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Measurement of the damage rate of copper irradiated with 125 MeV protons at 12 K and comparison with calculated result with the PHITS code

温度12Kにおける125MeV陽子照射による銅の照射損傷率の測定とPHITSによる計算値との比較

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の材料損傷の計算手法を検証するため、京大炉FFAG施設において極低温12Kの環境下で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照射損傷率(電気抵抗率変化/粒子フルエンス)を測定した。照射サンプルは直径250$$mu$$m及び純度99.999%の銅線とし、これを熱伝導により冷却した。ビームフルエンス1.45$$times$$10$$^{18}$$ protons/m$$^{2}$$の125MeV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$$mu$$$$Omega$$に対し、照射欠陥に伴う1.53$$mu$$$$Omega$$という微小な電気抵抗の増加を測定できた。他の実験値との比較の結果、本測定による照射損傷率は、1.1GeV陽子による照射損傷率と同程度であること、14MeV中性子による照射損傷率の約1.4倍であることがわかった。また、PHITSコードを用いて、欠陥生成効率の有無による銅のはじき出し断面積を算出し、照射損傷率の測定結果から導出した値と比較した。その結果、実験値は欠陥生成効率を含まない計算値より約2.5倍小さく、欠陥生成効率を含む計算値に比べて約1.4倍小さいことがわかり、PHITSに欠陥生成効率を導入することで、実験値をより良く再現することがわかった。

To validate Monte Carlo code PHITS for the prediction of radiation damage in metals, the damage rate (defect-induced electrical resistivity changes / particle fluence) related to the displacement cross-section of copper were measured with 125 MeV proton irradiation under 12 K at the FFAG facility in the Kyoto University Research Reactor Institute. The sample was a copper wire with a 250-$$mu$$m diameter and 99.999% purity and was cooled by conduction cooling. After 125 MeV proton irradiation with 1.45$$times$$10$$^{18}$$ protons/m$$^{2}$$ at 12 K, the total resistivity increase was 4.94$$times$$10$$^{-13}$$$$Omega$$m (resistance increase: 1.53$$mu$$$$Omega$$), while the resistivity of copper before irradiation was 9.49 $$times$$10$$^{-12}$$$$Omega$$m (resistance: 29.41$$mu$$$$Omega$$). Comparison with other experimental results indicated that the damage rate by 125 MeV protons is almost same with those by 1.1 GeV protons and is higher than the damage rate by 14 MeV neutrons by a factor of 1.4. For the comparison with the PHITS results, the experimental data is smaller than the calculated result without the defect production efficiency by a factor of about 2.5 and that with the defect production efficiency by a factor of about 1.4, respectively. It indicates that the defect production efficiency in PHITS gives a good quantitative description of the displacement cross-section.

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