Measurement of the displacement cross-section of copper irradiated with 125 MeV protons at 12 K

12Kでの125MeV陽子照射による銅のはじき出し断面積の測定

岩元 洋介   ; 義家 敏正*; 吉田 誠*; 中本 建志*; 阪本 雅昭*; 栗山 靖敏*; 上杉 智教*; 石 禎浩*; Xu, Q.*; 八島 浩*; 高橋 史明  ; 森 義治*; 荻津 透*

Iwamoto, Yosuke; Yoshiie, Toshimasa*; Yoshida, Makoto*; Nakamoto, Tatsushi*; Sakamoto, Masaaki*; Kuriyama, Yasutoshi*; Uesugi, Tomonori*; Ishi, Yoshihiro*; Xu, Q.*; Yashima, Hiroshi*; Takahashi, Fumiaki; Mori, Yoshiharu*; Ogitsu, Toru*

粒子・重イオン輸送計算コードPHITSの100MeV以上の陽子照射による材料損傷の計算手法を検証するため、極低温12Kの環境で125MeV陽子照射による銅の原子のはじき出し断面積に関係する電気抵抗率変化を測定した。実験にあたり、照射した銅サンプルを熱伝導に優れた無酸素銅板により冷却するため、Gifford-McMahon冷凍機を用いた極低温照射システムを開発した。照射サンプルは直径250m及び純度99.999%の銅線として、電気絶縁及び熱伝導に優れた2枚の窒化アルミニウムセラミック板で挟み込んだ。銅線の電気抵抗率変化は、四端子法を用いて測定した。京都大学FFAG施設でビームフルエンス1.4510陽子/cmの125MeVの陽子を温度12Kで照射した結果、照射前の銅線の電気抵抗29.41に対し、照射欠陥に伴う1.53という微小な電気抵抗の増加を測定できた。また、PHITSコードを用いて、欠陥生成効率を考慮して銅のはじき出し断面積を算出し、電気抵抗率変化の測定結果から導出した値と比較した。その結果、PHITSの材料損傷の計算手法により、エネルギー100MeV以上の陽子照射による銅のはじき出し断面積を定量的によく再現することがわかった。

To validate Monte Carlo codes for the prediction of radiation damage in metals irradiated by 100 MeV protons, defect-induced electrical resistivity changes of copper related to the displacement cross-section were measured with 125 MeV proton irradiation at 12 K. The cryogenic irradiation system was developed with a Gifford-McMahon cryocooler to cool the sample via an oxygen-free high-conductivity copper plate by conduction cooling. The sample was a copper wire with a 250m diameter and 99.999% purity sandwiched between two aluminum nitride ceramic sheets. The resistivity increase did not change during annealing after irradiation below 15 K. The experimental displacement cross-section for 125 MeV irradiation shows similar results to the experimental data for 1.1 and 1.94 GeV. Comparison with the calculated results indicated that the defect production efficiency in Monte Carlo codes gives a good quantitative description of the displacement cross-section in the energy region 100 MeV.