Neutron resonance absorption imaging fully utilizing neutron energies from 1 eV to 100 keV

土川 雄介; 甲斐 哲也; Parker, J.*; 松本 吉弘*; 篠原 武尚

Scientific Reports (Internet), 15, p.7687_1 - 7687_8, 2025/03

https://doi.org/10.1038/s41598-025-92174-7

J-PARC/MLFで、元素の二次元分布を可視化する中性子共鳴吸収イメージング技術を開発した。鉄、ジルコニウム、ニッケル、モリブデン、アルミニウム棒を含む試料を用い、1eVから100keVまでの中性子透過スペクトルを利用する解析を行った。ハフニウム(ジルコニウムの不純物)とモリブデンの分布に関しては、従来の共鳴イメージングによって明瞭な分布が得られた。次に、各元素の複数の共鳴を利用した分析を行ったところ、元素同定の精度が向上し、鉄とニッケルの識別能が向上した。一方で、このような解析法では、たまたま他元素由来の異なる共鳴ピーク同士が隣り合うことで、中性子透過軸上に物質が重なった場合にそれらの共鳴が消失するような現象が起きた場合に対応できない。鉄とニッケルのケースで、実際にその現象が現われた。この問題を克服し、測定技術としての更なる進化を目指し、存在する可能性のある元素の存在を仮定して広い範囲で透過スペクトルをフィッティングする手法を提案した。これにより、試料金属とハフニウムやマンガン(ジルコニウムや鉄の不純物)の分布を可視化することに成功した。ここで導入された分析手法は、MLFの一般利用者の標準的な分析手順の確立に貢献するものである。

Application of energy-resolving neutron imaging to major-component analyses of materials using four-channel superconducting detector

Vu, TheDang*; 宍戸 寛明*; 相澤 一也; 奥 隆之; 及川 健一; 原田 正英; 小嶋 健児*; 宮嶋 茂之*; 曽山 和彦; 小山 富男*; et al.

IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering, 19(11), p.1888 - 1894, 2024/11

https://doi.org/10.1002/tee.24144

We proposed a novel superconducting detector called the current-biased kinetic inductance detector (CB-KID) for constructing a neutron transmission imager. We systematically studied the characteristics of the CB-KID to improve spatial resolution down to 10 m in transmission imaging. By analyzing neutron transmission spectra from 1 meV to 500 keV, we identified copper (Cu) and iron (Fe) as major components in commercial nuts and screws. Additionally, we successfully mapped the distribution of the SmSn compound using selective energy regions of pulsed neutrons and the CB-KID detector. It can reveal transmission spectra across a wide range of energies, from cold-neutron energies (meV) to higher neutron energies (up to 500 keV).

Development of a hybrid evaluation method for long-term structural soundness of nuclear reactor buildings using monitoring and damage imaging technologies; Nuclear energy science & technology and human resource development project

前田 匡樹*; 田邉 匡生*; 西脇 智哉*; 青木 孝行*; 堂埼 浩二*; 西村 康志郎*; 藤井 翔*; 上野 文義; 田中 章夫*; 鈴木 裕介*; et al.

Transactions of the 27th International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology (SMiRT 27) (Internet), 10 Pages, 2024/03

This study develops assessment methods necessary to obtain a long-term structural integrity outlook for reactor buildings that suffered from the 2011 Great East Japan Earthquake disaster in which access to the site was extremely limited due to high radiation dose rates and high contamination. It is one of the "Nuclear science and technology and human resource development promotion projects" implemented by the Japan Atomic Energy Agency (JAEA) International Collaborative Research Center for Decommissioning and Environment (CLADS) in FY2021 to 2023. This paper introduces an outline and overview of the project.

Cryogenic impact fracture behavior of a high-Mn austenitic steel using electron backscatter diffraction and neutron Bragg-edge transmission imaging

Wang, Y. W.*; Wang, H. H.*; Su, Y. H.; 徐 平光; 篠原 武尚

Materials Science & Engineering A, 887, p.145768_1 - 145768_13, 2023/11

https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.145768

A unique impact fracture behavior is found in a high-Mn austenitic steel (24Mn-4Cr-0.4C-0.3Cu) in this work. The steel exhibits concurrent twinning-induced plasticity (TWIP) effect and the transformation-induced plasticity (TRIP) effect. By analyzing the load-deflection curves recorded during Charpy impact testing, the resistance to crack initiation and propagation is quantified from the absorbed energy. The high-Mn steel demonstrates good resistance to crack initiation at 273 K and 77 K. However, as the temperature decreases from 273 K to 77 K, there is an accelerated transition from stable crack growth to unstable crack growth during impact, resulting in the deterioration of resistance to crack propagation. The plastic deformation of the impact-tested samples, especially in the region close to the crack-path profile was quantitatively analyzed using neutron Bragg-edge transmission (BET) imaging. The deformation zones, divided by using the width of the 200 Bragg edge, exhibit good agreement with the impact absorbed energy characteristics obtained from dynamic load-deflection curves. Moreover, the unstable growth transition point was roughly determined on the impact-tested sample. Then, the electron backscatter diffraction (EBSD) technique is employed to examine the deformation microstructure along the crack-path in the impact-tested samples. The results revealed the dual roles of TRIP effect in impact toughness of the high-Mn steel. On one hand, the TRIP effect plays a positive role in improving resistance to crack initiation and propagation. On the other hand, the excessive accumulation of brittle /'-martensite caused by the enhanced TRIP effect at 77 K leads to quasi-cleavage fracture, thereby playing a negative role. Finally, we discussed the prominent toughening mechanisms associated with the TWIP and TRIP effects, which greatly impact the impact fracture behavior.

ボイド率分布計測

呉田 昌俊

流体計測法; 改訂版, p.367 - 371, 2022/04

日本機械学会が流体計測法をまとめた技術資料の改定版を刊行する。本稿は、その応用編の一部であり、進展が著しい先進的な熱流体計測技術を用いた応用事例の紹介が主な内容となっている。「ボイド率分布計測」の章では、機器の内部を流れる気液二相流を対象として、ボイド率分布を中性子線で可視化や計測する技術について解説した。前半は、ボイド率の定義、中性子透過法による計測やCT撮像技術の基本原理について解説した。後半は、様々な混相流の2次元、2次元の時間変化、3次元、3次元の時間変化の順に、可視化・計測結果を示した。

The First application of a GdAlGaO:Ce single-crystal scintillator to neutron radiography

伊勢川 和久; 瀬戸山 大吾*; 木村 英彦*; 篠原 武尚

Journal of Imaging (Internet), 7(11), p.232_1 - 232_9, 2021/11

https://doi.org/10.3390/jimaging7110232

中性子ラジオグラフィは、物質を透過するという点でX線ラジオグラフィを補完するものと考えられているが、その空間分解能はまだ十分ではない。中性子イメージングの高解像度化のためには、光学系の高度化や輝点重心処理などのアプローチがあるが、本稿ではシンチレータの改良に着目した。我々はGdAlGaO:Ce単結晶シンチレータを初めて中性子ラジオグラフィに適用し、10.5mの空間分解能を達成した。この材料が光学系の最適化とシンチレータの輝度向上により、mオーダーの分解能を実現する新しい中性子シンチレータとなり得ることを示すことができた。

Observation of Eu adsorption band in the CMPO/SiO-P column by neutron resonance absorption imaging

宮崎 康典; 渡部 創; 中村 雅弘; 柴田 淳広; 野村 和則; 甲斐 哲也; Parker, J. D.*

JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011073_1 - 011073_7, 2021/03

https://doi.org/10.7566/JPSCP.33.011073

中性子共鳴吸収イメージングを、抽出クロマトグラフィに使用するマイナーアクチノイド回収用CMPO/SiO-Pカラムで形成したEu吸着バンドの観測に適用した。軽水や重水で調製した湿潤カラムと乾燥吸着材を充填した乾燥カラムを比較し、中性子透過を評価した。中性子透過スペクトルから、乾燥カラムは45%、軽水調製カラムは20%、重水調製カラムは40%の中性子透過を確認した。得られた結果から、CMPO/SiO-Pカラムに形成したEu吸着バンドを観測するには、重水の使用によって、より鮮明になることを明らかにした。今後、カラム操作による吸着バンドのカラム内移行挙動を明らかにする。

Energy-resolved neutron imaging using a delay line current-biased kinetic-inductance detector

宍戸 寛明*; 西村 和真*; Vu, TheDang*; 小嶋 健児*; 小山 富男*; 及川 健一; 原田 正英; 宮嶋 茂之*; 日高 睦夫*; 奥 隆之; et al.

Journal of Physics; Conference Series, 1590, p.012033_1 - 012033_8, 2020/10

https://doi.org/10.1088/1742-6596/1590/1/012033

We demonstrate the development of an energy resolved neutron transmission imaging system via a solid-state superconducting detector, called current-biased kinetic-inductance detector (CB-KID). CB-KIDs comprise X and Y superconducting Nb meanderlines with Nb ground plane and a B conversion layer, which converts a neutron to two charged particles. CB-KID uses the delay-line method, and allows us to reconstruct the two-dimensional neutron transmission image of a test sample with four signal readout lines. We examined the capability of high spatial and energy (wavelength) resolved neutron transmission imaging over the sensor active area of 15 15 mm for various samples, including biological and metal ones. We also demonstrated the capability for the Bragg edge transmission and an energy-resolved neutron image in which stainless-steel specimens were discriminating from other specimens.

Monte Carlo radiation transport modelling of the current-biased kinetic inductance detector

Malins, A.; 町田 昌彦; Vu, TheDang; 相澤 一也; 石田 武和*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 953, p.163130_1 - 163130_7, 2020/02

AA2019-0261.pdf:0.84MB

https://doi.org/10.1016/j.nima.2019.163130

Radiation transport simulations were used to analyse neutron imaging with the current-biased kinetic inductance detector (CB-KID). The PHITS Monte Carlo code was applied for simulating neutron, He, Li, photon and electron transport, B(n,)Li reactions, and energy deposition by particles within CB-KID. Slight blurring in simulated CB-KID images originated He and Li ions spreading out in random directions from the B conversion layer in the detector prior to causing signals in the and superconducting Nb nanowire meander lines. 478 keV prompt gamma rays emitted by Li nuclei from neutron-B reactions had negligible contribution to the simulated CB-KID images. Simulated neutron images of B dot arrays indicate that sub 10 m resolution imaging should be feasible with the current CB-KID design. The effect of the geometrical structure of CB-KID on the intrinsic detection efficiency was calculated from the simulations. An analytical equation was then developed to approximate this contribution to the detection efficiency. Detection efficiencies calculated in this study are upper bounds for the reality as the effects of detector temperature, the bias current, signal processing and dead-time losses were not taken into account. The modelling strategies employed in this study could be used to evaluate modifications to the CB-KID design prior to actual fabrication and testing, conveying a time and cost saving.

中性子技術を用いたRCの腐食ひび割れの補修による鉄筋付着性能回復の検証

関根 麻里子*; 鈴木 裕士; 兼松 学*

コンクリート工学年次論文集(DVD-ROM), 40(1), p.1545 - 1550, 2018/07

本論文は、これまで難しいとされてきた鉄筋コンクリート内の健全および腐食した鉄筋、さらに腐食ひび割れに補修を施した鉄筋コンクリート内の腐食鉄筋の応力分布を工学材料回折装置を用いて精度良く測定し、また、中性子イメージング装置を用いたCT撮影により試験体内部のひび割れ分布と補修材充填状態を確認した。検証の結果、腐食グレードによる付着応力度分布の変化を捉えることができた。また、腐食ひび割れに対して補修材を施工した場合、摩擦力の向上およびコンクリートの拘束効果の回復によって付着が回復することが確認された。