natMg+86Krの反応による生成核からのβ線の測定とGEANTによるシミュレーションとの比較

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1 nat Mg+ 86 Kr の反応による生成核からの β 線の測定と GEANT によるシミュレーションとの比較 田尻邦彦倉健一朗 下田研究室

2 目次 実験の目的 nat Mg+ 86 Kr 生成核からの β 実験方法 実験結果 GEANT によるシミュレーション 解析 結果 まとめ 今後の課題

3 実験の目的 偏極した中性子過剰 Na アイソトープの β-γ-γ 同時測定実験を TRIUMF で行う予定 Ge 検出器を多く配置し γ 線の検出効率を上げたい 高エネルギーの β 線を Ge 検出器で測定できるのか? GEANT4 で正しくシミュレーションできるのか? Ge 検出器により既知の β 線のスペクトルを測定し GEANT4 によるシミュレーションと比較する

4 nat Mg+ 86 Kr 反応の生成核からの β 線の測定 スタンダードな β 線源 : 90 Sr 最大エネルギー 2282 kev の β 線 エネルギーが低い AVF サイクロトロンからのビームを用いて 高エネルギーの β 線を放出する核を作り オンラインで測定する

5 実験概要 (1) 反応 24 Mg+ 86 Kr 110 Cd* 98 Rh + αp7n ビーム : 86 Kr 8.7MeV/u ターゲット : nat Mg 10.8μm (2) 場所 大阪大学核物理研究センター ( 吹田キャンパス ) RCNP (Research Center for Nuclear Physics) EN コース ( 東実験室 ) 加速器 : AVF サイクロトロン

6 nat Mg+ 86 Kr 反応生成核の中で β γ 同時測定に適した核 m ax Eβ 3476

7 24 Mg+ 86 Kr 110 Cd* 98 Rh + αp7n <CASCADE> 核融合反応で生成された複合核 および粒子放出後の生成核をモンテカルロで計算する total cross section ~1163 mb 98 Rh cross section ~70 mb (total cross section の 6%) Rh

8 実験手法 recoil catcher method Primary beam( 86 Kr) γ 生成核は反跳を受けて飛び出す! γ E = 8.7MeV/u target ( nat Mg) γ 98 Rh E =4.55MeV/u e catcher キャッチャーまで生成核を運んで捕獲する 核融合反応直後に出る γ 線を落とすことができる 注目した核からの β 崩壊後の放射線のみを測定

9 RCNP EN コース 東実験室 AVF サイクロトロン

10 Beam Transport 86 Kr ビームが下流に届かない磁場の値にした nat Mg ターゲット D1 SX1 SX2Q4 D2 Ge + Plastic Scinti. F0 Q1 Q2Q3 F1 Q5 Q6Q7SX3 Pb catcher F2 86 Kr ビーム 飛行距離 :16m 飛行速度 :~0.1c 飛行時間 :~500ns 寿命の長い生成核からの放射線のみ測定できる

11 Yield [pps] F1 での 86 Kr と生成核の分離 LISE による計算 イオンが物質を通過する際 価数により分かれる Kr ビーム 赤 : 98 Rh 33+ Bρ [T m]

12 実験のセットアップ ( 検出器周辺 ) 検出器 : 同軸型 Ge 検出器 4 台 Plastic Scintillator1 台 キャッチャー nat Pb 41.7mg/cm 2 上部の窓から β 線が出るように 45 に設置した 上部の Ge で β 線を測定するため チェンバー上部にカプトンフォイルの窓を作成した

13 測定原理 (β γ 同時計測 ) Ge1 Plastic Scinti. e Ge2 γ γ e γ Ge3 Plastic Scinti. でゲートをかける Ge1 では β 線のみのスペクトル Ge2 3 の γ 1 でゲートをかける Ge1 では β 1 のみのスペクトル

14 実験結果 (1) - β 線測定用 Ge 検出器の γ 線スペクトル β 崩壊後の γ 線等が測定できた!

15 counts 実験結果 (2) β 線測定用 Ge 検出器 1 の β 線スペクトル Ge1 β 線のみのスペクトル Plastic Scinti. Ge2 e e γ γ γ Ge3 653 kev の γ 線でゲートした β 線のスペクトル m ax E β 3467 kev 98 Rh 653 kev energy [ kev ] 98 Ru 98Rh の decay scheme

16 GEANT4 によるシミュレーション <GEANT とは > 粒子と物質との相互作用 物質中での軌跡を計算できるモンテカルロシミュレーションプログラム 高エネルギー 原子核などの分野で 測定器シミュレータとして用いられる

17 GEANT4 上での検出器周辺の配置 Al カバー Ge 結晶 Plastic Scinti. カプトンフォイル チェンバー ( アクリル ) 生成核 β 線 Pb キャッチャー 物質 密度 大きさを定義して 配置する Ge 結晶を検出器とし 結晶中で落としたエネルギーを計算 出力させる

18 counts シミュレーション結果 実験結果 /GEANT ratio 実験結果 /GEANT Energy [ kev ] Energy [ kev ] スペクトルの形は ほぼ一致している

19 解析 End point energy β 線の end point energy( 最大エネルギー ) を 求めるため Kurie plot を作成した β 線のスペクトルは N( E) C( E) F( Z, E) pe( E E 2 0 ) N( E) K( E) C( E)( E0 E) F( Z, E) pe これをプロットすれば E 0 (end point energy) を求められる 98 Rh の着目している遷移は許容遷移なので C(E)=const. としてよい

20 解析 98 Rh からの β 線 (3.476 MeV) の energy loss Plastic Scinti. チェンバー上部 Al カバー Ge 結晶 Ge 結晶までの energy loss E~0.63 MeV End point energy E 0 =2.75 MeV カプトンフォイル β 線 stopping power より計算 (ref. TRIUMF Kinematics Handbook)

21 解析 -End point energy ( 実験データ ) 98 Rh Kurie plot (653 kev γ-ray gated) β 線の最大エネルギー :3.467 ±0.010MeV エネルギー損失後 :2.750 MeV end point energy =2.69±0.10 MeV

22 解析 End point energy (GEANT4) 98 Rh Kurie plot ( 最大エネルギー 3467 kev) β 線の最大エネルギー :3.467 ±0.010MeV エネルギー損失後 :2.750 MeV end point energy =2.73 ±0.10 MeV

23 結果 実験結果と GEANT4 でのシミュレーション結果とで β 線スペクトルの形が一致した Kurie plot による end point energy 実験結果 : 2.69±0.10 MeV GEANT4: 2.73 ±0.10 MeV 検出器に入る β 線の end point energy の文献値 MeV 誤差の範囲内で一致

24 まとめ nat Mg+ 86 Kr 生成核からの β 線を Ge 検出器で測定した β 線のみのスペクトルを得ることができた GEANT4 を用いて シミュレーションを行った β 線のスペクトルを再現したので β 線を Ge で測定する際のシミュレータとして有効である Kurie plot を作成し 両者の end point energy を文献値と比較した 誤差範囲で一致

25 今後の課題 TRIUMF での実験で観測する ~20 MeV の β 線を Ge 検出器で測定する際 GEANT4 によってシミュレーションを行う TRIUMF で行う実験の準備

26 回路図 (Ge&Plastic Scinti.)

27 β 線スペクトルのゲート条件 -30~ 150ns 0

28 β 線測定用 Ge スペクトル (Plastic Scinti. gated & veto) 上 :gated spectrum 下 :veto spectrum

29 γ 測定用 Ge3 台 (sum) スペクトル

30 TRIUMF ISAC ( Isotope Separator / Accelerator) ISAC-2 ISAC-1

31 TRIUMF 実験 偏極した核の β 崩壊による娘核のスピン パリティの決定 28 Mg, 29 Mg, 30 Mg, 31 Mg, 32 Mg N =16, 17, 18, 19, 20 偏極 P 目的の準位に遷移しているかは β γ 同時測定で求める ベータ線の asymmetry を測定することで娘核のスピン パリティが決定できる!

32 TRIUMF 実験 偏極した核の β 崩壊による娘核のスピン パリティの決定 Plastic Scinti. 偏極 P Plastic Scinti. Ge Ge W( 180 ) 1 AP W(0 ) 1 AP θ= 180 θ=0 Aが求まる

33 93Mo の level scheme NNDC

34 Fermi 関数 F( Z, E) 2(1 )(2 pr) 2 2 exp( ) [ ( i )] [ (2 1)] (1 Z 2 ) 1/ 2 ZE / p Ref. D.H.Wilkinson Nuclear Instruments & Methods In Phys Research A365 (1995) 203

W 1983 W ± Z cm 10 cm 50 MeV TAC - ADC ADC [ (µs)] = [] (2.08 ± 0.36) 10 6 s 3 χ µ + µ 8 = (1.20 ± 0.1) 10 5 (Ge

W 1983 W ± Z cm 10 cm 50 MeV TAC - ADC ADC [ (µs)] = [] (2.08 ± 0.36) 10 6 s 3 χ µ + µ 8 = (1.20 ± 0.1) 10 5 (Ge 22 2 24 W 1983 W ± Z 0 3 10 cm 10 cm 50 MeV TAC - ADC 65000 18 ADC [ (µs)] = 0.0207[] 0.0151 (2.08 ± 0.36) 10 6 s 3 χ 2 2 1 20 µ + µ 8 = (1.20 ± 0.1) 10 5 (GeV) 2 G µ ( hc) 3 1 1 7 1.1.............................

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