Optimization of a 9 MeV electron accelerator bremsstrahlung flux for photofission-based assay techniques using PHITS and MCNP6 Monte Carlo codes

9MeV電子加速器の制動放射線を用いた光核分裂定量技術の、PHITS, MCNPモンテカルロコードを用いた最適化

Meleshenkovskii, I.*; 小川 達彦   ; Sari, A.*; Carrel, F.*; Boudergui, K.*

Meleshenkovskii, I.*; Ogawa, Tatsuhiko; Sari, A.*; Carrel, F.*; Boudergui, K.*

核分裂性物質の検知を目的として、制動放射線を検知対象に照射して光核分裂反応を発生させ、放出される中性子線を観測する技術が注目されている。この技術で制動放射線を発生させるための電子加速器は、同等の性能を発揮する中性子源と比べて放射化や即発線量が低く、装置の小型化が容易という利点がある。一方、光核分裂反応は中性子誘導核分裂反応より断面積が低いため、電子線ターゲットや制動放射線の取り出し口、照射野などを最適化することが検知効率の向上に必要となる。本研究では、汎用モンテカルロ放射線輸送計算コードMCNPとPHITSを用いて、最適化に必要な要素を明らかにした。その結果、ターゲットでの制動放射線の生成は原子番号の高い元素の方が有利であるが、発生した光子がターゲット周辺で(,n)二次反応を起こし、中性子を生成するため、光子によって起こる早い光核分裂反応と、中性子による遅い核分裂が混在し、最終的な検出対象である核分裂の発生時間が広がる問題が明らかとなった。また、中性子を生じる二次反応は電子線ターゲットだけではなく、ターゲット周辺の遮蔽材でも発生するため、中性子放出スレッショルドが高い元素を遮蔽材として選択するなどの工夫が必要であることが明らかになった。

For the purpose of fissile material detection, the technique to observe neutrons ejected from photo-fission induced by bremsstrahlung X-rays is being developed. This technique is advantageous in the sense that the machine can be compact compared to conventional neutron generators. However, photo-fission reaction cross sections are generally smaller than those of neutron-induced fission cross sections therefore optimization of the beam line is of high importance. In this study, we investigated the factors necessary to be optimized by using Monte-Carlo transport codes MCNP and PHITS. It was found that high-Z materials are advantageous to effectively produce bremsstrahlung X-rays but photons produce neutrons by secondary (,n) reactions resulting in mixing of prompt and delayed fission reactions. Moreover, secondary neutrons are produced not only inside the target but also in the materials surrounding the target. Therefore it is necessary to select elements whose neutron separation energy is high to suppress parasitic secondary neutrons.