Establishment of a novel detection system for measuring primary knock-on atoms

一次はじき出し原子測定のための新しい検出システムの確立

Tsai, P.-E.; 岩元 洋介   ; 萩原 雅之*; 佐藤 達彦   ; 小川 達彦   ; 佐藤 大樹   ; 安部 晋一郎   ; 伊藤 正俊*; 渡部 浩司*

Tsai, P.-E.; Iwamoto, Yosuke; Hagiwara, Masayuki*; Sato, Tatsuhiko; Ogawa, Tatsuhiko; Satoh, Daiki; Abe, Shinichiro; Ito, Masatoshi*; Watabe, Hiroshi*

一次はじき出し原子(PKA)のエネルギースペクトルは、モンテカロル放射線輸送コードを用いた加速器施設設計の放射線損傷評価において重要である。しかし、計算コードに組み込まれている物理モデルは、PKAスペクトル について実験値の不足から十分に検証されていない。これまで、従来の固体検出器を用いた原子核物理実験の測定体系において、劣った質量分解能や核子あたり数MeV以上と高い測定下限エネルギーのため、実験値は限られていた。そこで本研究では、粒子・重イオン輸送計算コードPHITSを用いて、PKAスペクトルを測定するための2つの時間検出器と1つのdE-Eガス検出器からなる新しい測定体系を設計した。その結果、本測定体系は、質量数20から30のPKAにおいて、核子当たり0.3MeV以上のエネルギーを持つPKA同位体を区別できる。一方で、質量数20以下のPKAにおいては、PKAの質量数を識別できる下限エネルギーは核子当たり0.1MeV以下に減少する。今後、原子力機構のタンデム施設、及び東北大学のサイクロトロン・ラジオアイソトープセンターにおいて、設計した測定体系の動作テストを行う予定である。

The energy spectra of primary knock-on atoms (PKAs) are essential for radiation damage assessment in design of accelerator facilities. However up to date the experimental data are still limited, due to the poor mass resolution and the high measurement threshold energies in the conventional setup of nuclear physics experiments using solid state detectors, which are typically above a few MeV/nucleon. In this study, a novel detection system consisting of two time detectors and one dE-E energy detector is proposed and being constructed to measure the PKA spectra. The system and detector design was based on Monte Carlo simulations by using the PHITS code. The PHITS simulations show that the system is able to distinguish the PKA isotopes above 0.2-0.3 MeV/nucleon for A=2030 amu; the PKA mass identification thresholds decrease to 0.1 MeV/nucleon for PKAs lighter than 20 amu. The detection system will be tested in the summer of 2017, and the test results will be presented at the conference.