厚いターゲットによる強力中性子源

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作成： 2000/1/3 山内　良麿データ番号　　　：040159 厚いターゲットによる強力中性子源目的　　　　　　：強力中性子源の開発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、サイクロトロン利用施設名　　　：チョークリバー核物理学研究所タンデム加速器、オークリッジ国立研究所サイクロトロン、カリフォルニア大学デービス校サイクロトロン照射条件　　　　：大気中応用分野　　　　：核物理、核融合技術、照射損傷、放射線計測、核医学概要　　　　　　：　原子力技術の開発や放射線の生物への影響に関する研究には強力な中性子源が必要である。この強力中性子源は、通常、軽い核から成る厚いターゲットに、加速した陽子や重陽子を照射し、核反応によって中性子を発生させる。これらの内で良く用いられる、⁷Li(d,n), ⁷Li(p,n), ⁹Be(d,n)及び⁹Be(p,n) 反応による中性子源の特性について述べる。詳細説明　　　　：　近年、核融合技術開発、物質の照射損傷、大型加速器の稼働に伴う放射線遮蔽、核医学や生物への放射線照射効果などの研究に、強力な中性子源が必要とされるようになってきた。強力中性子源を得るには、軽い核から成る厚いターゲットに重陽子または陽子を入射させ、核反応によって中性子を発生させるのが一般的である。中でも主な反応は、⁷Li(d,n), ⁷Li(p,n), ⁹Be(d,n)および⁹Be(p,n) 反応である。M.A.Loneらはチョークリバー核物理学研究所のタンデム加速器を用いて14.8, 18および23MeVの重陽子と陽子によるこれらの反応の中性子源としての特性を調べた。⁷Li(d,n) 反応 (Q=15MeV)では、次のような3体崩壊反応が起こり、低いエネルギーの中性子を発生させる。　　　　　　　⁷Li + d → 2⁴He + n + 15.12MeV 　　　　　　　　　　　 → ⁵He + ⁴He + 14.1MeV 　　　　　　　　　　　→ ⁷Li + p + n - 2.2MeV 　　　　　　　　　　　 → ⁷Be + 2n - 3.9MeV 　厚いターゲットの使用と3体崩壊反応によって中性子のスペクトル分布はエネルギー幅の広い連続スペクトルになる。入射重陽子のエネルギーE_d MeVに対して、平均中性子エネルギーは0.34E_dであり、E_d=23MeVでの0゜方向のエネルギーで積分された中性子強度は10.3x10¹⁶n sr^-¹s^-¹A^-¹になる。⁷Li(p,n) 反応(Q=-1.7MeV)の場合は、次の3体崩壊過程を経る。　　　　　　　⁷Li + p → ⁶Li + p + n - 7.3MeV 　　　　　　　　　　　→ ⁵He + ³He - 4.1MeV 　　　　　　　　　　　　　⁵He → ⁴He + n + 0.9MeV 　陽子エネルギーE_p=14-24MeVの陽子に対して、0゜方向の平均中性子エネルギーは0.08E_p¹^.⁴MeVで、E_p=23MeVでの中性子強度は1.46x10¹⁶n sr^-¹s^-¹A^-¹である。⁹Beについては、⁹Be(d,n) 反応 (Q=4.36MeV)も⁷Liと類似の3体崩壊を起こし、この場合もスペクトル分布はエネルギー幅の広い連続スペクトルになる。入射重陽子エネルギーE_d=14-23MeVの領域では、平均の中性子エネルギーは、0.33E_dであり、23MeVでの0゜の中性子強度は11.8x10¹⁶n sr^-¹s^-¹A^-¹になる。⁹Be(p,n) 反応(Q=-1.9MeV)では、陽子エネルギーがE_p=14-24MeVの陽子に対して、0゜方向の平均中性子エネルギーは0.14E_p¹^.¹³MeVとなり、23MeVでの0゜方向の中性子強度は3.0x10¹⁶n sr^-¹s^-¹A^-¹である。図1に重陽子エネルギー23, 18と14.8MeVでの⁷Li+d反応の中性子エネルギーに対する中性子スペクトル分布を示す。他の⁷Li+p, ⁹Be+d, および⁹Be+p 反応についても中性子スペクトル分布は類似のパターンとなる。図1　Neutron spectral distributions from Li+d reactions. Curves 1, 3 and 5 for targets enriched in the ⁷Li; the other curves are for natural lithium.（原論文1より引用。　 Reproduced from Nucl. Instr. Meth., vol.143, 331 (1977), M.A.Lone, C.B.Bigham, J.S.Fraser, H.R.Schneider, T.K.Alexander, A.J.Ferguson, A.B.Mcdonald: Thick target neutron yields and special distributions from the ⁷Li(d/p, n) and ⁹Be(d/p, n) reactions; Figure 6 (Data source 1, pp.336), Copyright (1977), with permission from Elsevier Science.）　M.J.Saltmarshらは、核融合技術開発に関してD-Tプラズマから生ずる中性子による構造材の照射損傷の問題の重要性に鑑み、40MeV重陽子ビームを用いて、厚いターゲットによるLi+d, Be+d中性子源の特性を調べた。図2に、Li+d反応からの 0゜, 7゜, 15゜, 30゜, 45゜, 60゜及び90゜方向の中性子スペクトルを示す。中性子分布は、連続スペクトルとなり、0゜での中性子強度は36.7x10¹⁰n μC^-¹sr^-¹である。図2　Neutron yields from 40MeV deuterons on a thick Li target. The curves were obtained from time-of-flight data in the same manner as those for d+Be. （原論文2より引用。　Reproduced from Nucl. Instr. Meth., vol.145, 381(1977), M.J.Saltmarsh, C.A.Ludemann, C.B.Fulmer, R.C.Styles: Characteristics of an intense neutron source based on on the d+Be Reaction; Figure 11 (Data source 2, pp.89), Copyright (2000), with permission from Elsevier Science.）　H.I.Amolsらはカリフォルニア大学デービス校のサイクロトロンを用いて、35MeVと65MeVの陽子によるLi+p, Be+p反応および35MeV重陽子によるLi+d, Be+d反応の測定を行っている。図3に35MeVの重陽子および陽子が入射したときのリチウムおよびベリリウムから発生する中性子スペクトルを示す。65MeV陽子が入射する反応での0°の中性子強度は、リチウムで10.6x10¹⁰μC^-¹sr^-¹、ベリリウムで8.8x10¹⁰μC^-¹sr^-¹であった。図3　Spectra of neutrons produced by stopping 35-MeV protons and deuterons in lithium and beryllium. The ordinate is in units of 10⁹ n sr^-¹μC^-¹MeV^-¹ for the proton beam and 10¹⁰ n sr^-¹μC^-¹MeV^-¹ for the deuteron beam.（原論文3より引用。　Reproduced, with permission, from H.I.Amols et al., Medical Phys., vol4, 486 (1977), Figure 3 (Data source 3, pp.488), Copyright (2000) by American Association of Physicists in Medicine.）コメント　　　　：　厚いターゲットと加速器の組み合わせによる中性子の発生は、強力中性子源として有効な方法である。オークリッジ国立研究所サイクロトロンでは、2x10¹²n/cm² sの中性子束を得ているが、加速器の性能向上に伴うビーム強度の増大と共に中性子の発生量は多くなる。ここで述べた強力中性子源は、発生する中性子の総量に主眼を置いているので、発生する中性子のスペクトル分布がエネルギー的に広がった連続スペクトルである。従って特定の単一のエネルギーの中性子として利用する際には注意が必要である。原論文１ Data source 1： Thick Target eutron Yields and Spectral Distributions from the ⁷Li(d/p, n) and ⁹Be(d/p, n) Reactions M.A.Lone, C.B.Bigham, J.S.Fraser, H.R.Schneider, T.K.Alexander, A.J.Ferguson and A.B.McDnald Chalk River Nuclear Laboratories, Atomic Energy of Canada Limited, Ontario, Canada Nuclear Instruments and Methods, vol.143 (1977) 331-344 原論文２ Data source 2： Characteristics of an Intense Neutron Source Based on the d+Be Reaction M.J.Saltmarsh, C.A.Ludemann, C.B.Fulmer and R.C.Styles Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee 37830, U.S.A. Nuclear Instruments and Methods, vol.145 (1977) 81-90 原論文３ Data source 3： Physical characterization of neutron beams produced by protons and deuterons of various energies bombarding beryllium and lithium targets of several thicknesses H.I.Amols, J.F.Dicello, M.Awschalom^*⁾, L.Coulson^*⁾, S.W.Johnsen²^*⁾ and R.B.Theus²*⁾ University of California, Los Alamos Scientific Laboratory, Los Alamos, New Mexico 87545; *)Fermi National Accelerator Laboratory, Batavia, Illinois 60510; 2*)Crocker Nuclear Laboratory, University of California, Davis, California 95616 Medical Physics, Vol. 4, No. 6 (1977) 486-493 キーワード：強力中性子源、中性子スペクトル、中性子強度、厚いターゲット、リチウム、ベリリウム intense neutron source, neutron spectrum, neutron intensity, thick target, lithium, beryllium 分類コード：040103, 040205, 040301
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