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ビーム窓の散乱を利用した数GeV二次陽子利用法の高度化
Courtesy : JAXA(J-PARC/JAEA)

明午 伸一郎、山口 雄司、岩元 大樹

日本加速器学会 2023年8月31 日本大学船橋キャンパス

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内容
背景
J-PARCにおける測定
l 測定手法l 測定結果考察l Al(p,xp)反応二重微分断面積(DDX)
l 原子核反応モデル(核内カスケード)との比較

まとめ

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背景情報通信研究機構: NICTCHARMS-p (Charging and Radiation Monitors forSpace weather Proton-measuring inst.)
ひまわり搭載予定: 打上げ2028年

核データおよび核内カスケードモデルの検証のため陽子が原子核に入射し陽子を放出する(p,xp)反応の二重微分断面積(DDX)実験データは必要（幾つかの実験データはあるが決して十分ではない）
宇宙開発において陽子（特に数GeV付近）を用いたセンサー（荷電粒子スペクトロメータ）の地上における試験が必要

JAXA: GATEWAY
1 GeV• 数GeV陽子を供給できる施設は国内でJ-PARCのみとなるが、大強度陽子を取扱うため、利用者への陽子供給は困難• パルス計数のために、パイルアップを生じない低いビーム強度の供給が必要⇒ 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開発(本年3月より利用開始）
本研究：
核計算モデルの検証・向上のため400 MeV陽子入射のAl(p,xp)反応による陽子スペクトルおよびDDXを測定する。

※ 総務省「ひまわりの高機能化研究技術開発」 基本計画書

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実験手法
••
•
•

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

長1.45m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。
14 m5.6°

全3NBT ビームダンプ

θv 11.8°θh

全散乱角度 θθ=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

50

22123

dE2

100149220

dE3200

240

297

dE4

400383428

E5700597636• 中性子源(MLF)の停止期間中に実験を実施• 利用運転期間中は高感度ビームロスモニタとして使用
4スペクトルの測定結果
真空ダクト外の陽子スペクトルPHITS(INCL-4.6/GEM)による計算
真空ダクトによるエネ
ルギー損失 50 MeV
400 →350 MeV

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
dE1 [ch][THOA15]

実験結果
pd
dE2 [ch]dE3 [ch]

実験結果

dE4 [ch]PHITS計算•••

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のピークエネルギー350 MeV中間子(p, µ)のエネルギーは十分低く (E < 200 MeV),ピーク部付近には影響を与えないAl(p,xp)の二重微分断面積(DDX)を陽子源として検出器の応答を計算(INCL-4.6/GEM)

検出器内部の非弾性散乱による帯5

[THOA15]PHITS計算と測定スペクトルの比較

Counts [/MeVee/proton]

0.4 GeV陽子を用いた測定結果：• Al窓の入射から検出をシンチレータ発光量としてPHITSにより計算（MeVee:1 MeV電子相当発光量）• 核計算モデル :1) INCL-4.6（核内カスケード) + GEM
2) JQMD（量子論的分子動力学) + GEM
30 ×10−12Present25INCL-4.6
JQMD2015

弾性散乱部検出効率～35%10弾性散乱断面積：PHITS 24.2 mb/sr
実験値*1 27.2±0.9 mb/sr

5*1: Heiberg, J. Phys. Rev. 106, 1271 (1957)0020

Ep 298 MeV

406080100120140160180
Light output [MeVee]

Ep 400 MeV 真空中の陽子エネルギー

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実験の考察

以下のことが懸念されたため別途試験を実施
・ 入射陽子強度：
突き抜けによるピークにも見える
ビーム強度モニタ―のノイズが大きく強度の不確定性が大きい→ プリアンプ導入・平均化により信頼うるビーム強度を取得
・ 弾性散乱部付近の信号飽和や検出器の突き抜けが考えられる検出器前部のステンレス板(10 mm-t)の設置による応答測定→ 信号の飽和と陽子が突き抜けていないことを確認
ステンレス板(SS) 10 mmを設置した際の比較
パルス毎に平均化し、プリアンプ
予想通りのピーク位置の振舞いで増幅した陽子ビーム強度信号→ 信号の飽和と陽子の突抜けは無く、ピークを正しく計測→ 信頼ある入射陽子数を取得
陽子の突き抜けによるピーク
ではなかった

2×107 proton/shot
通常 7×1013 proton/shot

ピーク位置実験に問題ないことを確認

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[THOA15]断面積(DDX)の導出" = $%, M: 測定値, R: 応答関数行列, S: DDXPHITSによる応答関数行列（計算)Cross section [mb/sr/MeV]• 核計算モデルや他の実験データと比較検討のためAl(p,xp)反応の二重微分断面積(DDX)を導出した。
• シンチレーション光による測定結果は、エネルギー損失過程や陽子の非弾性散乱による減衰を考慮する必要があるためDDXと一意的でない→ デコンボリューション（アンフォールディング）によりDDXを導出した。
• 応答関数行列： PHITSによる計算• アンフォールディング： RooUnfoldを用いベイズ推定法に基づき解となるDDXを導出した。
654Present 13°
Kin+ 2005 20°
INCL-4.6
JQMD

3210300

320

340360380400420

Proton energy [MeV]• 実験はJQMDの結果を支持する• 他の実験データKin+ (RCNP)のデータと良い一致を示す。
Kin+ 測定角度 20°、本実験 13°

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JAXAおよびNICTとの共同研究
JAXA&NICTと共同研究契約を結び、本年3月より陽子を用いた試験を開始した

2024年にGateway建設開始:
JAXAのスペクトロメータ開発は急務!
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J-PARC陽子照射施設（計画）
照射試料

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※Thの使用許可取得予定(少量核燃料使用施設）

ビーム窓

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. 材料照射試験 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

線
宇宙 室
似疑用
子利性
中

照射後試料

J-PARC実験施設
物質・生命科学実験施設

ニュートリノ実験施設

ハドロン実
験施設

S加D
A 器開陽子
速 施設
線
発to TEF-P

利用
施設

ユーザーコミュニティを設立※ ユーザー募集中施設
験後試 ル）
射照トセ
ッホ（•
初期施設を最小化し建設費最小化とすることも検討中（小さく産んで大きく育てる）

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まとめ
0.4 GeV陽子のビーム窓(Al)における散乱陽子を用いて、陽子スペクトル測定し、アンフォールディングにより二重微分断面積(DDX)を導出し計算モデルとの比較検討
利用者に提供する陽子スペクトルは単色性の強いものとなった。
他の実験との比較
l RCNPにおける測定結果とほぼ良い一致
計算との比較
l 準弾性散乱をINCL-4.6は3倍程度過大評価するのに対し、JQMDは比較的良い一致
今後の課題：
l 低エネルギー部のDDX導出および高い入射陽子エネルギーに対する検討、他の角度のAl標的核の測定
本年3月よりJAXA・NICTの試験を開始した。
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