Measurement of activation cross sections of the target and the proton beam window materials at J-PARC

J-PARCにおけるターゲット及び窓の放射化断面積測定

松田 洋樹  ; 明午 伸一郎   ; 岩元 大樹   

Matsuda, Hiroki; Meigo, Shinichiro; Iwamoto, Hiroki

核破砕中性子源や核変換システムの核設計の精度向上のためには、高精度な核反応断面積が必要となり、今後重要と考えられる加速器施設のデコミッショニングのシナリオ構築のためには放射化断面積の精度向上が必要とされる。放射化断面積は、これまでに既存施設において測定されてきたものの、実験データにおいてバラつきが大きく必ずしも十分な精度でない。特にJ-PARCの核破砕中性子源で用いられている3GeV陽子のデータはほとんどないため、ターゲット構造材の更なる安全性向上のために実験データが必要となる。そこで我々は、J-PARCの加速器施設を用いてターゲット構造材に使用される核種の測定を行う予定とし、テスト実験としてアルミの放射化断面積を0.4, 1.3, 2,2及び3GeVの陽子に対し測定した。この結果、本実験のデータは、精密はビーム制御と高精度はモニタにより、既存の実験より高精度なデータを取得できることがわかった。本実験データを用いて評価済み核データ(JENDL-HE 2007)と核内カスケードモデルの計算結果との比較を行った。この結果、JENDL-HE 2007は実験と比較的よい一致を示すことがわかった。一方、PHITSの核内カスケードモデルによる計算は、実験を約40%程度を過小評価することがわかった。この過小評価の原因はPHITSに含まれる蒸発過程モデル(GEM)に問題があることが考えられ、GEMの改良により実験結果を再現できることが分かった。

For the improvement of the accuracy of nuclear design for spallation neutron sources and transmutation systems, nuclear reaction cross sections are required. Considering decommissioning of the accelerator facilities, accurate cross sections are mandatory. The activation cross sections have been measured in several facilities. However, they have low accuracy and precision. Especially, since there is almost no data for 3 GeV protons which are used for spallation neutron source (JSNS) in J-PARC, the experimental data is required for the improvement of the target materials.For the sake of the forthcoming full-time measurement of the activation cross sections for various nuclei, we measured the ones of aluminium with 0.4, 1.3, 2.2, and 3.0 GeV protons as the test purpose. It was found that more accurate data than current ones would be measured by using precise beam controls and highly accurate beam monitoring. We compared the experimental data, the evaluated data (JENDL-HE/2007), and the calculations with several intra-nuclear cascade models by PHITS code. Although the experimental data agreed with JENDL-HE/2007, the calculations underestimated about 40%. This could come from the evaporation model (GEM) being included in PHITS code. We found that the calculations agreed with the experimental data by upgrading PHITS code.