[論文レビュー] Overcoming High Energy Backgrounds at Pulsed Spallation Sources

Nataliia Cherkashyna, R. Hall-Wilton+19 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2015

Nuclear Physics and Applications参考文献 11被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、パルス型スパリケーション中性子源における高エネルギー背景放射を低減する包括的でシステムレベルの遮蔽設計手法を提案する。この放射は信号対ノイズ（S/N）性能を低下させる。中性子光学、遮蔽、検出器配置、チョッパー系を共同最適化することで、高度なシミュレーションと材料選定を用いることで、最適化された遮蔽により、総材料コストと活性化リスクを低減しつつ、装置性能を最大で1桁向上できることを示している。

ABSTRACT

Instrument backgrounds at neutron scattering facilities directly affect the quality and the efficiency of the scientific measurements that users perform. Part of the background at pulsed spallation neutron sources is caused by, and time-correlated with, the emission of high energy particles when the proton beam strikes the spallation target. This prompt pulse ultimately produces a signal, which can be highly problematic for a subset of instruments and measurements due to the time-correlated properties, and different to that from reactor sources. Measurements of this background have been made at both SNS (ORNL, Oak Ridge, TN, USA) and SINQ (PSI, Villigen, Switzerland). The background levels were generally found to be low compared to natural background. However, very low intensities of high-energy particles have been found to be detrimental to instrument performance in some conditions. Given that instrument performance is typically characterised by S/N, improvements in backgrounds can both improve instrument performance whilst at the same time delivering significant cost savings. A systematic holistic approach is suggested in this contribution to increase the effectiveness of this. Instrument performance should subsequently benefit.

研究の動機と目的

• パルス型スパリケーション中性子源における高エネルギー背景放射の増大する課題に取り組み、中性子光学の進歩にもかかわらず装置性能が制限されている現状を改善すること。
• 従来の遮蔽が安全上の費用として扱われる傾向にあるが、信号対背景（S/B）比を最大化する上で極めて重要な役割を果たしていることを認識すること。
• 個別的かつ後から設計される遮蔽の非効率性を克服し、装置設計プロセスの初期段階から遮蔽最適化を統合すること。
• 知的な遮蔽によりバックグラウンド放射を低減することで、中性子ガイドの明るさをさらに最適化するのよりも、はるかに大きな性能向上が得られることを実証すること。
• 長期的な運用コストと保守課題を最小限に抑えるために、低活性化性材料を選定し、不純物の影響をシミュレーションで検証すること。

提案手法

• スパリケーションターゲットにおけるプロトンビームの衝突に起因する中性子輸送とバックグラウンド生成をモデル化するため、モンテカルロ光線追跡シミュレーション（例：McStas, Vitess）を用いる。
• 中性子光学と検出器配置と統合して遮蔽設計を行うことで、S/B比を最大限に高める装置全体の共同最適化を実現する。
• 放射線場自体を設計するシステムエンジニアリングの手法を採用し、特に試料位置や検出器位置などの重要な装置位置における高エネルギー粒子フラックスを最小限に抑える。
• ESS関連スペクトル下での中性子減速、ガンマ線遮蔽、および活性化特性に基づき、コンクリート、スチール、銅、ポリエチレンなどの遮蔽材料を評価する。
• 測定済み不純物濃度を用いた詳細な活性化シミュレーションを実施し、長期的な保守および解体コストを予測する。
• 崩壊行動と放射線場特性に基づき、銅はステンレス鋼よりも優れた活性化特性を示すため、低活性化材料（例：銅）を優先する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遮蔽設計を放射線安全のためのものとしてではなく、装置性能の根幹的エンablerとして再考することは可能か？
• RQ2 パルス型スパリケーション源において、包括的でシステムレベルの遮蔽戦略が、バックグラウンド放射をどれほど低減でき、信号対背景（S/B）比をどれほど向上させられるか？
• RQ3 遮蔽最適化と中性子光学最適化の両者において、装置性能に与える相対的影響は何か？
• RQ4 不純物含有量および活性化挙動の観点から、材料選定が長期的な装置の保守および解体コストにどのように影響を与えるか？
• RQ5 遮蔽、光学、検出器、チョッパーを一体的に設計することで、性能を損なうことなく測定可能なコスト削減が達成可能か？

主な発見

• 包括的遮蔽戦略により、信号対背景（S/B）比の向上が主因となり、装置性能を最大で1桁向上できる。
• 遮蔽最適化は、すでに現代の設計で80％の効率に近い中性子ガイドの明るさをさらに向上させるのよりも、はるかに大きな性能向上をもたらす。
• 知的な放射線場形状の設計により遮蔽体積を削減することで、設計の複雑さが増すものの、総材料コストは低減される。
• 長期間にわたる照射下において、銅はステンレス鋼よりも優れた活性化特性を示し、数か月後の残留放射能も低くなるが、遮蔽性能はほぼ同等である。
• 不純物は活性化に顕著な影響を与えるため、不純物濃度を測定値に基づいたシミュレーションが、保守および解体の課題を予測するために不可欠である。
• スパリケーション源におけるピーク瞬間パルスバックグラウンドは非常に高いため、バックグラウンド低減目標を達成すれば、自動的に放射線安全基準を上回ることになり、バックグラウンド低減の性能ポentialが顕著に浮き彫りになる。