2019 Fiscal Year Annual Research Report
Neutron detection efficiency improved by employing dual current-biased kinetic inductance detectors
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16H02450
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
石田 武和 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 客員教授 (00159732)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
幸田 章宏 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 (10415044)
小嶋 健児 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 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 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80549585)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 超伝導材料・素子 / 量子ビーム / 放射線輸送シュミレーション / 中性子 / 超伝導検出器 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超伝導中性子検出器を超伝導転移温度付近での動作させることが検出効率を高めるために有力であることを明らかにした前年度の成果を受けて、超伝導中性子検出器CB-KIDの動作温度を超伝導転移に近づけて中性子照射実験を行った。その結果、①信号の伝搬速度低下によって空間分解能が上昇すること、②検出器の信号強度が増大すること、③検出器の検出効率が上昇することが明らかになった。動作温度を超伝導転移温度に近づける条件の基で、GdAl3単結晶がAlフラックス中に多数析出した試料の中性子透過像の測定を行い、微細な単結晶が析出している様子の観察に成功した。
CB-KID読出回路の改良に関しては、パルスレーザーを用いたアナログ回路の時間分解能を実験で定量的に評価した。その結果、現行の読出回路と比べて、時間分解能が30%～50%改善できることを確かめた。また、読出回路の温度環境を安定化させるためのシステムを試作してその効果を評価することができた。
CB-KID動作の学理に関して、中性子検出に利用する核反応発生熱の素子内拡散ダイナミクス解析と時間依存Ginzburg-Landau理論を用いた信号波形を説明する理論を構築し、パルスレーザー照射で期待される信号のシミュレーション波形と実験報告と比較することができた。
超伝導を利用する電流バイアス運動インダクタンス検出器の検出素過程を分析するため、デバイスへの中性子入射、中性子核反応、核反応生成粒子通過による熱付与と検出段階の理論解析手法の開発に取り組んだ。実際、中性子入射束、中性子核反応、及び、核反応生成物の運動について、モンテカルロ・シミュレーションコード（PHITS）を用いたシミュレーションを実施した。その結果、中性子束の入射、伴い発生するイベントの追跡、検出に至る素過程を調べることで、検出効率の中性子波長依存性、検出器空間分解能等の評価を行うことができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
分子線エピタキシー（MBE）法によりボロン10を超伝導検出器上に蒸着することで、CB-KID検出器の全有感領域にわたって均質な中性子転換層を成膜することができた。これによりイメージング試料を取り外して得たダイレクトビーム像を用いた補正を行わなくても像の乱れの少ない中性子透過像を得ることができるようになった。
検出器の温度を超伝導転移温度に近づけることで、空間分解能を上昇させること、信号強度を増大させること、中性子検出効率を向上させることができた。また、中性子検出効率の波長依存性を調べて、PHITS法によるシミュレーションと比較することができた。
CB-KID読出回路の改良に関しては、アナログ回路をパルスレーザーによる時間分解能評価を行い、時間分解能を30%～50%改善することができた。また、安定動作のために読出回路の温度環境を安定させて評価した。
CB-KIDの動作原理に関しては、時間依存Ginzburg-Landau理論を用いて、信号波形を説明する理論を構築し、この検出器が中性子だけではなく、もっと広範囲のいろいろな放射線（粒子線）の検出にも応用できる可能性があることを示すことができた。
中性子束の入射、中性子核反応と生成粒子の素子内周辺への飛散、素子内に付与される運動エネルギーによる発生熱を放射線輸送モンテカルロコード（PHITS）を用いてシミュレーションすることに成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
超伝導検出器上に蒸着する中性子転換層10Bの膜厚を厚くするときの生成膜の安定性の条件だしが必要であることが分かった。今後は、できるだけ転換層を厚くすることで中性子検出効率を更に向上させることを目指す。重元素金属中に析出した軽元素結晶の中性子透過像の撮像など、X線透過像では分析が難しい試料に対しても、本研究で開発している超伝導中性子検出器システムでは中性子透過像で明らかにできる可能性を追求するなど適用する試料の範囲を広げて、本検出器システムの有用性を実証することに取り組む。
また、中性子検出器の動作温度を最適化する試みを継続し、系統的な条件だしに取り組む。そのために、検出器の動作温度を安定化させることが大切であり、温度制御系の改良など計測系の最適化に取り組む。
高空間分解能を目指した読出回路のアナログ基板の改良の進展に続き、デジタル基板の時間分解能の改善に取り組む。また、読出回路のデジタルデータの集録とPC内の記憶メディアへの保存を行い、オンラインで保存データにアクセスして解析・表示できるプログラムの開発にも取り組む。
検出器動作原理の解析として、中性子核反応により発生する熱等のダイナミクスのシミュレーションを高度化し、実際の検出器の内部プロセスを模擬できるようにし、検出器素子の設計の最適化に役立てることを試みる。
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[Journal Article] SQUID microscopy for mapping vector magnetic fields2019
Author(s)
Vu The Dang、Ho Thanh Huy、Miyajima Shigeyuki、Toji Masaki、Ninomiya Yoshitsugu、Shishido Hiroaki、Maezawa Masaaki、Hidaka Mutsuo、Hayashi Masahiko、Kawamata Shuichi、Ishida Takekazu
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Journal Title
Superconductor Science and Technology
Volume: 32
Pages: 115006～115006
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] High-Speed Neutron Imaging Using a Current-Biased Delay-Line Detector of Kinetic Inductance2019
Author(s)
H. Shishido, T. D. Vu, K. M. Kojima, T. Koyama, K. Oikawa, M. Harada, S. Miyajima, M. Hidaka, T. Oku, K. Soyama, K. Aizawa, S. Y. Suzuki, M. M. Tanaka, and T. Ishida
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Journal Title
MLF Annual Report 2018 Research and Development Highlights J-PARC 19-02
Volume: 19-02
Pages: 15-17
Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] 超伝導検出器による中性子イメージング2020
Author(s)
宍戸寛明, 西村和真, 飯澤侑貴, T. D. Vu, 小嶋健児, 小山富男, 及川健一, 原田正英, 宮嶋茂之, 日高睦夫, 奥隆之, 曽山和彦, 相澤一也, 鈴木(山形)聡, 石田武和
Organizer
電子・光コヒーレント変換研究会 2020年3月19日キャンパスプラザ京都 京都大学サテライト講習室
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[Presentation] How to calibrate the magnetic fields measured by 3D SQUID sensor（3次元SQUID素子の磁場校正方法2019
Author(s)
The Dang Vu, Ho Thanh Huy, Shigeyuki Miyajima, Masaki Toji, Yoshitsugu Ninomiya, Hiroaki Shishido1,, Masaaki Maezawa, Mutsuo Hidaka, Masahiko Hayashi, Shuichi Kawamata, and Takekazu Ishida
Organizer
渦のコスモロジー 研究会 (令和元年６月１日～２日, 大阪府立大学中百舌鳥キャンパスB9棟１１１号室)
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[Presentation] 超伝導検出器による波長分散型高分解能イメージング2019
Author(s)
西村和真, 飯澤侑貴, 宍戸寛明, ブテダン, 小嶋健児, 及川健一, 原田正英, 奥隆之, 曽山和彦, 相澤一也, 宮嶋茂之, 日高睦夫, 小山富男, 石田武和
Organizer
日本物理学会 2019年秋季大会プログラム 岐阜大学柳戸キャンパス
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[Presentation] High-spatial resolution neutron imaging by using current-biased kinetic inductance detector2019
Author(s)
Takekazu Ishida, The Dang Vu, Hiroaki Shishido, Kazuma Nishimura, Kenji M Kojima, Kenichi Oikawa, Masahide Harada, Shigeyuki Miyajima, Mutsuo Hidaka, Takayuki Oku, Kazuhiko Soyama, Kazuya Aizawa, Tomio Koyama, Alex Malins, Masahiko Machida
Organizer
18th International Workshop on Low Temperature Detectors 22-26 July 2019 - Milano, Italia
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Neutron imaging using a superconducting detector2019
Author(s)
Takekazu Ishida, The Dang Vu, Hiroaki Shishido, Kazuma Nishimura, Kenji M Kojima, Kenichi Oikawa, Masahide Harada, Shigeyuki Miyajima, Mutsuo Hidaka, Takayuki Oku, Kazuhiko Soyama, Kazuya Aizawa, Tomio Koyama, Alex Malins, Masahiko Machida, Manobu M. Tanaka
Organizer
The 10th East Asia Symposium on Superconductor Electronics Tsinghua University, Beijing, China from Oct. 8 to Oct. 11, 2019
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Neutron imaging by using current-biased Nb nanowire detector with 10B converter2019
Author(s)
Takekazu Ishida, The Dang Vu, Hiroaki Shishido, Kazuma Nishimura, Yuki Iizawa, Kenji M Kojima, Kenichi Oikawa, Masahide Harada, Shigeyuki Miyajima, Mutsuo Hidaka, Takayuki Oku, Kazuhiko Soyama, Kazuya Aizawa, Tomio Koyama
Organizer
14th European Conference on Applied Superconductivity 1st-5th September 2019, SEC, Glasgow
Int'l Joint Research
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[Presentation] High density positron detector Kalliope and its applications at J-PARC muon and neutron measurements2019
Author(s)
K. M. Kojima, A. Koda, M. Hiraishi, H. Lee, S. Nishimura, H. Okabe, S. Takeshita, K. Yamauchi, R. Kadono, T. Ito, W. Higemoto, T. Murakami, M. Shoji, S.Y. Suzuki, T. Uchida, M. M. Tanaka, H. Shishido and T. Ishida
Organizer
The 3rd J-PARC Symposium (J-PARC2019), September 23-26, 2019, Tsukuba, Japan
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Energy-Resolved Neutron Imaging using a Delay Line Current-Biased Kinetic-Inductance Detector2019
Author(s)
Shishido, Kazuma Nishimura, The Dang Vu, Kenji M. Kojima, Tomio Koyama,, Kenichi Oikawa, Masahide Harada, Shigeyuki Miyajima, Mutsuo Hidaka, Takayuki Oku, Kazuhiko Soyama, Kazuya Aizawa, Soh Y. Suzuki and Takekazu Ishida
Organizer
The 32nd International Symposium on Superconductivity (ISS2019, Kyoto, Japan, December 3-5, 2019, Miyako Messe)
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Kinetic inductance neutron detector operated at near critical temperature2019
Author(s)
Vu The Dang, Kazuma Nishimura, Hiroaki Shishido, Masahide Harada, Kenichi Oikawa, Shigeyuki Miyajima, Mutsuo Hidaka, Takayuki Oku, Kazuhiko Soyama, Kazuya Aizawa, Kenji M Kojima, Tomio Koyama, Alex Malins, Masahiko Machida and Takekazu Ishida
Organizer
The 32nd International Symposium on Superconductivity (ISS2019, Kyoto, Japan, December 3-5, 2019, Miyako Messe)
Int'l Joint Research
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