Improvement of spatial resolution and detection efficiency of neutron imaging using delay-line superconducting detector

• Project/Area Number: 21H04666
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 31:Nuclear engineering, earth resources engineering, energy engineering, and related fields
• Research Institution: Osaka Metropolitan University (2022-2023); Osaka Prefecture University (2021)
• Principal Investigator: 石田 武和 大阪公立大学, 大学院工学研究科, 客員教授 (00159732)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小嶋 健児 大阪公立大学, 大学院工学研究科, 客員研究員 (60302759) ; 町田 昌彦 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究主席 (60360434) ; 宍戸 寛明 大阪公立大学, 大学院工学研究科, 准教授 (80549585) ; Malins Alex 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究職 (80816140)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥41,730,000 (Direct Cost: ¥32,100,000、Indirect Cost: ¥9,630,000); Fiscal Year 2023: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000); Fiscal Year 2022: ¥12,610,000 (Direct Cost: ¥9,700,000、Indirect Cost: ¥2,910,000); Fiscal Year 2021: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
• Keywords: 中性子検出器 / 中性子イメージング / 位置分解能 / 検出効率 / 読出し回路 / 読出回路

Outline of Research at the Start

中性子は軽元素イメージングに適するミクロン級分解能撮像の実現のために、メゾ組織の中性子透過能差を撮像できる10B転換層付超伝導中性子検出器CB-KIDを開発する。①時間デジタル変換回路改良、②対向式八端子検出器化による信号放出位置同定精度向上、③10B転換層厚膜化による検出効率改善、④検出器動作温度最適化による検出効率改善により、現行CB-KIDに比べて位置分解能と検出効率の性能向上を図る。八端子CB-KID最適化にはモンテカルロ法によるCB-KID素子動作シミュレーションを活用し、その製作には産総研CRAVITYを活用する。中性子イメージングの材料科学、農学、電気化学等への学術貢献を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

中性子は軽元素イメージングに適するミクロン級分解能撮像の実現のために、メゾ組織の中性子透過能差を撮像できる10B転換層付超伝導中性子検出器CB-KIDを開発することを計画した。遅延時間型CB-KIDは既存の検出器と比べて特徴がある。すなわち、気体の放電、固体の電子-ホール解離、シンチレータ光を利用する従来技術では数千ボルトの高電圧を必要とし、検出器計測系サイズも大きく動作速度も遅くなる。３Heガスは戦略的物質として入手が困難となっている。CB-KIDは、中性子イベントにより発生する電圧パルスを減衰の少ない超伝導細線導波路に沿って超高速伝搬させ、伝送時間をサブナノ秒の分解能で計測するものであり、バイアス電圧は数ボルトで動作し、わずか八系統の読出であり、検出器材料も入手容易で、放射線耐性もある。①時間デジタル変換回路改良、②対向式八端子検出器化による信号放出位置同定精度向上、③10B転換層厚膜化による検出効率改善、④検出器動作温度最適化による検出効率改善により、現行CB-KIDに比べて位置分解能と検出効率の性能向上を図ることを掲げた。2021年度は、①に関しては、サブナノ秒動作回路に関して予備的な検討を行った。②に関しては、PHITSによるシミュレーションにより八端子CB-KIDの構成の最適化を検討した。③に関しては220nm膜厚の10B転換層の成膜に成功した。④に関しては動作温度を5.0Kに固定する条件での研究に集中した。八端子CB-KIDの製作については、産総研CRAVITYを活用した素子製作の可能性を検討した。また、超伝導検出器を用いるが、クライオスタットの最適設計により室温条件下の試料の中性子イメージングに着手した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

①時間デジタル変換回路改良に関しては、サブナノ秒動作回路に関して予備的な検討を行った。②対向式八端子検出器化による信号放出位置同定精度向上に関しては、PHITSによるシミュレーションにより八端子CB-KIDの構造の最適化を検討できた。③10B転換層厚膜化による検出効率改善に関しては、220nm膜厚の10B転換層の成膜に成功できた。④検出器動作温度最適化による検出効率改善に関しては、その前提となる動作温度を高精度安定化の研究に取り組み温度精度5K±0.5mKの温度安定性を実現できた。加えて、⑤八端子CB-KIDの製作については、産総研CRAVITYを活用した素子製作の可能性を検討できた。⑥超伝導検出器を利用するため極低温を用いるが、クライオスタット改造によ室温試料の中性子イメージング実現のための研究に着手できた。

Strategy for Future Research Activity

中性子は軽元素イメージングに適するミクロン級分解能撮像の実現のために、メゾ組織の中性子透過能差を撮像できる10B転換層付超伝導中性子検出器CB-KIDを開発する計画を更に推進する。今後は、①時間デジタル変換回路改良に関しては、30psで動作する電子回路の実機予備テストを含め、その実現を目指す。②対向式八端子検出器化による信号放出位置同定精度向上に関しては、新素子作製のための新レチクルを製作する。次いで、産総研Qufab（Cravityから改称）施設に八端子素子製作を委託する計画である。③10B転換層厚膜化による検出効率改善に関しては膜厚を1000nmに高めた10B転換層の実現を目指す。④検出器動作温度最適化による検出効率改善に関しては、動作温度の超安定化状態で動作温度をパラメーターとして系統的調査を実施することで検出効率の改善を目指す。

Research Products

• [Journal Article] Development and test of a next-generation positron detector (2023)
  • Author(s): Marta Villa de Toro Sanchez, K. M. Kojima, M. Shoji, M. Miyahara, M. Tanaka, R. Honda, T. Ishida,
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 2462 Issue: 1 Pages: 012014-012014
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2462/1/012014
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Neutron Imaging toward Epithermal Regime using a Delay Line Current-Biased Kinetic-Inductance Detector (2022)
  • Author(s): Shishido Hiroaki、Vu The Dang、Aizawa Kazuya、Kojima Kenji M.、Koyama Tomio、Oikawa Kenichi、Harada Masahide、Oku Takayuki、Soyama Kazuhiko、Miyajima Shigeyuki、Hidaka Mutsuo、Suzuki Soh Y.、Tanaka Manobu M.、Kawamata Shuichi、Ishida Takekazu
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 2323 Issue: 1 Pages: 012029-012029
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2323/1/012029
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Narrow-area Bragg-edge transmission of iron samples using superconducting neutron sensor (2022)
  • Author(s): Vu The Dang、Shishido Hiroaki、Aizawa Kazuya、Oku Takayuki、Oikawa Kenichi、Harada Masahide、Kojima Kenji M.、Miyajima Shigeyuki、Soyama Kazuhiko、Koyama Tomio、Hidaka Mutsuo、Suzuki Soh Y.、Tanaka Manobu M.、Malins Alex、Machida Masahiko、Ishida Takekazu
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 2323 Issue: 1 Pages: 012028-012028
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2323/1/012028
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Practical tests of neutron transmission imaging with a superconducting kinetic-inductance sensor (2021)
  • Author(s): T. D. Vu, H. Shishido, K. Aizawa, K. M. Kojima, T. Koyama, K. Oikawa, M. Harada, T. Oku, K. Soyama, S. Miyajima, M. Hidaka, S. Y. Suzuki, M. M. Tanaka, A. Malins, M. Machida, S. Kawamata, T. Ishida
  • Journal Title: Nucl Instrum Methods Phys Res A Volume: 1006 Pages: 165411-165411
  • DOI: 10.1016/j.nima.2021.165411
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High Spatial Resolution Neutron Transmission Imaging Using a Superconducting Two-Dimensional Detector (2021)
  • Author(s): Shishido Hiroaki、Nishimura Kazuma、Vu The Dang、Aizawa Kazuya、Kojima Kenji M.、Koyama Tomio、Oikawa Kenichi、Harada Masahide、Oku Takayuki、Soyama Kazuhiko、Miyajima Shigeyuki、Hidaka Mutsuo、Suzuki Soh Y.、Tanaka Manobu M.、Kawamata Shuichi、Ishida Takekazu
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 31 Issue: 9 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1109/tasc.2021.3111396
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 超伝導中性子検出器による単結晶の中性子イメージング (2023)
  • Author(s): 宍戸寛明 , The Dang Vu, 相澤一也, 小嶋健児, 小山富男, 及川健一, 原田正英, 奥隆之, 曽山和彦, 宮嶋茂之, 日高睦夫, 鈴木(山形)聡, 田中真伸, 川又修一, 石田武和
  • Organizer: 応用物理学会第70回春季学術講演会
• [Presentation] Neutron transmission imaging of room-temperature samples by a superconducting detector (2023)
  • Author(s): T. Ishida, T. D. Vu, H. Shishido, K. Aizawa, T. Oku, K. Oikawa, M. Harada, K. M. Kojima, S. Miyajima, K. Soyama, T. Koyama, M. Hidaka, S. Y. Suzuki, M. M. Tanaka, M. Machida, S. Kawamata,
  • Organizer: The 11th East Asia Symposium on Superconductor Electronics (EASSE 2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Crystalline Orientation of CaF2 window determined by Neutron Transmission Imaging using a Delay Line Current-Biased Kinetic-Inductance Detector (2022)
  • Author(s): H. Shishido, T. D. Vu, K. Aizawa, K. M. Kojima, T. Koyama, K. Oikawa, M. Harada, T. Oku, K. Soyama, S. Miyajima, M. Hidaka, S. Y. Suzuki, M. M. Tanaka, S. Kawamata, T. Ishida
  • Organizer: The 35th International Symposium on Superconductivity (ISS2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Superconducting neutron transmission imaging for investigating a sequential change in phase separations of low-melting Wood’s metal (2022)
  • Author(s): T. D. Vu, H. Shishido, K. Aizawa, T. Oku, K. Oikawa, M. Harada, K. M. Kojima, S. Miyajima, K. Soyama, T. Koyama, M. Hidaka, S. Y. Suzuki, M. M. Tanaka, A. Malins, M. Machida, S. Kawamata, T. Ishida
  • Organizer: The 35th International Symposium on Superconductivity (ISS2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental Studies on Spatial Resolution of a Delay-Line Current-Biased Kinetic-Inductance Detector (2022)
  • Author(s): T. D. Vu, H. Shishido, K. Aizawa, T. Oku, K. Oikawa, M. Harada, K. M. Kojima, S. Miyajima, K. Soyama, T. Koyama, M. Hidaka, S. Y. Suzuki, M. M. Tanaka, A. Malins, M. Machida, S. Kawamata, T. Ishida
  • Organizer: The 3rd International Workshop on Engineering Physics, IC-MEMS-Sensors and Their Applications
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development and test of a next-generation positron detector (2022)
  • Author(s): Marta Villa de Toro Sanchez, K. M. Kojima, M. Shoji, M. Miyahara, M. Tanaka, R. Honda, T. Ishida
  • Organizer: The 15th International Conference on Muon Spin Rotation, Relaxation and Resonance, Parma, Italy
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Neutron Imaging toward Epithermal Regime using a Delay Line Current-Biased Kinetic-Inductance Detector (2021)
  • Author(s): H.Shishido, T. D. Vu, K. Aizawa, K. M. Kojima, T. Koyama, K. Oikawa, M. Harada, T. Oku, K. Soyama, S. Miyajima, M. Hidaka, S. Y. Suzuki, M. M. Tanaka, S. Kawamata, T. Ishida
  • Organizer: The 34th International Symposium on Superconductivity (ISS2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Narrow-area Bragg-edge transmission of iron samples using superconducting neutron sensor (2021)
  • Author(s): T. D. Vu, H.Shishido, K. Aizawa, T. Oku, K. Oikawa, M. Harada, K. M. Kojima, S. Miyajima, K. Soyama, T. Koyama, M. Hidaka, S. Y. Suzuki, M. M. Tanaka, A. Malins, M. Machida, T. Ishida
  • Organizer: The 34th International Symposium on Superconductivity (ISS2021)
  • Int'l Joint Research