核データニュース，No.101 (2012)(3) 奨励賞
中高エネルギー中性子入射反応による荷電粒子生成二重微分断面積の研究（株）日立製作所
エネルギー・環境研究センタ

日立研究所

医療システム研究部
平山嵩祐

shusuke.hirayama.bf@hitachi.com

1.

はじめに
私は九州大学大学院総合理工学府を卒業し、現在は（株）日立製作所にて粒子線治療装置の研究開発を行っている。現在は表題とは異なる研究に従事しているが、原稿の依頼を受けたので、これを機会に九州大学大学院在籍時に行った研究について簡単に紹介したい。

2. 中高エネルギー中性子入射軽荷電粒子生成核データの現状
近年、中高エネルギー中性子入射軽荷電粒子生成核データが広い応用分野で必要とされている。例えば、産業分野では宇宙線中性子に起因する半導体デバイスの誤動作現象（SEEs : Single Event Effects）の評価に関してシリコン原子核（Si）の核データが、医療分野では、粒子線治療における二次中性子による被曝量評価及び航空機乗務員の被曝量評価に炭素（C）・酸素（O）原子核の核データが、そして原子力分野では加速器駆動変換システム（ADS）の核特性や材料損傷の評価にビスマス（Bi）・鉄（Fe）などの中重核の核データが必要とされている。
これらの中高エネルギー核データは主に理論計算ベースで作成される。そして、データの信頼性を高めるために、理論計算により得られた核データを測定データと比較し、評価する。それ故、広いエネルギー領域に亘る実験データの取得が必要とされている。
過去の中性子入射軽荷電粒子の断面積の測定実験においては 100 MeV 以下のエネルギー領域では Louvain 大学や Uppsala 大学のグループによって様々な核種による測定が行われている。しかし、100 MeV 以上のエネルギー領域に関して、これまで測定は行われてこなかった。そこで、私の所属していた研究グループは国際共同研究の枠組みで、スウェーデン・Uppsala 大学の The Svedberg Laboratory（TSL）にて 175 MeV 中性子入射軽荷電－ 55 －

粒子生成断面積の測定を行った[1,2]。測定は C、O、Si、Fe、Bi、U の核種に対して行われ、私達の研究グループでは C、O、Si を担当した。

3. Uppsala 大学・TSL での実験
2009 年 6 月に Uppsala 大学の TSL で行われた Si、O 標的に対する軽荷電粒子生成二重微分断面積の測定に参加した。参加した測定チームはスウェーデンの Uppsala 大学、タイの Chiang Mai 大学と九州大学で構成されていた（図 1）。様々な国の方々と一緒に研究をすることが出来、非常に刺激的な体験となった。
TSL では陽子線治療が行われており、治療時間外に限ってビームを使用し実験を行うことができる。加速器で加速された陽子を Li 標的に照射し、7Li(p,n)反応により発生する
175 MeV にピークを持った準単色中性子を用いて二重微分断面積測定を行った。主な測図 1. 測定チームのメンバーの一部（筆者：中央）

図 2. Medley（測定装置）－ 56 －

定装置である Medley を図 2 に示す。7Li(p,n)反応により生成した中性子は Medley 中央に位置する反応標的に入射する。核反応により生成した軽荷電粒子（陽子、重陽子、三重陽子、3He、粒子）を 20°160°まで 20°間隔で置かれた 8 つのテレスコープにて測定した。粒子種の弁別方法として ΔE-E 法を用いるため、それぞれのテレスコープは ΔE 検出器としての二枚の Si 半導体検出器と E 検出器としての CsI(Tl)シンチレータから構成されている。

3.1

入射中性子スペクトルの導出

入射中性子スペクトルの測定には、反跳陽子法を用いた。ポリエチレン（CH2）と炭素（C）を反応標的として用いて測定した放出陽子スペクトルを利用し、CH2 標的の放出スペクトルから炭素の寄与を差し引くことにより、反跳陽子スペクトルを求め、入射中性子スペクトルを導出した。導出した入射中性子スペクトルを図 3 に示す。低エネルギー中性子成分を減少させるため飛行時間法（TOF 法）を用い、およそ 70MeV 以下の成分を除去した。データ解析の詳細は[1,2]を参照していただきたい。

3.2

二重微分断面積の導出

以降 Si 標的に対する測定について説明する。TOF 処理後のデータを用いて二重微分断面積を導出する。SAID コード[3]より得た H(n,p)弾性散乱断面積 dσH/dΩ を基準断面積とした相対測定法を用い、次式より二重微分断面積を求めた。

d 2 θ , E  YSi θ , E  N H Φ CH 2 Ω CH 2 dσ H f CH 2 ( E ) 1
dEd
YHN Si ΦSi ΩSi dΩ f Si ( E ) E

図 3.

反跳陽子法により導出した入射中性子スペクトル－ 57 －ここで、YSi(θ,E)は角度 θ、エネルギービン ΔE における各放出荷電粒子のネットカウント、YH は反跳陽子ピークのネットカウント、そして f(E)は CsI(Tl)シンチレータの検出効率を表している。また、Φ、N、Ω はそれぞれ、相対的中性子フルエンス、標的原子核数、立体角である。生成した軽荷電粒子は標的内でエネルギー損失・粒子損失を起こすためUppsala 大学のグループによって開発された TCORR コード[4]を用い、標的厚さの補正を行った。ここで測定結果の一例として、図 4 に Si(n,xp), Si(n,xd), Si(n,xt), Si(n,x3He), Si(n,x)
二重微分断面積の 20°の結果を示す。

図 4.

4.

軽荷電粒子生成二重微分断面積（20°）

理論モデル解析
Uppsala 大学 TSL での Si 標的の測定データに対して理論モデル計算との比較を行った。

測定した二重微分断面積には 70～160 MeV 付近のテール中性子の寄与が含まれている。
このテール中性子の寄与を考慮するため、計算結果を各エネルギーのテール中性子数の重みを掛けて 70～175 MeV までフォールディングし、測定結果と比較した。
原子力研究開発機構の夏季実習を利用し、核データ評価研究グループにて理論モデル解析を行った。150 MeV 以下のエネルギー領域での核データ評価に広く使用されているGNASH コードを理論計算に用いた。GNASH コードの前平衡過程の計算には励起子模型が使用されており、複合粒子（d, t, 3He, ）放出の改善のため、岩本原田佐藤の表面合体（IHS）モデル[5]が組み込まれている[6]。表面合体モデルには現象論的調整パラメータとしてピックアップ半径 ΔR があり、この ΔR パラメータのエネルギー依存性に着目し、－ 58 －理論モデル解析を行った。陽子生成と粒子生成の結果について以下に示す。
図 5 に陽子生成二重微分断面積の測定結果と計算値の比較を示す。GNASH コードの計算結果は 20°を除いて、概ね測定結果を再現し、20°に関しては高エネルギー端近傍で計算値が実験値を過小評価した。図 6 に粒子生成二重微分断面積の測定結果と計算結果の比較を示す。IHS 論文[5]で使用されている ΔR=1.0 fm を用いた計算結果を破線で示す。
計算結果は全放出粒子に関して 30 MeV 以上のエネルギー領域において実験値を過小評価した。
IHS モデルの過小評価を改善するために、ΔR パラメータに着目する。最近の研究[6]から ΔR パラメータがエネルギー依存性を持つ可能性が示唆されている。そこで、200 MeV以下の入射エネルギー領域の Al(p,x)実験データを用いて、粒子放出に関して、ΔR のエネルギー依存性を導出した。エネルギー依存型の ΔR を用いた計算結果を図 6 に実線で示す。粒子生成に関してはエネルギー依存型 ΔR を用いた計算結果は実験値を比較的良く実験値を再現しており、ΔR にエネルギー依存性を入ることで、表面合体モデルの再現性に改善が見られることが分かった。重陽子・三重陽子・3He 生成に関しては著者の修士論文[2]を参照していただきたい。

図 5.

陽子生成二重微分断面積（20°~ 140°）－ 59 －

図 6.

5.

粒子生成二重微分断面積（20°~ 120°）

まとめと今後の課題
スウェーデン・Uppsala 大学の TSL 準単色中性子源施設にて TOF 法を用いて、シリコンに対する 175 MeV 準単色中性子入射軽イオン生成断面積を測定した。岩本原田佐藤の表面合体モデルを組み込んだ励起子模型計算（GNASH コード計算）と測定結果を比較した。陽子に関しては、20°を除いた広い角度領域において実験値を概ね再現しており、重陽子、三重陽子、粒子生成に関しては、表面合体モデルの ΔR パラメータにエネルギー依存性を導入することにより実験値の再現性が改善されることが分かった。一方、重陽子放出に関してはエネルギー依存性を導入しても顕著な改善が見られないことが分かった。今後、特に重陽子放出に関して実験値の再現性を高めるため、異なる反応機構（直接反応過程）を考慮した解析が必要になると考えられる。

6.

おわりに
冒頭で述べたとおり、現在、著者は（株）日立製作所

研究センタ

日立研究所

エネルギー環境

医療システム研究部に所属し、粒子線治療装置の研究開発に従事している。

－ 60 －

学生時代の研究を通して学んだ放射線物理、放射線計測や原子核工学の知識が今後の研究開発の助けとなり、製品・技術開発を通して社会に貢献していくことが出来ればと思う。これからも切磋琢磨していきたい。

謝辞
本研究は、著者が九州大学在籍時に修士課程研究として行ったものです。修士課程在学中に熱心な指導と同時に、様々な経験（海外での実験や原研での実習）をする機会を作っていただいた渡辺幸信教授に深く感謝の意を申し上げます。Uppsala 大学での実験でお世話になりました S. Pomp 氏、R. Bevilacqua 氏、U. Tippawan 氏、理論モデル解析でお世話になりました国枝賢氏を始めとする核データ評価研究グループの皆様に深く感謝いたします。最後に、Uppsala 大学での実験の礎を築いた研究室の先輩方に感謝いたします。

参考文献[1] Riccardo Bevilacqua, Stephan Pomp, Vasily Simutkin, Masateru Hayashi, Shusuke Hirayama,Yuuki Naitou, Yukinobu Watanabe, Udomrat Tippawan, Milan Tesinsky, Gilles Ban,
Jean-Luc Lecouey, François-René Lecolley, Nathalie Marie, Quentin Hamel, “Medley
spectrometer for light ions in neutron-induced reactions at 175 MeV”, Nuclear Instruments
and Methods in Physics Research Section A646, 1, 100-107(2011).
[2] S. Hirayama, “Study of light-ion production from silicon bombarded by 175 MeV quasimono-energetic neutrons”, Master’s thesis, Kyushu University, (2011).
[3] SAID Nucleon Nucleon scattering database. URL:http://gwdac.phys.gwu.edu[4] S. Pomp and U. Tippawan, “An iterative procedure to obtain inverse response functions for
thick-target correction of measured charged-particle spectra”, Nucl. Instr. Methods Phys. Res.
A572, 893(2007).
[5] A. Iwamoto and K. Harada, “Mechanism of cluster emission in nucleon-induced
preequilibrium reactions”, Phys. Rev. C26, 1821(1982).
[6] S. Kunieda, T. Fukahori, S. Hirayama and Y. Watanabe, “Applicability of Pre-equilibrium
Coalescence Model to Evaluation of Alpha-particle Production Cross Sections”, J. Korean
Physical Society, 59, 2, pp.911 – 914(2011).

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