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報告書

Geant4 physics process for elastic scattering of $$gamma$$-rays

Omer, M.; 羽島 良一*

JAEA-Data/Code 2018-007, 32 Pages, 2018/06

JAEA-Data-Code-2018-007.pdf:2.64MB
JAEA-Data-Code-2018-007-appendix(CD-ROM).zip:22.71MB

原子核蛍光共鳴散乱(NRF)は、核物質の非破壊検査(NDA)において有用な技術である。NRFは同位体に固有のエネルギーをもった$$gamma$$線と物質の相互作用であることから、同位体を識別したNDAを実現できる。しかしながら、NRFと競合する他の光核相互作用が存在し、そのため、NRFによるNDAの測定性能が制限される可能性がある。競合する相互作用のうち原子核による$$gamma$$線の弾性散乱(デルブリュック散乱)は、これまでのモンテカルロコードでは考慮されていなかった。日本原子力研究開発機構では、平成27年度からNRFに基づくNDAシステムの開発プログラムを開始し、その一環として$$gamma$$線の弾性散乱がNRF測定に及ぼす影響を評価するために、Geant4に$$gamma$$線の弾性散乱を追加するためのコードを新規に開発した。今回刊行するJAEA-データ/コードレポートでは、シミュレーションコードの詳細な説明と、コード入力に用いた$$gamma$$線弾性散乱断面積、および、コードの検証と妥当性確認に用いた計算結果を示す。このレポートを公開することで、当該コードの信頼性向上に必要なユーザーからのフィードバックの機会が得られる。本研究は文部科学省の核セキュリティ強化等推進事業費補助金の支援を受けた。

論文

Including Delbr$"u$ck scattering in GEANT4

Omer, M.; 羽島 良一*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 405, p.43 - 49, 2017/08

 被引用回数:1 パーセンタイル:61.71(Instruments & Instrumentation)

原子核あるいは原子による$$gamma$$線の弾性散乱は、$$gamma$$線と物質の相互作用に関連付けられ、レイリー散乱、核トムソン散乱及びデルブリュック散乱がある。$$gamma$$線の弾性散乱を模擬するモンテカルロシミュレーションコードのほとんどは、現状では弾性散乱の全体像をカバーしていなく、レイリー散乱の寄与のみを取り扱い、核トムソン散乱及びデルブリュック散乱は無視されている。われわれは弾性散乱を模擬(シミュレート)するために、最も一般的なオープンソースのGeant4に、レイリー散乱に加えて、核トムソン散乱及びデルブリュック散乱を取込んだコードを開発した。この際のシミュレーションでは、これまでのフォームファクタ近似に基づくデータに代り、二次散乱行列に基づく微分散乱断面積を使っている。また、これらの3つの散乱プロセスの重ね合わせは、散乱振幅の複素数表示を考慮して慎重に行わった。このシミュレーションは、$$gamma$$線エネルギー範囲0.01$$leq$$E$$leq$$3MeVと1$$leq$$Z$$leq$$99の原子番号を持つすべての元素をカバーしている。さらに、われわれは、以前の実験で測定された微分断面積とシミュレーションから得られる微分断面積とを比較することによって、シミュレーションを検証した。この検証では、シミュレーションの結果は、実験の測定値と良い一致を示している。実験とシミュレーションとの違いは、$$gamma$$線エネルギーが2.754MeVで、ウランで21%、鉛で24%、タンタルで3%、及びセリウムで8%であった。高Z.(ウランや鉛)における比較的大きな差は、デルブリュック散乱振幅に対するクーロン補正により説明できる。

論文

A Proposal of secure non-destructive detection system of nuclear materials in heavily shielded objects and interior investigation system

瀬谷 道夫; 羽島 良一*; 呉田 昌俊

Proceedings of INMM 58th Annual Meeting (Internet), 10 Pages, 2017/07

港湾で扱われる貨物コンテナは容積が大きく重量物も運べるため、核物質が隠されて持ち込まれる危険性が高い。核セキュリティを強化する上では、重遮へい物中の規制外核物質の確実な検知、及び、重遮へい物体の安全な解体により中から核物質を取出すことが不可欠である。このための対応として、確実な核物質検知システムの導入、検知物の正確な内部構造把握、及び核物質性状把握(核兵器か否か、爆発物の混入等)が要求され、これらの情報を使うことにより検知物の安全な解体と核物質の取出しが可能となる。この発表では、X線スキャン装置と単色線利用NRFベース非破壊検知装置の組合せを確実な核物質検知システム及び内部検査システムとして、また、取出された核物質部分に関する内部検査機能を持つものとして、小型中性子線源(D-T中性子源)を用いるアクティブNDA装置を提案する。

論文

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

Omer, M.; 羽島 良一*; 静間 俊行*; 小泉 光生

Proceedings of INMM 58th Annual Meeting (Internet), 7 Pages, 2017/07

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。

論文

核物質の確実な検知システム及び検知・被疑物の安全解体のための内部構造・性状把握システムの必要性(提案)

瀬谷 道夫; 羽島 良一*; 呉田 昌俊

第37回核物質管理学会日本支部年次大会論文集(CD-ROM), 10 Pages, 2017/02

港湾で扱われる貨物コンテナは容積が大きく重量物も運べるため、核物質が隠されて持ち込まれる危険性が高い。核セキュリティを強化する上では、重遮へい物中の規制外核物質の確実な検知、及び、重遮へい物体の安全な解体により中から核物質を取出すことが不可欠である。このための対応として、(1)確実な核物質検知システムの導入、(2)検知物の正確な内部構造把握、及び(3)核物質性状把握(核兵器か否か、爆発物の混入等)が要求され、これらの情報を使うことにより検知物の安全な解体と核物質の取出しが可能となる。この発表では、(1)については、X線スキャン装置と単色$$gamma$$線利用NRFベース非破壊検知装置の組合せを提案する。後者の装置は重遮へい体に対しては、(2)及び(3)の機能も有している。また、取出された核物質部分に関する(2)及び(3)の機能を持つものとして、小型中性子線源(D-T中性子源)を用いるアクティブNDA装置を提案する。

論文

Simulation of the elastic scattering contributions to the NRF-based nondestructive assay of nuclear materials

Omer, M.; 羽島 良一*; Angell, C.*; 静間 俊行*; 早川 岳人*; 瀬谷 道夫; 小泉 光生

Proceedings of INMM 57th Annual Meeting (Internet), 9 Pages, 2016/07

核種の核共鳴蛍光反応過程で放出される核種固有の$$gamma$$線は、核物質の非破壊検知及び測定の非常に良い方法を提供する。われわれは、$$gamma$$線非破壊検知及び測定に関連する技術を開発している。核共鳴蛍光反応をシミュレートするモンテ・カルロコードは非破壊測定装置の設計及び評価において不可欠なものである。われわれは、そのため、Geant4コードをベースとするシミュレーションコードNRFGeant4を開発している。核共鳴蛍光反応実験においては、一般に高濃度測定対象物が使われる。この場合は核共鳴蛍光反応$$gamma$$線が強く、測定しやすいためである。それに対して実際の状況では、測定したい(興味のある)核種が小さい組成比でしか含まれていないことがある。このような状況では、核共鳴蛍光反応$$gamma$$線の測定が、他の反応(例として、(核共鳴反応と同じような)弾性散乱)からの影響を受けて困難となる。例えば、典型的な核燃料のペレットは90%程度の$$^{238}$$Uを母材として含むが、測定対象として興味のある$$^{239}$$Puは約1%以下の割合でしか含まれていない。このような場合、$$^{239}$$Puからの核共鳴蛍光$$gamma$$線の測定においては、$$^{238}$$Uの弾性散乱からの強い$$gamma$$線バックグランドが発生することとなる。それゆえ、母材の弾性散乱($$gamma$$線)強度を評価することは、測定しようとする(興味のある)核種の正確な測定においては不可欠なこととなる。現段階においては、弾性散乱の満足のゆく評価は(ある計算を除いて)できていない。われわれのこの研究では、弾性散乱事象を取込むように、シミュレーションコードの高度化を行っている。

論文

Narrow-band GeV photons generated from an X-ray free-electron laser oscillator

羽島 良一; 藤原 守

Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 19(2), p.020702_1 - 020702_9, 2016/02

 被引用回数:5 パーセンタイル:41.45(Physics, Nuclear)

共振型X線自由電子レーザーを用いて、狭帯域のGeV光子($$gamma$$線)を発生する方法を提案する。コンプトン散乱の物理から、発生する光子は、エネルギー幅0.1%の狭帯域となる。本$$gamma$$線光源のフラックス,スペクトル,偏極,エネルギー可変性などについて議論する。

論文

電子ビームとレーザーの衝突によるX線の生成

羽島 良一; 照沼 信浩*

Isotope News, (741), p.16 - 20, 2016/01

高エネルギー電子とレーザーの衝突散乱によるX線, $$gamma$$線の発生は、レーザー・コンプトン散乱と呼ばれる。発生されるX線, $$gamma$$線は、準単色,エネルギー可変,偏極可変の特長をもつことから、医学用イメージングや核物質の非破壊測定など多くの分野で利用が期待されている。本報告では、エネルギー回収型リニアック(コンパクトERL)におけるレーザー・コンプトン散乱X線の発生について、装置の概要、X線の測定、イメージングの予備実験の結果について述べる。

論文

Development of a multialkali photocathode preparation system

西森 信行; 羽島 良一; 永井 良治; 沢村 勝

Proceedings of 56th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on Energy Recovery Linacs (ERL 2015) (Internet), p.100 - 102, 2015/12

We have developed a multialkali photocathode preparation system at JAEA for high current operation of DC photoemission gun. The system will be connected to a 250 kV-50 mA gun for beam generation test. The status of development will be presented.

論文

250kV大電流光陰極電子銃の開発

西森 信行; 永井 良治; 沢村 勝; 羽島 良一

Proceedings of 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.508 - 510, 2015/09

次世代ERL放射光源のための光陰極開発、及びテラヘルツスミスパーセル放射光源開発のため、50mAビーム生成を目指した250kV光陰極電子銃の立ち上げを行っている。アルカリ光陰極準備システムを備えておりCs$$_{3}$$Sbカソードの成膜を行った。波長530nmのレーザーに対して0.3%の量子効率を達成している。光陰極準備システム開発の現状と、ビーム生成試験へ向けた電子銃本体の開発状況について発表する。

論文

コンパクトERL電子銃の現状とアップグレード計画

西森 信行; 永井 良治; 森 道昭; 羽島 良一; 山本 将博*; 本田 洋介*; 宮島 司*; 内山 隆司*; Jin, X.*; 帯名 崇*; et al.

Proceedings of 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.511 - 515, 2015/09

コンパクトERLは2013年4月の運転開始以降、順調にコミッショニングを進めている。2014年度までに0.1mAのエネルギー回収試験を終え、レーザーコンプトンX線発生試験も行った。その間、cERL電子銃はトラブル無く、安定なビーム供給に貢献している。ただし、分割セラミック管の不具合のため、運転電圧が390kVに留まっている。2015年度は、セラミック管増設により500kV化を目指す。また、FELへの利用を視野に入れ、高電荷ビーム生成用電子銃駆動レーザーの開発にも着手している。本発表では、cERL電子銃運転の現状と、アップグレード計画について報告する。

論文

レーザー・コンプトン散乱による高輝度$$gamma$$線の実現とその利用

羽島 良一; 沢村 勝; 永井 良治; 西森 信行; 早川 岳人; 静間 俊行; Angell, C.

Proceedings of 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.79 - 83, 2015/09

レーザー・コンプトン散乱で発生する$$gamma$$線は、エネルギー可変かつ狭帯域の特徴を有する。電子加速器とレーザーの先端技術を組み合わせることで、高輝度$$gamma$$線源を実現することができる。このような高輝度$$gamma$$線源は、核物質の非破壊測定をはじめとした産業利用、原子核物理の基礎研究に革新的な進歩をもたらすと期待されている。ヨーロッパでは、次世代$$gamma$$線源としてELI-NPの建設が始まっており、2018年の運転開始の予定である。われわれは、エネルギー回収型リニアック(ERL)を用いることで、ELI-NPを超える輝度、強度を持った$$gamma$$線源を提案しており、基盤技術の開発を行っている。本発表では、ERLに基づくレーザー・コンプトン散乱$$gamma$$線源の特徴、産業利用、学術利用の展開について述べる。

論文

コンパクトERLでのレーザーコンプトン散乱光源実証実験

永井 良治; 羽島 良一; 静間 俊行; 森 道昭; 赤木 智哉*; 小菅 淳*; 本田 洋介*; 荒木 栄*; 照沼 信浩*; 浦川 順治*

Proceedings of 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1328 - 1330, 2015/09

コンパクトERL(cERL)においてエネルギー回収型リニアックを基盤とするレーザーコンプトン散乱(LCS)光源のために必要な加速器およびレーザーについての技術開発を行った。ERL-LCS光源のような高強度,エネルギー可変,単色光源は非破壊核種分析に必要な光源である。ERL-LCS光源による光子生成実証のために、cERLの回収ループにレーザーエンハンスメント共振器を設置した。電子ビームエネルギー,レーザー波長,衝突角はそれぞれ、20MeV, 1064nm, 18$$^{circ}$$である。LCS光子の最大エネルギーは約7keVである。感度領域17mm$$^{2}$$のシリコンドリフト検出器を衝突点から16.6mの位置でのLCS光子の観測に用いた。その計測の結果、検出器での強度、中心エネルギー、エネルギー広がりはそれぞれ、1200/s, 6.91keV, 81eVであった。

論文

ERL超伝導スポーク空洞製作の現状

沢村 勝; 羽島 良一; 西森 信行; 永井 良治; 岩下 芳久*; 頓宮 拓*; 久保 毅幸*; 佐伯 学行*

Proceedings of 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.583 - 586, 2015/09

スポーク空洞の利点を生かせば、ERL加速器を小型化できる可能性が期待できるため、光・量子融合連携研究開発プログラム「小型加速器による小型高輝度X線源とイメージング基盤技術開発」における小型加速器の候補として超伝導スポーク空洞の開発を進めている。スポーク空洞は形状が複雑であるため、プレス加工工程を含めた金型設計や強度計算による補強検討等を行っているので、スポーク空洞製作の現状について報告する。

論文

Overview of JAEA-ISCN's NDA development programs (for INMM)

瀬谷 道夫; 小泉 光生; 富川 裕文; 直井 洋介; 呉田 昌俊; 原田 秀郎; 羽島 良一; 中村 仁宣

Proceedings of INMM 56th Annual Meeting (Internet), 10 Pages, 2015/07

核不拡散・核セキュリティセンターは、発足から原子力機構内の部門と連携して、以下の先進NDA技術開発を実施した。(1)PNAR-NDA装置によるふげん使用済み燃料の測定、(2)LCS$$gamma$$線を用いるNRF-NDAの基礎技術開発、(3)ヘリウム3代替中性子検知技術開発、(4)中性子共鳴濃度分析法開発。また、平成27年度からは以下の開発プログラムを開始したところである。(5)LCS$$gamma$$線を使うNRF非破壊検知の実証試験、(6)アクティブ中性子NDA技術開発、(7)セル内タンクの廃液モニタリング技術のフィージビリティ研究。本発表は、これまでに実施してきた技術開発の概要とこれから実施する技術開発の概要を紹介するものである。

論文

Demonstrating the integral resonance transmission method; Conceptual and experimental studies

Angell, C.; 早川 岳人; 静間 俊行; 羽島 良一; Quiter, B. J.*; Ludewigt, B. L.*; Karwowski, H. J.*; Rich, G.*; Silano, J.*

Proceedings of INMM 56th Annual Meeting (Internet), 9 Pages, 2015/07

Nuclear resonance fluorescence (NRF) is a promising technique for assaying $$^{239}$$Pu in spent nuclear fuel and for SNM detection applications because of its isotope-specific nature and potential for high sensitivity. To fully utilize the next generation of high-flux $$gamma$$-ray sources for NRF applications we developed the integral resonance transmission (IRT) method which integratesover all resonances within the energy width of a quasi-monoenergetic $$gamma$$-ray beam allowing the full utilization of the transmission signature. To realize the IRT technique both conceptual studies, exploring the consequences of the loss of resolution, and experimental studies, demonstrating several aspects of the IRT method, were undertaken. The conceptual studies included the development of a performance metric allowing comparison between using the IRT technique and single resonances, a study of the magnitude of resonance overlap, and beam simulations examining performance as a function of beam width. The experimental studies were done at the HI$$gamma$$S facility at Duke University, and included an experiment constraining resonance overlap in a NRF transmission measurement through a TMI-2 type canister, demonstration of the IRT technique by a NRF measurement on $$^{181}$$Ta, and the world's first transmission NRF measurement on $$^{239}$$Pu. In this talk, we will overview each component of the conceptual and experimental studies for the IRT method.

論文

Reaction-yield dependence of the ($$gamma$$, $$gamma$$') reaction of $$^{238}$$U on the target thickness

Negm, H.*; 大垣 英明*; 大東 出*; 早川 岳人; Zen, H.*; 紀井 俊輝*; 増田 開*; 堀 利匡*; 羽島 良一; 静間 俊行; et al.

Journal of Nuclear Science and Technology, 52(6), p.811 - 820, 2015/06

 被引用回数:1 パーセンタイル:80.34(Nuclear Science & Technology)

レーザーコンプトン散乱と原子核共鳴蛍光散乱に基づく、核種の非破壊検知、測定において、試料の厚みと測定精度の関係を調べるため、$$^{238}$$Uを試料とした実験を行った。

論文

Development of superconducting spoke cavities for laser Compton scattered X-ray sources

羽島 良一; 沢村 勝; 久保 毅幸*; 佐伯 学行*; Cenni, E.*; 岩下 芳久*; 頓宮 拓*

Proceedings of 6th International Particle Accelerator Conference (IPAC '15) (Internet), p.2902 - 2904, 2015/06

レーザーコンプトン散乱X線源のための超伝導スポーク空洞の研究開発が、文部科学省の研究プログラムとして採択された。2013年度から5年間のプログラムでは、325MHz超伝導スポーク空洞の設計、製作、性能測定を実施する予定である。本論文では、電磁場解析、応力解析の結果を反映した空洞形状の最適化、プレス加工のための金型設計などについて報告する。

論文

Demonstration of high-flux photon generation from an ERL-based laser Compton photon source

永井 良治; 羽島 良一; 森 道昭; 静間 俊行; 赤木 智哉*; 荒木 栄*; 本田 洋介*; 小菅 淳*; 照沼 信浩*; 浦川 順治*

Proceedings of 6th International Particle Accelerator Conference (IPAC '15) (Internet), p.1607 - 1609, 2015/06

コンパクトERL(cERL)においてエネルギー回収型リニアックを基盤とするレーザーコンプトン散乱(LCS)光源のために必要な加速器およびレーザーについての技術開発を行った。ERL-LCS光源のような高強度、エネルギー可変、単色光源は非破壊核種分析に必要な光源である。ERL-LCS光源による光子生成実証のために、cERL回収ループにレーザーエンハンスメント共振器を設置した。電子ビームエネルギー、レーザー波長、衝突角はそれぞれ、20MeV, 1064nm, 18deg.である。LCS光子の最大エネルギーは約7keVである。感度領域17mm$$^{2}$$のシリコンドリフト検出器を衝突点から16.6mの位置でのLCS光子の観測に用いた。その計測の結果、検出器での強度、中心エネルギー、エネルギー広がりはそれぞれ、1200/s, 6.91keV, 81eVであった。

論文

Multipactor simulations in 325 MHz superconducting spoke cavity for an electron accelerator

久保 毅幸*; 佐伯 学行*; Cenni, E.*; 岩下 芳久*; 頓宮 拓*; 羽島 良一; 沢村 勝

Proceedings of 6th International Particle Accelerator Conference (IPAC '15) (Internet), p.2892 - 2894, 2015/06

レーザーコンプトン散乱を用いたコンパクトで産業利用可能なX線源を実現するために、4Kで運転できる325MHzの超伝導スポーク空洞の開発を行っている。空洞形状の最適化はほぼ終わったが、現在マルチパクターの評価計算を行っている。シミュレーションと解析の結果について報告する。

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