2021 Fiscal Year Research-status Report
Development of image processing method to significantly improve the energy resolution of WDS-PIXE
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20K05385
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| Research Institution | Tokyo City University |
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Principal Investigator |
羽倉 尚人 東京都市大学, 理工学部, 准教授 (00710419)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
渡部 創 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 核燃料・バックエンド研究開発部門 核燃料サイクル工学研究所 環境技術開発センター, 研究主幹 (40446399)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | PIXE / 波長分散型分光システム / 輝点重心処理 / 超解像処理 / 画素ずらし |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、イオンビームを用いた高エネルギー分解能の分析手法の構築を目指している。イオンビームをターゲットに照射することで発生する特性X線から含有元素の特定を行う荷電粒子線励起X線分光（Particle Induced X-ray Emission：PIXE）法は高感度の分析が可能であり広く用いられている手法である。このエネルギー分解能を飛躍的に向上させるために分光結晶を導入した波長分散型PIXE（WDS-PIXE）法は、これまでにも研究されているが、本研究の特徴は、CCDイメージセンサーで取得した特性X線の輝点に対し、3つの画像処理技法（重心処理、超解像処理、画素ずらし）を導入するところにある。従来法では体系を大きくし、X線光源と検出器の距離を稼ぐことでエネルギー分解能を高めていた。本研究では、全体を小型化し、X線の集光効率を高く確保しつつ、エネルギー分解能の劣化を画像処理技法の導入により従来型と同等に保持することにある。2021年度は、実際にイオンビームでの試験を実施するための真空容器を設計・製作した。X線光源と分光結晶、検出器といった主要な構成要素の距離を先行研究の半分にした。真空試験及びビーム試験を実施し問題なく実験が可能なことを確認した。また、ここで開発するWDS-PIXEと比較することを目的として、イオンビーム照射に伴って発生する可視光の測定により化学結合状態の差異を検出することが可能な手法である荷電粒子誘起発光分光(Ion Beam Induced Luminescence：IBIL)の測定も可能であることを確認した。
上記の研究成果は2021年10月（N-09-075）のIEEE/NSS/MIC2021、2021年9月（11a-N402-1）と2022年3月（25p-F308-3）の応用物理学会、2022年3月（2C05）の日本原子力学会において報告した。
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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
2020年度には、CCDイメージセンサーを用いた密封放射線源（Fe-55）のX線による輝点を取得すること、そして、得られた輝点が画像処理技法の適用にふさわしい形、すなわち複数画素にまたがった形での分布を示すかどうかを確かめることを目的に実験等を実施し、主要な目的は達成することができた。
2021年度には、イオンビームでの実験を行うための真空チャンバの設計と製作を行った。また、製作したチャンバの基本性能試験を実施することを主な目的とした。装置全体としての小型化を目指して、測定試料・分光結晶・検出器（CCD）の配置を工夫した。通常はビームの高さと同じ高さの水平面上にそれらを配置するが、ここでは、ビームと床面の間に配置するという縦型の配置とした。ここで構築したWDS-PIXEシステムの性能を評価するために、先行研究の測定を再現するような実験も計画している。分光結晶の種類に応じて測定可能なエネルギー範囲が異なるので、新規に製作したチャンバにおいて先行研究の再現をするための構成について検討した。
本研究で開発するWDS-PIXEシステムにて最終的に分析を試みる一例としているEuを含む錯体試料の分析に関しては、2020年度に従来使用していたチャンバで荷電粒子誘起発光分光(IBIL)による実験を行い、試料からの可視光の発光の測定に成功している。今回新たなチャンバにおいても同様の測定が可能であることを実験的に確認した。
研究成果については、2021年10月にオンラインで開催された米国電気電子学会主催の国際会議（IEEE/NSS/MIC2021）にて、また、国内では、応用物理学会や日本原子力学会において報告した。また、2022年も同様に国内外の学協会で成果を報告する予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度、2021年度の研究成果により、X線の輝点をCCDイメージセンサーにより画像処理技法の適用が可能な形で取得できることが確認し、真空容器を製作し、イオンビーム実験に向けた準備を進めることができた。真空実験用チャンバでは、WDS-PIXEの測定に加えて、既存のイオンビーム実験用分析チャンバにて測定していたエネルギー分散型PIXE（EDS-PIXE）や荷電粒子誘起発光分光(IBIL)の測定が同時に行える仕様とした。また、X線の集光効率を極力上げるという観点から、試料とスリット、分光結晶、CCDイメージセンサーの配置を可能な限りコンパクトに設計した。従来型の波長分散型分光PIXEシステムでは、分光結晶とCCDイメージセンサーの距離を極力離すことによりエネルギー分解能を高める工夫をしていたが、画像処理技法の適用によりエネルギー分解能の劣化を防ぐとともに、むしろ向上させる方向にすることが本研究の最大の特徴であり、その特徴の実証をしていく。
IBILとの同時測定により、WDS-PIXEとIBILの適用範囲について比較検討し、WDS-PIXEの有効性を明らかにしていくことを計画している。また、同一の試料に対し、EXAFS測定などの別の手法での測定を実施してくことで、多面的にデータを取得し、その点からもWDS-PIXEの有意な点を明確にしていく。
2022年度は最終年度となるので、総合的な試験を計画的に実施し、成果をまとめていく。国内外の学会発表や論文投稿という形で研究成果の社会還元を行っていきたいと考えている。
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| Causes of Carryover |
コロナの影響で、予定した実験が延期になったことによる。
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Research Products
(4 results)
