中性子飛行時間

CERNコンプレックス
現在の粒子および核施設
LHC陽子と重イオンを加速する
レイルイオンを加速する
SPS陽子とイオンを加速する
PSB陽子を加速する
追伸陽子またはイオンを加速する
リニアック3LEIRに重イオンを注入する
リナック4イオンを加速する
広告反陽子を減速する
エレナ反陽子を減速する
イゾルデ放射性イオンビームを生成する
メディシス医療目的の同位元素を生産する
n_TOF実験エリア1（EAR1）内の4πカロリメータ

中性子飛行時間法（n_TOF）施設は、 CERNにある中性子分光計であり、飛行時間法を用いて、様々な運動エネルギー範囲における中性子-原子核相互作用を研究することを目的としています。この施設で行われる研究は、原子力技術および核天体物理学に応用されています。[ 1 ]この施設は、前CERN所長カルロ・ルビア氏による高強度中性子源の提案を受けて、2001年から稼働しています。[ 2 ] [ 3 ]

背景

飛行時間

飛行時間法は高エネルギーでの原子核構造の研究に有用である。[ 4 ]中性子誘起反応は、反応収量、特にその断面積における共鳴を観測することによって測定される。[ 5 ]原子核から中性子を除去するのに必要なエネルギー（中性子分離エネルギー）以下では、崩壊する原子核によって生成されるガンマ線スペクトルを測定することで遷移確率を推定することができる。この情報を使用して、崩壊する原子核の原子核準位に直接対応する共鳴をグラフ化することができる。原子核の質量が増加すると、原子核準位間の間隔は減少する、すなわち準位密度が増加する。準位密度は、原子核反応率に関する計算にとって重要な値であり、天体物理学的プロセスにも利用されている。[ 1 ]

核天体物理学

恒星からの光のスペクトル分析は恒星の元素組成の研究に利用されており、ほとんどの恒星はヘルツシュプルング・ラッセル図の主系列に沿って並んでいる。しかし、赤色巨星は光度が大きく、そのスペクトルは恒星内部で重元素の生成が起こっていることを示唆している。恒星で起こる2つの主要な過程は、急速中性子捕獲（r過程）と低速中性子捕獲過程（s過程）である。s過程は、鉄から鉛ビスマスまで、赤色巨星の元素存在比に大きく寄与している。s過程中には中性子捕獲とベータ崩壊が起こり、核安定の谷の中性子過剰側に沿って元素合成（新しい原子核の生成）を引き起こす。中性子捕獲測定はs過程の分岐比を決定するために使用され、これにより恒星の進化と元素の歴史についての理解が得られる。[ 1 ] [ 6 ]

原子力技術

現在の核分裂技術には、ウラン効率の低さや核廃棄物の大量発生など、いくつかの限界があります。未臨界加速器駆動システム（ADS）と第4世代高速炉は、これらの限界を軽減する可能性のある2つの解決策です。正確な中性子データ、特に高解像度かつ高精度の断面積データを取得することは、原子力システムの設計に不可欠です。[ 1 ]

実験セットアップ

第3世代n_TOF核破砕ターゲットの冷却ステーション

n_TOF施設は、陽子シンクロトロン（PS）から鉛ターゲットに照射される20 GeV/cの陽子ビームからなるパルス源で構成されています。[ 1 ] [ 7 ]使用される鉛ターゲットは液体窒素で冷却され、以前は水冷されていました（長期停止2以前）。この施設は、185 mの水平飛行経路と、後に運用開始時に追加された20 mの垂直飛行経路を備えています。この飛行経路は高エネルギー分解能を可能にし、垂直飛行経路によって低質量・低断面積のサンプルの測定に最適化されています。[ 7 ]

n_TOF実験エリア2（EAR2）

中性子は、陽子のパルスビームが鉛ターゲットに照射されると、中性子破砕反応によって生成されます。陽子1個につき約300個の中性子が放出されます。中性子は放出された後、まず鉛ターゲットによって減速され、その後、水を含むスラブによって減速されます。これにより、中性子の減速量が異なるため、meVからGeVまでの運動エネルギースペクトルが形成されるため、中性子エネルギーには幅広い範囲が存在します。最終的に、中性子はコリメートされ、飛行経路に沿って放出され、実験領域に到達します。[ 8 ] [ 1 ]

n_TOFは、42個の五角形および六角形のBaF 2結晶で作られた全吸収熱量計（TAC）を使用し、完全な立体角をカバーします。[ 9 ]この検出器は、中性子捕獲反応から生成されるガンマ線カスケードを測定するために使用され、これらの反応を検出する効率はほぼ100％です。[ 10 ] [ 9 ]

参考文献

  1. ^ a b c d e f「n_TOF – CERNの中性子飛行時間型施設」 ntof-exp.web.cern.ch . 2023年8月22日閲覧。
  2. ^パトロニス、N.;メンゴニ、A.グーラ、S.アベール、O.アルケイン、V.アルティエリ、Ｓ．アマドゥッチ、S.アンジェイエフスキー、J.バビアーノ＝スアレス、V.バク、M.バリブレア・コレア、J.ベルトラミ、C.ベネット、S.バーナルデス、AP通信。 Berthoumieux、E. (2023 年 12 月)。「2回目のCERN長期停止期間後のn_TOF施設の状況報告」。EPJ のテクニックと計測。10 (1) 13: 1–10 .土井: 10.1140/epjti/s40485-023-00100-w。hdl : 10481/84936。ISSN 2195-7045 . 
  3. ^ 「n_TOF 20周年を祝う」 CERN Courier 2022年2月7日2023年8月22日閲覧。
  4. ^ Hirsh, Tsviki Y.; Leong, Andrew FT; Losko, Adrian S.; Wolfertz, Alexander; Savage, Daniel J.; Jäger, Tim T.; Rakovan, John; Wall, James J.; Long, Alexander M.; Vogel, Sven C. (2025-04-15). 「イベントカメラ技術を用いた粒子配向マッピングを含むエネルギー分解中性子イメージングおよび回折」 . Scientific Reports . 15 (1): 12901. Bibcode : 2025NatSR..1512901H . doi : 10.1038/s41598-025-96790-1 . ISSN 2045-2322 . 
  5. ^ 「代替データによる中性子誘起反応の断面積：(n,n')および(n,2n)反応のWeisskopf-Ewing近似の再検討」 . osti.gov .
  6. ^ 「CERN中性子飛行時間施設（n_TOF）における$^{151}\mathrm{S}\mathrm{m}$の中性子捕獲断面積測定」 . Physical Review Letters . 93 (16) 161103. 2004-10-14. doi : 10.1103/PhysRevLett.93.161103 . hdl : 11441/62694 . PMID 15524972 . 
  7. ^ a bスタマティ、マリア＝エリッソ;パトロニス、ニコラス。バカ、マイケル。アマドゥッチ、シモーネ。 Casanovas Hoste、アドリア;ガルシア・インファンテス、フランシスコ。マナ、アリス。メンゴニ、アルベルト。パボン・ロドリゲス、ホセ・アントニオ。プラエナ・ロドリゲス、アントニオ・ハビエル。スペルタ、ミケーレ (2022-10-17)。「n_TOF/CERN施設のフェーズ4の準備」。HNPS による核物理学の進歩。28 : 109–111 .土井: 10.12681/hnps.3610。ISSN 2654-0088。 
  8. ^ "nTOF | CERN" . home.cern . 2017年9月5日閲覧。
  9. ^ a bゲレーロ、C.アメリカ、アボンダンノ。アーツ、G.アルバレス、H.アルバレス・ベラルデ、F.アンドリアモンジェ、S.アンジェイエフスキー、J.アシマコプロス、P.オードゥアン、L.バドゥレク、G.バウマン、P.ベチュヴァーシュ、F.ベルトーミュー、E.カルヴィーニョ、F.カルヴィアーニ、M. (2009-09-21)。「CERN における中性子捕獲測定用の n_TOF 全吸収熱量計」。物理学研究における核機器および方法 セクション A: 加速器、分光計、検出器および関連機器。608 (3): 424–433。ビブコード: 2009NIMPA.608..424G。土井：10.1016/j.nima.2009.07.025。ISSN 0168-9002。 
  10. ^ゲレーロ、C.カノオット、D. E.メンドーサ。テイン、JL;アルゴラ、A.ベルトーミュー、E.コロンナ、N.ドミンゴ・パルド、C.ゴンザレス・ロメロ、E.ハイル、M.ジョーダン、D.ケッペラー、F.ランプーディス、C.マルティネス、T.マッシミ、C. (2012-04-11)。「n_TOF 全吸収熱量計のモンテカルロ シミュレーション」。物理学研究における核機器および方法 セクション A: 加速器、分光計、検出器および関連機器。671 : 108–117 . Bibcode : 2012NIMPA.671..108G。土井：10.1016/j.nima.2011.12.046。ISSN 0168-9002。 
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