作成： 1998/08/28 山内 良麿
データ番号 ：040119
中性子のフルエンス測定
目的 ：中性子のフルエンス測定とその応用
放射線の種別 ：陽子,中性子,軽イオン
放射線源 ：タンデム加速器 (13MV,400nA)
フルエンス（率）：2x104/(cm2・s)
線量（率） ：2x10-6Gy/s
利用施設名 ：ハーウエル原子力研究所
照射条件 ：大気中
応用分野 ：線量測定、エネルギー測定、工業用計測、放射線取扱技術、核医学
概要 ：
中性子フルエンスを測定する方法には、測定に用いる中性子検出器の検出効率を随伴荷電粒子の検出によって直接測る方法、標準断面積であるn-p散乱断面積に規格化する方法や中性子入射によって生じる放射性生成物の放射能を調べて、入射中性子のフルーエンスを測定する放射化法などがある。
詳細説明 ：
中性子フルエンスの測定には、中性子検出効率が正確に分かっている検出器による測定が必要である。検出器の検出効率を決定する最も確実な方法は中性子発生反応において、発生する中性子と随伴する残留核は一対一に対応するので、この残留核の荷電粒子の数を測定することによって、放出される中性子の数を知ることである。
英国ハーウエル原子力研究所のJ.L.Fowlerらはこの随伴荷電粒子と中性子との同時計数を測定することによって、1.5-25MeVのエネルギー領域でNE213とNE102Aシンチレータ中性子検出器の検出効率を測定した。反応の運動学から、ある角度のコーン状立体角内に放出される中性子に対応して、特定角度の特定コーン状立体角内に随伴荷電粒子が放出されるので、中性子検出器に入る全中性子数と実際に中性子検出器が検出する中性子数は、荷電粒子検出器のカウント数と同時計数のカウント数からそれぞれ得られる。これらのカウント数から中性子検出器の検出効率が求められる。
この測定では、中性子源としては、中性子エネルギー領域に応じてT(p,n)3He, D(d,n)3He および T(d,n)4He 反応が用いられた。図1に同時計数測定系の概念図を示す。
図1 Target chamber for associated particle detection at 45゜, 60゜or 80゜, used for the highest energy part of the neutron detector efficiency calibration. （原論文1より引用。 Reproduced from Nucl. Instr. Meth., 175 (1980), J.L.Fowler, J.A.Cookson, M.Hussain, R.B.Schwartz, M.T.Swinhoe, C.Wise, C.A.Uttley: Efficiency Calbration of Scintillation Detectors in the Netron Energy Range 1.5-25MeV by the Associated Particle Technique, Copyright (1980), with permission from Elsevier Science.）
中性子フルエンスを測定するもう一つの方法は、標準断面積である中性子と陽子の散乱(n-p散乱)断面積に規格化する方法である。デューク大学のP.P.Gussらは8-14MeVの中性子エネルギー領域で、58Ni と60Niの中性子散乱断面積をn-p散乱断面積に規格化する方法で測定した。水素を含むポリエチレン試料と炭素試料による中性子散乱の測定を行い、ポリエチレンから炭素の中性子散乱の分を差し引いてn-p散乱断面積を求め、58Ni,60Niの散乱の測定結果をこのn-p散乱断面積に規格化することによって散乱断面積を得た。
他に、中性子散乱断面積の測定では、中性子モニターを使用することによって、エネルギーの関数としての中性子検出効率の相対値が分かれば良く、Y.Yamanouti の21.5MeVでの中性子散乱断面積の測定では、反応断面積が知られているT(d,n)4He反応の角分布を実際に測定することによってエネルギーに対する相対検出効率を求め、32Sの中性子散乱断面積を得た(原論文3)。図2にn-p散乱への規格化によって得られた58Ni,60Niの中性子散乱断面積を示す。
図2 Presentation of measured values for σ(θ). Solid curves are polynomial fits. The uncertainties on the data are typically the size of the symbols or less, except when shown. （原論文2より引用。 Reproduced from Nucl. Phys., A438 (1985) 187-211, P.P.Guss, R.C.Byrd, C.E.Floyd, C.R.Howell, K.Murphy, G.Tungate, R.S.Pedroni, R.L.Walter, J.P.Delaroche, J.P.Clegg: Cross Sections and Analyzing Powers for Fast-Neutron Scattering to the Ground and First Excited States of 58Ni and 60NiE, Copyright (1985), with permission from Elsevier Science.）
中性子入射によって生成核が放射化される中性子反応が起こる場合に、その核反応断面積が知られているならば、生成核の放射能を測ることによって入射中性子フルエンスを知ることができる。この放射化法によって中性子フルエンスを測るために、放射性生成物をつくる中性子反応は(n,γ), (n,p), (n,2n), (n,d), (n,α), (n,f)反応である。
放射性生成物の半減期、反応に有効なエネルギー領域、一定エネルギー以上でのみ反応が起こるしきいエネルギー等の、反応の性質が分かっている中性子反応の中から、個々のフルエンス測定に適した中性子反応を選ぶことが出来る。
放射化法の一つとしてマンガンバスが使われる。これは直径約61cm、高さ約76cmの円筒形の容器に硫酸マンガンの水溶液を詰めたもので、その中心に強度を測定したい中性子源を置く。水によって減速された中性子が55Mn(n,γ)56Mn反応によって半減期2.58時間の放射性生成物56Mnをつくる。その放射能強度を測ることによって中性子源の強度を知ることができる。表1に、放射化法に使用される中性子反応で半減期1時間〜5日の例を示す。
表1 Useful Radioactivation Isotopes With Half-Life Between One Hour and 5 Days（原論文4より引用）
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Lower limit
or range
useful
Isotope energy, Tech-
(reaction) Half-life Mev nique Compound
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Au197(n,p)Pt197 19 h 0 a Au
Sn120(n,α)Cd117 3.0 h 0 a Sn
Tb159(n,p)Gd159 18 h 0.2 Tb2O3
Lu175(n,p)Yb175 4.2 d 0.3 a Lu2O2
Ag109(n,p)Pd109 13.6 h 0.4 a Ag
In115(n,p)Cd115 54 h 0.5 a In
Re137(n,p)W137 24 h 0.5 a Re2O7
V51(n,α)Sc48 44 h 0.95 V
Zn64(n,p)Cu64 12.8 h 0.96 a Zn
P31(n,p)Si31 2.62 h 1.0 P
Er166(n,p)Ho166 27.2 h 1.0 a Er2O3
Er167(n,p)Ho167 3.0 h 1.0 a Er2O2
Te126(n,p)Sb126 9.0 h 1.0 a Te
Ba134(n,p)Cs134 3.1 h 1.2 a Ba
S34(n,α)Si31 2.62 h 1.3 S
Zr90(n.p)Y90 64 h 1.4 Zr
Pt194(n,p)Ir194 19 h 1.4 a Pt
La139(n,p)Ba139 85 m 1.47 La2O3
Ru96(n,p)Te96 4.3 d 2.2 a Ru2O3
Gd158(n,p)Eu158 60 m 2.6 Gd2O3
Ce142(n,p)La142 77 m 2.5 a Ce2O3
Pd106(n,p)Rh106 2 h 2.7 a Pd
Al27(n,α)Na24 15 h 3.1 Al
Se78(n,p)As78 90 m 3.3 a SeO2
Ce140(n,p)La140 40.2 h 3.9 a Ce2O2
Sm150(n,p)Pm150 2.7 h 4 a Sm2O2
Mg24(n,p)Na24 15 h 4.73 Mg
Au197(n,2n)Au196 14 h 8.0 a Au
Nb92(n,2n)Nb92 13 h 8.7 b Nb
Mo100(n,α)Zr97 17 h 9.0 a Mo
Co59(n,2n)Co58 9 h 10.25 a Co
F19(n,2n)F18 1.87 h 10.4 CaF
Pb204(n,2n)Pb203 52 h 10.75 Pb
Se45(n,2n)Se44 2.4 d/4.0 h 11.0 a Se
Ni58(n,2n)Ni57 36 h 12.0 a Ni
Zr90(n,2n)Zr89 79 h 12.0 a Zr
Ti46(n,2n)Ti45 3.08 h 13.3 c Ti
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Estimated
effective
Isotope Q value, Tech- Com- threshold,
(reaction) Half life Mev nique pound Mev
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Bi209(n,p)Pn209 3.3 h 0.2 Bi 11.8
Zn67(n,p)Cu67 61 h 0.2 a Zn 5.1
Ru99(n,p)Tc99 6.0 h 0.5 a Ru 5.6
Sb121(n,p)Sn121 27 h 0.4 a Sb 7.6
Cs133(n,p)Xe133 2.3d/5.27d 0.35 a Cs2O7 8.0
Rb85(n,α)Br82 25.9 h 1.2 a Rb2O 12.8
Ru102(n,α)Mo99 67 h 1.5 a Ru 14.5
Pd108(n,α)Ru105 4.5 h 2.0 a Pd 14.6
In115(n,α)Ag112 3.12 h 2.8 a In 14.8
Au197(n,α)Ir194 19 h 3.5 a Au 20.3
Nn93(n,α)Y90 64 h 4.5 d Nb 10.7
Ag109(n,α)Rh106 2 h 4.1 a Ag 12.9
Te124(n,α)Sn121 27 h 4.38 a Te 14.0
Cs133(n,α)I130 12.6 h 4.5 a CsO 14.5
Er168(n,α)Dy165 2.32 h 6.3 a Er2O2 15.3
Ba136(n,α)Xe133 2.3d/5.27 d 6.1 Ba 10.7
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a Chemical separation required.
b γ count.
c β+count.
d β-count.
コメント ：
中性子フルエンスを測定するためには、随伴粒子法により直接検出効率が明らかになった中性子検出器を用いることことが一番確かな方法であるが、技術的に煩雑であり、高度のテクニックを要する。n-p散乱については全断面積が標準断面積であり、実際の規格化には微分断面積が必要になるので多少問題が残る。放射化法は精度の点では劣るが比較的簡便な方法である。
原論文１ Data source 1：
Efficiency Calbration of Scintillation Detectors in the Netron Energy Range 1.5-25MeV by the Associated Particle Technique
J.L.Fowler, J.A.Cookson, M.Hussain, R.B.Schwartz, M.T.Swinhoe, C.Wise and C.A.Uttley
Atomic Energy Research Establishment, Harwell, Dilcot, Oxfordshire, ngland
Nuclear Instruments and Method, vol.175 (1980) 449-463
原論文２ Data source 2：
Cross Sections and Analyzing Powers for Fast-Neutron Scattering to the Ground and First Excited States of 58Ni and 60Ni
P.P.Guss, R.C.Byrd, C.E.Floyd, C.R.Howell, K.Murphy, G.Tungate, R.S.Pedroni and R.L.Walter, J.P.Delaroche*), J.P.Clegg2*)
Department of Physics, Duke University, Durham, NC 27706, USA. *)Centre d'Etudes de Bruyeres-le-Chatel, Service de Physique Neutronique et Nucleaire, BP No 12, 91680 Bruyeres-le-Chatel, France. 2*)Department of Physics, University of North Carolina, Chapel Hill, NC 27706, USA
Nuclear Physics, A438 (1985) 187-211
原論文３ Data source 3：
Elastic and Inelastic Scattering of 21.5MeV Neutrons from 32S
Y.Yamanouti
Japan Atomic Energy Research Institute, Tokai-Mura, Ibaraki-Ken, Japan
Nuclear Physics, A283 (1977) 23-36
原論文４ Data source 4：
Radioactivation Methods of Determining Neutron Flux
P.R.Byerly,JR
University of California Radiation Laboratory, Livermore, California
Fast Neutron Physics Part 1, edited by J.B.Marion and J.L.Fowler, (Interscience Publishers, INC., New York 1960) Chap., IV.G, p.657-676
キーワード：中性子フルエンス、中性子検出効率、随伴粒子法、n-p散乱、散乱断面積、放射化法、放射性生成物、半減期
neutron fluence, neutron detection efficiency, associated particle method, n-p scattering, scattering cross section, radioactivation method, radioactive reaction product, half life
分類コード：040301,040302,040103