公立大学法人大阪府立大学

超伝導検出器を使った全固体ワンチップの中性子高速イメージング装置を開発

更新日:2018年10月23日

本研究のポイント

  • 空間分解能は22マイクロメーターを達成
  • 既存の中性子検出器と動作原理が全く異なる装置
  • より高精度な非破壊検査に役立つ可能性

研究背景

中性子は電荷を持たないため、物質中の電子では散乱されず、原子核によってのみ散乱または吸収されるため、多くの物質に対し強い透過性がある。また、X線では見えにくい水素原子などの軽元素に対しても感度を持つ特徴もある。このことから中性子による透過像撮影は非破壊検査として役立つが、撮像の空間分解能は、顕微鏡ほど高性能はでなかった。近年の大強度中性子源の発達により、高い空間分解能を持つ中性子顕微鏡の開発が必要となった。そこで、より微細な画像を得るべく、世界中で高い空間分解能をめざした中性子検出器システムの開発が競って行われている。ヘリウム3(3He)、リチウム6(6Li)、ホウ素10(10B)などの特定の元素には中性子が吸収されやすいことを利用すれば、中性子は検出できる。

概要

全固体の超伝導検出器を開発し、コンパクトな中性子高速イメージングシステムを完成した。超伝導中性子検出器(つづら折り返し(メアンダ)のニオブ(Nb)細線でできたX座標を調べるX検出器とY座標を調べるY検出器の2つを利用)は平板状で、出力が4端子の検出器である。検出器には10Bが積層されており、10Bと中性子による核反応で軽イオン(4He か 7Liイオン) が放出され、X検出器とY検出器の超伝導Nb細線に同時にホットスポット(超伝導電子が壊れる微小な領域)を作り、それぞれのホットスポットで電磁波信号が発生し、そこからNb細線両端の電極に向けて一定速度で伝搬する。開発したシステムでは、電磁波が4つの電極に到達する時間差を計測して、X座標とY座標を計算できるのである。この時間差計測に時間デジタル変換機(高エネルギー加速器研究機構(KEK)で開発されたKALLIOPE(注記)回路を改造)を用いた。大強度陽子加速器施設J-PARCのBL10で実証実験を行い、時間分解能は1ナノ秒、中性子イメージングの空間分解能は22μm(マイクロメーター)を達成し、数十MHz(メガヘルツ)と高速で動作することが分った。今後、この超伝導中性子検出器システムが高分解能の中性子による透過像の撮像に利用されることが期待される。

(注記)KALLIOPE とは、 KEK Advanced Linear and Logic board Integrated Optical detector for Positron and Electron の略。

この成果は、「Physical Review Applied 」2018年10月17日号に発表された。
論文タイトル「High-speed neutron-imaging using a current-biased delay-line detector of kinetic inductance (電流バイアス遅延時間型運動インダクタンス検出器による中性子高速イメージング)」

研究チームの構成

本研究は、大阪府立大学(辻洋 学長)大学院工学研究科電子・数物系専攻 宍戸 寛明 准教授、大学院生 博士課程前期の三木 悠矢(既に修了)・山口 裕之(既に修了)・飯澤 侑貴(2年)、博士課程後期 Vu The Dang(既に修了)、高エネルギー加速器研究機構(以下「KEK」、山内 正則 機構長)・総合研究大学院大学 小嶋 健児 准教授(現所属はカナダTRIUMF研究員と大阪府立大学客員研究員)、KEK 鈴木 聡 准教授、日本原子力研究開発機構(以下「JAEA」、児玉 敏雄 理事長) 原田 正英 研究主幹、奥 隆之 セクションマネージャー、情報通信研究機構(以下「NICT」、徳田 英幸 理事長) 宮嶋 茂之 研究員、産業技術総合研究所(以下「AIST」、中鉢 良治 理事長) 日高 睦夫 招聘研究員、大阪府立大学工学研究科量子放射線系専攻 小山 富男 客員研究員、石田 武和 客員教授の研究チームが、科研費基盤研究A(デュアル電流バイアス運動インダクタンス検出器による中性子検出効率の改善; 課題番号No. 16H02450; 研究代表者 大阪府立大学 客員教授 石田 武和)の支援を得て実施した。

大阪府大は検出器システムの提案、設計、動作原理の解明、計測システムの構築、中性子イメージング全般を担当した。

研究助成等

科研費基盤研究A(デュアル電流バイアス運動インダクタンス検出器による中性子検出効率の改善;課題番号No. 16H02450; 研究代表者 大阪府立大学量子放射線系専攻 客員教授 石田 武和)の支援を得て共同研究として実施した。J-PARCでの中性子照射実験は、J-PARC 物質・生命科学実験施設(MLF)の一般課題(石田 武和、Proposal No. 2015A0129)プロジェクト課題(奥 隆之代表、Proposal No. 2015P0301)の支援を得て行われた。計測システムの開発は、KEKのOpen-it(解説)の枠組を利用した。

(解説)Open-It (Open Source Consortium of Instrumentation)とは、計測システム開発に必要な要素技術、システム化技術およびその情報をできる限りアカデミック用途にオープン化し共有をはかることで、先端計測技術の維持、改良および発展を共同で行おうとする団体である。

お問合せ先

〈発表論文に関して〉大阪府立大学 大学院工学研究科 電子・数物系専攻 准教授 宍戸 寛明

Tel 072-254-9494Eメール shishido[at]pe.osakafu-u.ac.jp [at]の部分を@と差し替えてください。

〈プロジェクト全体〉大阪府立大学 大学院工学研究科 量子放射線系専攻 客員教授 石田 武和

Tel 072-254-9260Eメール ishida[at]center.osakafu-u.ac.jp [at]の部分を@と差し替えてください。