2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of neutron resonance absorption thermometry aimed at practical application to industrial usage
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17H03515
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
加美山 隆 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (50233961)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 博隆 北海道大学, 工学研究院, 助教 (30610779)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 非破壊・非接触温度測定 / 中性子共鳴吸収 / 中性子イメージング / 小型加速器中性子源 / 熱外中性子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
作動中機械部品の温度測定は、実働中の機械製品の安全性向上に直結すると考えられるが、既存の方法では非接触の物体内部温度測定は難しい。即発γ線型中性子共鳴吸収分光法（N-RAS-PG）は、原子核による中性子共鳴吸収の際に発生する即発γ線の計数と中性子の飛行時間法を組み合わせることで共鳴吸収スペクトルを取得し、その解析から非接触・非破壊で物体の内部温度を測定する手法である。そこで、この手法の特性を利用して、共鳴核種を温度センサーとして機械部品に設置し、非破壊でその温度を決定する手法の開発をこの研究で進めている。
研究2年目である平成30年度は、前年度検討した試料の回転運動による共鳴吸収スペクトルの変形効果に対し、より単純化した条件であるピストン運動で共鳴吸収スペクトル形状がどのように変形するか中性子輸送シミュレーション計算により検討を行った。その結果、ピストン運動の場合には、中性子飛行距離の変化による影響および検出器に対する試料立体角の変化のみが共鳴吸収スペクトル形状に影響することが明らかとなった。さらに、ピストン運動のシミュレーション結果をスペクトル解析に組み込むことで、これらの影響を補正して共鳴吸収スペクトル形状を解析できる目途が立った。
一方、中性子実験のためターゲット系の改良については、平成30年度は使用予定の北海道大学電子線形加速器の改修が実施されたため、中性子の強度増強に対する遮蔽の一部導入を実施した。またこれと並行して、ターゲット配置を中性子輸送シミュレーション計算によって検討した結果、現在のターゲット配置を改良することで中性子強度のさらなる増大が期待できる体系が考案できた。
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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
前年度まで、計算機シミュレーションを用いて、モーター内で回転するローターを想定し、回転運動が共鳴吸収スペクトル形状に与える影響を評価した。この中で、箔試料が中性子ビーム中を回転運動するときに共鳴吸収スペクトル形状に影響を与える主要な要因として、回転による箔の実効的な厚さ変化、回転による箔までの飛行距離の変化が挙げられた。そこで、本年度はビームに対し試料の厚さを一定にできるピストン運動配置について、より詳細に試料の運動が共鳴吸収スペクトルの形状に対して与える影響を調べた。
ピストン運動物体の温度測定の配置として考えられる基本形は、ピストン運動の軸が中性子ビームに対して垂直な場合と直交する場合である。温度測定に適当な即発γ線型中性子共鳴吸収分光法を適用し、この2種類についてピストン運動をシミュレートして共鳴吸収スペクトルを粒子輸送計算した結果、機械的な運動が共鳴吸収スペクトルを変形させる原因として基本的なのはやはり飛行距離の変化であることがわかった。この影響は、ビームに対してピストン運動が平行な場合に現れる。一方、中性子ビームに垂直なピストン運動をしている場合には、検出器に対する立体角の変化と試料の自己遮蔽がスペクトル形状を変形させることがわかった。これらの効果は回転運動の場合には対称性によりほぼキャンセルされ明確には見られていない。これらの結果から、飛行距離と立体角の変化については補正計算で、自己遮蔽効果に対してはγ線検出器の配置を工夫することで影響を低減できることがわかった。
実際の中性子実験に向けて、小型加速器中性子源で中性子強度を増強できるようターゲット系の改良検討も実施した。粒子輸送シミュレーション計算により、現在のスラブ配置型体系からフラックストラップ的に一次電子ビーム上流方向への生成中性子を利用できる体系に切り替えることで中性子強度を多少増強できることが示された。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究において、即発γ線型共鳴吸収分光法を用いた温度測定法を作動中の機械部品に適用したときに、共鳴吸収スペクトルを変形させて解析の障害となる因子を明らかにすることができた。(1)試料実効厚さの時間的な変化、(2)試料の飛行距離の時間変化、(3)検出器に対する試料の立体角の時間変化、(4)試料の自己遮蔽効果、である。(2)，(3)はスペクトルの補正で、(4)は単純な運動に対しては測定装置の配置を工夫することで対処が可能である。しかしながら(1)に対しては解析的に対策を立てることは困難である。そこで、これまでとは根本的に異なる温度解析方法を今後検討する。
これまでの温度解析法は、実験で取得した中性子共鳴吸収スペクトルを、試料の厚さを既知、温度をパラメータとして理論式にフィッティングして温度導出してきた。これに対し、新しく検討する手法は、粒子輸送シミュレーション計算を用いて、運動している物体を温度を含めてモデル化し、中性子共鳴吸収スペクトル計算して実験値と比較するというものである。この方法では、(1)～(4)の効果をシミュレーション計算するモデル体系に取り込むことができるため、試料形状の変化や各種運動に柔軟に対応した解析が可能になると考えられる。
今後は、この新しい解析手法の開発を進めることを中心に、実際の実験に向けて実験体系の改良と構築を行っていく。
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