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中性子検出とは、適切な位置に配置された検出器に入射する中性子を効果的に検出することです。効果的な中性子検出には、ハードウェアとソフトウェアという2つの重要な要素があります。検出ハードウェアとは、使用される中性子検出器の種類（現在最も一般的なのはシンチレーション検出器）と、検出セットアップで使用される電子機器を指します。さらに、ハードウェア構成は、線源と検出器間の距離、立体角、検出器の遮蔽など、重要な実験パラメータも規定します。検出ソフトウェアは、検出器に入射する中性子の数とエネルギーを測定するためのグラフ解析などのタスクを実行する解析ツールで構成されています。
原子および素粒子は、周囲との相互作用によって生じる特徴的な信号によって検出される。これらの相互作用は、粒子の基本的な特性に起因する。
これらの特性の結果として、中性子の検出はいくつかの主要なカテゴリに分類されます。[ 3 ]
ガス比例計数管は、中性子を検出するように改造することができます。中性子は通常電離を引き起こしませんが、中性子断面積の大きい核種を追加することで、検出器が中性子に反応できるようになります。この目的で一般的に使用される核種は、ヘリウム3、リチウム6、ホウ素10、ウラン235です。これらの物質は熱中性子（つまり、周囲と平衡状態まで減速した中性子）と反応しやすいため、通常は減速材で囲まれ、エネルギーを下げて検出の可能性を高めます。
中性子信号を他の種類の放射線の影響から区別するには、通常、さらなる改良が必要です。熱中性子のエネルギーは比較的低く、荷電粒子反応は離散的（つまり、本質的に単一エネルギーであり、狭いエネルギー帯域内に収まる）であるのに対し、ガンマ線反応などの他の反応は広いエネルギー範囲にわたるため、発生源を区別することが可能です。
ガス電離検出器は、一般的に中性子のエネルギーではなく、その数（計数率）を測定する。
ヘリウム3は、熱中性子を吸収して1Hイオンと3Hイオンを生成する反応を起こすため、効果的な中性子検出器材料です。ガンマ線に対する感度はごくわずかであるため、非常に有用な中性子検出器となります。しかしながら、 3Heの供給は、トリチウム（半減期12.3年）の崩壊による副産物として生産されるものに限られています。トリチウムは、核兵器のブースターとして兵器開発計画の一環として、あるいは原子炉運転の副産物として生産されます。
元素ホウ素は気体ではないため、ホウ素を含む中性子検出器では、代わりに96%のホウ素10に濃縮された三フッ化ホウ素（BF 3 ）を使用することがあります（天然ホウ素は20%が10 B、80%が11 Bです）。[ 5 ]三フッ化ホウ素は毒性が非常に高いです。この検出器の感度は約35～40 CPS/nv（中性子束あたりの秒数）ですが、ホウ素ライニング検出器の感度は約4 CPS/nvです。これは、ホウ素ライニング検出器では、中性子がホウ素と反応してホウ素層内でイオン対を生成し、生成された荷電粒子（アルファ粒子とリチウムイオン）がその層内でエネルギーの一部を失う可能性があるためです。これは、低エネルギーの荷電粒子が電離箱のガス環境に到達できない可能性があり、結果として生成される電離の数が少なくなることを意味します。一方、BF 3ガスを充填した検出器では、中性子は検出器ガス体積内の10個のB原子と反応するため、生成された荷電粒子はガス体積内にエネルギーを沈着しやすくなり、より多くの電離が発生し、その結果、信号が高くなります。
ホウ素ライニングされたガス充填比例計数管は、BF₃ガス充填比例検出器と同様の反応を示しますが、ホウ素を豊富に含むガスの代わりに、壁面は別の充填ガスとともに¹⁰Bでコーティングされています。この設計では、反応は表面で起こるため、2つの粒子のうち1つだけが比例計数管内に放出されます。
シンチレーション中性子検出器には、液体有機シンチレーター[ 6 ] 、結晶[ 7 ] [ 8 ] 、プラスチック、ガラス[ 9 ]、シンチレーションファイバー[ 10 ]などがある。
有機シンチレーターは、電離放射線にさらされると光を発する（シンチレーションする）性質を持つ材料です。一般的に放射線に対する応答時間が速く、ガンマ線から中性子線まで幅広い放射線を検出できます。名前が示すように、通常は有機材料、主に炭素系材料でできています。[ 11 ]
有機シンチレーターには、プラスチックシンチレーター、液体シンチレーター、結晶シンチレーターなど、さまざまな形態があります。プラスチックシンチレーターは、ポリビニルトルエン（PVT）やポリスチレンなどのポリマーから作られています。液体シンチレーターは、有機シンチレーターを適切な溶媒に溶解するだけで簡単に作ることができます。結晶シンチレーターは、アントラセンやスチルベンなどの固体結晶から作られています。
シンチレーターが電離放射線にさらされると、内部の分子は入射放射線との相互作用によってより高いエネルギー状態に励起されます。これらの励起された分子は、光子を放出することで安定状態（基底エネルギー状態）に戻ろうとします。放出された光は光電子増倍管で増幅され、電気信号に変換されます。これらの信号は放射線のエネルギーに比例するため、照射された放射線の種類を特定するのに役立ちます。
中性子は、パルス波形弁別（PSD）技術を用いた有機シンチレーターによって検出することができ、この技術は、放射線のパルス／信号形状に基づいて放射線を識別することができる。
中性子検出用のシンチレーション6Liガラスは、1957年に科学文献で初めて報告され[ 12 ]、1960年代と1970年代に重要な進歩がありました[ 13 ] [ 14 ]。シンチレーションファイバーは、 1987年にAtkinson M.らによって実証され[ 15 ]、1980年代後半から1990年代前半にかけて、機密技術として開発されたパシフィック・ノースウェスト国立研究所で大きな進歩がありました。[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] 1994 年に機密解除され、1997 年に Oxford Instruments によって初めてライセンス供与され、その後 1999 年に Nucsafe に移管されました。[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]ファイバーとファイバー検出器は現在、Nucsafe, Inc. によって製造され、商業的に販売されています。[ 24 ]
シンチレーションガラスファイバーは、ガラス本体に⁶LiとCe³⁺を組み込むことで機能します。⁶Liは⁶Li (n,α)反応による熱中性子吸収断面積が大きく、中性子吸収によってトリチウムイオン、アルファ粒子、および運動エネルギーが生成されます。アルファ粒子とトリチウムはガラスマトリックスと相互作用して電離を起こし、そのエネルギーがCe³⁺イオンに伝達され、励起状態のCe³⁺イオンが基底状態に戻る際に波長 390 ～600nmの光子が放出されます。この過程で、吸収された中性子1個につき数千個の光子からなる閃光が発生します。シンチレーション光の一部は導波路として機能するガラスファイバー内を伝搬します。ファイバーの両端は、光子バーストを検出するために一対の光電子増倍管（PMT）に光学的に結合されています。この検出器は、中性子とガンマ線の両方を検出するために使用でき、これらは通常、パルス高さ弁別によって区別されます。光ファイバー検出器のガンマ線に対する感度を低減するための多大な努力と進歩がなされてきました。初期の検出器は、0.02 mRのガンマ線場において偽中性子の検出に悩まされていました。設計、プロセス、およびアルゴリズムの改良により、現在では最大20 mR/h（60Co）のガンマ線場でも動作可能です。
シンチレーションファイバー検出器は、優れた感度、堅牢性、高速タイミング（約60 ns）を備えているため、計数率の広いダイナミックレンジを実現できます。検出器は、任意の形状に成形でき、さまざまな用途に合わせて非常に大きくしたり小さくしたりできるという利点があります。[ 25 ]さらに、 3Heや入手が限られている原材料に依存しておらず、有毒物質や規制物質も含まれていません。固体ガラス中の中性子吸収種の密度が高圧ガス3Heよりも高いため、総中性子計数において3He管と同等またはそれ以上の性能を発揮します。[ 25 ] 6Liの熱中性子断面積は3Heに比べて低い（940バーン対5330バーン）ものの、ファイバー中の6Liの原子密度は50倍も高いため、実効捕獲密度比は約10:1と有利になります。
LiCaAlF 6は中性子に敏感な無機シンチレーター結晶で、中性子に敏感なシンチレーションガラスファイバー検出器と同様に、6 Li による中性子捕獲を利用します。ただし、シンチレーションガラスファイバー検出器とは異なり、6 Li はシンチレーターの結晶構造の一部であるため、自然に高い6 Li 密度を持ちます。結晶にシンチレーション特性を与えるためにドーピング剤が添加され、2 つの一般的なドーピング剤は三価のセリウムと二価のユーロピウムです。ユーロピウムをドープした LiCaAlF 6は、中性子捕獲あたりに生成される光子の数が約 30,000 であり、例えば中性子に敏感なシンチレーションガラスファイバーの 5 倍であるという点で他の材料よりも優れています。[ 26 ]この特性により、中性子光子の識別が容易になります。高い6 Li 密度のため、この材料は軽量でコンパクトな中性子検出器の製造に適しており、その結果、LiCaAlF 6は気球ミッションでの高高度中性子検出に使用されています。[ 27 ] Eu 2+をドープした LiCaAlF 6は減衰時間が長いため、高放射線環境での測定にはあまり適していません。Ce 3+をドープしたバリアントは減衰時間が短いですが、光出力が低くなります。[ 28 ]
タリウムとリチウムを共添加したヨウ化ナトリウム結晶[NaI(Tl+Li)]、別名NaILは、優れたパルス波形弁別能力で単結晶中にガンマ線と熱中性子を検出する能力があります。NaIL中の6Li濃度を低くし、厚みを大きくすることで、3He、CLYC、またはCLLB検出器と同じ中性子検出能力を低コストで実現できます。6Li （95%濃縮）の共添加により、最も確立されたガンマ線シンチレータに効率的な熱中性子検出が導入され、標準NaI(Tl)の好ましいシンチレーション特性が維持されます。NaILは、ガンマ線と中性子の両方に対して、体積あたりの価格が低い大容量の単一材料検出器を提供できます。[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]
半導体中性子検出器には、中性子反応性材料でコーティングされた電子デバイスと、中性子反応性材料で部分的に構成された半導体の 2 つの基本的なタイプがあります。[ 32 ]これらの構成の中で最も成功しているのはコーティングされたデバイスタイプであり、例としては、10 B または6 LiF のいずれかでコーティングされた一般的な平面 Si ダイオードが挙げられます。[ 33 ] [ 34 ] このタイプの検出器は、Babcock らによって最初に提案されました。[ 35 ]コンセプトは単純です。中性子は反応性膜に吸収され、自発的に高エネルギーの反応生成物を放出します。反応生成物は半導体表面に到達し、半導体に入ると電子-正孔対を生成します。逆バイアス電圧の下で、これらの電子と正孔はダイオードをドリフトして誘導電流を生成し、通常はパルスモードで積分されて電圧出力を形成します。単層コーティングされたデバイスの最大固有効率は、熱中性子 (0.0259 eV) に対して約 5% であり、その設計と動作は文献に詳しく記載されています。[ 36 ] 中性子検出効率の制限は、反応生成物の自己吸収の結果です。たとえば、 10 B(n,α) 7 Li 反応からの 1.47 MeV α 粒子のホウ素膜内での飛程は約 4.5 マイクロメートルであり、 10 B(n,α) 7 Li 反応からの 2.7 MeV トリトンの LiF 内での飛程は 約 28 マイクロメートルです。膜/半導体界面からさらに離れた距離で発生した反応生成物は半導体表面に到達できないため、中性子検出には寄与しません。天然 Gd でコーティングされたデバイスも、主にその大きな熱中性子顕微鏡断面積 49,000 バーンのため検討されています。[ 37 ] [ 38 ]しかし、関心のある Gd(n,γ) 反応生成物は主に低エネルギー変換電子であり、ほとんどが 70 keV 付近に集中しています。そのため、Gd コーティングされた半導体ダイオードでは、中性子誘起イベントとガンマ線イベント (主にコンプトン散乱電子を生成) の区別が困難です。補償ピクセル設計は、この問題を解決しようと試みました。[ 39 ]全体として、 10 B または6 LiFでコーティングされたデバイスが好まれる主な理由は、高エネルギー荷電粒子反応生成物がバックグラウンド放射線からはるかに容易に区別できるためです。
コーティングされた平面ダイオードの効率が低いことから、マイクロ構造半導体中性子検出器（MSND）が開発されました。これらの検出器は、半導体基板に微細構造がエッチングされ、その後ピン型ダイオードに成形されます。微細構造には、通常は6 LiF であるが10 B が使用されることもある中性子反応性物質が充填されます。反応性物質に隣接する半導体表面積の増加と、反応生成物が半導体に入る確率の増加により、固有の中性子検出効率が大幅に向上します。[ 40 ]
MSND デバイスの構成は、最初に Muminov と Tsvang によって提案され[ 42 ]、その後 Schelten らによって提案されました[ 43 ] 。数年後、最初の動作可能な MSND が製造され、実証されました[ 44 ] 、[ 45 ]。当時の熱中性子検出効率はわずか 3.3% でした。この最初の研究以来、MSND は 30% を超える熱中性子検出効率を達成しています[ 46 ] 。MSNDは内蔵電位 (印加電圧ゼロ) で動作できますが、2～3 ボルトを印加すると最高の性能を発揮します。現在、いくつかのグループが MSND のバリエーションに取り組んでいます[ 47 ] [ 48 ] 。最も成功しているタイプは、6 LiF 材料でバックフィルされたタイプです。 MSNDは現在、Radiation Detection Technologies, Inc.によって製造され、商業的に販売されている[ 49 ]。 半導体ウェーハの両面に反対方向の微細構造を持つ両面MSNDの高度な実験バージョンは、65%を超える熱中性子検出効率で報告されており[ 50 ]、理論的には70%を超える効率が可能となっている。
構成原子のうち1つ以上が中性子反応性である半導体検出器は、バルク半導体中性子検出器と呼ばれます。バルク固体中性子検出器は、荷電粒子反応生成物の検出に基づくものと、即発捕獲ガンマ線の検出に基づくものの2つの基本的なカテゴリーに分類できます。一般的に、このタイプの中性子検出器は信頼性の高い製造が難しく、現在市販されていません。
荷電粒子放出を利用するバルク材料は、ホウ素とリチウムを含む半導体をベースとしています。バルク半導体中性子検出器の探索では、BP、BAs、BN、B4Cなどのホウ素系材料が他の有望な材料よりも多く研究されてきました。[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ] [ 56 ]
立方晶のホウ素系半導体は、合成に高温高圧が必要なため、バルク結晶として成長させるのが難しい。BPとBasは、高圧下で合成しない限り、望ましくない結晶構造（立方晶から二十面体形）に分解する可能性がある。B4Cも菱面体晶構造で二十面体ユニットを形成するが、二十面体構造は電荷収集特性が比較的劣るため[ 57 ] 、望ましくない変化であり、これらの二十面体形は中性子検出には適さない。
BNは、成長温度によって単純な六方晶、立方晶（閃亜鉛鉱）、またはウルツ鉱の結晶として形成され、通常は薄膜法によって成長されます。中性子検出器として最も研究されているのは、BNの単純な六方晶です。薄膜化学気相成長法は、通常、BP、BAs、BN、またはB4Cの製造に使用されます。これらのホウ素系薄膜は、多くの場合n型Si基板上に成長され、Siとap-n接合を形成し、このセクションの冒頭で説明したように、コーティングされたSiダイオードを生成します。その結果、デバイスからの中性子応答は、実際にはコーティングされたダイオード応答であるにもかかわらず、バルク応答と容易に誤解される可能性があります。現在までに、ホウ素系半導体が固有の中性子信号を生成するという証拠はほとんどありません。
ノヴォトニー・ジュザ化合物に分類されるリチウム含有半導体も、バルク中性子検出器として研究されてきた。ノヴォトニー・ジュザ化合物LiZnAsは中性子検出器として実証されているが[ 58 ]、この材料は合成が困難で高価であり、報告されているのは小さな半導体結晶のみである。最後に、中性子反応性ドーパントを含む従来の半導体材料、すなわちSi(Li)検出器が研究されてきた。中性子は材料中のリチウムドーパントと相互作用し、高エネルギー反応生成物を生成する。しかし、LiドリフトSi検出器（またはその他のドープ半導体）のドーパント濃度は比較的低く、通常10 19 cm −3未満である。 10 19 cm −3程度の縮退した Li 濃度の場合、厚さ 5 cm の天然 Si(Li) ブロックの熱中性子検出効率は 1% 未満であり、厚さ 5 cm の Si( 6 Li) 検出器ブロックの熱中性子検出効率はわずか 4.6% である。
CdTe [ 59 ] [ 60 ] や HgI 2 [ 61 ] [ 62 ]などの即発ガンマ線放出半導体は、中性子検出器として成功裏に使用されてきた。これらの検出器は、113 Cd(n, γ) 114 Cd 反応 (558.6 keV および 651.3 keV のガンマ線を生成) および199 Hg(n, γ) 200 Hg 反応 (368.1 keV および 661.1 keV のガンマ線を生成) からの即発ガンマ線放出に依存している。しかし、これらの半導体材料はガンマ線スペクトロメータとして使用するように設計されているため、本質的にガンマ線バックグラウンドに敏感である。適切なエネルギー分解能があれば、パルス高さ弁別を使用して即発ガンマ線放出を中性子相互作用から分離することができる。しかし、コンプトン比が比較的小さいため、中性子検出の有効効率が低下します。つまり、ほとんどの事象は全エネルギーピークではなくコンプトン連続スペクトルに加算されるため、中性子とバックグラウンドガンマ線の識別が困難になります。また、天然のCdとHgは、それぞれ2444 bと369.8 bという比較的大きな熱中性子(n,γ)断面積を持っています。その結果、ほとんどの熱中性子は検出器表面付近で吸収されるため、即発ガンマ線のほぼ半分が検出器本体から離れた方向に放出され、ガンマ線の再吸収または相互作用効率が低下します。
活性化サンプルは、中性子場に配置して、中性子のエネルギー スペクトルと強度を特性評価することができます。エネルギー閾値が異なる活性化反応として、56 Fe(n,p) 56 Mn、27 Al(n,α) 24 Na、 93 Nb(n,2n) 92m Nb、および28 Si(n,p) 28 Al を使用できます。[ 63 ]
高速中性子は、まず熱エネルギーまで減速（減速）させて検出されることが多い。しかし、その過程で中性子の元のエネルギー、進行方向、放出時刻に関する情報が失われる。多くの用途では、この情報を保持した「高速」中性子の検出が非常に望ましい。[ 64 ]
典型的な高速中性子検出器は、液体シンチレータ[ 65 ] 、 4-Heベースの希ガス検出器[ 66 ]、およびプラスチック検出器です。高速中性子検出器は、(1)中性子/ガンマ線弁別能力（パルス波形弁別による）と(2)感度によって互いに区別されます。希ガスベースの4-He検出器は、電子密度が低く、パルス波形弁別特性が優れているため、中性子とガンマ線を区別する能力に優れています。実際、硫化亜鉛などの無機シンチレータは、陽子と電子の減衰時間に大きな違いがあることが示されており、この特徴は、無機結晶を中性子コンバータ（ポリメチルメタクリレートなど）と組み合わせることで、マイクロ層高速中性子検出器で利用されています。[ 67 ]このような検出システムは、パルス波形弁別などの追加の弁別技術を必要とせずに、中性子とガンマ線の混合放射線場において高速中性子のみを選択的に検出することができる。[ 68 ]
高速中性子の検出には、さまざまな特殊な問題があります。プラスチックシンチレータ材料の分離された平面内で複数の陽子反跳を利用した指向性高速中性子検出器が開発されました。中性子衝突によって生成された反跳核の軌跡が記録され、2つの反跳核のエネルギーと運動量が決定され、それらと弾性散乱を起こした中性子の進行方向とエネルギーが計算されます。[ 69 ]
固体核飛跡検出器（SSNTD）は、能動型中性子検出器に代わる受動型集積型検出器です。最も一般的な材料はCR-39で、これはポリマー（ポリアリルジグリコールカーボネート）であり、荷電粒子が飛翔経路に沿って化学結合を切断し、潜在的な損傷痕跡を形成します。その後、通常は水酸化ナトリウム溶液を用いた化学エッチングによって、これらの痕跡はピット状に拡大され、光学顕微鏡または走査型電子顕微鏡で計数することができます。SSNTDは、照射中に電源、高電圧、または読み出し用電子機器を必要としないため、個人用中性子線量測定や、能動型計測機器の使用が現実的でない環境で広く使用されています。
CR-39 は中性子に直接反応しません。中性子は電荷を持たないためです。高速中性子は、ポリマー中の水素原子核からの弾性散乱によって間接的に検出され、反跳陽子が生成されてトラックを形成します。低速中性子と熱中性子はこのような反跳を生成しないため、中性子を荷電粒子に変換するコンバータ層が必要です。標準的なアプローチでは、10 B(n,α) 7 Li 反応による10 Bの大きな熱中性子捕獲断面積を利用するホウ素含有コンバータを使用します。窒化ホウ素は、その高いホウ素含有量と滑らかな表面のため、1980 年代にはすでに効果的なコンバータ材料として認識されていました。[ 70 ]ホウ素コーティングされた検出器とコーティングされていないコントロールを組み合わせることで、低速中性子の寄与を荷電粒子と高速中性子から生じるバックグラウンドトラックから分離できます。
中性子検出は様々な目的で使用されます。それぞれの用途によって、検出システムに求められる要件は異なります。
この科学を利用した実験には、試料に照射された後散乱された中性子を検出する散乱実験などがあります。施設としては、ラザフォード・アップルトン研究所のISIS中性子源、オークリッジ国立研究所のスパレーション中性子源、ポール・シェラー研究所のスパレーション中性子源（SINQ）などがあり、これらは核破砕反応によって中性子を生成します。また、ウラン同位体の核分裂によって中性子を生成する従来の研究用原子炉施設もあります。様々な中性子検出実験の中でも特に注目すべきは、欧州ミューオンコラボレーションの代表的な実験であり、 CERNで初めて実施され、現在では「EMC実験」と呼ばれています。同じ実験は、より高度な装置を用いて現在も実施されており、元のEMC効果に関するより明確な結果を得ています。
実験環境における中性子検出は容易な科学ではない。現代の中性子検出が直面する主な課題には、バックグラウンドノイズ、高い検出率、中性子の電気的中性性、および低い中性子エネルギーなどが挙げられる。
中性子検出におけるバックグラウンドノイズの主な構成要素は高エネルギー光子であり、これは物理的な遮蔽物では容易に除去できません。アルファ粒子やベータ粒子などの他のノイズ源は、鉛、プラスチック、石炭などの様々な遮蔽材によって除去できます。したがって、中性子検出器が検出しているのが中性子なのか光子なのかが不明確であるため、光子は中性子検出に大きな干渉を引き起こします。どちらもターゲットや周囲光から検出器に散乱された後、同様のエネルギーを示すため、区別が困難です。同時計数検出は、実際の中性子事象を光子やその他の放射線から区別するためにも使用できます。
検出器がビーム活動の強い領域にある場合、中性子とバックグラウンドノイズが圧倒的に高い頻度で連続的に照射されます。これにより、測定の重なりが極端に大きくなり、個々の事象を容易に区別できなくなるため、収集されたデータが不明瞭になります。したがって、課題の一つは、検出率をできるだけ低く抑え、高い検出率に対応して一貫性のあるデータが得られる検出器を設計することです。
中性子は電気的に中性であるため、電場に反応しません。そのため、検出を容易にするために中性子の進路を検出器に向けることは困難です。また、中性子は直接衝突以外では原子を電離しないため、気体電離検出器は効果がありません。
中性子吸収を利用する検出器は、一般的に低エネルギーの熱中性子に対して感度が高く、高エネルギーの中性子に対しては感度が桁違いに低い。一方、シンチレーション検出器は、低エネルギーの中性子の影響を検出するのが難しい。
図1は、中性子検出装置の典型的な主要構成要素を示しています。原理的には、この図は現代の素粒子物理学研究所における装置構成を示していますが、具体的な内容はジェファーソン研究所（バージニア州ニューポートニューズ）の装置構成を説明しています。
この構成では、中性子と光子からなる入射粒子が中性子検出器に衝突します。これは通常、シンチレーション材料、導波管、光電子増倍管（PMT）からなるシンチレーション検出器であり、検出の詳細を記録するためにデータ収集（DAQ）システムに接続されます。
中性子検出器からの検出信号は、スケーラーユニット、ゲート遅延ユニット、トリガーユニット、およびオシロスコープに接続されています。スケーラーユニットは、入射粒子またはイベントの数をカウントするために使用されます。検出器信号がゼロ点から急激に増加するたびに、粒子のカウント数をインクリメントすることでカウントを行います。このユニットにはデッドタイムがほとんどないため、粒子の入射速度がどれだけ速くても、イベント（入射粒子など）をカウントし損ねる可能性は非常に低いと言えます。デッドタイムが短いのは、このユニットに高度な電子回路が搭載されているためです。この電子回路は、イベントが発生するたびに論理ハイを記録するという比較的簡単なタスクから回復するのにほとんど時間を要しません。トリガーユニットは、システム全体の電子回路を調整し、システム全体がイベント実行の記録準備が整ったときに、これらのユニットに論理ハイを出力します。
オシロスコープは、イベントごとに電流パルスを記録します。このパルスは、このイベントによって検出器内で発生した電離電流を時間に対してプロットしたものです。入射粒子の全エネルギーは、この電流パルスを時間に関して積分して、PMTの終端に蓄積された全電荷を求めることで得られます。この積分は、アナログ-デジタル変換器（ADC）で行われます。蓄積された全電荷は、中性子検出器に入射する電離粒子（中性子または光子）のエネルギーを直接測定したものです。この信号積分技術は、原子核物理学において検出器内の電離を測定するための確立された方法です。[ 74 ] ADCは、メモリが限られており、イベントをADCに迅速に転送する必要があるオシロスコープよりもデッドタイムが大きくなっています。そのため、ADCは、分析のためにオシロスコープから約30イベントに1つをサンプリングします。典型的なイベントレートは毎秒約10⁶個の中性子であるため、 [ 75 ]このサンプリングでも毎秒数千のイベントが蓄積されます。
ADC はデータを DAQ ユニットに送信し、DAQ ユニットはデータを分析に適した形式に整理します。さらなる分析の鍵は、光子電離電流パルスの形状と中性子の形状の違いにあります。光子パルスは両端 (または「テール」) が長く、中性子パルスは中心がはっきりしています。[ 75 ]この事実は、入射中性子を識別し、入射中性子の総レートをカウントするために使用できます。この分離につながる手順 (通常、主要な国立研究所、特にジェファーソン研究所で実施される手順) は、ゲートパルス抽出と差分プロットです。
電離電流信号はすべてパルスであり、その間に局所的なピークがあります。連続時間論理ANDゲート（一方の入力として「1」と「0」のパルスのストリーム、もう一方の入力として電流信号）を使用して、各電流パルス信号のテール部分を抽出します。このゲート弁別方法は、液体シンチレータで日常的に使用されています。[ 76 ]ゲート遅延ユニットはまさにこの目的のためにあり、元の信号の遅延コピーを作成して、オシロスコープ画面上でそのテール部分がメイン部分と並んで表示されるようにします。
テール部分を抽出した後、テール部分と信号全体の両方に対して通常の電流積分を実行します。これにより、各イベントごとに2つのイオン化値が得られ、DAQシステムのイベントテーブルに保存されます。
このステップは解析の重要なポイントです。抽出された電離値をプロットします。具体的には、グラフは中性子エネルギーの範囲に対して、テール部分のエネルギー沈着量を信号全体のエネルギー沈着量に対してプロットします。通常、特定のエネルギーに対して、テールエネルギー値が同じイベントが多数存在します。この場合、プロットされた点は、2次元グラフ上でより多くの点が重なり合うことで密度が高くなり、各エネルギー沈着量に対応するイベント数を目視で把握することができます。全イベントのかなりの割合（1/30）がランダムにグラフにプロットされます。
抽出されるテールサイズが全パルスの一定割合である場合、グラフ上には傾きの異なる2本の線が現れます。傾きの大きい方の線は光子イベントに対応し、傾きの小さい方の線は中性子イベントに対応します。これは、時間に対してプロットされた光子エネルギー沈着電流が、中性子エネルギー沈着電流のプロットよりも長い「テール」を残すため、光子テールが全エネルギーに占める割合が中性子テールよりも大きくなるためです。
検出解析の有効性は、検出器に入射する中性子と光子の数を正確に計数し、分離できるかどうかで判断できます。また、第2段階と第3段階の有効性によって、実験における事象発生率が管理可能かどうかが明らかになります。上記の段階で明確なグラフが得られ、中性子と光子を容易に分離できる場合、検出は有効であり、発生率は管理可能であると言えます。一方、データ点がぼやけて区別できない場合は、事象を容易に分離することはできません。
検出率を低く抑える方法は数多くあります。イベントのサンプリングを用いることで、分析対象となるイベントを少数だけ選択できます。検出率が高すぎてイベントを区別できない場合は、物理的な実験パラメータ（遮蔽、検出器とターゲット間の距離、立体角など）を調整して、検出率を可能な限り低く抑え、イベントを区別できるようにすることができます。
ここでは、重要な変数だけを正確に観察することが重要です。なぜなら、途中で誤った指標が生じる可能性があるからです。例えば、電離電流は周期的に高いサージを示すことがありますが、これは高い発生率を意味するのではなく、単に迷走事象によるエネルギー沈着量が多いことを示しています。このようなサージは、特に実験装置に多くのバックグラウンドノイズが存在する場合、正当化できない場合は表に記録され、懐疑的に見られるでしょう。
実験者は、オシロスコープのすべての電流パルスが正確に 1 つのイベントに対応していることをどのように確認できるのかと疑問に思うかもしれません。これは、パルスが約 50 ns持続し、最大で 毎秒2 × 10 7イベント。この数値は、前述のように、通常1 桁低い実際の典型的なレートよりもはるかに高い。 [ 75 ]これは、1 つの電流パルスを生成する粒子が 2 つ存在する可能性が非常に低いことを意味します。電流パルスは それぞれ 50 ns 持続し、前のイベントから間隔を置いて次のイベントの記録を開始します。
入射する中性子のエネルギーが高いと検出が容易になる場合もあるが、前述の理由から、中性子の検出は一般的に困難な作業である。そのため、より優れたシンチレータ設計も最優先事項であり、シンチレーション検出器の発明以来、追求されてきたテーマである。シンチレーション検出器は1903年にクルックスによって発明されたが、1944年にカランとベイカーによってPMT（光電子増倍管）が開発されるまでは、あまり効率的ではなかった。[ 74 ] PMTは、PMT面に当たった単一のシンチレーション光子の初期信号を数百万倍に増幅して測定可能な電気パルスにすることができるため、信頼性が高く効率的な検出方法を提供する。それでもなお、シンチレータ検出器の設計には改善の余地があり、シンチレーション以外の中性子検出方法にも改善の余地がある。
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