自己出力型放射線検出器の試験結果の理論的検証; Coガンマ線照射試験結果と計算結果との比較

武田 遼真; 柴田 裕司; 武内 伴照; 中野 寛子; 関 美沙紀; 井手 広史

JAEA-Testing 2024-007, 33 Pages, 2025/03

JAEA-Testing-2024-007.pdf:1.63MB

日本原子力研究開発機構及び日本原子力研究所では過去30年以上、自己出力型の中性子検出器(Self-Powered Neutron Detector: SPND)やガンマ線検出器(Self-Powered Gamma Detector: SPGD)の開発・照射試験が行われており、複数の研究成果が報告されている。本稿では、これらの試験結果に対して、JAEA報告書『自己出力型放射線検出器の出力電流値計算コードの作成(JAEA-Data/Code 2021-018)』において作成した計算コードによる理論的な出力結果との比較・検証を行った。比較対象はコバルト60ガンマ線照射施設SPGDの照射試験結果とした。その結果、ガンマ線によるコンプトン散乱電子の飛程に対して比較的にエミッタ径が細い場合には計算結果は試験結果を良く再現することが分かった。一方、比較的にエミッタ径が太い場合には計算結果と比較して試験結果における出力電流値は半分程度にとどまった。エミッタ径の違いによる差異が生じた要因としてエミッタによる自己遮蔽効果が考えられ、エミッタ径が太い場合や線場が等方的でない条件に由来する自己遮蔽による影響を、計算コードにおける電子の平均飛程や平均最小エネルギーの変化として採り入れる等の新たな定式化が必要であると思われる。

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 strip-shaped X-ray mapping system for 9-cell superconducting cavities

栗山 靖敏*; 岩下 芳久*; 不破 康裕; 頓宮 拓*; 早野 仁司*; Geng, R. L.*

Journal of Instrumentation (Internet), 19(9), p.P09037_1 - P09037_15, 2024/09

https://doi.org/10.1088/1748-0221/19/09/P09037

Electrons emitted via field emission during superconducting (SC) radio-frequency (RF) cavity tests at vertical test stands often collide with the iris region inside the cavity, generating X-rays at these locations. In 1.3GHz 9-cell SC RF cavities designed for the International Linear Collider (ILC), stiffener rings located outside the iris region between cells can interfere with X-ray detection, complicating the precise identification of field emission sites. Hence, we developed a high-density strip X-ray mapping systems (sX-map) that can be inserted into the iris region of ILC-type 9-cell SC RF cavities. This sX-map facilitates efficient and accurate detection of X-rays generated near the irises, unaffected by the presence of stiffener rings. The sX-map consisted of 32 sensors per strip, with sensors spaced approximately 10 mm apart. It was deployed in every iris of the 9-cell cavity, using a total of 320 sensors. A multiplexer was employed to facilitate the readout of a large number of detectors using a minimal number of signal lines, connecting the strips inside within the vertical test cryostat. In a vertical test conducted at Jefferson Lab (JLab), we demonstrated the capability of sX-map to detect X-rays despite the presence of a stiffener ring. This paper presents the detailed design of the sX-map and the results from the vertical test at JLab.

Optimizing calibration factors of plastic scintillation fibers for improved accuracy of radiocesium concentration measurements in bottom sediments of agricultural ponds

Katengeza, E. W.*; 眞田 幸尚; 越智 康太郎; 飯本 武志*

Cogent Engineering (Internet), 11(1), p.2340203_1 - 2340203_9, 2024/04

https://doi.org/10.1080/23311916.2024.2340203

放射能測定の不確かさは、底質中の対象核種の鉛直分布に影響されることがある。本研究では、47か所のため池で2015-2019年の期間に測定されたデータを用いて、プラスチックシンチレーションファイバー(PSF)の換算係数の深度依存性と、測定の不確かさへの影響を評価した。換算係数を算出する際に着目する深度を、10cmから15-20cmに変更することで、PSFによって推定された放射性セシウム濃度の、同じ場所で採取されたコア底質中放射性セシウム濃度に対する正規化平均二乗誤差が小さくなることが分かった。

Neutron transmission CB-KID imager using samples placed at room temperature

石田 武和*; 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*; 小山 富男*; et al.

Journal of Low Temperature Physics, 214(3-4), p.152 - 157, 2024/02

https://doi.org/10.1007/s10909-023-03030-9

We built a new cryostat to apply a current-biased kinetic inductance detector (CB-KID) for conducting neutron transmission imaging of room temperature samples under pulsed neutrons. A Wood's metal alloy of melting temperature 75.2C was placed at room temperature to inspect the measurement system at J-PARC. Since one of the four phases of Wood's metal is a fine Cd-rich needle phase (width 25 m and length 5 mm), it is suitable for observing fine mosaic structure selectively by neutron imaging. The spatial resolution of the CB-KID imager was estimated as 10 m by using a Gd Siemens-star pattern. The CB-KID system is useful to conduct transmission imaging for various materials rather easily at room temperature.

Radioisotope identification algorithm using deep artificial neural network for supporting nuclear detection and first response on nuclear security incidents

木村 祥紀; 土屋 兼一*

Radioisotopes, 72(2), p.121 - 139, 2023/07

https://doi.org/10.3769/radioisotopes.72.121

核検知や核セキュリティ事案の現場において、迅速かつ正確な放射性物質の判定は、検知警報や事案への迅速な対応を行うための重要な技術的課題の一つである。本稿では、携帯型ガンマ線検出器に適用可能な深層ニューラルネットワークモデルを用いた放射性核種の判定アルゴリズムを提案する。本アルゴリズムでは、シミュレーションで作成した模擬ガンマ線スペクトルで学習した深層ニューラルネットワークモデルにより、各放射性核種に起因する計数寄与率(CCR)を推定し、放射性核種を自動で判定する。この自動核種判定アルゴリズムにより、放射線測定の経験や知識が十分でない核検知や核セキュリティ事象の初動対応者を支援することが可能となる。2種類の異なる深層ニューラルネットワークモデルを用いたアルゴリズムを高エネルギー分解能及び低エネルギー分解能の携帯型ガンマ線検出器に適用し、提案アルゴリズムの性能を評価した。提案したアルゴリズムは、実際の測定ガンマ線スペクトルにおける人工放射性核種の判定で高い性能を示した。また、深層ニューラルネットワークモデルによるCCR推定値を解析することで、Uの検知やウランの自動分類にも適用できることを確認した。さらに筆者らは、提案したアルゴリズムの性能を従来の核種判定手法と比較し、深層ニューラルネットワークモデルベースの核種判定アルゴリズムの性能を向上させる具体的な方策についても議論した。

Shield-free directional gamma-ray detector using small-angle Compton scattering

北山 佳治

Gamma Ray Imaging; Technology and Applications, p.165 - 179, 2023/00

https://doi.org/10.1007/978-3-031-30666-2

ガンマ線イメージャーは放射線源分布をイメージングするための強力なツールである。近年は福島第一原子力発電所の廃止措置に応用されている。廃止措置現場においては、小型軽量でかつ定量評価が可能であることが求められている。小角コンプトン散乱を用いたガンマ線イメージャー(Gamma-ray Imager using Small-Angle Scattering: GISAS)はそれらすべての要求を満たしたイメージャーである。GISASは遮蔽体を必要としない指向性ガンマ線検出器群によって構成される。シミュレーションと実験によって、本手法の実現可能性の検討を実施した。適切なエネルギーウインドウを散乱体と吸収体に設定することで、超昇格散乱イベントのみを選別し指向性を得ることが可能であることを実証した。

Absolute quantification of Cs activity in spent nuclear fuel with calculated detector response function

佐藤 駿介*; 名内 泰志*; 早川 岳人*; 木村 康彦; 鹿島 陽夫*; 二上 和広*; 須山 賢也

Journal of Nuclear Science and Technology, 60(6), p.615 - 623, 2022/06

https://doi.org/10.1080/00223131.2022.2130462

使用済燃料中のCs放射能を非破壊で評価する新しい方法を提案し、燃焼度クレジット導入における物理的測定について実験的に実証した。Cs放射能は、Cs放射能がよく知られている参照燃料を用いずに、線測定と数値検出器応答シミュレーションを用いて定量された。燃料サンプルは、商業用加圧水型炉(PWR)で53GWd/tまで照射された先行使用集合体(LUA)から取得した。試料から放出された線は、ホットセルに取り付けたコリメータを通して、ゲルマニウム酸ビスマス(BGO)シンチレーション検出器を用いて測定された。検出器による線の検出効率は、測定ジオメトリを考慮して粒子輸送計算コードPHITSを用いて計算した。試料に対する検出器応答のより正確なシミュレーションのために、試料中のCs, Cs, Euの相対放射能を高純度ゲルマニウム(HPGe)検出器で測定した。検出器の絶対効率は、別のジオメトリの標準ガンマ線源を測定することにより校正された。測定された計数率と検出効率を用いて、燃料試料中のCs放射能を定量した。定量されたCs放射能は、MVP-BURN燃焼計算コードで推定されたCs放射能とよく一致した。

自己出力型放射線検出器の出力電流値計算コードの作成; アルゴリズムの構築と計算結果の比較

柴田 裕司; 武内 伴照; 関 美沙紀; 柴田 晃; 中村 仁一; 井手 広史

JAEA-Data/Code 2021-018, 42 Pages, 2022/03

JAEA-Data-Code-2021-018.pdf:2.78MB
JAEA-Data-Code-2021-018-appendix(CD-ROM).zip:0.15MB

日本原子力研究開発機構大洗研究所に設置されている材料試験炉(Japan Materials Testing Reactor: JMTR)では過去30年以上、多様な原子炉材料や照射技術及び計測装置の開発が行われてきた。その中では自己出力型の中性子検出器(Self-Powered Neutron Detectors: SPNDs)やガンマ線検出器(Self-Powered Gamma Detectors: SPGDs)の開発も行われており、複数の研究成果が報告されている。しかし、それら成果のほとんどは検出器の開発に関する創意工夫と炉内照射試験、コバルト60によるガンマ線照射試験の結果を整理又は考察したものであり、検出器出力の理論的な解析及び評価はあまり行われてこなかった。そこで、これら自己出力型放射線検出器の理論的な評価を行うための準備として1974年にH.D. WarrenとN.H. Shahが著した論文『Neutron and Gamma-Ray Effects on Self-Powered In-Core Radiation Detectors』を基に数値計算コードの作成を行った。本稿は作成した数値計算コードの内容について報告を行うものである。

大規模公共イベント等における核・放射性物質モニタ技術開発

持丸 貴則*; 小泉 光生; 高橋 時音; 弘中 浩太; 木村 祥紀; 佐藤 優樹; 寺阪 祐太; 山西 弘城*; 若林 源一郎*

第42回日本核物質管理学会年次大会会議論文集(インターネット), 4 Pages, 2021/11

日本原子力研究開発機構では、文部科学省核セキュリティ強化等補助事業の下、大規模公共イベント等において、核・放射性物質を用いたテロ行為等を未然に防ぐため、イベント会場にそれらが持ち込まれた場合に迅速に検知するための技術・装置の開発を目的とし、広域における放射性物質検知技術開発を4年計画で進めている。本講演では、プロジェクトの概要を説明するとともに、技術開発の進捗状況を一部紹介する。