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作成： 2000/10/8 山内 良麿
データ番号 ：040214
H-1(t,n)He-3 反応中性子源
目的 ：1H(t,n)3He反応による中性子の発生とその応用
放射線の種別 ：中性子,軽イオン,重イオン
放射線源 ：タンデム加速器、陽子ライナック
フルエンス（率）：1011n/sr・s
利用施設名 ：ロスアラモス国立研究所
照射条件 ：大気中
応用分野 ：原子力工学、放射線計測、核医学
概要 ：
従来用いられてきた中性子源反応に対して、1H(t,n)3He 反応による中性子源は0.57から17.64MeVの間で任意の単色エネルギーが得られ、中性子発生量は1.4x1010n/(sr・MeV・μC)に達する。この反応では中性子は限られた立体角内に放出され、後方の半球への中性子放出がないのでバックグラウンドが小さく、遮蔽系が簡単になる利点がある。これまで実際にこの反応で1011n/(sr・s) の中性子が得られた。
詳細説明 ：
加速器による単色中性子源については、これまで3H(p,n)3He、7Li(p,n)7Be、11B(p,n)11C、2H(d,n)3He、3H(d,n)4He等の反応が用いられてきた。中性子源スペクトルについては、中性子源として実際に役立つ中性子、バックグラウンド中性子、中性子源固有のバックグラウンドの強度、エネルギー分布、時間分布、角分布等の特性を知る必要がある。特に、0゜方向に放出される中性子の性質が重要である。従来の反応に対して、標的核と入射粒子を逆にした中性子発生反応では、入射粒子は標的核より重く、結果としてある限られた立体角内にのみ放出される中性子ビームが得られる。反応系において、重心の速度が中性子の重心系での速度より大きい場合には、実験室系で0゜方向に放出される中性子は、重心系で0゜と180゜に放出される中性子に対応して2つのエネルギーを持つ中性子を含んでいる。
このような反応では、後方の半球への中性子放出はなく、半角θmaxの前方コーン内だけに中性子が放出される。このことから、後方での散乱バックグラウンドを小さくし、遮蔽を簡単化できる利点がある。入射粒子エネルギーをEpとすれば、この角度は sin2θmax=(1-Eth/Ep)M2M4/M1M3 で与えられる。ここで、質量Miはそれぞれ入射粒子、標的核、中性子、残留核に対応していて、Ethは反応のしきい値(threshold energy) である。
この反応では、従来の単色中性子源で発生が難しかった10-14MeVの領域(ギャップ領域と呼ばれる)での中性子の発生が容易である。1H(t,n)3He 反応(以下t-1H 反応のように略記する)のQ値、基底状態に対応するしきい値、およびブレイクアップ反応のしきい値はそれぞれ -0.764、3.051、および25.011MeVである。この中性子源は、0.57から17.64MeVの間で単色であり、コーンの開く角度θmaxは14MeVで62゜となる。
図1は色々な中性子源からのそれぞれの中性子発生量のエネルギー依存性を示したものである。ここでの顕著な特徴は、エネルギー範囲のほとんどにわたつてt-1H 反応の中性子発生量が圧倒的に大きいことである。
図1 Energy dependence of the specific neutron yield at 0 deg for the monoenergetic neutron sources. The dashed curves are outside the truly monoenergetic range.（原論文1より引用。 Reproduced, with permission of the copyrighter and the authors, from M.Drosg, Nucl. Sci. Engin., 106(3), 279-295 (1990), Figure 1(Data Source 1, pp.285), Copyright(1990) by American Nuclear Society）
14MeV中性子の発生に用いられるd-T反応と比較すると、t-1H 反応の発生量が165倍大きい。10MeVより上のギャップ領域では、t-1H反応に代わり得る単色中性子源は現在ところ11B-1H 反応だけであるが、その発生量は最も中性子発生量が多い11.4MeVのところでファクター25低い。ギャップ領域でのt-1H 反応の中性子強度は、他の反応の中性子強度を1桁以上、上回っている。
図2 にt-1H反応の角分布を示す。
図2 (a) Neutron energies and (b) differential cross sections of the 1H(t,n)3He reaction versus emission angle as a function of triton energy from 10 to 20MeV (Ref.7). All quantities are given in the laboratory system. The two branches of curves in both diagrams belong to the neutron groups produced by the source reaction for one emission angle.（原論文2より引用。 Reproduced, with permission of the copyrighter and the authors, from S.Cierjacks and Y.Hino, Nucl. Sci. Engin., 106(2), 183-191 (1990), Figure 1(Data Source 2, pp.185), Copyright(1990) by American Nuclear Society）
2重微分中性子放出データの測定をする場合に、現在、最も強い中性子が得られるLANL(Los Alamos National Laboratory)のWNR(Weapons Neutron Research) 白色中性子源とIBF(Ion Beam Facility)のエネルギー可変t-1H単色中性子源の中性子強度の比較をして見ると、ギャップ領域では白色中性子源の強度は〜1011n/(sr・MeV・μC), 一方t-1H 中性子源では1.4x1010n/(sr・MeV・μC)であり、ほぼ同じ強度になる。しかし、中性子源と試料間の距離は、白色中性子源の方が60倍大きくとる必要がある。
白色中性子源では、いくつかのデータセットを一度に測定できること、また複数の異なる実験を同時に遂行できることをその利点として、ファクター10を考慮してもt-1H 反応の方が100倍以上実験に適している。白色中性子源で1年間続く仮想的な実験がt-1H 中性子源では1日で済む計算になる。最近、LANLでこの中性子源が13MeVで使われ、中性子強度として1011n/(sr・s)を得ている。
コメント ：
t-1H 反応はギャップ領域を含むエネルギー領域で極めて有効な単色中性子源である。しかし、3重水素が放射性ガスであるため、加速器の運転維持が非常に難しくなり、これが一般に広く使われることを妨げてきた最大の問題点である。また、ほとんどのバックグラウンド反応のQ値が正であるため、3重水素加速によるビームとガスセルの相互作用で生ずる高いエネルギーのバックグラウンドも測定上問題となる。これらの点からt-1H 反応の利用には十分注意が必要である。
原論文１ Data source 1：
Sources of Variable Energy Monoenergetic Neutrons for Fusion-Related Applications
M.Drosg
Institut fur Experimentalphysik, University of Vienna, Boltzmanngasse 5, A-1090 Vienna, Austria
Nuclear Science and Engineering, 106, 279-295 (1990)
原論文２ Data source 2：
Proposal for a High-Intensity 14-MeV Cutoff Neutron Source Based on the 1H(t,n)3He Source Reaction
S.Cierjacks, Y.Hino and M. Drosg
Kernforschungszentrum Karlsruhe, Institut fur Material-und Festkorperforschung Postfach 3640, 7500 Karlsruhe, Federal Republic of Germany
Nuclear Science and Engineering, 106, 183-191 (1990)
原論文３ Data source 3：
Proposal of Novel High Intense Neutron Source for Radiation Therapy
M.Drosg
University of Vienna, Institut fur Experimentalphysik, Wien, Austria und Los Alamos Scientific Laboratory, Los Alamos, New Mexico, USA
Z. Physik A-Atoms and Nuclei, 298, 297-299 (1980)
原論文４ Data source 4：
A Rotating Gas Cell for High-Intensity Monoenergetic Neutron Production
R.C.Haight and J.Garibaldi
Los Alamos National Laboratory, Loas Alamos, New Mexico 87545
Nuclear Science and Engineering, 106, 296-298 (1990)
参考資料１ Reference 1：
Singnal-to-background ratio for neutron production between 10 and 14 MeV by the reactions 3H(p,n)3He, 1H(t,n)3He, and 2H(d,n)3He.
M.Drosg, G.F.Auchampaugh, F. Gurule
Institut fur Experimentalphysik, University of Vienna, Boltzmanngasse 5, A-1090 Vienna, Austria
Nucl. Instrum. Methods,Vol.176(3), 515-518(1977)
参考資料２ Reference 2：
Neutron Background Spectra and Signal-to-Background Ratio for Neutron Production Between 10 and 14 MeV by the Reactions 3H(p,n)3He, 1H(t,n)3He, and 2H(d,n)3He
M.Drosg, G.F.Auchampaugh, F.Gurule
University of Vienna, Strudlhofg. 4, A-1090 Wien, Austria
LA-6459-MS, UC-20 and UC-34c, August 1976
キーワード：単色中性子源、1H(t,n)3He反応、中性子スペクトル、中性子発生量、白色中性子源、中性子強度、運動学的にコリメイトされた中性子源、中性子ビーム、
monoenergetic neutron source, 1H(t,n)3He reaction, neutron spectrum, neutron yield, white neutron source, neutron intensity, kinematically collimated neutron source, neutron beam
分類コード：040104, 040204, 040301
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