高エネルギー加速器セミナーＯ Ｈ Ｏ ‘２ ３
2023年9月5日～8日、KEKつくば＆テレビ会議

中性子生成ターゲット

原田正英

JAEA, J-PARCセンター、物質・生命科学ディビジョン、中性子源セクション

講義内容
 はじめに 中性子生成と中性子源施設 J-PARC核破砕中性子源
 粒子輸送シミュレーション
 実測や実例
 最適化
 まとめ

はじめに
 中性子をプローブにする物質科学研究や生命科学研究は、強度重視の科学とも言われ、中性子源には、高い中性子強度を求められる。
 中性子を生成する方法は様々あるが、大強度でパルス状を目指すなら、加速した陽子ビームを利用し、核破砕反応を利用した核破砕中性子源を用いることが多い。陽子ビーム出力に大きく依存するが、安全上の設備が必要であるため、利得が低くなる傾向にある。一方で、中性子源構成の最適化と適切な工学設計により、中性子強度を大きく回復することができる。
 本講義では、J-PARC核破砕中性子源を主として、陽子ビーム入射から中性子ビーム供給までの中性子生成過程を説明し、実際上のJ-PARCの核破砕中性子源を例にその説明を行う。

中性子とは
中性子






1.67x10-24g
01/2• 中性子は、電荷を持っていないため、原子核と容易に相互作業を起こす。
• 中性子は、陽子と同程度の質量を持っているので、物質内での状態により、影響を受けやすい。

波長とエネルギー




質量：
電荷：
スピン：

エネルギー(En)：eV
1eV=1.602E-19 J
波長(λ)：Å（10-10m）λ(Å)=9.044・En-1/2• 中性子を使えば、エネルギーと運動量の変化から、非破壊で、物質の内部の構造を観測できる。

エネルギーによる中性子の呼び方






高速中性子 keV～MeV
熱外中性子 >0.3eV
熱中性子
5～30meV
冷中性子
0.1～5meV
極冷中性子 0.5～100μeV
超冷中性子 <0.5μeV

物質中性子

中性子の検出 中性子は非荷電粒子なので、検出が困難。
 中性子との反応する確率（反応断面積）が大きく、荷電粒子を発生する反応を利用する。
He-3(n,p)H-3 Q=0.765MeV Li-6(n,H-3)He-4 Q=4.78MeV
 B-10(n,α)Li-7 Q=2.792(6%), 2.310MeV(94%)

カウント数

全エネル
ギー付与のピーク

ノイズ、ガンマ線端効果

波高

運動エネルギーを測定するために～飛行時間法～ 中性子は、電荷をもたないため、エネルギーの測定が困難
 運動エネルギーは、速度の二乗に比例する。
E=1/2mV2
 既知の距離で、中性子が発生して中性子が観測されるまでの時間を測定することで、速度を測定し、運動エネルギーに換算する。

中性子

線源

距離（L）と飛行時間（ｔ）から、速度（V=L/ｔ）を導出

検出器

高性能な中性子源とは？
〇良好なパルス特性
 強度が強い 幅が短い テールが小さい

強度幅強度〇重要な要素 パルス化 バックグランドが少ないテール時間

中性子を放出する核反応
核分裂

連鎖的に反応が進んでいく（正の反応度？）

光核反応

核破砕

核反応

連鎖的に反応が進んでいく（負の反応度）典型的な中性子反応とエネルギーコスト

典型的な中性子スペクトル

使いたいエネルギー範囲は1eV以下世界の中性子源と実効熱中性子束

原子炉中性子源から加速器中性子源へ

世界の中性子生成ターゲット
J-PARCISIS （英国）
液体金属（水銀）
ESS （スウェーデン）固体固定（タングステン）
固体回転（タングステン）

中性子収量

生成エネルギー

陽子ビームエネルギーと生成効率

入射エネルギー
1.3GeVあたりが最も効率が良いと言われている中性子の減速質量数大

 弾性衝突が主。質量数が小エネルギー減：小

さい方が中性子の減速が早い。

エネルギー減：大
質量数小減速時間
10104610E (eV)100410.010.0001

E =1MeVTime (sec)

Q102100Pb

10-210-4BeH210.01

0.0001
10E (MeV)-610-810-10Japan Proton Accelerator Research Complex(J-PARC)
3GeV, 1MW & 25Hz

茨城県

物質生命科学実験施設
Materials & Life Science
Experimental Facility (MLF)

ハドロン実験施設

MRRCS
東海村
ニュートリノ施設
核変換実験施設

中性子源の構成


水銀ターゲット

ベリリウム＆鉄反射体











（遅い）中性子を吸収する
モデレータの中に入れて実効的にモデレータの幅を短くする。

遮蔽体（遅い）中性子を吸収する
モデレータとそれ以外を仕切るように設置する。

ポイズン材




中性子を減速させる
中性子を放出する

デカップラー材

中性子をかき集める
中性子を減速させる

液体水素モデレータ

中性子を発生させる

中性子など放射線を漏らさない

シャッター


中性子の供給・遮断する。

中性子源構成（J-PARC核破砕中性子源）

水銀台車

中性子源中心液体水素減速材中性子源施設全体

低温設備

中性子ステーション

中性子実験装置

中性子実験装置の配置
中性子は基本曲がらない（ミラーや重力では曲がるが）なので、放射状に装置を配置する

粒子輸送コードシステム

For the spallation neutron
source in J-PARC

Proton Beam Transport Code

Decay-turtle

PHITS:
Particle and Heavy Ion
Transport CodeCalculation
ModelProton
SourceCross section library
JENDL, etc.

Particle Transport CodePHITS

Large model size (>15m),
Large model number (>2000)
Large attenuation of neutron
flux (>10 decades)
Large cases (~2000)

HEAT
DPA
H, He Yield Deposition

Nuclide
Yield

Decay
Lib.

Activation
Lib.

FluxDose

Cut-off
NeutronRadioactivity Calculation Code

DCHAIN-SP

Around 2008,
MPI parallel computing system was used
Pentium IV 2.8GHz (2 core) X 36
Xeon 3.0 GHz (4 core) X 1

Photonsource.

Radioactivity
Decay heatParticle
Transport CodeParticle
Transport
CodeMCNP

MCNPX
Life
Estimation

StructuralEngineering
DesignRadioactive Waste
Estimation /Shielding Desing

Neutron Intensity
Estimation /Shielding Design

Pulse
Characteristics
Estimation

計算モデルと計算パラメータ
Item
Proton BeamPowerOperation time
Profile3 D view of JSNS design

Shields

Reflectors

Repetation rate
Proton Beam window
Material & thickness
CoolantT arget
Material, density
Vessel material
Coolant
Moderator
T ype & number

ProtonNeutronModerators
Target50cm

Material property
Vessel material
Coolant
Reflector
Material & size (Inner)
Material & size (Outer)
Coolant material., fraction

Calculation condition
1MW at the proton beam window
5000 hours / year
Emittance : 81 π mm mrad
Gaussian + Uniform
Footprint : 180 x 70 mm 225Hz
Al-alloy (A5083), 2.5mm t x 2 plates
H2 O
Mercury, 13.6 g/cm 3316L stainless steel
D2 O
Coupled (CM)1
Decoupled (DM)1
Decoupled Poisoned (PM) 1
Super-critical hydrogen, 20K,
1.5MPa,0.07g/cm 3Al-alloy (A6061, A5083)
H2 O
Beryllium, 50 cm (Dia.) x 100 cm (Hei.)Iron, 100 cm (Dia.) x 100 cm (Hei.)
D2 O, about 10% (channel width: 5mm)
Al-alloy (A5083)

Vessel material
Water-cooled shield
Material
304 stainless steel
Coolant material, fractionH2 O, about 10%
Air-cooled shield
Material
Steel
Coolant material
Air
Neutron beam line
Number23

中性子パルスデータの計算結果
Neutron flux and pulse shape for providing at the neutron beam port

2BL10 (DM)

1010

10 9

10 8 -10
10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10 -4 10-3 10-2 10 -1 100 10 1 102 103
En (MeV)

Nuclear heat generation

10171016410310

E = 2.0 meV

tn10

1/1000151014101310122

t (sec)

1110

Neutron intensity (n/cm /s/sr/eV/pulse)

Neutron intensity (n/cm2/sr/Letha rgy/s)

1012

10 meV10

t

1/100

110

t

200 meV
01 10210

2 10

23 10

24 1025 10

2TargetReflector
Shielding block

Precise treatment were considered
1, Photon energy deposition via electronenergy deposition
2, Energy-balanced neutron kerma factor
3, Decay heatProtonwindow
Poisonedmoderator

Energy conservation was consistent.

Decoupled
modearator
Coupledmodearator
Total

Mercury & Vessel
Reflector & Vessel
Water-cooled
shielding block
beam Window assembly
H2 & H2 Vessel
Water-cooled outer
Vessel
H2 & H2 Vessel
Water-cooled outer
Vessel
H2 & H2 Vessel
Water-cooled outer
Vessel

1/10-1

10-410-3

10-2-1

10E (eV)100110nTime (sec)

Component

t

1/201050 meV

NuclearHeating(kW)
493.0
193.9
133.8
1.4
1.1
4.4
1.0
4.9
1.4
5.2874.7Dose rate
DPA
Radioactive materials
and so on.

102

中性子の測定例
Li-glass scintillator

3He detector

Beam stop

Counting detectors
1/2 inch He-3 detector (Eff~1)
He-3 monitor (Eff:10-1,10-2,10-3,10-4,10-5)

Neutron beam entrance

最初の中性子ビームの観測のためにFirst direct beam was measured by CTOF method at the sample
position at BL10.
CTOF: Current Time of FlightModerator

Beam line

Li-6 or Li-7 Glass Scintillation Counter

Pulsed neutrons
Oscilloscope

Voltage (Current) ∝Neutron intensity

On May 30, 2008

最初の中性子ビーム

T=12msTOF Spectrum
Oscilloscope display

T0

Only 1 shot !

中性子束のシミュレーションと実測20％の精度でよい一致を示す。

高エネルギー中性子
Reactionrate

The foil activation methodwith the threshold energy reactions was used.
Cal./Exp. ratio

C/E：0.8～1.2

中性子のパルス形状
 Sample: mica and diamond The detector was located at 170°

Good agreement中性子スペクトル
13Cal.

10BL03(CM)9100.001

0.01

0.1BL04(CM)12Upper limit of Exp.

10Lower limit of Exp.

11Cal.

101Exp.

1010

91010-210-1En(eV)

12BL10(DM)11Exp.

1001010E (eV)

1102

1010

9100.001

0.01

0.1
En(eV)

1210111010BL08(PM)
Cal.
Exp.

100.001

30.01

0.1

110BL19

BL19(PM)

1012

1011

Cal.
Exp. (He-3 monitor)@ 7.5m

1010

109
10-3

10-2

10-1
En (eV)

1En(eV)

1013

Cal.
10

10100

13BL20101210112

1013BL10
CTOF(June)
Cal: Real
Exp: Old

13n

Neutron Intensity (n/cm2/s/sr/Lethargy@1MW)

2

Neutron intensity (n/cm /s/sr/Lethargy@MW)

10109-3

Neutron Intensity (n/cm /s/srlethargy@1MW)

101110210BL04

21213

Neutron intensity (n/cm /s/sr/Lethargy@MW)Exp.
1010BL03
CTOF(May)
Cal: Real
Exp: Final

Neutron Intensity (n/cm /s/srlethargy@1MW)

2

Neutron intensity (n/cm /s/sr/Lethargy@MW)

10BL20(PM)Upper limit of Exp.

Cal.
Exp.

Lower limit of Exp.

1010

10

910-3

10-2

10-1

10E (eV)

0101n

Good agreement within 20%

102BL10（DM）

輝度分布

BL04（CM）

We could observe the spatial distribution.

金箔による中性子絶対強度測定（陽子ビーム強度依存性）
 1MW operation for 10 hours

on July 3 was successful.
4 10
 500kW operation is sable now.
3.5 106

Neutron flux (n/cm/s@1MW&25Hz)

6 At sample position (13.4m)

BL10 (Noboru) withcollimators
 W/WO Cd cover Good agreement

 At 1MW operation with nocollimator, 4.7x107 n/cm2/s
will be archived.

ExpCal3 106
2.5 106
2 106
1.5 106
1 106
5 105
00

200

400

600

Proton beam power (kw)

800

1000

遅発中性子Blocker opened

There events were confirmed as neutron
detections from the pulse height data
These events ?
1, Delayed neutrons
2,The (γ,n) rection
ex. 9Be+γ→8Be+n-1.666MeV

In operation Operation stopf0(t)=95.749*(1/2)^(t/6.5381)
f1(t)=172.06*(1/2)^(t/134.41)
f2(t)=28.811*(1/2)^(t/4217.2)

核発熱計算と放射線損傷計算

放射化計算（残留放射能及び線量分布計算）

ターゲット容器の残留放射能
1016

Radioactivity (Bq)

3 months
10151014101310121011

Total

2 years

30 years

Cr-51
Mn-54
Co-57
Co-60
H-3

Sc-44
Ti-44

1010

10010

121010
Cooling Time (d)3104ターゲット容器用キャスクの遮蔽評価

遮蔽計算（バルク遮蔽）
中性子ステーション外側の遮蔽体（生体遮蔽体）の遮蔽評価

遮蔽計算（ビームライン）

キャビテーション損傷
急激に発熱することで、圧力波が発生し、そこから負圧（キャビテーション）が発生して、水銀のマイクロジェットが容器壁面に損傷を与える。

J-PARCでの対策

SNSの事例
J-PARCでの事例

遠隔操作機器
 パワーマニュピュレーター

容器先端部分で1000Sv/h以上の線量があるので、交換は遠隔操作が主。

最適化(1)
中性子強度のターゲットの大きさと材質依存性

中性子強度の減速材サイズ依存性最適化(2)
ポイズン位置の中性子特性依存性

中性子強度のモデレータ厚さ依存性

最適化（簡素化モデルと詳細モデルの違い）
エネルギースペクトル

パルス形状

まとめ
 物質科学研究や生命科学研究で有効なプローブである

中性子を使用する中性子施設は、小型化されているX線装置や大強度・高輝度化が期待できる放射光施設と比べ、追いつけない部分がある。それでも、強力なツールとなるように中性子生成に関する技術開発が進められている。国内外の施設では、新規の核破砕中性子源の計画や建設が進められている。また、国内で新たな研究炉の設置計画が立ち上がっている。これらが中性子科学の未来を作っていくものである。