Resonance absorption analysis using laser-driven neutron source

• Project/Area Number: 23KJ1466
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 31010:Nuclear engineering-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: LAN ZECHEN 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2023-04-25 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥1,800,000 (Direct Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2024: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2023: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
• Keywords: レーザー駆動中性子源 / 中性子共鳴分析

Outline of Research at the Start

阪大レーザーで開発されたレーザー駆動中性子源は，1cm の中性子源から約1 ナノ秒の時間幅で，現時点の世界最高値の高速中性子を発生し，これを中性子減速材で減速して冷中性子を含む連続エネルギー分布の中性子を発生することに成功している．レーザー駆動中性子源がコンパクトかつ単パルスであることを利用することで，加速器中性子源では約10m のビームラインが必要となる共鳴吸収分析を、１ｍのビームラインで、かつ１パルスの中性子で計測することが実現可能となる．これが実現すれば、同位体種や温度などの原子核情報を瞬間的に計測する新しい手法に繋がる．

Outline of Annual Research Achievements

今年度実験で，中性子ビームラインに沿ってB2O3入りポリエチレンとニッケルで構成する中性子コリメーターを開発した．B2O3入りポリエチレンは近年でよく使われる中性子吸収材で，チャンバー構造物からの散乱中性子を吸収する役目である．その一方で，ニッケルはeV領域の中性子に対して高い弾性散乱断面積を持つ，共鳴吸収領域の中性子収束器として設計した．まだ，飛行時間計測器の改良を行った．高速光電子増倍管の信号出力回路に時間Gate回路を組み入れることで，レーザーと高速イオン照射から発生したX線信号の影響を抑制することを達成した．改良した飛行時間計測器のデザインは論文化して，Quantum Beam Science誌で公開された．
以上の進展を取り込んで，レーザー駆動中性子発生と共鳴吸収計算実験を実施した．実験中，共鳴吸収サンプルとしてのタングステン平板を高温状態に加熱し，中性子共鳴吸収のピーク幅から温度依存性を実証した．実験データを中性子吸収断面積データに解析し，共鳴吸収の固有幅とノイズを取り除くことで，温度に依存する中性子共鳴吸収のドップラー幅が得られた．更に，ドップラー幅の実験値を理論式で検証し，実験結果が理論計算に合うことが判明した．この結果はシングルショットのレーザー駆動中性子の手法でサンプル温度を初めて計測した成果であると考えられる．以上の成果を論文化して，Nature Communications誌に投稿した．現在ではRound１のreviewが終わって，reviewerから肯定的なコメントを貰った．これから論文のacceptanceに目標として修正する．

Current Status of Research Progress

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

Reason

本来の計画では、2023年度で中性子共鳴吸収の計測を行い、2024年度でレーザー駆動中性子源を利用し、中性子共鳴吸収の温度依存性データを実験で計測する予定でした。しかし、2023年度で温度依存性の目的を既に達成して、論文投稿まで進めていた。これは、計測器と中性子ビームの開発によって、レーザー駆動中性子源の期待以上のパフォーマンスを引き出した。残り1年は更なる進展を期待できそうです。

Strategy for Future Research Activity

今までの実験成果で中性子共鳴吸収の温度依存性を実証しましたが、温度計測と共に元素分析などの応用を実現するため、計測精度を大幅に向上する必要がある。2023年度の実験で、ゲートつきTOF中性子計測器を用いることで、レーザー照射時点で発生したX線背景を抑えたが、中性子信号と同じタイミングで計測される背景（反射、散乱によるガンマ線、中性子など）の影響はまだ大きい。それによって、中性子共鳴吸収の信号を定量分析する時の誤差も大きくなり、温度に変換すると10~30 K程度になる。この問題を解決するために、中性子信号の背景を低減する。2024年度では、引き続き中性子ビームライン（遮蔽、コリメーターなど）を開発し、改良する。
まだ、レーザー駆動中性子源による単ショットでの中性子生成量は高く、大阪大学レーザー科学研究所では10の11次方を達成している。これを利用することで、今まで計測困難であるKeVエネルギー領域の中性子共鳴を実験で相対的に簡単で計算できる可能性がある。2024年度の実験で、新しい中性子計測器を設計し、KeV領域の中性子共鳴計測を目指す。

Research Products

• [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] 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
• [Presentation] Nuclear Thermometer using Single Pulse of Laser-driven Neutron Source (2023)
  • Author(s): Z. Lan, Y. Arikawa, Y. Abe, S. R. Mirfayzi, T. Wei, T. Mori, D. Golovin, T. Hayakawa, N. Iwata, S. Fujioka, M. Nakai, Y. Sentoku, K. Mima, M. Murakami, M. Koizumi, F. Ito, J. Lee, T. Takahashi, K. Hironaka, S. Kar, H. Nishimura, R. Kodama and A. Yogo
  • Organizer: Nuclear Photonics 2023, poster section
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Nuclear Thermometer using Single Pulse of Laser-driven Neutron Source (2023)
  • Author(s): Z. Lan, Y. Arikawa, Y. Abe, S. R. Mirfayzi, T. Wei, T. Mori, D. Golovin, T. Hayakawa, N. Iwata, S. Fujioka, M. Nakai, Y. Sentoku, K. Mima, M. Murakami, M. Koizumi, F. Ito, J. Lee, T. Takahashi, K. Hironaka, S. Kar, H. Nishimura, R. Kodama and A. Yogo
  • Organizer: AAPPS-DPP, 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [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 (2023)
  • Author(s): Z. Lan, Y. Arikawa, Y. Abe, S. R. Mirfayzi, T. Wei, T. Mori, D. Golovin, T. Hayakawa, N. Iwata, S. Fujioka, M. Nakai, Y. Sentoku, K. Mima, M. Murakami, M. Koizumi, F. Ito, J. Lee, T. Takahashi, K. Hironaka, S. Kar, H. Nishimura, R. Kodama and A. Yogo
  • Organizer: レーザー学会第44回年次大会
  • Invited