前期P4実験
GAGGの荷電粒子に対する応答
片山一樹 高井弦希
土井隆暢 中森悠太
西原拓哉 原田健志
古田悠稀

GAGG(Gd3Al2Ga3O12(Ce))とは・東北大学金属材料研究所と古河機械金属グループが共同開発
・無機シンチレータ・酸化物であるために潮解性をもたないので取り扱いが容易
・γ線の検出器として広く用いられ始めている

表：γ線に対するGAGGとCsIの応答
密度 エネルギー分解能 発光時間
発光量
(ns)（g/cm3) (FWHM)@662keV(光子/MeV)GAGG(Ce)

6.63

5~6%

8847,000CsI(Tl)

4.51

6%

1000

56,000GAGG(Gd3Al2Ga3O12(Ce))とは・東北大学金属材料研究所と古河機械金属グループが共同開発
・無機シンチレータ・酸化物であるために潮解性をもたないので取り扱いが容易
・γ線の検出器として広く用いられ始めている

表：γ線に対するGAGGとCsIの応答
密度 エネルギー分解能 発光時間発光量(ns)（g/cm3) (FWHM)@662keV(光子/MeV)GAGG(Ce)

6.63

5~6%

8847,000CsI(Tl)4.51

6%100056,000

137Csからのγ線（661keV）に対する出力波形（Koshikawa et al.）1.86μs・Preampの出力では波高は同じくらい・時間,エネルギー分解能の性能を調べる
信号に対してもGAGGは高い波高が得られる（γ線に対しての応答はたくさん調べられている）
・数少ない荷電粒子に対する応答を調べた実験→ Koshikawa et al.

0.13μs

時間分解能
エネルギー分解能
微分回路（70ns）
積分回路（20ns）

Koshikawa実験概略
GAGG.CsISSD

C𝐻2 ,C

発光量を測定

エネルギー
損失を測定

ビームエネルギー:70MeV
回路

p,αBeam

散乱粒子エネルギー
p : 10 - 70MeV
α : 10 - 50MeV

Targetp + p 弾性散乱
α + C 弾性散乱

Detector荷電粒子のエネルギーに対するGAGG,CsIの発光量の関係

単位エネルギーあたり発光量

おおむね
線形応答

𝑑𝐿
𝑑𝐸

粒子によって発光量が違う

発光量を粒子によらない形で表したい→軸を変える
単位長さあたりエネルギー損失

Koshikawa et al.

𝑑𝐸𝑑𝑥

荷電粒子の種類によらない量

単位エネルギーあたり発光量𝑑𝐿 𝐿1 − 𝐿2=
𝑑𝐸 𝐸1 − 𝐸2

BeamKoshikawa et al.

𝐿1 , 𝐿2 :発光量𝐸1 , 𝐸2 :エネルギー

単位長さ辺りエネルギー損失
𝑑𝐸
𝑑𝑥
はSRIMで計算

単位長さに落とすエネルギーと単位エネルギーあたり発光量の関係

CsI (p)CsI (α)？
見せられないよ！ データがGAGG (p)GAGG (α)

欲しい
Koshikawa et al.

Experiment & Set up• 検出器テストに使用した粒子ビーム• 利用した弾性散乱反応• 計数率の概算• 実験系、実験装置の概略図• 実験回路使用した粒子ビーム使用した結晶:GAGG,CsI
ビーム: 3He 73.77MeV
使用した標的:12C,CH2(ポリエチレン),CD2(重水素化ポリエチレン)
角度θに弾性散乱された、対応するエネルギーE(θ)を持った粒子(proton,deuteron,3He)を検出器に入射した。

θ3He:73.77MeV
12C or CH

2 or CD2検出器

弾性散乱反応より得られるであろう実験点
12C(3He,3He)12C1.
→ 15゜∼60゜
2. d(3He,3He)d → 22゜∼34゜
3. d(3He,d)3He → 55゜∼65゜
4. p(3He,p)3He → 58゜∼65.5゜

GAGG結晶に対する単位行程当たりのエネルギー損失(理論曲線と過去の実験点)
α2.

Previous
data of ααrequired
1.

3.

Previous
data ofprotonrequired

見せられないよ！

deuteron

4.

proton

同じ実験点
Koshikawa et, al.

3He

同じ実験点

1. 12C(3He,3He)12C → 15゜∼60゜
検出粒子のエネルギー[MeV]

70605040302010002040

散乱角度[degree]6080

散乱粒子のエネルギー[MeV]

利用した弾性散乱反応
2. d(3He,3He)d → 22゜∼34゜

7060
5040302010010

検出粒子のエネルギー[MeV]

検出粒子のエネルギー[MeV]252015105060

散乱角度[degree]

6525303540

4. p(3He,p)3He → 55゜∼65゜305520

散乱角度(θ)[degree]

3. d(3He,d)3He → 58∼65.5゜50

15702520151050505560

散乱角度[degree]6570

計数率の概算散乱粒子
散乱粒子
エネルギー dE/dx(GAG[MeV]G)[MeV/(mg/cm^2]

標的散乱粒子θlab[deg]

12C3He15゜

62.99

12C

3He60゜

CD23HeCD23Hebeam強度[enA]

計数率
[cps]

0.061

20

2145.27

0.078

20

2.1

34゜

18.26

0.152

54.5

3He22゜

46.24

0.077

52.2

CD2d58゜

14.75

0.033

55.8

CD2d65.5゜

2.13

0.114

52.6CH2p55゜

15.18

0.019

15.5CH2p65゜

3.75

0.053

17.5

計数率計算に用いた過去の断面積の実験データ
12C(3He,3He)12C 60.00MeV
3He(p,p)3He 25.0MeV0゜30゜60゜90゜ 120゜ 150゜ 180゜Sh.Hamada et, al., Phys. Rev. C 87, 024311 (2013).

25.0MeV3]B. T. Murdoch et, al., Phys. Rev. C 29, 2001-2008 (1984).
O.O. Beliuskina et, al., Bull. Russ. Acad.of Sci. Phys. 76, 928-933(2012)

セットアップ

■
■

■■

Q-mag

■■

大阪大学核物理研究セン
ターで実験を行った。
４つのQ-magの罫書き線を目印にビームラインを決定

■■

検出器

大型散乱槽

■■
■■

ターゲット

散乱方向
回転方向
ターンテーブル■■■■■■ビームの通り道とターンテーブルの回転中心が一致することが重要！

■■

Q-mag

■■
■■
■

ビーム方向

■

ビームライン

3He：73.77MeVターンテーブル回転中心の導出
・ターンテーブルの回転中心とターゲットのズレを確認するために𝜃を変えながら𝑙 𝜃 を測る。

𝑙 𝜃 =(𝑥 ′ − 𝑥)2 + (𝑦 ′ − 𝑦)2𝑥′
cos 𝜃=𝑦′sin 𝜃− sin 𝜃cos 𝜃𝑥𝑦 + 𝑙(0)(𝑥, 𝑦 + 𝑙0 )(𝑥′, 𝑦′)𝑙(0)𝜑𝜃(𝑥, 𝑦)

測定した𝑙 𝜃 を上式を用いてfitting(0,0)

得られた(𝑥, 𝑦)を、ターンテーブルの回転中心からのターゲットのずれとした。
𝑙 𝜃 ：検出器からターゲットまでの距離
𝜃：ターンテーブルの回転角度(0,0)：ターンテーブルの回転中心
𝜑：真の散乱角検出器

シンチレーション光の収集効率を上げるために反射フィルム（ESR）で包装
スリット幅を絞ると角度が絞られる⇒エネルギー分解能が良くなる

ここはSSDの信号が取れなかったfastout

Energy較正●

Pluserを用いてADCで読み取れるchと信号の波高を関係づけた●

Si半導体検出器については3種混合α線源
241244148

5.486[MeV]

5.805[MeV]

3.182[MeV]

Am

●CmGd

GAGG、CsIについてはトリタン棒を用いたトリタン棒(トリウム入りタングステン電極棒)に含まれている208Pb(トリウム系列)の脱励起を利用
全吸収

Single escape

Double escape2.614[MeV]

2.103[MeV]

1.592[MeV]

対消滅の際に発生したγ線がエネルギーを持ち出す

0.511[MeV]

0.511[MeV]

発光量を[ch]から[MeVee]に較正MeVee(MeV erectoron equivalent)E-dE相関による粒子判別
発光量[MeVee]

データは45°に散乱された
3He
12C(3He,3He)

ΔE∝Az²/E

α³He

Quenching(消光)の効果が大きい

tdp
Si Energyloss[MeV]

質量数、電荷が違えば違うラインに乗るライン付近の粒子だ
け選び出して発光量[MeVee]の１次元Histに

発光量(MeVee)の決定●

Event count●●58°に飛んできたprotonp(3He,p)ピークをGaussianでFittingして発光量(MeVee)を決定
MeVeeの読み取り誤差は±0.02[MeVee]程度とした

散乱角度、粒子に対する発光量の決定
発光量[MeVee]散乱角度とEnergy
Energy[MeV]C(3He,3He)散乱の角度に対するEnergy●

運動学を用いて計算したEnergy

12Si、ESRフィルムでEnergy lossした後に結晶に入る直前のEnergy●

Si、フィルムを通過後結晶直前のEnergy

Energy lossはLISE++を用いて計算した
1233
C( He, He)

散乱角度[degrees]

散乱角度に対する結晶入射Energyが出たので結晶入射Energyと発光量が対応

散乱角度のずれについて
今回散乱槽を回転させることで検出器の角度を変えて実験したが、散乱槽の回転中心がずれていた場合想定していた角度とずれが生じる(x,y+l(0))(x’,y’)

そこで真の回転中心を求めた
l(θ)= √ (x ' −x) +( y '− y )xx ' = cosθ −sinθsinθ cosθ y+l(0)y'2l(θ) l(0)φθ2( )()()(0,0)

target(x,y)

ビームラインl(θ)を0°~90°で10°ごとに計測しfitting

ビームの入射方向l(θ)：検出器からターゲットまでの距離
φ：真の散乱角(0,0)：ターンテーブルの回転中心 θ：ターンテーブルの回転角度
fittingの結果

xy

0.753mm

1.109mmのずれが確認できた。

このずれによって、最大で0.08°ほどの角度のずれが起きることが分かった

しかし、回転中心を求めるために計測した点は少なく、また距離を計測したポインタも分解能が適当でなかったことからもこのずれを信用して散乱角度を計算しなおすのではなく誤差に含める程度に収めたEnergyと発光量(MeVee)
3He、p、d

発光量[MeVee]

CsI

12C(3He,3He)d(3He,3He)
見せられないよ！
発光量[MeVee]

p、d
GAGG

CsI
d(3He,d)p(3He,p)

拡大

見せられないよ！

Energy[MeV]L-Eに関係が見られるがGAGG

粒子によってL-E関係式が異なる
Energy[MeV]Energy当たりの発光量とEnergy
縦軸はEnergy当たりの発光量[MeVee/MeV]
dL L1− L2=
dE E1− E2

dL/dE[MeVee/MeV]
dCsI

横軸は散乱粒子のEnergy[MeV]でdL/dEと対応させるために平均をとった
d(3He,3He)

pp

E=12C(3He,3He)

見せられないよ！

●

誤差棒は発光量の読
み取り誤差●

誤差帯は散乱角度のずれによるEnergyのずれを考慮してつけた

12C(3He,3He)
Quenchingが大きい
dd(3He,3He)

GAGG
Energy[MeV]

dL/dEとEの関係は粒子によって違う

E 1+ E 22

誤差帯の大きさは角度によるEnergyのずれが大きい散乱ほど大きい

dL/dEとdE/dxの関係は？

Energy当たりの発光量と長さ当たりのEnergy損失
dL/dE[MeVee/MeV]

CsI●

横軸の単位長さ当たりのEnergy損失はSRIMを用いて計算した●

帯のついていない点がKoshikawa実験

12C(3He,3He)d(3He,3He)

pd●

Koshikawa実験の間をうまく埋めることができた

見せられないよ！
Koshikawa et al.(p)Koshikawa et al.(α)
12C(3He,3He)

pd

GAGG
d(3He,3He)

多少ガタつきはあるが、CsI、GAGGそれぞれ粒子に依らない１本の線に乗せることができた

dE/dx[MeV/(g/cm2)](log scale)dL/dEとdE/dxの間の関係式を求めていくFitting(Birks)

dL/dEとdE/dxの関係式にはいくつか経験式があり、今回は2つの式を用いる
dL/dE[MeVee/MeV]

fitting(Birks)

1つ目はKoba et al.がCsIの発光量を調べたときに用いた、Birksの式に修正を加えたもの

a0dL=
dE 1+ a1 (dE /dx)+a−1 (dE/dx )−1

見せられないよ！

を拡張した

a0
dL
=
dE 1+ a1 (dE /dx)+a2 ( dE/dx)2 +a−1 (dE/dx )−1+ a−2 (dE /dx)−2を用いてfitting
dE/dx[MeV/(g/cm2)]
CrystalCsI

GAGG

a-1

1.22±0.32-4.61±0.14

a-2(1.37±2730)×10-3 (1.78±0.18)×10a0

1.32±0.04(7.44±0.29)×10
見せられないよ！

a1-(1.98±0.48)×10-3 -(5.15±6.59)×10-4

a2(1.80±0.22)×10-5-1(1.95±0.29)×10-5

粒子に依らないdL/dEとdE/dxの関係式が求められた

Fitting(Romero)
dL/dE[MeVee/MeV]

fitting

2つ目はRomero et al.がNaIの発光量を調べたときに用いた経験式
5(見せられないよ！

)

dL
dE t
=∑ a lndE t= 0 t
dxを用いてfitting(t=4まで)

Crystal

CsI

GAGG

a0

-(6.043±0.2)×10-1-(8.080±0.43)×10-1

a1

2.164±0.005

2.675±0.008

a2-1.018±0.001

a3(2.247±0.002)×10-1(2.705±0.002)×10-1

a4-(1.867±0.006)×10-2-(2.011±0.006)×10-2-1.330±0.001
見せられないよ！

dE/dx[MeV/(g/cm2)]

こちらも粒子に依らない
dL/dEとdE/dxの関係式が得られた

発光量とEnergy
ここまででdL/dEをdE/dxの関数にすることができたが、この式の妥当性を確認したい
得られた式を積分してLとEの関係式にする(dE/dxはBethe-Bloch式より粒子に依るEの関数で表せる)
出た式を解析の初めに得られていた発光量とEnergyの関係と比較してみる
発光量[MeVee]p,d3HeCsI

見せられないよ！

見せられないよ！
CsI

GAGG

GAGG

Energy[MeV]

どちらの式も概ねL-Eの関係を再現できていたまとめ●●GAGGにおける荷電粒子に対する応答を調べdL/dEとdE/dxの経験式を求めることができた。

発光量はCsIに比べて小さいものの応答速度が早く、時間分解能が必要な実験で追加実験：

14N(3He,t)14Oの断面積の測定
・動機・本実験と同じ条件でできる・14Oの第1励起状態(5.17MeV, 1-)を作りたい（hot-CNO サイクルにおいて重要）・次に行う実験の実現可能性を知りたい

14N(3He,t)14Oの断面積を求める

CNOサイクル
C,N,Oを経由して4つのpを1つαに変換するサイクル
15O

13N

1412C

13N

NC

p
12C

15e++ν
13N

13C

9.97分

pp
14N

e++ν
15O

15N

p122秒

αhot-CNOサイクル
C,N,Oを経由して4つのpを1つαに変換するサイクル
14O

1513N

14O
N

12C

N

13C

ppe++ν
12C

1413N

14O

14N

70.6秒

pe++ν

15O

122秒

15N

p

CNOサイクルより早い！

αhot-CNOサイクルで知りたいこと
13

N+p→14Oのルート
こちらの確率が高ければhot-CNOサイクルが優勢
5.17MeV, 1-N+p13

基底状態にいく確率が知りたい
β+崩壊をしてCNOサイクルのルート

基底, 0+14O

Oの5.17MeV, 1-の状態を作る必要がある
14

実験状況
ビーム：本実験と同じ73.77MeVの3He
ターゲット：メラミン
結晶：CsI(Tl)
角度：15°,37.5°,40°,45°の4点
12↑ Cと比較することのできる
角度

メラミン(melamin)
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%A1%E3%83%A9%E3%83%9F%E3%83%B3,メラミン-wikipedia, 2017/10/12

解析
本実験でCsIの発光量とエネルギーとの関係式がわかっている
tのエネルギーがわかる
14O*(残留核)の励起エネルギーがわかる

知りたいチャネルの散乱断面積がわかる

Count / MeV

解析

標的：メラミン
エネルギー：73.77MeV

散乱角度:37.5度

14Oの励起エネルギー(MeV)

このヒストグラムの中には14N(3He,t)14O以外のピークも含まれる⇒ピークの識別比較Count / MeV

12C基底,1+0.96MeV,2+

標的：12C膜

12エネルギー：73.77MeV
散乱角度：37.5度

C標的

同じ角度の12C膜のデータと比較

ピークと対応する準位を特定

14Oの励起エネルギー(MeV)

N(3He,t)14Oのピーク

Count / MeV

14

2つの標的の断面積(基底状態)の比較よりメラニン膜は2.0mg/cm2と推定5.92MeV,0+6.27MeV,36.59MeV,2+メラミン標的

7.77MeV,2+5.173MeV,1-基底,0+14Oの励起エネルギー(MeV)

N( He,t) Oの断面積

14314

今回知りたかった
断面積はとても小さいことが分かった