Measurements and parameterization of neutron energy spectra from targets bombarded with 120 GeV protons

120GeV陽子入射による様々なターゲットから生成する中性子エネルギースペクトルの測定とパラメータ化

梶本 剛*; 執行 信寛*; 佐波 俊哉*; 岩元 洋介   ; 萩原 雅之*; Lee, H. S.*; Soha, A.*; Ramberg, E.*; Coleman, R.*; Jensen, D.*; Leveling, A.*; Mokhov, N.*; Boehnlein, D.*; Vaziri, K.*; 坂本 幸夫*; 石橋 健二*; 中島 宏

Kajimoto, Tsuyoshi*; Shigyo, Nobuhiro*; Sanami, Toshiya*; Iwamoto, Yosuke; Hagiwara, Masayuki*; Lee, H. S.*; Soha, A.*; Ramberg, E.*; Coleman, R.*; Jensen, D.*; Leveling, A.*; Mokhov, N.*; Boehnlein, D.*; Vaziri, K.*; Sakamoto, Yukio*; Ishibashi, Kenji*; Nakashima, Hiroshi

エネルギー10GeVを超える陽子加速器施設における中性子線量計算の精度検証のために、120GeV陽子入射による厚いターゲット(グラファイト,アルミニウム,銅,タングステン)から生成する中性子エネルギースペクトルを、液体有機シンチレータNE213と飛行時間法を用いて、米国フェルミ国立研究所のTest Beam Facilityにおいて測定した。測定した中性子のエネルギー範囲は25MeVから3GeVとし、測定角度は30, 45, 120, 150の4点とした。また、中性子スペクトルを3つの運動源模型を用いてフィッティングし、スペクトル形状を再現するパラメータを導出した。得られたスペクトルをモンテカルロ粒子輸送計算コードPHITS及びFLUKAの計算結果と比較した。その結果、全てのターゲットと角度において、PHITSによる計算結果は実験値を16-36%過小評価、FLUKAの計算結果は実験値を26-57%過小評価することがわかった。この主な原因として、計算コードの核反応モデルにおいて、120GeV陽子とターゲットの最初の衝突に伴う中性子生成の記述に問題があることがわかった。

The energy spectra of neutrons were measured by a time-of-flight method for 120 GeV protons on thick graphite, aluminum, copper, and tungsten targets with an NE213 scintillator at the Fermilab Test Beam Facility. Neutron energy spectra were obtained between 25 and 3000 MeV at emission angles of 30, 45, 120, and 150. The spectra were parameterized as neutron emissions from three moving sources and then compared with theoretical spectra calculated by PHITS and FLUKA codes. The yields of the theoretical spectra were substantially underestimated compared with the yields of measured spectra. The integrated neutron yields from 25 to 3000 MeV calculated with PHITS code were 16-36% of the experimental yields and those calculated with FLUKA code were 26-57% of the experimental yields for all targets and emission angles.