマ線コリメータ、ラジオグラフィ装置の構成について説明する。なお、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。また、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下の説明において参照する図面において、各構成部材の大きさや厚みは説明の便宜上のものであり、必ずしも実際の寸法や比率を示すものではない。 The configuration of a neutron and gamma ray collimator and radiography device according to an embodiment will be described below with reference to Figures 1 to 4. Note that the configuration described below is an example and does not limit the scope of the present invention in any way. In addition, identical elements in the description of the drawings will be given the same reference numerals, and duplicate explanations will be omitted where appropriate. In addition, in the drawings referenced in the following description, the size and thickness of each component is for the sake of convenience and does not necessarily represent the actual dimensions or proportions.
図1は、実施形態に係る中性子及びガンマ線コリメータ1の構成を模式的に示す図であり、(a)は側面図、(b)は背面図(図1中側面図を左側から見た図)、(c)は正面図(図1中側面図を右側から見た図)である。中性子及びガンマ線コリメータ1は、ダイヤフラム2と、ダイヤフラム2を固定するためのダイヤフラム固定板3と、ダイヤフラム固定板3と一体的に構成された飛行管4とを具備している。 Figure 1 is a diagram showing a schematic configuration of a neutron and gamma ray collimator 1 according to an embodiment, with (a) being a side view, (b) being a rear view (view of the side view in Figure 1 from the left side), and (c) being a front view (view of the side view in Figure 1 from the right side). The neutron and gamma ray collimator 1 comprises a diaphragm 2, a diaphragm fixing plate 3 for fixing the diaphragm 2, and a flight tube 4 formed integrally with the diaphragm fixing plate 3.
図2に示すように、ダイヤフラム2は、中性子の絞りとなる中性子用ダイヤフラム21と、γ線の絞りとなるガンマ線用ダイヤフラム22とから構成されている。中性子用ダイヤフラム21の中央部には透孔21aが設けられ、ガンマ線用ダイヤフラム22の中央部には透孔22aが設けられている。透孔22aの口径D4は、透孔21aの口径D5より小径とされている。また、中性子用ダイヤフラム21とガンマ線用ダイヤフラム22は、図3に示すように、ダイヤフラム固定板3側にガンマ線用ダイヤフラム22が位置するように、ダイヤフラム固定板3に取り付けられる。 As shown in Figure 2, the diaphragm 2 is composed of a neutron diaphragm 21, which acts as a neutron aperture, and a gamma ray diaphragm 22, which acts as a gamma ray aperture. A through hole 21a is provided in the center of the neutron diaphragm 21, and a through hole 22a is provided in the center of the gamma ray diaphragm 22. The diameter D4 of the through hole 22a is smaller than the diameter D5 of the through hole 21a. Furthermore, the neutron diaphragm 21 and the gamma ray diaphragm 22 are attached to the diaphragm fixing plate 3 so that the gamma ray diaphragm 22 is positioned on the diaphragm fixing plate 3 side, as shown in Figure 3.
中性子用ダイヤフラム21及びガンマ線用ダイヤフラム22の大きさは、例えば、同じ大きさとして縦A1、横A2とする。A1とA2とは同じであってもよい。中性子及びガンマ線コリメータ1は設置する中性子源に応じて寸法が異なる。そのため、図では具体的な寸法ではなく縮尺を考慮して記号で寸法を示す。 The size of the neutron diaphragm 21 and the gamma ray diaphragm 22 is, for example, the same, with a vertical dimension A1 and a horizontal dimension A2. A1 and A2 may be the same. The dimensions of the neutron and gamma ray collimator 1 vary depending on the neutron source to be installed. Therefore, in the diagram, the dimensions are shown using symbols to take into account the scale rather than specific dimensions.
これらの中性子用ダイヤフラム21及びガンマ線用ダイヤフラム22は、例えば、四隅においてねじ止め等により、ダイヤフラム固定板3に重ねて固定される。ガンマ線用ダイヤフラム22の材質には、γ線に対する遮蔽能力が高い原子番号Zが大きく密度の高い材料(例えば、タングステン、タングステン化合物、タングステン化合物であるヘビアロイ等又は、前述したビスマス化合物)を選択する。γ線のエネルギーにも依存するが、これら高Zで高密度な材料であれば比較的エネルギーの高い領域まで遮蔽ができるため、γ線用としてのダイヤフラムの性能は高くなる。また、厚さt3も薄くすることが可能になる。絞りの径である口径D4は、光の場合と同様に小さいほど解像度が良くなるが、同時にγ線量も少なくなるため、線源の強度や撮影時間を大きく(長く)する必要がある。 The neutron diaphragm 21 and gamma ray diaphragm 22 are secured to the diaphragm fixing plate 3, for example, by screws at the four corners. The material selected for the gamma ray diaphragm 22 is a high-atomic-number-Z, high-density material with high gamma-ray shielding capability (e.g., tungsten, tungsten compounds, tungsten compounds such as heavy alloy, or the aforementioned bismuth compounds). While this depends on the energy of the gamma rays, these high-Z, high-density materials can shield up to relatively high-energy regions, improving the diaphragm's performance for gamma rays. It also allows for a thinner thickness t3. As with light, the smaller the aperture diameter D4, the better the resolution; however, the lower the gamma-ray dose, so the radiation source intensity and imaging time must be increased (longer).
本実施形態において、中性子用ダイヤフラム21の材質には、GOS遮蔽材(GOSプレート、GOS樹脂またはGOSコンクリート)を用いている。GOSのガドリニウムは厚さが薄くても熱中性子に対しての遮蔽効果が高い。なお、図3に示すt4が中性子用ダイヤフラム21の厚さである。中熱中性子線の解像度を表す指標は、ダイヤフラムの口径(透孔21aの径)D(図2(b)に示すD5)とコリメータの長さL(図1に示すL1)のL/D=L1/D5で表され、この値が大きいほど解像度が高くなる。 In this embodiment, the neutron diaphragm 21 is made of GOS shielding material (GOS plate, GOS resin, or GOS concrete). Gadolinium in GOS has a high shielding effect against thermal neutrons even when it is thin. Note that t4 in Figure 3 is the thickness of the neutron diaphragm 21. The index representing the resolution of medium thermal neutrons is expressed as L/D = L1/D5, where D (D5 in Figure 2(b)) is the diameter of the diaphragm (diameter of the through hole 21a) and L (L1 in Figure 1) is the length of the collimator; the larger this value, the higher the resolution.
前述したとおり、中性子用ダイヤフラム21の口径D5は、ガンマ線用ダイヤフラム22の口径D4よりも大きく設定する。このように口径D4、口径D5を設定することにより、中性子用ダイヤフラム21のガドリニウムと中性子が反応して発生したγ線を、ガンマ線用ダイヤフラム22で遮蔽することができ、特に検出器、撮像素子で感度の高い低エネルギーγ線の影響を少なくし、S/Nの良いγ線のイメージ画像が得られる。一方、中性子については、ガンマ線用ダイヤフラム22は薄く、断面積が小さいことからガンマ線用ダイヤフラム22での絞りの影響は受けない。 As mentioned above, the diameter D5 of the neutron diaphragm 21 is set larger than the diameter D4 of the gamma ray diaphragm 22. By setting the diameters D4 and D5 in this way, the gamma ray diaphragm 22 can block gamma rays generated when neutrons react with the gadolinium in the neutron diaphragm 21. This reduces the impact of low-energy gamma rays, which are particularly sensitive to detectors and imaging elements, and allows for the production of gamma ray images with a good S/N ratio. On the other hand, neutrons are not affected by the aperture of the gamma ray diaphragm 22 because the gamma ray diaphragm 22 is thin and has a small cross-sectional area.
図3に示すように、ダイヤフラム固定板3は、中性子遮蔽板31と、ガンマ線遮蔽板32とを一体構造した構成となっている。ダイヤフラム固定板3は、中性子用ダイヤフラム21と、ガンマ線用ダイヤフラム22を固定するだけでなく、図4に示す中性子源51から出た中性子がモデレータ(減速材)52や中性子源の周りや背面のモデレータ及び遮蔽体53からの熱中性子を、中性子遮蔽板(本実施形態ではGOS遮蔽体製)31(図3に示す厚さt2)で遮蔽し、この中性子遮蔽板31のGOSと中性子が反応して放出されるγ線を、ガンマ線遮蔽板32(図3に示す厚さt1)で遮蔽する。 As shown in Figure 3, the diaphragm fixing plate 3 is an integral structure consisting of a neutron shielding plate 31 and a gamma ray shielding plate 32. The diaphragm fixing plate 3 not only fixes the neutron diaphragm 21 and the gamma ray diaphragm 22, but also shields thermal neutrons emitted from the neutron source 51 (shown in Figure 4) from the moderator (moderator) 52, the moderator around and behind the neutron source, and the shielding 53 with the neutron shielding plate (made of GOS shielding in this embodiment) 31 (thickness t2 shown in Figure 3), and shields gamma rays emitted when neutrons react with the GOS in the neutron shielding plate 31 with the gamma ray shielding plate 32 (thickness t1 shown in Figure 3).
ガンマ線遮蔽板32を構成するγ線遮蔽体としては、中性子と反応しにくくγ線を放出しないビスマス化合物を好適に使用することができるが、他にもタングステン、タングステン化合物、タングステン化合物であるヘビアロイ(タングステンが主体でニッケル、銅含有の焼結体)等も用いることができる。更にダイヤフラム固定板3は、飛行管4とも一体構造となっておりコリメータを支える構造としている。従って、ダイヤフラム固定板3の寸法は、中性子源に設置するサイズを考慮して、図1(b)に示す高さA3、幅A4を設定する。また、設置する場所の形状によっては円形等の外形としても良い。なお、図1(b)に示すW1は、飛行管4の高さ、W2は、飛行管4の幅を示している。 The gamma ray shielding material that makes up the gamma ray shielding plate 32 is preferably a bismuth compound, which does not react easily with neutrons and does not emit gamma rays. However, other materials that can be used include tungsten, tungsten compounds, and the tungsten compound heavy alloy (a sintered compact composed primarily of tungsten with nickel and copper). Furthermore, the diaphragm fixing plate 3 is integral with the flight tube 4 and is designed to support the collimator. Therefore, the dimensions of the diaphragm fixing plate 3 are set to a height A3 and width A4 shown in Figure 1(b) taking into account the size required for installation in the neutron source. Depending on the shape of the installation location, the plate may also have a circular or other external shape. Note that W1 and W2 shown in Figure 1(b) indicate the height and width of the flight tube 4, respectively.
また、図1に示した飛行管4は四角錐形であるが、飛行管4は円錐形でも構わない。この飛行管4は、図4に示すモデレータ及び遮蔽体53からの中性子とγ線を遮蔽する目的で、図3に示すように、外側には厚さ((D3-D2)/2)の中性子遮蔽体(本実施形態ではGOS遮蔽体)41を設け、内側には厚さ((D2-D1)/2)のガンマ線遮蔽体(本実施形態ではビスマス化合物)42を設けて一体として構成している。内側のガンマ線遮蔽体(ビスマス化合物)42は、外側の中性子遮蔽体(GOS遮蔽体)41が中性子と反応して放出されるγ線をコリメータ内に出さないようにするために設けている。 Furthermore, while the flight tube 4 shown in Figure 1 is pyramidal, it may also be conical. For the purpose of shielding against neutrons and gamma rays from the moderator and shielding body 53 shown in Figure 4, this flight tube 4 is integrally configured with a neutron shield (GOS shielding in this embodiment) 41 with a thickness of ((D3-D2)/2) on the outside and a gamma ray shield (bismuth compound in this embodiment) 42 with a thickness of ((D2-D1)/2) on the inside, as shown in Figure 3. The inner gamma ray shield (bismuth compound) 42 is provided to prevent gamma rays emitted when the outer neutron shield (GOS shielding) 41 reacts with neutrons from entering the collimator.
図4は、中性子及びガンマ線コリメータ1を中性子源に設置したラジオグラフィ装置の概略構成を示す図であり、その中性子源には加速器中性子を想定し模擬的に簡略化して表した図である。気送管54内を電子線あるいは陽子線が通り、中性子源51のターゲットと反応して中性子あるいはγ線、制動X線が放出される。中性子源が原子炉の場合には、気送管54は無く、中性子源は燃料棒となる。また、RI中性子源の場合も原子炉と同様に気送管54は無く、中性子源はRI中性子源となる。図4において中性子及びガンマ線コリメータ1の右側端部には、図示しない撮像対象物が配置される。 Figure 4 shows the schematic configuration of a radiography device in which a neutron and gamma ray collimator 1 is installed in the neutron source. The neutron source is a simplified, simulated representation of accelerator neutrons. An electron beam or proton beam passes through the pneumatic tube 54 and reacts with the target of the neutron source 51, emitting neutrons, gamma rays, or bremsstrahlung X-rays. If the neutron source is a nuclear reactor, there is no pneumatic tube 54, and the neutron source is a fuel rod. Similarly, in the case of an RI neutron source, there is no pneumatic tube 54, and the neutron source is an RI neutron source. In Figure 4, an object to be imaged (not shown) is placed at the right end of the neutron and gamma ray collimator 1.
図4の中性子及びガンマ線コリメータ1の設置は、コリメータ中心上に中性子源51がある構成である。すなわち、コリメータ出口からコリメータ先端を見た場合に、中性子源51が延長線上にある構成である。この場合、中性子源51からの高エネルギー中性子並びに高エネルギーγ線が中性子及びガンマ線コリメータ1から出る構成となっている。これを防ぎ、低エネルギーの中性子だけを取り出すためには、中性子及びガンマ線コリメータ1全体を図4における中心線よりも上下にずらす、あるいは斜めや垂直に傾けてコリメータ出口から中性子源51が見えないように設置して利用することもできる。すなわち、中性子及びガンマ線コリメータ1から取り出したい中性子やγ線のエネルギーに応じで設置の形態を変えて使用することが可能である。 The neutron and gamma ray collimator 1 in Figure 4 is installed with the neutron source 51 located at the center of the collimator. In other words, when looking at the tip of the collimator from the collimator outlet, the neutron source 51 is located on the extension line. In this case, high-energy neutrons and high-energy gamma rays from the neutron source 51 are emitted from the neutron and gamma ray collimator 1. To prevent this and extract only low-energy neutrons, the entire neutron and gamma ray collimator 1 can be shifted above or below the center line in Figure 4, or tilted diagonally or vertically so that the neutron source 51 is not visible from the collimator outlet. In other words, the installation configuration can be changed depending on the energy of the neutrons and gamma rays that you want to extract from the neutron and gamma ray collimator 1.
以上のように、本実施形態の中性子及びガンマ線コリメータによれば、中性子源から放出される中性子線とγ線(制動X線を含む)を線束の揃った状態でかつ散乱線の少ない状態で照射できるようになる。特にγ線だけのコリメータでは問題となっていなかったイメージングに対して熱中性子成分が含まれることで熱中性子と反応して放出されるγ線の影響も極力少なくノイズの少ないγ線イメージングも可能になった。また、同時に熱中性子によるイメージングも散乱線によるノイズ成分が少なく、散乱線によるカブリの少ない鮮明な画像取得を実現でき、非破壊検査での中性子とγ線の同時ラジオグラフィが可能になる。また、熱中性子のみのコリメータまたはγ線のみのコリメータとして選択して使用することもできる。 As described above, the neutron and gamma ray collimator of this embodiment makes it possible to irradiate neutron rays and gamma rays (including bremsstrahlung X-rays) emitted from a neutron source with aligned beams and minimal scattered rays. In particular, the inclusion of a thermal neutron component minimizes the influence of gamma rays emitted in reaction with thermal neutrons, enabling gamma ray imaging with minimal noise, which was a problem with gamma ray-only collimators. Furthermore, thermal neutron imaging also has minimal noise components due to scattered rays, enabling the acquisition of clear images with minimal scattered ray fogging, making simultaneous neutron and gamma ray radiography possible in non-destructive testing. The collimator can also be selected for use as a thermal neutron-only collimator or a gamma ray-only collimator.
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として掲示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments may be embodied in a variety of other forms, and various omissions, substitutions, and modifications may be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their variations are included within the scope and spirit of the invention, and are also included in the scope of the invention and its equivalents as set forth in the claims.
1……中性子及びガンマ線コリメータ、2……ダイヤフラム、3……ダイヤフラム固定板、4……飛行管、21……中性子用ダイヤフラム、21a……透孔、22……ガンマ線用ダイヤフラム、22a……透孔、31……中性子遮蔽板、32……ガンマ線遮蔽板、41……中性子遮蔽体、42……ガンマ線遮蔽体、51……中性子源、52……モデレータ、53……モデレータ及び遮蔽体、54……気送管。 1...Neutron and gamma ray collimator, 2...Diaphragm, 3...Diaphragm fixing plate, 4...Flight tube, 21...Neutron diaphragm, 21a...Through hole, 22...Gamma ray diaphragm, 22a...Through hole, 31...Neutron shielding plate, 32...Gamma ray shielding plate, 41...Neutron shielding body, 42...Gamma ray shielding body, 51...Neutron source, 52...Moderator, 53...Moderator and shielding body, 54...Pneumatic tube.
Claims (7)
ガンマ線用ダイヤフラムと、
前記中性子用ダイヤフラム及び前記ガンマ線用ダイヤフラムを固定するダイヤフラム固定板と、
前記ダイヤフラム固定板と一体化され、中性子遮蔽体と当該中性子遮蔽体の内側に内張されたガンマ線遮蔽体とを有する飛行管と
を有し、
前記中性子用ダイヤフラム、及び、前記飛行管の前記中性子遮蔽体にガドリニウム化合物を用い、
前記飛行管の前記ガンマ線遮蔽体にビスマス化合物を用いる
ことを特徴とする中性子及びガンマ線コリメータ。 a neutron diaphragm;
a gamma ray diaphragm;
a diaphragm fixing plate that fixes the neutron diaphragm and the gamma ray diaphragm;
a flight tube integrated with the diaphragm fixing plate, the flight tube having a neutron shield and a gamma ray shield lined inside the neutron shield;
a gadolinium compound is used for the neutron diaphragm and the neutron shield of the flight tube;
A neutron and gamma ray collimator, characterized in that a bismuth compound is used for the gamma ray shielding of the flight tube.
前記ガンマ線用ダイヤフラムに、タングステン又はタングステン化合物又はビスマス化合物を用いる
ことを特徴とする中性子及びガンマ線コリメータ。 2. The neutron and gamma ray collimator of claim 1,
A neutron and gamma ray collimator, characterized in that the gamma ray diaphragm is made of tungsten, a tungsten compound, or a bismuth compound.
前記ガドリニウム化合物は、密度が6.5g/cm3以上で水に溶けないセラミック、あるいは焼結体であり、
当該ガドリニウム化合物は、密度7.4g/cm3の酸化ガドリニウム(Gd2O3)、密度7.09g/cm3のガドリニウムガリウムガーネット(Gd3Ga5O12)、密度7.3g/cm3の酸硫化ガドリニウム(Gd2O2S)、密度6.7g/cm3のケイ酸ガドリニウム(Gd2SiO5)の何れかを母材として、
プラセオジム(Pr)、テルビウム(Tb)、ユーロピウム(Eu)、セリウム(Ce)の少なくとも1種を賦活剤として混ぜた蛍光体材料を用いる
ことを特徴とする中性子及びガンマ線コリメータ。 3. A neutron and gamma ray collimator according to claim 1 or 2,
the gadolinium compound is a ceramic or sintered body that is insoluble in water and has a density of 6.5 g/cm or more ;
The gadolinium compound is a compound having as a base material any one of gadolinium oxide (Gd 2 O 3 ) having a density of 7.4 g/cm 3 , gadolinium gallium garnet (Gd 3 Ga 5 O 12 ) having a density of 7.09 g/cm 3 , gadolinium oxysulfide (Gd 2 O 2 S) having a density of 7.3 g/cm 3 , and gadolinium silicate (Gd 2 SiO 5 ) having a density of 6.7 g/cm 3 .
A neutron and gamma ray collimator using a phosphor material containing at least one of praseodymium (Pr), terbium (Tb), europium (Eu) and cerium (Ce) as an activator.
前記ビスマス化合物に、酸化ビスマス(Bi2O3)、次没食子酸ビスマス(C7H5BiO6)、塩化酸化ビスマス(BiOCl)、次硝酸ビスマス (Bi5O(OH)9(NO3)4)のいずれかを用いる
ことを特徴とする中性子及びガンマ線コリメータ。 3. A neutron and gamma ray collimator according to claim 1 or 2,
A neutron and gamma ray collimator, characterized in that the bismuth compound is any one of bismuth oxide ( Bi2O3 ), bismuth subgallate ( C7H5BiO6 ), bismuth oxychloride (BiOCl), and bismuth subnitrate ( Bi5O (OH) 9 ( NO3 ) 4 ).
前記ダイヤフラム固定板が、中性子遮蔽板と、ガンマ線遮蔽板とを具備する
ことを特徴とする中性子及びガンマ線コリメータ。 3. A neutron and gamma ray collimator according to claim 1 or 2,
A neutron and gamma ray collimator, characterized in that the diaphragm fixing plate comprises a neutron shielding plate and a gamma ray shielding plate.
前記中性子遮蔽板に、ガドリニウム化合物を用いる
ことを特徴とする中性子及びガンマ線コリメータ。 6. A neutron and gamma ray collimator according to claim 5,
A neutron and gamma ray collimator, characterized in that a gadolinium compound is used for the neutron shielding plate.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022099731A JP7788951B2 (en) | 2022-06-21 | 2022-06-21 | Neutron and gamma ray collimators, radiography equipment |
| EP23177560.2A EP4297045B1 (en) | 2022-06-21 | 2023-06-06 | Neutron and gamma-ray collimator and radiography device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022099731A JP7788951B2 (en) | 2022-06-21 | 2022-06-21 | Neutron and gamma ray collimators, radiography equipment |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2024000810A JP2024000810A (en) | 2024-01-09 |
| JP7788951B2 true JP7788951B2 (en) | 2025-12-19 |
Family
ID=86692828
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2022099731A Active JP7788951B2 (en) | 2022-06-21 | 2022-06-21 | Neutron and gamma ray collimators, radiography equipment |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP4297045B1 (en) |
| JP (1) | JP7788951B2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118001622B (en) * | 2024-04-08 | 2024-06-25 | 华硼中子科技(杭州)有限公司 | Normal tissue protection device for BNCT (brain-based cancer therapy) treatment of lung cancer |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008022920A (en) | 2006-07-18 | 2008-02-07 | Hitachi Ltd | Medical device for boron neutron capture therapy |
| JP2011090670A (en) | 2009-09-24 | 2011-05-06 | Terrara Code Research Institute Inc | Rfid tag, tag reader/writer, data management system and data management method |
| CN102324259A (en) | 2011-07-18 | 2012-01-18 | 中国原子能科学研究院 | Neutron Collimator and Neutron Scattering Spectrometer |
| JP2013076693A (en) | 2011-09-14 | 2013-04-25 | Kawahara Technical Research Inc | Radiation shielding material, radiation protection suit, and spacesuit |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4582999A (en) * | 1981-02-23 | 1986-04-15 | Ltv Aerospace And Defense Company | Thermal neutron collimator |
| JP6935878B2 (en) * | 2017-03-27 | 2021-09-15 | 株式会社八神製作所 | Neutron deceleration irradiation device and extended collimator |
-
2022
- 2022-06-21 JP JP2022099731A patent/JP7788951B2/en active Active
-
2023
- 2023-06-06 EP EP23177560.2A patent/EP4297045B1/en active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008022920A (en) | 2006-07-18 | 2008-02-07 | Hitachi Ltd | Medical device for boron neutron capture therapy |
| JP2011090670A (en) | 2009-09-24 | 2011-05-06 | Terrara Code Research Institute Inc | Rfid tag, tag reader/writer, data management system and data management method |
| CN102324259A (en) | 2011-07-18 | 2012-01-18 | 中国原子能科学研究院 | Neutron Collimator and Neutron Scattering Spectrometer |
| JP2013076693A (en) | 2011-09-14 | 2013-04-25 | Kawahara Technical Research Inc | Radiation shielding material, radiation protection suit, and spacesuit |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP4297045B1 (en) | 2024-09-18 |
| JP2024000810A (en) | 2024-01-09 |
| EP4297045A1 (en) | 2023-12-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Hurst et al. | Techniques of measuring neutron spectra with threshold detectors—tissue dose determination | |
| McCall et al. | Transport of accelerator produced neutrons in a concrete room | |
| Shultis et al. | Radiation shielding and radiological protection | |
| Fedorov et al. | Sensitivity of GAGG based scintillation neutron detector with SiPM readout | |
| Hawkesworth et al. | Radiography with neutrons | |
| JP2024170523A (en) | Radiation shielding and radiation shielding structure | |
| JP7788951B2 (en) | Neutron and gamma ray collimators, radiography equipment | |
| Vinayak et al. | Neutron and gamma ray shielding behavior of some low-Z materials using the n-γ reaction | |
| Tochilin et al. | Cyclotron Neutron and γ-Ray Dosimetry for Animal Irradiation Studies | |
| JP2017026563A (en) | Neutron shielding material, method for manufacturing the same, and neutron shielding container | |
| Gupta | Nuclear radiation, ionization, and radioactivity | |
| Elsheikh et al. | Design and optimization of a source (reflector/shielding) performance test system based on (241Am-Be)-paraffin thermal neutron irradiation device | |
| Fantidis et al. | A transportable neutron radiography system | |
| JP3652952B2 (en) | Method and apparatus for nondestructive measurement of atomic number density | |
| Bahran | A new high energy resolution neutron transmission detector at the Gaerttner LINAC Center and isotopic molybdenum total cross section measurements in the keV-region | |
| Wakabayashi et al. | Radiation measurement and application | |
| Tsuchiya et al. | Performance of large volume LaBr3 scintillation detector equipped with specially-designed shield for neutron resonance capture analysis | |
| Tamimi | Evaluation of fast neutron shielding effectiveness in light-element compounds | |
| Sing et al. | Gamma ray spectrum of Am 241 in a backscattering geometry using a high purity germanium detector | |
| Montiel et al. | Thermal neutron flux determination of a 241Am–Be source using cobalt chloride salt as an alternative activation material | |
| Snook et al. | Modeling the Radiation Shielding Effectiveness of Hafnium Diboride Reinforced Epoxy Composite Using Mcnp | |
| Ostromęcka | Ionising Radiation in Non-destructive Testing, Part 1 Types of Radiation used for Radiographic Testing–Basic Properties and Mechanism of Image Recording | |
| Hirayama et al. | Accelerator shielding benchmark problems | |
| Sogbadji | Re-design of irradiation channels in americium-beryllium (AmBe) neutron irradiation facility in NNRI using MCNP | |
| TILAVER | Geant4 Studies On Various Scintillation Detection Systems And Dose Values At Different Radiation Types |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20250122 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20251030 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20251111 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20251209 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7788951 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |