文部科学省 [先端研究基盤共用・プラットフォーム形成事業 成果報告]
兵庫県立大学 高度産業科学技術研究所 ニュースバル放射光施設

20Ne(γ ,n-α ）光分解反応の測定
所属

甲南大学理工学部

ビームライン

ＢＬ0１

利用者氏名

秋宗 秀俊

利用分野

量子ビーム技術

利用年度

２０１４年度活用技術

ガンマ線利用

利用成果の概要
昨年度に引き続き電子エネルギー1.GeVから1.3GeVに、Ndレーザー（波長1.064µm, 0.532µm)を入射し、17MeVから60MeVのγ 線を用いて、20Neの光分解計測を行った。また電子等のバックグラウンドを低減するため、真空ダクトをビームラインに設置し効果を検証した。
<利用目的>
陽子数、中性子数が偶数で等しい核、すなわちZ=N=2nが成り立つ核の励起状態に4He原子核クラスター（α クラスター）が構成要素として存在する状態をα クラスター状態と呼ぶ。近年このような状態がα 粒子がボーズ粒子であることから、低温状態にあるボーズ粒子に特有なボーズアインシュタイン凝縮状態とみなせることが示唆され注目を集めている。しかしながら実験的にはこのようなα クラスター状態は12Cでのみ確立しており、より重い核では全く手つかずなのが現状である。一方、ロシアDUBNA研究所で、核子あたり3.3GeV/uの22Neイオンをエマルジョンに入射する実験をおこなったところ、多数のα 粒子（3〜5個）が超前方に小さな相対運動で放出される事象が観測された(N.P.Andreeva et al. Eur. Phys. J A27 s01,295(2006)。この事象が22Neのα クラスター状態がクーロン仮想光子により励起されたもの解釈すると、実光子により同様の状態が励起される可能性がある。そこで本実験では多数のα 粒子を同時計測できる測定器を作成し、Neガスをターゲットして光核分解反応を測定した。
<実験方法>
図１に実験に用いた測定器を示す。セル内に20Neガスを封入しガンマ線を入射した。図２にガンマ線の強度分布を示す。20Neが5α に崩壊するしきい値のエネルギー（19.17 MeV）より高い
35.7MeV（Ee=1.0 GeV）と47.0 MeV（Ee=1.147 GeV）で実験をおこなった。20Neから放出される数百keVから数MeVのエネルギーのα 粒子の１気圧の20Neガス中でのレンジは数cmしかないため、これらの粒子を検出するため、α 粒子を検出するプラスチックシンチレータを可能な限りビームに近づけ、ビームを囲うように配置した。
<実験結果>
図３にNe、４He、空気をターゲットとした時の荷電粒子への崩壊の反応断面積を示す。図中の縦軸は反応断面積、横軸は荷電粒子の多重度である。本実験で用いた測定器は荷電粒子の識別ができないため放出粒子として可能性のある陽子、重陽子、3He、４He等の識別はできていな
い。図からもわかるようにバックグラウンドとして測定した4Heガスの場合とNeガスの場合で反応断面積に有意な差はなく５α 状態への崩壊を見出すことはできなかった。
<今後の見通し>
光核反応によるα クラスター状態の励起が確認できれば世界で初めての発見である。また理論の予想によればα クラスター状態は大きな半径に拡散しているとされ、通常の核物質の密度の半分程度の密度をもつとされており、核物質の新たな相の研究につながると期待される。一方、実験技術的にはビームハローの軽減はガンマ線を用いた実験のデータの精度の向上に重要な寄与がある。
http;//www.lasti.u-hyogo.ac.jp/NS/

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兵庫県立大学 高度産業科学技術研究所 ニュースバル放射光施設

<図面等>

図１

図２

図３

問い合わせ先兵庫県立大学 高度産業科学技術研究所
ニュースバル放射光施設 共用促進室〒678-1205 兵庫県赤穂郡上郡町光都1-1-2
TEL : 0791-58-2543 FAX : 0791-58-2504
E-mail : kyoyo@lasti.u-hyogo.ac.jp

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NewSUBARU ガンマ線ビームラインの低エネルギーガンマ線、電子バックグラウンドの評価と除去
甲南大学大学院自然科学研究科物理学専攻
原子核研究室	  M２	  角野愛1.	  は じ め に	  Optical Hutch 1 内には鉛コリメーターを	  γ線は空気中を通過すると相互作用が起こ二つ設置した。上流側には直径 2mm の穴のり低エネルギーのγ線や電子を生成する。実開いたコリメーターを、下流側には 10×3mm

験でこれらのγ線や電子が検出器に入射するの穴になるように鉛ブロックを積み上げコリとバックグラウンドとなり、本来の結果が得メーターを作り設置した(Fig. 2)。下流側のコられず実験の質が低下してしまう。そこでこリメーターは Optical Hutch 1 側に飛び出しの研究では相互作用によるバックグラウンドた真空パイプの約 20mm 手前に設置した。

を軽減させる方法を考え実際に実験を行なっ
Opitical Hutch 2
CollimatorMBS

バックグラウンドを軽減・除去する条件を考Vacuum Pump

Optical Hutch 1
Beam Duct

Detector

24000

た。また Geant4 シミュレーションを用いて、Gamma-ray察し評価した。

Vacuum Pipe

100 700 200 85

200001210 80

30000

56000

16000

Nd Laser2.	  実 験 装 置 ・ 実 験 方 法	  今回実験は NewSUBARU 放射光施設内のFig. 1	  Optical Hutch（単位：[mm]）BL01 にある甲南大学研究設備

200GACKO(Gamma Collaboration hutch ofKonan university)でおこなった。Fig. 1 に

100

BL01 の Optical Hutch の配置を示す。今回50の実験では Optical Hutch を繋ぐビームダク
ト内ポリ塩化ビニル製のパイプを挿入しその中を真空にすることでγ線と空気の相互作用

2100

4152

106200Fig. 2	  コリメーター（単位：[mm]）を軽減させる方法を用いた。Optical Hutch 2側のビームダクトの直径 94.7mm の内部に直	  今回の実験ではプラスチックシンチレータ

径 30mm のパイプを Optical Hutch 1 までーと NaI シンチレーターの二種類の検出器を6m 挿入した。真空パイプの両端には 20mm用いた。プラスチックシンチレーターは主にの穴があいており、厚さ 50μm のカプトンフ電子に、NaI シンチレーターはγ線に感度がィルムを用いて塞いでいる。γ線は直径 6mmある。プラスチックシンチレーターは光電子のコリメーターを通って入射する。	 

増倍管の上部中央に接着したものを用いた。

	  実験は真空パイプ内が「真空」の場合と「空チレーターと NaI シンチレーターの二種類の1000"(	/s)気あり」の場合の状態で、プラスチックシン

100"

検出器を用いておこなった。検出器は可動式10"の台にそれぞれ固定し、γ線を横切るように設置した。これらはγ線が照射される位置を1"
$15"

$10"

$5"

0"

5"
(mm)

10"

15"

%5$

0$

5$

10$

15$

原点とし-10mm~10mm までの範囲を2mm~5mm の間隔で移動させ測定をおこな

NaI
1000$った。

3.	  実 験 結 果(	/s)

100$

10$	  実験結果は Fig. 3 のようになった。プラス

1$%15$

チックシンチレーターの分布はシンチレータ

%10$

0.1$

(mm)

ーの幅の分だけ広がった形になっている。今Fig. 3	  実験結果

回の研究対象であるバックグラウンドは測定結果のテール部分に現れており、真空の場合1/4 に減少していることがわかった。実験結果
よりプラスチックシンチレーターの分布は、逆コンプトン散乱による分布とγ線と空気との相互作用による分布の二種類の分布が合わ)

 (/s)

は空気がある場合よりバックグラウンドが !!(
1000"

()"

100"

()"

10"

1"
$15"

さったもので表され、それぞれの分布はガウ

$10"

$5"
0"
 !!

5"
(mm)

10"

15"

Fig. 4	  関数のフィッティング

ス関数と指数関数で表されると仮定する。実験結果より得られた関数を測定結果にフィットすると Fig. 4 のようになる。

ELI-NP の Ioana Gheorghe 博士の作られた	  また Fig. 3 より NaI シンチレーターの分布シミュレーションを提供していただき使用しは真空の場合と空気がある場合でほとんど差た。このシミュレーションは電子ビームとてはみられなかった。

ネオジウムレーザーを衝突させ、逆コンプトン散乱によりγ線を生成し、生成されたγ線

4.	  Geant4 シ ミ ュ レ ー シ ョ ンが設置されたコリメーターを通過してシンチ	  Geant4 は高エネルギーの粒子と物質の相レーターに入射する現象を計算している。

互作用を計算するのに広く用いられているソ	  シミュレーションの条件は次のとおりであフトである。今回用いたシミュレーションは、る。

Electronn = 6,000,000,000	  ここでコンプトン散乱によって減少したγvacuum: 0 [mg/cm3]

線の数と増加した高エネルギーの電子の数が1atm: 1.29 [mg/cm3]

一致していないことが分かる。これは、反跳	  またコリメーターと検出器の配置は電子ビ

電子はさまざまな方向に散乱するのでシンチームとレーザーの衝突点から次のような距離レーターに到達した数が少ないことを示してで配置されている。(Fig. 5)

いる。

Air

Collimator_1=1,547 [cm]	

180"

Collimator_2=1,847 [cm]Detector=2,592 [cm160")

120"

(140"
100"
80"
60"

electroncollisionpoint(Nd laser)

collimator

40"

BL01A

20"

Optical Hutch 2
Optical Hutch 1

Gamma-ray0"

Detector

0"1547 cm
1847 cm	  電子とγ線のエネルギースペクトルは Fig.
6 のようになった。電子のエネルギースペク
トルは空気がある場合に高いエネルギーの電15"

20"

15"

20"

40000"
35000")

30000"	(5.	  シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果10"(MeV)2592 cm

Fig. 5	  シミュレーションでの配置

5"25000"
20000"
15000"
10000"
5000"
0"
0"

5"

10"
(MeV)"

Fig. 6	  エネルギースペクトル子が数十個カウントされていることが分かる。
これは空気分子中の電子とγ線がコンプトン	  Fig. 7 はシミュレーションで得られた電子散乱を起こして発生した反跳電子がシンチレとγ線の分布である。真空の場合と空気があーターに入射したことを示している。またγる場合で実験と同様の振る舞いがみられた。

線のエネルギースペクトルは、カウント数の電子のカウント数は光電子が 6 億個の入射し一番多いエネルギーはニュースバルレーザー

た結果、真空の場合は 4,542 個、空気があるコンプトンγ線源の最大エネルギーと同じ場合は 8,282 個入射していることがわかった。

17MeV を示している。17MeV でのγ線のカ分布のテール部分のカウント数の差は約 7 倍

ウント数に約 2000 カウントの差がみられる。

であった。またγ線のカウント数は、光電子これも空気分子中の電子とγ線がコンプトンが 6 億個の入射した結果、真空の場合は散乱を起こした為に、空気がある場合のγ線4,971,315 個、空気がある場合は 4,702,643のカウント数の方が少ない結果となっている。

個とカウント数に変化はほとんどみられず、分布にも変化はみられなかった。

(1000")$

1000"(100")"

()"
((	)

(	))"
()"

100"
10"

10"
1"
$15"

$10"

$5"

0"

1"
$15"

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(mm)

10"

$

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100000"10000"((	)

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5"

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1000000"

1000000"(mm))"()"

1000"

10000"
1000"

100"

100"

10"

10"

1"
$15"

$10"

$5"

0"5"10"15"(mm)1"$15"$10"$5"0"5"(mm)10"15"

Fig. 8	  結果のフィッティング

Fig. 7	  電子とγ線の分布
線のエネルギースペクトルの分布も同様の相6.	  結 果 の フ ィ ッ テ ィ ン グ

互作用により高いエネルギーのγ線のカウン	  関数をシミュレーション結果にフィッティト数が減少していることがわかった。電子のングすると Fig. 8 のようになり、シミュレー

カウント数の分布は実験と同様の振る舞いにションの結果と関数がよくフィットしているなり、真空の場合の方が空気のある場合に比ことがわかり、実験結果をよく再現できたとべてバックグラウンドが 1/7 に減少していた。

いえる。

γ線の分布は実験と同様の結果がみられた。
また実験結果より求めた関数のフィッティン

7.	  ま と め

グも一致しており、どちらも実験結果を再現	  実験より２つの Optical Hutch を繋ぐビーできたといえる。

ムダクト内に真空パイプを約 6m 挿入することで、バックグラウンドを 1/4 に減少させる	  以上の結果より、ビームダクト内を真空にことができた。

する方法はバックグラウンドを軽減させる方	  シミュレーションの結果より電子のエネル法として有効であるとわかった。また今回のギースペクトルはダクト内に空気がある場合研究結果は今後 NewSUBARU 放射光施設でに空気分子中の電子とγ線の相互作用により、実験を行なう際に、正確な実験結果を得る為高いエネルギーの電子が検出された。またγに役立つけっかとなったといえる。