二電子性再結合から放出される X 線の偏光測定
中村信行研究室

1233018 大澤央の偏光度を測定することを目的とした。

1 背景・目的

2 コンプトン散乱型偏光計

我々の研究室では原子から多くの電子を取り去った多価イオンと電子との二電子性再結

コンプトン散乱は、電子による X 線の非弾合 (Dielectronic Recombination: DR) 過程を性散乱である。X 線が物質に入射してコンプト調べている。この過程においては、自由電子がン散乱を起こすと、衝突した物質中の電子にエ励起状態に捕獲されると同時に内殻電子を励起ネルギーを与える。この電子に与えられるエネし、二重励起状態を形成する。形成された二重ルギーは、次式で表される。

励起状態は X 線を放出し、脱励起する。
近年、DR の放出 X 線の角度分布においてブE=ライト相互作用が支配的な影響を与えるという

E0E0
1 + m0 c2 (1 − cos θ)(1)

理論計算がなされた。[1] ブライト相互作用は電子間相互作用における相対論的効果を説明す

ここで、E0 は入射 X 線のエネルギー、m0 c2 はるために導入されたものだが、一般的にクーロ電子の静止エネルギー、θ は X 線の散乱角であン相互作用などに比べて寄与が小さい。しかしる (図 1)。式 (1) からわかる通り、θの増加にこの理論計算によれば、クーロン相互作用にお伴って散乱 X 線のエネルギーが減少する。例

いて 90◦ で凹であった分布が、ブライト相互作として 60keV の入射 X 線に対して、散乱 X 線用によって 90◦ で凸となるなど角度分布が質的と反跳電子のエネルギーを散乱角の関数として変化を示すことが予言された。

図 2 に示す。

我々の研究室では電子ビームイオントラップ

また、偏光 X 線を入射させた際のコンプト(EBIT)[2] を用いて、この理論による予言を実ン散乱の微分断面積は、次のクライン・仁科の験で実証することに成功した。[3] しかし、その実験では EBIT 内イオン存在比の測定による積分共鳴強度と X 線強度測定による微分共鳴強度測定を組み合わせ、等方的な角度分布を持つ特殊な遷移に規格化することにより角度分布を決定することが必要であった。
一方、放出される X 線の偏光度の絶対値を測定することができれば、先の実験で用いたような規格化を必要としないため、あらゆる遷移について角度分布と等価な情報である偏光度に対するブライト相互作用の寄与を研究することができる。そこで、本研究では硬 X 線に対応図1した偏光計を製作し、DR から放出される X 線

1コンプトン散乱の概念図式で与えられる。

X 線がコンプトン散乱すると、付与されたエネ

dσr2 E 2 E0 E= Z e 2{+−sin2 θ cos2 φ} (2)dΩ2 E0 E E0

ルギーにより結晶原子が励起される。一方、散乱された X 線がシンチレータ結晶により光電吸収されエネルギーを失うことでもシンチレーここで、Z は標的原子の原子番号、re は電子のション結晶が励起される。これらが脱励起する

古典半径、E は散乱 X 線のエネルギー、E0 は際に発する可視光を光電子増倍管を用いて電気入射 X 線のエネルギー、φ は散乱角 θ の衝突平信号として取り出す。シンチレータでの発光量面への投影と偏光方向がなす角である。式 (2)はコンプトン散乱や光電吸収によって X 線がは、図 3 からも分かるように、偏光方向と垂直失ったエネルギーに比例するため、信号の波高な方向に散乱されやすいことを示している。逆分布からエネルギースペクトルを取得できる。に、コンプトン散乱 X 線の角度分布を調べる

コンプトン散乱の断面積は原子番号 Z に比ことにより、入射 X 線の偏光方向を知ること

例し、光電吸収の断面積は Z 4−5 に比例する。

が可能である。

そのため、散乱体としては比較的軽元素で構成

コンプトン散乱型シンチレーション偏光計

されるシンチレータ、吸収体としては比較的重は、この原理を用いており、散乱体および散乱元素で構成されるシンチレータの二種類で構成

X 線の吸収体にシンチレータを用いて散乱角度される。散乱位置と吸収位置を関連付けること分布を測定するものである。

で、散乱方向を同定、角度分布を取得する。

コンプトン散乱型シンチレーション偏光計の概略図を図 4 に示す。シンチレータ結晶により

図 4 コンプトン散乱型シンチレーション偏光計

図 2 60keV の X 線がコンプトン散乱した

3 構成

際の散乱 X 線 (赤) と反跳電子 (緑) のエネ
ルギー

図 5 に本研究で製作した偏光計の外観を示す。本偏光計では、散乱体として 36 本のプラスチックシンチレータを 6 × 6 の正方形状に並べ、その周りを囲むように吸収体として 28 本の CsI シンチレータを配置した。コンプトン散乱によって生じたシンチレーション光を効率良く光電子増倍管へ導くため、これらのシンチレータをそれぞれ反射材としてテフロンテープで覆った。シンチレーション光の検出は、64 ピ
図3クセルに分けられてそれぞれで独立した信号をコンプトン散乱の角度分布取得できる位置有感型光電子増倍管を採用する

2ことでコンプトン散乱を起こした散乱位置、散によりエネルギースペクトルを取得することが乱 X 線を吸収した吸収位置の測定を行うこと可能であることが確認できた。

を可能とした。

4.2

コンプトン散乱イベントの抽出

中央近くのプラスチックシンチレータ(29ch) に X 線源として 241 Am を設置したときの、CsI シンチレータ、およびプラスチックシンチレータにおける波高分布を図 8 、図 9 にそれぞれ示す。241 Am を設置する際には、他のピクセルに X 線が入射しないようコリメータをシンチレータとの間に入れた。また比較のため
241

図5検出器外形

Am を設置しないときの波高分布も示す。

図 8 において、5ch 付近に現れた鋭いピー
クは線源の有無に因らないバックグラウンド、線源を置いたことで現れた 20ch 付近と 50ch付近の 2 つのピークは、241 Am からの X 線が4 評価実験

プラスチックシンチレータによって散乱され、放射性同位体からの放射線を用いて動作確認

CsI シンチレータで吸収されたものと考えられを行った。各ピクセルの ch 番号を図 6 のようる。に定義した。

図 9 では、線源の有無に因らず 0ch 付近と25ch 付近にピークが現れているが、0ch 付近のものは電気ノイズ、25ch 付近の物は環境からくるバックグラウンドである。

図6

各ピクセルの ch 番号

4.1 エネルギースペクトル
シンチレーション検出器としての性能評価を行うため、137 Cs、241 Am からの X 線を各CsI シンチレータに照射し、そのエネルギースペクトルを取得した。得られた波高分布は、ピクセルによってピーク位置に大きな違いがあった。これを補正するため、241 Am(60keV)と 137 Cs(32keV) のピークから各ピクセルのエネルギー較正を行った。
エネルギー較正後の波高分布と Ge 検出器を用いて得られたスペクトルを図 7 に示す。各ピクセルに対して補正が必要となるが、波高分布

3

(上)241 Am(赤)、137 Cs(緑) の 5ch(CsI) でのスペクトル。 (下)Ge 検出器により得られたAm(赤)、137 Cs(緑) のスペクトル

図7241

図 8 29ch(プラスチック) に 241 Am を置い

図 9 29ch(プラスチック) に 241 Am を置いたとき (赤) と線源なし (緑) での CsI シンチ

たとき (赤) と線源なし (緑) でのプラスチッ

レータにおける波高分布。計測時間は 700s。

クシンチレータにおける波高分布。計測時間は 700s。

241

Am からの 60keV の X 線がプラスチッ

クシンチレータでコンプトン散乱した場合、1ラスチックシンチレータの信号の波高にかかわ〜11keV のエネルギーがプラスチックシンチらず得られたものであるが、プラスチックシンレータに付与される。これは、図 9 において 10チレータの波高に応じてスペクトルを分離した〜110ch に相当するが、50ch 以下ではバック結果を図 10 に示す。赤がプラスチックシンチ

グランドの寄与が大きいため、プラスチックシレータの波高が 10〜50ch である場合のスペクンチレータで 50〜110ch である信号を抽出す

トルで、緑が 50〜110ch である場合のスペクトれば 60keV X 線によるコンプトンイベントのルである。前者では、60keV の X 線による信みを抽出できると考えられる。図 8 の CsI シ号だけでなく、26keV などの低エネルギー Xンチレータスペクトルは、同時に検出されたプ線によるコンプトン信号が 25ch 付近に存在す4る。一方、後者では、この低エネルギー X 線

図 11 に散乱角の定義を示す。

によるピークが消滅している。これは、この低エネルギーの X 線のコンプトン散乱によるエネルギー付与が波高において 1〜25ch 程度であるため、50〜110ch の波高で抽出することにより除外することが出来るためである。以上より、プラスチックシンチレータで 50〜110ch の波高を持つ信号のみを選ぶことにより、60keVX 線によるコンプトンイベントのみを抽出できることを確認できた。

図 11 散乱角度の定義。29ch から 32ch の方向を 0◦ とし、反時計回りを正とした。青は 29ch から見た各 CsI シンチレータへの入射面。

線源を設置したプラスチックシンチレータ(29ch) から 32ch の方向を 0◦ とし、反時計まわりを正としたときの X 線の散乱角度分布を
図 12 に示す。
図 10241

Am(60keV) を設置したときの CsI

29ch の中心から各 CsI シンチレータを見たシンチレータの波高分布。プラスチックシン際、29ch からの距離、角度で散乱 X 線を検出

チレータの波高によるディスクリを 50ch 刻できる効率は異なる。図 12 の青線は、29ch のみで変化させた中心から各 CsI シンチレータの入射面へ引いた線分の角度を計算した結果である。29ch から見て 45◦ 方向にあるピクセルのカウントが 05 角度分布測定になっているのは、隣接ピクセルに遮られるた偏光計としての性能評価を行うため、コンプめ 29ch から見た入射面が存在しないためであトン散乱を起こしたときに発光したプラスチッる。この実験結果より、見込み立体角による補クシンチレータと CsI シンチレータの位置を関正が必要となることがわかる。

連づけ、2 つのピクセルのなす角度を決定し、図 12 の見込み立体角を考慮した計算値 (青その分布を得た。

線) が一定となるように係数を乗じて補正をし今回の実験では、偏光 X 線源を用意するこた結果を図 13 に示す。無偏光 X 線によるコンとが出来なかったので、シンチレータ検出器のプトン散乱において、散乱 X 線は等方的に放性能評価にも使用した無偏光の X 線源241

Am射されるため、その角度分布は直線になるはずを使用した。前節で得られた結果から、プラス

だが、図 13 には 30◦ 周辺と 230〜330◦ 周辺のチックシンチレータ 29ch で 50〜110ch、CsIカウント数が大きく落ち込んでいる。特に 230

シンチレータで 35〜80ch の波高の信号のみを〜330◦ にあたるピクセルは、検出器の下一辺使用することで 241 Am の 60keV X 線によるコのシンチレータにあたるため、検出器の下一辺ンプトン信号について角度分布測定を行った。

でのコンプトン信号が著しく少ないことを表し5ている。各 CsI シンチレータに直接 241 Am を6 まとめ設置したときのデータにおいては、他のピクセルに比べて下一辺のカウント数が著しく低いと

本研究では、重原子多価イオンにおけるブラいうことはないため、コンプトン信号の抽出をイト相互作用の寄与について理解を深めるた行っている解析プログラムに問題があると考え

め、多価イオンからの放射 X 線の偏光度を直られる。

接測定するためのコンプトン型 X 線偏光計の開発を行い、X 線スペクトルの取得を行った。
241

Am からの X 線を製作した偏光計に照射し、プラスチックシンチレータにおけるコンプトン散乱、CsI シンチレータにおける散乱 X 線の光電吸収を、それぞれ波高弁別により選択することで、コンプトン散乱信号を取得することに成功した。
無偏光線源を用いたコンプトンイベントの角度分布測定では予想したような結果が得られなかったが、装置の幾何学的デザイン、位置有感型光電子増倍管のゲインの不均一さなどを考図 12 29ch に 241 Am を置いたときの散乱方向の角度依存性。青線は見込み立体角を考慮慮し、解析プログラムの改良を行っていく。ました計算値。

た、本研究では偏光 X 線源を用意することが29ch から見た CsI シンチレータへの入射面から計算値を決定しているため、四隅 (1、8、57、64ch) での値は 0 となっている。

出来ず、偏光計としての性能評価が十分にできなかった。小型の X 線源とプラスチックシンチレータを用いた偏光 X 線発生装置の導入も考え、偏光検出能力の評価も行っていく予定である。

参考文献[1] S. Fritzsche et al., Phys. Rev. Let. 103,113001 (2009)[2] H. Watanabe et al., J. Phys. Soc. Jpn,66, 3795 (1997)[3] Z. Hu, 2012, 電気通信大学博士論文

図 13 29ch に 241 Am を置いたときの散乱方向の角度依存性。見込み立体角を考慮して補正を行った。
無偏光線源によるコンプトン散乱は等方的であるため、角度に依存せず一定のカウント数になるはずだが、300◦ 付近にカウントの落ち込みがある

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