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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

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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 - PowerPoint PPT Presentation


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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 高強度 g 線の問題 高強度 g 線 過酷環境のための中性子計測の開発 中性子発生数の測定 まとめ. 2 /26. レーザー核融合エネルギー利得間近に迫る!.

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Presentation Transcript
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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

slide2

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

高強度g線の問題

高強度g線過酷環境のための中性子計測の開発

中性子発生数の測定

まとめ

2/26

slide3

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。

3/26

slide5

爆縮       高速加熱    点火・燃焼爆縮       高速加熱    点火・燃焼

コンパクトな高速点火レーザー核融合

点火・燃焼

圧縮

中心点火方式

ディーゼルエンジン

超高強度レーザー

ガソリンエンジン

高速点火方式

米国の中心点火方式の1/10のレーザーでできる

5/26

slide6

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!

6/26

slide7

Nature 2002の成果

ILE Osaka

旧ペタワットレーザー (最大500J/ 0.7 ps)を入射させた。

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。

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。

7/26

slide8

2009年LFEXを用いて高エネルギー追加熱実験を開始。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

Multi Imaging Xray streak camera

Neutron TOF scintillation detector

Discharge at cathode with intense hard x-ray

高強度γ線による信号

DD neutron

time

Scintillation decay

MCP gate open

Hard x-ray

  • 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。

8/26

slide9

電磁ノイズパルスは電磁シールド箱を設けて遮蔽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。

9/26

slide10

X線画像計測器のg線遮蔽対策

ILE Osaka

⊿t

0 ps80 ps 160 ps

CCD camera

0 ps 80 ps 160 ps

Voltage pulse

200 ps 280 ps 360 ps

Pt mirror

Thermal x-ray

Fluorescent plate

Pb block

対策前

対策後

MCP

Au cathode(strip line)

Pinhole disk

Hard x-ray

slide13

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

MANDALA鉛全方向強化

TOFシンチ 鉛強化

ファイバー型高速シンチ 遮蔽強化

BC422LFEX後方に設置

ゲートTOFシンチ 新開発

ゲート液シン1号機 新開発

ゲート液シン2号機 新開発

ゲート6Liシンチ 新開発

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

新素材6Liシンチ

APLF80+3Pr

バブルディテクタ

ダイノードゲート

高電子増倍管

GM-tube

Ag放射化カウンタ

Ag フォイル

中性子減速部(ポリエチレン)

酸素クエンチ

液体シンチ

13/26

slide14

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。

14/26

slide15

Dynode-gateでgのゲートブレークの問題を克服

ILE Osaka

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。

X線がPMTに直接作用し、ゲートが破断

Dynode-Gate PMT

Liquid Scintillator

Gate Open

15/26

slide16

2009年実験に比べて有用データ数は格段に増えた。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・・・

新液体シンチ

従来nTOFシンチ

1shotで得られたデータ

16/26

slide17

戦いの歴史(11月時点)

マンダラ γ-nだらけで観測不能

ILE Osaka

時間分解型

MANDALA

TOFシンチ 

ファイバー型高速シンチ

BC422(中性子ショット専用)

ゲートTOFシンチ △感度不足

ゲート液シン1号機 未完成

ゲート液シン2号機 未完成

ゲート6Liシンチ 未完成

多チャンネル6Liカウントモード 未完成

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 

CR 39 謎の穴だらけ

荷電粒子大量に検出された。

CH 100μmの下

slide18

戦いの歴史(12月時点)

プラ核学会@北海道

ILE Osaka

時間分解型

MANDALA

TOFシンチ 

ファイバー型高速シンチ △感度足りない

BC422(中性子ショット専用)

ゲートTOFシンチ △感度足りず

ゲート液シン1号機 完成

ゲート液シン2号機 未完成

ゲート6Liシンチ 未完成

多チャンネル6Liカウントモード 未完成

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)

slide19

報告書ID : 2323761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)。

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

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。

slide20

戦いの終焉

液体シンチが生き残った

ILE Osaka

時間分解型

MANDALA

TOFシンチ 

ファイバー型高速シンチ △感度足りない

BC422(中性子ショット専用)

ゲートTOFシンチ △感度足りず

ゲート液シン1号機 完成

ゲート液シン2号機 完成

ゲート6Liシンチ 完成

多チャンネル6Liカウントモード 完成

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 

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!!!

slide21

gamma-n reaction

大問題が発覚、g-n 反応

photo-nuclear neutron

g (>15MeV)

  • 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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slide22

Shot#34225

CD shellAu cone

Radio Chromic film with graded aluminum filter

Al 50 mm

Al 60 mm

Al 40 mm

Al 30 mm

Shot # 34231

CH shell Au cone

g-n中性子発生の証拠

ILE Osaka

(1) バブルディテクタ

(2)MANDALA

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。

金コーン付きCDシェル、LFEXのみ

γ-n

γ

(3) ラジオクロミックフィルム

(> 10 MeV)

(> 2.5 MeV)

(> 1MeV)

g+D→n+p

計測器配置

バブル

MANDALA

ラジオクロミックフィルム

g-D反応プロトンが観測された。

18/26

slide23

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)

ILE Osaka

#34177 FI(9beam)

GXII:268 J、LFEX:398 J、

鉛25cm、NDfilter0

#34187 FI(9beam)

GXII:289 J、LFEX:598.3 J、timing:-20 ps

鉛10cm、NDfilter1/8

新液体シンチ

#34186 FI(9beam)

GXII:298 J、LFEX:694 J、timing:

鉛10cm、NDfilter1/8

#34183 FI(9beam)

GXII:290 J、LFEX:430.4 J、timing:ps

鉛25cm、NDfilter1/8

#34189 FI(9beam)

GXII:297 J、LFEX:318.7 J、timing:-70 ps

鉛10cm、NDfilter1/8

#34192 CD shell(calibration)

GXII: 253 J

鉛5cm、NDfilter1/8

19/26

slide24

g-nによる誤差の評価が重要

ILE Osaka

γ-n

±g-n エラー

Yn=(3.5±1.2)×107

PMT-Gate open

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。

Xray

20/26

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(Old) PW comp. chamber (iron)

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。

(2)γ線散乱

ターゲット室壁

Detector at 3m

各物体が単体で存在した場合の信号を予測

Lead block 15 cmt

(g,n)

θ

(1)γ-n反応中性子

g

Diagnostics

(iron)

LFEX

input gamma source

Tγ=5MeV

Yγ=1011

θ~sin(0.5θ)1.7

Target Chamber

(Iron, 86 cm dia, 7cmt)

γ-nチャンバーから

T1室壁からのγ線散乱

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slide26

シミュレーション計算が実験結果を再現した

ILE Osaka

Neutron collimator

g

n

Pb

g

g’

実験データ

コリメータ付き

実験データ

g-n

shot# L1635 25 Jan. 2011

Fast ignition target

LFEX427.7J,

without implosion

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!

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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!

24/26

Y. Arikawa, et. al., POP to be published

slide29

まとめ

ILE Osaka

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。

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。

25/26

slide30

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