月惑星表面の水探索に向けた広いエネルギー帯に対応する小型中性子分光計の基礎開発

2023 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K12675
• Research Institution: National Institutes for Quantum Science and Technology
• Principal Investigator: 草野 広樹 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 放射線医学研究所 計測・線量評価部, 研究員 (10547615)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 中性子検出器 / シンチレータ / パルス波形弁別 / 水分計測 / 月惑星探査

Outline of Annual Research Achievements

月表層の水の存在量と分布は、惑星科学や宇宙資源の観点から注目されている。中性子分光は表層の水分量を推定する有力な手法であり、本研究では、熱中性子から高速中性子まで幅広いエネルギーに対応可能で宇宙機搭載リソースの小さな中性子分光計の開発を目的とする。2023年度は、月面中性子のシミュレーション計算に関する成果報告とSiPMを利用した中性子検出器の基礎特性評価を実施した。
月面中性子のシミュレーション計算については、2022年度に得られた成果をまとめて論文誌に投稿し、現在査読中である。銀河宇宙線による月面での中性子生成・輸送と、月の水が表面中性子に与える影響について、Geant4を利用して定量的に評価した。表面中性子強度は地下の水分量と深さ分布の影響を受けるため、熱、熱外、高速中性子強度をそれぞれ5-10%程度の精度で同時に計測することにより、水分量と深さの推定が可能であることが分かった。この結果は、ローバ探査において、水の定量精度の向上および資源としての利用可能性の評価のために重要な知見である。
中性子検出器の基礎特性評価では、2022年度の実験結果をもとに、リチウムガラスシンチレータ、波形弁別プラスチックシンチレータ、およびSiPMアレイを利用した中性子検出器を試作した。SiPMアレイの読み出し回路として全チャンネルを加算するトランスインピーダンスアンプを利用し、信号デジタイザで信号波形を取得して発光減衰時間による粒子弁別を行った。結果、PMTを利用した場合と同様に、低速（熱および熱外）中性子、高速中性子、ガンマ線を弁別して計測できることを確認した。PMTとSiPMの応答時間の違いのため、粒子弁別における最適なパラメータや弁別の性能指数に違いが見られた。現在、パラメータの最適化を含め弁別性能の評価を継続して実施している。

Current Status of Research Progress

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

Reason

月面の水探索に向けた月面中性子シミュレーション計算の成果を論文として投稿し、査読中である。中性子検出器の性能評価により、SiPMを利用した場合にも熱・熱外中性子、高速中性子、ガンマ線の弁別計測が可能であることが検証できた。以上、当初の研究計画に沿って進捗しているため。

Strategy for Future Research Activity

SiPMを利用した中性子検出器の粒子弁別性能評価を継続し、弁別パラメータの最適化や、基礎特性の温度依存性評価を行う。シミュレーション計算で得られた月面中性子のデータを利用して、ローバ探査に向けた検出器設計の最適化、観測時間と水分量の決定精度の定量的な評価を進める。

Causes of Carryover

次年度使用額が生じた理由は、主に、今年度購入を予定していたSiPMを別途調達したことによる。次年度は、主にSiPMの信号処理回路の整備、中性子分光計試作機の製作費、成果報告費を中心に使用する計画である。