ガンマ線核種分析研究グループ

研究内容

電子加速器とレーザーの先端技術の融合による従来にない高輝度ガンマ線の発生と、これを用いた放射性核種の非破壊分析技術の研究を行っています。高輝度ガンマ線を用いると、数cmの厚さの金属や数十cmのコンクリート・水を透過して内部の物質の分析が可能です。

電子加速器とレーザーの融合による高輝度ガンマ線の発生

電子加速器で生成した高エネルギー電子とレーザー光を衝突させると、電子の持つエネルギーがレーザー光に与えられ、「高エネルギーの光」＝ガンマ線（レー ザーコンプトンガンマ線）が発生します。レーザーコンプトン（LCS）ガンマ線は、単色性、エネルギー可変性、偏光性や指向性において極めて優れた性質を もつ次世代のガンマ線光源です。大強度で、高い単色度のガンマ線を発生させるためには、電子ビームやレーザー光を小さく絞る技術や短パルス化の技術が必要 になります。

原子核とガンマ線の反応

ガンマ線と原子核の反応である核共鳴蛍光散乱を用いた核物質の非破壊分析法を提案しています。原子核に直接ガンマ線を照射し、原子核に特有な準位を励起 し、放出ガンマ線を観測することによって、核種の識別を行います。例えば、ガンマ線のエネルギーを、 12Cと235Uの共鳴準位エネルギーである4439keVと2003keVに合わせ、核共鳴散乱ガンマ線を観測することにより、これらの核種を識別する ことができます。この際、単色度の高いレーザーコンプトンガンマ線を用いることにより、精度の高い測定が可能になります。

原子力への貢献

地球温暖化防止、エネルギー安全保障の観点から原子力発電所の建設が世界的に進められています（原子力ルネッサンス）。原子力発電を世界各国に普及させる にあたっては、平和利用を担保する「核不拡散、保障措置」の枠組みが重要です。われわれは、原子炉使用済燃料中のプルトニウム非破壊測定に、ガンマ線核種 分析の技術を応用することを提案しています。これにより、原子炉で生成したプルトニウムが核兵器へ転用されていないことが確認できます。ガンマ線を使った プルトニウム非破壊測定の実用化を目指して、平成23年度から技術開発プログラムを開始しました。

高輝度ガンマ線の発生と利用をめざした基盤技術の開発

高輝度ガンマ線の発生と利用に必要な基盤技術の開発を進めています。

金属や半導体などの光陰極にレーザーを照射すると、内部電子がその表面に取り出されます。この電子にDC（直流）加速電界を与えることで、電子ビームの発 生が可能になります。この原理を用いた光陰極DC電子銃では、レーザーで電子ビーム密度を制御し、従来不可能であった高性能（大電流・高輝度）電子ビーム を生成できます。

現在、国内外の加速器研究所で、光陰極DC電子銃の開発競争が繰り広げられています。高性能電子ビーム生成には、電子銃での高エネルギー加速が鍵となりま す。われわれは独自の分割型セラミック管を用いて、平成21年に世界最高の500kV高電圧印加にいち早く成功し、開発競争を一歩リードしています。

高輝度のガンマ線を発生するためには大電流電子ビームを安定に加速する必要があります。そこで、われわれは、高エネルギー加速器研究機構（KEK）、東京 大学と共同で、新型超伝導加速空洞の開発を進めています。加速に有害な高調波の発生を抑えるために様々な工夫を取り入れています。

また、レーザーコンプトンガンマ線源実用化のためには加速空洞の小型化・高効率化が必要であり、スポーク型空洞と呼ばれる形状の超伝導加速空洞の開発も進めています。3次元電磁場解析コードを用いて、超伝導加速空洞、形状の最適化を行っています。

超伝導リニアック（線形加速器）で加速した電子ビームは、放射光やレーザーコンプトン散乱によるガンマ線発生などに用いられます。このとき、電子ビームの エネルギーはほとんど使われずに残ってしまいます。そこで電子ビームを超伝導リニアックで減速し、高周波エネルギーとして回収すれば、後続の電子ビームの 加速に再利用できます。これがエネルギー回収型リニアック（ＥＲＬ）の原理ですＥＲＬでは、少ないエネルギー供給で電子ビームを効率よく連続的に加速する ことができます。

レーザーコンプトンガンマ線の開発に加え、核共鳴蛍光散乱ガンマ線を計測する測定システムが必要で、その基礎研究も行っています。多数のガンマ線検出器を組み合わせた複合システムを用います。

また、測定システムの研究開発にはシミュレーションコードが必要です。しかし、研究を開始した当初、そのような計算が可能なシミュレーションコードがあり ませんでした。そのため、素粒子物理や原子核物理で広く使われているGEANT4を用いて、核共鳴蛍光散乱が計算できるように拡張しました。開発したコー ドを使って様々なシミュレーションを行っています。

最近の研究成果

グループメンバー

羽島　良一 Read & Researchmap 研究者情報へ 主任研究員、 グループリーダー
早川　岳人 Read & Researchmap 研究者情報へ 研究主幹
静間　俊行 研究主幹
沢村　勝 Read & Researchmap 研究者情報へ 研究主幹
永井　良治 Read & Researchmap 研究者情報へ 研究副主幹
西森　信行 Read & Researchmap 研究者情報へ 研究副主幹
菊沢　信宏 研究員
エンジェル・クリストファー (Christopher Angell) 研究員
藤原　守 Read & Researchmap 研究者情報へ 客員研究員
大垣　英明 Read & Researchmap 研究者情報へ 客員研究員
松葉　俊哉 博士研究員

論文リスト

2009-2012

  1. Toshiyuki Shizuma, Takehito Hayakawa, Ryoichi Hajima, Nobuhiro Kikuzawa, Hideaki Ohgaki, and Hiroyuki Toyokawa, Nondestructive identification of isotopes using nuclear resonance fluorescence, Rev. Sci. Instrum. 83, 015103 (2012).
  2. T Shizuma, T Hayakawa, H Ohgaki, H Toyokawa, T Komatsubara, A Tamii and H Nakada, Nuclear resonance fluorescence measurements by quasi-monochromatic linearly polarized photon beams, J. Phys.: Conf. Ser. 312 092056 (2011).
  3. 島田美帆, 羽島良一, コヒーレントシンクロトロン放射光による逆コンプトン散乱, 放射光, 第24巻, 321-329 (2011)
  4. 大垣英明, 早川岳人, 核共鳴蛍光による隠匿された物質の非破壊同位体分析, 応用物理, 第80巻, 955-959 (2011)
  5. Hiroyuki Toyokawa, Hideaki Ohgaki, Takehito Hayakawa, Toshiteru Kii, Toshiyuki Shizuma, Ryoichi Hajima, Nobuhiro Kikuzawa, Kai Masuda, Fumito Kitatani, and Hideo Harada, Two-Dimensional Isotope Imaging of Radiation Shielded Materials Using Nuclear Resonance Fluorescence, Jpn. J. Appl. Phys. 50, 100209 (2011) Rapid Communication.
  6. H. Toyokawa, T. Hayakawa, T. Shizuma, R. Hajima, K. Masuda, H. Ohgaki, Nondestructive inspection of explosive materials using linearly polarized two-colored photon beam, Nucl. Instrum. Meth. A652, 21-24 (2011).
  7. Toshiyuki Shizuma, Ryoichi Hajima, Takehito Hayakawa, Mamoru Fujiwara, Takashi Sonoda, Michio Seya, Proposal for an advanced hybrid K-edge/XRF densitometry (HKED) using a monochromatic photon beam from laser Compton scattering, Nucl. Instrum. Meth. A654, 597-603 (2011).
  8. Hokuto Iijima, Ryoji Nagai, Nobuyuki Nishimori, Ryoichi Hajima, High-brightness electron sources for a next-generation light source based on an energy recovery linac, Electrical Engineering in Japan, 177, 46-53 (2011).
  9. S.J. Steer, T. Shizuma et al., Isomeric states observed in heavy neutron-rich nuclei populated in the fragmentation of a 208Pb beam, Phys. Rev. C 84, 044313 (2011).
  10. N Nishimori, R Nagai, M Yamamoto, Y Honda, T Miyajima, H Iijima, M Kuriki, M Kuwahara, S Okumi, T Nakanishi and R Hajima, Development of a 500-kV Photocathode DC Gun for ERLS, Journal of Physics: Conference Series, 298, 012005 (2011).
  11. K. Setoodehnia, A. A. Chen, T. Komatsubara, S. Kubono, D. N. Binh, J. F. Carpino, J. Chen, T. Hashimoto, T. Hayakawa, Y. Ishibashi, Y. Ito, D. Kahl, T. Moriguchi, H. Ooishi, A. Ozawa, T. Shizuma, Y. Sugiyama, and H. Yamaguchi, Spins and parities of astrophysically important 30S states from 28Si(3He, nγ)30S, Phys. Rev. C 83, 018803 (2011).
  12. M. Sugawara, H. Kusakari, Y. Yoshizawa, H. Inoue, T. Morikawa, T. Shizuma, and J. Srebrny, Coulomb excitation of 156Gd, Phys. Rev. C 83, 064308 (2011).
  13. R. Hajima, Energy Recovery Linacs for Light Sources, Reviews of Accelerator Science and Technology 3, 121 (2010).
  14. M. Shimada and R. Hajima, Inverse Compton scattering of coherent synchrotron radiation in an energy recovery linac, Phys. Rev. ST Accel. Beams 13, 100701 (2010).
  15. M-K. Cheoun, E. Ha, T. Hayakawa, T. Kajino, S. Chiba, Neutrino reactions on 138La and 180Ta via charged and neutral currents by the quasiparticle random-phase approximation, Phys. Rev. C82, 035504 (2010).
  16. T. Hayakawa, P. Mohr, T. Kajino, S. Chiba, G.J. Mathews, Reanalysis of the (J=5) state at 592 keV in 180Ta and its role in the υ-process nucleosynthesis of 180Ta in supernovae, Phys. Rev. C82, 058801 (2010).
  17. T. Hayakawa et al., Isomer residual ratio of odd-odd isotope 180Ta in supernova nucleosynthsis, AIP Conf. Proc. 1238, 222 (2010).
  18. T. Hayakawa et al., Thermal neutron capture cross-section to 113Cd isomer for the study of s-process origin of 115Sn, AIP Conf. Proc. 1238, 225 (2010).
  19. T. Hayakawa, Photo-nuclear astrophysics in NewSUBARU γ-ray source, AIP Conf. Proc. 1269, 315 (2010).
  20. 羽島良一, エネルギー回収型リニアック(ERL)におけるビーム物理, プラズマ・核融合学会誌 86, 473 (2010).
  21. T. Hayakawa et al., New estimate for the time-dependent thermal nucleosynthesis of 180Tam, Phys. Rev. C 81, 052801(R) (2010).
  22. R. Nagai et al., High-voltage testing of a 500-kV dc photocathode electron gun, Rev. Sci. Instrum. 81, 033304 (2010).
  23. M. Sawamura et al., Eccentric-fluted beam pipes to damp quadrupole higher-order modes, Phys. Rev. ST Accel. Beams 13, 022003 (2010).
  24. R. Takahashi, T. Shizuma et al., In-beam γ-ray spectroscopy of 248,250,252Cf by neutron-transfer reactions using a Cf target, Phys. Rev. C 81, 057303 (2010).
  25. H. Iijima et al., Frequency-resolved optical gating system with a tellurium crystal for characterizing FELs in the wavelength range of 10-30μm, Rev. Sci. Instrum. 80, 123106 (2009).
  26. H. Iijima et al., High-brightness electron sources for a next generation light source by an energy recovery linac, IEEJ transactions on electronics, information and systems, 129 (2009) ,pp.253-258.
  27. R. Hajima et al., Detection of radioactive isotopes by using laser Compton scattered γ-ray beams, Nucl. Instr. Meth. A608, S57 (2009).
  28. T. Hayakawa et al., Nondestructive detection of hidden chemical compounds with laser Compton-scattering gamma rays, Rev. Sci. Instrum. 80, 045110 (2009).
  29. N. Kikuzawa et al., Nondestructive Detection of Heavily Shielded Materials by Using Nuclear Resonance Fluorescence with a Laser-Compton Scattering γ-ray Source, Appl. Phys. Express 2, 036502 (2009) .
  30. T. Hayakawa et al., Neutron Capture Cross Section to 113Cd isomer and s-Process Contribution to Rare p-Nuclide 115Sn, Astrophysical Journal 707, 859 (2009).
  31. T. Hayakawa et al., Reply to Comment on `138La-138Ce-136Ce nuclear Cosmochronometer of supernova neutrino process’, Phys. Rev. C 79, 059802 (2009).
  32. T. Shizuma et al., A 3-quasiparticle isomer in neutron-rich 183Ta, Eur. Phys. J. A 39, 263 (2009).
  33. N. Nishimori et al., Development of an electron gun for an ERL based light source in Japan, N. Nishimori et al., AIP Conf. Proc. 1149, 1094 (2009).
  34. A. B. Garnsworthy, T. Shizuma et al., Isomeric states in neutron-deficient A~80-90 nuclei populated in the fragmentation of 107Ag, Phys. Rev. C 80, 064303 (2009).
  35. Zs. Podoly?k, T. Shizuma et al., Weakly deformed oblate structures in 76198Os122 , Phys. Rev. C 79, 031305(R) (2009).