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論文

Compton scattering of quasi-monochromatic $$gamma$$-ray beam

Omer, M.; 静間 俊行*; 羽島 良一*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 951, p.162998_1 - 162998_6, 2020/01

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

Compton scattering of a single-energy $$gamma$$-ray results in a one-to-one relationship between the incident and scattered photon energies. This relationship is altered when the incident beam has a definite energy distribution because of the broadening occurring in the energy distribution upon Compton scattering. This broadening causes a change in the spectral density of the Compton-scattered spectra. To restore the spectral density, the energy distribution of the scattered radiation must be manifested as a function of the scattering kinematics. Here, we propose a simple analytic way to calculate the energy spread of the scattered photons in terms of the geometry of the scattering process and the energy spread of the incident photon beam. The predictions of the model agree with measurements of Compton scattering of quasi-monochromatic $$gamma$$-ray beams, carried out at the High Intensity $$gamma$$-ray Source (HI$$gamma$$S) facility, Duke University. As a benchmark of our method, we measured the intensity profile of energy-distributed $$gamma$$-ray beams by direct measurements as well as by Compton scattering. We found that only when the spectral density of the scattered radiation is restored, the measured intensity profile agrees with the actual profile of the incident beam. The proposed method can continuously measure the flux of an energy-distributed $$gamma$$-ray beams in the real time and on a bin-by-bin basis. Such online monitoring of $$gamma$$-ray beams is indispensable for in-beam measurements and applications. This work was supported by the subsidiary for promotion of strengthening nuclear security or the like of the Ministry of Education, Culture, Sports, Science, and Technology (MEXT), Japan.

論文

Validating polarization effects in $$gamma$$-rays elastic scattering by Monte Carlo simulation

Omer, M.; 羽島 良一*

New Journal of Physics (Internet), 21(11), p.113006_1 - 113006_10, 2019/11

 被引用回数:1 パーセンタイル:63.01(Physics, Multidisciplinary)

Nuclear resonance fluorescence (NRF) is a promising technique for nondestructive assay (NDA) of nuclear materials. Its strength is improved when polarized $$gamma$$-ray beams are used as probes because the polarized $$gamma$$-rays provide an asymmetry in the intensity of the scattered photons. Nonetheless, NRF interaction takes place with other interactions such as elastic scattering of $$gamma$$-rays. These interactions are unavoidable background which may limit the sensitivity of the NRF technique. Therefore, estimating polarization effects of elastic scattering is a significant factor in assessing the NRF method. Here, we implement a new Monte Carlo simulation to account for polarization effects of the elastic scattering. The simulation is based on explicit expressions driven in the Stokes parameters formalism. The scattering amplitudes of Rayleigh, nuclear Thomson, and Delbr${"u}$ck scattering processes have been superimposed into a two-orthogonal set of complex amplitudes. This set is then exploited to construct the core of the simulation in a way such that the simulation could handle arbitrary polarization states of the incoming beam and correspondingly generate polarization states for the outgoing beam. This work was supported by the subsidiary for promotion of strengthening nuclear security or the like of the Ministry of Education, Culture, Sports, Science, and Technology (MEXT), Japan.

論文

Testing enrichment meter based on nuclear resonance fluorescence

Omer, M.; 静間 俊行*; 羽島 良一*; 小泉 光生

日本核物質管理学会第40回年次大会プロシーディングス集, p.59 - 62, 2019/11

Nuclear resonance fluorescence (NRF) is a phenomenon that a nuclide-specific $$gamma$$-ray is resonantly absorbed and re-emitted. This method is considered useful for the nondestructive detection of nuclear materials. In order to demonstrate how accurate the NRF method is able to measure the isotopic abundance, we performed NRF experiments on natural tungsten as a surrogate of nuclear materials at the High Intensity $$gamma$$-ray Source (HI$$gamma$$S) facility, Duke University. Our results show that the relative deviations between the reference and measured abundances are less than $$pm$$ 4%. This work was supported by the subsidiary for promotion of strengthening nuclear security or the like of the Ministry of Education, Culture, Sports, Science, and Technology (MEXT), Japan.

論文

Spin and parity determination of the 3.004-MeV level in $$^{27}$$Al; Its low-lying multiplet structure

静間 俊行*; Omer, M.; 羽島 良一*; 清水 則孝*; 宇都野 穣

Physical Review C, 100(1), p.014307_1 - 014307_6, 2019/07

 被引用回数:2 パーセンタイル:38.3(Physics, Nuclear)

Nuclear resonance fluorescence (NRF) is a promising technique for the nondestructive assay (NDA) of nuclear materials. One of the features of the NRF is the angular distribution of the emitted photons in response to a linearly polarized incident beam. Here we irradiate the calibration standard of $$^{27}$$Al to linearly polarized beam. The spin and parity of the 3.004-MeV level in $$^{27}$$Al have been determined by measuring the angular correlation function of radiation emitted from levels populated by resonant absorption of polarized photons. The nuclear resonance fluorescence experiments were carried out at the High Intensity $$gamma$$-ray Source (HI$$gamma$$S) facility at Duke University using quasi-monoenergetic linearly polarized photon beams. The spin and parity of levels in $$^{27}$$Al were deduced from a comparison of the measured angular distribution ratios and azimuthal intensity asymmetries with theoretical predictions. The observed resonance properties were compared with shell model calculations using the universal sd interaction. The Monte Carlo shell model calculations were also performed to investigate low-energy structure of $$^{27}$$Al. This work was supported by the subsidiary for promotion of strengthening nuclear security or the like of the Ministry of Education, Culture, Sports, Science, and Technology (MEXT), Japan.

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ガンマ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ガンマ線の弾性散乱(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、その一環としてガンマ線の弾性散乱がNRF測定に及ぼす影響を評価するために、Geant4にガンマ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ガンマ線弾性散乱断面積、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:3 パーセンタイル:49.25(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

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

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

Analysis of nuclear resonance fluorescence excitation measured with LaBr$$_{3}$$(Ce) detectors near 2 MeV

Omer, M.*; Negm, H.*; 大垣 英明*; 大東 出*; 早川 岳人; Bakr, M.*; Zen, H.*; 堀 利匡*; 紀井 俊輝*; 増田 開*; et al.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 729, p.102 - 107, 2013/11

 被引用回数:5 パーセンタイル:52.9(Instruments & Instrumentation)

LaBr$$_{3}$$(Ce)シンチレータ検出器による原子核共鳴蛍光散乱(NRF)の測定性能を、ゲルマニウム検出器と比較して議論した。多くの核物質が励起準位をもつ2MeV領域に着目した。Duke大学の高強度$$gamma$$線施設(HIGS)において、2.12MeV$$gamma$$線をB$$_{4}$$C試料に照射し、$$^{11}$$Bの共鳴を測定した。測定データに対してSNIPアルゴリズムによるバックグラウンドの処理を行い、LaBr$$_{3}$$(Ce)検出器の測定限界を求めた。

論文

Nuclear resonance fluorescence of $$^{235}$$U measured with high-resolution LaBr$$_3$$(Ce) scintillation detectors

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

Japanese Journal of Applied Physics, 52(10), p.106401_1 - 106401_4, 2013/10

 被引用回数:6 パーセンタイル:66.96(Physics, Applied)

Duke大学の高強度$$gamma$$線施設(HIGS)からのエネルギー1733keVの準単色$$gamma$$線ビームを用いて、$$^{235}$$Uの原子核共鳴蛍光散乱(NRF)の測定を行った。検出器として、LaBr$$_{3}$$(Ce)シンチレータ(長さ7.62cm、直径3.81cm)を8本組み合わせたアレイを用いた。また、4本のゲルマニウム検出器(相対効率60%)を比較のために用いた。LaBr$$_3$$(Ce)で測定したNRFの積分断面積が、過去のデータとよく一致することを確認した。

論文

Non-equilibrium intergranular segregation and embrittlement in neutron-irradiated ferritic alloys

亀田 純*; 西山 裕孝; Bloomer, T. E.*

Surface and Interface Analysis, 31(7), p.522 - 531, 2001/07

 被引用回数:9 パーセンタイル:71.93(Chemistry, Physical)

Mn, P, S, Cuを添加した鉄基モデル合金について、熱時効、中性子照射、中性子照射後焼鈍(PIA)による不純物元素の粒界偏析と粒界脆化の検討を行った。熱時効においては、主としてSの偏析が生じ、中性子照射においては、SよりもPの偏析が優勢となるとともに、粒界のCの涸渇が生じた。PIAの結果を用いた速度論的解析から、中性子照射によるPの偏析は格子間原子との複合体により誘起され、Sの偏析は、照射により導入された空孔によって加速されることを明らかにした。これら中性子照射による不純物元素の非平衡粒界偏析について、固溶元素と照射欠陥の相互作用、及び中性子照射による粒界偏析サイト数の変化の観点等からの考察を行った。また、粒界偏析濃度の変化及び照射硬化と延性脆性遷移温度の関係を求めた。

口頭

核物質検知のための$$gamma$$線生成

早川 岳人; 大東 出; 神門 正城; 静間 俊行; 羽島 良一; Angell, C.; 大垣 英明*; Omer, M.*

no journal, , 

国際的な核不拡散の一環として、意図的に隠蔽した数kg単位の量の核物質の非破壊検査技術が求められている。例えば、核物質の密輸出入を防ぐために海上コンテナ中に隠蔽されている核物質の非破壊検知技術が必要である。準単色のレーザー・コンプトン散乱$$gamma$$線による核共鳴蛍光散乱による非破壊分析装置が提案されている。そのためには、港湾等に設置可能な産業技術レベルのレーザー・コンプトン散乱$$gamma$$線発生装置が必要であり、科学技術戦略推進費事業の一環として開発を行っている。本発表では、その概要について説明する。

口頭

Nuclear resonance fluorescence in U-238 using LaBr detectors for nuclear security

早川 岳人; Negm, H.*; 大垣 英明*; 大東 出*; 紀井 俊輝*; Zen, H.*; Omer, M.*; 静間 俊行; 羽島 良一

no journal, , 

近年、核セキュリティのために$$^{235}$$Uや$$^{239}$$Puなどの遮蔽された核分裂性同位体の非破壊測定法が提案されている。これらの同位体はレーザーコンプトン散乱(LCS)で生成された単色$$gamma$$線ビームによる核共鳴蛍光(NRF)で測定される。我々はLaBr$$_{3}$$(Ce)検出器を用いて、核共鳴蛍光で散乱された$$gamma$$線を測定することを提案している。LaBr$$_{3}$$(Ce)結晶は準安定な$$^{138}$$Laや、$$^{227}$$Acのようないくつかのアクチノイドからの$$alpha$$崩壊核種を含む。2MeV前後に広い丘が存在する。この丘はいくつかの$$alpha$$線のオーバーラップに起因すると考えられているが、その微細な構造は確定していない。そこで、我々はデューク大学のHIgS装置を用いて$$^{238}$$Uの2.5MeV近傍のNRFを測定した。バックグランドはシミュレーションコードGEANT4で計算した。9個のピーク(8個のNRFピークとLCS$$gamma$$線のコンプトン散乱)が2.5MeVの200keVの幅の領域に同定された。LaBr$$_{3}$$(Ce)検出器で測定した8個の積分NRF断面積は、HPGe検出器で測定した断面積と整合性があった。3個の新しいレベルがHPGeで測定された。そのうちの2個はLaBr$$_{3}$$(Ce)検出器でも測定された。

口頭

レーザーコンプトン$$gamma$$線を用いたPb-207の核共鳴蛍光散乱実験

静間 俊行; Omer, M.; 早川 岳人; 大垣 英明*; 山口 将志*; 武元 亮頼*; 宮本 修治*

no journal, , 

高エネルギー電子とレーザー光とのコンプトン散乱によって得られるレーザーコンプトン$$gamma$$線は、単色性や直線偏光性などにおいて優れた特徴を有している。特に、核共鳴蛍光散乱では、核の励起と脱励起が電磁気的な相互作用によって生じることから、励起準位のスピンや遷移強度を核模型によらずに決定できる。また、レーザーコンプトン$$gamma$$線のもつ高い直線偏光性を利用することにより、共鳴散乱$$gamma$$線の多重極度(E1またはM1)がわかり、励起準位のパリティを高精度で決定することが可能である。兵庫県立大学・高度産業科学技術研究所のニュースバル放射光施設において、レーザーコンプトン$$gamma$$線を生成し、濃縮Pb-207標的に照射した。共鳴吸収後に放出された散乱$$gamma$$線を、相対検出効率120%及び130%の高純度ゲルマニウム検出器2台を用いて計測した。入射$$gamma$$線の偏光面を縦方向と横方向に変え、水平方向に設置したゲルマニウム検出器を用いて、入射$$gamma$$線の偏光面と散乱$$gamma$$線の放出角度の相関を測定した。本発表では、実験手法及び測定結果について報告する。

口頭

$$gamma$$線非破壊核種分析のためのGeant4の拡張

羽島 良一; Omer, M.

no journal, , 

レーザーコンプトン散乱で発生するエネルギー可変かつ単色の$$gamma$$線ビームを使った非破壊核種分析システムの設計、性能評価を行うために、モンテカルロコードGeant4の拡張を行っている。拡張の内容は、核種分析のシグナルとなる原子核共鳴蛍光散乱、バックグラウンドとなる弾性散乱(レーリー散乱、原子核トムソン散乱、デルブリュック散乱)の組み込みである。これら拡張作業の内容をシミュレーション例を交えて紹介する。

口頭

Validating elastic scattering of polarized $$gamma$$-rays

Omer, M.; 静間 俊行*; 羽島 良一*; Angell, C.*

no journal, , 

米国デューク大学でレーザーコンプトン後方散乱によって生成された直線偏光$$gamma$$線を用いて弾性散乱実験を行った。高純度Ge検出器を用いて、2MeVのエネルギーの光子のウランターゲットによる弾性散乱を測定した。本測定結果を、核共鳴蛍光散乱による同位体同定の感度改善のためのシミュレーション計算に用いる。本講演では、偏光$$gamma$$線の弾性散乱断面積の検証結果について報告する。この結果は、核共鳴蛍光散乱による同位体の同定の感度を改善するのに役立つ。

口頭

Parities of low-energy states in Hf and W isotopes

Omer, M.; 静間 俊行*; 羽島 良一*; 小泉 光生

no journal, , 

デューク大学HI$$gamma$$S施設において、レーザーコンプトン散乱によって生成された準単色$$gamma$$線ビームを用いて、HfおよびW天然ターゲットに対する2.5-3.1MeVエネルギー領域の核共鳴蛍光実験を行った。入射$$gamma$$線の偏光を利用して、このエネルギー領域の双極子準位のパリティを決定した。本実験の結果、HfおよびW核において約15準位のパリティを明らかにした。また、ウランやプルトニウムなど変形核に現れるハサミ状振動に起因するシザースモードを理解することにより、非破壊検知システムの高度化につながる知見を得た。

口頭

Improving Geant4 coherent scattering by adding nuclear Thomson and Delbr$"u$ck Processes

Omer, M.; 羽島 良一*

no journal, , 

Gean4($$gamma$$線シュミュレーションコード)に、コヒーレント散乱として現在考慮されていない物理過程を追加することを提案する。Geant4における$$gamma$$線コヒーレント散乱または弾性散乱の取り扱いは、Reyleigh (R)プロセスのみで弾性散乱全体がカバーされるものとなっている。しかし、それに競合するプロセスとして原子核Thomson(NT)プロセスやDelbr$"u$ck(D)プロセスがあり、それらを加えた散乱振幅およびそれらの干渉についても考慮する必要がある。そこで、Rの振幅を散乱行列計算に基づいて準備するとともに、D振幅は最低次のBorn近似に基づいたものを準備した。また、NTには、解析的方程式を用いた。このシミュレーションは、核共鳴蛍光散乱を利用する核物質の非破壊測定の全体プロセスをシミュレーションする場合には不可欠である。

口頭

直線偏光$$gamma$$線を用いたAl-27の核共鳴蛍光散乱実験

静間 俊行; Omer, M.; 羽島 良一; 小泉 光生

no journal, , 

Al-27は核物質の非破壊分析において、散乱強度を求める際の基準として用いるため、励起準位の共鳴幅やスピン・パリティなどの詳細な情報が必要である。そこで、直線偏光をしたレーザーコンプトン$$gamma$$線ビームを用いて、Al-27原子核の核共鳴蛍光散乱実験を行った。実験は米国デューク大学で行った。中心エネルギー3.0MeV、半値幅約4%の$$gamma$$線ビームを、Al-27ターゲットに照射し、散乱ターゲットからの共鳴散乱$$gamma$$線を高純度ゲルマニウム検出器を用いて測定し、入射$$gamma$$線の偏光面に対する散乱$$gamma$$線の角度分布を測定した。その結果、励起エネルギー3.004MeV準位の共鳴幅が7meV、スピン・パリティが9/2$$^{+}$$であることがわかった。なお、本研究開発は「核セキュリティ強化等推進事業費補助金」事業の一部である。

口頭

Implementing elastic scattering of polarized MeV-photons in Geant4

羽島 良一*; Omer, M.; 小泉 光生

no journal, , 

$$gamma$$線の弾性散乱は、核物質の非破壊分析において、共鳴蛍光散乱の競合過程であり、測定のバックグラウンドとなることから、非破壊分析装置の設計と運用においては、弾性散乱の影響を正確に評価する必要がある。われわれは、放射線輸送のモンテカルロコードとして広く用いられているGeant4について、弾性散乱を計算するコードを開発し、2017年に論文発表した。その後、偏極$$gamma$$線の弾性散乱を計算できるよう、計算コードの拡張を行い、Geant4への実装を進めている。本発表では、拡張した計算コードにおける偏極$$gamma$$線弾性散乱の計算方法、計算に用いる微分断面積データの概要、Duke大学にて実験を行い取得したベンチマークデータとの比較検証などについて報告する。なお、本研究開発は「核セキュリティ強化等推進事業費補助金」事業の一部である。

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