大阪大学レーザーエネルギー学研究センター 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.,

OUTLINE イントロ ・散乱中性子計測の原理. ・技術的課題と解決策. 計測器開発 ・高速応答 6Li シンチレーター. ILE Osaka イントロ ・散乱中性子計測の原理. ・技術的課題と解決策. 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

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

散乱中性子計測(Down Scattered Neutron)は有力な燃料面密度ρR計測手法. 1. Introduction 散乱中性子計測とは？ 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 r ～50 mm r ～500 g/cm3 一次中性子 2.45 MeV Primary neutron DS-neutron back scattering edge 高密度燃料 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.

散乱中性子計測の 技術的課題 エネルギーが低い 数が少ない 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 1. Introduction 散乱中性子計測の 技術的課題 ILE Osaka エネルギーが低い 数が少ない 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

6Li scintillator n + 6Li → T+ 4He (+4.8 MeV) →シンチレーターを励起 1. Introduction 6Li scintillator ILE Osaka n + 6Li → T+ 4He (+4.8 MeV) →シンチレーターを励起 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

Fast decay 6Li scintillator is essential 従来のLiシンチレーターは発光寿命が長すぎて 1. Introduction Fast decay 6Li scintillator is essential ILE Osaka 典型的な実験セットsップ 6Li cross section ×Neutron history 1 g n’ n-g 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。

N.Izumi, Doctor thesis, Osaka Univ. 1997 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 一次中性子 ch1 一次中性子 ×1000　 ch2 Neutrons 散乱中性子 散乱中性子 ch3 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

計測課題と解決策のまとめ エネルギーが低い 数が少ない 6Li シンチレーター 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 1. Introduction 計測課題と解決策のまとめ ILE Osaka エネルギーが低い 数が少ない 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 6Li シンチレーター 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

Development of fast 6Li scintillator ILE Osaka Scintillation fall time(peak - 10% ) 120 ns→ 10 ns！ Ce (3+) → Pr(3+) Conventional 6Li scintillator　(KG2, GS20) Host glass: SiO2 - Li2O glass Fluorescent ion: Ce (3+) emission 400 nm decay const t1 = 50 ns + longer tail fall time : (peak - 10%) 120 ns New 6Li scintillator Fluorescent ion：Pr (3+) emission 250 nm (lifetime τ ∝λ3) Host：LiF glass (UV transparent) APLF80+3Pr Manufacture T. Murata,

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 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 参考に最もリチウム密度の高い物を選択。 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 ガラス製作 村田 貴広, (熊本大) 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

Fast decay 6Li scintillator, APLF80+3Pr 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)

多チャンネルカウントシステム 2. Develop Multi channel ILE Osaka Multi Anode PMT 256 channels APLF80+3Pr Scintillator　Array 2mm×2mm×20mmL, 400 pixel APLF80 +3Pr 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

激光XII実験での性能試験 3. Test in GEKKO XII ILE Osaka set up g n-g n’ primary-n DS-n 4 cm thick lead 36 cm MCNP calculation P-n g n’ n-g DS-n

信号解析 Signals at DS-neutron time TDCのデッドタイムが問題になる 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) 1 neutron 波高値= 50 – 70mV. 5-6 カウント x 256 ch = 1280 -1536 カウント self consistent! -10ns 1.5 ns 15 ns 20 ns 50 ns P- neutron X ray 45 ns shot# 34245 g 　　P-n 　　n-g DS-n?? n’ 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

多チャンネルカウンティング動作が実証された! 3. Test in GEKKO XII rRの評価 ILE Osaka n-g Normalized by primary neutron yield DS-n Simulation　rR (CD) Method ρR mg/cm2 DS-neutron ～800 too large! DD-p spectrum (CR39) 13-23 2ndly neutron (MANDALA) 5.5-11　 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!

Detectable range 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 ILE Osaka Detector is located at 26 cm from target “Exploding pusher” thin CD shell DS neutron detectable 9 beams implosion + 400 J heating DS-n 3 counts detect TDC limit P-n 2 counts / all chs P-n 1 count / all chs 12 beams implosion w/o heating Fast ignition 2010 CD shell 7mm thick 9 beams implosion w/o heating 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

もっと高感度に、デッドタイムフリーに 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 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 All chs A/D DS-n 3 counts detect TDC limit 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

多チャンネルADコンバーター開発 4. detectable range ILE Osaka NIM 規格 e2v (France), quad AD convertor 8 チャンネル式 1 trigger input 1 LAN data out PC操作 1 2 3 4 5 6 7 8 Ｔrig 1 2 3 4 5 6 7 8 Ｔrig 8 bit 4 ch, 5Gpps (max) 2GHz (- 3dB) 40,000円/チップ価格 500,000/ユニット e2v ADC demo kit XILINX FPGA demo kit ADC *FPGA test module data out to PC Acquisition system *Field Programable Gate Array

来年度の高速点火実験で散乱中性子実測を目指す！ 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！