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Neutron detection by superconducting tunnel junctions on a Li$$_{2}$$B$$_{4}$$O$$_{7}$$ single-crystal absorber

Li$$_{2}$$B$$_{4}$$O$$_{7}$$単結晶中性子吸収体と超伝導トンネル接合による中性子検出器

中村 龍也  ; 片桐 政樹; 浮辺 雅宏*; 池内 隆志*; 大久保 雅隆*

Nakamura, Tatsuya; Katagiri, Masaki; Ukibe, Masahiro*; Ikeuchi, Takashi*; Okubo, Masataka*

Li$$_{2}$$B$$_{4}$$O$$_{7}$$単結晶上に製作した超伝導トンネル接合素子(STJ)により中性子を検出することに成功した。本検出器は、中性子核反応($$^{6}$$Li+n$$rightarrow$$T+$$alpha$$+4.78MeV、あるいは、$$^{10}$$B+n$$rightarrow$$$$^{7}$$Li+$$alpha$$+2.3MeV)の結果励起される多数のフォノンを単結晶表面に製作された超伝導トンネル接合素子により検出することで中性子を検出する。LBO単結晶は、中性子吸収断面積の大きい$$^{6}$$Li, $$^{10}$$Bから構成され、かつ、低原子番号の元素により構成されていることから、ほぼ100%に近い検出効率と低バックグランドが実現される。また、核反応の結果生じる二次粒子の飛程が短いため、直列接合型STJ素子、あるいは、STJアレイ群によりイメージング検出器を構成すると数ミクロン以下の高位置分解能も期待できる。われわれは上述の検出器を製作し、中性子検出に供することができることを実証した。さらに1.3mmの距離をおいて製作した二つのSTJ素子の波高相関測定から、中性子位置検出器としても動作可能であることを確認している。

We succeeded in detecting neutrons using superconducting tunnel junctions (STJs) fabricated on a single crystal of Li$$_{2}$$B$$_{4}$$O$$_{7}$$. Neutrons are captured in the crystal by the nuclear reactions $$^{6}$$Li + n $$rightarrow$$ T+ $$alpha$$ + 4.78 MeV and $$^{10}$$B + n $$rightarrow$$ $$^{7}$$Li + $$alpha$$ + 2.3 MeV, and generated phonons propagate in the absorber and are measured by the STJs. We selected a single crystal of Li$$_{2}$$B$$_{4}$$O$$_{7}$$ as the absorber material because of properties such as the large neutron cross-section of $$^{6}$$Li and $$^{10}$$B, low $$gamma$$-ray sensitivity, short particle range in the substrate, and fast phonon velocity. Series-connected or multiple STJs on the crystal would enable two-dimensional neutron imaging with high detection efficiency, low gamma-ray background, and a high spatial resolution of a few microns. We demonstrate neutron detection by the STJs and show their X-ray response and neutron detection. The correlation in pulse heights between two junctions located 1.3mm apart clearly indicates the possibility of neutron imaging.

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パーセンタイル:84.9

分野:Instruments & Instrumentation

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