本発明は、検出位置を感知する高速中性子検出器に関する。

放射線感知の科学及び技術は1世紀に渡って発展してきている一方で、入射する放射線、特に中性子放射の方向を明確にするという当技術分野で良く了解された需要がある。特に、安全な距離から、特定核物質(special nuclear materials:SNMs)を確実に高速検出し、特定し、位置を決定することが現在は不可能であるという重大なギャップが存在する。

ウランやプルトニウムなどの元素は、自発核分裂及び誘発核分裂を介して中性子を放出する。ガンマ線などの、SNMsによって生じるその他の形態の放射線と異なり、これらの貫通する中性子放出は、SNMsを検出し、SNMsをCo/Cs、汚染された医療廃棄物またはカリウムを含む食品などのその他の放射性物質から区別するのに用いることができる、核分裂性の/核分裂可能な材料の特有の特徴を有する。

当技術分野において、改善された検出速度を有する方向性中性子検出の必要性が存在する。好適にそのような測定を可能とするデバイスは、背景放射線効果を抑制することもまた可能であるべきであり、またSNM中性子線源それ自体の組成の特定を可能とすべきである。

入射中性子放射の線源の方向を決定するための中性子検出システムが開示される。

本システムは、少なくとも1つのマイクロプロセッサ及び入射放射線を検出するための液体充填チャンバーを含む。チャンバーは、チャンバー内の泡の位置を検出するための複数の検出トランスデューサを有して構成可能である。チャンバーはまた、チャンバー内の液体内の音響的に張力を印加された準安定状態を確立するための音響トランスデューサを有して構成可能である。検出トランスデューサはチャンバーを有して構成可能であり、これらはチャンバー内の泡からの信号を受け取り、次いでそれらをさらなる処理のためにマイクロプロセッサに伝達することが可能である。検出された信号は、マイクロプロセッサがチャンバー内に形成した泡の位置及び/または形状を決定することができるのに十分である。代替的に、センサは泡の内破及び崩壊において発生する光信号を検出することができる。マイクロプロセッサは、チャンバー内の泡の3次元的な位置または形状を決定するためのアルゴリズムを有して構成可能である。

音響トランスデューサはチャンバー内の液体内へ音波を導入するためのチャンバーを有して構成可能である。音波は、泡が入射中性子放射への暴露によって形成するように、液体中に音響準安定状態を生じさせるのに十分でなければならない。音響準安定状態は、マイクロプロセッサからの信号及びある実施形態においては増幅器からの信号に応答して導入されることができる。システムはまた、もし存在するならば泡の信号から入射中性子放射の線源の方向を特定することができるマイクロプロセッサを含む。

一実施形態において、入射中性子放射の線源の方向を特定するためのマイクロプロセッサは、チャンバーの液体を通して泡のトレースを決定することができ、泡の発端は中性子放射の線源の方向を示す。代替的な実施形態において、入射中性子放射の線源の方向を特定するためのマイクロプロセッサは、チャンバー液体中の泡事象の密度を決定することができ、勾配のより密度の高い部分は中性子放射の線源の方向である。

一実施形態において、請求項1の中性子検出システムは、3次元における中性子線源の方向を得ること容易にすることができる球状である。一実施形態において、中性子検出システムは、3次元の方向の情報を容易に得るために、少なくとも2つの、半球で蓋をされた円筒形のチャンバーを含む。

一実施形態において、システムは、音響信号を音響トランスデューサに送信するための線形増幅器を含むことができ、信号はチャンバー内の液体に関してサイン音波であることができる。

システムは、チャンバー内の液体に張力を導入する音響音波を印加することによって入射する放射の方向を決定するのに用いることができ、入射中性子放射は液体内に泡の形成を引き起こす。泡は次いで検出トランスデューサによって検出され、検出トランスデューサは信号をマイクロプロセッサに伝達し、次いでマイクロプロセッサは領域内の中性子放出放射源の線源の方向を決定する。複数のシステムまたは検出チャンバーが、方向の情報を得ることを容易にするために使用可能である。チャンバー内の液体内に形成された任意の泡から検出可能である信号は、崩壊する泡から放出される光信号を含み、泡の形状は細長くされ、放射線源から離れる方向に動く傾向にあり、泡の破壊によって可聴音が発生される。これらの信号は、マイクロプロセッサによって処理されて、中性子放射線源の方向を提供することができる。

開示されるシステムは、ほぼ完全にまたは完全にガンマ光子に対して、及び背景宇宙放射線に対して感度がない。このシステムは、エネルギーにおいて8桁の大きさに渡る中性子を検出するために使用することができ、チャンバー内に含まれる液体を冷却及び加熱する必要がない。

ATMFD検出器の1つの実施形態の図を示す。

オシロスコープ上での4つのトランスデューサからの信号検出を示す。

検出器における任意の位置から検出器の壁までの、2次元極座標系における距離を計算するために使用することができる幾何学的構成の概略図を示す。

ATMFDから角度0°及び80cmの距離に配置された2×10

⁶n/秒を放出する1CiのPu−Be同位体中性子−ガンマ線源に関する理論的データ及び実験データを示す。

検出された中性子の数及び収集時間の関数としてのATMFDの角度分解能を示す。

−21.9°の角度及び43cmに位置する中性子線源に関する実験データ及び理論データを示す。

張力のレベルが3.5バールよりも低い検出器液体の領域として画定される検出器液体の局所的な有感体積を示す。

検出された中性子の関数としての方向性ATMFDシステムの性能を示す。

18.78kHzの共振周波数におけるPZTに印加された駆動電力の違いとチャンバーの有感体積の空間的特性との間の関係を視覚的に表す。

有感体積の半径が増加するにつれて、記録される中性子検出事象の総数が同じ場合に角度分解能が急速に0°における可能な最大角度分解能に到達することを示す。

線源の中性子の数が同じである場合に増大した効率とATMFDチャンバーにおいて記録された検出事象の数との間の関係を示す。

2つのATMFD検出器を用いるシミュレートされた2次元検出の結果を示す。

2つのATMFD検出器を用いるシミュレートされた2次元検出の結果を示す。

4π方向性を達成するための2つの円筒形ATMFD要素の配向の図である。

4π検出器において用いるための球状ATMFDシステムの概略図である。

4π球状ATMFDにおいて使用される4π座標系の3次元図を示す。

本明細書において使用される略称は以下の通りである。

ATMFDは、音響張力準安定液体検出器(Acoustically Tensioned Metastable Fluid Detector)である。

SNMsは、特定核物質(special nuclear materials)である。

RTVは、室温加硫(room temperature vulcanization)である。

MCNPは、モンテカルロ核粒子輸送コード(Monte Carlo nuclear particle transport code)である。

PZTsは、圧電トランスデューサ(piezoelectric transducers)である。

C.L.は、信頼限界(Confidence Limit)である。

入射する放射の方向を決定することができる中性子検出システムが開示される。開示されるシステムは、安全な距離において特定核物質(SNMs)の問題のある量について短時間かつ信頼性ある検出及び特定ができる能力を有する。具体的には、自発核分裂及び誘発核分裂を介して中性子を放出するウランやプルトニウムなどの元素が検出可能である。ガンマ線のようなSNMsによって発生するその他の形態の放射線とは異なり、これらの貫通する中性子放出は、検出可能でありコバルト/セシウム、汚染された医療廃棄物またはカリウムを含む食品などのその他の放射線発生源からは区別可能である核分裂性/核分裂可能な材料の特有の特徴を有する。

開示された方向性放射検出器システムは、既知の近接探索デバイスと比較して改善された検出速度を提供する。これらはまた背景放射線効果の抑制に関して最も優れた手段を提供し、SNM中性子線源それ自体の組成を特定するのに使用可能である。

1つの実施形態において、方向性中性子検出器システムは、音響張力準安定液体検出器(ATMFD)である。このシステムにおいて、単一のATMFDが、90%を超える固有効率でエネルギーについて8桁以上に渡って中性子を検出する能力を有することが示された。特定の実施形態は、ガンマ光子及び中性子でない宇宙背景放射線に対してほぼ完全にまたは完全に感度を有することなく動作し、高速中性子放出線源の位置についての方向性情報を提供するために使用可能である。これは、その他の既知の検出システムに対して顕著なコストの低減を有して達成される。

ATMFDシステムは、検出器チャンバー内の液体に張力を導入する音波を用いる。適切な検出チャンバーは、2次元または3次元において信号を提供することができる。ATMFDチャンバーは、本明細書で説明される方向性情報を提供できる能力を有する限り、いかなる適切な形状であることもできる。例えば、図1に示されるように、チャンバーの端部は半球であり、チャンバーの胴体部は円筒であることができる。代替的に、チャンバーは球形であることができる。

複数のチャンバーが、入射中性子放射の線源について3次元方向性情報を提供するために使用可能である。球形検出器も、3次元情報を得るために使用可能である。

チャンバー液体が、使用に関して室温でまたは室温に近い温度であることができる。しかしながら、検出器内の泡事象が所望の方向性情報を得るために十分頻繁に発生する限り、いかなる温度も用いることができる。従って、凍結点よりも高く沸点よりも低い温度も想定される。

チャンバー液体における張力を印加された準安定状態の導入は、液体内に準安定状態を生じ、入射する電離性の中性子放射が液体内を通過すると、過渡的な泡を形成することができる。液体内の張力は、固体構造の引張と類似していると考えられる。構造が引っ張られると、分子間結合を引き離して固体を破壊するのに必要な過剰エネルギーが減少する。同様に、張力の増加に伴い、液体分子間の結合を破壊するのに必要なエネルギーが減少し、それによって適切なエネルギーの放射が液体中の原子核に衝突すると泡を形成することができると考えられる。高速中性子の場合、このエネルギーは中性子と液体中の原子核との間の弾性散乱相互作用を介して提供されると考えられる。中性子によって、液体原子の反跳原子核に付与されるエネルギーは、電離した粒子を発生させると考えられ、次いで電離した粒子は液体中にクーロン相互作用及び原子核衝突相互作用を介してエネルギーを付与すると考えられる。反跳イオンからのエネルギーの付与は、数ナノメートルに渡って付与される熱エネルギーになり、蒸気ポケットを形成すると考えられる。このエネルギーが付与される範囲は、液体内の反跳イオンの阻止能に依存すると考えられる。熱エネルギーの付与が、十分な大きさの蒸気核を発生させるのに十分高い場合、核はナノスケールから成長し続けて、可視性であり音を聞くこともできる過渡的な蒸気の泡になるであろう。従って、音響張力準安定液体検出器における放射線の検出の選択的な感度は、液体内に引き起こされた張力のレベルと、与えられた入射電離性放射から直接または間接的に作り出された空間エネルギー付与(dE/dx)の値の組み合わせに基づくと考えられる。

方向性音響張力準安定液体検出器 音響張力準安定液体検出器チャンバーは、入射する放射線の発生及び方向を信頼性良く測定可能ないかなる適切な大きさ及び寸法であることもできる。例えば、円筒形状のチューブ内で、約70mmの外径及び150mmの長さを有し、約3mmの厚さの壁を有するチャンバーが使用可能である。より大きな、またはより小さなチャンバーも使用可能である。例えば、チャンバーは、直径約10mmから直径約5から10cmの大きさの範囲であることができ、またはそれより大きなものが使用可能であり、チャンバーは長さ約10mmから長さ約15cmまたはそれより長いものであることができる。実際には使用可能なチャンバーに大きさの制限は存在しない。内部の液体内に張力を印加された準安定状態を導入し、入射中性子放射に対して泡の形成を検出する能力を導入することが可能である必要性によって制限されるのみである。

ATMFDは、本明細書で説明されるような方向性情報を提供することができる限りにおいていかなる適切な形状であることもできる。例えば図1に示されるようにチャンバーの端部は半球形であることができ、チャンバーの胴体部は円筒形であることができ、または球形であることができる。

端部は、適切な張力を有する液体を発生させることが可能な任意の方法によって円筒に取り付けられることもできる。例えば、室温加硫(以下「RTV」)シリコーンが使用可能である。しかしながら、溶融ガラス及びセラミックまたは金属構造もまた使用可能である。ATMFDの1つの実施形態の概略が図1に示される。

チャンバーは、チャンバー内で使用される真空に耐えることができ、チャンバー内に音響定在波及び音響的に張力を印加された液体に適合できるいかなる材料から形成されることもできる。そのような材料の1つは石英である。共振モードにおける音響エネルギーは、液体で満たされたチャンバーの反対側の端部に配置された中空石英反射体を用いて集束可能である。石英が使用可能であるが、十分な強度及び応答特性を有するいかなる材料も、入射中性子放射を遮蔽しない限り音響的に張力を印加された液体を収容するために使用可能である。

音響波、好適には定在波を導入するためのデバイスは、チャンバー液体が張力を印加された準安定状態に到達するようにチャンバーに取り付けられまたは配置されることができる。このことは、音響音波がチャンバーのウォークを通して検出器液体内に伝搬されるように外部表面に1つ以上の音響トランスデューサを配置することによって達成可能である。トランスデューサがチャンバーの液体内に音響波を与えることができ、音響共振チャンバーにエネルギーを与えるために用いられるいかなる方法によっても、チャンバーの外部に同心上に取り付けられることができるリング形状の圧電セラミックトランスデューサのようなトランスデューサであることができる。線形増幅器によって増幅されたサイン信号が、トランスデューサを駆動するために使用可能である。信号は、半径方向に分極されることが可能である。共振状態にあるとき、約20kHzにおいてチャンバーの機械的な変形が正及び負(すなわち真空以下または0より低い)圧力の振動からなる定在音響波を発生する。液体分子が張力化にある間、状態は準安定となり、このとき中性子が直接衝突すると、監視可能な検出可能な信号を発生する過渡的な泡を核形成することができる。

一実施形態において、検出器は約99.9%の純度のアセトン(C₃H₆O)で満たされることができる。しかしながら、入射中性子放射に対して泡を発生させるのに十分な張力下に置くことができるいかなる液体も使用可能である。検出器チャンバーは、約25℃に保たれて使用され、真空度が500mmHgよりも低い状態におかれることができる。チャンバーは、Agilentの33120Aのような波形発生器及びPiezo Systems Inc.のEPA−104のような線形増幅器で作動することが可能である。検出器の共振周波数は、いかなる従来の方法によって見つけることもできる。上述の検出器に関して、共振周波数は約18.3kHzであり、使用される駆動電圧は約4.5Wの平均入力電流に対して約96Vであった。Agilentの54624Aのようなデジタルストレージオシロスコープが、中性子検出事象、すなわち泡の内破に続いて直ちに発生する、蓄積されたエネルギーの激しい解放によって引き起こされる衝撃トレースを記録するために使用可能である。

トランスデューサは泡の位置を検出するために使用可能である。例えば、4つのMHz応答圧電トランスデューサが、泡によって引き起こされる衝撃トレースを記録するために、共振チャンバーの外側に取り付けられることができる。泡事象を検出することが可能である限り、いかなるトランスデューサも使用可能である。例えば、7mmのODトランスデューサが使用可能である。圧電トランスデューサから記録される電気的信号は支配的な音響駆動周波数を除去するためのフィルタを通して伝達されることができ、従って方向性の決定のための高周波成分を分離する。例えば3次バターワースハイパスフィルタを使用することができる。実際の信号検出の例が、図2に示されるオシロスコープのトレースに示される。

4つのトランスデューサを有する実施形態において、トランスデューサのうち3つは同一のXY面上で互いに角度をつけて配置されることができる。4つ目のトランスデューサはZ軸に変位して配置されることができる。各トランスデューサにおける衝撃トレースの到達の時間差が測定され、双曲線位置決定アルゴリズムでプログラムされたマイクロプロセッサで分析されて、検出器チャンバーの中性子検出事象の正確な三次元的位置が計算されることができる。

到達時間差の信頼性があり正確な測定は、2つの統計的アルゴリズムを用いて達成することが可能である。第1のカットは衝撃の信号の対称性または歪度の測定に基づいている。各衝撃信号は区別可能な対称性の高周波数(約250kHz)サインパルス形状を示す。歪度の閾レベルは、機械的ノイズ及び電気的ノイズの両方に起因する偽陽性を除去するために利用される。第二のアルゴリズムは、2つの衝撃信号の間の相互相関に基づく。同一の検出事象(すなわち特定の内破する泡)に起因する衝撃信号は、同様の過渡的な履歴を導入するために発見されたものであり、各トランスデューサにおける同様の電圧時間パターンを示す。2つのトランスデューサの間の相互相関の測定によって、トランスデューサ間の到達時間差の正確な測定と共に、真の検出事象の検証が可能となる。データ取得システムによるエラー分析が、約100μmの空間分解能で中性子検出事象の位置を特定するのに使用可能である。オシロスコープ、データ収集、信号処理及び分析の制御された動作は、リアルタイムに近い状態で(すなわち、数ミリ秒以内で)LabVIEW(登録商標)に基づくマイクロプロセッサで実施される。マイクロプロセッサに基づくデータ収集は、GPIBインターフェースを用いるNational Instrumentsの型番777158−01などのストレージオシロスコープで可能となる。そのようなシステムは、その制限のために約3Hzにデータ収集を制限する。しかしながら、PCI系アナログデータ収集システムを統合することができ、リアルタイムに近い状態までデータ収集速度を容易にかつ顕著に増大させることができる、その他のより強力なシステムが想定される。

入射放射線の方向性の確定 方向性の情報は、中性子で誘発された検出事象が線源に最も近い有感液体体積の領域内で発生する確率が増加するため、ATMFDシステムで得ることができる。中性子で誘発された検出事象が発生する確率は、検出液体内の負の圧力及び中性子束の関数である。円筒状ATMFD共振チャンバーの構築の主として軸対象の特性により、中性子検出事象の確率は中性子束のみの関数として扱うことにより簡略化できる。中性子検出事象の確率の負の圧力に対する依存性を切り離すことにより、単に中性子束の大きさ及びエネルギーのみに基づいた平面(すなわち2π)での中性子線源の位置の方向性の情報を提供するように定量化できる。

極及び方位角の両方について対称性を示す、球状ATMFDシステムもまた想定される。そのようなシステムの対照的な構築は、中性子検出の事象の確率を負の圧力の依存から切り離すことを提供し、それによって方向性の情報(すなわち、4πにおける)の生成を容易にする。

線源からの中性子束は、距離並びに下方散乱及び吸収の程度とともに減少するため、線源に最も近い有感体積の側部は、本質的に相互作用位置の最も高い確率を有し、従って、増加した数の過渡的な泡を形成する。検出器内部のこれらの事象の位置を検出することにより、中性子線源の方向についての情報の確定を提供する。単純な1Dモデルは、外部中性子線源の位置についての方向性の情報を確定するためのATMFDシステムの働きを示しており、以下の節で説明される。

単純化された1D理論モデル ATMFDの有感体積内の中性子束は中性子線源とATMFDとの間の立体角並びに検出器液体それ自体の中の中性子の吸収及び下方散乱の両方の関数である。中性子線源とATMFDの有感体積との間の立体角の効果は、検出器の反対側における中性子束と比較することにより定量化可能である。ATMFDの有感体積は、検出器の中心における半径rの円筒として表されうる。このとき有感体積全体は2つの半分の部分に分割可能である。中性子線源に面する一方の半分(V₁)及び中性子線源から離れる方向に面する一方の半分(V₂)である。それぞれの各体積の中心において局所的な有感体積のそれぞれにおける平均中性子束が生じると仮定すると、中性子線源の方向は、それぞれの各体積における中性子束を比較することによって、以下のように決定されうる。

ここで、Rは中性子線源とATMFDチャンバーの中心との間の距離として定義される。

中性子線源の検出器までの距離が大きいと、立体角に基づく中性子束の比は急速に減少し、R→∞において中性子束の比はφ₁/φ₂→1となる。従って、立体角効果のみに依存する検出器は、実際に関心のあるほとんどの場合に関して方向性の決定のための有用性を失うこととなる。幸運なことに、検出器液体それ自体の下方散乱の寄与も、ATMFDの方向性の能力に寄与する。

張力を印加された準安定状態の液体における分子の相変化のきっかけとなるために必要な過剰なエネルギーは、高速中性子と原子核との間の弾性散乱相互作用を介して提供される。中性子によって付与されるエネルギーは、散乱角(これはエネルギーに依存しない)だけでなく、重要なことには、初期中性子エネルギーそれ自体にも依存する。従って、高速中性子の検出の確率は、第一に中性子のエネルギーに比例する。単純化された1Dモデルに関して、衝突しない中性子の強度のみが考慮される。前述のように、ATMFDの有感体積は検出器の中心線に沿った半径rの円筒としてモデル化され、表されうる。このとき、全有感体積は2つの半分の部分に分割される。半分の一方は中性子線源に面し(V₁)、半分の他方は中性子線源から離れる方向に面する(V₂)。指数減衰法則を利用すると、各局所的な有感体積内の衝突しない中性子の強度の平均は、それぞれの各体積における衝突していない中性子強度の平均との差を比較することによって中性子線源の方向を決定するために計算することができ、以下の通りとなる。

ここで、dは検出器の直径であり、Σは巨視的散乱断面積である。

衝突しない中性子強度における下方散乱の効果及びそれゆえ利用可能な方向性情報の量は、巨視的散乱断面積及び有感体積の半径の両方に指数的に相関する。本明細書で示される簡略化された1D理論モデルは、2πの方向性を確定するために構築されたより精密な確率論的モデルの基礎を形成する。

2πの方向性の確定 1D理論モデルと類似して、中性子減衰法則は、検出された中性子が、検出位置に基づいて任意の所定の方向から来たものである確率を見積もるために利用されうる。このことは、中性子が、相互作用せずに検出器液体内で距離dを移動し、次いでδdの距離内で相互作用する確率Pをまず考慮することによって達成することができ、以下のようになる。

検出器内の任意の位置から検出器の壁までの距離は、図3に示された2D極座標系において定義されるように、以下のように計算されてもよい。

余弦定理から、

変形して、以下の形の変数dからなる2次方程式を得る。

これを解いて、dについて以下の数式を得る。

r

従って、中性子が方向θから来て位置(r,θ0)で相互作用した確率は以下で与えられる。

ここで、δdは、上述の検出器に関して約0.1mmの検出器の空間分解能であり、検出器は外径約70mm及び長さ150mmを有する円筒形チューブであって約3mmの厚さの壁を有するチャンバーを有する。

個別の中性子検出事象の確率分布はそれぞれ、合成台形公式から数値積分によって規格化される。次いで、n回の検出事象の確率分布は、個別の検出事象全ての確率分布の総乗として計算され、以下の数式のようになる。

全角度確率分布は、合成台形公式を用いて数値積分することにより規格化することができる。次いで、放射線源は、最も可能性のある角度に配置されるように決定されることができ、必要に応じて信頼性レベルが全角度確率分布の数値積分によって計算可能である。

中性子の方向性に関するATMFD実験 実験データは、2×10⁶n/秒を放出し、角度0°、距離80cmに置かれた1CiのPu−Be同位体中性子ガンマ線源で取得された。これによって、1秒当たり5から10の過渡的な泡が形成される結果を得た。約10分間に(前述の3Hzの装置を用いて)記録されたデータは、約2000の有効な検出事象を収集する結果となった。実験データの分析は、中性子線源をオフセット角度−2.0°に配置することを決定し、これはATMFDのガラス部材の非対称性に起因するバイアスに対応するが、それにもかかわらず68%の信頼性レベルで±8.1°、95%の信頼性レベルで±16.2°の角度分解能であった。結果は図4にグラフとして示されている。

この実験において、ATMFDシステムは、約2000検出事象の収集で、1CiのPu−Be中性子線源を80cmの距離において68%の信頼性で8.1°の範囲内に位置決定することができた。この検出事象は、1秒間に約10の実際的な発生率で約200秒で収集することができた。このことは、非画像化検出器と比較したときに、探索空間において約22フォルドの実質的な減少を表す。了解されるように、ATMFDシステムで達成可能な角度分解能は、中性子検出事象の数が増加するにつれて顕著に増加する。これは、図5に示されており、ATMFDの角度分解能は検出された中性子の数及び収集時間の関数として示される。例えば、10秒及び約100中性子検出事象の収集では、探索空間は6分の1だけすでに減少している。

AMTFDシステムの半径対称性が全ての角度においてより均一な分解能となるか否かをテストするために、検出器は−180°、−90°及び90°の角度で中性子線源を位置決定するために使用された。予測されたように、角度分解能は均一であり線源の配置に対して独立であることが分かった。

方向性ATMFDシステムの未知の位置における中性子線源を位置決定する能力をテストするために、Pu−Be線源がブラインドテストにおいて3つの段ボール箱の1つの中に隠された。前述のように、約10分間に記録されたデータは、約2000中性子検出事象を収集する結果となった。実験データの分析からは、中性子線源は68%の信頼性レベルで±9.9°、95%の信頼性レベルで±19.6°の角度分解能で−21.9°の角度に位置することが予測された。結果は図6に示されている。Pu−Be線源は実際には−25°の角度で43cmの距離に配置されており、予測された−21.9°の方向の68%信頼性レベルの範囲内に十分にある。

中性子の方向性決定のためのATMFDシステムのMCNP−PoliMiシミュレーション 3−Dモンテカルロ中性子輸送モデルも、ATMFDシステムの方向性能力をさらに調査するために開発された。米国エネルギー省に支援されたモンテカルロ核粒子輸送コード、MCNPが、ATMFDの有感3次元体積に渡る中性子輸送及びエネルギースペクトルに影響を与える、空間依存及びエネルギー依存する物理的側面を評価するのに利用された。モデルは、ATMFDの共振チャンバー及びチャンバーの中心軸から80cmの距離にある1CiのPu−Be中性子線源(約2×10⁶n/sを放出する)からなる。石英からなる反射体、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなる圧電トランスデューサ、及び検出器液体であるアセトン(C₃H₆O)を含むすべての構造材料が表された。上部反射体の上方、上部反射体及び下部反射体の内側並びにチャンバーの外側の部分は空気であるとしてモデル化された。合成範囲化モデルはATMFDシステムの主な特徴及び介在する材料を組み込むが、実験室の壁、床、天井、生物学的遮蔽を含まない。

局所的な有感体積は、図7に示されるように、検出液体内に画定される。検出器の有感体積は、直円筒(r=1.25cm、h=4cm)としてモデル化される。検出器の中の有感体積は検出器液体の領域として画定され、張力レベルは3.5バールよりも小さく、これは約4MeVのエネルギーを有する中性子の検出の閾値である。選択される有感体積の大きさ及び位置は、直接的な実験の証拠及びCOMSOL MULTIPHYSICS(登録商標)に基づく理論モデリングに基づいた。この理論モデリングは、J.Wangら著、Nuclear Engineering and Design(2010)240,3716−3726に説明されている。円筒は、シミュレーションに関する中性子計算体積を形成した。露出したPu−Be線源の中性子エネルギースペクトルが使用され、全ての角断面積は300Kで評価された。モデル化された幾何形状は図7に示されている。

MCNP統合ソフトのPoliMiコードパッケージが、ATMFDの検出器液体内において実際の相互作用によって導入されたエネルギーの輸送メカニズムをモデル化するために用いられた。検出器の有感体積内で生じた炭素または酸素原子へ約100keVを超えるエネルギーが付与された中性子弾性散乱事象の位置は、分解能研究のために計算され、利用可能とされた。この研究のために利用されたこのときの張力レベル(約−10バールに達する)は、その顕著に低いdE/dxのために、陽子の反跳を検出するのに十分ではなかったため、全ての中性子の水素との弾性散乱相互作用を計数することはできなかった。過熱状態と異なり、「張力を印加された」準安定液体内の核形成メカニズムの基本的な物理の信頼性のある理論的モデルは未だ利用可能でない。この研究のために選択された100keVの閾値は、約5.5MeVアルファ崩壊が引き起こした反跳核エネルギーが約80から100keVであることが良く知られている238Puや241Amのような溶解された同位体を用いた実際の経験的実験に基づいている。

MCNP−PoliMiモデルの検証は、検出器の有感体積内で発生する2000中性子検出事象までのシミュレーションを実行することによって行われた。次いで、中性子検出事象の位置が、方向性情報を予測するために、前述の確率論的モデルを用いて分析された。MCNP−PoliMiシミュレーションの結果は、実験データとの比較のために図4に重ねられている。確率論的モデルを用いて分析されたシミュレートされたデータは、68%の信頼性レベルで±7.7°、95%の信頼性レベルで±15.1°の角度分解能で、−5.9°の角度に中性子線源が配置されていると決定した。図に示されるように、MCNP−PoliMiシミュレーションは、実験データとよく対応している。

達成可能な方向性情報の量は、立体角、巨視的断面積及び有感体積の大きさの関数である。方向性ATMFDシステムの性能をシミュレートできるように、MCNP−PoliMiモデルはまた、より大きな距離でSNMの方向性検出を評価するために利用された。252Cfの核分裂スペクトルに基づく中性子線源が、500cmの距離におけるSNM線源をシミュレートするために用いられた。500cmの距離は、確実に立体角効果を無視できるように選択されたものであり、そのため、大きな距離で検出器の性能をより良好に評価することができる。MCNP−PoliMiシミュレーションは、検出器の有感体積内で発生した2000中性子検出事象まで実行され、68%及び95%の信頼性レベルにおける角度分解能が、検出事象の数の関数として計算された。その結果は、図8に示されている。

この実験は、方向性情報の精度が、検出事象を追加すると改善することを示した。

最適な方向性情報のためのATMFDシステムの大きさの決定 ATMFDにおいて、有感体積の大きさは、確定可能な方向性情報の量及び検出効率の両方に直接影響を与える。音響、熱水力学、構造の機械工学及び電磁的な連成と結びついた多次元現象を構成する、堅牢な、マルチフィジックスに基づく設計及びシミュレーションの枠組みが、ATMFD内で発生する圧力変動及び関連する検出位置をモデル化するために設定された。AMTFDシステムの特性において用いられたシミュレーションツールは、2006年のCOMSOL MULTIPHYSICS(登録商標)バージョン3.3であった。3次元セットにおける波動の輸送に関する正確な解析解はこの複雑な問題に関しては容易に得ることはできないため、モデルは、周波数区分における問題を解決するために有限要素法を利用した。ATMFDシステムは、軸対称体としてモデル化された。モデルにおいて使用される検出器液体は、300Kにおける純粋なアセトンとした。図9は、18.78kHzの共振周波数において、PZTに印加された駆動電力における変動とチャンバーの有感体積の空間特性との間の関係を視覚的に表したものである。ホスト液体としてエチレングリコール及びアセトンがあらかじめモデル化されており、過渡的な圧力分布及び周波数スペクトル応答に関する実際の実験データの予測が示されている。

このときの検出器の構成においてチャンバーの有感体積は、チャンバーの体積として画定されることができ、チャンバー内の振動の負の圧力変動は−3.5バール以下であり、これは60秒以内の、300KのアセトンにおけるPu−Be中性子線源からの高速(平均約4MeV)中性子の検出のための負の圧力の閾値であることが分かっている。シミュレーションは、有感体積の大きさ(及びそれゆえ半径)がATMFD共振チャンバーの入力電力に直接関連することを示している。4Wから5.5Wへの駆動電力のわずかな(40%)増加の結果、検出体積が約20cm³から約35cm³に増加した(約75%)ことを示している。このことは、液体内の負の圧力の大きさが高くなるほど、中性子により導入される核形成事象が発生する確率が増加する(4MeVよりも低い中性子も検出事象につながることができるため)という原理で説明可能であると思われる。チャンバー内部の圧力場は、実際に測定された、中性子によって導入された泡の核形成箇所の分布密度及びプロファイルに対応する。検出液体としてアセトンを用い、検出器の方向性特性が因子となることを防ぐためにPZTトランスデューサ(Mic1及びMic3)を有して軸上にチャンバーの中心から−20.3cm及び20.3cmの位置のPu−Be線源を用いて、実験が実施された。検出事象箇所の位置はRZ平面にプロットされ、COMSOL MULTIPHYSICS(登録商標)モデルによって予測された有感体積圧力場の頂部上に配置された。その結果は、比較のために図9に含まれている。この結果の分析は、中性子によって導入された検出事象は、一次的には−4バールよりも低い圧力で発生したということであり、これは、300Kのアセトン内で検出される高速中性子のための以前測定された−3.5バールの検出しきい値とよく相関する。実験結果と理論的結果との間の優れた相関は、TMFDシステムによる中性子検出事象の実験的な位置決定と、COMSOL MULTIPHYSICS(登録商標)が数値的に基づく数学的シミュレーション手法とが共に有効であることを立証するものである。

達成可能な方向性条件の量における有感体積の大きさの増加の効果を定量化するために、追加的なモデル化が用いられた。固定されたH=4.0cmでR=0.5cmからR=3.0cmの範囲の様々な有感体積(SV)の大きさでMCNP−PoliMiシミュレーションが実行され、わずか500中性子が導入された事象の収集で68%及び95%の信頼性レベルにおいて角度分解能が計算された。結果は図10に示されている。

図10は、有感体積の半径が増加するにつれて、角度分解能が、記録された中性子検出事象の同一の総数で0°の可能な最大の角度分解能に急速に到達することを示している。

検出効率と角度分解能との間の関係もまた調査された。MCNP−PoliMiシミュレーションが、各有感体積の大きさについて実施された。それぞれの場合における線源中性子の数は、R=1.25cmの基線有感体積の大きさについて500の有効な検出事象を得るために用いた。高さはそれぞれの場合において同一のままとしたが、実際には有感体積の高さも増加する。増加の効果は、線源中性子の同一の数に対してATMFDチャンバー内で記録される検出事象の数を二次的に増加させることが分かった。例えば、R=3cmの時に、線源中性子の同一の数に対する検出事象は500から約2991まで増加した。この結果は、半径の2乗で増加する(すなわち、(3/1.25)²×500=2880)。結果は、図11において以下に示される。

有感体積の半径が増加するにつれて、有感体積の大きさの増加及び検出効率の改善のために、得られる角度分解能は、0°の最大角度分解能に顕著により急速に到達する。これらの結果はさらに、検出器の方向性能力が有感体積の大きさの増加によって容易に増強されうることを裏付ける。

方向性高速中性子の検出は、ポータルモニタリング(例えば、車両及び貨物)及び広域探索に特に有用である。そのような応用は、必要な遠隔性、介在する材料及び検査形態において課される測定手順のために、典型的には信号の不足した環境である。検出器の大きさの拡張可能性は、これらの例において必須である。例えば、国際原子力機関(IAEA)によって定義されるように、8kgは、プルトニウムの「有意量」に関する閾値を表すものと考えられる。一般に、8kgのPuからの中性子放射率は大きさ、組成及び燃焼度によって変化する。例えば、自発核分裂のみに基づく計算は、兵器級Pu(90%の239Pu及び6%の240Pu)が約60000中性子/(秒・kg)を放出することを示している。しかしながら、兵器級プルトニウム(WGP:weapons grade plutonium)が金属球として組み立てられた場合、吸収及び増倍効果も考慮しなければならない。Kouzesらによって定義された、そのようなベンチマークの1つは、WGPのちょうど4kgの球体は約106中性子/秒を放出するであろうことが計算され、自発核分裂のみからの中性子よりも4倍近く大きな数字である。Nuclear Instruments and Methods in Physics Research (2008) 584: 383−400を参照されたい。さらに、プルトニウムの線源も同様に考慮されなければならない。WGPを生成するために具体的に用いられる炉は、非常に低い燃焼度を利用して、プルトニウムのより高い同位体の燃焼度を防ぐ。これらの低い燃焼度は、発電には非常に非効率であるが、WGP生産には理想的である。対照的に、長期間の照射後に商用軽水炉及びCANDU炉の使用済み燃料から抽出されたプルトニウムは、240Puの濃度が非常に高くなっている。240Puのより高い濃度のために、原子炉級プルトニウム(RGP:reactor grade plutonium)は自発核分裂のみから典型的には約500000中性子/(秒・kg)(またはWGPからよりも約8倍高い)を放出する。

例えば、典型的な40フィートの海運コンテナの長さの2倍である25mの距離において、8kgのRGP(非球体幾何形状)から有感体積(半径3cm、高さ10cm)を有するATMFD検出器内に到達する中性子の割合は、次の通りである。

従って、ATMFDはわずか1分で、(及びもしRGPが球状構成であるならばそれより短い時間で)68%の信頼性で11.2°の範囲内に、8kgの質量のRGPの位置特定をすることが可能であるように、理論的には形成されることができる。さらに、より多い中性子の計数が取得されるにつれ、角度分解能が向上し、非方向性検出器と比較して探索空間を顕著に減少させることとなる。MCNP−PoliMiシミュレーションに基づく結果は、表1に表として示されている。

ATMFDに基づく中性子線源空間画像化 方向性中性子検出器の特有の応用例の1つは、中性子線源の実際の位置を画像化する能力である。中性子線源の位置を特定することは、線源の形状、大きさ及び(既知の検出効果と組み合わせて)中性子線源の強度の全てを決定することを可能とする。画像化検出器は、非拡散型の応用において重要な役割を果たす潜在能力を有する。数例は、以下を含む。SNMの位置及び運動が関心の対象でありうるような保管設備の外部監視、安全保護の枠組みにおける使用済み燃料アセンブリの計数、材料見積もりのためのSNM質量の決定、または査察協定の一部としての弾頭の計数である。

中性子線源位置の画像化は、典型的には、異なる角度における中性子線源の測定のそれぞれを、既知の位置における複数の検出器の集合体を利用することによって達成される。検出器位置と結びつけて一連の検出器で測定されたものとしての測定された方向の間の差が、中性子線源の位置の三角測量を可能とする。実験は、ATMFDシステムのこれらの励起能力を調査することによって実施された。2つのATMFD検出器が、25cmの間隔で配置された。XY座標系は、検出器が(0cm、0cm)及び(25cm、0cm)に位置するように定義された。1CiのPu−Be中性子線源は(15cm、−20cm)に配置され、データは(3Hzの取得レートで)約10分間記録され、合計2000中性子検出事象を収集した。次いで中性子検出事象の位置が、各検出器について全確率分布関数を計算するために上で確立された確率論的モデルで分析された。2Dメッシュが、5625cm²の実験領域を覆って形成された。各検出器に対する角度が、各グリッド位置で計算され、対応する確率が計算された。結果は図12に示されている。中性子源は、(17.1cm、−15.2cm)の最も確率の高い位置に位置すると決定された。信頼性レベルが表面下の領域を積分することによって計算され、68%の信頼性で304.8cm²を覆うことが分かった。

実験結果の検証はMCNP−PoliMiモデルを利用することによって行われた。実験条件はモデル内で再現され、シミュレーションは検出器の有感体積内で発生した2000回のシミュレートされた中性子検出事象まで実行された。結果は図13に示される。中性子線源は、(17.6cm、−17.5cm)の最も確率の高い位置に位置すると決定された。信頼性レベルが表面下の領域を積分することによって計算され、68%の信頼性で146cm²の領域を覆うことが分かった。

興味深いことに、MCNP−PoliMiシミュレーション及び実験データのいずれも、ほぼ中性子線源の同一の位置を特定することができたが、68%の信頼性において実験的に測定された領域の約半分の領域が計算された。実験データにおける空間分解能の悪さは、実験セットアップに存在するが3−DMCNP−PoliMiシミュレーションでは省略された追加的な生物学的遮蔽からの中性子アルベド効果に起因することが最も可能性がある。

張力を印加された準安定液体に基づくプロトタイプ方向性高速中性子検出器が設計され、構築され、特性を決定され、評価された。実験の証拠は、この現在の構成における方向性ATMFDシステムは、95%の信頼性で16.2°の範囲内で1CiのPu−Be中性子線源の方向を位置決定することが可能であることを示した。これには、1秒当たり約10の検出速度で約200秒で収集することができた、約2000の検出事象を必要とした。MCNP−PoliMiに基づく評価は、増加した有感体積の大きさで角度分解能における顕著な改善を示し、これにより改善された方向性情報及び全検出効率を得る結果となった。大きく離れた位置(約25m)におけるSNM核分裂中性子の検出への応用は、わずか1分間で、68%の信頼性で11.2°の範囲内に8kgのRGPの有意量を検出する能力を有することを示した。2つのATMFDを用いることは、中性子線源の画像化を可能とし、実験的に検証され、理論的シミュレーションでベンチマークされた一態様である。

また、同一の検出器システムにおいて、遮蔽されないSNM及び遮蔽されたSNMの両方の方向性検出のための検出器液体として、ホウ酸トリメチルの使用と同様に、4πにおける方向性を確定することが可能なATMFDの幾何形状もまた想定される。

本明細書で説明されるシステムは、SNM保管設備の監視及び再処理設備における物質説明責任の安全保護応用のために使用可能である。ポータルモニタリング及びSNM材料が配置されうる実質的にあらゆる状況における監視のためである。

本明細書で引用されたすべての特許、特許出願及び出版された文献はその全てにおいて参照により組み込まれている。この発明は好適な実施形態を示し、それを参照して具体的に説明されたものであるが、それに対して当業者によって、添付された特許請求の範囲によって包含される発明の範囲から逸脱することなく形態及び詳細に様々な変更を行いうることは理解されるであろう。

例1 6cm×10cmの断面積の検出チャンバーを有するATMFDシステムは、60秒で、68%の信頼性において11.2°の分解能で25mにある8kgのプルトニウム線源を検出することが可能である。この例において、4πの場における方向性を確定することが可能な新しいATMFDセンサシステムが説明される。円筒形または球形幾何形状のAMTFDシステムの特性決定及び検証は、MCNP−PoliMiを用いたモンテカルロに基づく核粒子輸送評価及びCOMSOLのマルチフィジックスプラットフォームを介したATMFDシステムの音響、構造及び電磁的な連成を評価するマルチフィジックスを含む。3D方向性及び直接的な線源画像化/位置決定のためのATMFD性能のMCNP−PoliMiの実験的検証もまたおこなわれる。全地球測位網(GPS:geo−positioning−scheme)に基づく手法及び高次調和に基づく枠組みもまた説明される。球状(高次調和)技術は、単一の球状ATMFDの包絡線内にある複数の単一検出器を効果的に含む視線追随を介して入射する中性子放射の急速で(数十秒以内で)直接的な可視化に基づく方向性を提供する。検出トランスデューサもまた使用可能である。

この研究のために採用された音響張力準安定液体検出器チャンバーは、約70mmのOD及び150mmの長さの、約3mmの厚さの壁を有する円筒状の石英チューブからなる。今回の実験セットアップは22℃において558mmHgの真空度で99.5%の純度のアセトン(C₃H₆O)の検出器液体を利用した。使用された実験的ATMFDの試験セクションの概略が図1に示される。同心円的に固定されたリング形状の圧電セラミックトランスデューサがチャンバーの外側に取り付けられ、音響共振チャンバーに出力を与えるのに用いられる。線形増幅器によって増幅されたサイン波信号は、半径方向に分極されたPZTトランスデューサを駆動する。共振時、約18kHzの範囲で振動する正負の圧力からなる定在音響波が形成する。液体分子が張力を印加された状態にある間、状態は上述の準安定状態となり、中性子の直接的な衝突が過渡的な泡の形成としてモニターされうる。共振チャンバーの外側に固定される4つの約7mmのODのMHz共振圧電トランスデューサが、中性子検出事象に続いてすぐに発生する蓄積されたエネルギーの激しい解放によって発生する衝撃トレースを記録するために用いられる。それぞれのトランスデューサにおける衝撃トレースの到達時間差が測定され、検出器チャンバー内の中性子検出事象の3D位置を計算するために水力学的位置決定アルゴリズムで分析される。衝撃トレースの到達の時間差は、LabVIEW(登録商標)に基づく仮想機器によって制御されたデジタルストレージオシロスコープを利用して記録される。データ収集、信号処理及び分析は、リアルタイムに近い形で(すなわち、数ミリ秒以内で)行われる。

方向性情報は、中性子導入検出事象が線源に最も近い有感体積の領域で発生する確率の増加のため、ATMFDシステム内で確定可能である。中性子導入検出事象が発生する確率は検出器液体内の負の圧力及び中性子束の関数である。主に円筒型ATMFD共振チャンバーの構築の軸対称の特性のために、中性子検出事象の確率は中性子束のみの関数であるとして取り扱うことにより簡略化可能である。この仮定は実験的に及びCOMSOL Multiphysics(登録商標)に基づく多次元モデル化シミュレーションを介して理論的にも検証された。中性子検出事象の確率の依存性を、負の圧力からこのように切り離すことによって、単に中性子束の強度及びエネルギーのみに基づいて2πにおいて中性子線源の位置に関して方向性情報の定量化が可能となる。線源からの中性子束は距離と共に、また下方散乱及び吸収の程度と共に減少するため、線源に最も近い有感体積の側は相互作用位置の最も高い確率を本質的に有し、そのため、過渡的な泡を形成する。検出器内部におけるこれらの事象の位置を検出することは、中性子線源の方向性情報を提供する。これは、検出された中性子が、相互作用せずに検出器液体内で距離dを通過し、次いで距離δd内で相互作用する確率Pを見積もるための中性子減衰法則に基づいた確率論的モデルを介して達成され、確率Pは以下のように表される。

検出器内の任意の位置から検出器の壁までの方向θにおける距離dは、以下のように表される。

ここで、(r、θ₀)は(2D極座標系で定義されたものとしての)検出位置であり、Rは検出器の半径である。従って、方向θから来て検出位置で相互作用した中性子の確率は以下のように表される。

ここで、δdは検出器の空間分解能である(約0.1mmであることが分かる)。次いで、各個別の中性子検出事象の確率分布は規格化され、n回の検出事象の全確率分布は以下のように計算される。

前述の実験結果は、ATMFDシステムが約200秒以内で、68%の信頼性で8.1°の範囲内に1CiのPu−Be中性子線源の方向を位置決定する能力を有する(すなわち80cmの距離にある1CiのPu−Be中性子線源に関して)ことを示した。このことは、非画像化検出器と比較して探索空間を実質的に減少させる(22倍)ことを表す。様々な指示角度、−180°、−90°、0°及び90°で行われた追加的な実験は、角度分解能が均一であり、線源の位置に対して独立であることも示した。

4π方向性検出 2πで方向性を確定するために確立された確率論的モデルと類似して、中性子減衰法則が、検出された中性子が検出位置に基づいて任意の所定の方向(4πにおける)から来た確率を見積もるために利用されうる。

図2に示された3D極座標系を利用すると、検出位置と任意の方向(θ、φ)の検出器の壁との間の距離Dは、以下のように表される。

dは検出器内の任意の位置から方向θの検出器の壁までの距離であり、zは以下で表される。

検出器の頂部T及び底部Bは、以下の規則を適用して説明される。

従って、中性子が極角θ、方位角φから来て位置(r、θ₀、z₀)で相互作用した確率は、以下のように表される。

ここでδDは検出器の空間分解能である。次いで各個別の中性子検出事象の確率分布が規格化され、n回の検出事象の全確率分布は以下のように計算される。

ATMFDシステムの4π方向性性能の特性決定はMCNP−PoliMiを用いるモンテカルロに基づく核粒子輸送を利用してなされた。利用されたMCNP−PoliMiモデルは、検出器液体内における実際の相互作用で導入されるエネルギー輸送メカニズムを含むATMFDシステムの主な特徴の全てを組み込む。ATMFDの有感体積は、直円筒(r=1.5cm及びh=5cm)としてモデル化された。検出器の有感体積は、検出器液体の領域として定義され、そこでは張力レベルが3.5バールよりも低く、これは約4MeVの中性子の検出の閾値である。選択された有感体積の大きさおよび位置は、直接的な実験の証拠及びCOMSOL Multiphysics(登録商標)に基づくモデル化に基づいた。この研究のために利用されるMCNP−PoliMiモデルは、ATMFDシステムの2π方向性性能をシミュレートするために上で用いられたものであり、実験的に確認されたものである。

角度分解能を方位角φの関数として調査するための評価が実施された。極角θに対する角度分解能は2πの場合と同一であることは確率論的モデルから明らかであり、従って極角に関する角度分解能の評価は実施されなかった。MCNP−PoliMiモデルは、1mの距離において極角0°、方位角−90°、−45°、45°及び90°に配置されたPu−Be中性子線源を含むように改良された。シミュレーションは、検出器の有感体積内で発生した2000回までの中性子検出事象について実施された。次いで、中性子検出事象の位置が、4πにおける線源確率分布及びその結果の角度分解能を計算するために確率論的モデルで分析された。結果の分析は、方位角に関して円筒形ATMFDシステムの指示精度は、中性子線源が0でない方位角にある場合には非常に悪いということを示した。全ての場合で、予測された方位角はほぼ0°であった。方位角における確率論的モデルの性能が悪いのは、方位角に対する円筒形ATMFDの非対称性による。円筒形ATMFDの幾何形状のために、0°の方位角で入射する中性子は有感体積に到達する前に検出器液体の最小量を通過し、そのため確率論的モデルは、記録されたあらゆる中性子検出事象は0°の方位角から来たものであることが最もありうると予測する。

4π方向性を得るための問題を解決するために、異なる配向を有する2つの円筒形ATMFDシステムが使用可能である。円筒形ATMFDの半径方向対称形のために、2πにおける角度分解能は均一であることが分かっており、そのため1つの検出器は極角の情報を得るために垂直に配向され、1つの検出器は方位角に関する情報を得るために水平に配向されうる。代替的に、極角及び方位角の両方に対して対称性を示す球状ATMFDが開発されている。このシステムの対照的な構築は、中性子検出事象の確率の依存性を負の圧力から切り離すことを可能にし、そのため4πにおける方向性を確実にするATMFDシステムの可能性を定量化することを可能にする。

2事象円筒形ATMFD形状4π方向性検出器 2つの円筒形ATMFDシステム(2πの研究のために利用されたATMFDと構築及び設計の点で同一)が、4π方向性中性子検出器システムの開発のために利用される。円筒形ATMFD検出器の1つは極角に関する情報を得るために垂直に配向され、他方の円筒形ATMFD検出器は方位角に関する情報を得るために水平に配向される。水平に配向された検出器は、図14に示されるように、垂直に配向された検出器の直下に配置され、水平方向に中心を合わせられる。2π方向性決定のために開発されたのと同一の確率論的モデルが、各検出器における検出事象の位置の分析のために用いられ、その結果得られる4π線源方向確率が計算される。

球状ATMFD形状4π方向性検出器 球状ATMFDシステムの概略図が図15に示される。共振音響チャンバーは、直径約12.5cmであり約3mmの厚さの壁を有する球形チャンバーからなる。2つの直径約2.5cmの円盤状圧電セラミックトランスデューサがチャンバーの外側に固定され、音響共振チャンバーにエネルギーを与えるために使用された。

前述のように、線形増幅器によって増幅されたサイン波信号が、半径方向に分極されたPZTトランスデューサを駆動する。約83kHzで共振するときに、容器の機械的な変形が複数の振動する正及び負の圧力からなる定在波を発生させる。さらに、直径約7mmの円盤状PZTがチャンバーの外側に取り付けられ、入射中性子によって引き起こされる泡の内破事象を監視するために使用された。

円筒形状ATMFDの4πにおける方向性を確定するために開発された確率論的モデルと類似して、球状ATMFDの方向性は極角θ、方位角φから来た中性子が検出器液体内を相互作用せずに距離Dだけ移動し、次いで位置(x₀、y₀、z₀)の距離δDの範囲内で相互作用する確率は以下の通りであるとして計算されることにより得られた。

図16で示される球座標系において定義されるように、検出器内の任意の位置から検出器の壁までの距離Dは、以下のように表される。

ここでa₂及びa₃はそれぞれ以下のように定義される。

次いで、前述のように、各個別の中性子検出事象確率分布が規格化され、n回の検出事象の全確率分布は以下の数式を用いて計算される。

MCNP−PoliMi評価は2つの要素円筒形ATMFD設計を調査するために実施された。PuBe中性子線源は、距離80cm、極角0°、方位角0°に位置するようにモデル化された。r=1.5cm、h=5cmの有感体積が各検出器要素のために使用された。シミュレーションは、検出器の有感体積内で発生した合計2000中性子検出事象まで実行された。次いで中性子検出事象の位置が方向性情報を確定するために確率論的モデルで分析された。

結果は、提案された2つの要素円筒形ATMFDシステムが2000検出事象の取得において68%のC.L.で0.358ステラジアンの範囲内で中性子線源の方向を位置決定する能力があることを示す。このことは、非画像化検出器と比較して探索空間において35フォルドの減少を表す。

球状ATMFD設計を調査するためにMCNP−PoliMi評価が実施された。PuBe中性子源は距離80cm、極角0°、方位角0°に位置するとしてモデル化された。r=3.0cmの有感体積が使用された。シミュレーションは、検出器の有感体積内で発生した2000の中性子検出事象まで実施された。ついで、中性子検出事象の位置が、方向性情報を確定するために確率論モデルで分析された。

その結果は、提案される球状ATMFDシステムが、2000検出事象の収集において、68%のC.L.で0.018ステラジアンの範囲内に中性子線源の方向を位置決定する能力があることを示す。このことは、2つの要素円筒形ATMFDシステムと比較して角度分解能を実質的に減少させることを表し、検出器の大きさを縮小する(すなわちr=1.5cm対r=3cm)潜在的な利点があることを示している。

理論的には、検出器の角度分解能はATMFD検出器の球対称性によって全ての指示角度において均一であるべきである。極角−180°、−90°及び90°に配置されたPu−Be中性子線源で評価がなされ、角度分解能が極角に関して均一であることが分かった。また方位角−90°、−45°、45°及び90°に配置されたPu−Be中性子源についても評価がなされ、角度分解能が方位角に関して均一であることが分かった。さらに、球状ATMFDが10フォルド高い共振周波数で動作されるという事実のために、単一のシステムが、波の節及び腹の複数の領域を完全に閉じ込める範囲内で複数のATMFDの集合体を効果的に包含する。このことは、様々な圧力の波の腹の部分における閉じ込めの範囲内で形成する泡のトレースに留意することにより方向性を確定するための極めて単純な手法を提供する。Pu−Be中性子線源を指し示す視線は明確であり、効率的に、可視画像化の数秒以内でGPSアルゴリズムに基づく数学を用いることなく入射中性子放射の方向性を確定することが可能になる。

この例は、高速中性子線源の位置に関する4π方向性情報を確定することが可能な別個のATMFDシステムを実証した。2π方向性情報を確定することが可能な現在のATMFD設計に基づく2つの要素円筒形ATMFDシステムが設計され、68%のC.L.で0.358ステラジアン以内に中性子線源の方向を位置決定することが可能であることが示された。

68%C.L.で0.018ステラジアンの範囲内に中性子線源を位置決定することが可能な球状ATMFDが設計された。