Implementation of muon interaction models in PHITS

ミューオン反応モデルのPHITSへの実装

安部 晋一郎   ; 佐藤 達彦   

Abe, Shinichiro; Sato, Tatsuhiko

宇宙線ミューオンを用いた原子炉の透視や核物質の検出、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を適用可能とするため、本研究ではミューオンと物質との相互作用(制動放射、電子・陽電子対生成、ミューオン光核反応、負ミューオン捕獲反応)に関するモデルを構築し、PHITSに実装した。改良したPHITSは水中および地中での宇宙線ミューオンの透過フラックスおよび、ミューオン光反応および負ミューオン捕獲反応からの中性子生成に関する実験値をよく再現した。またコンクリート壁を前面に配置したミューオン照射による放射性核種生成断面積の測定実験を解析した結果、実験値との良好な一致が得られた。以上のように、粒子の透過距離や放射性核種生成の評価が重要となるミューオン施設の遮蔽設計に対して、新しい反応モデルを実装したPHITSの適用性が実証された。

There are several researches for application of muons, e.g. the visualization of inner-structure of 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, we construct models for muon interactions (i.e., bremsstrahlung, electron-positron pair production, muon photonuclear interaction, and negative muon capture reaction) and implement them into PHITS in order to make PHITS available for investigations of muon application. The improved PHITS agrees well with experimental data not only for the vertical intensities of cosmic-ray muons in water and standard rock, but also for neutron production by muon photonuclear interaction and negative muon capture reaction. The improved PHITS can also reproduce the cross-section of radionuclide production by muons passing through a concrete wall very well. These results indicate the applicability of the improved PHITS to the shielding design of muon facilities in which estimations of attenuation length and induced radioactivity are important.