レーザー・コンプトン散乱による高輝度ガンマ線の実現とその応用

羽島良一、沢村勝、永井良治、西森信行、早川岳人、静間俊行、Christopher T. Angell
日本原子力研究開発機構
第１２回日本加速器学会年会
2015年8月5日
福井県敦賀市レーザーコンプトン散乱（Laser Compton Scattering (LCS)

Scattered Photon

2

1Electron

Incident Photon

for head-on collision 点光源からのコーン状ビーム
 エネルギー可変
 偏光 (直線、円) エネルギーと散乱角に相関  コリメータによる単色化

2

LCSの歴史
6 GeV e-850 MeV γ
694 nm laser
C. Bemporad et al., Phys. Rev. (1965)

メイマンによるレーザーの発明の5年後に最初のLCS実験

50 年
ELI-NP

AIST-TERAS
Duke-HIgS

3

LCS ガンマ線の輝度γ2B ≈ Ftotal 2 × 0.1%εnC.P.J. Barty, “White Book of ELI Nuclear Physics”

LCS は 1 MeV 以上で唯一の高輝度光源

4

原子核共鳴蛍光散乱に基づく核種の非破壊検知・分析
Nuclear Resonance Fluorescence (NRF)

Energy [keV]

2423
2143

Tunable1+
2003
1815

1+
1+

2410
2245
2176

fingerprint

1733

Absorption
977
933

Emission

938

1
Absorption0+

Flux of gamma-rays

00+

243 Am0237 Np

1/2+

239 Pu

0

7/2

235 U

0.0

1.0

00+

0238 UWANTEDNRF signal
U-238
2.176 MeVEdetector∆E680

Emission-2.176 MeV for U-238∆E/E < 1%-targetγ-ray beam

2.0

Photon Energy (MeV)

R. Hajima et al., J. Nucl. Sci. Tech.
45, 441-451 (2008)

Photon energy (MeV)5

高輝度ガンマ線源の提案 – エネルギー回収型リニアック(ERL)
レーザー蓄積装置

エネルギー回収型リニアック
・高繰り返し、大電流、低エミッタンスの電子ビーム

γ-raySupercavity
Laser
Electron bunch

Energy Recovery Linac

レーザー光子を蓄積、再利用

高輝度ガンマ線

Electron beam = 350 MeV, 13 mA
Laser intracavity = 700 kW
LCS ~2MeV, 1x1013 ph/s

電子エネルギーを回収、再利用
Acceleration

0.1 ph/eV/s  10^7 ph/eV/s
Deceleration

産総研TERASERL

R. Hajima et al., NIM-A608 (2009)6核セキュリティ技術としてのLCSガンマ線
核不拡散・核セキュリティへの国際的な関心の高まり 核セキュリティサミット 2010年から隔年開催
核物質の測定、検知及び核鑑識に係る技術の開発

日本が貢献できる先端技術として
LCS ガンマ線NDAが取り上げられた
NDA=Non-Destructive Assay

核セキュリティ強化等推進事業費補助金の交付を受けて、以下の技術開発を実施(1) 大強度LCS発生のための基盤技術
 cERL における LCS発生の実証試験(2) 高レベルの放射能を有する試料にも適用可能な測定手法
 測定手法の提案と Duke 大学における実証試験
 モンテカルロコードの開発（NRFGeant4）

7

コンパクトERLにおけるLCSの発生実証
周回軌道、LCSの発生と測定に必要な装置の製作と設置
高出力モードロックレーザーの開発
LCSの発生実験
ERL開発棟LCS 実験室

電子銃

超伝導加速器(9-セル x 2 台)LCS ガンマ線

LCS 発生部電子ビーム = 20 MeV, 0.1 mA
LCS フラックス ~ 4.3x107 ph/s

周回軌道

8

cERLにおけるLCS発生実験（2015年3月-4月）
Parameters of electron beams:(silicon drift detector)

Beam current [µA]58

Parameters of laser (enhanced by cavity):

Intracavity power [kW]S/N~103

10Results:
Photon energy = 6.9 keV
Detector count rate = 1200 cps @φ4.66mm (*)
Source flux = 4.3 x 107 ph/s (**)(*) Detector collecting angle is 4.66mm/16.6m = 0.281 mrad(**) CAIN/EGS simulations with the detector count rateescape &Compton continuum+ Brems.
Bremsstrahlung

永井他、THP113、赤木他 THP114

9保障措置（核不拡散）

核物質の搬入removal of debris
from the core ~2021

計量管理 核物質量の測定と申告
 事業者の責任で実施

査察
 帳簿確認、現場測定による核物質量の確認
 封印、監視 国際原子力機関（IAEA）、政府が実施

核物質の搬出others

TU&F
P

239Pu

~0.5 %238U

10

LCS-NDA:非破壊測定の二つの手法
共鳴散乱法

共鳴吸収法

測定試料からの共鳴散乱ガンマ線を測定

測定試料による共鳴吸収を
witness plate からの共鳴散乱量の減少
から求める

検出器

detector~1 eV

LCS beam

Signal decreases

scattered γ

測定試料

透過ビーム

Energyscattered γ

遮蔽witness plate:
測定すべき同位体を含んだ標準試料

11スリーマイル島キャニスターの模擬測定実験
Duke/HIγS （LCS施設）にて実験

測定試料なしTMI-2 キャニスター
(模擬)

Witness plate:Al

Witness plate:Al

模擬物質として「アルミ」を使用--- Al-27 は Pu-239 とほぼ同じエネルギーに共鳴準位をもつ
Witness plate の共鳴散乱に変化なし

Energy共鳴散乱の減少があるはず
Al 試料

Witness plate:
AlEnergy

12

TMI-2キャニスターの模擬測定実験
共鳴透過法により核物質が測定できることを確認
キャニスターによるわずかな吸収 コンクリートがアルミを含んでいるためWitness plate からの共鳴散乱

アルミターゲットによる吸収

試料

計算値

測定値

コンクリート

0.96±0.01

0.95±0.02

キャニスター

0.96±0.01

0.97±0.03Al

0.66±0.01

0.65±0.02

C.T. Angell et al., Nucl. Instr. Meth. B 347, 11 (2015)

実験、理論解析からERL-LCS を使えば、3.7-22 時間で溶融燃料中のPu-239 を3%の精度で測定できる。
C.T. Angell et al., to be published13

LCSガンマ線の基礎科学への応用
原子核構造

超新星爆発、光核反応による元素合成
Φ＝0°

超新星爆発

H

主要成分が異なる多層構造
H
H
HeC
Mg/Si
Fe

Φ＝90°

O/Ne

元の同位体

新しい同位体光光中性子

中性子

T. Shizuma et al., PRC (2008)

直線偏光ガンマ線による共鳴散乱の角度分布測定

大強度ガンマ線による光核反応
断面積の系統的な測定

励起状態のパリティを決定

元素合成モデルの精密化

14今後の研究：加速器の省電力・小型化
4K 動作可能なスポーク空洞

多重周回ERL

沢村他：WEP054

溶融燃料測定用ERL-LCS

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まとめ
 LCSガンマ線は、加速器、レーザーとともに発展
 MeV エネルギーで唯一の高輝度光源として期待
 核セキュリティ、核不拡散のための核種の非破壊測定
 原子核物理を中心とした基礎科学

 ERLとレーザー蓄積装置の組み合わせ cERL にてLCS発生の実証
 小型化、省電力化の取り組み

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謝辞• JAEA、量子ビーム応用研究センター– 次世代レーザー研究グループ
森道昭• JAEA、核セキュリティ核不拡散総合支援センター– 瀬谷道夫、小泉光生• KEK– 赤木智哉、小菅淳、本田洋介、荒木栄、浦川順治、照沼信浩– 河田洋、小林幸則、cERL チーム

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