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Reproduction of heavy-ion irradiation effect on organic polymers using radiation transport simulation code

有機高分子に対する重イオン照射効果の放射線挙動解析シミュレータを用いた予測

小川 達彦; 八巻 徹也*; 佐藤 達彦

Ogawa, Tatsuhiko; Yamaki, Tetsuya*; Sato, Tatsuhiko

放射線施設安全や産業利用等の分野で、放射線照射による材料の物性変化は非常に重要となるため、様々な角度から研究が進められている。放射線による物性変化は、入射粒子のエネルギーが材料内に付与され、材料の化学結合がナノメートルからマイクロメートル程度の空間で局所的に変化することで起こる。従来、吸収線量が照射効果の指標とされてきたが、吸収線量や線エネルギー付与(LET)が同じでも、入射粒子の線種によって物性変化が異なる事例も知られている。放射線輸送計算コードPHITSは、ナノメートルからマイクロメートル程度の空間におけるエネルギー付与を計算する機能を持ち、LETの他に比エネルギー沈着(Specific energy deposition)などを計算できる。そこで、この機能を用いて計算した各線種ごとのエネルギー付与が起こす化学変化を理論的に予測して、線質による物性変化の違いを説明することを試みた。ポリエーテルスルホン膜に、10MeV陽子・50MeV $$^4$$He・$$^{12}$$Cを照射した際の引っ張り破断伸び低下を推定したところ、同じ吸収線量でも炭素照射による引っ張り破断伸びの低下は、陽子やヘリウム照射による低下の半分になるという実験結果を再現した。また、分子鎖の破断がランダムな位置で起こり、100eVの沈着でその領域が引っ張り強度を失うという仮定から、線量に対する引っ張り破断伸びの低下の飽和性も説明できた。

Modification of materials by irradiation, which is substantially important for radiation safety in facilities and industrial applications, is studied from various aspects. Material modification is induced by local energy deposition by incident radiation followed by the changes of chemical bonds in the spatial scale of nm to $$mu$$m. So far, absorbed dose was regarded as the best index of irradiation effects, however, it is also known that irradiation effects varies depending on the radiation species even under the same absorbed dose or LET. Radiation transport simulation code PHITS can calculate simulate energy deposition in nm to $$mu$$m scale to obtain LET and specific energy deposition (SED). By using SED calculation function, an attempt to reproduce radiation species dependence of material property change based on the theoretical prediction of chemical reactions induced by energy deposition in different irradiation conditions. Estimate on the decrease in Elongation at Break (EB) of poly-ether sulfone in three different irradiation conditions, 10 MeV protons, 50 MeV $$^4$$He and $$^{12}$$C showed that reduction of EB by carbon ions is twice as small as that by proton and that by helium for the same absorbed dose, which is in an agreement with experiment. Moreover, assuming that scission of polymer takes place at random and 100 eV energy deposition in the region result in loss of mechanical strength, saturating trend of EB reduction.

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