放射線利用技術データベースのメインページへ
作成： 1998/09/07 山内 良麿
データ番号 ：040122
中高エネルギー単色中性子の発生(30MeV以上)
目的 ：中高エネルギー単色中性子の発生とその応用
放射線の種別 ：陽子,中性子,軽イオン
放射線源 ：800MeV陽子線形加速器、サイクロトロン
フルエンス（率）：3.8x102/(cm2・s)
線量（率） ：3.8x10-8Gy/s
利用施設名 ：ロスアラモス国立研究所中間子物理学研究施設(LAMPF)、インディアナ大学サイクロトロン中性子飛行時間実験施設
照射条件 ：大気中
応用分野 ：エネルギー測定、工業計測、線量測定、核医学、放射線取扱技術
概要 ：
7Li(p,n)7Be 反応は800keV以下の低いエネルギーの中性子源として用いられるが、また20MeV以上の中高エネルギーの中性子源として、12C(p,n)12N 反応と共に大変重要な反応である。これらの反応は中高エネルギーの中性子源以外に標準断面積として、色々な反応断面積の測定や、中性子検出効率の測定等に利用される。
詳細説明 ：
7Li(p,n)7Be 反応は800keV以下の低い中性子エネルギー領域での単色中性子発生反応として知られているが、一方20MeV以上の中高エネルギー領域での中性子発生反応として大変有効な反応である。
ロスアラモス国立研究所のN.T.Taddeucciらは、80-795MeVの陽子エネルギー領域で7Li(p,n)7Be(g.s.+0.43MeV)反応の測定を行い、この反応の特性を調べた。この内80,120,160 および200MeVの測定は、インディアナ大学サイクロトロン実験施設で、494,644 および795MeVでの測定は、ロスアラモス国立研究所の中間子物理学研究施設(LAMPF)において行われた。
7Beの基底状態と0.43MeVの第一励起状態に対応する中性子は、測定装置の分解能の限界から分離することが難しく、通常、両方の中性子をまとめて準単色中性子源として利用する。生成される7Beの基底状態は、半減期53.3dの不安定な核で、電子捕獲による崩壊を起こして、その10.3%が7Liの励起エネルギー0.478MeVの第一励起状態に遷移する。この励起状態が最終的に7Liの基底状態に遷る際に0.478MeVのガンマ線を出す。この放射化した核からのガンマ線を検出することにより、反応の全断面積を正確に測定することができる。
リチウム放射化法は7Li(p,n)7Be反応において、7Beの基底状態と0.43MeV励起状態への微分断面積を角度積分した全断面積が、7Beの放射化断面積に等しいという仮定に基ずく。この微分断面積を角度積分した全断面積を、リチウム放射化法で得た全断面積に規格化して求めた0゜方向の微分断面積を図1に示す。この反応の微分断面積は0゜方向が最大であり、0゜での微分断面積は30-800MeV の広いエネルギー範囲にわたって実験室系で〜35mb/sr と大きく、略一定である。
図1 Laboratory-frame zero-degree differential cross sections. The solid data points are from the present analysis and correspond to normalization based upon a constant value of Iq. The dashed line corresponds to a constant c.m. differential cross section of 27.0mb/sr. The cross sections reported by Watson et al. in Ref.14 (crosses) for Ep =120, 160 and 200MeV have been offset by +5MeV for clarity. The lower-energy data points are from Ref.7 (up triangles; 24.8, 35, and 45MeV), Ref.24 (squares; 14.3, 19.4 and 29.6MeV), Ref.25 (diamonds; 30 and 50MeV), and Ref.36 (down triangles; 39 and 60MeV). （原論文1より引用。 Reproduced from Phys. Rev., C vol.41, No.6, 2548-2555 (1990), T.N.Tadeucci, W.P.Alford, M.Barlett et al., Zero-degree cross sections for the 7Li(p,n)7Be (g.s.+0.43MeV) reaction in the energy range 80-795MeV, Figure 9 (Data source 1, pp.2554), Copyright (1990), with permission from the American Physical Society and the authors.）
ケント州立大学の J.W.Watson らはTRIUMF加速器研究所の荷電変換測定装置(CHARGEX)を用いて、200,300および400MeV において7Li(p,n)7Be(g.s.+0.43MeV)と12C(p,n)12N(g.s.)反応の微分断面積を測定した。両反応ともに、微分断面積は0゜方向が最も大きく、両ターゲットともに質量が小さいので、ターゲット重量当たりの核の数が相対的に多く、ターゲットとして分離同位元素を使用したとしても安価で済む利点がある。この測定でも微分断面積の絶対値は、リチウム放射化法によって得られた全断面積に規格化することによって求めた。
これらの測定データはロスアラモス国立研究所の結果と矛盾しないデータであり、図2にこの測定で得られた12C(p,n)12N反応の、エネルギーに対する0゜方向の微分断面積を他の測定結果と共に示す。
図2 The center-of-mass cross section at 0゜for the 12C(p,n)12N (g.s.) reaction as a function of laboratory bombarding energy. The dara are tabulated in Table ll. （原論文2より引用。 Reproduced from Phys. Rev., C, Vol.40, No.1, J.W.Watson, R.Pourang, R.Abegg, W.P.Alford, A.Celler, et al.,: 7Li(p,n)7Be and 12C(p,n)12N reactions at 200, 300, and 400MeV, Figure 4 (Data source 2, pp.25), Copyright (1989), with permission from the American Physical Society and the authors.）
TRIUMF加速器研究所のJ.D'Auriaらは、インディアナ大学のサイクロトロン中性子飛行時間実験施設を用いて、60,135,160 および190MeVのエネルギーにおいて、さらにTRIUMF研究所のサイクロトロンを用いて、190-480MeVのエネルギー範囲において7Li(p,n)7Be(g.s.+0.43MeV)反応の全断面積を、7Beが電子捕獲による崩壊をする際に生ずる0.478MeVのガンマ線を観測することによって測定した。7Be放射能を含む照射ターゲットはGe(Li)検出器を用いて数ヵ月にわたり計測された。
測定された全断面積をエネルギーに対してプロットしたのが図3である。全断面積はこのように60-480MeVの広いエネルギー範囲にわたって、はっきりした1/Eのエネルギー依存性を示しているが、この1/Eエネルギー依存性は現在800MeVまで成り立っていることが測定データから確かめられている。これらの7Li(p,n)7Beと12C(p,n)12N反応のエネルギーの関数としての全断面積や0゜方向微分断面積は、中高エネルギー領域の(p,n)反応の標準断面積として、色々な断面積の測定や中性子検出効率の決定等に広く利用されている。
図3 The excitation function for the 7Li(p,n)7Be(g.s.+0.429MeV) total reaction cross sections showing the 1/E dependence. （原論文3より引用。 Reproduced from Phys. Rev., C, Vol.30, No.6, 1999-2002 (1984), J.D'Auria, M.Dombsky, L.Moritz, T.Ruth, G.Sheffer, T.E.Ward, C.C.Foster: Activation measurements of the 7Li(p,n)7Be reaction from 60-480MeV, Figure 1 (Data source 3, pp.2000), Copyright (1984), with permission from the American Physical Society and the authors.）
コメント ：
7Li(p,n)7Be反応は0゜方向の微分断面積が比較的大きく、単色性に優れている上に、7Beの崩壊に伴うガンマ線を検出することによって、この反応の正確な全断面積が得られる点で、中間エネルギー領域で最も役に立つ中性子源と言える。今後800MeVより上の領域での断面積の測定が望まれる。
原論文１ Data source 1：
Zero-degree cross sections for the 7Li(p,n)7Be(g.s.+0.43MeV) reaction in the energy range 80-795MeV
T.N.Taddeuccia), W.P.Alfordj), M.Barletti), R.C.Byrda), T.A.Careya),D.E.Ciskowskii), C.C.Fosterb), C.Gaardec), C.D.Goodmanb), C.A.Gouldinga),E.Gulmezg), W.Huangb), D.J.Horend), J.Larsenc), D.Marchlenskif), J.B.McClellanda), D.Prouth), J.Rapaporte), L.J.Rybarcyka), W.C.Sailora),E,Sugarbakerf) and C.A.Whitten,JRg)
a)Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, New Mexico 87545. b)Indiana University, Bloomington,Indiana 47405. c)Niels Bohr Institute,Copenhagen, Denmark. d)Oak Ridge National Laboratory,Oak Ridge, Tennessee 37830. e)Ohio University, Athens, Ohio 45701. f)Ohio State University, Columbus, Ohio 43210. g)University of California, Los Angele, California 90024. h)University of Colorado, Boulder, Colorado 80309. i)University of Texas, Austin, Texas 78712. j)University of Western Ontario, London, Ontario, Canada N6A 3K7
Physical Review, C, Vol. 41, No. 6, 2548-2555 (1990)
原論文２ Data source 2：
7Li(p,n)7Be and 12C(p,n)12N reactions at 200,300, and 400MeV
J.W.Watsona), R.Pouranga), R.Abeggb), W.P.Alfordc), A.Cellerc,d),S.El-Katebe), D.Frekersb), O.Hausserb,d), R.Helmerc), R.Hendersonb,f), K.Hicksb), K.P.Jacksonb), R.G.Jeppesend), C.A.Millerb), M.Vetterlid), S.Yenb), and C.D.Zafiratosg)
a)Kent State University, Kent, Ohio 44242. b)TRIUMF, Vancouver, British Columbia, Canada V6T 2A3. c)University of Western Ontario, London, Ontario, Canada N6A 3K7. d)Simon Fraser University, Burnaby, British Columbia, Canada V5A 1S6. e)King Fahd University of Petroleum and Minerals, Dharan, Saudi Arabia. f)University of Melbourne, Parkville,Victoria 3052, Australia. g)University of Colorado, Boulder, Colorado 80309
Physical Review, C, Vol.40, No.1, 22-26 (1989)
原論文３ Data source 3：
Activation measurements of the 7Li(p,n)7Be reaction from 60-480MeV
J.D'Auriaa), M.Dombskya), L.Moritza), T.Rutha), G.Sheffera), T.E.Wardb), C.C.Fosterb), J.W.Watsonc), B.D.Andersonc), J.Rapaportd)
a)TRIUMF, Vancouver, British Colombia, Canada V6T 2A3. b)Indiana University Cyclotron Facility, Bloomington, Indiana 47405. c)Kent State University, Kent, Ohio 44242. d)Ohio University, Athens, Ohio 45701
Physical Review, C, Vol.30, No.6, 1999-2002 (1984)
キーワード：中性子発生反応、準単色中性子源、反応の全断面積、リチウム放射化法、標準断面積、中高エネルギー領域、中性子検出効率
neutron production reaction, quasi monoenergetic neutron source, total reaction cross section, lithium activation method, standard cross section, intermediate and high energy region, neutron detection efficiency
分類コード：040301,040302,040103
放射線利用技術データベースのメインページへ