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

2020 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), 客員教授 (00159732)
• 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)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 超伝導検出器 / 中性子 / 量子ビーム / 超伝導デバイス / 放射線 / 運動インダクタンス / 中性子イメージング

Outline of Annual Research Achievements

電流バイアス運動インダクタンス検出器（CB-KID）に積層した中性子転換層ボロン１０（10B）層で中性子の核反応で放出される荷電粒子がDCバイアス電流下の超伝導細線の超伝導電子対を壊し運動インダクタンスが急変させることで発生する電磁波対を使って中性子を捕捉する原理である。直交する2層のメアンダ状CB-KIDに対して遅延時間法を適用することで、わずか4端子の中性子イメージング手法を提案し、それを実証した。また、J-PARCの1MW出力の大強度パルス中性子源でも検出器は正常に動作することを実証した。
核反応による中性子転換層としての10B層は電子ビーム蒸着法によりCB-KID 検出器に積層蒸着して、膜厚均質度の高い成膜をした。Gdジーメンス・スター（Gｄスポークの放射状パターン）の透過像を調べ、CB-KIDでGdスポーク幅2.2μm程度まで識別可能であることを実証した。
またYbSn3単結晶とSnが共存する試料のイメージングを行い、YbSn3単結晶からのブラッグディップの観測に成功し、ブラッグディップ解析から結晶方位を決定することでYbSn3単結晶のモザイク構造のイメージングを達成した。また、CB-KIDの動作原理は検出器が冷中性子や熱中性子に適するが、熱外中性子領域への拡大適用可能性を調べた。金属間化合物SmSn3の中性子核共鳴吸収現象を観測することで中性子エネルギー100eVまで透過率測定が可能であることを明らかにした。高位置分解能CB-KIDによるFe試料透過試験で、エルゴード定理を活用することで、わずか3.1μm x 2.3μmの微小領域に対してもブラッグエッジ分析が実現可能であることを実証した。さらに、室温試料の中性子透過試験が実施できる改造型クライオスタットを完成させ、室温のGdジーメンス・スター透過像からスポーク幅5.4μmが識別を実証し、手法の実用性を著しく高めた。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Narrow-area Bragg-edge transmission of iron samples using superconducting neutron sensor (2022)
  • Author(s): T. D. Vu, H. Shishido, K. Aizawa, T. Oku, K. Oikawa, M. Harada, K. M Kojima, S. Miyajima, T. Oku, K. Soyama, T. Koyama, M. Hidaka, S. Y Suzuki, M. M Tanaka, A. Malins, M. Machida, and T. Ishida
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: - Pages: in press
  • 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): 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, and T. Ishida
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: - Pages: in press
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Neutron Imaging for Intermetallic Alloy 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, and T. Ishida
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 1975 Pages: 012023
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1975/1/012023
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Energy-Resolved Neutron Imaging using a Delay Line Current-Biased Kinetic-Inductance Detector (2020)
  • Author(s): H. Shishido, K. Nishimura, 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, and T. Ishida
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 1590 Pages: 12033
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1590/1/012033
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Kinetic inductance neutron detector operated at near critical temperature (2020)
  • Author(s): T. D. Vu, K. Nishimura, H. Shishido, M. Harada, K. Oikawa, S. Miyajima, M. Hidaka, T. Oku, K. Soyama, K. Aizawa, K. M Kojima, T. Koyama, A. Malins, M. Machida, and T. Ishida
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 1590 Pages: 012036(1-8)
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1590/1/012036
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 計算科学による超伝導中性子顕微鏡の設計開発 －中性子検出器内の全ての放射線をシミュレーションし動作を予測する－ (2020)
  • Author(s): A. Malins
  • Journal Title: 原子力機構の研究開発成果2020-21 (ISSN 2188-1464 eISSN 2188-1472) Volume: - Pages: 93
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Superconducting Neutron Detectors and Their Application to Imaging (2020)
  • Author(s): T. Ishida
  • Journal Title: IEICE TRANS. ELECTRON Volume: E103-C Pages: 198－203
  • DOI: 10.1587/transele.2019SEI0002
  • Peer Reviewed
• [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, T. Oku, K. Soyama, T. Koyama, M. Hidaka, S. Y Suzuki, M. M Tanaka, A. Malins, M. Machida, and T. Ishida
  • Organizer: The 34th International Symposium on Superconductivity (ISS2021)
  • 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, and T. Ishida
  • Organizer: The 34th International Symposium on Superconductivity (ISS2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Neutron Imaging for Intermetallic Alloy using a Delay Line Current-Biased Kinetic-Inductance Detector (2020)
  • 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, and T. Ishida
  • Organizer: The 33rd International Symposium on Superconductivity (ISS2020)
  • Int'l Joint Research