レーザー中性子源の深化ー中性子分析への応用をめざしてー

• Project/Area Number: 23K23275
• Project/Area Number (Other): 22H02007 (2022-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2022-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 31010:Nuclear engineering-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 余語 覚文 大阪大学, レーザー科学研究所, 教授 (50421441)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 早川 岳人 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光量子科学研究所 光量子ビーム科学研究部, 上席研究員 (70343944)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000); Fiscal Year 2024: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2023: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2022: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000)
• Keywords: レーザー中性子源 / レーザーイオン加速 / 中性子共鳴吸収分析 / レーザー駆動中性子源 / 固体水素薄膜 / 温度計測

Outline of Research at the Start

レーザープラズマから数十MeVの陽子等を加速してベリリウム等に照射し2次反応を起こすことで「レーザー中性子源」が可能となっている。本研究では、より高効率な中性子発生機構の追求と、生成した中性子による分析技術の開発を行う。そのため、代表者等が発見した中性子発生数に関するスケーリング則を適用しつつ、冷却装置による固体重水素薄膜を開発して高効率に重水素を加速することで、中性子発生数を増大させる。また、短パルス性を大きく損なわない減速体系を構築して、短パルスの熱・熱外中性子源を構築し、中性子共鳴吸収分析などの計測がレーザー１ショットで完了する「シングルショット中性子分析」を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、レーザー中性子源の実用化のために、より高効率な中性子発生機構の追求と生成した中性子による分析技術の開発を行う。そのため、代表者等が発見したスケーリング則を適用しつつ冷却装置による固体重水素薄膜を用いることでレーザーエネルギーから重水素加速エネルギーへの変換効率を上げる。また、短パルス性を大きく損なわない減速体系を構築する。2m 以下の距離に検出器を設置し中性子飛行時間計測法でエネルギーを計測しつつ検出域の前にサンプルを配置することで、シングルショット中性子共鳴吸収分析法の開発を行う。

クライオ冷却による固体重水素薄膜生成装置の開発を完了し、セルフサポートの重水素薄膜（厚さ100μm）を生成して、大型レーザー装置LFEXからの高強度レーザーパルス(10^19 Wcm^-2, 1.5 ps)を照射することで、重陽子加速試験を実施した。その結果、重陽子のエネルギー分布に特徴的なピーク構造が見出された。従来の加速機構（TNSA機構）とは異なる機構が発現していることが示唆される結果である。シミュレーションを含めた理論的解析を進めている。

また、シングルショット中性子分析の実証研究においては、中性子共鳴吸収分析を実施し、サンプルの昇温に伴って共鳴吸収ピークの半値幅がドップラーシフトによって増大する結果を、シングルショット計測することに成功した。従来の加速器中性子を用いた研究例では、10ｍ級のビームラインで時間積算計測が行われていたが、本研究では、1.8ｍの距離で、レーザー１ショットで計測する点が特徴である。遮蔽（ニッケル管等）を配置することで測定ノイズ等に起因するばらつきを低減し、実験で得られた共鳴吸収ピークからドップラーシフトを導出することに成功した。その結果、ドップラーシフトが温度の平方根に依存することが明らかになった。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

シングルショット共鳴吸収分析における温度依存性の成果を、Nature Comunications誌に投稿し、査読が最終段階にある。また、中性子ビームラインの遮蔽設計に関する成果[Lan et al., Quantum Beam Sci. 8(1) 9 (2024)]および、クライオ冷却による固体重水素薄膜生成装置の開発に関する成果[Wei et al., Jpn. J Appl. Phys. 63(4) 046002 (2024)]が投稿論文として出版された。また、上記の成果を２件の国際会議において招待講演として報告した他、国内学会（原子力学会、レーザー学会、日本物理学会）において報告した。
加えて、レーザー駆動中性子源に関する成果に対して、第45回応用物理学会論文賞を授与された。

Strategy for Future Research Activity

シングルショット共鳴吸収分析に関しては、遮蔽ビームラインの改善をさらに進める。また、新たに、位置分解機能を有する中性子分析器を米国、英国の研究者を含む国際チームで開発し、レーザー駆動中性子源によるシングルショット計測実験を実施する計画である。

Research Products

• [Journal Article] Cryogenic solid deuterium target formation to realize highly pure deuteron acceleration by high-intensity laser (2024)
  • Author(s): Wei Tianyun、Iwamoto Akifumi、Lan Zechen、Hayakawa Takehito、Arikawa Yasunobu、Tanabe Daiki、Ishimoto Takashi、Mori Takato、Takeshita Masatoshi、Murakami Masakatsu、Gu Yanjun、Morace Alessio、Nakai Mitsuo、Yogo Akifumi
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 63 Issue: 4 Pages: 046002-046002
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ad32e6
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of a Time-Gated Epithermal Neutron Spectrometer for Resonance Absorption Measurements Driven by a High-Intensity Laser (2024)
  • Author(s): Lan Zechen、Arikawa Yasunobu、Abe Yuki、Mirfayzi Seyed Reza、Morace Alessio、Hayakawa Takehito、Wei Tianyun、Yogo Akifumi
  • Journal Title: Quantum Beam Science Volume: 8 Issue: 1 Pages: 9-9
  • DOI: 10.3390/qubs8010009
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Advances in laser-driven neutron sources and applications (2023)
  • Author(s): Yogo A.、Arikawa Y.、Abe Y.、Mirfayzi S. R.、Hayakawa T.、Mima K.、Kodama R.
  • Journal Title: The European Physical Journal A Volume: 59 Issue: 8 Pages: 191-191
  • DOI: 10.1140/epja/s10050-023-01083-8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Laser-Driven Neutron Generation Realizing Single-Shot Resonance Spectroscopy (2023)
  • Author(s): Yogo A.、Lan Z.、Arikawa Y.、Abe Y.、Mirfayzi S.?R.、Wei T.、Mori T.、Golovin D.、Hayakawa T.、Iwata N.、Fujioka S.、Nakai M.、Sentoku Y.、Mima K.、Murakami M.、Koizumi M.、Ito F.、Lee J.、Takahashi T.、Hironaka K.、Kar S.、Nishimura H.、Kodama R.
  • Journal Title: Physical Review X Volume: 13 Issue: 1 Pages: 011011-011011
  • DOI: 10.1103/physrevx.13.011011
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Feasibility study of laser-driven neutron sources for pharmaceutical applications (2023)
  • Author(s): Mori Takato、Yogo Akifumi、Arikawa Yasunobu、Hayakawa Takehito、Mirfayzi Seyed R.、Lan Zechen、Wei Tianyun、Abe Yuki、Nakai Mitsuo、Mima Kunioki、Nishimura Hiroaki、Fujioka Shinsuke、Kodama Ryosuke
  • Journal Title: High Power Laser Science and Engineering Volume: 11 Pages: 1017-1020
  • DOI: 10.1017/hpl.2023.4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Picosecond snapshot imaging of electric fields induced on a cone guide target designed for fast ignition scenario (2022)
  • Author(s): Shi Binghe、Yogo Akifumi、Okamoto Kazuki、Golovin Daniil、Mirfayzi Seyed Reza、Morace Alessio、Arikawa Yasunobu、Yamanoi Kohei、Abe Yuki、Murakami Masakatsu、Gu Yanjun、et al.
  • Journal Title: Journal of Plasma Physics Volume: 88 Issue: 4 Pages: 905880404-905880404
  • DOI: 10.1017/s0022377822000599
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Thermal neutron fluence measurement using a cadmium differential method at the laser-driven neutron source (2022)
  • Author(s): Mori Takato、Yogo Akifumi、Hayakawa Takehito、Mirfayzi Seyed R、Lan Zechen、Wei Tianyun、Abe Yuki、Arikawa Yasunobu、Nakai Mitsuo、Mima Kunioki、Nishimura Hiroaki、Fujioka Shinsuke、Kodama Ryosuke
  • Journal Title: Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics Volume: 49 Issue: 6 Pages: 065103-065103
  • DOI: 10.1088/1361-6471/ac6272
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Non-destructive inspection of water or high-pressure hydrogen gas in metal pipes by the flash of neutrons and x rays generated by laser (2022)
  • Author(s): Wei Tianyun、Yogo Akifumi、Hayakawa Takehito、Arikawa Yasunobu、Abe Yuki、Nakanishi Maiko、Mirfayzi Seyed Reza、Lan Zechen、Mori Takato、Mima Kunioki、Fujioka Shinsuke、Murakami Masakatsu、Nakai Mitsuo、Nishimura Hiroaki、Kar Satyabrata、Kodama Ryosuke
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 12 Issue: 4 Pages: 045220-045220
  • DOI: 10.1063/5.0088997
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] レーザー駆動線源による中性子共鳴吸収 III シングルショット分析におけるサンプル温度依存性 (2024)
  • Author(s): 余語 覚文,Lan Zechen,有川 安信,早川 岳人,Mirfayzi Seyed Reza、Wei Tianyun,巽 湧太,佐藤 博隆,加美山 隆,小泉 光生
  • Organizer: 日本原子力学会2024年春の年会
• [Presentation] レーザー駆動中性子源によるシングルショット分析 (2024)
  • Author(s): 余語 覚文,Mirfayz Seyed Reza,有川 安信,安部 勇輝,Wei Tianyun,森 隆人,Lan Zechen,朴木 裕貴,Golovin Daniil O,鈴木 洋介,金崎 真聡,藤岡 慎介,中井 光男,早川 岳人,西村 博明,兒玉 了祐
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] Efficient deuteron acceleration with cryogenic solid deuterium target by picosecond petawatt laser (2024)
  • Author(s): 韋添允,岩本晃史,有川安信,Morace Alessio,早川岳人,三間圀興,藍沢塵,Jiaqi Zhang,巽湧太,山ノ井航平,余語覚文
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] シングルショット共鳴分光を実現するレーザー駆動中性子源 (2024)
  • Author(s): 藍 沢塵,有川 安信,Morace Alessio,早川 岳人,加美山 隆,佐藤 博隆,Wei Tianyun,巽 湧太,Mirfayzi Reza,小泉 光生,安部 勇輝,藤岡 慎介,三間 国興,児玉 了祐,余語 覚文
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第44回年次大会
  • Invited
• [Presentation] Quasi-mono energetic deuteron beam by laser with ultra-thin D2O layer (2024)
  • Author(s): 韋 添允,有川 安信,Morace Alessio,Mirfayzi Seyed,早川 岳人,三間 圀興,藍 沢塵,巽 湧太,山ノ井 航平,兒玉 了祐,余語 覚文
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第44回年次大会
• [Presentation] Exploring “Nuclear Photonics” with High Power Lasers (2023)
  • Author(s): Akifumi Yogo
  • Organizer: The 12th Asia-Pacific Laser Symposium APLS 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Advances in Laser-driven Neutron Sources and Applications at Osaka University (2023)
  • Author(s): Akifumi Yogo
  • Organizer: Nuclear Photonics 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] レーザー駆動線源による中性子共鳴吸収 II -シングルショット分析を目指して- (2023)
  • Author(s): *余語 覚文1、Lan Zechen1、早川 岳人2、Wei Tianyun、有川 安信1、安部 勇輝1、藤岡 慎介1、中井 光男1、三間 圀興1、兒玉 了祐
  • Organizer: 日本原子力学会2022年秋の大会
• [Presentation] レーザー駆動中性子源を用いた中性子共鳴透過分析システムの開発と実証 (2023)
  • Author(s): 李 在洪、伊藤 史哲、弘中 浩太、小泉 光生、堀 順、寺田 和司、余語 覚文
  • Organizer: 日本原子力学会2022年秋の大会
• [Presentation] High-speed Atomic Thermometer using Single Shot of Laser-driven Neutron Pulse (2023)
  • Author(s): Zechen Lan, Akifumi Yogo, Takehito Hayakawa, Tianyun Wei, Takashi Kamiyama, Hirotaka Sato, Yasunobu Arikawa, S. Reza Mirfayzi, Mitsuo Koizumi, Yuki Abe, Takato Mori, Yuta Tatsumi, Tsuneya Katsu, Maiko Nakanishi,Hiroaki Nishimura, Kunioki Mima, Mitsuo Nakai, Shinsuke Fujioka, Ryosuke Kodama
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] High-speed Atomic Thermometer using Single Shot of Laser-driven Neutron Pulse (2023)
  • Author(s): Zechen Lan, Yogo Akifumi, Takehito Hayakawa1, Tianyun Wei, Takashi Kamiyama2, Hirotaka Sato2, Yasunobu Arikawa, Mirfayzi Seyed Reza3, Yuki Abe, Takato Mori, Yuta Tatsumi, Maiko Nakanishi, Tsuneya Katsu, Hiroaki Nishimura4, Kunioki Mima, Mitsuo Nakai, Shinsuke Fujioka and Ryosuke Kodama
  • Organizer: 一般社団法人レーザー学会学術講演会第43回年次大会
• [Presentation] レーザー駆動中性子源を用いた宇宙核時計Lu-176の崩壊加速メカニズムに関する研究 (2023)
  • Author(s): 巽 湧太1、余語 覚文1、早川 岳人2、有川 安信1、森 隆人1、藍 澤塵1、韋 添允1、勝 常也1、中井 光男1、三間 圀興1、安倍 勇輝3、蔵満 康浩3、藤岡 慎介1、兒玉 了祐
  • Organizer: 一般社団法人レーザー学会学術講演会第43回年次大会