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

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1 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) 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 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)

2 中性子-光変換型2次元検出デバイス → 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。 中性子 光 増幅
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 出力イメージ 　　→中性子強度を輝度値に変換 ・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く。 2つの選択肢 ・高速度カメラ ・高空間分解能カメラ Neutron Beam Mirror Device Lens Transmission Samples Control Computer Digital Camera

3 真空管式中性子イメージインテンシファイア
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 output screen Y2O2S-Eu (electron→visible image) electron lens input window Gd or B (neutron→photon, photon→electron) digital camera Neutron focusing electrode anode

4 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

5 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 パルス中性子によるエネルギー依存ラジオグラフィ
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。 → 高速度カメラシステムは更なる開発が必要 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 → BNIIと光分解能型カメラの組み合わせをテスト

6 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

7 BNIIシステムの特徴 運用上の利点 運用上の欠点 パルス中性子イメージングではつなぎの役割？ → ブラッグエッジラジオグラフィに適用
・ 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 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

8 テストしたBNIIシステム 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) Neutron Beam Transmission Samples Color I.I. Lens Digital Camera Control Computer Mirror HUNS

9 測定体系 減速材サイズ: 10 x 10 cm2 飛行路長: 3.8 m L/D ~ 38 neutron shield
cold neutron tube sample neutron 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

10 ASTM Indicator 空間分解能のチェック結果 0.1mm Pb step 0.075mm 0.05mm 0.025mm

11 ブラッグエッジ測定試料 3重円筒型 : Cu/Fe/polyethylene(PE)を入れ替え可能 φ6 PE φ12 Cu,φ6 hole
sample φ20 Fe φ12 Cu,φ6 hole Al spacer φ6 PE φ12 Fe φ20 Cu

12 ラジオグラフィの結果 Image2~2.5ms/Imagebackground CuとFeの断面積差が小さい領域 (測定時間 100分)
Al spacer φ6 PE φ12 Fe φ6 hole (測定時間 分)

13 ブラッグエッジ強調イメージング 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
φ20 Fe φ20 Cu φ12 Cu Al spacer φ6 PE φ12 Fe φ6 hole (測定時間 分)

14 積分輝度分布 ピクセル分解能 ~ 8 mm/pix.

15 材料分布トモグラフィ 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

16 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
まとめ 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