府大ら,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

大阪府立大学,高エネルギー加速器研究機構,日本原子力研究開発機構,情報通信研究機構,産業技術総合研究所らは,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の開発に成功した(ニュースリリース)。

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なわれている。

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。そこで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。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。この時間差計測に時間デジタル変換機を用いた。大強度陽子加速器施設J-PARCのBL10で実証実験を行ない,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を達成し,数十MHzと高速で動作することが分った。

この研究の中性子検出器は,シンチレータ方式の検出器に対して,他の放射線(ガンマ線,X線など)にほとんど感度を持たない。また,検出器内で,中性子イベントが複数回あっても検出が可能な特長がある。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としている。

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