29th Aug. - 2nd Sep. 2022

文部科学省
国際原子力人材育成イニシアティブ事業 （原子力人材育成等推進事業費補助金）「機関連携強化による未来社会に向けた新たな原子力教育拠点の構築」

中性子放射化分析・元素分析実験佐藤 博隆
北海道大学 大学院工学研究院 応用量子科学部門
中性子ビーム応用理工学研究室
E-mail: h.sato@eng.hokudai.ac.jp
Website: https://www.eng.hokudai.ac.jp/labo/QBMA/

1

Contents ①⚫ 量子ビーム科学と中性子ビーム科学⚫ 粒子加速器（北大の電子線形加速器を例に）⚫ 粒子加速器を利用した中性子源（パルス中性子源を中心に）⚫ 中性子エネルギースペクトル⚫ 中性子の輸送と検出• TOF法による白色中性子のエネルギー分解• 2次元位置敏感型検出器を用いた中性子イメージング⚫ 中性子と原子核の反応断面積⚫ 中性子発生施設の放射線安全
2

Contents ②⚫ 中性子放射化分析による元素分析の原理⚫ 中性子放射化分析法の応用• ナポレオンの死因の調査• はやぶさプロジェクト⚫ NaIシンチレーション検出器の波高スペクトル⚫ NaIシンチレーション検出器のエネルギー校正とエネルギー分解能⚫ バックグラウンドとその対策法⚫ 同定・定性分析：元素（核種）分析⚫ 定量分析：中性子束の推定、元素の定量
3タイムスケジュール計画（ゆる～く交流しながら楽しみましょう！）
Mon.

Tue.

Wed.

Thu.

Fri.

TA 3人

TA 3人

TA 3人（午前） TA 3人

8:45-10:15

放射線施設
の教育訓練

中性子放射
放射化試料
化分析実験
のスペクトル（10pps,15分） 測定

追加実験（時間・距離・遮蔽とか？）

プレゼンテーション

10:30-12:00

施設の説明、
施設見学

NaIシンチ式γ
線スペクトロ
メーター試験

元素（核種）
同定

追加実験の
データ解析

プレゼンテーション

13:00-14:30

量子ビーム/
中性子科学概論

エネルギー校 中性子束推
正実験
定（元素の定量）

調査、プレゼンテーション準備

プレゼンテーション、まとめ、
解散

14:45-16:15

加速器・中性
子源・中性子
工学概論

エネルギー分 プレゼンテー
解能評価、ションのテー
バックグラウ マ設定
ンド

調査、プレゼンテーション
準備

黒：講義等
青：実習
赤：管理区域内での実習

16:30-18:00

中性子放射
化分析概論

ディスカッション（バッファ）調査、プレゼンテーション
準備

4

ディスカッション（バッファ）量子ビーム科学と中性子ビーム科学

5

量子ビームとは？
⚫ 放射線のビームのこと
ビーム：高強度（数が多い）かつ高指向性（同一方向）の
線束
放射線
放射線
放射線
放射線
放射線
放射線
放射線
放射線
放射線

⚫ では、放射線とは？
• 高い運動エネルギーを持って流れる粒子線• 高エネルギーの電磁波（光や電波 ＝ 光子）

6放射線の活用例は、多岐にわたる。
変える
（吸収）

見る
（透過）

お部屋の中から
宇宙の果てまで
変える
（吸収）
見る
（散乱）
見る
（透過）
治す
（吸収）
画像出典：電気事業連合会 原子力・エネルギー図面集2015 6-2-5

作る
（吸収）

この他にも
⚫ 半導体加工⚫ 医療器具の滅菌⚫ 害虫無害化⚫ 新元素（ニホニウム）合成 など

7

放射線の種類によって異なる物質との相互作用

物質を電離・励起する。
物質により散乱・吸収される。

ヘリウム-4原子核（重荷電粒子）

紙1枚

電子（荷電粒子）

厚さ数mmのアルミニウム
強い電磁相互作用

電磁波（X線・ガンマ線）

中性子
物質科学・生命科学用の量子ビームとして頻繁に用いられる。

かなり強い電磁相互作用

厚さ10 cmの鉛

厚さ10 cmの水
厚さ1 cmの炭化ボロン
厚さ1 mmのカドミウム
絵：http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%94%BE%E5%B0%84%E7%B7%9A

8

Time-resolved imaging:
Dynamic radiography/tomography
70 keV X-ray

25 meV neutron9中性子の特性と応用
7Li 原子中性子（Neutron）
質量
半径
スピン
磁気モーメント
寿命

電子
陽子✓ 電気的に中性-27

1.674928(1)×10 kg
0.7 fm- / 2-27-1-9.6491783(18)×10 JT
885.9±0.9 sec

ユニークな特性が活用されている。

••

高い物質透過能力
軽元素・同位体識別能力✓ 原子核に近い質量を持つ• 物質の微視的な時空間情報を非破壊的に解析できる。

✓ スピンと磁気モーメントを持つ•

磁気情報の探査http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e2/Stylised_Lithium_Atom.png

物質・材料・生命・地球惑星・物理分野への応用

エネルギー分野への応用

•
•
•
•
•

• 原子力発電• 長寿命放射性廃棄物核変換処理

原子・分子の構造解析
原子・分子のダイナミクス解析
透視（イメージング）
元素分析・同位体分析
素粒子物理学・原子核物理学

医療分野への応用• （ホウ素）中性子捕捉療法• RI薬剤製造

その他の応用• 中性子照射試験（材料・電子機器）• 水分計、・・・※画像は全てKEKホームページよりお借りしました。

10

原子核に近い質量 → 物質解析にマッチ

他の放射線に比べ、meVまでエネルギーを下げる必要がある。
11

放射線源①： 宇宙線 （超高エネルギー）

1次宇宙線（陽子など）

2次宇宙線

パイ中間子
→ ミュオン
中性子
ガンマ線
電子
他にも様々な種類の2次宇宙線がある。

1次宇宙線： 宇宙から飛来する放射線。陽子が主。
2次宇宙線： 1次宇宙線が大気と反応してできた粒子。ミュオン等。12

放射線源②： 放射性同位元素（RI）⚫ α（アルファ）線源Am（アメリシウム）-241（約5.5 MeV）、Po（ポロニウム）-210（約5.3 MeV） など⚫ β（ベータ）線源

画像出典：http://blog-imgs38.fc2.com/w/i/n/wine4wine/R0010667.jpg

Sr（ストロンチウム）-90（最大 約2.28 MeV）、
Na（ナトリウム）-22（β+（陽電子）線源） など⚫ γ（ガンマ）線源Co（コバルト）-60（約1.17 MeV & 約1.33 MeV）、Cs（セシウム）-137（約0.66 MeV） など⚫ 中性子線源： 252Cf、241Am-Beなど
放出量が少なく、放射線が四方八方に放射される。が、お手軽。
13放射線源③： 加速器 （高強度・高エネルギー）
写真：北大工学部「電子加速器駆動中性子実験施設」
高エネルギー中性子源

低エネルギー中性子源

加速粒子をそのまま利用したり、2次粒子を発生させて利用する。

電子ビーム⚫ 高強度・高指向性の放射線の束（量子ビーム）を供給。
⚫ 発生できる放射線の種類が豊富（素粒子からウラン原子核まで）。
⚫ 小型加速器は街中にもある（病院にある放射線治療装置など）。 14

大強度陽子加速器施設 「J-PARC」
茨城県東海村物質・生命科学実験施設（中性子・ミュオン）

太平洋

3 GeVシンクロトロン（周長300 m）

ハドロン実験施設

リニアック（全長300 m）

ニュートリノ実験施設 50 GeVシンクロトロン（周長1.6 km）
15

火災報知器 （煙を探知する。）
日本の家庭ではあまり使われていないが・・・。

• Am-241（α線源）を用いて、煙の電離（イオン化）を起こす。
• 電離電流の変化を検知することで、煙を探知する。
• 高感度に煙を探知することが可能。
• 「放射性同位元素装備機器」に該当するため、相当の規制を受ける。

16

宇宙探査機「ボイジャー」 （1977年打ち上げ）の2005年の位置 現在、ボイジャー1号は太陽圏の外にいる。

画像出典：https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e5/Voyager_1_entering_heliosheath_region-ja.jpg

17

RI（ラジオアイソトープ）電池
太陽光が十分に届かない所で、安定した電力を、長期間にわたって供給できる。

⚫ α線源（Pu-238やPo-210など）が用いられる。
⚫ α線が物質に吸収されて生じる熱を、
熱電変換素子により、電力に変換する。

画像出典：
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pioneer_10_images_the_sun.jpg,
by Donald Davis, PD

18自動車用リチウムイオンバッテリーの中性子散乱解析型イメージング
北大-トヨタ自動車
バッテリーの写真

充電前

充電後

黒鉛負極材のd002結晶層間隔
層間隔[nm]
[nm]
ステージ1

0.37
0.36

ステージ2
ステージ3
ステージ4

0.35
0.34

9 cm
イメージング範囲
9 cm×9 cm

黒鉛

0.33

正極や電解液を中性子が透過して負極のみの結晶構造を解析【充電（Liイオンの黒鉛層への侵入）によって拡がる層間隔】
製品内の場所によって違いが存在する。
19

加速器ビームを利用した宇宙線起因の大規模通信ネットワーク障害の防止 北海道大学とNTTの共同研究
1次宇宙線
2次宇宙線
（中性子など）

電子機器

電気ノイズ
↓

故障

Neutron陽子

Silicon nucleus

Secondary ions

加速器で発生させた高エネルギー中性子を電子機器に吸収させ、故障をわざと発生させ、自然界での故障頻度の推定などを行う。 20

情報通信ネットワーク用伝送システムの宇宙線中性子ソフトエラー対策実験21

害虫無害化沖縄におけるウリミバエ駆除作戦• ウリミバエの幼虫は野菜の中身を食べる上に、繁殖力が高く、野菜の生産に壊滅的な打撃を与える。
• 1970年代、日本本土への侵入を防ぐため、
沖縄においてウリミバエの撲滅作戦が開始された。
• その中で、Co-60ガンマ線源により、大量のウリミバエの幼虫に放射線を照射し、不妊化させ、生息地域へ大量に放つことにより、繁殖を抑える作戦が効いた。
• 1993年までにウリミバエの根絶に成功。使用された
ハエの数は500億匹を超える。

画像出典：http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Melon_fly_(Bactrocera_cucurbitae)_03.jpg

22

食品照射
⚫ 目的：食品の貯蔵期間の延長や殺菌・殺虫など⚫ 日本では、北海道の士幌町農業協同組合が、ジャガイモに対してのみCo-60によるガンマ線照射を行っている（目的は発芽防止）。
ガンマ線源

画像出典：http://www.ies.or.jp/publicity_j/mini_hyakka/21/mini21.html

23

花の品種改良 （突然変異の応用）
TIARA（高崎イオン加速器）での活動が有名

DNA損傷作用の強いイオンビームを照射し、色や形に関する遺伝子突然変異の確率を上げる。

画像出典：一家に1枚「量子ビーム」

24

中性子ビームを利用した透過イメージング
特徴①：いくつかの軽元素（水素・リチウム等）に対して高感度
特徴②：数センチメートルの重金属を容易に透過できる⇒ エンジン内部のオイル挙動の可視化等で利用

爆薬
（窒素）

中性子

X線
X線イメージングでは不可視だった物（重金属中の軽元素）を可視化
画像出典：ATOMICA「犯罪捜査における放射線利用」

25

中性子イメージングで文化財を透視
青銅製の経筒内部の様子の透視
金属容器内に存在する紙や布等の有機物の検知にはX線よりも中性子が有利！
中性子

X線

画像出典：日本アイソトープ協会「中性子イメージング技術の基礎と応用」

26

日本刀を壊さず分析
北海道大学をはじめとする日・伊の国際共同研究

低エネルギー中性子の散乱により、日本刀の刃先の熱処理起因ひずみや、刀身の中の巨大結晶粒の存在を見る。
FWHM of distribution of
crystal lattice plane spacing, w110 (nm)
0.005

0.003
0.002

0.002

0.001

0.000

0.000

0.000
10.24 cm

10.24 cm

Crystallite size (μm)

Crystallite size (μm)
5

5

4

4

4

3

2

3

2

10.24 cm

5

10.24 cm

10.24 cm

0.002

0.003

0.001

Crystallite size (μm)

10.24 cm

0.003

0.001

10.24 cm

結晶粒の
大きさ ⇒

0.004

0.004

10.24 cm

ひずみの
大きさ ⇒

10.24 cm0.004

FWHM of distribution of
crystal lattice plane spacing, w110 (nm)0.005

10.24 cm

FWHM of distribution of
crystal lattice plane spacing, w110 (nm)
0.005

3

2

1

1

1

0

0

0

10.24 cm

10.24 cm

27

宇宙線ミュオンを利用した火山イメージング
超高エネルギーの宇宙線ミュオン

写真乾板・ワイヤーチャン
バー等で飛跡を調べ、どの方向から、どれくらいの数のミュオンが飛来したのかを調べ、画像化

超大型構造物内部の透視・分析が可能
画像出典：http://www.u-tokyo.ac.jp/ja/utokyo-research/feature-stories/a-window-into-the-earths-interior/

28

より物質透過能力の高い放射線（素粒子）で「地球のレントゲン撮影」 ができないか？
やってます！ 宇宙線ニュートリノによる地球イメージング
南極の氷柱にある超巨大検出器 「IceCube」（カミオカンデを超大型にしたようなもの）

地球の内部構造を実際に透視できる日は近い！
画像出典：http://www.u-tokyo.ac.jp/ja/utokyo-research/feature-stories/a-window-into-the-earths-interior/

29

IceCube

画像出典：https://www.pri.org/stories/2018-03-18/new-book-recounts-amazing-history-icecube-neutrino-observatory,
https://www.livescience.com/9164-world-largest-neutrino-observatory-built-south-pole.html

30

宇宙線が
宇宙惑星物質に与える影響に関する研究
木星の衛星「エウロパ」

北大の電子加速器を利用した「エウロパ」環境模擬実験

理学院 宇宙理学専攻 惑星宇宙グループ
探査・観測ユニット との共同研究
31

粒子加速器（北大の電子線形加速器を例に）

32

加速器の目的：高エネルギー・
高強度・高指向性の放射線束の発生① 高強度・高指向性の放射線の束（量子ビーム）を供給して、放射性物質で発生する放射線
アルファ線

RI

加速器で発生する放射線

中性子線

加速器

ベータ線

放射線
放射線
放射線
放射線
放射線
放射線

ガンマ線

加速粒子をそのまま利用したり、2次粒子を発生させて利用する（発生できる放射線の種類が豊富）。

② 物質を 「見る」 「変える」 「治す」 。

原子配列解析
原子運動解析

植物・半導体の品種改良
医療器具の滅菌

がん治療
33

日本の大型量子ビーム利用（加速器）施設
http://www.mext.go.jp/a_menu/shinkou/ryoushi/
物質材料科学・生命生体科学

重イオン

素粒子物理学・原子核物理学

電子
X線
放射光

陽子
中性子
ミュオン
陽子
ハドロン
ニュートリノ

重イオン

電子
陽電子
中間子

34

北大LINAC施設の所在地
北海道大学 工学部
電子加速器・中性子実験施設

35

北大LINAC施設の外観写真
学内有数の放射線管理区域。北大病院陽子線治療センターと並ぶ、学内最大級の大型加速器施設。

36

地下にあるコントロールルームの様子： 加速器の運転、実験機器遠隔操作、打ち合わせ等

37電子LINAC （Linear Accelerator）：
電子線形（直線）加速器
加速器室内俯瞰図
3 m加速管（産総研より移設）

入射器周辺

電子ビーム

RF窓
電子銃
3 MeV入射器

集束電磁石（既設流用）
3 m加速管（三菱重工製）

導波管

電子ビーム

3 MeV入射器

加速管2本（長さ 約 6 m）で光速近くまで電子を加速（エネルギー： 約 32 MeV） 38

電子の加速の原理（静電場では難しい）32 MVという電位差の電場を生み出す方法。

電子は電場・磁場と相互作用することを利用。電磁波（電波（マイクロ波））を使う。
Sバンド（2856 MHz）マイクロ波 （投入する総パワーは15 MW！）
 導波管（前のスライドの黒色の管）

マイクロ波の進行波を加速管の中に作り出す。その進行波に電子を波乗りさせる。
電子の
「バンチ」

※ 赤と青の矢印は電場のベクトルを表す。
39

電子LINACの性能： まとめ
全体性能 （現在）⚫ 電子の運動エネルギー： 32 MeV⚫ 電子ビームの時間平均電流値： 50 μA⚫ 電子線パワー： 1.6 kW （＝ エネルギー×電流）

パルス運転の性能 （現在）⚫ 電子線パルス幅： 4 μs
⚫ パルスの繰り返し周期： 50 パルス/秒

最大では、パワー（電流値）が 2 倍になる！
年間の稼働実績： 約160日
40

高エネルギー・高強度の電子線を使って核反応により大量の中性子を発生させる！
高速中性子源（～1 MeV）

熱中性子源（～25 meV）

冷中性子源（～5 meV）

偏向電磁石

北大LINAC中性子源の瞬間強度（1012個/秒）は、研究用原子炉の中性子強度に匹敵。

電子ビーム

41

なぜ加速器が必要か？
✓ 放射線の種類によって、そのエネルギーによって、異なる反応断面積を持つ物質との相互作用が起こる。
✓ 種々の相互作用を起こす種々の粒子を解析して、物質の構造や運動を調べることができる。
↓✓ 「広いエネルギー帯を利用するため（電子線・X線）」や「2次粒子・3次粒子の効率的な生成のため（電子→X線→中性子・陽電子、陽子→中性子）」には、1次粒子を高エネルギー化（加速）できると利用の幅が拡がる。
✓ 相互作用を「より短時間で捉えるため」や「より小さな反応を捉えるため」には、入射ビーム強度を高くする必要がある。

⚫ 放射線の種類・エネルギー・強度・ショット時間の制御という観点から、加速器は上記条件を満たすにあたって有効。
• 高強度・高エネルギーを狙った施設が、大型加速器施設。
• 使いやすさ・普及を狙った施設が、小型加速器施設。
42

粒子加速器を利用した中性子源（パルス中性子源を中心に）

43

中性子の発生及びエネルギー調整方法（1次ビームが電子線の場合）
タングステン
ターゲット

鉛
ターゲット
制動X線

高エネルギー
中性子
減速材
水

電子ビーム

電子線の一般的な用途

X線の一般的な用途

医療器具の殺菌
放射線化学反応など

X線治療
大型放射光施設「SPring-8」など

中間エネルギー
中性子

低エネルギー
中性子 44

日本の主な加速器駆動中性子実験施設
日本加速器中性子源協議会 「JCANS」 のホームページの画像を加工●冷中性子源●熱中性子源 / 熱外中性子源●高速中性子源

北大
●●●
■
青森県
●
■■

東北大
●
■■

●
■■
茨城県 ●
■

●
■ 京大

阪大

●

●

京大 ■■
●

●●

住重アテックス株式会社 ■他にも、産業技術総合研究所 ●■その他、加速器中性子源• その他、原子炉中性子源• その他、レーザー中性子源• その他、RI中性子源• ・・・
大学・国研・民間企業で様々な中性子源とその利用例がある45

J-PARC(JAEA & KEK) •
●●
●
理研 ■
■■ •

名大 ■■

京大 ■

■物質・生命・産業応用系■医療系■素粒子・原子核物理系

国内の主要なパルス中性子イメージング施設
北海道大学 工学研究院 HUNSJ-PARC MLF BL22 RADEN（螺鈿）オンデマンドhttps://www.eng.hokudai.ac.jp/labo/QBMA/LINAC/
中性子束（最高）:波長分解能（最小）:波長帯域（最大）:ビームサイズ（最大）:ビーム発散角:104 n/cm2/s
1%< 1.3 nm
10 cm×10 cm
1/60 rad世界最高性能中性子束（最高）:108 n/cm2/s
波長分解能（最小）: 0.20%
波長帯域（最大）:< 1.76 nm
ビームサイズ（最大）: 30 cm×30 cm
ビーム発散角（最小）: 1/7500 rad

これらに加えて、産総研にAISTANSも整備中。

46

中性子ビームラインの構成
中性子の発生中性子減速材

中性子の輸送チョッパー 反射デバイス
フィルター 屈折デバイス
コリメーター 偏極デバイス

中性子の利用

吸収（ガンマ線放出）

透過

散乱
測定試料

中性子生成
ターゲット

高エネルギー
粒子加速器（陽子・電子）

中性子反射体サンプルホルダー
高温・低温装置
高圧印加装置
磁場印加装置

中性子検出器
ガンマ線検出器
モニター
↓
信号処理
データ処理
データ解析
データ表示
47

大型陽子加速器（数百MeV以上）
核破砕反応~1017n/MW

小型陽子加速器（数十MeVまで）
p（~11MeV） (Be,n) reaction
9Be
ｐ

n

~1015n/MW

電子加速器

γ

γ

(e,γ) (γ,n) reactionnep（~3MeV） (Li,n) reaction
7Li

X
ｐ

n

γ

~1015n/MWγ~1014n/MW
γ48

各反応の1次粒子数当たりの中性子発生数のエネルギー依存性
1015
1014

J-PARC

中性子収量 (n/mC-)

1013
1012

100 μA

1011

理研

333 μA

1010

北大

109
108

京大

107

100 μA

33 μA

106
1

10

100

1000

10000

入射1次粒子エネルギー (MeV)

加速器の仕様によって適切な中性子発生反応は異なる。
49

中性子エネルギースペクトル50発生する中性子スペクトルはMeVにピーク

しかし、物質・生命科学で必要なエネルギーはmeV。
51

HUNSの中性子源減速材体系
電子LINAC（線形加速器）⚫ 33 MeV×33 μA = 1 kW
⚫ 電子パルス幅：3 μs⚫ 電子パルス繰り返し：50 Hz

中性子に最も質量の近い水素原子核と「ビリヤード」衝突させる。
Polyethylene
premoderator (t 1.5 cm)

中性子の発生⚫ 電子線の制動放射による放射光X線の発生⚫ 光核反応Solid methane moderator⚫ ターゲット材：Pb(12 cm×12 cm× t 5 cm)⚫ 1秒間に1.6×1012個

中性子減速材⚫ 反射体結合型減速材→ ポリエチレン前置減速材⚫ 18 K固体メタン減速材⚫ 冷中性子パルス幅：160 μs
中性子反射体⚫ 黒鉛（80×80×80 cm3）

10 cm×10 cm
beam extraction

Lead target
Graphitereflector
52

供給される中性子のエネルギースペクトル

冷中性子

中性子源から6 mの位置で約104 n/cm2/sの中性子束（HUNS）

熱中性子

熱外中性子
53

中性子の輸送と検出

54

中性子減速材の種類により変化する
中性子パルス形状（J-PARCを例に）

55

短パルス中性子源＆中性子反射導管による
HUNS装置の高性能化
H. Sato et al., Phys. B 551 (2018) 452.
Graphite reflector
300 K polyethylene (PE)
(50 cm×50 cm×50 cm) main-moderator(t 3 cm, 9.5 cm×9.5 cm)
W+Pb target
Cd decoupler (t 0.8 mm)

TOF-imaging detector

Neutron21 cm

3.65Qc supermirror guide-tube(8 cm × 8 cm)

Samples0.67 m3.83 m1.50 m中性子の散乱強度

Electron

Total cross section / a. u.

PE pre-moderator(t 1 cm)0.25

ブラッグエッジが明瞭に

0.20
0.15

J-PARCに匹敵する波長分解能の達成

3%

0.10

0.05

< 1%

0.00
0.39

0.40
0.41
0.42
0.43
Neutron wavelength / nm

北大における
研究推進力の向上
0.4456

加速器パルス中性子源では飛行時間（TOF）
法による速度（エネルギー）分析が可能
Neutron detector
L
Fast neutrons
Neutron flighttime analyzer

Slow neutrons

Trigger signal determining TOF = 0 （ from accelerator ）2

1
1  L 1 hE = mv 2 = m
=

 
2
2  TOF 
2m   m : Mass of neutron2v : Velocity of neutron

L : Path Length from source to detector
TOF : Elapse time from neutron generationh : Plank’s constantPC : Neutron wavelength

結構遅いので機械的に制御できることも57

加速器パルス中性子源とTOF法を用いた波長分解型中性子透過イメージング
13000 μs ~5000 μs ~飛行時間（TOF：Time of Flight）
分光

2500 μs ~800 μs ~中性子の速さ↓運動エネルギーや波長100 μs ~~ 2 meV / 0.64 nm~ 13 meV / 0.25 nm~ 50 meV / 0.13 nm~ 500 meV / 0.04 nm~ 35 eV / 0.005 nm

TOF分析型（高時間分解能）
中性子イメージング検出器

測定試料
パルス白色中性子ビーム
58

TOF分析型中性子イメージング検出器の性能
画素サイズ

持木先生 撮影

視野サイズ

GEM型中性子画像検出器
KEK 宇野グループ
画素サイズ： 800 μm
視野： 10 cm×10 cm

中空間分解能大面積
高い信頼性

中性子ビーム
高速度カメラ型中性子画像検出器
東京都市大 持木グループ
画素サイズ： 520 μm
視野： 13 cm×13 cm

高空間分解能最大面積
中性子カラーイメージインテンシファイア（東芝）＋ 高速度CMOSビデオカメラ（NAC）

MCP型中性子画像検出器
UC Berkeley
Dr. A. S. Tremsin
画素サイズ： 55 μm
視野： 2.8 cm × 2.8 cm

超高空間分解能59

Major reactions forneutron conversion & detectionn + 3He (0.0001% / 5333 barn) → 3H + p
Isotope abundanceThermal neutron absorption cross-sectionn + 6Li (7.5% / 940 barn) → 3H + α

n + 10B (20% / 3835 barn) → 7Li + α

n + 155Gd (15% / 61100 barn) → 156Gd + γ + e- (IC)n + 157Gd (16% / 259000 barn) → 158Gd + γ + e- (IC)60

中性子スーパーミラー
Ni-Ti多層膜による広い波長帯域の中性子の反射

回転楕円体形状ミラーによる中性子集光と装置の小型化
2D detector

Sample position

Ellipsoidal
focusing mirror

2.5 m !

61

中性子磁気レンズ
六極磁石
永久磁石を用いた磁気レンズによる中性子集束実験の北大での成功
色収差の無いTOF同期型（広波長帯域型）
パルス六極電磁石の開発へ

磁気集束
中
性
子
強
度
の
倍
率

λ＝５ [Å] λ＝７ [Å] λ＝９ [Å] λ＝１１ [Å]λ＝１３ [Å]62その他の中性子デバイスの例（J-PARC MLF）
チョッパー（単色化装置）

コリメーター（発散角制御装置）

Intensity (arb. units)

1000
800

BL01

152.0 meV

600
400
200
0
0

45.6 meV21.6 meV12.6 meV
8.2 meV
10000

20000
Time of flight (µs)

30000

40000

コリメーター無し

コリメーター有り＋

ダブルディスクチョッパー：開口面積を可変にすることができる。

63

中性子の利用64

機械工学における「量子ビーム」！
具体例の一部は後程紹介します。

⚫ 宇宙工学 JAXAによる宇宙推進スラスターの
中性子イメージング解析
エンジン内部のオイル挙動の中性子イメージング解析⚫ 熱流体工学⚫ 材料工学⚫ 生体工学⚫ 制御工学
燃料電池内の水挙動の⚫ 燃料電池、リチウム電池
4D中性子イメージング解析⚫ 原子炉工学
金属材料中の疲労亀裂の
放射光イメージング解析（中村教授）

65工学・理学における「量子ビーム」！
具体例の一部は後程紹介します。

⚫ （応用）物理学⚫ （応用）化学⚫ 生物学⚫ 宇宙惑星科学

中性子散乱による
原子配列解析

⚫ 材料工学 宇宙探査機「はやぶさ」が持ち帰った 蛍光X線分析による小惑星物質の量子ビーム連携解析 花粉中の元素イメージ⚫ 建築工学⚫ 土壌工学⚫ 環境工学66

北大の（ほぼ）全学部に関係する「量子ビーム」！
具体例の一部は後程紹介します。
経筒の中の紙の⚫ 文学（文化財）
中性子イメージング解析⚫ 法学（科学捜査）⚫ 医学・歯学（治療・診断）⚫ 薬学（創薬・製薬）⚫ 農学
医療診断用SPECTのための放射性
薬剤の中性子による製薬

土壌中の根の成長の
4D中性子イメージング解析

67

中性子イメージングによる航空・宇宙機器の非破壊検査や開発研究
タービンブレード

人工衛星のスラスター

住重アテックス(株)陽子サイクロトロン施設では、
中性子イメージングによる宇宙機器の全数検査を実施

68

中性子イメージングによる二相流研究
ステンレス鋼管中の水／窒素ガスの二相流の可視化(a) 半分が水, (b) スラグ流, (c) 気泡流, (d) 環状流

69電気自動車用モーターの時間依存中性子磁場イメージング解析
中性子ストロボスコープ

磁場のストロボスコープ（鉛直方向の磁場を可視化）

3.5 cm

3.5 cm

SDGs／カーボンニュートラル社会に向けた最先端研究

70

科学捜査向け中性子イメージング解析
中性子共鳴吸収を利用した元素分析による貨幣検査

X線

爆薬
（窒素）

中性子

Zn

X線

Cu
71

北大の中性子実験室に設置されている装置
中性子小角散乱装置

中性子ビーム中性子イメージング装置

中性子
ビーム

72

物質と反応する中性子の運動量変化を解析し物質の原子レベルのミクロな情報を得る！
例： 回折 （ブラッグ散乱） の利用による結晶構造解析

http://bb.phys.se.tmu.ac.jp/~bb/pukiwiki/index.php?Neutron_xray_1

結晶格子の面間隔 d を知りたい場合は、回折現象（強め合い）を生じた中性子の波長 λ と散乱角 2θ （つまり運動量の変化）を調べれば良い。
73

中性子小角散乱法による鉄鋼材料や食品、建築材料のナノ構造解析 量子ビーム材料工学研究室A（大沼研究室）
小さな角度の散乱中性子の運動量変化を解析し、金属材料やソフトマターのナノ構造を調べる！
Q2θ

2D detector
SampleCuBDS SANS
fit_CuBDS SANS

2
1
0
-1
2

0.1

4 6

2

1
-1
Q [nm ]

4 6

10

25x10

Volume Distribution-1

Intensity [cm ]測定した小角散乱データの例

鉄鋼材料ナノ析出物のサイズ解析や食品タンパク質の凝集状態の解析、建築材料（セメント）のナノ構造解析など
-6

20
15

10
5
0
2

4
6
R (nm)

8

1074

中性子イメージング法による自動車部品や文化財の広範囲解析 中性子ビーム応用理工学研究室（加美山・佐藤研究室）
リチウムイオンバッテリーの黒鉛負極材の原子層間距離を可視化

クランクシャフトの熱処理部のひずみを可視化 結晶格子面間隔のばらつき (nm)

層間隔 [nm]
ステージ1

0.005

0.37

0.004
0.36

黒鉛

0.35

0.002

0.34

0.001

和包丁を構成する異種金属の存在量を可視化
α

オーステ
ナイト

γ

鉄道レールや日本刀
鋼板溶接部のCrystallite※
size
（mm）
などの研究に応用
結晶子サイズを可視化
Crystallite size // beam, S / μm

+5
厚さ

6.0

結晶子サイズ （μm）

（mm）
3.8

Position y / cm

フェライト

0.000

0.33

0.0

4.24

0

10 cm

ステージ2
ステージ3
ステージ4

0.003

4.5

3.39

2.97
2.12
1.70

75

中性子と原子核の反応断面積76X線とAl原子1個の全断面積（散乱・吸収）
http://www.nist.gov/pml/data/xcom/index.cfm

吸収端

反応断面積（barn = 10-24 cm2）

104

1

光電効果
（吸収）

10-4

電子-陽電子対生成（陽電子の発生方法）

トムソン散乱（弾性散乱）
コンプトン散乱（非弾性散乱）

10-8
10-3

光子エネルギー (MeV)
10-2

1

102

103

77

γ線と物質の相互作用⚫ 光電効果：K軌道あるいはL軌道電子がγ線のエネルギーの全てを吸収して飛び出す。
⚫ コンプトン散乱：γ線と衝突した軌道電子がγ線のエネルギーの一部を獲得する。
⚫ 電子対生成：γ線のエネルギーが1.022 MeVを超えると、電子と陽電子の対が生成される。
⚫ これらの相互作用により、物質に入射したγ線はそのエネルギーの全て（あるいは一部）を物質に与えることができる。

78

X線と物質の相互作用を利用した物質解析
http://www.sci.u-hyogo.ac.jp/material/x-ray_optics/kago/presentations/79中性子とAl原子核1個の全断面積
http://wwwndc.jaea.go.jp/jendl/j40/J40_J.html

低エネルギー領域

吸収

共鳴吸収

共鳴散乱

(n,p)反応・(n,α)反応など
ソフトエラーの源80

低エネルギー領域の全断面積北大開発「RITS」コードにより計算したAl原子核のデータ

干渉性弾性散乱非干渉性弾性散乱
干渉性非弾性散乱
非干渉性非弾性散乱
吸収
全断面積

Cross section / barn

2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0.001

ブラッグエッジ

0.01
0.1
Neutron energy / eV181

電子・X線・中性子の平均自由行程の比較
1/μ（平均自由行程＝巨視的全断面積の逆数）
Penetration Depth

Roger Pynn, Neutron Scattering - A Primer, Los Alamos National Laboratory

中性子：水素も重金属も反応度が同じくらい。
X線：水素に反応しない。重金属を透過できない。

1m
中性子

10 cm
1 cm
1 mm
0.1 mm

X線

10 μm
1 μm

電子

82

主な元素の熱中性子に対する散乱・吸収の断面積
元素

散乱断面積（barn）

吸収断面積（barn）

中性子工学における用途

H

82

0.33

減速材（∵軽い原子核）
中性子捕獲後、高エネルギーγ線
も出る

Li

1.37

71

中性子捕獲後のガンマ線の影響が小さい吸収材

B

5.24

767

吸収材
中性子捕獲後、アルファ線を出す

Al

1.5

0.23

透明材（？）

Si

2.17

0.17

Fe

11.6

2.56

散乱体

Co

5.6

37.18

中性子捕獲でCo-60（ガンマ線放
出体）生成

Cd

6.50

2520

吸収材、強烈なγ線放出体

Gd

180

49700

吸収材

Pb

11.1

0.17

非減速型の散乱体
優秀なガンマ線遮蔽材

83

中性子発生施設の放射線安全（今一度、現場を直接見て学んでみよう！）

84

中性子放射化分析による元素分析の原理

85

中性子放射化分析とは⚫ 中性子は様々な原子核に捕獲され、中性子を捕獲した原子核からγ線が放出される場合がある。これを放射捕獲反応（（n,γ）反応）と呼ぶ。
⚫ 放射性核種から放出されるγ線のエネルギーは核種毎に固有の値を有するので、そのエネル
ギーを測定すれば核種を同定することが出来る。
⚫ この原理に基づいて中性子により試料を照射し、試料に含まれる核種を非破壊で定性または定量することを中性子放射化分析と呼ぶ。
86

中性子放射化分析法の応用

87

ナポレオンの「毒殺説」の可能性を高めた
中性子放射化分析 （元素分析）⚫ 中性子を原子核に捕獲させると、物質が放射化する（放射線を帯びる）。
⚫ 放射線（ガンマ線）のエネルギーを分析すると、原子核の種類（元素）がわかる。
⚫ 通常の化学分析のように壊したり溶かしたりしない
ので、文化財向き。

ナポレオンの遺髪を調べたら多量のヒ素が検出された！
毒殺か !?
画像出典：http://www.revive.co.jp/magokoro/scrap_and_build/history-napoleon-revolution/

88小惑星「イトカワ」から「はやぶさ」が持ち帰った微粒子を量子ビーム融合連携で分析

画像出典：一家に1枚「量子ビーム」⚫ X線CTイメージングによる粒子の3次元形状および3次元内部構造の解析⚫ X線回折（ブラッグ散乱）による鉱物の結晶構造解析⚫ 中性子放射化分析による元素分析⚫ 電子顕微鏡による粒子の構成鉱物の同定ならびに組織構造解析
1つの分析法では全体像がつかめなくても、量子ビームの力を結集させれば太陽系の成り立ちの歴史さえも見える！

89

NaI(Tl)シンチレーション検出器の波高スペクトル90

NaI(Tl)シンチレーター⚫ ガンマ（γ）線測定装置として、微量のタリウム（Tl）を含むヨウ化ナトリウム（NaI）の結晶からなるシンチレーション検出器を通称NaI(Tl)シンチレーターと呼んでいる。
⚫ NaI(Tl)の結晶にγ線が入射すると両者の相互作用（光電子効果、コンプ
トン散乱、電子対生成）によって2次電子がNaI(Tl)結晶物質を励起し、励起状態が定常状態に戻る時、シンチレーションと呼ばれる蛍光を発生する。
⚫ この光を捉え、光電子増倍管と組み合せて、放射線の量を電流パルスにおきかえ、放射線測定器として用いる。
⚫ 光の強さは、結晶内で2次電子が失ったエネルギーに比例することから、入射γ線のエネルギーに関する情報が得られる。
⚫ シンチレータは、（1）シンチレーションの減衰時間が短いので、分解時間の小さな速い計測ができる、（2）蛍光量と吸収エネルギーの比例関係からエネルギー測定ができる、などという利点がある。

91

NaI(Tl)シンチレーターの動作原理⚫ γ線がNaI結晶に入射すると二次電子が作られ、Tl原子が蛍光を発する。蛍光を発するタリウム（Tl）は活性化物質と呼ばれる。
⚫ Tl原子の蛍光が光電子増倍管の光電陰極に当たると光電効果
により光電子が飛び出し、これが多数のダイノードで増倍されて、回路にパルス電流が流れる。
⚫ パルス電流の数を数えることにより、 NaI結晶に入射したγ線の数を測定できる。
電気信号
前置増幅器
&主増幅器
で増幅

92

NaI(Tl)シンチレーターの構造⚫ NaI(Tl)シンチレータと光電子増倍管を組み合わせて使用する。
⚫ NaI(Tl)シンチレータと光電子増倍管の接合面はガラス窓を有する。
⚫ 直径5 cm×高さ5 cmの円筒型や幾何学的効率の大きなウエル（井戸）型が
使われる。
93

γ線のエネルギー測定⚫ 光電子増倍管の光電陰極で一個の光電子を放出させるために必要なエネルギーは120 eVであり、NaI(Tl)シンチレータにγ線が入射しそのエネルギーを全てNaI結晶に受け渡すと、γ線のエネルギーに比例した個数の光電子が生成される。
⚫ その結果、γ線のエネルギーに比例した強度を有す
るパルス電流が回路に流れるので、マルチチャネ
ル・パルス波高分析器（MCA）を用いてパルス電流の波高を測定すれば、γ線のエネルギーを知ること
が出来る。
94

γ線スペクトロメトリーにおけるMCAの動作

512
510

信号の数（ni）

パルス波高チャネル（i）

MCA:マルチチャネル・パルス波高分析器

508

506
504

4
2

時間

パルス波高チャネル（i）

パルス波高電圧を離散化し、チャネル（i）に属する信号の数（ni）を数える。

パルス波高チャネル（i）における信号の数（ni）をプロットする。
95

高エネルギー分解能Ge半導体検出器による
γ線スペクトルの例（88Y）
1836 - 511×2 (keV)

898 keV γ線
コンプトン端1836 - 511×1 (keV)

1836 keV γ線
コンプトン端⚫ 1836 keVと898 keVの全吸収ピークは、光電効果
によりγ線のエネルギーの全てがNaI結晶に吸収されることにより生じる。
⚫ コンプトン散乱などによりγ線のエネルギーの一部だ
けがNaI結晶に受け渡される事象も生じるので、連続なスペクトルが測定される。

96中性子照射実験⚫ 照射物• ？（金属）⚫ 電子加速器駆動条件：10 ppsで15分⚫ ポリエチレン減速材に貼り付けて、中性子源の
傍に設置

97

NaIシンチレーション検出器のエネルギー校正とエネルギー分解能98

波高スペクトルの例（いずれも3分で測定した例）
バックグラウンド

Cs-137

Na-22

Co-60

99

波高チャンネルとγ線エネルギーの校正曲線（これに天然のK-40（1.46 MeV）も加える）
γ-ray energy (MeV)

1.4

Nuclide Channel / ch γ-ray energy / MeV
消滅γ線
84
0.511
Cs-137
109
0.662
Co-60
189
1.17
Na-22
206
1.275
Co-60
215
1.33

1.2
1.0
0.8
0.6
0.4

E (MeV) = 0.0063 ch - 0.019

0.2
0.0
0

50

100
150
Channel

200

250
100

Cs-137のγ線スペクトルCounts of γ-ray / cps

100

Cs-137
B.G.
Net

10
1
0.1
0.01
0.001
0.0

1.0
2.0
γ-ray energy / MeV

3.0
101

Cs-137のγ線スペクトル（表示切替）

Counts of γ-ray / cps30

Cs-137
B.G.
Net

25

20
15
10
5
0
0.0

0.2

0.4
0.6
0.8
γ-ray energy / MeV

1.0
102

エネルギー分解能の評価（Excelのソルバーを用いたフィッティング）
Counts of γ-ray / cps

30

Experimental
Gaussian fitting

25

20
15

ΔE/E = 7.77%@ 0.67 MeV

10
5
0
0.4

0.5

0.6
0.7
0.8
γ-ray energy / MeV

0.9

1.0
103

バックグラウンドとその対策法

104

同定・定性分析
元素（核種）分析

105

金属試料のγ線スペクトル測定と核種同定⚫ MCAを用いて謎の金属試料のγ線スペクトルを測定し、全吸収ピークのピーク中心チャネルを読みとる。
⚫ エネルギー校正曲線を用いて金属試料のγ線エネルギーを推定する。
⚫ この結果、金属に誘導された放射性核種は次のいずれと考えられるか？
64Cu
65Zn
195mPt
198Au
203Hg

0.51 MeV
1.11 MeV
0.13 MeV
0.41 MeV
0.28 MeV
106

定量分析
中性子束の推定 ⇔ 元素の定量

107中性子による試料の照射で誘導される放射能⚫ 中性子減速材内の平均中性子束：
φ （1/cm2/s））⚫ 中性子減速材内に設置された試料に含まれる
放射化の対象となる原子核の数：N⚫ その原子核の実効放射化断面積：σ （cm2）⚫ 放射性原子核の壊変定数：λ （1/s）⚫ 照射開始から時間t1（s）だけ経過したときに試料に誘導される放射能：
φNσ（1-exp（-λt1）） （1/s）
108試料の放射能の時間変化の計算例
φ = 108（1/cm2/s）の中性子束で0.01 gの197Auを含む試料を11日間照射した場合の図t1

t2

A(t1 ) = N (1 − exp(− t1 ))A(t2 ) = A(t1 )exp (− t2 )109

中性子束 φ を推定してみよう
A(t1 ) = N (1 − exp(− t1 ))A(t2 ) = A(t1 )exp (− t2 )⚫ 照射した物質の重さは0.06 g。では、原子核の数 N はどうなる？

⚫放射化ターゲット核種の実効放射化断面積：σthermal = 9.865×10-23（cm2）σresonance = 1.571×10-21（cm2）⚫生成核種の壊変定数： λ = 2.97×10-6（1/s）⚫ t1: s
⚫ t2: s110

Cdフィルターを用いた熱中性子束と熱外中性子束の推定⚫ Cdフィルターを付けておけば、熱中性子よりも高エネルギーの中性子の中性子束を推定することができる。
⚫ Cd無しの中性子束からこの中性子束を差し引けば、熱中性子束が導出
できる。

111

正確な放射能測定のために必要な注意⚫ γ線検出効率（γ線エネルギー依存性あり）• シンチレーターの光電効果の断面積に依存• 2次電子のエネルギーにはほとんど依存しない。（γ線
シンチレーターは重元素であることが多いので、電子はほぼシンチレーター内でストップする。）• 窓材による吸収や、試料の自己遮蔽も考慮する必要あり。

⚫ 幾何学的検出効率⚫ 対象核種からのγ線放出率（1壊変（遷移）につき、必ずγ線が放出されるとは限らない）⚫ 数え落とし
112

中性子束 φ がわかっていれば、同定済みの元素の N を推定することができる（元素定量）
A(t1 ) = N (1 − exp(− t1 ))A(t2 ) = A(t1 )exp (− t2 )⚫ 同定済みなので、 σ や λ はわかっている。

113

以下、定量分析に関する参考情報114

なぜ φNσ（1-exp（-λt）） なのかdA(t )= −A(t ) + N
dt

初期条件は A(0) = 0• 右辺第一項：放射性崩壊による一秒当たりの放射能の減衰• 右辺第二項：放射捕獲による一秒当たりの放射能の増加• φNσ：飽和放射能115

放射能の減衰⚫ 照射終了後の任意の時刻における試料の放射能：
A(0)（1/s）⚫ そこから時間t2（s）だけ経過したときの試料の放射能：A(0)exp（-λt2）（1/s）

dA(t )= −A(t )dt

初期条件は t = 0 で A(0)116