Measurement of activation cross sections of aluminum for protons with energies between 0.4 GeV and 3.0 GeV at J-PARC

J-PARCにおける0.4-3.0GeV陽子を用いたアルミニウムの放射化断面積の測定

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、コスト削減やより精度の高い遮蔽設計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や窓材に使用される核種の測定するためにタングステン、金、インジウム、及びベリリウムの放射化断面積を0.4, 1.3, 2,2及び3GeVの陽子に対し測定した。また試料固定用に設置したアルミニウムの放射化断面積を測定することにより実験の妥当性を検証した。測定で得た実験データを評価済み核データ(JENDL-HE 2007)、及び核内カスケードモデル計算と比較検討した。この結果、アルミニウムの実験結果は、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。アルミニウム以外の核種は現在解析中であるが、PHITSコードによる計算結果は実験値を再現するものとしないものとあり体系的に比較する必要がある。

Activation cross sections of various materials are strongly required for the improvement of the accuracy of nuclear design and the reduction of the construction costs for spallation neutron sources and transmutation systems. Activation cross sections have been measured in several facilities. However, they have low accuracy and precision. Especially, there are merely experimental data with 3 GeV protons which are used for spallation neutron source (MLF) in J-PARC, the experimental data is required for the improvement of the target materials. Thus, we measured cross sections of tungsten, gold, indium, and beryllium with 0.4 GeV to 3.0 GeV protons. Moreover, ones of aluminium that are set with materials were also measured for a variation of this experiment. 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. The cross sections for the other materials have been analysed so far.