フラグメント生成を考慮した多粒子相関シミュレーションとその応用

2015 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 25871111
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization
• Principal Investigator: 萩原 雅之 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 放射線科学センター, 助教 (10450363)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 核反応 / 核データ / 二重微分断面積 / フラグメント / 原子核工学 / イベントジェネレータ / 核内カスケード模型 / 蒸発模型

Outline of Annual Research Achievements

加速器を用いたがん治療や核変換等の放射線応用分野では、加速粒子と標的核(人体や加速器を構成する原子核)との相互作用に関して、詳細かつ正確な情報が求められる。本研究では、中高エネルギー領域の核反応で放出される多種多様な粒子とその動力学的相関を統一的にかつ微視的に記述できるイベントジェネレータを構築し、放射線応用分野で必要とされている粒子・重粒子輸送シミュレーションコードの高精度化に資することを目的としている。
昨年度までに、非平衡過程からの粒子放出を核内カスケードモデル（INCL4.6）で模擬し、平衡過程からの粒子放出を統計マルチフラグメンテーションモデル（SMM）と一般化蒸発モデル（GEM）を組み合わせたモデルで模擬するイベントジェネレータを構築し、陽子入射反応に対する生成二重微分断面積の実験データを基に、モデルのフラグメント生成過程の記述の改良を行った。非平衡過程からのフラグメント生成を記述する表面コアレッセンスモデルにおいて結合させる核子間の相対運動量に上限値（Δp<240 MeV/c）を導入することにより、数100 MeVから数GeVまでの幅広い入射エネルギー領域において、実験値に対する再現性を向上させることができた。更に、Pick up反応を組み込み、反応のQ値を補正することで、開発したモデルの適用範囲を数10MeVから数GeVに拡張することができた。開発したモデルで放射化断面積を計算し実験値と比較したところ、中性子放出反応では差異があるものの、フラグメント放出反応に関しては実験値を比較的良く再現する事が分かった。また、INCL4.6にポテンシャル散乱の効果を導入することで、数10 MeV領域の(p,p')反応に対する実験値の再現性が向上する事が分かった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究では、大型加速器施設の放射線安全設計、加速器を用いたがん治療、原子力発電所から排出される長寿命放射性廃棄物の核変換処理技術、半導体ソフトエラーの評価・解明等の放射線応用分野で利用される放射線輸送シミュレーション技術の高度化のため、その基盤となる数10 MeVから数GeVの中高エネルギー核破砕反応で放出されるあらゆる粒子とその動力学的相関を統一的にかつ微視的に記述できる核反応モデルを開発すると共に、その精度検証を行い、汎用粒子・重イオン輸送計算コードPHITSに組み込み、被ばく線量評価、材料の劣化・損傷や照射効果に対するフラグメントや多粒子放出の影響を明らかにすることを目的としているが、本年度までに達成した成果によって、入射エネルギーが数10 MeVから数GeVの核反応に対して広い標的範囲の実験値を再現する核反応モデルを開発することができている。また開発しているモデルがイベントジェネレータを利用していることから放出される粒子とその動力学的相関を統一的にかつ微視的に記述できる。
以上の理由により、研究の目的はおおむね達成されている。

Strategy for Future Research Activity

本研究で開発したモデルは陽子入射反応の実験データを用いて最適化されているが、今後は中性子や重イオン入射反応においても、モデルの妥当性やその適用範囲を調査する。中性子やイオン入射反応については二重微分断面積の測定データが殆どないため、放射化断面積との比較で検証を行う。
開発したコードを粒子・重粒子輸送計算コードPHITSに組み込み、申請者が従事している大強度陽子加速器施設（J-PARC）の放射線安全評価計算や中高エネルギー陽子・中性子、重粒子線による被ばく線量評価や半導体機器の照射効果、材料の劣化・損傷等、様々な条件の粒子輸送シミュレーションを行うことによって、これらの現象に対するフラグメントや多粒子放出の影響を明らかにする。

Causes of Carryover

2013年5月23日に発生したJ-PARCハドロン実験施設の放射能漏えい事故の対応を緊急で取り組む必要があり、幾つかの国際会議での成果発表や実験の参加を取り止めざるを得なかった。

Expenditure Plan for Carryover Budget

国際会議における成果発表や実験参加のための出張費や学術論文への投稿費用として使用する予定である。

Research Products

• [Journal Article] Simulation technique for extrapolation curves in 4πβ&#8211;γ coincidence counting method using EGS5 code (2016)
  • Author(s): Y. Unno, T. Sanami, S. Sasaki, M. Hagiwara and A. Yunoki
  • Journal Title: Applied Radiation and Isotopes Volume: 109 Pages: 363-368
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.apradiso.2015.12.014
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development and operational experience of magnetic horn system for T2K experiment (2015)
  • Author(s): T. Sekiguchi, K. Bessho, Y. Fujii, M. Hagiwara, etc.
  • Journal Title: Nucl. Instrum. Meth. A Volume: 789 Pages: 57-80
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.nima.2015.04.008
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Indirectly water-cooled production target at J-PARC hadron facility (2015)
  • Author(s): H. Takahashi, K. Agari, K. Aoki, M. Hagiwara, E. Hirose, M. Ieiri, R. Iwasaki, Y. Katoh, M. Minakawa, R. Muto, M. Naruki, H. Noumi, Y. Sato, S. Sawada, Y. Shirakabe, Y. Suzuki, K. H. Tanaka, A. Toyoda, H. Watanabe and Y. Yamanoi
  • Journal Title: J. Radioanal. Nucl. Chem. Volume: - Pages: 1-7
  • DOI: 10.1007/s10967-015-3940-9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Investigation on Radionuclides Released in the Radioactive Material Leak Incident at the J-PARC Hadron Experimental Facility (2015)
  • Author(s): H. Masayuki, S. Kiwamu, N. Masaharu, T. Kazutoshi, K. Jun-ichi, M. Hiroshi, S. Toshiya, M. Taichi, M. Kazuyoshi, I. Masaharu, S. Yoshinori and T. Akihisa
  • Journal Title: JPS Conf. Proc. Volume: 8 Pages: 051007
  • DOI: 10.7566/JPSCP.8.051007
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Production of Radionuclides in the Cooling Water for Electromagnetic Horns at the J-PARC Neutrino Experimental Facility (2015)
  • Author(s): B. Kotaro, H. Masayuki, M. Hiroshi, K. Jun-ichi, T. Kazutoshi, T. Asako, M. Kazuyoshi, M. Hideaki, O. Yuichi, S. Tetsuro and Y. Yoshikazu
  • Journal Title: JPS Conf. Proc. Volume: 8 Pages: 051005
  • DOI: 10.7566/JPSCP.8.051005
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Characterization of high-energy quasi-monoenergetic neutron energy spectra and ambient dose equivalents of 80&#8211;389 MeV 7Li(p,n) reactions using a time-of-flight method (2015)
  • Author(s): Y. Iwamoto, M. Hagiwara, D. Satoh, S. Araki, H. Yashima, T. Sato, A. Masuda, T. Matsumoto, N. Nakao, T. Shima, T. Kin, Y. Watanabe, H. Iwase and T. Nakamura
  • Journal Title: Nucl. Instrum. Meth. A Volume: 804 Pages: 50-58
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.nima.2015.09.045
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 核内カスケード模型によるフラグメント生成過程の記述3 -入射エネルギー100 MeV以下の低エネルギー領域におけるDDXの改良- (2016)
  • Author(s): 萩原雅之
  • Organizer: 日本原子力学会2016春の年会
  • Place of Presentation: 東北大学 川内キャンパス（宮城県、仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-26 – 2016-03-28
• [Presentation] Characterization of hundreds of MeV 7Li(p,n) quasi-monoenergetic neutron source at RCNP using a proton recoil telescope and TOF technique (2016)
  • Author(s): M. Hagiwara, Y. Iwamoto, H. Iwase, H. Yashima, D. Satoh, T. Matsumoto, A. Masuda, Y. Nakane, A. Tamii, T. Shima, K. Hatanaka, T. Nakamura
  • Organizer: the First International Symposium on Radiation Detectors and Their Uses (ISRD2016)
  • Place of Presentation: High Energy Accelerator Research Organization (Ibaraki, Tsukuba)
  • Year and Date: 2016-01-18 – 2016-01-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 反跳陽子テレスコープを用いた中性子測定並びに液体有機シンチレータNE213を用いた遮へい実験 (2015)
  • Author(s): 萩原雅之, 岩瀬広, 岩元洋介, 佐藤大樹, 中根佳弘, 八島浩, 中村尚司, 中島宏, 坂本幸夫, 民井淳, 嶋達志, 畑中吉治
  • Organizer: RCNP研究会「高エネルギー準単色中性子照射場を活用した実験と今後の展望」
  • Place of Presentation: 大阪大学 核物理研究センター（大阪府、茨木市）
  • Year and Date: 2015-11-26 – 2015-11-27
• [Presentation] Comparison of several state-of-the-art deexcitation models coupled with an intranuclear-cascade model for proton-induced reactions at intermediate energies (2015)
  • Author(s): Masayuki HAGIWARA, Davide MANCUSI, Alan BOUDARD, Sylvie LERAY, Joseph CUGNON
  • Organizer: 2015年度核データ研究会
  • Place of Presentation: いばらき量子ビーム研究センター（茨城県、東海村）
  • Year and Date: 2015-11-19 – 2015-11-20
• [Presentation] 核内カスケード模型によるフラグメント生成過程の記述2 -放射化断面積との比較- (2015)
  • Author(s): 萩原雅之, Davide MANCUSI, Alan BOUDARD, Sylvie LERAY, Joseph CUGNON
  • Organizer: 日本原子力学会2015秋の大会
  • Place of Presentation: 静岡大学 静岡キャンパス（静岡県、静岡市）
  • Year and Date: 2015-09-02 – 2015-09-11
• [Presentation] Characterization of hundreds of MeV 7Li(p,n) quasi-monoenergetic neutron source at RCNP using a proton recoil telescope (2015)
  • Author(s): M. Hagiwara, Y. Iwamoto, H. Iwase, H. Yashima, D. Satoh, T. Matsumoto, A. Masuda, Y. Nakane, A. Tamii, T. Shima, K. Hatanaka, T. Nakamura
  • Organizer: the 8th International Symposium on Radiation Safety and Detection Technology (ISORD-8)
  • Place of Presentation: Jeju Island, Korea
  • Year and Date: 2015-07-14 – 2015-07-16
  • Int'l Joint Research