共鳴公式とパラメータ評価1 2006.2.1 共鳴公式とパラメータ評価...

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1 2006.2.1 共鳴公式とパラメータ評価 原子力機構 水本 元治 原研リニアックとORELAでの経験 平成18年2月1日 核データ・チュートリアル 原子力機構先端基礎交流棟大会議室 CPAF-JAEA

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1

2006.2.1

共鳴公式とパラメータ評価

原子力機構 水本 元治

原研リニアックとORELAでの経験

平成18年2月1日核データ・チュートリアル

原子力機構先端基礎交流棟大会議室

CPAF-JAEA

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2006.2.1

講 義 内 容

1.中性子反応断面積と中性子共鳴とは

2.中性子共鳴断面積の測定実験

3.共鳴パラメータ(ブライト・ウィグナーの公式)

4.共鳴パラメータの解析例

5.まとめ

CPAF-JAEA

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2006.2.1

中性子反応と断面積

反応の前後で保存エネルギー(質量を含む)、運動量、角運動量、電荷、核子数、パリティー

YbaX ),(

a:入射粒子X:標的核Y:残留核b:放出粒子

弾性散乱、非弾性散乱核変換(捕獲、吸収、分裂)

bYXa +→+CPAF-JAEA

[ ]21 −−⋅⋅= cmsndNdY abaxab σll

反応の収量

断面積 σab =毎秒標的核1個当たりに起こる反応の数

毎秒1cm2当たりに入射する粒子の数

面積の次元(cm2)を持つ。通常10-24cm2(バーン)

na

Nx

σab

a b

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4

2006.2.1

水素、炭素、鉄の中性子反応断面積(JENDL3.3)

水素(Hydrogen)

炭素(Carbon)

CPAF-JAEA

鉄(Ion)

σs= 20.491±0.014bσγ= 0.3326±0.0007b

σs= 4.740±0.005bσγ= 3.50±0.07mb

EL=2.078-12.1MeV~20 resonances

Do=17±2keVD1=4.0±0.4keV

σs= 12.46±0.49bσγ=2.59±0.14b

EH=850keV

t303 (s33,p142,d128)

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2006.2.1

149Smとウランの中性子断面積CPAF-JAEA

Do=2.2±2keV

σs= 197bσγ= 401400±600b

EH=520eV158 resonances

149Sm

natUEH=2.25keV

3165 resonancesEH=10keV

s473,p1129 resonances

Do=0.44±0.06eV

Do=20.9±1.16eVD1=7.2±0.4eV

235U

238U

σs= 9.38±0.09bσγ= 2.680±0.019b

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2006.2.1

10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 105 106 107 10810-4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

103

104

105

237Np JENDL-3.3

Cro

ss S

ection

(b)

Neutron Energy (eV)

JENDL-3.3 ENDF/B-VI, JEFF-3 Stupegia+('67) Lindner+('76) Weston+('81) Trofimov+('83) Buleeva+('88) Buleeva+('88) Kobayashi+('93) Smith+('57) Tattersall+('60)

10-1 100 10110-2

10-1

100

101

102

103

104

105

237Np Capture JENDL-3.3

Cro

ss S

ection (

b)

Neutron Energy (eV)

JENDL-3.3 Point Weston+('81)

10-1 100 10110-2

10-1

100

101

102

103

104

105

237Np Capture JENDL-3.3

Cro

ss S

ection (

b)

Neutron Energy (eV)

JENDL-3.3 Point Weston+('81)

共鳴領域

連続領域

中性子捕獲断面積CPAF-JAEA

237Npの捕獲断面積

Resonance Region

熱中性子領域

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2006.2.1

D =100 keVSn =4~10 MeV

A+1X

AX

D =10 eVn + σ

En

En

中性子反応

中性子結合エネルギー(Neutron Binding Energy)

ターゲット核(Target Nucleus)

複合核 (Compound Nucleus)

γ線を出して崩壊

CPAF-JAEA

SnH: 2.225MeV12C: 4.946MeV56Fe: 7.646MeV149Sm: 7.985MeV235U: 6.546MeV238U: 4.806MeV

Fission

α

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2006.2.1

共鳴理論

• 共鳴パラメータ

J とLごとにE’, Γn, Γx を評価

∑∑ ∑Γ+−

ΓΓ=

l J rrr

xrnrJxn

EEg

kE

222,

41)'(

)( πσ

CPAF-JAEA

・ Breit-Wigner 公式G. Breit and E.P. Wigner Phys. Rev., 49, 519 (1936).

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2006.2.1

Eugene Wigner

Eugene Paul Wigner (November 17, 1902 – January 1, 1995) was a Hungarian physicist and mathematician who received the Nobel Prize in Physics in 1963 "for his contributions to the theory of the atomic nucleus and the elementary particles, particularly through the discovery and application of fundamental symmetry principles". In 1939and 1940, Dr. Wigner played a major role for a Manhattan Project. In 1946, Wigner accepted a job as director of research and development at Clinton Laboratory (now Oak Ridge National Laboratory) in Oak Ridge, Tennessee. Wigner returned to teaching and research at Princeton University.

Gregory Breit (July 14, 1899 – September 11, 1981) was an Russian-born American physicist, professor at universities in New York, Wisconsin, Yale, and Buffalo. Together with Eugene Wigner he gave a description of particle resonant states. During the early stages of the war, Breit was chosen to supervise the early design of the first atomic bomb during an early phase in what would later become the Manhattan Project.

Gregory Breit http://en.wikipedia.org/wiki/Eugene_Wigner Gregory_Breit

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2006.2.1

λλ

λ

WEidteeEF htiWhiEt

−=∝ −∞

∫1)( /

0

/ h

複合核準位λが形成される確率振幅 Fλ(E)

全系の波動関数

)(iEW 0>−= λλλλ ΓΓ

)()/exp( EiEt Ψ− h λXiWt )/exp( h−

)(, EX Ψλ

準位λの波動関数

波動関数の時間によらない部分

λλβα WE

EFES res −∝∝

1)()(,

4/)(11)( 222

2

,2λλα

βαα

πΓ+−

∝=EEk

ESk res

複合核過程の断面積

CPAF-JAEA

確率振幅 Resonance

Off-Resonance

λ

Sn

Resonance

Off-Resonance

λ

Sn

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2006.2.1

JENDL3.3の共鳴順位のデータの例(natFeの全断面積)

CPAF-JAEA

K.Shibata et al.,J.Nucl.Sci.Technol.,39(2002)1125

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2006.2.1

JENDL3.3 Resonance Parameters of 109Ag(Example)

CPAF-JAEA

以下略

ZA AWR NIS(No. of Isotopes)

ZAI(Z,A)

ABN (Abundance)

SPI AP (Radius)EL EH

LRU Resolved resonance)

LRF(MLBW)

ERi AJi GTi GNi GGi GFi MAT (Material No.)i

MF=2

MT=151

NERNRO

NLS (No. of ℓ)

NRS

6*NRS

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2006.2.1

222

41 λλ

λλ

ΓΓΓ

πσ/)EE(

)E( xnx,n

+−= D

⎪⎪⎭

⎪⎪⎬

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

+−

++−

−−−+

=

22

2

222

2

41

412122

4

λλ

λ

λλ

λλλ

ΓΓ

ΓΓ

Γ

πσ

/)EE()(

/)EE()kRcos(kRsin)EE(

kRsin

)E(n

n

n,n D

Breit Wigner の一準位公式(共鳴間・反応間のInterference(干渉)がない場合)

ピーク断面積

ΓΓ

ΓΓ

πσ nn gA

A)eV(E

*.g 2

0

62

011060824 ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

== D

ΓΓ

σσ λγ 00 =

ΓΓ

σσ nn 00 =

CPAF-JAEA

散乱断面積

捕獲断面積

散乱 捕獲

全断面積

)E()E()E( ,nn,nT,n γσσσ +=

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2006.2.1

lnj

jj

l

ln

l gE)l(D)l(

gS Γ

Δ

Γ∑+

=+

=121

12

l

njlnj VE

eV ΓΓ 1

=

中性子強度関数

Reduced Neutron Width

0

0

0 D

gS nΓ

=

njnj EeV ΓΓ 10 =

S-wave

)I(J

)I)(i(JgJ 122

121212

12++

=++

+=

Spin statistical weight factor

Average level spacinglD

CPAF-JAEA

000 DSEgEg njjnjj == ΓΓ

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2006.2.1

共鳴パラメータのコンピレーションCPAF-JAEA

1. Said. F. Mughabghab et al.: “Neutron Cross Sections, Vol. 1, Part A, Z=1-60”, Academic Press (1981). “Neutron Cross Sections, Vol. 1, Part B, Z=61-100”, Academic Press (1984)

2. S.I. Sukhoruchkin et al.: “Low Energy Neutron Physics”, Landolt-Börnstein (1998)

3. Said F. Mughabghab : ”Atlas of Neutron Resonances : Resonance Parameters and Thermal Cross Sections. Part A: Z=1-50. Part B: Z=51-100(HRD)” /Publisher:ElsevierPublished 2006/03 (出版予定) US$314.00

参考書

J.A.Harvey ed.,”Experimental Neutron Resonance Spectroscopy”, Publisher: Academic Press 1970

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2006.2.1

Energy=120MeV Flight path =40m, 55m, 190m Rep=10-600ppsPulse width=20ns-20us

JAERI LINAC Resonance ExperimentsCPAF-JAEA

FP(Ag,Eu,Nd,Sm,Cs・・・,238U

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2006.2.1

The Oak Ridge Electron Linear Accelerator (ORELA)

150 MeV e- linac.

Δt = 2 – 30 ns.

P < 60 kW.

Rate = 1 – 1000 Hz.

11 Flight Paths.

8-18, 20, 35, 40, 85, 150, and 200 m flight stations.

Flight path #740 station

ORELA206,207,208Pb, Capt., Trans.159Tb, Capt.136Xe,Capt, Trans

CPAF-JAEA

(n.γ)

Transmission

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2006.2.1

CPAF-JAEA

全断面積の測定

Neutron Source Sample Detector

Start:T0 Stop:Ts

L: Flight Path LengthT: Flight time (Ts-T0)

L=190m

2

0

22 372

21

21

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−×

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛==

ttL.

tLmmvE

s

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19

2006.2.1

全断面積(透過率測定Transmission)

CPAF-JAEA

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20

2006.2.1

Transmission ExperimentCPAF-JAEA

)nexp(mon/)BkgI(mon/)BkgI(

T toutoutout

ininintrans σ−=

−−

=

109Ag(5.19eV)

59Co(132eV)

55Mn(336eV)

Thermal Bump115In(1.457eV)

)Tlog(n transt1

−=σ

Black Resonance Filter Method for Background Determination

Sample Changer to compensate the neutron fluctuation

Iin: sample in countsIout:sample out countsBkgin:Background (to sample in)Bkgout:Background (to sample out)mon: monitor counts

Ttrans: Transmissionσt: total cross sectionn:sample thickness

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2006.2.1

55m 捕獲断面積測定装置3500l LLSD 47m 散乱断面積測定装置

6Li 検出器

47m and 55m flight station

捕獲・散乱断面積測定CPAF-JAEA

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2006.2.1

捕獲断面積測定CPAF-JAEA

[ ] msssabaxab CCcmsndNdY ××⋅⋅= −− 21σll

反応の収量

Css: Self-shielding CorrectionCms: Multiple scattering correction

Sample thickness correctionis necessary

Css

Cms

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2006.2.1

散乱断面積測定CPAF-JAEA

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24

2006.2.1

核分裂断面積測定

CPAF-JAEA

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25

2006.2.1

( )( ) 2122

2122

23722

22/

n

/

)L/dL()E*)L*./(dt(

)L/dL()t/dt(E/dE

+=

+=

[ ]2222

2

2

32

1

)L/L()t/t(E

)E(f)EE(expdE)E(f

cLc

"

Lc

""

LcLc

ΔΔΔ

ΔπΔ

+=

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧ −−≈ ∫

∞−

222 372

21

21

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ×

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛==

tL.

tLmmvE

kg.kg))s/m(,/(.))s/m(,/()MeV(m

2728136

28

1067511099792106021109381099792938

−− ×=××××=

×=

Resolution BroadeningCPAF-JAEA

Target(Moderator) Sample

(Detector)

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2006.2.1

materialsampleofetemperatureffective:T,ttanconss'Boltzmann:k

,massetargt:M,neutronofmass:m

MmEkT

)E()EE(expdE)E(

D

"

D

""

DD

4

1

2

2

2

=

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧ −−≈ ∫

∞−

Δ

σΔπΔ

σ

Doppler BroadeningCPAF-JAEA

Thermal Motionn

M

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2006.2.1

コード(SAMMY)によって再現された149Sm 共鳴

CPAF-JAEA

000 DSEgEg njjnjj == ΓΓ

ΓΓ

σσ λγ 00 =

ΓΓ

ΓΓ

πσ

n

n

gA

A

)eV(E*.g

2

0

62

0

1

1060824

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

== D

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2006.2.1

149Sm 共鳴パラメータBNL-325

Γγ: constantΓn is proportional to Sqrt(En)

CPAF-JAEA

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29

2006.2.1

147Sm and 149Sm 共鳴解析

Nuclear Physics A357(1981)90

CPAF-JAEA

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30

2006.2.1

206Pb 全断面積と捕獲断面積

ORELA Exp Phys. Rev. C19 (1979) 335

CPAF-JAEA

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2006.2.1

実験解析コード

Atta-Harvey : Trans. Single Level B-W, Area Analysis, Atta-HarveySIOB: Trans. Multi-Level B-W, Shape Analysis, de Saussure et al.TACASI: Trans, Capt., Self Indication, Single Level B-W,

Shape&Area, FrohnerLSFIT: Cap. Single Level B-W, Shape&Area, MacklinSAMMY: Trans. Capt. Fission etc., Reich Moore, Larson

Resonance-resonance interferenceResonance self-shieldingDoppler broadeningMultiple scatteringExperimental resolution broadening

Normalization, Background Fitting

CPAF-JAEA

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2006.2.1

The MLBW formulation does not include level-level interference nor the multi channel features of RM

For isolated resonances of non-fissile nuclei, the values for these parameters would be equal in the two cases.

In the MLBW approximation, all off-diagonal elements of level matrix A are neglected.

In the RM approximation, only those off-diagonal elements arising from photon channels are neglected.

Sammy R-M、 MLBWCPAF-JAEA

Reich-Moore 公式C.W. Reich and M.S. Moore Phys. Rev., 111, 929 (1958)

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2006.2.1

Area Analysis

原子力学会誌Vol.23 (1981) 709 中川等

238U 66.01eV

γγ

γγγ

γγγ

Γ

ΓΓΓ

ΓΓΓΓ

gA

))g/(g/(gA

)/(gAnelkerCapture

n

nn

<

+=

+=

1

CPAF-JAEA

注意

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2006.2.1

Area Analysisの例

M.Ohkubo J.Nucl.Sci.Technol.16(1979)701

CPAF-JAEA

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2006.2.1

SIOB Analysis(サンプルの厚さによる効果)CPAF-JAEA

gΓn=5.6meVΓγ=23.5meV

gΓn=4.2meV

gΓn=0.83meV

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2006.2.1

SIOB Analysis for 107Ag and 109Ag

For analyses,Γγ=130meV for 107AgΓγ=140meV for 109Agare assumed

CPAF-JAEA

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2006.2.1

Fig. 4a. gΓn0 versus energy for levels in 147Sm.

The slope gives the s-wave strength function.

Fig. 4b. gΓn0 versus energy for levels in 149Sm. The

slope gives the s-wave strength function. The dotted line shows a simple average.

Cumulative LevelCPAF-JAEA

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2006.2.1

図 s-波中性子強度関数の実験と理論の比較。実験と波線はそ

れぞれ変形、球形核光学モデルの計算による

S-波強度関数CPAF-JAEA

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2006.2.1

図 P-波中性子強度関数の実験と理論の比較。実験と波線はそれぞれ変形、球形核光学モデルの計算による。A=160近傍にある小さなピークはBuckとPereyによって予想された4P巨大共鳴の 回転分離による。

P-波強度関数CPAF-JAEA

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2006.2.1

Level Missing for 107Ag and 109Ag

D=20eV for 107AgD=20eV for 109Ag

Moore procedure for missing resonances using the moments of the reduced neutron width distribution. truncated Porter Thomas distribution

Weight for -wave contribution is calculated by Bayes theorem

( ) ( ) ( )200niiniii g/g ΓωΓωω ∑∑∑

( )iω

CPAF-JAEA

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2006.2.1

Fig. 5b. Histograms of observed (gΓn0 MeV)1/2

values for 149Sm The results for two choices of upper limits are shown.

Porter Thomas DistributionCPAF-JAEA

2

21 x

ex

)x(P−

00 nnx ΓΓ=

Measured at 55m flight path

NP, A357(1981)90

Chi-squared distribution with the degree of freedom ν=1

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2006.2.1

Wigner Distribution

原子力学会誌Vol23(1981)624

Measured at 190m flight path

CPAF-JAEA

2

222

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

⎟⎟

⎜⎜

⎛= D

D

eDD)D(P

ππ

The behavior of the eigenvalues of a symmetric matrix with random Gaussian distribution

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2006.2.1

S-波中性子平均放射幅の質量依存性。実線は実験データをなぞる。

S-波平均放射幅CPAF-JAEA

xex),x(P

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

= 21

2

22

2νν

ννΓ

π

ν放射幅の分布

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2006.2.1

P-波中性子平均放射幅の質量依存性。

P-波の平均放射幅CPAF-JAEA

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2006.2.1

D-波中性子平均放射幅の質量依存性。実線は計算値

D-波平均放射幅CPAF-JAEA

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2006.2.1

SIOB 148SmDifferent sample thickness

55m flight path

JAERI memo 61-048 (1986)

Maximum energy 8.4keV

CPAF-JAEA

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2006.2.1

Tb Capture Cross Section

Phys.Rev.C17(1978)522

CPAF-JAEA

With LSFIT

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2006.2.1

(a) The resonance near 18.4 keV is not larger than the resolution of 0.1%. The curve shows a pl/2 assignment and gives a better fit than p3/2.The 134Xe resonance near 17.7 keV has a width exceeding the resolution. The peak cross section is proportional to the statistical weight factor which gives a unique p3/2 assignment.

(b) The strong resonance near 480 keV could not be fitted with a single p3/2 resonance.

(c) It was necessary to introduce a p1/2resonance with the same energy to obtain the reproduction of the transmission dip.

Transmission of 136Xe+n136Xe93.6% enrich

The 137Xe neutron resonances can be excited through beta decay from 137I .

Phys. Rev. C31 (1985) 2041

SAMMY AnalysisCPAF-JAEA

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2006.2.1

Sammy R-M、 MLBWCPAF-JAEA

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2006.2.1

共鳴領域の核分裂断面積

55 60 65 70 75

10 0

10 1

10 2

10 3

Neutron Energy (eV)

Cro

ss S

ectio

n (b

)

84 Weston+88 Schrack

JENDL-3.2 (R-M)JENDL-3.1 (B-W)

235 U(n,f)235U(n,f)

CPAF-JAEA

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2006.2.1

Minor Actinide LLFP Long Lived Fission Product

8530y 2,3x106y

全立体角型多重ガンマ線検出装置

クラスター検出器クローバー検出器

BGOサプレッサ

まとめ共鳴測定の今後の課題

高精度化放射性核種の測定(微少サンプル、高中性子束、

バックグランドの低減)

CPAF-JAEA