Improvements in the particle and heavy-ion transport code system (PHITS) for simulating neutron-response functions and detection efficiencies of a liquid organic scintillator

液体有機シンチレータの中性子応答関数および検出効率シミュレーションのための粒子・重イオン輸送コードシステム(PHITS)の改良

佐藤 大樹   ; 佐藤 達彦   

Satoh, Daiki; Sato, Tatsuhiko

実験により取得した中性子スペクトルの絶対値を決定する際、測定に広く利用される液体有機シンチレータの中性子応答と検出効率を精度よく評価することが重要となる。本研究では、汎用放射線挙動解析コードPHITSへ中性子検出効率評価コードSCINFUL-QMDの手法を組み込み、任意形状の液体有機シンチレータの中性子応答解析を可能とした。さらに、最新の評価済み核データを参照して、PHITSにおける中性子と水素及び炭素原子核との断面積データベースを更新した。その結果、改良したPHITSの計算により、実験データを従来よりも正確に再現することを確認した。また、100MeV以下の入射中性子エネルギーにおいて、改良したPHITSで計算される中性子検出効率の不確かさは15%未満であることを示した。本成果により、これまでのSCINFUL-QMDでは計算不可能であった複雑なエネルギー分布を持つ中性子源に対する検出効率の評価も可能となり、有機シンチレータを用いた中性子測定を行う研究者に広く活用されることが期待できる。

In this research, we simulated the neutron-response functions and detection efficiencies of a liquid organic scintillator using the particle and heavy-ion transport code system (PHITS). We incorporated the algorithm and database of the neutron-response simulation code SCINFUL-QMD into PHITS. Then, we updated the total, elastic, and inelastic cross-section data of the hydrogen and carbon nuclei for neutrons and developed a new scorer to analyze the light outputs from a scintillator. The calculation results of the neutron-response functions and the detection efficiencies were compared with results of SCINFUL-QMD, the previous PHITS with the new scorer, and the reported measurements. It was found that the improved PHITS successfully reproduced the results calculated by SCINFUL-QMD, except for around 150 MeV where a discontinuity of detection-efficiency curve was observed in the SCINFUL-QMD values. Our results showed better agreement with the measured data than the results of the previous PHITS. The uncertainties of the detection efficiencies calculated by PHITS using the present extensions were estimated to be approximately 15% for neutrons in the energy region below 100 MeV.