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大阪府立大学・科研費基盤研究（S）研究チーム
極低温４ケルビンで動作する小型高性能な超伝導中性子検出器の開発に成功
ニオブ（Nb）超伝導細線とボロン１０（１０B）膜を使った画期的な固体超伝導検出器チップ
再開した J-PARC で、新原理による超伝導中性子検出器の動作を実証
大阪府立大学、名古屋大学、産業技術総合研究所の研究チームは、日本原子力研究開発機構
J-PARC センターのパルス中性子源を用いた実証実験を行い、新しい原理に基づく電流バイアス
型運動インダクタンス方式を採用した超伝導中性子検出器の開発に成功しました。
従来の中性子検出器（※１）は大型で高電圧電源を必要としていましたが、今回実証に成功
した新型中性子検出器は、小型軽量で、わずか数ボルトの電圧で動作します。また、Nb（ニオ
ブ）の超伝導集積回路技術を用いて、22mm 角のシリコン基板に超伝導検出器を全固体でワンチ
ップ化し、Nb 細線の線幅も 0.6 マイクロメーターとサブミクロンの空間分解能（※２）に道を
拓き、百万画素のイメージングが近い将来実現することにつながる画期的な技術です。しかも、
従来のものに較べて３桁も超高速で作動するなどの特徴もあります。
今後は、我が国の大強度陽子加速器施設 J-PARC において、パルス中性子イメージング装置と
して実用化される可能性があります。また、原子炉などの中性子強度測定、非破壊検査、新材
料の開発、スピントロニクスなどの分野において、世界の最先端研究施設で超高速・高感度・
超高空間分解能の中性子検出器として利用され、物質科学・バイオ科学・磁気科学の進展に寄
与すると期待されます。
研究グループ（石田武和教授ら）は、東海大学で開催の「日本物理学会第 69 回年次大会」
（3
月 27 日～30 日）の 4 日目に今回の画期的超伝導中性子検出器の最新の成果を発表します。
J-PARC
物質・生命科学ディビジョン長
新井正敏氏のコメント：
大阪府大の研究グループは MgB2 を使った超伝導中性子検出器では実績があり、このほど、汎用
的に使われているニオブ（Nb）細線を使って、４K でも動作する検出器の開発を行い、J-PARC
のパルス中性子強度の時間分布を測定で再現するなど間違いなく中性子が検出できていることを
実証した。高空間分解能の超伝導中性子イメージング素子がワンチップ化され、近い将来実現す
ることが大いに期待できる。この成果は、中性子を利用する科学や産業応用にとって、大きなブ
レークスルーであり、このイノベーションが我が国発のオリジナル技術であることを喜びたい。
なお、研究の詳細等については、別紙のとおりです。
別紙
１．研究体制
科学研究費補助金基盤研究（S）研究チーム
大阪府立大学工学研究科・
ナノファブリケーション研究所
名古屋大学工学研究科
石田 武和 教授（所長）
宮嶋 茂之 特認助教
宍戸
寛明 助教
鳴神
吉人 大学院生
吉岡
直人 大学院生
野村
晃大 学部生
藤巻 朗
教授
産業技術総合研究所ナノエレクトロニクス研究部門
超伝導計測デバイスグループ
日高
睦夫 上級主任研究員
J-PARC プロジェクト課題利用枠 研究協力者
日本原子力研究開発機構
及川 健一 研究副主幹
Ｊ－ＰＡＲＣセンター
原田 正英 研究主幹
物質・生命科学ディビジョン
奥
隆之 セクションサブリーダー
新井 正敏 ディビジョン長
２．研究概要
従来の中性子検出器は大型で数千ボルトの電圧を必要としましたが、今回実証に成功し
た新型超伝導検出器は、小型で軽く、わずか数ボルトの乾電池の電圧で作動し、優れた空
間分解能数（μm 程度）を有します。パルスレーザー照射で素子応答を調べ、この検出器
はパルス幅が１ns（ナノ秒）と従来法に較べて３桁高速で作動するなどの画期的な特長が
あることが分かりました。
測定の原理は次の通りです。Nb 細線の層にボロン１０の層を積層させ、Nb 細線に電流を
流し４K まで冷却し超伝導状態にします。ボロン１０層に中性子が衝突すると原子核反応
によって熱が発生し、ヘリウムイオンとリシウムイオンが発生します。このイオンのエネ
ルギーが付与されても Nb 細線は超伝導状態を維持しますが、多数ある超伝導を担うクーパ
ー対の一部が壊れます。このとき、Nb 細線の運動インダクタンスが変化します。この変化
を時間変化信号として捉えるのがこの新検出器の原理となります。
この超高速性は我が国の大強度陽子加速器施設 J-PARC での強いパルス中性子の計測に
使える可能性があります。他にも、原子炉などの中性子強度測定、工業製品の中性子透過
写真撮像用のイメージ検出器（非破壊検査）などの用途に、高速で作動する中性子検出器
として期待されます。
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３．研究の背景
中性子は電荷を持ちませんから物質の内部にまで侵入して、物質を構成する原子核によ
って散乱されます。また、中性子は小さな磁気モーメントを持ちますので、物質内の磁気
モーメントによっても散乱されます。このことを利用して、物質科学、材料科学、生命科
学、磁気科学など 21 世紀を代表する最先端研究に不可欠な存在となっています。
これまでは、原子炉からの中性子が利用されて来ましたが中性子強度が大きくありませ
んでした。一方、重原子核に高エネルギー陽子を衝突させる事で核破砕中性子を生成し、
原子炉に比べ効率良く中性子を取り出す方式が 1980 年に日本で初めて実用化されました。
現在は、当時に比べ数百倍のビーム強度を誇る大強度陽子加速器計画（J-PARC）が運用さ
れていますが、短い時間にパルス的に中性子が発生するので、従来の遅い動作速度の中性
子検出器ではせっかくの大強度が活かしきれません。
国際的にも、より強い中性子源を求めて、日本、米国、欧州、英国、中国でパルス中性
子源の開発競争が激しくなってきています。もし、この Nb 細線とボロン１０薄膜の積層構
造を用いた超伝導中性子検出器が開発されれば、世界中で何万人もの大学や研究機関の研
究者がパルス中性子源を利用し、J-PARC だけでも 3000 名のユーザーが利用すると期待さ
れることから、たいへん大きな波及効果を持ちます。
４．研究手法と中性子信号
高品質の Nb 薄膜を微細加工して、Nb 細線のつづら折りパターンを作成します。大阪府
立大学では、この中央部分に超高真空分子線エピタキシー装置（MBE）でボロン１０を２０
０nm（ナノメートル）の厚さで積層成膜しました。これに、電流を流した状態で超伝導状
態になっている Nb 細線があり、積層されたボロン膜で中性子とホウ素原子核が核反応を起
こすと、2.3MeV（百万電子ボルト）の大きな核反応熱がα線（He 原子核）と Li 原子核に
より運び出され Nb 細線の超伝導クーパー対の一部が破壊され、運動インダクタンスが変化
するので、過渡的な電圧が発生します。クーパー対が冷却され再び結合すると、発生した
電圧は消えます。中性子検出には、この過渡的な電圧パルス信号を計測します。この計測
方式は、大阪府立大学石田教授と名古屋大学藤巻教授により基本原理が考案され、電流バ
イアス運動インダクタンス検出器（CB-KID）と名付けられました。
従来は、大阪府立大学の研究グループが開発した電流バイアス超伝導転移端検出器
（CB-TED）がありましたが、超伝導転移端の０．２ケルビンの狭い温度領域でのみでしか
動作しない問題点がありました。
図１は、実際に同研究グループが J-PARC に搬入し観測に用いた測定装置中枢部で、超伝
導中性子検出器素子（チップ）を実装する様子を示しています。図２は、電流バイアス運
動インダクタンス検出器の原理を示します。図３は、中性子のシャッターの開け閉めで信
号が現れたり消えたりする様子を見事に示しています。図４は研究グループが新検出器で
測定したパルス中性子の強度の時間変化スペクトルであり、理論値と実験値がよい一致を
示すことを示しています。図 3 と図４が、中性子が確実に捉えられた証拠です。
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図１：真空ピンセットで電流バイアス超伝導中性子検出器チップを実験装置に
取り付けます。中央に青く見える 22mm 角のチップが４K まで冷却されます。
図２：電流バイアスインダクタンス法の原理を示す。超伝導体のインダクタンス（時
間変化抵抗成分）には形状による磁気インダクタンスと超伝導を担うクーパー対の
運動エネルギーに起因するものがあり、この運動インダクタンスを利用する。研究
グループでは、超伝導検出器に電流を流し、その両端の電圧を低雑音増幅器で増幅
するだけでこの変化が検出できる簡単で使いやすい方式を提案しました。
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図３：このほどの中性子照射実験で最初に観測された明瞭な中性子信号。左の図はオ
シロスコープが中性子の信号を捉えた動画記録から取り出したスナップショットを掲
載しています。右の図は、中性子のシャッターが閉まった状態からシャッターを 30 秒
間開けて、再び閉めた時に観測された信号の逐次変化を示しています。
図４：Ｊ－ＰＡＲＣの中性子は 25 ヘルツ（周期 40ms）の繰り返しパルス状で発生するが、
その時間変化はよく知られています。赤線が、検出された中性子を 0.1ms（ミリ秒）間隔
のヒストグラムに整理したものです。また、青線は、横軸の時間で縦軸の中性子の数を割
ったもので、中性子とボロン１０の反応確率が中性子の速度の逆数に比例する効果を補正
したものです。従って、青線が、中性子ビームの強度の時間変化となります。これを計算
（シミュレーション）による値を緑の破線で示して比較しています。実験値（青線）と理
論値（緑の破線）が良く一致することから中性子検出が確実なものと実証されました。
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５． 従来の BF3 を用いた電離ガス中性子検出器と比べたボロン 10 膜を用いた超伝導
（Nb）中性子検出器の特徴
[1] 数千ボルトの高電圧を必要とせず、わずか数ボルトで動作します。
[2] 数μm の空間分解能をもち、従来の中性子検出器よりも３桁優れています。
[3] 中性子信号はパルス幅１ｎｓ（ナノ秒）と従来の検出器と比べて少なくとも３～７桁速
く、世界一の超高速スピードで動作します。
[4] 中性子のエネルギー測定は、飛行時間法による速度測定でも可能であり、優れた時間分
解能は優れたエネルギー分解能として利用できることが分かります。
６． 超伝導中性子検出器に対する今後の期待
[1] Nb 中性子検出器の超高速性は、我が国の大強度陽子加速器施設Ｊ－ＰＡＲＣでの強いパ
ルス中性子の直接ビーム計測に使える可能性があります。
[2] Ｊ－ＰＡＲＣと同様の施設（４箇所）が競合して建設中ですが、適合する高速中性子検
出器がありませんでした。２１世紀の基礎科学を支える強力なツールとして、世界の最
先端研究施設で、更に改良を加えた超高速 Nb 中性子検出器が利用されることが期待され
ています。
[3] 研究チームによれば、改良を加えれば、1ns（ナノ秒）より高速に動作させることは可能
とのことです。中性子は、飛行時間法でエネルギーを測定することから、これまで行え
なかった高速中性子を使った高分解能イメージングが可能となります。
[4] ひとつの中性子によって検出できる数の電子が生成するまでには、衝突を何回も繰り返しま
す。固体の場合、ガスに比べこの距離が格段に短くなるため、数桁も高速で動作します、
[5] 世の中には、光を使った光学顕微鏡、電子を使った電子顕微鏡がありますが、Nb 中性子
検出器をアレイ化することで、中性子を使った中性子顕微鏡が可能となり超高空間分解
能の中性子イメージングが可能となります。
[6] ヘリウムの同位体 He3 を用いた中性子検出器も性能が優れており広く使われていますが、
現在、米国で戦略物質として扱われており、極めて入手が難しくなっております。超伝
導中性子検出器は、He3 供給事情に影響されない中性子検出器としても期待されていま
す。
７． 実用化に向けた取り組み・実用化までの年数見込み
新しい原理で提案された電流バイアス運動インダクタンス検出器で実際に中性子検出実
験に成功したことから、画期的な固体中性子検出器の実用化が期待されています。実際の
製品にするためには、企業の協力も得た開発体制を組織し研究を進めれば、２－３年以内
での実用化が見込まれます。
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８． Ｊ－ＰＡＲＣとは
大強度陽子加速器施設Ｊ－ＰＡＲＣ（Japan Proton Accelerator Research Complex)は、
世界最高クラスの大強度陽子ビームを利用する実験施設から構成される最先端科学の研究
施設です。Ｊ－ＰＡＲＣは、日本原子力研究開発機構と高エネルギー加速器研究機構が共
同で建設し、運営しています。
平成１３年度に建設に着手し、平成２０年度に中性子ビームの供給を開始しました。施
設は茨城県東海村にある日本原子力研究開発機構東海研究開発センター原子力科学研究所
の敷地内に立地しています。
平成 25 年 5 月 23 日に発生した J-PARC ハドロン実験施設における放射性物質漏えい事故
の影響で、J-PARC センターは、施設利用運転を停止していましたが、安全管理体制や施設
の安全性が確認された物質・生命科学実験施設は、平成 26 年 2 月 17 日より施設利用運転
を再開し、平成 26 年 2 月 20 日より外部利用者の実験も再開されました。
９． 本研究に対する競争的研究費
日本学術振興会科研費基盤研究（S）「百万画素サブミクロン分解能中性子ラジオグラフィのた
めの固体超伝導検出器システム」
（代表：石田 武和 大阪府立大学教授）課題番号：23226019
１０．本研究の中性子利用実験を実施した課題
J-PARC 物質・生命科学実験施設 プロジェクト課題（※３）2013P0800「中性子光学デバイ
スおよび検出システムの開発と応用」（代表：奥 隆之 セクションサブリーダー）
１１．関係機関
〇
大阪府立大学（奥野
武俊理事長）
<広報担当>
直通：072－254-9103 または
広報課長
山口 景子
広報グループ
玉城
舞
代表:072-252-1161 （内線 2106）
yamaguchik<at>ao.osakafu-u.ac.jp
m.tamaki<at>ao.osakafu-u.ac.jp
〇
名古屋大学（濵口 道成 総長）工学研究科
〇
独立行政法人 産業技術総合研究所（中鉢 良治理事長）ナノエレクトロニクス研究部門
〇
独立行政法人 日本原子力研究開発機構（松浦 祥次郎理事長）Ｊ−ＰＡＲＣセンター
物質・生命科学実験施設
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＜参考資料（用語の解説）＞
■
中性子は放射線のひとつで次の性質を持ちます。
A. 質量：
1.0087u（陽子とほぼ同じ大きさ）ただし、1u=1.66x10-24g
B. スピン：
1/2 （これは、電子や陽子と同じです）
C. 磁気モーメント：-1.9132erg/G （弱いが磁気散乱を起こします）
D. 電荷：
なし （陽子と異なるところです）
■ 中性子の特徴は次の通りです。
A. 電荷を持たないため、透過力が非常に大きく、検出が困難です。
B. 中性子散乱能は原子番号 Z と無関係ですので、軽元素（水素・酸素・リチウム）
と重元素の混合物質の構造決定に有利です。これは、X 線の散乱能が原子番号 Z
（電子の数）に比例することと大きな違いです。
C. スピン散乱を起こしますので、物質中の磁気構造の解明に役立ちます。
D. エネルギーは非常に小さいので、物質中の格子振動分布を知ることができます。
※１ 従来の中性子検出器
広く利用されている中性子検出器の一つに BF3 計数管があります。この検出器は同位
体を濃縮した BF3 ガス(99% Boron 10)からなり、 10B + n → 7Li +α線 の核反応
(2.3MeV)を使用します。 (7Li / 4He)イオンによる電離を大きな電圧をかけて集めます。
すると、1-3mV の信号が発生し、それを増幅して信号を検出します。例えば、１５ｍｓ
（ミリ秒）の動作時間で検出器自体は相当大きなものになります。
http://www.rtftechnologies.org/physics/fusor-mark3-neutron-detector.htm
中性子散乱実験や原子力発電所などで広く利用されている中性子検出器の一つに 3He
比例計数管があります。この検出器は同位体である 3He ガスを金属管に封入したもので、
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He + n → 3H + p の核反応(0.75MeV)を使用します。 (3H / p)イオンによる電離を大
きな電圧をかけて芯線に電荷を集めます。また同様に 6Li や 10B を使ったシンチレータ
検出器があります。この検出器は、同位体である 6Li や 10B をシンチレータ内に混ぜ込
んだもので、6Li + n → 3H +α線 (4.78MeV)、10B + n → 7Li +α線 (2.3MeV)の核反応
を使用します。α線などがシンチレータを励起・発光させ、その微弱な光を光電子増倍
管で電気信号に増幅します。
He3中性子検出器は高感度であり、広く使われて来ました。国際的には、中性子散乱
施設長の会合がありHe3不足問題が議論され、小面積のHe3検出器や既存のHe3検出器の
保守には供給可能とされていますが、大面積の3He検出器の代替検出器の開発は不可欠
となっています。シンチレータ方式の中性子検出器は、6Li-ZnS、B2O3-ZnSシンチレータ
検出器がJ-PARCとSNSの波長変換ファイバ読み出し型検出器が代替候補とされています
が、更なる高性能シンチレータの開発が重要とされています。
※２ 中性子検出器の空間分解能
従来の中性子検出器の空間分解能については、3He ガス中性子検出器で、数㎝～1 ㎜程
度、B2O3 シンチレータ中性子検出器で数㎝～1 ㎜程度です。イメージング用中性子検出
器では、例えば、CCD カメラ＋シンチレータ等の組み合わせで数十 μm 程度、3He ガス
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検出器（マイクロストリップパターン型）200μm 程度であることが知られています。
本研究で開発した超伝導中性子検出器は 1μm 以下の空間分解能も実現可能であり、従
来技術を革新する性能と言えます。
※３ プロジェクト課題
JAEA, KEK 両機関がそれぞれ主導的に推進する研究を行う利用区分です。
サイエンス等の研究課題、又は研究課題を設定した募集、JAEA が中期計画に基づき提
案する研究課題、外部機関との共同研究、外部機関からの受託研究に基づく提案等も含
まれています。「プロジェクト利用」の提案代表者（実験責任者）は、両機関構成員又
は J-PARC センターが認める者とされています。大学等の研究者も代表者になることが
できます。「プロジェクト利用」では長期のマシンタイムを必要とする計画研究の提案
も受け付けられています。
http://j-parc.jp/researcher/MatLife/ja/applying/index.html
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＜参考資料（写真などの追加情報）＞
図５：J-PARC の MLF の実験ホールの様子（大阪府立大学チームのマシンタイムの
時期に撮影）で、赤いランプはシャッターの開いているビームラインを示します。
中性子
α粒子の電離作用で荷電粒子が発生
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BF3 Gas
比例計数管の
基本原理
図６：広く利用されている中性子検出器の一つに BF3 計数管があります。
http://www.rtftechnologies.org/physics/fusor-mark3-neutron-detector.htm
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図７：図 1 の写真のチップの詳細な図面。22mmx22mm のシリコン基板の電極パッ
ドが 80 個有り、中央部に Nb 細線のつづら折りパターンが形成されます。今回は、
0.6μm、1μm、３μm の線幅を用いました。大阪府大グループは、中央部にボロン
１０膜を超高真空 MBE 装置で積層しました。厚みは 200nm（ナノメータ）です。
22x22 チップ
ボロン 10
積層膜
図８：22mmx22mm のシリコン基板に形成された中性子検出器チップの写真
で、周囲に電極パッドが 80 個有り、中央部に Nb 細線（0.6μm、1μm、３μ
m の線幅）が形成されています。中央部に 200nm の膜厚のボロン１０膜が超
高真空 MBE 装置で積層されています。
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