サイクロトロン加速器を利用した核融合反応実験

物理学実験Ⅲ
放射線検出器によるγ線計測
&
サイクロトロン加速器を利用した
核融合反応実験
•理学研究科物理学専攻中間エネルギー核物理研究室
•サイクロトロンアイソトープセンター測定器研究部
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2015/10/1
物理学実験Ⅲ ガイダンス
内容
• 研究室紹介
– 中間エネルギー研（理学部物理学科）
– CYRIC
• 物理学実験３の実験内容の紹介
– 放射線検出器の原理と実践
• シンチレーション検出器
• 半導体検出器
– 原子核融合反応
• CYRICにおける 18O イオンビームを用いたフランシウム
生成
中間エネルギー研の紹介
• 中間エネルギー核物理グループでは，加速器を用いた中間エ
ネルギー領域（0.5-1 GeV）の核構造，核反応の実験的研究を
行っている。
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–
(1) 電磁相互作用を用いた原子核構造の研究
原子核内における核子励起状態
高エネルギー電子・光子
中間子生成機構
と原子核の相互作用による
中間子･原子核相互作用
中間子の生成
原子核内ストレンジネス
(2) 実験装置の開発
液体水素，重水素標的
トリガー検出器，中性子検出器
磁気スペクトロメータ
バーテックス検出器
(NKS2)の開発と改良
光子標識化装置
ビームモニター装置
東北大学ELPH、CYRIC、SPring-8、J-PARC
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物理学実験Ⅲ ガイダンス
東北大学電子光理学研究センター
1.2-GeV STretcher Booster Ring (STB Ring)
– 電子を1.2 GeVまで加速できるシンクロトロン。
原子核・ハドロン物理学実験用に1.2 GeV 標識化光子ビームを供給
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物理学実験Ⅲ ガイダン
ス
•
•
•
中性K中間子スペクトロメーター2
(NKS2)
原子核物理学研究室ストレンジネス
グループと共同で建設
電子光センターの光子ビームを用いた光中
間子生成反応の研究
荷電粒子の磁場中での飛跡と速度を
計測して光と標的との反応を同定
位置測定
速度測定
July, 2006
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物理学実験Ⅲ ガイダンス
重陽子の光子吸収
• 重陽子は陽子と中性子が 2.3 MeV という小さな束縛エネルギーで結合
• 核子の励起状態（核子共鳴）の閾値エネルギーを超えると、単一の核子
が光を吸収して励起状態へ遷移
• 励起状態から基底状態への遷移で中間子を放出
• 単一の核子のみが反応に関与し残りの核子は関与しない（準自由過程）
ことが多い（と考えられている）
Δ粒子の二重生成
●
■
□
△
this work
Asai (TAGX)
Wada (SAPHIR, PANIC’96)
Shinozaki (TAGX, private
communication)
ー Gomez
■ A.Fix (very preliminary)
過去のデータ、理論との
食い違い！
最も簡単な原子核である
重水素もまだまだ分からない
ことが多い
•
•
•
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（左）陽子と中性子がパイ中間子で接着
された重陽子に高エネルギー光を照射。
（中）陽子と中性子が励起状態に変化。
（右）陽子と中性子がそれぞれパイ中間
子を放出して基底状態に戻る。
物理学実験Ⅲ ガイダンス
核放射線物理グループの紹介
研究活動の場所～サイクロトロン・ラジオアイソトープセンター
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CYRICにおける様々な不安定核生
成
基本相互作用・対称性の破れ ~ 210Fr
82
126
偏極不安定核
50
82
28
元素合成 ~ 中性子過剰核
20
78Ni
50
28
8
20
8
α粒子ボーズ凝縮状態 ~ 16O*
9
CYRICの心臓部：
AVFサイクロトロン
100 MeV 以上の
サイクロトロン施設
東北大
大阪大
理研
放医研
原研高崎
癌センター（柏）
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サイクロトロン・ラジオアイソトープセンター測定器研究部
～宇宙太古の物質生成の歴史を読み解く～
量子的宇宙像
物質
反物質
反物質消失の機構～ＣＰ非保存の起源
：基本対称性・基本相互作用
元素合成のメカニズム～α粒子凝縮状態
：原子核構造
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探索針：レーザー冷却不安定原子核
EDM探索：
陽子数が多い～電荷が大きい
電子に電場を
原子中に極端に大きな電場を形成
かけて応答を見る
微小な現象を見る顕微鏡
放射性元素～崩壊
崩壊粒子を測定
高精度観測
光格子～量子コンピューター
82
126
50
82
28
20
8
8
50
2028
不安定原子核・放射性元素
原子核反応により重い不安定原子核生成
レーザーを用いて冷却・トラップ
未知の重い素粒子や対称性を、Quantum fluctuation を使って観測する。
Cooling ：微小シグナルを極低バックグランドで、増幅して検出。
極端な原子：原子数が大きい重い原子（Radioactive Atoms）～フランシウム
＋
極限量子状態：冷却原子～光格子～ボーズ・アインシュタイン凝縮
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大強度レーザー冷却不安定原子生成工場
大強度不安定核イオン源
~ realize ~106 Fr+/s
レーザー冷却・トラップ装置
~108 atoms trapped / single atom
Collection MOT
Fusion reaction
18O+197Au→210Fr+5n
Single atom MOT
Trapped Ｒｂ
~ ２ｍｍ
超低速高輝度中性原子ビーム源
イオン加速電圧 VA = 1 kV
1.8
中性 Fr 収量 [cps]
不安定原子核ビーム輸送・診断装置
1.6
電子プラズマ成形電圧
1.4
VN=80V
1.2
VN=150V
1.0
VN=200V
0.8
Fr イオン収量＝ 7 cps
0.6
0.4
0.2
0.0
0
2
4
6
8
タングステンフィラメント出力 [A]
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物理学実験Ⅲでの実験の内容
• 放射線と
放射線測定器
• フランシウム生成反応
– 放射線と物質の
相互作用
– シンチレーション検出器
• 検出原理
• 各種のシンチレーターの
– サイクロトロン
• 加速原理と構造
• イオンビームの照射
– 原子核融合反応
特性
– 半導体検出器
• 検出原理
• ゲルマニウム検出器
• シリコン検出器
（→ CYRIC)
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物理学実験Ⅲ ガイダンス
• フランシウムの生成
• α線計測による
フランシウムの同定
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シンチレーション検出器
• 透明な物質が放射線
のエネルギーで蛍光を
発する性質（シンチ
レーション）を利用
• シンチレーション光を光
センサーで電気信号に
変換して検出
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ゲルマニウム検出器
• ゲルマニウム半導体と放射線の
相互作用によって生成したキャリ
ア（ホール・電子対）を電気信号
として出力
• バンド幅が狭い(2.96 eV、ちなみ
にシリコン半導体は3.64 eV。ア
ルゴンガスなどを用いた検出器
だと 100 eV)
– 数MeVのγ線のエネルギー測定に
おいては、現存する検出器のなか
で最高のエネルギー分解能を持つ
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サイクロトロン加速器を利用した核融合反応実験
加速した酸素ビーム
サイクロトロン加速器
フランシウムの生成
中性化
レーザー冷却フランシウム生成工場
レーザー冷却・捕獲
自然界には存在しないフランシウム原子 (Fr) を人工的に生成して
その性質を利用することで宇宙の成り立ちや仕組みを理解する研究
精密な実験を実現するために○融合反応による Fr の生成○表面電離現象によるイオン化
○静電場によるイオンビームの輸送○表面中性化反応によるイオンの変換
○レーザーを用いた原子の冷却・捕獲など
……様々な技術を活用している
サイクロトロン加速器を利用した核融合反応実験
物理学実験３では, 酸素と金の融合反応によるフランシウムの生成を行う.
18O+197Au210Fr+5n
中性子
酸素ビーム
(100 MeV)
金標的
Fr イオン生成装置
フランシウム
生成された Fr は, 1000℃まで加熱された Au 標的の表面で電離現象を生じ, イオン化する
 電磁場でコントロールすることが可能  静電場で抽出・加速・輸送する
Fr は一定時間後, アルファ崩壊を生じて特定のエネルギーをもったアルファ線を放出する.
 このアルファ線を検出することで, 生成した粒子 (Fr) の同定が行える.
フランシウム
アルファ線
アスタチン
210Fr
(t1/2=3 min) 206At+ α
実験では, 実際に Fr イオンを生成し,
Fr から放出された α 線のエネルギーを
半導体検出器で測定する.
サイクロトロン加速器を利用した核融合反応実験
SSD 検出器を用いて粒子の同定ができる
Solid State Detector:
シリコン半導体検出器. アルファ線を検出できる.
241Am:
Fr+
エネルギー較正のための密封線源
SSD
SSD で取得されたアルファ崩壊スペクトル
241Am
(5.5MeV)
Viewer
(for Rb)
210Fr
(6.5MeV)
209Fr
(6.6MeV)
青:
preliminary
緑:
241Am
起源
208-212Fr
や娘核・孫核
実験の進行・レポート・発表
• 実験の進行
– 初めの2週間は６０７号室に集合します。
– 後半はサイクロトロンアイソトープセンターに集合します。
– 実験は２グループで行ないます。
• レポート
– グループ毎に1部のレポートをまとめます。
– レポート執筆の分担方法はお任せします。
• レポート提出(発表）
– 第9回目にレポートを提出してもらいます。
– その際に、レポートについての簡単な説明をプレゼンテーションしても
らいます。
– プレゼンテーションにパワーポイントを用いる必要はありません。
– プレゼンテーションの内容やレポートの内容に対して簡単な質疑応答
を行ないます。
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物理学実験Ⅲ ガイダンス
実験スケジュール
•
–
–
–
–
–
•
–
NaI シンチレーションプローブを使用したγ線
計測（続）←特にシンチレーター内部での物
理現象に注目
第４回（10月15日）
–
ゲルマニウム検出器を使用したγ線計測 ←
特にエネルギー精度とその原因に注目
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第５回（10月16日）
–
–
–
•
–
–
•
SSDを使用したα線計測
密封線源を用いてSSDの特性を理解する
第７回（10月23日）
–
•
核融合反応による不安定核の生成の説明
シリコン半導体検出器(SSD)の仕組み
サイクロトロン加速器見学
第６回（10月22日）
–
–
•
γ線と物質の相互作用
NaI シンチレーションプローブを使用したγ線
計測
シンチレーションカウンタの信号
処理と計数率計測
第３回（10月9日）
–
•
実験内容の説明
レポートの書き方・実験ノートの書き方
放射線と物質との相互作用
放射線検出器の仕組み
シンチレーションカウンタの自作（宇宙線：荷
電粒子の測定）
第２回（10月2日）
–
–
•
•
第１回 (10月1日）
サイクロトロンを利用したフランシウム生成・
輸送実験
SSDを用いたフランシウムの同定
イオン輸送電場の最適化
第８回（10月29日）
–
データ整理
–
密封線源実験およびフランシウム実験の
データ解析
第９回（10月30日）
–
レポート提出、質疑応答
物理学実験Ⅲ ガイ
ダンス
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