Improvement of spatial resolution and detection efficiency of neutron imaging using delay-line superconducting detector

利用延迟线超导探测器提高中子成像的空间分辨率和探测效率

• 批准号: 21H04666
• 负责人: 石田 武和
• 金额: $ 26.71万
• 依托单位: Osaka Metropolitan University (2022-2023)Osaka Prefecture University (2021)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-05 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H04666/
• 关键词: 中性子検出器; 中性子イメージング; 位置分解能; 検出効率; 読出し回路; 読出回路

中性子は軽元素イメージングに適するミクロン級分解能撮像の実現のために、メゾ組織の中性子透過能差を撮像できる10B転換層付超伝導中性子検出器CB-KIDを開発することを計画した。遅延時間型CB-KIDは既存の検出器と比べて特徴がある。すなわち、気体の放電、固体の電子-ホール解離、シンチレータ光を利用する従来技術では数千ボルトの高電圧を必要とし、検出器計測系サイズも大きく動作速度も遅くなる。３Heガスは戦略的物質として入手が困難となっている。CB-KIDは、中性子イベントにより発生する電圧パルスを減衰の少ない超伝導細線導波路に沿って超高速伝搬させ、伝送時間をサブナノ秒の分解能で計測するものであり、バイアス電圧は数ボルトで動作し、わずか八系統の読出であり、検出器材料も入手容易で、放射線耐性もある。①時間デジタル変換回路改良、②対向式八端子検出器化による信号放出位置同定精度向上、③10B転換層厚膜化による検出効率改善、④検出器動作温度最適化による検出効率改善により、現行CB-KIDに比べて位置分解能と検出効率の性能向上を図ることを掲げた。2021年度は、①に関しては、サブナノ秒動作回路に関して予備的な検討を行った。②に関しては、PHITSによるシミュレーションにより八端子CB-KIDの構成の最適化を検討した。③に関しては220nm膜厚の10B転換層の成膜に成功した。④に関しては動作温度を5.0Kに固定する条件での研究に集中した。八端子CB-KIDの製作については、産総研CRAVITYを活用した素子製作の可能性を検討した。また、超伝導検出器を用いるが、クライオスタットの最適設計により室温条件下の試料の中性子イメージングに着手した。

为了实现适合轻元素成像的微米级中子分辨率成像，我们计划开发具有10B转换层的超导中子探测器CB-KID，可以对介观结构中子透过率的差异进行成像。延时型CB-KID与现有探测器相比具有以下特点。也就是说，利用气体放电、固态电子空穴离解和闪烁体光的传统技术需要数千伏的高电压，导致探测器测量系统庞大且运行速度缓慢。 3He气体是一种战略物资，获取难度大。 CB-KID沿着薄超导波导以超高速传播中子事件产生的电压脉冲，衰减很小，并以亚纳秒分辨率测量传输时间，并在几伏的偏置电压下运行。但是，它只有八个读出系统。 ，探测器材料容易获得，并且具有抗辐射性。当前CB-的目标是与KID相比提高位置分辨率和检测效率方面的性能。 2021年，针对①，我们对亚纳秒级运算电路进行了初步研究。关于②，我们通过PHITS模拟研究了八端CB-KID配置的优化。对于③，我们成功形成了厚度为220 nm的10B转换层。对于④，我们在工作温度固定为5.0K的情况下集中研究。关于八端子CB-KID的生产，我们研究了使用AIST CRAVITY生产该设备的可能性。此外，我们使用超导探测器，通过优化设计低温恒温器，开始在室温条件下对样品进行中子成像。

项目成果

超伝導中性子検出器による単結晶の中性子イメージング

使用超导中子探测器进行单晶中子成像

• 发表时间: 2023
• 作者: 宍戸寛明 ; The Dang Vu; 相澤一也; 小嶋健児; 小山富男; 及川健一; 原田正英; 奥隆之; 曽山和彦; 宮嶋茂之; 日高睦夫; 鈴木(山形)聡; 田中真伸; 川又修一; 石田武和
• 通讯作者: 石田武和

Narrow-area Bragg-edge transmission of iron samples using superconducting neutron sensor

使用超导中子传感器对铁样品进行窄域布拉格边传输

• 发表时间: 2021
• 作者: T. D. Vu; H.Shishido; K. Aizawa; T. Oku; K. Oikawa; M. Harada; K. M. Kojima; S. Miyajima; K. Soyama; T. Koyama; M. Hidaka; S. Y. Suzuki; M. M. Tanaka; A. Malins; M. Machida; T. Ishida
• 通讯作者: T. Ishida

Neutron Imaging toward Epithermal Regime using a Delay Line Current-Biased Kinetic-Inductance Detector

使用延迟线电流偏置动感探测器对超热态进行中子成像

• DOI: 10.1088/1742-6596/2323/1/012029
• 发表时间: 2022
• 作者: Shishido Hiroaki;Vu The Dang;Aizawa Kazuya;Kojima Kenji M.;Koyama Tomio;Oikawa Kenichi;Harada Masahide;Oku Takayuki;Soyama Kazuhiko;Miyajima Shigeyuki;Hidaka Mutsuo;Suzuki Soh Y.;Tanaka Manobu M.;Kawamata Shuichi;Ishida Takekazu
• 通讯作者: Ishida Takekazu

Neutron Imaging toward Epithermal Regime using a Delay Line Current-Biased Kinetic-Inductance Detector

使用延迟线电流偏置动感探测器对超热态进行中子成像

• 发表时间: 2021
• 作者: H.Shishido; T. D. Vu; K. Aizawa; K. M. Kojima; T. Koyama; K. Oikawa; M. Harada; T. Oku; K. Soyama; S. Miyajima; M. Hidaka; S. Y. Suzuki; M. M. Tanaka; S. Kawamata; T. Ishida
• 通讯作者: T. Ishida

Crystalline Orientation of CaF2 window determined by Neutron Transmission Imaging using a Delay Line Current-Biased Kinetic-Inductance Detector

使用延迟线电流偏置动感探测器通过中子透射成像确定 CaF2 窗口的晶体取向

• 发表时间: 2022
• 作者: H. Shishido; T. D. Vu; K. Aizawa; K. M. Kojima; T. Koyama; K. Oikawa; M. Harada; T. Oku; K. Soyama; S. Miyajima; M. Hidaka; S. Y. Suzuki; M. M. Tanaka; S. Kawamata; T. Ishida
• 通讯作者: T. Ishida