Transcript KUR E-2ポートにおけるラジオグラフィとVCAD

KUR E-2ポートにおけるラジオグラフィと
ＶＣＡＤシステムへの適応
理研 VCAD 加工応用チーム 山形 豊
共同研究者：
理研／日本中性子光学 広田克也
理研 森田晋也、朱正明、世良俊博、横田秀夫、大竹淑江
須長秀行
京大炉 川端祐司、日野正裕、北口雅暁
原研 目時直人、篠原武尚
2011/1/6
ＫＵＲ 中性子イメージング研究会
ＫＵＲ Ｅ－２ポートの概略
• ラジオグラフィーポート Ｅ－２
– 医療照射用重水タンクより得られる
熱中性子線を利用したラジオグラ
フィーポート
– 常設の中性子カメラを設置（10/1921）
2011/1/6
ＫＵＲ 中性子イメージング研究会
KURポートのスペック
• 中性子フラックスは、3x105n/cm2/sec（５ＭＷ運転時）程度だが直
径１５ｃｍの大きなビーム径が得られるため各種工業部品等の透
過観察に有用と考えられる。
2011/1/6
ＫＵＲ 中性子イメージング研究会
KURカメラの構造
• 解像度 4008x2672pixel 36mmx34mm 冷却～-20℃
• 分解能 56μｍ～１８μｍ（計算上）
253
レンズ ８５ｍｍF1.4
シンチレータ
厚さ１００μｍ
有効面積１５０ｘ１５０ｍｍ
729.6
シールド
ボックス
（既設）
冷却CCDカメラ
１１００万画素
中性子ビーム
ミラー
850
2011/1/6
ＫＵＲ 中性子イメージング研究会
サンプル
（φ１５ｃｍｘ１５ｃｍ）
KUR E-2 カメラの設置状況
シンチ
レータ
カメラ本体と
ステージ制御BOX
新シールドプレート
カメラ
本体
カメラ取り付け
完了
ビーム出口
シールド
ボックス扉
2011/1/6
サンプル
設置場所
ＫＵＲ 中性子イメージング研究会
シールドボックス （既設）
撮影画像１
2011/1/6
ＫＵＲ 中性子イメージング研究会
ムツゴロウのおもちゃ（謎の影あり） 撮影１分 １MW運転 4008x2637pixel 解像度約40μｍ
撮影イメージ
ムツゴロウ おもちゃ
４ｘ４ １ＭＷ 1分露出
ＣＴ撮影済み
コンクリートサンプル（５ｃｍ角）
１ｘ１ １ＭＷ ２０分露出
ＣＴ撮影済み
インコネルピラミッド
１ｘ１ １ＭＷ １分露出
2011/1/6
ＫＵＲ 中性子イメージング研究会
撮影イメージその２
光成形 プラスチックレンズ
５ＭＷ １ｘ１ ２０秒
ＣＴあり
Ｎｂ 人工欠陥サンプル
５ＭＷ １ｘ１ １０２４ｘ１０２４
１分
ＣＴあり
2011/1/6
ＫＵＲ 中性子イメージング研究会
ＣＴ再構築 １
ムツゴロウおもちゃ
1MW 露出60sec x 500枚 0.36°ステップ
４ｘ４binning(1002x668pixel)
解像度～160μｍ ？
撮影 所要時間約１０時間
2011/1/6
ＫＵＲ 中性子イメージング研究会
CT再構築２
2011/1/6
ＫＵＲ
• 鉄筋入りコンクリートブロック（５ｃｍ角）
• 露出３分 ｘ３００枚 約１５．４時間
• １ＭＷ
• ３ｘ３binning (1336x890pixel)
• 解像度～120μｍ
• 残念ながら中央部の透過率は充分でないようだ
中性子イメージング研究会
ＣＴ再構築３
•
•
•
•
•
•
•
2011/1/6
Ｎｂ人工欠陥サンプル（厚さ3mm）
超伝導加速空洞溶接欠陥の非破壊検査を想定
人工欠陥（φ１mm穴、φ0.5ｍｍタングステン埋め込み）
５ＭＷ 1024x1024中央部撮影
解像度～４０μｍ
露出時間20sec x 300枚 0.6°ステップ
所要時間約２時間
ＫＵＲ 中性子イメージング研究会
画像のＳ／Ｎ比について
• 比較的弱いビーム強度でのラジオグラフィでは、どの程度の
ノイズを許容するかが大きな問題である。
– Ｓ／Ｎ比による定量化を試みた
定義： SNR = 20 log (AVRsig / SDsig)
SD sig: ダイレクトビームの標準偏差
AVRsig: ダイレクトビームの平均値
※厳密には、バックグラウンドのノイズ、レベルをどう処理するかにより値は変わってくる。
ＩＳＯのフィルム感度の定義文書によると、SNR=32dBはかなり良い画像、SNR=20は
何とか見れる画像ということである。
中性子の入射数がポアソン分布に従うと仮定する
と、各ピクセルに入る中性子数をnとすると
SDsig = √n AVRsig = n となるので、
SNR = 20log（√n）
と推定することができ、ピクセルサイズとビーム強
度から許容可能な露出時間を推定できる。
2011/1/6
ＫＵＲ 中性子イメージング研究会
JRR-3 MUSASI-L
CCD: VersArray 1300B
ADC1MHz Gain1 FAST
30sec direct beam
Iavr=20021 sd=821 200x200pix
ビーム強度の比較
JRR-3 MUSASI-L
JRR-3 MUSASI-L
CCD: VersArray 1300B
ADC1MHz Gain1 FAST
30sec direct beam
Iavr=20021 sd=821 200x200pix
CCD: VersArray 1300B
ADC100kHz Gain2 lownoise
30sec direct beam
Iavr=45537 sd=1553 200x200pix
ポート
CCD: VersArray 1300B
ADC1MHz Gain1 FAST
10sec direct beam
2011/1/6
Iavr=2197
sd=87.6 200x200pix
CCD: VersArray 1300B
ADC100kHz Gain3 lownoise
10sec direct beam
Iavr=31281 sd=1062 200x200pix
規格化輝度
露光時間
ゲイン倍
標準偏差 ＳＮＲ(dB) (輝度／露
ビーム強度
(sec)
率
光時間）
20021
30
821
27.7
667.4
1
8.0E+05
45537
30
1553
29.3
1517.9 2.274462
8.0E+05
31281
10
1062
29.4
3128.1 4.687228
8.0E+05
2197
10
87.6
28.0
219.7
1
2.6E+05
ゲイン 平均輝度
Gain1
MUSASI-L Gain2
Gain3
MUSASI-H Gain1
JRR-3 MUSASI-H
JRR-3 MUSASI-L
ダイレクトビームを各種条件で撮影し、その強度から中性
子ビームのフラックスを推定した。ＭＵＳＡＳＩ－Ｌのビーム
強度は、ＫＥＫ三島氏の金の放射化測定の結果による。
ＫＵＲ 中性子イメージング研究会
露出量（ピクセルサイズ）とＳＮＲ
MUSASI-H
にて撮影
4008x2672(1x1) 10sec 27.3dB
1002x668(4x4) 1sec 20.5dB
0.03sec 24.6dB?
501x334(8x8) 1sec 21.5dB
2011/1/6
250x167(16x16) 1sec 23.8dB
ＫＵＲ 中性子イメージング研究会
データ総まとめ
ポート
カメラ
ゲイン 画面サイ 平均輝 バックグ 露光時 標準偏
/Binning ズ(pixel)
度
ラウンド 間(sec)
差
VersArra
Gain1 1340x1300 20021
y
MUSASI-L
1300B
MUSASI-H
統計誤差によるSNR（ｄＢ）
１秒
５秒
１０秒 ３０秒
3925
30
821
27.7
536.5
8.0E+05
75.8
45.9
16.6
30.6
36.6
46.2
Gain2 1340x1300 45537
12228
30
1553
29.3
1517.9 8.0E+05
75.8
45.9
16.6
30.6
36.6
46.2
Gain3 1340x1300 31281
14374
10
1062
29.4
3128.1 8.0E+05
75.8
45.9
16.6
30.6
36.6
46.2
2197
81
10
87.6
28.0
219.7
3.3E+05
75.8
18.8
12.7
26.7
32.7
42.3
1010
10
76.6
20.0
76.5
3.3E+05
40.7
5.5
7.4
21.3
27.4
36.9
ー
ー
ー
ー
3.3E+05
81.3
21.8
13.4
27.4
33.4
42.9
Gain1 1340x1300
ＢU53LN
規格化
輝度 ビーム強
ピクセル 中性子
ＳＮＲ (（輝度度
サイズ
数／
ＢＫ） (n/cm^2
(dB)
(μｍ） pixel/秒
／露光 /sec)
時間）
1x1
4008x2672
1775
2x2
2004x1336
ー
4x4
1002x668
2459
1033
1
232
20.5
1426.0 3.3E+05
156.3
80.6
19.1
33.0
39.1
48.6
8x8
501x334
7760
1828
1
650
21.5
5932.0 3.3E+05
312.5
322.3
25.1
39.1
45.1
54.6
16x16
250x167
28488
4233
1
1833
23.8
24255.0 3.3E+05
625.0
1289.1
31.1
45.1
51.1
60.6
16x16
250x167
2961
2645
0.03
175
24.6
10533.3 3.3E+05
625.0
1289.1
31.1
45.1
51.1
60.6
KUR E2 1MW
1x1
4008x2672
2217
1035
60
198
21.0
19.7
8.5E+04
40.7
1.4
1.5
15.5
21.5
31.0
KUR E2 5MW
1x1
4008x2672
3086
1132
20
225
22.7
97.7
4.2E+05
40.7
7.0
8.4
22.4
28.4
38.0
2011/1/6
ＫＵＲ 中性子イメージング研究会
ビーム平行度に関する考察
エッジ法（Cd（t = 1 mm)のLSF）を用いてMTFを算出した。ピン
ホール（φ1mm）による撮影も行ったが、ＭＴＦの算出は容易ではな
さそうである。Ｅ－２ポートでは、ビームの平行性は対称的だが、ガ
イド管Ｂ－４の出口では異方性があるため、評価方法に工夫が必
要と思われる。
距離：０ｃｍ
距離：５ｃｍ
距離：
０ｃｍ
距離：
１５ｃｍ
距離：
１０ｃｍ
距離：
５ｃｍ
Ｅ－２
距離：１５ｃｍ
1
LS F
0 .8
1000
0 cm
5 cm
10 cm
15 cm
600
400
200
0
M TF
In ten s ity
800
0 .4
距離：０ｃｍ
距離：５ｃｍ
0 .2
Ｂ－４
0
0
-200
180
200
220
D si tan ce [p xi e l]
2011/1/6
0 cm
5 cm
10 cm
15 cm
0 .6
160
距離：１０ｃｍ
2
4
6
8
10
距離：１０ｃｍ
240
S pa tai l frequen cy [cyc el sm
/m ]
距離：１５ｃｍ
ＫＵＲ 中性子イメージング研究会
まとめ
• KUR E-2ポートは1MW運転時は約8x104n/cm2/sec, ５ＭＷ時
は、約4x105n/cm2/secのフラックスがあり、φ１５ｃｍのビーム
が得られることからかなり実用的。
ポート
直径
Ｌ／Ｄ
使い方
ＭＵＳＡＳＩ－Ｌ ８ｘ１０５
約３～５ｃｍ
～１００？
小型サンプル、比較的
短時間で撮影可能、高
解像度
ＭＵＳＡＳＩ－
Ｈ
３ｘ１０５
約３～５ｃｍ
～５０？
小型サンプル
ＫＵＲ Ｅー２
１ＭＷ
８ｘ１０4
φ１５ｃｍ
～１００
大きなもの（やや時間
がかかる）
同５ＭＷ
４ｘ１０５
φ１５ｃｍ
～１００
同上、比較的短時間
で撮影可能、高解像
度
2011/1/6
ビーム強度
ＫＵＲ 中性子イメージング研究会
今後の予定
•
•
•
•
•
ビーム強度とＳＮＲの関係の詳細な調査
ビーム平行度の評価方法の検討（ＭＴＦ）
Ｅ－２ポートカメラのアップグレード（高感度化）
広範囲な工業製品のラジオグラフィーおよび解析
他のユーザへの利用
2011/1/6
ＫＵＲ 中性子イメージング研究会
謝 辞
• MUSASI-L/Hにおける実験は、日本原子力研究開発
機構 供用利用制度(2009A-A35)によるものです。
• ＫＵＲ Ｅ－２ポートにおける実験は、京都大学原子
炉実験所 共同利用研究（２２Ｐ4-6）によるものです。
2011/1/6
ＫＵＲ 中性子イメージング研究会