京大炉中性子 専門研究会ｲﾒｰｼﾞﾝｸﾞ平成 24 年 1 月 5-6 日

TNRF における中性子ラジオグラフィシステムの高度化

安田　良 1 、野島健大 1 、片桐政樹 2

1 ：原子力機構　中性子イメージング・分析研究グループ2 ：茨城大学

背景中期目標　燃料電池内部可視化を目的とした高空間・高時間分解能中性子イメージングシステムの開発　○高空間分解能：電解質膜内部の水分布観察　　 中性子 II 、斜入射法、薄型シンチレータ

　○高時間分解能：セパレータ内流路の水分挙動評価　　　　　流路観察に適した中性子イメージングシステムの開発JARI 標準電池

Separator

Gas Diffusion Layer (GDL)

Membrane Electrode Assembly (MEA)

Channel

○ 観察領域： 50mm×50mm○ 流路サイズ： 1mm×1mm○ 時間スケール：～ 1sec. 発電中の燃料電池の電流密度と電圧値の変化

（橋本迪矩（神戸大学）：第 51 回電池討論会講演資料より）

50

50

1

1

従来の撮像システム

中性子ビーム冷却型

or EB-CCD カメラレンズ

NR コンバータ可視光

暗箱

従来の撮像システム　　カメラ：冷却型 CCD カメラ、 EB-CCD カメラ　　シンチレータ： NR コンバータ　　　　　　　　　　（市販品：化成オプトニクス製）　　コリメータ：大型コリメータ　問題点　　取り込み時間（冷却型 CCD カメラ： 5sec ）　　アナログ撮影（ EB-CCD カメラ）　　　　　　　　　　　　⇒　定量評価が困難　　ノイズ： γ 線によるホワイトスポット　　大型コリメータによる画像上のぼけ

Cd ワイヤ（ 0.25mmφ ）

30mm 90mmコリメータ比による画像上のぼけ

　○　 EM-CCD カメラ： 　　　デジタル画像　　　　　　　　　　　　　　　　　　　撮像時間の短縮　○　高輝度コンバータ（ J-PARC センター　中性子基盤セクションが開発）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　撮像時間の短縮　　　　　　　　　　　　　　　　　　　空間分解能の向上　　○　スリット型コリメータ：　　　ホワイトスポットの低減

　　　空間分解能の向上（ L/D ）

中性子ビーム

高輝度コンバータ

EM-CCD カメラ85mm レンズ（ F 値 :1.4 ）

暗箱

可視光鉛板（厚さ： 100mm ）駆動スリット

試料

新規の撮像システム

EM-CCD カメラ撮像システム

EM-CCD カメラ

EM-CCD カメラ： Electron Multiplication CCD Camera

特長　・高ゲイン、暗い被写体の撮像が可能　・デジタル出力

仕様　 　 浜松ホトニクス（株）製：　 C9100-02 　有効画素数：　 1000 （ H ） ×1000 （ V ）　　画素サイズ：　 8μm （ H ） ×8μm （ H ）　　 Gain: 6~2000 倍　　読み出し速度： 　　 ~500 frames/sec. 　冷却温度： -50℃　　露光時間： 5msec.~10sec. A/D コンバータ： 14bit

EM-CCD カメラ

LiF ・ ZnS(Ag)

用途・発光の定量解析・リアルタイム蛍光観察・天体観察・共焦点顕微鏡の読み出し

高輝度コンバータ ( 輝度評価 )

Scintillator

NR コンバータ150μm 200μm 300μm

　シンチレータ：　 LiF/ZnS （ Ag ）　　　　　　　　　　　（ 150,200,300m ）　　　　　　　　　　　　 NR コンバータ

実験条件　　コリメータ：　　　　大型コリメータ　カメラ＆レンズ : EM-CCD カメラ　　　　　　　　　　 85mm レンズ（ F 値： 1.4 ）　撮像時間：　　　　 0.5sec.

高輝度コンバーター (200m)により、約 3 倍輝度が増加

Sig

nal C

ount

Rat

e, c

ount

/sec

150μm 200μm 300μm

150m 厚 200m 厚 300m 厚 NR converter

Gd ラインペアによるシンチレータの空間分解能評価

1mm 1mm

0.5mm

0.5mm

0.3mm

0.3mm

0.2mm

0.2mm

2mm

4mm

2.5mm

0.1mm 0.1mm

50m50m

30m

30m

m

10m

２００ μm 厚のシンチレータで幅 200μm のラインペアを可視化

　　　　　　コリメータ： 大型コリメータ、スリット型コリメータ（ 40×45mm ）

実験条件カメラ＆レンズ : EM-CCD カメラ＆ 80mm （ F 値： 1.4 ）Gain 0 　（ 6 倍）シンチレータ： NR コンバータ（裏返しで試験）撮像時間： 1sec.

スリット型コリメータの効果（ホワイトスポットの比較）

大型コリメータ（従来型） スリット型コリメータ37454 2161白点のピクセル数

(counts>38)

0

100

200

300

400

500

0 200 400 600 800 1000

ConventionalSlit Collimator

Counts of CCD signals (white dot)

The

Num

ber o

f pix

els

ホワイトスポットのヒストグラム

ノイズ低減の効果（ホワイトスポットの比較） -2

ビーム強度と撮像領域　 コリメータ： 大型コリメータ、スリット型コリメータ (40×45mm)実験条件

カメラ＆レンズ : EM-CCD カメラ＆ 80mm （ F 値： 1.4 ）ピクセルサイズ：　　 80m×80mシンチレータ： NR コンバータ撮像時間： 0.5sec.

Cou

nts

of s

igna

l of C

CD

cam

era

Distance from image center,mm

Slit

Conventional

80m

m

0

2000

4000

6000

8000

10000

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

ConventionalSlit type

観察領域

まとめ

1.EM － CCD カメラ　　デジタル画像の取得　　 1 秒以下の撮像

2. 高輝度シンチレータ　　従来の市販品に比べて 3 倍の輝度　　空間分解能： 0.2mm のラインペアを確認

3. スリット型コリメータ　　照射領域： 50mm×50mm を確保（スリット幅 40×45mm の場合）　　ノイズであるホワイトスポットが著しく低減　　中性子フラックスが従来のコリメータに比べて 80% 程度　　コリメータ比が向上　　

　上記の機器を用いることにより、従来に比べて、低ノイズ、高解像度かつ高輝度の中性子ラジオグラフィシステムを構築