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パルス中性子用画像検出器の開発

持木幸一

Mochiki Koh-ichi（東京都市大学）

多数取得するために，従来はピクセルタイプの1 はじめにシンチレータを多数並べた検出器や GEM（Gas

中性子の透過像を取得して被検体内の情報をElectron Multiplier）と呼ばれる気体位置検出器

非破壊で得ることができる中性子ラジオグラを使用し，中性子が飛来して検出と反応した位

フィは，これまで原子炉からの定常的な中性子置と時間の情報をセットで多数記録し，これらを利用していた。そこで使用できる中性子のエのデータを必要なエネルギー分解能で定まる時

ネルギーは，主流であった熱中性子以外にも，ウ間間隔で集計して連続画像データを取得してきランの核分裂で発生する MeV 領域の高速中性た。しかしながら，完成した J-PARC の MLF

子や液体ヘリウムを通って放出される冷中性子（Material and Life Science Experimental Facility）まで様々であったが，各々の線源の中性子エネ

内の中性子イメージング専用ポート RADEN のルギー領域は限られていた。一方でパルス状にように大強度パルス中性子源を用いた実用実験

幅広いエネルギー範囲の中性子を発生させ，離では，中性子強度の飛躍的増加に伴い，従来型れた位置に被検体と中性子検出器を置き，中性のパルス検出型ではパルス処理時間に起因した子の飛行時間が中性子のエネルギーに依存してカウントロスの問題が発生する。そこで，そのいることを利用し，着目している中性子エネルような状況でも確実に情報を記録できるアナロ

ギーに該当する飛行時間に透過像を取得して，グ積算型の検出器として，筆者らは高速度撮像

被検体内部の情報を選択的に得る方法があり，が 可 能 な CMOS（Complementary Metal Oxide

パルス中性子透過分光撮像法と呼ばれている。

Semiconductor）撮像素子を用いた高速度カメ

この手法により，加工された金属材料中の結晶

ラ に 着 目 し，Detect 社 の HAS-D3 を 改 造 し，構造の分布や材料中の温度分布，また磁場分布

160×134 画素で 25 kfps の速度で積算機能を持などの可視化が実証され，現在注目されているたせた画像検出器を開発し，北海道大学のパル方法である

1，2）

ス中性子発生施設で実験を行ってきた 3）。本稿。

そこで，時間依存の中性子透過像を連続的にでは，新たにパルス中性子透過分光法のための開発した画像検出器について詳述する。

＊

中性子応用専門委員会

8Isotope News2015 年 2 月号

No.730図1

北海道大学におけるパルス中性子透過分光法の実験体系

2 パルス中性子透過分光法
図 1 は，世界に先駆けてこのパルス中性子透過分光法の研究を進めてきた北海道大学のパルス中性子用実験施設の概要である。ライナック
で加速された電子が鉛ターゲットで高エネルギー X 線を発生し，その結果パルス状のエネルギー幅の広い中性子が発生する。パルスの発生
周 期 は 20 ms で あ る。 図 2 は J-PARC の MLF
で中性子源から 14 m 離れた地点での中性子エネルギーと中性子飛行時間の関係と応用分野を示した図である。上図の縦軸は反応断面積，下図は中性子強度の例であり，熱中性子近傍でピークとなっている。飛行時間が短い高エネルギ

図2ー部では共鳴吸収反応を利用した元素分布測定

パルス中性子飛行時間と応用分野などの共鳴吸収イメージング，また，それ以降の時間領域では中性子の波長が長くなり，結晶すると，各画像には定まったエネルギー範囲構造を解析するためのブラッグエッジイメージ（これをエネルギー分解能と呼ぶことにする）

ングの応用がある。特に長波長の領域は磁気イの中性子の透過率の情報が連続して記録されるメージングに応用されている。

ことになる。そこで，3 つの応用分野で必要なこれらの 3 つの応用分野におけるエネルギー領域において，中性子エネルギーが変化する一中性子エネルギー分解能に応じて，共鳴吸収イメージングでは 10 ms，ブラッグエッジイメーとが求められている。ここで，高速度カメラのジングでは 30 ms，磁気イメージングでは 100ms の時間間隔で撮像が可能な高速度カメラをように時間的に等間隔で連続して透過像を取得選択した。なお，通常の高速度カメラは，内蔵定の範囲の中性子透過像を連続的に取得するこIsotope News2015 年 2 月号

No.7309

された画像メモリの容量で録画時間が決まっており，今回選定したカメラの基本仕様は，メモリ 64GB を内蔵しており，100 kfps で撮像すると 8.5 s でメモリがいっぱいになり，録画が完了する。その後，パソコンなどへデータがシリアル伝送され，伝送中は中性子ビームが利用できない無駄な時間となってしまう。そこで，この欠点を克服するために，データ積算処理部をカメラの後段に配置し，間断のないデータの記録を可能とした。また，共鳴吸収実験では時間分解能が 10 ms では十分ではな

図3

パルス中性子用撮像システムと画像検出器
表1

い場合があるため，シャッター時間を周期 10 ms の中で最小 0.5 ms

時間分解能・視野・空間分解能の関係まで狭くして，かつシフトできる

フレームレート［時間分解能］

100 kfps［10 ms］

30 kfps［33 ms］

10 kfps［100 ms］

機能を利用できるようにした。

画素数

320×240

512×512960×960

3 高速度カメラを用いたパルス中性子用画像検出器

9 インチ

183×137 162×162 162×162［572 mm］ ［316 mm］ ［169 mm］

視野7 インチ［画素サイズ］

142×107 126×126 126×126［445 mm］ ［246 mm］ ［131 mm］

筆者らが開発したパルス中性子用画像

5.5 インチ

検出器は，図 3 に示すように，中性子カ

112×8499×99
99×99［349 mm］ ［193 mm］ ［103 mm］

ラーイメージインテンシファイア（中性子カラーⅡ）（（株）東芝製 TCN9100B），高解像度静止画用カメラ（（株）ニコン製 D800E 7,360

野の広さに依存した 1 画素の実寸サイズの関係を表 1 に示す。時間分解能が最も良い 10 ms 場×4,912 画素），光イメージインテンシファイア

合には，1 フレームの画素数は横縦 4：3 の 320（ 光 Ⅱ ）（ 浜 松 ホ ト ニ ク ス（ 株 ）製 C9547-02

×240 画素となり，9 インチモードの場合には，MOD），及び高速度カメラ（（株）ナックイメー

視野は内接の長方形で横縦が 183 mm×137 mmとなり，画素の一辺の長さは 572 mm となる。

ジテクノロジー社製 MEMRCAM ST-821-HK）で構成されている。中性子カラーⅡの出力面の蛍光体の発光減衰時間は 5 ms と短く，また，時間分解能を 100 ms とすると，1 フレームの光Ⅱの出力面も発光減衰時間が 0.3 ms であり，

チ モ ー ド の 場 合 に は， 画 素 の 一 辺 の 長 さ は103 mm となり，最小空間解像度となる。

時間分解能へ影響を与えないように配慮されて画素数は横縦が 960 の正方形となり，5.5 インいる。中性子カラーⅡの視野は被検体に応じて図 4 に，高速度カメラに導入された積算機能

直径 9 インチ，7 インチ，及び 5.5 インチからの様子を示す。北大の施設では中性子パルスは選択できる。選定した高速度カメラのフレーム20 ms の周期で発生するので，100 kfps で撮像レート（時間分解能）とその時の画素数及び視する場合，1 周期内に 2,000 フレームの画像が10

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No.730

記録される。図では，16 回分のパルス中性子のと 4 日間ほどの長時間測定が可能であり，また取得フレームデータを対応するフレームごとに16 回積算の場合には，0.32 秒ごとにファルダ積算し，1 つのフォルダーを作成している。こが作成されるので，この程度の時定数を持つダのフォルダーは積算終了後にパソコンへ転送さイナミックな現象の解析にも応用可能となる。

れ，同時に次の 16 回の積算が開始され，間断なく 16 回積算が繰り返され，データ転送され4 測定例ている。パソコン内には 2 TB の画像記録用メモリが搭載されており，表 2 にはフレームレー

図 5 は，装置完成後に X 線でシステムの解トごとに，積算回数と録画可能な測定時間の関像度を評価した時の X 線用チャートの取得係が示されている。積算回数を 4,096 回とする画像である。視野は 5.5 インチであり，左は

図4画像積算機能

表2
積算回数 データ長 積算時間

録画時間

100 kfps（10 ms，2,000 f） 30 kfps（33.3 ms，600 f）

10 kfps（100 ms，200 f）

ファイル容量 記録時間 ファイル容量 記録時間 ファイル容量 記録時間

［Pulse］

［bit］

［s］

［MB］

［hr］

［MB］

［hr］

   16

160.32315   0.61302   0.62   64181.28354   2.18340

256

205.12384   7.831,024

2220.484224,0962481.92461

Isotope News［MB］［hr］   2.19399

1.87378   7.89443

6.73

28.48

416

28.7048724.49

104.42454

105.22532

89.79

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No.73011図5X 線での取得画像例

図6100 kfps で，右は 30 kfps のフレームレー

中性子画像

トで，それぞれ 4,096 回の積算後の画像である。画素数は各々 320×240 と 512×512 である。図 6 は，北大の施設で中性子を用いてブラッグエッジイメージングの評価実験で得られた画像である。フレームレートは 30 kfps で，9 インチの視 野 に 11.6 mm 厚 の 銅 板，10 mm 厚 のボロンカーバイト，及び 9 mm 厚の鉄板を並べて得られた透過像の 1 枚である。
図 7 は，飛行時間 3〜8 ms の間を 33 msの間隔で取得した積算画像から，図 6 の枠で囲んだ鉄の部分のデータを積算してプロットしたもので，幾つかの中性子エネルギーでブラッグエッジによるくぼみ図7が認められる。

鉄のブラッグエッジデータ

5 まとめ

参考文献

高速度カメラを用いたパルス中性子透過分光撮影法のための画像検出器を開発し，北大のパルス中性子を用いてブラッグエッジのデータを取得することに成功した。J-PARC の中性子強度はけた違いに高いため，今後高強度場での測定で，特に威力を発揮することが期待される。
な お， 本 研 究 開 発 は JSPS 科 研 費 23226018の助成を受けたものである。

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Isotope News

1）Kiyanagi, Y., Kamiyama, T., Nagata, T., and Hiraga,F., Key Engineering Materials, 321─323, 1663─
1666（2006）（12），2）鬼 柳 善 明， 加 美 山 隆， 非 破 壊 検 査，58533─537（2009）3）Yamashita, M., Mochiki, K., Kamiyama, T., andKiyanagi, Y., Conference Record of Nuclear
S c i e n c e S y m p o s i u m a n d M e d i c a l I m ag i n gConference, 370─372（2011）2015 年 2 月号

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