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Experimental plan for displacement damage cross sections using 120-GeV protons at Fermi National Accelerator Laboratory

米国フェルミ国立加速器研究所(FNAL)における120GeV陽子を用いた弾き出し損傷断面積の実験計画

岩元 洋介   ; 吉田 誠*; 明午 伸一郎   ; 米原 克也*; 石田 卓*; 中野 敬太   ; 安部 晋一郎   ; 岩元 大樹   ; Spina, T.*; Ammigan, K.*; Mokhov, N.*; 薮内 敦*; 義家 敏正*

Iwamoto, Yosuke; Yoshida, Makoto*; Meigo, Shinichiro; Yonehara, Katsuya*; Ishida, Taku*; Nakano, Keita; Abe, Shinichiro; Iwamoto, Hiroki; Spina, T.*; Ammigan, K.*; Mokhov, N.*; Yabuuchi, Atsushi*; Yoshiie, Toshimasa*

高エネルギー陽子加速器施設の照射材料の寿命評価において、粒子・重イオン輸送計算コードPHITS等が原子はじき出し数(dpa)の導出に利用されている。しかし、30GeVを超える高エネルギー領域において、コード検証に必要な弾き出し断面積の実験値は存在しない。そこで、超高エネルギー領域のコード検証のため、米国フェルミ国立加速器研究所(FNAL)における120GeV陽子ビームを用いた金属の弾き出し断面積測定を計画した。実験は2021年10月から2022年9月の期間に、FNALのテストビーム施設M03において実施予定である。これまで、直径250$$mu$$m及び長さ4cmのアルミニウム,銅,ニオブ、及びタングステンのワイヤーサンプルに焼鈍処理を施し、これらサンプルを付属したサンプルアセンブリの製作を行った。計画中の実験では、ギフォード・マクマフォン冷凍機によりサンプルを4K程度の極低温に冷却し、弾き出し断面積に関係する照射欠陥に伴うサンプルの電気抵抗増加を測定し、照射後に等温加熱試験を用いて、極低温下で蓄積されたサンプル中の欠陥の回復過程を測定する予定である。

To predict the operating lifetime of materials in high-energy radiation environments at proton accelerator facilities, Monte Carlo code are used to calculate the number of displacements per atom (dpa). However, there is no experimental data in the energy region above 30 GeV. In this presentation, we introduce our experimental plan for displacement cross sections with 120-GeV protons at Fermilab Test Beam Facility. Experiments will be performed for the US fiscal year 2022. We developed the sample assembly with four wire sample of Al, Cu, Nb and W with 250-$$mu$$m diameter and 4-cm length. The sample assembly will be maintained at around 4 K by using a cryocooler in a vacuum chamber. Then, changes in the electrical resistivity of samples will be obtained under 120-GeV proton irradiation. Recovery of the accumulated defects through isochronal annealing, which is related to the defect concentration in the sample, will also be measured after the cryogenic irradiation.

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