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Effects of $$gamma$$-ray polarization in NRF-based nondestructive assay of nuclear materials

「NRF」に基づく核物質の非破壊検査における$$gamma$$線偏極の影響

Omer, M.; 羽島 良一*; 静間 俊行*; 小泉 光生

Omer, M.; Hajima, Ryoichi*; Shizuma, Toshiyuki*; Koizumi, Mitsuo

核共鳴蛍光(NRF)は、核の電気双極子励起および/または磁気双極子励起が起こるプロセスである。これらの励起はそれぞれの原子核の固有のシグネチャであるため、NRFは核物質の非破壊検知出と分析・測定のための実用的なツールを提供する。偏極$$gamma$$線ビームを使用すると、原子核の励起の性質を区別することは容易である。散乱角90$$^{circ}$$では、電気双極子励起は偏光面に対して垂直に放射されるが、磁気双極子励起は入射ビーム偏光と同じ平面内で放射される。対照的に、原子との他の$$gamma$$線相互作用は、入射ビームの偏光に関して異なる応答を示すことがある。例えば、弾性散乱は入射ビームの偏光方向において他の方向より約60%低い放射強度を与えることが期待される。光子エネルギーに基づいてNRFと弾性散乱とを分離することができないので、この事実は、NRF技術の感度に大きな影響を及ぼす。我々は、2.04MeVのエネルギーを有する100%直線偏光$$gamma$$線を用いて行った$$^{238}$$Uにおける光子散乱実験の結果について、弾性散乱が入射ビームの偏光にどのように応答するかを実証する。したがって、我々は、NRF測定における入射光子の偏光の影響を解決することができる。

Nuclear resonance fluorescence (NRF) is a process in which the electric and/or the magnetic dipole excitations of the nucleus take place. Since these excitations are unique signatures of each nucleus, the NRF provides a practical tool for a non-destructive detection and assay of nuclear materials. Using a polarized $$gamma$$-ray beam, distinguishing the nature of the excitation is straightforward. At a scattering angle of 90$$^{circ}$$, the electric dipole excitations are radiated normal to the polarization plane whereas the magnetic dipole excitations are radiated in the same plane as the incident beam polarization. By contrast, other $$gamma$$-ray interactions with the atom may exhibit different responses regarding the polarization of the incident beam. For example, the elastic scattering is expected to give approximately 60% lower yield in the direction of the incident beam polarization than the other direction. This fact significantly affects the sensitivity of the NRF technique because it is not possible to separate the NRF and the elastic scattering on the basis of the photon energy. We report the results of a photon scattering experiment on $$^{238}$$U using a 100% linearly polarized $$gamma$$-ray beam with an energy of 2.04 MeV. We demonstrate how the elastic scattering responds to the polarization of the incident beam. Accordingly, we are able to resolve the effects of the polarization of incident photon in an NRF measurement.

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