Calculations of damage energy spectra of nuclear reaction products and plan for displacement damage cross section measurements using 120 GeV protons at FNAL

核反応生成物の損傷エネルギースペクトルの計算とFNALにおける120GeV陽子を用いたはじき出し損傷断面積測定の計画

岩元 洋介   ; 橋本 慎太郎  ; 吉田 誠*; 岩元 大樹   ; 明午 伸一郎   ; 米原 克也*; Spina, T.*; Hurh, P.*

Iwamoto, Yosuke; Hashimoto, Shintaro; Yoshida, Makoto*; Iwamoto, Hiroki; Meigo, Shinichiro; Yonehara, Katsuya*; Spina, T.*; Hurh, P.*

高エネルギー陽子照射下の構造材の欠陥生成の解明において、核反応生成物による材料中の損傷エネルギースペクトルが重要となる。しかし、広い陽子エネルギー範囲にわたって、損傷エネルギースペクトルは明らかになっていない。本研究では、粒子・重イオン輸送計算コードPHITSを用いて、10MeVから120GeVの陽子照射によるタングステン中の全核反応生成物による損傷エネルギースペクトルを計算した。その結果、核反応生成物のタングステンによる損傷エネルギースペクトルは核的弾性及び非弾性散乱の二つの成分からなり、平均損傷エネルギーは30-80keVであった。一方、その他の核反応生成物によるスペクトルは非弾性散乱成分からなり、平均損傷エネルギーは550-900keVであった。全ての核反応生成物の損傷エネルギーと生成数を考慮した結果、陽子エネルギー400MeV-1GeVにおいて、はじき出し断面積は陽子エネルギーが増えるにつれて増加するが、1GeV以上では概ね同じであり、実験値と同じ傾向を示すことがわかった。他に、これまでの成果を踏まえた計画中のプロジェクトとして、フェルミ国立加速器研究所における120GeV陽子を用いたはじき出し断面積の測定を紹介する。

For defect production, it is the number of recoils weighted by the damage energy produced in each recoil that is most important. This quantity is determined by "weighed" the recoil spectra by the damage energy produced in each recoil. However, the damage energy spectra have not been investigated yet for the proton energy range from several MeV to hundred GeV, where recoil is regarded as nuclear reaction product. In this work, we calculated damage energy spectra of all nuclear reaction products under high energy proton irradiation on tungsten with the energy range from 10 MeV to 120 GeV using the PHITS code. The average damage energy of tungsten was 30-80 keV including nuclear elastic and non-elastic components and that of lutetium was 550-900 keV including non-elastic component. In this presentation, we will also introduce our experimental plan for measurement of dpa cross sections with 120 GeV protons at Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL).