RCNPにおける中性子照射場と遮蔽実験 RCNP

RCNPにおける中性子照射場と遮蔽実験
JAEA 岩元 洋介
準単色中性子照射場 (246-389MeV 7Li(p,n))
白色中性子照射場 (392MeV W(p,xn))
準単色中性子を用いた遮蔽実験
1
準単色中性子エネルギースペクトル
2
1. Introduction
Quasi-monoenergetic reference beams using 7Li(p,n)7Be (g.s. + 0.429 MeV)
are special important for the calibration of detectors
detectors.
Neutron energy spectrum
R Nolte et al.,
R.
al NIMA476 (2002) 369.
369
100MeV 7Li(p,n)
Li(p n)
The spectra at large angles are necessary for the calibration of integration detectors
to reduce the contribution of low-energy part.
Quasi-monoenergetic neutron reference fields above 200 MeV
Cyclotron Facility
TRIUMF, Canada
PTB, Germany
iTember, South Africa
Maximum proton energy (MeV)
200
200
200
RCNP, Osaka University, Japan
390
RCNP facility has the calibration field beyond 200 MeV,
but the neuron field has not been established enough.
3
1. Introduction
Purpose
Measurements of neutron energy spectra at 7 angles within
0~30o for the 246 and 389 MeV 7Li(p,n) reactions at RCNP.
Characterization of peak and low-energy continuum parts of
neutron energy
gy spectrum.
p
4
2. Measurements
RCNP cyclotron facility, Osaka University, Japan
(R
(Research
h Center
C t for
f Nuclear
N l
Ph
Physics)
i )
Neutron
experimental hall
Ring C
Ri
Cyclotron
l t
(Up to 390 MeV and 1A for proton)
AVF Cyclotron
(Up to 65 MeV for proton)
100m tunnel
Beam dump
5
2. Measurements
Experimental layout
Target: 1cm thick natural Li ( 6Li 7.6% and 7Li 92.4%)
Energy: Time-of-Flight (TOF) method: beam pulse – detector signal
Clearing magnet in12cmx10cm collimator
Detector: Liquid organic scintillator NE213
Current measurements
with current integrator
246 and 389 MeV
Neutron energy Detector thickness
Flight path (m)
Emitted angle (degree)
range (MeV)
and diameter (cm)
2 - 10
5.08
6.4
0
10 - 100
12.7
15.5 (246 MeV), 17.3 (389 MeV) 0, 2.5, 5, 7.5, 10, 15, 20, 30
100 25.4
60 (246 MeV), 95.5 (389 MeV) 0, 2.5, 5, 7.5, 10, 15, 20, 30
6
2. Measurements
Experimental layout
Neutron experimental hall
dump
collimator
Beam
swinger
g
100 m tunnel
collimator
neutron
neutron
proton
NE213 neutron detector
7
3. Data Analysis
Neutron-gamma-rays
g
y discrimination
Anode signal from NE213
electron
25 4 cm diam.
25.4
di
and
d thi
thick
k NE213
proton
alpha
neutrons
-rays
slow component
total component (~300ns)
TOF spectrum
Neutron energy: time(prompt -rays)-time(neutron)
E
Energy
resolution:
l ti
Good n- disc.
7Li(p,n)7Be
(g.s.+0.429 MeV)
prompt
-rays
2.94 MeV for 389 MeV neutron at 95.5m.
8
3. Analysis
Background estimation using PHITS + JENDL-HE
246 MeV neutrons beam with angular distribution.
Calculated result of neutron energy spectra at 6.4 m and 60 m.
continuum/total ranges from 0.3 – 1.5 %
above 1 MeV.
room-scattered neutrons
Contribution of room-scattered neutrons to
TOF measurement is almost negligible.
g g
9
4. Results
Neutron energy
gy spectra for the Li(p,xn)
(
) reaction at 0o
7Be
g.s.+0.429MeV
7Be
Ex= 9.6 MeV
+ Quasi free scattering
Evaporation
Peak
P
k neutron
t
energy [MeV]
[M V]
peak/total (10MeV<En)
Hagiwara
137
0.38
This work
244
0.50
Taniguchi
350
0.44
This work
387
0.40
10
4. Results
Peak cross section of 7Li(p,n)
Angular
Angular distribution of peak cross section
Bessel function formula with nine terms for the p-7Li
g
distribution.
angular
N
 (q*)   a0 j J 0 ( z 0 j q * / qlim )
j 1
Taddeucci formula gives good agreements with our data.
T.N. Taddeucci et al. PRC 41 6 (1990) 2548.
11
4. Results
Angular distribution of neutron energy spectra
246MeV
389MeV
All neutron fluxes below 50 MeV are almost same.
The shape of the continuum above 100 MeV changes with angles considerably.
12
4. Results
Difference spectrum for 246 MeV
Subtraction of larger angles data from 0o data
eliminates tail component below 100 MeV.
Absolute value of tail for 0o -30o data is minimum.
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5. Summary
We have measured neutron energy spectra using 7Li(p,n) reaction
with 246 MeV and 389 MeV at 7 angles (0o, 2.5
2 5o, 5o, 10o, 15o, 20o and 30o).
)
Our peak neutron at 0o are on the line of Taddeucci formula of other
experimental
i
t ld
data
t .
Subtraction of larger angles data from 0o data eliminates tail component below
100 MeV.
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白色中性子照射場 (392MeV W(p,xn))
シングルイベント効果のテストのための白色中性子
ビ ムス クトルの測定
ビームスペクトルの測定
Nuclear Technology,173,
gy,
, 2 210-217 ((2011))
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白色中性子照射場 (392MeV W(p,xn))
背景
宇宙
半導体ソフト ラ はもともと、
半導体ソフトエラーはもともと、
軌道上の人工衛星では重大な問題
地上
パッケージ材料からのα線による
ソフトエラーが発見され、
チップコートによる遮蔽などの
対策がなされてきた。
LSIプロセスの微細化
動作電圧の低下
クロック周波数の増加
宇宙線起因の1MeV以上の白色中性子によるソフトエラーが、
宇宙線起因の1M
V以上の白色中性子によるソフトエラ が
地上においても重大な問題となってきた。
代表的な1MeV以上の白色中性子照射施設
白色中性
射施設
・・・米国ロスアラモス国立研究所LANSCE,WNR。800MeV W(p,xn)利用。
宇宙線起因中性子を模擬。
世界各国の半導体メーカー、検査会社が利用。
アジアでの半導体照射場が必要
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白色中性子照射場 (392MeV W(p,xn))
RCNP cyclotron facility, Osaka University, Japan
(Research Center for Nuclear Physics)
Neutron
experimental hall
100m tunnel
Ring C
Ri
Cyclotron
l t
(Up to 390 MeV and 1A for proton)
AVF Cyclotron
(Up to 65 MeV for proton)
White neutron field
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白色中性子照射場 (392MeV W(p,xn))
中性子フラックス測定
•
中性子ビームダンプ
中性子ビ
ムダンプ
RCNP WNコース 半導体照射場
半導体照射場
392MeV、
1μs pulsing、1nA
(Secondary
Emission Chamber)
冷却に利用。
6.5cm厚タングステン
W 6,5cm厚
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エネルギー損失262MeV
・加速器チョッパーと検出器信号との飛行時間法により中性子エネルギー導出
白色中性子照射場 (392MeV W(p,xn))
RCNP,WNR,宇宙線起因の中性子フラックスの比較


RCNPの中性子エネルギーフラックスは、200MeV以下で宇宙線起因中性子と同じ形。
RCNPの中性子量は地表面の中性子量の約1.5x108倍であった。
SEEのテストにおいて、短時間で意義のある結果を得ることができる。
SEEのテストにおいて
短時間で意義のある結果を得ることができる
多くの半導体メーカーがこの照射場を利用している。
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RCNPにおける中性子場の開発のまとめ
高エネルギー準単色・白色中性子場として、検出器校
高エネルギ
準単色 白色中性子場として 検出器校
正やソフトエラーテストに有効に利用できる。世界的に見
ても両方兼ね備えているのはRCNPのみ。
γ線の混在は？
中性子入射によるフラグメント生成、放射化断面積の測
中性子入射によるフラグメント生成
放射化断面積の測
定等の可能性。
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準単色中性子を用いた遮蔽実験
shields
Li
n
detector
n
Ep = 246, 389 MeV
behind different thick shielding materials,
•neutron energy spectrum
(whole energy by bonner-balls, and
above 2 MeV by NE213)
•neutron dose
(wide-range,
g and conventional)
were measured
- NE213, M. Hagiwara
- AIST bonner-balls,
T. Matsumoto, J. Nishiyama, A. Masuda
bonner-balls,
balls, C. Pioch, V. Mares
- GSF bonner
- CERN dosimeters,
C. Theis, E. Feldbaumer, L. Jaegerhofer
- JAEA dosimeters,
dosimeters Y.
Y Nakane
- Darwin, T. Sato
- Bubble dosimeter, T. Itoga
21
shielding experiment setup
shielding experiment setup
collimator
n
shield
detector
•n-spectrometer
•n-dosemeter
n dosemeter
22
shielding materials
shielding materials
Concrete
Fe
Concrete
25, 50, 100, 150, 200 ,250, and 300 cm
Fe
10, 20, 40, 70, and 100 cm
C
Combination
bi
i
Fe 70 cm + Concrete 200 cm
23
Detectors
NE213 (10”)) NE213 (10
•10 times higher efficiency
•good energy resolution
AIST bonner ball n spectrometer
AIST bonner‐ball n‐spectrometer
•5 balls
•+ 2 NEMUS for high
g energy
gy
WENDI
•world famous wide-range dosemeter
GSF bonner ball n spectrometer
GSF bonner‐ball n‐spectrometer
•multi polyethylene balls
for all energy
DARWIN multi particle dosimeter
DARWIN multi‐particle dosimeter
dose
DAQ all in
1-module
•neutron, photon and muon dose can be measured
•DAQ is
i iin one-module
d l
JAEA wide‐range REM dosemeter (Fuji electr.)
•Fuji wide-range dosimeter for JPARC
personal film‐badges (Chiyoda, Luxel)
•personal dosemeter with phantom
Neutron energy spectra data by NE213
250 MeV
Concrete
400 MeV
Concrete
o
0 cm
0 cm
200 cm
200 cm
300 cm
preliminary
Fe
NE213
PHITS
300
cm
preliminary
Fe
0 cm
0 cm
200 cm
200 cm
300 cm
300
cm
preliminary
preliminary
p
y
32
- all dosimeters wide range
250 MeV
PHITS
Dose attenuation
Concrete
WENDI
PHITS
JAEA
JAEA
400 MeV
Concrete
DARWIN
AIST
AIST
DARWIN
WENDI
preliminary
PHITS
preliminary
Fe
PHITS
Fe
AIST
DARWIN
AIST
JAEA
WENDI
WENDI
JAEA
DARWIN
preliminary
preliminary
thickness (cm)
thickness (cm)
33
Thank you very much for your attention
34