JP-2026077774-A - 重水減速を伴う中性子源および熱中性子イメージングへの適用

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Abstract

【課題】強度問題および解像度問題の両方について、高熱中性子束／ｓ／ｃｍ２を生成する熱中性子イメージング用の新しい熱中性子源または熱中性子発生装置を提供する。【解決手段】本発明は、詳細には、熱中性子イメージング用の熱中性子を発生させるためのデバイスであって、中性子発生装置（２）と、中性子減速材（４）と、減速材からの出口にある熱中性子反射体（６）とを備える、デバイスに関する。【選択図】図１

Inventors

セルジュ・デュアルト・ピント

Assignees

フォトニスフランス

Dates

Publication Date: 20260513
Application Date: 20260213

Claims (20)

熱中性子イメージング用の熱中性子を発生させるためのデバイスであって、高速中性子を生成するための中性子発生装置（２）と、高速中性子から熱中性子を発生させるための中性子減速材（４）と、前記減速材からの出口にある熱中性子反射体（６）とを備える、デバイス。
前記減速材は、重水を含む、請求項１に記載の中性子発生装置。
前記減速材は、２０ｍｍ～８０ｍｍの厚さを有する、請求項１または２に記載の中性子発生装置。
前記反射体は、重水を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の中性子発生装置。
前記反射体は、２ｃｍ～１０ｃｍ厚さを有する、請求項４に記載の中性子発生装置。
前記減速材および前記反射体はどちらも同じ材料で作られる、請求項１に記載の中性子発生装置。
前記減速材および前記反射体はどちらもＨＤＰＥで作られるか、またはＨＤＰＥを含む、請求項６に記載の中性子発生装置。
前記減速材と前記反射体はどちらも重水で作られるか、または重水を含む、請求項１に記載の中性子発生装置。
少なくとも１つのシールド（８、８’、１０）をさらに備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の中性子発生装置。
前記減速材（４）からの前記出口にＸ線フィルタ（１４）をさらに備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の中性子発生装置。
前記フィルタ（１４）は、熱中性子の伝播軸（Ｄ）に沿って測定された２ｍｍ～１０ｍｍの厚さであり、鉛またはビスマスで作られる、請求項１０に記載の中性子発生装置。
直径が０．５ｃｍ～７ｃｍであるピンホール（１２）出口をさらに備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載の中性子発生装置。
１０６ｓ－１ｃｍ－２～１０９ｓ－１ｃｍ－２の出力熱中性子束を有する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の中性子発生装置。
１０７ｓ－１ｃｍ－２～１０８ｓ－１ｃｍ－２の出力熱中性子束を有する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の中性子発生装置。
請求項１から１４のいずれか一項に記載の中性子発生装置と、熱中性子の検出器（２０）とを備える、熱中性子イメージングシステム。
前記検出器は、マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）を備える、請求項１５に記載のイメージングシステム。
前記検出器によって形成される画像を撮像するカメラ（３０）をさらに備える、請求項１５または１６に記載のイメージングシステム。
材料のサンプル（５０）を撮像するためのイメージングプロセスであって、請求項１から１４のいずれか一項に記載の中性子発生装置と検出器（２０）との間に前記サンプル（５０）を位置決めすることと、１０６ｓ－１ｃｍ－２～１０９ｓ－１ｃｍ－２の中性子束を有する熱中性子のビームを発生させることと、前記サンプルを通って移動する熱中性子束を前記中性子検出器（２０）を用いて検出することと、イメージング手段（３０）を用いて前記サンプルの画像を形成することとを含む、イメージングプロセス。
前記サンプル（５０）は、異なる熱中性子減衰係数を有する材料の混合物または組合せを含む、請求項１８に記載のイメージングプロセス。
前記サンプルは、鋼および／または鉄と、ホウ素、リチウム、炭素、プラスチック、金、コバルト、テフロン、アルミニウムのうちの少なくとも１つとの混合物または組合せを含む、請求項１９に記載のイメージングプロセス。

Description

本発明は、特に熱中性子イメージング用途のための熱中性子源に関する。本発明はまた、熱中性子イメージングシステムおよび熱中性子イメージング方法に関する。中性子イメージングが知られているが、中性子イメージングは、粒子加速器のような大型施設の使用を伴う。可搬中性子源が知られており、中性子発生装置と減速材４とを備え、減速材４は通常、ＨＤＰＥで作られる。既存の可搬中性子源は、熱中性子イメージングを実行するのに十分な熱中性子束を提供しない。通常、中性子源は、強度（１秒（ｓ－１）で生成される中性子の数）に関して評価されるが、中性子イメージングによって必要とされる中性子束（１秒（ｓ－１）および１表面単位（ｓ－１ｃｍ－２）で生成される中性子の数）に関しては評価されない。本発明による中性子発生装置を示す図である。本発明の一態様による組み合わされた減速材および反射体を備える本発明による中性子発生装置を示す図である。ＨＤＰＥ減速材（反射体なし）についての中性子束に対する、反射体厚さに応じた相対熱中性子束を与える曲線を示す図である。減速材と反射体の両方に使用される異なる材料を用いて得られる相対熱中性子束を示す図である。本発明による中性子発生装置と、検出器と、イメージング手段とを備えるイメージングシステムを示す図である。ＣＰＵ冷却デバイスを示す図である。ＣＰＵ冷却デバイスの熱中性子画像を示す図である。ペンの熱中性子画像を示す図である。イメージングデバイスについての本発明による熱中性子源または発生装置１の一例が図１に示されている。熱中性子源または発生装置１は、中性子を発生させるための中性子発生装置２を備え、中性子の大部分は高速中性子であり、中性子は、次いで、減速材４によって熱運動化される。より正確に言えば、中性子発生装置２は、重水源または重水素－トリチウム源からイオンを生成するためにイオン発生装置、たとえば、マイクロ波発生装置を備える。発生装置は、たとえばチタンまたはチタン合金で作られた標的２２に向かってイオンを加速するために加速部分をさらに有する。そのような発生装置は、原子炉内で起こる反応である核分裂からではなく、核融合反応から中性子ビームを生成する。本発明は、イメージングを実施するためのものであり、中性子源１によって生成される熱中性子（１ｅＶを下回り、たとえば、約２５ｍｅＶのエネルギーを有する）のビームは、好ましくは減速材の出口において１０６ｓ－１ｃｍ－２または１０７ｓ－１ｃｍ－２～１０８ｓ－１ｃｍ－２または１０９ｓ－１ｃｍ－２である中性子束を有する。できるだけ多くの熱中性子を収集するために。減速材の出口に反射体６が位置しており、それによって、検出器の方向に移動することも、または方向Ｄ（ビーム軸）に沿って移動することもない熱中性子が、場合によっては、検出器を向いた方向Ｄに散乱させられ得るかまたは反射され得る。いくつかの高エネルギー中性子はまた、熱運動化されずに標的から逃げることがあり、反射体６によって熱運動化され得るが、反射体の必須の効果は熱中性子に対する効果である。減速材および反射体は、同じ材料、たとえば、ＨＤＰＥまたは重水で作られ得る。反射体６は、たとえば、リングの形状を有することができ、減速材からの出口４１に揃えられた中央穴６１を備える。反射体６は、サンプルに向かう中性子のビーム軸Ｄに沿って、材料に応じて２ｃｍまたは３ｃｍ～１０ｃｍまたは１５ｃｍに含まれる延長部を有する。中性子は、標的２２から生成され、次いで減速材４によって減速され、それによって、基本的に熱中性子を生成する。熱中性子は減速材から漏れ出して反射体６に入る。熱中性子束は、ビーム軸Ｄの方向に移動し、したがって、反射体と相互作用しないが、方向Ｄに移動しない熱中性子の一部は、反射体６によって反射されるかまたは散乱させられ、次いで方向Ｄに移動する。以下に図３に関連して説明するように、反射体６に起因する中性子束の増加は、顕著なものになり得る。発生装置は、たとえば、場合によっては数％、たとえば５％のホウ素を含む高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）で作られたシールド８、８’に収容され得る。反射体６の少なくとも一部は、シールド８の少なくとも一部に作られた開口８１内および／または減速材の一部に作られた開口８３内に位置決めされ得る。ガンマ放射を停止するためのさらなるシールド１０を追加することが可能であり、このさらなるシールドは、鉛で作られ得る。シールド１０は、反射体の穴６１に揃えられた穴１０１を備える。反射体から下流側、たとえば、反射体の出口とさらなるシールド１０との間にピンホール１２が位置決めされ得る。ピンホール１２は、反射体の穴６１に揃えられる。ピンホール１２の直径は、たとえば、１ｃｍ～５ｃｍに含まれる。ピンホールは、好ましくは反射体の前面６３にわたって延びる１つの材料に作られ（たとえば、図１のピンホールの延長部１２’を参照されたい）、それによって、前記前面６３から中性子が漏れ出すことはなく、したがって、調査されるサンプル材料に向かって移動する中性子は、ビーム軸Ｄに沿ってピンホールの穴を通って移動するか、またはビーム軸Ｄに近い方向に沿ってピンホールの穴を通って移動する。ピンホール１２は、サンプルに向けられていない熱中性子またはサンプルに向けられているが、穴６１の出口を通って反射体から漏れ出ない中性子を吸収することができる。ピンホール１２は、たとえば、ホウ素で作ることができる。Ｘ線を停止させるためにフィルタ１４が使用され得、フィルタ１４は、ビスマスまたは鉛で作られ得る。フィルタ１４は、厚さが数ｍｍであり、さらなるシールド１０に接触してデバイスの出口に位置することができる。図１では、反射体６および減速材４は異なる部片である。図２に示されている、本発明による中性子源１’の別の実施形態では、反射体６が減速材４と組み合わされ、どちらも同じ材料で作られている。すでに上記で説明したように、サンプルに向かう中性子のビーム軸Ｄに沿った反射体の延長部は、数ｃｍであり、２ｃｍまたは３ｃｍ～１０ｃｍまたは１５ｃｍに含まれる。図３は、シミュレーションによって得られ、様々な構成（減速材と反射体がどちらもＨＤＰＥで作られた構成、減速材と反射体がどちらも重水で作られた構成、減速材がＨＤＰＥで作られ、反射体が重水で作られた構成）について反射体厚さに従って検出器入口において測定された相対熱中性子束（ｓ－１ｃｍ－２単位）を与える曲線を示す。中性子束は、ＨＤＰＥ減速材を用いて反射体を用いずに得られる中性子束に対するものである。これらの曲線は、反射体６が中性子束に有意に寄与し、３ｃｍまたは５ｃｍ～７ｃｍまたは１０ｃｍに含まれる、反射体の長さｌ（発生装置のビーム軸に沿って測定される）について最適な範囲があることを示す。１０ｃｍまたは１５ｃｍを上回ると、反射体の効率が低下する。異なる曲線は、類似した一般的形状を有するが、どちらも重水で作られた減速材と反射体の組合せは通常、ＨＤＰＥ減速材とＨＤＰＥ反射体の組合せよりも短い最適範囲を有する（最適厚さ範囲は２ｃｍ～８ｃｍ）。これらの曲線から理解できるように、反射体は、出力中性子束を少なくとも３０％～７０％改善し、重水反射体は、より高い改善率、たとえば、４０％～８０％をもたらす。どちらも重水で作られた減速材と反射体の組合せは特に効率的である。本発明は、たとえば、金属とホウ素またはリチウムまたはプラスチックとの組合せを含む複合部品の非破壊イメージングに特によく適している。たとえば、ステンレス鋼および鉄（Ｆｅ）は、熱中性子減衰係数が約１ｃｍ－１であり、減衰係数は、ホウ素については約９９ｃｍ－１であり、プラスチック（ポリエチレン、ＰＥ）については６～７ｃｍ－１であり、金については約６．３ｃｍ－１であり、コバルトについては約３．９ｃｍ－１であり、銅（Ｃｕ）については約１ｃｍ－１である。これらおよび他の材料の熱中性子減衰係数を以下のｔａｂｌｅＩ（表１）に示す。炭素繊維は、熱中性子減衰係数が約０．５ｃｍ－１であり、テフロン、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３は、係数が約０．４ｃｍ－１であり、これらの材料のうちのいずれかに埋め込まれた水素または含水素物質を熱中性子画像上に見ることができる。アルミニウム（Ａｌ）は、熱中性子減衰係数が非常に低く約０．１ｃｍ－１であり、これは、鋼もしくは鉄もしくはＣｕもしくは炭素繊維、またはプラスチック、もしくはホウ素、もしくはＣｏ、もしくはＡｕ、もしくはＬｉの熱中性子減衰係数よりもずっと小さく、熱中性子イメージングによってＡｌとこれらの材料のいずれかとの大きな対比が可能となる。上記の表は、Ｌｉ、Ｂ、ＣｄおよびＧｄのうちの少なくとも１つを含む材料が、熱中性子イメージングについて特に興味深い材料であり得ることを示す。ＬｉおよびＣｄは、たとえば、バッテリに見受けられ、したがって、持続可能な技術のための研究に関連する。Ｇｄは、溶解させて造影剤として使用してセラミック材料における欠陥を強調することができ、別の用途では、Ｇｄは、接着剤と他の材料との対比を際立たせるために接着剤と混合されるかまたは接着剤中に混入され得る。前記接着剤で接着された２つの部品、たとえば、２つの金属部品の組立て品質は、特にＧｄが接着剤に付加される場合、本発明による中性子イメージングによって検査され得る。すでに説明したように、本発明は特に、セラミックまたは金属部品内、たとえば、エンジンもしくは弁、または航空機もしくは車両（自動車、トラック）もしくは機械の部品、またはエアバッグ内の流体または液体、たとえば、油もしくは潤滑油もしくは水など、またはプラスチック（ＰＥ）もしくは有機材料、または水素もしくは含水素物質を含む材料、たとえばゴムなどの、材料または化合物を撮像または視覚化するように適応される。本発明はまた、特に、タービンブレードのような、たとえば鋳造による部片を製造した後の残留物、たとえば、有機またはセラミック材料、たとえば、エアバッグまたは金属もしくはセラミック部片のような、部片または部品内部の１つまたは複数のゴムリングの有無または位置を撮像または視覚化するように適応される。より一般的には、本発明はまた、特に、熱中性子減衰係数が０．５ｃｍ－１未満または０．２ｃｍ－１未満である材料、たとえば、アルミニウムまたは半導体材料、特にシリコン（Ｓｉ）中に、熱中性子減衰係数が１ｃｍ－１よりも高い少なくとも１つの材料、たとえば、水またはＰＥまたはＣｏまたはＡｕ、もしくはＢ、もしくはＮｉ、もしくはＦｅを含むサンプルを撮像または視覚化するように適応される。図４は、（Ｄ軸に沿って測定された）減速材厚さに応じた、減速材４に使用される異なる材料（重水（曲線Ｉ）、ポリエチレン（曲線ＩＩ）、軽水（曲線ＩＩＩ））についてのシミュレーションによって得られた熱中性子束を示す。減速材の厚さ（２～６ｃｍ、最適な範囲は、ＨＤＰＥの場合は５ｃｍ～７ｃｍであり、軽水の場合は６ｃｍ～８ｃｍである）が小さいほど重水の効率が高くなることは明らかである。本発明によるイメージングデバイス用の検出器は、最も好ましくはマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）検出器である。ＭＣＰ検出器は、良好な解像度および合理的な曝露時間（たとえば、熱中性子束に応じて１時間～５分）の両方であるサンプルを撮像することを可能にする。ＭＣＰは、たとえばＦＲ２９２５２１８に開示されている。ＭＣＰは、特に非常に高い検出効率を有し、それによって、本発明による発生装置によって生成される、原子炉と比較してより低い中性子束に非常にうまく適応される。図５は、本発明による中性子発生装置、およびマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）検出器２０を示し、ＭＣＰ検出器２０は、カメラ３０および場合によってはレンズ４０と組み合わされ得る。サンプル