[論文レビュー] The neutron tagging facility at Lund University

F. Messi, H. Perrey+28 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2017

Nuclear Physics and Applications参考文献 19被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、ルンド大学に設置されたニュートロンタギング施設を紹介する。この施設は、放射性核種から発生するタグ付きニュートロンを用いて、ヘリウム-3を含まないニュートロン検出器の検証を可能にする低コストで高精度なニュートロンビームシステムである。ニュートロンタギングと飛行時間測定を組み合わせることで、正確でイベント単位のニュートロンエネルギー決定が可能となり、ヨーロッパスパリューションソースの開発に伴い、ヘリウム-3の不足が深刻化する中で、検出器開発のための費用対効果に優れた代替手段を提供する。

ABSTRACT

Over the last decades, the field of thermal neutron detection has overwhelmingly employed He-3-based technologies. The He-3 crisis together with the forthcoming establishment of the European Spallation Source have necessitated the development of new technologies for neutron detection. Today, several promising He-3-free candidates are under detailed study and need to be validated. This validation process is in general long and expensive. The study of detector prototypes using neutron-emitting radioactive sources is a cost-effective solution, especially for preliminary investigations. That said, neutron-emitting sources have the general disadvantage of broad, structured, emitted-neutron energy ranges. Further, the emitted neutrons often compete with unwanted backgrounds of gamma-rays, alpha-particles, and fission-fragments. By blending experimental infrastructure such as shielding to provide particle beams with neutron-detection techniques such as tagging, disadvantages may be converted into advantages. In particular, a technique known as tagging involves exploiting the mixed-field generally associated with a neutron-emitting source to determine neutron time-of-flight and thus energy on an event-by-event basis. This allows for the definition of low-cost, precision neutron beams. The Source-Testing Facility, located at Lund University in Sweden and operated by the SONNIG Group of the Division of Nuclear Physics, was developed for just such low-cost studies. Precision tagged-neutron beams derived from radioactive sources are available around-the-clock for advanced detector diagnostic studies. Neutron measurements performed at the Source Testing Facility are thus cost-effective and have a very low barrier for entry. In this paper, we present an overview of the project.

研究の動機と目的

• ヘリウム-3の不足と近い将来に予定されるヨーロッパスパリューションソースの開発に伴い、ヘリウム-3フリーのニュートロン検出技術への需要が高まっていることに対応する。
• 従来のニュートロン発生源には、広いエネルギースペクトルと高いバックグラウンドレベルという制限があることに対処する。
• タグ付きニュートロンを用いて、イベント単位での高精度なエネルギー測定を可能にする、低コストでアクセスしやすい検出器診断プラットフォームを構築する。
• 研究者にとっての参入障壁を最小限に抑えた、24時間体制で利用可能なプロトタイプニュートロン検出器のテストソリューションを提供する。

提案手法

• 主なニュートロン源として放射性核種（例：252Cf）を用いる。
• 源の崩壊に伴い発生する相関粒子（例：核分裂片やプリミティブガンマ線）を検出することでニュートロンタギングを実装し、個々のニュートロンイベントを特定する。
• タグ付きイベントを時間基準として用い、ニュートロンが源から検出器に到達するまでの飛行時間を測定する。
• 飛行時間情報を利用して、各検出ニュートロンのエネルギーをイベント単位で決定する。
• 遮蔽および粒子検出システムを統合し、ガンマ線やアルファ粒子などのバックグラウンド放射線を低減する。
• ルンド大学原子核物理学部門に設置されたソーステスト施設を運用し、校正済みで高精度なタグ付きニュートロンビームを供給する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 放射性核種から発生するタグ付きニュートロンは、新しいヘリウム-3フリーのニュートロン検出器の検証に十分なエネルギー分解能を提供できるか？
• RQ2 放射性核種を用いたニュートロン検出実験において、ニュートロンタギングはバックグラウンド干渉（ガンマ線、アルファ粒子など）をどれほど効果的に低減できるか？
• RQ3 この施設は、検出器研究開発のための低コストで高精度なニュートロンビーム特性評価をどの程度可能にするか？
• RQ4 小型で加速器を用いないシステムでも、飛行時間法によるイベント単位のニュートロンエネルギー決定を信頼性高く実現できるか？
• RQ5 エネルギー分解能と実験のアクセス可能性の観点から、このタギングシステムの性能は従来のニュートロンビームと比べてどの程度優れているか？

主な発見

• 本施設は、放射性核種を用いて高精度なタグ付きニュートロンビームを効果的に生成し、飛行時間法を用いてイベント単位でのニュートロンエネルギー決定を実現した。
• ニュートロンタギングにより、ガンマ線やアルファ粒子などのバックグラウンド放射線が相関粒子検出によって効果的に抑制された。
• 低コストで24時間体制のソリューションを提供し、研究者にとっての参入障壁を顕著に低減した。
• ヘリウム-3フリーのニュートロン検出器プロトタイプの予備的および高度な診断に十分なエネルギー分解能を達成した。
• 加速器や原子炉を用いない放射性核種からのタグ付きニュートロンを、加速器または原子炉ベースのニュートロンビームの代替として実現可能であることを示した。
• ルンド大学のソーステスト施設は正常に稼働しており、ヨーロッパスパリューションソースの開発およびヘリウム-3危機の文脈において、検出器研究開発を積極的に支援している。