プラスチックシンチレーションファイバの開発と工業化

出展:当社ウェブサイト

株式会社クラレ1

プラスチックシンチレーションファイバの開発と工業化【目次】
１. ＰＳＦとは
２．ＰＳＦと素粒子物理学・宇宙物理学
３．クラレＰＳＦの技術の内容
①特徴
②製法
③技術
４．用途展開と今後の開発①一般用途事例②期待用途③今後の開発５．まとめ
2１）PSFとは

プラスチック・シンチレーション・ファイバ（PSF）＝「放射線を検出・発光するセンサー光ファイバ」
青色光

光センサ－
PMT
or
SiPM

＜発光原理＞hν（300nm）eH

Cp (H  )

H2Ce


H2C

Hn放射線



Hν
（430nm）

Hν
（360nm）

H2C

0

青色発光

有機蛍光剤①

H

C

C

ポリスチレン; nd=1.59
ＰＭＭＡ nd=1.49

放射線

ポリスチレン

有機蛍光剤②

放射線
放射線の飛跡検出器
3１）PSFとは←以下こちらもPSFとします
波⾧変換ファイバ
＝「光の波⾧を変換し伝送するファイバ」 ＊シンチレータとセットで使用

緑色光

青色光
＜使用方法＞
放射線

波⾧変換ファイバ

光センサ－PMTorSiPM

ポリスチレン; nd=1.59
ＰＭＭＡ nd=1.49

放射線光センサー
PMT or SiPM
シンチレータ・光センサに対する温度、磁場、放射線の影響排除
・設置スペースの制約解消⇒検出器設計の自由度UP

波⾧変換ファイバ使用によりシンチレータ部と光センサ部を離れた場所に設置可能
4２）PSFと素粒子物理学・宇宙物理学

主な用途;素粒子物理学・宇宙物理学の実験＜標準理論に現れる素粒子＞

出展: 東京大学 国際高等研究所 カブリ数物連携宇宙研究機構ウェブサイト

出展: 高エネルギー加速器研究機構ウェブサイト

標準理論の検証

宇宙の９５％は未知の物質やエネルギーで構成されている標準理論を越える理論構築（１）加速器を使った素粒子実験（２）宇宙線の観測（＠宇宙、地表）

5２）PSFと素粒子物理学・宇宙物理学〇加速器を使った素粒子実験
CERN LHC（世界最大の加速器）
スイスとフランスの国境の地下１００ｍにある全⾧２７ｋｍの巨大加速器。陽子を光の速さ近くまで加速、衝突させることで生じる複数の粒子等の挙動を各種検出器で調べる。
CERNには４つのタイプの違う検出器がある。
出展:CERN ウェブサイト

陽子衝突のイメージ陽子

陽子

出展:CERN ウェブサイト

6２）PSFと素粒子物理学・宇宙物理学〇宇宙線の測定（宇宙空間や地表で観測）＜直接観測＞＜大気シャワーによる観測＞

出展:KEKウェブサイトより

出典:JAXAウェブサイトより

出展:東京大学宇宙線研究所ウェブサイト

7２）PSFと素粒子物理学・宇宙物理学
実験名（主な研究対象）

主催機関

納入時期

KLOE（K中間子）

イタリア国立核物理研究所

1994-1995

CHORUS（ニュートリノ）

CERN/名古屋大

1993,1996

K2K（ニュートリノ）高エネルギー研究所

1997

D0（クォーク）

フェルミ国立加速器研究所（米）1996-1998

CMS（ヒッグス粒子）

CERN

1998-1999

ATLAS（ヒッグス粒子）

CERN

1999-2000

MINOS（ニュートリノ）

フェルミ国立加速器研究所（米）2000-2002STAR-EMC/EEMC（ｸｫｰｸ・ｸﾞﾙｰｵﾝ・ﾌﾟﾗｽﾞﾏ）

ブルックヘブン国立研究所（米）1999-2003

LHC-b（ｂクォーク）

CERN

2001-2004

OPERA（ニュートリノ）

フランス原子核素粒子物理研究所

2003-2004

GlueX（クォーク）

ジェファーソンラボ（米）2009-2011

NOvA（ニュートリノ）

フェルミ国立加速器研究所（米）2009-2012

CALET（宇宙線、ダークマター）

早稲田大＆JAXA

2012

Telescope Array（最高エネルギー宇宙線）

東京大学宇宙線研究所

2014-2017

LHCb upgrade（ｂクォーク）

CERN

2016-2018

Auger Prime（最高エネルギー宇宙線）

カールスルーエ工科大等（独）2016-2018

世界中の様々な大規模実験に採用されている。

8

２）PSFと素粒子物理学・宇宙物理学＜採用例１＞CERN（ATLAS実験）＜目的＞ヒッグス粒子の研究等
ハドロン検出部にクラレ・波⾧変換ファイバ1,200Km使用

光速まで加速した
陽子
光速まで加速した陽子

出展:ATLAS実験グループウェブサイト

出展;ATLAS実験グループウェブサイト
出展;CERNウェブサイト

ヒッグス粒子発見（2013年ノーベル物理学賞受賞）にも貢献

9２）PSFと素粒子物理学・宇宙物理学＜採用例２＞（米）Fermi Lab “NOvA実験”＜目的＞ニュートリノ振動の研究など
0.7mmΦ波⾧変換ファイバ
約13,000Km納入

Far Detector
＠ミネソタ州光センサ（APD）へ
15.6m

15.5m

出展:フェルミ研ウェブサイト

78m
15.6m

波⾧変換ファイバ
液体シン
チレータ

4.2m

810Km

4.2m

15.8m

Near Detector

PVC容器
フェルミ研（@イリノイ）

3.5㎝

5.6㎝

10２）PSFと素粒子物理学・宇宙物理学＜採用例３＞早稲田大・JAXA “CALET”＜目的＞宇宙線直接観測によるダークマター研究など“国際宇宙ステーションで高エネルギー宇宙の謎に迫る”©JAXA/NASA
出典:JAXAウェブサイトより

出展:JAXA／早稲田大学

IMC（イメージングカロリメータ;宇宙線の到来方向を調査）

出典:JAXAウェブサイトより

出典:JAXAウェブサイトより

11３）クラレPSFの技術の内容 ～特徴～
１．高い発光量（多くのフォトンを発生する）①基材樹脂の発光効率 ②蛍光剤
C× 組合せ種類×濃度 ×CCｎ

ポリｽﾁﾚﾝ③屈折率差

コア:PS（nd=1.59)
20.4°

CC

ポリメチル
ｽﾁﾚﾝ

クラッド:PMMA（nd=1.49）

波
⾧ｎ

300nm

33.7°
第２クラッド:ﾌｯ化ｱｸﾘﾙ (nd=1.42)

マルチクラッドタイプ

第１クラッド:PMMA (nd=1.49)
コア:PS (nd=1.59)
26.7°

400nm

45.7°

２．高い透明性（伝送損失が小さい）①コア材料の純度②蛍光剤純度など③クラッド界面

１）不純物の除去（吸収損失）
２）固形異物の除去（散乱損失）

１）純度
２）濃度最適化（吸収損失）

１）界面凹凸２）密着性（散乱損失）④線引きの課題

１）線径むら（散乱損失）
２）熱劣化・着色（吸収損失）
３）配向複屈折（散乱損失）３．高い線径精度
線径ムラ（標準偏差）:σ＝０．３％未満

12３）クラレPSFの技術の内容 ～製造方法～
メーカ
化学
メーカ

製法

特徴

連続量産性、コスト、安定性
ﾊﾞﾙｸ重合モノマ
複合押出重合
ｺｱ押出

クラレ素材

ロッド
線引き

少量多品種
多様な断面形状
低設備コスト

丸矩形

ｺｱ;PMMA
ｸﾗｯﾄﾞ;ﾌｯ素樹脂

用途
照明
通信

ｸﾗｯﾄﾞ
押出

ｺｱ:PS
ｼﾝﾁﾚｰｼｮﾝｸﾗｯﾄﾞ;PMMA（+ﾌｯ素樹脂）“ＰＥＮＣＩＬ”

マルチＰＳＦ ＰＩＦ

多様なニーズ（蛍光剤種、断面形状、線径）に対応可能な“ロッド線引き法”を選択、今日まで技術を磨いてきた1313３）クラレPSFの技術の内容 ～技術～線引き条件（温度、張力など）と光・伝送損失↑悪い

PSF SCSF-38 1mmΦ（A)低温・高張力
温度（B)高温・低張力（C)適度な条件

張力↓良い

種々の装置改良、ノウハウ蓄積により線引き条件を最適化!
高透明（低伝送損失）を達成 「Only Oneの性能」
14３）クラレPSFの技術の内容 ～技術～
加熱・線引きー線径精度（ムラ）の追及
測定ﾋﾟｯﾁ
測定点
線径平均
標準偏差

チャート
外径測定

従来
現行p(mm)5.7
6.9
65,466 233,173
Xave（μm） 1,000.10
999.98σ（μm）
10.79
2.12σ/Xave
1.08%
0.21%

10分
250m

1.0

保温なし実測○:従来
保温あり実測保温なしGaussian○:現行
保温ありGaussian

頻度

0.8

フィードバック
コントロール

10μm

0.610μm
各種
ノウハウ

0.4
0.2

引取ロール

0.0
960

970

980

990 1000 1010 1020 1030 1040
線径（μm）

様々な線径制御技術、ノウハウを蓄積
高い線径精度（線径ムラσ＜0.3％）を実現

1515３）クラレPSFの技術の内容 ～技術～
最新の採用例～これまでの集大成としての成果～
CERN LHCｂ実験（2016～2018納入）

従来より高空間分解能の大面積飛跡検出器＜目的＞ｂクォークを含む中間体の挙動観測によるCP対称性の乱れ調査等

CERNホームページより

CERNホームページより2.4m×0.13m
光検出器 ＜Fiber mat＞

CERNホームページより

直径250μmのPSFアレイ

光学性能、線径精度、低欠陥、生産期間など従来ないレベルの要求⇒これまでの技術蓄積＋新規技術開発により達成⇒CERNよりIndustry Awardを受賞（2018年）

16４）用途展開と今後の開発 ～一般用途事例～＜一般用途事例１＞γ線線量システム（福島原発事故除染作業用）

日立GEニュークリア・エナジー（株）様ホームページより

17４）用途展開と今後の開発 ～一般用途事例～＜一般用途事例２＞医療用イメージファイバ
PS
ＰＭＭＡ

数μｍ

300～500μｍ

２ｍ画像伝送例光
曲がりやすく、折れにくい特性（対ガラス）⇒画像伝送用として一部医療用途に採用の実績

1818４）用途展開と今後の開発 ～用途展開～
特許＆文献情報から想定される民生用途
想定用途

当社品使用によるメリット

１）医療用PET装置の製造コスト低減
高発光量、（波⾧変換ファイバ（アレイ）を使用） 高線径精度
特開2019－82409（国立千葉大学 河合秀幸氏）（アレイ化に適す）
２）ミューオンを使った地質調査（シンチレーションファイバを使用）

高発光量などhttp://enep.ence.kyushu-u.ac.jp/detector_dev/index.html

特許＆文献情報からPSFのさらなる一般用途への展開も期待される。

19４）用途展開と今後の開発 ～今後の開発～
当社使命「世のため人のため、他人（ひと）のやれないことをやる」
１）さらなる高性能化の追求
高発光、高透明、時間分解能改善、細径化
２）新規ファイバの開発
従来測定できなかったものを測定可能とする（α線、低エネルギ－β線など）
Measure what is measurable,
and make measurable what is not so.
（Galileo Galilei）
測れるものは測り 測れないものは測れるようにしよう
20５）まとめ１）クラレPSFは世界中の素粒子物理実験、宇宙物理実験に採用されており、ヒッグス粒子発見（ノーベル物理学賞）にも貢献
２）多種多様な（ドーパント、断面形状）要求に対応すべく“独自のロッド線引き法”を開発。様々な技術開発、ノウハウ蓄積による高発光量、低伝送損失（高透明）、線径精度などが認められ、放射線検出分野でデファクト・スタンダードとなった。
３）今後ますます高度化する実験のため高性能化を進めるとともに、一般用途への展開を進める

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