加美山 隆 1, 後神 進史 1, 佐藤 博隆 2, 鬼柳 善明 1

(1 北海道大学、 2JAEA)

中性子 II を用いた飛行時間測定用

イメージングデバイスの開発状況

中性子イメージング専門研究会 (2012 ・ 1 ・ 5)

・適当な光学機器の選択により、光の 2 次元分布を高解像度で記録可能。・ 記録用光学機器のダイナミックレンジにより大強度の中性子でも飽和しにくい。・ 変換デバイスの応答速度が速ければ輝度変化の飛行時間分解が可能。→ → 大強度中性子線源で稼動する透過型のイメージング用検出器に向大強度中性子線源で稼動する透過型のイメージング用検出器に向く。く。

2 つの選択肢 ・高速度カメラ ・高空間分解能カメラ

出力イメージ　　→中性子強度を輝度値に変換

中性子シンチレー

タ

光 増幅 出力

中性子－光変換型 2 次元検出デバイス

Neutron Beam

Transmission Samples

Device

Lens

Digital Camera

Control Computer

Mirror

中性子 - 光変換型 2 次元検出デバイス

真空管式中性子イメージインテンシファイア

output screenY2O2S-Eu

(electron→visible image)

electron lens

input windowGd or B

(neutron→photon, photon→electron)

digital camera

Neutron

focusing electrode

anode

5, 9, ・・インチ B または Gd の入力面 (by 東芝 ). 中性子強度分布は入力面で電子に変換され、出力蛍光体に向かって収束される CCD や CMOS カメラをイメージングに利用 ← TOF デバイスとしては最高度の分解能

NII- カメラシステムのバリエーション

(1) NII と高速度カメラの組み合わせ中性子イメージインテンシファイア 通常型 NII.カメラ 高速度 CMOS カメラで蛍光面のイメージを記録 飛行時間幅 ~ 0.2 ms.

膨大な量の時間分解イメージを撮影 → 高速度なデータ記録システムが必要新しいデータ記録システムを開発

(2) ブランキング型 NII と高空間分解能型カメラの組み合わせブランキング型中性子イメージインテンシファイア 通常型 NII と同様の配置 ブランキング型電源により 1 枚の時間分解イメージを取得

( 分解時間 ~ 0.5 ms.).カメラ 高感度・高空間分解能カメラを利用可能 カメラシャッターは開放のままで使用

高空間分解能のイメージを取得可能だが、中性子の大部分は無駄になる

ブランキング型中性子イメージインテンシファイアシステム

Blanking-type Neutron Image Intensifier (BNII): シャッター機能を中性子イメージインテンシファイアに付与 = 通常速度のカメラを利用可能

透過測定用イメージングデバイスの最終目標• 飛行時間測定チャンネルの繰り返しに追随する高速データ記録システム • 高空間分解能の 2 次元イメージ測定現行の高速度カメラシステムは飛行時間法で許容できる速度を持つが、ピクセル分解能が小さくなってしまう。

→ BNII と光分解能型カメラの組み合わせをテスト

パルス中性子によるエネルギー依存ラジオグラフィ

→ 高速度カメラシステムは更なる開発が必要

BNII システムの動作

ブランキング型 NII : NII の作動タイミングを集束電極の電源ユニットで制御

NIIのシャッター開放タイミングを加速器トリガーに同期すれば、 カメラのシャッターが常にオープンでも同一タイミングの画像が積算される。 .

BNII システムの特徴

運用上の利点 ・ 簡単な操作 – カメラの制御は必要としない ・ 高感度・高空間分解能なカメラを使用可能 ( 高スペックな市販カメラが利用できる )

運用上の欠点

・ 中性子が無駄になる中性子が無駄になる

パルス中性子イメージングではつなぎの役割？　測定上狙うエネルギー領域が決まっていれば有効なシステム　 ( ブランキング機能自体は t0 バーストの除去等に有効 )

→ ブラッグエッジラジオグラフィに適用

テストした BNII システム

Neutron Beam

Transmission Samples

Color I.I.

Lens

Digital Camera

Control Computer

Mirror

カメラ : Canon EOS シリーズ一眼レフ 　　　　　 C-MOS センサー , 最大 5616 x 3744 ピクセル 　　　　　シャッタースピードは 30 秒に設定 　　　　　 = イメージデータは 30 秒毎に記録されるイメージインテンシファイア : 　　　　 東芝カラーイメージインテンシファイア 　　 (UltimageTM, blanking type)

HUNS

測定体系 neutron shield

cold neutron tube

sampleneutron image intensifier

Flight length ： 3.6 m

減速材サイズ : 10 x 10 cm2

飛行路長 : 3.8 m

L/D ~ 38

空間分解能のチェック結果

0.1mm

Pb step

0.075mm

0.05mm 0.025mm

0.0125mm

0.125mm 0.25mm

ASTM ASTM IndicatorIndicator

ブラッグエッジ測定試料

3000 4000 5000TOF [sec at 3.8 m]

3 4 5

[Å]

10

15

20

Cro

ss s

ectio

n [b

arns

]

Cu Fe

3 重円筒型 : Cu/Fe/polyethylene(PE) を入れ替え可能

sample

φ20 Fe

φ12 Cu,φ6 holeAl spacerφ6 PE

φ12 Fe

φ20 Cu

ラジオグラフィの結果

φ20 Feφ20 Cuφ12 Cu

Al spacerφ6 PE

φ12 Fe

φ6 hole

Image2~2.5ms/Imagebackground

( 測定時間 100分 )

Cu と Fe の断面積差が小さい領域

( 測定時間 100分 )

ブラッグエッジ強調イメージング

φ20 Feφ20 Cu

φ12 Cu

Al spacerφ6 PE

φ12 Fe

φ6 hole

Image4~4.5ms/Image3.5~4ms 第 1 ブラッグエッジ領域のイメージを利用

積分輝度分布

ピクセル分解能~ 8 m/pix.

PE(φ6)Cu(φ20) Fe(φ12)

　　円筒軸方向に平均化

　　　角度補間

材料分布トモグラム

材料分布トモグラフィ

時間分割イメージングに対する中性子イメージインテンシファイア - カメラシステム

(1) NII と高速度カメラの組み合わせ

・ データ記録システムを開発 ~ 連続的にデータ積算しながらの長時間測定に成功

　　→ TOF イメージングに適したシステム

(2) ブランキング型 NII と高分解能カメラの組み合わせ

・ 加速器トリガーに合わせたブランキング機能の繰り返しテスト ~ ブラッグエッジ強調イメージングに成功

　　→ エネルギー領域が決まったイメージングに適用可能

まとめ