レーザー駆動中性子源を用いた中性子共鳴透過非破壊分析法の実証

小泉 光生; 余語 覚文*

Isotope News, (802), p.11 - 14, 2025/12

https://www.jrias.or.jp/books/cat3/2025/802.html

ボリュームのある試料を非破壊で分析するには、透過力の高い放射線の利用が有効である。中性子共鳴透過分析(neutron resonance transmission analysis (NRTA))法は、パルス状の熱熱外中性子ビームを用いて、時間分解された透過率から試料中に含まれる様々な核種の面密度(単位面積当たりの粒子数)を分析する技術である。超高強度レーザーを用いてレーザーショットにより中性子を生成するレーザー駆動中性子源(laser-driven neutron source (LDNS))は、高強度かつ短パルスの中性子を生成できることから、NRTAへの適用が期待されている。本紹介記事では、大阪大学レーザー科学研究所(ILE)のニュークリアフォトニクス(NP)グループが開発したLFEXレーザーおよびLDNSを用いて行った、NRTAによる面密度測定実証実験の概要とその結果を紹介する。

レーザー駆動中性子源を用いた非破壊分析技術の開発

小泉 光生; 伊藤 史哲*; Lee, J.; 弘中 浩太; 高橋 時音; 鈴木 敏*; 有川 安信*; 安部 勇輝*; Wei, T.*; 余語 覚文*; et al.

第45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, 2024/11

Neutron resonance transmission analysis (NRTA) is a non-destructive method applicable for measuring nuclear material using a time-of-flight (TOF) technique with a pulsed neutron source. To realize a high resolution compact NRTA system, use of a short-pulsed neutron source is essential. Laser-driven neutron sources (LDNSs) are well-suit for generating such neutron beams due to their short pulse width. The advances in laser technology will further reduce the system's size and improve practicality. In this study, we demonstrate the measurement of a neutron transmission TOF spectrum of a sample containing indium and silver using the LDNS of the Osaka University. The obtained spectrum was analyzed using the least-square nuclear-resonance fitting program, REFIT, showcasing for the first time the potential of an LDNS for nondestructive areal-density material characterization.

Demonstration of shape analysis of neutron resonance transmission spectrum measured with a laser-driven neutron source

小泉 光生; 伊藤 史哲*; Lee, J.; 弘中 浩太; 高橋 時音; 鈴木 敏*; 有川 安信*; 安部 勇輝*; Lan, Z.*; Wei, T.*; et al.

Scientific Reports (Internet), 14, p.21916_1 - 21916_9, 2024/09

https://doi.org/10.1038/s41598-024-72836-8

Laser-driven neutron sources (LDNSs) can generate strong short-pulse neutron beams, which are valuable for scientific studies and engineering applications. Neutron resonance transmission analysis (NRTA) is a nondestructive technique used for determining the areal density of each nuclide in a material sample using pulsed thermal and epithermal neutrons. Herein, we report the first successful NRTA performed using an LDNS driven by the Laser for Fast Ignition Experiment at the Institute of Laser Engineering, Osaka University. The key challenge was achieving a well-resolved resonance transmission spectrum for material analysis using an LDNS with a limited number of laser shots in the presence of strong background noise. We addressed this by employing a time-gated Li-glass scintillation neutron detector to measure the transmission spectra, reducing the impact of electromagnetic noise and neutron and gamma-ray flashes. Output waveforms were recorded for each laser shot and analyzed offline using a counting method. This approach yielded a spectrum with distinct resonances, which were attributed to In and Ag, as confirmed through neutron transmission simulation. The spectrum was analyzed using the least-square nuclear-resonance fitting program, REFIT, demonstrating the possibility of using an LDNS for nondestructive areal-density material characterization.

Single-shot laser-driven neutron resonance spectroscopy for temperature profiling

Lan, Z.*; 有川 安信*; Mirfayzi, S. R.*; Morace, A.*; 早川 岳人*; 佐藤 博隆*; 加美山 隆*; Wei, T.*; 巽 湧太*; 小泉 光生; et al.

Nature Communications (Internet), 15, p.5365_1 - 5365_7, 2024/07

https://doi.org/10.1038/s41467-024-49142-y

The temperature measurement of material inside of an object is one of the key technologies for control of dynamical processes. For this purpose, various techniques such as laser-based thermography and phase-contrast imaging thermography have been studied. However, it is, in principle, impossible to measure the temperature of an element inside of an object using these techniques. One of the possible solutions is measurements of Doppler brooding effect in neutron resonance absorption (NRA). Here we present a method to measure the temperature of an element or an isotope inside of an object using NRA with a single neutron pulse of approximately 100 ns width provided from a high-power laser. We demonstrate temperature measurements of a tantalum (Ta) metallic foil heated from the room temperature up to 617 K. Although the neutron energy resolution is fluctuated from shot to shot, we obtain the temperature dependence of resonance Doppler broadening using a reference of a silver (Ag) foil kept to the room temperature. A free gas model well reproduces the results. This method enables element(isotope)-sensitive thermometry to detect the instantaneous temperature rise in dynamical processes.

Resonance ionization spectroscopy of high-lying 4sns and 4snd Rydberg levels of odd calcium isotopes

岩田 圭弘; 宮部 昌文; 赤岡 克昭; 若井田 育夫; 長谷川 秀一*

Journal of the Optical Society of America B, 41(1), p.119 - 126, 2024/01

https://doi.org/10.1364/JOSAB.507539

レーザー共鳴イオン化を用いてカルシウム41 (Ca)等の微量放射性核種を効率的かつ選択的に検出する上で、リュードベリ原子についての理解が必要不可欠である。本研究では、4sns S及び4s(n-1)d D (n=40, 45, 50, 55, 60)リュードベリ準位について、イオン基底準位の超微細構造に起因したカルシウム43のエネルギーシフトを測定した。

Magnetic layer thickness influence on magnetoelastic properties anisotropy in CoFeMnSi heusler alloy thin films

Nabialek, A.*; Chumak, O.*; 関 剛斎*; 高梨 弘毅; Baczewski, L. T.*; Szymczak, H.*

IEEE Transactions on Magnetics, 59(11), p.2501405_1 - 2501405_5, 2023/11

https://doi.org/10.1109/TMAG.2023.3287324

The anisotropic magnetoelastic (ME) properties of epitaxial CoFeMnSi(CFMS) Heusler alloy thin films with thicknesses ranging from 8 to 100 nm were investigated using the strain-modulated ferromagnetic resonance (SMFMR) technique. The calculation of the first cubic magnetocrystalline (MC) constant and the two cubic ME constants and was carried out assuming the cubic symmetry of the magnetic layer. A significant negative perpendicular MC anisotropy, of the order of 10 J/m, was also observed. The investigated parameters were found to be dependent on the thickness of the magnetic layer. The thinnest magnetic layers showed the strongest cubic MC anisotropy and the weakest anisotropy of ME properties. These findings highlight the importance of considering the magnetic layer thickness when evaluating the anisotropy in the ME properties of Heusler alloy thin films.

Elucidation of solid particle interfacial phenomena in liquid sodium; Magnetic interactions on liquid metal and solid atoms at the solid interface

Tei, C.; 大高 雅彦; 桑原 大介*

Chemical Physics Letters, 829, p.140755_1 - 140755_6, 2023/10

https://doi.org/10.1016/j.cplett.2023.140755

固体金属粒子の界面に付着した液体ナトリウムの核磁気共鳴(NMR)信号を初めて検出することに成功した。本研究では、液体ナトリウムと液体ナトリウム中に浮遊する金属粒子との相互作用の違いによる緩和時間の違いを確認した。その結果、微小チタン粒子表面と液体金属ナトリウムは化学的ではなく物理的に相互作用していることが明らかとなった。

Measurement of the Se(n,) cross section up to 200 keV at the n_TOF facility at CERN

Sosnin, N. V.*; 原田 秀郎; 木村 敦; 他128名*

Physical Review C, 107(6), p.065805_1 - 065805_9, 2023/06

https://doi.org/10.1103/PhysRevC.107.065805

The Se(n,) reaction is of importance for Se abundance during the slow neutron capture process in massive stars. We have performed a new measurement of the Se radiative neutron capture cross section at the Neutron Time-of-Flight facility at CERN. Resonance capture kernels were derived up to 51 keV and cross sections up to 200 keV. Maxwellian-averaged cross sections were calculated for stellar temperatures between kT = 5 keV and kT = 100 keV, with uncertainties between 4.2% and 5.7%. Our results lead to substantial decreases of 14% and 19% in Se abundances produced through the slow neutron capture process in selected stellar models, compared to using previous recommendation of the cross section.

低線量・低線量率放射線被ばくによる臓器別酸化ストレス状態の検討(委託研究); 令和3年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業

廃炉環境国際共同研究センター; 東北大学*

JAEA-Review 2022-063, 86 Pages, 2023/02

JAEA-Review-2022-063.pdf:3.81MB

日本原子力研究開発機構(JAEA)廃炉環境国際共同研究センター(CLADS)では、令和3年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業(以下、「本事業」という)を実施している。本事業は、東京電力ホールディングス株式会社福島第一原子力発電所(1F)の廃炉等を始めとした原子力分野の課題解決に貢献するため、国内外の英知を結集し、様々な分野の知見や経験を、従前の機関や分野の壁を越えて緊密に融合・連携させた基礎的・基盤的研究及び人材育成を推進することを目的としている。平成30年度の新規採択課題から実施主体を文部科学省からJAEAに移行することで、JAEAとアカデミアとの連携を強化し、廃炉に資する中長期的な研究開発・人材育成をより安定的かつ継続的に実施する体制を構築した。本研究は、研究課題のうち、令和元年度に採択された「低線量・低線量率放射線被ばくによる臓器別酸化ストレス状態の検討」の令和元年度から令和3年度の研究成果について取りまとめたものである。本課題は令和3年度が最終年度となるため3年度分の成果を取りまとめた。本研究は、廃炉作業を含めた原子力・放射線作業従事者の被ばくに該当するような低線量・低線量率放射線への長期被ばくのように、特に1F事故以降に社会的関心が高まっている放射線被ばく影響に関する知見を収集することを目的として実施した。本研究で解明を目指す被ばく線量域の影響解析試料は、1F事故後の旧警戒区域で被ばくした野生ニホンザルから収集した。また、野生動物試料解析結果を検証するために、放射性セシウムに曝露させて飼育した動物実験マウスから解析試料を作成した。放射線影響の指標として酸化ストレスマーカーを指標に体内の酸化ストレス状態とその防御機構の活性のバランスについて検討し、低線量放射線被ばくによる生体の応答反応について検討を行なった。野生ニホンザルの被ばく線量はモンテカルロシミュレーションおよび歯の電子スピン共鳴分析によって評価し、物理指標と生物指標の関連性から放射線影響について検討を行なった。酸化ストレス状態の変動と放射線影響との関連性を検討した学際共同研究である。

Calculating off-axis efficiency of coaxial HPGe detectors by Monte Carlo simulation

Omer, M.; 静間 俊行*; 羽島 良一*; 小泉 光生

Radiation Physics and Chemistry, 198, p.110241_1 - 110241_7, 2022/09

https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2022.110241

In beam geometries where a directed -ray beam hits the surface of a coaxial high purity germanium detector (HPGe), the detector efficiency is sensitive to the position where -rays initially hit the detector surface because the structure of the detector is nonuniform. This may cause inaccuracy of the detector efficiency when measured using standard sources that are point-like sources emitting -rays isotropically. Obtaining a precise estimation of the full energy peak efficiency of the coaxial HPGe detector in the beam geometry for on-axis and off-axis measurements requires a Monte Carlo simulation. We performed a Monte Carlo simulation that calculates the detector efficiency in the beam geometry. The effects of the off-axis distance and -ray beam size on the efficiency are quantitatively analyzed. We found that the intrinsic efficiency in the beam geometry is maximized when the beam hits the detector at specific off-axis distances. Our Monte Carlo calculations have been supported by a nuclear resonance fluorescence experiment using laser Compton scattering -ray beam.