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論文

Nondestructive determination of isotopic abundance using multi-energy nuclear resonance fluorescence driven by laser Compton scattering source

Omer, M.; 静間 俊行*; 羽島 良一*; 小泉 光生

Journal of Applied Physics, 135(18), p.184903_1 - 184903_10, 2024/05

https://doi.org/10.1063/5.0197076

We report on the findings of a quantitative nondestructive analysis of the natural isotopic abundances of hafnium and tungsten elements using nuclear resonance fluorescence. Commercial samples of hafnium and tungsten were irradiated to six quasi-monochromatic $$gamma$$-ray beams generated by laser Compton scattering in the energy range of 2.4-3.2 MeV. Multiple nuclei were simultaneously excited at each of the six $$gamma$$-ray beam energies. A high-purity germanium detector array detected deexcitations of the nuclei. In total, $$51$$ transitions were unprecedentedly employed to estimate the isotopic abundances of heavy elements nondestructively. The estimated abundances of three hafnium isotopes and three tungsten isotopes are consistent with standard known natural abundances within the experimental uncertainties. The deviation from the standard values ranges from 0.18% to 1.36%. This work is a contribution of the Japan Atomic Energy Agency (JAEA) to the International Atomic Energy Agency (IAEA) under the agreement of the coordinated research program (CRP), J02015 (Facilitation of Safe and Secure Trade Using Nuclear Detection Technology - Detection of RN and Other Contraband). This work was a part of a study of the nuclear resonance fluorescence aiming at nuclear security and safeguards applications, being supported by the subsidiary for "promotion of strengthening nuclear security or the like" of the Ministry of Education, Culture, Sports, Science, and Technology (MEXT), Japan.

論文

Calculating off-axis efficiency of coaxial HPGe detectors by Monte Carlo simulation

Omer, M.; 静間 俊行*; 羽島 良一*; 小泉 光生

Radiation Physics and Chemistry, 198, p.110241_1 - 110241_7, 2022/09

https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2022.110241
 被引用回数：2 パーセンタイル：50.96(Chemistry, Physical)

In beam geometries where a directed $$gamma$$-ray beam hits the surface of a coaxial high purity germanium detector (HPGe), the detector efficiency is sensitive to the position where $$gamma$$-rays initially hit the detector surface because the structure of the detector is nonuniform. This may cause inaccuracy of the detector efficiency when measured using standard sources that are point-like sources emitting $$gamma$$-rays isotropically. Obtaining a precise estimation of the full energy peak efficiency of the coaxial HPGe detector in the beam geometry for on-axis and off-axis measurements requires a Monte Carlo simulation. We performed a Monte Carlo simulation that calculates the detector efficiency in the beam geometry. The effects of the off-axis distance and $$gamma$$-ray beam size on the efficiency are quantitatively analyzed. We found that the intrinsic efficiency in the beam geometry is maximized when the beam hits the detector at specific off-axis distances. Our Monte Carlo calculations have been supported by a nuclear resonance fluorescence experiment using laser Compton scattering $$gamma$$-ray beam.

論文

JAEA-ISCN development programs of advanced NDA technologies of nuclear material

瀬谷 道夫; 小林 直樹; 直井 洋介; 羽島 良一; 曽山 和彦; 呉田 昌俊; 中村 仁宣; 原田 秀郎

Book of Abstracts, Presentations and Papers of Symposium on International Safeguards; Linking Strategy, Implementation and People (Internet), 8 Pages, 2015/03

https://www.iaea.org/safeguards/symposium/2014/home/eproceedings/sg2014-papers/000069.pdf
https://www.iaea.org/safeguards/symposium/2014/home/eproceedings/sg2014-slides/000069.pdf

原子力機構では、2011年度より次の3つのプログラムからなる先進核物質非破壊測定技術の基礎開発を実施している。(1)レーザー・コンプトン散乱$$gamma$$線(大強度単色$$gamma$$線)を使う核共鳴蛍光NDA技術開発、(2)ZnS/B$$_{2}$$O$$_{3}$$セラミックシンチレータによる中性子検出技術開発、(3)中性子共鳴透過分析(NRTA)及び中性子共鳴捕獲分析(NRCA)による中性子濃度分析法(NRD)技術開発。これらのプログラムは2014年度に終了する予定であり、2015年2-3月に実証試験を行う予定である。

論文

Introduction to development of advanced safeguards and security NDA technologies by JAEA-ISCN

瀬谷 道夫; 呉田 昌俊; 曽山 和彦; 中村 仁宣; 原田 秀郎; 羽島 良一

Proceedings of INMM 55th Annual Meeting (Internet), 10 Pages, 2014/07

原子力機構は保障措置及び核セキュリティのための、次の先進的な核物質非破壊測定の基礎技術開発プログラムを実施してきている。(1)ZnS/B$$_{2}$$O$$_{3}$$セラミックシンチレータによる$$^{3}$$He代替中性子検知技術、(2)中性子共鳴透過分析(NRTA)及び中性子共鳴捕獲分析(NRCA)の組み合わせによる中性子共鳴濃度分析法、(3)レーザー・コンプトン散乱$$gamma$$線(大強度単色$$gamma$$線)利用核共鳴蛍光NDA(1)は、供給不足が懸念される$$^{3}$$Heに代わるZnS/B$$_{2}$$O$$_{3}$$セラミックシンチレータ中性子検出器の開発であり、(2)は、粒子状溶融燃料などの測定対象物中の核物質同位体組成比測定NDA技術開発、(3)は、レーザー・コンプトン散乱により発生させたエネルギー可変の大強度の単色$$gamma$$線により引き起こすPu/U同位体の核共鳴蛍光反応を利用するNDAのためのプログラムである。この論文ではこれらについて紹介する。

口頭

Anticipations of NRF-based NDA of nuclear material using monochromatic $$gamma$$-ray beams

瀬谷 道夫; 羽島 良一*; 早川 岳人*; 小泉 光生

no journal, , 

単色$$gamma$$線を使うNRF(核共鳴蛍光)ベースの非破壊測定(NDA)は、核セキュリティにおいては、厚い遮へい体中の核物質の確実な検知、検知対象物あるいは被疑物内部の詳細構造の詳細把握などに使うことが想定される。また、このNDA手法は、保障措置の分野では高放射線環境下(使用済み燃料あるいはキャニスター中の溶融燃料等)中のU/Pu同位体定量詳細測定にも使うことが想定される。さらに、長半減期のマイナーアクチノイド(MA)核種等の核変換を行う加速器駆動未臨界炉燃料の装荷前後のMA核種等の詳細量の測定への適用も想定される。この発表では、これらの対象物に対するNRF-NDAの方法について具体的に紹介する。

口頭

ERL based Laser-Compton sources and applications

羽島 良一; 瀬谷 道夫

no journal, , 

量子科学技術研究開発機構と原子力機構は、エネルギー回収型リニアック(ERL)ベースの、高強度・MeVエネルギー・エネルギー可変のコンプトン光子($$gamma$$線)源を、核共鳴蛍光反応を利用した全核種(核物質含む)非破壊測定(NDA)のためのものとして提案している。このNDAを、非常に厳しい条件(強い放射線環境や物質深く存在する状態)下の核物質を分析するものとして、核セキュリティや保障措置へ適用することが可能である。この応用の観点から、($$gamma$$線)透過式NDAを金属キャニススター内の核物質測定を念頭に、散乱式NDAを水中(あるいは空気中)使用済燃料中核物質測定あるいは厚い遮へい体中核物質の検知を念頭に研究してきている。これらについて発表する。

口頭

Validating elastic scattering of polarized $$gamma$$-rays

Omer, M.; 静間 俊行*; 羽島 良一*; Angell, C.*

no journal, , 

米国デューク大学でレーザーコンプトン後方散乱によって生成された直線偏光$$gamma$$線を用いて弾性散乱実験を行った。高純度Ge検出器を用いて、2MeVのエネルギーの光子のウランターゲットによる弾性散乱を測定した。本測定結果を、核共鳴蛍光散乱による同位体同定の感度改善のためのシミュレーション計算に用いる。本講演では、偏光$$gamma$$線の弾性散乱断面積の検証結果について報告する。この結果は、核共鳴蛍光散乱による同位体の同定の感度を改善するのに役立つ。

口頭

Parities of low-energy states in Hf and W isotopes

Omer, M.; 静間 俊行*; 羽島 良一*; 小泉 光生

no journal, , 

デューク大学HI$$gamma$$S施設において、レーザーコンプトン散乱によって生成された準単色$$gamma$$線ビームを用いて、HfおよびW天然ターゲットに対する2.5-3.1MeVエネルギー領域の核共鳴蛍光実験を行った。入射$$gamma$$線の偏光を利用して、このエネルギー領域の双極子準位のパリティを決定した。本実験の結果、HfおよびW核において約15準位のパリティを明らかにした。また、ウランやプルトニウムなど変形核に現れるハサミ状振動に起因するシザースモードを理解することにより、非破壊検知システムの高度化につながる知見を得た。

口頭

共鳴吸収法を用いたPu-239の磁気双極子遷移強度の測定

静間 俊行; Angell, C.*; 羽島 良一; Ludewigt, B.*; Quiter, B. J.*; 小泉 光生

no journal, , 

準単色レーザーコンプトン$$gamma$$線ビームを用いた核物質の非破壊検知・測定技術開発の一環として、Pu-239原子核の共鳴散乱実験を行った。実験は米国デューク大学で行った。中心エネルギー2.14MeV、半値幅約4%の$$gamma$$線ビームを、Pu-239の吸収ターゲット及び散乱ターゲットに照射し、散乱ターゲットからの共鳴散乱$$gamma$$線を高純度ゲルマニウム検出器を用いて測定した。その結果、励起エネルギー2.12から2.19MeVの平均積分断面積として、13eV barnを得た。また、励起した準位から基底状態と第一励起状態へ脱励起する割合の合計は、全体の0.4であった。このことから、毎秒10$$^{13}$$の強度をもつレーザーコンプトン$$gamma$$線ビームを用いることにより、燃料集合体中のPu-239を、4時間で、3%の測定誤差で分析可能であることがわかった。本講演では、実験手法及び結果について報告するとともに、準単色レーザーコンプトン$$gamma$$線ビームを用いた非破壊核種分析の今後の計画について紹介する。(なお、本研究開発は「核セキュリティ強化等推進事業費補助金」事業の一部である。)

口頭

Information sharing of nondestructive technological development projects implemented by the JAEA

小泉 光生

no journal, , 

原子力機構は、核不拡散・核セキュリティに資する非破壊分析技術開発を行っている。その下で行っている核共鳴蛍光分析技術開発では、レーザーコンプトン散乱(LCS)ガンマ線ビームを用い隠蔽された核物質を検知することを目的に、要素技術開発を進めている。また、広域かつ迅速な核・放射性物質検知技術開発では、核テロを未然に防ぐ技術として広い領域をサーベイするシステムを開発するため、その要素技術として携帯型ガンマ線・中性子検出器の開発や、これら検出器の状態を監視するシステムの開発等を進めている。本会合では、本プロジェクトの概要を説明し、その進捗や成果を報告する。

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