ニュートリノ生成施設の放射線場 FLUKA シミュレーション計算
ー中性子を主にー
西田 麻耶
高エネルギー加速器研究機構

素粒子原子核研究所

東海村にある大強度陽子加速器施設 J-PARC のニュートリノ実験施設では、ニュートリノターゲットステーション（TS）において 30GeV 陽子ビームをグラファイト標的に照射してニュートリノを発生させ、295km 離れた神岡にあるニュートリノ検出器（Super-Kamiokande）に打ち込み、飛行中ニュートリノが別の種類のニュートリノに変換するニュートリノ振動を調べている。今年度から、陽子ビーム強度が今までの約 2 倍の 1.3MW となる。TS における放射線場は MARS、PHITS のモンテカルロシミュレーションプログラム(MC)で計算されていたが、CERN で開発された FLUKA と名付けられた MC を習得し、TS における放射線場を再度計算することになった。中性子については数 meV のエネルギー領域まで計算を行い、放射線によるエレクトロニクスの誤動作研究も考慮に入れることにした。今までに行われている中性子測定結果との比較も行う。
FLUKA（FLUktuieren KAskade）とは、50 年以上にわたり CERN で開発されてきた、エネルギー領域が keV（中性子は数 meV）から宇宙線エネルギー（数 100TeV）のハドロンやレプトン、フォトンの物質中での相互作用および輸送をモンテカルロ計算する汎用のプログラムである。加速器設計、素粒子物理、宇宙線物理、医学応用、電子機器への放射線損傷、放射線防御と広い分野で使われている。MC 計算は初めて行うので、次に述べる 3 つのステップで計算を進めることにした。
最初に、エネルギーGeV 領域の p、n、𝜋𝜋±、𝜇𝜇±を鉄やグラファイトに打ち込み、その飛程、阻止能、放出される粒子の種類を FLUKA で計算し、FULKA プログラムの動作を確認した。p、n と原子核との非弾性散乱、𝜋𝜋±と𝜇𝜇±との相互作用の違い、𝜇𝜇−の原子核捕獲等の教科書で学ぶ現象が FLUKA によりグラフで目に見える形で再現され、FLUKA プログラムは素粒子物理を学ぶのに非常に役立つと認識を新たにした。また、中性子エネルギーを GeV 領域から 25meV と 7 桁変化させ鉄やコンクリートに打ち込んだ時の侵入、反射の様子を FLUKA で計算した。これは中性子の遮蔽を考察するときに役立った。
次のステップは、FLUKA 計算による TS 放射場計算のおおよその見通しを得ることである。使っているデスクトップパソコンは速くないので、FLUKA シミュレーション計算で結果を得るために、図１に示すようにジェオメトリーを、ニュートリノ発生グラファイト標的（26mmφ×900mm）を中心軸に円(a)(b)

図 1 (a)ニュートリノターゲット標的周辺の放射線遮蔽体。(b)(a)の遮蔽体を Fe およぼコンクリートの円柱で図のように近似して FLUKA のシミュレーション計算を行った。
コンクリート遮蔽体は、成分が H(1%)、C(0.1%)、O(52.9107%)、Na(1.6%)、Mg(0.2%)、Al(3.3872%)、Si(33.7021%)、K(1.3%)、Ca(4.4%)、Fe(1.4%)、密度が 2.350 のコンクリートである。Fe、Air、Heに関しては FLUKA の Pre-defined 定義のものを使って計算している。

柱対称にして簡略化した。実際の位置・厚さを反映させて Fe、コンクリ－ト遮蔽体をドーナツ形状に設置、また、検出数を増やすためにドーナツ形状検出器を設置して FLUKA 計算を行った。
30GeV 陽子ビームをグラファイト標的に照射してできる放射線場を FLUKA シミュレーションプログ
ラムで計算した結果を図２に示す。図２(b)に示されるように、2m 厚の鉄遮蔽体では中性子は遮蔽しきれてないことがわかる。鉄遮蔽体を通過した中性子は、１ｍコンクリート遮蔽体ではすべては遮蔽できず、その外の 4.5m コンクリート遮蔽体によってこの計算の精度では遮蔽されている。

(a)

(b)

(c)

図２ 30GeV 陽子ビームをグラファイト標的に照射したとき発生する中性子線放射線場 FLUKA で計算した結果、中性子 fluence をプロットされている。(a)遮蔽なし、(b)2m 厚の鉄遮蔽体、(c) 2m 厚の鉄、1m 厚のコンクリート遮蔽体（concrete1）、4.5m 厚のコンクリート遮蔽体(concrete2)がある場合がそれぞれ示されている。

次に中性子がどのように鉄やコンクリートによって遮蔽されるかを中性子のエネルギー別に放射線場を計算して調べる。そのために、図 3 のようにドーナツ状の検出器を設置した。グラファイト標的から 90 度及び 45 度方向に検出器①―⑫(det1-det12)を設置し、30GeV 陽子をグラファイト標的に照射したときに放射される中性子をエネルギー別に測定(FLUKA シミュレーション計算)した。
図４に、エネンルギーが 100MeV 以上の中性子を、鉄遮蔽体に入る前の検出器 det1、det2 および鉄遮蔽体中央の検図 3 検出器の配置位置。
出器 det3 によって測定した中性子 fluence を示す。鉄遮蔽体中央でFe遮蔽体中の中性子エネルギー別測定（E＞100MeV）
は 100MeV の中性子は 1/1000 に減衰していることがわかる。それより大きなエネルギーの中性子は計算の精度内では観測されなかった。このように 100MeV 以上のエネルギーの中性子は 2m 厚さの鉄遮蔽体でシールドされ1GeVている。
100MeV
図５に 20MeV より低いエネルギーの中性子の測定結
det1果を示す。鉄シールドの中央に置かれた検出器 det3 のdet2
観測結果は、100keV 以上の中性子は 1/100 に減衰、それdet3以下のエネルギーの中性子は 1/10 に減衰している。鉄シールド出口の検出器 det4 では、約 100keV より大きなエネルギーの中性子は観測されず、100keV 以下のエネ
図４ 鉄遮蔽体による高エネルギー中性子ルギーの中性子が 1/1000 に減少して出てゆくことが分(E>100MeV) の 遮 蔽 。 90 度 方 向 の 中 性 子かった。鉄シールドを透過してゆく中性子のエネルギーfluence が E 別にプロットされている。
は約 100keV 以下のものであることが分かる。

Φ [cm-2]

図 6 に、１ｍコンクリートシールドの入り口、中央および出口の検出器 det4、det5、det6 の測定値を示す。鉄シールドを透過し100keVた約 100keV 以下の中性子(det4)は、コンク
1eV20MeV
リートシールド中央(det5)では、エネルギーが低くなり、1eV 以下のエネルギーでは増加し、約 50meV のところでピークを作る。コンクリートシールド出口(det6)では、det3
数 が 減 少 し ピ ー ク は ほ ぼ 熱 中 性 子 20det430meV となっている。
ここには示さなかったが、2 番目の 4.5m
コンクリートシールド中央の測定器 det11で中性子は本計算の測定精度(1 陽子あた
図５ ２ｍ厚の鉄シールド中の 1 陽子あたりの中性子
り fluence が 10-10 ㎝-2)では観測されなかっfluence 計算結果。鉄遮蔽体入口 det1,det2、鉄遮蔽体中た。中性子はこの 4.5m コンクリートシー
央 det3、鉄遮蔽体出口 det3。
ルドで遮蔽されていることになる。図 2（ｃ）の測定結果と一致している。図１のような円柱状の擬似遮蔽体での放射線場
Energy [GeV]
1.E-05
1.0E-13 1.0E-12 1.0E-11 1.0E-10 1.0E-09 1.0E-08 1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00のシミュレーション計算であるが、実際の1.E-06
10meV 1eV
100keV
20MeV
配置の結果をほぼ再現していると考えら
1.E-07れる。
1.E-08
det4
T2K 実験遂行中、4.5m コンクリート遮1.E-09det5
蔽体の外部の中性子の熱蛍光線量計（TLD）
1.E-10の測定が放射線グループにより行われて
1.E-11い る。照射 陽子数 が 1020 で、 速中性 子
det6
1.E-12（140keV―１5MeV）約 500μSv が観測さ
1.E-13
det4
det5
det6れたと報告されている。モンテカルロシミ
1.E-14ュレーション放射線場計算でこの値と比
図 6 1m 厚のコンクリート遮蔽体中の 1 陽子あたりの中較するためには、1 陽子あたりの中性子性子 fluence 計算結果。
遮蔽体入口 det4、遮蔽体中央 det5、fluence を 10-14cm-2 の精度で計算する必要
遮蔽体出口 det6。1m 厚のコンクリート中の計算は精度をがある。本計算で用いたデスクトップパソ上げるために、20 倍多くの陽子を入射させた計算である。
コンでの計算精度と必要とした計算時間および実際の TS ジェオメトリーを考慮に入れると、現在用いているデスクトップパソコンより 100 倍の処理能力をもつ計算機で 2-3 か月かかると見積もられる。
J-PARC において 30GeV 陽子ビームをグラファイト標的に照射したときに発生するニュートリノターゲットステーション（TS）の放射線場を計算するために、FLUKA モンテカルロシミュレーションプ
ログラムを習得した。デスクトップコンピューターを用いて、計算結果の概略を早く理解するために、
まず、グラファイト標的周りの遮蔽体を円柱対称で近似、およびドーナツ形状の検出器を設置して計算を行った。この方法は大変有効であり、熱中性子 25meV から GeV 領域の中性子が鉄及びコンクリートで遮蔽される様子を理解することができた。20MeV 以上のエネルギーの中性子は２ｍ厚の Fe 遮蔽体でシールドされること、約 100keV 以下のエネルギーの中性子は２ｍ厚の遮蔽体で減衰するが透過し、それは主に熱中性子であることがわかった。実験施設の熱蛍光線量計（TLD）の測定結果と比較してシミュレーション計算の有効性を確認するためには、今用いているデスクトップコンピューターの約 100 倍の処理能力である計算機を用いて 2 か月程度の計算が必要であることが分かった。
TS の実際の遮蔽体、コリメーター、電磁ホーンを設置したジェオメトリーで FLUKA シミュレーション計算をＫＥＫの中央計算機センターの計算機で行う計画をたてている。