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。

Application of the SF method to palladium

宇都宮 弘章*; Goriely, S.*; Arteaga, D. P.*; Daoutidis, I.*; 秋宗 秀俊*; 山県 民穂*; 近藤 壮雄*; 岩本 ちひろ*; 鎌田 正輝*; 伊藤 修*; et al.

AIP Conference Proceedings 1377, p.450 - 452, 2011/10

https://doi.org/10.1063/1.3628442

Photoneutron cross sections were measured for Pd, Pd, and Pd with laser-Compton scattering -ray beams in an application of the SF method to a radioactive nucleus Pd. We present radiative neutron cross sections for Pd [6.510 y] obtained with the SF method.

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。

鉄鋼材料の集合組織測定研究に関する大型中性子施設とRIKEN小型中性子源の連携

徐 平光; 高村 正人*; 池田 義雅*; 角田 龍之介*; 高橋 進*; 箱山 智之*; 岩本 ちひろ*; 大竹 淑恵*; 鈴木 裕士

no journal, , 

自動車の軽量化のために使用されている高張力薄鋼板は、プレス成形による加工性が低いことから、生産不良が多い。そのため、プレス成形性を向上させる手段の一つとして、鋼材の集合組織制御に期待が寄せられている。実用に供される金属材料の微視組織は不均一な集合組織を有している。圧延板の加工性など金属材料のマクロな特性を議論する際には、金属材料のバルク平均の集合組織を考慮することが適切だと考えられる。中性子線を用いた集合組織測定は、高い透過性と大きなゲージ体積という特徴を生かして、加工性に直結する金属材料のバルク平均情報を容易に測定することができる。しかしながら、日本国内に限らず、世界中には、集合組織が測定できる中性子回折装置が極めて少ない。そこで、我々は研究用原子炉施設(JRR-3)の定常中性子源と大強度陽子加速器施設(J-PARC)のパルス中性子源を用いた集合組織測定技術を確立し、世界トップレベルの測定精度を有する集合組織測定装置を開発した。近年、中性子評価技術をより広く普及するため、理化学研究所が"いつでも、どこでも、手軽に利用できる"をキャッチフレーズとした小型中性子源(RANS)の開発を進めており、我々がこれまでに培ってきたノウハウを最大限に生かして、RANSを用いた粉末回折技術や集合組織測定技術の開発に挑戦してきた。本発表では、JRR-3, J-PARCおよびRANSで開発した鉄鋼材料の集合組織測定技術を簡単に紹介するとともに、中性子回折による集合組織測定研究に関して大型中性子施設と小型中性子源との連携案について議論する。

Progress of bulk texture measurement techniques using various neutron sources towards widespread materials evaluation

徐 平光; 山本 和喜; Harjo, S.; 菖蒲 敬久; 岩本 ちひろ*; 高村 正人*; 大竹 淑恵*; 小貫 祐介*; 佐藤 成男*; Liss, K.-D.*

no journal, , 

Texture as crystallographic preferred orientation of polycrystalline materials has attracted broad attention due to its important effects on mechanical and physical characteristics. Within both metals and ceramics, widespread applications of texture involve capabilities and simulations in sheet forming, additive manufacturing, while rocks and minerals also demonstrate such feature due to forming processes within the earth. Neutron diffraction can collect high statistical diffractograms due to an excellent penetration and a coarse beam spot, valuable for bulk investigations of microstructural changes and a characteristic response from polycrystalline materials. However, the available neutron instruments are quite limited in the world. We have developed various neutron texture measurement techniques using RESA at JRR-3, TAKUMI and iMATERIA at J-PARC, WOMBAT at ANSTO, and RANS at RIKEN, and obtained the following consensus: for a steady neutron source, the utilization of large area curved detectors together with multiple wavelengths texture analysis technique enables rapid and high precision angle dispersive neutron diffraction measurement; for a pulsed neutron source, the utilization of an optimized detector optical system with proper stereographic angle resolution (2) and instrumental resolution (d/d) is much more valuable for improving the reliability of the time-of-flight neutron diffraction measurement, enabling the orientation feature of tiny amounts of a second phase in a round robin textured limestone sample has been recognized satisfactorily. For a compact neutron source, the selective usage of a high signal-to-noise ratio as well as the wavelength ranges of the time-of-flight neutron diffraction patterns obtained from an in-house texture measurement are effective to reduce the diffraction uncertainty during Rietveld texture analysis, improving instrumental accessibility for on-site applications.

Energy resolution evaluation of decoupled neutron moderator for stress measurements via neutron diffraction with compact neutron source

角田 龍之介*; 高村 正人*; 徐 平光; 岩本 ちひろ*; 高梨 宇宙*; 大竹 淑恵*; 栗原 諒*; 高橋 進*; 鈴木 裕士

no journal, , 

During the production of high-strength steel structural parts, the residual stress is necessary to be well controlled for the better dimensional accuracy and the longer service life. The neutron diffraction measurement is a good candidate to monitor the microscopic lattice strain of polycrystalline materials in bulk average. RANS (Riken Accelerator-driven Compact Neutron Source) has been developed and upgraded aiming at in-house, on-site and on-demand measurements to meet with industrial needs. Recently, the phase volume fractions and the bulk textures of steel materials have been measured successfully at RANS. In order to measure the lattice strain at RANS, it is required to improve the energy resolution to observe slight peak shift, and the decoupled moderator is thought as a good solution method for that. In this study, a new decoupled moderator consisting of polyethylene with 20 cmm thickness and BC rubber was designed and fabricated, and its neutron beam characteristic was investigated in order to improve the time energy resolution to realize in-house neutron stress measurement at RANS. Here, the preliminary results of the resolutions comparing between the new decoupled moderator and the traditional coupled moderators with 20 and 40 mm thickness polyethylene will be reported together with the scattering angle dependent instrumental resolution of the linear neutron position-sensitive detector.