インテグレイテッド・マテリアルズのパルス中性子波長分解型イメージング

• Project/Area Number: 23K23266
• Project/Area Number (Other): 22H01998 (2022-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2022-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 31010:Nuclear engineering-related
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 佐藤 博隆 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (30610779)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000); Fiscal Year 2025: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2024: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000); Fiscal Year 2023: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2022: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
• Keywords: 中性子 / イメージング / 複数材料 / 構造 / ダイナミクス

Outline of Research at the Start

本研究では産業製品が多くの材料から成ることを考慮し、これまで単一材料の定量解析を実現してきたパルス中性子イメージングを複数材料の状態での定量解析法として確立することが目的である。この目的のため、中性子ビーム実験施設の高度化、原子分子ダイナミクス解析法の開発、多重散乱下での微視的構造とダイナミクスの解析の実現を行う。これまで、計算ならびに実験により施設の高度化を完了した。原子分子ダイナミクス解析法の開発については、機械学習の導入を開始したが、その高度化と分子動力学計算の導入が済んでいないので、それらを行う。多重散乱下での解析については、ダイナミクス情報も解析できるようにすることを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

北海道大学電子加速器（北大LINAC）駆動パルス中性子ビーム実験施設「HUNS」の高度化については、粒子輸送モンテカルロシミュレーション計算により中性子実験システムを検討し、実験により性能評価実験を行った。その結果、高い波長分解能はそのままに、中性子強度を2倍以上に高めることに成功した。冷中性子のエネルギー領域においては、単位面積単位時間当たりの中性子計数率が超大型中性子実験施設のそれの1桁下というレベルに到達しており、大きな成果を得たと言える。これについては論文投稿中である。
多重散乱を含む中性子透過率スペクトルからの原子分子ダイナミクス解析においては、機械学習を利用することで、スペクトルからユニークに水分子の量とダイナミクスを定量化できることが明らかになった。また、研究協力者より分子動力学シミュレーションに関する指導を受け、解析に取り込む準備を始めた所である。
非弾性散乱を利用した温度（ダイナミクス）イメージングに関しては、2物質で構成された資料の温度トモグラフィを計算機上で達成した。この際、中性子波長毎に透過率の負の自然対数をCT画像再構成する方法が複数物質に対しては有効であることが明らかになった。一方で異なる2物質の境界部では正しいダイナミクス情報がCT画像再構成できないということも明らかとなり、今後の課題である。
また、実験データ解析はまだだが、食品や接着に関しての新実験を行い、応用を見据えた新たなデータを取得した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

実験システムの構築は予定通り完了した。構造解析システムの構築や多重散乱影響下における中性子透過率スペクトル解析法の開発についても概ね完了している。ダイナミクス解析システムの構築は本研究のポイントの1つだが、非弾性散乱解析による温度イメージングについては複数材料の状態でトモグラフィが可能であることを明らかにした。準弾性散乱解析については、予定通り機械学習も連携させることができ、ユニークに物質量とそのダイナミクスが定量できることを明らかにした。応用研究に向けた測定も開始している。総じて、研究計画通り順調に進展していると評価する。

Strategy for Future Research Activity

ダイナミクス解析については、分子動力学シミュレーションの導入も検討し、多角的に開発研究を進めていく。また、これまでに開発した技術を融合し、複数材料の構造とダイナミクスの同時解析に取り組む。これまで開発した技術はそれぞれは成功していると考えて良いが、それらを融合した時の課題が出てくるものと考えられる。早期にその課題を明らかにし、確実に研究目的を達成していく。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Rutherford Appleton Laboratory/University of Bristol(英国)
• [Journal Article] A new thermography using inelastic scattering analysis of wavelength-resolved neutron transmission imaging (2023)
  • Author(s): H. Sato, M. Miyoshi, R. S. Ramadhan, W. Kockelmann and T. Kamiyama
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s41598-023-27857-0
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] A new thermography using inelastic scattering analysis of wavelength-resolved neutron transmission imaging (2023)
  • Author(s): H. Sato, M. Miyoshi, R. S. Ramadhan, W. Kockelmann and T. Kamiyama
  • Organizer: 11th International Workshop on Neutron Wavelength Dependent Imaging (NEUWAVE-11)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Recent achievements of the Hokkaido University Neutron Source (HUNS) facility with cold/thermal/epithermal/fast neutrons (2023)
  • Author(s): H. Sato, T. Kamiyama, H. Nagakura, K. Sato and M. Ohnuma
  • Organizer: The 10th Meeting of the Union for Compact Accelerator-driven Neutron Sources (UCANS-X)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Improvement of arrangement and size of a neutron production target for a higher intensity electron accelerator-driven pulsed neutron source (2023)
  • Author(s): T. Tashiro, H. Sato and T. Kamiyama
  • Organizer: The 10th Meeting of the Union for Compact Accelerator-driven Neutron Sources (UCANS-X)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] HUNSのパルス中性子TOFイメージングの進展 (2023)
  • Author(s): 佐藤博隆, 加美山隆, 古坂道弘
  • Organizer: 日本中性子科学会第23回年会
  • Invited
• [Presentation] 電子加速器駆動短パルス中性子源の高強度化に向けた中性子発生標的システムの改良 (2023)
  • Author(s): 田代拓馬, 佐藤博隆, 加美山隆
  • Organizer: 日本原子力学会2023年秋の大会
• [Presentation] 中性子透過率スペクトルの非弾性散乱成分を用いた温度トモグラフィの再構成法に関する研究 (2023)
  • Author(s): 田中駿介, 佐藤博隆, 加美山隆
  • Organizer: 日本原子力学会2023年秋の大会
• [Presentation] Neutron Bragg-edge/dip imaging with least squares method and machine learning (2023)
  • Author(s): Hirotaka Sato
  • Organizer: Electronic Imaging 2023 (EI2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 全断面積計算値を訓練データとした中性子ブラッグエッジイメージングデータの機械学習解析法の開発 (2023)
  • Author(s): 笠原朋樹, 佐藤博隆, 加美山隆
  • Organizer: 日本原子力学会北海道支部第40回研究発表会
• [Presentation] 中性子マルチブラッグエッジ同時シフト解析による新しいひずみイメージング法の開発 (2023)
  • Author(s): 黒見柊蔵, 佐藤博隆, 岩瀬謙二, 加美山隆
  • Organizer: 日本原子力学会北海道支部第40回研究発表会
• [Presentation] パルス中性子透過分光法による微視的構造・ダイナミクス情報の大面積イメージング (2023)
  • Author(s): 佐藤博隆
  • Organizer: 日本鉄鋼協会材料の組織と特性部会「量子ビーム技術による組織形成機構の理解」フォーラム第2回研究会
  • Invited
• [Presentation] 非弾性散乱に起因する冷中性子全断面積の温度依存変化を利用したサーモグラフィの開発 (2023)
  • Author(s): 佐藤博隆, 三好茉奈, Ranggi S. Ramadhan, Winfried Kockelmann, 加美山隆
  • Organizer: 令和4年度中性子イメージング専門研究会
• [Presentation] マルチブラッグエッジ解析による新しい応力ひずみイメージング (2023)
  • Author(s): 黒見柊蔵, 佐藤博隆, 岩瀬謙二, 加美山隆
  • Organizer: 令和4年度中性子イメージング専門研究会
• [Presentation] Recent progress of Bragg-edge and Bragg-dip spectral analysis methods for wavelength-resolved neutron imaging developed in Hokkaido University (2022)
  • Author(s): H. Sato, M. Sato, A. Kusumi, Y. Sakurai and T. Kamiyama
  • Organizer: 9th International Topical Meeting on Neutron Radiography (ITMNR-9)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a crystalline microstructure analysis method with machine learning in wavelength-resolved neutron imaging (2022)
  • Author(s): A. Ohashi, H. Sato, N. Odaira, D. Ito, Y. Saito and T. Kamiyama
  • Organizer: 9th International Topical Meeting on Neutron Radiography (ITMNR-9)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a ferrite/austenite phase fraction imaging method using neutron double Bragg-edges profile analysis (2022)
  • Author(s): S. Suzuki, H. Sato and T. Kamiyama
  • Organizer: 9th International Topical Meeting on Neutron Radiography (ITMNR-9)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 全断面積計算値を利用したパルス中性子ブラッグエッジイメージングデータの機械学習解析 (2022)
  • Author(s): 笠原朋樹, 佐藤博隆, 加美山隆
  • Organizer: 日本中性子科学会第22回年会
• [Presentation] 電子加速器駆動中性子源の高強度化に向けた中性子発生標的の配置とサイズの改良 (2022)
  • Author(s): 田代拓馬, 佐藤博隆, 加美山隆
  • Organizer: 日本中性子科学会第22回年会
• [Presentation] 中性子透過ブラッグエッジ／ディップ解析法によるバルク結晶・組織情報の広範囲イメージング (2022)
  • Author(s): 佐藤博隆
  • Organizer: 軽金属学会第17回高強度アルミニウム合金部会
  • Invited
• [Presentation] 低速中性子全断面積計算コードと機械学習を組み合わせた波長分析型中性子イメージングデータ解析 (2022)
  • Author(s): 笠原朋樹, 佐藤博隆, 加美山隆
  • Organizer: 日本原子力学会2022年秋の大会
• [Presentation] 低速中性子全断面積計算コードと機械学習を組み合わせた中性子透過ブラッグエッジイメージングデータ解析 (2022)
  • Author(s): 笠原朋樹, 佐藤博隆, 加美山隆
  • Organizer: 日本原子力学会2022年秋の大会
• [Presentation] 波長分析型中性子イメージングによる強い多重散乱の断面積特性を持つ物質の定量 (2022)
  • Author(s): 正木杏実, 佐藤博隆, 加美山隆
  • Organizer: 日本原子力学会2022年秋の大会