中性子検出装置
【課題】従来よりも少ない個数のマトリックス状検出素子で同じ空間分解能を有する中性子検出装置を提供する。
【解決手段】中性子と中性子検出用物質との核反応によって熱エネルギーが生成され、異なる方向へ放射される少なくとも２つの粒子のうち、一の粒子の前記熱エネルギーを受容し電子状態の変化が生じる超伝導物質からなる第１粒子検出素子１ｘを複数個並列に配置したＸ座標検出素子群と、他の粒子の前記熱エネルギーを受容し電子状態の変化が生じる超伝導物質からなる第２粒子検出素子１ｙを複数個並列に配置したＹ座標検出素子群とを備え、第１粒子検出素子の検出に基づいて前記核反応がおこった位置のＸ座標を検出し、何れの第２粒子検出素子の検出に基づいて前記核反応がおこった位置のＹ座標を検出することを特徴とする中性子検出装置１００。
【解決手段】中性子と中性子検出用物質との核反応によって熱エネルギーが生成され、異なる方向へ放射される少なくとも２つの粒子のうち、一の粒子の前記熱エネルギーを受容し電子状態の変化が生じる超伝導物質からなる第１粒子検出素子１ｘを複数個並列に配置したＸ座標検出素子群と、他の粒子の前記熱エネルギーを受容し電子状態の変化が生じる超伝導物質からなる第２粒子検出素子１ｙを複数個並列に配置したＹ座標検出素子群とを備え、第１粒子検出素子の検出に基づいて前記核反応がおこった位置のＸ座標を検出し、何れの第２粒子検出素子の検出に基づいて前記核反応がおこった位置のＹ座標を検出することを特徴とする中性子検出装置１００。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、中性子検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
中性子によるイメージング技術（中性子ラジオグラフィ）は、Ｘ線やガンマ線を用いた解析技術と同様に、中性子線が物質を通り抜ける性質を利用して物質内部を観察する技術である。中性子ラジオグラフィは、金属など重い元素の撮影に適したＸ線と異なり水素や炭素など軽元素の観察に適しており、生物や水分を多く含む物質の観察を可能にする。また、感度が高いため、映像として実時間観察できるなどの特徴を有し、生物中の水分の移動の様子などが観察できる。さらに、一般の金属には中性子の吸収が少ないという特性を活かし、機械内部を移動する燃料やオイルの様子も観察可能である。また、磁気モーメントを有するという特性を活かし、磁気分布を調べることも可能である。
【０００３】
このような中性子線の特性を活かし、燃料電池内の水のダイナミクスを高空間分解能の動画として観測したいとの要望がある。また、サブミクロンの分解能で大画素化が実現できれば、スピン偏極中性子源を用いて磁性体材料におけるスピンの運動の様子を高速観察できるため、スピントロニクスなど最先端の研究を支援する強力なツールとなる。それゆえ、大画素化の実現、特にサブミクロンの高空間分解能でリアルタイムに観測できる中性子ラジオグラフィの技術が求められている。大強度陽子加速器施設Ｊ−ＰＡＲＣ（Japan Proton Accelerator Research Complex）利用者協議会においては、「燃料電池」「蓄電デバイス」分野において２０１５年に１μｍの空間分解能、２０３０年に１０ｍｓのフレーム時間が全体構想として掲げられている。
【０００４】
ところで、中性子ラジオグラフィの検出装置としては、ガス放電方式を用いたものやシンチレーション方式を用いたもの、イメージングプレートを用いたものなど様々な方式のものが挙げられる。前述の構想に応え得る高分解能、高速の中性子検出装置としては、ナノワイヤ状に微細加工した超伝導元素からなる検出素子を縦横にマトリックス状に配置した中性子検出装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。それらの検出素子と中性子との核反応に伴う発熱による検出素子の電子状態の変化を電気抵抗値の変化として測定するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ２００６−０９５６５９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、高温超伝導体を利用した中性子検出装置を用いて大画素化を実現しようとする場合、例えば、百万画素の中性子検出システムを構築しようとすると、縦横あわせて百万個の検出素子をマトリックス状に配置する必要がある。そして、個々の検出素子に駆動電流を流す必要があり、単純に見積もっても駆動電流用に百万本、出力用に百万本の、計２百万本ものケーブルが最低限必要となる。その実現は不可能とはいえないまでも著しく困難といえる。
【０００７】
また、検出素子と中性子との核反応に伴う発熱によって生じる電気抵抗の変化を検出する場合、前記核反応に伴う検出装置の発熱やケーブルからの熱流入により検出素子の超伝導状態が壊れ、検出装置の正常な動作を妨げる可能性がある。検出素子の個数が増大するに従い、発熱や熱流入に伴う前述の問題が顕在化する。
【０００８】
この発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、マトリックス状に検出素子を配置する従来の構成よりも少ない個数の検出素子で同じ空間分解能を有する中性子検出装置を実現するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は、１つの中性子と中性子検出用物質との核反応によって熱エネルギーを伴って生成され、異なる方向へ放射される少なくとも２つの粒子のうち、一の粒子の前記熱エネルギーを受容した場合に電子状態の変化が生じる第１粒子検出素子を複数個並列に配置してなるＸ座標検出素子群と、他の粒子の前記熱エネルギーを受容した場合に電子状態の変化が生じる第２粒子検出素子を複数個並列に配置してなるＹ座標検出素子群とを備え、各第１粒子検出素子は縦方向へ長く伸びる領域を有する超伝導物質であり、前記Ｘ座標検出素子群はそれらの第１粒子検出素子が横方向に並び、何れの第１粒子検出素子が前記一の粒子に係る電子状態の変化を検出したかに基づいて前記核反応がおこった位置のＸ座標を検出し、各第２粒子検出素子は、横方向へ長く伸びる領域を有する超伝導物質であり、前記Ｙ座標検出素子群はそれらの第２粒子検出素子が縦方向に並び、何れの第２粒子検出素子が前記他の粒子に係る電子状態の変化を検出したかに基づいて前記核反応がおこった位置のＹ座標を検出することを特徴とする中性子検出装置を提供するものである。
【００１０】
この発明で、中性子検出用物質の具体的な一例としては、二硼化マグネシウム（ＭｇＢ2）が挙げられる。その場合、核反応により放射される粒子は4Ｈｅ（アルファ線）と7Ｌｉ（リチウム線）である。
熱エネルギーを受容するとは、粒子の持つ熱エネルギーによって第１または第２粒子検出素子の特性、特に電子状態の変化が生じることをいう。何らかの手段でその電子状態の変化が検出できれば特に検出手法は限定されないが、後述する実施例においては、電子状態の変化を運動インダクタンスの変化として検出している。
【００１１】
この発明による中性子検出装置は、横方向に複数個の第１粒子検出素子が並ぶＸ座標検出素子群を備えており、何れの第１粒子検出素子に電子状態の変化があったかによって核反応がおこった位置のＸ座標を検出する。また、縦方向に複数個の第２粒子検出素子が並ぶＹ座標検出素子群を備えており、何れの第２粒子検出素子に電子状態の変化があったかによって核反応がおこった位置のＹ座標を検出する。
【００１２】
この発明の中性子検出装置は、ある時点においては中性子が一カ所にしか衝突せず、通常は複数箇所に同時に中性子が衝突することはないことを前提としており（仮にそのような事象が生じても確率が低ければよい）、衝突が順次発生しそれによる核反応の位置を検出するものである。
例えば、中性子検出用物質がＭｇＢ2で、核反応により放出される粒子がアルファ線とリチウム線の場合、それらのうち何れが第１粒子であるかは問わない。さらに、中性子とＭｇＢ2との衝突が順次発生するとき、第１粒子検出素子が一貫してアルファ線またはリチウム線を検出すると限定するものではなく、あるときは第１粒子検出素子がアルファ線を検出し、その次はリチウム線を検出してもよい。
【発明の効果】
【００１３】
この発明の中性子検出装置によれば、中性子と中性子検出用物質との核反応に伴って異なる方向へ放射される２つの粒子のうちの一つの粒子をＸ座標検出素子群で検出し、他の粒子をＹ座標検出素子群で検出することによりマトリックス状に検出素子を配置する構成よりも少ない個数の検出素子で同じ空間分解能を有する中性子検出を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の第１実施形態に係る中性子検出装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】従来の中性子検出装置の説明図である。
【図３】この発明の第１実施形態に係る中性子検出素子による中性子測定の一例を示す説明図である。
【図４】図１の中性子検出装置のＡ−Ａ矢視方向断面図である。
【図５】中性子と10Ｂとの核反応の一例を示す説明図である。
【図６】この発明の第１実施形態に係る中性子検出装置内の中性子と10Ｂとの核反応の一例を示す説明図である。
【図７】この発明の第１実施形態に係る中性子検出装置のＳＦＱ（単一磁束量子）回路および尤度判定回路を示す回路図である。
【図８】この発明の第１実施形態に係るＳＦＱ回路および尤度判定回路の構成を示すブロック図である。
【図９】この発明の第１実施形態に係る中性子検出装置の構造を示す断面図である。
【図１０】この発明の第１実施形態に係る中性子検出装置の製造プロセスを示す説明図である。
【図１１】この発明の第２実施形態に係る中性子検出装置の構造を示す断面図である。
【図１２】この発明の第２実施形態に係る中性子検出装置内の中性子と10Ｂとの核反応の一例を示す説明図である。
【図１３】この発明の第３実施形態に係る中性子検出素子を示す説明図である。
【図１４】この発明の第１実施形態に係る中性子検出素子の変形例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
この発明による中性子検出装置において、前記中性子検出用物質が、第１粒子検出素子および／または第２粒子検出素子に用いられてもよい。
このようにすれば、第１粒子検出素子および／または第２粒子検出素子と中性子とが核反応がおこったときに放射される粒子のうち第１粒子を何れかの第１素子検出素子で検出し、第２粒子を何れかの第２粒子検出素子で検出することにより前記核反応がおこった位置のＸおよびＹ座標を特定することができる。
【００１６】
この発明による中性子検出装置において、前記中性子検出用物質が、隣り合う第１粒子検出素子と第１粒子検出素子との間、隣り合う第２粒子検出素子と第２粒子検出素子との間、または各第１粒子検出素子と各第２粒子検出素子との間の何れかに少なくとも配置されるものであってもよい。
このようにすれば、隣り合う第１粒子検出素子と第１粒子検出素子との間、隣り合う第２粒子検出素子と第２粒子検出素子との間、または各第１粒子検出素子と各第２粒子検出素子との間の何れかに少なくとも配置された中性子検出用物質と中性子とが核反応を生じたときに放射される粒子のうち第１粒子を何れかの第１素子検出素子で検出し、第２粒子を何れかの第２粒子検出素子で検出することにより前記核反応がおこった位置のＸおよびＹ座標を特定することができる。また、第１粒子検出素子および第２粒子検出素子が中性子検出用物質を含まなくてもよいため、それらの検出素子として任意の高温超伝導体を用いることができる。
【００１７】
この発明による中性子検出装置において、各第１粒子検出素子は、前記第１粒子の熱エネルギーの受容によって超伝導電子対が減少する電子状態の変化を運動インダクタンスの変化として検出し、各第２粒子検出素子は、前記第２粒子の熱エネルギーの受容によって超伝導電子対が減少する電子状態の変化を運動インダクタンスの変化として検出するものであってもよい。
このようにすれば、各第１粒子検出素子および各第２粒子検出素子が第１および第２粒子の熱エネルギーの受容をジュール熱の発生を伴う電気抵抗の変化ではなく、運動インダクタンスの変化によりそれぞれ検出するので熱がほとんど発生しない。
【００１８】
この発明による中性子検出装置において、超伝導リングの一部にジョセフソン接合を形成してなるＳＦＱ（単一磁束量子）回路をさらに備え、前記ＳＦＱ回路は、所定時間Ｔ１ごとに所定の磁束を有する検出用ＳＦＱパルスを入力する検出用ＳＦＱパルス入力部と、前記運動インダクタンスの変化による前記超伝導リング内のジョセフソン電流の変化に基づき前記運動インダクタンスの変化を検出する運動インダクタンス検出素子群とを含み、前記第１粒子検出素子または第２粒子検出素子の一つと磁気結合されてなるものであってもよい。
このようにすれば、微弱な磁場変化を検出可能なＳＦＱ回路を備える中性子検出装置を用いることにより、前記熱エネルギーを受容した場合に生じる超伝導電子対の減少を運動インダクタンスの変化として高感度に検出できる。
【００１９】
この発明による中性子検出装置において、前記ＳＦＱ回路は、尤度判定回路を備え、前記尤度判定回路は、前記時間Ｔ１より長い所定時間Ｔ２ごとに判定用ＳＦＱパルスを入力する判定用ＳＦＱパルス入力部と、前記判定用ＳＦＱパルスの入力時に、前記検出用ＳＦＱパルス入力部により入力された前記検出用ＳＦＱパルスの数のうち、前記運動インダクタンスの変化を検出した前記検出用ＳＦＱパルスの数が所定の数以上であるとき、前記運動インダクタンスの変化が検出されたものと判定する検出判定部とを備えるものであってもよい。
このようにすれば、尤度判定回路により前記運動インダクタンスの変化を示すＳＦＱパルスの数を数え、多数決の原理によってさらに高い感度で運動インダクタンスの変化を検出することができる。
【００２０】
この発明による中性子検出装置において、前記Ｘ座標検出素子群および前記Ｙ座標検出素子群により検出されたＸ座標およびＹ座標をデジタル化されたアドレス値として出力するアドレス生成回路をさらに備えるものであってもよい。
このようにすれば、検出されたＸ座標およびＹ座標の値をデジタル化されたアドレス値として出力することにより、例えば、Ｘ座標検出素子群がＮ本のＸ座標検出素子を有する場合に、外部の室温領域へ信号を送るための信号線の数をデジタル化しない場合のＮ本に比べてlog2N本に削減することが可能となる。
【００２１】
この発明による中性子検出装置において、前記中性子検出用物質が10Ｂを含み、前記粒子は、中性子と10Ｂとの核反応によって生成され相反する方向に放射されるアルファ線とリチウム線の２つの粒子であってもよい。
このようにすれば、中性子と反応してアルファ線とリチウム線の２つの粒子が相反する方向に放射することが知られている10Ｂを用い、かつ相反する方向に放射される２つの粒子を用いることにより、２つの粒子の放射方向に関わらずＸおよびＹ座標を特定できるため、中性子の検出効率を高めることができる。
【００２２】
この発明による中性子検出装置において、前記中性子検出用物質がＭｇＢ2を含むものであってもよい。
このようにすれば、中性子検出用物質として、加工しやすい高温超伝導体であるＭｇＢ2を用いて中性子検出装置を実現することができる。
【００２３】
ここで示した種々の好ましい態様は、それら複数を組み合わせることもできる。以下、図面に基づいてこの発明の第１実施形態に係る中性子検出装置について詳述する。なお、以下の説明はすべての点で例示であって、この発明を限定するものと解されるべきではない。
【００２４】
<<第１実施形態>>
この発明の第１実施形態に係る中性子検出装置について、図１〜１０に基づいて説明する。
【００２５】
図１は、この発明の第１実施形態に係る中性子検出装置の概略構成を示す説明図である。
図１に示すように、この発明の第１実施形態に係る中性子検出装置１００は、縦横に格子状に配置された複数本の直線状の中性子検出素子を備えることを特徴とする。縦方向（図１のＹ軸）に沿って伸びる複数本（Ｎ本）の中性子検出素子は、横方向（Ｘ軸方向）の位置を検出する第１粒子検出素子に相当し、それら第１粒子検出素子の集合がＸ座標検出素子群に相当する。図１ではそれらＮ本のうちの中性子検出素子の一つに符号１ｘを付して代表としている。また、横方向（図１のＸ軸）に沿って伸びる複数本（Ｎ本）の中性子検出素子は、縦方向（Ｙ軸方向）の位置を検出する第２粒子検出素子に相当し、それら第２粒子検出素子の集合がＹ座標検出素子群に相当する。図１ではそれらＮ本のうちの中性子検出素子の一つに符号１ｙを付して代表としている。中性子検出素子１ｘ，１ｙは、中性子検出用物質として、ＭｇＢ2を含む高温超伝導材料からなり、液体ヘリウムを用いた冷凍機により超伝導転移温度Ｔc（ＭｇＢ2の場合、約３９Ｋ）以下（第１実施形態の場合、約４Ｋ）に冷却して超伝導状態にされている。なお、中性子検出装置１００は、超伝導状態を維持するため、冷凍機の中に入れ、真空中に保持する。
Ｘ軸、Ｙ軸および中性子が飛来する方向を示す矢印、１〜Ｎの文字は説明のために付したものである。これは、図２についても同様である。
図２は、従来の中性子検出装置の説明図である。即ち、縦横にマトリックス状に中性子検出素子が配置された構成を、図１の構成と対比し易いように示したものである。
【００２６】
図３は、この発明の第１実施形態に係る中性子検出装置１００による中性子測定の一例を示す説明図である。
図３に示すように、中性子源１０１から放射された中性子をスリット１０２ａ，１０２ｂ間を通り抜けて試料１０３に照射する。現在日本国内において利用可能な中性子源としては、Ｊ−ＰＡＲＣなどのパルス中性子源が挙げられる。このような加速器で発生させた陽子ビーム等の高エネルギービームを水銀原子核に衝突させることにより中性子を発生させる。
【００２７】
試料１０３に照射された中性子のうちの一部は、試料１０３を通り抜け、試料１０３の裏側に突き抜ける。その他は、試料１０３の内部で吸収されたり散乱されたりする。そのため、試料１０３の裏側に中性子検出装置１００を設置して中性子を測定すると試料１０３の様子を知ることができる。これが中性子ラジオグラフィの原理である。
【００２８】
中性子検出装置１００は、試料１０３を通り抜けた中性子が、格子状の中性子検出素子１ｘ，１ｙからなる面に略垂直に照射されるように設置する。ここで、中性子検出装置は、窓部１０４を備えた断熱容器１０５の内部に設置され、中性子は、窓部１０４を介して中性子検出装置１００に至る。窓部１０４には、薄いアルミ合金等の中性子透過性のある材質を用いる。
【００２９】
図４は、図１の中性子検出装置のＡ−Ａ矢視方向断面図である。
図５は、中性子が10Ｂに衝突して核反応がおこり、アルファ線とリチウム線の２つの粒子が相反する方向に放射する様子を模式的に示す説明図である。
10Ｂは、自然界に主に存在する質量数１１の11Ｂの同位体であり、中性子を吸収して4Ｈｅと7Ｌｉを生成する核反応を行うことが知られている。この核反応は、電荷を持たないために検出が困難な中性子の検出に利用される。10Ｂは、特に冷中性子に対して反応確率が高いことが知られている。
【００３０】
中性子ｎが10Ｂと核反応を起こすと、
10Ｂ＋ｎ→7Ｌｉ＋4Ｈｅ
の反応により、２つの粒子、4Ｈｅ（アルファ線）と7Ｌｉ（リチウム線）とが生成され放射される。このとき、約２．３ＭｅＶの核反応熱が発生するが、この熱エネルギーは4Ｈｅと7Ｌｉとによって運び出される。4Ｈｅ、7Ｌｉの熱エネルギーはそれぞれ、０．８８ＭｅＶ、１．４７ＭｅＶである。この核反応の特徴は、運動量保存則に従い、4Ｈｅと7Ｌｉとが互いに相反する方向に放射されることであり、この発明では、この特徴を利用する。
なお、4Ｈｅと7Ｌｉとが放射される方向は一定ではなく確率的（ランダム）に決定され、核反応ごとに異なる。また、超伝導状態のＭｇＢ2中においては、4Ｈｅ、7Ｌｉの飛程はそれぞれ４μｍ、２μｍ程度である。
【００３１】
この発明の第１実施形態に係る中性子検出素子１ｘ，１ｙにおいては、各素子の幅は０．５μｍであり、隣接する素子間の間隔は１μｍ程度である。中性子検出素子１ｘと１ｙとの間の中間層は最大でも厚み１μｍ程度である。このため、4Ｈｅ、7Ｌｉが中間層の向こう側の中性子検出素子に飛んでいったとしても、核反応位置からの検出位置のずれは、前記飛程の限度を考慮すれば、大きくても１〜３μｍ程度にすぎない。
【００３２】
図６は、この発明の第１実施形態に係る中性子検出素子中の10Ｂと中性子との核反応の一例を示す説明図である。
図６に示すように、中性子Ａが中性子検出素子１ｙ中の10Ｂと衝突した場合、核反応により4Ｈｅと7Ｌｉとが相反する方向に放射され、7Ｌｉが近傍（飛程距離内）の中性子検出素子１ｘと衝突する。
Ｘ軸方向において、Ｎ個の中性子検出素子のうち何れに衝突があったかを検出することにより、前記核反応がおこった位置のＸ座標を検出することができる。Ｙ軸方向においても同様に、Ｎ個の中性子検出素子のうち何れに衝突があったかを検出することにより、核反応がおこった位置のＹ座標を検出することができる。
もっとも、4Ｈｅと7Ｌｉとが放射される方向はランダムであるため、7Ｌｉが中性子検出素子１ｘと衝突せずに4Ｈｅが中性子検出素子１ｘと衝突する場合もある。しかし、この場合においても、4Ｈｅと7Ｌｉとは相反する方向に放射されるため、4Ｈｅと7Ｌｉの何れが中性子検出素子１ｘと衝突しても運動インダクタンスの変化が生じるので検出ができる。
なお、4Ｈｅと7Ｌｉの放射方向が中性子検出素子１ｘと略平行な方向の場合は、中性子検出素子１ｘとの衝突が生じない。よって、その場合は核反応のＸ座標を検出することはできない。しかし、中性子検出素子１ｘと１ｙとの間隔はたかだか１μｍ程度であるので、4Ｈｅと7Ｌｉの何れもが中性子検出素子１ｘと衝突を生じない確率は低い。また、ラジオグラフィでは多数の中性子を用いて試料を観察するため、一部の中性子が検出できなくても問題にならない。
なお、この発明の中性子検出装置を用いた測定においては、一つの中性子が検出されてから次の中性子が検出されるまでの時間は十分に長く、複数の箇所で同時に中性子が検出されることはほとんどないものとしている。この前提は、一つの中性子の検出に要する時間がナノ秒のオーダーと短いことから、利用可能な加速器の中性子発生頻度に照らして十分合理的である。また、この前提を満たすように中性子の発生を制御すればよい。
【００３３】
一方、図６で中性子Ｂが中性子検出素子１ｙの間をすり抜けてその奥側の中性子検出素子１ｘ中の10Ｂと衝突した場合、核反応により4Ｈｅと7Ｌｉとが相反する方向に放射され、4Ｈｅが近傍の中性子検出素子１ｙと衝突する。
このように、核反応により4Ｈｅと7Ｌｉとが何れの方向に放射されようとも、互いに直交方向に配列された中性子検出素子１ｘおよび１ｙの何れか一方または両方に高い確率で衝突が生じる。
【００３４】
なお、中性子Ｃが中性子検出素子１ｙの間および１ｘの間をすり抜ける場合、核反応が生じないため中性子は検出されないが、このような確率は、図２に示すような従来のマトリックス状に中性子検出素子を配列する構成と比較しても十分に低い。また、第２実施形態において後述するように、中性子検出素子間に10Ｂを含めることにより、このような未検出は回避される。
【００３５】
なお、放射される２つの粒子に限定されず、核反応により放射される粒子が３つ以上であってもよい。一つの核反応で中性子検出素子１ｘおよび１ｙに衝突するような方向を有する粒子が放射されればよい。
【００３６】
このように、Ｘ軸方向に伸びるＮ本の中性子検出素子１ｘ、Ｙ軸方向に伸びるＮ本の中性子検出素子１ｙを格子状に合計で２Ｎ本配列することにより、Ｎ×Ｎの分解能で中性子を検出することができる。この発明によれば、図２のように縦横にマトリックス状にＮ×Ｎ個の中性子検出素子を配列する従来の構成と比較して中性子検出素子の数を著しく減少できる。
【００３７】
第１実施形態においては、１００万画素の空間分解能を実現するためには、Ｘ，Ｙ方向にそれぞれ１０００個の中性子検出素子１ｘ，１ｙを配列すればよい。即ち、合計２０００個の中性子検出素子で１００万（＝１０００×１０００）画素の空間分解能が実現できる。
【００３８】
なお、これまでは、説明を単純にするため、4Ｈｅおよび7Ｌｉが中性子検出素子１ｘおよび１ｙの何れか一方または両方にそれぞれ衝突することを検出の条件とした。しかし、熱エネルギーの受容により中性子検出素子１ｘおよび１ｙの電子状態に変化が生じれば、検出が可能である。必ずしも粒子が中性子検出素子１ｘ，１ｙに衝突する必要はない。例えば、熱エネルギーを有する粒子が中性子検出素子１ｘおよび１ｙの近傍を通り過ぎることによって、当該中性子検出素子１ｘおよび１ｙの電子状態の変化が生じる場合でも、検出が可能である。
【００３９】
次に、上記電子状態の変化の検出方法について説明する。
図７は、この発明の第１実施形態に係る中性子検出装置のＳＦＱ回路および尤度判定回路を示す回路図である。
図８は、この発明の第１実施形態に係るＳＦＱ回路および尤度判定回路の構成を示すブロック図である。図７と図８の対応する要素には同じ符号を付している。図７で、「１００ＧＨｚサンプリング」と記した端子部分は図８の「検出用ＳＦＱパルス入力部１１１」に相当する。図７で「１ＧＨｚサンプリング」と記した端子部分は図８の「判定用ＳＦＱパルス入力部１２１」に相当する。図７でＳＦＱ回路１１０内の超伝導ループは図８の検出部１１２に相当し、図７で尤度判定回路１２０内の超伝導ループは図８の検出判定部１２２に相当する。
【００４０】
第１実施形態に係る中性子検出装置１００においては、電気抵抗がほとんど発生せず運動インダクタンスが増加するモードを、ＳＦＱ回路を用いて検出する。これにより、従来構成のように電気抵抗が発生することによる発熱の問題を回避する。
具体的には、熱エネルギーの受容によって超伝導電子対が減少する電子状態の変化を運動インダクタンスの変化として検出する。
【００４１】
従来は、電気抵抗値の変化を検出する手法が用いられていた。この手法は、核反応による熱エネルギーの受容により中性子検出素子内に流れる超伝導電子対を常伝導状態に転移させて電気抵抗を発生させるものである。例えば、ＭｇＢ2においては、超伝導転移温度Ｔc（約３９Ｋ）近傍の３０Ｋにおいて、このような現象が確認される。しかし、この手法は高解像度化に伴いジュール熱による発熱の問題が顕在化する。
【００４２】
一方、熱エネルギーによる常伝導状態への移行が一部の超伝導電子対に留まる場合、即ち、中性子検出素子内の一部の超伝導電子対のみが常伝導状態に転移する場合、常伝導電子は電気抵抗を有するが、中性子検出素子内の電流はもっぱら電気抵抗のない超伝導電子対を通じて流れる。そのため、常伝導電子による電気抵抗による熱の発生は若干生じるものの、超伝導電子対が全て常伝導電子に転移する場合ほど大きなジュール熱の発生は生じない。
【００４３】
このような超伝導状態が一部残存する状態においては、電気抵抗のない超伝導電子対が一部電気抵抗を有する常伝導電子対に転移することにより運動インダクタンスの変化が生じる。運動インダクタンスは、電子に対する慣性である。このような超伝導状態が一部残存する状態においては、超伝導電子対の一部が常伝導電子に移行することにより運動インダクタンスの変化ΔＬが生じる。このような運動インダクタンスの変化は、超伝導転移温度Ｔc（約３９Ｋ）よりずっと低い温度で生じ、ＭｇＢ2の場合、少なくとも１６Ｋにおいて観測されることが確認されている。また、Ginzburg-Landau理論による超伝導電子密度のダイナミクスの数値計算の結果も、２５Ｋにおいて運動インダクタンスの変化の検出が可能であることが示されている。なお、この発明の第１実施形態に係る中性子検出装置においては、４Ｋの超伝導状態で検出を行う。
【００４４】
しかしながら、１個の中性子反応による運動インダクタンスの変化ΔＬは１ｐＨ程度であり、磁気的インダクタンスの変化よりも小さい。検出用回路自身の熱雑音や室温からの電磁波などの環境雑音等を無視できないほど小さいため（熱雑音自体は、積分でゼロになるにしても）、運動インダクタンスの検出用回路としては、非常に高感度なものが望まれる。また、運動インダクタンスの変化の時間幅が１ナノ秒程度と極めて短いため、従来のＭＫＩＤ（マイクロ波運動インダクタンス変化）法、マイクロ波ＳＱＵＩＤ周波数多重読み込み方式、時間領域分割方式が何れも利用できない。それゆえ、この発明の第１実施形態に係る中性子検出装置においては、運動インダクタンスの高感度検出法として、ＳＦＱ回路を用いる。
【００４５】
ＳＦＱ回路を用いた運動インダクタンスの検出法においては、ＭｇＢ2に中性子が入射すると、等価的にＱＯＳ（Quasi One Junction SQUID）のループインダクタンスが変化する。なお、運動インダクタンスの変化は、検出用回路と磁気結合によって非接触で検出可能である。磁気結合の詳細については後述する。
【００４６】
ＳＦＱ回路は、超伝導リングの一部にジョセフソン接合を形成してなる単一磁束量子（Single Flux Quantum）回路である。超伝導体でリングを作るとリングの穴を通る磁束の量は１か０かのとびとびの値をとる。ジョセフソン接合は、ごく薄い絶縁膜を超伝導体の間に挟んで弱く結合させた構造であり、ジョセフソン接合を超伝導リングに挿入してＤＣバイアス電流を流すことにより、超伝導リング内の磁束量子を操作することができる。例えば、臨界電流値と呼ばれる一定電流量以上の電流が流れると磁束量子は絶縁膜を通り抜けて隣の超伝導リングに移り順次伝播していく。ＳＦＱが超伝導リングを通過すると、電圧パルス（ＳＦＱパルス）が発生する。
なお、ＳＦＱ回路の詳細は、例えば、特開２００７−１０４３３２に記載されている。
【００４７】
この発明の第１実施形態においては、１つの中性子検出素子（図１に示されるようにＸ軸方向にＮ本、Ｙ軸方向にＮ本、合わせて２Ｎ本ある中性子検出素子のうちの何れか１本）に対し、１つのＳＦＱ回路１１０および１つの尤度判定回路１２０がそれぞれ対応して検出を行う。即ち、１つのＳＦＱ回路１１０および尤度判定回路１２０に１つの中性子検出素子（１ｘまたは１ｙの１本）が対応する。なお、環境雑音等が十分小さければ、尤度判定回路１２０を備えず、ＳＦＱ回路１１０のみ備える構成であってもよい。図１のように、合わせて２Ｎ本の中性子検出素子がある場合、それぞれの中性子検出素子に対して１個のＳＦＱ回路１１０および尤度判定回路１２０が対応するものとすれば、合計２Ｎ個のＳＦＱ回路１１０および尤度判定回路１２０が必要となる。
【００４８】
ＳＦＱ回路１１０は、検出用ＳＦＱパルス入力部１１１および検出部１１２を備える。検出部１１２は、その回路的特性が図７に示すジョセフソン接合として表される。
尤度判定回路１２０は、判定用ＳＦＱパルス入力部１２１および検出判定部１２２を備える。検出判定部１２２は、検出部１１２のジョセフソン接合の超伝導ループと磁気的に結合した第２のジョセフソン接合を有している。
尤度判定回路１２０は、後述するアドレス生成回路１３０に判定結果を送信する。
【００４９】
検出用ＳＦＱパルス入力部１１１は、所定時間Ｔ１（図７では１０ピコ秒）ごとに磁束Φ0の検出用ＳＦＱパルスを入力する（１００ＧＨｚサンプリング）。ＳＦＱパルスの入力は、例えば次のようにして行う。超伝導線で接続された超伝導リングの列からなるジョセフソン伝送経路にＤＣバイアス電流を流した状態で、末端の超伝導リングに微少な磁場を加えると、当該超伝導リングにＳＦＱが一つ入る。超伝導リング中に進入した前記ＳＦＱは、当該超伝導リングに流れる電流から力を受けて隣接する超伝導リングに移動する。このＳＦＱの移動に要する時間は、２〜３ピコ秒程度と極めて短い時間である。それゆえ、ＳＦＱ回路にＤＣバイアス電流を流した状態で、１０ピコ秒ごとに（即ち１００ＧＨｚで）末端の超伝導リングに微少な磁場を加えることにより、定期的に検出用ＳＦＱパルスをＳＦＱ回路内で発生させることができる。
【００５０】
この発明の第１実施形態においては、例えば、Gifford-MacMahon（Ｇ−Ｍ）冷凍機等を用いて、中性子検出素子１ｘ，１ｙと共にＳＦＱ回路の温度を４Ｋに保つ。
また、磁気結合の方法としては、中性子検出素子１ｘ，１ｙとＳＦＱ回路との間に超伝導コンタクトをとることで実現される。例えば、ＭｇＢ2コイルと電極パッド、ニオブ（Ｎｂ）コイルと電極パッドを正確に微細加工して、フリップチップボンダで接着することによって、超伝導コンタクトが実現できる。
【００５１】
この発明の第１実施形態におけるＳＦＱ回路においては、中性子検出素子内の運動インダクタンスの変化を１ナノ秒程度の短期間で検出する。そのため、１００ＧＨｚ（１０ピコ秒間隔）のサンプリングパルス（ＳＦＱ信号）により１００回のサンプリングを行って検出結果を得る。
ここで、Φ0の磁束を有するＳＦＱ信号が、インダクタンスＬを備える超伝導リングの一部のジョセフソン接合を通過するときに電圧が発生する運動インダクタンスＬの変化をΔＬ、前記運動インダクタンスの変化ΔＬによる前記超伝導リング内のジョセフソン電流Ｊの変化をΔＪとすると、運動インダクタンスの変化ΔＬがＬよりも微小（ΔＬ／Ｌ≪１）であるとき、ジョセフソン電流の変化ΔＪは、ΔＪ≒ＪΔＬ／Ｌとなる。ここで、ジョセフソン電流Ｊ≒Φ0／Ｌとすると、ΔＪ≒Φ0ΔＬ／Ｌ2となるため、ΔＬ≒Ｌ2ΔＪ／Φ0より、ジョセフソン電流の変化ΔＪより運動インダクタンスの変化ΔＬが求められる。
【００５２】
なお、ＳＦＱ回路による超伝導ループが大きい場合、振動などの影響により磁気雑音が現れる可能性がある。その場合、図１４に示すようにキャパシタＣを挿入して共振回路を構成し、中性子の入射によって共振周波数がずれることを利用して高いＳ／Ｎ比の検出を行うようにしてもよい。
この場合、Φ0の磁束を有するＳＦＱ信号が、インダクタンスＬを備える超伝導リングの一部のジョセフソン接合を通過するときに電圧が発生する運動インダクタンスＬの変化をΔＬ（ΔＬ／Ｌ≪１）、キャパシタＣが挿入された共振回路の共振周波数の変化をΔＦとすると、共振周波数の変化ΔＦは、ΔＦ≒（１／（２π（ＬＣ）1/2）（ΔＬ／２Ｌ））となる。ただし、感度を得るためには、サンプリング周波数ｆsが共振周波数ｆrの整数倍である必要がある。図１４に示す例においては、ｆs（１００ＧＨｚ）はｆr（１２．５ＧＨｚ）の８倍となっている。キャパシタは、例えば、針状の細長いメタルパターンを交互に近接配置して電極とするインターデジタル構造で作製してチップとして集積化し、すべての中性子検出素子で共振周波数が同一となるように構成する。
【００５３】
尤度判定回路は、多数決によって出力が１か０かを判定することにより、高感度の検出を可能にするものであり、デジタル無線通信等で用いられている尤度判定法と原理的に同じである。一般的に、Ｎ回の試行の尤度判定により、ノイズの影響を１／（Ｎ1/2）倍に低減することができる。これは、統計的には、Ｎ回の測定に対する測定結果のばらつき（即ち標準偏差σ）が１／（Ｎ1/2）に比例することに起因する。ノイズ即ち測定結果のばらつきの要因としては、ＳＦＱ回路の場合、シャント抵抗に起因するジョンソン雑音や、一部の常伝導粒子の電気抵抗に起因する熱雑音等の影響が挙げられる。前記シャント抵抗は、ジョセフソン接合にオーミックな電流を流すためにジョセフソン接合と並列に接続される抵抗である。シャント抵抗は、ジョセフソン接合に過度な電圧がかかることによって破壊されるのを防止する。
【００５４】
判定用ＳＦＱパルス入力部１２１は、前記検出用ＳＦＱパルス入力部１１１のＳＦＱパルス間隔Ｔ１より長い所定時間Ｔ２（図７では１ナノ秒）ごとに判定用ＳＦＱパルスを回路内に入力する。例えば、図７のように検出用ＳＦＱパルスを１００ＧＨｚで（即ち１０ピコ秒ごとに）入力し、判定用ＳＦＱパルスを１ＧＨｚで（即ち１ナノ秒ごとに）入力する場合、ある判定用ＳＦＱパルスの入力から次の入力までの間に、１００回の検出用ＳＦＱパルスが検出部１１２に入力されることになる。この場合、ノイズの影響は１／１０に低減される。ただし、良好な尤度判定を行うには、当該１００回の試行回数の間（即ち、少なくとも１ナノ秒の間）運動インダクタンスの変化が持続している必要がある。
【００５５】
検出用ＳＦＱパルス入力部１１１により入力された前記検出用ＳＦＱパルスによって検出部１１２の超伝導ループには、前記運動インダクタンスの変化が生じていない期間はゼロ、前記運動インダクタンスの変化が生じている期間は１の磁束Φ0が発生する。ただし、ＳＦＱパルスが微少なために運動インダクタンスの変化がない期間においてもノイズの影響で磁束Φ0が１になるときがあり、逆に運動インダクタンスの変化が生じている期間においても磁束Φ0がゼロになるときがある。
１の磁束Φ0は、検出部１１２の超伝導ループと磁気的に結合した検出判定部１２２の超伝導ループに蓄積される。ただし、図７に示すように、尤度判定回路には減衰抵抗Ｒが挿入されているため、検出判定部１２２の超伝導ループに蓄積された磁束Φ0は、しばらく時間がたつと消失する。消失までの時定数は、減衰抵抗Ｒおよび磁気結合に係るインダクタンス成分Ｌによって決まる。
核反応により放射された粒子の熱エネルギーを受容した中性子検出素子は、２〜３ナノ秒程度の期間に渡って運動インダクタンスの変化が生じる。その期間に検出部１１２の超伝導ループに１の磁束Φ0が例えば１００回発生すると、その磁束が検出判定部１２２の超伝導ループに蓄積されていく。１回目の発生から磁束Φ0が次第に蓄積されていき１００に近づいていく。消失の時定数が十分長ければ、やがて１００の磁束Φ0が蓄積される。その後、同じ中性子検出素子が別の粒子を受容するまでの間に、蓄積された磁束は消失する。
尤度判定回路１２０は、検出判定部１２２の超伝導ループに蓄積される磁束Φ0が所定の数以上であるとき、前記運動インダクタンスの変化が検出されたものと判定する。
第１実施形態においては、１００回の検出用ＳＦＱパルスを入力したうち、カウンタにおいて試行結果が、５０回よりも多ければ後述するアドレス生成回路に検出結果を出力し、小さければ出力しないというように多数決による尤度判定を行う。
【００５６】
アドレス生成回路は、中性子検出装置に中性子が同時に複数の箇所に衝突することは稀で通常は一カ所にしか衝突しなないことを前提としている。Ｊ−ＰＡＲＣなどのパルス中性子源は、同時多数に発生するほど密度の高いものではないため、１つ１つの中性子が中性子検出素子に個別に衝突するものとみなすことができる。
【００５７】
第１実施形態において、図１に示す中性子検出素子１ｘは、Ｘ軸方向に１〜Ｎまで、Ｎ個が並んでいる。図７の「Ｃｈ．１」は、そのうち１つ目の中性子検出素子およびそれに対応するＳＦＱ回路および尤度判定回路に相当する。「Ｃｈ．２」は、２つ目の中性子検出素子、ＳＦＱ回路および尤度判定回路に相当する。よって、図１との対応関係から、図７のＳＦＱ回路および尤度判定回路は、Ｘ軸方向にＣｈ．１〜Ｃｈ．ＮまでＮチャネルの対があり、Ｙ軸方向にもＣｈ．１〜Ｃｈ．ＮまでＮチャネルの対がある。
尤度判定回路は、各チャネルにつき、判定用ＳＦＱパルスを１ＧＨｚで（即ち１ナノ秒ごとに）中性子検出の有無を判定する。アドレス生成回路は、１ナノ秒の遅延をおいて１〜Ｎまでの各チャネルを順次走査し、判定結果を調べる。１００万画素の例では、Ｎ＝１０００である。その結果、１ナノ秒×１０００＝１μ秒の間に、１０００個のチャネルのうち、どのチャネルに１個の中性子が検出されたのかが分かる。各チャネルを走査する周期、この場合は１μ秒が走査周期にあたる。各走査周期で、アドレス生成回路に検出結果を出力する。アドレス値は、１０ビット（２10＝１０２４）に１〜１０００の各チャネルの値を対応させる。
【００５８】
それゆえ、この発明の中性子検出装置で試料をフレーム時間１ｍｓで観察する場合、１フレーム時間あたり最大１０００個の中性子を１フレームで観察することができる。なお、外部（室温領域）とやりとりする信号線の本数は、Ｘ方向で１０ビット（１０本）、Ｙ方向で１０ビット（１０本）の合計２０本となる。ただし、ＳＦＱ回路のＤＣバイアス電流や、温度をモニタするための温度素子用のケーブルが必要なことから、実際には、合計４０〜５０本のケーブルが必要となる。
なお、フレーム時間等の数値は、この発明を限定するものではなく、観測対象の違いなど利用目的に応じて変更可能である。
【００５９】
次に、図９〜１０を用いて、この発明の第１実施形態に係る中性子検出装置１００の製造プロセスについて説明する。
図９は、この発明の第１実施形態に係る中性子検出装置の構造を示す断面図である。
図１０は、この発明の第１実施形態に係る中性子検出装置の製造プロセスを示す説明図である。
【００６０】
図１０（ａ）に示すように、カルーセルスパッタリング装置を用いてマグネシウムおよび硼素を同時にスパッタリングし、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）の単結晶の基材１０上にＭｇＢ2薄膜１を形成する。なお、基材１０は、サファイアに限定されず、誘電体などの非金属であればよい。また、ＭｇＢ2薄膜の堆積方法は気相蒸着法であればよい。なお、図１０においては、図１０（ｄ）を除き、紙面に垂直方向をＹ軸、紙面に沿った方向をＸ軸として説明する。
ＭｇＢ2薄膜の形成方法の詳細については、例えば、特開２００５−２８６２４５に記載されている。
【００６１】
次に、図１０（ｂ）に示すように、レジストをＭｇＢ2薄膜１上に塗布し、電子ビームリソグラフィによりレジストパターン１１を形成した後、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）エッチングを行う。これによって、図１０の紙面奥行き方向に伸びた０．５μｍ幅のストライプ状に中性子検出素子１ｘを形成する。
【００６２】
次に、図１０（ｃ）に示すように、レジストパターン１１を除去した中性子検出素子１ｘ上に酸化シリコン（ＳｉＯ）を蒸着させて保護膜３を形成する。保護膜３は、ＭｇＢ2の表面が直接空気に接するのを防止する。
【００６３】
図１０（ｄ）は、図１０（ｃ）の中性子検出素子１ｘを、紙面に垂直方向をＸ軸、紙面に沿った方向をＹ軸として見たものである。中性子検出素子１ｘの両端部には電極４ａを形成する。電極４ａ，４ｂは導電体であり、例えば金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）またはチタン−金（ＡｕＴｉ）で形成される。中性子検出素子１ｘの両端部には電極４ａを形成する。
【００６４】
それらと別に、超伝導体としてＮｂの薄膜を重ねて形成される超伝導集積回路プロセスによりＳＦＱ回路１１０、尤度判定回路１２０およびアドレス生成回路１３０に相当する回路が集積された超伝導ＩＣチップ２を作成する。超伝導ＩＣチップ２上には、ＳｉＯ2からなる絶縁層９を形成し、中性子検出素子１ｘの電極４ａに対応する位置に電極４ｂを形成する。
【００６５】
次に、図１０（ｅ）に示すように、超伝導ＩＣチップ２のＳＦＱ回路が形成された面に対向するように、中性子検出素子１ｘを（フェイスダウン）実装する。具体的には、超伝導性を有する半田バンプ８を介したフリップチップボンディングにより、電極４ａ，４ｂが対向するように、超伝導ＩＣチップ２のＳＦＱ回路と中性子検出素子１ｘとを接着層５を挟んで接合する。接着層５としては、接着剤の代わりに熱圧着シートを用いてもよい。なお、半田バンプ８の材料としては、鉛錫（Ｐｂ−Ｓｎ）合金、鉛インジウム金（Ｐｂ−Ｉｎ−Ａｕ）合金などの超伝導材料が用いられ、ボールボンディング法により形成される。
また、ＭｇＢ2からなる図７の等価回路上のコイルとＮｂからなる図７の等価回路上のコイルの位置合わせも前述のフリップチップボンディングによってなされる。
【００６６】
次に、図１０（ｆ）に示すように、さらに中性子検出素子１ｘ上に、中性子検出素子１ｘ，１ｙの伸びる方向が互いに直交するように中性子検出素子１ｙを実装し、中性子検出素子１ｘと同様に、超伝導ＩＣチップ２と超伝導コンタクトによる磁気結合を行う。
【００６７】
最後に、中性子検出素子１ｘ、中性子検出素子１ｙおよび超伝導ＩＣチップ２を封止樹脂６によって封止する。
【００６８】
なお、２組の中性子検出素子を張り合わせた状態で、中性子検出素子１ｘおよび１ｙ間の距離が、4Ｈｅ、7Ｌｉの飛程（それぞれ４μｍ、２μｍ）を超えないように構成するように留意すべきである。
また、変形例として、薄膜１ｘおよび１ｙがＮｂ等の超伝導物質で、保護膜３がＭｇＢ2を含むようにしてもよい。
【００６９】
<<第２実施形態>>
次に、図１１、図１２を用いて、この発明の第２実施形態に係る中性子検出装置１００ａについて説明する。
図１１は、この発明の第２実施形態に係る中性子検出素子からなる中性子検出素子の構造を示す断面図である。
第１実施形態との違いは、中性子検出装置１ｘおよび１ｙ中に10Ｂを含まず、それらの中間に10Ｂを含む核反応層７を備える点である。
なお、核反応層７は、ＭｇＢ2薄膜に形成してもよい。その場合、超伝導のベースプレートとして用いることができる。また、10Ｂそのものの薄膜でもよい。具体的には、Ｋセルや電子ビームを用いた蒸着により形成することができる。
【００７０】
図１２に示すように、中性子が核反応層７中の10Ｂと衝突した場合、核反応により4Ｈｅと7Ｌｉとが相反する方向に放射され、4Ｈｅまたは7Ｌｉが近傍（飛程距離内）の中性子検出素子１ｘまたは１ｙと衝突する。核反応層７中に一様に10Ｂを含む場合、中性子が中性子検出素子１ｘおよび１ｙをすり抜ける経路を進んでも、核反応層７中の10Ｂと核反応を起こすため、中性子が確実に検出される。また、中性子検出素子１ｘまたは１ｙが10Ｂを含む超伝導物質である必要はないため、中性子検出素子１ｘまたは１ｙとして、例えばＮｂまたはＮｂＮによる超伝導体や、ボロンをドープしたダイヤモンド薄膜（Ｔｃ＝１１Ｋ）
等の高温超伝導体を用いることができる。
【００７１】
<<第３実施形態>>
次に、図１３を用いて、この発明の第３実施形態に係る中性子検出装置１００ｂについて説明する。
【００７２】
図１３は、この発明の第３実施形態に係る中性子検出装置を示す説明図である。
図１３に示すように、中性子検出素子１ｘ，１ｙの形状として、経路が曲がりくねった形状（以下、メアンダ（meander）形状と記載）を用いてもよい。運動インダクタンスの変化を効率的に検出できるのは、熱エネルギーの拡散長程度であり、超伝導細線の幅を１μｍ程度にするのがよいが、メアンダ形状にすることにより、超伝導細線の幅を最適にしつつ、大面積化を図ることができるため、中性子との核反応性を高めることが可能になる。また、図１３のような形状に限定されず、用途に応じて、種々の形状、大きさ、線幅を有していてもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１：ＭｇＢ2薄膜
１ｘ，１ｙ：中性子検出素子
２：超伝導ＩＣチップ
３：保護膜
４ａ，４ｂ：電極
５：接着層
６：封止樹脂
７：核反応層
８：半田バンプ
９：絶縁層
１０：基材
１１：レジストパターン
１００，１００ａ，１００ｂ：中性子検出装置
１０１：中性子源
１０２ａ，１０２ｂ：スリット
１０３：試料
１０４：窓部
１０５：断熱容器
１１０：ＳＦＱ回路
１１１：検出用ＳＦＱパルス入力部
１１２：検出部
１２０：尤度判定回路
１２１：判定用ＳＦＱパルス入力部
１２２：検出判定部
１３０：アドレス生成回路
【技術分野】
【０００１】
この発明は、中性子検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
中性子によるイメージング技術（中性子ラジオグラフィ）は、Ｘ線やガンマ線を用いた解析技術と同様に、中性子線が物質を通り抜ける性質を利用して物質内部を観察する技術である。中性子ラジオグラフィは、金属など重い元素の撮影に適したＸ線と異なり水素や炭素など軽元素の観察に適しており、生物や水分を多く含む物質の観察を可能にする。また、感度が高いため、映像として実時間観察できるなどの特徴を有し、生物中の水分の移動の様子などが観察できる。さらに、一般の金属には中性子の吸収が少ないという特性を活かし、機械内部を移動する燃料やオイルの様子も観察可能である。また、磁気モーメントを有するという特性を活かし、磁気分布を調べることも可能である。
【０００３】
このような中性子線の特性を活かし、燃料電池内の水のダイナミクスを高空間分解能の動画として観測したいとの要望がある。また、サブミクロンの分解能で大画素化が実現できれば、スピン偏極中性子源を用いて磁性体材料におけるスピンの運動の様子を高速観察できるため、スピントロニクスなど最先端の研究を支援する強力なツールとなる。それゆえ、大画素化の実現、特にサブミクロンの高空間分解能でリアルタイムに観測できる中性子ラジオグラフィの技術が求められている。大強度陽子加速器施設Ｊ−ＰＡＲＣ（Japan Proton Accelerator Research Complex）利用者協議会においては、「燃料電池」「蓄電デバイス」分野において２０１５年に１μｍの空間分解能、２０３０年に１０ｍｓのフレーム時間が全体構想として掲げられている。
【０００４】
ところで、中性子ラジオグラフィの検出装置としては、ガス放電方式を用いたものやシンチレーション方式を用いたもの、イメージングプレートを用いたものなど様々な方式のものが挙げられる。前述の構想に応え得る高分解能、高速の中性子検出装置としては、ナノワイヤ状に微細加工した超伝導元素からなる検出素子を縦横にマトリックス状に配置した中性子検出装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。それらの検出素子と中性子との核反応に伴う発熱による検出素子の電子状態の変化を電気抵抗値の変化として測定するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ２００６−０９５６５９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、高温超伝導体を利用した中性子検出装置を用いて大画素化を実現しようとする場合、例えば、百万画素の中性子検出システムを構築しようとすると、縦横あわせて百万個の検出素子をマトリックス状に配置する必要がある。そして、個々の検出素子に駆動電流を流す必要があり、単純に見積もっても駆動電流用に百万本、出力用に百万本の、計２百万本ものケーブルが最低限必要となる。その実現は不可能とはいえないまでも著しく困難といえる。
【０００７】
また、検出素子と中性子との核反応に伴う発熱によって生じる電気抵抗の変化を検出する場合、前記核反応に伴う検出装置の発熱やケーブルからの熱流入により検出素子の超伝導状態が壊れ、検出装置の正常な動作を妨げる可能性がある。検出素子の個数が増大するに従い、発熱や熱流入に伴う前述の問題が顕在化する。
【０００８】
この発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、マトリックス状に検出素子を配置する従来の構成よりも少ない個数の検出素子で同じ空間分解能を有する中性子検出装置を実現するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は、１つの中性子と中性子検出用物質との核反応によって熱エネルギーを伴って生成され、異なる方向へ放射される少なくとも２つの粒子のうち、一の粒子の前記熱エネルギーを受容した場合に電子状態の変化が生じる第１粒子検出素子を複数個並列に配置してなるＸ座標検出素子群と、他の粒子の前記熱エネルギーを受容した場合に電子状態の変化が生じる第２粒子検出素子を複数個並列に配置してなるＹ座標検出素子群とを備え、各第１粒子検出素子は縦方向へ長く伸びる領域を有する超伝導物質であり、前記Ｘ座標検出素子群はそれらの第１粒子検出素子が横方向に並び、何れの第１粒子検出素子が前記一の粒子に係る電子状態の変化を検出したかに基づいて前記核反応がおこった位置のＸ座標を検出し、各第２粒子検出素子は、横方向へ長く伸びる領域を有する超伝導物質であり、前記Ｙ座標検出素子群はそれらの第２粒子検出素子が縦方向に並び、何れの第２粒子検出素子が前記他の粒子に係る電子状態の変化を検出したかに基づいて前記核反応がおこった位置のＹ座標を検出することを特徴とする中性子検出装置を提供するものである。
【００１０】
この発明で、中性子検出用物質の具体的な一例としては、二硼化マグネシウム（ＭｇＢ2）が挙げられる。その場合、核反応により放射される粒子は4Ｈｅ（アルファ線）と7Ｌｉ（リチウム線）である。
熱エネルギーを受容するとは、粒子の持つ熱エネルギーによって第１または第２粒子検出素子の特性、特に電子状態の変化が生じることをいう。何らかの手段でその電子状態の変化が検出できれば特に検出手法は限定されないが、後述する実施例においては、電子状態の変化を運動インダクタンスの変化として検出している。
【００１１】
この発明による中性子検出装置は、横方向に複数個の第１粒子検出素子が並ぶＸ座標検出素子群を備えており、何れの第１粒子検出素子に電子状態の変化があったかによって核反応がおこった位置のＸ座標を検出する。また、縦方向に複数個の第２粒子検出素子が並ぶＹ座標検出素子群を備えており、何れの第２粒子検出素子に電子状態の変化があったかによって核反応がおこった位置のＹ座標を検出する。
【００１２】
この発明の中性子検出装置は、ある時点においては中性子が一カ所にしか衝突せず、通常は複数箇所に同時に中性子が衝突することはないことを前提としており（仮にそのような事象が生じても確率が低ければよい）、衝突が順次発生しそれによる核反応の位置を検出するものである。
例えば、中性子検出用物質がＭｇＢ2で、核反応により放出される粒子がアルファ線とリチウム線の場合、それらのうち何れが第１粒子であるかは問わない。さらに、中性子とＭｇＢ2との衝突が順次発生するとき、第１粒子検出素子が一貫してアルファ線またはリチウム線を検出すると限定するものではなく、あるときは第１粒子検出素子がアルファ線を検出し、その次はリチウム線を検出してもよい。
【発明の効果】
【００１３】
この発明の中性子検出装置によれば、中性子と中性子検出用物質との核反応に伴って異なる方向へ放射される２つの粒子のうちの一つの粒子をＸ座標検出素子群で検出し、他の粒子をＹ座標検出素子群で検出することによりマトリックス状に検出素子を配置する構成よりも少ない個数の検出素子で同じ空間分解能を有する中性子検出を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の第１実施形態に係る中性子検出装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】従来の中性子検出装置の説明図である。
【図３】この発明の第１実施形態に係る中性子検出素子による中性子測定の一例を示す説明図である。
【図４】図１の中性子検出装置のＡ−Ａ矢視方向断面図である。
【図５】中性子と10Ｂとの核反応の一例を示す説明図である。
【図６】この発明の第１実施形態に係る中性子検出装置内の中性子と10Ｂとの核反応の一例を示す説明図である。
【図７】この発明の第１実施形態に係る中性子検出装置のＳＦＱ（単一磁束量子）回路および尤度判定回路を示す回路図である。
【図８】この発明の第１実施形態に係るＳＦＱ回路および尤度判定回路の構成を示すブロック図である。
【図９】この発明の第１実施形態に係る中性子検出装置の構造を示す断面図である。
【図１０】この発明の第１実施形態に係る中性子検出装置の製造プロセスを示す説明図である。
【図１１】この発明の第２実施形態に係る中性子検出装置の構造を示す断面図である。
【図１２】この発明の第２実施形態に係る中性子検出装置内の中性子と10Ｂとの核反応の一例を示す説明図である。
【図１３】この発明の第３実施形態に係る中性子検出素子を示す説明図である。
【図１４】この発明の第１実施形態に係る中性子検出素子の変形例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
この発明による中性子検出装置において、前記中性子検出用物質が、第１粒子検出素子および／または第２粒子検出素子に用いられてもよい。
このようにすれば、第１粒子検出素子および／または第２粒子検出素子と中性子とが核反応がおこったときに放射される粒子のうち第１粒子を何れかの第１素子検出素子で検出し、第２粒子を何れかの第２粒子検出素子で検出することにより前記核反応がおこった位置のＸおよびＹ座標を特定することができる。
【００１６】
この発明による中性子検出装置において、前記中性子検出用物質が、隣り合う第１粒子検出素子と第１粒子検出素子との間、隣り合う第２粒子検出素子と第２粒子検出素子との間、または各第１粒子検出素子と各第２粒子検出素子との間の何れかに少なくとも配置されるものであってもよい。
このようにすれば、隣り合う第１粒子検出素子と第１粒子検出素子との間、隣り合う第２粒子検出素子と第２粒子検出素子との間、または各第１粒子検出素子と各第２粒子検出素子との間の何れかに少なくとも配置された中性子検出用物質と中性子とが核反応を生じたときに放射される粒子のうち第１粒子を何れかの第１素子検出素子で検出し、第２粒子を何れかの第２粒子検出素子で検出することにより前記核反応がおこった位置のＸおよびＹ座標を特定することができる。また、第１粒子検出素子および第２粒子検出素子が中性子検出用物質を含まなくてもよいため、それらの検出素子として任意の高温超伝導体を用いることができる。
【００１７】
この発明による中性子検出装置において、各第１粒子検出素子は、前記第１粒子の熱エネルギーの受容によって超伝導電子対が減少する電子状態の変化を運動インダクタンスの変化として検出し、各第２粒子検出素子は、前記第２粒子の熱エネルギーの受容によって超伝導電子対が減少する電子状態の変化を運動インダクタンスの変化として検出するものであってもよい。
このようにすれば、各第１粒子検出素子および各第２粒子検出素子が第１および第２粒子の熱エネルギーの受容をジュール熱の発生を伴う電気抵抗の変化ではなく、運動インダクタンスの変化によりそれぞれ検出するので熱がほとんど発生しない。
【００１８】
この発明による中性子検出装置において、超伝導リングの一部にジョセフソン接合を形成してなるＳＦＱ（単一磁束量子）回路をさらに備え、前記ＳＦＱ回路は、所定時間Ｔ１ごとに所定の磁束を有する検出用ＳＦＱパルスを入力する検出用ＳＦＱパルス入力部と、前記運動インダクタンスの変化による前記超伝導リング内のジョセフソン電流の変化に基づき前記運動インダクタンスの変化を検出する運動インダクタンス検出素子群とを含み、前記第１粒子検出素子または第２粒子検出素子の一つと磁気結合されてなるものであってもよい。
このようにすれば、微弱な磁場変化を検出可能なＳＦＱ回路を備える中性子検出装置を用いることにより、前記熱エネルギーを受容した場合に生じる超伝導電子対の減少を運動インダクタンスの変化として高感度に検出できる。
【００１９】
この発明による中性子検出装置において、前記ＳＦＱ回路は、尤度判定回路を備え、前記尤度判定回路は、前記時間Ｔ１より長い所定時間Ｔ２ごとに判定用ＳＦＱパルスを入力する判定用ＳＦＱパルス入力部と、前記判定用ＳＦＱパルスの入力時に、前記検出用ＳＦＱパルス入力部により入力された前記検出用ＳＦＱパルスの数のうち、前記運動インダクタンスの変化を検出した前記検出用ＳＦＱパルスの数が所定の数以上であるとき、前記運動インダクタンスの変化が検出されたものと判定する検出判定部とを備えるものであってもよい。
このようにすれば、尤度判定回路により前記運動インダクタンスの変化を示すＳＦＱパルスの数を数え、多数決の原理によってさらに高い感度で運動インダクタンスの変化を検出することができる。
【００２０】
この発明による中性子検出装置において、前記Ｘ座標検出素子群および前記Ｙ座標検出素子群により検出されたＸ座標およびＹ座標をデジタル化されたアドレス値として出力するアドレス生成回路をさらに備えるものであってもよい。
このようにすれば、検出されたＸ座標およびＹ座標の値をデジタル化されたアドレス値として出力することにより、例えば、Ｘ座標検出素子群がＮ本のＸ座標検出素子を有する場合に、外部の室温領域へ信号を送るための信号線の数をデジタル化しない場合のＮ本に比べてlog2N本に削減することが可能となる。
【００２１】
この発明による中性子検出装置において、前記中性子検出用物質が10Ｂを含み、前記粒子は、中性子と10Ｂとの核反応によって生成され相反する方向に放射されるアルファ線とリチウム線の２つの粒子であってもよい。
このようにすれば、中性子と反応してアルファ線とリチウム線の２つの粒子が相反する方向に放射することが知られている10Ｂを用い、かつ相反する方向に放射される２つの粒子を用いることにより、２つの粒子の放射方向に関わらずＸおよびＹ座標を特定できるため、中性子の検出効率を高めることができる。
【００２２】
この発明による中性子検出装置において、前記中性子検出用物質がＭｇＢ2を含むものであってもよい。
このようにすれば、中性子検出用物質として、加工しやすい高温超伝導体であるＭｇＢ2を用いて中性子検出装置を実現することができる。
【００２３】
ここで示した種々の好ましい態様は、それら複数を組み合わせることもできる。以下、図面に基づいてこの発明の第１実施形態に係る中性子検出装置について詳述する。なお、以下の説明はすべての点で例示であって、この発明を限定するものと解されるべきではない。
【００２４】
<<第１実施形態>>
この発明の第１実施形態に係る中性子検出装置について、図１〜１０に基づいて説明する。
【００２５】
図１は、この発明の第１実施形態に係る中性子検出装置の概略構成を示す説明図である。
図１に示すように、この発明の第１実施形態に係る中性子検出装置１００は、縦横に格子状に配置された複数本の直線状の中性子検出素子を備えることを特徴とする。縦方向（図１のＹ軸）に沿って伸びる複数本（Ｎ本）の中性子検出素子は、横方向（Ｘ軸方向）の位置を検出する第１粒子検出素子に相当し、それら第１粒子検出素子の集合がＸ座標検出素子群に相当する。図１ではそれらＮ本のうちの中性子検出素子の一つに符号１ｘを付して代表としている。また、横方向（図１のＸ軸）に沿って伸びる複数本（Ｎ本）の中性子検出素子は、縦方向（Ｙ軸方向）の位置を検出する第２粒子検出素子に相当し、それら第２粒子検出素子の集合がＹ座標検出素子群に相当する。図１ではそれらＮ本のうちの中性子検出素子の一つに符号１ｙを付して代表としている。中性子検出素子１ｘ，１ｙは、中性子検出用物質として、ＭｇＢ2を含む高温超伝導材料からなり、液体ヘリウムを用いた冷凍機により超伝導転移温度Ｔc（ＭｇＢ2の場合、約３９Ｋ）以下（第１実施形態の場合、約４Ｋ）に冷却して超伝導状態にされている。なお、中性子検出装置１００は、超伝導状態を維持するため、冷凍機の中に入れ、真空中に保持する。
Ｘ軸、Ｙ軸および中性子が飛来する方向を示す矢印、１〜Ｎの文字は説明のために付したものである。これは、図２についても同様である。
図２は、従来の中性子検出装置の説明図である。即ち、縦横にマトリックス状に中性子検出素子が配置された構成を、図１の構成と対比し易いように示したものである。
【００２６】
図３は、この発明の第１実施形態に係る中性子検出装置１００による中性子測定の一例を示す説明図である。
図３に示すように、中性子源１０１から放射された中性子をスリット１０２ａ，１０２ｂ間を通り抜けて試料１０３に照射する。現在日本国内において利用可能な中性子源としては、Ｊ−ＰＡＲＣなどのパルス中性子源が挙げられる。このような加速器で発生させた陽子ビーム等の高エネルギービームを水銀原子核に衝突させることにより中性子を発生させる。
【００２７】
試料１０３に照射された中性子のうちの一部は、試料１０３を通り抜け、試料１０３の裏側に突き抜ける。その他は、試料１０３の内部で吸収されたり散乱されたりする。そのため、試料１０３の裏側に中性子検出装置１００を設置して中性子を測定すると試料１０３の様子を知ることができる。これが中性子ラジオグラフィの原理である。
【００２８】
中性子検出装置１００は、試料１０３を通り抜けた中性子が、格子状の中性子検出素子１ｘ，１ｙからなる面に略垂直に照射されるように設置する。ここで、中性子検出装置は、窓部１０４を備えた断熱容器１０５の内部に設置され、中性子は、窓部１０４を介して中性子検出装置１００に至る。窓部１０４には、薄いアルミ合金等の中性子透過性のある材質を用いる。
【００２９】
図４は、図１の中性子検出装置のＡ−Ａ矢視方向断面図である。
図５は、中性子が10Ｂに衝突して核反応がおこり、アルファ線とリチウム線の２つの粒子が相反する方向に放射する様子を模式的に示す説明図である。
10Ｂは、自然界に主に存在する質量数１１の11Ｂの同位体であり、中性子を吸収して4Ｈｅと7Ｌｉを生成する核反応を行うことが知られている。この核反応は、電荷を持たないために検出が困難な中性子の検出に利用される。10Ｂは、特に冷中性子に対して反応確率が高いことが知られている。
【００３０】
中性子ｎが10Ｂと核反応を起こすと、
10Ｂ＋ｎ→7Ｌｉ＋4Ｈｅ
の反応により、２つの粒子、4Ｈｅ（アルファ線）と7Ｌｉ（リチウム線）とが生成され放射される。このとき、約２．３ＭｅＶの核反応熱が発生するが、この熱エネルギーは4Ｈｅと7Ｌｉとによって運び出される。4Ｈｅ、7Ｌｉの熱エネルギーはそれぞれ、０．８８ＭｅＶ、１．４７ＭｅＶである。この核反応の特徴は、運動量保存則に従い、4Ｈｅと7Ｌｉとが互いに相反する方向に放射されることであり、この発明では、この特徴を利用する。
なお、4Ｈｅと7Ｌｉとが放射される方向は一定ではなく確率的（ランダム）に決定され、核反応ごとに異なる。また、超伝導状態のＭｇＢ2中においては、4Ｈｅ、7Ｌｉの飛程はそれぞれ４μｍ、２μｍ程度である。
【００３１】
この発明の第１実施形態に係る中性子検出素子１ｘ，１ｙにおいては、各素子の幅は０．５μｍであり、隣接する素子間の間隔は１μｍ程度である。中性子検出素子１ｘと１ｙとの間の中間層は最大でも厚み１μｍ程度である。このため、4Ｈｅ、7Ｌｉが中間層の向こう側の中性子検出素子に飛んでいったとしても、核反応位置からの検出位置のずれは、前記飛程の限度を考慮すれば、大きくても１〜３μｍ程度にすぎない。
【００３２】
図６は、この発明の第１実施形態に係る中性子検出素子中の10Ｂと中性子との核反応の一例を示す説明図である。
図６に示すように、中性子Ａが中性子検出素子１ｙ中の10Ｂと衝突した場合、核反応により4Ｈｅと7Ｌｉとが相反する方向に放射され、7Ｌｉが近傍（飛程距離内）の中性子検出素子１ｘと衝突する。
Ｘ軸方向において、Ｎ個の中性子検出素子のうち何れに衝突があったかを検出することにより、前記核反応がおこった位置のＸ座標を検出することができる。Ｙ軸方向においても同様に、Ｎ個の中性子検出素子のうち何れに衝突があったかを検出することにより、核反応がおこった位置のＹ座標を検出することができる。
もっとも、4Ｈｅと7Ｌｉとが放射される方向はランダムであるため、7Ｌｉが中性子検出素子１ｘと衝突せずに4Ｈｅが中性子検出素子１ｘと衝突する場合もある。しかし、この場合においても、4Ｈｅと7Ｌｉとは相反する方向に放射されるため、4Ｈｅと7Ｌｉの何れが中性子検出素子１ｘと衝突しても運動インダクタンスの変化が生じるので検出ができる。
なお、4Ｈｅと7Ｌｉの放射方向が中性子検出素子１ｘと略平行な方向の場合は、中性子検出素子１ｘとの衝突が生じない。よって、その場合は核反応のＸ座標を検出することはできない。しかし、中性子検出素子１ｘと１ｙとの間隔はたかだか１μｍ程度であるので、4Ｈｅと7Ｌｉの何れもが中性子検出素子１ｘと衝突を生じない確率は低い。また、ラジオグラフィでは多数の中性子を用いて試料を観察するため、一部の中性子が検出できなくても問題にならない。
なお、この発明の中性子検出装置を用いた測定においては、一つの中性子が検出されてから次の中性子が検出されるまでの時間は十分に長く、複数の箇所で同時に中性子が検出されることはほとんどないものとしている。この前提は、一つの中性子の検出に要する時間がナノ秒のオーダーと短いことから、利用可能な加速器の中性子発生頻度に照らして十分合理的である。また、この前提を満たすように中性子の発生を制御すればよい。
【００３３】
一方、図６で中性子Ｂが中性子検出素子１ｙの間をすり抜けてその奥側の中性子検出素子１ｘ中の10Ｂと衝突した場合、核反応により4Ｈｅと7Ｌｉとが相反する方向に放射され、4Ｈｅが近傍の中性子検出素子１ｙと衝突する。
このように、核反応により4Ｈｅと7Ｌｉとが何れの方向に放射されようとも、互いに直交方向に配列された中性子検出素子１ｘおよび１ｙの何れか一方または両方に高い確率で衝突が生じる。
【００３４】
なお、中性子Ｃが中性子検出素子１ｙの間および１ｘの間をすり抜ける場合、核反応が生じないため中性子は検出されないが、このような確率は、図２に示すような従来のマトリックス状に中性子検出素子を配列する構成と比較しても十分に低い。また、第２実施形態において後述するように、中性子検出素子間に10Ｂを含めることにより、このような未検出は回避される。
【００３５】
なお、放射される２つの粒子に限定されず、核反応により放射される粒子が３つ以上であってもよい。一つの核反応で中性子検出素子１ｘおよび１ｙに衝突するような方向を有する粒子が放射されればよい。
【００３６】
このように、Ｘ軸方向に伸びるＮ本の中性子検出素子１ｘ、Ｙ軸方向に伸びるＮ本の中性子検出素子１ｙを格子状に合計で２Ｎ本配列することにより、Ｎ×Ｎの分解能で中性子を検出することができる。この発明によれば、図２のように縦横にマトリックス状にＮ×Ｎ個の中性子検出素子を配列する従来の構成と比較して中性子検出素子の数を著しく減少できる。
【００３７】
第１実施形態においては、１００万画素の空間分解能を実現するためには、Ｘ，Ｙ方向にそれぞれ１０００個の中性子検出素子１ｘ，１ｙを配列すればよい。即ち、合計２０００個の中性子検出素子で１００万（＝１０００×１０００）画素の空間分解能が実現できる。
【００３８】
なお、これまでは、説明を単純にするため、4Ｈｅおよび7Ｌｉが中性子検出素子１ｘおよび１ｙの何れか一方または両方にそれぞれ衝突することを検出の条件とした。しかし、熱エネルギーの受容により中性子検出素子１ｘおよび１ｙの電子状態に変化が生じれば、検出が可能である。必ずしも粒子が中性子検出素子１ｘ，１ｙに衝突する必要はない。例えば、熱エネルギーを有する粒子が中性子検出素子１ｘおよび１ｙの近傍を通り過ぎることによって、当該中性子検出素子１ｘおよび１ｙの電子状態の変化が生じる場合でも、検出が可能である。
【００３９】
次に、上記電子状態の変化の検出方法について説明する。
図７は、この発明の第１実施形態に係る中性子検出装置のＳＦＱ回路および尤度判定回路を示す回路図である。
図８は、この発明の第１実施形態に係るＳＦＱ回路および尤度判定回路の構成を示すブロック図である。図７と図８の対応する要素には同じ符号を付している。図７で、「１００ＧＨｚサンプリング」と記した端子部分は図８の「検出用ＳＦＱパルス入力部１１１」に相当する。図７で「１ＧＨｚサンプリング」と記した端子部分は図８の「判定用ＳＦＱパルス入力部１２１」に相当する。図７でＳＦＱ回路１１０内の超伝導ループは図８の検出部１１２に相当し、図７で尤度判定回路１２０内の超伝導ループは図８の検出判定部１２２に相当する。
【００４０】
第１実施形態に係る中性子検出装置１００においては、電気抵抗がほとんど発生せず運動インダクタンスが増加するモードを、ＳＦＱ回路を用いて検出する。これにより、従来構成のように電気抵抗が発生することによる発熱の問題を回避する。
具体的には、熱エネルギーの受容によって超伝導電子対が減少する電子状態の変化を運動インダクタンスの変化として検出する。
【００４１】
従来は、電気抵抗値の変化を検出する手法が用いられていた。この手法は、核反応による熱エネルギーの受容により中性子検出素子内に流れる超伝導電子対を常伝導状態に転移させて電気抵抗を発生させるものである。例えば、ＭｇＢ2においては、超伝導転移温度Ｔc（約３９Ｋ）近傍の３０Ｋにおいて、このような現象が確認される。しかし、この手法は高解像度化に伴いジュール熱による発熱の問題が顕在化する。
【００４２】
一方、熱エネルギーによる常伝導状態への移行が一部の超伝導電子対に留まる場合、即ち、中性子検出素子内の一部の超伝導電子対のみが常伝導状態に転移する場合、常伝導電子は電気抵抗を有するが、中性子検出素子内の電流はもっぱら電気抵抗のない超伝導電子対を通じて流れる。そのため、常伝導電子による電気抵抗による熱の発生は若干生じるものの、超伝導電子対が全て常伝導電子に転移する場合ほど大きなジュール熱の発生は生じない。
【００４３】
このような超伝導状態が一部残存する状態においては、電気抵抗のない超伝導電子対が一部電気抵抗を有する常伝導電子対に転移することにより運動インダクタンスの変化が生じる。運動インダクタンスは、電子に対する慣性である。このような超伝導状態が一部残存する状態においては、超伝導電子対の一部が常伝導電子に移行することにより運動インダクタンスの変化ΔＬが生じる。このような運動インダクタンスの変化は、超伝導転移温度Ｔc（約３９Ｋ）よりずっと低い温度で生じ、ＭｇＢ2の場合、少なくとも１６Ｋにおいて観測されることが確認されている。また、Ginzburg-Landau理論による超伝導電子密度のダイナミクスの数値計算の結果も、２５Ｋにおいて運動インダクタンスの変化の検出が可能であることが示されている。なお、この発明の第１実施形態に係る中性子検出装置においては、４Ｋの超伝導状態で検出を行う。
【００４４】
しかしながら、１個の中性子反応による運動インダクタンスの変化ΔＬは１ｐＨ程度であり、磁気的インダクタンスの変化よりも小さい。検出用回路自身の熱雑音や室温からの電磁波などの環境雑音等を無視できないほど小さいため（熱雑音自体は、積分でゼロになるにしても）、運動インダクタンスの検出用回路としては、非常に高感度なものが望まれる。また、運動インダクタンスの変化の時間幅が１ナノ秒程度と極めて短いため、従来のＭＫＩＤ（マイクロ波運動インダクタンス変化）法、マイクロ波ＳＱＵＩＤ周波数多重読み込み方式、時間領域分割方式が何れも利用できない。それゆえ、この発明の第１実施形態に係る中性子検出装置においては、運動インダクタンスの高感度検出法として、ＳＦＱ回路を用いる。
【００４５】
ＳＦＱ回路を用いた運動インダクタンスの検出法においては、ＭｇＢ2に中性子が入射すると、等価的にＱＯＳ（Quasi One Junction SQUID）のループインダクタンスが変化する。なお、運動インダクタンスの変化は、検出用回路と磁気結合によって非接触で検出可能である。磁気結合の詳細については後述する。
【００４６】
ＳＦＱ回路は、超伝導リングの一部にジョセフソン接合を形成してなる単一磁束量子（Single Flux Quantum）回路である。超伝導体でリングを作るとリングの穴を通る磁束の量は１か０かのとびとびの値をとる。ジョセフソン接合は、ごく薄い絶縁膜を超伝導体の間に挟んで弱く結合させた構造であり、ジョセフソン接合を超伝導リングに挿入してＤＣバイアス電流を流すことにより、超伝導リング内の磁束量子を操作することができる。例えば、臨界電流値と呼ばれる一定電流量以上の電流が流れると磁束量子は絶縁膜を通り抜けて隣の超伝導リングに移り順次伝播していく。ＳＦＱが超伝導リングを通過すると、電圧パルス（ＳＦＱパルス）が発生する。
なお、ＳＦＱ回路の詳細は、例えば、特開２００７−１０４３３２に記載されている。
【００４７】
この発明の第１実施形態においては、１つの中性子検出素子（図１に示されるようにＸ軸方向にＮ本、Ｙ軸方向にＮ本、合わせて２Ｎ本ある中性子検出素子のうちの何れか１本）に対し、１つのＳＦＱ回路１１０および１つの尤度判定回路１２０がそれぞれ対応して検出を行う。即ち、１つのＳＦＱ回路１１０および尤度判定回路１２０に１つの中性子検出素子（１ｘまたは１ｙの１本）が対応する。なお、環境雑音等が十分小さければ、尤度判定回路１２０を備えず、ＳＦＱ回路１１０のみ備える構成であってもよい。図１のように、合わせて２Ｎ本の中性子検出素子がある場合、それぞれの中性子検出素子に対して１個のＳＦＱ回路１１０および尤度判定回路１２０が対応するものとすれば、合計２Ｎ個のＳＦＱ回路１１０および尤度判定回路１２０が必要となる。
【００４８】
ＳＦＱ回路１１０は、検出用ＳＦＱパルス入力部１１１および検出部１１２を備える。検出部１１２は、その回路的特性が図７に示すジョセフソン接合として表される。
尤度判定回路１２０は、判定用ＳＦＱパルス入力部１２１および検出判定部１２２を備える。検出判定部１２２は、検出部１１２のジョセフソン接合の超伝導ループと磁気的に結合した第２のジョセフソン接合を有している。
尤度判定回路１２０は、後述するアドレス生成回路１３０に判定結果を送信する。
【００４９】
検出用ＳＦＱパルス入力部１１１は、所定時間Ｔ１（図７では１０ピコ秒）ごとに磁束Φ0の検出用ＳＦＱパルスを入力する（１００ＧＨｚサンプリング）。ＳＦＱパルスの入力は、例えば次のようにして行う。超伝導線で接続された超伝導リングの列からなるジョセフソン伝送経路にＤＣバイアス電流を流した状態で、末端の超伝導リングに微少な磁場を加えると、当該超伝導リングにＳＦＱが一つ入る。超伝導リング中に進入した前記ＳＦＱは、当該超伝導リングに流れる電流から力を受けて隣接する超伝導リングに移動する。このＳＦＱの移動に要する時間は、２〜３ピコ秒程度と極めて短い時間である。それゆえ、ＳＦＱ回路にＤＣバイアス電流を流した状態で、１０ピコ秒ごとに（即ち１００ＧＨｚで）末端の超伝導リングに微少な磁場を加えることにより、定期的に検出用ＳＦＱパルスをＳＦＱ回路内で発生させることができる。
【００５０】
この発明の第１実施形態においては、例えば、Gifford-MacMahon（Ｇ−Ｍ）冷凍機等を用いて、中性子検出素子１ｘ，１ｙと共にＳＦＱ回路の温度を４Ｋに保つ。
また、磁気結合の方法としては、中性子検出素子１ｘ，１ｙとＳＦＱ回路との間に超伝導コンタクトをとることで実現される。例えば、ＭｇＢ2コイルと電極パッド、ニオブ（Ｎｂ）コイルと電極パッドを正確に微細加工して、フリップチップボンダで接着することによって、超伝導コンタクトが実現できる。
【００５１】
この発明の第１実施形態におけるＳＦＱ回路においては、中性子検出素子内の運動インダクタンスの変化を１ナノ秒程度の短期間で検出する。そのため、１００ＧＨｚ（１０ピコ秒間隔）のサンプリングパルス（ＳＦＱ信号）により１００回のサンプリングを行って検出結果を得る。
ここで、Φ0の磁束を有するＳＦＱ信号が、インダクタンスＬを備える超伝導リングの一部のジョセフソン接合を通過するときに電圧が発生する運動インダクタンスＬの変化をΔＬ、前記運動インダクタンスの変化ΔＬによる前記超伝導リング内のジョセフソン電流Ｊの変化をΔＪとすると、運動インダクタンスの変化ΔＬがＬよりも微小（ΔＬ／Ｌ≪１）であるとき、ジョセフソン電流の変化ΔＪは、ΔＪ≒ＪΔＬ／Ｌとなる。ここで、ジョセフソン電流Ｊ≒Φ0／Ｌとすると、ΔＪ≒Φ0ΔＬ／Ｌ2となるため、ΔＬ≒Ｌ2ΔＪ／Φ0より、ジョセフソン電流の変化ΔＪより運動インダクタンスの変化ΔＬが求められる。
【００５２】
なお、ＳＦＱ回路による超伝導ループが大きい場合、振動などの影響により磁気雑音が現れる可能性がある。その場合、図１４に示すようにキャパシタＣを挿入して共振回路を構成し、中性子の入射によって共振周波数がずれることを利用して高いＳ／Ｎ比の検出を行うようにしてもよい。
この場合、Φ0の磁束を有するＳＦＱ信号が、インダクタンスＬを備える超伝導リングの一部のジョセフソン接合を通過するときに電圧が発生する運動インダクタンスＬの変化をΔＬ（ΔＬ／Ｌ≪１）、キャパシタＣが挿入された共振回路の共振周波数の変化をΔＦとすると、共振周波数の変化ΔＦは、ΔＦ≒（１／（２π（ＬＣ）1/2）（ΔＬ／２Ｌ））となる。ただし、感度を得るためには、サンプリング周波数ｆsが共振周波数ｆrの整数倍である必要がある。図１４に示す例においては、ｆs（１００ＧＨｚ）はｆr（１２．５ＧＨｚ）の８倍となっている。キャパシタは、例えば、針状の細長いメタルパターンを交互に近接配置して電極とするインターデジタル構造で作製してチップとして集積化し、すべての中性子検出素子で共振周波数が同一となるように構成する。
【００５３】
尤度判定回路は、多数決によって出力が１か０かを判定することにより、高感度の検出を可能にするものであり、デジタル無線通信等で用いられている尤度判定法と原理的に同じである。一般的に、Ｎ回の試行の尤度判定により、ノイズの影響を１／（Ｎ1/2）倍に低減することができる。これは、統計的には、Ｎ回の測定に対する測定結果のばらつき（即ち標準偏差σ）が１／（Ｎ1/2）に比例することに起因する。ノイズ即ち測定結果のばらつきの要因としては、ＳＦＱ回路の場合、シャント抵抗に起因するジョンソン雑音や、一部の常伝導粒子の電気抵抗に起因する熱雑音等の影響が挙げられる。前記シャント抵抗は、ジョセフソン接合にオーミックな電流を流すためにジョセフソン接合と並列に接続される抵抗である。シャント抵抗は、ジョセフソン接合に過度な電圧がかかることによって破壊されるのを防止する。
【００５４】
判定用ＳＦＱパルス入力部１２１は、前記検出用ＳＦＱパルス入力部１１１のＳＦＱパルス間隔Ｔ１より長い所定時間Ｔ２（図７では１ナノ秒）ごとに判定用ＳＦＱパルスを回路内に入力する。例えば、図７のように検出用ＳＦＱパルスを１００ＧＨｚで（即ち１０ピコ秒ごとに）入力し、判定用ＳＦＱパルスを１ＧＨｚで（即ち１ナノ秒ごとに）入力する場合、ある判定用ＳＦＱパルスの入力から次の入力までの間に、１００回の検出用ＳＦＱパルスが検出部１１２に入力されることになる。この場合、ノイズの影響は１／１０に低減される。ただし、良好な尤度判定を行うには、当該１００回の試行回数の間（即ち、少なくとも１ナノ秒の間）運動インダクタンスの変化が持続している必要がある。
【００５５】
検出用ＳＦＱパルス入力部１１１により入力された前記検出用ＳＦＱパルスによって検出部１１２の超伝導ループには、前記運動インダクタンスの変化が生じていない期間はゼロ、前記運動インダクタンスの変化が生じている期間は１の磁束Φ0が発生する。ただし、ＳＦＱパルスが微少なために運動インダクタンスの変化がない期間においてもノイズの影響で磁束Φ0が１になるときがあり、逆に運動インダクタンスの変化が生じている期間においても磁束Φ0がゼロになるときがある。
１の磁束Φ0は、検出部１１２の超伝導ループと磁気的に結合した検出判定部１２２の超伝導ループに蓄積される。ただし、図７に示すように、尤度判定回路には減衰抵抗Ｒが挿入されているため、検出判定部１２２の超伝導ループに蓄積された磁束Φ0は、しばらく時間がたつと消失する。消失までの時定数は、減衰抵抗Ｒおよび磁気結合に係るインダクタンス成分Ｌによって決まる。
核反応により放射された粒子の熱エネルギーを受容した中性子検出素子は、２〜３ナノ秒程度の期間に渡って運動インダクタンスの変化が生じる。その期間に検出部１１２の超伝導ループに１の磁束Φ0が例えば１００回発生すると、その磁束が検出判定部１２２の超伝導ループに蓄積されていく。１回目の発生から磁束Φ0が次第に蓄積されていき１００に近づいていく。消失の時定数が十分長ければ、やがて１００の磁束Φ0が蓄積される。その後、同じ中性子検出素子が別の粒子を受容するまでの間に、蓄積された磁束は消失する。
尤度判定回路１２０は、検出判定部１２２の超伝導ループに蓄積される磁束Φ0が所定の数以上であるとき、前記運動インダクタンスの変化が検出されたものと判定する。
第１実施形態においては、１００回の検出用ＳＦＱパルスを入力したうち、カウンタにおいて試行結果が、５０回よりも多ければ後述するアドレス生成回路に検出結果を出力し、小さければ出力しないというように多数決による尤度判定を行う。
【００５６】
アドレス生成回路は、中性子検出装置に中性子が同時に複数の箇所に衝突することは稀で通常は一カ所にしか衝突しなないことを前提としている。Ｊ−ＰＡＲＣなどのパルス中性子源は、同時多数に発生するほど密度の高いものではないため、１つ１つの中性子が中性子検出素子に個別に衝突するものとみなすことができる。
【００５７】
第１実施形態において、図１に示す中性子検出素子１ｘは、Ｘ軸方向に１〜Ｎまで、Ｎ個が並んでいる。図７の「Ｃｈ．１」は、そのうち１つ目の中性子検出素子およびそれに対応するＳＦＱ回路および尤度判定回路に相当する。「Ｃｈ．２」は、２つ目の中性子検出素子、ＳＦＱ回路および尤度判定回路に相当する。よって、図１との対応関係から、図７のＳＦＱ回路および尤度判定回路は、Ｘ軸方向にＣｈ．１〜Ｃｈ．ＮまでＮチャネルの対があり、Ｙ軸方向にもＣｈ．１〜Ｃｈ．ＮまでＮチャネルの対がある。
尤度判定回路は、各チャネルにつき、判定用ＳＦＱパルスを１ＧＨｚで（即ち１ナノ秒ごとに）中性子検出の有無を判定する。アドレス生成回路は、１ナノ秒の遅延をおいて１〜Ｎまでの各チャネルを順次走査し、判定結果を調べる。１００万画素の例では、Ｎ＝１０００である。その結果、１ナノ秒×１０００＝１μ秒の間に、１０００個のチャネルのうち、どのチャネルに１個の中性子が検出されたのかが分かる。各チャネルを走査する周期、この場合は１μ秒が走査周期にあたる。各走査周期で、アドレス生成回路に検出結果を出力する。アドレス値は、１０ビット（２10＝１０２４）に１〜１０００の各チャネルの値を対応させる。
【００５８】
それゆえ、この発明の中性子検出装置で試料をフレーム時間１ｍｓで観察する場合、１フレーム時間あたり最大１０００個の中性子を１フレームで観察することができる。なお、外部（室温領域）とやりとりする信号線の本数は、Ｘ方向で１０ビット（１０本）、Ｙ方向で１０ビット（１０本）の合計２０本となる。ただし、ＳＦＱ回路のＤＣバイアス電流や、温度をモニタするための温度素子用のケーブルが必要なことから、実際には、合計４０〜５０本のケーブルが必要となる。
なお、フレーム時間等の数値は、この発明を限定するものではなく、観測対象の違いなど利用目的に応じて変更可能である。
【００５９】
次に、図９〜１０を用いて、この発明の第１実施形態に係る中性子検出装置１００の製造プロセスについて説明する。
図９は、この発明の第１実施形態に係る中性子検出装置の構造を示す断面図である。
図１０は、この発明の第１実施形態に係る中性子検出装置の製造プロセスを示す説明図である。
【００６０】
図１０（ａ）に示すように、カルーセルスパッタリング装置を用いてマグネシウムおよび硼素を同時にスパッタリングし、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）の単結晶の基材１０上にＭｇＢ2薄膜１を形成する。なお、基材１０は、サファイアに限定されず、誘電体などの非金属であればよい。また、ＭｇＢ2薄膜の堆積方法は気相蒸着法であればよい。なお、図１０においては、図１０（ｄ）を除き、紙面に垂直方向をＹ軸、紙面に沿った方向をＸ軸として説明する。
ＭｇＢ2薄膜の形成方法の詳細については、例えば、特開２００５−２８６２４５に記載されている。
【００６１】
次に、図１０（ｂ）に示すように、レジストをＭｇＢ2薄膜１上に塗布し、電子ビームリソグラフィによりレジストパターン１１を形成した後、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）エッチングを行う。これによって、図１０の紙面奥行き方向に伸びた０．５μｍ幅のストライプ状に中性子検出素子１ｘを形成する。
【００６２】
次に、図１０（ｃ）に示すように、レジストパターン１１を除去した中性子検出素子１ｘ上に酸化シリコン（ＳｉＯ）を蒸着させて保護膜３を形成する。保護膜３は、ＭｇＢ2の表面が直接空気に接するのを防止する。
【００６３】
図１０（ｄ）は、図１０（ｃ）の中性子検出素子１ｘを、紙面に垂直方向をＸ軸、紙面に沿った方向をＹ軸として見たものである。中性子検出素子１ｘの両端部には電極４ａを形成する。電極４ａ，４ｂは導電体であり、例えば金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）またはチタン−金（ＡｕＴｉ）で形成される。中性子検出素子１ｘの両端部には電極４ａを形成する。
【００６４】
それらと別に、超伝導体としてＮｂの薄膜を重ねて形成される超伝導集積回路プロセスによりＳＦＱ回路１１０、尤度判定回路１２０およびアドレス生成回路１３０に相当する回路が集積された超伝導ＩＣチップ２を作成する。超伝導ＩＣチップ２上には、ＳｉＯ2からなる絶縁層９を形成し、中性子検出素子１ｘの電極４ａに対応する位置に電極４ｂを形成する。
【００６５】
次に、図１０（ｅ）に示すように、超伝導ＩＣチップ２のＳＦＱ回路が形成された面に対向するように、中性子検出素子１ｘを（フェイスダウン）実装する。具体的には、超伝導性を有する半田バンプ８を介したフリップチップボンディングにより、電極４ａ，４ｂが対向するように、超伝導ＩＣチップ２のＳＦＱ回路と中性子検出素子１ｘとを接着層５を挟んで接合する。接着層５としては、接着剤の代わりに熱圧着シートを用いてもよい。なお、半田バンプ８の材料としては、鉛錫（Ｐｂ−Ｓｎ）合金、鉛インジウム金（Ｐｂ−Ｉｎ−Ａｕ）合金などの超伝導材料が用いられ、ボールボンディング法により形成される。
また、ＭｇＢ2からなる図７の等価回路上のコイルとＮｂからなる図７の等価回路上のコイルの位置合わせも前述のフリップチップボンディングによってなされる。
【００６６】
次に、図１０（ｆ）に示すように、さらに中性子検出素子１ｘ上に、中性子検出素子１ｘ，１ｙの伸びる方向が互いに直交するように中性子検出素子１ｙを実装し、中性子検出素子１ｘと同様に、超伝導ＩＣチップ２と超伝導コンタクトによる磁気結合を行う。
【００６７】
最後に、中性子検出素子１ｘ、中性子検出素子１ｙおよび超伝導ＩＣチップ２を封止樹脂６によって封止する。
【００６８】
なお、２組の中性子検出素子を張り合わせた状態で、中性子検出素子１ｘおよび１ｙ間の距離が、4Ｈｅ、7Ｌｉの飛程（それぞれ４μｍ、２μｍ）を超えないように構成するように留意すべきである。
また、変形例として、薄膜１ｘおよび１ｙがＮｂ等の超伝導物質で、保護膜３がＭｇＢ2を含むようにしてもよい。
【００６９】
<<第２実施形態>>
次に、図１１、図１２を用いて、この発明の第２実施形態に係る中性子検出装置１００ａについて説明する。
図１１は、この発明の第２実施形態に係る中性子検出素子からなる中性子検出素子の構造を示す断面図である。
第１実施形態との違いは、中性子検出装置１ｘおよび１ｙ中に10Ｂを含まず、それらの中間に10Ｂを含む核反応層７を備える点である。
なお、核反応層７は、ＭｇＢ2薄膜に形成してもよい。その場合、超伝導のベースプレートとして用いることができる。また、10Ｂそのものの薄膜でもよい。具体的には、Ｋセルや電子ビームを用いた蒸着により形成することができる。
【００７０】
図１２に示すように、中性子が核反応層７中の10Ｂと衝突した場合、核反応により4Ｈｅと7Ｌｉとが相反する方向に放射され、4Ｈｅまたは7Ｌｉが近傍（飛程距離内）の中性子検出素子１ｘまたは１ｙと衝突する。核反応層７中に一様に10Ｂを含む場合、中性子が中性子検出素子１ｘおよび１ｙをすり抜ける経路を進んでも、核反応層７中の10Ｂと核反応を起こすため、中性子が確実に検出される。また、中性子検出素子１ｘまたは１ｙが10Ｂを含む超伝導物質である必要はないため、中性子検出素子１ｘまたは１ｙとして、例えばＮｂまたはＮｂＮによる超伝導体や、ボロンをドープしたダイヤモンド薄膜（Ｔｃ＝１１Ｋ）
等の高温超伝導体を用いることができる。
【００７１】
<<第３実施形態>>
次に、図１３を用いて、この発明の第３実施形態に係る中性子検出装置１００ｂについて説明する。
【００７２】
図１３は、この発明の第３実施形態に係る中性子検出装置を示す説明図である。
図１３に示すように、中性子検出素子１ｘ，１ｙの形状として、経路が曲がりくねった形状（以下、メアンダ（meander）形状と記載）を用いてもよい。運動インダクタンスの変化を効率的に検出できるのは、熱エネルギーの拡散長程度であり、超伝導細線の幅を１μｍ程度にするのがよいが、メアンダ形状にすることにより、超伝導細線の幅を最適にしつつ、大面積化を図ることができるため、中性子との核反応性を高めることが可能になる。また、図１３のような形状に限定されず、用途に応じて、種々の形状、大きさ、線幅を有していてもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１：ＭｇＢ2薄膜
１ｘ，１ｙ：中性子検出素子
２：超伝導ＩＣチップ
３：保護膜
４ａ，４ｂ：電極
５：接着層
６：封止樹脂
７：核反応層
８：半田バンプ
９：絶縁層
１０：基材
１１：レジストパターン
１００，１００ａ，１００ｂ：中性子検出装置
１０１：中性子源
１０２ａ，１０２ｂ：スリット
１０３：試料
１０４：窓部
１０５：断熱容器
１１０：ＳＦＱ回路
１１１：検出用ＳＦＱパルス入力部
１１２：検出部
１２０：尤度判定回路
１２１：判定用ＳＦＱパルス入力部
１２２：検出判定部
１３０：アドレス生成回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの中性子と中性子検出用物質との核反応によって熱エネルギーを伴って生成され、異なる方向へ放射される少なくとも２つの粒子のうち、一の粒子の前記熱エネルギーを受容した場合に電子状態の変化が生じる第１粒子検出素子を複数個並列に配置してなるＸ座標検出素子群と、
他の粒子の前記熱エネルギーを受容した場合に電子状態の変化が生じる第２粒子検出素子を複数個並列に配置してなるＹ座標検出素子群とを備え、
各第１粒子検出素子は縦方向へ長く伸びる領域を有する超伝導物質であり、前記Ｘ座標検出素子群はそれらの第１粒子検出素子が横方向に並び、何れの第１粒子検出素子が前記一の粒子に係る電子状態の変化を検出したかに基づいて前記核反応がおこった位置のＸ座標を検出し、各第２粒子検出素子は、横方向へ長く伸びる領域を有する超伝導物質であり、前記Ｙ座標検出素子群はそれらの第２粒子検出素子が縦方向に並び、何れの第２粒子検出素子が前記他の粒子に係る電子状態の変化を検出したかに基づいて前記核反応がおこった位置のＹ座標を検出することを特徴とする中性子検出装置。
【請求項２】
前記中性子検出用物質が、第１粒子検出素子および／または第２粒子検出素子に用いられる請求項１に記載の中性子検出装置。
【請求項３】
前記中性子検出用物質が、隣り合う第１粒子検出素子と第１粒子検出素子との間、隣り合う第２粒子検出素子と第２粒子検出素子との間、または各第１粒子検出素子と各第２粒子検出素子との間の何れかに少なくとも配置される請求項１に記載の中性子検出装置。
【請求項４】
各第１粒子検出素子は、前記第１粒子の熱エネルギーの受容によって超伝導電子対が減少する電子状態の変化を運動インダクタンスの変化として検出し、
各第２粒子検出素子は、前記第２粒子の熱エネルギーの受容によって超伝導電子対が減少する電子状態の変化を運動インダクタンスの変化として検出する請求項１〜３の何れか一つに記載の中性子検出装置。
【請求項５】
超伝導リングの一部にジョセフソン接合を形成してなるＳＦＱ回路をさらに備え、
前記ＳＦＱ回路は、所定時間Ｔ１ごとに所定の磁束を有する検出用ＳＦＱパルスを入力する検出用ＳＦＱパルス入力部と、前記運動インダクタンスの変化による前記超伝導リング内のジョセフソン電流の変化に基づき前記運動インダクタンスの変化を検出する運動インダクタンス検出素子群とを含み、前記第１粒子検出素子または第２粒子検出素子の一つと磁気結合されてなる請求項４に記載の中性子検出装置。
【請求項６】
前記ＳＦＱ回路は、尤度判定回路を備え、
前記尤度判定回路は、前記時間Ｔ１より長い所定時間Ｔ２ごとに判定用ＳＦＱパルスを入力する判定用ＳＦＱパルス入力部と、前記判定用ＳＦＱパルスの入力時に、前記検出用ＳＦＱパルス入力部により入力された前記検出用ＳＦＱパルスの数のうち、前記運動インダクタンスの変化を検出した前記検出用ＳＦＱパルスの数が所定の数以上であるとき、前記運動インダクタンスの変化が検出されたものと判定する検出判定部とを備える請求項５に記載の中性子検出装置。
【請求項７】
前記Ｘ座標検出素子群および前記Ｙ座標検出素子群により検出されたＸ座標およびＹ座標をデジタル化されたアドレス値として出力するアドレス生成回路をさらに備える請求項１〜６の何れか一つに記載の中性子検出装置。
【請求項８】
前記中性子検出用物質が10Ｂを含み、前記粒子は、中性子と10Ｂとの核反応によって生成され相反する方向に放射されるアルファ線とリチウム線の２つの粒子である請求項１〜７の何れか一つに記載の中性子検出装置。
【請求項９】
前記中性子検出用物質がＭｇＢ2を含む請求項１〜８の何れか一つに記載の中性子検出装置。
【請求項１】
１つの中性子と中性子検出用物質との核反応によって熱エネルギーを伴って生成され、異なる方向へ放射される少なくとも２つの粒子のうち、一の粒子の前記熱エネルギーを受容した場合に電子状態の変化が生じる第１粒子検出素子を複数個並列に配置してなるＸ座標検出素子群と、
他の粒子の前記熱エネルギーを受容した場合に電子状態の変化が生じる第２粒子検出素子を複数個並列に配置してなるＹ座標検出素子群とを備え、
各第１粒子検出素子は縦方向へ長く伸びる領域を有する超伝導物質であり、前記Ｘ座標検出素子群はそれらの第１粒子検出素子が横方向に並び、何れの第１粒子検出素子が前記一の粒子に係る電子状態の変化を検出したかに基づいて前記核反応がおこった位置のＸ座標を検出し、各第２粒子検出素子は、横方向へ長く伸びる領域を有する超伝導物質であり、前記Ｙ座標検出素子群はそれらの第２粒子検出素子が縦方向に並び、何れの第２粒子検出素子が前記他の粒子に係る電子状態の変化を検出したかに基づいて前記核反応がおこった位置のＹ座標を検出することを特徴とする中性子検出装置。
【請求項２】
前記中性子検出用物質が、第１粒子検出素子および／または第２粒子検出素子に用いられる請求項１に記載の中性子検出装置。
【請求項３】
前記中性子検出用物質が、隣り合う第１粒子検出素子と第１粒子検出素子との間、隣り合う第２粒子検出素子と第２粒子検出素子との間、または各第１粒子検出素子と各第２粒子検出素子との間の何れかに少なくとも配置される請求項１に記載の中性子検出装置。
【請求項４】
各第１粒子検出素子は、前記第１粒子の熱エネルギーの受容によって超伝導電子対が減少する電子状態の変化を運動インダクタンスの変化として検出し、
各第２粒子検出素子は、前記第２粒子の熱エネルギーの受容によって超伝導電子対が減少する電子状態の変化を運動インダクタンスの変化として検出する請求項１〜３の何れか一つに記載の中性子検出装置。
【請求項５】
超伝導リングの一部にジョセフソン接合を形成してなるＳＦＱ回路をさらに備え、
前記ＳＦＱ回路は、所定時間Ｔ１ごとに所定の磁束を有する検出用ＳＦＱパルスを入力する検出用ＳＦＱパルス入力部と、前記運動インダクタンスの変化による前記超伝導リング内のジョセフソン電流の変化に基づき前記運動インダクタンスの変化を検出する運動インダクタンス検出素子群とを含み、前記第１粒子検出素子または第２粒子検出素子の一つと磁気結合されてなる請求項４に記載の中性子検出装置。
【請求項６】
前記ＳＦＱ回路は、尤度判定回路を備え、
前記尤度判定回路は、前記時間Ｔ１より長い所定時間Ｔ２ごとに判定用ＳＦＱパルスを入力する判定用ＳＦＱパルス入力部と、前記判定用ＳＦＱパルスの入力時に、前記検出用ＳＦＱパルス入力部により入力された前記検出用ＳＦＱパルスの数のうち、前記運動インダクタンスの変化を検出した前記検出用ＳＦＱパルスの数が所定の数以上であるとき、前記運動インダクタンスの変化が検出されたものと判定する検出判定部とを備える請求項５に記載の中性子検出装置。
【請求項７】
前記Ｘ座標検出素子群および前記Ｙ座標検出素子群により検出されたＸ座標およびＹ座標をデジタル化されたアドレス値として出力するアドレス生成回路をさらに備える請求項１〜６の何れか一つに記載の中性子検出装置。
【請求項８】
前記中性子検出用物質が10Ｂを含み、前記粒子は、中性子と10Ｂとの核反応によって生成され相反する方向に放射されるアルファ線とリチウム線の２つの粒子である請求項１〜７の何れか一つに記載の中性子検出装置。
【請求項９】
前記中性子検出用物質がＭｇＢ2を含む請求項１〜８の何れか一つに記載の中性子検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−５３８７０（Ｐ２０１３−５３８７０Ａ）
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９０７９０（Ｐ２０１１−１９０７９０）
【出願日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【出願人】（５０５１２７７２１）公立大学法人大阪府立大学 (688)
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【出願人】（５０５１２７７２１）公立大学法人大阪府立大学 (688)
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【Ｆターム（参考）】
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