Effect of coaxial HPGe detector structure on -ray beam measurements

Omer, M.; 静間 俊行*; 小泉 光生; 平 義隆*; Zen, H.*; 大垣 英明*; 羽島 良一*

Radiation Physics and Chemistry, 240, p.113467_1 - 113467_8, 2026/03

https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2025.113467

Coaxial high-purity germanium detectors are widely used in applications requiring high-resolution -ray spectroscopy. However, the internal structure of these detectors, particularly the geometry of the inactive volumes inside the detector core, can significantly influence their performance in beam detection configurations. This study investigates the impact of detector structure on the spectral response to pencil-like -ray beams, based on a comparison of -ray spectra measured with two coaxial high-purity germanium detectors that have similar active volumes but distinct internal geometries. Experimental measurements were conducted at the UVSOR synchrotron facility using collimated laser Compton scattered -ray beams with an energy of MeV. Monte Carlo simulations using the Geant4 toolkit were performed to refine the detector models and replicate experimental results. The results reveal that the front layer thickness and the presence of structural elements such as the cold finger strongly affect the spectral features, particularly the appearance of a coincidence sum peak of the annihilation radiation at 1.022 MeV. Off-axis irradiation significantly improves the detection efficiency and reduces undesired induced interactions within inactive volumes. Additionally, the observed pair production signatures are validated through the available theoretical cross section data, confirming the dominant role of internal structures in shaping the detector response under beam geometry. These findings are essential for optimizing detector configurations in precision -ray beam experiments. This work is a contribution of the Japan Atomic Energy Agency (JAEA) to the International Atomic Energy Agency (IAEA) under the agreement of the coordinated research program (CRP), J02015 (Facilitation of Safe and Secure Trade Using Nuclear Detection Technology - Detection of RN and Other Contraband). A part of this work was conducted at the BL1U of UVSOR Synchrotron Facility, Institute for Molecular Science (IMS program 23IMS6602).

Magnetoferroelectric phase transition induced by latent spin-lattice coupling in the geometrically frustrated magnet

玉造 博夢; 内原 猛*; 満田 節生*; 石井 祐太*; 中尾 裕則*; 竹端 寛治*; 今中 康貴*

Physical Review B, 111(13), p.134403_1 - 134403_9, 2025/04

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.111.134403

In multiferroic CuFeAlO, applying uniaxial pressure generates a magnetoferroelectric phase distinct from the well-studied spin-driven ferroelectric phase associated with helical magnetic ordering in this system. Using a four-circle neutron diffractometer, the magnetic structure of the -induced magnetoferroelectric phase is determined as the collinear sinusoidal type, which itself does not break the inversion symmetry in this system. Additionally, synchrotron radiation X-ray diffraction experiments are conducted to investigate how the triangular lattice in CuFeAlO is distorted by applied . Although lattice distortion during the magnetic phase transition in CuFeAlO is mitigated by the substitution of nonmagnetic Al, the application of along the conjugate direction revives the "latent" spin-lattice coupling, causing the triangular lattice to distort during magnetic phase transition. The application of a magnetic filed considerably reduces -induced ferroelectric polarization, but does not affect lattice distortion. These results indicate that -induced ferroelectric polarization is not a consequence of the piezoelectric effect. Instead, the sinusoidal magnetic structure would contribute to the emergence of -induced ferroelectric polarization through spin-lattice coupling.

Uniaxial magnetic anisotropy of L1-FeNi films with island structures on LaAlO(110) substrates by nitrogen insertion and topotactic extraction

西尾 隆宏*; 伊藤 啓太*; 藏 裕彰*; 高梨 弘毅; 柳原 英人*

Journal of Alloys and Compounds, 976, p.172992_1 - 172992_8, 2024/03

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.172992

Tetrataenite (L1-FeNi) has potential for application in next-generation permanent magnets. This compound is a rare-earth-free material comprising Fe and Ni, which are abundant elements. In addition, an extremely high uniaxial magnetocrystalline anisotropy (u) is expected for L1-FeNi because of the ordered arrangement of the elements. This study reports the magnetic properties of uniaxially oriented L1-FeNi films with island structures fabricated by a novel method involving the radio-frequency sputter deposition of FeNi alloy films onto a LaAlO(110) substrate, followed by nitrogen insertion and topotactic extraction. FeNiN(110) films are epitaxially grown on the LAO(110) plane by the nitriding and additional annealing process of the FeNi alloy films at high temperatures under ammonia gas to reduce the volume fraction of crystallographic variants. Uniaxially oriented L1-FeNi alloy films with island structures are obtained after the topotactic denitriding of the FeNiN films. The uniaxial magnetic anisotropy of the L1-FeNi films is determined from the magnetization curves and via magnetic torque measurements of the films. The obtained L1-FeNi film exhibiting a relatively high superlattice order parameter of 0.74 yielded a uniaxial magnetocrystalline anisotropy energy of ~0.63 MJ/m at 300 K, as well as coercivities of 319 and 358 kA/m at 300 and 10 K, respectively. This coercivity is the highest value reported for artificial L1-FeNi to date.

Influence of epitaxial growth on spin current transmission of NiO films

山崎 匠*; 関 剛斎*; 窪田 崇秀*; 高梨 弘毅

Applied Physics Express, 16(8), p.083003_1 - 083003_4, 2023/08

https://doi.org/10.35848/1882-0786/acecd5

We report the effect of the epitaxial growth of NiO films on its spin current transmission. Two sample series of Pt/NiO/CoFeB, including epitaxial and polycrystalline NiO, were prepared using different deposition conditions. The spin current transmission of NiO is evaluated using the thermo-spin effects in the trilayers. Epitaxial NiO exhibits a non-monotonic behavior in the NiO thickness dependence of spin current transmission, while this behavior is smeared out in polycrystalline NiO. The non-monotonic behavior implies the presence of multiple spin transport mechanisms, which becomes apparent with epitaxial growth.

Fracture-mechanics-based evaluation of failure limit on pre-cracked and hydrided Zircaloy-4 cladding tube under biaxial stress states

Li, F.; 三原 武; 宇田川 豊; 天谷 政樹

Journal of Nuclear Science and Technology, 57(6), p.633 - 645, 2020/06

https://doi.org/10.1080/00223131.2019.1709996

To better understand the failure limit of fuel cladding during the pellet-cladding mechanical interaction (PCMI) phase of a reactivity-initiated accident (RIA), pre-cracked and hydrided cladding samples with base metal final heat-treatment status of cold worked (CW) and recrystallized (RX) were tested under biaxial stress conditions (axial to hoop strain ratios of 0 and 0.5). Displacement-controlled biaxial-expansion-due-to-compression (biaxial-EDC) tests were performed to obtain the hoop strain at failure (failure strain) of the samples. The conversion of the failure strains to J-integral at failure by finite-element analysis involving data of stress-relieved (SR) cladding specimens from our previous study revealed that the failure limit in the dimension of J-integral at failure unifies the effects of pre-crack depth. About 30 to 50 percent reduction in the J-integral at failure was observed as the strain ratio increased from 0 to 0.5 irrespective of the annealing type, pre-crack depth, and hydrogen content. the rate of fractional decreases of J-integral at failure with increase of hydrogen content are in the order of CWSRRX, which are essentially independent of strain ratio for the CW and SR samples. The results were incorporated into the failure prediction model of the JAEA's fuel performance code in the form of a correction factor that considers the biaxial loading effect.

EDC試験手法による反応度事故時の燃料被覆管破損に及ぼす水素化物偏在及び2軸応力状態の影響の評価

篠崎 崇; 三原 武; 宇田川 豊; 杉山 智之; 天谷 政樹

JAEA-Research 2014-025, 34 Pages, 2014/12

JAEA-Research-2014-025.pdf:6.05MB

EDC(Expansion-Due-to-Compression)試験は、燃料被覆管の機械特性試験の一手法であり、反応度事故(RIA)時におけるペレット-被覆管機械的相互作用(PCMI)に着目した試験手法である。本研究では、高燃焼度燃料被覆管に見られる"水素化物リム"を模擬するために外周部に水素化物を偏析させた未照射被覆管を使用し、高燃焼度燃料のRIA時に被覆管に負荷される機械的条件を模擬したEDC試験を実施した。試料の水素濃度および偏析した水素化物の厚みが増加すると、試験後試料の周方向残留ひずみが低下する傾向が見られた。また、RIA時に被覆管外面の水素化物に発生するき裂を模擬するため、外面に予き裂を有する被覆管(RAG管)を作製し、この試料を対象としたEDC試験を行った結果、試料の予き裂深さが増加するにつれて破損時の周方向全ひずみが低下する傾向が見られた。さらに、RAG管試料に軸方向引張荷重を負荷することで2軸応力状態とし、EDC試験を実施した。このような2軸応力状態では、単軸引張条件である通常のEDC試験と比較して破損時の周方向全ひずみが低下する傾向が見られた。

Formation of Cu precipitates by ion implantation and thermal annealing for the growth of oxide nanorods

武山 昭憲; 山本 春也; 伊藤 洋; 吉川 正人

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 232(1-4), p.333 - 337, 2005/05

https://doi.org/10.1016/j.nimb.2005.03.068

イオン注入と熱処理によって、Si(100)基板上に銅化合物微粒子を生成させた。熱処理時間を長くすると、銅化合物微粒子の形状は長方形から細長いピラミッド状に変化した。この形状変化は、銅化合物微粒子が基板との界面エネルギーを最小化するため、基板上にエピタキシャル成長した結果生じたと考えられる。一方、熱処理時間が長くなるほど(1時間)銅化合物微粒子の生成密度は増加するが、逆にその大きさは減少することがわかった。以上の結果から、銅化合物微粒子の形状,大きさ及び生成密度が熱処理時間の長短によって制御可能であることがわかった。したがって、銅化物微粒子の大きさを上述の方法でナノメートルサイズに制御することにより、ナノメートルサイズの柱状酸化亜鉛(酸化亜鉛ナノロッド)の形成が可能である見通しを得た。

Investigation of hydride rim effect on failure of Zircaloy-4 cladding with tube burst test

永瀬 文久; 更田 豊志

Journal of Nuclear Science and Technology, 42(1), p.58 - 65, 2005/01

https://doi.org/10.3327/jnst.42.58

水素添加ジルカロイ-4被覆管に対し室温及び620Kにおいてバースト試験を行った。NSRRでのパルス照射時に高燃焼度燃料で起こる急激なPCMIを模擬し、加圧速度は最高3.4MPa/msまで高めた。被覆管中の水素濃度範囲は1501050ppmであり、高燃焼度PWR燃料被覆管と同様に被覆管外周部に水素化物を集積させ、「水素化物リム」を形成させた。室温試験で、水素吸収被覆管は軸方向に長い亀裂を呈して破損した。水素化物リムでは、脆性的な破壊が見られ、破損形態はNSRR実験で観察されたものと同じであった。また、水素化物リムにより、破裂圧力や周方向残留ひずみは明確に低下した。水素化物リムの厚さが被覆管肉厚の18%を超える場合、620Kにおいても周方向ひずみは非常に小さかった。本研究の結果は、RIA条件下における高燃焼度燃料棒の破損において水素化物集積層が重要な役割を果たすことを示している。

Magnetic structure of spin-density waves in Cr(001)/Sn multilayers with periodic monatomic spacer layers of nonmagnetic Sn

武田 全康; 壬生 攻*; 新庄 輝也*; 遠藤 康夫*; 鈴木 淳市

Physical Review B, 70(10), p.104408_1 - 104408_9, 2004/09

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.70.104408

中性子回折とメスバウアー分光を使って単原子層の非磁性Snを周期的に挿入したCr(001)/Sn多層膜のCrのスピン密度波(SDW)の構造について詳細に調べた。240nmの厚さのCr薄膜を基本構造として、全体の層厚を240nmに保ったまま、Sn層にはさまれたCr層の厚さを4.0nmから16.0nmになるように試料を作成した。すべての試料で、300KではバルクのCrで見られるSDW構造が観測されずに単純な反強磁性構造(CAF)を示すことがわかった。低温にすると、バルクでのSDWの波長よりも短いCr層厚を持つ4.0nmの試料では、このCAF構造はそのまま保たれているが、それよりも長いCr層厚を持つ試料では、低温でSDW構造に変わったが、その磁気構造はSn層できられたCr層の厚さによって大きく変化した。特に、Cr層厚が10.0nmの試料では温度領域によって、SDWの波長が非連続的に変化するのが観測された。これは、SDWを作ろうとするフェルミ面のネスティング効果で決まる波長とSnを挿入したことで導入された人工的な周期ポテンシャルによる競合の結果であると解釈される。

Multiple coulomb excitation experiment of Zn

小泉 光生; 関 暁之*; 藤 暢輔; 長 明彦; 宇都野 穣; 木村 敦; 大島 真澄; 早川 岳人; 初川 雄一; 片倉 純一; et al.

Nuclear Physics A, 730(1-2), p.46 - 58, 2004/01

https://doi.org/10.1016/j.nuclphysa.2003.10.010

原研タンデム・ブースター加速器施設でZnビームのクーロン励起実験を行った。実験の結果、新たに2つのマトリックスエレメント及び2の四重極モーメントを得た。Znの構造を理解するために、Nilsson-Strutinskyモデルでポテンシャルエネルギー表面(PES)の計算を行った。その結果、PESは、2つの浅い極小値を持つことがわかった。1番目の極小値は、フェルミ面の下に軌道を含まず、2番目の極小値は、それを含むことがわかった。殻モデル計算との比較より、基底状態バンド及び侵入バンドは、それぞれEPSの1番目及び2番目に関係していると考えられる。基底バンドの励起エネルギーやの実験値は、3軸非対称モデル及びO(6)限界のIBMによって、ある程度再現できることがわかった。また、PESの浅い極小は原子核の形状がソフトであることを示唆している。以上より、基底状態バンドは、ソフトな三軸非対称変形していると考えられる。