新原理の中性子検出器で拓く大強度ビーム加速器施設の放射線安全

2023 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K04995
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization
• Principal Investigator: 山崎 寛仁 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 放射線科学センター, 教授 (90260413)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 高エネルギー大強度加速器 / 放射線検出器 / 中性子エネルギー測定

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、高エネルギー・大強度加速器を安全に運用するために必要な、高いエネルギーを持つ中性子を含む中性子エネルギースペクトルを測定する検出器を開発、性能評価を行うことで、高エネルギー・大強度放射線のエネルギー測定手法を確立することを目指している。
高エネルギー・大強度加速器施設を安全に運用するためには、厚い遮へいを通過した後の中性子エネルギースペクトルを測定し、放射線の発生源に対する遮へいが想定通りに行われているかを検証することが必要である。大強度加速器に起因する放射線場を測定するためには、高線量場において正常に動作し、主な放射線成分であるガンマ線と中性子を精度良く弁別する能力が必要となる。
中性子のエネルギー測定のためには、従来、液体シンチレータを用いた検出器や、ボナー球検出器の単色中性子に対する応答を用い、測定した検出器出力をアンフォールドする事で測定した中性子のエネルギースペクトルを求める手法が主に用いられてきた。これら既存の測定手法では、特に高いエネルギーを持つ中性子のエネルギースペクトルを精密に測定することは困難であった。
本研究では、高いエネルギーを持つ粒子に対して大きな阻止能が期待される物質量の大きな無機結晶シンチレータを母材とする新しい中性子検出器を開発し、その性能を評価し、大強度陽子加速器施設にて実運用を行う研究である。
令和5年度は、試作した検出器を欧州原子核研究機構の混合放射線場照射施設に持ち込み遮へいを通過してきた放射線場で測定を行い、測定結果についての解析を行っている。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

令和４年度では、所有するCsI(Tl) 結晶を用いてテスト検出器を製作し、放射線源を用いた低エネルギーガンマ線によるテストを行った結果、想定したエネルギー分解能が得られなかった。そこで令和５年度の最初に、原因を追求した結果、測定に用いる電気回路を見直し、用いる結晶の固体を選別することによりその後の研究を進めるために問題ないエネルギー分解能が得られることが判明したため、次のステップである、放射線源による中性子の検出、加速器施設での中性子検出へと進んだ。
まず、Am-Be、Cf-252 の放射線源から放出される中性子の測定を行った。最終的な研究対象となる高エネルギー中性子と、放射線源から放出される中性子のエネルギーは一桁以上異なる事があるためあくまで参考ではあるが、CsI(Tl) 結晶単体からの出力信号でガンマ線と中性子の弁別が可能であることが明らかになった。
令和４年のシミュレーションによる検討から、当初計画していた波長変換ファイバを用いた発光領域の測定方法より、より単純な発光領域の測定が可能であることがわかったため、波長変換ファイバ関係の予算執行を取りやめ、外部から入射する粒子が荷電粒子か否かを識別するプラスチックシンチレータ検出器を製作した。
令和５年度後期に、本研究課題とは別の研究課題が主導する、欧州原子核研究機構 (CERN) の混合放射線場照射施設 (CHARM) での遮へい実験が行われることとなった。そこで、CsI(Tl) 無機結晶検出器９本と、本科研費で製作したプラスチックシンチレータ検出器を持ち込み、高エネルギー中性子が含まれる加速器混合放射線場での測定を行った。現在測定結果を解析中であるが、予備的な解析の結果として入射するガンマ線と中性子の弁別が可能であるものの、検出器への入射方向によって荷電粒子と中性子の識別がうまく行われなかった可能性がある。

Strategy for Future Research Activity

まず、現在行っている令和５年度に行ったCERNのCHARM施設での中性子測定についての解析を継続し、CsI(Tl)結晶を母材とした中性子検出器の、高エネルギー中性子に対する応答を明らかにする。
これまでの解析において、放射線源を使用した低エネルギー中性子が入射した際の応答と、高エネルギー大強度加速器で生成する高エネルギー中性子を含む様々な種類の放射線が入射した際の応答は明らかに異なっている。予備的な解析によって、ガンマ線と中性子の粒子弁別はある程度のレベルで可能なこと、高いエネルギーを持つ中性子がCsI(Tl) 結晶中で起こす核反応が多くのチャンネルを持ち、各々異なる応答を出力することなどがわかっている。また、加速器からの放射線が厚い遮へいを通過してくるため、現在所有するプラスチックシンチレータ検出器では、粒子の入射方向、位置によって荷電粒子と中性粒子の弁別ができない場合があった。
そこで令和６年度の研究においては、入射する粒子の荷電状態を識別するためのプラスチックシンチレータ検出器について、これまでの研究で判明した不具合点を解消するために改良したものを新たに製作する。令和５年に製作したものに関しては、比較的小さな領域を覆うことが可能なため、荷電粒子を入射した場合の応答を確認する際、位置を特定する目的に再利用する。
CERN の CHARM 施設は、令和６年度のビームタイムの後に数年の休止期間を設けているため、現在進めている解析をもとに、新たに作製したプラスチックシンチレータを使用した、混合放射線場での応答測定実験を実施する。また、大強度陽子加速器施設 (J-PARC) のニュートリノ実験施設やハドロン実験施設での中性子測定を行う予定である。

Causes of Carryover

令和４年の研究において、CsI(Tl)結晶内の発光領域を識別するためには当初計画していた波長変換ファイバを使用した方法よりも中性子検出器の母材であるCsI(Tl)結晶を分割し各々の応答パターンを利用したほうが実用的である可能性が示された。そのため、波長変換ファイバ自身や、そこから光を検出する光検出素子、それに付随する電気回路等を使用するための予算は、外部から入射する粒子の荷電状態を識別するプラスチックシンチレータ検出器に使用する必要が生じた。令和５年の研究において、プラスチックシンチレータ検出器自身も改良する必要が生じたため、改良した検出器を新たに製作するとともに先に製作した検出器は、本研究の別の用途に再利用することになったため、令和５年度に使用予定であった予算を令和６年度に使用する必要がある。