The 28th Japan Symposium on Thermophysical Properties, Oct.24-26, 2007, Sapporo

WS003

中性子共鳴吸収分光を用いた物体内部の非破壊温度測定
NON-DESTRUCTIVE THERMOMETRY USING NEUTRON RESONANCE
ABSORPTION SPECTROSCOPY○加美山隆（北大院）○ Takashi KAMIYAMADivision of Quantum Science and Engineering, Graduate School of Engneering,
Hokkaido University, Sapporo 060-8628, Japan
Corresponding author: Takashi KAMIYAMA, E-mail: takashik@qe.eng.hokudai.ac.jp
Neutron resonance absorption spectroscopy (N-RAS) enables us to investigate the motions of a particular nuclide by analyzing
the line width of resonance absorption spectrum. The effective temperatures extracted from the observed absorption spectrum havean asymptotic trend to coincide with the actual local temperature of the target nuclide with increasing temperature. It can associatewith the computer tomography technique as non-destructive thermometry for a bulk object. This new method gives us theinformation of the 2-dimensional distribution as a tomogram. The experimental result using a pulsed neutron source shows wellagreement with the actual temperature distribution inside the object, and the simulation of the experiment could reproduce the resultcorrectly. The development of this new approach links to the new industrial application of neutron utilization as the remote-sensing
and non-destructive thermometry.

1．緒言は、共鳴吸収ピークの半値幅の解析で物質中の特定元素中性子共鳴吸収分光法（N-RAS : Neutron Resonanceの熱振動に関する情報を得ることができるという点にあAbsorption Spectroscopy）は、原子核が中性子を捕獲しる。これは、共鳴吸収ピークのエネルギーが核種固有のた際に放出する即発γ線を利用して物質中原子の熱振動ものであり、そのピークの半値幅は原子の熱振動の激しの激しさを測定する手法である[1,2]。以前よりこの即発さによって変化するという性質を利用する。つまり、γ線自体を計数・エネルギー分析することで、γ線放出

N-RAS は物質中で或る核種がおかれた位置の実効的な温核種の同定や定量を行う分析化学の研究が行われてきた。

度を測定することができる。この実効温度は、充分に高この場合には放出されたγ線の分析を行うので、中性子い温度(概ね室温以上)で、物質の温度に漸近していく。

源には定常的な原子炉線源が使われる。これに対し N-RAS

これを利用すれば、N-RAS により高透過力を持つ中性子をでは、加速器を利用したパルス中性子源を用いて、中性プローブとした非破壊・非接触の温度測定が可能となる。

子飛行時間法により吸収された中性子のエネルギースペさらに、この N-RAS は散乱測定ではなく基本的に透過クトルを得る。これにより物質中の原子核がどのエネルスペクトルの測定であるために、中性子スリット移動やギーの中性子を共鳴的に強く吸収するかがわかり、その対象物体の回転と組み合わせることで、物体に関する実共鳴吸収エネルギー値より核種、即ち同位体の種類まで空間位置座標で分解した一連の部分スペクトルを得るこが同定できる。また、共鳴吸収の断面積は一般的な散乱とができる。この分解されたスペクトルをコンピュータ断面積に比べて一桁以上大きい場合が多いため、従来の中性子散乱を利用した分光器よりも短い時間で統計のよい測定が可能となる。
この N-RAS 分光器から得られる情報の最も大きな特徴
減速材

飛行時間
分析器

2.50
2.00

T=20[K]127
I
E 0 = 37.8 [eV]1.50109Ag
E 0 = 5.19 [eV]107Ag
E 0 = 16.3 [eV]

1.00

中性子
中性子スリット

0.500.00

γ線検出器

試料

γ線

図 1. DOG の模式図

100200300

TOF channel

図 2. 共鳴吸収スペクトルの例(AgI)

400

2cmφcylinder

図 3. 試料温度と実効温度の関係の例(181Ta)

イナミクス情報を非破壊・非接触で評価することが可能

図 4. N-RAS/CT 測定による Ta を均一に含む円柱状試料の断層直径方向の温度分布。実線は 4,28eV の共鳴ピー
クのフィッティングによる実効温度。破線はその再構成結果。点線は実際の温度分布。となる[3,4]。この場合、共鳴吸収核種 1 個 1 個が温度セ

この値について CT の手法で再構成することにより、物体ンサーであるといえる。また、共鳴吸収ピークは測定領断層内部の温度分布を評価することが可能である。これ域に含まれている核種の絶対量に比例する強度を持ってを N-RAS/CT と呼ぶ。図 4 に、共鳴核種である Ta を均一いるため、共鳴核種の存在量やその断層分布を求めるこに含む円柱物体の解析例を示す。実際の円柱内部では、とができる。つまり、この手法は核種分布と温度分布を中心から外周に向けて約 80℃下がる温度勾配が存在する。

同時に測定可能な新しい分析法といえる。

円柱の直径は 20mm、測定では 2mm のスリットを使用し、断層撮像(CT：Computer Tomography)の手法で再構成することにより、温度として示される物体断層内部の核種ダ円柱対称のため試料の回転は省略して 30°毎 12 角度の2．中性子共鳴吸収分光器データとして補外してフーリエ法により再構成した。再N-RAS では、加速器を用いたパルス中性子線源を使って構成された結果は、実際の試料内部の温度変化について入射中性子のエネルギーを決定する飛行時間法を利用す中心部を除いてよく再現している。試料中心部の差は、る。図 1 に、高エネルギー加速器研究機構のパルス中性スリットサイズで制限される空間分解能による。一方、子源 KENS に設置されていた共鳴吸収分光器 DOG の模式図

不均一に Ta を含む物体に対する測定では、Ta を含まないを示す。パルス中性子源からの中性子ビームはスリット領域の温度を例えば 0 と設定することで、Ta を含む領域を通して試料に入射するが、ビームと 90 度方向にγ線検の温度のみが再構成され、それとともに、Ta の分布につ出器が配置されており、共鳴吸収により出る即発γ線はいても情報が得られることになる。

これにより検出される。DOG の中性子飛行距離は 9.53mで、飛行時間測定の最小時間幅は 31.25ns、200eV を超え4．結言る共鳴吸収ピークも検出可能であった。図 2 に測定され加速器パルス中性子源で実施される中性子共鳴吸収分たスペクトルの一例を示す。共鳴吸収ピークは存在核種

光法 N-RAS は、単独あるいは CT 法を組み合わせることで、に対応した鋭いピークとして観測されているが、γ線の測定対象物体内の核種や温度を非破壊・非接触に分析すカウント数で記録されるため、正方向のピークとなる。

る手法である。中性子利用の課題としては特に線源の問核種の実効温度は、この共鳴吸収ピークをドップラー効題が挙げられるが、よりアクセスのし易い小型加速器の果が含まれるブライト=ウィグナーの式で解析して得ら利用を念頭に N-RAS による分析法の開発を進めているとれる。図 3 に、Ta 原子の実効温度と試料温度(平均温度)ころである。の関係を示す。実効温度は温度が高くなるにつれ試料温度に漸近していくことが判る。このことから、対象物体の温度が充分に高ければ実効温度のまま物体の温度として近似できることになる。

3. 中性子共鳴吸収断層撮像 N-RAS/CT
先に述べたように、中性子共鳴吸収スペクトルの測定では物体に関する実空間位置座標で分解した一連の部分スペクトルを得ることが可能である。そこで、それぞれの部分スペクトルについて、ブライト=ウィグナーの式で解析し、部分スペクトル内の平均値として実効温度を求め、REFERENCES[1] K. Kaneko, T. Kamiyama, Y. Kiyanagi, T. Sakuma, S.
Ikeda; J. Phys. Chem. Solids, 60(1999), 1499-1502.
[2] K. Tokuda, T. Kamiyama, Y. Kiyanagi, R. Moreh, S.
Ikeda; Jpn. J. Appl. Phys., 40 Part 1 (2001), 1-4.
[3] T. Kamiyama, H. Noda, J. Ito, H. Iwasa, Y. Kiyanagi,S. Ikeda; J. Neutron Research, 13 (2005), 97-101.
[4] T. Kamiyama, J. Ito, H. Noda, H. Iwasa, Y. Kiyanagi,S. Ikeda; Nucl. Instrum. and Methods A, 542 (2005),
258-263.