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論文

Photoneutron detection in lightning by gadolinium orthosilicate scintillators

和田 有希*; 中澤 知洋*; 榎戸 輝揚*; 古田 禄大; 湯浅 孝行*; 牧島 一夫*; 土屋 晴文

Physical Review D, 101(10), p.102007_1 - 102007_6, 2020/05

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Astronomy & Astrophysics)

During a winter thunderstorm on November 24, 2017, a downward terrestrial gamma-ray flash took place and triggered photonuclear reactions with atmospheric nitrogen and oxygen nuclei, coincident with a lightning discharge at the Kashiwazaki-Kariwa nuclear power station in Japan. We directly detected neutrons produced by the photonuclear reactions with gadolinium orthosilicate scintillation crystals installed at sea level. Two gadolinium isotopes included in the scintillation crystals, $$^{155}$$Gd and $$^{157}$$Gd, have large cross sections of neutron captures to thermal neutrons such as $$^{155}$$Gd(n,$$gamma$$)$$^{156}$$Gd and $$^{157}$$Gd(n,$$gamma$$)$$^{158}$$Gd. De-excitation gamma rays from $$^{156}$$Gd and $$^{158}$$Gd are self-absorbed in the scintillation crystals, and make spectral-line features which can be distinguished from other non-neutron signals. The neutron burst lasted for $$sim$$100 ms, and neutron fluences are estimated to be $$>$$ 58 and $$>$$ 31 neutrons cm$$^{-2}$$ at two observation points at the power plant. Gadolinium orthosilicate scintillators work as valid detectors for thermal neutrons in lightning.

論文

Downward terrestrial gamma-ray flash observed in a winter thunderstorm

和田 有希*; 榎戸 輝揚*; 中澤 知洋*; 古田 禄大; 湯浅 孝行*; 中村 佳敬*; 森本 健志*; 松元 崇弘*; 牧島 一夫*; 土屋 晴文

Physical Review Letters, 123(6), p.061103_1 - 061103_6, 2019/08

 被引用回数:5 パーセンタイル:28.2(Physics, Multidisciplinary)

During a winter thunderstorm on 2017 November 24, a strong burst of gamma-rays with energies up to $$sim$$10 MeV was detected coincident with a lightning discharge, by scintillation detectors installed at Kashiwazaki-Kariwa Nuclear Power Plant at sea level in Japan. The burst had a sub-second duration, which is suggestive of photoneutron productions. The leading part of the burst was resolved into four intense gamma-ray bunches, each coincident with a low-frequency radio pulse. These bunches were separated by 0.7$$-$$1.5 ms, with a duration of $$<$$1 ms each. Thus, the present burst may be considered as a "downward" terrestrial gamma-ray flash (TGF), which is analogous to up-going TGFs observed from space. Although the scintillation detectors were heavily saturated by these bunches, the total dose associated with them was successfully measured by ionization chambers, employed by nine monitoring posts surrounding the power plant. From this information and Monte Carlo simulations, the present downward TGF is suggested to have taken place at an altitude of 2500$$pm$$500 m, involving $$8^{+8}_{-4} times10^{18}$$ avalanche electrons with energies above 1 MeV which is comparable to those in up-going TGFs.

論文

Gamma-ray glow preceding downward terrestrial gamma-ray flash

和田 有希*; 榎戸 輝揚*; 中村 佳敬*; 古田 禄大; 湯浅 孝行*; 中澤 知洋*; 森本 健志*; 佐藤 光輝*; 松元 崇弘*; 米徳 大輔*; et al.

Communications Physics (Internet), 2(1), p.67_1 - 67_9, 2019/06

 被引用回数:4 パーセンタイル:28.2(Physics, Multidisciplinary)

Two types of high-energy events have been detected from thunderstorms. One is "terrestrial gamma-ray flashes" (TGFs), sub-millisecond emissions coinciding with lightning discharges. The other is minute-lasting "gamma-ray glows". Although both phenomena are thought to originate from relativistic runaway electron avalanches in strong electric fields, the connection between them is not well understood. Here we report unequivocal simultaneous detection of a gamma-ray glow termination and a downward TGF, observed from the ground. During a winter thunderstorm in Japan on 9 January 2018, our detectors caught a gamma-ray glow, which moved for $$/sim$$ 100 s with ambient wind, and then abruptly ceased with a lightning discharge. Simultaneously, the detectors observed photonuclear reactions triggered by a downward TGF, whose radio pulse was located within $$sim$$ 1 km from where the glow ceased. It is suggested that the highly-electrified region producing the glow was related to the initiation of the downward TGF.

論文

Termination of electron acceleration in thundercloud by intracloud/intercloud discharge

和田 有希*; Bowers, G. S.*; 榎戸 輝揚*; 鴨川 仁*; 中村 佳敬*; 森本 健志*; Smith, D.*; 古田 禄大*; 中澤 知洋*; 湯浅 孝行*; et al.

Geophysical Research Letters, 45(11), p.5700 - 5707, 2018/06

 被引用回数:10 パーセンタイル:15.16(Geosciences, Multidisciplinary)

An on-ground observation program for high energy atmospheric phenomena in winter thunderstorms along Japan Sea has been performed via lightning measurements of $$gamma$$-ray radiation, atmospheric electric field and low-frequency radio band. On February 11, 2017, the radiation detectors recorded $$gamma$$-ray emission lasting for 75 sec. The $$gamma$$-ray spectrum extended up to 20 MeV and was reproduced by a cutoff power-law model with a photon index of 1.36$$^{+0.03}_{-0.04}$$, being consistent with a Bremsstrahlung radiation from a thundercloud (as known as a $$gamma$$-ray glow). Then the $$gamma$$-ray glow was abruptly terminated with a nearby lightning discharge. The low-frequency radio monitors, installed $$sim$$50 km away from Noto School, recorded intra/inter-cloud discharges spreading over $$sim$$60km area with a $$sim$$300 ms duration. The timing of the $$gamma$$-ray termination coincided with the moment when a sequence of intra/inter-cloud discharges passed 0.7 km horizontally away from the radiation monitors. The atmospheric electric-field measurement presented that negative charge was located in the cloud base and not neutralized by the lightning discharge. This indicates that the $$gamma$$-ray source was located at an higher region than the cloud base.

論文

Photonuclear reactions triggered by lightning discharge

榎戸 輝揚*; 和田 有希*; 古田 禄大*; 中澤 知洋*; 湯浅 孝行*; 奥田 和史*; 牧島 一夫*; 佐藤 光輝*; 佐藤 陽祐*; 中野 俊男*; et al.

Nature, 551(7681), p.481 - 484, 2017/11

 被引用回数:50 パーセンタイル:2.97(Multidisciplinary Sciences)

Relativistic electrons accelerated by electric fields of lightnings and thunderclouds emit bremsstrahlung $$gamma$$ rays, which have been detected at ground observations. The energy of the $$gamma$$ rays is sufficiently high to potentially invoke atmospheric photonuclear reactions $$^{14}$$N($$gamma$$, n)$$^{13}$$N, which would produce neutrons and eventually positrons via $$beta^{+}$$ decay of generated unstable radioactive isotopes, especially $$^{13}$$N. However, no clear observational evidence for the reaction has been reported to date. Here we report the first detection of neutron and positron signals from lightning with a ground observation. During a thunderstorm on 6 February 2017 in Japan, an intense $$gamma$$-ray flash ($$<$$1 ms) was detected at our monitoring sites. The subsequent initial burst quickly subsided with an exponential decay constant of 40-60 ms, followed by a prolonged line emission at $$sim$$0.511MeV, lasting for a minute. The observed decay timescale and spectral cutoff at $$sim$$10 MeV of the initial emission are well explained with de-excitation $$gamma$$ rays from the nuclei excited by neutron capture. The centre energy of the prolonged line emission corresponds to the electron-positron annihilation, and hence is the conclusive indication of positrons produced after the lightning. Our detection of neutrons and positrons is unequivocal evidence that natural lightning triggers photonuclear reactions.

論文

シンポジウム「核燃料サイクル・バックエンドの科学; その研究教育の在り方」と故安俊弘教授の足跡

中山 真一; 奥村 雅彦*; 長崎 晋也*; 榎田 洋一*; 梅木 博之*; 高瀬 博康*; 川崎 大介*; 長谷川 秀一*; 古田 一雄*

原子力バックエンド研究(CD-ROM), 23(2), p.131 - 148, 2016/12

平成28年6月25日に東京大学にて、核燃料サイクル・バックエンドに関する研究を支えるためのシンポジウム「核燃料サイクル・バックエンドの科学 -その研究教育の在り方-」が開催された。限られた参加者による限られた時間内のシンポジウムであったが、この分野に身を置いてきた参加者による闊達な意見交換がなされ、今後の議論につながる意見を共有できた。このシンポジウムの内容を報告するとともに、本シンポジウムの企画者のひとりであり、シンポジウム直前に亡くなられたカリフォルニア大学バークレー校の安俊弘(Joonhong Ahn)教授に対する追悼の意を表し、本紙面を借りてその功績を紹介する。

論文

An Inference method of team situation awareness based on mutual awareness

Shu, Y.; 古田 一雄*

Cognition, Technology & Work, 7(4), p.272 - 287, 2005/11

チーム状況認識(TSA)は、チームの意思決定過程内中間ステップの一つであり、原子力発電所,航空,航海などの数多くの応用分野において、人間と機械の間協調行動にとって重要な指標である。本論では、原子力発電所などのプロセスプラント運転チーム行動をモデル化したヒューマンモデルの構築を行い、多数VDUデバイスで構成され、チームによって運用されるようなプラント監視操作システムを対象として、運転チームの情報共有,相互信念を含めたヒューマンマシンインタフェース評価手法を開発した。この研究は、まず個人状況認識(SA)と相互信念に還元可能なチーム状況認識(TSA)の新概念を提案した。この新しいTSAの枠組みの上にチーム-機械協調活動におけるTSA推論の手法を開発し、シミュレーションによって人間のTSA構築能力について検討した。さらに、TSAに関しては、状態認識における推論や、認知、そして相互の反応性といった要素が共同作業において不可欠な要素であると考え、健全性と完全性といった2つの視点から、TSAの適切性の評価手法を確立できた。これにより外部環境情報を用いる有効性を確認した。

論文

Experimental method for assessment of team situation awareness

Shu, Y.; Goh, T.*; 古田 一雄*

Proceedings of Cognitive System Engineering in Process Control (CSEPC 2004), p.140 - 147, 2004/11

チーム状況認識(TSA)は、チームの意志決定過程内の中間ステップの一つであり、発電プラント,航空,緊急センター等、多くの運転・運営分野における人間・人工物相互作用のパフォーマンスの評価に広く用いられている。しかしながら、TSAを測定する明解で一般的に受け入れられ、かつ客観的な方法は未だ存在しない。われわれはこれまでに、状況全体を個人の状況認識と相互信念に還元することのできるように、TSAをモデル化した。これに続いて、本研究では、TSAを把握する方法を開発するとともに、TSAの形成に寄与するさまざまな干渉について研究した。質問分析及びプロトコル分析を用いて、状況と過程全体についてTSAを測した。その結果、本研究で提案した測定方法は、TSAの測定に有用であることが示された。

論文

Enhancing team situation awareness of plant operators through team-level mutual awareness inference

Shu, Y.; 中島 憲宏; 古田 一雄*

Proceedings of 8th World Multi-Conference on Systemics, Cybernetics and Informatics (SCI 2004), p.184 - 185, 2004/07

共同作業効率の信頼性を向上させるためには、共同作業状態の認識率を向上させることが重大な要因となっている。 本論では、人間の共同作業と構造物の間を効果的に包含する方法や、共同作業時の相互理解の達成方法について、報告する。TSAに関しては、状態認識における推論や、認知、そして相互の反応性といった要素が共同作業において不可欠な要素であると考え、共同作業者の相互の信頼関係の健全性と完全性といった2つの視点から共同作業状態の認識の適切性を導出する方式を確立した。本方式を シミュレーションにより確認した結果、共同作業者の内部の知識に依存して効果的な共同作業状態の認識を確立できることが確認できた。これにより外部環境情報を用いる有効性を確認した。

論文

第5回確率論的安全評価と管理に関する国際会議

古田 一雄*; 松岡 猛*; 渡邉 憲夫; 古橋 和己*; 谷口 武俊*

日本原子力学会誌, 43(3), p.221 - 223, 2001/03

2000年11月25日から12月1日にかけて、大阪において、第5回確率論的安全評価と管理に関する国際会議が開催された。この会議は、原子力だけでなく、化学,土木・建築,エネルギー,環境,輸送などの分野を対象に、確率論的手法に基づくリスク評価と、その結果をシステム管理,規制,合意形成などの社会的意志決定に反映するための手法,技術,経験等に関する情報交換を行うことを目的に、2年ごとに開催されている。今回は32カ国から433名(日本209名,海外224名)が参加し、4つのプレナリーセッションと108の技術セッションにおいて活発な発表と討論が行われた。論文発表は337件で、その内訳は、原子力120件,手法及びソフトウェア83件,輸送38件,土木・建築36件,エネルギー24件,化学14件,環境14件,医療サービス6件,金融1件であった。本報では原子力に関連が深いと思われる分野を中心に会議の概要を紹介する。

口頭

日本海沿岸における冬の雷や雷雲に伴う放射線観測

土屋 晴文; 榎戸 輝揚*; 和田 有希*; 古田 禄大*; 中澤 知洋*; 湯浅 孝行*; 奥田 和史*; 牧島 一夫*; 佐藤 光輝*; 佐藤 陽祐*; et al.

no journal, , 

日本海沿岸地域にある原子力発電所や自治体が持つモニタリングポストにより、冬の雷の発生や雷雲の通過に伴った3MeV以上の高エネルギー放射線量の増大が観測されていた。こうした放射線は、雷や雷雲がもつ電場によって加速された電子の制動放射$$gamma$$線であると考えられている。また、近年、雷や雷雲に付随して中性子や陽電子の信号を捉えたという報告もあった。これは、制動放射だけではなく様々な高エネルギー反応が雷や雷雲の中で起こっている可能性を示唆しており、活発な議論がなされている。本発表では、現在までに原子力センシング研究グループが観測したロングバーストと呼ばれる雷雲の通過に伴って放射線量が数分ほど増大する事象と、雷に同期して発生する継続時間が1秒以下のショートバーストの観測結果について報告する。特に、2017年2月の落雷に伴って発生したショートバーストでは、雷が光核反応を誘発し、中性子, 陽電子および酸素や炭素の放射性同位体を生成した実験的な証拠を初めて確認することに成功した。本発表では、それらの生成メカニズムについても議論する。

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