Experimental validation of the brightness distribution on the surfaces of coupled and decoupled moderators composed of 99.8% parahydrogen at the J-PARC pulsed spallation neutron source

原田 正英; 勅使河原 誠; 大井 元貴; Klinkby, E.*; Zanini, L.*; Batkov, K.*; 及川 健一; 藤 暢輔; 木村 敦; 池田 裕二郎

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 903, p.38 - 45, 2018/09

https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.06.011

At the J-PARC pulsed spallation neutron source, liquid hydrogen moderators composed of 99.8% parahydrogen associated with light-water premoderator have been providing high intensity cold and thermal neutron beams. In the design stage, simulations have shown not only high total neutron intensity in the coupled moderator but also a local neutron-brightness increase at the edges. The edge-effect-brightness increase is also exploited in the design of the European Spallation Source (ESS) moderators, which are based on 99.8% parahydrogen, but thin (thickness: 3 cm) to enhance the neutron brightness. In this study, the spatial distribution of the neutron brightness at the surface of the coupled moderator in the J-PARC pulsed spallation neutron source was directly measured with the pinhole geometry to validate the calculated edge-brightness enhancement. The brightness distribution at the moderator surface was clearly observed as predicted by a Monte Carlo simulation, proving the validity of the simulation tools used in the design-optimization process of the J-PARC and ESS moderator.

Deterioration of pulse characteristics and burn-up effects with an engineering model in Japanese spallation neutron source

原田 正英; 渡辺 昇; 勅使河原 誠; 甲斐 哲也; 前川 藤夫; 加藤 崇; 池田 裕二郎

LA-UR-06-3904, Vol.2, p.700 - 709, 2006/06

JSNSにおいて、全ての中性子ビームラインに対するパルス特性データは、装置設計において不可欠である。詳細な計算モデルを構築し、PHITSコード及びMCNP-4Cコードを使用して評価を行った。これらの結果は、2004年9月よりJ-PARCのホームページ上で、公開している。製作設計を行っている中で、モデレータ形状の変更により、パルス特性(特にパルステールで)が低下していた。計算から、デカップラーと反射体容器設置する中性子吸収ライナーとの隙間からの漏洩中性子が原因であることがわかった。現在、製作設計の最終段階で、パルス特性を低下させるほかの要因を注意深く見つけ、製作設計にできるだけ反映させようとしている。さらに、デカップラー,ライナー及びポイズンの不均一な燃焼を考慮したパルス特性評価,各中性子ビームホールでのGeVまでの高エネルギー中性子エネルギースペクトルの導出も行った。

Neutronic studies on decoupled hydrogen moderator for a short-pulse spallation source

原田 正英; 渡辺 昇; 勅使河原 誠; 甲斐 哲也; 池田 裕二郎

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 539(1-2), p.345 - 362, 2005/02

https://doi.org/10.1016/j.nima.2004.10.013

パラ水素濃度,デカップリングエネルギー,モデレータサイズ/形状及び反射体物質をパラメータとし、非結合型水素モデレータのニュートロニクス特性を評価した。異なるパラ水素濃度での中性子エネルギースペクトルは、修正マクスウェル関数を用いて特徴づけられることを示した。また、100%パラ水素モデレータが、最小パルス幅と最小パルステールでかつ、最高ピーク強度を与えることを示した。反射体によるパルスの広がりは、デカップラーを通してモデレータに流入するソース中性子の時間分布によって、説明できることを示し、時間分布に対する反射体材料依存性について明らかにした。デカップリングエネルギーが1eV以上の場合、中性子強度は大きく減少し、パルス幅やパルステールに大きな改善が見られないことを示した。さらに、直方体型及び水筒型モデレータに対する最適なモデレータ厚さについても検討を加えた。

Creation of new McStas components of moderators of JSNS for developing new pulse spectrometer

田村 格良; 相澤 一也; 原田 正英; 柴田 薫; 前川 藤夫; 曽山 和彦; 新井 正敏

Proceedings of ICANS-XVI, Volume 1, p.529 - 539, 2003/07

大強度陽子加速器計画における物質・生命科学実験施設に設置されるパルス中性子分光器の設計のため、McStasを用いたシミュレーションのコンポーネントの作成を行った。物質・生命実験施設には3種類のモデレーターが設置される。大強度用には「結合型水素モデレーター」が使用され、高分解用には「非結合型水素モデレーター」と「非結合型ポイゾンド水素モデレーター」が使用される。モデレーターから発生する中性子は分光器の性能に大きく影響を与えるので、モンテカルロ・シミュレーションにおいては線源の正確な記述が重要になる。McStasは正確な記述が可能である。NMTC/JAERI97とMCNP4aを使用して得られたモデレーターの強度のエネルギー分布,時間分布を表現する関数を作成して変数の決定を行った。本稿では「結合型水素モデレーター」を見るport16のコンポーネント作成と「非結合型水素モデレーター」を見るport11のコンポーネント作成の報告を行う。

Neutronic study on coupled hydrogen moderator for J-PARC spallation neutron source

甲斐 哲也; 原田 正英; 勅使河原 誠; 渡辺 昇; 池田 裕二郎

Proceedings of ICANS-XVI, Volume 3, p.657 - 666, 2003/07

J-PARC核破砕中性子源の結合型モデレータについて中性子工学研究を行った。100%パラ水素モデレータを用いることにより、最大の15meV以下の積分強度、2meV,10meVのパルスピーク強度が得られたが、最適なモデレータ厚さはそれぞれ異なっていた。最終結論としては、140mmの厚さを選択した。また、中性子取出面上の中性子強度分布評価より、プレモデレータ近傍のモデレータ周縁部が中心部分よりも強度が高いことがわかった。このことは、モデレータと中性子取出面の設計が重要であることを示している。さらに、強度の中性子取出角度依存性を評価し、大きな角度取出しでは強度減少が著しいことがわかった。円筒型モデレータを用いることにより、この強度減少を緩和することができることが明らかになった。これらをもとに円筒型モデレータの直径を140mmと決定した。

大強度陽子加速器計画における中性子分光器開発のためのシミュレーション,1; モデレーター・コンポーネント作成

田村 格良; 相澤 一也; 原田 正英; 柴田 薫; 前川 藤夫; 曽山 和彦; 新井 正敏

JAERI-Research 2003-008, 34 Pages, 2003/03

JAERI-Research-2003-008.pdf:1.62MB

大強度陽子加速器計画における物質・生命科学実験施設に設置するパルス中性子分光器の開発のためモンテカルロ・シミュレーションを行っている。物質・生命科学実験施設に設置されるパルス中性子源には「結合型水素モデレーター」,「非結合型水素モデレーター」と「非結合型ポイゾンド水素モデレーター」の3種類のモデレーターが設置される。 パルス分光器では線源の特徴が分光器の性能に強い影響を与える。そのため実際に得られるスペクトルを正確に記述した線源のコンポーネントを作成しなければ詳細なシミュレーションを行うことができない。NMTC/JAERI97とMCNP4Aのコードを用いて各ビームポートごとに得られた72点のパルスシェイプをもとに、各ビームポートにおけるモンテカルロ・シミュレーションMcStas用の線源のコンポーネントを作成した。「結合型水素モデレータ」を線源とするビーム取り出し口ポート16と「非結合型水素モデレータ」を線源とするビーム取り出し口ポート11のそれぞれ1つのコンポーネントを作成した。

統合モデルにおける結合型モデレータの核特性

勅使河原 誠; 明午 伸一郎; 坂田 英明*; 甲斐 哲也; 原田 正英; 池田 裕二郎; 渡辺 昇

JAERI-Research 2001-022, 33 Pages, 2001/05

JAERI-Research-2001-022.pdf:5.16MB

パルス核破砕中性子源開発の一環として、これまでのニュートロニクス検討及び工学的検討のもとに構築されたモデル(統合モデルと言う)を用いて、設計等に必要とされる結合型モデレータにおける核特性評価検討を行った。その結果として、次に示す有用な知見が得られた。主減速材である水素モデレータ内の総核発熱は入射陽子ビーム出力がMWあたり約420Wである。核発熱密度は最も高いところで約1W/cmである。プレモデレータの核発熱は約9.2kW/MWで最も大きな寄与である。室温から100Kの範囲に渡ったプレモデレータの温度変化は、水素モデレータの中性子特性に影響しない。中性子透過の観点から、モデレータ容器材料として6000系及び7000系のアルミ合金が有望である。また、ビーム窓による陽子ビームの広がりは、モデレータの核発熱に影響しない。

非結合型水素モデレータにおけるプリモデレータの拡張効果

原田 正英; 勅使河原 誠; 甲斐 哲也; 坂田 英明*; 渡辺 昇; 池田 裕二郎

JAERI-Research 2000-014, p.40 - 0, 2000/03

JAERI-Research-2000-014.pdf:2.99MB

大強度核破砕中性子源において検討されている非結合型超臨界水素モデレータの高性能化を目指して、核的特性に関する検討を行った。計算には、NMTC/JAERI97コード及びMCNP4Bコードを用いた。計算の結果、平面型のプリモデレータをターゲットとモデレータの間に設置した場合は、中性子強度はプリモデレータ厚さ1.5cmで利得が最大になり、モデレータ内核発熱はプリモデレータ厚さ増加に従って単調に減少するとともに、パルスの時間半値幅はほとんど変わらないことが示された。これは、プリモデレータ導入が、今後の熱中性子モデレータの設計に有効であることを示す。また、プリモデレータをモデレータの周りに巻いて、中性子ビーム引き出し孔側に拡張すると、パルスの時間半値幅はほとんど変わらず、モデレータ内核発熱が軽減されることが示された。さらに、プリモデレータ厚さ1.5cm拡張長さ5cmで最大の中性子強度が得られることが示された。また、プリモデレータの反射体材質依存性として、鉛反射体の方が、ベリリウム反射体より、プリモデレータ効果が大きいことが示された。一方、ポイズンにより中性子特性が向上することが示されたが、MW級に核破砕中性子源では、ポイゾン中での発熱が膨大であることから、その使用は不可能であると結論された。デカップリングエネルギー依存性の計算結果から、デカップリングエネルギー1eVが、モデレータ特性にとって最適であることが示された。モデレータの厚さとモデレータの側面サイズ及び中性子引出し面サイズに関して検討を行った結果、モデレータサイズや中性子ビーム引出し面サイズは、それぞれ12125cm、1010cmが最適であることが示された。以上の結果をもとに、基準非結合型水素モデレータモデルを提案した。