デュアル電流バイアス運動インダクタンス検出器による中性子検出効率の改善

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H02450
• 研究機関: 大阪府立大学
• 研究代表者: 石田 武和 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 客員教授 (00159732)
• 研究分担者: 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) ; 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)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 超伝導材料・素子 / 量子ビーム / 放射線 / 中性子 / 超伝導検出器

研究実績の概要

電流バイアス運動インダクタンス検出器CB-KIDチップ構造に関して、デュアルCB-KID構造についてはデュアル素子の2つの素子で伝搬速度が異なるため和信号として取り扱うことが困難であることが分かった。対策として、Nb細線の幅0.9μm, 細線間のスペース0.6μm、細線の折返し周期1.5μm、細線の折返し長15.1mm、折返し回数10000回、全長151mのメアンダ線を2層直交させて積層した有感面積15x15mm2構造を本研究のCB-KIDモデルと定め中性子照射実験を行った。
2018年度はJ-PARCマシンタイムを5回確保し中性子照射を行った。中性子透過撮像サンプルとしてボロン10ドット列、ステンレス小ネジ、昆虫などを用いて、高解像、エネルギー分解の撮像に成功した。
CB-KIDの信号読出計測系の構築に関して、波形データ保存のためのオシロスコープ計測系と時間高速計測のためにKalliope回路を整備した。Kalliope回路では検出器信号のタイムスタンプと信号パルス幅に相当する閾値時間幅（TOT）を計測できるようにした。より高空間分解能を目指した読出回路を試作し、擬似パルスを用いた動作確認によりアナログ入力に対してデジタル出力が生成されること、デジタル化の閾値制御ができていることを確認したのち、パルスレーザーを用いた時間分解能測定に着手した。
CB-KID動作の学理に関して、2対の逆極性の検出器信号が発生し、異なる方向に伝搬する原理をLondon-Maxwell理論とGinzburg-Landau理論から明らかにした。
また、発生熱の素子内拡散と時間依存Ginzburg-Landau理論を統合した枠組みの構築を開始した。また、入射中性子、核反応、核反応生成物等の軌道をモンテカルロ法（PHITS）を用いてシミュレーションできる手法が、検出器構造の最適化に有効であることを示した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

CB-KIDを用いた中性子透過像取得実験で試験サンプルとして用いたステンレスの透過率において、明瞭なブラッグエッジを確認できた。ブラッグエッジ・スペクトルの特徴は30x20μm2の微小領域でも確認することができた。この値は他の中性子イメージング用検出器で達成できるとされている値よりも１桁程度微小なサイズであることから、CB-KID計測系で高い空間分解能が達成されていることを示す成果となった。
また、空間分解能を向上させるための方策として読出回路の高時間分解を目指して動作確認を開始し、パルスレーザーを使って読出回路の時間分解能の評価を実行できた。この結果から、回路自身の安定性確保が必須であるという課題を見出し、今後の研究推進方針を決めることができた。
超伝導状態における理論的研究では、CB-KIDから直流バイアス電流の方向に依存した極性の４組の信号が発生する理論的根拠を与えることができた。更に、時間依存Ginzburg-Landau方程式と熱伝導方程式を結合した理論的枠組みを構築し、それを利用することで検出器の動作温度に依存した検出過程を調べる研究方針を確認することができた。
また、放射線輸送モンテカルロコード（PHITS）を利用することで、放射線による物質内の熱発生の微視的機構が明らかとなり、検出効率の理論的上限の評価ができた。さらに、形状の決まった透過像評価試料のモデルを使って、PHITS法で中性子イメージング像生成のシミュレーションを行う見通しを立てることができ、実験と比較できる可能性を示した。
これらの成果に基づき、本研究は、おおむね順調に進捗していると判断できる。

今後の研究の推進方策

核反応による中性子変換層である10B（ボロン10）層は電子ビーム蒸着法によりCB-KID検出器に積層蒸着をして準備をしている。そのため変換層の膜厚均質度は高いが、膜厚が100 nm以下であり、検出効率は限られる課題が明らかになった。そこで、10B層の厚みを実績値の10倍程度の膜厚実現を目指して、蒸着法を改良することで検出効率の改善を図る。
また、実際に分析を行いたい現実の試料への適合性を高めるために、現実の試料ではサイズや厚みが幅広く分布していることが多いことに鑑みて、より実際的な試料に対する透過像評価を行い有効性を確認する。さらに、試料中にランダムに分散して析出した微小結晶を準備して、中性子の波としての性質（ブラッグエッジ）をよく用いられている多結晶に対してではなく、単結晶に適用した場合の透過像と波長スペクトルの評価に挑戦する。これらの研究により、CB-KID計測系が応用分野でニーズの高い被分析試料への展開を可能になると期待される。
計測系の高度化に関しては、読出回路の最適化と読出回路の動作確認を継続する。また、開発した読出回路を用いた中性子ビーム照射試験を行い、実環境での動作確認を行う。最終的なシステム構築のためには、安定動作のための回路系のノイズ信号レベルを抑制すること、計測回路安定動作のために読出回路に温度制御回路を装備すること、内蔵プログラムの開発することを行う。
検出器動作原理の理解を更に深めるために、超伝導非平衡状態の研究を進める。さらに、放射線によるPHITSシミュレーション研究を高度化させ、CB-KIDをより実践的課題に提要できるように解析手法を発展させる。

研究成果

• [雑誌論文] Development of the ReaxFF Methodology for Electrolyte-Water Systems (2019)
  • 著者名/発表者名: Fedkin Mark V.、Shin Yun Kyung、Dasgupta Nabankur、Yeon Jejoon、Zhang Weiwei、van Duin Diana、van Duin Adri C. T.、Mori Kento、Fujiwara Atsushi、Machida Masahiko、Nakamura Hiroki、Okumura Masahiko
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry A 巻: 123 ページ: 2125～2141
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.8b10453
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Understanding Competition of Polyalcohol Dehydration Reactions in Hot Water (2019)
  • 著者名/発表者名: Chang Yong Lik、Sasaki Takehiko、Ribas-Arino Jordi、Machida Masahiko、Shiga Motoyuki
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 123 ページ: 1662～1671
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.8b11615
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Confined vortices in de facto mesoscopic Mo80Ge20 disks with sector defects (2018)
  • 著者名/発表者名: Vu The Dang、Huy Ho Thanh、Ito Atsuki、Toji Masaki、Shishido Hiroaki、Kato Masaru、Hayashi Masahiko、Ishida Takekazu
  • 雑誌名: Superconductor Science and Technology 巻: 31 ページ: 125009～125009
  • DOI: doi.org/10.1088/1361-6668/aae506
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Erratum: Confined vortices in de facto mesoscopic Mo80Ge20 disks with sector defects (2018 Supercond. Sci. Technol. 31 125009) (2018)
  • 著者名/発表者名: Vu The Dang、Thanh Huy Ho、Ito Atsuki、Toji Masaki、Shishido Hiroaki、Kato Masaru、Hayashi Masahiko、Ishida Takekazu
  • 雑誌名: Superconductor Science and Technology 巻: 32 ページ: 019601～019601
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6668/aaf0af
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Physical characteristics of delay-line current-biased kinetic inductance detector (2018)
  • 著者名/発表者名: Iizawa Yuki、Yamaguchi Hiroyuki、Miki Yuya、Nishimura Kazuma、Shishido Hiroaki、Kojima Kenji M.、Oikawa Kenichi、Harada Masahide、Miyajima Shigeyuki、Hidaka Mutsuo、Oku Takayuki、Soyama Kazuhiko、Koyama Tomio、Ishida Takekazu
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 1054 ページ: 012056～012056
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1054/1/012056
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Constructing a Vector Scanning SQUID System (2018)
  • 著者名/発表者名: Dang Vu The、Toji Masaki、Ito Atsuki、Ninomiya Yoshitsugu、Miyajima Shigeyuki、Huy Ho Thanh、Shishido Hiroaki、Kato Masaru、Hidaka Mutsuo、Hayashi Masahiko、Ishida Takekazu
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 1054 ページ: 012059～012059
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1054/1/012059
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Neutron signal features of Nb-based kinetic inductance detector with 10B convertor (2018)
  • 著者名/発表者名: Miki Yuya、Yamaguchi Hiroyuki、Iizawa Yuki、Shishido Hiroaki、Kojima Kenji M、Oikawa Kenichi、Harada Masahide、Miyajima Shigeyuki、Hidaka Mutsuo、Oku Takayuki、Soyama Kazuhiko、Ishida Takekazu
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 1054 ページ: 012054～012054
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1054/1/012054
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-Speed Neutron Imaging Using a Current-Biased Delay-Line Detector of Kinetic Inductance (2018)
  • 著者名/発表者名: Shishido Hiroaki、Miki Yuya、Yamaguchi Hiroyuki、Iizawa Yuki、The Dang Vu、Kojima Kenji M.、Koyama Tomio、Oikawa Kenichi、Harada Masahide、Miyajima Shigeyuki、Hidaka Mutsuo、Oku Takayuki、Soyama Kazuhiko、Suzuki Soh Y.、Ishida Takekazu
  • 雑誌名: Physical Review Applied 巻: 10 ページ: ０４４０４４-1～10
  • DOI: 10.1103/PhysRevApplied.10.044044
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Electrodynamic theory for the operation principle of a superconducting kinetic inductance stripline detector (2018)
  • 著者名/発表者名: Koyama Tomio、Ishida Takekazu
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 1054 ページ: 012055～012055
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1054/1/012055
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Anomalous Change in the de Haas-van Alphen Oscillations of CeCoIn5 at Ultralow Temperatures (2018)
  • 著者名/発表者名: Shishido Hiroaki、Yamada Shogo、Sugii Kaori、Shimozawa Masaaki、Yanase Youichi、Yamashita Minoru
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 120 ページ: 177201(5pages)
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.177201
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fermi-surface topology of the heavy-fermion system Ce2PtIn8 (2018)
  • 著者名/発表者名: Klotz J.、Gotze K.、Green E. L.、Demuer A.、Shishido H.、Ishida T.、Harima H.、Wosnitza J.、Sheikin I.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 97 ページ: 165120(10pages)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.97.165120
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 超伝導中性子検出器の基礎とイメージング応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 石田武和、宍戸寛明、Vu The Dang, 飯澤侑、西村和真、小嶋健児、 鈴木聡、原田正英、奥隆之、及川健一、曽山和彦、相澤一也、宮嶋茂之、日高睦夫、小山富男、Alex Malins, 町田昌彦
  • 学会等名: 電子情報通信学会2019年総合大会チュートリアルセッション「CT-1 最先端分野を切り拓く超伝導センサー・検出器技術の最新動向」
  • 招待講演
• [学会発表] 超伝導ストリップラインを用いた高速中性子イメージャーの開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 宍戸寛明
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会 (2019年3月, 福岡)
  • 招待講演
• [学会発表] NMRによるCeCoIn5のHC2近傍の超伝導状態に関する研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 谷口貴紀, 北川俊作, 真砂全宏, 仲嶺元輝, 石田憲二, 宍戸寛明
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会 (2019年3月, 福岡)
• [学会発表] 「関西から：超伝導研究者の取り組み」：新しいSQUID顕微鏡を目指して (2018)
  • 著者名/発表者名: 石田武和
  • 学会等名: （社）低温工学・超電導学会関西支部第1回講演会
  • 招待講演
• [学会発表] BSCCO単結晶アンチドットのSQUID顕微鏡による磁束分布観測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 三宅 晴也, 川又修一、藤次真幹、二ノ宮由嗣、宍戸寛明、石田武和
  • 学会等名: 第１７回低温工学・超伝導若手合同講演会プログラム
• [学会発表] BSCCO単結晶アンチドットのSQUID顕微鏡による磁束分布観測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 三宅 晴也, 川又修一、藤次真幹、二ノ宮由嗣、宍戸寛明、石田武和
  • 学会等名: 研究推進機構・放射線研究センター度共同利用報告会
• [学会発表] Confined vortices in de facto mesoscopic Pacman disks of Mo80Ge2 (2018)
  • 著者名/発表者名: Vu The Dang, Ho Thanh Huy, 伊藤厚稀, 藤次真幹, 宍戸寛明, 加藤勝, 林正彦, 石田武和
  • 学会等名: 第26回渦糸物理国内会議
• [学会発表] 超伝導検出器による大画素中性子イメージング (2018)
  • 著者名/発表者名: Takekazu Ishida, Hiroyuki Yamaguchi,Yuya Miki,Yuki Iizawa, Kazuma Nishimura, Vu The Dang, Hiroaki Shishido, Shigeyuki Miyajima, Kenji M. Kojima, Mutsuo Hidaka, Tomio Koyama, Kenichi Oikawa, Masahide Harada, Takayuki Oku, Kazuhiko Soyama, Kazuya Aizawa, Mastoshi Arai, Soh Y. Suzuki, Alex Malins, and Masahiko Machida
  • 学会等名: 研究会「量子ビームによる物質・生命科学研究のための検出器開発」
  • 招待講演
• [学会発表] 走査型ベクトルSQUID顕微鏡に向けて (2018)
  • 著者名/発表者名: Takekazu Ishida, Vu The Dang, Masaki Toji, Atsuki Ito, Yoshitsugu Ninomiya, Shigeyuki Miyajima, Ho Thanh Huy, Hiroaki Shishido, Masaru Kato, Mutsuo Hidaka, Masahiko Hayashi
  • 学会等名: ワークショップ 新規超伝導体・ナノ構造超伝導体における渦糸物理
• [学会発表] 超伝導検出器による中性子顕微鏡の実現 (2018)
  • 著者名/発表者名: 石田武和, 山口裕之, 三木悠矢, 飯澤侑貴, 西村和真, 宍戸寛明, Vu The Dang, 小嶋健児, 鈴木聡, 宮嶋茂之, 日高睦夫, 及川健一, 原田正英, 奥隆之, 曽山和彦, 相澤一也, 小山富男, 町田昌彦, Alex Marlins
  • 学会等名: 量子ビームサイエンスフェスタ 第9回MLFシンポジウム, 第35回PFシンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Vortices in Mesoscopic Superconductors and SQUID microscopy for 3D Imaging (2018)
  • 著者名/発表者名: Takekazu Ishida, Vu The Dang, Masaki Toji, Yoshitsugu Ninomiya, Shigeyuki Miyajima, Ho Thanh Huy, Hiroaki Shishido, Masaru Kato, Masaaki Maezawa, Mutsuo Hidaka, Masahiko Hayashi
  • 学会等名: The 31st International Symposium on Superconductivity (ISS2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ginzburg-Landau theory for the operation principle of superconducting kinetic inductance delay-line detectors, (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomio Koyama and Takekazu Ishida
  • 学会等名: The 31st International Symposium on Superconductivity (ISS2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Temperature dependent characteristics of neutron signals from a current-biased Nb nanowire detector with 10B converter (2018)
  • 著者名/発表者名: The Dang Vu, Yuki Iizawa, Kazuma Nishimura, Hiroaki Shishido, Kenji M Kojima, Kenichi Oikawa, Masahide Harada, Shigeyuki Miyajima, Mutsuo Hidaka, Takayuki Oku, Kazuhiko Soyama, Kazuya Aizawa, Tomio Koyama, and Takekazu Ishida
  • 学会等名: The 31st International Symposium on Superconductivity (ISS2018)
  • 国際学会
• [学会発表] メゾ構造超伝導体の量子磁束閉じ込めと3次元イメージング (2018)
  • 著者名/発表者名: 石田武和, Vu The Dang, 藤次真幹, 伊藤厚稀, 二ノ宮由嗣, 宮嶋茂之, Ho Thanh Huy, 宍戸寛明, 加藤勝, 前澤正明, 日高睦夫, 林正彦
  • 学会等名: 日本物理学会 2018年秋季大会 (同志社大学) 領域6，領域4 シンポジウム：量子磁束の構造と制御による超伝導位相物理の構築
  • 招待講演
• [学会発表] 超伝導検出器による中性子イメージング (2018)
  • 著者名/発表者名: 宍戸寛明
  • 学会等名: 低温工学関西支部2018年度第1回講演会 (2018年5月,堺)
  • 招待講演
• [学会発表] Epitaxial thin film growth of the heavy fermion chiral magnet YbNi3Al9 (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Shishido, A. Okumura, S. Ohara, Y. Togawa
  • 学会等名: International Symposium on Chiral Magnetism (X-mag2018) (Nara, Japan, July, 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Fabrication and evaluation of chiral helimagnet YbNi3Al9 thin films (2018)
  • 著者名/発表者名: A. Okumura, H. Shishido, S. Ohara, and Y. Togawa
  • 学会等名: International Symposium on Chiral Magnetism (X-mag2018) (Nara, Japan, July, 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Magnetic, superconducting, and structural information of an epitaxially grown CeCoIn5 film probed by nuclear quadrupole resonance (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Yamanaka, M. Shimozawa, S. Kitagawa, H. Shishido, H. Ikeda, T. Terashima, T. Shibauchi, Y. Matsuda, K. Ishida
  • 学会等名: International Conference on Magnetism (ICM2018) (Sanfrancisco, USA, July, 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] 分子線エピタキシー法によるSmB6/SrB6人工超格子薄膜の作製と評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 幸塚祐哉, 宍戸寛明, 田原大夢, 鳴海康雄, 木田孝則, 萩原政幸, 戸川欣彦
  • 学会等名: 日本物理学会 2018年秋季大会 (2018年9月, 京田辺)
• [学会発表] CeCoIn5における超低温下NMR測定 III (2018)
  • 著者名/発表者名: 山下穣, 田代光輝, 下澤雅明, 杉井かおり, 谷口貴紀, 武田晃, 瀧川仁, 宍戸寛明
  • 学会等名: 日本物理学会 2018年秋季大会 (2018年9月, 京田辺)
• [学会発表] キラル磁性体YbNi3Al9薄膜の作製と評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 奥村慧, 宍戸寛明, 大原繁男, 戸川欣彦
  • 学会等名: 日本物理学会 2018年秋季大会 (2018年9月, 京田辺)
• [学会発表] CeCoIn5における超伝導状態のNMRによる研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 谷口貴紀, 北川俊作, 真砂全宏, 仲嶺元輝, 石田憲二, 宍戸寛明
  • 学会等名: 日本物理学会 2018年秋季大会 (2018年9月, 京田辺)
• [学会発表] 分子線エピタキシー法による SmB6/SrB6人工超格子薄膜の作製と評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 幸塚祐哉, 宍戸寛明, 田原大夢, 鳴海康雄, 木田孝則, 萩原政幸, 戸川欣彦
  • 学会等名: 大阪府立大学研究推進機構・放射線研究センター平成 29 年度共同利用報告会 (2018年11月，堺)
• [学会発表] Ceの価数揺らぎを用いた希土類磁石の保磁力増強の可能性(招待講演) (2018)
  • 著者名/発表者名: 宍戸寛明
  • 学会等名: IEEE-MAG 関西四国チャプター 第4回関西四国磁性研究会 (2018年12月, 松山)
  • 招待講演