▲▲SCRIT 電子散乱施設の現状と展望─オンライン生成不安定原子核の電子散乱に初成功─

大西哲哉

Ohnishi Tetsuya

代から，今に至るまで実施されている。特に，電子

1 はじめに弾性散乱は原子核内の電荷分布を精度良く直接測定2023 年，最初のアイデアから 20 年近くに及ぶ開発・研究期間を経て，筆者ら研究グループは，原子核物理学で長年待望されてきたすることができるため，安定核では徹底的に行われてきた 2）。

オンライン生成不近年の原子核研究では，ある時間で崩壊する原子を実現した。この核（不安定核）を対象とした研究が活発に行われて成果は，本プロジェクトに関わってこられた大勢のおり，特に中性子過剰核についてはハローやスキン方々の努力がようやく実を結んだものであると同時といったエキゾチックな構造が発見されている。そに，不安定核研究における新しい測定手法の幕開けの一方で，不安定核の大きさ（原子核半径）や形（密とも言える。本稿では，この古くて新しい測定手法度分布）といった基本的物理量については，反応断について紹介する。

面積，アイソトープシフト，陽子弾性散乱等による安定核を使った電子散乱実験

1）

電子顕微鏡は加速した電子を物体に当て，原子や研究があるものの，限られた不安定核でしか荷電半分子の微細な構造を明らかにする装置である。原子径は決定されておらず，電荷密度分布に至ってはほ核に適応するには，波長を短く，つまり高い運動エ

とんど測定例がない。そのため，中性子分布半径やネルギー（100 MeV 以上）の電子が必要となり，必中性子密度分布等を求める際に，モデルによる不定然的に加速器を用いた散乱実験となる。電子散乱の性が大きく残ってしまっている。これを解決するた特徴としては，1）クーロン力のため，相互作用にめに，不安定核の電子散乱実験が長年待望されてき関する不定性がない。2）散乱した原子核を大きくた。しかし，これまで測定例としては，3H, 14C, 41Ca乱さない。3）電子自身が構造を持たない等が挙げ等の長寿命不安定核を標的とした例があるものの，られ，原子核構造の情報を信頼性高く引き出すこと短寿命不安定核での測定は実現していない。これは，ができる。一方，反応における散乱断面積が核力の前述のような大きいルミノシティに必要な量の静止場合と比べて小さく，大きなルミノシティが要求さ標的を不安定核で用意するのが困難なためである。

れる。ここでルミノシティは，単位面積当たりの標不安定核電子散乱実験を実現する方法として，古的数とビーム電流の掛け算で定義される量であり，くからコライダー実験が考えられてきた。例えば，電子ビームと静止標的を用いた弾性散乱実験では，ドイツでは不安定核蓄積リングと電子蓄積リングを約 10 ［cm s ］で実験が行われてきた。このよう使 っ た コ ラ イ ダ ー 実 験（ELISe）3） が 提 案 さ れ た。

な特徴を持つ高エネルギー電子散乱実験は，原子核2000 年当時は，ELISe は既に計画段階にあり，建研究における様々なテーマに対し，古くは 1950 年設費用がかかるものの，技術的には特に問題なく実28

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現できると考えられていた。このような逆境の中，理研の若杉，須田，矢野らが，全く新しいアプロー

2 SCRIT 電子散乱施設及び測定手法

チでの不安定核電子散乱の実現方法を提案した。そSCRIT 電子散乱施設は RIBF 内 E21 室に設置され，れが，画期的な不安定核標的作成法，Self-Confining-

主装置として，電子加速器 Race Track Microtron（RTM）

Radioactive isotope-Ion-Target（SCRIT）法 4）である。と 電 子 蓄 積 リ ン グ SCRIT- equipped RIKEN Storage

この手法は電子蓄積リングではよく知られたイオンRing（SR2）で構成されている。加えて，不安定核トラッピング，すなわち電子ビームの周りに残留ガを 生 成 す る た め の Isotope Online Separator（ISOL）

スの陽イオンが集まってくる現象を利用する。その施

残留ガスを不安定核に置き換えることで，電子ビー

separator for SCRIT（ERIS）10）と，クーラーバンチャー

ム周りにトラップされた不安定核を静止標的とするの Fringing-RF-field-Activated dc-to-pulse Converter

ことができる。その原理を図 1 に簡単な模式図で示（FRAC）11）が設置されている。SR2 直線部の真空チェした。SCRIT 電極は 3 つの電極で構成され，電子ビーンバー内には SCRIT 装置がインストールされてお設の Electron-beam- driven Radioactive isotope

ム軸方向に井戸型ポテンシャルが形成される。電子り，その脇には Be 窓を介して散乱電子測定用スペビーム軸に対し横方向は，周回電子ビームがイオンクトロメータ Window-frame spectrometer for electronを引き付けるので，イオンはあたかもポテンシャルscattering（WiSES）が設置されている（図 2 参照）。の底にあるかのように運動する。その結果，イオン実験は，まず RTM を使って電子ビームを 150 MeVが電子ビームの周りに三次元的にトラップされるこまで加速し，SR2 に入射，蓄積するところから始まととなり，電子ビームの軌道を微調整をすることなる。蓄積電流が 200〜300 mA 程度に到達した後，く，イオンと電子ビームが衝突，つまり電子散乱が電子ビームの入射先を ERIS に切り替え，イオン源自動的に起きる。

内ウラン標的に照射する。ERIS は理研で本格的にSCRIT 法を実証すべく，2004 年から京都大学化整備された初めての ISOL 施設であり，電子ビーム学研究所の電子蓄積リングにて様々な開発を行い，によるウランの光核分裂反応を用いた不安定核生成

2008 年に実証実験に成功した。この結果をふまを行っている。生成標的は，筆者ら自身で作成した

えて 2009 年から理化学研究所仁科加速器科学研究

厚さ 0.8 mm，直径 18 mm の炭化ウラン円盤を数十センターRI ビームファクトリー（RIBF）に SCRIT枚重ねたものである。実験中は約 2000 ℃に熱せら電子散乱施設が建設され，不安定核を用いた電れ，生成された不安定核は熱拡散によって標的から子散乱実験に向けた開発が開始された。2016 年に抜けてくる。そして，不安定核はイオン化室に導かは， コ ミ ッ シ ョ ニ ン グ 実 験れ，元素に応じたイオン化方式でイオン化後，不安

7, 8）

5, 6）

9）

にて新施設でのSCRIT 法を実証すると同時に，安定なXe 原子核132の電荷密度分布の初測定に成功した。

定核ビームとして供給される。質量分析後に FRACに入射されるが，この時 ERIS でもイオン蓄積を行

次節から SCRIT 電子散乱施設の紹介と今回のオ

い，ERIS と FRAC のイオン蓄積を同期させることンライン生成不安定核を使った電子散乱実験についで，高効率のパルスビーム変換が行われる。つまり，て述べる。

FRAC 内に入射されたイオンが冷却される間（数十ms）ERIS 内でイオンを蓄積する。冷却されたイオンが FRAC から逃げ出さなくなった後，FRAC 内のイオンを保持しつつ ERIS で蓄積されたイオンを新たに注ぎ足し，一連の動作を繰り返すことで，最終的に大強度パルスビームとして SCRIT 装置に供給する（図 3 参照）。
SCRIT 装置は SCRIT 電極とモニターシステムで

図1

SCRIT 原理の模式図構成されている。SCRIT 電極はメイン電極（Centralelectrode）と 2 つのバリア電極で構成されており，より滑らかなポテンシャルを形成するために，バリIsotope News

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図2SCRIT 電子散乱施設の模式図

SCRIT 電子散乱施設は理化学研究所 RI ビームファクトリー内にあるものの，独立に運転している

図3

実験のスキーム

ERIS 内で生成した不安定核を FRAC で蓄積し，パルスビームとして，SCRIT 装置に入射する。測定は不安定核有りと無しの条件を繰り返して行う

ア電極はメイン電極内に組み込まれている。蓄積リた特性の 1 つに荷電状態の制限がある。トラップ時

ング内は，周回電子ビームのハロー成分や制動放射間が長くなるにつれ，電子ビームによるトラップイ

等 に よ る 二 次 電 子 や X 線 が 多 く 発 生 し て お り，オンの多価化が進むが，ある価数を超えるとトラッSCRIT 電極と衝突してバックグラウンドを発生さプできなくなるのが明らかになった。これは，同じせる。そのため，SCRIT の各電極はメッシュ構造

電子ビームを使ったトラップ技術である EBIT12）とを基本として物質量を減らし，散乱電子が通過するは違う特性であり，周回電子ビームがバンチ構造を部分についてはメッシュを張らない構造とした。

持つことと，ベータトロン振動等の電子ビーム自身様々な R&D を通じて，この電極構造に至るまでにの不安定性に起因する。また，入射したイオンの内，は都合 6 回ほど電極を作り直し，バックグラウンド約 10％程度が電子散乱に寄与することが判明した。

や電子ビームの不安定性の影響の軽減に努めた。ト

この値はイオンの入射時初期空間分布やトラップ中ラップ後の不安定核は総電荷モニターと電場×磁場の荷電状態ごとの SCRIT 内空間分布等に大きく依速度フィルターによる荷電状態モニターに導かれ，存する。よって，更なる効率向上のためには SCRIT

トラップ効率や荷電状態等のトラップ時間依存や電装置内部のイオン運動の理解が重要になる。今後，

子ビーム蓄積電流依存性を調べた。そうして分かっ新しいモニターシステムを導入し，SCRIT 内トラッ

4

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プイオンの状態をより詳細に調べていく予定であン化効率が高く，現状の RTM のパワー（〜20 W）る。

でも測定に必要な量（〜107 個 /pulse）のイオンビー

SCRIT 電極内にトラップされた不安定核は，静ムを供給できること，更に，137Cs の寿命が長いため，止標的として働き，周回電子ビームと散乱を起こす。

測定中の標的の崩壊を考慮しなくても良いことが挙散乱した電子は Be 窓を通過後，WiSES によって運げられる。

動量分析される。WiSES は，SCRIT の 50 cm に及実験では，43 枚に及ぶ炭化ウラン標的（ウランぶ標的長さと広い散乱角度範囲（30〜60 度）に対総量約 30 g）に平均 15 W の電子ビームを照射し，応しており，大きい立体角（80 msr）を有している。

表面イオン化イオン源を用いて 137Cs イオンビーム

WiSES 内は He ガスで満たされ，その前後に設置さを供給した。主な不純物である 137Ba の量についてれたドリフトチェンバーで，散乱電子の軌道を再構

は，実験で得られた Cs と Ba の同位体依存性を，成し，散乱角度と運動量を精度良く求めることがで他施設での測定結果 13）と比較し，筆者らの実験できる。運動量分解能としては，∆ P/P~10-3（電子エは，137Ba の量が，137Cs の 0.5％以下であることを確

ネルギー300 MeV）を達成している。

認 し た。 最 終 的 に，ERIS 40 Hz，FRAC 0.25 Hz の測定は，チェンバー内に存在する残留ガスからの寄与を差し引くために，不安定核イオンを入射しな条件で運転し，4 × 107 個 /pulse のパルスビームをSCRIT 装置に供給した。

い状態での測定も同じトラップ時間で行う（図 3 参

測定は不安定核標的有りと無しの測定をそれぞれ照）。この時の，不安定核イオンの有り・無しにお約 2 秒ずつ行い，その 4 秒を 1 サイクルとして行っける制動放射の X 線個数の差からルミノシティをた（図 3 参照）。150 MeV，約 250 mA の周回電子ビー導出する。そのために，SCRIT 装置の直線下流約ムと約 107 個の SCRIT 標的により，ルミノシティ

7 m のところに，CsI 検出器を用いたモニターシス

は約 1026［cm-2 s-1］になり，その条件で合計 3 日間テムが設置されている。の測定を行った。
解析では散乱された電子の軌道を再構築し，散乱3 世界初のオンライン生成不安定核電子散乱実験

位置と角度及び運動量を詳細に求めた。図 4 左は，2021 年の冬から 2022 年の春にかけて，世界初のトラップした不安定核からの散乱であることを示しオンライン生成不安定核を用いた電子散乱実験が行ている。残留ガスからの寄与を考慮し，得られたわれた。今回の実験では，不安定核標的として137

137

Csが選ばれた。理由としては， Cs の生成効率とイオ
137

図4散乱地点分布を示したもので，電子ビームの周囲にCs と残留ガスからの弾性散乱事象角度分布を図 4 右に示した。137Cs と残留ガスの角度分布の明137

Cs 電子散乱実験の結果

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No.7945確な違いが，137Cs からの散乱電子であることの証く御礼を申し上げたい。SCRIT 法による電子散乱は，拠である。

当初思い描いていた成果にはまだ届いていないが，研究グループ一同，より一層精進していく所存である。引続きの御支援をいただけたら幸いである。

4 今後について研究グループは次のマイルストーンとして，132Snの電子弾性散乱実験を目指している。132Sn は陽子，中性子共に魔法数（Z＝50，N＝82）の二重魔法核であり，原子核構造研究において，シンボリックな不安定核として知られている。したがって，この原子核の電荷分布は様々な研究における基礎的な物理量として待望されている。実現に向けては，電子加速器のパワーを現状の 20 W から 2 kW 近くに増強する計画が進められている。同時に ISOL 施設も大強度ビームへの対応が進められている。また，高効率の安定したトラップに向けた，SCRIT 中のイオンダイナミクスの研究や蓄積電子ビームの安定化に向けた開発も並行して進められている。
今回のオンライン生成不安定核の電子散乱の成功により，本格的な不安定核電子散乱実験の幕が開いた。加えて，不安定核の静止標的の作成にも成功したと言える。これにより安定核で用いられている精密研究の手法を不安定核研究に適応することができ，更なる研究の広がりが期待できる。
最後に，本研究は多くの方々の御尽力によって，今回の成果にたどり着くことができた。ここで，厚6

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No.794参 考 文 献1） K. Tsukada, et al., Phys. Rev. Lett., 131, 092502（2023）
2） T. Suda, et al., Prog. Part. Nucl. Phys., 96, 1-31（2017）3） A. N. Antonov, et al., Nucl. Inst. and Meth. A, 637,60-76（2011）4） M. Wakasugi, et al., Nucl. Instr. Meth. A. 532, 216-223（2004）
5） M. Wakasugi, et al., Phys. Rev. Lett., 100, 164801（2008）
etal.,
Phys.
Rev.
Lett.,
6） T. Suda,102, 102501（2009）7） M. Wakasugi, et al., Nucl. Instr. and Meth. B.,317, 668673（2013）8） T. Onishi, et al., Nucl. Instr. and Meth. B., 541, 380-384（2023）
9） K. Tsukada, et al., Phys. Rev. Lett., 118, 262501（2017）10）T. Ohnishi, et al., Nucl. Instr. and Meth. B., 317, 357360（2013）11）M. Wakasugi, et al., Rev. Sci. Instrum., 89, 095107（2018）
12）M. A Levine, et al., Phys. Scr., T22, 157（1988）
13）S. Essabaaet, et al., Nucl. Instr. and Meth. B., 317, 218222（2013）（理化学研究所 仁科加速器科学研究センター 実験装置開発部）