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

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22H02007
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 余語 覚文 大阪大学, レーザー科学研究所, 教授 (50421441)
• 研究分担者: 早川 岳人 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 東海量子ビーム応用研究センター, 上席研究員 (70343944)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: 中性子共鳴吸収分析 / レーザー駆動中性子源

研究実績の概要

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は順調に推移しており、セルフサポートの重水素薄膜（厚さ100μm）を生成して、真空中で数時間保持する試験に成功した。2023年度には大型レーザー装置LFEXのマシンタイムに採択されており、重陽子加速試験を実施する計画である。
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、従来の固体重水素添加プラスチック薄膜を用いてレーザー駆動中性子実験を実施した。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。現状では測定ノイズ等に起因するばらつきが大きいため、計測器及び遮蔽の配置の最適化によって改善を目指す。将来的には、元素を選別して瞬間の温度を透過計測できる技術につながる。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

レーザー駆動中性子に関するスケーリング則の実証、およびシングルショット共鳴吸収分析の成果が、Physical Review X誌に掲載[A. Yogo et al., PHYSICAL REVIEW X 13, 011011 (2023)]された。プレス掲載：国内6件（科学新聞、電気新聞等）海外3件。
また、共鳴吸収ピークの温度依存性に関する成果を、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、発表者である博士後期課程学生(Zechen Lan)が、2023年春季大会 日本物理学会学生優秀発表賞を受賞した。

今後の研究の推進方策

クライオ冷却による固体重水素薄膜生成装置を用いてセルフサポートの重水素薄膜（厚さ100μm）を生成し、ここに高強度レーザーを集光することで、重陽子加速の高効率化を実験的に検証する。大型レーザー装置LFEXのマシンタイムに採択されており、2週間の実験が計画されている。
シングルショット中性子分析の実証研究においては、引き続き固体重水素添加プラスチック薄膜を用いてレーザー駆動中性子実験を実施する。大型レーザー装置LFEXのマシンタイムに採択されており、2週間の実験が計画されている。共鳴吸収ピークの温度依存性をより精度よく計測するために、遮蔽体と計測器配置の最適化を実施する。実験真空槽や周辺計測器を含めた包括的なシミュレーションを行い、中性子ビームラインを再設計する。

研究成果

• [雑誌論文] Laser-Driven Neutron Generation Realizing Single-Shot Resonance Spectroscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Physical Review X 巻: 13 ページ: -
  • DOI: 10.1103/PhysRevX.13.011011
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Feasibility study of laser-driven neutron sources for pharmaceutical applications (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: High Power Laser Science and Engineering 巻: 11 ページ: -
  • DOI: 10.1017/hpl.2023.4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Picosecond snapshot imaging of electric fields induced on a cone guide target designed for fast ignition scenario (2022)
  • 著者名/発表者名: Shi Binghe、Yogo Akifumi、Okamoto Kazuki、Golovin Daniil、Mirfayzi Seyed Reza、Morace Alessio、Arikawa Yasunobu、Yamanoi Kohei、Abe Yuki、Murakami Masakatsu、Gu Yanjun、Mima Kunioki、Sentoku Yasuhiko、Nakai Mitsuo、Nishimura Hiroyuki、Shiraga Hiroyuki et al,
  • 雑誌名: Journal of Plasma Physics 巻: 88 ページ: -
  • DOI: 10.1017/S0022377822000599
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Thermal neutron fluence measurement using a cadmium differential method at the laser-driven neutron source (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics 巻: 49 ページ: 065103～065103
  • DOI: 10.1088/1361-6471/ac6272
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 12 ページ: 045220～045220
  • DOI: 10.1063/5.0088997
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: *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
  • 学会等名: 日本原子力学会2022年秋の大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本原子力学会2022年秋の大会
• [学会発表] High-speed Atomic Thermometer using Single Shot of Laser-driven Neutron Pulse (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] High-speed Atomic Thermometer using Single Shot of Laser-driven Neutron Pulse (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 一般社団法人レーザー学会学術講演会第43回年次大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 一般社団法人レーザー学会学術講演会第43回年次大会