JP7064750B2 - 中性子イメージング装置 - Google Patents

Description

この発明は、中性子イメージング装置、イメージング装置およびカメラに関する。

中性子によるイメージング技術（中性子ラジオグラフィ）は、Ｘ線やガンマ線を用いた解析技術と同様に、中性子線が物質を通り抜ける性質を利用して物質内部を観察する技術である。

中性子ラジオグラフィは、金属など重い元素の撮影に適したＸ線と異なり、水素や炭素など軽元素の観察に適しており、生物や水分を多く含む物質の観察を可能にする。また、感度が高いため、映像として実時間観察できるなどの特徴を有し、生物中の水分の移動の様子なども観察できる。
また、一般の金属は、中性子の吸収が少ないという特性を活かし、機械内部を移動する燃料やオイルの様子も観察可能である。
さらに、磁気モーメントを有するという特性を活かして磁気分布を調べることもできる。

従来、このような中性子線の特性を活かし、燃料電池内の水のダイナミクスを高空間分解能の動画として観測したいとの要望がある。
また、サブミクロン領域の分解能で大画素化が実現できれば、スピン偏極中性子源を用いて磁性体材料におけるスピンの運動の様子を高速観察できるため、スピントロニクスなど最先端の研究を支援する強力なツールにもなる。

それゆえ、大画素化の実現、特にサブミクロン領域の高空間分解能でリアルタイムに観測できる中性子ラジオグラフィの技術が求められている。
例えば、大強度陽子加速器施設Ｊ－ＰＡＲＣ（Japan Proton Accelerator Research Complex）利用者協議会においては、「燃料電池」「蓄電デバイス」分野において、２０１５年に１μｍの空間分解能、２０３０年に１０ｍｓのフレーム時間が全体構想として掲げられている。

中性子ラジオグラフィの検出装置としては、ガス放電方式を用いたものやシンチレーション方式を用いたもの、イメージングプレートを用いたものなど、様々な方式のものが挙げられる。
また、前述の構想に応え得る高分解能、高速の中性子イメージング装置の候補としては、ナノワイヤ状に微細加工した超伝導元素からなる検出素子を縦横にマトリックス状に配置し、これらの検出素子と中性子との核反応に伴う発熱による検出素子の電子状態の変化を電気抵抗値の変化として測定する中性子イメージング装置の発明が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。
また、中性子と中性子検出用物質との核反応に伴って異なる方向へ放射される２つの粒子のうちの一つの粒子をＸ座標検出素子群で検出し、他の粒子をＹ座標検出素子群で検出することにより、マトリックス状に検出素子を配置する構成よりも少ない個数の検出素子で、同じ空間分解能を有する中性子検出を実現する中性子検出装置の発明も開示されている（例えば、特許文献２を参照）。

ＷＯ２００６／０９５６５９号 特許第５８４６５７４号

しかしながら、従来の中性子イメージング装置の位置分解能はおおむねサブｍｍの領域にとどまり、サブミクロン領域の観測は実現できていないのが実情であった。

この発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、従来よりも高分解能の位置分解能を有する中性子イメージング装置、イメージング装置およびカメラを実現するものである。

（１）この発明は、中性子検出用物質と、前記中性子検出用物質および中性子の核反応によって熱エネルギーを伴って生成され、異なる方向へ放射される少なくとも２つの粒子のうち、一の粒子の熱エネルギーを受容した場合に電子状態の変化が生じる超伝導物質からなる第１粒子検出素子と、他の粒子の熱エネルギーを受容した場合に電子状態の変化が生じる超伝導物質からなる第２粒子検出素子とを備え、前記第１粒子検出素子および前記第２粒子検出素子は、前記中性子検出用物質を間に挟んで予め定められた間隔を隔てて対向する位置に設けられ、前記第１粒子検出素子が検出した前記一の粒子の検出位置および前記第２粒子検出素子が検出した前記他の粒子の検出位置に基づき、前記中性子検出用物質の前記核反応が発生した位置を検出することを特徴とする中性子イメージング装置を提供するものである。
また、この発明は、光エネルギーを受容した場合に電子状態の変化が生じる超伝導物質からなる光検出素子を備え、前記光検出素子は、Ｘ方向を進行方向とし前記Ｘ方向に垂直なＹ方向を幅方向とする蛇行経路を有し、前記蛇行経路の両端に電極が接続されたＸ座標検出素子と、前記Ｙ方向を進行方向とし前記Ｘ方向を幅方向とする蛇行経路を有し、前記蛇行経路の両端に電極が接続されたＹ座標検出素子を重ね合わせてなり、前記Ｘ座標検出素子は、前記電子状態の変化により生じた電磁波が前記蛇行経路の両端の電極に到達するまでの時間差から前記光エネルギーの検出位置のＸ座標を検出し、前記Ｙ座標検出素子は、前記電子状態の変化により生じた電磁波が前記蛇行経路の両端の電極に到達するまでの時間差から前記光エネルギーの検出位置のＹ座標を検出することを特徴とするイメージング装置を提供するものである。
また、この発明は、前記イメージング装置を備えたカメラを提供するものである。

この発明において、「中性子検出用物質」としては、例えば、二硼化マグネシウム（ＭｇＢ₂）が挙げられる。また、¹⁰Ｂそのものの薄膜であってもよい。その場合、核反応により放射される粒子は⁴Ｈｅ（アルファ線）と⁷Ｌｉ（リチウム線）である。
「熱エネルギーを受容」するとは、粒子の持つ熱エネルギーによって第１または第２粒子検出素子の特性の変化が生じること、特に、電子状態の変化が生じることをいう。
何らかの手段でその電子状態の変化が検出できれば特に検出手法は限定されないが、後述する実施例においては、電子状態の変化を運動インダクタンスの変化として検出している。

この発明の中性子イメージング装置は、ある時点においては中性子が一カ所にしか衝突せず、通常は複数箇所に同時に中性子が衝突することはないことを前提としており（仮にそのような事象が生じても確率が低ければよい）、衝突が順次発生しそれによる核反応の位置を検出するものである。
例えば、中性子検出用物質がＭｇＢ₂で、核反応により放出される粒子がアルファ線とリチウム線の場合、それらのうちいずれが第１粒子であるかは問わない。さらに、中性子とＭｇＢ₂との衝突が順次発生するとき、第１粒子検出素子が一貫してアルファ線またはリチウム線を検出すると限定するものではなく、あるときは第１粒子検出素子がアルファ線を検出し、その次はリチウム線を検出してもよい。

この発明によれば、従来よりも高分解能の位置分解能を有する中性子イメージング装置、イメージング装置およびカメラが実現できる。

また、この発明の中性子イメージング装置およびイメージング装置は、次のように構成されてもよく、それらが適宜組み合わされてもよい。

（２）この発明による中性子イメージング装置において、前記第１粒子検出素子および前記第２粒子検出素子は、Ｘ方向を進行方向とし前記Ｘ方向に垂直なＹ方向を幅方向とする蛇行経路を有し、前記蛇行経路の両端に電極が接続されたＸ座標検出素子と、前記Ｙ方向を進行方向とし前記Ｘ方向を幅方向とする蛇行経路を有し、前記蛇行経路の両端に電極が接続されたＹ座標検出素子を重ね合わせてなり、前記Ｘ座標検出素子は、前記電子状態の変化により生じた電磁波が前記蛇行経路の両端の電極に到達するまでの時間差から前記粒子の検出位置のＸ座標を検出し、前記Ｙ座標検出素子は、前記電子状態の変化により生じた電磁波が前記蛇行経路の両端の電極に到達するまでの時間差から前記粒子の検出位置のＹ座標を検出するものであってもよい。

このようにすれば、蛇行経路を有するＸ座標検出素子およびＹ座標検出素子を重ね合わせてなる第１粒子検出素子および第２粒子検出素子を用いることにより、素子内への熱流入を抑えつつ大画素化を実現し、従来よりも高分解能の位置分解能を有する中性子イメージング装置が実現できる。

（３）この発明による中性子イメージング装置において、前記蛇行経路は、超伝導細線を予め定められた長さおよび幅で蛇行させることにより形成されるものであってもよい。

「予め定められた長さおよび幅で蛇行させる」とは、例えば、超伝導細線を数ｍｍ～数十ｍｍの長さごとに０．１μｍ～数μｍの幅で蛇行させる場合などがあげられる。

このようにすれば、大きな有感面積により大画素化を実現しつつ、サブミクロン～ミクロン領域の高分解能の位置分解能を有する中性子イメージング装置が実現できる。

（４）この発明による中性子イメージング装置において、前記超伝導細線がＮｂを含むものであってもよい。

このようにすれば、Ｎｂ系の読出回路と同じＮｂを含む超伝導細線を用いることにより、Ｎｂ系電流バイアス運動インダクタンス検出器モノリシック素子を実現できるため、従来よりも高分解能の位置分解能を有し、かつ、信頼性の高い中性子イメージング装置を実現することができる。

（５）この発明による中性子イメージング装置において、前記第１粒子検出素子は、前記第１粒子の熱エネルギーの受容によって超伝導電子対が減少する電子状態の変化を運動インダクタンスの変化として検出し、前記第２粒子検出素子は、前記第２粒子の熱エネルギーの受容によって超伝導電子対が減少する電子状態の変化を運動インダクタンスの変化として検出するものであってもよい。

このようにすれば、超伝導電子対が減少する電子状態の変化を運動インダクタンスの変化を検出することにより、素子内でのジュール熱の発生がなく、従来よりも高速で動作し、高分解能の位置分解能を有する中性子イメージング装置が実現できる。

（６）この発明による中性子イメージング装置において、前記中性子検出用物質が中性子との核反応によって相反する方向に２つの粒子を放射する物質を含むものであってもよい。

このようにすれば、中性子検出用物質として、中性子と反応して相反する方向に２つの粒子を放射する物質を用いることにより、中性子の検出精度を高めることができるため、従来よりも高分解能の位置分解能を有する中性子イメージング装置が実現できる。

「中性子との核反応によって相反する方向に２つの粒子を放射する物質」としては、例えば、^１０Ｂ、^６Ｌｉ、^４Ｈｅなどがあげられる。

（７）この発明による中性子イメージング装置において、前記中性子検出用物質は、中性子との核反応によって相反する方向にアルファ線とリチウム線を放射する¹⁰Ｂを含むものであってもよい。

このようにすれば、中性子と反応してアルファ線とリチウム線の２つの粒子が相反する方向に放射することが知られている¹⁰Ｂを用い、かつ相反する方向に放射される２つの粒子を用いることにより、中性子の検出精度を高めることができるため、従来よりも高分解能の位置分解能を有する中性子イメージング装置が実現できる。

（８）この発明による中性子イメージング装置において、前記中性子検出用物質がＭｇＢ₂を含むものであってもよい。

このようにすれば、中性子検出用物質として、加工しやすい高温超伝導体であるＭｇＢ₂を用いて中性子イメージング装置を実現することができる。

（９）この発明によるイメージング装置において、前記光検出素子は、前記Ｘ方向および前記Ｙ方向に垂直なＺ方向に光エネルギーを閉じこめるキャビティ内に設けられたものであってもよい。

このようにすれば、キャビティにより微弱な光を検知することが可能なイメージング装置を実現することができる。

この発明の第１実施形態に係る中性子イメージング装置の概略構成を示す説明図である。 図１の粒子検出素子の概略構成を示す説明図である。 図１の粒子検出素子の一実施例を示す図である。 中性子が¹⁰Ｂに衝突して核反応がおこり、アルファ線とリチウム線の２つの粒子が相反する方向に放射する様子を模式的に示す説明図である。 この発明の第１実施形態に係る中性子イメージング装置内の中性子と¹⁰Ｂとの核反応の例を示す説明図である。 図１の¹⁰Ｂ層内の熱中性子反応により生じた⁷Ｌｉの軌跡をシミュレートした結果を示す。 この発明の中性子イメージング装置において、対向する２つの粒子検出素子における各粒子の検出位置と核反応位置との関係を示す説明図である。 この発明の第１実施形態に係る中性子イメージング装置による測定の一例を示す説明図である。 この発明の第１実施形態に係る粒子検出素子の粒子検出原理の説明図である。 この発明の実施形態１に係る中性子イメージング装置の測定結果の一例である。 図１０の¹⁰Ｂドット間のピッチを解析した結果である。 この発明の第２実施形態に係るイメージング装置の光の検出例を示す説明図である。 図１２のＸ座標検出素子のＸ座標検出原理の説明図である。 この発明の第２実施形態に係るイメージング装置による測定結果の一例である。 この発明の第３実施形態に係るイメージング装置内のキャビティ構造の一例を示す説明図である。

以下、図面に基づいてこの発明の第１実施形態に係る中性子イメージング装置１００について詳述する。なお、以下の説明はすべての点で例示であって、この発明を限定するものと解されるべきではない。

<<第１実施形態>>
この発明の第１実施形態に係る中性子イメージング装置１００について、図１～１０に基づいて説明する。

図１は、この発明の第１実施形態に係る中性子イメージング装置１００の概略構成を示す説明図である。また、図２は、図１の粒子検出素子１０の概略構成を示す説明図である。また、図３は、図１の粒子検出素子１０の一実施例を示す図である。

図１に示すように、この発明の第１実施形態に係る中性子イメージング装置１００は、核反応層２０を間に挟むようにして、対向して積層された２つの電流バイアス運動インダクタンス検出器（ＣＢ－ＫＩＤ）（以下、粒子検出素子１０，１０Ａ，１０Ｂ）を備える。

図１において、２２ｍｍ角のシリコン基板３０上にGround plane４０を設け、その上にＸ座標検出素子１ｘおよびＹ座標検出素子１ｙを重ね合わせた粒子検出素子１０Ａを設ける。
なお、Ｘ座標検出素子１ｘおよびＹ座標検出素子１ｙは、表面が直接空気に接するのを防止するため、ＳｉＯ_２層５０内に設けられる。

具体的には、Ｎｂ Ground plane上に厚み２５０ｎｍのＳｉＯ_２層を成膜した後、当該ＳｉＯ_２層上に厚み４０ｎｍのＮｂナノワイヤを形成してＸ座標検出素子１ｘを設け、その上に厚み５０ｎｍのＳｉＯ_２層を成膜する。

その後、化学機械研磨（ＣＭＰ）により、Ｎｂナノワイヤを平坦化（カルデラ平坦化）し、その上に厚み５０ｎｍのＳｉＯ_２層を成膜する。
次に、当該ＳｉＯ_２層上に厚み４０ｎｍのＮｂナノワイヤを形成してＹ座標検出素子１ｙを設け、その上に厚み５０ｎｍのＳｉＯ_２層を成膜する。

また、粒子検出素子１０ＡのＳｉＯ_２層上にＫセルや電子ビームを用いた蒸着により核反応層２０を形成する。
核反応層２０は、ＭｇＢ₂薄膜に形成してもよいし、¹⁰Ｂそのものの薄膜であってもよい。
¹⁰Ｂは、自然界に主に存在する質量数１１の¹¹Ｂの同位体であり、中性子を吸収して⁴Ｈｅと⁷Ｌｉを生成する核反応を行うことが知られている。
この核反応は、電荷を持たないために検出が困難な中性子の検出に利用される。¹⁰Ｂは、特に冷中性子に対して反応確率が高いことが知られている。

一方、粒子検出素子１０Ａと同様に、粒子検出素子１０Ｂについても、１８ｍｍ角のシリコン基板３０上にGround plane４０を介してＸ座標検出素子１ｘおよびＹ座標検出素子１ｙを重ね合わせてＳｉＯ_２内に設けることにより作成する。

このように作成した粒子検出素子１０Ｂを一定の間隔をあけて、粒子検出素子１０Ａに対向する位置に設ける。
第１実施形態においては、Ｘ座標検出素子１ｘとＹ座標検出素子１ｙとの間の間隔は５μｍである。

その結果、核反応層２０を間にはさんで、粒子検出素子１０Ａおよび１０Ｂが対向するように設けられた中性子イメージング装置１００が実現できる。

また、上側のシリコン基板３０からはみ出た下側のシリコン基板３０の周辺部に読出回路６０を形成する

また、フリップチップボンダで接着することによって、粒子検出素子１０Ａ，１０ＢのＸ座標検出素子１ｘおよびＹ座標検出素子１ｙと読出回路６０との間に超伝導コンタクトをとる。

＜粒子検出素子１０の説明＞
次に、粒子検出素子１０の構造について説明する。

図２に示すように、粒子検出素子１０は、経路が曲がりくねった蛇行形状（以下、メアンダ（meander）形状）の経路を有するＮｂ細線からなるＸ座標検出素子１ｘとＹ座標検出素子１ｙとを重ね合わせた構造を有する。

図３において、２２ｍｍ角の粒子検出素子１０Ａ上に核反応層２０を設けた実施例が示されている。
図３に示すように、Ｘ座標検出素子１ｘは、Ｘ方向を進行方向とし、Ｙ方向を幅方向とする蛇行経路を有する超伝導細線からなる。
また、Ｙ座標検出素子１ｙは、Ｙ方向を進行方向とし、Ｘ方向を幅方向とする蛇行経路を有する超伝導細線からなる。

なお、超伝導細線の素材としては、例えば、ＮｂまたはＮｂＮによる超伝導体や、ＭｇＢ₂、ボロンをドープしたダイヤモンド薄膜（Ｔｃ＝１１Ｋ）等の高温超伝導体などがあげられるが、他の超伝導体であってもよい。

第１実施形態において、メアンダ状の蛇行経路の幅は１μｍであり、隣接する蛇行経路間の間隔も１μｍである。
後述する運動インダクタンスの変化を効率的に検出できるのは、熱エネルギーの拡散長程度であるため、このように、超伝導細線の幅を１μｍ程度にすることにより、効率的な検出が可能となる。

また、素子をメアンダ形状の蛇行経路にすることにより、超伝導細線の幅を最適にしつつ、大面積化を図ることができるため、さらに検出効率を高めることが可能となる。

なお、Ｘ座標検出素子１ｘおよびＹ座標検出素子１ｙは、図２および図３のような形状に限定されず、用途に応じて、種々の形状、大きさ、線幅を有していてもよい。

次に、中性子による核反応の検出原理について説明する。
図４は、中性子が¹⁰Ｂに衝突して核反応がおこり、アルファ線とリチウム線の２つの粒子が相反する方向に放射する様子を模式的に示す説明図である。

図４に示すように、中性子Ｎが¹⁰Ｂと核反応を起こすと、
¹⁰Ｂ＋Ｎ→⁷Ｌｉ＋⁴Ｈｅ
の反応により、２つの粒子、⁴Ｈｅ（アルファ線）と⁷Ｌｉ（リチウム線）とが生成され放射される。

このとき、約２．３ＭｅＶの核反応熱が発生するが、この熱エネルギーは⁴Ｈｅと⁷Ｌｉとによって運び出される。
⁴Ｈｅ，⁷Ｌｉの熱エネルギーはそれぞれ、０．８８ＭｅＶ、１．４７ＭｅＶである。
この核反応の特徴は、運動量保存則に従い、⁴Ｈｅと⁷Ｌｉとが互いに相反する方向に放射されることであり、この発明では、この特徴を利用する。

なお、⁴Ｈｅと⁷Ｌｉとが放射される方向は一定ではなく確率的（ランダム）に決定され、核反応ごとに異なる。例えば、超伝導状態のＭｇＢ₂中においては、⁴Ｈｅ、⁷Ｌｉの飛程はそれぞれ４μｍ、２μｍ程度である。

また、中性子との核反応により互いに相反する方向に放射される物質であれば、^１０Ｂ以外の物質であってもよい。このような物質としては、例えば、^６Ｌｉ、^４Ｈｅなどの物質があげられる。

図５は、この発明の第１実施形態に係る中性子イメージング装置１００において、核反応層２０中の¹⁰Ｂと中性子Ｎとの核反応の例を示す説明図である。

図５に示すように、中性子Ｎ_ＡがＸ座標検出素子１ｙ中の¹⁰Ｂと衝突した場合、核反応により⁴Ｈｅと⁷Ｌｉとが相反する方向に放射され、⁴Ｈｅおよび⁷Ｌｉがそれぞれ対向する粒子検出素子１０Ａおよび１０Ｂ内のＸ座標検出素子１ｘおよびＹ座標検出素子１ｙと衝突する。

Ｘ軸方向において、Ｘ座標検出素子１ｘへの衝突を検出することにより、前記核反応がおこった位置のＸ座標を検出することができる。
また、Ｙ軸方向においても同様に、Ｙ座標検出素子１ｙへの衝突を検出することにより、核反応が生じた位置のＹ座標を検出することができる。

なお、⁴Ｈｅと⁷Ｌｉの放射方向が粒子検出素子１０Ａおよび１０Ｂと略平行な方向である場合は、Ｘ座標検出素子１ｘおよびＹ座標検出素子１ｙとの衝突は生じない。
しかし、粒子検出素子１０Ａおよび１０Ｂの間隔はたかだか５μｍ程度であるため、⁴Ｈｅと⁷ＬｉのいずれもがＸ座標検出素子１ｘおよびＹ座標検出素子１ｙと衝突を生じない確率は低い。
また、ラジオグラフィでは多数の中性子を用いて試料を観察するため、一部の中性子が検出できなくても問題にならない。

この発明の中性子イメージング装置を用いた測定においては、一つの中性子が検出されてから次の中性子が検出されるまでの時間は十分に長く、複数の箇所で同時に中性子が検出されることはほとんどないものとしている。
この前提は、一つの中性子の検出に要する時間がナノ秒のオーダーと短いことから、利用可能な加速器の中性子発生頻度に照らして十分合理的である。
また、この前提を満たすように中性子の発生を制御すればよい。

なお、⁴Ｈｅおよび⁷ＬｉがＸ座標検出素子１ｘおよびＹ座標検出素子１ｙのいずれか一方または両方にそれぞれ衝突しなくとも、熱エネルギーの受容によりＸ座標検出素子１ｘおよびＹ座標検出素子１ｙの電子状態に変化が生じれば、検出が可能である。
それゆえ、必ずしも粒子がＸ座標検出素子１ｘおよびＹ座標検出素子１ｙに衝突する必要はない。
例えば、熱エネルギーを有する粒子がＸ座標検出素子１ｘおよびＹ座標検出素子１ｙの近傍を通り過ぎることによって、当該Ｘ座標検出素子１ｘおよびＹ座標検出素子１ｙの電子状態の変化が生じる場合でも、検出が可能である。

なお、放射される２つの粒子に限定されず、核反応により放射される粒子が３つ以上であってもよい。一つの核反応でＸ座標検出素子１ｘおよびＹ座標検出素子１ｙに衝突するような方向を有する粒子が放射されればよい。

図６は、粒子・重イオン輸送計算コードＰＨＩＴＳを用いた¹⁰Ｂ層内の熱中性子反応により生じた⁷Ｌｉの軌跡をシミュレートした結果を示す。

図６において、１μｍ幅の核反応層２０に中性子が衝突して、熱中性子反応により生じた⁷Ｌｉが、核反応層２０に接する粒子検出素子１０Ａおよび核反応層２０から５μｍ離れた位置に設けられた粒子検出素子１０Ｂでそれぞれ検出された場合の軌跡が示されている。

図６に示されるように、⁷Ｌｉの軌跡は上下非対称になり、粒子検出素子１０Ａでは、数μｍの広がりを有するのに対し、粒子検出素子１０Ｂでは、約１４μｍの広がりをもつことがわかる。

このシミュレーション結果から、⁴Ｈｅ、⁷Ｌｉの軌跡の方向によっては、核反応位置からの検出位置のずれが大きくなり、１０μｍ以上ものずれが生じるため、検出精度が悪くなってしまうことがわかる。

そこで、この発明においては、対向する２つの粒子検出素子１０Ａ，１０Ｂの検出結果に基づき、正確な核反応位置を求める。

図７は、この発明の中性子イメージング装置１００において、対向する２つの粒子検出素子１０Ａ，１０Ｂにおける各粒子の検出位置と核反応位置との関係を示す説明図である。

図７において、粒子検出素子１０Ａ，１０ＢのＸ座標検出素子１ｘに、^４Ｈｅおよび⁷Ｌｉが検出された検出位置をそれぞれＡおよびＢとする。

このとき、図７に示すように、中性子Ｎが位置Ｏで核反応層２０内の¹⁰Ｂと反応し、生成された⁷Ｌｉおよび⁴Ｈｅがそれぞれ地点Ａおよび地点Ｂで中性子検出素子１ｘによって検出されたものとする。

図７において、位置Ｏ，ＡおよびＢのＸ座標をそれぞれｘ_０，ｘ_Ａおよびｘ_Ｂとし、位置Ａおよび位置Ｏ間の間隔をｈ_Ａ、位置Ｏおよび位置Ｂ間の間隔をｈ_Ｂとする。

このとき、位置ＡＢを通る直線とＸ軸との間の角度をθとすると、次の関係が成り立つ。
tanθ＝（ｈ_Ｂ＋ｈ_Ａ）／（ｘ_Ｂ－ｘ_Ａ） （１）

また、比例関係から、
（ｘ_Ｏ－ｘ_Ａ）／（ｘ_Ｂ－ｘ_Ａ）＝ｈ_Ａ／（ｈ_Ａ＋ｈ_Ｂ） （２）
の関係が成り立つ。

（２）式より、ｘ_Ｏは次のようにかける。
ｘ_Ｏ＝｛ｈ_Ａ／（ｈ_Ａ＋ｈ_Ｂ）｝（ｘ_Ｂ－ｘ_Ａ）＋ｘ_Ａ （３）

ここで、間隔ｈ_Ａおよびｈ_Ｂは既知の値である。
図７の例においては、ｈ_Ａ＝０．５μｍ、ｈ_Ｂ＝５．０μｍとする。

このとき、位置Ａ，Ｂのｘ座標ｘ_Ａ，ｘ_Ｂが分かれば、（３）式から中性子Ｎが核反応層２０と反応した位置Ｏのｘ座標ｘ_Ｏを求めることができる。

また、Ｙ軸方向についても、Ｘ軸方向と同様にして、位置Ｏのｙ座標ｙ_Ｏを求めることができる。

このように、本願発明では、２つの対向する粒子検出素子１０Ａおよび１０Ｂで検出した粒子の検出位置に基づいて、核反応位置を求めることにより、サブミクロン領域の分解能の実現も期待でき、従来よりも高分解能の位置分解能を有する中性子イメージング装置１００を実現することができる。

図８は、この発明の第１実施形態に係る中性子イメージング装置１００による測定の一例を示す説明図である。

Ｘ座標検出素子１ｘおよびＹ座標検出素子１ｙの超伝導状態を維持するため、中性子イメージング装置１００を１００ｍＷのGifford-MacMahon（ＧＭ）冷凍機の中に入れ、真空中に保持する。

第1実施形態において、液体ヘリウムを用いたＧＭ冷凍機により超伝導転移温度Ｔ_c（Ｎｂの場合、約９．２Ｋ）以下（第１実施形態の場合、約４Ｋ）に冷却することにより、Ｘ座標検出素子１ｘおよびＹ座標検出素子１ｙが超伝導状態にされている。

図８に示すように、中性子源１０１から放射された中性子をスリット１０２ａ，１０２ｂ間を通り抜けて試料１０３に照射する。
現在日本国内において利用可能な中性子源としては、Ｊ－ＰＡＲＣなどのパルス中性子源が挙げられ、加速器で発生させた陽子ビーム等の高エネルギービームを水銀原子核に衝突させることにより中性子を発生させる。

試料１０３に照射された中性子のうちの一部は、試料１０３内を通り抜け、試料１０３の裏側に突き抜ける。その他の中性子は、試料１０３の内部で吸収されたり散乱されたりする。
それゆえ、試料１０３の裏側に中性子イメージング装置１００を設置して試料１０３の内部を通り抜けた中性子を測定することにより、試料１０３の内部の詳細な様子を知ることができる。

中性子イメージング装置１００は、試料１０３を通り抜けた中性子が、粒子検出素子１０Ａおよび１０Ｂに略垂直に照射されるように設置する。

また、中性子イメージング装置１００は、窓部を備えた断熱容器（不図示）の内部に設置され、試料１０３を通り抜けた中性子は、当該窓部を介して中性子イメージング装置１００に至る。
当該窓部には、例えば、薄いアルミ合金等の中性子透過性のある材質を用いる。

読出回路６０として、２５ｐｓの分解能を有する時間デジタル回路（ＴＤＣ）であるKalliope-IIを用いることで、従来の中性子イメージングの分解能を大幅に改善し、１μｍ級の分解能の実現が期待できる。
なお、ＧＭ冷凍機により、Kalliope-IIからなる読出回路６０の温度も４Ｋに保たれる。

<<粒子検出素子１０の粒子検出原理>>
次に、図９に基づき、粒子検出素子１０の粒子検出原理について説明する。
図９は、この発明の第１実施形態に係る粒子検出素子１０の粒子検出原理の説明図である。

図９に示すように、この発明の中性子イメージング装置１００において、メアンダ形状の超伝導細線（Ｎｂ細線）にバイアス電流Ｉｂが直流電源から供給されている。

ここで、超伝導細線が外部から熱などの刺激を受けて局所的にエネルギーが付与されると、超伝導細線中の一部の超伝導電子対（クーパー対）が壊れて減少することにより、電子状態が変化する。

この超伝導電子対の減少は、運動インダクタンスの変化として高感度に検出することができる。
超伝導電子対の減少により中性子検出素子内の一部の超伝導電子対のみが常伝導状態に転移する場合、超伝導状態が一部残存する。
この状態においては、電気抵抗のない超伝導電子対が一部電気抵抗を有する常伝導電子対に転移することにより運動インダクタンスの変化ΔＬが生じる。

このような運動インダクタンスの変化は、超伝導転移温度Ｔ_c（Ｎｂの場合、約９．２Ｋ）よりずっと低い温度で生じる。
なお、この発明の第１実施形態に係る中性子イメージング装置１００においては、４Ｋの超伝導状態で検出を行う。

ここで、超伝導電子対が壊れて減少したホットスポットの長さ（ホットスポット長）をΔｌ、当該ホットスポット長Δｌ部分に対応する局所的な運動インダクタンスの変化をΔＬｋとすると、超伝導電子対の減少により、粒子検出素子１０には、
Ｖ（ｔ）＝｛ｄΔＬｋ（ｔ）／ｄｔ｝Ｉｂ
の電圧が発生し、蛇行経路の両端に接続された電極に伝搬する。

このように、超伝導電子対の減少で生じる電圧は運動インダクタンスＬｋそのものではなく、その時間微分ｄ（ΔＬｋ）／ｄｔに依存するため、超伝導電子対が外的刺激を受けて極めて短時間（例えば、ｐｓ領域）で破壊された場合、微分値ｄΔＬｋ（ｔ）／ｄｔは非常に大きくなる。

一方、超伝導電子対の再結合過程である準粒子‐フォノンの再結合過程は、一定の緩和時間を要して再結合するため、微分値ｄΔＬｋ（ｔ）／ｄｔは小さくなり、観測されない。
それゆえ、粒子検出素子１０は、超伝導電子対が壊れる過程で生じる運動インダクタンスの急速な変化をもっぱら検出するため、高速に動作する検出素子を実現することが可能となる。

なお、超伝導電子対の質量をｍ、電荷をｑ、密度をｎ_ｓとし、また、ホットスポットの断面積をＳとすると、局所的な運動インダクタンスの変化ΔＬｋ（ｔ）は、次のようにかける。
ΔＬｋ（ｔ）＝｛ｍ／ｎ_ｓｑ^２｝｛Δｌ／Ｓ｝

このようにして得られた電圧の出力は、図９に示すように、増幅度２００倍、帯域１００Ｍｚの低雑音増幅器（例えば、ＮＦ ＳＡ－２３０Ｆ５など）で増幅される。

図１０は、この発明の実施形態１に係る中性子イメージング装置１００の測定結果の一例である。
図１０において、横軸はＸ軸（単位ｍｍ）を示し、縦軸はＹ軸（単位ｍｍ）を示す。

図１０の測定例では、試料１０３として、テントウムシ、小さなナットとボルト、ならびに¹⁰Ｂのドットを測定し、それぞれ明確なイメージが得られた。
なお、ドットのサイズは１００μｍ、厚みは５０μｍ、ドット間のピッチは２５０μｍである。

図１１は、図１０の¹⁰Ｂドット間のピッチを解析した結果である。
図１１の横軸は、¹⁰Ｂドット間のピッチを示し、縦軸は度数を表す。

これから、¹⁰Ｂドット間のピッチは２４９．３８±０．０６μｍであり、半値全幅（ＦＷＨＭ）６．９９±０．１６μｍもの高分解能が得られたことがわかった。

このように、大きな有感面積により大画素化を実現しつつ、サブミクロン領域の高分解能の位置分解能を有する中性子イメージング装置が実現できる。

<<第２実施形態>>
次に、図１２～図１４に基づき、この発明の第２実施形態に係るイメージング装置２００について説明する。
図１２は、この発明の第２実施形態に係るイメージング装置２００の光の検出例を示す説明図である。また、図１３は、図１２のＸ座標検出素子１ｘのＸ座標検出原理の説明図である。

この発明の第２実施形態に係るイメージング装置２００は、図１２に示すように、外部から光が入射したとき、メアンダ形状の超伝導細線（Ｎｂ細線）からなる光検出素子１１中の超伝導電子対を壊すメゾ（熱）励起によるホットスポットの発生地点の分布に基づき、画像を構成する。

次に、図１３に基づき、Ｘ座標検出素子１ｘのＸ座標検出原理について説明する。

超伝導細線（Ｎｂ細線）中の信号の伝搬速度ｖは、光速をｃとしたとき、ｖ＝約ｃ／３である。
このとき、メゾ励起によるホットスポットの位置Ｏから電極ｅｌ１までの距離をΔｘとし、ホットスポットの位置Ｏから電極ｅｌ１までの伝搬時間をτ_１としたとき、次の関係がある。
Δｘ＝τ_１ｖ

ここで、ｖは既知の値であるため、ホットスポットの位置Ｏから電極ｅｌ１までの伝搬時間τ_１を知ることができれば、ホットスポットの位置Ｏから電極ｅｌ１までの距離Δｘが分かる。

同様に、超伝導細線を９０度回転させたＹ座標検出素子１ｙにより、Ｙ座標も検知することもできる。
それゆえ、Ｘ座標検出素子１ｘおよびＹ座標検出素子１ｙを重ね合わせることで、（Ｘ，Ｙ）イメージングが可能となる。

また、Ｘ座標検出素子１ｘおよびＹ座標検出素子１ｙの有感面積Ｓを１５×１５ｍｍ^２とすることにより、２本の超伝導細線と４つの出力端子だけで大画素イメージング素子を構成できる。

このような四端子のイメージング素子は、超伝導素子への熱流入量が少ないため、小型冷凍機による冷却が可能となり、コンパクトなイメージング装置１００が実現できる。
また、超伝導臨界電流よりも小さな直流バイアス電流Ｉｂのみで済むため、途中のリード線の発熱も心配する必要もない。
さらに、超伝導状態では、直流抵抗が完全に０の状態において、ホットスポット部分の運動インダクタンスの変化ΔＬｋの時間微分ｄΔＬｋ／ｄｔを利用するため、高速の動作も期待できる。

また、光検出素子１１内の一部の超伝導電子対のみが常伝導状態に転移する場合、常伝導電子は電気抵抗を有するが、光検出素子１１内の電流はもっぱら電気抵抗のない超伝導電子対を通じて流れる。
それゆえ、常伝導電子による電気抵抗による熱の発生は若干生じるものの、超伝導電子対が全て常伝導電子に転移する場合ほど大きなジュール熱の発生は生じない。

この発明の実施形態２に係るイメージング装置２００においては、２５ｐｓで動作する時間デジタル変換回路を構成でき、１μｍの空間分解能を実現できる。

また、読出回路６０にField Programmable Gate Array（ＦＰＧＡ）を組み込むことにより、ＣＭＯＳのようにリアルタイムの画像プレビュー表示を実現することもできる。

図１４は、この発明の第２実施形態に係るイメージング装置２００による測定結果の一例である。
図１４（Ａ）は、第２実施形態において測定対象となった試料のロゴマークであり、縦横のサイズは約９００μｍである。
図１４（Ｂ）は、電位差計で読み取った図１４（Ａ）のロゴマークの形状である。
図１４（Ｃ）は、この発明の第２実施形態に係るイメージング装置２００（温度４Ｋ、サンプリング時間０．４ｎｓ）で読み取った図１４（Ａ）のロゴマークの形状である。

図１４（Ｃ）において、銀杏の葉形の根もとの部分の長さが約６０μｍであり、わずか四端子で１０μｍもの高分解能のイメージングが実現できた。

このように、メアンダ形状の超伝導細線（Ｎｂ細線）からなるＸ座標検出素子１ｘおよびＹ座標検出素子１ｙによって光を検出することにより、半導体のＣＭＯＳのような大画素イメージング素子をＣＭＯＳよりも単純かつ安価につくることができる。

<<第３実施形態>>
次に、図１５に基づき、この発明の第３実施形態に係るイメージング装置２００について説明する。
図１５は、この発明の第３実施形態に係るイメージング装置３００のキャビティ構造の一例を示す説明図である。

図１５に示すように、この発明の第３実施形態に係るイメージング装置３００は、Ｘ座標検出素子１ｘおよびＹ座標検出素子１ｙをキャビティ内に設けた構造を有する。

キャビティは、シリコン基板３０、Ｎｂ ground plane４０およびＳｉＯ_２層５０から構成される。
ここで、ＳｉＯ_２の比誘電率は約３．９、シリコン（Ｓｉ）の比誘電率は約１１．２、Ｎｂの比誘電率は約４１であり、光がキャビティ内に閉じこめられて繰り返し反射するため、微弱な光も高感度に捉えることが可能になる。

このようにキャビティ構造内にＸ座標検出素子１ｘおよびＹ座標検出素子１ｙを閉じこめることで、微弱光を捉える高感度のイメージング装置３００を実現することが可能となる。

本発明の好ましい態様には、上述した複数の態様のうちの何れかを組み合わせたものも含まれる。
前述した実施の形態の他にも、本発明について種々の変形例があり得る。それらの変形例は、本発明の範囲に属さないと解されるべきものではない。本発明には、請求の範囲と均等の意味および前記範囲内でのすべての変形とが含まれるべきである。

１ｘ：Ｘ座標検出素子、 １ｙ：Ｙ座標検出素子、 １０，１０Ａ，１０Ｂ：粒子検出素子、 １１：光検出素子、 ２０：核反応層、 ３０：シリコン基板、 ４０：Ground plane、 ５０：ＳｉＯ_２層、 ６０：読出回路、 １００：中性子イメージング装置、 １０１：中性子源、 １０２ａ，１０２ｂ：スリット、 １０３：試料、 ２００，３００：イメージング装置、 Ａ，Ｂ：位置、 ｅｌ１，ｅｌ２：電極、 Δｌ：ホットスポット長、 ΔＬｋ：運動インダクタンスの変化、 Δｘ：距離、 ｈ_Ａ，ｈ_Ｂ：間隔、 Ｉｂ：バイアス電流、 Ｌｋ：運動インダクタンス、 Ｎ，Ｎ_Ａ：中性子、 Ｏ：位置、 Ｓ：有感面積、 Ｔｃ：超伝導転移温度、 θ：角度、 ｖ：伝搬速度、 ｘ_Ａ，ｘ_Ｂ，ｘ_Ｏ：ｘ座標、 ｙ_Ｏ：ｙ座標

Claims (7)

1. 中性子検出用物質と、
   前記中性子検出用物質および中性子の核反応によって熱エネルギーを伴って生成され、異なる方向へ放射される少なくとも２つの粒子のうち、一の粒子の熱エネルギーを受容した場合に電子状態の変化が生じる超伝導物質からなる第１粒子検出素子と、
   他の粒子の熱エネルギーを受容した場合に電子状態の変化が生じる超伝導物質からなる第２粒子検出素子とを備え、
   前記第１粒子検出素子および前記第２粒子検出素子は、前記中性子検出用物質を間に挟んで予め定められた間隔を隔てて対向する位置に設けられ、
   前記第１粒子検出素子が検出した前記一の粒子の検出位置の座標および前記第２粒子検出素子が検出した前記他の粒子の検出位置の座標、前記中性子検出用物質と前記第１粒子検出素子との間隔、および前記中性子検出用物質と前記第２粒子検出素子との間隔に基づき、前記中性子検出用物質の前記核反応が発生した位置の座標を検出し、
   前記第１粒子検出素子および前記第２粒子検出素子は、Ｘ方向を進行方向とし前記Ｘ方向に垂直なＹ方向を幅方向とする蛇行経路を有し、前記蛇行経路の両端に電極が接続されたＸ座標検出素子と、前記Ｙ方向を進行方向とし前記Ｘ方向を幅方向とする蛇行経路を有し、前記蛇行経路の両端に電極が接続されたＹ座標検出素子を重ね合わせてなり、
   前記Ｘ座標検出素子は、前記電子状態の変化により生じた電磁波が前記蛇行経路の両端の電極に到達するまでの時間差から前記粒子の検出位置のＸ座標を検出し、
   前記Ｙ座標検出素子は、前記電子状態の変化により生じた電磁波が前記蛇行経路の両端の電極に到達するまでの時間差から前記粒子の検出位置のＹ座標を検出することを特徴とする中性子イメージング装置。
2. 前記蛇行経路は、超伝導細線を予め定められた長さおよび幅で蛇行させることにより形成される請求項１に記載の中性子イメージング装置。
3. 前記超伝導細線がＮｂを含む請求項２に記載の中性子イメージング装置。
4. 前記第１粒子検出素子は、前記一の粒子の熱エネルギーの受容によって超伝導電子対が減少する電子状態の変化を運動インダクタンスの変化として検出し、
   前記第２粒子検出素子は、前記他の粒子の熱エネルギーの受容によって超伝導電子対が減少する電子状態の変化を運動インダクタンスの変化として検出する請求項１～３のいずれか１つに記載の中性子イメージング装置。
5. 前記中性子検出用物質は、中性子との核反応によって相反する方向に２つの粒子を放射する物質を含む請求項１～４のいずれか１つに記載の中性子イメージング装置。
6. 前記中性子検出用物質は、中性子との核反応によって相反する方向にアルファ線とリチウム線を放射する¹⁰Ｂを含む請求項１～５のいずれか１つに記載の中性子イメージング装置。
7. 前記中性子検出用物質がＭｇＢ₂を含むものである請求項１～６のいずれか１つに記載の中性子イメージング装置。

Images