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 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
田尻　邦彦 倉　健一朗 下田研究室

2 目次 実験の目的 natMg＋86Kr生成核からのβ線の測定＠RCNP GEANTによるシミュレーション 解析 結果 まとめ 今後の課題
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 natMg＋86Kr反応の生成核からのβ線の測定
スタンダードなβ線源：90Sr 　　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 核融合反応 （１）反応 24Mg＋86Kr → 110Cd* → 98Rh + αp7n ビーム ： 86Kr 8.7MeV/u
ターゲット ： natMg　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 核融合反応

6 natMg＋86Kr反応生成核の中で β‐γ同時測定に適した核
3476 keV ＠NNDC

7 生成核種一覧＠CASCADE 24Mg＋86Kr → 110Cd* → 98Rh + αp7n 98Rh ＜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 49 50 51 52 53 54 55 56 57 total cross section ~1163 mb 98Rh cross section ~70 mb (total cross sectionの6%)

8 実験手法 e γ γ γ recoil catcher method 生成核は反跳を 受けて飛び出す！ Primary beam(86Kr)
98Rh E =4.55MeV/u E = 8.7MeV/u e catcher γ 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 target (natMg)

9 RCNP 東実験室 AVFサイクロトロン ENコース

10 Beam Transport F１ F0 F２ natMg ターゲット Ge + Plastic Scinti. Pb catcher
86Krビームが下流に届かない磁場の値にした natMg ターゲット D1 SX1 SX2 Q4 D2 Ge + Plastic Scinti. Q3 Q5 Q2 Q6 Q1 Q7 F１ SX3 F0 Pb catcher F２ 飛行距離：16m 飛行速度：~0.1c 飛行時間：~500ns 86Kr ビーム 寿命の長い生成核からの 放射線のみ測定できる

11 F1 での 86Kr 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 86Kr ビーム
32+ 86Kr ビーム 33+ 34+ 35+ Yield [pps] 33+ 赤：98Rh 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
natPb 41.7mg/cm2 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） γ γ γ Ge① e Plastic Scinti. e ・Plastic Scinti.でゲートをかける

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 実験結果（2） ‐β線測定用Ge検出器①のβ線スペクトル
γ Plastic Scinti. Ge② Ge③ β線のみのスペクトル counts 653 keVのγ線でゲートしたβ線のスペクトル 98Rh 3467 keV 653 keV 98Ru energy [ keV ] 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 Ge結晶 Alカバー Plastic Scinti. カプトンフォイル チェンバー（アクリル） β線
・　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。 生成核 Pbキャッチャー

18 シミュレーション結果 実験結果/GEANT ratio counts 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、 これをプロットすれば、E0（end point energy）を求められる。 ※98Rh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 98Rhからのβ線 (3.476 MeV) の energy loss
Ge結晶 Ge結晶までのenergy loss ⊿E~0.63 MeV End point energy E0=2.75 MeV ※stopping powerより計算 （ref. TRIUMF Kinematics Handbook） Aｌカバー Plastic Scinti. チェンバー上部 カプトンフォイル β線

21 解析 -End point energy (実験データ)
98Rh 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)
98Rh 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 誤差の範囲内で一致
・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 2.750 MeV 誤差の範囲内で一致

24 まとめ natMg＋86Kr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
　　→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

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)

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
28Mg, 29Mg, 30Mg, 31Mg, 32Mg N =16, , 18, , 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. Plastic Scinti. 偏極 P Ge Ge θ=　180° θ=0° Aが求まる

33 93Mo の level scheme NNDC

34 Fermi関数 Ref. D.H.Wilkinson Nuclear Instruments & Methods
In Phys Research A365 (1995) 203