Neutron resonance absorption imaging fully utilizing neutron energies from 1 eV to 100 keV

1eVから100eVのスペクトルを用いた中性子共鳴吸収イメージング

土川 雄介 ; 甲斐 哲也   ; Parker, J.*; 松本 吉弘*; 篠原 武尚   

Tsuchikawa, Yusuke; Kai, Tetsuya; Parker, J.*; Matsumoto, Yoshihiro*; Shinohara, Takenao

J-PARC/MLFで、元素の二次元分布を可視化する中性子共鳴吸収イメージング技術を開発した。鉄、ジルコニウム、ニッケル、モリブデン、アルミニウム棒を含む試料を用い、1eVから100keVまでの中性子透過スペクトルを利用する解析を行った。ハフニウム(ジルコニウムの不純物)とモリブデンの分布に関しては、従来の共鳴イメージングによって明瞭な分布が得られた。次に、各元素の複数の共鳴を利用した分析を行ったところ、元素同定の精度が向上し、鉄とニッケルの識別能が向上した。一方で、このような解析法では、たまたま他元素由来の異なる共鳴ピーク同士が隣り合うことで、中性子透過軸上に物質が重なった場合にそれらの共鳴が消失するような現象が起きた場合に対応できない。鉄とニッケルのケースで、実際にその現象が現われた。この問題を克服し、測定技術としての更なる進化を目指し、存在する可能性のある元素の存在を仮定して広い範囲で透過スペクトルをフィッティングする手法を提案した。これにより、試料金属とハフニウムやマンガン(ジルコニウムや鉄の不純物)の分布を可視化することに成功した。ここで導入された分析手法は、MLFの一般利用者の標準的な分析手順の確立に貢献するものである。

A neutron resonance absorption imaging technique to visualize two-dimensional distributions with element discrimination has been developed at the Materials and Life Science Experimental Facility of the Japan Proton Accelerator Research Complex. We measured neutron transmission spectra from 1 eV to 100 keV while rotating a sample containing iron, zirconium, nickel, molybdenum, and aluminum rods. The distributions of hafnium (impurity of zirconium) and molybdenum were clearly obtained by a straightforward analysis using the most prominent resonances. Then an analysis using multiple resonances of each element simultaneously was performed finding that the accuracy of elemental identification was improved, and iron and nickel distributions became clearer. However, these analysis methods sometimes have difficulties in the case of overlapping materials since a resonance shape can be deteriorated by those of other materials. Such an example was demonstrated with the case of iron and nickel. To overcome the issue and aiming for further improvement, we proposed a method to fit the transmission spectrum in a wide range assuming the existence of possible elements, successfully visualizing both the distributions of the sample metals and those of hafnium and manganese (impurities of zirconium and iron). The newly introduced analysis technique will contribute to the establishment of a standard analytical procedure for general users of the facility.