下田研究室伊藤　洋介　　見目　庸　　菅原　啓

Establishment of a Versatile Method for Systematic Studies of High-Spin and Long-Lived Excited States in Nuclei around Double Magic Nucleus 56Ni

（５６ Ni 周辺核の高スピン・長寿命励起状態を研究するための効率的な方法の確立）

目次目的と動機実験場所と検出器実験手順と結果解析まとめ今後の課題

さまざまな励起状態の原子核の構造はどうなっているのか？

52Fe

γ 線

これらの放射線を測定して原子核の構造を探る！

不安定な原子核は放射線を出して安定な原子核に崩壊する。

実験目的・動機

⇒今回は特に、アイソマーとよばれる

　　特異な状態に着目する。

アイソマーとは？長い寿命を持った核の励起状態のこと

普通の励起状態の寿命→ 10-13~-15 秒

アイソマーの寿命→ 10-9 秒 ~ 数秒　　　　　　　　　　　　 ~ 数時間のものもある！！

　

動機 二重閉核 56Ni 周辺の原子核では高スピンで長い寿命

を持つ状態（アイソマー）が観測されている。 特に 52Fe は半減期 46s 、スピン・パリティが 12+

という高スピンのアイソマーが確認されているが、それよりスピンの大きい状態はまだ知られていない。

これをクーロン励起させればアイソマーより上のスピンの大きい準位を測定し、核構造についての議論が可能となる。

今回の実験では、

56Ni 周辺核の高スピンアイソマービームをつくる。⇒今回は特に 52Fe を見る。

高スピンアイソマービームを、強度・純度を高く、収束を良く輸送する。

反応過程

40Ar natMg64Zn52Fe

n p

α

Pb

Ge 検出器

γ

40Ar+natMg→64Zn* 56Co54Fe44Sc50V50Mn48Cr55Fe52Fe

反応生成物

核融合

γ 線

γ 線

一次ビームのエネルギーを決める CASCADE というシミュレーションソフトで計算 52Fe の生成量、 S/N が大きくなるエネルギーを選

択

(MeV/u)

核融合反応の生成物 適切な反応を選んでも様々な核種が生成する。 52Fe の反応断面積はわずか 0.139% 。

　 　 Z

　 　 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 0.1 ～ 1.0mb 　

N

20　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 1.0 ～ 10mb 　

21　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 10 ～ 100mb 　

22　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

23　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

24　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

25　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

26　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

27　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

28　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

29　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

30　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

31　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

CASCADE の計算結果による

生成核種の見積もり

多くの核種の中からアイソマーだけを選び出し、さらに S/N よく目的の核種のγ 線を検出してやる必要がある。

実験場所

東実験室AVF サイクロトロン

大阪大学核物理研究センター（吹田キャンパス） 　　　 → RCNP （ Research Center for Nuclear Physic

s ）東実験室の EN コース（二次ビームコー

ス）加速器： AVF サイクロトロン

EN コースQ4SX1 SX2natMg ターゲット

40Ar ビーム

Ge 検出器

F0 F ２F １

D1 D2

Q1Q2Q3 Q5

Q6Q7

SX3

Pb キャッチャー

ディグレーダー

飛行距離： 16m飛行速度：~0.07c飛行時間：~700ns

寿命の長い生成核からの放射線のみ測定できる

S/N よくアイソマーからの γ 線を観測できる。

反応γ 線測定

EN コースQ4SX1 SX2natMg ターゲット

40Ar ビーム

Ge 検出器

F １

D1 D2

Q1Q2Q3 Q5

Q6Q7

SX3

Pb キャッチャー

ディグレーダー

双極電磁石磁場をかけてビームを曲げることで52Feと B が異なる粒子を分離する。ここで１次ビームをきる。

F ２F0

EN コースQ4SX1 SX2natMg ターゲット

40Ar ビーム

Ge 検出器

F １

D1 D2

Q1Q2Q3 Q5

Q6Q7

SX3

Pb キャッチャー

ディグレーダー

Al ディグレーダーエネルギー損失の E,Z依存性を利用して粒子の B を変え、 D2 で分離できるようにする二次ビームのエネルギーを調整する

F ２F0

EN コースQ4SX1 SX2natMg ターゲット

40Ar ビーム

Ge 検出器

F １

D1 D2

Q1Q2Q3 Q5

Q6Q7

SX3

Pb キャッチャー

ディグレーダー

双極電磁石磁場をかけてビームを曲げることで52Feと B が異なる粒子を分離する

F ２F0

双極電磁石とディグレーダー

双極電磁石⇒ B の違いで粒子を分ける

　 p:　運動量　 q:　価数

ディグレーダー　⇒エネルギー損失が Eと Zに依存

　 Z:　陽子数　　　 M:　粒子の質量

52Fe

その他の粒子

q

pB

E

MZE

2

B: 磁場

: 曲率半径

Bρが違う

D1 D2

ディグレーダー

ディグレーダーで目的核の電荷も分布し S/N は上がるが強度が減ってしまう。ディグレーダーが無い場合の光学系と比較する必要が

ある

EN コースQ4SX1 SX2natMg ターゲット

40Ar ビーム

Ge 検出器

F0

F ２

F １

D1 D2

Q1Q2Q3 Q5

Q6Q7

SX3

Pb キャッチャー

ディグレーダー

四重極電磁石

レンズのような働きをし、ビームを収束させる

EN コースQ4SX1 SX2natMg ターゲット

40Ar ビーム

Ge 検出器

F0

F ２

F １

D1 D2

Q1Q2Q3 Q5

Q6Q7

SX3

Pb キャッチャー

ディグレーダー

F2 チェンバー

位置感応型ガス検出器 PPAC 、半導体検出器 SSD が入っている。

SSD

PPAC

EN コースQ4SX1 SX2natMg ターゲット

40Ar ビーム

Ge 検出器

F0

F ２

F １

D1 D2

Q1Q2Q3 Q5

Q6Q7

SX3

Pb キャッチャー

ディグレーダー

二次ターゲット位置Pbキャッチャーを設置しアイソマービームを止める。周りには Ge検出器を配置。

Ge 検出器

F ２

Pb キャッチャー

Ge 検出器 ( ゲルマニウム検出器 ) 高いエネルギー分解能を誇る検出器。 生成核からの γ 線を測定する。 合計 10 台 Ge 検出器を使用。 うち 6 台 BGO アンチコンプトン

シールド付全検出効率＝ 0 ． 8%(@1333keV)

実験手順

①52Fe が増えるように双極電磁石の磁場を調整した。②2次ビームの収束を良くするため、　　四重極電磁石の磁場を調整した。③ディグレーダーを入れる場合と　　入れない場合を TOF-E と γ 線測定により比較し

た。

⇒最もよい条件を確定し、その条件で γ 線を測定した。

①一次ビームを双極電磁石で切る 一次ビームは質量が軽く、 natMg でのエネルギー損失が低いため高エネルギーで Bρ値も高い。

これを利用して D1 の双極電磁石で一次ビームを切る。

一次ビーム二次ビーム

0 10050 150 200

500

1000

1500

2000

3000

双極電磁石の磁場の調整 52Fe が増えるように双極電磁石の磁場を調整する。

目的のエネルギー領域散乱された一次ビーム

2 次ビームのエネルギー(MeV)

2 次ビームのエネルギー(MeV)

双極電磁石の調整

双極電磁石の磁場を 7 点振った。予測される 52Fe のエネルギーのカウントレートが最も多くなった磁場にセット。

(T ・ m)

この Bρ値に設定した。

②四重極電磁石の磁場の調整四重極電磁石を調整し、ビームが最も収束する値を選んだ。

PPAC でビーム像を確認しながら調節した。

③粒子識別

飛行時間 TOF- 二次ビームのエネルギー E をプロット

核種の質量数を識別することが可能。LISE による

ディグレーダーなしの粒子識別斜線状の模様が出来なかった。

⇒粒子を分離することができず、粒子識別することができなかった。

ディグレーダーありの場合 ディグレーダーで 1次ビームが切れた。 S/N が上がり TOF-E の粒子識別が可能になった。

49V17+14+

44Sc15+12+

49V18+15+,50V18+15+

49Sc15 ＋ 12 ＋

⇒TOF-E を用いて目的とする粒子が最も多くなるような　　条件をさがすことができる。

ディグレーダー有無の比較

F1 に Al 9μm のディグレーダーを設置したときの Ge 検出器のスペクトル

counts

ディグレーダーあり　測定時間 1時間

ディグレーダーなし　測定時間 8時間

ch

γ 線測定の条件の決定

双極電磁石　⇒ 52Fe が最も多くなる値に設定。四重極電磁石　⇒ 2次ビームが最も収束する値に設定。 ディグレーダー　⇒　今回は 52Fe の収量を重視し、　　　　　　　　　　　　　　　ディグレーダーは入れない

こととした。

⇒　この条件の下、 γ 線を８時間測定した。

γ 線解析

Ge 検出器のスペクトルcounts

52F

e

52F

e

52F

e

54F

e

53F

e

53F

e

53F

e

43S

c

43S

c

44S

c

50M

n

50M

n

52F

e54

Fe

54F

e

54F

e

54F

e

今回の実験で決定した条件において、 8 時間測定した γ 線のスペクトル

⇒　多くのアイソマーからの γ 線が見えている！！

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500Energy (keV)

54mFe

cou

nts

146 3432

Energy (keV)

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

52mFe

cou

nts

2037

869

1200 1400 1600 1800 2000Energy (keV)

生成した isomer

7+ 19/2+ 6+

12+

3+

5+ 2+

7+

19/2+ 10+

γ 崩壊する isomer

β 崩壊する isomer

β 崩壊する方向

isomer の強度

42mSc 7+ β-decay 61.7s 27.4 pps 43mSc 19/2- γ-decay 470ns 数 10 pps

3/2+ γ-decay 438μs 44mSc 6+ γ-decay 58.6h 4350 pps 46mV 3+ γ-decay 1.02m 86.5 pps 50mMn 5+ β-decay 1.75m 124 pps 52mFe 12+ β-decay 46s 29.0 pps 52mMn 2+ β-decay 21.1m 261.8 pps 53mFe 19/2+ β-decay 2.58m 395.4 pps 54mCo (7)+ β-decay 1.48m 329.6 pps 54mFe 10+ γ-decay 364ns 274.8 pps

寿命 強度

Isomer の強度

1000pps~

100~1000pps

~100pps

ディグレーダーによるアイソマー強度の変化

53mFe

Energy (keV)

cou

nts

2338

13281011701

1000 1500 2000

γ 線強度比

701keV と同時計測された γ 線スペクトル

counts

Energy (keV)

実験値 文献値

1011keV 3.5 6.6

2338keV 1 1

γ 線強度比

1011

2338

アイソマー探し

検出器の時間差＝検出器１－検出器２

検出器１ 検出器２γ1 γ2

γ2

γ1

普通の崩壊

⇒② に見える。

アイソマー

γ1

γ2

アイソマーの崩壊

⇒① に見える。

検出器の時間差スペクトル

同時 検出器２

が早い

検出器２

が遅い

① ② ③

時間差

coun

ts

0－ ＋

⇒ ①の領域にアイソマーの γ 線が見える可能性がある。

時間差 (ns)

coun

ts

0 200-200 460-460-8000 8000

1000

10000

coun

ts

時間差スペクトル

この領域のγ 線をみる。

460ns ~ 8μs遅れて観測された γ 線を見る。

γ-γ の時間差スペクトル

1300 1400 1500 1600 1700 1800

1500

-5

15

35

Energy(keV)

Counts

1434keV

1434keV 時間差 -200ns~+200nsの領域の γ 線スペクトル

460ns ~ 8μs遅れて見えた

γ 線のスペクトル

460ns ~ 8μs遅れて観測された γ 線スペクトル

⇒52Cr

52Mn のアイソマーからの β 崩壊

アイソマー

は

いない

52Mn の基底状態からの β 崩壊

数百 ns ~ 数 μs のアイソマーはいない。

⇒数 μs の新たなアイソマーの可能性

アイソマー

は

いない

まとめ

用いた反応は 40Ar+natMg→64Zn*

EN コースを用いて質量数 42 ～ 54領域9種の高スピンアイソマーを生成した。

目的とした 52mFe を 30pps 、５４mFe を 270pps 、　　　 44mSc を 4×103pps 生成した。 53Fe の 2338keV と 1011keV の新しい強度比の結果が出た

。 新しいアイソマー発見の可能性。

今後の課題

2次ビームとしてクーロン励起では 103個、核融合で 104～ 105個の強度が必要。

粒子識別により、さらに S/N を向上させより適切な磁場の値を求める。

新しく見つけられたアイソマーの核種の同定。

おわり

PPAC

Delay Line 方式によるもので～ 105[cps]耐えられる。 charge division型では～ 104[cps] しか耐えられない。 Delay Line 方式の方が位置分解能が良い。 エネルギー損失が少なく低エネルギーでも扱いやすい。

DSSD

全体で 50mm四方の SSD を縦と横にそれぞれ 16分割した物を 2 枚重ね合わせたもの。

50÷16≒3[mm] の位置分解能で粒子を検出できる

CASCADE による計算 52Fe が多く生成される一次ビームのエネルギーを

CASCADE というシミュレーションプログラムから求めた。

6.5[MeV/u] が妥当だがそれだと二次ビームが PPACを貫通しないので 9.0[MeV/u] にした。

ISOMER 強度の見積もり方 強度 (pps) ＝カウント数 ÷Efficiency÷ 分岐比

÷live time補正

寿命による補正

TFAFin/out

Ratemeter

scaler

coincidence

VME TDC START

G.G.

O.R.

scaler

Fin/out

Ratemeter

scaler

G.G.

coincidence

NIM-ECLVME TDC

STOP

Sampling scaler

R.F.

Discri

G.G.

NIM-ECLBGO QDC

GATEG.G

.Level

adopterADC GATE

G.G.

I.R.

start

start

start

start stop

veto

DiscriCAMAC TDC

STOP

TDC START

stop start

veto

delay

TDC STOP

Discri

CFD

BGO

preAmp

Amp

TDC STOP

delay

Discri

delay AttLEMO-

FlatFERA(QD

C)

Ge

Amp

ADC

BGO COMPTON SUPPRESSION

BGO を Ge の周りに配置。 Ge と BGO が同時に γ 線を検出したデータ取り除

く。 60Co でコンプトン事象が 0.33倍、ピークが0.89倍。

Ge 検出器

BGO

ここを減らす

F1 SSD

preAmp

ADC

Amp

Fin/outTFA

CFD

F2U SSD

preAmp

AmpADC

TFACFD

F2D SSD

preAmp

AmpADC

TFACFD

Fin/out

coincidence

coincidence

A

A

F1PLF1PPA

C

B

CFD

Discri

B

DSSD

Discri

ECL-NIM

Fin/outC

G.G.

start

veto

O.R.

stop

G.G.

I.R.

Fin/out

R.F.veto

Ratemeter

Fin/outG.G

.

start

NIM-ECL

FERA GATE

delayTDC STOP

start

NIM-ECLTDC

STARTG.G

.

start

Level adopter

VME ADC GATE

CAMAC ADC GATE

F2PPAC Anode

F2PPAC XR YU XL YD

Fin/out

Splitter delay

delay

LEMO-Flat CableFERA

Discri

delay

TDC STOP

Att Amp ADC

delayTDC STOP

Amp

ADC

輸送される核種の見積もり　ディグレーダーなし

　 　 Z

　 　 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 1 ～ 10pps 　

N

20　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 10 ～ 100pps 　

21　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 100 ～ 1000pps 　

22　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 1000 ～10000pps

23　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

24　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

25　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

26　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

27　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

28　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

29　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

30　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

31　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

52mFe 4.7×102pps54mFe 1.4×104pps

輸送される核種の見積もり　ディグレーダーあり

　 　 Z

　 　 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 1 ～ 10pps 　

N

20　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 10 ～ 100pps 　

21　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 100 ～ 1000pps 　

23　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

24　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

25　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

26　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

27　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

28　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

29　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

30　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

31　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

52mFe 3.5×101pps54mFe 1.2×103pps

ディグレーダーによる強度の変化 ディグレーダーなし ディグレーダーあり

　倍率 42mSc 27.4 pps * 43mSc 数 10 pps * 44mSc 4350 pps 2700 pps 62×10-2

46mV 86.5 pps * 50mMn 124 pps 18.4 pps 14×10-2

52mFe 29.0 pps * 52mMn 261.8 pps 18.9 pps 7.2×10-2

53mFe 395.4 pps 16.0 pps 4.0×10-2

54mCo 329.6 pps 13.6 pps 4.1×10-2

54mFe 274.8 pps 10.4 pps 3.7×10-2

なぜアイソマーになるのか？ 通常はスピンの差が小さい準位に遷移し易い。 スピンの差が 4で大きいため崩壊確率が下がる。 寿命が長くなる。

⇒ これがスピンギャップアイソマー

52Fe の Level scheme→

反跳核捕獲法

実験場所と検出器

強度の計算

•Isomer 強度 [pps] =カウント数 ÷Live Time ÷ γ 線強度比 ÷ 検出効率

さらにこれに寿命による補正を入れる。

アイソマー探し

検出器の時間差＝検出器１－検出器２

検出器１ 検出器２γ1 γ2

γ2

γ1

普通の崩壊

⇒② に見える。

アイソマー

γ1

γ2

アイソマーの崩壊

⇒① に見える。

検出器の時間差スペクトル

同時 検出器２

が早い

検出器２

が遅い

① ② ③

時間差

coun

ts

0－ ＋

⇒ ①の領域にアイソマーの γ 線が見える可能性がある。

時間差 (ns)

coun

ts

0 200-200 460-460-8000 8000

1000

10000

coun

ts

時間差スペクトル

この領域のγ 線をみる。

460ns ~ 8μs遅れて観測された γ 線を見る。

γ-γ の時間差スペクトル

時間差 (ns)

coun

ts

0 200-200 460-460-8000 8000

1000

10000

coun

ts

時間差スペクトル

この領域のγ 線をみる。

時間差 (ns)

coun

ts

0 200-200 460-460-8000 8000

1000

10000

coun

ts

時間差スペクトル

この領域は

アクシデンタル。この領域のγ 線をみる。

Ⅰ Ⅱ

1300 1400 1500 1600 1700 1800

1500

-5

15

35

Energy(keV)

Counts

1434keV

1434keV 時間差 -200ns~+200nsの領域の γ 線スペクトル

Ⅰ－Ⅱの γ 線スペクトル

（ 460ns ~ 8μs遅れて見えた γ線）

460ns ~ 8μs遅れて観測された γ 線スペクトル

⇒52Cr

52Mn のアイソマーからの β 崩壊

アイソマー

は

いない

52Mn の基底状態からの β 崩壊

数百 ns ~ 数 μs のアイソマーはいない。

⇒数 μs の新たなアイソマーの可能性

アイソマー

は

いない

54mFe

cou

nts

(πf7/2-2 νf7/2

-1)19/2- (νp3/2)3/2-

146 3432

Energy (keV)

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

52mFe

cou

nts

(πf7/2-2 νf7/2

-2)12+

2037

869

1200 1400 1600 1800 2000Energy (keV)

53mFe(πf7/2

-2 νf7/2-1)19/2+

Energy (keV)

cou

nts

2338

13281011701

1000 1500 2000