Neutron detection efficiency improved by employing dual current-biased kinetic inductance detectors

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H02450
• Research Institution: Osaka Prefecture University
• Principal Investigator: 石田 武和 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00159732)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小嶋 健児 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, 准教授 (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)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 超伝導材料・素子 / 量子ビーム / 放射線 / 中性子 / 超伝導検出器 / ASIC / FPGA / 高速データ集収

Outline of Annual Research Achievements

電流バイアス運動インダクタンス検出器の学理を究め、その成果に基づき、空間分解能高い中性子イメージングの性能を未踏の領域まで高めることを目指した。15mmx15mmの有感領域（900nm線幅を持つNb細線メアンダで総延長150m、ピッチ1.5μm）のXとY検出器を直交配置し、10B層を積層する。2つの核反応生成物（７Li、４He）軽イオンが準粒子メゾ励起をX細線とY細線に同時に発生させて、15μm分解能で中性子飛来位置を特定し100万画素イメージングの実現を目指した。また、2つのCB-KIDのライン＆スペースを反位相分ずらせて反転積層し、その和信号をデュアルCB-KID方式で検出し、中性子不感帯を大幅に低減することで中性子検出効率を改善を目標としてスタートした。
これまでに、【超伝導CB-KIDチップの製作と評価】DUAL CB-KIDのX素子とY素子の伝搬速度が異なり、対策が必要となった。【CB-KIDの信号読出計測系の構築】波形データ保存のオシロスコープ計測系とKalliope回路高速計測系を整備した。特に、Kalliopeでは信号タイムスタンプと信号パルス幅の閾値時間幅（TOT）を残せるようにした。高空間分解能のサさらに高めるため、FGATIのGHz帯動作高速アンプ装備の特定用途集積回路（ASIC）１CHテスト回路を作製した。【J-PARCのマシンタイムの確保】2017年度は5回のマシンタイムを確保して実験を行った。【CB-KIDの動作の超伝導ダイナミクスの学理】CB-KIDでは2対の逆極性の信号が異なる方向に伝搬するが、その発生原理をLondon-Maxwell理論から明らかにした。検出器学理解明のため、空洞共振器における電磁波伝搬の理論を調査し、中性子等の放射線入射後の熱発生に伴い生じる電磁波伝搬のための数値シミュレーション手法の研究を進めた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

既に、百万画素レベルの中性子イメージングに成功している。Kalliope回路を改造したKalliope-DC回路での計測システムは完成している。さらに高い分解能を達成するのための第一歩としてテスト回路の試作に着手できた。運動インダクタンス検出器の検出機構の学理研究については、理論研究を中心に進めており、数値計算への実装等については未達であるが、モンテカルロ法を用いた放射線輸送シミュレーション等の新たな研究についても着手できたことは計画を上回る達成事項となっている。

Strategy for Future Research Activity

【クライオスタットの改造】室温サンプルの計測が可能なように、クライオスタットを絞る改造（修理）を検討する。【検出器の信号波形のシュミレーション】CB-KIDの信号波形は信号波高値と信号半値幅が幅広く分布するが、その原因は理解できていない。モンテカルロ法であるPHITSコードによる素過程の解析と超伝導現象論を組み合わせて信号波形の再現を目指す。【J-PARCでの実験】マシンタイムを申請して採択された場合は、中性子照射実験を行う。【CB-KID検出器素子の安定した製作】CB-KIDの製作は長尺のナノ細線が断線しないとか、XY検出器の相互やグランドプレーンの間にリーク電流が流れないことが必要であり、開発要素が強いが、その改善に取り組む。【計測システム】今年度作成のFGATI（GHz帯で動作する高速アンプを内蔵した特定用途集積回路）の動作実証試験を行う。擬似信号源を用いたオフラインテストに次いで、J-PARC MLFにおける中性子信号を入力して応答をチェックするオンラインテストの２段階を踏む。将来は、上記アナログ回路を既存のKalliope回路に入力し、デジタル信号処理を試みる。【画像処理】この方法は、測定と解析をツー・ステップで行うため解析で画像化することの高速化が求められる。その対策をソフト開発として行う。【理論研究】放射線輸送シミュレーションと超伝導検出器シミュレーションを結合することで、新たな理論体系を構築する。【研究体制】研究分担者を追加して（小嶋、宍戸、幸田、Vu、町田）の体制として、研究協力者として小山富男（大阪府大）、原田正英、相澤一也、Alex Malins（原子力機構）、宮嶋茂之（NICT）、日高睦夫（産総研）が研究進展に協力をする。

Research Products

• [Journal Article] Development of General Purpose μSR Spectrometer ARTEMIS at S1 Experimental Area, MLF J-PARC (2018)
  • Author(s): K. M. Kojima, M. Hiraishi, A. Koda, H. Okabe, S. Takeshita, H. Li, R. Kadono, M. M. Tanaka, M. Shoji, T. Uchida, and S. Y. Suzuki
  • Journal Title: JPS Conf. Prcc. Volume: 21 Pages: 011062(1-6)
  • DOI: 10.7566/JPSCP.21.011061
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Neutron detection using the superconducting Nb-based current-biased kinetic inductance detector (2017)
  • Author(s): Shishido Hiroaki、Yamaguchi Hiroyuki、Miki Yuya、Miyajima Shigeyuki、Oikawa Kenichi、Harada Masahide、Hidaka Mutsuo、Oku Takayuki、Arai Masatoshi、Fujimaki Akira、Ishida Takekazu
  • Journal Title: Superconductor Science and Technology Volume: 30 Pages: 094003～094003
  • DOI: 10.1088/1361-6668/aa7a3d
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 超伝導中性子検出器を用いたエネルギー分解イメージング測定 (2018)
  • Author(s): 宍戸寛明, 山口裕之, 三木悠矢, 飯澤侑貴, 西村和真, 小嶋健児, 李華， 鈴木(山形)聡, 内田智久, 田中真伸, 日高睦夫, 及川健一, 原田正英, 奥隆之, 新井正敏, 石田武和
  • Organizer: 新規超伝導体・ナノ構造超伝導体における渦糸物理
• [Presentation] CB-KID の動作原理と CB-KID による超伝導 Higgs mode 検出の可能性 (2018)
  • Author(s): 小山富男, 石田武和
  • Organizer: 新規超伝導体・ナノ構造超伝導体における渦糸物理
• [Presentation] 超伝導検出器による中性子顕微鏡の実現 (2018)
  • Author(s): 石田武和, 山口裕之, 三木悠矢, 飯澤侑貴, 西村和真, 宍戸寛明, Vu The Dang, 小嶋健児, 鈴木聡, 宮嶋茂之, 日高睦夫, 及川健一, 原田正英, 奥隆之, 曽山和彦, 相澤一也, 小山富男
  • Organizer: 2017年度量子ビームサイエンスフェスタ 第9回MLFシンポジウム, 第35回PFシンポジウム
• [Presentation] Kalliope-based High-Speed Neutron imager by a delay-line current biased kinetic inductance detector (2017)
  • Author(s): H. Shishido, Y. Miki, H. Yamaguchi, Y. Iizawa, K. M Kojima, K. Oikawa, M. Harada, T. Oku, K. Soyama, S. Miyajima, M. Hidaka, and T. Ishida
  • Organizer: 17th international workshop on Low Temperature Detectors (LTD17)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Four-Lead Superconducting Detector Developed for Neutron Radiography (2017)
  • Author(s): T. Ishida, H. Shishido, H. Yamaguchi, Y. Miki, Y. Iizawa, K. M. Kojima, S. Miyajima, M. Hidaka, T. Koyama, M. Harada, K. Oikawa, T. Oku1, K. Soyama
  • Organizer: 17th international workshop on Low Temperature Detectors (LTD17)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Neutron radiography by using a superconducting neutron detector (2017)
  • Author(s): T. Ishida, H. Yamaguchi, Y. Miki, Y. Iizawa, H. Shishido, S. Miyajima, K. M Kojima, M. Hidaka, K. Oikawa, M. Harada, T. Oku, M. Arai
  • Organizer: The 15th International Conference on Advanced Materials (IUMRS-ICAM2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Superconducting Imager by means of a Delay Line Current-Biased Kinetic Inductance Detector (2017)
  • Author(s): T. Ishida, H. Yamaguchi, Y. Miki, Y. Iizawa, H. Shishido, S. Miyagima, K. Kojima, M. Hidaka, T. Koyama, M. Harada, K. Oikawa, T. Oku, K. Soyama
  • Organizer: 13th European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS 2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Neutron Radiography for Material Sciences using Superconducting Delay-line Detectors (2017)
  • Author(s): T. Ishida, H. Yamaguchi, Y. Miki, Y. Iizawa, V. T. Dang, H. Shishido, S. Miyajima, K. M. Kojima, M. Hidaka, T. Koyama, M. Harada, K. Oikawa, T. Oku, K. Soyama
  • Organizer: The 4th International Symposium on Advanced Magnetic Materials and Applications (ISAMMA 2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High speed neutron imaging system using a delay line current biased kinetic inductance detector (2017)
  • Author(s): Hiroaki Shishido
  • Organizer: The 11th NanoSquare Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Neutron signal features of Nb-based kinetic inductance detector with 10B convertor (2017)
  • Author(s): Y. Miki, H. Yamaguchi, Y. Iizawa, H. shishido, K. M Kojima, K. Oikawa, M. Harada, S. Miyajima, M. Hidaka, T. Oku, K. Soyama, T. Ishida
  • Organizer: 21th international Symposium on Superconductivity (ISS2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Signal propagation in delay-line kinetic inductance detector under DC bias current (2017)
  • Author(s): Y. Iizawa, H. Yamaguchi, Y. Miki, K. Nishimura, H. Shishido, K. M Kojima, K. Oikawa, M. Harada, S. Miyajima, M. Hidaka, T. Oku, K. Soyama, T. Koyama, T. Ishida
  • Organizer: 21th international Symposium on Superconductivity (ISS2017)
  • Int'l Joint Research