Cryogenic neutron detector comprising an InSb semiconductor detector and a supercritical helium-3 gas converter

InSb半導体検出素子と超臨界ヘリウム3ガスによる低温中性子検出器

中村 龍也  ; 片桐 政樹; 荒殿 保幸; 神野 郁夫*; 菱木 繁臣*; 杉浦 修*; 村瀬 徳博*

Nakamura, Tatsuya; Katagiri, Masaki; Aratono, Yasuyuki; Kanno, Ikuo*; Hishiki, Shigeomi*; Sugiura, Osamu*; Murase, Yasuhiro*

数10ミクロン以下の位置分解能と数ナノ秒の時間分解能を持つ中性子検出器として、InSb半導体素子と超臨界ヘリウム3ガスとからなる低温中性子検出器を提案し試作検出器によりその検出原理を確認した。従来のヘリウム3ガスを使用した中性子検出器において数10ミクロンの高い位置分解能を得るには100気圧を超えるガスを封入する必要がある。そのような条件下では、十分なガスゲインが得られないこと、また、チャンバの機械的制限を受ける等の問題があった。われわれは、4.2Kという低温環境を積極的に利用することで常温100気圧以上に相当するヘリウム3ガス密度を数気圧のガス圧で実現し、かつ、低温下で高速に動作するInSb半導体検出素子で中性子捕獲反応により生じるプロトン,トリトンを直接検出しその解決を図った。本検出手法によると4.2K, 10気圧程度のヘリウム3ガス圧下で数10ミクロン以下の位置分解能と数ナノ秒の時間分解能も期待される。試作検出器を用いて4.2K, 1.6気圧以下のガス圧において中性子検出性能を評価した結果、中性子を検出できること,現状で約80nsecの時間分解能を持つことなどを確認した。

We evaluated the neutron-detection characteristics of a proposed cryogenic neutron detector comprising an InSb semiconductor detector and a helium-3 gas converter. The neutron detector was operated at 4.2 K with helium-3 gas filling up to 1.5 atm, at which the density of the helium-3 nucleus corresponds to that at 160 atm at room temperature. The secondary particles generated by the He(n,p) T reaction were successfully detected by the InSb detector with a time response of 80 nsec at all tested gas pressures.