ILE Osaka - KEK 測定器開発室

散乱中性子計測による
燃料面密度計測
有川安信
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
日本学術振興会特別研究員
2011年9月21日高エネルギー加速器研究機構
collaborators
H. Hosoda1, T. Nagai1, K. Watanabe1, K.Yamanoi1, M. Cadatal-Raduban1,
T.Shimizu1, N. Sarukura1, M. Nakai1, T. Norimatsu1, and H. Azechi1,
N.Izumi2, T. Murata3, T. Suyama4, A. Yoshikawa5, K. Kamada6, Y. Usuki6, N.
Satoh7, H. Kan7
1. Institute of Laser Engineering, Osaka University
2. Lawerence Livermore National Laboratory,
3. Kumamoto University, 4. Tokuyama Corporation Shibuya,
5. Tohoku University, 6. Furukawa Co., Ltd.,
7. Hamamatsu Photonics k.k.,
2
OUTLINE
ILE Osaka
1. イントロ
・散乱中性子計測の原理.
・技術的課題と解決策.
2. 計測器開発
・高速応答 6Li シンチレーター.
・多チャンネルカウンティングモード.
3. 激光XII号核融合実験での性能評価.
4. 可観測領域の拡大
5. まとめ
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1. Introduction
燃料面密度とは？
ILE Osaka
点火条件
核融合成立条件は燃料面密度と燃料温度
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1. Introduction
散乱中性子計測とは？
一次中性子
2.45 MeV
高密度燃料
r ～50 mm
r ～500 g/cm3
ILE Osaka
モンテカルロシミュレーション計算による
重水素燃料中での散乱中性子スペクトル
Primary
neutron
DS-neutron
back scattering
edge
燃料原子
高温部
散乱中性子
MCNP5
散乱中性子計測(Down Scattered Neutron)
は有力な燃料面密度ρR計測手法.
D. C. Wilson, et. al., Nucl. Instrum. Methods. A, 488, Issue 2, pp 400-409, 2002
N.Izumi, et.al., Rev. Sci. Inst. 73, No.3, pp1722-1725, 2003
M. Moran, et. al., Rev. Sci. Inst. 75, No. 10, pp 3592-3594, 2004, etc.
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1. Introduction
散乱中性子計測の
技術的課題
ILE Osaka
1. エネルギーが低い
2. 数が少ない
3. 圧倒的大多数の一次中性子の “flush”の直
後に観測しなければならない
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1. Introduction
6Li
scintillator
n + 6Li → T+ 4He (+4.8 MeV)
→シンチレーターを励起
ILE Osaka
1. 6Liの発熱反応によって低エネルギー中性子でも十分な発光量.
2. 散乱中性子ピーク付近に選択的高感度を示す
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1. Introduction
Fast decay 6Li scintillator is essential
ILE Osaka
6Li
典型的な実験セットsップ
cross section ×Neutron history
1
g
n-g
n’
primary-n
DS-n
DS-n
26 cm
シンチレーターは26cm 以下に設置し、
n’’やn-γ.によるノイズを時間的に回避
～25 ns
従来のLiシンチレーターは発光寿命が長すぎて
(peak-10% で120 ns)不適切であった。
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1. Introduction
多チャンネルカウンティングモード
ILE Osaka
1
2
一次中性子
3
散乱中性子
Neutrons
一次中性子
ch1
一次中性子
×1000
ch2
散乱中性子
ch3
散乱中性子
Time
多チャンネルカウンティング法で
一次中性子”フラッシュ”を緩和
N.Izumi, Doctor thesis, Osaka Univ. 1997
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1. Introduction
計測課題と解決策のまとめ
ILE Osaka
1. エネルギーが低い
6Li
シンチレーター
2. 数が少ない
3. 一次中性子フラッシュの直後に観測しなけれ
ばならない
高速応答シンチレーター,
多チャンネルカウンティング
(1)高速応答6Liシンチレーターで、
(2)多チャンネルカウンティング
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2. Develop
Fast 6Li
scintillator
Development of fast 6Li scintillator
ILE Osaka
Scintillation fall time(peak - 10% )
120 ns→ 10 ns！
Ce (3+) → Pr(3+)
Conventional
New 6Li scintillator
6Li
•Fluorescent ion：Pr (3+)
scintillator (KG2, GS20)
•Host glass: SiO2 - Li2O glass
•Fluorescent ion: Ce (3+)
emission 400 nm
decay const t1 = 50 ns
emission 250 nm
(lifetime τ
∝λ3)
APLF80+3Pr
•Host：LiF glass
(UV transparent)
+ longer tail
fall time : (peak - 10%) 120 ns
Manufacture
T. Murata, 11/20
Develop
scintillator
新素材シンチレーター材料開発
ILE Osaka
組成式
20Al(PO3)3 – 80LiF + 3PrF3
冷却条件がガラス化のキー
1%Pr 3%Pr
Completion.
2008.3. 小型るつぼで材料組成の組成展開
・米国リバモア研究所のレーザーガラス材料のデータブックを
ガラス製作
参考に最もリチウム密度の高い物を選択。
村田貴広, (熊本大)
2008.7 Li-6 ガラス化成功
・ 7Liと6Liでガラス化温度の違いが表れ、ガラス製作が難航した。
2008.12 大型ガラス完成
2009.9 大型6Liガラス完成
2010.2 量産・デバイス化成功
のべ100回以上に及ぶサンプル試験を繰り返し、
新素材シンチレーターAPLF80+3Prが完成
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2. Develop
Fast 6Li
scintillator
Fast decay 6Li scintillator, APLF80+3Pr
ILE Osaka
Neutron source experiment
Fusion experiment in GEKKO XII
従来品と比べて圧倒的な高速応答。
核融合実験でもその性能を確認。
(1) Y. Arikawa et al., Rev. Sci. Inst. 80, 113504 (2009), (2) Y. Arikawa et al., Journal of Physics 244, 032041 (2010), (3) Y. Arikawa et al., Opt.
Mat. 32, 393 (2010), (4) Y. Arikawa et al., Rev. Sci. Inst. 81,10D303 (2010),(5) Y. Arikawa et al., Rev. Sci. Inst. 81, 106105 (2010)
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2. Develop
Multi channel
多チャンネルカウントシステム
ILE Osaka
Multi Anode PMT
256 channels
APLF80 +3Pr
APLF80+3Pr Scintillator Array
2mm×2mm×20mmL, 400 pixel
256 signal cables
data processing
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Time to digital convertor
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激光XII実験での性能試験
3. Test in
GEKKO XII
ILE Osaka
set up
g
n’ n-g
primary-n
DS-n
4 cm thick lead
36 cm
MCNP calculation
g
P-n
n-g DS-n
n’
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3. Test in
GEKKO XII
信号解析
ILE Osaka
一次中性子数
3×108 (CR-39検出器で計測)
(本計測器の感度からすると
1460 カウント相等)
-10ns 1.5 ns 15 ns 20 ns 45 ns
50 ns
1 neutron 波高値= 50 – 70mV.
5-6 カウント x 256 ch = 1280 -1536 カウント
self consistent!
g
P-n
n-g
DS-n??
n’
shot# 34245
X ray
P- neutron
n-g
6Li
cross section peak
Signals at DS-neutron time
(effective channel 33%)
TDCのデッドタイムが問題になる
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rRの評価
3. Test in
GEKKO XII
ILE Osaka
Normalized by primary
neutron yield
Simulation rR (CD)
n-g
Method
ρR mg/cm2
DS-neutron
～800
too large!
DD-p spectrum
(CR39)
13-23
2ndly neutron
(MANDALA)
5.5-11
DS-n
残念ながらノイズである可能性
が高い。考えられる原因はn-g。
Time (ns)
多チャンネルカウンティング動作が実証された!
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4. detectable range
Detectable range
Detector is located at 26 cm from target
“Exploding pusher”
thin CD shell
ILE Osaka
DS neutron
detectable
9 beams implosion
+ 400 J heating
TDC limit
P-n 2 counts / all chs
12 beams implosion
w/o heating
9 beams implosion
w/o heating
Fast ignition 2010
P-n 1 count / all chs
CD shell 7mm thick
CD混合燃料換算
激光XII実験で散乱中性子を計測するには
もっと高感度で、デッドタイムフリーなシステムが必要
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4. detectable range
もっと高感度に、デッドタイムフリーに
ILE Osaka
“Exploding pusher”
thin CD shell
DS neutron
detectable
2010
with 400J heating
TDC limit
All chs
A/D
Distance
to 10 cm
CD shell 7mm thick
2010
w/o heating
256 チャンネルのオシロスコープがあれば良い!
→そんなバカな
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4. detectable range
多チャンネルADコンバーター開発
test module
ILE Osaka
NIM 規格
e2v (France), quad AD convertor
•8 bit 4 ch,
•5Gpps (max)
•2GHz (- 3dB)
•40,000円/チップ価格
8 チャンネル式
1 trigger input
1 LAN data out
PC操作
500,000/ユニット
XILINX FPGA demo kit
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
Ｔrig
Ｔrig
data out
to PC
ADC
*FPGA
e2v ADC demo kit
Acquisition system
*Field Programable Gate Array
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まとめ
ILE Osaka
1. 散乱中性子計測器はレーザー核融合燃料面密度計測
2. 高速減衰 6Li scintillator APLF80+3Prの開発に成功
3. 多チャンネルカウントモード計測の試作・実地試験に成功
4. 256 chのADコンバーターシステムを開発中
来年度の高速点火実験で散乱中性子実測を目指す！
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