Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 WEOA09

レーザー逆コンプトン光子の光中性子生成二重微分断面積測定への応用

APPLICATION OF LASER INVERSE COMPTON PHOTON ON MEASUREMENT OF
PHOTONEUTRON PRODUCTION DOUBLE DIFFERENTIAL CROSS SECTION
佐波俊哉#, A,B), Tran Tuyet C), Nguyen Thuong B), 山崎寛仁 A,B), 糸賀俊朗 D), 桐原陽一 E), 波戸芳仁 A,B), 中島宏 F),
宮本修治 G), 橋本智 H), 浅野芳裕 A)
Toshiya Sanami #, A,B), Tuyet TranC), Thuong NguyenB), Hirohito YamazakiA,B), Toshiro ItogaD), Yoichi KiriharaE) ,Yoshihito NamitoA,B), Hiroshi NakashimaF), Syuji MiyamotoG), Satoshi HashimotoH), Yoshihiro AsanoA)
A)
High energy accelerator research organization, Applied Research Laboratory (KEK-ARL)
B)
Graduate University for Advanced Science (SOKENDAI), Department of high energy accelerator scienceC)
CEA Sacray
D)
Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI)
E)
Japan Atomic Energy Agency (JAEA)
F)
Hokkaido UniversityG)
Osaka University
H)
University of Hyogo / LASTIAbstract

Neutron production by photonuclear reactions is important in the shielding design of electron accelerators with energiesof several tens of MeV. We measured the photoneutron-production double-differential cross sections of lead, gold, tincopper, iron and titanium for linearly polarized photons with energies centered around 16.6 MeV at NewSUBARU BL01, University of Hyogo. The overview of this experiment is described for apparatus and data analysis. The obtained dataconsist of two components, the low-energy component which shows no angular dependence, and the high-energy
component which shows an angular dependence on the direction of polarization, for all the measured target nuclei. Thedata are compared with results of Monte-Carlo code and evaluated nuclear data. Based on findings from above mentioned
experimental data and the comparison, the future experimental plan is presented.

1.

はじめに光子のエネルギーが数 MeV を超えると、光子と原子核の相互作用による核反応、いわゆる光核反応が起こる。光核反応の断面積はその相互作用の対象となる原子核の質量数や殻構造に依存し、数 10 MeVで最大値をとる単一または複数のピーク形状を有する。この振る舞いは原子核の集団励起として説明されている。
この核反応による励起状態からは数 MeV の中性子が放出される。中性子は電荷を持たないことから核反応を起こしやすく、物質を透過する力が強いことから、物質を放射化し、また、遮蔽体を透過して外部被ばくに寄与する線量を与える。この中性子を適切に評価することは、数 10 MeV 以上の加速エネルギーを有する電子加速器の遮蔽設計において、一次粒子である電子とこれに付随する光子を止めることの次に重要となる。
光核反応は 1950 年代にはすでに実験的研究が実施されていたが、光子源として連続エネルギー分布を有する制動放射光子を用いていたことから、種々の核種に対する反応の特徴を表す入射光子エネルギー____________________________________________

toshiya.sanami@kek.jp#依存性を取得するのは困難であった。その後、1960年代に加速器で加速した電子から陽電子を生成し、その陽電子をエネルギー分析して、消滅光子を生成し、そのエネルギーを定める、飛行中陽電子消滅法が開発され、これを用いた光核反応の入射光子エネルギー依存性測定が集中的に行われた[1]。
この飛行中陽電子消滅による光子のエネルギー分布はピーク形状を示すが、同時に制動放射光子も存在することから、これを差し引く測定が必要であった。この方法を用いた実験は主にフランスのサクレー研究所と、アメリカのローレンスリバモア研究所で行われ、その結果は IAEA のハンドブックにまとめられているが、不一致が見られる核種が多く、問題となっていた[1]。
1990 年代に入り、加速器技術とレーザー技術の発展に伴い、レーザー光子を電子に衝突させ、高エネルギー光子を生成する、レーザー逆コンプトン散乱手法が実用化された。この手法による光子は、飛行中陽電子消滅によるものと比較し、格段にエネルギー幅が狭く、制動放射光子も存在しない上、偏光がそろっているという大きな利点を有している。このレーザー逆コンプトン光子を用いた断面積測定がIAEA の CRP として実施され、前述の不一致は解決を見た[1]。

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Figure 1 に示すとおり、レーザー源(Nd laser)は加
我々は、この光核反応から放出される中性子のエネルギーと角度分布に着目し、レーザー逆コンプト 速器収納部外におかれ、レーザー光はミラーによりン光子を用いた実験データの取得を行っている。核 収納部内に導かれて、ビームライン内に導入され、反応により放出される中性子のエネルギーと角度分 ニュースバル加速器の直線部で電子と衝突させられ布ごとの断面積、二重微分断面積、は核反応断面積 る。ここで、逆コンプトン散乱された光子(LCS gと同様に、核反応過程を特徴付ける量であるととも ray)は、収納部内と光学ハッチ 1(Hatch 1)内の 2 つのに、中性子の反応と透過を特徴付けるために応用上 コリメータ(C1 と C2)により、180 度方向成分のみが取り出され、光学ハッチ 2 (Hatch 2)での実験に用いも重要である。
本稿ではこのレーザー逆コンプトン光子を用いた られる。
二重微分断面積の測定実験についてその手法と結果、 光子の強度は 6 インチ径、5 インチ長の NaI(Tl)検出器をもちいて相対的に検出効率を確認したプラス展開の概略を紹介する。
チックシンチレータにより、ハッチ 2 の入り口でモニターされる。ハッチ 2 の中央部には光核反応を調2. 実験の概要
実験の詳細については参考文献[2, 3]に詳しい。本 べるためのターゲット物質がおかれる。入射光子と稿では参考文献に書かれていない内容を補いつつ、 ターゲット物質との核反応で発生した中性子は、ターゲットの周りを取り囲むように設置した中性子その概要を述べる。
実験は、現状では日本で唯一レーザー逆コンプト 検出器により測定される。
中性子のエネルギー測定には飛行時間法を用いる。
ン光子を数 MeV から数 10 MeV のエネルギー領域でこの方法は、ターゲットから発生した光子と中性子パルスビームとして供給可能な施設である、兵庫県立大学ニュースバル加速器の BL-01 で実施している の時間差を測定し、エネルギーを決定する。ターゲットと検出器の間隔、飛行距離、はハッチ 2 の大[4, 5]。
きさの制約とレーザーと蓄積電流の関係による光子ニュースバル加速器の BL-01 の平面図を Fig. 1 に示す。ニュースバル加速器の蓄積リングは 0.5 から 束の強度とビームタイムの制限から、80 cm 程度と1.5 GeV までの電子を蓄積することが出来るが、 する必要があり、十分なエネルギー分解能を達成す
2021 年までは入射器を SPring-8 加速器と共用してい るためには、ns 以下の時間分解能が必要である。こるために、入射エネルギーは 974 MeV の固定であっ のために、蓄積リングはシングルバンチモードとした。この 974 MeV の電子と 1064 nm の波長のレー て、レーザーの時間幅の影響を受けずに、光子を発ザーを組み合わせることにより、平均エネルギーで 生させるとともに[6]、中性子検出器に時間応答の良16.6 MeV の単色光子が利用可能であった。このエ い有機液体シンチレータを用いた[2, 3]。
Figure 2 にビームモニター用のプラスチックシンネルギーであれば、トップアップ入射が可能である
チレータ、ターゲットと中性子検出器の位置関係のために、安定した強度での実験が可能である。光子のエネルギーを変える場合は、レーザーの波長を変 模式図を示す。中性子検出器はターゲット横方向、えるか、蓄積リングのエネルギーを加速または減速 水平面上に 5 式とターゲット上方に 1 式を設置した。
水平面の検出器は光子ビーム入射方向に対して 30 度、により変える必要がある。
60度、90 度、120 度、150 度、の方向に設置した。
測定に必要とされる光子のエネルギー範囲は概ねこれらをH30、H60、H90、H120、H150 と呼ぶ。
13 MeV から 30 MeV なので、レーザーの波長を変えターゲット上部の検出器は光子ビーム入射方向に対るよりは蓄積リングのエネルギーを変える方が容易であるが、トップアップ入射が出来なくなるので、 して 90 度の方向に設置した。これを V90 と呼ぶ。
ターゲットは鉛、金、錫、銅、鉄、チタンの 1 cm
時間あたりの光子の強度が落ちてしまう。

Plastic scintillator
beam monitor
Electron beam

Collimators

Hutch-2

Hutch-1

TargetGACKO

Optics hutch 2�wallBeam
Beam
dump
dumpFrom optics hutch1

C1

Collision pointC2

LCS γ ray

NE213 H30zx
NE213 H150

NaI(Tl)

NE213 H60

NE213 H120
NE213 H90

Nd laser

18.5m

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Figure 1: Schematic drawing of NewSUBARU BL01 layout.

- 71 -Neutron
Detectors

NaI(Tl)DetectorProceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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微分断面積が導出される。二重微分断面積を導出する式を以下に示す[2]。
𝑑𝑑! 𝜎𝜎𝑌𝑌(𝐸𝐸)/𝜂𝜂(𝐸𝐸)(1)=𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑Ω 𝑁𝑁 ∙ (𝜏𝜏 ∙ 𝜙𝜙) ∙ Ω ∙ 𝜀𝜀(𝐸𝐸) ∙ Δ𝐸𝐸
ここで、d2 σ/dEdΩは二重微分断面積、Y(E)は中性子エネルギースペクトル、η(E)はターゲット内中性子散乱の補正係数、N はターゲット原子数、τは光子のターゲットによる減衰の補正、φは入射光子数、Ωは検出器の張る立体角、ε(E)は検出器の検出効率、ΔE はエネルギー幅である。
Y(E)は中性子検出器の出力の全発光成分に対する遅発発光成分の比からγ線によるイベントを除去した時間分布を、飛行距離を用いてエネルギー分布にして求める。N は各ターゲットの重さ測定と密度のデータから、Ωはターゲットから検出器までの距離と検出器のターゲット側への投影面積から求めた。
φは光子束であり前述の通りプラスチックシンチレータの計数から導出する。η(E)、τ、は補正係数であり、PHITS コード[7]の計算結果から導出した。
ε(E)は ScinfulQMD コード[8]の計算値と Cf 中性子源を用いたエネルギー依存性から導出した。

Figure 2: Schematic drawing of Neutron detector setup.

径の円柱を用いた。円柱の長さは光子の減衰が 30%以下程度になるように選定した。コリメータ C1 とC2 の内径は 3 mm と 2 mm として、光子ビームの計数が最大になるように、位置と角度を合わせた。その後、ターゲット位置でのビームスポットの位置をシリコンイメージセンサーで確認し、光子ビームが 3.2 計算コード・データ
全量ターゲットに入射していることを確認してから実験結果と現状で遮蔽設計に使われている計算中性子測定を行った。
コード、核反応データベースから二重微分断面積を測定中は蓄積リングをシングルバンチ、トップ 導出した。
アップモードで運転し、20 ｍA の蓄積電流に対して、 計算コードの結果の導出には PHITS コードを用い20 W の 1064 nm のレーザーを入射して、光子ビーム た。PHITS コードは RIST、JAEA、KEK 等で開発さ強度、1.4×105 photons/sec を得た。この条件で 1 れている多粒子輸送モンテカルロコードで、このエターゲットあたりの測定時間は 2 時間としたが、 ネルギーでの光核反応は、反応断面積として集団励トップアップモードでの運転が出来ない条件では、 起過程についてパラメータ化した巨大共鳴断面積の蓄積電流の低下と再入射を必要とするために、平均 値が、陽子中性子ペアの励起過程について重陽子の光子強度は 1/3 以下に低下し、3 倍の測定時間を要し 光核反応断面積を元に補正をくわえた値が組み込また。
れており、前者を General Evaporation Model、後者を中性子検出器からの信号は 3 系統に分岐し、1 系 Quantum Dynamics Model で時間発展を追うことによ統をタイミング信号を生成するために、2 系統を全 り放出粒子の種類とエネルギーを求めている[7, 9]。
発光量と発光量の遅発成分の積分値を得るために用
一方、核反応データベースは JAEA の核データセいた。積分値は電荷積分型アナログ・デジタル変換 ンターで提供されている、JENDL/PD2016.1 を用いVME モジュール(QDC:A3200, Nikiglass)を用いて得た。 た。これは評価済み核データファイルであり、実験タイミング信号はこの積分のためのゲートを生成す データに基づく断面積値と JAEA で開発した前平衡るためと、ビーム信号との時間差を取るために用い モデルを含む CCONE コードを用いた二重微分断面た。ビーム信号は加速器の周回周波数を間引いて、 積が得られている[10, 11]。
レーザーのトリガーと同期したものを用いた。中性
これらの計算コードと、評価済み核データファイ子の飛行時間は、シングルバンチビームが周回する ルの結果は実験データを得るための測定系が有する時間よりも早いが、レーザーの繰り返しが周回周波 エネルギー分解能の影響を受けていない。そこで、数より大きく劣るので、間引きが必要であった。こ 実験データのエネルギー分解能をもちいて、計算の時間差は、時間・デジタル変化 VME モジュール コードと、評価済み核データファイルの結果をガウ(QDC:A3300, Nikiglass)を用いて得た。これらの VME ス関数でなまして、次節で比較を行う。
モジュールからのデジタルデータは、LinuxPC にGigabit Ethernet で転送され、イベント毎にタイムス 4. 測定結果と考察
タンプを付してディスクに書き込まれ、オフラインFigure 3 に実験で得られた結果を、計算コード・解析に供される[2, 3]。
データとともに比較したものを示す。実験データは3.

データ解析と計算コード・データ

3.1 データ解析
測定したデータはオフライン解析に供され、二重全部で 6 角度のものが得られたが、煩雑さを避けるために、最大値を示した H90 の結果と最小値を示した V90 の結果を示す。この図に示した結果を含めて、これまでの実験から明らかになったことを以下に箇- 72 -

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Figure 3: Experimental double differential cross section results at horizontal and vertical 90 degrees in comparison withthat of calculation and data library.
• タングステン、タンタルについて同様の測定を条書きで示す[2, 3]。
行ったところ、質量数や反応の Q 値が金や鉛と• 実験データは放出角度によらない成分（主に大きく変わらないにもかかわらず、偏光に依存4 MeV 以下のエネルギーを持つ）と放出角度にする成分が金や鉛の約 1/3 と少なかった。
依存する成分(主に 4 MeV 以上のエネルギーを• 偏光に依存する成分の有無が、単純なコンク持つ)成分の 2 つが見られた。
リート遮蔽透過後の中性子線量に与える影響を• この 2 つの成分は今回測定したすべてのターシミュレーションで調べたところ、2 倍以上のゲットに対して得られた。
差異が見られた。偏光に依存する成分のエネル• この 2 つの成分のうち、角度依存をもつ成分のギーが比較的高いことからくる影響とみられる。
強度は、入射光子の偏光方向と、放出方向のなす角を Θ としたとき a+bcos(2Θ)で表すことが出来る。ここで a, b はフィッティングパラメータ ５. 今後の展開である。よって、この成分の量は光子の偏光のこれまでの実験で光核反応から放出されたエネル影響を受けているといえる。
ギー分布に対して興味深い性質が明らかになった。
• 入射光子のエネルギーを変えた試験測定から、 この性質を統一的に記述し、電子加速器の遮蔽設計エネルギーを下げても 2 つの成分が得られる。に用いられる計算コードや評価済み核データに反映• 実験結果から無偏光の場合の角度依存を導出し するためには、より多くの入射エネルギーに対して、たところ、1960 年代に測定された中性子の角度 軽い核までのターゲットに対する実験データの取得分布である cos(θ)分布の係数に近い値を示した。 が望まれる。
• Fig. 3 に示した PHITS を含め既存のモンテカル
ニュースバル加速器は 2022 年に専用入射器を得たロコードと、JENDL を含む評価済み核データは ので、今後は 974 MeV 以下のエネルギーでトップ
特に重いターゲットについて実験データの高エ アップ入射が可能になることから、532 nm のレーネルギー部分を再現しない。これは偏光の影響 ザーと組み合わせれば、この研究で必要とされるエを受ける成分について核反応モデルに取り入れ ネルギー範囲の単色光子を得ることが出来るので、られていないためである。
単色光子場の整備による応用と合わせて、広い範囲• 測定した 6 つのターゲットのうちチタンは、わ のデータ取得が可能になると期待出来る。
ずかながら他のターゲットと反対の角度分布を示した。

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謝辞

本研究は JSPS 科研費 基盤(C) 20K12487 の助成を受けて実施された。

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Schwengner,S.
Siem,andM.
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