月惑星表面の水探索に向けた広いエネルギー帯に対応する小型中性子分光計の基礎開発

月表層の水の存在量と分布は、惑星科学や宇宙資源の観点から注目されている。中性子分光は表層に含まれる水分量を推定する有力な手法であり、本研究では、熱中性子から高速中性子までの幅広いエネルギーに対応可能で宇宙機搭載リソースの小さな中性子分光計の開発を目的とする。2022年度は、月面中性子環境のシミュレーション計算と検出器試作機の基礎特性評価を実施した。月面中性子環境は、銀河宇宙線による月面での中性子生成・輸送について、Geant4を利用して定量的に評価した。本研究により、漏出中性子が水の深さ分布の影響を受けること、漏出中性子計測により含水層の深さ・厚さを制約できる可能性があること、が示された。これは、ローバ探査のようにその場の局所的な条件に依存する場合に、水分量の定量精度の向上および利用可能性の評価のために特に重要である。中性子検出器の基礎特性評価では、検出器応答のシミュレーション計算をもとに仕様を決定し試作機を製作した。シンチレータは、リチウムガラス（GS20）と波形弁別プラスチック（EJ-276D）を接合したホスウィッチ型とした。PMTとデジタイザで信号波形を取得し、発光減衰時間の違いを利用して粒子弁別を行った結果、GS20とEJ-276D、およびEJ-276Dの高速中性子とガンマ線を弁別できることを確認した。弁別性能の良さを表す性能指数は、電子等価エネルギー200 keV以上に対して、EJ-276Dの中性子とガンマ線が1.2以上、EJ-276DとGS20が2.1以上となり、十分な弁別性能が得られた。また、熱中性子遮蔽材（カドミウム）を利用することで、GS20により熱外中性子を計測できることを確認した。従って、熱・熱外中性子、高速中性子、ガンマ線を波形と熱中性子遮蔽により弁別して計測可能であることを実験的に実証した。

月表層の水の存在量と分布は、惑星科学や宇宙資源の観点から注目されている。中性子分光は表層に含まれる水分量を推定する有力な手法であり、本研究では、熱中性子から高速中性子までの幅広いエネルギーに対応可能で宇宙機搭載リソースの小さな中性子分光計の開発を目的とする。2022年度は、月面中性子環境のシミュレーション計算と検出器試作機の基礎特性評価を実施した。月面中性子環境は、銀河宇宙線による月面での中性子生成・輸送について、Geant4を利用して定量的に評価した。本研究により、漏出中性子が水の深さ分布の影響を受けること、漏出中性子計測により含水層の深さ・厚さを制約できる可能性があること、が示された。これは、ローバ探査のようにその場の局所的な条件に依存する場合に、水分量の定量精度の向上および利用可能性の評価のために特に重要である。中性子検出器の基礎特性評価では、検出器応答のシミュレーション計算をもとに仕様を決定し試作機を製作した。シンチレータは、リチウムガラス（GS20）と波形弁別プラスチック（EJ-276D）を接合したホスウィッチ型とした。PMTとデジタイザで信号波形を取得し、発光減衰時間の違いを利用して粒子弁別を行った結果、GS20とEJ-276D、およびEJ-276Dの高速中性子とガンマ線を弁別できることを確認した。弁別性能の良さを表す性能指数は、電子等価エネルギー200 keV以上に対して、EJ-276Dの中性子とガンマ線が1.2以上、EJ-276DとGS20が2.1以上となり、十分な弁別性能が得られた。また、熱中性子遮蔽材（カドミウム）を利用することで、GS20により熱外中性子を計測できることを確認した。従って、熱・熱外中性子、高速中性子、ガンマ線を波形と熱中性子遮蔽により弁別して計測可能であることを実験的に実証した。