2017 年度実施状況報告書

超高速イメージ撮像管の開発

研究課題

研究課題/領域番号	17K05477
研究機関	大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
研究代表者	家入正治大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 教授 (50192472)
研究期間 (年度)	2017-04-01 – 2020-03-31
キーワード	イメージ撮像管 / ストレンジネス / 核物理
研究実績の概要	長い画像保持時間を有し、露出時間の短い超高速イメージ撮像管本体に、速い撮像素子による画像記録技術を融合し、外部トリガーが可能な真の『超高速イメージ撮像管』を実現することを目指す。これにより、加速器実験施設の大強度ビームの環境下で、標的とその近傍でおこるハイペロン等の生成・反応・崩壊の特徴的な軌跡を確実に認識できるようになり、統計精度の向上、及び、測定限界の開拓などが可能となる。超高速イメージ撮像管は、管の中の光電子の移動を制御して入力画像情報の「保持」と「選択」を行う。素粒子原子核反応を可視化して捉える手法の、非常に強力な観測装置となる。特筆すべきは、通常の撮像管と異なり、画像保持を蛍光体の残光時間特性に頼るシステムを構築する必要性がないため、装置としての撮影速度は原理的には露出時間のみで決まる事である。この性能を最大限に発揮できる画期的な『超高速イメージ撮像管』を実現する。以下の３項目において、外部トリガー可能な画像観測装置として最高性能を得ることを目的とする。 (1) 長い画像保持時間　(2) 短い画像選択時間（短い露出時間）　(3) 速い撮影速度平成29年度は、入力側の光電面材料に光電効果の仕事関数が2.3eVとの報告がある酸化金属材料を蒸着した窓材を採用した。この酸化金属は通常の撮像管や増倍管で使用されている材質に比べて、空気中に曝しても安定であり、かつ、潮解性はない。従って撮像管の解体・各部の改良・組み上げを幾度も試みる本開発には、重要な素材となる。これまでの科研費で進めてきた開発試作機において、酸化金属を蒸着した新しい窓材を入力側のセラミック枠に組み込み組み上げた。目的とする高真空になかなか到達する事ができず各部の洗浄、真空排気システムから撮像管本体までの配管経路の短縮などを行った。現在は所定の高電圧を印加出来る状態になったところである。
現在までの達成度 (区分)	現在までの達成度 (区分) 3: やや遅れている理由撮像管では入力面に飛び込んでくる光子を、入力窓に塗布または蒸着された物質の光電効果により電子に変換する。この入力側の光電面材料に光電効果の仕事関数が2.3eVとの報告がある酸化金属材料を蒸着した窓材を採用した。この酸化金属は他の金属などに比べて仕事関数が低く、青色より短い波長のレーザー光などを使用すれば光電子を発生できる。従って、本開発での撮像管の性能試験が効率よく実施できると考えられる。また、通常の撮像管や増倍管で使用されている光電材質に比べて、空気中に曝しても安定であり、かつ、潮解性はない。撮像管の解体・各部の改良・組み上げを幾度も試みる本開発には、重要な素材となる。これまでの科研費で進めてきた開発試作機において、この酸化金属材料を蒸着した新しい窓材を入力側のセラミック枠に固着したのちに、撮像管に組み込んだ。当初は目的とする高真空になかなか到達する事ができなかった。各部の洗浄、真空排気装置から撮像管本体までの真空引き配管経路の短縮などを試み、目標とする真空に到達した。所定の高電圧まで印加できる状態になった。現在、レーザー光の調整や試験用の保持架台などの設計と製作に着手したところである。目標としていた出力側の輝度と位置分解能を測りながら、印加電圧や外部トリガー信号幅との相関を評価する段階には平成29年度中には至っていない。
今後の研究の推進方策	開発試験器に所定の高電圧が印加できるようになったので、まずはソレノイド磁場がない状態で印加電圧と出力側の輝度との相関を測る。そのために試験用の保持架台の製作を急ぐ。入力窓に使用した酸化金属はその蒸着の厚さを幾つか変えたものを用意している。光量などが不足する場合は蒸着の厚さの決定に時間を要する可能性はある。次にソレノイド磁場中に開発試験器を設置し、磁場の強度による位置分解能の変化を測り、イメージ撮像管の各部の長さや電子発散を抑制するソレノイド磁場強度などの最適化を行う。超高速イメージ撮像管の時間特性（画像保持時間と画像選択時間）を調べるために、出力側の輝度と位置分解能を測りながら、移動電子の制御を行うパルス電圧や外部トリガー信号幅との相関を評価する。必要な事象に対してのみ撮像管にパルス電圧を印加する為に、短い繰り返しが可能なパルス発生高圧電源を用いる。主要パラメータの設定、細部寸法の決定等を平行して進めながら、撮像素子の仕様を詰める。撮像管としての撮影速度に対応する撮像素子をイメージ撮像管本体に組み込み、画像としてデータ収集可能とする。撮像素子としては、近年、速い撮影速度を可能とするCMOS等の固体撮像素子の開発が進んでおり適用を試みる。また、欧州原子核共同研究所へ赴き、高速イメージ増幅管に経験を有する先方の研究者と打ち合わせを行ない、資料・情報等を収集する。作成したイメージ撮像管の撮影速度をLEDと光電子増倍管等により評価する。さらに宇宙線等を用いて基本性能のテストを行なう。粒子の飛跡に沿って光を発生する位置検出器としては、シンチレーティング・ファイバーやマイクロバンドル・ファイバーを使用する。
次年度使用額が生じた理由	開発試作機に、酸化金属を蒸着した新しい窓材を入力側のセラミック枠に固着し、撮像管に組み込んだ。一旦解体し入力窓を変更して再組み上げをしたため、目標とする真空にようやく到達し、現在、所定の高電圧まで印加できる状態になったところである。真空ポンプから本体までの真空配管経路の短縮などを試みたため、ソレノイド磁石内部に組み込む前に磁場のない状態で試験を行うこととした。そのための試作機本体の保持架台の設計と製作を翌年度に行うこととした。試験的にレーザー光を入力側に照射したところ、レーザー光量の微細な調節が必要であることも判明したため、スリットなども翌年度に用意する。本年度予定していたパルス発生電源の仕様を確定し翌年度に購入することとした。その後に、翌年度として請求していた本体のセラミック部品や、画像処理のための回路、必要となる電子回路の購入を行い試験開発を進める予定である。