T2K 実験新型ニュートリノ検出器のためのシンチレータキューブ
品質検査システムの開発
京都大学大学院理学研究科 高エネルギー物理学研究室
谷 真央

2021 年 2 月 27 日

1 はじめにT2K 実験は，J-PARC 加速器で生成されたニュートリノビームを，生成点から 280 m の位置に置かれた前置検出器および 295 km 離れた後置検出器スーパーカミオカンデで測定する長基線ニュートリノ振動実験であり，ニュートリノにおける CP 対称性の破れの発見等を目標としている．
ニュートリノにおける CP 対称性の破れの検証のために，ニュートリノ・原子核反応の不定性の削減が重要課題であり，これを解決するため前置検出器のアップグレードが行われる．その際に新たに導入される Super FGD は，約1 cm3 のキューブ状のプラスチックシンチレータ（以降，単にキューブと呼ぶ）を 3 次元方向に約 200 万個並べたニュートリノ検出器であり，ニュートリノ反応で生成される荷電粒子によるシンチレーション光を，各キューブに 3方向から開けられた穴に通した波長変換ファイバーと光検出器 MPPC で読み出す．従来の飛跡検出器 FGD に比べ，大角度に散乱した荷電粒子の飛跡や，低運動量粒子の短い飛跡に対しても高い感度をもつ．Super FGD の概念図とキューブの写真を図 1 に示す．

192 cm184 cm~1cm

56 cm

図1Super FGD の概念図（左）とそれを構成するプラスチックシンチレータキューブ（右）．

Super FGD を構成するキューブは製造時に形状の個体差が生じる．特に，大きさには約 20 µm，ファイバーを通す穴の位置には約 80 µm のばらつきがある．このキューブを 3 次元的に大量に積層し Super FGD を組み上げる際，単に並べるだけでは穴の位置が揃わず全てのファイバーを通すことができないという問題が生じる．そこで組み上げる前にキューブの形状について品質検査を行う必要がある．現在，人の手による品質検査が行われているが，この検査手法では定量的な評価が行えず，また膨大な時間と労働力が必要になるという問題がある．そこで，キューブを撮影し，画像解析に基づいて自動で品質検査を行う手法を開発した．
また，現在進行中の Super FGD の組み上げ手法ではキューブとファイバーが互いに支え合うような状態となり，1

ファイバーに大きな応力がかかり折れてしまうおそれがあるという問題がある．そのため，図 2 のように薄いシートにキューブを並べて超音波溶着によって固定し，板状にしたものを積層し，最後にファイバーを通すという新しい組み上げ手法を開発している．この手法ではキューブが固定され独立には動かないので，ファイバーに大きな応力がかからないことが期待される．ただし，はじめにキューブを固定してしまうので，予めそれらの穴の位置を揃えなければファイバーを通すことができない．そこで，開発した自動システムによる品質検査の結果をもとに，隣り合うキューブでの穴の位置が揃うような並べ方を検証した．

2 シンチレータキューブ自動検査システムの開発
図 2

まず，再現性の高いシンチレータキューブ撮影台の製作と，1 つのキューブシートにシンチレータキューブを固定したもの．

につき 5 秒程度の短時間で 6 面の撮影，画像解析，選別までを自動で行う検査システムを開発した．自動検査システ
ムと撮影点の写真を図 3 に示す．

撮影点1
撮影点2
キューブを置く

回転円盤

選別弁

分類後のキューブ回収用
段ボール箱

図3

シンチレータキューブ自動検査システム（左）と撮影点 1 でのキューブ撮影の様子（右）．

キューブを撮影台に乗せ装置を 45◦ 回転させると，その撮影台は 3 台のカメラが設置された撮影点 1 に移動する．
そこでキューブの 3 つの面が撮影される．その後さらに装置を 45◦ 回転させると，図 4 のようにキューブが撮影台の上で転がることで，キューブの残りの 3 面が撮影可能となり，撮影点 2 で用意された別のカメラ 3 台によって撮影される．このようにして得られた 6 枚の画像に，後述する独自の画像解析アルゴリズムを適用することで，キューブの大きさ，ファイバーを通す穴の位置を測定する．その結果に基づき使用可能なキューブとそうでないものに選別する．
撮影点 2 からさらに装置を 45◦ 回転させるとキューブが撮影台から落下し，床に置かれた箱に入る．その途中経路に設置された選別弁が画像解析の結果に基づいて動き，キューブはそれに誘導されるように選別結果ごとに異なる箱に回収される．
撮影した画像はオープンソース画像処理モジュール openCV を用いて画像解析を行った．はじめに openCV に標準実装されている関数を用いて，キューブの穴と輪郭を検出した．その上でさらに検出精度を向上させるために，撮影時のキューブの傾きの補正や，穴の縁を円でフィッティングすることでより詳細な穴の位置検出を行うといった独21，2，3面を撮影

4，5，6面を撮影
5面

4面

3面

2面

1面

検査システムの回転に合わせてキューブが転がる

1面

6面

シンチレータキューブ

図4

キューブ撮影台（CAD 図）を用いたキューブ撮影の原理．撮影点 1 で 1，2，3 面の撮影を行った後，検査システムを回転させると，撮影台の上でキューブが転がりながら移動し，残りの 4，5，6 面が現れる．撮影点 2でこれらの面を撮影することで，6 面全ての画像を取得する．

自の画像解析アルゴリズムを開発し適用した．これにより，キューブの大きさと穴の位置を 10 µm 程度の精度で抽出することが可能となった．これらのパラメータに条件を設けることでキューブの選別を行う．
すでに人の手による検査が行われたキューブを用いて本検査システムの試運転を行うと，人の手による品質検査の結果を 80 % 以上の割合で再現する結果となった．結果を再現していないものについても，人の手による非定量的な検査によって不適切に選別されたキューブを本システムによって正しく選別できている可能性がある．しかし，Super FGD の組み上げのためにキューブに課すべき適切な条件は明らかでないので，明確な解釈はできない．
その一方で，未検査のキューブを用いて本システムの試運転を行うと，キューブの製作時期によって，大きさや穴の位置のばらつきが異なっていることが確認された．薄いシートにキューブを固定して検出器を組み上げる方法の場
合，穴の位置のばらつきが大きいとキューブを無作為に並べてしまうと穴の位置が揃わず，ファイバーを通すことができない．そこでキューブの各面の穴の位置のばらつきを考慮した並べ方を行うことによって，ファイバーを通すことができるようになるか，トイモンテカルロシミュレーションによって試験を行った．さらに実際のキューブをトイ
モンテカルロシミュレーションと同様の方法で並べたときに，ファイバーを通すことができるかどうか確認した．

3 シンチレータキューブの並べ方の最適化
キューブには 3 方向から波長変換ファイバーを通す．まずシートに対して垂直方向の穴の位置が揃っていないと，シートにキューブを固定したものを複数枚重ねた際に，それらに対して垂直方向にファイバーを通すことができない．
そのため，この穴の位置が確実に揃うよう，図 5 のように等間隔に位置決めピンを立てた形状のキューブ整列ジグを用いてキューブを並べることとした．

10.38mm
10.38 mm

図5

キューブ整列ジグ．位置決めピンをキューブの穴に挿すことでキューブを並べる．

3

次に，残りの 2 つの穴についても位置を揃える必要がある．穴の位置の 2 次元分布は図 6 左のようになっている．
この 2 次元分布を図中 A，B，C，D とあるように複数の領域に分けることで，穴の位置の平均からのズレの傾向によってキューブを分類することを考えた．2 つの穴それぞれについて穴の位置で 4 通りに分類すると，キューブは全16 通りに分類されることになる．このように分類したキューブを図 6 右のように並べると，キューブ列ごとに穴の位置のズレの傾向が同じになるのでファイバーが通るようになることが期待される．

zyAzCyBxAA B C D A B C D

BCDDA

側面BCD

図6

キューブの穴の位置の 2 次元分布（左）と，穴の位置のズレの傾向でキューブを分類し，分類ごとにキューブを並べる概念図（右）．

トイモンテカルロシミュレーションを用いて，図 6 右のようにキューブを 8 × 8 個並べた場合に隣り合うキューブ間での穴の位置の差を計算すると，99.98 % の 8 × 8 個のキューブセットで隣り合うキューブ間での穴の位置の差が小さく，正しくファイバーが通ることが確認された．また，穴の位置の分類を更に細かくし，8 通りの分類で同様の計算を行うと，99.998 % 以上の割合で正しくファイバーを通すことができることが確認された．このような並べ方を行うことで，Super FGD を構成する全てのキューブにファイバーを通すことができるようになると考えられる．
最後に，実際のキューブを穴の位置のズレによって分類し，トイモンテカルロシミュレーションと同様にキューブを並べ，実際にファイバーを通すことができるかどうか確認した．図 5 のキューブ整列ジグを用いて図 7 のように8 × 8 個のキューブセットを 5 個製作すると，これら全てで穴の位置が揃い，全てのファイバーを通すことができた．
また，分類を行わず無作為にキューブを並べた場合についても同様にキューブセットを 5 個製作した．それらのうち，3 個では穴の位置が揃っておらずファイバーが通らない箇所があった．ファイバーに応力がかかる箇所は全てのキューブセットで見られた．以上のことから，穴の位置のズレによってキューブを分類すると，統計的に有意にファイバーが通りやすくなることが確認できた．

A B C D A B C D

A B C D A B C DABCDAB
CDA
BCDABCD
図7

整列ジグを用いて分類後のキューブを並べている様子（左，中）．並べたキューブをシートに溶着する代わりにマスキングテープで固定し，2 方向からファイバーを通した様子（右）．

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