Measurement of displacement cross-sections of copper and iron for proton with kinetic energies in the range 0.4 - 3 GeV

0.4-3GeVの運動エネルギー領域の陽子に対する銅及び鉄の弾き出し断面積の測定

松田 洋樹  ; 明午 伸一郎   ; 岩元 洋介   ; 吉田 誠*; 長谷川 勝一   ; 前川 藤夫  ; 岩元 大樹   ; 中本 建志*; 石田 卓*; 牧村 俊助*

Matsuda, Hiroki; Meigo, Shinichiro; Iwamoto, Yosuke; Yoshida, Makoto*; Hasegawa, Shoichi; Maekawa, Fujio; Iwamoto, Hiroki; Nakamoto, Tatsushi*; Ishida, Taku*; Makimura, Shunsuke*

加速器駆動型核変換システム(ADS)等の陽子ビーム加速器施設におけるビーム窓などの構造材の損傷評価には、原子当たりの弾き出し数(dpa)が損傷指標として広く用いられる。dpaの評価は弾き出し断面積に基づいて行われるものの、20MeV以上のエネルギー領域の陽子に対する弾き出し断面積の実験データは乏しく、計算モデルの間でも約8倍の差が存在している。このため、弾き出し断面積を実験的に取得するのは計算に用いるモデルの評価のために重要となる。弾き出し断面積の取得のため、J-PARCの加速器施設において、0.4-3GeVにわたる陽子エネルギー領域における銅と鉄の断面積を測定した。弾き出し断面積は、損傷を保持するために極低温に冷却された試料における、陽子ビームに金する抵抗率変化により得ることができる。本測定で得られた実験結果を元に、計算モデルの比較検討を行った。広く用いられているNorgertt-Robinson-Torrens (NRT)モデルは、実験値を3.5倍過大評価することが判明した。一方、近年の分子動力学に基づく非熱的再結合補正(arc)モデルは実験値をよく再現したため、銅と鉄の損傷評価にはarcモデルを使うべきであると結論づけられた。

To estimate the structural damages of materials in accelerator facilities, displacement per atom (dpa) is widely employed as a damage index, calculated based on the displacement cross-section obtained using a calculation model. Although dpa is applied as standard, the experimental data of the displacement cross-section for a proton in the energy region above 20 MeV are scarce. Among the calculation models, difference of about factor 8 exist, so that the experimental data of the cross-section are crucial to validate the model. To obtain the displacement cross-section, we conducted experiments at J-PARC. The displacement cross-section of copper and iron was successfully obtained for a proton projectile with the kinetic energies, 0.4 - 3 GeV. The results were compared with those obtained using the widely utilized Norgertt-Robinson-Torrens (NRT) model and the athermal-recombination-corrected (arc) model based on molecular dynamics. It was found that the NRT model overestimates the present displacement cross-section by 3.5 times. The calculation results obtained using with the arc model based on the Nordlund parameter show remarkable agreement with the experimental data. It can be concluded that the arc model must be employed for the dpa calculation for the damage estimation of copper and iron.