Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

APPLICATIONS OF HOKKAIDO UNIVERSITY 45MEV ELECTRON
LINAC IN A NEUTRON SCIENCE FIELD
Yoshiaki Kiyanagi 1 , Michihiro Furusaka, Takashi Kamiyama
Graduate School of Engineering, Hokkaido University
Kita-13, Nishi-8, Kita-ku, Sapporo, 060-8628
Abstract
The electron linac at Hokkaido University is effectively used for neutron applications, pulse radiolysis, electron
irradiation and so on. The neutron applications occupies about 60% of the machine time. Here, we introduce the present
status of the electron linac, and some of the neutron applications. A neutron focusing device using a pulsed magnetic
field is interesting device to focus the pulsed neutron beam over relatively large wavelength range. A mini-focusing
small angle neutron scattering (mfSANS) is a unique spectrometer recently developed. Neutron radiography using apulsed neutron is a new field of the radiography, and can give information on the material texture. Neutron resonanceinspection also offers unique technique to non-destructively observe the diffusion of nucleus.

北大45MeV電子加速器における中性子科学応用
１．はじめにJAEA、KEK、理研などの研究機関との共同実験も実施されている。ここでは、その一部について報告する。

北大の45MeV電子加速器は、電子線利用のみならず、中性子発生、エックス線発生などに使われ、その応用研究などに広く使用されている。この施設の２．北大45MeV電子加速器の現状
正式名称は瞬間強力パルス状放射線発生装置である。
北大の加速器は1974年に完成し、その後30年以上ビームポートが3箇所あり、ライト、センター、レ経過しているが、大きなトラブルもなく、現在でもフトとなっていて、ライトのビームラインに冷中性順調に稼動している。しかし、経年劣化と見られる子源が常置されている。また、熱中性子を用いた実トラブルが散見されるようになっている。使用時間
験はセンタービームラインで行うことができる。レ
は、昭和52年からの数年が最も多かったが、その後、フトビームラインは高速中性子に関する実験に利用
多少の凸凹はあるものの、ビームタイムは1,000時されている。中性子以外にも電子線やX線を利用し間程度で推移している。稼動日数は約150日程度でた実験もセンタービームラインで行われている。
ある。図１に19年度の利用テーマの割合を示す。最
特に、中性子利用は、全マシンタイムの約60%をも多いのは占め、北大のみならず、外部の利用にも供されてい中性子利用る。加速器は既に30年を越えているが、比較的順調で 59% 、 次に稼動している。
がパルスラ
ジオリシス
中性子関係の実験は、中性子源開発、デバイス開で 21% 、発、中性子利用研究などが北大独自に、また、共同研究等として行われています。小型加速中性子源は、 ビ ー ム 診
断 ・ OTR 実
利用が容易である、機器の放射化の問題がないなど
験 が 12% との利点があるため、大型施設とは違った有効な使い続く。実験方が可能である。
内容は時代
12
中性子源強度は発生中性子が2x10 n/s程度で、飛図１ 平成19年度の利用テーマ
とともに変行距離5m位置での強度は冷中性子領域で、おおよ化している
そ104n/s/cm2のオーダーとなっている。
が、主たる実験が中性子利用とパルスラジオリスと
実験課題としては、大きく分けると１）中性子源いうのは変わっていない。外部利用者としてはKEK、開発とその特性測定、２）中性子デバイスおよび装JAEA、理研などの研究所だけでなく、民間企業の置開発、３）中性子利用実験となる。
利用も増えてきている。
J-PARCは非常に大きな施設であり、小回りのき中性子検出器開発、高エネルギーX線に伴う中性く実験施設ではない。北大では色々な実験が、ある子の遮蔽に関する基礎実験なども含め、企業や
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E-mail: kiyanagi@qe.eng.hokudai.ac.jp-55-Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

意味 on demand でできるので、大型施設を支える種々の基盤技術の開発や新しいアイデアの実験を先駆的に行う上でも有用と考えている。ていることが分かった。
図４に集束によって半径方向でどれくらい強度の増加があったかを、8.5A 中 性 子に対して示したものである。中心部で大きな強度増が認められる。

３．中性子科学への応用
3.1 最近の中性子関係の実験テーマ
中性子科学では、先に述べた3つの分野において研究が進められている。中性子源開発では、これまでJ-PARC中性子源開発のための実験とシミュレーション計算が精力的に行われてきたが、それが終了したので、今後中性子科学の発展に重要な役割を果たすと考えられる、小型中性子源の開発に重点が移っている。それぞれの分野において19年度に具体的に行われた研究は次のようになっている。
(1)中性子源開発とその特性測定と中性子源開発①固体メタングルーブド減速材の特性測定②単結晶透過法による減速材パルス特性測定法の開発③J-PARC核データビームライン設計用模擬実験など。これらは主として、北大のメンバーが実施している。
(2)中性子デバイスおよび装置開発①磁場を組み合わせた中性子集束実験②フェルミチョッパー用スリット材の透過特性③Long PSD の特性評価④フォーカシングミラーの特性評価⑤mfSANSに関する実験など。①はJAEAとの、②はKEKとの共同実験、③は東芝が④、⑤は北大が主として実施したものである。
(3)中性子利用実験①カラーI.I.を用いた中性子イメージング実験②中性子飛行時間法を用いたラジオグラフィー法の開発③共鳴吸収を利用したイメージングなど。①は東芝との共同、②、③は北大が主体で実施している。
これらの中から、いくつかを以下に紹介する。

3.3 mfSANSの実験

2000mm図３

六極磁場磁気集束装置

集光によるゲイン
6〜9倍
λ=8.5Å
=8.5Å

小角散乱
は小さな角度に散乱さ
図４ 半径方向の強度分布
れた中性子の分布から、レンズ粒径などの試料
あたかも検出器
比 較 的 大 き ここからな 構 造 を 調 来るようにd
べ よ う と す 見えるるものであℓる。これま
図５ mfSANSの原理
では、中性子ビームをピンホールで細くすることによって、小さな角で散乱された中性子を観測していた。それを 、 図 ５ に 図６ 中性子ミラーによるビー
示 す よ う に 、 ム集束中性子ビー
ムを一旦集束させることによって、小さな角度での散乱を観測できるようにする考え方である。
この方法によって、これ 図７ mfSANSを用いた予備実験の結果

3.2 パルス電磁石による白色パルス中性子の集光
パルス中性子では、中性子波長と飛行時間が比例するため、それに合わせて六極磁場の強さを時間の２乗に逆比例して制御すると、広い中性子波長範囲で、同じ焦点位置に中性子ビームを集束できることを実証しようとするものである。図２に実験体系を示す。また、図３にJAEAが製作した六極磁場中性子集束装置の写真を示す。この装置によって、約7.3-11.6オングストローム（A）の中性子が集束でき

図２六極電磁石

パルス六極磁場による集束実験体系-56-

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ルギーの低いところであったが、エネルギーの高いところでは共鳴吸収があり、特定のエネルギーの中性子が吸収されるという現象が起きる。それを利用すると元素分析が可能となる。その応用として、元素の拡散過程を実時間で追跡することを行ってみた。
模擬実験として寒天を中央部に置き、両端に硝酸銀水溶液と純粋をおき、その間の拡散を測定した。図10に銀の共鳴吸収エネルギー付近の中性子透過の様子を示す。5.2eVに共鳴吸収による強度の落ち込みまで何十mもあった装置が、同じ強度、分解能で数分の一の大きさの装置にすることができる。図６に中性子ビームの集束の様子と図７にこの装置で得られた、小角散乱の結果の例を示す。
3.4 中性子飛行時間法を用いたラジオグラフィー法の開発2 .03 .04 .05 .06 .07 .08 .0

Ne u tro n e n e rg y[e V]

図10

硝酸銀の銀の共鳴による透過強度減少が観測されている。この部分の強度から、銀の拡散の様子を実時間で測定した。その結果の一部を図11に示す。左側の硝酸銀溶液側から拡散して銀が拡散して行っている様子が2次元で測定できている。まだ課題はあるが、拡散を非破壊・実時間で測定ができることが確認できた。

純水

前節の例はエネ

180160140120100806040200

硝酸銀水溶液3.5 共鳴吸収を利用したイメージング

Intensity[a.u.]

この研究の一つとして、中性子透過分光法を利用した溶接部の結晶構造観測を行った。低エネルギー
中性子領域では、中性子波長＝２ｘ格子面間隔、となるところで中性子断面積の大きな変化が起きる（ブラッグエッジ）。その断面積の形状は、物質の中の結晶構造、組織構造の影響を受ける。それを利用して、溶接部の中性子断面積がどうなっているかを調べてみた。測定には2.2mm角のピクセルが8x8でX-Yに並んだピクセルタイプの検出器を用いて、一度に位置依存の断面積データを取得した。図８に鉄とステンレス（SS）を溶接した試料の写真をSS304Fe示す。図９に鉄、溶接部、SSの断面積の形状を示す。
鉄では3-4Aに丸い感じのピークができており、溶接部では鋭いピークが表 図８ 鉄-ステン レス
われ、SSでは頂点部分が 溶接片の写真平らになったピー
クとなっている。
この結果によって、場所依存でどの材料があるかをはっきりと示すことが可能であることがわかる。溶接部の形は、結晶子が等方的分布していることを示していると考えられる。鉄やSSでは分布に偏りがあることが推測される。これまでの中性子ラジオグラフィーとは違った多くの情報を含んだデータがパルス中性子を使うことによって得られることが分かってきている。

図11

硝酸銀中の銀の拡散の2次元分布

４．まとめ
北大45MeV電子加速器は、比較的順調に稼動している。中性子利用がマシンタイムの半分以上を占め、常設の冷中性子源や移動式の熱中性子源が要求に応じて利用されている。J-PARCのような大型の中性子施設が利用に供されるが、小型施設の手軽さを利点として、中性子科学の発展に寄与する開発研究を進めて行きたい。

図９ 溶接部位による中性子断面積の変化-57-