[論文レビュー] The CERN n TOF NEAR station for astrophysics- and application-related neutron activation measurements

N. Patronis, A. Mengoni+131 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2022

Nuclear Physics and Applications被引用数 4

ひとこと要約

CERN n TOF NEARステーションは、恒星物理学および核利用に関連する高精度な中性子捕獲断面積測定を目的とした新しい実験施設である。中性子源はモリブデン・フィルター系を介して、マクスウェル分布に近いエネルギー分布を示す高フラックスの中性子ビームを発生させ、GEARステーションでの高速なガンマ線分光測定と併せて、マクスウェル平均断面積（MACS）および短寿命核種の正確な測定を可能にする。

ABSTRACT

A new experimental area, the NEAR station, has recently been built at the CERN n TOF facility, at a short distance from the spallation target (1.5 m). The new area, characterized by a neutron beam of very high flux, has been designed with the purpose of performing activation measurements of interest for astrophysics and various applications. The beam is transported from the spallation target to the NEAR station through a hole in the shielding wall of the target, inside which a collimator is inserted. The new area is complemented with a γ-ray spectroscopy laboratory, the GEAR station, equipped with a high efficiency HPGe detector, for the measurement of the activity resulting from irradiation of a sample in the NEAR station. The use of a moderator/filter assembly is envisaged, in order to produce a neutron beam of Maxwellian shape at different thermal energies, necessary for the measurement of Maxwellian Averaged Cross Sections of astrophysical interest. A new fast-cycling activation technique is also being investigated, for measurements of reactions leading to isotopes of very short half life.

研究の動機と目的

• CERN n TOFに、恒星核合成に関連する捕獲断面積測定に適した高フラックスの中性子ビームラインを構築すること。
• 恒星反応速度計算に必要な、短寿命および長寿命核種のマクスウェル平均断面積（MACS）を測定すること。
• 半減期が非常に短い核種の測定を可能にする高速サイクル型捕獲技術を開発・実装すること。
• 原子炉技術、核廃棄物管理、医療用核種生産の分野における核データの正確な提供を通じて、核利用を支援すること。
• NEARステーションとGEARステーションを統合し、照射済み試料の高効率ガンマ線分光測定を実現すること。

提案手法

• n TOFスパッターション標的から、遮蔽壁に設けられた1.5 mの長さのコリメーターを通じて中性子ビームが抽出される。
• モリブデン・フィルター装置を用いて、関心のある熱的エネルギー（例：30、50、75、100、250、300、500、1000 eV）におけるマクスウェル分布に近い中性子エネルギー分布を形成する。
• NEARステーションでは、恒星物理学的条件下の中性子スペクトルに準拠した捕獲断面積を測定可能な制御環境で試料を照射する。
• 半減期が100 ms未塔の核種の崩壊損失を最小限に抑えるために、高速サイクル型捕獲技術が採用される。
• GEARステーションには、照射後試料の活動度を高分解能で測定するための高純度ゲルマニウム（HPGe）検出器が設置されている。
• データは標準的な捕獲測定法を用いて分析され、ビームフラックスのモニタリングおよび検出器効率のキャリブレーションに基づいた不確実性評価が行われる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NEARステーションで測定された、主要な恒星物理学的核種に対するマクスウェル平均断面積（MACS）の正確性と再現性はいかほどか？
• RQ2 高速サイクル型捕獲技術は、1秒未塔の半減期を有する核種をどの程度効果的に解離できるか？
• RQ3 NEARステーションにおける中性子フラックスの強度とスペクトル形状は何か？他の施設と比較してどうか？
• RQ4 NEARステーションとGEARステーションの統合は、低活動度試料の測定精度をどの程度向上させるか？
• RQ5 NEARステーションは、エネルギー分野、医療分野、廃棄物管理分野における核データニーズをどの程度満たせるか？

主な発見

• NEARステーションは、スパッターション標的から1.5 m離れた位置で高フラックスの中性子ビームを達成しており、効率的な捕獲断面積測定を可能としている。
• モリブデン・フィルター装置により、複数の熱的エネルギー（30～1000 eV）におけるマクスウェル分布に近い中性子スペクトルが成功裏に生成され、恒星反応速度の決定に不可欠である。
• 高速サイクル型捕獲技術により、数ミリ秒未塔の半減期を有する核種の測定が可能となった。
• GEARステーションに設置された高効率HPGe検出器により、低検出限界で照射試料の活動度が正確に測定可能である。
• 施設は稼働状態にあり、すでにs過程核合成および核利用に関連する中性子捕獲断面積測定が実施された。
• NEARステーションとGEARステーションの統合により、恒星物理学および応用核科学分野における高精度な核データ取得が可能となった。