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Synchrotron X-ray time-resolved imaging using high-Z nanoparticle-loaded picosecond scintillators

Research Project

Project/Area Number 21H03743
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 80040:Quantum beam science-related
Research InstitutionHigh Energy Accelerator Research Organization

Principal Investigator

Kishimoto Shunji  大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 名誉教授 (00195231)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 田中 真伸  大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 教授 (00222117)
Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2022: ¥9,490,000 (Direct Cost: ¥7,300,000、Indirect Cost: ¥2,190,000)
Fiscal Year 2021: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Keywords量子ビーム / 放射光X線 / 重元素含有プラスチックシンチレータ / シリコン・アバランシェフォトダイオ ード / ピクセルアレイ検出器 / 時間分解測定 / プラスチックシンチレータ / シリコン・アバランシェフォトダイオード / 高エネルギーX線 / ピコ秒分解能 / ビスマス酸化物ナノ粒子 / 時間分解能 / 高速特性 / Si-APDアレイ
Outline of Research at the Start

プラスチックシンチレータに重元素酸化物ナノ粒子を添加したピコ秒発光・高感度シンチレータを開発する。シリコン・アバランシェフォトダイオード(Si-APD)によるリニアアレイを受光素子として、高エネルギーX線領域(30~100 keV)でも数十%以上の検出効率、100ピコ秒(ps)以下のタイミング精度を有し、毎秒10の8乗カウント/ピクセルまで計数できる放射光X線時間分解イメージングシステムを実現する。本システムにより高エネルギーX線の散乱・回折像、位相差像のサブナノ秒変化測定や時間分光核共鳴散乱測定を行う。

Outline of Final Research Achievements

We have successfully developed bismuth-, hafnium-, and zirconium-oxide nanoparticle-loaded (up to 40 wt%) plastic scintillators (High-Z PLSs) for high-energy X-rays. Their superior properties of detection efficiency, high time resolution, and cunt rates of >10^7 per sec were observed using synchrotron X-ray beam. Their scintillation light has the practically fastest decay time of 1-ns range. The detection efficiency reaches 50% at 60 keV X-ray with a 5-mm-thick Hf-PLS. We attempted to form an optical screen to provide a pixelated High-Z PLS using a focused laser beam and succeeded to evaluate a good performance of preventing light leakage from neighboring pixels. Prototype of ASIC amplifier was also advanced as the basis of Si-APD pixel array detector system.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究で実用化した重元素充填PLSは、高エネルギーX線だけでなく荷電粒子線検出にも、またリチウム-6等を添加すれば中性子検出も可能で放射線計測全般に応用が広がる可能性がある。近年、ガイガーモードSi-APD(シリコン・アバランシェ・フォトダイオード)を受光素子とする2次元検出器の開発は盛んだが、100μm以下の高精細でピクセル当たり10の8乗(毎秒)までの高計数率で使える比例モードSi-APDアレイを受光素子として使う研究例は他にない。我々が取り組んだ超高速・高S/N比のCMOS集積回路(ASD-ASIC)技術は、ピクセルアレイ検出器によるイージングシステムを実現する鍵となる。

Report

(4 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (17 results)

All 2024 2023 2022 2021 Other

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results) Remarks (2 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] X-ray timing detectors with HfO2 nanoparticle-loaded plastic scintillator and silicon avalanche photodiode2024

    • Author(s)
      Kishimoto Shunji、Toda Akehiro
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment

      Volume: 1058 Pages: 168884-168884

    • DOI

      10.1016/j.nima.2023.168884

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Decay time measurement for Bi2O3 nanoparticle-loaded plastic scintillator using scintillation pulse-height distribution2024

    • Author(s)
      Kishimoto Shunji
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment

      Volume: 1062 Pages: 169175-169175

    • DOI

      10.1016/j.nima.2024.169175

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] High-Energy and High-Rate X-Ray Measurements Using HfO2 Nanoparticle-Loaded Plastic Scintillator2021

    • Author(s)
      Kishimoto Shunji、Toda Akehiro
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Nuclear Science

      Volume: 68(6) Issue: 2 Pages: 165-172

    • DOI

      10.1109/tns.2020.3048943

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Metal oxide nanoparticle-loaded plastic scintillator using fluorophore PTP+POPOP for high energy X-ray detection2023

    • Author(s)
      Akehiro Toda and Shunji Kishimoto
    • Organizer
      2023 IEEE NSS-MIC
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      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 酸化ビスマス・ナノ粒子充填プラスチック シンチレータの発光減衰時間測定 Ⅱ2023

    • Author(s)
      岸本俊二, 戸田明宏
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 重元素ナノ粒子充填プラスチックシンチレータ ピクセル化のためのレーザー照射テスト2023

    • Author(s)
      岸本俊二
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 高エネルギーX線応答重元素充填プラスチックシンチレータの開発2022

    • Author(s)
      戸田 明宏
    • Organizer
      計測システム研究会2022@J-PARC
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 酸化ビスマス・ナノ粒子充填プラスチック シンチレータの発光減衰時間測定2022

    • Author(s)
      岸本俊二 , 戸田明宏
    • Organizer
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 酸化ビスマナノ粒子充填プラチックシンレータの高エネルギーX線検出特性2022

    • Author(s)
      戸田明宏、岸本 俊二
    • Organizer
      第35回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
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  • [Presentation] Bi2O3-PLSおよびHfO2-PLS搭載シンチレーション検出器の高エネルギー X線検出特性2022

    • Author(s)
      岸本俊二, 戸田明宏
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 酸化ビスマスナノ粒子充填プラスチックシンチレータのX線検出特性2021

    • Author(s)
      戸田明宏、岸本俊二
    • Organizer
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Bi2O3-PLS搭載MPPC検出器の73.0 keV X線測定2021

    • Author(s)
      岸本俊二, 戸田明宏
    • Organizer
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
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  • [Presentation] Bi2O3 nanoparticle-loaded plastic scintillator for high energy X-ray detection2021

    • Author(s)
      AkehiroToda, 1Shunji Kishimoto
    • Organizer
      2021 IEEE NUCLEAR SCIENCE SYMPOSIUM AND MEDICAL IMAGING CONFERENCE
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      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] X-ray detector using HfO2 or Bi2O3 nanoparticle-loaded plastic scintillator up to 40 wt% loading with Si-PM for high energy X-rays2021

    • Author(s)
      Shunji Kishimoto and Akehiro Toda
    • Organizer
      2021 IEEE NUCLEAR SCIENCE SYMPOSIUM AND MEDICAL IMAGING CONFERENCE
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      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] Si-APDによるX(γ)線用ピクセルアレイ検出器の開発

    • URL

      https://rd.kek.jp/project/fpix/index_j.html

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      2022 Annual Research Report
  • [Remarks] PF SiDD (Si Detector Development) Wiki Home

    • URL

      https://wiki.kek.jp/display/sidd/PF+SiDD+%28Si+Detector+Development%29+Wiki+Home

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] プラスチックシンチレータおよびその製造方法2021

    • Inventor(s)
      戸田 明宏、 岸本 俊二
    • Industrial Property Rights Holder
      戸田 明宏、 岸本 俊二
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report

URL: 

Published: 2021-04-28   Modified: 2025-01-30  

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