形状だけでなく密度と組成を評価できる高圧中性子CTの開発

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K03763
• Research Institution: 一般財団法人総合科学研究機構(総合科学研究センター(総合科学研究室)及び中性子科学センター(研究開発
• Principal Investigator: 有馬 寛 一般財団法人総合科学研究機構(総合科学研究センター(総合科学研究室)及び中性子科学センター(研究開発, 中性子科学センター, 研究員 (60535665)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 松本 吉弘 一般財団法人総合科学研究機構(総合科学研究センター(総合科学研究室)及び中性子科学センター(研究開発, 中性子科学センター, 研究員 (80455287)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 高温高圧 / 中性子イメージング / 三次元構造

Outline of Annual Research Achievements

本研究では高圧下でのコンピュータ断層撮影（CT）測定により、応力下における中性子による3次元観察を実現とし、基礎科学から応用に至る幅広い分野での量子ビーム利用の高度化をもたらす。X線と相補的なプローブである中性子に関して、数万気圧を超えるGPa領域での高圧下でのCT測定は空間分解能および定量性に課題があり、活用が進んでいない。本研究では~10 GPa領域での圧力発生に適した装置としてParis-Edinburgh pressを用いた高圧中性子CT測定に着目した。ビーム輸送と高圧発生装置の制約を考慮した解析方法の開発により、透過像について形状だけでなく確度の高い組成/密度の3次元分布が得られる高圧中性子CT測定方法を実現する。逐次近似による再構成法に新たにビーム輸送過程のモデルを組み合わせることで、中性子散乱および高圧発生装置の影響を低減し、短時間測定で高精度かつ高空間分解能の3次元モデルを構築することにより、GPa領域での密度分布評価方法を確立する。
2022年度は光路追跡法による入射ビーム発散の補正方法の開発を行い、高圧装置と組み合わせた中性子CT撮影において数百ミクロンの空間分解能を達成できることを、テスト撮影により明らかにした。また軽水素含有量が異なる含水鉱物試料の中性子ラジオグラフィ撮影により、参照試料を用いた濃度校正の検討を行い、透過率と水素含有量の中性子エネルギー依存性および試料形状依存性を明らかにした。これらの成果は、次年度以降の目標である高圧中性子CT撮影における密度分布評価に資するものである。

Current Status of Research Progress

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

Reason

初年度の実施計画通り、光路追跡法による入射ビーム発散の補正方法の開発に関しては解析プログラムを作成しデモデータを用いた解析結果の評価として目的達成に必要な空間分解能が得られる見込みを得た。一方、密度評価に必要なもうひとつのパラメータである、透過率からの組成評価に関しては、常圧下における参照試料を用いた評価方法の検討に着手した段階であり、次年度以降、高圧状態にある試料の組成評価方法を検討する必要がある。

Strategy for Future Research Activity

鉱物と流体の擬試料として、無水および含水鉱物組成の固体試料を用意し、セル中での分布状態を高圧CT撮影によって観察する。その結果から形状と密度、含水量を算出し、組成分析および回収試料の観察と比較して、高圧CT解析データの妥当性を評価する。また、現状では動きがあるものを撮影することは困難であるが、高圧CTの測定対象を広げることを目指して測定時間の短縮化（測定ステップ角度の最適化）も検討する。

Causes of Carryover

逐次近似法による再構成プログラムの動作には大量のメモリを要することから専用計算機の導入を予定していた。そのため、本年度の測定データに基づきプログラム構成および仕様について検討を進めてきたが、時間を要したため導入に遅れが生じた。次年度にはこれら経費を使用することになることから、当初の次年度予算と合わせてすべて使用する。