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論文

Development of a ZnS/$$^{10}$$B$$_{2}$$O$$_{3}$$ scintillator with low-afterglow phosphor

中村 龍也; 片桐 政樹*; 筒井 紀彰*; 藤 健太郎; Rhodes, N. J.*; Schooneveld, E. M.*; 大栗 裕史*; 野口 泰延*; 坂佐井 馨; 曽山 和彦

Journal of Physics; Conference Series, 528, p.012043_1 - 012043_8, 2014/07

https://doi.org/10.1088/1742-6596/528/1/012043
 被引用回数：4 パーセンタイル：84.23(Optics)

J-PARC/MLFに設置する中性子散乱実験装置のために高い発光でありながら低残光である中性子有感ZnS/$$^{10}$$B$$_{2}$$O$$_{3}$$シンチレータを開発した。ZnS/$$^{6}$$LiFシンチレータはその高い発光と低い$$gamma$$線感度からよく使用されるがその大きな残光成分が検出器の計数率特性を制限していた。われわれはJ-PARCの将来的な1MWでの稼働に対応するため従来よりも低残光であるZnS蛍光体を開発した。本蛍光体と高効率が期待されるB$$_{2}$$O$$_{3}$$コンバータを焼結法により成形し中性子有感シンチレータを製作した。開発したシンチレータはJ-PARC/MLFのiBIXやSenju装置に装填されている。発表ではシンチレータの特性やこれらを組み込んだ検出器の性能について議論する。

論文

Development and installation of neutron detectors for engineering materials diffractometer at J-PARC

坂佐井 馨; 藤 健太郎; 中村 龍也; Harjo, S.; 盛合 敦; 伊藤 崇芳; 阿部 淳; 相澤 一也; 曽山 和彦; 片桐 政樹*; et al.

Proceedings of 19th Meeting of the International Collaboration on Advanced Neutron Sources (ICANS-19) (CD-ROM), 5 Pages, 2010/07

英国ラザフォードアップルトン研究所との国際協力の下、J-PARC工学材料回折装置(匠)用中性子検出器の開発を行い、2009年3月にはすべての検出器の設置を完了した。本検出器は、外形寸法805$$times$$1370$$times$$217mmを有し、中性子検出には、$$^{6}$$Li(n,$$alpha$$)$$^{3}$$H反応に基づくZnS/$$^{6}$$LiFシンチレーション反応を利用している。製作した検出器は、位置分解能3mm、中性子検出効率は中性子波長1${AA}$で50%以上、$$gamma$$線感度は$$^{60}$$Co換算で10$$^{-6}$$以下である。匠では、製作した検出器を90度方向に5台ずつ、全10台が設置された。匠は順調に稼動を開始し、現在では広くユーザーに供用を行っている。

論文

A Half-millimetre spatial resolution fibre-coded linear position-sensitive scintillator detector with wavelength-shifting fibre read-out for neutron detection

中村 龍也; Schooneveld, E. M.*; Rhodes, N. J.*; 片桐 政樹; 藤 健太郎; 坂佐井 馨; 曽山 和彦

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 606(3), p.675 - 680, 2009/07

https://doi.org/10.1016/j.nima.2009.05.013
 被引用回数：14 パーセンタイル：66.94(Instruments & Instrumentation)

A fibre-coded linear scintillator detector with a half-millimetre spatial resolution was developed with wavelength-shifting fibre read-out. The head of the detector comprised a ZnS/$$^{6}$$LiF scintillator placed on the ribbon of WLS fibres. Both ends of the fibres were coded to reduce the number of read-out photomultipliers and associated electronic circuitry. The prototype detector in which the fibre ribbon was sandwiched between two ZnS/$$^{6}$$LiF scintillators exhibited a spatial resolution of 0.5 mm, a detection efficiency of 35% for 1-${AA}$ neutrons, and a $$gamma$$ sensitivity of less than $$10^{-7}$$. This type of detector would be useful where a submillimetre spatial resolution is required with large detector coverage such as in neutron reflectometers.

報告書

ENGIN-X型1次元シンチレータ中性子検出器の検出器性能向上に関する技術開発; ZnSシンチレータ,光リフレクタ、及びデジタル信号処理装置の開発

中村 龍也; 片桐 政樹; 美留町 厚; 海老根 守澄; 筒井 紀彰*; 曽山 和彦; Schooneveld, E. M.*; Rhodes, N. J.*

JAEA-Research 2008-116, 26 Pages, 2009/03

JAEA-Research-2008-116.pdf:4.25MB

ENGIN-X型1次元中性子シンチレータ検出器の性能向上を目的として新規なZnSシンチレータ,光リフレクタ、及びデジタル信号処理装置の開発を行った。ZnSシンチレータに関してはさらなる高速・高検出効率化を図るためZnSを基本とした各種シンチレータを試作しその性能を評価した。その結果、開発したZnS/$$^{10}$$B$$_{2}$$O$$_{3}$$シンチレータによるとISIS標準シンチレータよりも検出効率が2割改善することを確認した(中性子波長1${AA}$)。また、シンチレータを装填する光リフレクタに関しては白色塗料を使用せず表面エッチング処理により製作する手法を開発した。これにより従来と同様の光散乱能を有しかつ経年変化にも強い光リフレクタを実現した。さらにフィールドプログラマブルゲートアレイによる全デジタル化フォトンカウンティング信号処理装置を開発しこれまでのアナログ回路による信号処理系と比べて中性子計数の温度安定性が改善することを実証した。

報告書

波長シフトファイバを用いた高検出効率,高位置分解能型2次元シンチレータ中性子検出器の開発研究; J-PARC/MLF生命物質構造解析装置「iBIX」のためのコンパクト型検出器の開発

中村 龍也; 片桐 政樹; 細谷 孝明*; 美留町 厚; 海老根 守澄; 曽山 和彦; Schooneveld, E.*; Rhodes, N.*

JAEA-Research 2008-115, 33 Pages, 2009/03

JAEA-Research-2008-115.pdf:3.77MB

J-PARC/MLFの生命物質構造解析装置に実機として供与することのできる波長シフトファイバを用いた高検出効率,高位置分解能型2次元シンチレータ中性子検出器を開発した。検出器を構成する各要素について当該装置仕様に基づいて最適化し高性能化を図った。有感面積13.3$$times$$13.3cm$$^{2}$$,不感面積率30%以下であるコンパクトなプロトタイプ検出器を試作しISISパルス中性子源にてその動作性能を確認した。開発した2次元検出器は当該装置に要求された仕様をほぼ満足するものであった。

論文

High detection efficiency ZnS scintillator for a fiber-coded linear neutron detector for thermal neutron scattering instruments

中村 龍也; Schooneveld, E. M.*; Rhodes, N. J.*; 片桐 政樹; 筒井 紀彰*; 藤 健太郎; 坂佐井 馨; 曽山 和彦

2008 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record (CD-ROM), p.1215 - 1219, 2009/02

https://doi.org/10.1109/NSSMIC.2008.4774623

熱中性子に対して高い検出効率を有するZnS/$$^{6}$$LiFシンチレータ及びZnS/$$^{10}$$B$$_{2}$$O$$_{3}$$セラミックシンチレータを開発した。開発したシンチレータの発光特性、及びファイバコード型1次元検出器に装填した場合における検出器性能の評価を行った。ZnS/$$^{6}$$LiFシンチレータでは、$$^{6}$$Li中性子コンバータの量を標準品の約2倍としたシンチレータにおいて検出効率が約30%改善することを確認した。また、ZnS/$$^{10}$$B$$_{2}$$O$$_{3}$$セラミックシンチレータにおいても約30%の検出効率の改善を確認した。さらに発光減衰時間がZnS/$$^{6}$$LiFのそれと比べて約40%と短くなることが明らかとなり本シンチレータが計数特性に優れる可能性を示した。

口頭

大強度パルス中性子用シンチレーション検出器の開発,2; ISIS型一次元中性子検出器用デジタル信号処理法の開発

海老根 守澄; 片桐 政樹; 美留町 厚; 坂佐井 馨; 中村 龍也; 曽山 和彦; 佐藤 節夫*; Schooneveld, E.*; Rohdes, N.*

no journal, , 

英国ISISパルス中性子施設が開発したZnS/$$^{6}$$LiFシンチレータを用いた一次元中性子検出器用信号処理回路のデジタル信号処理法の開発を行った。光電子増倍管から出力された信号をディスクリミネータ回路でデジタル信号化した後、FPGAを用いて信号処理を行い120chの一次元イメージを得た。

口頭

大強度パルス中性子用シンチレーション検出器の開発,8; ISIS型1次元中性子検出器のパルス中性子照射試験

坂佐井 馨; 片桐 政樹; 中村 龍也; 曽山 和彦; 美留町 厚; 佐藤 節夫*; Rhodes, N.*; Schooneveld, E.*

no journal, , 

JAEAで製作したISIS型1次元中性子検出システムのPMT以降の計測系を小型の検出ヘッドを用いて中性子照射試験を英国RALで行った。Am-Be減速体系での試験では、JAEA製のものとISISオリジナルのData Acquisition Electronics出力のディスクリ特性は両者ともほぼ同等であること、したがってJAEA製のPMT, PMT基板及びDAEが正常動作していることを確認した。また、パルス中性子照射試験をISISのROTAXで行った。試料としてNiロッドを用いた試験では、Niによる回折ピークが幾つか観測されたが、これらのピークは両システムで同じであり、TOF機能も正常に動作していることを確認した。また、chごとの積分強度もほぼ一致していることも確認できた。このため、JAEAで製作したPMT以降の計測系はISISにて実機として作動しているものと同等の性能を有していることが確認された。

口頭

大強度パルス中性子用シンチレーション検出器の開発,9; ISIS型1次元中性子検出器の中性子照射試験結果

坂佐井 馨; 片桐 政樹; 中村 龍也; 曽山 和彦; 美留町 厚; 佐藤 節夫*; Rhodes, N.*; Schooneveld, E.*

no journal, , 

大強度陽子加速器(J-PARC)計画における中性子散乱実験施設、特に残留応力解析装置に必要な中性子検出器として、われわれは英国ラザフォードアップルトン研究所にあるISISに設置されているものと同タイプのZnSシンチレーション検出器を試作しその検出器の中性子照射試験を行った。中性子照射試験は、原子力機構放射線標準施設棟(FRS)の熱中性子校正場($$^{252}$$Cf線源,黒鉛減速体系)で行った。試験では、一様性及び中性子感度を測定した。その結果、検出器出力もほぼ一様であり、標準偏差で5.3%程度であった。また、検出器位置における中性子束から感度を評価すると、約65%となった。また、検出器の計数特性を調べるため、JRR-3のMUSASIポートでビーム試験を行った。この試験では、中性子ビームをコリメートし、これを検出器の有感部分に照射した。この結果、試作した検出器は約10$$^{4}$$cpsまでの範囲で直線性を有し、しかもその出力は比較した$$^{3}$$He検出器とほぼ同じであるため、検出効率は$$^{3}$$He検出器(43%@1${AA}$)と同等の性能を有していることがわかった

口頭

大強度パルス中性子用シンチレーション検出器の開発,12; ISIS型1次元中性子検出器の中性子回折実験結果

坂佐井 馨; 片桐 政樹; 中村 龍也; 曽山 和彦; 美留町 厚; 佐藤 節夫*; Rhodes, N.*; Schooneveld, E.*

no journal, , 

J-PARCの新材料解析装置用中性子検出器としてこれまで開発してきたISIS型大面積型シンチレーション検出器を用いて中性子回折実験を試みた。中性子回折実験は、JRR-3のMUSASIポートで行った。この試験では、中性子ビームをコリメートし、これを試料に照射し、その散乱中性子を試作した検出器で測定した。使用した試料は、Si(粉末),Ni(粉末)、及びFe(二相構造)である。二相構造のFe試料は、体心立方構造($$alpha$$-Fe)と面心立方構造($$gamma$$-Fe)が混合されてできたもので、それぞれ異なった格子定数を有する。なお、MUSASIポートでは中性子を取り出すためのモノクロメータとしてシリコンを用いており、中性子波長は2.2${AA}$である。Ni及びSiの散乱角を校正点とし、散乱角の関数としての二相構造Fe試料の散乱強度プロファイルからピークの散乱角を決定し、格子定数を求めた。その結果、$$gamma$$-Fe相は3.593${AA}$、$$alpha$$-Fe相は2.860${AA}$となり、以前KEKで測定した値とほぼ一致し正確な値が得られた。

口頭

大強度パルス中性子用シンチレーション検出器の開発,16; 高S/N中性子ビームモニタ検出器用信号処理回路

中村 龍也; 片桐 政樹; 海老根 守澄; 細谷 孝明*; 曽山 和彦; Schooneveld, E.*; Rhodes, N.*

no journal, , 

J-PARCの大強度パルス中性子源を用いた中性子散乱実験装置においては、実験試料に照射されるパルス中性子数をTOF測定で常にモニタしておく必要がある。特に、広範囲な中性子エネルギーを高計数率でかつ高S/N比で安定に計測する必要がある。このため、短寿命成分が約200nsの蛍光寿命を持ちかつ$$gamma$$線に対する感度が低いZnS:Ag蛍光体と中性子捕獲断面積の小さい中性子コンバータを混合して作成した低感度中性子シンチレータを用いた中性子ビームモニタの開発を進めている。ZnS:Ag蛍光体にはスロー蛍光寿命成分があり、蛍光検出に用いる光電子増倍管にはパルス性ノイズが多いことから、ISIS型信号処理方式を用いた信号処理回路を用いて、中性子ビームモニタの高計数率を維持しかつ高S/N比を図った。

口頭

大強度パルス中性子用シンチレーション検出器の開発,13; 工学回折装置用実機型1次元中性子検出器の製作

坂佐井 馨; Harjo, S.; 中村 龍也; 盛合 敦; 片桐 政樹; 曽山 和彦; Rhodes, N.*; Schooneveld, E.*

no journal, , 

大強度陽子加速器(J-PARC)計画における中性子散乱実験施設、特に残留応力解析装置として用いられる工学回折計(匠)に必要な中性子検出器として、われわれは英国ラザフォードアップルトン研究所にあるISISに設置されているものと同タイプのZnSシンチレーション検出器を試作した。本検出器は、光電子増倍管を除いた検出器外形が805$$times$$1370$$times$$217mm、重量120kgの大型のものである。検出器有感面積は1m$$times$$20cmで曲率R=2mを有し、位置分解能は3mmである。また、1台あたりの検出ピクセル数は360chで、ISISにあるENGIN-Xのものと比べて3倍となっている。2$$times$$2mmにコリメートした中性子ビームを検出器に照射してその出力を測定したところ、ビーム照射chのみに強いピークが観測され、コーディングにミスがなく、検出器が正常動作していることが確認された。また、検出器は$$^{3}$$He検出器と同等の検出効率(43%@1${AA}$)と20kcps程度までの出力直線性を有していることがわかった。

口頭

大強度パルス中性子用シンチレーション検出器の開発,14; ZnS/$$^{10}$$B$$_{2}$$O$$_{3}$$セラミックシンチレータの開発

片桐 政樹; 筒井 紀彰*; 小島 孝弘*; Schooneveld, E.*; Rhodes, N.*; 藤 健太郎; 坂佐井 馨; 曽山 和彦; 中村 龍也

no journal, , 

中性子散乱実験用一次元シンチレータ検出器の検出効率を改善するためZnS/$$^{10}$$B$$_{2}$$O$$_{3}$$セラミックシンチレータを開発した。開発したシンチレータを用いることで検出器の検出効率が従来標準品(ZnS/$$^{6}$$LiFシンチレータ)に比べて約20%(1${AA}$波長中性子に対して)改善することを確認した。

口頭

J-PARC/MLF匠検出器のための高検出効率ZnS中性子有感シンチレータの開発

中村 龍也; 坂佐井 馨; 藤 健太郎; 片桐 政樹; 曽山 和彦; Rhodes, N.*; Schooneveld, E. M.*; 筒井 紀彰*

no journal, , 

J-PARCの物質・生命科学研究施設(MLF)、BL19の工学材料装置「匠」には10台の大面積1次元シンチレータ検出器がインストールされる。われわれは本検出器の高検出効率化を図るためZnSシンチレータを開発してきた。本発表では、開発したZnS/$$^{6}$$LiF及びZnS/$$^{10}$$B$$_{2}$$O$$_{3}$$を検出器に装填した場合の中性子検出器の特性試験結果について報告する。シンチレータとしては中性子コンバータである$$^{6}$$LiF及び$$^{10}$$B$$_{2}$$O$$_{3}$$の量を標準品よりも増大するということを基本に製作した。これらを匠実機検出器と同一の構造を有する27ピクセル検出器に装填し、中性子計数,$$gamma$$線感度,バックグランド計数等の試験評価を行った。その結果、これまでISISで使用されてきた標準品と比較して、20$$sim$$30%の中性子検出効率が改善すること、$$gamma$$線感度は同等であることを確認した。

口頭

J-PARC/MLF工学材料回折装置「匠」用中性子検出器の現状

坂佐井 馨; 中村 龍也; 盛合 敦; Harjo, S.; 伊藤 崇芳; 阿部 淳; 相澤 一也; 曽山 和彦; Rhodes, N. J.*; Schooneveld, E. M.*

no journal, , 

J-PARCの物質・生命科学研究施設(MLF)に設置された工学材料装置「匠」は2008年12月の共用開始に向け、2008年9月に中性子ビームを受け入れコミッショニングが開始された。匠は主に中性子による残留応力測定や内部観察による新材料開発を目的とし、このため中性子検出器として、大面積の1次元シンチレーション検出器を製作した。製作した検出器は本体外形805$$times$$1370$$times$$217mm,重量120kgの大型検出器で、検出器1台あたり360chのピクセル数を有し、位置分解能性能は3mm、中性子検出効率は$$>$$50%@1${AA}$である。9月のコミッショニング時には90度位置に本検出器が2台設置され、試料のTOF回折実験を行い、エレクトロニクスを含めて良好に作動することを確認した。本年度末には残り8台が設置予定である。本発表では、匠用に開発・設置された中性子検出器の現状について報告する。

口頭

大強度パルス中性子用シンチレーション検出器の開発,17; J-PARC工学材料回折装置用中性子検出器の性能試験

坂佐井 馨; 中村 龍也; 盛合 敦; Harjo, S.; 伊藤 崇芳; 阿部 淳; 相澤 一也; 片桐 政樹; 曽山 和彦; Rhodes, N.*; et al.

no journal, , 

大強度陽子加速器(J-PARC)計画における中性子散乱実験施設、特に残留応力解析装置として用いられる工学回折計(匠)に必要な中性子検出器として、われわれは英国ラザフォードアップルトン研究所にあるISISに設置されているものと同タイプのZnSシンチレーション検出器を試作し、その概要及び基本的な作動試験結果についてこれまで報告してきた。製作した検出器はMLFのビームラインに設置され、2008年9月に中性子ビームを受け入れコミッショニングを行った。その結果、試料として直径10mmの単相鉄に中性子を照射した場合、鉄の面間隔dに起因した散乱ピークがはっきりと確認でき、検出器が正常に動作していることが確認できた。

口頭

大強度パルス中性子用シンチレーション検出器の開発,18; J-PARC工学材料回折装置用中性子検出器の開発及び建設

坂佐井 馨; 中村 龍也; Harjo, S.; 伊藤 崇芳; 阿部 淳; 相澤 一也; 片桐 政樹*; 曽山 和彦; Rhodes, N.*; Schooneveld, E.*

no journal, , 

J-PARCの物質・生命科学研究施設に設置された工学材料回折装置「匠」は2008年9月に中性子ビームを受け入れコミッショニングが開始され、2009年3月には全検出器の据付が完了した。本発表では、匠用に開発・設置された中性子検出器の構造及び性能について報告する。製作した検出器の有感面積は1m$$times$$20cmで曲率R=2mを有し、位置分解能は3mm,ピクセル数は1台あたり360ch,中性子感度50%以上(1${AA}$)である。「匠」では本検出器を90度位置(南北バンク)に左右に5台ずつ、計10台設置した。サンプルとして、鉄系サンプルを用いた場合、分解能は0.2%程度となった。

口頭

小型高分解能1次元中性子検出器の特性試験

坂佐井 馨; 中村 龍也; 藤 健太郎; 曽山 和彦; Rhodes, N.*; Schooneveld, E.*

no journal, , 

J-PARCの工学材料回折装置のシンチレーション検出器より高い位置分解能(1.5mm)を有する小型の検出器を製作し特性試験を行った。製作した中性子検出器は検出器有感面積が42mm$$times$$20cm、位置分解能はJ-PARCの「匠」のもの(3mm)よりも高く、1.5mmである。検出ピクセル数は28、使用するPMT数は8本である。測定系は匠と同じ測定系で、8本のPMTの2本の出力の同時計数をとることによって中性子入射位置を決定する。この検出器の諸特性を$$^{252}$$Cf中性子線源や$$gamma$$線源を用いて測定した。ピクセル間の一様性は比較的よく、標準偏差で6.3%であった。検出エレクトロニクスの閾値レベルが350mVでは中性子検出効率は約67%@1.8${AA}$であった。なお、$$gamma$$線感度は同じ閾値で1.3$$times$$10$$^{-7}$$@1.3MeVであった。

口頭

小型1次元中性子検出器を用いた中性子回折実験

坂佐井 馨; 中村 龍也; 藤 健太郎; 盛合 敦; 曽山 和彦; Rhodes, N. J.*; Schooneveld, E. M.*

no journal, , 

J-PARCセンターの物質生命科学研究施設(MLF)において、残留応力解析装置として用いられる工学回折計(匠)の中性子検出器より高い位置分解能(1.5mm)を有する小型の検出器を製作し、これを用いてJRR-3のRESA-IIにて中性子回折実験を試みた。測定体系での角度分解能は0.154(ch/degree)であった。試料として冷しばめ試料(Al合金製プラグを同じ材質のリングに低温ではめ込んだもの、常温ではプラグ,リングともに応力が加わってひずみが生じている)を用い、中性子回折実験を行ったところ、円周方向,径方向のひずみをよく測定できていることを確認した。

口頭

Development of high-position resolution 1D-scintillation detector

坂佐井 馨; 中村 龍也; 藤 健太郎; 曽山 和彦; Rhodes, N.*; Schooneveld, E.*

no journal, , 

プロトタイプ高分解能1次元シンチレーション検出器を開発した。この検出器は有感部分が42mm$$times$$196mm,位置分解能1.5mmを有する。これはJ-PARC/MLFの匠の検出器よりも高い分解能である。検出器の中性子感度は1.8${AA}$で67$$%$$、$$gamma$$線感度は$$gamma$$線エネルギー1.3MeVで10$$^{-6}$$以下であった。またこれを用いて中性子回折実験を行い、試料のひずみを測定できることを確認した。

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