Intercomparison of radiation damage calculations in target materials at proton accelerator facilities using various Monte Carlo particle transport codes

岩元 洋介; elik, Y.*; Cerutti, F.*; Froeschl, R.*; Lorenzon, T.*; Mokhov, N.*; Pujol, F. S.*; Vlachoudis, V.*; Yao, L.

Proceedings of 15th Workshop on Shielding aspects of Accelerators, Targets, and Irradiation Facilities (SATIF-15) (Internet), p.25 - 34, 2022/09

大強度陽子加速器施設において、陽子ビームの標的への照射で生成する二次粒子が、材料科学,放射線治療,物理学研究等の分野で広く利用されている。陽子加速器施設の設計等において、FLUKA, MARS, MCNP, PHITS等のモンテカルロ(MC)粒子輸送計算コードを用いて、標的の放射線損傷量に関連する指標として、原子はじき出し数(DPA),エネルギー付与,粒子フルエン等の計算が必要となる。ここで、利用されているMCコードにおける陽子と標的の核反応モデル等は異なるため、損傷量の計算結果の相互比較及び検証が重要となる。本研究では、これらMCコードを用いて、(1)30MeVの陽子をベリリウム標的に照射する中性子源、(2)800MeVの陽子をタングステン標的に入射する米国ロスアラモス国立研究所の核破砕中性子源、(3)30GeVの陽子を黒鉛標的に照射するJ-PARCのニュートリノ源、及び(4)120GeV陽子を銅標的に入射する米国フェルミ国立加速器研究所の反陽子源を想定した損傷量の計算を行い、各MCコードによる計算結果の相互比較を実施することとした。本会合では、相互比較の詳細、結果を報告する。

Measurements and parameterization of neutron energy spectra from targets bombarded with 120 GeV protons

梶本 剛*; 執行 信寛*; 佐波 俊哉*; 岩元 洋介; 萩原 雅之*; Lee, H. S.*; Soha, A.*; Ramberg, E.*; Coleman, R.*; Jensen, D.*; et al.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 337, p.68 - 77, 2014/10

https://doi.org/10.1016/j.nimb.2014.07.019

エネルギー10GeVを超える陽子加速器施設における中性子線量計算の精度検証のために、120GeV陽子入射による厚いターゲット(グラファイト,アルミニウム,銅,タングステン)から生成する中性子エネルギースペクトルを、液体有機シンチレータNE213と飛行時間法を用いて、米国フェルミ国立研究所のTest Beam Facilityにおいて測定した。測定した中性子のエネルギー範囲は25MeVから3GeVとし、測定角度は30, 45, 120, 150の4点とした。また、中性子スペクトルを3つの運動源模型を用いてフィッティングし、スペクトル形状を再現するパラメータを導出した。得られたスペクトルをモンテカルロ粒子輸送計算コードPHITS及びFLUKAの計算結果と比較した。その結果、全てのターゲットと角度において、PHITSによる計算結果は実験値を16-36%過小評価、FLUKAの計算結果は実験値を26-57%過小評価することがわかった。この主な原因として、計算コードの核反応モデルにおいて、120GeV陽子とターゲットの最初の衝突に伴う中性子生成の記述に問題があることがわかった。

Research activities on JASMIN; Japanese and American Study of Muon Interaction and Neutron detection

中島 宏; Mokhov, N.*; 他28名*

Progress in Nuclear Science and Technology (Internet), 4, p.191 - 196, 2014/04

https://doi.org/10.15669/pnst.4.191

ミュオン及び中性子反応に関する日米協力研究JASMINでは、一連の実験的研究を、米国国立フェルミ加速器研究所における120GeV陽子ビームを用いて行った。このビームにより生じた二次粒子を、ターゲット周囲において、さまざまな検出器、ドジメーターを用いて測定した。また、鉄,コンクリート,岩石等を透過する二次粒子についても同様に測定した。また、これら核破砕反応に関する放射化断面積及び残留核の質量分布等の核データについては放射化法により測定した。二重微分中性子生成量についても、飛行時間法を用いて測定した。これらについてPHITSやMARS等の計算結果と比較したところ、全体的に一致することが示された。現在、さらに詳細な解析を進めている。

Fitting method for spectrum deduction in high-energy neutron field induced by GeV-protons using experimental reaction-rate data

春日井 好己; 松田 規宏; 坂本 幸夫; 中島 宏; 八島 浩*; 松村 宏*; 岩瀬 広*; 平山 英夫*; Mokhov, N.*; Leveling, A.*; et al.

Reactor Dosimetry; 14th International Symposium (ASTM STP 1550), p.675 - 689, 2012/08

JASMINと名付けられた共同研究プロジェクトのもとで、フェルミ国立研究所の反陽子ターゲットステーションを遮蔽集合体として使用した遮蔽実験を行っている。実験では、箔放射化法を用いた測定を行い、新たに開発したフィッティング法によって、遮蔽体中の高エネルギー中性子スペクトル(1-100MeV)を決定した。この手法では、中性子スペクトルの形を、簡単な関数で表した。得られた結果を、アンフォールディング法及び理論計算から導出した中性子スペクトルと比較することにより、この手法の妥当性を確認した。最後に、仮定したスペクトル関数中のフィッティング変数が放射化法で得られた反応率に対して、簡単な関係を持つことを示した。これにより、複雑な計算を行わずに、反応率データから簡単に高エネルギー中性子スペクトルを導出できることがわかった。

Shielding experiments under JASMIN collaboration at Fermilab, 4; Measurement and analyses of high-energy neutron spectra in the anti-proton target station

松田 規宏; 春日井 好己; 坂本 幸夫; 中島 宏; 松村 宏*; 岩瀬 広*; 木下 哲一*; 平山 英夫*; 八島 浩*; Mokhov, N.*; et al.

Journal of the Korean Physical Society, 59(2), p.2055 - 2058, 2011/08

https://doi.org/10.3938/jkps.59.2055

遮蔽設計において、中性子のスペクトル形状及びその強度を推定することは大変重要である。フェルミ国立加速器研究所の反陽子生成ターゲットステーションで得られた遮蔽実験データから、フィッティング及びアンフォールディング法の2つの方法で高エネルギー中性子のスペクトル形状の推定を行った。フィッティング法では、中性子スペクトルが容易に得られ、かつ遮蔽材料の核データと比較しても妥当であった。アンフォールディング法で得られたスペクトル形状は、核データとは整合のとれない結果となった。2つの方法で推定した中性子スペクトルの形状に対して、PHITSコードによる計算結果で検証を行った。

Shielding experiments at high energy accelerators of Fermilab, 3; Neutron spectrum measurements in intense pulsed neutron fields of the 120-GeV proton facility using a current Bonner sphere technique

萩原 雅之*; 佐波 俊哉*; 岩元 洋介; 荒川 弘之*; 執行 信寛*; Mokhov, N.*; Leveling, A.*; Boehnlein, D.*; Vaziri, K.*; 中村 尚司*; et al.

Progress in Nuclear Science and Technology (Internet), 1, p.52 - 56, 2011/02

https://doi.org/10.15669/pnst.1.52

反陽子ターゲットステーションでは、約75kW、1.6s(2.2秒間隔)のパルス状の陽子がターゲットに撃ち込まれ、大強度の瞬間的な中性子場(バースト中性子)が形成される。バースト中性子が持続されるsに満たない短い時間で、従来のボナー測定法を用いることは、信号の数え落とし問題からも非常に難しい。本研究では、バースト中性子場における中性子スペクトルを測定するため、電流読取型ボナー測定法の開発を行った。ターゲットの直上、ダンプの直上にあたる遮蔽体の外側で中性子スペクトルの測定を行ったところ、体系の相違に大きく依存する熱中性子フラックスの違いを除き、MARSによる計算結果と精度よく一致した。

Shielding experiments at high energy accelerators of Fermilab, 2; Spatial distribution measurement of reaction rate behind the shield and its application for Moyer model

八島 浩*; 春日井 好己; 松田 規宏; 松村 宏*; 岩瀬 広*; 木下 哲一*; Mokhov, N.*; Leveling, A.*; Boehnlein, D.*; Vaziri, K.*; et al.

Progress in Nuclear Science and Technology (Internet), 1, p.48 - 51, 2011/02

https://doi.org/10.15669/pnst.1.48

フェルミ国立加速器研究所の反陽子ターゲットステーションにおいて、放射化試料を使用した遮蔽実験を行い、照射後の残留放射能をGe検出器で測定した。反応率の空間分布は、反陽子ターゲットステーションを構成する鉄遮蔽体及びコンクリート遮蔽体の背後に設置した試料による放射能の結果から得られた。得られた反応率はターゲットの下流に向かって上昇する分布を有しており、高エネルギー加速器施設の遮へい設計によく用いられるMoyerの式と一致した。さらに、この結果から鉄及びコンクリートにおける中性子の減弱距離が得られた。

Experimental studies of shielding and irradiation effects at high energy accelerator facilities

中島 宏; 坂本 幸夫; 岩元 洋介; 松田 規宏; 春日井 好己; 中根 佳弘; 増川 史洋; Mokhov, N.*; Leveling, A.*; Boehnlein, D.*; et al.

Nuclear Technology, 168(2), p.482 - 486, 2009/11

BB2007-3640.pdf:0.22MB

https://doi.org/10.13182/NT09-A9229

米国国立フェルミ加速器研究所(FNAL)と日本の研究グループとの間で研究協力の下、高エネルギー粒子輸送計算コード開発にかかる遮蔽と放射線照射効果に関する実験的研究が、FNALにおける120GeV陽子シンクロトロンを用いて、開始された。最初の実験を、Pbarターゲットステーションの反陽子生成ターゲット及びNumi実験施設のニュートリノ生成ターゲットを用いて行った。実験では、放射化法を用いて、ターゲット周囲の遮蔽体における反応率分布を測定するとともに、液体シンチレーション検出器、ボナー球検出器、ホスウィッチ検出器など粒子検出器により予備的な測定も行った。ここでは、その予備的な実験結果について報告する。

Fermilabにおける遮蔽実験; Moyerパラメータに関する計算解析

松田 規宏; 春日井 好己; 坂本 幸夫; 中島 宏; 松村 宏*; 岩瀬 広*; 豊田 晃弘*; 八島 浩*; 関本 俊*; 大石 晃嗣*; et al.

no journal, , 

米国フェルミ国立加速器研究所(Fermilab)の反陽子生成ターゲットステーション(pbar)における、放射化検出器を用いた遮へい実験結果から、Moyerの式での中性子束の角度依存性の検討を行った。高エネルギー加速器施設の遮へい設計では、Moyerの式に代表される簡易計算式がよく使われており、PHITSコードによる実験解析をもとに中性子束の角度依存パラメータ:b(120GeV)を報告するとともに、b(Ep)のエネルギー依存性について議論する。

FERMI研究所の高エネルギー加速器施設における遮蔽実験,6; 核反応生成物測定

松村 宏*; 春日井 好己; 八島 浩*; 岩瀬 宏*; 松田 規宏; 木下 哲一*; 佐波 俊哉*; 萩原 雅之*; 執行 信寛*; 荒川 弘之*; et al.

no journal, , 

FERMI研究所で始まった遮蔽実験において、高放射線量場における高エネルギー中性子の検出器として「金放射化検出器」に着目した。放射化学分離及びX-X-同時計数法などの組合せにより、幅広い閾値の核破砕残留核の高感度定量に成功し、高エネルギー中性子検出器として有用であることが示された。