（５６Ni周辺核の高スピン・長寿命励起状態を研究するための効率的な方法の確立） Establishment of a Versatile Method for Systematic Studies of High-Spin and Long-Lived Excited States in Nuclei around Double Magic Nucleus 56Ni （５６Ni周辺核の高スピン・長寿命励起状態を研究するための効率的な方法の確立） 下田研究室 伊藤　洋介　　見目　庸　　菅原　啓

目次 目的と動機 実験場所と検出器 実験手順と結果 解析 まとめ 今後の課題

実験目的・動機 さまざまな励起状態の原子核の構造はどうなっているのか？ 不安定な原子核は放射線を出して安定な原子核に崩壊する。 ⇒今回は特に、アイソマーとよばれる 　　特異な状態に着目する。 52Fe γ線 これらの放射線を測定して 原子核の構造を探る！

アイソマーとは？ 長い寿命を持った核の励起状態のこと 普通の励起状態の寿命→10-13~-15秒 アイソマーの寿命→10-9秒 ~ 数秒 　　　　　　　　　　　　 ~ 数時間のものもある！！

動機 二重閉核56Ni周辺の原子核では高スピンで長い寿命 を持つ状態（アイソマー）が観測されている。 特に52Feは半減期46s、スピン・パリティが12+という高 スピンのアイソマーが確認されているが、それよりスピン の大きい状態はまだ知られていない。 これをクーロン励起させればアイソマーより上のスピンの 大きい準位を測定し、核構造についての議論が可能と なる。

今回の実験では、 56Ni周辺核の高スピンアイソマービームをつくる。 ⇒今回は特に52Feを見る。 高スピンアイソマービームを、強度・純度を高く、収束を 良く輸送する。

反応過程 40Ar+natMg→64Zn* 52Fe 核融合 反応生成物 44Sc 55Fe 50V 56Co 50Mn 54Fe 48Cr γ線 natMg Pb n 核融合 p 64Zn 52Fe 40Ar γ α γ線 Ge検出器

一次ビームのエネルギーを決める CASCADEというシミュレーションソフトで計算 52Feの生成量、S/Nが大きくなるエネルギーを選択 (MeV/u)

核融合反応の生成物 適切な反応を選んでも様々な核種が生成する。 52Feの反応断面積はわずか0.139%。 CASCADEの計算結果による 生成核種の見積もり Z 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 0.1～1.0mb N 1.0～10mb 10～100mb 28 29 30 31 多くの核種の中から アイソマーだけを選び出し、 さらにS/Nよく目的の核種の γ線を検出してやる必要がある。

実験場所 東実験室 AVFサイクロトロン 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） 東実験室のENコース（二次ビームコース） 加速器： AVFサイクロトロン 東実験室 AVFサイクロトロン

ENコース S/Nよくアイソマーからのγ線を観測できる。 F１ F0 F２ 反応 γ線測定 飛行距離：16m 飛行速度：~0.07c ディグレーダー natMg ターゲット D1 SX1 SX2 Q4 D2 Ge検出器 Q3 Q5 Q2 Q6 Q1 Q7 F１ SX3 F0 F２ 反応 γ線測定 40Arビーム Pbキャッチャー 飛行距離：16m 飛行速度：~0.07c 飛行時間：~700ns 寿命の長い生成核からの 放射線のみ測定できる S/Nよくアイソマーからのγ線を観測できる。

双極電磁石 ENコース F１ F0 F２ 磁場をかけてビームを曲げることで 52FeとBrが異なる粒子を分離する。 ここで１次ビームをきる。 ディグレーダー natMg ターゲット D1 SX1 SX2 Q4 D2 Ge検出器 Q3 Q5 Q2 Q6 Q1 Q7 F１ SX3 F0 F２ 40Arビーム Pbキャッチャー 双極電磁石 磁場をかけてビームを曲げることで 52FeとBrが異なる粒子を分離する。 ここで１次ビームをきる。

Alディグレーダー ENコース F１ F0 F２ エネルギー損失のE,Z依存性を利用して 粒子のBrを変え、D2で分離できるようにする natMg ターゲット D1 SX1 SX2 Q4 D2 Ge検出器 Q3 Q5 Q2 Q6 Q1 Q7 F１ SX3 F0 F２ 40Arビーム Pbキャッチャー Alディグレーダー エネルギー損失のE,Z依存性を利用して 粒子のBrを変え、D2で分離できるようにする 二次ビームのエネルギーを調整する

双極電磁石 ENコース F１ F0 F２ 磁場をかけてビームを曲げることで 52FeとBrが異なる粒子を分離する natMg ターゲット ディグレーダー natMg ターゲット D1 SX1 SX2 Q4 D2 Ge検出器 Q3 Q5 Q2 Q6 Q1 Q7 F１ SX3 F0 F２ 40Arビーム Pbキャッチャー 双極電磁石 磁場をかけてビームを曲げることで 52FeとBrが異なる粒子を分離する

ディグレーダーが無い場合の光学系と比較する必要がある 双極電磁石とディグレーダー 双極電磁石 ⇒Brの違いで粒子を分ける 　p: 運動量 　q: 価数 ディグレーダー 　⇒エネルギー損失がEとZに依存 　Z: 陽子数　　 　M: 粒子の質量 ディグレーダー B:磁場 Bρが違う その他の粒子 D1 D2 52Fe r: 曲率半径 ディグレーダーで目的核の電荷も分布しS/Nは上がるが強度が減ってしまう。 ディグレーダーが無い場合の光学系と比較する必要がある

四重極電磁石 ENコース F１ F0 F２ レンズのような働きをし、ビームを収束させる natMg ターゲット Ge検出器 40Arビーム ディグレーダー natMg ターゲット D1 SX1 SX2 Q4 D2 Ge検出器 Q3 Q5 Q2 Q6 Q1 Q7 F１ SX3 F0 四重極電磁石 レンズのような働きをし、ビームを収束させる F２ 40Arビーム Pbキャッチャー

F2チェンバー ENコース F１ F0 F２ 位置感応型ガス検出器PPAC、 半導体検出器SSDが入っている。 natMg ターゲット ディグレーダー natMg ターゲット D1 SX1 SX2 Q4 D2 Ge検出器 Q3 Q5 Q2 Q6 Q1 Q7 F１ SX3 F0 F２ 40Arビーム Pbキャッチャー F2チェンバー 位置感応型ガス検出器PPAC、 半導体検出器SSDが入っている。 SSD PPAC

二次ターゲット位置 ENコース F１ F0 F２ Pbキャッチャーを設置しアイソマービームを止める。 周りにはGe検出器を配置。 ディグレーダー natMg ターゲット D1 SX1 SX2 Q4 D2 Ge検出器 Q3 Q5 Q2 Q6 Q1 Q7 F１ SX3 F0 F２ 40Arビーム Pbキャッチャー 二次ターゲット位置 Pbキャッチャーを設置しアイソマービームを止める。 周りにはGe検出器を配置。

Ge検出器(ゲルマニウム検出器) F２ 高いエネルギー分解能を誇る検出器。 生成核からのγ線を測定する。 合計10台Ge検出器を使用。 うち6台BGOアンチコンプトンシールド付 全検出効率＝0．8%(@1333keV) Ge検出器 F２ Pbキャッチャー

実験手順 ①52Feが増えるように双極電磁石の磁場を調整した。 ②2次ビームの収束を良くするため、 四重極電磁石の磁場を調整した。 ③ディグレーダーを入れる場合と 入れない場合をTOF-Eとγ線測定により比較した。 ⇒最もよい条件を確定し、その条件でγ線を測定した。

①一次ビームを双極電磁石で切る 一次ビームは質量が軽く、natMgでのエネルギー損失 が低いため高エネルギーでBρ値も高い。 これを利用してD1の双極電磁石で一次ビームを切る。 一次ビーム 二次ビーム

双極電磁石の磁場の調整 52Feが増えるように双極電磁石の磁場を調整する。 散乱された一次ビーム 目的のエネルギー領域 100 50 150 100 50 150 200 500 1000 1500 2000 3000 2次ビームのエネルギー(MeV) 2次ビームのエネルギー(MeV)

双極電磁石の調整 双極電磁石の磁場を7点振った。 予測される52Feのエネルギーのカウントレートが最も多く なった磁場にセット。 このBρ値に設定した。 (T・m)

②四重極電磁石の磁場の調整 四重極電磁石を調整し、ビームが最も収束する値を選んだ。 PPACでビーム像を確認しながら調節した。

③粒子識別 飛行時間TOF-二次ビームのエネルギーEをプロット 核種の質量数を識別することが可能。 LISEによる

ディグレーダーなしの粒子識別 斜線状の模様が出来なかった。 ⇒粒子を分離することができず、粒子識別することができなかった。

ディグレーダーありの場合 49Sc15＋12＋ 49V18+15+,50V18+15+ 49V17+14+ 44Sc15+12+ ディグレーダーで1次ビームが切れた。 S/Nが上がりTOF-Eの粒子識別が可能になった。 ⇒TOF-Eを用いて目的とする粒子が最も多くなるような 　　条件をさがすことができる。 49Sc15＋12＋ 49V18+15+,50V18+15+ 49V17+14+ 44Sc15+12+

ディグレーダー有無の比較 F1にAl 9μmのディグレーダーを設置したときのGe検出器のスペクトル ディグレーダーあり 測定時間 1時間 ディグレーダーあり　測定時間 1時間 counts ディグレーダーなし　測定時間 8時間 ch

γ線測定の条件の決定 ⇒ この条件の下、γ線を８時間測定した。 双極電磁石 ⇒ 52Feが最も多くなる値に設定。 四重極電磁石　⇒　2次ビームが最も収束する値に設定。 ディグレーダー　⇒　今回は52Feの収量を重視し、 　　　　　　　　　　　　　　　ディグレーダーは入れないこととした。 ⇒　この条件の下、γ線を８時間測定した。

γ線解析

Ge検出器のスペクトル 今回の実験で決定した条件において、8時間測定したγ線のスペクトル ⇒ 多くのアイソマーからのγ線が見えている！！ ⇒　多くのアイソマーからのγ線が見えている！！ 52Fe 54Fe 53Fe 43Sc 44Sc 50Mn counts 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Energy (keV)

54mFe 3432 146 counts Energy (keV) 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

52mFe 869 2037 counts 1200 1400 1600 1800 2000 Energy (keV)

生成したisomer 7+ 12+ 10+ 5+ 2+ 3+ 7+ 6+ 19/2+ γ崩壊するisomer β崩壊するisomer β崩壊する方向

isomerの強度 42mSc 7+ β-decay 61.7s 27.4 pps 寿命 強度 42mSc 7+ β-decay 61.7s 27.4 pps 43mSc 19/2- γ-decay 470ns 数10 pps 3/2+ γ-decay 438μs 44mSc 6+ γ-decay 58.6h 4350 pps 46mV 3+ γ-decay 1.02m 86.5 pps 50mMn 5+ β-decay 1.75m 124 pps 52mFe 12+ β-decay 46s 29.0 pps 52mMn 2+ β-decay 21.1m 261.8 pps 53mFe 19/2+ β-decay 2.58m 395.4 pps 54mCo (7)+ β-decay 1.48m 329.6 pps 54mFe 10+ γ-decay 364ns 274.8 pps

Isomerの強度 1000pps~ 100~1000pps ~100pps

ディグレーダーによるアイソマー強度の変化

53mFe 2338 counts 701 1011 1328 1000 1500 2000 Energy (keV)

γ線強度比 701keVと同時計測されたγ線スペクトル γ線強度比 1011 counts 2338 Energy (keV) 実験値 文献値 1011keV 3.5 6.6 2338keV 1 γ線強度比

アイソマー探し ⇒ ①の領域にアイソマーのγ線が見える可能性がある。 普通の崩壊 検出器の時間差＝検出器１－検出器２ γ2 γ1 普通の崩壊 検出器１ 検出器２ γ1 γ2 検出器の時間差＝検出器１－検出器２ 検出器の時間差スペクトル 同時 検出器２ が早い が遅い ① ② ③ 時間差 counts － ＋ ⇒②に見える。 アイソマー γ1 γ2 アイソマーの崩壊 ⇒①に見える。 ⇒　①の領域にアイソマーのγ線が見える可能性がある。

γ-γの時間差スペクトル 時間差スペクトル この領域のγ線をみる。 counts 時間差(ns) 200 -200 460 -460 -8000 8000 1000 10000 この領域のγ線をみる。 460ns ~ 8μs遅れて観測されたγ線を見る。

460ns ~ 8μs遅れて観測されたγ線スペクトル 1434keV 1300 1400 1500 1600 1700 1800 -5 15 35 Energy(keV) Counts 460ns ~ 8μs遅れて見えた γ線のスペクトル 1434keV 時間差-200ns~+200nsの領域のγ線スペクトル ⇒52Cr

52Mnのアイソマーからのβ崩壊 アイソマーはいない

52Mnの基底状態からのβ崩壊 アイソマーはいない 数百ns ~ 数μsのアイソマーはいない。 ⇒数μsの新たなアイソマーの可能性

まとめ 用いた反応は40Ar+natMg→64Zn* ENコースを用いて質量数42～54領域9種の高スピンアイソ マーを生成した。 目的とした52mFeを30pps、５４mFeを270pps、 　　　44mScを4×103pps生成した。 53Feの2338keVと1011keVの新しい強度比の結果が出た。 新しいアイソマー発見の可能性。

今後の課題 2次ビームとしてクーロン励起では103個、核融合で104 ～105個の強度が必要。 粒子識別により、さらにS/Nを向上させより適切な磁場 の値を求める。 新しく見つけられたアイソマーの核種の同定。

おわり

PPAC Delay Line方式によるもので～105[cps]耐えられる。 charge division型では～104[cps]しか耐えられない。 Delay Line方式の方が位置分解能が良い。 エネルギー損失が少なく低エネルギーでも扱いやすい。

DSSD 全体で50mm四方のSSDを縦と横にそれぞれ16分割 した物を2枚重ね合わせたもの。

CASCADEによる計算 52Feが多く生成される一次ビームのエネルギーを CASCADEというシミュレーションプログラムから求めた 。 6.5[MeV/u]が妥当だがそれだと二次ビームがPPACを 貫通しないので9.0[MeV/u]にした。

ISOMER強度の見積もり方 強度(pps)＝カウント数÷Efficiency÷分岐比÷live time 補正 寿命による補正

Ge TFA CFD Ratemeter Amp scaler ADC G.G. O.R. TDC STOP scaler BGO Fin/out Ratemeter Amp delay scaler veto ADC Discri coincidence start stop G.G. O.R. TDC STOP scaler BGO Fin/out VME TDC START preAmp Amp Discri delay TDC STOP Ratemeter delay Att LEMO-Flat FERA(QDC) scaler start G.G. NIM-ECL BGO QDC GATE start G.G. Level adopter ADC GATE start G.G. I.R. R.F. Discri Sampling scaler stop start G.G. coincidence veto NIM-ECL VME TDC STOP TDC START Discri CAMAC TDC STOP

BGO COMPTON SUPPRESSION BGOをGeの周りに配置。 GeとBGOが同時にγ線を検出したデータ取り除く。 60Coでコンプトン事象が0.33倍、ピークが0.89倍。 Ge検出器 ここを減らす BGO

F1 SSD preAmp ADC Amp TFA CFD F2U SSD F2D SSD F1PL F1PPAC DSSD ECL-NIM Fin/out TFA CFD F2U SSD F2D SSD coincidence A F1PL F1PPAC B Discri DSSD ECL-NIM C G.G. start veto O.R. stop I.R. R.F. Ratemeter NIM-ECL FERA GATE delay TDC STOP TDC START Level adopter VME ADC GATE CAMAC ADC GATE F2PPAC Anode F2PPAC XR YU XL YD Splitter LEMO-Flat Cable FERA Att

輸送される核種の見積もり ディグレーダーなし 輸送される核種の見積もり　ディグレーダーなし Z 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 1～10pps N 10～100pps 100～1000pps 1000～10000pps 28 29 30 31 52mFe 4.7×102pps 54mFe 1.4×104pps

輸送される核種の見積もり ディグレーダーあり 輸送される核種の見積もり　ディグレーダーあり Z 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 1～10pps N 10～100pps 100～1000pps 28 29 30 31 52mFe 3.5×101pps 54mFe 1.2×103pps

ディグレーダーによる強度の変化 ディグレーダーなし ディグレーダーあり 倍率 42mSc 27.4 pps * ディグレーダーなし ディグレーダーあり 　倍率 42mSc 27.4 pps * 43mSc 数10 pps * 44mSc 4350 pps 2700 pps 62×10-2 46mV 86.5 pps * 50mMn 124 pps 18.4 pps 14×10-2 52mFe 29.0 pps * 52mMn 261.8 pps 18.9 pps 7.2×10-2 53mFe 395.4 pps 16.0 pps 4.0×10-2 54mCo 329.6 pps 13.6 pps 4.1×10-2 54mFe 274.8 pps 10.4 pps 3.7×10-2

なぜアイソマーになるのか？ 通常はスピンの差が小さい準位に遷移し易い。 スピンの差が4で大きいため崩壊確率が下がる。 寿命が長くなる。 ⇒これがスピンギャップアイソマー 52FeのLevel scheme→

反跳核捕獲法

実験場所と検出器

強度の計算 Isomer強度[pps] = カウント数÷Live Time ÷ γ線強度比÷検出効率 さらにこれに寿命による補正を入れる。

アイソマー探し ⇒ ①の領域にアイソマーのγ線が見える可能性がある。 普通の崩壊 検出器の時間差＝検出器１－検出器２ γ2 γ1 普通の崩壊 検出器１ 検出器２ γ1 γ2 検出器の時間差＝検出器１－検出器２ 検出器の時間差スペクトル 同時 検出器２ が早い が遅い ① ② ③ 時間差 counts － ＋ ⇒②に見える。 アイソマー γ1 γ2 アイソマーの崩壊 ⇒①に見える。 ⇒　①の領域にアイソマーのγ線が見える可能性がある。

γ-γの時間差スペクトル 時間差スペクトル counts この領域のγ線をみる。 時間差(ns) 200 -200 460 -460 -8000 8000 1000 10000 この領域のγ線をみる。 460ns ~ 8μs遅れて観測されたγ線を見る。

時間差スペクトル counts この領域のγ線をみる。 時間差(ns) 200 -200 460 -460 -8000 8000 1000 200 -200 460 -460 -8000 8000 1000 10000 この領域のγ線をみる。

Ⅰ Ⅱ 時間差スペクトル この領域は アクシデンタル。 counts この領域のγ線をみる。 時間差(ns) 200 -200 460 200 -200 460 -460 -8000 8000 1000 10000 この領域は アクシデンタル。 この領域のγ線をみる。 Ⅰ Ⅱ

460ns ~ 8μs遅れて観測されたγ線スペクトル 1434keV 1300 1400 1500 1600 1700 1800 -5 15 35 Energy(keV) Counts Ⅰ－Ⅱのγ線スペクトル （460ns ~ 8μs遅れて見えたγ線） 1434keV 時間差-200ns~+200nsの領域のγ線スペクトル ⇒52Cr

52Mnのアイソマーからのβ崩壊 アイソマーはいない

52Mnの基底状態からのβ崩壊 アイソマーはいない 数百ns ~ 数μsのアイソマーはいない。 ⇒数μsの新たなアイソマーの可能性

54mFe (πf7/2-2 νf7/2-1)19/2- (νp3/2)3/2- 3432 146 counts Energy (keV) 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

52mFe (πf7/2-2 νf7/2-2)12+ 869 2037 counts Energy (keV) 1200 1400 1600 1800 2000 Energy (keV)

53mFe (πf7/2-2 νf7/2-1)19/2+ 2338 counts 701 1011 1328 1000 1500 2000 Energy (keV)