Measurements of displacement cross sections of metals for 120-GeV proton beam irradiation

120GeV陽子ビーム照射による金属の弾き出し断面積の測定

岩元 洋介   ; 松田 洋樹*  ; 明午 伸一郎   ; 米原 克也*; Pellemoine, F.*; Liu, Z.*; Lynch, K.*; 吉田 誠*; 藪内 敦*; 義家 敏正*; 橋本 慎太郎  

Iwamoto, Yosuke; Matsuda, Hiroki*; Meigo, Shinichiro; Yonehara, Katsuya*; Pellemoine, F.*; Liu, Z.*; Lynch, K.*; Yoshida, Makoto*; Yabuuchi, Atsushi*; Yoshiie, Toshimasa*; Hashimoto, Shintaro

陽子加速器施設における材料の照射損傷の指標として、原子1個当たりの変位数(dpa)が広く用いられている。金属材料のdpaを検証するために、3GeV以下の陽子に対する実験が行われてきた。しかし、3GeV以上の高エネルギー陽子に対する弾き出し断面積の測定は行われておらず、計算による検証も行われていない。そこで、高エネルギー領域における金属の弾き出し断面積を検証するため、温度8Kにおけるアルミニウム、銅、タングステンのワイヤーの電気抵抗率変化を、エネルギー120GeVの陽子を用いて測定した。その結果、粒子・重イオン輸送計算コードPHITSの従来の照射損傷モデルは実験データを過大評価することがわかった。一方、熱再結合補正モデルを用いた新たな計算結果は、測定された弾き出し断面積と一致した。この結果は、1GeV以上の陽子エネルギー領域では、弾き出し断面積はほぼ一定であり、1GeV陽子照射下での材料の損傷エネルギーは120GeV陽子照射下とほぼ同じであることに起因すると推定される。

The number of displacements per atom is widely used as an indicator of irradiation damage to materials in proton accelerator facilities. Experiments have been carried out on protons below 3 GeV to verify the dpa of metallic materials. However, the dpa for high-energy protons above 3 GeV has not been measured. In order to validate the displacement cross sections of metals in the high-energy region, the electrical resistivity changes of aluminium, copper and tungsten wires at a temperature of 8 K were measured using protons with energy of 120 GeV. The results show that the conventional irradiation damage model of PHITS overestimates the experimental data. On the other hand, the calculation results using the athermal recombination correction model were in agreement with the experimental data.