Measurement of 430-MeV/u carbon, nitrogen and oxygen incident neutron production cross sections for carbon

炭素原子核に対する430MeV/u炭素, 窒素, 酸素原子核入射での中性子生成断面積の測定

執行 信寛*; 魚住 祐介*; 板敷 祐太朗*; Lee, J. E.*; 今冨 宏祐*; 梶本 剛*; 佐藤 大樹   ; 佐波 俊哉*; 古場 裕介*; 松藤 成弘*

Shigyo, Nobuhiro*; Uozumi, Yusuke*; Itashiki, Yutaro*; Lee, J. E.*; Imatomi, Kosuke*; Kajimoto, Tsuyoshi*; Satoh, Daiki; Sanami, Toshiya*; Koba, Yusuke*; Matsufuji, Naruhiro*

重粒子線ガン治療では、治療に用いる430MeV/uの炭素原子核と患者体内に存在する炭素、窒素、酸素原子核との核反応により、様々な2次放射線が生成される。この2次放射線によってもたらされる術後の発ガンリスクを検討するため、1MeV以上の中性子生成に関する精度の良い断面積データが求められている。そこで、放射線医学総合研究所HIMACにおいて430MeV/uまで加速した炭素, 窒素, 酸素原子核と炭素原子核との核反応により生成される中性子の二重微分断面積を測定した。実験では、430MeV/uの炭素, 窒素, 酸素ビームを炭素の固体標的に照射した。標的の厚さは、入射原子核の標的内でのエネルギー損失が運動エネルギーの約10%になるように設定した。SCINFUL-QMDにより検出効率を得たNE213シンチレータを用いて、15, 30, 45, 60, 75, 90度の方向で生成中性子を検出し、運動エネルギーは飛行時間法により決定した。これにより、中性子エネルギー1MeVから600MeVの二重微分断面積の導出に成功した。炭素入射の測定値と原子力機構が開発を進めているPHITSコードによる計算値との比較から、PHITSは100MeV以下のエネルギー領域で実験データをよく再現するが、それ以上のエネルギーではわずかに中性子生成断面積を過大評価することが分かった。これは、核反応の直接過程を記述する量子分子動力学模型に問題のある可能性を示唆する。本研究の成果は、核反応模型の改良によるPHITSの精度向上に貢献する。

Heavy ion cancer therapy has been increased by reason of its clinical advantages. During the treatment, the secondary particles are produced by nuclear reactions of a heavy ion incidence on a nucleus in a patient body. The neutron cross section data is essential for assessment of secondary cancer of patients as a source term. Accurate data in neutron energy around 1 MeV is required because neutron in that energy region has large relative biological effectiveness. We have measured the neutron double differential cross sections from carbon, nitrogen and oxygen ion incidences on a carbon target of neutron energy above 1 MeV in wide angular range from 15 to 90 degrees with 430-MeV/u. The experiment was performed at the PH2 course of Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba (HIMAC), National Institute of Radiological Sciences. Experimental results of neutron double differential cross sections of carbon were obtained in energy range from 1 MeV to 600 MeV. From the comparison with the results calculated by PHITS code, it was found that PHITS reproduces the measured cross sections 100 MeV and slightly overestimates above the energy. The quantum molecular dynamics model, which is adopted in PHITS as a theoretical one for dynamical process of heavy ion induced nuclear reaction, would cause this disagreement. The results of the present work will help to improvement of the model.