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ミューオンと物質との相互作用の計算機能のPHITSへの実装

Implementation of muon interaction model into PHITS

安部 晋一郎   ; 佐藤 達彦   

Abe, Shinichiro; Sato, Tatsuhiko

高エネルギーの宇宙線ミューオンを用いた火山や原子炉などのラジオグラフィや、低エネルギー負ミューオンを用いた非破壊元素分析や超寿命核分裂生成物(LLFP)の核変換など、様々なミューオン応用研究が進められている。このようなミューオン応用研究にPHITSを利用可能にするため、本研究では、ミューオンの制動放射、電子・陽電子対生成、仮想光子を介した核反応および負ミューオン捕獲反応の計算機能を新たにPHITSに実装した。実装した計算機能を用いて、地中での環境ミューオンの透過割合の計算を行った。その結果、ミューオンの電離のみ考慮した計算値は実験値を過大評価する一方で、ミューオンと物質との相互作用を考慮することで、計算値と実験値との良好な一致が得られることを実証した。次に、LLFPの一つである$$^{90}$$Srを標的として、負ミューオン捕獲反応による二次核種生成量を計算し、標的に入射した負ミューオンのうち94%が原子核に捕獲され、67%の$$^{90}$$Srが安定核または半減期20日以下の核種に変換されることを明らかにした。

There are several researches for application of muons, e.g. radiography for volcanos and nuclear reactors by using high-energy cosmic-ray muons, nuclear transmutation of long-lived fission products (LLFPs) and nondestructive elemental analysis by using low-energy negative muon. In this study, models of muon interactions (i.e., bremsstrahlung, pair production, virtual photonuclear interaction, and negative muon capture reaction) are implemented into PHITS in order to make PHITS available for investigations of muon application. At first, vertical intensities of terrestrial muons in rock was calculated. It is found that the PHITS calculation with considering only ionization is overestimate experimental data. In contrast, the PHITS calculation with considering muon interactions is in good agreement with experimental data. We also calculated nuclear transmutation by negative muon capture reaction on $$^{90}$$Sr. It is found that 94% of negative muons are captured on nucleus, and 67% of $$^{90}$$Sr become stable nuclides or radioactive nuclides having less than 20 days.

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