Analysis of fragmentation excitation functions of lead by carbon ions up to 400 MeV/u

400MeV/u以下の炭素イオンによる鉛のフラグメンテーション反応断面積励起関数の分析

小川 達彦   ; Morev, M. N.*; 佐藤 達彦   ; 橋本 慎太郎  

Ogawa, Tatsuhiko; Morev, M. N.*; Sato, Tatsuhiko; Hashimoto, Shintaro

炭素イオン照射による鉛のフラグメンテーション反応断面積を400MeV/u以下で測定し、分子動力学モデルと統計崩壊モデルの組合せで反応を記述するPHITSによる計算シミュレーションの妥当性を分析した。実験では、鉛ターゲットを炭素イオンビームの進行方向にスライスし、各スライスに生成された核種を測定することで、質量数が24から175の32種類のフラグメントに対する生成断面積を得ることに成功した。そして、さまざまな質量数のフラグメント生成反応断面積について、実験値と計算値を系統的に比較検証することが可能となった。その比較の結果、計算シミュレーションでは、質量数が20-60の間のフラグメントと、110-130の間のフラグメントは一桁以上過小評価されていることが確認された。これらのフラグメントは、計算シミュレーションにおいてそれぞれ核分裂と蒸発によって生成し、過小評価はマルチフラグメンテーション反応過程が考慮されていないためであることが判明した。さらに、この傾向は反応時のエネルギーが低いほど顕著であった。この分析結果は、過小評価等の問題点を解決するためには、マルチフラグメンテーション反応機構などの考慮されていない反応を計算シミュレーションへ組み込むことが重要であると示すものである。

Fragmentation reaction cross sections of lead bombarded by carbon ions below 400 MeV/u were measured and compared with those simulated with the Monte Carlo radiation transport code PHITS to pinpoint the problems of simulation based on the quantum molecular dynamics model and statistical decay model. Cross sections for 32 fragments from 24 to 85 amu and those from 121 to 175 amu were measured within a reasonable uncertainty. Comparison shows that production cross sections for fragments from 20 to 60 amu and those from 110 to 130 amu are underestimated by one order of magnitude. Further simulation shows that the production of each group of fragments in the simulation is attributed to evaporation of fission fragments and to evaporation of highly excited prefragments, respectively. The observed underestimation indicates the presence of nuclear reaction mechanisms (not considered in the current simulation), such as multi-fragmentation.