2020 Fiscal Year Annual Research Report
中性子非弾性機構によるトリプルアルファ反応の増幅率の決定
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20H01908
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
伊藤 正俊 東北大学, サイクロトロン・ラジオアイソトープセンター, 教授 (30400435)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松田 洋平 東北大学, サイクロトロン・ラジオアイソトープセンター, 助教 (50569043)
秋宗 秀俊 甲南大学, 理工学部, 教授 (60319829)
川畑 貴裕 大阪大学, 理学研究科, 教授 (80359645)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | トリプルアルファ反応 / 単色中性子源 / 元素合成 / 中性子非弾性散乱 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、10MeV単色中性子源に最も適した反応を決定するための中性子ビームの特性評価システムの構築、ホウ素（B)ビームを生成するためのMIVOC（Metal Ions from Volatile Compounds)法によるBイオン生成システムの開発、本実験に使用する8 - 12MeV可変型単色中性子源に使用する水素ガス標的システムの開発、及び、FlashADCによる液体シンチレーターのデータ収集系の整備を実施した。
10MeV単色中性子源の特性評価システムの構築では、プロトタイプの水素ガス標的システムを製作し、1H(13C,n)反応による中性子ビームの特性の評価を行った。中性子の検出には、東北大CYRIC所有の使用可能な6台の液体シンチレーターを選別し、０度から25度の散乱中性子の微分断面積の角度分布を測定した。1H(13C,n)反応の測定結果では、角度により6.8から10.1MeVの単色中性子ビームを得ることに成功した。
また、MIVOC法によるBイオン生成システムの開発では、ホウ素化合物の o-カルボランからホウ素蒸気を発生するための容器を製作し、Bイオン生成テストを行った。約4μAの11B3+イオンを長時間安定に供給することに成功した。
本実験では、加速器からの１次ビーム強度を上げ、大強度の中性子ビーム生成が可能な、エネルギー可変型の単色中性子源を使用する。そのため、１次ビームによる熱対策や局所的なガス密度低下を避けるための水素ガス循環装置を開発し、ビームモニターを備えたビームスインガーシステムに組み込むことが可能な水素ガス標的の設計・製作を行った。
また、液体シンチレーターの信号の波形解析システムの開発に着手するため、FlashADCによるデータ収集システムの整備を実施した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度予定していた、10MeV単色中性子源に使用する反応の特性評価システムの構築とともにCYRIC所有の液体シンチレーターの整備、MIVOC法によるBイオン生成の開発、本実験で使用する循環型水素ガス標的システムの設計・製作、及び、FlashADCによる液体シンチレーターのデータ収集システムの整備を順調に進めることができた。
構築した10MeV単色中性子源の特性評価システムを用いて、1H(13C,n)反応による中性子ビームの特性評価を行った。結果は10MeV単色の中性子スペクトルを得ることができ、13Cビームの最大強度も目標の1pμAに近い600pnAで加速することができた。しかしながら、ビームストッパーからの連続成分がやや多いため、今後、1H(15N,n)及び1H(11B,n）反応による中性子ビームの特性評価を行い、R4年度に予定している本実験で使用する反応を決定する。
MIVOC法によるBイオン生成の開発では、安定して1.5 pμAの11B3+イオンを生成することに成功した。目標の5 pμAを達成するために、Bイオン導入のための配管を短くすることで、イオン源への導入途中で管壁に付着するイオンを少なくすることができる装置が既に完成しており、今後、イオン生成テストを行う予定となっている。
また本実験に使用するビームスインガーに設置する水素ガス標的システムについても、有限要素法を用いて熱伝導シミュレーションを実施し、熱対策を施した水素ガス標的の設計・製作が完了している。現在は、ビームスインガー及びビームモニターの制御を統一して行える制御システムを構築しており、R3年度後半には本実験に使用する水素ガス標的システムが完成する予定となっている。
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| Strategy for Future Research Activity |
R3年度前期の期間はCYRICの共同利用が停止しているため、加速器を使わなくても進められる、FlashADCによる液体シンチレーターのデーター収集システムの整備とニューラルネットワークを用いた新たな波形解析手法の開発を、中性子線源の測定により進める。波形解析手法の開発では、エキスパートである研究分担者との対面による研究打ち合わせを実施することが効果的であるが、新型コロナ感染症蔓延による緊急事態宣言等の理由で実施できない場合は、オンライン会議を重ねることで進めていく予定である。
また、MIVOC法によるBイオン生成においては、今年度中心となって進めた学生が卒業したため、新しく大学院に入学した学生1名を開発チームに加え、推進する。前期期間は、サイクロトロン加速器の運転が難しい状態であるが、イオン源の運転についてはCYRICの放射線管理部と相談しながら、可能な部分を進めていきたい。
ビームスインガーによる水素ガス標的システムについては、R3年度前期中に制御系の製作を完了させ、後期の共同利用開始後直ぐに1H(15N,n)及び1H(11B,n)反応の特性評価を実施する。特定評価試験の結果から10MeV単色中性子源に用いる反応を決定するとともに、ビームスインガーによるエネルギー可変型の単色中性子源のテスト、及び、液体シンチレーターを設置してFlashADCによるデータ収集システムによる測定テストも並行して実施することで開発期間を短縮し、さらにR4年度の本実験に向けての問題点を洗い出す。
なお、水素ガス標的システムについては、10MeV領域のホイル状態への散乱断面積が想定よりも小さかった場合を想定し、水素ガスを冷却し、水素ガス標的の物質量を増やすことで、単色中性子ビームの増強が可能なシステムを検討しておく予定である。
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