Improvement of neutron diffraction at compact accelerator-driven neutron source RANS using peak profile deconvolution and delayed neutron reduction for stress measurements

岩本 ちひろ*; 高村 正人*; 上野 孝太*; 片岡 美波*; 栗原 諒*; 徐 平光; 大竹 淑恵*

ISIJ International, 62(5), p.1013 - 1022, 2022/05

https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2021-420

Neutron diffraction is a powerful non-destructive method for evaluating the microscopic structure and internal stress of metal plates as a bulk average. Precise neutron diffraction measurements with a high intensity neutron beam have already been carried out at large-scale neutron facilities. However, it is not easy to provide users with enough experimental opportunities. We are working on upgrading the neutron diffractometer with techniques of time-of-flight to enable stress measurements at RIKEN accelerator-driven compact neutron source (RANS). To improve neutron diffraction resolution, delayed neutrons, which expand neutron beam pulse width, should be suppressed. However, it is difficult to separate the delayed neutrons experimentally. In this study, a new analysis method has been proposed to deconvolute the diffraction peak from the delayed neutron component. Moreover, a new collimator system, called decoupled collimator system, has been developed to reduce the number of delayed neutrons. The diffraction patterns from a powder sample of pure body-centered cubic iron were measured with the decoupled collimator and the diffraction peak of {211} reflection was analyzed by the new analysis method using a model function of a single exponential decay function convoluted with a Gaussian function. By this method, the decoupled collimator system has been confirmed to achieve a smaller measurement limit of lattice strain than a small-aperture polyethylene collimator system and a non-collimator system. The currently available was 6.710, this means that the internal stress up to 130 MPa can be well evaluated for steel materials with a Young's modulus of 200 GPa at RANS.

Partial photoneutron cross sections for Pb

近藤 壮雄*; 宇都宮 弘章*; Goriely, S.*; 岩本 ちひろ*; 秋宗 秀俊*; 山形 民穂*; 豊川 弘之*; 原田 秀郎; 北谷 文人; Lui, Y.-W.*; et al.

Nuclear Data Sheets, 119, p.310 - 313, 2014/05

https://doi.org/10.1016/j.nds.2014.08.085

Using linearly-polarized laser-Compton scattering -rays, partial E1 and M1 photoneutron cross sections along with total cross sections were determined for Pb at four energies near threshold by measuring anisotropies in photoneutron emission. Separately, total photoneutron cross sections were measured for Pb with a high-efficiency 4 neutron detector. The partial cross section measurement provides direct evidence for the presence of pygmy dipole resonance (PDR) in Pb near the neutron threshold. The strength of PDR amounts to 0.32% - 0.42% of the Thomas-Reiche-Kuhn sum rule. Several units of B(M1) strength were observed in Pb just above neutron threshold, which correspond to M1 cross sections less than 10% of the total photoneutron cross sections.

-ray strength function method; A Way from photoneutron emission to radiative neutron capture

宇都宮 弘章*; 秋宗 秀俊*; 山県 民穂*; 岩本 ちひろ*; Goriely, S.*; Daoutidis, I.*; 豊川 弘之*; 原田 秀郎; 北谷 文人; 岩本 信之; et al.

Proceedings of 14th International Symposium on Capture -Ray Spectroscopy and Related Topics, p.505 - 514, 2013/05

Radiative neutron capture cross section are of direct relevance for the synthesis of heavy elements referred to as the s-process and the r-process in nuclear astrophysics and constitute basic data in the field of nuclear engineering. The surrogate reaction technique is in active use to indirectly determine radiative neutron capture cross sections for unstable nuclei. We have devised an indirect method alternative to the surrogate reaction technique on the basis of the -ray strength function (-SF), a nuclear statistical quantity that interconnects photoneutron emission and radiative neutron capture in Hauser-Feshbach model calculation. The primary strength of the -SF is low-energy E1 strength in the tail of GDR. We outline the -SF method and show application of the method to Zr, Pd and Sn isotopes. In the application of the -SF method, it is important to use -SF, which incorporates extra strengths of PDR and/or M1 resonance emerging around neutron threshold.

汎用小型試験研究炉の概念検討; 平成22年度活動報告(共同研究)

今泉 友見; 宮内 優; 伊藤 正泰; 綿引 俊介; 永田 寛; 花川 裕規; 那珂 通裕; 川又 一夫; 山浦 高幸; 井手 広史; et al.

JAEA-Technology 2011-031, 123 Pages, 2012/01

JAEA-Technology-2011-031.pdf:16.08MB

世界の試験研究炉は、老朽化に伴う廃炉により減少しているが、その一方でアジア諸国においては、原子力発電の導入計画が相次いでいる。このようなアジア諸国では、原子力発電所を建設した後の運転管理ができる技術者の育成が課題となっていると同時に、自国における原子力技術を高めるため、軽水炉の長期化対策,科学技術の向上,産業利用及び原子力人材育成のための試験研究炉の必要性が高まっている。このような背景から、照射試験炉センターにおいては、今後、発電用原子炉を導入する国に向け、各種照射利用や教育訓練に用いる試験研究炉の基本概念検討を開始した。設計活動を通じた本検討は、照射試験炉センターにおける試験研究炉の設計に必要な計算コードなどの環境の整備及び人材育成に貢献するとともに、本概念検討に共同研究として参加する原子力関連会社の試験研究炉にかかわる技術力の維持,向上にも貢献することが期待される。本報告は、平成22年度に設置された「照射試験炉センター汎用小型試験研究炉WG(ワーキンググループ)」と原子力関連会社が行った平成22年7月平成23年6月までの試験研究炉の概念検討結果について取りまとめたものである。

The SF method

宇都宮 弘章*; Goriely, S.*; 秋宗 秀俊*; 山形 民穂*; 近藤 壮雄*; 岩本 ちひろ*; 岡本 明之*; 原田 秀郎; 北谷 文人; 後神 進史*; et al.

AIP Conference Proceedings 1377, p.255 - 259, 2011/10

https://doi.org/10.1063/1.3628388

The -ray strength function (SF) interconnects radiative neutron capture and photoneutron emission as a common ingredient in the statistical model. Outlined here is an indirect method of determining radiative neutron-capture cross sections for unstable nuclei based on the -ray strength function. Application examples of the SF method are demonstrated.

Striking behavior of photoneutron cross sections for Zr near threshold

宇都宮 弘章*; Goriely, S.*; 秋宗 秀俊*; 山形 民穂*; 近藤 壮雄*; 岩本 ちひろ*; 伊藤 修*; 鎌田 正輝*; 井尾 雅則*; 楠瀬 幸一*; et al.

AIP Conference Proceedings 1377, p.447 - 449, 2010/10

https://doi.org/10.1063/1.3628441

Photoneutron cross sections for Zr near neutron threshold were examined with a photon difference technique using laser Compton scattering -ray beams. The cross section decreasing in the vicinity of neutron threshold exhibited a steep rise within 150 keV above the threshold. We draw attention to a possible relation of this striking behavior to the 3P valence neutron resonance known in neutron capture in the mass region A 90.

小型中性子源を用いた鉄鋼材料の応力測定実現のための飛行時間型中性子回折測定手法の開発

岩本 ちひろ*; 栗原 諒*; 高村 正人*; 高橋 進*; 鈴木 康介*; 徐 平光; 大竹 淑恵*

no journal, , 

中性子回折測定は、鉄鋼材料に溶接加工や鍛造加工を施した際に発生する残留応力を非破壊かつ定量的に測定できる最適な手法である。小型中性子源による中性子回折測定の実現は、このような測定のものづくり現場でのオンサイト測定を可能にし、材料加工研究開発のさらなる加速要望に応えるために必須である。一方で、中性子回折による応力測定には、回折線ピークの微小なシフトを測定するために高い回折線測定分解能が必要である。回折線分解能向上のためには、チョッパー機構やポイズンモデレータなどの短パルス化デバイス導入が一般的である。しかしながら、これらのデバイスは、ビーム強度の低下に直結し、かつ追加遮蔽導入によるシステムの大型化にもつながるため、中性子ビーム強度の低い小型中性子源の現場導入を前提とした開発には不向きである。本研究では、線源より下流側で中性子ビームの長パルス化を引き起こす"遅延中性子"に着目し、中性子ビーム強度と回折線測定分解能の間のトレードオフの関係を打開するための2つの開発を行なった。ひとつは、遅延中性子の発生を防ぐ非結合型コリメータシステムの開発、もうひとつは遅延中性子による長パルス化の影響を分離できる新しい回折線フィッティング関数を導入した解析法である。理化学研究所の小型加速器中性子源RANSのビームラインで、これらの手法を取り入れて、S45C試料に応力を付加させた既知応力サンプルからの中性子回折線を測定した。その結果500MPaの圧縮応力を格子ひずみから同定することに成功した。

Development of time-of-flight neutron diffraction technique based on compact neutron source for realizing the stress measurement of steel materials

岩本 ちひろ*; 栗原 諒*; 高村 正人*; 高橋 進*; 鈴木 康介*; 徐 平光; 大竹 淑恵*

no journal, , 

Neutron diffraction is a powerful non-destructive method for evaluating the microscopic structure and internal stress of metal as a bulk average. To implement on-site stress measurements via the neutron diffraction at laboratories and factories frequently and even daily, we are working on improving the method of the neutron diffraction measurement and analysis with techniques of time-of-flight to at RIKEN accelerator-driven compact neutron source (RANS). In this study, we have proposed two methods to improve the determination resolution of the diffraction peak position by focusing on delayed neutrons due to scattering from devices such as reflector surrounding the moderator and the polyethylene collimator. First, an analysis method has been proposed to deconvolute original diffraction peak from the delayed neutron component by defining a model function describing the delayed neutron shape. Second, a new collimator system, called decouple collimator, to reduce the number of delayed neutrons has been developed. In this presentation, we will show following two results: First, the performances of these new methods were evaluated to measure diffraction patterns from a powder sample of pure body-centered cubic iron with the decouple collomator, and to analyze the diffraction peak of {211} reflection by the new analysis method using a model function of a single exponential decay function convoluted with a Gaussian function. The diffracted neutron yield increased by a factor of 2 comapred with a traditional small-apperture polyethylene collimator system while the diffraction peak was successfully separated clearly from the delayed neutron component. Second, a trial stress measurement of a carbon steel specimen applied to as-known compressive stress was performed. At present, the applied stress can be measured with an error of up to 200 MPa for the specimen with applied stress of 500 MPa.

小型中性子源を用いた飛行時間法応力測定の装置分解能を改善するための数値計算

山本 和喜; 徐 平光; 岩本 ちひろ*; 樹神 克明; 大竹 淑恵*; 菖蒲 敬久

no journal, , 

理化学研究所のRANSをベースとした中性子回折装置の開発を進めている。これまでの先行実験研究からRANSの現在の装置分解能は応力測定に対し十分な信頼性があるとは言えず、中性子輸送シミュレーション及び回折光学系に関連する解析を用いて、分解能の向上のための改善策を調査してきた。装置分解能を低下させる要因はいくつかあるが、そのうちの2つが検出器の配置に関係していることが分かった。1つは検出器の位置分解能()によるもので、もう1つはモデレータ固有の時間減衰特性()によるものである。また、中性子パルスは陽子パルスより遅れるため、中性子輸送計算によりその遅れ時間を評価し、測定した飛行時間から遅延時間分を控除することで正確に補正する方法を考案した。さらに、大面積検出器を高回折角側(2 90)に配置した場合及び中性子ビーム軸と平行(2 = 90)に配置した場合の回折スペクトルを、McStasを用いて計算した。定量的な比較から、検出器を高回折角側に配置することにより、装置分解能が明らかに向上することが分かった。今後、今回提案する機器配置で実証実験を行い改善の効果を評価する。

Development of an irradiation test system for basic material studies

相馬 康孝; 山下 真一郎; 長谷川 晃*; 近藤 創介*; 伊藤 正俊*; 岩本 ちひろ*

no journal, , 

事故耐性燃料(先進技術燃料:ATF)の開発には、試験炉照射が必要であるが、試験炉照射は海外に依存し、高コストなどの問題を有していることから、代替となる加速器照射技術の開発が必要である。本研究では、ATF材料研究のための加速器ベース照射試験システムの開発を実施した。装置開発は東北大学金属材料研究所、および東北大学先端量子ビーム科学研究センター(RARiS)と共同で実施し、開発された装置(イオン照射下腐食試験装置(T-SIC))はRARiSに設置された。本装置はプロトン照射と高温水腐食を同時に行うことが可能であり、従来の逐次試験では再現できない放射線誘起酸化・溶解現象を再現できる可能性がある。また、本装置はCr被覆ジルカロイ試験片を対象に設計され、照射下での電気化学測定も可能とする予定である。2025年3月に20MeVプロトンを用いた照射試験を実施し、ビーム輸送が正常に行われ、試験片にビームが照射されていることを確認し、装置の成立性を実証した。今後は装置性能の改良、短時間照射による試験片放射化評価、さらにはその場測定機能の検証を進める予定である。