中性子弾性散乱を用いた
208Pbの中性子密度分布の決定手法の開発
和田辰也, 岩井沙彩, 岩本哲平, 橘刀生, 立花万梨子, 中田智也, 牧田藍瑠
京都大学理学部4回生

目次
1. 目的
2. 理論計算
3. 実験概要
1. 実験セットアップ
2. 実験見積もり

4. 【速報】実験結果とデータ解析
1. 実施日：2023年3月21~23日

5. まとめと展望目的

実験室から高密度領域を探索できるか？

・核物質のEoS・中性子スキン

重い元素などの表面に現れる中性子の割合が高い領域

・対称エネルギーS

傾きL

様々な理論計算が乱立

傾きパラメータLと強い線形相関

208Pbの核子の密度分布の模式図
A.Tamii,日本物理学会誌,Vol 69より引用

中性子密度分布から対称エ
ネルギーを制限できる!

A.Tamii,日本物理学会誌,Vol 69より引用

X.Roca-Maza,et al,Phys Rev Lett, 106より引用

新手法：中性子弾性散乱

中性子密度分布の決定手法
Q. 密度分布を求める手法とは？

クーロン力が支配的

A.中性子弾性散乱を選択●●

weak interaction (PREX)→ 難しい...
hadronic○ 陽子散乱○■■クーロン力が支配的
散乱角度後方では理論の不定性

核力のみ

中性子散乱
■

核力のみ！

前方が分かれば形状因子から平均二乗半径

中性子弾性散乱を記述する理論モデルが必要！

→理論計算のベースとなるモデルとして
Horowitz,Murdock及びHhillhouseらのRIA(Relativistic Impulse
Approximation)を選択
メリット：散乱断面積、偏極分解能を説明できている

D.P.Murdock and C.J,Hoeowitz
PRC,Vol 35, pp1442, 1987より
Z.P.Li, G.C. Hillhouse, et al
PRC, Vol 77, p.014001,2008より
Z.P.Li, G.C. Hillhouse, et al
PRC, Vol 78, p.014603,2008より

理論計算 -Neutron-RIAの開発
RIAでは陽子弾性散乱をよく説明できる➔ 荷電対称性を課せば中性子弾性散乱にも適用できる→ 自分たちでNeutron-RIAを新たに開発ppp or nAnnp or nscalar/vector
DensityA

荷電対称性を用いると
𝜏pp,𝜏pnを𝜏nn,𝜏npに置き換えるだけで良い
scalar/vector
Density理論計算 -Neutron-RIAの計算結果
×100
208Pb,40Ca

中性子の弾性散乱(65MeV)
実験データはE.L. Hjort,et al, PRC, Vol.50, pp.275, 1994
より引用

実験と合っている！
→超前方角度(1~7°)での実験がしたい！！！
condition
Neutron-RIA
Dirac-Hartree Density
Pauli Blocking(PB) On

MMN-RIAから実験へ
データをどれくらいの精度でとれば良いのか？
相対論的に計算した密度分布で平均二乗半径を約1%(0.5%)変える→散乱断面積では何%変化するか
縦軸は平均化した比率(%)

グレーの部分は0.1°で約3％(1000個)のデータをとった時に、同じ時間で取れる統計誤差

実験において1~7°の前方で3%の統計精度が必要

二次標的周りの作業の様子

実験：208Pbの中性子弾性散乱

RCNPで夜ご飯を作る様子
ルーを使わずスパイスから作るチキンカレーは絶品

実験：208Pbの中性子弾性散乱の測定
実験概要＠阪大RCNP● Ep=65MeVの陽子ビームを加速● N0コース(TOF測定用トンネル)

208Pb, 40Caの1°~7°中性子弾性散乱

・7Li(p,n)による2次ビームを利用→En ~ 63MeV（準単色）
AVFサイクロトロン

中性子実験室θsca=1~7°N0コース

中性子弾性散乱の識別
・TOF法
・波形弁別法(PSD)

208Pb(99.9%): 4mm厚
natCa(96.9%): 5mm厚
真上から見た実験セットアップ
RCNP鳥瞰図

65 MeV
proton beam
AVFサイクロトロンより

TOF法の励起エネルギー分解能σ

実験の見積もり208Pbの弾性・非弾性散乱(1st:2.615 MeV)を分離する⇒ 質量欠損法から、入射・出射中性子エネルギーから励起エネルギーが決まる

中性子の識別と検出効率
QDC fast channel

液体シンチレータ(BC501A)による波形弁別法を用いる弁別能力 3.202σnγ
QDC all channel

252Cf線源を用いたn,γ-PSDの検証

Scinful-cgによる検出効率見積もり

収量も加味して、TOF長＝38 m に決定⇒ σ = 693 keV : 約4σで分離可能
208Pb(n,n) elasticの収量※液シン3個分

threshold[MeVee]

Efficiency[%]

4.00

3.520

Θc.m. (deg)

微分断面積(mb/str)

液シン3個収量(cps)

9.00

2.533

1

3.54e41.0e-1

16.00

1.708

7

1.04e-4

3.0e-2

遠藤 章 et al, 任意形状の中性子用シンチレータに対する応答関数計算コード SCINFULCG の開発, JAERI-Data/Code 2001-027 ,JAEA

実験実施：2023年3月21~23日
主にオンライン解析の速報
測れたデータ：散乱角度4, 7度で標的ありとなし

【速報】2次中性子ビーム：0deg 7Li(p,n)散乱のスペクトル
63MeV
中性子

neutron count
見積もり：1.1 cps
実験結果：0.90 cps
prompt γ⇒ 中性子ビームの収量がほぼ見
積もりと一致することが確認できた。
時間

【速報】実験結果:n-g PSD(4deg 2nd target Pb)nγ

3次関数でfitn-gammaを分けることが出来た！

【速報】実験結果:S/N比を上げる
208Pb標的無しで遮蔽の効果を見た

散乱角度4度(鉄遮蔽増加済み)

赤:鉄遮蔽追加前
青:鉄遮蔽追加後γ

赤:208Pb標的無し
青:208Pb標的あり増えてる？！

nγn

1次beamが検出器を直接臨むところに鉄遮蔽40 cmを増やした→ BGが1/3以下に減っている！
→ BGのTOF分布構造も変化していない！
→ BGは単純に遮蔽で確率的に透過する中性子で決まってそう

遮蔽増強

まとめ
●

●
●

●

赤字：達成項目

目的：核物質の状態方程式(EOS)を知りたい○ 208Pb中性子スキン厚から対称エネルギーのスロープパラメータを制限する。
手段：中性子密度分布、平均二乗半径を決定するために中性子弾性散乱の手法を選択○ 理論計算モデルとしてrelativistic folding modelのRIAを選択○ 荷電対称性を仮定した、新しい中性子弾性散乱コード：①N-RIAを開発した!
実現可能性検証：TOF法による測定見積もり○ 励起エネルギー分解能：約700keV → 基底状態の識別OK○ 液体シンチレータを使った波形弁別(n,γ-PSD)：FOM = ~3.2 → 弁別OK
○ Scinful-cgでの発光量分布と検出効率の見積もり：< 40MeVee, ～3％○ 収量を見積もり：10-1 ~ 10-2(cps)程度 → ②1日の測定で統計精度3％達成可能!!
超前方の中性子弾性散乱を測るための実験Setupの構築＠RCNP, N0コース○ 7Li(p,n)@Ep=65MeVで中性子ビームを生成40Ca,208Pbに照射○ 複数回の加速器故障を乗り越え、③2023年3月21~23日についに実験実施できた!!!
■ 中性子2次ビーム由来のBGについての詳細データが得られた(ここ重要!!)■ → 【速報】散乱角度4度での測定から弾性散乱について確認できたかも!?

展望と課題● 理論計算有効相互作用を40Caを用いた計算でパラメータを決める必要がある
しかし、中性子だけでfittingすると、複数の収束先が見つかってしまう
荷電対称性から同じパラメータでp-40Caを計算すれば精度良く決まるはず→実際にやると、陽子の結果合っていない
陽子散乱と中性子散乱両方でfittingする方法を模索→計算コードの改良が必要● 実験
さらに前方の1°~3°の中性子弾性散乱の測定を行いたい→遮蔽効果を高めることによるS/N比の向上が必要

研究の感想ここまで大掛かりな実験は初めてで、頭で考えたことを実際にやってみるときのギャップにとても苦戦しました。測定回路や解析ソフトも初めて触れるものが多く、始めは右も左も分からないような状態でしたが、1年を通して大きく成長できたと感じています。
実験本番でも相次ぐトラブルに骨が折れましたが、測定が終わったときにはあまりの達成感に私は宿舎のベッドの上から起きることができませんでした。私が測定を終えた仲間の元に訪れるのはビームタイム終了から1時間後のことでした。
仲間たちに感謝です(^^)。打ち上げは僕の奢りです。

Backup

理論計算 -Hillhouse-RIA（BackUp）
計算モデル:Horowitz,MurdockのRIA(Relativistic Impulse Approximation,HM-RIA)を選択●●●

陽子弾性散乱で成功している
microscopic modelで成功している
relativistic folding model(密度分布の情報が必要)

D.P.Murdock and C.J,Hoeowitz
PRC,Vol 35, pp1442, 1987より

HM-RIAだと入射粒子のエネルギーが離散的にしかfittingしていない➔ Hillhouseが低エネルギー(60MeV程度)まで連続的に拡張◆ meson-nucleon散乱振幅のパラメータにエネルギー依存性◆ Pauli-Blocking(PB)のエネルギー依存性

Z.P.Li, G.C. Hillhouse, et al
PRC, Vol 77, p.014001,2008より
Z.P.Li, G.C. Hillhouse, et al
PRC, Vol 78, p.014603,2008よりHillhouse-RIAのメリット● 低エネルギー拡張により広いエネルギー範囲での計算が可能● 散乱断面積、偏極分解能が実験データと合っている
中性子弾性散乱にはこのままでは使えない

Hillhouse-RIAをベースに改良して中性子にも計算できるように新たに開発が必要

理論計算 -Hillhouse-RIA（BackUp）
208Pbと40Ca

陽子弾性散乱の散乱断面積×100
実験データは
Pb:H.Sakaguchi, et al, PLB, Vol 89, No1,pp40,1979
Ca:H.Sakaguchi, et al, PLB, Vol 99, No2, pp92,1981
より引用

condition
Hillhouse-RIA
Dirac-Hartree Density
Pauli Blocking(PB) On

理論計算 -Hillhouse-RIA（BackUp）
208Pb

陽子弾性散乱の偏極分解能
実験データは
H.Sakaguchi, et al, PLB, Vol 89, No1,pp40,1979
より引用

condition
Hillhouse-RIA
Dirac-Hartree Density
Pauli Blocking(PB) On

理論計算(BackUp) -Hillhouse-RIAからMNN-RIAへ
Hillhouse-RIAでは自由空間中での中間子の結合定数、質量を用いている→中間エネルギーの陽子弾性散乱で用いられ成功している原子核での媒質効果の導入を試みている➔ 結合定数、質量に密度依存性を追加した有効相互作用➔ 荷電対称性と合わせて、Medium-Modified-Neutron-RIA(MMN-RIA)を新たに開発
scalar meson(𝝈),vector meson(𝝎)についてそれぞれパラメータ(ai,bi)(i=1,2)を決めることができる

g

H. Sakaguchi and J. Zenihiro
より引用

Progress in Particle and Nuclear Physics,Vol97,p1-52,2017g理論計算 Neutron-RIAでの平均二乗半径の決定手法(Back UP)
散乱断面積を決めるNeutron-RIAはできた● 原子核中の有効相互作用のパラメータを陽子分布が既知の40Caで決定(𝜌n=𝜌pと仮定)○ g:coupling constant
40Caの密度分布(電子散乱の電荷分布から導出)○ M:mass
208●
Pb の中性子分布をWoods-Saxon型
として2変数(a,R)の決定● 数値積分を用いて平均二乗半径を決定

有効相互作用の決定、平均二乗半径の探索については現在進行中gg

Neutron-RIAについて(散乱振幅の入れ替え)
最終目標:Dirac光学ポテンシャルUoptを求めること
ψ2は原子核の基底状態

スカラーとベクトル成分について独立に考える

傾きL

様々な理論計算が乱立

目的
・核物質のEoS・対称エネルギーS・中性子物質()の高エネルギー・高密度領域では理論モデルに大きく依存
中性子星などの高密度天体の性質に深く関係Sを制限して理論モデルの不定性を抑えたい

A.Tamii,日本物理学会誌,Vol 69より引用

実験室から高密度領域を探索できるか？
・中性子スキン
重い元素や中性子過剰核には、その表面に中性子の割合が高い領域が現れる
・核物質の対称エネルギーと有限核のスキン
厚との関係
スキン厚 小スキン厚 大

up

down

down

up

208Pbの核子の密度分布の模式図

A.Tamii,日本物理学会誌,Vol 69より引用

全体のエネルギーを最小にするようなス
キン厚が実現される

電子散乱(PREX)によるスキン厚の値
D.Adhikari,et al, Phys Rev Lett,126 より引用実験室から高密度領域を探索できるか？

陽子散乱によるスキン厚の値

・とりわけ傾きパラメータLは原子核

J.Zenihiro,et al, Phys Rev, C 82 より引用の中性子スキン厚と相関におけるEoSの傾きに相当

・理論モデルに依らずだいたい線形
陽子・中性子の密度分布を比較することで対称エネルギーの形を制限できる・陽子分布(電荷分布)は電子散乱によってよく分かっている
中性子分布が知りたい！

傾きパラメータLと208Pbのスキン厚との相関図

中性子の最小二乗半径を1%未満の精度で求めたい！

X.Roca-Maza,et al,Phys Rev Lett, 106より引用

Pauli Blocking(PB)について
光学ポテンシャルに以下の媒質効果を取り入れて置き換える

低エネルギー領域での密度依存項として追加されている
Hillhouse-RIAではaiのエネルギー依存性を拡張
物理的にはPauliの排他律による効果を考慮しているNeutron-RIAについて(密度依存性の追加)
RLF(Relativistic Love-Franey) modelについて
mesonの交換の1次ボルン近似でNN振幅を記述
Direct,Exchangeのどちらかで相互作用→scalar meson(𝝈),vector meson(𝝎)について
Real,Imaginaryそれぞれパラメータ(a,b)を40Caを用いて決める

自由なパラメータはcoupling constant:g、mass:m

実験の目的と概要
目的★ 核物質EOS決定のための、208Pbの中性子密度分布・平均二乗半径の精密測定★ 原子核の表面付近での散乱を見たい→超前方(θ≦7°)での208Pb, 40Caの中性子弾性散乱の微分断面積の測定
AVFサイクロトロン

中性子実験室実験概要
N0コース● 加速器実験 @阪大RCNP● AVFサイクロトロンで、Ep=65MeVの陽子ビームを加速※RF frequency: 33.3 MHz(30 ns)● N0コースで実験

RCNP鳥瞰図

@RCNP

実験の概要
実験Setup（概略）● 陽子ビーム (Ep=65MeV) を7Liに入射● 7Li(p,n)反応により、準単色な中性子
65 MeV
真上から見た実験セットアップ
protonbeam
ビームを生成AVFサイクロトロンより● 中性子ビームを、208Pb, 40Caに衝突させ弾性散乱を測定● 1°～7°の超前方角度の弾性散乱を測定● TOF (Time of flight) 法を用いて、中性子のエネルギーを測定 @N0コース○ TOF法：中性子の飛行時間からエネルギーを求める測定手法● 散乱中性子は、液体シンチレータで検出○ 波形弁別法により、中性子を識別

実験の概要★ 超前方(θ≦7°)での208Pb, 40Caの中性子弾性散乱の微分断面積の測定要求される条件● 弾性散乱の散乱角ごとの識別：測定手法○○○

中性子の識別励起エネルギー分解能
角度分解能● 中性子バックグラウンドの遮蔽：実験Setup○

Feによる遮蔽実験の実現可能性の検討（次頁から）

測定手法：励起エネルギー分解能のパラメータσ＝654 keV
1st/ground =0.25
overlap=4.46%

時間分解能は大きめに見積もり

208Pbの第一励起エネルギー:2.615 MeV

目安エネルギー分解能:σ＝654 keV(4σ=2.615 MeV)

TOF分解能主要項
・p beam7Liエネルギー損失
Li厚い程、損失大、収量良
エネルギー損失654 keVを超えない最大厚のLi→1 mmt

励起エネルギー分解能[100 keV]

測定手法：励起エネルギー分解能

56.4 mでσ＝654 keV

TOF長(2次標的-検出器までの距離)[m]・n beamのエネルギー広がり(⁷Be 1st-ground)430 keV(推定)←⁷Li(p,n)のスペクトル測定

TOF長＞30 mでは主要項の寄与が大きい。収量からTOF長を決定する。

測定手法：n,γ-PSD（Pulse Shape Discrimination） 波形弁別法

液体シンチレータの発光機構が異なる

QDCでのall(全体)とfast(尾)の積分値の違いで弁別
QDC gatepn

pn（バックグラウンドなど）
γ

e-

e-

γ

fast

all

30 ns

一つの信号に対して尾fastと全体allのデータをとる

実験Setup（標的まわり）● 陽子ビームをSWINGER磁石で曲げて、7Liに入射させる●

7Liを円軌道上で動かす&標的を動かす

ことで、θscaを変更●

Feコリメータ

生成中性子ビームを208Pbと40Caに衝突→θsca方向の弾性散乱を測定● プラスチックシンチレータ
駆動方向→荷電粒子のveto
7Li target ラダー

標的を矢印の向きに動かすことでθscaを変更する

実験Setup(標的まわり)● 観測したいθsca(=1°~7°)の(n,n)散乱のみを取り出すセットアップ● 散乱角ごとの弾性散乱を識別するための工夫

標的直前のFeコリメータ→1次中性子ビームをコリメート
100μmの精度でアライメント→良い角度分解能の実現

Feコリメータ

neutrons

実験Setup（邪魔な中性子BGの遮蔽）

中性子BGの広がり（液体シンチレータの位置は正確でない）● 観測したいのは、208Pb, 40Caから来る2次中性子● しかし、7Li(p,n)由来の1次中性子も検出器にやってくる→邪魔な中性子を遮蔽する必要がある➢ N0コースの巨大Fe遮蔽扉を利用（幅1.5m）→中性子を遮蔽（遮蔽扉には双極電磁石を搭載）➢ 遮蔽ブロック(Fe, W合金)を配置→さらに遮蔽の厚さを稼ぐ
遮蔽扉＆双極電磁石
写真中央の茶色の装置が双極電磁石

7°setup

遮蔽ブロック中性子BGの遮蔽効果の概算（θsca=7°の場合）
●
●
●
●
●
●
●
●
●

Feの数密度: n=8.49×1028 /m3
Feの断面積(inelastic): σinela=1.0 barn=1.0×10-28 m2 (@63 MeV)
平均自由行程: λ=0.118 m
遮蔽体の厚さ（コリメータ+遮蔽扉）: x=1.85 m
中性子透過率: P(x=1.85 m)=1.5×10-7
7Liから来る中性子: ~105 cps
検出器に来る邪魔な中性子: N~10-2 cps
弾性散乱する中性子: S~1 cps
S/N比: S/N~102
θsca=7°の時の中性子BGは、コリメータ&遮蔽扉でかなり良く遮蔽できる（3°~6°の時は、さらにS/N比は良くなる）

中性子BGの遮蔽効果の概算（θsca=1°, 2°の場合）● 超前方(1°, 2°)の測定では、遮蔽扉でカバーできない範囲がある→コリメータのみで遮蔽● Feコリメータの厚さ: x=0.56 m● 中性子透過率: P(x=0.56 m)=8.6×10-3● 7Liから来る中性子: ~105 cps● 検出器に来る邪魔な中性子: N~102 cps (検出器を望む立体角を考慮)● 弾性散乱する中性子: S=7.3 cps● S/N=10-2（S/N比は良くない）

超前方角度 (1°, 2°) の測定では、中性子BGの遮蔽に限界あり
BGに関する詳細な調査が必要→

本測定データ＆系統誤差の検討

標的・コリメータ等の寸法
1次標的・コリメータ・2次標的● 7Li: 20mm×20mm×1mmt● Feコリメータ: 100mm×100mm×50mm ×9個● コリメータの径: Φ=24, 24.5, 26, 26, 27, 27, 28, 28, 30 (mm)● 208Pb: 約40mm×約45mm×3.9mmt● 40Ca: Φ50mm×10mmt
遮蔽ブロック● Fe(100mm×100mm×50mm) ×4個● W(100mm×100mm×50mm) ×2個● Fe(90mm×100mm×50mm) ×1個● Fe(35mm×70mm×100mm) ×1個● Fe(25mm×50mm×100mm) ×1個
遮蔽扉● Fe遮蔽扉: 1.5mt

検出器周辺の写真等

検出器架台アライメント(鉛直方向)

検出器

・viewerを直接レベルで見ることができなかったのでレーザーを使ってviewerから
swinger磁石外部に印をつけ、それをレベルで見て検出器に映した

レ
ベ
ル

セオド
ライト

・4点でチェックすることによってレーザー

検出器が水平であることを確認

印
swinger磁石
viewer

下げ振り検出器架台アライメント(水平方向)
・セオドライトで鉄板中心のケガキがビームライン上にあることを確認(セオドライトの水平角度精度が5秒であり、鉄板

40ｍ地点では誤差はおよそ1㎜以下となる。)

検出器×2

・検出器の傾きが無いようにするために前方ケガキ線のけがきと合わせて後方の下げ振りを見る(すなわち 2点で検出器架台の位置を一意的に定めた)
セオドライト

検出器アライメント
水平角度方向は2次標的より40mの地点で1㎜の精度で、鉛直方向はそれ以上に良い精度で調整した。この精度は十分によい角度分解能を出せて、上流のコリメートによる要求も満たしている。

なお、アライメントには
水平方向にはセオドライト、

鉛直方向にはレベル、レーザーを使った。
セオドライト遮蔽扉

N0巨大遮蔽扉の幾何的な遮蔽範囲の見積もり

検出器付近を上から見た図で、左から順に1°, 2°の
set up7Li(p,n)由来の中性子

beam (0°方向)
beam (0°方向)

が、斜線の範囲では巨大遮蔽扉によっても遮蔽される（斜線無しは標的周りのFe遮蔽のみ）
検出器

TDC timecalibration
data-fit±0.2 nsくらい
data - fittime [ns](２次関数でもあんまり変わらない)

TDC ch他の液シン

qdc_total

他の液シンngPSD● blue : total● green : beam production● red : background (BG)
● sheer : C₂H₄

縦軸：count
横軸：fast - f(all)f(x) : fitting function

液シンNo.5 について→ gain, pedestal が RUN313, 326 間でズレた？原因は不明

断面積の評価● 微分散乱断面積は次の式で計算できる。

● 検出器は全ての中性子を検出できるわけではない。
● 入射pビームの強度はわかるが、nビームの強度がわからない。
検出効率と入射中性子数をどう評価する？

● reference(2次標的なし)を測定しよう
ref.1

ref.2

ビーム軸からの距離が等しければやって来る
341

中性子数も等しいと仮定

2

検出器ごとのcount数の比から検出効率の比を56見積もれる！

:ビーム軸● 検出器1の検出効率を1として他の検出器の検出効率を評価すれば

● 入射中性子数はref.2から求められる。

● 結果、7Li(p,n)の断面積や検出器の検出効率の絶対値をなしでも、断面積がもとまる。散乱中性子の測定データ(検出器ごと)をとすると

測定手法：励起エネルギーを求める
エネルギー、運動量保存則より

励起エネルギーは～63 MeVでは近似してもあまり値は変わらない・中性子ビームのエネルギー( )→63.36 MeV(⁷Li(p,n)⁷Beより)・散乱中性子のエネルギー( )→TOF(Time of Flight)法

測定手法：TOF法(Time of Flight)

検出器信号-RFまでの時間を測定(TDC)↓
2次標的-検出器までの中性子の飛行時間
ビーム周期×N

RF

測定

既知

測定

↓
※RF:ビームを加速する高周波(30 ns)

中性子のエネルギー()を求める

測定手法：n,γ-PSD（Pulse Shape Discrimination） 波形弁別法
検出器での信号波形が変わる
液体シンチレーション検出器BC-501A
全体(all)50.0mm
(厚さ)

時間

γ
n
200.0mm(内径)

波高

尾(fast)部分

455.1mm※後述するがこの液シンを×６個用いる

中性子とガンマ線（BG)では発光機構が異なる

nとγで信号の尾(fast)の大きさで違う
これを利用して弁別

測定手法：n,γ-PSD 波形弁別法
252Cf線源を用いたn,γ-PSDの検証

γ

ガウシアンでフィット

QDC fast channelnnγnとγそれぞれのガウシアンの平均μn,μγと標準偏差σn,σγを用いて六つの検出器の弁別能力を考える
検出器番号

Δμ/(σμ＋σn)

Detector 1

3.202

Detector 2

3.024

Detector 3

3.224

Detector 4

2.960

Detector 5

2.726

Detector 6

2.277

弁別能力を

Δμ/(σγ+σn)で評価
QDC all channel※Δμ=μn-μγ

fast/all(上図の傾き)の値でn,γ-PSD

シミュレーションによる見積もり
シミュレーションコードscinful-cgを用いて発光量分布と検出効率を計算した

counts63MeV n-beamの発光量分布

各thresholdでの検出効率
threshold[MeVee]

Efficiency[%]

4.00

3.52

9.00

2.533

16.00

1.708

200

0
40

10
50

20

30

MeVee
(ビン幅二乗で大きくなっている)

最大発光量が検出できるようにGAINを調整

BGとなる様々な原子核反応をカットするため、4 MeVee以上を想定
本実験でのBGのカウント数、トリガーレートによってthresholdを上げるかも収量見積もり※ 表は検出器一つあたり
208Pb(n,n)

40Ca(n,n)Θc.m. (deg)

微分断面積(mb/str)

収量(cps)Θc.m. (deg)

微分断面積(mb/str)

収量(cps)13.52e43.7e-2

1

7.53e3

1.4e-27

1.32e41.4e-275.56e31.0e-2検出器は複数使用予定 (一つの角度につき3個)

TOF長（二次標的 to 検出器）：38m
エネルギー分解能：693 keV
陽子ビーム
一次標的 7Li
7Li(p,n)7Be 0°散乱
二次標的 208Pb
40Ca
7Li to 二次標的
7Li to 検出器
検出面積
検出効率

1e-6 A
1.0 mmt
33.8 mb/str ＊4.0 mmt ,Φ30mm
1.0 mmt ,Φ30mm
2m
40 m
Φ200mm
3% (th:4MeVee)→収量は10-1~10-2cps程度→1日の測定で各角度約1000個(統計誤差3%)測定可能

実現可能性がある！！
ただし、＊ M.baba NIMPR
Vol.428 pp.454
1999

・S/N比を上げる必要がある
・back ground 見積もり及びキャリブレーションのために7Li(p,n) を用いた
reference data も測定が必要実験セットアップ

実験Setup（検出器）
配置
・収量を増やす為 →6個使用
・幾何的な要請

散乱角度が小さいとき→同心円上に配置

・角度設定が変わるとビーム軸が動くので位置関係が変わる。

→今回は上下2つを固定して、中段の検出器だけ動かせるようにした。
散乱角度が大きいとき:ビームライン

実験Setup（回路）実験に用いた回路(検出器1つ当たり、点線内は6つで共通)

CFD:波高に依らず同じタイミングで信号を出すdiscriminator
VS:visual scaler, F/F:logic fan-in/fan-out

実験Setup（QDC Energy Calibration）
Am-Be線源と60Co線源を用いて、液体シンチレーション検出器＋回路のエネルギー較正
とGAIN調整を行った。
QDC channel

Am-Bechannel=101.2E+105.4

Compton Edge

60Co

Compton Edge
MeVee

Linear fitting→40 MeVeeまで外挿

実験Setup (TDC time calibration)
タイムキャリブレータ(正確な時間幅10 ns/±10 psで信号を出す)を用いてTDCのキャリブレーションを行った。

counttime [ns]time[ns] =0.0451×TDC[ch]-7.39

TDC[ch]ガウシアンフィット→μ(中心位置)、σ(幅)⇒ 測定準備が完了！！

TDC[ch]μ(TDC ch)/time(ns)、σを重みとして線形フィット
data-fit=±0.2 ns←分解能の想定内

(一部) 実験結果・解析
BTスケジュールの変遷
2/13~15 → AVF真空系に故障があり2週間延期
2/27~3/1 →少しだけビームでデータが取れた。が、加速器の調子が悪くなかなかビームが出ない
3/5→一日だけビームタイムをいただけた。が、他の故障箇所が見つかりさらに延期
3/9~11 →加速器の故障が重症であると判明して再度延期。
3/21~23 →本実験予定！
実験延期が決まり緊張の糸が緩んで酒を飲み出すp４メンバー
インスタ映え狙いの一枚

実験結果
メモ
実際の陽子ビームの時間構造(バンチ幅、バンチ間隔)：BLP2の測定
7Li(p,n)による中性子ビーム構造測定
Background測定取得データRUN No.

標的

測定時間 [s]p beam 強度

備考

289

Am-Be (線源)

1016

ー

no beam

313

C2H4

429

1 nA?

遮蔽扉の電磁石 off,RFなし(+ C2H4)

1946

80 nA

遮蔽扉の電磁石 off,RFあり

7Li

326

標的について・C2H4 : 0.12 [mmt]・7Li: 1 [mmt]※ 二次標的は無し

取得データRUN : 289

液シンNo.1

RUN : 313

gain, pedestal 値を元に, QDC channelからMeVee単位に変換

RUN : 326

液シンNo.1
取得データ(RUN 0289 & 0313)
RUN : 289nγ
RUN : 313

313で見えていた2本は中性子とガンマ線より高エネルギーの中性子まで見えている313をng
弁別の指標として用いる

取得データfast QDC channel - f(all) のヒストグラム

RUN0313、RUN0289
countsnn,gammaの測定データ(C標的にpビームを照射)

ガウシアンでfit

fast QDC channelγnchannelγ

nとγそれぞれの平均μn、μγと標準偏差σn、σγを用いて６つの検出器の弁別能力を考える

all QDC channel

弁別能力をΔμ/(σγ+σn)三次関数 f(all) でfittingで評価※Δμ=μn-μγ

検出器番号Δμ/(σμ＋σn)

Detector 1

2.415

Detector 2

2.332

Detector 3

2.406

Detector 4

2.475

Detector 5

2.025

Detector 6

2.036

取得データ (RUN 0313 & 0326)

中性子の分解能が悪く見える
荷電粒子に起因するもの？
or
中性子？

時間構造を持つか否かを調べる※ 313, 326 間で回路disc.
の閾値変更取得データ(RUN0326)

TDC時間分解能
時間分解能の推定値＝0.65 ns
gaussian+BGでfitχ2＝108.2/16
σ ＝0.97 ns
mean=31.36 ns→時間分解能＝0.97 ns

結構大きい！

・p beamの時間広がりが大きい←想定の範囲
count・液体シンチレータの時間分解能が悪い
・ビーム由来のBGが多くて時間分解能が悪く見える→RUN313と同じ条件でTDCのデータを見る
RF-液シン[ns]・startトリガーになるCFDのタイミングが波高によってずれている取得データ(RUN0326)

CFDの較正(Slew補正)

波高が小さい(qdc ch小)程startのタイミングが遅い、つまりtdcRF ch小→波高に依らずタイミングが同じになるよう較正
qdc ch小 一次関数 fit
qdc ch大 y = const fit
y = constを下回る部分に差分を足す

tdc RF ch

σ ＝0.90 ns

qdc液シン1all ch

ほとんど変わらない→BG？今後の実験で確認countcount

RF background (RUN0326)…beam production…background (BG)nγ

縦軸：count
横軸：fast - f(all)f(x) : fitting function● blue : total● green : beam production● red : background (BG)
● sheer : C₂H₄

RUN : 326 data

・BGは中性子が多い
・エネルギーは低め→時間構造を持たない低エネルギー中性子が多そう可能性として● 複数回散乱し、時間構造を失った中性子が検出されている● バンチ間隔が30nsと短いため、7Li(p,n)反応によって生成される中性子のうち、63MeVよりも低いものも検出されている

中性子運動エネルギー[MeV]

本実験での改善点
・遮蔽扉電磁石の電源を入れる
・C2H4でRFありのデータを取る

引用 M.Baba,et
all,Nucl,Vol428,pp456,1
999

実験の見積もりTOF法による励起エネルギー分解能σn,γ-PSDによる分離
QDC fast channel

QDC fast channel
弁別能力 3.202σ

目安分解能σ=654 keV(208Pbの1st:2.615 MeV)nγ

QDC all channel
252Cf線源を用いたn,γ-PSDの検証

Scinful-cgによる検出効率見積もり

threshold[MeVee]

Efficiency[%]

4.00

3.52

9.00

2.533

16.00

1.708

TOF長大でσ漸近、収量良→TOF長＝38 m σ=693 keV
208Pb(n,n)Θc.m. (deg)

微分断面積(mb/str)

42.64e4収量(cps)7.5e-2

実現可能！back ground測定、S/N比upが重要