D-T neutron skyshine experiments and the MCNP analysis

西谷 健夫; 落合 謙太郎; 吉田 茂生*; 田中 良平*; 脇坂 雅志*; 中尾 誠*; 佐藤 聡; 山内 通則*; 堀 順一; 和田 政行*; et al.

Journal of Nuclear Science and Technology, 41(Suppl.4), p.58 - 61, 2004/03

http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/00223131.2004.10875644

核融合施設の天井から漏洩した放射線が空気と散乱して、施設周辺の地上に到達する、いわゆるスカイシャンは、核融合施設周辺の放射線安全に最も重要な項目の一つである。そこで原研の核融合中性子源FNSを用いてD-T中性子に対するスカイシャインの実験を2002年3月と2003年3月の2回にわたって実施した。FNS第一ターゲット室の天井のスカイシャインの実験用遮蔽ポート(1m1m)を開放し、上空向かって中性子を打ち上げ、散乱中性子及び2次線の分布を測定した。2002年3月の実験ではHe-3レムカウンタを用いて線源から550mまでの中性子線量率分布と200mまでの2次線スペクトルを大形NaIシンチレータ検出器及びGe半導体検出器で測定した。2003年3月の実験ではFNS建屋周辺において、NE213シンチレーション検出器を用いた中性子スペクトル測定とBGOシンチレータ検出器を用いた2次線スペクトル測定を実施した。測定された結果は、JENDL-3.3を用いたモンテカルロ計算(MCNP-4C)とよく一致し、MCNPによる計算がスカイシャインによる線量を十分な精度で評価できることを確認した。

日本原子力研究所Fusion Neutronics Source(FNS)におけるD-T中性子スカイシャイン実験

西谷 健夫; 落合 謙太郎; 吉田 茂生*; 田中 良平*; 脇坂 雅志*; 中尾 誠*; 佐藤 聡; 山内 通則*; 堀 順一; 高橋 亮人*; et al.

プラズマ・核融合学会誌, 79(3), p.282 - 289, 2003/03

http://ci.nii.ac.jp/naid/110003825346

核融合炉からのスカイシャインは炉の安全の評価上重要であるが、これまでD-T中性子に対するスカイシャインの実験的評価はほとんどなかった。そこで原研の核融合中性子源FNSを用いてD-T中性子に対するスカイシャインの実験を実施した。FNS第一ターゲット室の天井のスカイシャインの実験用遮蔽ポート(1m1m)を開放し、上空向かって中性子を打ち上げ、散乱中性子及び2次線の分布を線源から 550mまでの範囲で測定した。中性子に対しては、He-3レムカウンタ,BF-3比例計数管、線に対しては、大形NaIシンチレータ検出器及びGe半導体検出器を使用した。測定された中性子線量分布に対し、JENDL-3.2を用いたモンテカルロ計算(MCNP-4B)と比較した結果、230mまでは、実験値とよく一致することがわかった。遠方における差異の原因としてはレムカウンターの感度のエネルギー依存性に問題があると考えている。また空中に打ち上げられた中性子を線上中性子源とみなす解析モデルは150mまでよく実験値を再現することがわかった。本実験においては、2次線による線量は、中性子による線量の1/50であり、MCNPによる計算と良く一致した。以上により、MCNPによる計算はスカイシャインによる線量を十分な精度で評価できることがわかった。

Fusion power measurement based on O(n,p)N reaction in flowing water

西谷 健夫; 宇野 喜智; 金子 純一*; 落合 謙太郎; 前川 藤夫

Journal of Nuclear Science and Technology, 39(Suppl.2), p.1139 - 1142, 2002/08

http://wwwndc.jaea.go.jp/nd2001/proc/pdf/2_1139.pdf

FNSで行った実験結果に基づき、流水の放射化を利用したITER用中性子モニターの設計を行った。水配管は径20mmとし、照射端は赤道面のフィラーブランケットモジュール内に真空容器を貫通して挿入する構造とした。線測定ステーションは生体遮蔽外のピットに設置し、照射端からの距離は20mとした。この配置に基づき、各種特性をMCNP-4bコードを用いて評価を行った。時間分解能は水配管に沿った放射化反応の分布及び乱流拡散を考慮して、10m/sの流速に対し時間分解能100ms( ITER要求値)以下となった。また放射化量はプラズマの位置にほとんど依存しないことがわかった。線測定ステーションにおいて異なる検出効率の線検出器を2台用いることによって、100kW-500MWのITERの出力範囲で測定が可能であることを示した。

Technical feasibility study for the D-T neutron monitor using activation of flowing water

宇野 喜智; 金子 純一; 西谷 健夫; 前川 藤夫; 田中 照也; 池田 裕二郎; 竹内 浩

JAERI-Research 2001-007, 42 Pages, 2001/03

JAERI-Research-2001-007.pdf:8.74MB

循環水の放射化を利用したD-T中性子モニターの技術的成立性に関する実験的研究をITER R&Dタスクとして行った。FNSのD-T中性子源を用いて、パルス中性子に対する時間分解能を調べたところ、10.7m/sの流速において50msの時間分解能が得られた。またITERのブランケット領域の中性子場を模擬するためにステンレス綱/水体系内に水ループを挿入して、中性子束の測定精度の検証実験を行った。その結果、測定誤差は10%以下であり、ITER用中性子モニターとして利用可能であることを示した。

Diamond radiation detector made of an nultrahigh-purity type IIa diamond crystal grown by high-pressure and high-temperature synthesis

田中 照也; 金子 純一; 竹内 大輔*; 角谷 均*; 片桐 政樹; 西谷 健夫; 竹内 浩; 飯田 敏行*; 大串 秀世*

Review of Scientific Instruments, 72(2), p.1406 - 1410, 2001/02

https://doi.org/10.1063/1.1319596

従来の高純度IIa型ダイヤモンド放射線検出器では、結晶中の不純物に起因する電荷キャリアの捕獲が問題となっていた。そこで今回、窒素不純物を従来の1/10(0.1ppm)に低減した高圧高温合成超高純度IIa型ダイヤモンド結晶を用いてダイヤモンド放射線検出器を製作した。正孔のドリフトが信号形成の主体となる条件で測定した5.486MeV線のエネルギースペクトル中に複数のピークが観測された。このことは、結晶中に特性の異なる複数の領域が存在していることを示す。そのうちの一つのピークは、従来の高純度IIa型ダイヤモンド検出器と比較して、370nmの紫外光照射の影響を受けにくかったことから、結晶の一部分は不純物の影響が少なく、検出器製作に適した特性を持っている可能性が高い。

Technical feasibility study in a fusion power monitor based on activation of water flow

金子 純一; 宇野 喜智; 西谷 健夫; 前川 藤夫; 田中 照也; 柴田 京成; 池田 裕二郎; 竹内 浩

Review of Scientific Instruments, 72(1), p.809 - 813, 2001/01

https://doi.org/10.1063/1.1320996

ITER用核計装開発の一環として、水の放射化を用いた核融合出力モニターの開発を行った。本核融合出力モニターは、14MeV中性子によって照射された水の中でO(n,p)N反応の結果発生するNからの6.1及び7.1MeV線を測定することで、DT中性子発生量、すなわち核融合出力をモニターするものであり、第一壁から生体遮蔽の外側まで張り巡らされたループ状の水配管と線検出器から構成される。本システムは金属箔放射化法と同等の絶対測定であると同時に、ある程度の時間分解能をもった連続測定が可能である。さらに検出感度安定性、DT中性子に対してのみ有感等の優れた特長を持つ。本研究では本システムの技術的成立性検証を目的とし、流速に村する線収量依存性並びに時間応答に関する実験を行った。その結果、プラズマ診断用途で要求される100msの時間分解能を十分に満たす50msの時間分解能を達成した。また中性子モニターの時間応答が乱流拡散モデルによって記述できることを明らかにした。さらに実験結果をもとにITER-FEATに本システムを設置した場合の検出感度を概算した結果、十分な感度をもったシステムを構築可能であることがわかった。

High-temperature operation of a radiation detector made of a type IIa diamond single crystal synthesized by a HP/HT method

谷村 嘉彦; 金子 純一; 片桐 政樹; 池田 裕二郎; 西谷 健夫; 竹内 浩; 飯田 敏行*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 443(2-3), p.325 - 330, 2000/04

https://doi.org/10.1016/S0168-9002(99)01048-7

高温高圧合成法によってつくられた高純度IIa型単結晶ダイヤモンドをもちいた放射線検出器を196までの高温環境下で動作させた。高温環境下で顕著化する漏れ電流を抑制するため、ショットキー電極とオーミック電極からなる表面障壁型構造をTiをもちいて実現した。I-V特性を25~200までの温度範囲で測定した結果、検出器は整流性を示し、高温環境下においても測定に必要な高電圧を検出器に印加可能であることがわかった。Amからの5.486MeV線を測定した結果、人工ダイヤモンド放射線検出器が150程度の高温環境下でもエネルギースペクトロメータとして動作することを確認した。また検出器温度25で測定された5.486MeVスペクトルと比較して、68で測定されたスペクトルはピーク位置が高エネルギー側にシフトし、エネルギー分解能も向上した。これは電荷キャリアである正孔に対する捕獲-再放出温度が温度上昇によって抑制され、電荷収集率が改善された結果である。また検出器温度が150をこえると電荷損失が顕著になり、196では分極現象によって測定を継続することができなかった。

Development of a synthetic diamond radiation detector with a boron doped CVD diamond contact

金子 純一; 片桐 政樹; 池田 裕二郎; 西谷 健夫

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 422, p.211 - 215, 1999/00

https://doi.org/10.1016/S0168-9002(98)01096-1

ダイヤモンド放射線検出器の分極現像を抑制するため、イオン注入法に代わる照射損傷のない方法として、合成ダイヤモンド単結晶上にボロンをドープしたCVDダイヤモンド層を成長させ電極として使用することを試みた。試作した検出器は5.486MeV線に対して0.39%の高いエネルギー分解能を持ち、エネルギー分解能を保持したまま、50cps以上の計数率で安定して測定を行うことができた。一般にボロンをイオン注入法でダイヤモンドに打ち込んで作製した電極はインジェクション電極として説明されてきたが、本検出器ではブロッキング電極として動作していることがわかった。

Analysis on signals from synthetic diamond radiation detectors and suppression of a polarization phenomenon

金子 純一; 片桐 政樹; 池田 裕二郎; 西谷 健夫

Radiation Detectors and Their Uses, p.259 - 263, 1998/00

IIa型人工ダイヤモンド放射線検出器に5.486MeV線を入射した場合の電荷有感型前置増幅器出力信号について解析を行った。厚さ0.1mmの検出器ではトラッピング・デトラッピング効果による低速成分のない信号が観測された。一方電子に対して顕著なトラッピングが生じていることがわかった。この結果、最悪の場合分極現象が生じ測定を行うことが不可能となる。この問題を解決するため、ボロンドープCVDダイヤモンド層をIIa型ダイヤモンドの上に成長させ、電極として使用することを試みた。その結果、シリコン表面障壁型半導体検出器と同等なエネルギーの分解能をもち、実用的な計数率で測定可能な検出器の開発に成功した。

Neutron spectrometers for ITER

西谷 健夫; 井口 哲夫*; 高田 英二*; 金子 純一; 河西 敏; 的場 徹

Proc., Workshop on Diagnostics for Experimental Thermonuclear Fusion Reactors, 0, p.425 - 434, 1996/00

核融合プラズマから発生する中性子のエネルギースペクトルからイオン温度を測定することは核融合研究の初期から提案されていたが、NBI等の追加熱プラズマでは、中性子のスペクトルが直接イオン温度を反映しないため、現在の大型トカマク実験ではほとんど使用されていない。しかし、自己点火を行うITERでは、現在イオン温度測定の主流となっている荷電交換分光法が、光学部品の放射線損傷等により実現困難なため、中性子スペクトル測定が最も有力なイオン温度測定となっている。講演では、ITERの各極より提案されている中性子スペクトル測定法をレヴューするとともに、日本で設計を進めている、反跳陽子型中性子スペクトル測定装置について紹介する。