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Neutron resonance fission neutron analysis for nondestructive fissile material assay

弘中 浩太; Lee, J.; 小泉 光生; 伊藤 史哲*; 堀 順一*; 寺田 和司*; 佐野 忠史*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 1054, p.168467_1 - 168467_5, 2023/09

We propose neutron resonance fission neutron analysis (NRFNA), an active nondestructive assay (NDA) technique, to improve the capability to identify and quantify a small amount of fissile material in a sample. NRFNA uses pulsed neutrons to induce fission reactions in the sample. Fission neutrons are detected by a neutron-gamma pulse shape discrimination (PSD) scintillation detector with time-of-flight (TOF) technique. The obtained nuclide-specific resonance peaks in the neutron energy spectrum provide information to identify and quantify a fissile material in the sample. The possibility of using PSD for NRFNA was confirmed through a test experiment using a natural uranium sample. We successfully observed the resonance peaks from $$^{235}$$U(n,f) reaction and showed that NRFNA would be useful for measuring a small amount of fissile material in a sample.


Laser-driven neutron generation realizing single-shot resonance spectroscopy

余語 覚文*; Lan, Z.*; 有川 安信*; 安部 勇輝*; Mirfayzi, S. R.*; Wei, T.*; 森 隆人*; Golovin, D.*; 早川 岳人*; 岩田 夏弥*; et al.

Physical Review X, 13(1), p.011011_1 - 011011_12, 2023/01

 被引用回数:1 パーセンタイル:81.67(Physics, Multidisciplinary)

Neutrons are powerful tools for investigating the structure and properties of materials used in science and technology. Recently, laser-driven neutron sources (LDNS) have attracted the attention of different communities, from science to industry, in a variety of applications, including radiography, spectroscopy, security, and medicine. However, the laser-driven ion acceleration mechanism for neutron generation and for establishing the scaling law on the neutron yield is essential to improve the feasibility of LDNS. In this paper, we report the mechanism that accelerates ions with spectra suitable for neutron generation. We show that the neutron yield increases with the fourth power of the laser intensity, resulting in the neutron generation of $$3times10^{11}$$ in $$4pi$$ at a maximum, with $$1.1times10^{19}$$ Wcm$$^{-2}$$, 900 J, 1.5 ps lasers. By installing a "hand-size" moderator, which is specially designed for the LDNS, it is demonstrated that the efficient generation of epithermal (0.1-100 eV) neutrons enables the single-shot analysis of composite materials by neutron resonance transmission analysis (NRTA). We achieve the energy resolution of 2.3% for 5.19-eV neutrons 1.8 m downstream of the LDNS. This leads to the analysis of elements and isotopes within sub-$$mu$$s times and allows for high-speed nondestructive inspection.



伊藤 史哲*; Lee, J.; 弘中 浩太; 小泉 光生; 余語 覚文*

Proceedings of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.137 - 140, 2023/01

中性子共鳴透過分析(NRTA)は、パルス中性子を計量したい核物質に照射し、飛行時間(TOF)法を用いて測定核物質を非破壊測定する手法であるが、小型・高精度化には短パルスな小型中性子源が必要となる。近年発展著しいレーザー技術を用いたレー ザー駆動中性子源(LDNS)は、そのような中性子源として将来を期待されている。そこで我々はLDNSを用いたNRTAの技術開発を行い、実証実験を行った。その結果について報告する。


Relationship between neutron moderator and time-dependent background for neutron time-of-flight measurement

Lee, J.; 弘中 浩太; 伊藤 史哲*; 小泉 光生; 堀 順一*; 佐野 忠史*

Journal of Nuclear Science and Technology, 8 Pages, 2023/00

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.02(Nuclear Science & Technology)

In the short-distance time-of-flight (TOF) measurements, the background events increase exponentially with decreasing the distance, and the high background increases the uncertainty of the measurement data. The moderated neutron beam includes the time-dependent background originating from the neutron moderator, such as 2.2 MeV gamma rays emitted by $$^{1}$$H(n,$$gamma$$) reaction in the moderator. In this paper, to achieve a compact neutron resonance transmission analysis system with high accuracy, we studied the relationship between the moderator and time-dependent background due to gamma rays. Monte Carlo simulations were carried out with the PHITS and the JENDL-4.0 to investigate the time distributions of neutrons and gamma rays emitted from the moderator. Ratios of the gamma-ray intensity to neutron intensity (S$$gamma$$/S$$_{rm n}$$ ratio) were calculated for various moderators and flight distances. From the obtained results, moderator designs for maintaining low S$$gamma$$/S$$_{rm n}$$ ratio were discussed.


Designs and neutronic characteristics of an epithermal neutron moderator at ambient temperature for neutron time-of-flight measurements

Lee, J.; 伊藤 史哲*; 弘中 浩太; 高橋 時音; 鈴木 敏*; 小泉 光生

Journal of Nuclear Science and Technology, 59(12), p.1546 - 1557, 2022/12

 被引用回数:3 パーセンタイル:84.2(Nuclear Science & Technology)

Compact time-of-flight (TOF) measurement systems are desirable for easy installation in various facilities. To achieve such compact systems, one of the key considerations is the design of the neutron moderator. However, there are only a few reports on systematic studies on moderators considering both neutron energy resolution as well as a neutron intensity. In this paper, to design an epithermal neutron moderator for short-distance TOF measurements, the neutron intensity and energy resolution of epithermal neutrons have been studied using the Monte Carlo simulation code PHITS with JENDL-4.0 for various types of moderators. The neutronic characteristics of a moderator comprising several components were evaluated. The relationships between the moderator dimensions and both the energy resolution and intensity of the epithermal neutrons were determined. From the obtained results, the appropriate high resolution moderator designs for the short-distance TOF measurements were proposed.



Lee, J.; 伊藤 史哲*; 弘中 浩太; 高橋 時音; 鈴木 敏*; 小泉 光生; 堀 順一*; 寺田 和司*

第43回日本核物質管理学会年次大会会議論文集(インターネット), 4 Pages, 2022/11



Design and actual performance of J-PARC 3 GeV rapid cycling synchrotron for high-intensity operation

山本 風海; 金正 倫計; 林 直樹; Saha, P. K.; 田村 文彦; 山本 昌亘; 谷 教夫; 高柳 智弘; 神谷 潤一郎; 菖蒲田 義博; et al.

Journal of Nuclear Science and Technology, 59(9), p.1174 - 1205, 2022/09

 被引用回数:3 パーセンタイル:84.2(Nuclear Science & Technology)

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)は、最大1MWの大強度ビームを25Hzという早い繰り返しで中性子実験及び下流の主リングシンクロトロンに供給することを目的に設計された。2007年の加速器調整運転開始以降、RCSではビーム試験を通じて加速器の設計性能が満たされているかの確認を進め、必要に応じてより安定に運転するための改善を行ってきた。その結果として、近年RCSは1MWのビーム出力で連続運転を行うことが可能となり、共用運転に向けた最後の課題の抽出と対策の検討が進められている。本論文ではRCSの設計方針と実際の性能、および改善点について議論する。


Development of a neutron scintillator for a compact NRTA system, 2

Lee, J.; 弘中 浩太; 伊藤 史哲*; 高橋 時音; 小泉 光生; 堀 順一*; 寺田 和司*

KURNS Progress Report 2021, P. 97, 2022/07




弘中 浩太; 伊藤 史哲*; Lee, J.; 小泉 光生; 高橋 時音; 鈴木 敏*; 余語 覚文*; 有川 安信*; 安部 勇輝*

第42回日本核物質管理学会年次大会会議論文集(インターネット), 4 Pages, 2021/11



Detecting halfmetallic electronic structures of spintronic materials in a magnetic field

藤原 秀紀*; 梅津 理恵*; 黒田 文彬*; 宮脇 淳*; 樫内 利幸*; 西本 幸平*; 永井 浩大*; 関山 明*; 入澤 明典*; 竹田 幸治; et al.

Scientific Reports (Internet), 11(1), p.18654_1 - 18654_9, 2021/09

 被引用回数:0 パーセンタイル:0(Multidisciplinary Sciences)

Band-gap engineering is one of the fundamental techniques in semiconductor technology. To fully utilize the spintronic material, it is essential to optimize the spin-dependent electronic structure in operando conditions by applying the magnetic and/or electric fields. Here we present a new spectroscopic technique to probe the spin-polarized electronic structures by using magnetic circular dichroism (MCD) in resonant inelastic soft X-ray scattering (RIXS) under an external magnetic field. Thanks to the spin-selective dipole-allowed transitions in the RIXS-MCD, we have successfully demonstrated the direct evidence of the perfectly spin-polarized electronic structures for the prototypical halfmetallic Heusller alloy, Co$$_{2}$$MnSi. The RIXS-MCD is a promising tool to probe the spin-dependent carriers and band-gap with element specific way induced in buried magnetic layers under operando conditions.


Development of a neutron sintillator for a compact NRTA system

伊藤 史哲*; Lee, J.; 弘中 浩太; 高橋 時音; 鈴木 敏*; 堀 順一*; 寺田 和司*; 小泉 光生

KURNS Progress Report 2020, P. 98, 2021/08



Image-based view selection for shape comparison of mode water regions in virtual reality spaces

矢野 緑里; 伊藤 貴之*; 田中 裕介*; 松岡 大祐*; 荒木 文明*; Czauderna, T.*; Stephens, K.*

Proceedings of Joint International Conference on Supercomputing in Nuclear Applications + Monte Carlo 2020 (SNA + MC 2020), p.201 - 208, 2020/10



Electronic structure and magnetic properties of the half-metallic ferrimagnet Mn$$_{2}$$VAl probed by soft X-ray spectroscopies

永井 浩大*; 藤原 秀紀*; 荒谷 秀和*; 藤岡 修平*; 右衛門佐 寛*; 中谷 泰博*; 木須 孝幸*; 関山 明*; 黒田 文彬*; 藤井 将*; et al.

Physical Review B, 97(3), p.035143_1 - 035143_8, 2018/01


 被引用回数:21 パーセンタイル:72.83(Materials Science, Multidisciplinary)

フェリ磁性体Mn$$_{2}$$VAl単結晶の電子構造を軟X線吸収磁気円二色性(XMCD)、軟X線共鳴非弾性散乱(RIX)によって調べた。全ての構成元素のXMCD信号を観測した。Mn L$$_{2,3}$$ XMCDの結果は、密度汎関数理論を基にしたスペクトル計算により再現でき、Mn 3$$d$$状態の遍歴的性質が明らかとなった。V L$$_{2,3}$$XMCDの結果はイオンモデル計算によって定性的に説明され、V 3$$d$$電子はかなり局在的である。この描像は、V L$$_{3}$$ RIXSで明らかとなった局所的な$$dd$$遷移と矛盾しない。


Detailed deposition density maps constructed by large-scale soil sampling for $$gamma$$-ray emitting radioactive nuclides from the Fukushima Dai-ichi Nuclear Power Plant accident

斎藤 公明; 谷畑 勇夫*; 藤原 守; 齊藤 敬*; 下浦 享*; 大塚 孝治*; 恩田 裕一*; 星 正治*; 池内 嘉宏*; 高橋 史明; et al.

Journal of Environmental Radioactivity, 139, p.308 - 319, 2015/01

 被引用回数:216 パーセンタイル:98.88(Environmental Sciences)

The soil deposition density maps of $$gamma$$-ray emitting radioactive nuclides from the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant (NPP) accident were constructed on the basis of the results from large-scale soil sampling. The 10,915 soil samples were collected at 2,168 locations. $$gamma$$-rays emitted from the samples were measured by Ge detectors and analyzed using a reliable unified method. The determined radioactivity was corrected to that as of June 14, 2011 by taking into account the intrinsic decay constant of each nuclide. Finally the maps were created for $$^{134}$$Cs, $$^{137}$$Cs, $$^{131}$$I, $$^{rm 129m}$$Te and $$^{rm 110m}$$Ag. The radioactivity ratio of $$^{134}$$Cs to $$^{137}$$Cs was almost constant as 0.91 irrelevant to the soil sampling location. Effective doses for 50 years after the accident were evaluated for external and inhalation exposures due to the observed radioactive nuclides. The radiation doses from radioactive cesium were found to be much higher than those from other radioactive nuclides.


Measurement of air dose rates over a wide area around the Fukushima Dai-ichi Nuclear Power Plant through a series of car-borne surveys

安藤 真樹; 中原 由紀夫; 津田 修一; 吉田 忠義; 松田 規宏; 高橋 史明; 三上 智; 木内 伸幸; 佐藤 哲朗*; 谷垣 実*; et al.

Journal of Environmental Radioactivity, 139, p.266 - 280, 2015/01

 被引用回数:49 パーセンタイル:83.37(Environmental Sciences)




小栗 英知; 長谷川 和男; 伊藤 崇; 千代 悦司; 平野 耕一郎; 森下 卓俊; 篠崎 信一; 青 寛幸; 大越 清紀; 近藤 恭弘; et al.

Proceedings of 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.389 - 393, 2014/10




川村 真人*; 千代 悦司; 堀 利彦; 篠崎 信一; 佐藤 文明; 福井 佑治*; 二ツ川 健太*; 山崎 正義*; 佐川 隆*; 宮嶋 教至*; et al.

Proceedings of 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.605 - 607, 2014/06

J-PARCリニアック用クライストロン電源システムについて、過去1年間の運転状況等を報告する。181MeVリニアック運転対応として、2012年9月下旬より2013年5月下旬まで、年末年始の中断や、スケジュール化されたメンテナンス等を除き連続運転を行った。その間、AVR盤内制御線等のノイズ対策不備、アノード変調器内の電極部接触不良等の不具合による運転の中断があり、不具合の考察と対策などを行った。運転と並行して、2012年7月初めまで運転していたアノード変調器のうち、未改修分15台を改修して放電対策を施した。エネルギー増強対応として、震災により中断していた972MHzテストスタンドの再立上げ、HVDCPS#10とACS#16ステーション、HVDCPS#11とACS#17ステーションの立上げを行った。エネルギー増強対応の機器については、972MHzテストスタンドを6月18日に運転再開し、ACS#16, #17の両ステーションも近日運転を再開する予定である。



二ツ川 健太*; 池上 雅紀*; 伊藤 雄一; 菊澤 信宏; 佐藤 文明; 篠崎 信一; 鈴木 隆洋*; 千代 悦司; 平野 耕一郎; Fang, Z.*; et al.

Proceedings of 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1149 - 1153, 2014/06

J-PARCリニアックでは、MEBT部に2つの空胴で構成されたRFチョッパを導入し、不要なビームをRFで蹴り出すことにより櫛形構造を持つ中間パルスを生成して、RCSへ入射している。RFチョッパの高周波の立上り・立下り時の過渡領域のビームは、半端に蹴り 出されるために下流でのビーム損失の原因となり得る。そこで、RFチョッパには、素早い応答性が要求され、Q値の低い空胴と帯域の広い半導体アンプが採用されている。しかし、以前のシステムでは2つのチョッパ空胴をU字型の同軸管で直列に接続し、1つの高周波源で運用していたこともあり、高周波の立下り時に大きなリンギングが見られた。そこで、2012年の夏季シャットダウン中に、新たに半導体アンプを追加し高周波源を2台体制にして、各空胴を独立にドライブするシステムに改造した。その結果、立下り時のリンギングは小さくなり、ビーム電流15mAの条件下で立上り・立下り時間が約20nsecを達成した。現在は、半導体アンプが故障したために、以前の直列接続のシステムに戻っているが、本講演では2台体制の並列接続システムの成果について発表を行う。



二ツ川 健太*; 伊藤 雄一; 菊澤 信宏; 小林 鉄也*; 佐藤 文明; 篠崎 信一; 鈴木 隆洋*; Fang, Z.*; 福井 佑治*; 道園 真一郎*

Proceedings of 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1126 - 1129, 2014/06

J-PARC加速器全体のタイミングシステムとして、12MHzクロック, 50Hzトリガ, タイプコードと呼ばれる制御ワード信号の3種類の信号が使用されている。それらの信号は、中央制御室で生成され、光信号で各加速器施設に分配される。リニアックでも、地上部のクライストロンギャラリの上流部で各信号を受け取り、そこで分岐され、各ステーションに分配される。ただし、ここでの分岐・分配システムは、光信号をO/Eモジュールで受信して電気信号に変換し、FANOUTモジュールを使用して電気的に分岐、それの信号をE/Oモジュールで再度光信号に変換して各ステーションに分配するという非効率的な構成となっていた。ここでは、多大なモジュール数を必要としたために度々の故障事例があり、隣には温度に敏感なLLRFのラックが納入されていたこともあり排熱などが問題になった。そこで、2013年の夏季シャットダウン中に光アンプと光カプラを使用したシステムを導入する予定である。この導入によりシンプルなシステム構成となり、トラブル数を低減できると期待できる。


Development of radionuclide distribution database and map system on the Fukushima nuclear accident

関 暁之; 武宮 博; 高橋 史明; 斎藤 公明; 田中 圭*; 高橋 悠*; 竹村 和広*; 津澤 正晴*

Progress in Nuclear Science and Technology (Internet), 4, p.47 - 50, 2014/04


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