[論文レビュー] PGNAA neutron source moderation setup optimization

Jinzhao Zhang, Xianguo Tuo|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2013

Nuclear Physics and Applications参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、モンテカルロシミュレーション（MCNP5）を用いてPGNAA中性子源を最適化し、熱中性子フラックスを向上させた。薄いパラフィン層と厚い重水モダレーターに加え、反射材を組み合わせることで、従来の設定と比較して熱中性子フラックスが3.02倍、検出率が3.27倍向上し、PGNAA感度が顕著に向上した。

ABSTRACT

Monte Carlo simulations were carried out to design a prompt γ-ray neutron activation analysis (PGNAA) thermal neutron output setup using MCNP5 computer code. In these simulations the moderator materials, reflective materials and structure of the PGNAA 252Cf neutrons of thermal neutron output setup were optimized. Results of the calcuations revealed that the thin layer paraffin and the thick layer of heavy water moderated effect is best for 252Cf neutrons spectrum. The new design compared with the conventional neutron source design, the thermal neutron flux and rate were increased by 3.02 times and 3.27 times. Results indicate that the use of this design should increase the neutron flux of prompt gamma-ray neutron activation analysis significantly.

研究の動機と目的

• プロンプトガンマ線中性子活性化分析（PGNAA）システムにおける熱中性子フラックスの向上を目的とする。
• 252Cf中性子源に最適なモダレーターおよび反射材を同定することを目的とする。
• 最大限の熱中性子出力を得ることで、検出感度を向上させることを目的とする。
• シミュレーションに基づく最適化を用いて、コンactで効率的な中性子減速構造を設計することを目的とする。

提案手法

• 中性子輸送およびエネルギー劣化をモデル化するために、MCNP5コードを用いたモンテカルロシミュレーションを実施した。
• パラフィン、ポリエチレン、重水といった異なるモダレーター材料の熱化効率を評価した。
• モダレーターおよび反射材の幾何形状を系統的に変更し、中性子フラックスの最適化を図った。
• ベリリウムやポリエチレンなどの反射材をテストし、中性子漏れを低減した。
• サンプル位置における熱中性子フラックスを計算し、設計間での性能を比較した。
• 最終的な設計では、薄いパラフィン層と厚い重水モダレーターを組み合わせ、最適な減速および反射を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PGNAAシステムにおいて、どのモダレーターと反射材の組み合わせが熱中性子フラックスを最大にするか？
• RQ2 モダレーターの厚さおよび積層構造は、中性子エネルギースペクトルの整形にどのように影響するか？
• RQ3 PGNAA感度の向上を図るための、中性子源の最適な幾何配置は何か？
• RQ4 新しい設計は、従来のPGNAAソース構成と定量的にどのように比較できるか？
• RQ5 重水とパラフィンを積層構造で用いることで、中性子フラックスおよび検出率を顕著に向上させられるか？

主な発見

• 薄いパラフィン層と厚い重水モダレーターの組み合わせが、最も高い熱中性子フラックスを達成した。
• 最適化された設計により、従来の設定と比較して熱中性子フラックスが3.02倍に向上した。
• フラックスの向上に起因し、中性子検出率が3.27倍向上した。
• 重水は252Cf中性子の熱化において優れたモダレーター効率を示した。
• 反射材の導入により、中性子損失がさらに低減され、フラックスの集中が向上した。
• シミュレーション結果は、新設計がPGNAAシステム性能を顕著に向上させることを確認した。