ILE Osaka - KEK 測定器開発室

Report
高速点火統合実験2010における中性子計測
-高強度γ線による過酷環境下における中性子計測-
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
OUTLINE
ILE Osaka
1. Introduction
レーザー核融合研究の現状
高速点火核融合原理実証実験FIREX
2. 高強度g線の問題
3. 高強度g線過酷環境のための中性子計測の開発
4. 中性子発生数の測定
5. まとめ
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レーザー核融合エネルギー利得間近に迫る!
米国ローレンスリバモア研究所National Ignition Facility において、
レーザー核融合点火実験が行われている。
2012年度内にも点火・燃焼によるエネルギー利得を実現する見込み。
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コンパクトな高速点火レーザー核融合
爆縮
高速加熱
点火・燃焼
圧縮
点火・燃焼
中心点火方式
超高強度レーザー
高速点火方式
ディーゼルエンジン
ガソリンエンジン
米国の中心点火方式の1/10のレーザーでできる
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高速点火原理実証実験FIREXプロジェクト
・2002年に旧ペタワットレーザーを用いて世界に先駆けて高速点火の基礎実験に成功。
Nature誌に2本の論文が掲載された。
・2004年高速点火原理実証実験のための超高強度レーザーLFEX(世界最高出力)の
建設がはじまった。
LFEX
GEKKO XII
・2009年3月LFEXが完成し、レーザーショットを開始した。
・2010年にLFEXのハイパワーショットテストを兼ねた高速点火核融合実験が行われた。
2beam(/4beam)実験でNatureの成果を凌駕!
・2012年、世界に先駆けて点火温度5 keVを実証する計画。
NIFの中心点火実証より早く高速点火の実証を!
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Nature 2002の成果
ILE Osaka
1. 旧ペタワットレーザー (最大500J/ 0.7 ps)を入射させた。
2. 爆縮ピーク付近50 ps以内に追加熱を入射させないと有意な加熱が起こらない事を
実証。ただし追加熱の入射時刻は相対時刻。
3. 追加熱レーザーのエネルギーを上げていくと中性子の最大2×107(増大1000倍)を
観測。ただしエラーバーが大きい。
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2009年LFEXを用いて高エネルギー追加熱実験を開始。
高強度g線による計測障害が多発した
ILE Osaka
Problems in 2009
Neutron TOF scintillation detector
MCP gate open
高強度γ線による信号
Multi Imaging Xray streak camera
Discharge at cathode with intense hard
x-ray
Hard xray
DD neutron
time
Scintillation decay
•シンチレーターの残光がひどくて、中性子が計測できない。
•MCPのゲートがg線によって破断する。
•PCがフリーズしてCCDカメラデータが読みだせない。
•MCP管内で放電現象が発生、などなど。
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電磁ノイズパルスは電磁シールド箱を設けて遮蔽
ILE Osaka
2009.10.6
Fast Ignition
2010.11.19
Fast Ignition
電磁シールド、独立電源を使う事で電磁ノイズを
劇的に低減した。
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X線画像計測器のg線遮蔽対策
ILE Osaka
⊿t
CCD camera
Voltage pulse
Pt mirror
Thermal x-ray
Pb
block
Pinhole
disk
Fluorescent plate
MCP
Hard x-ray
Au cathode(strip line)
対策前
対策後
0 ps
80 ps
0 ps
ps
200 ps
160 ps
80 ps
280 ps
160
360 ps
中性子計測におけるg線の問題
ILE Osaka
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中性子計測におけるg線の問題
ILE Osaka
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FG-02では数多くの新型計測器を導入
ILE Osaka
全方向鉛遮蔽
時間分解型
1. MANDALA 鉛全方向強化
2. TOFシンチ 鉛強化
3. ファイバー型高速シンチ 遮蔽強化
4. BC422 LFEX後方に設置
5. ゲートTOFシンチ 新開発
6. ゲート液シン1号機 新開発
7. ゲート液シン2号機 新開発
8. ゲート6Liシンチ 新開発
9. 多チャンネル6Liカウントモード 新開発
γ線不感型
10. バブル 復刻
11. CR39 リコイルプロトン 自動解析
12. ラジオクロミックフィルム 新規導入
13. Agカウンタ 従来法復刻・新規導入
ダイノードゲート
高電子増倍管
酸素クエンチ
液体シンチ
新素材6Liシンチ
バブルディテクタ
APLF80+3Pr
Ag放射化カウンタ
109
GM-tube
Ag  n110 Ag  γ
110
Ag フォイル
中性子減速部(ポリエチレン)
Ag 110 Cd  β 
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新素材液体シンチレーターを開発
ILE Osaka
気体酸素を溶け込ませることによって、
遅いシンチレーション成分を効果的に低減
137Cs
gamma source
scintillation:
BBQ (used for dye lasers)
4,4’’’-Bis-(2-butyloctyloxy)-p-quatarphenyl
host:p-Xylene
Quenching by oxigen
T. Nagai, Y.Arikawa, et. al., JJAP , accepted
米国ロチェスター大のグループが発表
ILEでも技術導入し、さらに改良を加えた。
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Dynode-gateでgのゲートブレークの問題を克服
ILE Osaka
X線がPMTに直接作用
し、ゲートが破断
広く用いられているゲートPMTは
カソード直後のバイアス反転でゲーティン
グする。
この手法ではg線が直接MCPに作用して信
号を出してしまう。
Dynode-Gate PMT
Liquid Scintillator
Gate Open
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2009年実験に比べて有用データ数は格段に増えた。
ILE Osaka
データ多いなぁ・・・
1shotで得られたデータ
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戦いの歴史(11月時点)
900
時間分解型
1. MANDALA
2. TOFシンチ
3. ファイバー型高速シンチ
4. BC422 (中性子ショット専用)
5. ゲートTOFシンチ △感度不足
6. ゲート液シン1号機 未完成
7. ゲート液シン2号機 未完成
8. ゲート6Liシンチ 未完成
9. 多チャンネル6Liカウントモード 未完成
10. CR39 プロトン
Tx
マンダラ γ-nだらけで観測不能 ILE Osaka
Tdd
800
700
600
500
400
400
600
800
110
3
CR 39 謎の穴だらけ
γ線不感型
10. バブル
荷電粒子大量に検出された。
11. CR39 リコイルプロトン
12. ラジオクロミックフィルム
13. Agカウンタ
CH 100μmの下
1.210
3
戦いの歴史(12月時点)
プラ核学会@北海道
ILE Osaka
時間分解型
1. MANDALA
2. TOFシンチ
3. ファイバー型高速シンチ △感度足りない
4. BC422 (中性子ショット専用)
5. ゲートTOFシンチ △感度足りず
6. ゲート液シン1号機 完成
7. ゲート液シン2号機 未完成
8. ゲート6Liシンチ 未完成
9. 多チャンネル6Liカウントモード 未完成
10. CR39 プロトン
γ線不感型
10. バブル
11. CR39 リコイルプロトン
12. ラジオクロミックフィルム
13. Agカウンタ
ゲートTOF (ゲート大脇)
TOF (大脇ディテクタ)
報告書ID : 2323761
12月2日 プラズマ核融合学会出張先で受け取った速報メール
報告内容 :
本日は高速点火統合ショットを3ショット、計測器開発ショットを1ショット行いました。
T4(34183, L1571)は高速点火統合実験で、GXIIの出力が290 J/beam, LFEXはH2 196.13 J, H4
201.784 Jの計397.914 Jでした。
LFEXは爆縮コアからのX線強度が最大になる時刻に対して20 ps遅く入射されました。
比較的良いタイミングでLFEXが入射したと考えられ、バブル検出器で7E+5の中性子が観測され、液体シ
ンチレーターでも中性子の信号が検出されている模様です(詳細は解析中)。
T1(34186, L1573)は高速点火統合実験で、GXIIの出力は298 J/beam, LFEXはH2 344.037 J, H4
350.06 Jの計694.097 Jでした。
LFEXは爆縮コアからのX線強度が最大になる時刻に対して、10 ~ 30 ps早く入射されました。
バブル中性子検出器で3.4 +/- 0.8 E+6の中性子イールドが観測されました。他の検出器でも信号が得ら
れています。
(現在、プラズマ核融合学会の開催中で、人員が不足しており解析が間に合っていません。)
このイールドは、現時点で本シリーズ最高のイールドです。
T2(34187, L1574)は高速点火統合実験で、GXIIの出力は289 J/beam, LFEXはH2 295.467 J, H4
302.847 Jの計598.314 Jでした。
LFEXは爆縮コアからのX線強度が最大になる時刻に対して、0 ~ 20 ps早く入射されました。
バブル中性子検出器で(1 ~ 3)E+6の中性子イールドが観測されました。他の検出器でも信号が得られて
います。
ただ、このショットについては、ガンマ線誘起の中性子が混じっている可能性があり、注意が必要です。
戦いの終焉
液体シンチが生き残った
時間分解型
1. MANDALA
2. TOFシンチ
3. ファイバー型高速シンチ △感度足りない
4. BC422 (中性子ショット専用)
5. ゲートTOFシンチ △感度足りず
6. ゲート液シン1号機 完成
7. ゲート液シン2号機 完成
8. ゲート6Liシンチ 完成
9. 多チャンネル6Liカウントモード 完成
10. CR39 プロトン
γ線不感型
10. バブル
11. CR39 リコイルプロトン
12. ラジオクロミックフィルム
13. Agカウンタ
ILE Osaka
クリスマスまで実験
核融合起こらないターゲットで中性子が観
測!!!
大問題が発覚、g-n 反応
gamma-n reaction
g (>15MeV)
photo-nuclear
neutron
g-n中性子発生要因
•ターゲットチャンバー
•計測器
•g線遮蔽材
•核融合ターゲット材料
など、あらゆる物から発生
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g-n中性子発生の証拠
(1) バブルディテクタ
ILE Osaka
(2)MANDALA
金コーン付きCDシェル、LFEXのみ
CH製コーン、内面金コート
LFEXのみ
Yn~1E9に相等する、
大量の泡が発生。
γ-n
γ
(> 1MeV)
(> 2.5 MeV) (> 10 MeV)
計測器配置
Radio Chromic film with
graded aluminum filter
バブル
MANDALA
ラジオクロミックフィルム
(3) ラジオクロミックフィルム
Shot#34225
g+D→n+p
Al 50 mm
Al 60 mm
Al 40 mm
Al 30 mm
g-D反応プロトンが観測
された。
CD shell Au cone
Shot # 34231
CH shell Au cone
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核融合中性子信号だと判断されたのは
低エネルギー加熱の5ショットのみ (全30ショット中)
#34192 CD shell (calibration)
GXII: 253 J
鉛5cm、NDfilter1/8
#34177 FI(9beam)
GXII:268 J、LFEX:398 J、
鉛25cm、NDfilter0
ILE Osaka
#34183 FI(9beam)
GXII:290 J、LFEX:430.4 J、timing:ps
鉛25cm、NDfilter1/8
新液体シンチ
#34186 FI(9beam)
GXII:298 J、LFEX:694 J、timing:
鉛10cm、NDfilter1/8
#34187 FI(9beam)
GXII:289 J、LFEX:598.3 J、timing:-20 ps
鉛10cm、NDfilter1/8
#34189 FI(9beam)
GXII:297 J、LFEX:318.7 J、timing:-70 ps
鉛10cm、NDfilter1/8
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g-nによる誤差の評価が重要
ILE Osaka
PMT-Gate open
γ-n
Yn=(3.5±1.2)×107
±g-n エラー
Xray
1. ベースラインをDD-nの時刻では直線と仮定。
2. DD-n時刻にやってくる中性子の数を評価し、
その統計誤差をγ-nによる誤差として付け加える。
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バックグランウンド信号を
シミュレーションにより再現
ILE Osaka
g線のスペクトルは電子のスペクトルと同程度と仮定し、
傾き温度で5 MeVを仮定。
放射方向分布は実測データを使用。
各物体が単体で存在した場合の信号を予測
(2)γ線散乱
ターゲット室壁
(1)γ-n反応中性子
Detector at 3m
(Old) PW comp.
chamber (iron)
Lead block 15 cmt
(g,n)
g
θ
Diagnostics
(iron)
LFEX
Target Chamber
(Iron, 86 cm dia, 7cmt)
input gamma
source
Tγ=5MeV
Yγ=1011
θ~sin(0.5θ)1.7
γ-n チャンバーから
T1室壁からのγ線散乱
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シミュレーション計算が実験結果を再現した
ILE Osaka
g
Pb
n
g
g’
実験データ
コリメータ付き
実験データ
g-n
Neutron
collimator
シミュレーションモデルの検証ができた。
次回実験はコリメータ―を必須!
shot# L1635 25 Jan. 2011
Fast ignition target
LFEX 427.7J,
without implosion
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ついに中性子イールドを決定できた
g-ray
ILE Osaka
Gate open
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Nature2002実験は追証された
ILE Osaka
2002 exp
中性子イールドはNature実験を凌駕!
Y. Arikawa, et. al., POP to be published
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まとめ
ILE Osaka
1. 高速点火核融合、追加熱実験を行うと高強度g線が発生し、プラズ
マ計測を困らせてきた。
2. 2009年から2010年にかけて各種計測器にg線遮蔽を開発し、導入
した。
特に中性子計測では、多数の新型・復刻中性子計測器を導入し、g
線問題を克服しようと試みた。高速減衰液体シンチレーターを開発し
た。
3. g線のみならずg-n反応による中性子発生が問題となった。
4. 新型液体シンチレーターで観測されたデータから、g-nによるバック
グラウンドのエラーを評価し、中性子イールドを決定した。Nature
2002の成果を凌駕する中性子イールドを観測した。
今、g線のスペクトル計測が強く求められている。
レーザー研内でも開発が進められており、次回実験に導入をめざしている。
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ご静聴ありがとうございました
2010年12月24日
実験最終日にて

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