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Radiation damage calculation in PHITS and benchmarking experiment for cryogenic-sample high-energy proton irradiation

PHITSの放射線損傷計算と極低温サンプル高エネルギー陽子照射によるベンチマーク実験

岩元 洋介; 松田 洋樹; 明午 伸一郎; 佐藤 大樹; 中本 建志*; 吉田 誠*; 石 禎浩*; 栗山 靖敏*; 上杉 智教*; 八島 浩*; 義家 敏正*; 嶋 達志*; Ronningen, R. M.*; 仁井田 浩二*

Iwamoto, Yosuke; Matsuda, Hiroki; Meigo, Shinichiro; Satoh, Daiki; Nakamoto, Tatsushi*; Yoshida, Makoto*; Ishi, Yoshihiro*; Kuriyama, Yasutoshi*; Uesugi, Tomonori*; Yashima, Hiroshi*; Yoshiie, Toshimasa*; Shima, Tatsushi*; Ronningen, R. M.*; Niita, Koji*

放射線挙動計算コードPHITSにより放射線照射による材料損傷評価の基礎データを解析するため、入射粒子と核反応から生成する二次粒子によるターゲット1次はじき出し原子(PKA)のエネルギーを考慮した照射損傷モデルを開発した。このモデルを用いた解析により、100MeV以上の高エネルギー陽子による照射損傷において、二次粒子により生成したターゲットPKAの寄与が入射陽子によるPKAの寄与に比べて大きいことがわかった。また、高エネルギー陽子照射に対する照射損傷モデルを検証するため、サンプルを極低温まで冷却するギフォード-マクマフォン冷凍機を用いた陽子照射装置を開発した。本装置を用いて、125及び200MeV陽子を照射した銅とアルミニウムについて、はじき出し断面積に関連する極低温での欠陥に伴う電気抵抗率変化を測定した。実験値と計算値の比較の結果、欠陥生成効率を考慮したはじき出し損傷の計算値が実験値を良く再現することがわかった。

The radiation damage model in the radiation transport code PHITS has been developed to calculate the basic data of the radiation damage including the energy of the target Primary Knock on Atom (PKA). For the high-energy proton incident reactions, a target PKA created by the secondary particles was more dominant than a target PKA created by the projectile. To validate the radiation damage model in metals irradiated by $$>$$100 MeV protons, we developed a proton irradiation device with a Gifford-McMahon cryocooler to cryogenically cool wire samples. By using this device, the defect-induced electrical resistivity changes related to the DPA cross section of copper and aluminum were measured under irradiation with 125 and 200 MeV protons at cryogenic temperature. A comparison of the experimental data with the calculated results indicates that the DPA cross section with defect production efficiencies provide better quantitative descriptions.

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