気体を用いた荷電粒子検出器 内容： １．研究の目的 ２．気体を用いた荷電粒子検出器 ３．霧箱でのα線の観察 柴田・陣内研究室 ４．今後の予定

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1 気体を用いた荷電粒子検出器 内容： １．研究の目的 ２．気体を用いた荷電粒子検出器 ３．霧箱でのα線の観察 柴田・陣内研究室 ４．今後の予定
2009/12/7　物理学コロキウム第２ 気体を用いた荷電粒子検出器 内容： １．研究の目的 ２．気体を用いた荷電粒子検出器 ３．霧箱でのα線の観察 ４．今後の予定 ５．まとめ 柴田・陣内研究室 寄林　侑正 2009/12/7

2 １．研究の目的 気体の電離作用を利用した荷電粒子検出器の原理を学ぶ。 実際に霧箱とスパークチェンバーを作成する。
放射線を観察し、荷電粒子と気体粒子の相互作用について学ぶ。 2009/12/7

3 ２．気体を用いた荷電粒子検出器 電圧を印加するもの 電離箱 比例計数管 ガイガーミュラー計数管 スパークチェンバー etc…
比例計数管領域 放電 ガイガー・ミュラー計数管 領域 電圧　［ V ］ 1012 1010 108 106 104 102 電離箱領域 1 集められたイオンの数 250 500 750 1000 N N：放射線入射によって生成されたイオン対の数 電圧を印加するもの 電離箱 比例計数管 ガイガーミュラー計数管 スパークチェンバー etc… 電圧を印加しないもの 霧箱 泡箱 2009/12/7

4 電圧を印加するガス検出器 荷電粒子 z x y ( x2,y2,z2 ) ( x1,y1,z1 ) ◎ スパークチェンバー V 荷電粒子
◎ MWPC ( Multi Wire Proportional Chamber )，ドリフトチェンバー ( Drift Chamber ) 荷電粒子の位置を測定するためのガス検出器。 荷電粒子 z ターゲット x 陽極ワイヤー y 入射粒子（z方向） ( x2,y2,z2 ) y座標がわかる x座標がわかる ( x1,y1,z1 ) ◎ スパークチェンバー 電子なだれを起こし最終的にスパークを起こす V 電離電子 220 Ω R 1000 pF C －8 kV 20Ω Trigger 20 MΩ スパークチェンバー －Q ＋Q SCR 電極 ガス原子 荷電粒子 正イオン 電極対を重ねることにより荷電粒子の飛跡をスパークとして観測できる。

5 電圧を印加しないガス検出器 ◎ 霧箱 ①容器上部に液体アルコールを含ませる アルコール(液体) 2009/12/7

6 電圧を印加しないガス検出器 ◎ 霧箱 ①容器上部に液体アルコールを含ませる ②容器内で右図のように上部と下部に温度差をつける 温度高 温度低
アルコール(液体) 温度高 温度低 2009/12/7

7 電圧を印加しないガス検出器 ◎ 霧箱 ①容器上部に液体アルコールを含ませる ②容器内で右図のように上部と下部に温度差をつける ③液体アルコールが蒸発していく アルコール(液体) 温度高 蒸発 温度低 2009/12/7

8 電圧を印加しないガス検出器 ◎ 霧箱 ①容器上部に液体アルコールを含ませる ②容器内で右図のように上部と下部に温度差をつける ③液体アルコールが蒸発していく ④飽和蒸気圧の高い上部から飽和蒸気圧の低い下部へとアルコール蒸気が拡散していく アルコール(液体) 温度高 温度低 ：アルコール蒸気 2009/12/7

9 電圧を印加しないガス検出器 ◎ 霧箱 ①容器上部に液体アルコールを含ませる ②容器内で右図のように上部と下部に温度差をつける ③液体アルコールが蒸発していく ④飽和蒸気圧の高い上部から飽和蒸気圧の低い下部へとアルコール蒸気が拡散していく ⑤容器内下部で過飽和の層が形成される アルコール(液体) 温度高 温度低 ：アルコール蒸気 2009/12/7 ：過飽和アルコール蒸気

10 電圧を印加しないガス検出器 ◎ 霧箱 ①容器上部に液体アルコールを含ませる ②容器内で右図のように上部と下部に温度差をつける ③液体アルコールが蒸発していく ④飽和蒸気圧の高い上部から飽和蒸気圧の低い下部へとアルコール蒸気が拡散していく ⑤容器内下部で過飽和の層が形成される ⑥過飽和の層を荷電粒子が通過した際、電離されて生成したイオンを核として蒸気が凝結する→霧のすじが生成 アルコール(液体) 温度高 荷電粒子 温度低 ：アルコール蒸気 2009/12/7 ：過飽和アルコール蒸気

11 下部・・・ドライアイス(昇華温度：－78.5℃)に接触させて冷やす
学部３年生の学生実験で用いた霧箱 使用した気体：エチレングリコール蒸気 化学式： C2H4(OH)2 融点： －12.9℃ 沸点： ℃ 動作温度：上部・・・110～130℃くらいに熱する 　　上部と下部の温度差・・・60～80℃くらい 今回作成した霧箱 使用した気体：エタノール蒸気 化学式： C2H5OH 融点： －114.3℃ 沸点： 78.4℃ 動作温度：上部・・・室温 　 下部・・・ドライアイス(昇華温度：－78.5℃)に接触させて冷やす 2009/12/7

12 キャップから吊るした針金(線源を取り付ける)
３．霧箱でのα線の観察 作成した霧箱 液体のエタノールをスポンジに含ませる。ドライアイスの上に置く。 8cm程度 エタノールを含ませたスポンジテープ 15cm 程度 キャップから吊るした針金(線源を取り付ける) 線源(マントル) 1cm 程度 熱伝導を良くするため、アルミテープで密封 2009/12/7 ドライアイス

13 科学実験教室を準備し、講師を務めました。
「 大学生と学ぶ素粒子物理　　　　　 身近な放射線について知ろう 　ー霧箱の作成ー　　　　　」 柴田研究室・多摩六都科学館共催 第30回 2009年11月8日(日) 中高生約20名が参加し、ペットボトルで霧箱を作成しました。 2009/12/7

14 用いた線源 野外キャンプ等で使われるランタンの芯(マントル) マントル中には232Thが含まれる ：α崩壊 ：β崩壊 232Th 220Ra
1.405×1010y 220Ra 5.75y 220Ac 6.15h 228Th 1.9131y 224Ra 3.66d 220Rn 55.6s 216Po 0.145s 212Pb 10.64h 212Bi 60.55m 208Tl 3.083m 212Po 0.298μs 208Pb stable α:4.083MeV α:5.520MeV α:5.789MeV(γ) α:6.405MeV(γ) α:6.906MeV (35.94%) α:6.207MeV α:9.784MeV β-:1.325MeV β-:2.127MeV(γ) β-:0.574MeV (64.06%) β-:2.254MeV β-:5.001MeV ：α崩壊 ：β崩壊 2009/12/7

15 今回使ったマントルを3年生の学生実験で用いた霧箱で見てみると・・・
2009/12/7

16 観測された飛跡 トリウム系列からのα線 空気中に拡散したラドン気体からのα線(?) 2009/12/7

17 ４．今後の予定 ◎霧箱 ◎スパークチェンバー 温度勾配や過飽和の度合い等、動作原理を詳しく見る
232Th系列に沿った連続的な崩壊を霧箱で確認する 霧箱で宇宙線を確認できるよう調整する ◎スパークチェンバー 電圧を印加する検出器として学び、完成させる 2009/12/7

18 ５．まとめ 気体を用いた荷電粒子検出器には電圧を印加するものとしないものがある
電圧を印加するもの・・・MWPC、ドリフトチェンバー、スパークチェンバーなど 電圧を印加しないもの・・・霧箱、泡箱など 霧箱の動作を詳しく見ていく。 スパークチェンバーについて学び、完成させる。 2009/12/7

19 2009/12/7

20 飛程 Bethe-Blochの式 荷電粒子が標的物質中で失うエネルギー 飛程 荷電粒子がエネルギーを失うまでに標的物質中を走る長さ
　荷電粒子がエネルギーを失うまでに標的物質中を走る長さ 2009/12/7

21 標準温度圧力の空気中におけるアルファ粒子の 飛程は
T(MeV):α粒子の運動エネルギー 空気中以外の場合、Bragg-Kleeman則 2009/12/7

22 α線の空気中での飛程 飛程(mm) α線のエネルギー(MeV) 2009/12/7 崩壊核 エネルギー(MeV) 飛程(mm) 232Th
4.083 228Th 5.52 224Ra 5.789 220Rn 6.405 216Po 6.906 212Bi 6.207 212Po 9.784 α線のエネルギー(MeV) 2009/12/7

23 Bethe-Blochの式と飛程(stopping range)の計算
入射 標的 Bethe-Blochの式と飛程(stopping range)の計算 　化合物標的でのBethe-Blochの式は、各元素標的でのBethe-Blochの式の和として決定される。 陽子 入射前の運動 エネルギー： 入射後の運動 エネルギー： 停止 化合物標的での Bethe-Blochの式 標的 （ただし、　 は各元素の物理量であることを示す） 陽子、　　 のプラスチック(CH) 中での飛程 　Bethe-Blochの式から、次のように飛程　　 が計算できる。ただし　　 ,　　はそれぞれ 重荷電粒子の標的物質に侵入する前、 および後の運動エネルギーである。 (cm) 80 次に、ベーテブロッホの式と飛程の計算です。 まず化合物標的でのベーテブロッホの式は、各元素標的でのベーテブロッホの式の和として、このように決定されます。ただし、スモールiは各元素の物理量を示すインデックスです。 次に、飛程を求めます。 飛程とは、このように粒子が運動エネルギーＥ0をもって標的に入射し、標的中でエネルギーを失っていき、エネルギーが0になって停止するまでにすすんだ距離Ｒのことです。 ベーテブロッホの式の(-dE/dx)は、重荷電粒子が標的の単位長さを進む時に失うエネルギーでした。よって(-dE/dx)の逆数は単位エネルギーで標的中を進むことのできる距離を表しています。この(-dE/dx)の逆数を、このようにエネルギーで0から入射時の運動エネルギーＥ0まで積分すると、飛程Ｒを求めることができます。 この飛程Ｒをグラフにすると、このようになります。 横軸は粒子の標的入射時の運動エネルギー、単位はメガeVです。縦軸は飛程、単位はcmです。青い線は陽子、赤い線はミューオンが、プラスチックＣＨ中を進む時の飛程を示しています。 このグラフより、陽子もミューオンも、低エネルギー領域ではエネルギーが大きくなっても飛程はあまり変化しません。しかし、数十メガeVの高エネルギー領域では、飛程はほぼ入射時の運動エネルギーに比例することがわかります。 また、全体を通して質量の小さいミューオンのほうが飛程が大きいことがわかります。 60 40 20 陽子 重荷電粒子の飛程 粒子の入射時の 運動エネルギー 50 100 150 200 (MeV) 2009/12/7