Measurement of neutron-production double-differential cross sections of C, Al, Fe, and Pb by 20, 34, 48, 63, and 78 MeV protons in the most-forward direction

20, 34, 48, 63および78MeV陽子入射によるC, Al, FeおよびPbの最前方方向における中性子生成二重微分断面積の測定

佐藤 大樹   ; 岩元 洋介   ; 小川 達彦   

Satoh, Daiki; Iwamoto, Yosuke; Ogawa, Tatsuhiko

原子力機構が中心となり開発を進める粒子輸送計算コードPHITSは、加速器施設の遮蔽設計をはじめとして、多くの分野で利用されている。しかし、PHITSで用いられる核反応模型や核データは、陽子入射反応における最前方方向の中性子生成を適切に再現できないことが知られていた。そこで、本研究では、PHITSによる計算モデルの高精度化に資するため、20から78MeVの 陽子入射によるC, Al, FeおよびPbの最前方方向における中性子生成二重微分断面積の実験データを取得した。量子科学技術研究開発機構のイオン照射研究施設(TIARA)において、サイクロトンから供給される陽子と標的物質との核反応で生成した中性子のうち、最前方方向に開くコリメータを通したフラックスと運動エネルギーを測定した。実験結果をPHITSの計算結果と比較したところ、計算で用いるINCLおよびJENDL-4.0/HEは原子核の離散的なエネルギー準位間の遷移を考慮していないため、軽核で観測されたピーク構造を再現できないことが分かった。また、エネルギー積分断面積に対して、JENDL-4.0/HEは実験値とファクター2以内で一致するが、INCLは最大で6倍程度大きな値を与えることが分かった。

The Particle and Heavy Ion Transport code System (PHITS) is a general purpose particle transport simulation code developed by the Japan Atomic Energy Agency (JAEA). The PHITS is utilized in various areas including a shielding design of accelerator facilities. Unfortunately, it is known that theoretical models and evaluated nuclear data used in the PHITS cannot reproduce the neutron production in most-forward direction for proton incidences. Hence, the present study aimed to obtain the experimental data of neutron-production double-differential cross sections of C, Al, Fe, and Pb by 20, 34, 48, 63, and 78 MeV protons in most-forward direction for improvement of theoretical models and nuclear data. The experiment has been performed at the ion irradiation facility (TIARA) of the National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology. The proton beams provided by the cyclotron were incident to the target sample. The neutrons produced by nuclear reactions were pass through the collimator in the most-forward direction, and measured with an organic scintillator at the experimental room. The kinetic energy of those neutrons was determined by the time-of-flight method. The obtained results were compared with the results of the theoretical model INCL and the nuclear-data library JENDL-4.0/HE used in the PHITS. It was found that the INCL and JENDL-4.0/HE cannot reproduce the peak structures observed for light nuclei, because they do not consider the nuclear transition between discrete states of nucleus. In addition, the JENDL-4.0/HE agreed with the experimental data of energy-integrated cross section within a factor of 2, but the INCL gave approximately 6 times larger values.