中性子
イメージングカタログ

中性子施設ハンドブック

公益社団法人日本アイソトープ協会
理工学部会
中性子応用専門委員会
2018年3月

目次
表紙
目次
中性子イメージングカタログ
イメージングカタログについて(1)中性子イメージングの基礎(1-1)中性子とX線の違い(1-2)エネルギー分解測定について(1-3)水のイメージング（水分量の定量測定）(2)どうやって測るか(2-1)静止画、動画、CT測定法(2-2)Bragg-edge測定法(2-3)共鳴吸収の測定(2-4)磁場測定法（偏極中性子イメージング法）(2-5)タルボ・ロー干渉計による位相イメージング(2-6)オートラジオグラフィー(3)中性子検出器(3-1)フィルム法(3-2)IP（イメージングプレート）(3-3)シンチレータ＋カメラ(3-4)中性子イメージインテンシファイア(3-5)GEMを用いた中性子二次元検出器nGEM(3-6)マイクロピクセルチェンバー(µPIC)中性子イメージング検出器(µNID)(3-7)ピクセルタイプ検出器(3-8)MCP検出器
イメージング画像集
植物（カーネーション）
植物（トウモロコシ）
木材（難燃処理木材）
コンクリート(1)コンクリート(2)コンクリート(3)鉄筋コンクリート
小型固体高分子形燃料電池の膜厚方向水分布計測
固体高分子形燃料電池のダイナミックCT計測
リチウムイオン電池製品内部の黒鉛負極材の結晶格子面間隔変化の可視化
リチウムイオン二次電池
流動層セグレケセーション（二粒子混合）
流動層水平熱交換器まわりの流動層層材挙動
流動層熱交換器（鉛直配置）まわりの流動層層材挙動
鉛直バンドル配置された流動層熱交換器まわりの流動層層材三次元分布
流動層セグレケセーション（粗大粒子まわりの粒子挙動）
流動層内単一気泡まわりの粒子挙動
流動層ディストリビュータから吹き込まれた気泡の動的評価

流動層ディストリビュータから吹き込まれた空気の三次元分布特性
沸騰二相流のボイド率計測（熱流束差による影響評価）
強制流動脈動化における沸騰二相流のボイド率計測
超臨界水熱合成装置内における超臨界水−常温水の混合状態の中性子線 CT像
ベアリング
小型4ストロークエンジン内の潤滑油挙動の可視化
人工衛星用スラスタ
モデルモーター磁場イメージング
塗装鋼板の塗膜腐食膨れ内の水
鉄鋼材料：溶接材
圧延鋼材溶接部の優先部位・集合組織発達度・結晶子サイズの可視化
焼き入れ棒鋼の焼き入れ部（マルテンサイト相）の結晶格子面間隔ならびに結晶格子面
間隔分布の幅の可視化
Fe板材内の格子歪分布
金属(Al, Cu, Pb)円柱
中性子透過率測定型中性子共鳴吸収分光法による核種・温度のCTイメージング
中性子共鳴吸収を用いたマイナーアクチニド核種のイメージング
日本刀の結晶組織構造
オートラジオグラフィーの例（BNCTへの利用の展望）
中性子施設ハンドブック
中性子源ハンドブックについて
J-PARC RADEN
JRR-3 TNRF
KUR B-4
KUR E-2
HUNS
青森県量子科学センター
RANS
KUANS
KURNS-LINAC
住重アテックス SHI-ATEX
小型放電型核融合中性子源
世界のイメージング施設の例
執筆者一覧（注１）無断転載を禁じます。
（注２）執筆者の所属、各施設の名称・所在地・所有設備等の記載情報は、2018年3月現在のものです。
（注３）各施設の利用等に関するお問合せは、ハンドブック記載の連絡先へ直接お願いいたします。

中性子
イメージングカタログ

公益社団法人日本アイソトープ協会
理工学部会
中性子応用専門委員会
2018年3月

イメージングカタログについて
中性子は金属に対しても透過力が強い、水素などの軽元素が見やすい、エネルギー依存の透過率を利用して結晶構造情報などが得られるなど、X 線と違った情報が得られます。
そのため、中性子透過イメージによる工業製品のチェック、燃料電池、Li イオンバッテリーの調査、鉄鋼材料
や金属文化財などの結晶組織構造の研究など幅広く利用されています。さらに、最近は偏極中性子を用いて、モーターなどの磁場測定も行われるようになっています。
本カタログでは、あまり中性子イメージングに馴染みのない方に、どんなことができるかのイメージを持っていただけるようにということを考えて、日本アイソトープ協会の中性子応用専門委員会のもとで、中性子イメー
ジング手法の基礎と測定例についてまとめたものです。
詳しい情報が必要なときは、参考文献等をあたっていただけるということを前提にしておりますので、分かりにくいところがあるかと思いますが、その点ご容赦いただければと思います。

１．目的
中性子イメージング技術によって、必要な情報がとれないかと考えている方が、どんな画像がとれるかをイメージできるようなものとして、このカタログを作成しました。まずは、どんなことができるかを感覚的につかんでもらうことを目的としています。

２．中性子イメージング法概要
最初にイメージング画像を取るために必要な知識について記述しています。この中には最近開発された手法もあり、これまでの透過強度による濃淡画像取得とは異なった手法なども含まれています。項目は以下のようになっています。
（１）中性子イメージングの基礎(1-1) 中性子と X 線の違い
(1-2) エネルギー分解測定について(1-3) 水のイメージング（水分量の定量測定）（２）どうやって測るか(2-1) 静止画、動画、CT 測定法(2-2) Bragg-edge 測定法(2-3) 共鳴吸収の測定(2-4) 磁場測定法（偏極中性子イメージング法）(2-5) タルボ・ロー干渉計による位相イメージング(2-6) オートラジオグラフィー（３）中性子検出器(3-1) フィルム法(3-2) IP（イメージングプレート）(3-3) シンチレータ＋カメラ(3-4) 中性子イメージインテンシファイア(3-5) GEM を用いた中性子二次元検出器 nGEM
(3-6) マイクロピクセルチェンバー（μ-PIC）中性子イメージング検出器 （µNID）(3-7) ピクセルタイプ検出器(3-8) MCP 検出器

Ⅰ-2

３．イメージング画像集
画像の例として以下のものを掲載しました。
【植 物】
・カーネーション・トウモロコシ・木材（難燃処理木材）【産業応用】
・コンクリート(1)、(2)、(3)
・鉄筋コンクリート
・小型固体高分子形燃料電池の膜厚方向水分布計測
・固体高分子形燃料電池のダイナミック CT 計測
・リチウムイオン電池製品内部の黒鉛負極材の結晶格子面間隔変化の可視化・リチウムイオン二次電池
・流動層セグレケセーション（二粒子混合）・流動層水平熱交換器まわりの流動層層材挙動
・流動層熱交換器（鉛直配置）まわりの流動層層材挙動・鉛直バンドル配置された流動層熱交換器まわりの流動層層材 3 次元分布
・流動層セグレケセーション（粗大粒子まわりの粒子挙動）
・流動層内単一気泡まわりの粒子挙動
・流動層ディストリビュータから吹き込まれた気泡の動的評価
・流動層ディストリビュータから吹き込まれた空気の三次元分布特性・沸騰二相流のボイド率計測（熱流束差による影響評価）
・強制流動脈動化における沸騰二相流のボイド率計測
・超臨界水熱合成装置内における超臨界水－常温水の混合状態の中性子線 CT 像
・ベアリング・小型 4 ストロークエンジン内の潤滑油挙動の可視化
・人工衛星用スラスタ
・モデルモーター磁場イメージング
・塗装鋼板の塗膜腐食膨れ内の水・鉄鋼材料：溶接材
・圧延鋼材溶接部の優先方位・集合組織発達度・結晶子サイズの可視化
・焼き入れ棒鋼の焼き入れ部（マルテンサイト相）の結晶格子面間隔ならびに結晶格子面間隔分布の幅の可視化
・Fe 板材内の格子歪分布
・金属（Al、Cu、Pb）円柱・中性子透過率測定型中性子共鳴吸収分光法による核種・温度の CT イメージング・中性子共鳴吸収を用いたマイナーアクチニド核種のイメージング【文 化 財】
・日本刀の結晶組織構造【医学応用】・オートラジオグラフィーへの例（BNCT への利用の展望）Ⅰ-3

(1) 中性子イメージングの基礎(1-1) 中性子と X 線の違い
中性子は X 線と同じような知見が得られるが、中性子特有の性質があり、中性子でなければ得られない情報もある。最近のイメージング手法に関連して、中性子と X 線の特性の違いを説明する。
最も基本的な特性は、原子による相互作用の強さの違いである。X 線は原子番号が大きくなるにつれて相互作用が強くなるが、中性子は原子（原子核）毎に相互作用の大きさが異なる。中性子と X 線の原子毎の相互作用の違いを図 1-1-1 に示す。この特性の違いは、X 線が原子核周囲の電子およびそれによって作られる場と相互作用するのに対し、中性子は原子核と相互作用するからである。そのため、X 線では電子の数だけが問題となり、電子数が決まる原子番号に依存することになる。即ち、重い原子ほど X 線との相互作用は強くなり、同位元素による違いもない。一図 1-1-1

方、中性子は、原子核との相互作用であるので、核毎に相互作用は異なってくる。従って、同位元素によって相互作用の強さが異なり、同じ水素でも軽水素の方が重水素より熱中性子（0.025eV）では、約 30 倍相互作用が大きくなっている。従って、同位元素を使うことによって、特定の元素の影響を消す、あるいは変えることによって、その元素の情報を得ることができる。
次の特徴は、中性子の透過力が強いことである。図1-1-2 は鉄を例にとった中性子と X 線の相互作用断面積のエネルギー依存を示している。また、図中に回折実験に使われるエネルギー領域、透過実験に用いられるエネルギー領域を大まかではあるが示してある。中性子の方が低いエネルギーで回折実験が行われるが、波長にすると X 線とほぼ同じ領域となる。回折が行われる領域で見てみると、中性子の相互作用断面積は X
線の 1/1000 程度であり、非常に透過力が強いことがわ
かる。回折実験での試料厚さは、中性子が数 mm、X
線が数μm 程度が通常使われる。エネルギーの高い、即ち波長の短い X 線を使用して、前方への回折を使え
ば、一桁位厚い試料が使えるが、ビームサイズを細くしなければならないという制約が出てくる。透過について
みれば、中性子は、軽水素を多く含む物質以外の、多くの材料について、ブラッグカットオフと呼ばれる急激な

図 1-1-2

断面積の減少が meV 領域で起きる。鉄の断面積にもそれが表われている。そのエネルギーより高い所では、断面積がほぼ一定であり、どのエネルギーを使っても同様の透過力が得られる。それ以下のところでは、透過力が高くなり、厚い試料が測定できる。中性子では、どのエネルギーでも cm オーダーの鉄を透過することがで
Ⅰ-4

きるが、X 線では 100keV 位の高い X 線が必要となる。ここで示した透過実験用の X 線のエネルギー範囲は
概ね市販の X 線管のエネルギーで最大 400keV を想定している。電子加速器を使えば、もっと高い X 線を発生することができ、更に厚い鉄を透過することができる。しかし、このエネルギーでは構造情報が得られる回折現象を起こさないので、構造情報を得ることはできない。その点、中性子では、ブラッグカットオフとそれより短波長に表れるブラッグエッジに代表される結晶構造に起因する構造があり、その形状を解析することによって結晶組
織構造情報を得ることができる。これは、後に説明するブラッグエッジイメージングへつながる。
最後の特徴は、中性子の磁気モーメントである。磁気モーメントは X 線に無いものであり、中性子が磁場中あるいは磁性材料中を透過すると図 1-1-3 のようなラーモア
歳差運動を行う。これを解析することによって、磁場情報を得ることができる。

図 1-1-3

Ⅰ-5

(1-2) エネルギー分解測定について
原子炉中性子源では、235U の核分裂によって中性子が発生する。核分裂によって発生した中性子は、中性
子イメージングに適した熱中性子エネルギー（～25 meV）領域より高いエネルギーを有しているため、減速材を用いて熱平衡状態に達してから使用する。原子炉室には炉壁を貫通するビームチューブから引き出された中性子が大型の単結晶で単色化され、その後実験装置へ供される。単結晶モノクロメーター・アナライザを用いた単色熱中性子を用いて、磁気単結晶内部の磁区の観察や厚みのある試料内でも磁化プロセスの観察などに応用されている。
加速器を用いて中性子を発生させる場合、加速した陽子ビームを線源ターゲットに衝突させる。その際、核破砕反応によって、様々な波長（白色）を含んだ中性子が発生する。飛行時間（TOF： Time Of Flight）法を用いることによって、高精度のエネルギー分析が可能となる。中性子の波長(エネルギー)は、次式
λ=

=

=

：中性子の波長、m：中性子の質量、v :速さ、l :飛行距離、t :飛行時間により、線源から検出器に到達するまでの時間を計測することによって求めることができる。減速材（モデレーター）の材質によって、冷中性子や熱中性子を使い分けることが可能である。パルス中性子イメージングでは、主に冷中性子や熱中性子を用いて測定が行われている。図 1-2-1 には、Mo（厚さ 1cm）の縦軸透過率、横軸
中性子エネルギーの Bragg edge スペクトル、共鳴吸収スペクトルを示した。エネルギー領域が 1eV 以下の冷中性子を用いると、Bragg 角 90°で面間隔 d に対応する波長、 = 2d に Bragg カットオフが現れる。Bragg カットオフの位置は、結晶構造や面指数（hkl）に由来する。エネルギー領域が 1eV 以上の熱中性子を用いると、含有される核種固有の凹みがエネルギー分布スペクトル中に観測される。凹みの深さは含まれる核種の量に依存することから、どんな核種がどれだけ存在するかを定量することが可能となる。様々なエネルギーの中性子を利用することが可能なパルス中性子イメージングは、エネルギー分析に適している。
1.0

Neurton transmission

0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

Neutron energy / eV

図 1-2-1
Mo（厚さ 1cm）の Bragg edge スペクトルと共鳴吸収スペクトルⅠ-6

(1-3) 水のイメージング（水分量の定量測定）
水分子中の 1H に対する、熱中性子の反応断面積が 30 barn と、他の原子核例えば 56Fe では 15 barn と比べて大きく、中性子に対する透過度が水素に対して低くなり、中性子の透過画像イメージングでは水素で高コントラストが得られる。一方 X 線では透過度を左右する反応断面積は一般的に電子の数、つまり元素の陽子数に比例するので、水を構成する水素と酸素のような軽元素に対しては反応率が小さくなり、透過度が大きくなり、水に対するコントラストは低くなる。このため中性線は X 線に比べ、水のイメージングに優れている。表に熱中性子と X 線の 2mm 厚の水と 6mm 厚の鉄に対する透過度の計算を示す。X 線においては水の透過度はおおきく、イメージングに必要なコントラストを得ることは難しい。しかしながら熱中性子では水の透過度は鉄に比べて小さく、水でのコントラストが高くなる。
熱中性子と X 線での透過度（反応断面積からの予測値）
透過度
厚さ[mm]

熱中性子(25meV)

X 線(8keV)

水

2

0.60

0.92

鉄

6

0.24

0.0

原理 1)
試料を用意し、水を含んでいない（乾燥）状態と水を含んだ（含水）状態の中性子透過イメージを撮像する場合を想定する。中性子透過という観点からは、含水状態のサンプルは乾燥状態のサンプルに水を加えたものと考えられ、両状態の中性子透過イメーの差をとることによって、水の分布を得る。以下にその原理を説明する
式を示す。
乾燥サンプルの中性子に対する吸収長とその厚さを,として、入射中性子強度をとすると、透過中性子強度はとなる。また水の吸収長と厚さを

=

,

⁄

∙ exp(−(1-3-1))とすると、含水サンプルに対しては、入射中性子強度を

とすると、

透過強度は
⁄

∙ exp(−

について解くと、

∙[

( ⁄

)+

となる。式(1-3-2)を式(1-3-1)で除算して水の厚さ
=

⁄

=

−

(

)

⁄ )]

(1-3-2)(1-3-3)が得られる。この時点で式(1-3-3)からは乾燥サンプルの吸収長と厚さの項はキャンセルされている。
実験的には式(1-3-3)の大括弧中の第 1 項は撮像した２つのイメージの輝度比から、第 2 項は入射中性子の強度比から得られる。水の吸収長は実験からの検量線または放射線輸送計算シミュレーションで求めることができる。
原子炉中性子源において入射中性子強度の時間変化が無視できる場合、式(1-3-3)の第 2 項は小さくなり、
水のイメージは乾燥状態の画像と含水状態の画像のそれぞれのピクセルでの輝度比をとったものの Log をとることで得られる。
これらの操作は ImageJ 等の画像解析ツールを用いて処理することで、水の分布が得られる。
Ⅰ-7

塗装鋼板の塗膜下腐食中の水の観察例
普通鋼と耐食合金鋼の２種の塗装鋼材（鉄 6mm 厚、塗装 240μm 厚）の塗装に傷をつけ、塩水噴霧と乾燥の過程を繰り返し、腐食を促進させたサンプルを用意して、水に浸して十分含水させた後にひきあげ、空気中
での乾燥過程の中性子透過イメージを J-PARC BL-10 で LiF/ZnS(Ag)シンチレーターと CCD センサーを組み合わせた中性子イメージング検出器で十分乾燥するまで撮像を行った。これらの透過画像はサンプルの前処理なしに撮像された。
乾燥イメージと乾燥過程のイメージを式(1-3-3)で比較することによって、水のイメージングを行った。図1-3-12)にサンプルの写真と水のイメージを示す。中性子イメージングを用いて塗膜下の水の動きを鮮明に捉えている。この技術を用いると、物体中での水素を含む物質の分布を定量的に観察することができる。さらに連続撮像することで、動画を得ることもできる。
参考文献
1) Taketani, et.al: ISIJ Int., 57(2017)155
2) A.Taketani et.al: Mater. Trans. 59(2018) https://doi.org/10.2320/matertrans.M2018017

図 1-3-1

Ⅰ-8

(2)どうやって測るか(2-1) 静止画、動画、CT 測定法
ここでは、一般的な中性子透過像を得る手法について概説する。大雑把に言えば、可視光を使った「影絵」に対して、X 線を使った影絵を「レントゲン」、中性子を用いた影絵を「中性子ラジオグラフィ」または、「（透過型）中性子イメージング」と呼ぶ。
すでに解説されているように、中性子と物質との相互作用では、核反応を伴う吸収や散乱などが考えられる。
いずれにせよ、サンプルに中性子線を当てると、中性子ビームの進行方向に中性子は物質内で減衰される。この減衰の強弱を画像として計測し、中性子透過方向の情報を得ることができる。
１．中性子イメージングシステム
典型的な中性子イメージングシステムは、図 2-1-1 に示すように、①中性子源、②被写体、③シンチレータ、④暗箱およびカメラからなること一般的である。シンチレータを用いて中性子画像を可視光画像に変換し、CCD などの高性能カメラを用いて、画像を取得する。蛍光コンバータは 6LiF：ZnS(Ag)を組成とするものが最も広く用いられており、中性子像を可視光画像に変換する。ただし、現在使用されている蛍光コンバータは発光
輝度が月明かり程度と微弱であるため、超高感度のカメラの使用が必要不可欠となる。従来は、撮像デバイス
として超高感度を有する SIT（Silicon Intensifier Target）管カメラが使用されてことも多かったが、現在では、
冷却型 CCD（Charge Coupled Device）カメラの性能が向上し、CCD カメラを用いることが多く、CT 撮像にも利用される。また、通常のカメラでは、撮像速度は最大撮像速度は毎秒 60 コマであることが多いが、より高速の現象を捉えるために可視光用のイメージインテンシファイアを装着した高速度ビデオカメラ（毎秒 1000 コマ以
上の撮影が可能）を利用することも可能である。

CCD
Lens

SampleNeutron beam

MirrorScintillator (6LiF: ZnS)

図 2-1-1 中性子イメージングシステム
・撮像に対して注意すべきこと
透過型イメージングによって得られた画像の画質は以下のような要素に依存する。
①中性子源のビーム平行度②被写体の性質③中性子束と露光時間④撮像システム上記の①について、通常の影絵を例にして簡単な説明を行う。一般に日光のもとでは、くっきりとシャープな影絵が得られることが多い、しかしながら、図 2-1-2 に示すように、室内で影絵を作る場合には、スクリーンと被Ⅰ-9

写体の距離が離れると徐々に影絵がぼやけて、ある距離以上になると影がほとんど判別できなくなる。室内には、光源と被写体までの距離が短く、光の平行度は高くない。また、他に光源がある場合や室内の壁などでの反射光も存在するため、被写体とスクリーンとの距離が長くなるにつれて、像がぼけていくことになる。日光の場合は、地球と太陽との距離が非常に長いため、平行度は極めて大きく、大気中での散乱が小さい場合には、良好な影絵を得ることができる。

(a) 室内での影絵(b)ｽｸﾘｰﾝとの距離が近い場合(c)ｽｸﾘｰﾝとの距離が遠い場合

図 2-1-2 可視光を用いた影絵の例
このボケのメカニズムを図示したのが、図 2-1-3 であり、光源とサンプルとの距離を L とし、光源の大きさを Dとすると平行度は L/D（Collimator ratio と呼ばれる）と表現することができる。さらに、サンプルとスクリーンとの距離を L’とすると、ボケ Ug は L’/(L/D)と概算できる。中性子イメージングの場合もスクリーン上の投影されるボケは同様にしておこるため、鮮明な画像を取得するためには、①平行度の高い中性子ビームを用いるか、②サンプルとスクリーンとの距離をできるだけ短くする必要がある。中性子イメージング設備では、L/D は、50～1000 程度である場合が多いが、鮮明な画像を得るためには、L/D>100 の設備を用いることが望ましい。な
お、被写体とスクリーンとの距離を極めて小さくできる場合には、平行度が悪いビームを用いても良質な画像が得られる。

図 2-1-3 ビームの非平行度による画像のボケのイメージ図
Ⅰ-10

また、中性子イメージングの場合には、ビーム平行度のみならず、被写体内部の散乱によっても、画質は劣化する。中性子は水素含有物に高い感度をもつため、水素含有物や水などの分布を計測する応用例が多い。
しかし、水素は散乱断面積が大きく、中性子が水素含有物を含む被写体に照射されると、図 2-1-4 のように、その進行方向がバラバラになり、いくらビーム平行度が高くても、透過ビームの平行度は悪化し、結果として画像がぼけてしまうことが多い。

xNeutronBeam

Penetrated0

Penetrated

NeutronBeam0(a)中性子吸収体の場合の透過(b)散乱体の場合の透過

図 2-1-4 物質内散乱による画像のボケの概念図
水などの散乱体をサンプルとした場合には、散乱した中性

Neutron Beam

子は当方的に散乱されるため、物質がない場所の中性子強度が増加することが考えられる。図 2-1-5 はこれを模式的に表したもので、透過成分はステップ上になるものの、散乱成分が存在するために、結果的にスクリーン上に投影される輝度分布は一番下の分布のようになり、定量化に当たっては何等かの補正が必要である。補正法には、①Cd のようなグリッドを用いて散乱成分を評価し、差し引く方法、②被写体とスクリーンとの距離を十分長くとることで、散乱成分を平滑化し、散Scattering
material
Detectorplane

乱成分をオフセットとして差し引く方法、③散乱体の分布を仮定し、試行計算により、散乱成分を補正する方法、などがある。いずれも長所と短所があり、目的に応じて、適した補正をPenetrated行う必要がある。
③の中性子束は、ノイズの少ない画像を得るために最も重+Scattered

要な要素である。研究炉の場合には、イメージング施設の中性子束は 105～108n/cm2s であることが多いが、中性子の計
測精度は、中性子計数の統計誤差に依存するために、十分な露光（撮像）時間が必要となる。

Measured

小型中性子源を用いたイメージングでは、研究炉などの大型設備と比較して、中性子束が小さい場合が多く、統計誤差を減少させ、良好な画像を得るためには長い露光時間が必要と

図 2-1-5 物質内散乱による、輝度分布の歪みなる。従来は、撮像素子の効率や十分でなかったが、近年はⅠ-11

CCD カメラの検知精度が格段に上がり、小型中性子源を用いた場合でも、比較的短い露光時間でも良質な画像が得られるようになってきている。
２．CT 撮像について
単純な透過型中性子イメージングでは、得られるのは 2 次元情報であるため、サンプルの 3 次元構造を得る
ことは原理的には不可能である。しかし、角度を変えて、様々な方角からの透過像から、内部の 3 次元構造を得ることができる。これをコンピュータートモグラフィ（Computed Tomography: CT）と呼ぶ、再構成する。
この場合、各部位の中性子の減衰率を未知数とし、角度を変えた透過像から、連立方程式を立て、これを解くことにより、各部位の減衰率を算出することが可能である。CT 法は中性子イメージングに先立って、主に X
線イメージングの分野で発達してきており、様々な CT 再構成アルゴリズムが提案されてきた。
CT 再構成アルゴリズムには、解析的再構成法、代数的再構成法、統計的再構成法に大別され、逆投影法
は解析的再構成法に分類され、逐次近似画像再構成法は代数的再構成法と統計的再構成法に分類される。
これまで CT 画像再構成法の主流はフィルタ補正逆投影法（filtered back projection：FBP 法）であったが、近年では画像ノイズ低減効果やアーチファクト低減効果が期待される逐次近似画像再構成法（iterative
reconstruction：IR 法）が増えつつある。いずれにせよ、CT 法については中性子イメージング分野によらず、他分野においても積極的な開発が行われているため、最新の情報を得て、得られた中性子イメージングに応用することが重要と考えられる。

Ⅰ-12

(2-2) Bragg-edge 測定法
1. はじめに
近年、透過性の高い中性子を用いたイメージング研究が盛んに行われている。中性子を用いた研究施設は、原子炉施設（定常中性子源）と加速器施設（パルス中性子源）に分けられる。原子炉施設の特徴は、原子炉内で発生した波長が一定（単色）の中性子を用いて様々な実験が行われる。加速器施設の特徴は、核破砕反応
によって生じた様々な波長（白色）を含む中性子を用いる。Bragg-edge 法は、加速器（パルス中性子源）を用いて発生した中性子を利用する。
パルス中性子源では、飛行時間（TOF： Time Of Flight）法と呼ばれる高精度エネルギー分析法が利用さ
れる。
λ=

=

=

(2-2-1)：中性子の波長、m：中性子の質量、v :速さ、l :飛行距離、t :飛行時間

パルス中性子源で発生した中性子の波長は、(2-2-1)式より線源から検出器に到達するまでの時間を計測する
ことによって求められる。
2. Bragg-edge 法の原理
実験により測定した入射ビームスペクトル(I0)、透過スペクトル(I)データを用いて透過率を求める。
(2-2-2)

Transmission =透過スペクトルデータには、弾性干渉性散乱・非弾性干渉性散乱・非弾性非干渉性散乱・弾性非干渉性散乱・吸収が含まれる。全成分を積分した全段面積値(Total cross section,tot)を求めることが可能である（式（2-2-3）参照）。
Tr(λ) = exp −Σ,( )(2-2-3):原子数密度、t:試料厚さ、P:結晶相、 tot:全段面積

σ

( )=

( )+

( )+

( )+

( )+σ

( ) (2-2-4)

図 2-2-1 α-Fe(bcc 構造)の全段面積と弾性干渉性散乱・非弾性干渉性散乱・
非弾性非干渉性散乱・弾性非干渉性散乱・吸収スペクトルⅠ-13

図 2-2-1 には、 -Fe の全段面積を示した。図 2-2-2 には、多結晶におけるブラッグエッジの形成過程を示した。
波長 4.1Å で、ブラッグの条件の満たす 110 回折が生じている。

図 2-2-2-Fe の 110 回折のみから形成されるブラッグエッジ

ブラッグエッジには、マクロ歪、ミクロ歪、結晶構造・結晶相変化、集合組織に関する情報が含まれている。解析コード RITS[1]を用いることによってこれらの情報を得ることが可能である。
3. 実験について
実験体系や実験から得られるスペクトルの例を示す。

パルス中性子源

検出器

入射ビーム :I0
試料透過ビーム :I
図 2-2-3 実験体系
入射ビーム I0
Al

4000003000002000001000000500000Intensity (a.u.)

Intensity (a.u.)

500000300000200000100000
0

Al

10000

20000
tof / us30000

図 2-2-4 入射ビームスペクトル

試料透過ビーム I
Al,
Fe,
SUS

400000

Fe
SUS
Al

10000

20000
tof / us30000

図 2-2-5 透過ビームスペクトルⅠ-14

図 2-2-3 には実験体系を示した。測定試料は Fe( )と SUS304 溶接板材である。Bragg-edge 法では、入射
ビーム I0 と透過ビーム I の 2 つのデータを用いる。実験手順としては、(1) 入射ビームスペクトルの測定 （図 2-2-4 参照）(2) 透過ビームスペクトルの測定 （図 2-2-5 参照）(3) 規格化した入射ビームスペクトルと規格化透過ビームスペクトルから透過率を求める。図 2-2-6 の透過スペクトルが得られる。
中性子が透過するビームガイド管の窓材として Al 合金が用いられている。そのため、入射ビームスペクトル（図 2-2-4）内には、Al 合金由来のブラッグカットオフが明瞭に観察される。透過率を求める際は、規格化した入射および透過ビームスペクトルを用いる。規格化は、線源に入射するプロトン数や中性子が発生した際に計Tranmission

1.0
0.8
0.6
0.4
0.2

Fe
SUS

1
2
3
4
neutron wavelength (Å)
図 2-2-6 溶接材の透過率

5Total cross section (barn)

測されるキッカーパルス数を用いる。実験から得られた透過率を図 2-2-6、全段面積値を図 2-2-7 に示す。

25
20
15
10
5
0

Fe
SUS

1
2
3
4
neutron wavelength (Å)

5

図 2-2-7 溶接材の全段面積値

参考文献[1] H. Sato, T. Kamiyama, Y. Kiyanagi, A Rietveld-Type Analysis Code for Pulsed Neutron BraggEdge Transmission Imaging and Quantitative Evaluation of Texture and Microstructure of a Welded-Iron Plate, 52, (2011), 1294-1302.

Ⅰ-15

(2-3) 共鳴吸収の測定
中性子共鳴吸収の測定は、一般的な中性子散乱で利用する冷～熱中性子領域より高いエネルギーの中性子である熱外中性子(>0.5eV)を利用する。熱外中性子領域の透過スペクトルを取得すると、複数の鋭い吸収
ディップが観測されることがあるが、これが共鳴吸収による中性子の吸収である（図 2-3-1）。共鳴吸収は、中性子が原子核に吸収されたときにできる複合核のエネルギ
ー準位に対応しており、適当なエネルギーの中性子が試料に入射すると共鳴的に吸収されるため生ずる。一方、この複合核は短い時間のうちにγ線として余剰のエネルギーを放出し、これは即発γ 線と呼ばれる。共鳴
吸収は複合核の形成に起因するため、それが起きるエネ

図2-3-1. ヨウ化銀の中性子共鳴吸収スペクトル

ルギーから核種の区別が可能となる（表 2-3-1）。また核種の局所運動によるドップラー効果が吸収ディップ
形状に反映するため、核種が持つ運動エネルギーに関する情報を得ることも可能である。
このような共鳴吸収の特徴か
ら、その測定には図 2-3-2 のように2 種類の方法がある。いずれの場
合にも、例えば中性子飛行時間法
で中性子スペクトルを測定する必要があるということに注意が必要になる。測定方法の一つは、中性子の吸収量を透過スペクトルとして直接測定する方法である。この透過型の場合、エネルギーの決まった中性子に対し試料透過でどの ぐらい中性子が減少したかを記録し、エネル
ギーをスキャンしていく。このようにして記録した中性子スペクトル

図 2-3-2. 中性子共鳴吸収の測定には、共鳴吸収エネルギー位置に複数のディップが現れるので、そのエネルギーから核種の種類が、吸収量から核種の量が、ディップの幅から核種の運動エネルギーが解析できる。

Ⅰ-16

一方、共鳴吸収時に放出される即発γ線を中性子共鳴吸収の結果として記録する方法もある。この
即発γ線型の場合、共鳴吸収の測定には中性子用の検出器ではなく、γ線用の検出器を用いる。共鳴吸収による即発γ線は等方的に放出されるので、試料の周囲を囲むようにして検出器を設置する。入射中性子のエネルギーをスキャンして、放出される即発γ線を入射中性子エネルギーに対して記録していくと、共鳴吸収が起きている位置では即発γ線が吸収量に比例して放出されるため、共鳴吸収がピークとして記録される。このピークを中性子透過量の測定と同様に解析することにより、核種の種類、量、運動エネルギーが得られることになる。
イメージングについては、透過型の測定では 2次元検出器を用いた測定で核種の存在を画像化することが可能となる。特に入射中性子エネルギーに対してゲートをかければ、共鳴吸収を起こす核種のみの分布が容易にイメージングできる。一方の即発γ線型に関しては、透過測定ではないので位置情報を持ったスペクトル群を一度に測定することはできない。 この場合には中性子スリット等で入射中性子に位置の情報を付加することで、空間スキャ ンによりイメージングすることになる。測定の時間はかかるが、透過型
同様 CT スキャンも可能である。

表2-3-1. 中性子共鳴吸収断面積(<35eV)の例
核種47Ag

共鳴エネルギー
[eV]
5.19

断面積
[barn]
12500

49In

1.457

51Sb

共鳴エネルギー
[eV]
1.79

断面積
[barn]
200

30000

2.29

450

6.24

1700

3.66

60

52Te

2.334

500

6.82

230

55Cs

5.9

7000

10.39

100

56Ba

24.37

150

1.124

30

62Sm

8.047

15000

2.028

60

63Eu

0.46

10000

3.615

60

73Ta

4.28

13000

4.845

180

10.36

4000

6.38

480

13.95

800

8.77

250

74W

4.155

2500

11.67

550

79Au

4.906

2800

12.39

600

198

23

150

6.671

7000

199

34

510

20.872

7000

Hg
Hg

核種
233

U

235

U

238

U

Ⅰ-17

(2-4) 磁場測定法（偏極中性子イメージング法）
中性子はスピン磁気モーメントを有しており、空間中の磁場と相互作用しそのスピン状態が変化する。このス
ピン状態の変化を空間分解能を以て検出することで、中性子が通過してきた磁場の情報を画像化することができる。これが中性子線を用いた磁気イメージングである。
中性子線が任意の磁場Bの中を通過する際に起こるスピン状態の変化は下記の式により記述される。
=

×(2-4-1)

ここで nは中性子スピンと平行な単位ベクトル、 は中性子の磁気回転比である。式(2-4-1)は中性子スピンが磁場ベクトルを軸としたラーモア歳差回転をすることを意味し、この歳差回転を利用することで磁場情報の空間的な分布を画像化するのが偏極中性子イメージングの基本的な考え方となる。式(2-4-1)の結果として生じる中性子スピンの歳差回転角度 は=(2-4-2)∙∫となる。ここで、 は中性子波長、mは中性子質量、hはプランク定数、∫∙は磁場の強度を中性子の飛行経路について積分した量である。すなわち、歳差回転角の絶対値と中性子波長が決まれば、中性子飛行経路内の磁場強度の情報を取得することが可能となる。ここで注意しなければいけないことは、式(2-4-1)はスピンの極性に依存し、非偏極中性子（正極性と負極性の中性子が同数ある状態）では、歳差回転の情報を取得することができない。そのため、スピン極性が一方向にそろった偏極中性子を利用することが不可欠であること。そして、式(2-4-2)から磁場強度情報を取得するためには、中性子波長が一定（単色中性子）であることが要求されることである。
次に、中性子スピンの歳差回転を検出する方法について述べる。歳差回転を直接測定することは困難である
が、中性子スピンをベクトルとして考えた時、中性子の偏極度は中性子スピンの量子化軸方向への射影となる
ため、偏極度から間接的に回転角を求めることが可能である。ここで、偏極度Pは、=(2-4-3)で定義され、アップスピン状態（Nu）とダウンスピン状態の中性子数（Nd）から計算される。偏極中性子イメージ
ング法では、この偏極度を位置毎に測定するため、通常の中性子イメージングの体系に中性子偏極度を解析する機器を導入する。最も単純な実験体系では、観察対象の上流に中性子偏極素子とスピン反転器を設置し、観察対象と検出器の間に中性子検極素子を設置し、偏極素子と検極素子の磁場方向を量子化軸として中性
子スピンの方向を解析する（図2-4-1参照）。観察対象を透過した後のアップスピン状態とダウンスピン状態の中性子強度は、スピン反転器を用いて入射中性子線のスピンの方向を反転させることで測定する。入射偏極
中性子強度をN0、試料による吸収をe-a、スピンの回転に依存する成分をNu,d ( )とすると、各スピン状態での中性子強度は、,=,( )と表現され、偏極度Pには吸収に関わる項が除かれ、スピンの回転に依存する項のみが残る。さらに、偏極素子・検極素子の偏極効率を補正するため、観察対象が無い場合の偏極度P0で規格化する※1。
偏極素子と検極素子の量子化軸を同一に取った時、偏極度Pは= {1 − (1 − cos ) ∙ (1 −)}(2-4-4)と書き表される。ここでnは観察対象となる磁場の量子化軸方向への方向余弦である。式(2-4-4)より明らかなⅠ-18

ように、Pは と +2n について同一の値を与え、中性子スピンの回転に対して2 の周期性を有し、歳差回転角の絶対値を一意に決定することができない。しかしながら、式(2-4-2)に示すように歳差回転角は中性子波長に依存するため、複数の波長を用いて偏極度を測定することがこの問題を回避する上で有効である[1]※2。
さて、磁場はベクトルであるため、「磁場強度」だけでなく「方向」も重要な量である。式(2-4-4)には量子化軸への磁場の方向余弦が含まれるため、1方向のみの偏極度解析では量子化軸からの磁場方向の傾きしか知ることができない。磁場ベクトルをより厳密に求めるためには、偏極度を3次元的に解析することが必要である。
そこで、偏極度をベクトル量に拡張する。観察対象を透過後の偏極度Pは、回転行列Dを用いて = ( )と表される。回転行列の各要素Dijは、磁場が中性子線の経路に対して一様な場合について以下の用に表現することができ、= 1 − (1 − cos ) ∙ (1 −= (1 − cos )= (1 − cos )

−

+

sin

sin

)
（ただし、i, j, k = x, y, z） (2-4-5)

非対角項には磁場方向を示す単位ベクトル(nx, ny, nz)の一次の項が顕に含まれる[2]。そのため、中性子ス
ピンの方向を3次元的に制御して、この回転行列要素を測定することにより、磁場の強度と方向に関する情報（磁場ベクトル）を原理的に取得することができる。
偏極中性子イメージングの実験体系の概念図を図2-4-1 に示す。上述のように、この実験体系は、通常の中性子イメージングに使用される2次元画像検出器の上流に、偏極素子・スピン反転器・検極素子を配置することで構成される。偏極素子と検極素子には、中性子磁気ミラーや3Heスピンフィルターが使用される。3次元スピン解析を行なう場合には、観察対象の前後にスピン回転子と呼ばれる1対の板状のコイルをそれぞれ配置し、各コイルの磁場により中性子スピンを90度回転させることで中性子スピンの方向をx, y, zの各軸に向ける。さらに、3次元スピン解析では、環境磁場の影響を排除するためにスピン回転子と観察対象を零磁場空間に配置するため、全体を磁気シールドで囲む場合がある[3]。

図2-4-1 3次元スピン解析の実験体系の概念図。
観察対象を挟んで、偏極素子と検極素子、スピン回転子と呼ばれるコイルが配置される。

偏極中性子イメージングにおける視野範囲は偏極素子の大きさに依る場合が多く、数10mm角程度が一般的である。使用可能な中性子波長範囲も偏極素子の偏極性能に依存し、熱〜冷中性子の範囲が主に使用される。また、偏極中性子を利用することはビーム強度は最も効率が良いとしても非偏極中性子の半分であり、偏極素子と検極素子の透過率や偏極性能によって、さらに強度が減少することに注意されたい※3。この手法の応用先としては、空間中の磁場のみならず、磁性体中の磁化分布や磁区構造、超伝導体中にトラップされた磁Ⅰ-19

束などがあり、歴史的にも偏極度解析法は磁性体中の磁気秩序状態の同定に使用されてきたことから、磁気相転移温度分布の観察等への応用もなされている。さらに、トモグラフィと3次元スピン解析を組合せた磁場ベ
クトルの3次元空間分布の再構成技術の開発も進められており[4]、将来的には現在の技術では実現されていない磁性体内部の磁区構造の3次元可視化が可能になると考えられる。しかしながら、中性子偏極技術が不可欠であるため、測定を実施可能な施設はJ-PARCのRADEN、HZBのCONRAD、PSIのBOA、FRM-IIのPONT、ANTARESなどの大型中性子実験施設に設置された装置に現在のところ限られている。今後は本技術が実施可能な施設が増えることが期待される。

※1

厳密にはスピン反転器のスピン反転効率を考慮する必要がある。

※2

複数の中性子波長での測定を行なう際に、パルス中性子は飛行時間分析法を活用して高効率かつ高精度な偏極度の中性子波長依存性を取得することができるため、偏極中性子イメージングによる磁場の定量化において大きな利点がある。
※3
利用可能なビーム強度は偏極素子の性能に強く依存するが、非偏極中性子を使用する場合の1桁程度である。
[1] T. Shinohara, K. Sakai, M. Ohi, T. Kai, M. Harada, K. Oikawa, F. Maekawa, J. Suzuki, T. O
ku, S. Takata, K. Aizawa, M. Arai and Y. Kiyanagi, Nucl. Instr. and Meth. A 651, 121(2011).
[2] M. Th. Rekveldt, Z. Pys. 259, 391 (1973).
[3] T. Shinohara, K. Hiroi, Y. H. Su, T. Kai, T. Nakatani, K. Oikawa, M. Segawa, H. Hayashida,
J. D. Parker, Y. Matsumoto, S. H. Zhang, Y. Kiyanagi, J. Phys.: Conf. Ser. 862, 012025(2017).
[4] M. Sales, M. Strobl, T. Shinohara, A. Tremsin, L. T. Kuhn, W. R. B. Lionheart, N. M. Desai,A. B. Dahl, S. Schmidt, Sci. Rep. 8, 2214 (2018).

Ⅰ-20

(2-5) タルボ・ロー干渉計による位相イメージング
1. 位相イメージング
低エネルギー中性子と試料の相互作用は，複素屈折率 を用いて表すことができる．
( , , )= 1− ( , , )+( , , )， =

c，

=

( a+

inc +

coh )

ここで， は中性子波長， は原子核数密度， c は干渉性散乱長である．また， a ， inc ， cohはそれぞれ吸収，
非干渉性散乱，干渉性散乱の断面積である．通常のラジオグラフィ（吸収コントラストイメージング）では，試料による中性子波の強度変化を測定し，屈折率の虚部 を試料の厚さ方向に射影した量の 2 次元分布を取得する．これに対して，位相イメージングでは干渉法を用い，吸収イメージングでは失われてしまう位相情報を強度情報に変換して，屈折率の実部 に関する情報を抽出する．たとえば波長 5 Å の場合では，多くの物質において ⁄ ∽ 10 − 10 であるから，吸収イメージングではコントラストが付きにくかった試料も位相イメージングでは明瞭に可視化し得る．本稿では格子干渉計の一種であり，近年活発な開発が進められている Talbot-Lau（タルボ・ロー）干渉計による位相イメージングについて概説する．
2. Talbot-Lau 干渉計
実験体系と原理
図 2-5-1 に示すように，Talbot-Lau 干渉計は 3 枚の格子から構成される光学系である．
中央の格子（G1）は回折格子であり，干渉計のビームスプリッタとして機能する．G1 の背後には Fresnel 回
折により Talbot カーペットとよばれる周期的な強度分布のパターンが現れる．特に，G1 から

=

/ （ ：

G1 の周期， :Talbot 次数，吸収回折格子のときは整数，位相回折格子のときは半整数）だけ離れた位置には，自己像とよばれる G1 と同一の周期をもつ強度分布が生じる（Talbot 効果）．

G1 の周期は通常数 μm 程度であるため，自己像を中性子イメージング検出器で直接撮影することは難しい．
そこで，自己像位置に同じ周期をもつ吸収格子（G2）をアナライザとして配置し，モアレ縞を生成して観察する．
このモアレ縞が Talbot-Lau 干渉計の干渉シグナルである．
このように，原理的には G1 と G2 の 2 枚の格子のみで干渉計を構成することが可能である．しかし，Talbot
干渉計でモアレ縞を生じさせるためには，空間可干渉性の要請から 1 次光源のサイズを絞らなければならず，
中性子強度が低くなってしまう．この問題を解決するのが最上流の吸収格子（G0）である．G0 はマルチスリットとして，可干渉な 2 次線光源列を作り出す．それぞれの光源からの自己像が強めあって重なる（Lau 効果）ように，G0 は G1 の前方=/ の位置に配置される（：G0 の周期）．

図 2-5-1 Talbot-Lau 干渉計の模式図．
実際のセットアップでは，G2 は自己像の位置に置かれるが，見やすくするため分離して描いている．
Ⅰ-21

通常のセットアップではモアレ縞は次のような簡単な形に書かれる．
( , )≃+cos Ψ =

+

cos

2

(

+

s)

+

ここで， はモアレ縞の平均強度， は振幅である．位相Ψは G1 と G2 間の 軸周りの相対角 ，G1 の G2 に対する 方向のずれ ，試料での入射波の屈折角 sに依存する．試料を置いた状態と置かない状態とで G2 位置の移動によって縞走査を行い，平均強度 ，位相Ψ，ビジビリティ（鮮明度） ≡ ⁄ の変化からそれぞれ，吸収コントラスト像，微分位相コントラスト像，ビジビリティコントラスト像が同時に得られる．
微分位相コントラスト像
微分位相コントラストイメージングで測定されるモアレ縞の位相変化ΔΨは試料での屈折角 s に比例する．光線の屈折角は，波動光学的には波面の歪み，つまり波動関数の微分位相 Φ⁄と等価であり，測定される物

理量を書き下すと以下のようになる．

ビジビリティコントラスト像

ΔΨ ∝

s ≡

2

Φ

∝

c

モアレ縞のビジビリティの減衰は，検出器で解像できない試料中の微小構造に由来する．試料の c またはが検出器のピクセル内で空間的に揺らいでいるとすると，平均的な屈折光からわずかにずれた（小角）散乱光が生じる．これによってモアレ縞は不鮮明に“ぼやける”ことになる．ビジビリティの減衰率は次式によって，微小構造の自己相関関数 ( ; Δ )と結びつけられる．
⁄= exp[− f {1 − ( ; −( ;Δ ) ≡Φf ( )Φf ( + Δ ))}]f

ここで，Φf は微小構造による平均的な位相シフトからのずれ， f はΦf の標準偏差である．
3. Talbot-Lau 干渉計による位相イメージングの具体例
J-PARC MLF BL22「螺鈿」で行った位相イメージングの具体例を紹介する．使用した Talbot-Lau 干渉計は位相回折格子タイプのもので，中心波長λ = 5 Å，
= 180 m，= 8.6 m，

= 1/2 で設計されている．G0，G1，G2 の周期はそれぞれ= 9.0 m である．また格子間距離は= 1535 mm，= 77 mm である．
図 2-5-2 に ZnS(Li)シンチレータを用いた EM-CCD カメラによるアルミニウムロッド（直径 5 mm）の吸収コン
トラスト像，微分位相コントラスト像，ビジビリティコントラスト像を示す．モアレ縞は 2π/5 rad 刻みで 5 ステップ
測定され，各ステップ 300 秒露光された．波長分解能は 5 Å を中心に 18%に設定された．また，撮影時の陽子ビームパワーは 500 kW であった．吸収コントラストではアルミニウムの像はほとんど確認できないが，微分位相コントラスト・ビジビリティーコントラスト像ではロッドのエッジがエンハンスされて，明瞭に可視化できている
ことがわかる．

Ⅰ-22

図 2-5-2：アルミニウムロッドの吸収，微分位相，ビジビリティコントラスト像．
図 2-5-3 には， NID による電磁鋼板の観察例を示す．モアレ縞の走査方法，および波長の設定は上記と同様で，各ステップの測定時間は 1 時間であった．撮影時の陽子ビームパワーは 150 kW であった．中性子は磁気モーメントを持つため，電磁鋼板中の磁場と相互作用する．微小磁区から構成される局所的な補助磁区
領域や磁壁では散乱の効果が大きく，ビジビリティの減衰として可視化される．一方，磁区の向きがそろっている領域ではビジビリティが保持されていることがわかる．

図 2-5-3：電磁鋼板のビジビリティコントラスト像．

参考文献[1] F. Pfeiffer et al.,Phys. Rev. Lett., 96, 215505 (2006).
[2] W. Yashiro et al., J. Opt. Soc. Am. A 25, 2025 (2008).
[3] W. Yashiro et al., Opt. Express 18, 16890 (2010).
[4] Y. Seki et al., J. Phys. Soc. Jpn. 86, 044001 (2017).

Ⅰ-23

(2-6) オートラジオグラフィー
Neutron Capture Auto-Radiography (NCAR)
１．はじめに
オートラジオグラフィーの手法を中性子捕捉療法の薬剤分布の測定に応用したので、まず、中性子捕捉療法（BNCT）について説明する。この方法は、腫瘍部に 10B 元素を集積させ、熱中性子照射で生じる原子核反応（10B＋1ｎ→４He+７Li+2.31MeV）で放出される α 粒子および７Li 粒子で、効率よく悪性腫瘍を破壊する細胞
内内部照射によるがん治療法である。BNCT が腫瘍部以外の正常組織を障害することなく有効であるためには、生体内に投与された 10B 原子が確実に患部に送達され、かつ限定されるような 10B デリバリー薬剤の開発が必要であり、患部ならびに他の正常臓器内の 10B の分布状況とその濃度を決定しておくことが不可欠である。
その基礎研究として、CR-39 プラスチック飛跡検出器（CR-39 は商標名で、物質名としては PADC（Polly Allyl
Diglicol Carbonate））を用いた中性子ラジオグラフィー(Neutron Capture Auto-Radiography : NCAR)がマウス標本に適応され、NCAR 像を形成する飛跡（エッチピット）の解析から、生体中の 10B の分布状況とその濃度の定量や腫瘍部内の線量計測が行われている。
２．NCAR 画像の取得
マウス背部皮下に癌細胞を移植し皮下腫瘍モデルを作成し、10B 化合物キャリアーを静脈から投与した後に、CMC(carboxymethyl cellulose)とドライアイスアセトンを用いて経時的にマウスを冷凍固定結させ、ミクロトー
ムにより作成したマウス薄片（40μm 厚）を CR-39 板に密着させ(このとき CR-39 の包装パックに入れて、真空にして密着度を増すと良い)、原子炉において 熱中性子を照射する。CR-39 は重荷電粒子に高感度であり、照射後の化学エッチングにより円錐状の飛跡と呼ばれるエッチピットが CR-39 中に生成されることを利用して、マウス標本中の 10B の濃度分布を反映する NCAR 像を取得することができる。
３．NCAR 像取得のためのエッチング
熱中性子照射後の CR-39 プラスチック飛跡検出器を、7mol/L 70℃の NaOH 溶液中で 2 時間エッチングして NCAR 像を取得する。白く濃い部分は、α 粒子や 7Li 粒子の飛跡が多数存在する場所であり、そこには 10Bが蓄積されていることを意味する。また、熱中性子は標本内の窒素核と反応して陽子を放出する。さらに、熱中性子束の中に混入している速中性子は、標本内の水素原子核と衝突して反跳陽子をたたき出す。これらの陽子が CR-39 に残す飛跡により、マウス薄片の全体像も同時に認識できる（図 2-6-1、写真 2-6-1）。

Ⅰ-24

(a)

(b)

図2-6-1 ：NaOH エッチングによる NCAR 像(a) 担癌マウスにおける 10B -Liposome 静脈投与 6 時間後の 10B分布のNCAR像（熱中性子フルーエンス：1.8 x 1012 n・cm-2 ）(b) NaOH エッチングを用いた10B含有標準濾紙のNCAR 像におけるトラックサイズ分布。
15800ppm の 10BSH 含有標準濾紙をCR-39 α 飛跡検出器に貼り付け、
熱中性子フルーエンス：4.5 x 108 n・cm-2 で照射した。
サイズの小さい位置の盛り上がりは陽子の飛跡によるもの。

Yanagie H, Ogura K, Kobayashi H et al : Nucl. Instr. & Method A 424(1): 122- 128, 1999.

Ⅰ-25

3hr

12hr

Standard

写真2-6-1 立教大学原子力研究所TRIGA II 原子炉において熱中性子を照射して取得した
NCAR 像（Thermal neutron fluence : 1.8 x 1012 n・cm-2）
3hr ： 担癌マウス像：10BSH Liposome 静脈投与後 3 時間後
12hr ： 担癌マウス像：10BSH Liposome 静脈投与後 12 時間後Standard ： 10BSH 溶液濃度の異なるコントロール用濾紙の NCAR 像

時間の経過とともに10B原子の濃度変化を確認できる。10BSH Liposome 静脈投与後 12 時間経過してもマウス背部皮下腫瘍部と肝臓には、十分な濃度の10B原子の蓄積を確認できる。
Yanagie H, Ogura K, Kobayashi H et al : Nucl. Instr. & Method A 424(1): 122- 128, 1999.

Ⅰ-26

４．NCAR 像の画質
熱中性子照射で得られた像には、陽子の飛跡が混在するため、全体像を見ることができ標本中で 10B の存
在する組織を特定しやすいという利点がある反面、当然のことながら 10B の定量をする際には陽子の飛跡がバックグラウンドとして計測精度に影響を与える。一方、冷中性子照射で取得した NCAR 像は、陽子によるバックグラウンドが少なく鮮明で 10B の分布状況がよりよく判別できる利点がある。冷中性子照射が困難で熱中性子を照射した場合でも、エッチングを工夫することで画質を改善することができる。それはエッチング溶液を
NaOH 溶液から PEW 溶液（15wt% KOH + 65 wt% C2H5OH + 20wt% H2O）に代えて CR-39 をエッチングすることで実現する。PEW 溶液はエッチングによる飛跡現出に特徴があり、電離損失量の低いイオンほど飛跡を縮退させる効果がある。この手法の適用により陽子飛跡を選択的に縮退させ、α 粒子や 7Li 粒子の飛跡のみによる NCAR 像を形成させると、冷中性子による像と同じくらい鮮明なものが得られる。これらの方法を用いると、NCAR 像を一目見ただけでマウス組織内の 10B の分布状況とおおよその濃度が判定できるので、多数の 10B デリバリー薬剤の候補の中から有効なものを容易に抽出することが可能になる（図 2-6-2、写真 26-2）。
５．飛跡解析による 10B 濃度の定量と 10B 分布図の取得
腫瘍部に蓄積された 10B 濃度の定量は、飛跡の大きさと数を解析して行う。ただし、中性子束強度を NCARの画像取得時より 2 桁程度下げて照射し、飛跡が互いに重ならないようにしておく。
イオンが CR-39 板を通過した後には、その道筋に沿って高分子鎖が切断され、小分子片の密集した潜在トラックが残される。この放射線損傷（潜在トラック）の大きさは、入射イオンが電離作用により物質中で失う局所的な限定エネルギー損失量（Restricted Energy Loss : REL 値＊：E.V. Benton and W.D. Nix, Nucl.Instr.&
Meth., 67 (1969) 343.）に依存する。REL 値は、入射粒子の速度が遅いほど、またイオンの原子番号が大きいほど高くなり、検出器を化学エッチングした時に形成される飛跡の形状が大きくなる。NCAR 像中の飛跡のREL 値は、7Li＞α＞p の関係にあるから、飛跡のサイズを分析することにより、7Li、α 飛跡のグループと陽子による飛跡を弁別できる（図 2-6-1（b））。陽子の飛跡は前述したように、10B の定量の際にバックグラウンドとなるが、測定された飛跡のサイズ分布を考慮することで陽子の飛跡を除いた定量が可能となる。つぎに、10B 濃
度の異なるコントロール用濾紙の NCAR 像を用いて、10B 濃度と α および 7Li 飛跡密度との関係を求め検量線を作成すれば、腫瘍部での α と 7Li の飛跡密度から 10B 濃度が推定できる（図 2-6-3）。

Ⅰ-27

(a)
3hr

6hr

NCAR

(b)

図2-6-2 ： PEW エッチングによる NCAR 像(a) 担癌マウスにおける 10B -Liposome 腫瘍内局所投与後の 10B 分布の NCAR像（熱中性子フルーエンス：2.7 x 1010 n・cm-2 ）(b) PEW エッチングを用いた 10B 含有標準濾紙の NCAR 像におけるトラックサイズ分布。
15800ppm の 10BSH 含有標準濾紙を CR-39 α 検出器に貼り付け、
熱中性子フルーエンス：4.5 x 108 n・cm-2 で照射した。
図2-6-1で見られたトラックサイズの小さい陽子飛跡部が消えている。

Yanagie H, Ogura K, Kobayashi H et al : Nucl. Instr. & Method A 424(1): 122- 128, 1999.

Ⅰ-28

Ogura K. et al: Radi. Meas. 34, 555-558, 2001

写真 2 - 6 - 2

10BSH 封入トランスフェリン修飾 Poly-ethylene glycol 結合 Liposome

静脈投与 60 時間後の NCAR 像(a) 熱中性子照射（立教大原子炉 TRIGA II, 2 x 1012 n・cm-2）(b) 冷中性子照射（Paul Scherer Institute, SINQ, 2 x 1011 n・cm-2）(c) 冷中性子照射（Saclay, ORFEE, 1 x 1011 n・cm-2）(a), (b), (c)は共に 70℃ NaOH 溶液にて 2 時間エッチング(d) 熱中性子照射（立教大原子炉 TRIGA II, 2 x 1012 n・cm-2）50℃ PEW65溶液にて 8 分間エッチング
熱中性子照射で取得した NCAR 像には、陽子の飛跡が混在するため、バックグラウンドを形成し画質が悪くなっている。冷中性子照射で取得した NCAR 像は、陽子によるバックグラウンドが少なく鮮明で、10Bの分布
状況がよく判別できる利点がある。また、熱中性子を照射した場合でも、NaOH 溶液ではなく、PEW 溶液でCR-39 をエッチングすることにより陽子飛跡を縮退させ、α 粒子や７Li 粒子の飛跡のみによる NCAR 像を形成させると、冷中性子による像と同じくらい鮮明なものが得られる。
Ⅰ-29

(a)

(b)

図 2-6-3

α 粒子飛跡密度の計算と 10B の推定(a) 標準サンプルの NCAR 像。熱中性子フルーエンス：1.8 x 1012 n・cm-2 で照射を行い、 エッチングはPEW 溶液を用いて、50℃、8 分で実施した。10BSH 溶液の原液濃度は 15800ppm である。
(b) 飛跡密度は 10B 濃度と熱中性子フルーエンスに比例する。
Yanagie H, Ogura K, Kobayashi H et al : Nucl. Instr. & Method A 424(1): 122- 128, 1999.

注釈 ：REL 値とは、固体飛跡検出器特有のクライテリオンで、定義は、「荷電粒子によって叩き出された 線のうち、エネルギーの高いものは経路外に飛び去ってしまい飛跡生成には寄与せず、エネルギーの低いもののみがその経路近傍のエネルギー付与に寄与すると考えれば、あるエネルギー以上の 線の寄与を除外した限定的な電離損失を考えるというものである。つまり REL は Bethe-Bloch の式で表される荷電粒子のエネルギ
ー損失のうち、ある一定エネルギー（0）以上の線が飛跡近傍から持ち去るエネルギー損失を差し引いた量、即ちある閾値よりもエネルギーの高い 線による寄与を考慮しないエネルギー損失として定義される。」である。

Ⅰ-30

(3) 中性子検出器(3-1) フィルム法
フィルムは X 線撮影用の物（主に、工業用 X 線フィルム）が使用される。感度が高い両面乳剤タイプ(フィルム基板の両面に乳剤が塗布されたもの)と感度より解像度を優先した片面乳剤タイプがある。乳剤面が感光面となる。X 線フィルムは感光しやすいので、暗室又はブラックライト下で作業を行う必要がある。X 線フィルムは撮影後、暗室内でカセッテから取り出し、現像、停止、定着、水洗、乾燥等の作業が必要となる。なお、現像後の X 線フィルム上の像はネガティブ像であり、中性子がよく透過した部分が黒くなる。印画紙に転写することにより、ポジティブ像が得られる。X 線フィルムを用いた撮影では解像度の高い画像が得られる反面、階調分解能が低いため、中性子透過率の定量的解析には不向きである。
直接法：
一般的には、中性子と反応して荷電粒子等放射線を放出する金属箔としてガドリニウムが用いられる。ガド
リニウムはそのままでは酸化されやすいことから、アルミニウム板にガドリニウムを真空蒸着し保護のためサファイヤコーティングした物(Gd コンバータ)が用いられる。ガドリニウムは中性子捕獲によりベータ線とガンマ線を放出するが、飛程の短いベータ線により X 線フィルムを感光させるため、Gd コンバータと X 線フィルムは中性子透過率の高いアルミニウム製真空カセッテに収納して使用される。この際、X 線フィルムの乳剤面（感光面）とガドリニウム蒸着面が密着するように配置する。フィルムと Gd コンバータの配置は、試料を透過した中性子が X 線フィルムを透過し、Gd コンバータに入射するようにされる。中性子ビームの強度が低い場合には、蛍光コンバータと両面乳剤の X 線フィルムを組み合わせた撮影法も使用される。こちらは、Gd コンバータ使用の場
合と比べて解像度が悪い。
間接法（または転写法）：
直接法がコンバータと X 線フィルムを同時に中性子ビームで照射するのに対し、間接法では、金属箔（インジウム箔、ディスプロシウム箔）のみを試料を透過した中性子ビームの位置に置き撮影する。この時、金属箔
は透過中性子の強度に応じて放射化される。中性子ビーム照射後に、金属箔を X 線フィルムと真空カセッテ等を用いて暗状態で密着放置することにより、金属箔の放射化分布が X 線フィルムに転写される。間接法では、放射化した金属箔を扱わなければならないことから、被ばくを伴う作業を避けられないが、X 線フィルムが直接、
中性子ビーム及び試料と近接していないことから、ガンマ線の混入が多い中性子ビームでの撮影や、ガンマ線
等放射線を放出する放射性試料の場合、それら放射線の影響を受けずに中性子透過像を得ることができる。
参考文献（一例）
小林久夫, RADIOISOTOPES, 56, 687-697 (2007)Ⅰ-31

(3-2) IP (イメージングプレート)
イメージングプレート（IP）は輝尽発光と言われる、放射線照射により励起した蛍光体が長波長の電磁波などで別の刺激を受けた際に再び閃光を発する現象を利用した検出器である。このような輝尽性蛍光体を中性子コンバーターである Gd を含む Gd2O3 微粒子と混合させてシート基板上に塗布したものが中性子 IP である。
中性子に一定時間照射後に専用のスキャナー装置内部で赤色レーザーによって再発光した光を光電子増倍管で読み取っている。画像読み取り後は紫外線の照射により情報を消去でき、繰り返し使える。中性子 IP の
位置分解能はスキャナーの性能によっても異なるがおおよそ 100μm 程度が実現できている。積分型の 2 次元検出器であり計数率を気にせずに利用できるが、ダイナミックレンジはおよそ 5 桁であり、J-PARC などの加速器中性子源での TOF 測定には対応できないため、近年では利用頻度が下がっている。検出器本体は薄いフィ
ルム状シートであり、ガンマ線遮蔽用のカートリッジを用いても充分に薄いので取扱いが容易であり、本計測を開始する前の試験計測などで利用されることがある。参考文献[１]が開発者の研究報告書で、詳しく説明されている。

図 3-2-1：M12 ボルト締結部の画像。
左）測定したボルトとナット。右）中性子透過画像
撮影：JRR-3 MUASI-L.（波長 2.46Å、ビーム強度およそ 106n/s/cm2） 照射時間 10 分
計測者：山形、広田（理研）
参考文献[1] 中性子イメージングプレート BAS-ND の開発、富士フィルム研究報告書 43(1998)41[2] 玉木昌義、Radioisotope 56(2007)329[3] 野口正安、富永洋、放射線応用計測 基礎から応用まで、日刊工業新聞社

Ⅰ-32

(3-3) シンチレータ＋カメラ
1. 概要
本節ではカメラ型検出器を用いた中性子イメージング技術について説明する。カメラ型検出器は、観測対象を透過した中性子の 2 次元分布を中性子透過像として取得するイメージング検出器の一つである。カメラ型検出器はシンチレータ、ミラー、対物レンズ、カメラから構成されており、測定条件に応じ数 cm～数十 cm 角に視野を調整できる。またカメラの選択により、高解像での撮像や過渡的現象の観察、中性子の波長に依存した撮像（エネルギー分析型イメージング）が可能である。上述の実験機器はアルミ製の暗箱内に設置され、外部からの光漏れを遮断している。シンチレータは 6Li、10B、Gd 化合物と蛍光体（ZnS）を混ぜ、薄いアルミニウム板に塗布している。シンチレータ内では、観測対象を透過した中性子が、式 1)-3)の中性子吸収反応から生成される荷電粒子あるいはガンマ線が、シンチレータ内の蛍光体により可視光へと変換される。
6Li(n,)3H

1)

10B(ｎ,)7Li

2)

157Gd(n,)158Gd, 155Gd(n, )156Gd

3)

この可視光を対物レンズでカメラに集光し検出を行う。実験では試料有・無しの条件で撮像し、両者を除算して中性子透過率を求める。中性子線、シンチレータ、対物レンズ、カメラが直線状に並ぶ配置が最もシンプルな検出体系である。しかし、この検出体系では、中性子がカメラに直接照射された場合、得られる中性子透過画
像の画質が低下するだけでなく、カメラ本体の深刻な故障を招く恐れがある。そのため、カメラ型検出器ではミラーを用いてカメラの位置を中性子ビームの照射軸からずらしている。一般的に、シンチレータの厚みが増すと、可視光の発光量が増え短時間での撮像が可能になる一方で、シンチレータ内で発生した可視光は四方に広がるため、得られる空間分解能は低下する傾向にある。カメラについても解像度やダイナミックレンジに優れた冷却型 CCD カメラや、高フレームレートでの撮像が可能な CMOS カメラ等の種々のタイプがある。実験を最適な視野及び空間分解能で行うためには、シンチレータの種類や厚み、対物レンズやカメラの種類を適切に選択する必要がある。
2. RADEN におけるカメラ型検出器
J-PARC の物質・生命科学実験施設（MLF）BL22 に建設された世界初のパルス中性子イメージング専用の装置（RADEN）[1]には、厚みの異なる Gd 及び６Li/ZnS シンチレータとカメラ型検出器が用意されている。
本稿では、代表的な冷却型 CCD カメラ（Andor Technology Ltd, 2048×2048 ピクセル）を使用したカメラ型検出器について説明する。この CCD カメラは 16 ビットの高いダイナミックレンジを持ち、センサーは暗電流ノイズを抑制するために-100℃まで冷却できる。視野は 50 mm f / 1.4、105 mm f / 2.8、150 mm f / 2.8 などの対物レンズを使用することで、50×50〜300×300 mm2 の範囲で自由に調整可能である。これらの機器は、図 33-1 に示すように暗箱内に配置されており、周囲を鉛およびホウ素ゴムシートで覆うことで中性子やガンマ線の遮蔽を行っている [2]。図 3-3-2 は、６Li/ZnS シンチレータ厚 0.1 mm、中性子ビームの平行度 L / D = 400 の条件で視野を 3 種類（60×60 mm2、160×160 mm2、300×300 mm2）選択し測定した PSI テストパターンの中性子透過像である。PSI テストパターンはシンチレータに直接取り付けた。PSI テストパターンは異なる幅と間隔の Gd 線対が放射状に配置されており、得られた中性子透過像中で確認できる最も細い線対から空間分解能を求めた。視野 160×160 mm2 および 300×300 mm2 での空間分解能は、それぞれ約 200 m および 350
m であった。1 画素あたりのサイズ（以後ピクセルサイズと呼ぶ）が 78 m および 146 m であるため、空間分解能はこれらの約 2.5 倍である。一方、視野 60×60 mm2 の空間分解能は約 100 m であり、ピクセルサイ
Ⅰ-33

ズ 30 m の約 3.3 倍であった。小さな視野では幾何学的なボケが顕著になるため、60×60mm2 の視野での空間分解能は、ピクセルサイズから想定される空間分解能（75 m 以下）よりも悪い結果となった。また、図 3-33（左）に同カメラ型検出器と６Li/ZnS シンチレータ厚 50 m を用いて中性子のビーム平行度 L / D = 180、視野 30×30 mm2 で撮像した中性子透過画像を示す。試料は J-PARC で製作した高空間分解能評価に対応した
Gd 製ターゲットである[3]。図 3-3-3（右）に示した、図 3-3-3（左）点線部のラインプロファイルから、この条件での空間分解能が 50 m であることが分かった。
また、本装置を利用したデモンストレーションとして、生花及び樹脂製の百合を試料とした得た中性子透過画像を示す[4]（図 3-3-4（左）試料の写真、（右）中性子透過画像）。試料中の 2 本の百合のうち、左側が生花で右側が造花である。図 3-3-4（右）に示す中性子透過像の生花部分は、右の造花と比較した場合、茎の部分だけでなく花弁や葉など、水分を含んでいる部分が明瞭に可視化されていることが分かる。造花においては、相対的に太い芯の部分は明瞭な透過像が得られているが、厚さの薄い花弁や葉はかすかにしか見えておらず生花との対比がはっきりとしている。このように非破壊で中性子に感度の高い水分の存在を反映した透過像が得られるという特性を利用して、工学・農学など様々な分野で本カメラ型検出器利用されている。

参考文献【1】T. Shinohara et al., J. Phys.: Conf. Series 746, 012007 (2016)【2】Y. Matsumoto et al., Physics Procedia Volume 88, Pages 162-166 (2017)【3】M. Segawa et al., NOP 2017, Proceeding, submitted. (2017)【4】甲斐哲也 他, 機関紙「非破壊検査」2018 年の 5 月号掲載予定

暗箱
ミラー

シンチレータ
試料

中性子

CCD カメラ
駆動機構

回転ステージ

図 3-3-1 カメラ型検出器を用いた実験セットアップ 参考文献【2】より抜粋

Ⅰ-34

線幅

図 3-3-2 カメラ型検出器を用いた PSI テストパターンの中性子透過像

中性子透過率（左：視野（FOV）60mm2, 中央：視野 160 mm2, 右：視野 300 mm2） 参考文献【2】より抜粋

左右方向[ピクセル]
図 3-3-3 左：カメラ型検出器を用いた Gd テストパターンの中性子透過像（視野 30mm2）
右：点線部のラインプロファイル 参考文献【3】より抜粋

図 3-3-4 左：カメラ型検出器を用いた百合の写真（生花・造花）、右：中性子透過像
参考文献【4】図 4 より抜粋

Ⅰ-35

(3-4)中性子イメージインテンシファイア
撮像管，テレビジョンの発展とともにイメージインテンシファイア（Image Intensifier 以下 I.I.と略記する）を組み込んだ X 線テレビシステムが開発された。I.I.は X 線と反応して発光する蛍光体の光を光電変換膜で電子に変換し，加速電界と電子レンズの作用で増幅して出力蛍光面に集束し，再び可視画像に変換する真空管である。初期の I.I.の容器は入力側の窓含めてガラスで製作され，主に蛍光体は Gd2O2S:Tb が用いられていた。
撮影視野拡大に伴い入力窓はガラスからメタルに代わり，X 線の透過率が高く散乱の少ないアルミニウムが使われるようになった。更に反応蛍光面の膜厚を厚くして変換効率を向上させても解像度の劣化を起こさないように CsI 柱状結晶が開発された[1,2]。当初使われていた Gd2O2S:Tb 蛍光体が中性子でも反応し発光することから中性子用の I.I.（中性子 I.I.と略記する）として製品化された経緯がある[3,4]。但し，中性子だけでなく X 線
や γ 線とも反応するため，γ 線の遮蔽を十分に施さないと中性子と X 線・γ 線を区別して測定することが難しかった。X 線との反応が CsI 蛍光体となってからは中性子 I.I.の製品は姿を消すこととなった。
1998 年，従来黄緑色発光の I.I.出力蛍光体 P-20 をカメラで撮影するモノクロタイプから，RGB マルチ発光す
る出力蛍光体をカラーカメラで撮影するカラータイプが開発され，2003 年より X 線カラーI.I.の製品販売が開始
された[5]。その後，入力面に Gd2O2S:Tb 蛍光体を塗布した中性子 I.I.の試作を経て，中性子用反応膜に蛍光体ではない酸化ガドリニウム（Gd2O3）と CsI 柱状結晶蛍光体を共に蒸着して製作することに成功し，2008 年から中性子 I.I. の製品販売が開始された[6,7]。特に CsI 柱状結晶の厚さを X 線用の約 1/10 に薄くして X 線・
γ 線による CsI への線エネルギー付与を極力抑え Gd の内部転換電子での発光に最適化している。更に高精細化と熱中性子より高いエネルギーでも反応し，X 線・γ 線による影響を少なくするために反応膜に炭化ボロン（10B4C）を蒸着で形成し，CsI 柱状結晶の厚さを X 線用の約 1/20 に薄くしたタイプも製品化された。図 3-4-1に構造を示す。

図 3-4-1 中性子 I.I.の構造（論文[9]Fig.2 引用）

Ⅰ-36

図 3-4-2 中性子 I.I.の解像度 JRR3-7R にて撮影（論文[11]Fig.7 と Fig.10 引用転載）
左：SI インジケータ模式図，中：2 インチ視野モード，右：出力蛍光面を光学拡大撮影

中性子 I.I.の解像度は使用する搭載するカメラや中性子源のコリメータ性能（L/D 等），サンプルの設置位置で異なる。視野 4 インチの[i-2] 10B(ｎ,α)タイプの中性子 I.I.を電子レンズ（Electron Lens）の軌道設定で視野 2インチに拡大して，非破壊検査規格の米国材料試験協会（ASTM）インジケータ[8,9]を撮影した結果を図3-4-2 中に，更に光学レンズで拡大し，約 2110 万画素（5616×3744）の一眼レフにて撮影（約 3.5μm/pixel）した結果を図 3-4-2 右に示す。感度計 SI インジケータで最小のギャップ 12.5μm が視認できる。
パルス中性子源の特徴である飛行時間法（TOF：Time of Flight）とパルス中性子源で発生と同時に放出される大量の高エネルギーの X (γ)線バースト（ガンマバースト）に対応させるため，主に循環器医療用で使用されている I.I.ブランキング法のスイッチング特性を高速化したタイプや I.I.出力蛍光体の残光時間の短い短残光タイプの中性子 I.I.が開発された[10,11]。図 3-4-3 には北海道大学の瞬間強力パルス状放射線発生装置でブランキング機能付き視野 4 インチの[i-2] 10B(ｎ,α)タイプを用いて ASTM 規格準拠の像質計 （BPI） [9]と金属被服のボールペンの芯を I.I.の動作タイミングを変えて撮影した結果を示す。

図 3-4-3 中性子 I.I.のブランキングまたはシャッタータイミング機能による撮影（論文[10]Fig.13 引用転載）
図 3-4-3(a)は開始時間 C=0msec，動作時間 D=1msec，(b)は C=0.2msec，D=17msec，(c)は C=1msec，
D=17msec である。動作開始時間のタイミング設定で X(γ)線による画像と中性子の画像を分けて撮影できる。
Ⅰ-37

これらバーストガンマや TOF で同時に多くの情報を一度に測定するための高速カメラシステムも開発された[12]。
中性子 I.I.は比較的強いフラックスを有する（JRR3-7R 等）場所ではリアルタイム動画撮影（30～60fps）が特徴である。金属内部での水の流れをイメージングする一例として，ブリキ缶の中に噴水のがん具を入れて撮影した結果を図 3-4-4 に示す。

図 3-4-4 I.I.の動画撮影例（論文[10] Fig.７引用転載）

中性子で撮影した結果図 3-4-4(c)はＸ線で撮影した結果(b)と比較して噴水が粒になって噴き出ている様子や，
ブリキ缶の内壁に当たって水の滴り落ちる様子が鮮明に見える。これら中性子 I.I.の入力反応面のサイズや材質の種類，内部電子レンズ軌道の拡大，ブランキング機能の有無，出力蛍光面の材質，組み合わせカメラの種類等の組み合わせラインナップ（図 3-4-5 参照）が 2014 年に発表報告されている[11]。中性子 I.I.の高感度・高精細に着目して，少ない中性子フラックスでのイメージングの適用も検討されている。低フラックス環境での中性子撮影では，露光時間を長くするか撮影枚数を多くして積算することが必要となる。長時間での撮影や高感度設定での撮影の場合，放射線により発生するノイズの他に長時間ノイズや高感度ノイズが課題になる。
カメラを独自のペルチェ冷却で温度管理でき，現場への移動がし易い小型で長時間ノイズの少ないタイプも開発されている（図 3-4-5(右)参照）。

図 3-4-5 中性子 I.I.ラインナップ（左：論文[11]Fig.11 引用転載）

Ⅰ-38

参考文献
[1] 全国循環器撮影研究会 HP 講座 No.1 装置 1 「Ｘ線イメージインテンシファイア装置」
http://plaza.umin.ac.jp/zen-jun/%E5%85%A8%E5%BE%AA%E9%81%8E%E5%8E%BB/public_html/secret_file/HPkoza_No.1_I..I..pdf[2] Peter A.E. Stewart, US Patent 4,152,598 (1979)[3] P.A.E. Stewart : AIAA, SAE, ASME, Joint Propulsion Conference, 23rd, San Diego, CA, June
29-July 2, (1987) , p.17
[4] H. Washida et al., Advances in Electronics and Electron Physics, 52, (1979), p.201[5] K.Nittoh, C.Konagai, T.Noji : Nucl. Instr. and Meth. A 535, (2004), pp.686-691[6] K.Nittoh, C.Konagai, T.Noji, K.Miyabe: Nucl. Instr. and Meth. A 605, (2009), pp.107-110[7] 東芝レビュー Vol.64 No.7 (2009) p.70
[8] ASTM Designation: E545-91 (1991)“Standard Method for Determining Image Quality in Direct
Neutron Radiographic Examination.”[9] RISO-M-2356 Riso National Laboratory (1982)“Standardization Activities of the Euratom
Neutron Radiography Working Group”[10] 日塔光一, 波紋 22(4), (2012)11, pp.322-328[11] K. Nittoh, C. Konagai, M. Yahagi, Y. Kiyanagi, T. Kamiyama : Physics Procedia 69 ( 2015 )pp.177 – 184[12] K. Mochiki, K. Ishizuka, K. Morikawa, T. Kamiyama, Y. Kiyanagi : Physics Procedia 69 ( 2015 )pp.143 – 151

Ⅰ-39

(3-5) GEM を用いた中性子二次元検出器 nGEM
nGEM は高頻度入射粒子特性に優れた GEM（Gas Electron Multiplier）[1]を用いた中性子
二次元検出器である。茨城県東海村にある J-PARC 物質・生命科学実験施設（MLF）[2]は世界最高強度を誇るパルス中性子源の 1 つであり、大強度中性子ビームを利用した“その場測定（insitu measurement）”で威力を発揮する。中性子ビームを照射した“その場測定”は、試料温度
や試料雰囲気などの外場条件を刻々と変化させた際の試料構造を観察する手法の 1 つであり、MLF の稼動によって初めて身近なものとなりつつある。その一方で、MLF において精度の高い“その場測定”を実現するためには、サブ秒レベルの短時間測定でも十分な統計量を稼ぐ高計数タイプの中性子ビームモニターが必要である。nGEM はこのような要求を満たすために開発されており、中性子ビームモニターとして、ビームプロファイルなどの二次元画像の取得も含めて、精度の高い入射中性子の情報を提供することができる。
KEK 物質構造科学研究所の中性子科学研究系では、2008 年頃から KEK 素粒子原子核研究所と共同で GEM を用いた中性子二次元検出器 GEM モニター[3]の開発をおこなっている。

図 3-5-1 GEM の形状
図 3-5-1 に示すように、GEM は両面フレキシブル基板上に多数の細孔を開けた形状をしている。検出可能な信号を得るため、400 V 程度の電圧が GEM の両面に印加される。これによって、荷電粒子のガス増幅作用を起こすのに十分な高電場領域が GEM の細孔内に形成される。また、複数の GEM を積層することで、より高いガス増幅度を得ることができ、nGEM には 2 枚の GEM
が信号増幅用として組み込まれている。GEM の高頻度入射粒子特性は 10 MHz/cm2 を超えており[4]、GEM 本体に限定すれば、MLF の中性子ビームラインでガス増幅率の低下の問題を気にすることなく使用することができる。nGEM は GEM モニターの特長を踏襲しつつ、筐体デザイ
ン、データ転送能力、イベント処理アルゴリズムを改良したものである。nGEM は放射線ガス検出器の 1 つであり、チェンバーガスとして Ar/CO2（ガス混合比 7:3）をフローして使用する。中性子の検出は、アルミカソード上に蒸着された 10B 層における n(10B, )7Li 反応で生成した 粒子もしくは7Li 粒子を検出することでおこなう。このように中性子を検出可能な荷電粒子に変換する素材は中性子コンバーターと呼ばれる。nGEM の中性子感度は 10B の蒸着厚に依存し、1 枚の 10B 層当Ⅰ-40

たり 0.1%～5%の熱中性子感度を達成している。一般に 10B の蒸着厚が厚くなると、有感領域であるチェンバーガス中に放出される荷電粒子のエネルギーが低くなるため、信号の SN 比が悪化する。また、10B を蒸着した GEM（B-GEM）を何枚か追加することで、20%に近い熱中性子感度を達成することができる。この場合、B-GEM は中性子コンバーターとして機能し、信号増幅に寄与しないように印加電圧が調整される。

図 3-5-2 nGEM の概観図
図 3-5-2 に示すように、nGEM の概観は中性子を検出するためのチェンバー部分と信号を処理するための電子回路部分が一体となった形状（524 mm×254 mm×51 mm）をしている。ノイズ対策として、全ての信号配線はプリント基板内に収められている。チェンバー部分には検出器の有感領域に相当する 100 mm×100 mm の GEM を積層することができ、用途に応じて積層枚数を調整することが可能である。二次元読み出しを実現するために 128 チャンネル×128 チャンネ
ル、0.8 mm ピッチのストリップ読み出し基板を使用している。フロントエンド回路として、GEM、µPIC[5] な ど の Micro Pattern Gas Detector 用 に 開 発 さ れ た CMOS プ ロ セ ス ASIC
（Application Specific Integrated Circuit）である ASIC-FE2007[6]を採用している。ASICFE2007 は 1 チップで 8 チャンネル分の信号増幅、パルス整形、波高弁別とデジタル出力の処理をおこなうことができる他、サンプリング用のアナログ信号を取り出すことが可能である。フロントエンド回路で出力されたデジタル信号は FPGA（Field Programmable Gate Array）に導かれ、計算機に転送されるイベントデータが生成される。FPGA には後述するイベント処理のためのア
ルゴリズムが実装されている。また、FPGA は 200 MHz のクロックで動作するため、中性子の飛行時間（Time-Of-Flight:TOF）法で記録される最小の時間間隔は 5 ns となっている。計算機に転送されるイベントデータは 1 イベント当たり 16 バイトの大きさを持ち、中性子ヒット位置、TOF データ、パルス幅データなどが記録されている。1 イベント毎のデータが計算機に保存されるため、解析条件を変更した処理を繰り返すことができる他、時分割処理をおこなう際に使用するタイミン
グデータも計算機に転送され、このデータは TOF データがリセットされた瞬間を現在時刻として記録する。また、MLF で広く利用されている DAQ（Data Acquisition）ソフトウェアである DAQMiddleware[7]に対応しているため、nGEM を中性子分光器や中性子回折装置の複雑なデータ
Ⅰ-41

収集系に容易に組み込むことが可能である。計算機へのデータ転送は SiTCP[8]を使用した
TCP プロトコルによっておこなわれ、1 Gbps に相当する最大 7.8 MHz のイベント転送が可能である。なお、計算機と nGEM は他のモジュールを介することなく直接、ネットワークケーブルで接続できる。nGEM のイベント処理アルゴリズムは GEM モニターを使って検証されており[9]、それはチェンバー内における荷電粒子の振る舞いに基づいている。

図 3-5-3 nGEM のイベント処理アルゴリズム
図 3-5-3 に nGEM のイベント処理アルゴリズムの概要を示す。説明を簡単にするため、中性子コンバーターはアルミカソード上の 10B 層だけとし、信号増幅用の GEM は 1 層として描かれている。まず、中性子源から飛行してきた中性子が反応点で n(10B, )7Li 反応を起こし、 粒子をチェンバーガス中に放出する。放出された 粒子はチェンバーガス中で電離作用を起こし、飛跡に沿って複数の電子-イオン対（“Electron cluster”）を生成する。これらの電子-イオン対の内、信号生成に寄与するのは主に電子である。この後、電子はチェンバー内に形成された電場に沿ってア
ノードである読み出し基板に向かってドリフトし、GEM でガス増幅されて、さらにアノードに接近することで検出可能な信号を生成する。図 3-5-3 から明らかなように、GEM の近傍で生成した電子が最も早く検出され、中性子反応点に近いところで生成した電子は最も遅く検出される。また、収集される電子の数が多い読み出しチャンネルほどアナログ信号が大きくなり、それに比例してパルス幅も大きくなる。図 3-5-3 には 4 つの読み出しチャンネルが描かれており、3 番目のチャンネ
ルで最も多くの電子を収集している。なお、パルス幅がパルス波高と同様にアナログ信号の大きさを反映することは、GEM モニターを用いた先行実験で確認されている[9]。1 イベント当たりのパルス幅は全ヒットチャンネルのパルス幅の合計として与えられる。nGEM のイベントデータには、
最も早く検出されたチャンネル、最も遅く検出されたチャンネル、TOF データ（最も早く検出されたチャンネルの TOF 値）、パルス幅と到達時間の差のデータが含まれるが、ヒットチャンネルのマル
チプリシティ（1 イベント当たりのヒットチャンネル数）については、その後のオフライン解析で導出する必要がある。nGEM のイベントデータとして含まれる多くの情報を適切に活用することで、位置分解能や n-弁別特性の改善が期待できる。例えば、中性子コンバーターとしてアルミカソー
Ⅰ-42ド上の 10B 層だけが存在する場合、最も遅く検出されたチャンネルを選択することで 0.85 mm（FWHM）の位置分解能が得られている。他にも、パルス幅とヒットチャンネルマルチプリシティのカットを適切に施すことで、 線バックグラウンドを低減することができる。図 3-5-4 に計数損失（数え落とし）に対するパルス幅の依存性（計算値）を示す。計数損失の割合は測定可能な計数率と（平均的な）パルス幅の積で与えられる。平均的なパルス幅として実際に MLF で稼動している
nGEM の測定値である 170 ns を用いると、図 3-5-4 に示すように、0.1%の計数損失の状態で測定をおこなうためには、システム全体の計数率を 60 kHz 程度に抑える必要がある。許容できる計数損失の割合を緩くすることで、システム全体の計数率を高めることが可能であり、5%の計数
損失の状態では、システム全体で受容できる計数率は 3 MHz まで上昇する。これらの計数率の値は前述の SiTCP の最大データ転送量よりも小さいので、nGEM のデータ収集レートは読み出
し基板を含む電子回路部分で制限されていることがわかる。計数率と計数損失の間にはトレード
オフの関係があり、実際には、要求される計数率と許容できる計数損失のバランスを検討して実験をおこなう必要がある。

図 3-5-4 計数損失の割合に対するパルス幅の依存性（計算値）
ビーム照射領域は 20 mm×20 mm とし、他にも、ヒットチャンネルのマルチプリシティの平均値
2.57 を用いた。
[1] F. Sauli, Nucl. Instr. and Meth. A 386 (1997) 531.
[2] F. Maekawa, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 620 (2010) 159.
[3] H. Ohshita, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 623 (2010) 126.
[4] A. Bressan, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 425 (1999) 262.
[5] J. D. Parker, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 697 (2013) 23.
[6] Y. Fujita, et al., presented at the IEEE NSS 2007.
[7] K. Nakayoshi, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 600 (2009) 173.
[8] T. Uchida, et al., IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-55 (2008) 2698.
[9] M. Shoji, et al., JINST 7 (2012) C05003.
Ⅰ-43

(3-6) マイクロピクセルチェンバー(µ-PIC)中性子イメージング検出器 (µNID)
マイクロピクセルチェンバー（µPIC）を用いた中性子イメージング検出器（µNID）は京都大学で開発[1,2]が進められてきたマイクロパターンガス検出器の一種である。この検出器は、微細電極構造がもたらす高速応答による MHz クラスの計数率と高い空間分解能[3]の両者を実現可能であり、J-PARC のような大強度中性子源のイメージング検出器として魅力的である。図 3-6-1(a)のように µNID は、有効体積が 100×100×25 mm3の time-projection-chamber （TPC）、モジュール化された µPIC を含む読み出し基板[4]、FPGA を用いたデータ収集系[5]から構成されている。µPIC は、図 3-6-1(b)に示すような独特の構造で 0.4 mm 間隔の 2 次
元読み出しストリップが配置されており、電荷増幅とアナログ信号のストリップ読み出しを同時に行っている。中性子検出を促進するため、2 気圧の CF4–iC4H10–3He 混合ガス （混合比 45:5:50）を使用しており、検出効
率は熱中性子（25.3 eV）に対して 26%である。中性子と 3He の反応で生成した陽子-トリチウム対がガス中を飛行する 3 次元の軌跡とその際のエネルギー付与は、Time-Over-Threshold （TOT）*1 法により評価され、FPGA を使用したエンコーダーモジュールに記録され、ギガビットイーサネットを通じてパソコンに送られる。秘跡情報を詳細に解析することにより、0.1 mm という高空間分解能と、10-12 以下の低い γ 線感度を実現することができる。これらに加えて、µNID は 0.25 µs の時間分解能、8 Mcps の最大ピーク計数率、1 Mcps の実効ピーク計数率という性能を有している [6]。なお、最大ピーク計数率はデータ収集系の最大処理能力を示し、実効ピーク計数率は線形性が良好な範囲(ピーク時に数え落としが 2%以下と定義した)での最大計数率とした。
µNID の主な性能[7,8]を表 3-6-1 にまとめた。また図 3-6-2 には、µNID の高空間分解能の実例として、ガドリニウム製のテストパターンの中性子透過像を示した。µNID は、現在、J-PARC の物質・生命科学実験施設（主に RADEN[9]）で、エネルギー分析型中性子イメージングの検出器として利用されている。

図3-6-1 (a) アルミニウム製圧力容器、ビーム入射窓及びFPGAを用いたデータエンコーダーモジ
ュールを含むµNIDシステムの写真、(b) ドリフト面とµPIC読み出し機構から構成されるTimeprojection chamberの概念図 （ドリフト面とµPICの間隔は実物比ではない）。

表3-6-1 マイクロピクセルチェンバー（µPIC）を用いた中性子イメージング検出器(µNID)の性能。
空間分解能、最大ピーク計数率及び実効ピーク計数率はRADENにおいて確認した[7,8]。
検出器名
µNID
分類
マイクロパターンガス検出器
3He
中性子コンバータ
有感面積100×100 mm2
時間分解能
0.25 µs
空間分解能
0.1 mm
検出効率 (熱中性子に対して) 26%
最大ピーク計数率
8 Mcps
実効ピーク計数率
1 McpsⅠ-44

さらに、RADEN において、新たに MEMS
（Micro-Electro-Mechanical Systems: 微少電
気機械システム）技術で製作した 215 µm ピッチの読み出し素子を用いた空間分解能の向上試験や、計数率の向上を目指したホウ素を中性子コンバー
タとして採用する試み等、µNID の開発が続いている[6]。MEMS で製作した µPIC は概ね 1/2 の読み出しストリップのピッチを実現しており、シミュ
レーションの結果では、相応の空間分解能の向上が期待されている。一方で、ホウ素を使用したコンバータでは、中性子と 10B との反応によって放出された α 粒子のガス中での飛行距離が、反応で生成する陽子とトリチウムが軽い 3He をコンバータに使用した場合と比較して、非常に短くなる。このため、イベント当たりに信号を検出するストリップの数が少なくなり、結果として、同じバンド幅でより多くのイベント数を転送できるようになることから、最大計数率が 3 倍の 20 Mcps 以上にまで向上するこ

図3-6-2 J-PARCのRADEN装置でµNIDを使用して取得したガドリニウム製テストパターンの中性子透過像。陽子ビーム出力150 kW、照射時間は1.5時間、L/Dは5000であった。画像の大きさ
は100×100 mm2で、ピクセルサイズは40×40µm2とした。

とが期待されている。イベント当たりのデータが小さくなることで、α 粒子の飛跡の終端を正確に測定することが困難になり、空間分解能を劣化させる懸念があるが、劣化の程度は、ストリップのピッチ程度に留まると考えられる。なお、３He ガスから 10B を使ったコンバータに変更することにより、長期にわたる検出器の維持費用を抑えられるという利点もある。このような新しい µNID の試験が、RADEN で進められている。
*1 パルス波高が閾値を超えた時間を計測することにより、波高値を時間幅に変換して評価することができる計測方法。一般的なアナログ-デジタル変換による波高測定と比較して、回路が単純になるという利点がある。

参考文献[1] J.D. Parker et al., Nucl. Instr. and Meth. A 697, 23 (2013).
[2] J.D. Parker et al., Nucl. Instr. and Meth. A 726, 155 (2013).
[3] A. Oed, Nucl. Instr. and Meth. A 263, 351 (1988).
[4] A. Ochi, T. Nagayoshi, S. Koishi, T. Tanimori, T. Nagae, and M. Nakamura, Nucl. Instr. andMeth. A 471, 264 (2001).
[5] T. Mizumoto et al., Nucl. Instr. and Meth. A 800, 40 (2015).
[6] J.D. Parker et al., submitted to Proc. Int. Conf. Neutron Optics (NOP2017), Nara, 2017.
[7] J.D. Parker et al., 2015 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference, 1(2016).
[8] J.D. Parker et al., 2016 IEEE Nuclear Science Symposium, Medical Imaging Conference andRoom-Temperature Semiconductor Detector Workshop, 1 (2017).
[9] T. Shinohara et al., J. Phys.: Conf. Series 746, 012007 (2016).

Ⅰ-45

(3-7) ピクセルタイプ検出器
16×16 ピクセルフラットパネル PMT を用いた中性子検出器で、高計数率タイプと高位置分解能タイプの 2
種類がある。
＜検出器仕様＞
・検出器面積：50×50 mm2
・使用シンチレーター：Li ガラス（GS20）1mm 厚・TOF（飛行時間）測定可能
１）高計数率タイプ
・位置分解能：3mm・最大計数率：約 70Mcps（検出器全体）
・検出効率約：40％（熱中性子に対して）
２）高位置分解能タイプ
・位置分解能：約 0.5 mm
・最大計数率：約 5Mcps（検出器全体）
・検出効率約：75％（熱中性子に対して）検出器素子部

検出器及び回路

測定例：左）Gd 板による形状、右）重心計算による画像

Ⅰ-46

(3-8) MCP検出器
Neutron sensitive Microchannel plate detector※University of California at BerkeleyのDr. Anton S. Tremsinにより開発

MCP（Microchannel Plate）
マイクロチャンネルプレート↓
ガラス基板に多数の貫通孔
基板両面に電極・・・高電圧印加
各々の孔が電子増倍管↓
マイクロサイズの
電子増倍管の集合体

中性子用MCP

n
7Li

中性子

a

e-

10B+n

中性子用
MCP

ホウ素Bを含有した
ガラス基板を使用↓
10B(n,a)7Liで放出される
α粒子によりMCPの孔の内側表面より
電子放出
↓
電子増倍
↓
電気信号

-> 7Li+a

電子増倍用
MCP

中性子用MCP（Nova Scientific社製）
孔径：8 mm，孔のピッチ：10.5 mm，厚さ：0.8 mm，直径：33 mm

取得画像の例
真空容器

Timepixチップ

Timepixチップ

CERNで開発された電荷読み出しASICチップ
ピクセルサイズ：55x55 mm
画素サイズ：128x128 pixels/chip（現状 2x2チップアレイ＝28mmx28mm FOV）
各ピクセルに14bit registerを搭載

３つの動作モード
1. 高計数率モード=registerに中性子カウント
のみ格納
2. 高分解能モード＝registerに電荷量を格納
重心演算により10mm程度の分解能
3.TOFモード＝飛行時間情報を格納⇒TOF測定可能

ISIS Larmorビームラインで撮像したナット等
Normal mode

High resolution mode

高計数率場にも対応可能
高計数率モードで 108 n/cm2/sまで対応可
モード2&3⇒読み出しDead timeが問題にも

PSI Gd test patternの画像（100 mm以下の分解能）
Ⅰ-47

イメージング画像集（記載項目）
画像種別（静止画、CTの一部、動画の一部）
測定施設
L/D
測定方法（検出（フィルム（感度）、IP, CCD＋コンバータ,その他）、フィルター、コリメータ）
測定時間
画角
検出器のピクセルサイズ
想定中性子束
撮影年月日
撮影者・グループ
エネルギー分析等は、その他の必要情報を付加する。

Ⅰ-48

植物（カーネーション）
測定施設 PSI NEUTRA
CT画像
測定方法：CCDカメラ
測定時間：15秒
ピクセルサイズ：0.1 mm
画角：30cm角
想定中性子束：>5 x 106 neutrons cm-2 sec-1 mA-1 (p-current)
撮影年月日：2004年6月5日
撮影者・グループ：松嶋卯月，E. H. Lehmann

カーネーション試料(左)，カーネーション花冠CT(右上)の外観画像，
カーネーション花冠CTの輪切り画像(右下)．
Ⅰ-49植物（トウモロコシ）
測定施設 HZB, CONRAD
静止画
測定方法：CCDカメラ
測定時間：10秒
ピクセルサイズ：0.1 mm
画角：15cm角
想定中性子束：～107n/sec/cm2
撮影年月日：2005年10月25日
撮影者・グループ：松嶋卯月，N. Kardjilov, A. Hilger, W. B. Herppich

トウモロコシ苗の根が重水を吸収する様子をとらえた画像．ガラス管に水とガラスビーズを充填した上にトウモロコシを播種し，草丈が10 cm程度になるまで生育させた(左)．水を重水に置換した時点から連続画像を撮影し，差分画像を得た(右)．重水は水より中性子の透過度が高いため，重水を吸収した部分の根は明るく示される．同様に，植物の茎や葉でも，重水が吸収され水に置き換わった部分が可視化されるので，植物内部における水移動の研究に応用できる．
Ⅰ-50

木材(難燃処理木材)

Ⅰ-51

コンクリート(1)Ⅰ-52コンクリート(2)測定施設 京都大学研究用原子炉(KUR) ビーム照射孔（B-4）
画像種類：静止画(連続撮影)
L/D
：約 20
測定方法
：C-CCD カメラ(1024×1024)､LiF:ZnS (Ag)
測定時間：5.5 秒(データ転送時間含む)
ピクセルサイズ：約 100μm/pixel
画角：約 100×100mm2 (撮像範囲は 20×100ｍｍ2 程度)
想定中性子束：1×107n/sec/cm2 (1MeV 運転時)
撮影年月日
：2011 年 11 月 10 日
撮影者・グループ：東京理科大学・京都大学グループ
概要：鉄筋コンクリートは高い耐火性を有するが、高強度コンクリートが火災時に急激な加熱を受けると、表層からコンクリートが爆発的に剥離する爆裂と呼ばれる現象が起きることが知られている。本研究では、加熱環境下におけるコンクリート内部の様子を可視化し、高温加熱に伴って生じる水分挙動を定量的に捉えた。

oven dried

1min

3min

saturated

5min

7min

9min

高温加熱下におけるコンクリートの中性子イメージング
左：工学画像、左から 2 番目：ln(I/I0)画像、以右：ln(I/I0)時間差分画像(画像下側よりブンゼンバーナーにより加熱し、下面より乾燥が進む様子を捉えた)Ref) M. KANEMATSU, N. TUCHIYA, M. TAMURA, T. NOGUCHI, D. ITO, and Y. SAITO : Experimental Research on
the Moisture Behavior of High Strength Concrete under High Temperature by using TNRF, 10th World Conference on
Neutron Radiography 5-10 October 2014 Grindelwald, Switzerland

Ⅰ-53

コンクリート(3)Ⅰ-54鉄筋コンクリート

Ⅰ-55

小型固体高分子形燃料電池の膜厚方向水分布計測

9mm

測定施設：KUR B4(5MW運転)
L/D：384(ピンホールコリメータ使用)
測定方法：冷却型CCDカメラ(PIXIS 1024, Princeton Instruments)
高輝度コンバータ
測定時間：60秒
ピクセルサイズ：8.7μm
画角：9×9mm
想定中性子束：5×107 n/sec/cm2
撮影年月日：2012年9月
撮影者・グループ：神戸大学・京都大学グループ

Hideki Murakawa, Katsumi Sugimoto, Nobuki Kitamura, Masataka Sawada, Hitoshi
Asano, Nobuyuki Takenaka, Yasushi Saito, Visualization of water accumulation process inpolymer electrolyte fuel cell using neutron radiography, Physics Procedia, Vol. 69, pp.
607-611 (2015).
Hideki Murakawa, Katsumi Sugimoto, Masataka Sawada, Masataka Nishizaki, Hitoshi
Asano, Nobuyuki Takenaka, Yasushi Saito, Study of water transport phenomena inpolymer electrolyte fuel cells in the through-plane direction, Multiphase Science andTechnology, Vol.27, No.2-4, pp.117-132, (2015)
Ⅰ-56

固体高分子形燃料電池のダイナミックCT計測
測定施設：JRR-3 TNRF
L/D：175
測定方法：高速度C-MOSカメラ(Basler, A504kc)，
6インチ中性子カラーイメージインテンシファイヤ(㈱東芝)
測定時間：2.6秒毎に1時間以上の連続計測が可能
ピクセルサイズ：107μm
画角：6ｲﾝﾁ丸
想定中性子束：1.5×108n/sec/cm2
撮影年月日：2010年11月
撮影者・グループ：神戸大学・東京都市大学グループ

Nobuyuki Takenaka, Hitoshi Asano, Katsumi Sugimoto, Hideki Murakawa, Michitsugu Hashimoto,
Noritaka Shindo, Koh-ichi Mochiki, Ryo Yasuda, Visualization of dynamic 3-D water behavior inpolymer electrolyte fuel cell by using neutron image intensifier, Nuclear Instruments and Methods inPhysics Research A, Vol.651, No.1-21, pp.277-281(2011)
村川英樹、橋本迪矩、杉本勝美、浅野等、竹中信幸、持木幸一、安田良、中性子ラジオ
グラフィによるダイナミックCTシステムの開発と燃料電池スタック内水分布の連続三次
元可視化、日本機械学会論文集 B編、77巻、784号、pp.2255-2262 (2011)Ⅰ-57

リチウムイオン電池製品内部の黒鉛負極材の結晶格子面間隔変化の可視化測定施設 北海道大学電子加速器中性子源（HUNS）
静止画
測定方法 GEM型中性子TOF画像検出器
ピクセルサイズ 800 μm×800 μm
測定領域 9 cm×9 cm
線源出力 1 kW
撮影者 北大、名大グループ
撮影種類 ブラッグエッジ

0 mAh
2360 mAh

500 mAh
3919 mAh

1412 mAh
Charged

0.37
0.36

Stage-2
Stage-3
Stage-4Graphite

0.35
0.34
0.33

Inter-layer spacing d002 [nm]Stage-1

充電により、リチウムイオンが、正極から負極へ移動。
→ 負極の黒鉛の原子層間に侵入し、層間隔を拡げる。
層間隔の拡がり方が鈍い箇所が存在することが可視化された。このムラを無くすことで、電池性能が向上する可能性。

Structural Change of Carbon Anode in a Lithium-ion Battery Product
Associated with Charging Process Observed by Neutron Transmission
Bragg-edge Imaging, T. Kamiyama, Y. Narita, H. Sato, M. Ohnuma,
Y. Kiyanagi, Physics Procedia, 88 (2017) 27-33.

Ⅰ-58

リチウムイオン二次電池
測定施設 J-PARC SPICA
静止画
測定方法：中性子粉末回折装置の散乱槽内にて、リチウムイオン二次電池(LIB)サンプルをμPIC型二次元中性子検出器の上流10cmに設置。
XYコリメータにて中性子強度を調整。
測定時間：各充電率(SOC)で約10時間
空間分解能：約100μm(1σ)。ただし、下の図１では1ピクセル0.2mm×0.2mmに、図２では1ピクセル2mm×20mmにて画像化。
画角：10cm角
撮影年月日：2014年3月31日
撮影者・グループ：北海道大学、KEK

図１
0.1〜0.8nm全域での透過画像。
電解液やリチウムの移動に伴う透過率の変化が見られる。

図２
各充電率(SOC)での負極の主要結晶の面密度画像。
充電すると、グラファ
イト→LiC12→LiC6に変化する。
充放電の様子が画像化されている。

Ⅰ-59

流動層セグレケセーシヨン（二粒子混合）測定施設 JAEA JRR-3
動画
L/D 238
測定方法：SITカメラ
測定時間：30frame/sec
ピクセルサイズ： 0.5mm
画角：300mm×240mm
想定中性子束：1.5×108
撮影年月日：2003
撮影者・グループ：関大グループ

粒子系の異なる2種類のけい砂を混合．細かい粒子を硝酸ガドリ
ニウム2%水溶液に浸漬・乾燥させることで着色．流動化を十分に高く保って均一混合したのち，低下させるとセグレゲーションが発生する．別途X線ラジオグラフィにより撮影したボイド率分布よる結果を併用することで粒子偏析を定量評価できる
S.Furui, H.Umekawa, M.Tsuzuki, M.Ozawa and N.Takenaka,
Flow Visualization of Segregation Process in a Fluidized Bed by
Neutron Radiography, IEEE Transactions on Nuclear Science Vol.52
No.1(2005), 295-298.
Ⅰ-60

流動層水平熱交換器まわりの流動層層材挙動測定施設 JAEA JRR-3
動画
L/D 238
測定方法：SITカメラ
測定時間：30frame/sec
ピクセルサイズ： 0.5mm
画角：300mm×240mm
想定中性子束：1.5×108
撮影年月日：2003
撮影者・グループ：関大グループ

水平配置した伝熱管周りの流動層層材挙動(硝酸ガドリニウム水溶液
にて着色したけい砂)を動的に定量計測．中央に配置した加熱管の熱伝達率特性との関係を評価
R.Honda, H.Umekawa and M.Ozawa,Heat Transfer and Flow
Characteristics around a Finned-Tube Bank Heat Exchanger in Fluidizedbed, Vol.605(2009),189-191.

Ⅰ-61

流動層熱交換器（鉛直配置）まわりの流動層層材挙動測定施設 JAEA JRR-3
動画
L/D 238
測定方法：SITカメラ
測定時間：30frame/sec
ピクセルサイズ： 0.5mm
画角：300mm×240mm
想定中性子束：1.5×108
撮影年月日：2003
撮影者・グループ：関大グループ

鉛直配置した伝熱管周りの流動層層材挙動(硝酸ガドリニウム水溶液にて着色したけい砂)を動的に定量計測．加熱管の熱伝達率特性との関係を評価
古井秀治,梅川尚嗣,林幸一,小澤守,竹中信幸,流動層熱交換器内に垂直に配置された伝熱管周りの気泡挙動,日本機械学会論文集
B,Vol.68.No.676(2002),3432-3438.
Ⅰ-62

鉛直バンドル配置された流動層熱交換器まわりの流動層層材三次元分布測定施設 JAEA JRR-3
静止画(CT)L/D 238
測定方法：SITカメラ
測定時間：10sec×200
ピクセルサイズ： 0.5mm
画角：300mm×240mm
想定中性子束：1.5×108
撮影年月日：2003
撮影者・グループ：関大グループ

z=321
mm

z=267
mm
1.0

z=214
mm
0.5

z=160
mm
J G=0.164 J G=0.273
m/s
m/s

H/D=1.5

J G=0.099 J G=0.165 J G=0.264
0.0
m/s
m/s
m/s Void

H/D=2.0

fraction

バンドル状に配置した鉛直管周りの流動層層材挙動をCT計測．
最下部ではロの字型に空気を吹きこむことで，上昇するにつれてボイド率分布が変化する様相を可視化
H.Umekawa,M.Ozawa and S.Furui,Bubble Behavior in Vertical Tube
Banks Installed in a Fluidized Bed,Nondestructive testing and
Evaluation, Vol.16(2001), 391-402.
Ⅰ-63

流動層セグレケセーシヨン(粗大粒子まわりの粒子挙動)測定施設 JAEA JRR-3
動画
L/D 238
測定方法：SITカメラ
測定時間：30frame/sec
ピクセルサイズ： 0.5mm
画角：300mm×240mm
想定中性子束：1.5×108
撮影年月日：2003
撮影者・グループ：関大グループ

流動層内に球粗大粒子を混合．層材には炭化ホウ素を粘土で固めたトレーサー粒子を混合．粗大粒子をPTV処理，層材粒子をPIV処理することで，粗大粒子挙動に対する層材粒子挙動の影響を評価

梅川尚嗣, 小野寺俊和,小澤守,竹中信幸, 二成分系流動層内の気泡と粗大粒子挙動の可視化,混相流,Vol.14 No.4 (2000), 451455.
Ⅰ-64流動層内単一気泡まわりの粒子挙動測定施設 JAEA JRR-3
動画
L/D 238
測定方法：SITカメラ
測定時間：30frame/sec
ピクセルサイズ： 0.5mm
画角：300mm×240mm
想定中性子束：1.5×108
撮影年月日：2003
撮影者・グループ：関大グループ

流動層層材に炭化ホウ素を粘土で固めたトレーサー粒子を混合した状態で単一気泡を打ち込み，気泡周りの粒子挙動を評価

梅川尚嗣, 小野寺俊和,小澤守,竹中信幸, 二成分系流動層
内の気泡と粗大粒子挙動の可視化,混相流,Vol.14 No.4
(2000), 451-455.

Ⅰ-65

流動層ディストリビュータから吹き込まれた気泡の動的評価測定施設 JAEA JRR-3
動画
L/D 238
測定方法：SITカメラ
測定時間：30frame/sec
ピクセルサイズ： 0.5mm
画角：300mm×240mm
想定中性子束：1.5×108
撮影年月日：2003
撮影者・グループ：関大グループ

1/30s

2/30s

3/30s

4/30s

5/30s

6/30s

流動層内底部にディストリビューターを配置．ディストリビューター
より排出されたガスの動的挙動を定量評価
H.Umekawa,Y.Hoshikawa,Y.Tsuji,S.Furui,M.Ozawa and N.Takenaka,
Void Distribution around a Distributor Nozzle of Fluidized Bed,
Neutron Radiography 8, 313-321, 2008.

Ⅰ-66

流動層ディストリビュータから吹き込まれた空気の三次元分布特性
測定施設 JAEA JRR-3
静止画(CT)L/D 238
測定方法：SITカメラ
測定時間：10sec×200
ピクセルサイズ： 0.5mm
画角：300mm×240mm
想定中性子束：1.5×108
撮影年月日：2003
撮影者・グループ：関大グループ

z=0mm

z=5mm

z=8mm

z=13m

z=16mmz=32mmz=54mmz=162mm. CT reconstruction image (4-nozzles

u=38m/s)

流動層底部にディストリビューターを配置．ディストリビューター
より吹き込まれた空気の分布特性をCTにより三次元的に評価
Application of CT-processing to Neutron Radiography Imaging of
Fluidized-bed,Particle - Particle Systems Characterization, Vol.24,
No.3(2006),262-278.
Ⅰ-67

沸騰二相流のボイド率計測（熱流束差による影響評価）
測定施設 KUR B4
静止画
L/D
測定方法：C-CCDカメラ
測定時間：ピクセルサイズ：画角：30×75mm (テストセクションを昇降させて最長1000mmまで測定)
想定中性子束：1×107
撮影年月日：2003
撮影者・グループ：関大グループ

強制流動沸騰系の加熱長さを変化させ同一熱平衡クオリティ
条件下で熱流束の異なる条件での沸騰状態を実現．昇降装
置を使うことで全長にわたってボイド率を計測
H.Umekawa, S.Nakamura, S, Fuijiyoshi,T.Ami and M.Ozawa, The
Influence of the Heating Condition on the Void Fraction of
Boiling Channel,Physics Procedia, Vol,69(2015),599-606
Ⅰ-68

強制流動脈動化における沸騰二相流のボイド率計測
測定施設 KUR B4
疑似動画
L/D
測定方法：C-CCDカメラ
測定時間：2s(アンサンブル平均使用)
ピクセルサイズ：
画角： 30×75mm
想定中性子束：1×107
撮影年月日：2003
撮影者・グループ：関大グループ

入口流量を機械的に脈動させた状態で加熱実験を行い内部の沸騰状態を可視化．撮影では脈動との同期をとることでアンサン
ブル平均を実施．加熱管の熱容量による影響を評価
H.Umekawa, Convective Boiling under Unstable Flow
Conditions(Y.Kozizumi, M.Shoji, M.Monde, Y.Takata, N.Nagai eds.),
Boiling-Research and Advances, Elsevier, 297-315, 2017.
Ⅰ-69

超臨界水熱合成装置内における超臨界水－常温水の混合状態の中性子線CT像

測定施設
L/D
測定方法
測定時間
画角
ピクセルサイズ想定中性子束
撮影年月日
撮影者

超臨界水熱合成装置
高圧ポン プ混合部

京都大学原子炉実験所
500
CCD＋コンバータ （6LiF/ZnS）
1 min×200枚
65×65 mm2
64 μm/pixel （1024×1024 pixel）
5×107 n/cm2 s （5 MW運転時）
2012年10月23−25日
東北大学，神戸大学，京都大学グループ
上から 超臨界水、 横から
室温水を 供給し て混合

上から 室温水、 横から超臨界水を 供給し て混合

ヒ ータ~385°C12.0 g/min

6.0 g/min

6.0 g/min~391°C12.0 g/min

フ ィ ルタ背圧弁

可視化対象： 混合部の1/8-inch
Teeコ ネク タ （ SU S316）

5 mm

25 MPa5 mm

25 MPaS. Takami, K. Sugioka, K. Ozawa, T. Tsukada, T. Adschiri, K. Sugimoto, N. Takenaka, Y.
Saito, Phys. Procedia 69, 564–569 (2015).
Ⅰ-70

ベアリング

測定施設 KUR E2
静止画、CT測定
L/D：50測定方法：CCDカメラ(1100万画素)、
ZnS/LiFシンチ200μm、フィルター無測定時間：静止画：１分間照射、CT：30秒/
枚で300枚撮像
ピクセルサイズ：約80μm
画角：約10cm×15cm
想定中性子束：8×104n/cm2/sec（静止画、1MW）、4×105n/cm2/sec(CT、5MW)
撮影年月日：2014年4月15〜17日
撮影者・グループ：名古屋大広田

測定対象物

静止画像
（右側はグリスあり、左側はグリスなし）

CT測定例

Ⅰ-71

小型４ストロークエンジン内の潤滑油挙動の可視化測定施設：JRR-3 TNRF
動画：30fps～
L/D：175
測定方法：高速度C-MOSカメラ(Basler, A504kc)，
9インチ中性子カラーイメージインテンシファイヤ(㈱東芝)
測定時間：10秒以上
ピクセルサイズ：160μm
画角：9ｲﾝﾁ丸
想定中性子束：1.5×108n/sec/cm2
撮影年月日：2010年11月
撮影者・グループ：東京都市大学・神戸大学グループ

動画 https://www.jrias.or.jp/report/cat1/202.html
Masahiro Nakamura, Katsumi Sugimoto, Hitoshi Asano, Hideki Murakawa, Nobuyuki
Takenaka, Koh-ichi Mochiki, Visualization of oil behavior in a small 4-cycle engine withelectrical motoring by neutron radiography, Nuclear Instruments and Methods in Physics
Research A, Vol.605, No.1-2, pp.204-207 (2009)

Ⅰ-72

人工衛星用スラスタ
測定施設 KUR B-4
動画
測定方法：HSCカメラ､ZnS/6Liシンチレータ 140µm
測定時間：40秒（200Hz）
想定中性子束：5x107n/sec/cm2
撮影年月日：2014年5月15日
撮影者・グループ：JAXAグループ＋KURグループ
人工衛星用スラスタの触媒内におけるヒドラジン分解反応の中性子イメージングを行った。
高速度カメラで撮影した画像に画像処理を施すことで、ヒドラジンの噴射直後の様子を可視化
できた。

スラスタ

Ⅰ-73

鉄鋼材料：溶接材

110

Fe

200

SS304

220
211

測定施設 J-PARC 20番
静止画
測定方法 2次元位置敏感型Liグラス検出器（64ch）
測定時間 2時間
ピクセルサイズ 1.7mm×1.7mm
測定領域 20mm×20mm
線源出力 4kW
撮影者 茨城大、北大グループ
撮影種類 ブラッグエッジ

150

Theoretical
Fe

Expected
weld line

33

41

49

57

2

10

18

26

34

42

50

58

3

11

19

27

35

43

51

59

4

12

20

28

36

44

52

60

5

13

21

29

37

45

53

61

6

14

22

30

38

46

54

62

7

15

23

31

39

47

55

63

8

16

24

32

40

48

56

64

Fe-SUS溶接材と測定領域内のピクセル番号

No.37
No.29

50

No.21
No.13
No.5
0

0.5

1.0

1.5
d/Å

Theoretical
SS304
2.0
2.5
111

25

No.45

200

17

No.53

220

9

100

311

1

Total cross section (barn)

No.61

No.5～No.61までのブラッグエッジスペクトルの変化とFe,SUS304の理論値によるスペクトルFe板（bcc構造）とSUS304（fcc構造）の溶接材をBragg-edge法で測定した。溶接部付近のFe
板部、SUS304 部、HAZ（熱影響部）部位をBragg-edgeスペクトルから特定した。スペクトルの形状変化から、それぞれの部位を特定した。

Ⅰ-76

圧延鋼材溶接部の優先方位・集合組織発達度・結晶子サイズの可視化測定施設 北海道大学電子加速器中性子源（HUNS）
静止画
測定方法 GEM型中性子TOF画像検出器
測定時間 8.3時間
ピクセルサイズ 800 μm×800 μm
測定領域 10 cm×10 cm
線源出力 1 kW
撮影者 北大グループ
撮影種類 ブラッグエッジ

H. Sato, T. Kamiyama and Y. Kiyanagi, Mater. Trans. 52 (2011) 1294-1302.

圧延方向に<110>組織、その法線に<111>組織が配向・伸長。溶接部では圧延集合組織が弱くなり、結晶子サイズが小さい。
Ⅰ-77

焼き入れ棒鋼の焼き入れ部（マルテンサイト相）の結晶格子面間隔ならびに結晶格子面間隔分布の幅の可視化測定施設 J-PARC MLF BL10 「NOBORU」
静止画
測定方法 MCP型中性子TOF画像検出器
測定時間 12時間
ピクセルサイズ 55 μm×55 μm
測定領域 1.4 cm×1.4 cm
線源出力 120 kW
撮影者 北大グループ
撮影種類 ブラッグエッジ

H. Sato, T. Sato, Y. Shiota, T. Kamiyama, A. S. Tremsin, M. Ohnuma andY. Kiyanagi, Mater. Trans. 56 (2015) 1147-1152.

Crystal lattice plane spacing

FWHM of d110 distribution

焼入れ領域の同定可能
結晶格子面間隔分布の幅とビッカース硬さの間に比例関係が存在することもわかった→非破壊硬さ可視化法の確立
Ⅰ-78

Fe板材内の格子歪分布測定施設 J-PARC BL19
静止画
測定方法 2次元位置敏感型Liグラス検出器（256ch）
引張試験と透過実験を同時測定
測定時間 4時間
ピクセルサイズ 1.7mm×1.7mm
測定領域 40mm×40mm
線源出力 150kW
撮影者 茨城大、北大グループ
撮影種類 ブラッグエッジ

図1 引張試験片（Fe板）

図2 測定時の様子

図3 格子歪分布の可視化

試料の中央付近に切欠きを入れたFe板材の測定を実施した。引張試験と中性子透過法（Bragg-edge法）を同時に測定した。引張荷重の増加と共に切欠き付近の格子歪が増加。切欠き付近から試料の中央付近に歪分布変化を可視化した。
K. Iwase, et al., In situ lattice strain mapping during tensile loading using the neutrontransmission and diffraction method, J. Appl. Cryst. 45, (2012) 113–118.
Ⅰ-79オートラジオグラフィーの例（BNCTへの利用の展望）

Ⅰ-84

中性子施設ハンドブック

公益社団法人日本アイソトープ協会
理工学部会
中性子応用専門委員会
2018年3月

中性子源ハンドブックについて
中性子を用いたイメージングには中性子源が必要ですが、これまでは、原子炉や大型加速器などの施設しかありませんでしたが、最近は比較的小型の加速器を用いた中性子源ができているので、中性子イメージングをやってみようかと考えている方にも、以前より容易に施設とコンタクトできるようになっています。ここでは、日本アイソトープ協会中性子応用専門委員会のもと、施設の概要について簡単にまとめています。実際の利用にあたっては、各施設へ直接連絡してください。
１．目的：中性子に馴染みのない方に対して、中性子施設の概要が一目で分かるようにする。
２．記載項目：以下の内容を網羅するようにする。
施設名
住所
連絡先
施設の図面
施設の概要
中性子特性（中性子束、Cd比、L/D、照射野、n/γ）
検出器
付帯設備
撮影種類（静止画、CT、動画、ブラッグエッジなど）
３．掲載施設名（大型施設）
J-PARC RADEN （大強度陽子加速器施設）
JRR-3 TNRF （原子力機構研究炉）（中型施設）KUR
B-4、E-2 （京都大学複合原子力研究所原子炉）（小型加速器施設）
HUNS （北海道大学中性子源）
青森県量子科学センター
RANS （理研中性子源）
KUANS （京大中性子源）
KURNS-LINAC （京都大学複合原子力研究所中性子源）
SHI-ATEX （住重アテックス）（可搬型）
小型放電型核融合中性子源 （京大エネルギー理工学研究所）（その他）
世界のイメージング施設の例
Ⅱ-2

螺鈿(RADEN)
J-PARC物質・生命科学実験施設BL22
Energy-resolved neutron imaging system
住所: 茨城県那珂郡東海村白方2-4
http://www.j-parc.jp/researcher/MatLife/ja/instrumentation/ns_spec.html#bl22
撮影種類
ラジオグラフィ、トモグラフィ、
ブラッグエッジ、共鳴、磁場（施設概要）
核破砕中性子源
エネルギー
最大電流
繰り返し
パルス幅

陽子加速器
3 GeV
333 μA25 Hz〜 1μs（中性子特性）
中性子強度(飛行距離18m)
0.5 eV以下
3×107 n/s/cm2/MW
5 meV以下
2×107 n/s/cm2/MW

検出器
CCD+ZnS/6Li+CCDカメラ、カラーI.I.、
GEM検出器、µNID検出器、6Liガラスピクセル検出器、
最大視野
300x300 mm
最高空間分解能50µm

Ⅱ-3螺鈿(RADEN)
J-PARC物質・生命科学実験施設BL22
Energy-resolved neutron imaging system

インジケータによる空間分解能評価
RADEN
ZnS/6LFシンチレータ(厚さ50 m)
視野: 30 x 30 mm2, (15µm/pixel)
照射: 300秒 x 3回の平均

100 mm

100 mm

100

90

80

70

60

50 40

Transmission

1.0

0.9

0.8

0.7
PixelsⅡ-4m日本原子力研究開発機構
熱中性子ラジオグラフィ装置（TNRF）
住所：〒319-1195
茨城県那珂郡東海村大字白方２−４ 日本原子力研究開発機構
http://jrr3uo.jaea.go.jp/index.htm
連絡先：JRR-3ユーザーズオフィス
Tel: 029-282-6098, Fax: 029-282-6763 e-mail: jrr3-uoffice@jaea.go.jp
中性子源：研究用原子炉JRR-3M（熱出力20MW）
装置仕様
中性子束（n/cm2/s）

1.2

×

108

照射野（W × H mm）

255

×

305

176 *

コリメータ比（L/D）* ピンホールコリメーターを設置することで変更可能（ただし、照射野は狭くなる）

共用撮像システム
１）冷却 CCD カメラ(浜松ホトニクス製 C4742-98)
1024×1024・有効画素数

16bit

・濃度階調

・静止画撮影用２）EM-CCD カメラ(浜松ホトニクス製 C9100-02)
1000×1000

・有効画素数

14bit

・濃度階調
・動画撮影用３）高速度カメラ（フォトロン製 FASTCAM SA5）1024×1024（<7000fps）、512×272（50000fps）

・有効画素数
・濃度階調

12bit

・高速度撮影用

Ⅱ-5

撮影室概要305mm

・大型構造物も撮影可能
・CT 撮影可能
・撮影室の広さ(W×H×D)

255mm

1456×1930×980 mm
・搬入扉幅
934 mm

撮影例
ガドリニウム製テストパターン

CT 用インジケータ

Ⅱ-6

B-4
京都大学研究用原子炉B-4ｽｰﾊﾟｰﾐﾗｰ中性子導管実験室
B-4 supermirror neutron guide tube facility
住所: 大阪府泉南郡熊取町朝代西2-1010
http://www.rri.kyoto-u.ac.jp/facilities/kur
中性子スペクトル（施設概要）
研究用原子炉 KUR
定格出力：5MW
スーパーミラー中性子導管
導管全長：11.7m（中性子特性）
中性子束（ビーム出口）
5×107 n/sec/cm2 @ 5MW

撮影種類
ラジオグラフィ（静止画、動画）
検出器
CCD+ZnS/6Li+CCDカメラ、高速度カメラ
最大視野
縦75 x 横10 mm
最高空間分解能100µm

付随設備
・ X線ラジオグラフィシステム
・ 大電力直流電源（20V1200A）
・ 冷水供給装置（5℃50kW）・ 熱流動ループ（耐圧2MPa）・ PGAシステム

Ⅱ-7

E-2
京都大学研究用原子炉E-2水平照射孔
B-4 supermirror neutron guide tube facility
住所: 大阪府泉南郡熊取町朝代西2-1010
http://www.rri.kyoto-u.ac.jp/facilities/kur（施設概要）
研究用原子炉 KUR
定格出力：5MW（中性子特性）
中性子束（ビーム出口）
N/γ比
L/D
カドミウム比3.2×105 n/sec/cm2 @ 5MW
1.0×105 n/mRcm2
100
400

撮影種類
ラジオグラフィ、CT撮影
検出器
CCD+ZnS/6Li+CCDカメラ
最大視野
φ15mm
最高空間分解能
100µm

Ⅱ-8

HUNS
北海道大学加速器中性子源
Hokkaido University accelerator driven Neutron Source
住所: 札幌市北区北13条西8丁目
http://www.eng.hokudai.ac.jp/labo/hulinac/（施設概要）
新電子線型加速器(2018年秋以降、3.5kW)

撮影種類
静止画、ブラッグエッジ、共鳴RF
最高エネルギー
最大平均電流繰り返し
パルス幅

検出器(ピクセルサイズ)
１．GEM検出器(0.8 mm)
２．カラーII (～100 mm)
３．Liピクセル検出器

s-band35 MeV
100 μA
10〜100 Hz
10 ns 〜 4 μs

(中性子特性(ただし、旧加速器による値)）
発生中性子強度
冷中性子強度(5meV以下)

1.6×1012 n/s (34MeV, 1kW)
3.1×103 n/s/cm2/kW(飛行距離7m)

付帯設備
速/熱/冷中性子源+X線源
恒温装置 -150～200℃
ステップ撮像用回転ステージ
各種ビームラインデバイス(旧加速器による)

施設の平面図Ⅱ-9青森県量子科学センター
中性子ラジオグラフィ撮影装置
Aomori prefecture Quantum Science Center（https://www.aomori-qsc.jp/)
住所：青森県上北郡六ヶ所村大字尾駮字表舘2-190 TEL：0175-72-1270○サイクロトロン 20MeV,50μA(中性子ラジオグラフィにおける照射条件)○水平ポートと垂直ポートの２ポートから構成○測定位置における中性子束 6.1×105n/sec/cm2（熱中性子）○コリメーション比 L/D=44○測定位置までの距離 2,100㎜○照射野 430×350㎜○イメージング検出器 工業用X線フィルム＋Gdコンバータ
中性子用イメージングプレート

NRT

BNCT
サイクロトロン加速器

PIXE(a) 加速器と陽子ビームライン
356

1200㎜

2025㎜

400㎜(開口)(b) 垂直照射室
Ⅱ-10

RANS
理研加速器中性子源
RIKEN accelerator driven Neutron Source
住所：埼玉県和光市広沢2-1
http://rans.riken.jp（施設概要）

イメージング検出器 (ピクセルサイズ）

陽子線形加速器
RF
エネルギー
最大電流
繰り返し
パルス幅
最大RF Duty factor

425 MHz
7 MeV
70 μA
12〜150 Hz
20〜160 μs
1.3 %LiF/ZnS + CCD (40μm)
Gd, B4Cタイプイメージインテシファイア + CCD (40μm)
LiF/ZnS, Liガラス + 位置感応型光電子倍増管(~1mm)
3He 位置感応型検出器(~10mm)（中性子特性）~1012 n/s
~104 n/s/cm2(飛行距離5m)発生中性子強度
熱中性子強度L/D 21 – 781 (最大値)

減速材から５ｍ位置の中性子スペクトラム

施設の平面図

加速器

7.1m

ターゲット
ステーション

20m
Ⅱ-11

KUANS
京大陽子加速器中性子源
Kyoto University Accelerator driven Neutron Source (KUANS)
住所:京都市左京区北白川追分町
http://phi.phys.nagoya-u.ac.jp/JCANS/kuans-j.html（施設概要）
加速器中性子源
エネルギー
平均電流
繰り返し
パルス幅

撮影種類
ラジオグラフィ陽子加速器
3.5 MeV
30 μA
100 Hz〜 50μs（中性子特性）
中性子強度(飛行距離1m)
発生中性子強度～1011 n/s
熱中性子強度～103 n/s/cm2@２ｍ, L/D>20

検出器
PSPMT+ZnS/6Li
最大視野60 mmφ
最高空間分解能0.5mm

写真（左）：陽子加速器（手前）と中性子発生源の遮蔽体（中央奥）（右）：中性子飛行空間

Ⅱ-12

KUANS
京都大学陽子加速器中性子源(Kyoto University Accelerator driven Neutron Source)
インジケータによる線質・像質評価
100Hz, width: 50µs,
Aav: 30mA
Meas.Time 1800sec
検出器：RPMT検出器(PSPMT+ZnS/6Liシンチ)

Wavelength distribution
at detector position.

0.03nm<lIntegral radiographyl<0.07nm

0.07<l<0.18nm

0.18nm<lTime resolved radiography.

Ⅱ-13

KURNS-LINAC
京都大学複合原子力科学研究所 電子線型加速器
Electron Linear Accelerator
住所: 大阪府泉南郡熊取町朝代西2-1010
http://www.rri.kyoto-u.ac.jp/facilities/kur
施設概要
電子線型加速器
最大出力
エネルギー（電子）
最大平均電流値
繰り返し
パルス幅
光中性子源

6kW
最大46MeV
200μA
1Hz～300Hz
2nsec～4μsec
Ta

中性子特性（12m飛行導管使用時）
中性子束** ( n/sec/cm2/μA)
Thermal
2.36E+02(0.002 eV < E < 0.2 eV)
Epi Thermal
2.13E+02( E > 0.2 eV)

図 12m飛行導管配置図*減速材を変更することで、任意に中性子スペクトルを変更可能。
本表の値は、下記写真の反射材（黒鉛）と減速材として厚さ50mmのポリエチレン板を使用した例
TargetModeratorReflector
Neutronflight pathⅡ-14

住重アテックス加速器中性子源
SHI-ATEX accelerator driven Neutron Source
住所 愛媛県西条市今在家1501
連絡先 電話 e-mail 鵜野浩行 0898-64-6949 hiroyuki.uno@shi-g.com（施設概要）
サイクロトロン（Cyclotron）
加速粒子

陽子

加速エネルギー18 MeV

最大電流

20 μA

（中性子特性）
中性子強度（垂直ポート）

2.0×105 n/s/cm2(18MeV, 20μA)

L/D

44

照射野

350mm×430mm

撮影種類
静止画（フィルム、ＩＰ）
撮影機器①工業用Ｘ線フィルム＋Ｇｄコンバータ②中性子用ＩＰ

サイクロトロン
コリメータ

モデレータ

Ⅱ-15

小型放電型核融合中性子源
Portable discharge-type fusion neutron source
住所 京都府宇治市五ヶ庄 京都大学エネルギー理工学研究所
連絡先 増田 開 電話: 0774-38-3443 e-mail: masuda@iae.kyoto-u.ac.jp（施設概要）
慣性静電閉じ込め型核融合中性子源

撮影種類
静止画

20 cm
120 kV
300 mACW
40 hr / week

球形陽極直径最大放電電圧
最大放電電流運転モード
最大連続運転時間

検出器
イメージングプレート
付帯設備（PGA用検出器）
BGO 3” dia. x 3” L
LaBr3 3” dia. x 3” L
（生体試料照射用）
低温インキュベータ
温度精度 ±0.5K（中性子特性）
1.0×108 n/s (2.45MeV単色）
8.1×102 n/s/cm2（距離36cm）

2

Flux density [/cm /sec/erg]

発生中性子強度
熱中性子束（0.2eV以下）

10

4

10

3

10

2

10

1

10

0

7

neutron yield = 1.0×10 /sec
MCNP4c

-1

10

-2

10

-3

10

-4

10

-5

10

-6

10

-3

10

10

-2

10

-1

0

10

1

10

10

2

10

3

4

10

10

5

6

10

7

10

10

Neutron energy [eV]

中性子/X線同時撮像
中性子源がX線も同時に発生
中性子IP / X線IP
Cd （1mm厚）上の穴の直径は，左から3, 4, 6, 8,
10, 12, 14, 16, 18 mm

中性子透過像

X線透過像
Ⅱ-16

8

執筆者一覧（中性子イメージングカタログ／中性子施設ハンドブック）＊五十音順、敬称略

第 26 期理工学部会

中性子応用専門委員会

委員長

鬼柳

善明

名古屋大学

委員

飯倉

寛

岩瀬

謙二

茨城大学

氏平

祐輔

東京大学名誉教授

甲斐哲也

日本原子力研究開発機構 J-PARC センター

兼松

学

東京理科大学

加美山

隆

北海道大学

齊藤

泰司

京都大学

篠原

武尚

日本原子力研究開発機構 J-PARC センター

竹谷

篤

竹中

信幸

神戸大学

広田

克也

名古屋大学

松嶋

卯月

岩手大学

松林

政仁

日本原子力研究開発機構

持木幸一

東京都市大学

日本原子力研究開発機構

理化学研究所

外部執筆者
浅野

等

神戸大学

高橋

浩之

東京大学

伊藤

大介

京都大学

高見

誠一

名古屋大学

鵜野

浩行

住重アテックス（株）

田崎

誠司

京都大学

梅川

尚嗣

関西大学

塚田

隆夫

東北大学

上野

桂

青森県

日塔

光一

東芝原子力エンジニアリング

大下

英敏

高エネルギー加速器研究機構

小倉

紘一

日本大学

木野

幸一

産業技術総合研究所

小林久夫

立教大学名誉教授

丸山

一雄

帝京大学

酒井

卓郎

日本原子力研究開発機構

柳衛

宏宣

東京大学

佐藤

博隆

北海道大学

渡辺

賢一

名古屋大学

瀬川 麻里子

日本原子力研究開発機構

J. D. Parker

関日本原子力研究開発機構

義親

サービス（株）廣井孝介

日本原子力研究開発機構
J-PARC センター

総合科学研究機構

J-PARC センター
その他、本誌作成にあたりご協力くださいました皆様方に、心より御礼申し上げます。