[THOB01
S. Meigo]

ビーム窓の散乱を利用した数GeV
二次陽子利用法の開発
Development of secondary GeV protons
utilization using scattering at beam window(J-PARC/JAEA) 明午 伸一郎、山口 雄司
中野 敬太、杉原 健太
日本加速器学会年会 2022年10月20日
PASJ2022 THOB01, S. MEIGO

[THOB01
S. Meigo]

内容

はじめに
目的
J-PARCにおける測定
l 手法
l 測定結果l PHITSとの比較

先行研究のAlの陽子ビーム入射の二重微分断面積(DDX) とPHITSとの比較
まとめ
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S. Meigo ]宇宙開発における陽子利用

JAXA: 火星衛星探査計画 MMX (MMX: Martian Moons
Exploration) 打上げ 2024年、帰還 2029年
InterplanetaryRadiation
Environment Monitor(IREM) □20 mm

情報通信研究機構CHARMS (Charging andRadiation Monitors for Spaceweather) 打上げ 2028年

宇宙開発において陽子（特に太陽フレアで重要な数GeV領域）を用いたセンサー（スペクトロメータ）の地上における試験が必要となりJ-PARCに陽子利用の問い合わせがある。
• 国内で数GeV陽子を供給できる施設は、J-PARCが唯一となる• 大強度陽子を取扱うため利用者への供給は困難（特に真空に対する問題がある）• パイルアップの生じない低強度のビーム供給が必要• J-PARCのビームダンプに設置した入射窓の散乱による陽子利用を考案• 散乱陽子は核反応モデル検証のために重要な実験データとなる。
目的：宇宙開発の要求や大強度陽子加速器施設の核反応モデルの高度化に資するため、ビームダンプの窓から散乱する陽子スペクトルの特性を評価する。
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S. Meigo ]ビームダンプ入射窓の散乱を用いた測定
散乱陽子利用法• 衛星搭載センサーをビーム進行方向に対し前方に設置• アルミ窓のAl(p,xp)反応による準単色スペクトルの陽子利用可能• センサーに入射する陽子の強度は一次ビームに比べ (~10-9倍)低くなり、パイルアップを防止可能• 大気中設置となり測定自由度が高い

実験実施箇所

パイルアップ防止
計数率<<1カウント/ショット
至 MLF

3GeVシンクロトロン
ot tengam eslup(RCS)

ビームダンプpmud m aeb

3V G） 0 2 3 φ（2P

射入プンダ
0 1X Q

9X Q

P MD

05161D

0 60 3Q S

0 60 3Q S

Al-window (0.3 mm-t)

2BQ
0622Q

1BQ
0622Q

D1B
V05161B

3 0X
0 60 3S

C05151D
ged8.118 XQ
06 03 QS

2 0M

2 0Y 2 0X
0 60 3S 0 60 3S

7 XQ

6 XQ

06 03 QS

06 03 QS
10 M

nam-VG）002N D（ lioFnam- VG）002ND（）002 ND（7VQ
0622Q

6VQ

SC R VeG3 ←1V G） 0 2 3 φ（1P20 B

3 0M

RM VeG-05

2V G） 0 2 3 φ（BP

5 XQ

1 0B

4X Q

05 13 1B P

0 60 3Q S

05 15 1D

0 60 3Q S

3 XQ
06 03 QS

1 0Y
0 60 3S

2X Q
06 03 Q S
1 0X
0 60 3S

1XQ
0603QS

Al-window (0.3 mm-t)

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[THOB01
S. Meigo ]プラスティクシンチレータ(EJ200)を５台（dE1-E5）をテレスコープ型として設置
Al窓から14 m離れた散乱角度13°(水平5.6°, 垂直11.8°)の位置に設置
エネルギースペクトルをカロリメトリックに測定（デジタイザStruct SIS3316に入力）
パイルアップ防止のため、通常運転より~7桁低いビーム強度 (~107個/shot)を使用
Plastic scintillators □50 mm
ビームダクト(厚さ 6mm)が浅い角度の通過により実効的に27 mm-tとなる。

全長

3NBT ビームダンプ

1.45m

14 m

θv 11.8°

θh5.6°

••
•
•

実験手法

合計 θ =13°
Al-window (0.3 mm-t)
厚さ[mm]

停止陽子エネルギー [MeV]

測定可能な散乱陽子
エネルギー [MeV]dE1

5022123dE2100149220

dE3200240297

dE4400383428E5700

597636• 中性子源施設(MLF)の停止期間中に実施• 利用運転期間中は高感度ビームロスモニタとして使用

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[THOB01S. Meigo ]スペクトルの測定結果

真空ダクト外における陽子スペクトルPHITS(INCL-4.6/GEM)による計算

dE1 [ch]dE1-4において検出時間差<10 nsを検出事象としてデータ処理
実験結果

真空ダクトによるエネルギー損失：400 →350 MeV

dE2 [ch]dE3 [ch]

実験結果

dE4 [ch]• 陽子ビーム400 MeVを用いる場合、検出器に入射する弾性散乱によるピークエネ
ルギー350 MeV• 中間子(pおよびµなど)のエネルギーは十分低く (E < 200 MeV)、ピーク部付近のエネルギー利用では問題にならない

PHITS計算結果

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[THOB01
S. Meigo ]PHITS計算とのスペクトル比較

0.4 GeV陽子を用いた測定結果：• Al窓の入射から検出までをシンチレータの発光量としてPHITS(INCL-4.6/GEM)により計算（MeVee:1 MeV電子相当発光量）• 実験値の弾性散乱の発光量を計算ピーク位置に規格化• PHITSの計算は実験の弾性散乱ピーク分解能(~2%)でスメア• 縦軸はビーム窓への入射陽子1個あたりに規格化し比較
Spectrum of detector #4 for Ep 0.4 GeV

準弾性散乱

弾性散乱部のピーク効率=～35%

弾性散乱
弾性散乱断面積：PHITS 24.2 mb/sr
実験値*127.2±0.9 mb/sr※将来の解析(dE1-3)により
Ep>124 MeVのスペクトル導出は可能*1: Heiberg, J. Phys. Rev. 106,1271 (1957)

Ep 298 MeV

Ep 400 MeV 真空中の陽子エネルギー
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[THOB01
S. Meigo ]Al(p,xp)二重微分断面積(DDX)の比較

準弾性散乱の計算の過大評価の理解のため、Alに陽子を入射する際に陽子を放出するAl(p,xp)反応の二重微分断面積(DDX: double differential crosssection)における、先行研究とPHITSの計算結果との比較を示す。

110

Al(p,xp) Ep 795 MeVChrien+ 1980 11 deg
PHITS 10 deg
protonneutron

DDX [mb/sr/MeV]

DDX [mb/sr/MeV]

102

10010-110-20200400600
Tk [MeV]

800

R.E. Chrien, et. al., Phys. Rev. C 21, 1014 (1980)

6Kin+ 2005 20 deg 392 MeVPHITS 20.0 deg 400 MeV

4200100200300
Ep [MeV]400

T. Kin, et. al., Phys. Rev. C 72, 014606 (2005)

PHITS(INCL-4.6): 準弾性散乱を2～3倍程度 過大評価
→ 本実験結果と同様な傾向を示す。
＊将来の解析により本実験結果より断面積を導出する予定

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[THOB01S. Meigo ]核内カスケードモデルの比較
INCL-4.6, Beritini, JQMDモデルによるDDXの比較
INCL-4.6

Bertini

QMD:
量子論的運動力学

JQMD

INCL以前の標準的なモデル

カスケードモデル： 原子核反応の入口（核子をパチンコ玉のように近似し計算を行う）
INCL-4.6は準弾性散乱を鋭く高いピークを与える。
準弾性散乱断面積のピーク：
INCL-4.6 > Bertini > JQMD（実験を再現しそう）

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[THOB01
S. Meigo]

多目的利用に向けた新施設建設
照射試料
ビーム窓

核変換実験施設
ADSターゲット試験施設(TEF-T )の設計技術を踏襲

LINAC
400 MeV, 250 kW

ターゲット

陽子ビーム
照射試料

提供中性子場

照射試料

232Thからの225Acの製造

変換
荷電ーザ
レー 取出し
ム
ビー

冷却材

多目的利用
1. 標的構造材の中性子・陽子照射および照射後試験(PIE)
2. 半導体・ソフトエラー用疑似宇宙
線中性子利用3. 革新的医療RI創製(225Acなど）
4. 宇宙開発のための陽子線利用

225線
宇宙 室似疑用
子利性中ニュートリノ実験施設

利用
施
設

照射後試料

J-PARC実験施設
物質・生命科学実験施設

S加D
A 器開陽子
速 施設
線発to TEF-P

ハドロン実
験施設施設
験後試 ル）射照トセッホ（Ac製造量
現状 5.5 GBq/年
新施設 ～1 TBq/年•

初期施設を最小化し建設費最小化も検討中（小さく産んで大きく育てる）

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S. Meigo]

まとめ

宇宙開発利用のために、J-PARCのビームダンプ入射窓による散乱陽子用いた提供手法を考案し、実験的に検証した。
実験によるスペクトルは準単色陽子となり、PHITSとの比較により、ほぼ予想通りのスペクトル分布・強度となることを確認した。
PHITS INCL-4.6の計算との詳細検討：
l 準弾性散乱の断面積を過大評価
l 先行実験との比較でも同様な傾向を示す
ビーム窓の散乱陽子による宇宙開発利用は可能と考えられる。
今後の課題：l Al(p,xp)反応断面積を導出
l 0.4 – 3 GeV陽子のスペクトル測定（高エネルギーに対してはチェレンコフカウンターが有効）
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