現場利用のための「理研小型中性子源システム RANS-II」

理化学研究所（理研）光量子工学研究センター 中性子ビーム技術開発チームの小林知洋専任研究員、池田翔太研究員、大竹淑恵チームリーダー、池田裕二郎特別顧問と東京工業大学 科学技術創成研究院 先導原子力研究所の林﨑規託教授の共同研究チームは、容易に移設できるコンパクトサイズの「理研小型中性子源システムRANS-II（ランズ・ツー）」を開発し、計測実験に十分な中性子線の発生に成功しました。

本研究成果は、コンクリートインフラ構造物内部の現場における劣化診断や、一般企業の研究所や工場に必要な期間だけ設置して原料や製品の解析に使用するなど、機動的な中性子利用が期待できます。

今回、共同研究チームは、2013年に発表した「理研小型中性子源システムRANS（ランズ）^[用語1]」をさらに小型軽量化したRANS-IIを開発しました。RANS-IIではRANSよりも陽子線の加速エネルギーを小さくし、標的をベリリウムからリチウムにすることで、加速器重量を1/2に、標的を囲む遮蔽体重量を1/7程度に、装置の長さを1/3に抑制できました。2019年7月の施設検査合格以降、加速器の調整を重ね、各種計測実験が可能な状態になっています。

本研究は、台湾で開催される『第3回アジア・オセアニア中性子散乱に関する会議AOCNS2019』（11月18日）において発表されます。

※ 研究支援

本研究の一部は、文部科学省「光・量子融合連携研究開発プログラム」、内閣府総合科学技術・イノベーション会議の戦略的イノベーション創造プログラム（SIP）「インフラ維持管理・更新・マネジメント技術（藤野陽三プログラムディレクター）」（管理法人：科学技術振興機構）による支援を受けて行われました。

背景

理研では現場で利用可能な中性子源の開発に取り組んでおり、2013年に「理研小型中性子源システムRANS（ランズ）」を開発しました^{[参考文献1}、^2]。RANSは、線形加速器で加速させた7 MeV陽子線（1 MeVは100万電子ボルト）をベリリウム（Be）標的に照射し、⁹Be(p, n) ⁹B反応^[用語2]と呼ばれる核反応により、最大5 MeVのエネルギーを持つ中性子線を発生させることができます。

これまでRANSは、国内で数少ない中性子照射施設として実験の機会を提供してきました。また、陽子線の短パルス化などに取り組み、中性子イメージング^[用語3]や中性子回折^[用語4]を利用した産業応用、高速中性子による大型構造物非破壊観察実験^{[参考文献3}、^4]、中性子誘導即発ガンマ線分析^[用語5]を利用したコンクリート中の塩分濃度解析実験^{[参考文献5]}などを実施してきました。

一方で、共同研究チームは、2016年度より中性子源のさらなる小型軽量化を目指し、「理研小型中性子源システムRANS-II（ランズ・ツー）」の開発を始めました。

研究手法と成果

小型軽量化された中性子源システムの構築には、加速器や標的を囲む遮蔽体の重量をRANSよりも軽くする必要がありました。そのためにRANS-IIでは、陽子線エネルギーを7 MeV から2.49 MeVに絞り、標的をリチウム（Li）にしました。RANSよりも低い陽子線エネルギーでは、Li標的の方がBe標的よりも中性子発生量が多くなるからです。また、RANSでは加速器2台を連結していましたが、RANS-IIでは高周波四重極線形加速器（RFQ加速器）^[用語6]だけにすることで^{[参考文献6]}、加速器の長さと重量を1/2（5 mから2.5 m、5トンから2.5トン）に抑制できました。さらに、Li標的にしたことで中性子線の発生が前方へ指向することから、遮蔽体重量を1/7程度（20トンから3トン）に大きく減量できました。図1にRANS-IIシステムの全体模式図を、表1にRANSおよびRANS-IIのパラメータ比較を示します。

1.   RANS-IIは、電源・制御装置、イオン源、RFQ加速器、高周波アンプ、ビーム輸送系、ターゲット遮蔽からなる。ターゲット遮蔽の中には、中性子発生リチウム標的が入っている。まず、イオン源では水素ガス（H₂）にマイクロ波を照射し、水素イオン（H⁺）に分解する。水素イオンはRFQ加速器に導かれ、2.49 MeVまで加速される。ビーム輸送系では、広がろうとするビームを電磁石で収束して標的に到達するよう位置調整を行う。リチウム標的に到達した水素イオン（陽子）は、核反応により中性子を発生させる。中性子線出射口の前方に、測定物と検出器が置かれる。

1.   RANS-IIでは、陽子線のエネルギーを2.49 MeVに絞り、標的をリチウム（Li）にしたことで、RANSと比べて加速器重量は1/2、遮蔽体重量は1/7程度にできた。装置全体の長さも1/3（5 m）に短くなった。

十分な厚さを持つ標的を想定した場合、RANSの条件である7 MeV陽子線による⁹Be(p, n)⁹B反応の中性子収率は、陽子1マイクロクーロン（μC、1μCは100万分の1クーロン）あたり約100億個となります。一方、RANS-IIで使用する2.49 MeV陽子線による⁷Li(p, n)⁷Be反応^[用語7]の中性子収率は、陽子1μCあたり約10億個となり、RANSの1/10しかありません。しかし、RANSでは検出器位置が標的から2～5 m程度離れてしまうのに対し、RANS-IIでは標的から1 m以内と近くなるので、単位面積あたりの中性子数は多くなります。またRANS-IIでは、中性子発生が等方的ではなく前方に偏っているため無駄になる中性子が少なくなります。これらのことが有利に働き、十分な中性子量が検出器に到達すると考えられます。

図2は、2.49 MeV陽子線が80マイクロメートル（μm、1μmは100万分の1メートル）厚のLi標的に衝突した際に放出される中性子線の前方1m位置におけるエネルギー分布を、PHITSコード^[用語8]（Ver2.82, ENDF/B-VII.1の断面積を使用）により計算した結果です。モデレータ^[用語9]なしの場合、中性子線の最大エネルギーは約0.7 MeV、平均エネルギーは約0.6 MeVとなります。RANS-IIで予定されている最大陽子電流（100μA）を考慮すると、前方1m位置における全中性子束（単位時間、単位面積あたりの中性子数）は1.7×10⁵ cm^-2s^-1となり、高速中性子イメージングに関しては十分に実行可能な量であると判断されます。

また、RANSでは米国AccSys社より購入した加速器（型式名PL-7）を使用していますが、RANS-IIでは国産RFQ加速器を使用して自主開発しました。頻繁に移設することを考慮し、剛性の高い鉄を基材としています。加速空洞内は電気伝導性の高い銅をメッキした後、再度精密加工を施しています（加工製造：タイム株式会社）。組立中のRFQ加速器を図3に示します。本加速器は本体構造部品が3点のみと少なく、さまざま部品の調節が非常に容易かつ狂いにくいという特長を持ちます。具体的には、通常RFQ加速器はまず真空容器を製作し、その中に加速電極を設置していきます。一方、本加速器は三枚の鉄板を重ね合わせ、内部を機械加工でくり抜いて真空容器を形成していますが、このくり抜く過程で、加速電極となる部分を残してあります。つまり、真空容器と加速電極が三枚の鉄板からの削り出しで形成されています。部品点数が少ない、かつ剛性が高いことが本加速器の特長です。なお、加速器に入力する高周波の増幅には、200 kWの半導体アンプ（アールアンドケー株式会社製）を採用しました。本アンプは48個の小型アンプユニットが並列接続されており、予備ユニットを準備することにより現場での故障対応を迅速に行うことができます。

1. 機械加工を行った鉄材に銅メッキを施し、再度精密加工を行っている。画面中央奥へと向かう波状の電極は加速電極の一部で、上下左右の四列（右下図）で加速器を構成する。三枚の部材を重ね合わせることにより、右下のような上下左右の加速電極を形成する。これらに高周波を印加すると、イオンを加速する電場を形成するように設計されている。

RANS-IIは現在、理研和光事業所の中性子工学施設内に設けた専用スペースに設置され調整を行っています。Li標的に到達している陽子電流は約30μA（時間平均）で、中性子発生量は計算上毎秒2.7×10¹⁰個（全方向積分値、2019年10月末現在）であり、各種計測実験が可能な状態になっています。

今後の期待

本研究により、全長5 mの小型中性子源システムRANS-IIによる中性子線の発生に成功しました。現在、RANS-IIから発生される中性子線の特性計測（エネルギースペクトル計測）を実施しています。

RANS-IIの重要な役割は二つあります。一つは、インフラ非破壊計測を目指した可搬型小型中性子源のプロトタイプとしての役割です。この開発により、さらなる小型軽量化が可能となり、最終的には橋梁などの内部劣化を可視化する屋外非破壊計測システムの実現につながります。もう一つは、企業などの計測現場で手軽に利用可能なことを最終目標とした、普及型中性子源システムを実現する据置型モデルという役割です。

今後は中性子散乱計測を含めた総合システムへと開発ステップを進め、実用化へ向けたさらなる開発へと発展させる予定です。

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