シンチレーション検出器を用いた放射線計測 物理学基礎研究 シンチレーション検出器を用いた放射線計測 理学研究科物理学専攻 中間エネルギー核物理研究室 http://nuclear.phys.tohoku.ac.jp/butsurikiso/ 物理学基礎研究 中間エネルギー 検索

スタッフ 研究内容 中間エネルギー核物理研究室 前田和茂， 神田浩樹，井口亜欄（TA）, 西山幸伸 高エネルギー光子と原子核の相互作用による中間子 の生成 原子核内におけるバリオン・バリオン相互作用の研 究 ストレンジネス核物理

研究内容 3 光子・電子による原子核の研究 光子は電流に応答する性質を持っている。この性質を利用し，原子核内の電流（陽子が運動することによる電流や，スピンによる磁化電流など）の空間分布を精密に調べることができる。さらに、電流の空間分布は原子核の構造を反映するので，原子核，及びその内部を詳細に調べることができる。電子も同様に，仮想光子を原子核との間で交換する。仮想光子は，原子核の電流だけではなく電荷の空間分布を調べることができる特徴がある。中間エネルギー研究室では，この光子や電子の優れた特徴を生かし，いろいろな波長の光子（仮想光子も含めて）を使いながら原子核研究を進めている。光子の波長を変えることで，違った空間分解能で原子核に迫ることができる。 現在の主な研究課題は，電子線加速器を用いた中間子，核子共鳴生成の研究である。

東北大学原子核理学研究施設 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。原子核物理学の研究には、200 MeV 連続電子ビームもしくは 1.2 GeV 標識化光子ビームを供給できる。 STB Ring The Ring provides a good electron beam for nuclear physics experiments. It stretches a pulsed beam from the LINAC and can boost the electron energy up to 1.2-GeV.

Cross Sectional View of NKS2 July, 2006 680 Magnet OH SDC Photon Beam direction IH This is the cross sectional view of the NKS spectrometer CDC Electron veto Central Region

物理学基礎研究での実験の内容 放射線と放射線測定器 元素を変える・元素を作る 放射線の利用 放射線と物質の相互作用 放射線検出器 各種のシンチレーター 信号の定量化 元素を変える・元素を作る 原子核反応 原子核崩壊 加速器を用いて放射性元素を作る CYRIC９３０サイクロトロンからの陽子ビームを照射して鉄やバナジウムを核変換 放射性元素からのγ線による同定 放射線崩壊の測定 放射線の利用 放射線源による用途の違い/何がわかるか？ ポジトロン・ポジトロニュウム 応用例の紹介（PETシミュレータ） サイクロトロンでの陽子の照射

放射線を計測する 原子核・素粒子物理学実験における基礎的な技術。 原子核や素粒子の反応の測定のために、反応によっ て生成した各種の高エネルギー粒子（＝電離放射線） を検出し、その性質を測定する。 目では見えない放射線を（効率良く・精度良く）検出す るためのさまざまな工夫がなされている。 検出した信号を電気的（最終的には数値的）に取り扱 う各種の装置を利用している。

原子核物理学の実験的研究 原子核の性質（構造・状態・反応）を実験的に調べる物理学の 一分野。原子核の自身の崩壊によって、あるいは、他の原子核 や粒子を衝突させることによって、放出された原子核や粒子を 検出してその情報から元の原子核の構造や反応を調べる。 顕微鏡観察にたとえると、原子核という試料に、他の原子核や 素粒子を光として照射し、その透過、反射、あるいは発光した光 をレンズで集光していることに当たる。顕微鏡のレンズや顕微 鏡を覗く目に相当するのが、放射線検出器である。

シンチレーション検出器 シンチレーションという現象を利用して放射線を検出する装置。放射線と反 応して発光するシンチレーターと呼ばれる物質と光を電気信号に変換する検 出部を組み合わせて作る。 シンチレーターには、有機物あるいは無機物のいろいろな種類のものがあり、 それぞれの性質を生かして各種の用途に用いられる。 検出部としては、光電子増倍管や光ダイオードなどが用いられている。

放射性元素・放射線源 放射線を出す物質には天然に存在するものと人工的に製造するものがある。 原子核に他の原子核を衝突させて反応を起こし、別の種類の原子核を生成 することができる。 この実験では、CYRIC のサイクロトロンという加速装置を用いて陽子（水素 原子核）を光速の２０%という速度まで加速して、鉄やバナジウムの原子核に 衝突させることで、別種の原子核を生成する。 これらの新しく生成した原子核から放出される放射線の性質から、種類を同 定することができる。 原子核反応 原子核破片 天然の放射性物質：炭素１４・カリウム４０・ラジウム・ウランなどで、一般に寿命が数億年程度で長い（炭素 １４の寿命は数千年程度と短いが、宇宙線と窒素原子核との反応によって上層大気中で生成され続けて いる） 人工の放射性物質：三重水素・コバルト６０などで、寿命が数年から数十年程度と短い

反粒子の性質 反粒子は、「粒子」と電荷が反対でスピンや質量などの性質の 全く同じ粒子である。例：陽電子-電子、反陽子-陽子 粒子と反粒子が衝突すると、対消滅してエネルギーの塊となる。 エネルギーの塊からは、各種の保存則を満足させながら粒子 （反粒子も含む）へと転換する。 この実験では最も手軽に利用できる反粒子である陽電子（ポジ トロニュウム）を用いて性質を調べる。 反物質の消滅

放射線（計測）の応用 高い透過力（主に高エネルギー光子） 高い電離力（主に荷電粒子） RIの一定の半減期 非破壊検査 人体の断層撮影 腫瘍の治療 物質の構造の強化 滅菌 RIの一定の半減期 年代測定

放射線の光と影 放射線の利用はもちろん良いことずくめではない。 透過力が高い+高エネルギー⇒人体内部に深刻な損 傷をもたらす 放射線の利用はもちろん良いことずくめではない。 透過力が高い+高エネルギー⇒人体内部に深刻な損 傷をもたらす 放射線発見初期の物理学者には白血病など放射線に よる障害で死んだ人が多い。 この実験で扱う放射線の量は、人体にほとんど影響が 無い程度なので気にする必要はないが、キケンなもの を扱っているという認識は持っていてもらいたい。

実験スケジュール 第7 回 60Co の崩壊様式とカスケードγ 線について説明する 第1 回 全体ガイダンス・組分け 実験内容の説明(607号室に移動して行う） レポートの書き方・実験ノートの書き方 実験準備 簡単な測定シンチレータの種類による出力波形の違いの観測 シンチレーションカウンタの自作と測定 第2 回 カウンタの信号を処理する電子回路 第3 回 CYRIC 930 サイクロトロン，第一ターゲット室見学 RI 製造， 鉄と陽子、バナジウムと陽子の反応について説明 第4 回 製造したRI の強度測定（１回目） 測定にまつわる誤差(系統誤差、統計誤差) 第5回 γ線スペクトルによるRIの同定 RIの崩壊と半減期 ADC(QDC)とそれを使うための回路 プラスチックシンチレータのシグナルをＡＤＣで観測 第6回 製造したRI の強度測定（２回目） 鉄標的の層毎の強度測定も γ 線の強度の標的毎の違いから、陽子の物質中でのエ ネルギー損失、エネルギーと断面積の関係について説 明する 検出効率を仮定し、56Fe(p, n)56Co 反応の断面積 を計算させる。可能であれば、 断面積と56Co 原子核のサイズの関係も計算させる 第7 回 60Co の崩壊様式とカスケードγ 線について説明する 同時計数回路について説明し、60Co の2 本のγ 線のエネルギーを同時に測定する回路を作る 第8 回 製造したRI の強度測定（３回目） 反粒子、粒子と反粒子との対消滅について説明する(対称性、保存則) 同時計数回路を作り、検出器の角度と22Na の2 本のγ 線の同時計数率の関係を 測定する ADC で60Co, 137Cs のエネルギースペクトルを取り、エネルギー較正を行う 22Na の2 本のγ 線のエネルギーを同時に測定する回路を作り、511keV のγ 線のピークの由来を考察させる。 第9 回 製造したRI の強度測定（４回目） これまで収集したRI の放射線強度測定結果より、最小二乗法でRI の半減期を推定する。 PET シミュレータで、22Na の位置を調べる 第10 回 レポート提出。簡単な質疑応答。

Cyclotron 15 lns-k0-06@lambda.phys.tohoku.ac.jp

56Co 16

56Co beta decay 17

48V 18

48V beta decay 19

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pn reaction 21