KEK 測定器開発室セミナー 於 KEK つくばキャンパス GEM型中性子画像検出器による 物質情報3次元可視化技術の進展

KEK 測定器開発室セミナー 於 KEK つくばキャンパス

GEM型中性子画像検出器による

物質情報

3次元可視化技術の進展

佐

藤 博 隆

北

海 道 大 学

大学院工学研究院

量子理工学部門

13th Jan. 2015

Collaborators

北海道大学

& 名古屋大学

北海道大学： 加美山 隆 木野 幸一 長谷美 宏幸 大沼 正人 古坂 道弘 名古屋大学： 鬼柳 善明 塩田 佳徳 （元 北海道大学）

高エネルギー加速器研究機構

宇野 彰二 大下 英敏 佐藤 節夫 【謝辞】 KEK-北大 連携協力協定 【謝辞】 KEK-北大 加速器科学総合事業 大学等連携支援事業

日本原子力研究開発機構

J-PARCセンター

篠原 武尚 甲斐 哲也 蘇 玉華 及川 健一 Stefanus Harjo 鬼柳 亮嗣 瀬川 麻里子 原田 正英

Consiglio Nazionale delle Ricerche Francesco Grazzi

Contents

• 「物質情報の可視化」？

• パルス中性子イメージング法の 原理 と 特長

• パルス中性子イメージングに必須な ソフト と

ハード

• GEM型中性子画像検出器の（原理と）特長

• 材料工学 応用：日本金属学会論文賞

• 考古学

応用：日本刀一振りを丸ごと非破壊分析

• 画像工学 応用：新概念「テンソル」CT法の実証

• 分析化学 応用：J-PARCにおける高精度核種分析

• 今後の中性子画像検出器開発への期待・要望

医療用X線イメージング

ラジオグラフィ （レントゲン）：

2D

トモグラフィ （CT）：

3D

従来の中性子イメージングに相当

http://www.st-mary-med.or.jp/patient/me/me_ct.html

病巣を 「知らせる」 PETイメージング

高

_{空間分解能 X線イメージング}

低

_{空間分解能 PETイメージング}

ここ？ がん！

中性子イメージングも 「見える化」 へ

燃料電池 高時間分解能化 （動画像撮影） 高空間分解能化 （精細画像撮影） 高次元化 （断層撮影） 文化財 国民的キャラクター ユリ カブトムシ エンジン 1 mm 100 µm 10 µm 2 d 3 d 4 d 1 h 1 m 1 s 0.1 s マクロスコピックな物体内部透視から ミクロスコピックな物質情報の可視化まで JAEA Takenaka Nakanishi Mochiki Kawabata Takenaka

Contents

• 「物質情報の可視化」？

• パルス中性子イメージング法の

原理 と 特長

• パルス中性子イメージングに必須な ソフト と

ハード

• GEM型中性子画像検出器の（原理と）特長

• 材料工学 応用：日本金属学会論文賞

• 考古学

応用：日本刀一振りを丸ごと非破壊分析

• 画像工学 応用：新概念「テンソル」CT法の実証

• 分析化学 応用：J-PARCにおける高精度核種分析

• 今後の中性子画像検出器開発への期待・要望

パルス中性子を使った

TOFイメージング

~ 2 meV (6.4Å) ~ 13 meV (2.5Å) ~ 50 meV (1.28Å) ~ 500 meV (0.4Å) ~ 35 eV (0.05Å) 100 μs ~ 800 μs ~ 2500 μs ~ 5000 μs ~ 13000 μs ~ 測定試料 高時間分解能 中性子画像検出器 Time-of-Flight（TOF） 分光法

エネルギー分析型

中性子イメージング

1画素で測定される中性子透過率スペクトル

0% 20% 40% 60% 80% 100% 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 Neutron energy / eV N eut ron t ra nsm issi on

ブラッグエッジ

共鳴吸収

ブラッグエッジ：結晶組織構造情報を反映 共鳴吸収：核種とその量、原子運動（温度）を反映

→ これら情報を

厚さ 1 cmのモリブデン

ブラッグエッジ法による

結晶組織構造

情報

のイメージング

Degree of crystallographic anisotropy （March-Dollase coefficient） 0.0 5.6 2.8 0.0 5.0 10.0 Position x / cm Pos it ion y / cm 0.50 0.84 0.67 Pos it ion y / cm 1.8 0.0 3.6

Strain of {110} crystal lattice plane （µε = 10-4_{% = 10}-6_） ＋ 325 － 725 － 575 － 425 － 275 － 125 ＋ 175 ＋ 25 結晶格子ひずみ 集合組織 結晶方位 結晶子サイズ Preferred orientation parallel to the beam direction

<111> <110> <100> <221> <211> <210> 0.0 5.6 2.8 0.0 5.0 10.0 Position x / cm Pos it ion y / cm Crystallite size along the beam direction / µm

2.4 6.0 4.2 4.8 3.0 0.0 5.6 2.8 0.0 5.0 10.0 Pos it ion y / cm 18 9 it ion y / mm 6.70 3.35 Projected atomic number density of ferrite

（×1022_cm-2_） 18 9 it ion y / mm 5.60 2.80 Projected atomic number density of austenite

（×1022_cm-2_） フ ェ ラ イ ト 鋼 オ ー ス テ ナ イ ト 鋼 結晶相 溶接材

空間分解能

進入深さ

観測広さ

電子後方散乱回折 （EBSD） m m µ m n m X線回折&イメージング 中性子回折 c m µ mn m m m µ m c m

パルス中性子

イメージング

パルス中性子イメージング法のインパクト

各種結晶組織構造解析ツールの空間認識特性の比較

「大面積」

「高空間分解能」

「非破壊」

「バルク」 定量評価

を両立

Preferred orientation parallel to the beam direction

<111> <110> <100> <221> <211> <210> 0.0 5.6 2.8 0.0 5.0 10.0 Position x / cm Pos it ion y / cm

Hurley & Humphreys

Kobayashi & Toda

Contents

• 「物質情報の可視化」？

• パルス中性子イメージング法の 原理 と 特長

• パルス中性子イメージングに必須な

ソフト と

ハード

• GEM型中性子画像検出器の（原理と）特長

• 材料工学 応用：日本金属学会論文賞

• 考古学

応用：日本刀一振りを丸ごと非破壊分析

• 画像工学 応用：新概念「テンソル」CT法の実証

• 分析化学 応用：J-PARCにおける高精度核種分析

• 今後の中性子画像検出器開発への期待・要望

透過率スペクトル解析ソフトウェア

「RITS」

80% 85% 90% 95% 100% 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 N eut ron t ransm issi on Neutron wavelength / nm

Experimental data Traditional model fitting

RITS model fitting

Rietveld Imaging of Transmission Spectra

HPT加工材（純鉄）のブラッグエッジスペクトルに対する whole pattern fitting

Lattice parameter: 0.28632(1) nm Preferred orientation: <110> March-Dollase coefficient: 0.43 Crystallite size: 1.9 μm 11 0 200 2 11 220 310 321 330 431

Refined structural parameters

データ解析法

の開発により

結晶組織構造情報の定量評価

が実現

H. Sato, et al., Mater. Trans. 52 (2011) 1294-1302.

高時間分解能中性子画像検出器

TOF画像検出器

の開発により

空間分解スペクトル測定

が実現

シンチレーターピクセル直読式検出器 GEM型検出器 μPIC型検出器 MCP型検出器 画素サイズ 検出面積 北大：鬼柳（現 名大）Gr. 画素サイズ：3 mm 検出面積：5 cm×5 cm 高検出効率・高計数率 高信頼性 KEK：宇野Gr. 画素サイズ：800 μm 検出面積：10 cm×10 cm 大面積・中空間分解能 中検出効率・中計数率 高信頼性 CROSS：J. Parker 画素サイズ：400 μm 検出面積：10 cm×10 cm 大面積・中空間分解能 中検出効率 UC Berkeley：A. Tremsin 画素サイズ：55 μm 検出領域：直径 2.8 cmの円 高空間分解能 中検出効率 実空間撮像

Contents

• 「物質情報の可視化」？

• パルス中性子イメージング法の 原理 と 特長

• パルス中性子イメージングに必須な ソフト と

ハード

•

GEM型中性子画像検出器の（原理と）特長

• 材料工学 応用：日本金属学会論文賞

• 考古学

応用：日本刀一振りを丸ごと非破壊分析

• 画像工学 応用：新概念「テンソル」CT法の実証

• 分析化学 応用：J-PARCにおける高精度核種分析

• 今後の中性子画像検出器開発への期待・要望

GEM: Gas Electron Multiplier

Cu α α 10_B Insulator Ionization n n    + + + + → + %) (94 MeV 310 . 2 α * Li %) (6 MeV 792 . 2 α Li n B 7 7 10 　 　　 　 　　 （厚さ 50 μm） （厚さ 5 μm） 直径 70 μm・140 μmピッチの多孔 （銅薄膜の電極間に数百Vの高電圧） 通称「宇野GEM」「ボロンGEM」 高エネルギー加速器科学奨励会小柴賞（2011年度）ホームページより ① 中性子-荷電粒子変換 ② 電子雪崩（ガス増幅）

1つ1つの細孔がガス増幅器として動作 & 数十ns程度の減衰時間

→

高計数率

（ポテンシャルとしては

10

7

n/cm

2

/s以上）

10_{Bの熱中性子吸収断面積：3835 barn} （* 480 keV γ線の放出）

検出器チェンバー内の構成（例）

10

_{B coated Al cathode foil}

10

_{B coated GEMs}

（Neutron converters）

Readout electrodes

Ar/CO

₂

gas

Standard GEM

（Electron amplifier）

15 mm

16 mm

50 mm

{

GEMの積層枚数を自由度高く変更することが可能

→

検出効率

やガスゲインを高くしたり低くしたりすることが可能

2008年度モデル  Ar（7）：CO₂（3）ガスを使用 → 高価な3_{Heガスを使わなくてもOK}  γ線感度の高い物質が含まれていない → S/N比が高い  ボロンGEMではガス増幅を行わない → どの段のボロンGEMで中性子-荷電粒子 変換が起こっても、読み出し電極の誘導電流は同じ → 線形性の高い中性子計数 10_{B厚さ：20 nm} （熱中性子検出 効率：約0.1%） 10_{B厚さ：600 nm} （片面） （厚さ 200 μm） 熱中性子検出効率：約7.5%

読み出し：ストリップ（コインシデンス）方式

 ピクセル方式より最大計数率は低いが、読み出し数は少なくて済む （単純計算 ：最大計数率も読み出し数も（120×2）÷1202 _{= 約1.7%）}  ASICを使って各ストリップの信号を増幅・A/D変換・波高弁別  FPGAを使ってコインシデンス処理・TOF分析 （クロック周波数100 MHz → 10 nsのTOF分解能）  中性子ヒットイベント毎に（X, Y, TOF）データを出力（2008年度）  SiTCPデータ転送レート（実効的な最大計数率）：104 _Hz/cm2_{（2008年度）} 800 μm（0.8 mm）ピッチ 120×120箇所（9.6 cm×9.6 cm） の2次元読み出し ピクセルタイプ コインシデンスタイプ

高空間分解能

・

大面積

GEM検出器の性能：まとめ

Gas Electron Multiplier （GEM）  Micro Pattern Gas Detector（MPGD）  10_{B coated GEM×2}

 Electron amplifying GEM×1

 Floating gas: Ar & CO₂（7:3）, 0.1 MPa

画素サイズ  800 μm×800 μm 検出面積  9.6 cm×9.6 cm  120×120 箇所（14,400箇所） 検出効率  15%（波長0.4 nmの中性子に対して） DAQシステムの最大計数率  104 _Hz/cm2 TOF分解能  10 ns 2008年度モデル バランスが良い （欠点が少ない）

①

GEM検出器を使った

パルス中性子イメージングの

材料工学

分野への応用

H. Sato, et al., Mater. Trans. 52 (2011) 1294-1302.

中性子の回折に起因する

「ブラッグエッジ」

α-iron (5 mm thickness)

30%

40%

50%

60%

70%

80%

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

N

eut

ron t

ransm

issi

on

Neutron wavelength / nm

1つの画素で測定される透過率スペクトルとそれに含まれている情報 11 0 200 2 11 220 310 321 330 431 回折指数 エッジパターン（位置 & 落差）  結晶構造  結晶相 形状変化 ・ 強度増加（多重回折）  集合組織（結晶方位）  結晶子サイズ エッジ出現波長 ・ 線幅  マクロ（平均）ひずみ （結晶格子面間隔）  ミクロ（局所）ひずみ （面間隔の分散）

様々な

結晶組織構造情報

が含まれているが、解析法が無かった。

目的：解析ソフトウェア「

RITS」の開発

∑

−

=

hkl hkl hkl hkl hkl hkl hkl hkl hkl hkl

d

R

d

P

d

E

d

F

F

V

(

2

)

(

,

2

)

(

,

2

,

)

2

)

(

2 0 2 coh ela

λ

λ

λ

λ

λ

σ

運動学的回折理論 （Fermiモデル） エッジプロファイル関数 （Jorgensen型関数） 結晶方位分布関数 （March-Dollase第2関数） 第1次消衰効果関数 （Sabineの消衰関数） V₀ : 単位胞の体積、 F_hkl : 結晶構造因子、 d_hkl : 結晶格子面間隔 この複雑な定式が正しいことを実験的に検証すれば、パルス中性子 イメージングを新しい材料解析ツールとして実用化することができるはず。 → 中性子透過率スペクトルの絶対値測定を正しく行う必要がある。 中性子の干渉性弾性散乱全断面積の新しい定式を提案

北大の小型加速器中性子源を使って検証

リニアック 太平洋 茨城県東海村 日本原子力研究開発機構原子力科学研究所 ハドロン実験施設 3GeVシンクロトロン 物質・生命科学実験施設「MLF」 （パルス中性子・パルスミュオン） JAEA 「JRR-3M」

KEK & JAEA 「J-PARC」 北大 「HUNS」

京大 「KUANS」 理研 「RANS」

京大 「KUR」

●原子炉定常中性子源

検証実験では

GEM検出器を使用

3.0 m 0.5 m

Pulsed cold source

Evacuated beam tube

B₄C shield

GEM detector

Specimens

Neutron

Performances of the pulsed beam

 Photoneutron source by electron bremsstrahlung  Moderator : Coupled 18 K solid methane

 Initial neutron yield : 1.6×1012_{n/sec @ 1 kW}

 Flux @ 6 m : 0.86×104_n/cm2_{/sec @ 1 kW}

∆λ/λ: 2.7 %@ 4Å（due to the coupled moderator）

Performances of the GEM detector

 FY2008 model

 Pixel size : 800 µm×800 µm

 Detection area : 10 cm×10 cm

 TOF resolution : 10 ns

 Detection efficiency : 15 % @ 4Å

 Maximum counting rate : 1 MHz/detector

測定試料：

TIG溶接された低炭素鋼

一般構造用圧延鋼材SS400 10 cm 10 c m 厚さ : 6 mm （厚板） 母材：圧延面法線方向 // ビーム 溶接材：圧延方向 // ビーム 溶接材：圧延面法線方向 // ビーム

母材と溶接部の

組織状態を評価

Weld metal HAZ 1 cm 6 mm ND RD ND ND RD

「イベントレコーディング」方式の恩恵

計数率が同程度の時間帯だけの

データを実験後に抜き出し

_て使用

→ 無事に

正しい透過率データ

_{を取得することができた}

50 80 65 0 10 5 0 5 10 Position x / cm Pos it ion y / c m Neutron transmission （%） 50 80 65 0 10 5 0 5 10 Position x / cm Pos it ion y / c m Neutron transmission （%） 本実験では、なぜか、時間帯によって計数率（検出効率？）が変動してしまった。 → ヒストグラム方式のデータ収集だったならば「実験やり直し」。 全時間帯のデータを使用 した際のラジオグラフィ 同程度の計数率のデータだけ で表示したラジオグラフィ

GEM検出器で測定された透過率スペクトル

高い検出効率

→ 小型加速器パルス中性子源でも実験可能

40% 50% 60% 70% 80% 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 N eut ron t ra nsm issi on Neutron wavelength / nm 0 100 200 300 400 500 600 700 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 C ount s of ne ut ron Neutron wavelength / nm Transmitted neutrons (5 hours)

less than 600 counts

Incident neutrons (3.3 hours) 中性子スペクトル 中性子透過率スペクトル Low statistics F e {1 10}

-20 0 20 40 60 80 100 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 Crystal lattice plane spacing / nm

N eut ron i nt ensi ty / a rb. uni t Experiment Fitting Difference - 10 Pref. ori.: <530> Deg. tex.: 0.56 Cry. size: 3.37 µm χ2_{= 19.42} R_wp= 6.19 % R_e= 1.40 % R_B= 2.94 % R_F= 2.37 %

J-PARCでの中性子回折実験の結果と比較

J-PARC MLF BL20 茨城県材料構造解析装置 「iMATERIA」 「Z-Rietveld」（KEK開発）によるリートベルト解析  120 kW核破砕パルス中性子源（当時） ⇒ 北大中性子源の104 _{倍の中性子発生量}  非結合ポイズン型20 K超臨界パラ水素減速材  3Qc スーパーミラーガイド管（長さ14 m）  L1 = 26.5 m, L2 = 2.0~2.3 m  背面バンク使用  _{Δd/d = 0.16%}  測定時間: 30分/照射

結果①：結晶方位のイメージング

フェライト鋼の

α-fiberとγ-fiberを明確に識別。

Preferred crystal orientation

parallel to the beam direction, <HKL>

<111>

<110>

<100>

<221>

<211>

<210>

0

10

5

0

5

10

Position x / cm

Pos

it

ion

y

/ cm

γ-fiber α-fiber β-fiber

Degree of crystal orientation anisotropy

（March-Dollase coefficient, R）

0.50

0.84

0.67

0

10

5

0

5

10

Position x / cm

Pos

it

ion

y

/ cm

結果②：集合組織発達度のイメージング

溶融金属部だけで集合組織が解消されている。

iMATERIA & Z-Rietveldとの比 ±2% （4箇所の比較） ND RD ND ND RD Weld metal HAZ 1 cm 6 mm 異方的 等方的

結果③：結晶子サイズのイメージング

2.4

6.0

4.2

4.8

3.0

0

10

5

0

5

10

Position x / cm

Pos

it

ion

y

/ cm

Crystallite block size

along the beam direction, S / µm

溶融金属部＋熱影響部で結晶子が微細化。

iMATERIA & Z-Rietveldとの差 ±3% （4箇所の比較） ND RD ND ND RD Weld metal HAZ 1 cm 6 mm

2012年日本金属学会論文賞を受賞

空間分解能 進入深さ 観測広さ 電子後方散乱回折 （EBSD） m m µ m n m X線回折&イメージング 中性子回折 c m µ mn m m m µ m c m

パルス中性子

イメージング

大面積 高空間分解能 高検出効率 高信頼性

②

GEM検出器を使った

パルス中性子イメージングの

考古学

分野への応用

塩田 佳徳 （名古屋大学）

鬼柳 善明 （名古屋大学）

なぜパルス中性子イメージングが有効か？

 日本刀の結晶組織構造を調べることは、その特

徴および製造法の歴史を明らかにする上で重

要である。

 文化財保存の観点から

非破壊

_{測定が望ましい。}

 鉄をベースとしているため中性子による分析が

有効。

 日本刀の

全体像を把握

するためには、パルス

中性子イメージングが有効。

 日本刀一振りを丸ごと非破壊分析

大強度陽子加速器施設「

J-PARC」

リニアック ニュートリノ実験施設 太平洋 茨城県東海村 日本原子力研究開発機構原子力科学研究所 ハドロン実験施設 3GeVシンクロトロン 50GeVシンクロトロン 物質・生命科学実験施設「MLF」 （パルス中性子・パルスミュオン）

Beam Line 10

実験で使用したビームライン

~15m 中性子ビーム

J-PARC / MLF / BL10（中性子源・中性子工学試験装置）

塩田佳徳

測定試料および画像検出器

96 mm 試料：日本刀 (備前長船之住則光之作) 2次元 中性子検出器 Spatial resolution = 800μm 検出面 （提供）名大・広田克也 刃渡45.4cm GEM検出器 大面積 高空間分解能 高計数率 塩田佳徳

ラジオグラフィと透過率スペクトル

透過スペクトル bcc-Fe (110) (200) (211) (220) (310) (222) 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 Neutron wavelength / nm 塩田佳徳

単位等 A B C D 1 0.56 0.65 0.58 0.58 R111 2 0.60 0.59 0.65 0.64 3 0.46 0.57 0.68 0.54 A B C D 1 0.88 2.33 1.41 3.45 μm 2 1.49 3.85 1.38 2.59 3 2.36 3.23 1.75 2.71

投影原子数密度イメージングと結晶子サイズ解析

5mm 6mm 6mm 7 鉄の厚さ 1 2 3 A B C D 結晶子 サイズ 0 中心から刃先にかけて結晶子は小さくなる傾向 塩田佳徳

結晶方位異方性 ND(111)繊維集合組織 α鉄の熱間加工後に見られる集合組織 加工量、加熱温度、加熱時間が影響する 1 0.3 一例）日本刀の製作工程と温度 ・刀の形に延ばす（1300℃→800℃） ・火造り（700℃） ・焼入れ前（800℃→900℃） 0.4 1 （青）茎、刃区周囲、刀身中心に等方的な組織 （緑）刃部は一様な集合組織 （赤）峰側に強い集合組織

結晶配向：集合組織イメージング

製造法による特徴 塩田佳徳

・低炭素鋼、軟鋼 ・刃区(はまち)周囲に顕著な等方的結晶配向 内側(心鉄) 外側(皮鉄) 刀身断面

日本刀の鉄組織

（解析のまとめ）

・高炭素鋼、硬鋼 ・結晶子サイズが小さい （茎） （峰側）強い集合組織 ・低炭素鋼、軟鋼 ・組織状態から心鉄に近い鋼 （刃）微細な結晶子 塩田佳徳

③

GEM検出器を使った

パルス中性子イメージングの

Pos it ion y / c m 1.8 0.0 Position x / cm 0.0 1.05 2.1 3.6

Macrostrain of crystal lattice plane {110}

（µε = 10-4_{% = 10}-6） ＋ 325 － 725 （50 µε/div） － 575 － 425 － 275 － 125 ＋ 175 ＋ 25

ブラッグエッジひずみイメージング

と 次の課題

引張試験中 その場 ひずみ 2次元 イメージング 0 0 d d d − = ε

K. Iwase, H. Sato, et al.,

手法開発における次の目標

2次元ラジオグラフィ（レントゲン）型から

3次元トモグラフィ（CT）型への発展

ひずみの

CTを実現するためには？

新概念CT画像再構成アルゴリズム テンソルCT法 を開発する必要がある。 • ひずみは 観測方向によって観測値が変わる テンソル物理量 • 従来のスカラーCT法では テンソル物理量をCT処理することはできない。 例) 吸収コントラスト_CT： 密度 （スカラー物理量）のCT画像再構成 位相コントラストCT： 屈折率（スカラー物理量）のCT画像再構成 医療用X線CT （吸収コントラストCTの例）

テンソル

CT法の開発

_{：中性子イメージングから画像工学への挑戦}

http://www.st-mary-med.or.jp/patient/me/me_ct.html

ε_θθ: Hoop strain （周ひずみ） ε_rr : Radial strain （径ひずみ）

)

,

(

r

θ

φ

) , ( sin ) , ( ) , ( cos ) , ( ) , ( 2 2 90 θ ε θ φ θ ε θ φ θ ε_φ  r = _θθ r r + _rr r r

x

y

測定試料：

VAMAS標準試料

中性子回折ひずみ解析用VAMAS国際標準試料

「Aluminum shrink-fit ring and plug （Al シリンダー 冷やし填め）」

2つ

のひずみ要素（

周ひずみ

・

径ひずみ

）が

軸対称

に分布

50

m

m

50 mm

Inner plug diameter 25 mm

結晶格子面間隔イメージング実験

中性子ビーム特性 中性子束：0.8×106 _n/cm2_/s 中性子波長分解能：0.34% @ 4Å L/D（コリメーター比）：600 （BL10ロータリーコリメーター「小」） 測定時間：16時間／run 中性子画像検出器特性 画素サイズ：800 μm×800 μm 検出面積：10 cm×10 cm 検出効率：1%以下（ビームが 強すぎるため、GEM の枚数を減らした） TOF分析速度：10 μs J-PARC MLF BL10 “NOBORU” ビームライン J-PARC 3 GeV 陽子加速器の出力：300 kW 中性子 VAMAS試料

GEM（Gas Electron Multiplier）型

中性子画像検出器（10_{Bベース）}

KEK 宇野グループ

ブラッグエッジ出現波長

→ 面間隔（ひずみ）

ブラッグエッジ透過スペクトル 得られた結晶格子面間隔の径依存性 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 0 10000 20000 30000 N eut ron t ransm issi on

Neutron flight time / μs

Single pixel A l { 111 } 0.23365 0.23370 0.23375 0.23380 0.23385 0.23390 0.23395 0.23400 0 5 10 15 20 25 d111 / n m

Distance from the center / mm Raw analysis data Moving averaged data Theoretical value

ブラッグエッジ出現波長（

TOF）を約0.01%の精度で見極め

+1400 Crystal lattice strain ε₁₁₁ / με

Position x / mm P osi ti on y / m m 50 0 25 50 0 25 +1000 +500 0 -500 -1000 +1400 Crystal lattice strain ε₁₁₁/ με

Position x / mm P osi ti on y / m m 50 0 25 50 0 25 +1000 +500 0 -500 -1000 +1400 Crystal lattice strain ε₁₁₁ / με

Position x / mm P osi ti on y / m m 50 0 25 50 0 25 +1000 +500 0 -500 -1000 +1400

Crystal lattice strain ε₁₁₁/ με

Position x / mm P osi ti on y / m m 50 0 25 50 0 25 +1000 +500 0 -500 -1000

CT画像再構成の結果：ひずみの断層分布

テンソル

CTの初実験データ。

ひずみ要素毎に個別に再構成

理論値 再構成CT画像 径ひずみ 周ひずみ

④

GEM検出器を使った

パルス中性子イメージングの

分析化学・核データ

分野への応用

長谷美 宏幸 （北海道大学 D3）

加美山 隆 （北海道大学）

鬼柳 善明 （名古屋大学）

中性子の原子核共鳴吸収から得られる情報

0% 20% 40% 60% 80% 100% 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Neutron energy / eV N eut ron t ra nsm issi on 格子振動 ⇔ 媒質温度 密度 核種（元素）

プロファイル解析により

核種

とその

量

ならびに

運動

の評価が可能

ダブルバンチ 600 ns 90 ns 中性子パルス

J-PARCはダブルバンチ運転

→ 複雑なパルス形状

共鳴吸収ディップの ゆがみ Cu-65 579 eV

数百eVの領域では加速器のダブルバンチ構造が見える。

共鳴解析コード「

REFIT」にJ-PARC固有のパルス情報を導入

⊗ → 長谷美宏幸

J-PARC MLF BL10における核種定量分析

Rotary Collimator

Moderator _{Cd filter} Samples

GEM detector 7.69 m 12.8 m 14.19 m or 13.99 m 0 cm or 20 cm B₄C slit GEM Sample

 Detector

– Gas Electron Multiplier (GEM)

 Sample

– Ta : 10 µmt – Ag : 1, 2 mmt – Cu : 1, 1.5, 2, 3, 5 mmt 高時間分解能 長谷美宏幸

Densitometry

10 µm-thick Ta foil

(Area density : 5.48 × 10-5 _{at/b) (Area density :} 1 mm-thick Ag plate _{5.81 × 10}-3 _at/b)

(5.53 ± 0.14) × 10-5 _{at/b (5.54 ± 0.10) × 10}-3 _at/b 10.36 eV 133.9 eV  陽子ビーム電流値で規格化  それ以外のデータ補正は特に無し – 検出器のデッドタイム補正 – バックグラウンド 長谷美宏幸

Cuの共鳴パラメーターを評価

Good agreement by

Weigmann and Winter

†

579 eV

†_{H. Weigmann and J. Winter,}

Zeitschrift für Physik (1968) 411.

For RSA for Cu,

we used width of Weigmann

instead of JENDL-4.0

.

コイン・小判の元素イメージング

宇野（KEK）・甲斐（J-PARC）ら

今後、開発した高精度核種定量分析法を使って

元素イメージング法の絶対値化を進めていくことになる。

197_{Auの共鳴エネルギー（4.9 eV）} におけるラジオグラフィ

今後の中性子画像検出器開発への

期待・要望

検出器へ要求する性能（

GEMはどうか？）

①

イメージングの「見た目」に関するスペック

 検出面積：30 cm×30 cm（10 cm四方、ほぼOK）

 空間分解能：100

μm（800 μm、もう少し）

 時間分解能：10 ns（OK）

 検出効率：100%（小型加速器中性子源向け）

 最大計数率：10

8

_Hz/cm

2

（10

4

_Hz/cm

2

、まだまだ）

0 20 40 60 80 100 120 140 0 5 10 15 20 N eut ron / cps

検出器へ要求する性能（

GEMはどうか？）

②

信頼性に関するスペック

 S/N比：中性子のみの信号を取り出す（OK）

 中性子計数の線形性：線形（OK）

 計数率・TOFの再現性：いつも同じ（ほぼOK）

 検出効率の空間一様性：一様（ほぼOK）

 ユーザーフレンドリー性：フレンドリー（要相談）

0 20 40 60 80 100 120 140 0 5 10 15 20 N eut ron / cps

まとめ

• GEM型中性子画像検出器は、パルス中性子イメー

ジングによる物質情報の可視化の技術開発・応用

に大きく貢献してきた（2008年度～現在）。

材料工学、考古学、画像工学、分析化学、核データ

• 検出面積・空間分解能・検出効率・最大計数率・時

間分解能に、

大きな欠点が無く

、

バランスが良い

_。

• S/N比や計数率の線形性、安定性などのユーザー

（材料研究者）から見えない部分が意外と重要。

（

透過率の絶対値に気を遣っている

のは、日本の中

性子イメージング開発者の特長。海外の研究者は

画像の派手さを重視している傾向があるため、日本

ご清聴ありがとうございました。