気体を用いた荷電粒子検出器
2009/12/7 物理学コロキウム第２ 内容： １．研究の目的 ２．気体を用いた荷電粒子検出器 ３．霧箱でのα線の観察 ４．今後の予定 ５．まとめ 柴田・陣内研究室 寄林 侑正 2009/12/7 1１．研究の目的
• 気体の電離作用を利用した荷電粒子検出器の原 理を学ぶ。 • 実際に霧箱とスパークチェンバーを作成する。 • 放射線を観察し、荷電粒子と気体粒子の相互作用 について学ぶ。 2009/12/7 2電圧を印加するもの • 電離箱 • 比例計数管 • ガイガーミュラー計数管 • スパークチェンバー • etc… 電圧を印加しないもの • 霧箱 • 泡箱 • etc…
２．気体を用いた荷電粒子検出器
2009/12/7 3 比例計数管領域 放 電 ガイガー・ミュラー計数管 領域 電圧 ［ V ］ 1012 1010 108 106 104 102 電離箱領域 1 0 集められた イ オ ンの 数 250 500 750 1000 N N：放射線入射によって生成されたイオン対の数荷電粒子
陽極ワイヤー
◎MWPC ( Multi Wire Proportional Chamber )，ドリフトチェンバー ( Drift Chamber ) z x y 荷電粒子の位置を測定するためのガス検出器。 ターゲット 入射粒子（z方向） y座標がわかる x座標がわかる ( x1,y1,z1 ) ( x2,y2,z2 )
電圧を印加するガス検出器
電極対を重ねることにより荷電粒子の飛跡をスパークとして観測できる。 電極 ガス 原子 電離電子 電子なだれを起 こし最終的にス パークを起こす 荷電粒子 正イオン V ◎ スパークチェンバー 4 220 Ω R 1000 pF C －8 kV R 20Ω Trigger 20 MΩ スパークチェンバー R － Q ＋ Q SCR①容器上部に液体アルコールを含ませる
2009/12/7 5
アルコール(液体)
電圧を印加しないガス検出器
①容器上部に液体アルコールを含ませる ②容器内で右図のように上部と下部に温 度差をつける 温度高 温度低 2009/12/7 6 アルコール(液体)
電圧を印加しないガス検出器
◎ 霧箱①容器上部に液体アルコールを含ませる ②容器内で右図のように上部と下部に温 度差をつける ③液体アルコールが蒸発していく 温度高 温度低 2009/12/7 7 アルコール(液体) 蒸発
電圧を印加しないガス検出器
◎ 霧箱①容器上部に液体アルコールを含ませる ②容器内で右図のように上部と下部に温 度差をつける ③液体アルコールが蒸発していく ④飽和蒸気圧の高い上部から飽和蒸気圧 の低い下部へとアルコール蒸気が拡散 していく 温度高 温度低 ：アルコール蒸気 2009/12/7 8 アルコール(液体)
電圧を印加しないガス検出器
◎ 霧箱①容器上部に液体アルコールを含ませる ②容器内で右図のように上部と下部に温 度差をつける ③液体アルコールが蒸発していく ④飽和蒸気圧の高い上部から飽和蒸気圧 の低い下部へとアルコール蒸気が拡散 していく ⑤容器内下部で過飽和の層が形成される 温度高 温度低 ：アルコール蒸気 ：過飽和アルコール蒸気 2009/12/7 9 アルコール(液体) ◎ 霧箱
電圧を印加しないガス検出器
①容器上部に液体アルコールを含ませる ②容器内で右図のように上部と下部に温 度差をつける ③液体アルコールが蒸発していく ④飽和蒸気圧の高い上部から飽和蒸気圧 の低い下部へとアルコール蒸気が拡散 していく ⑤容器内下部で過飽和の層が形成される ⑥過飽和の層を荷電粒子が通過した際、 電離されて生成したイオンを核として蒸 気が凝結する→霧のすじが生成 温度高 温度低 ：アルコール蒸気 ：過飽和アルコール蒸気 荷 電 粒 子 2009/12/7 10 アルコール(液体) ◎ 霧箱
電圧を印加しないガス検出器
• 学部３年生の学生実験で用いた霧箱 使用した気体：エチレングリコール蒸気 化学式： C2H4(OH)2 融点： －12.9℃ 沸点： 197.3℃ 動作温度：上部・・・110～130℃くらいに熱する 上部と下部の温度差・・・60～80℃くらい • 今回作成した霧箱 使用した気体：エタノール蒸気 化学式： C2H5OH 融点： －114.3℃ 沸点： 78.4℃ 動作温度：上部・・・室温 下部・・・ドライアイス(昇華温度：－78.5℃)に接触させて冷やす 2009/12/7 11
12 作成した霧箱
３．霧箱でのα線の観察
液体のエタノールをスポンジに含ませる。 ドライアイスの上に置く。 熱伝導を良くするため、アルミテープで密封 エタノールを含ませたスポンジテープ キャップから吊るした針金(線源を取り付ける) 線源(マントル) ドライアイス 1cm 程度 15cm 程度 2009/12/7 8cm程度2009/12/7 13 中高生約20名が参加し、ペットボトルで霧箱を作成しました。 柴田研究室・多摩六都科学館共催 第30回 2009年11月8日(日) 「 大学生と学ぶ素粒子物理 身近な放射線について知ろう ー霧箱の作成ー 」 科学実験教室を準備し、講師を務めました。
用いた線源
野外キャンプ等で使われるランタンの芯(マントル) マントル中には232Thが含まれる 2009/12/7 14 ：α崩壊 ：β崩壊 232Th 1.405×1010y 220Ra 5.75y 220Ac 6.15h 228Th 1.9131y 224Ra 3.66d 220Rn 55.6s 216Po 0.145s 212Pb 10.64h 212Bi 60.55m 208Tl 3.083m 212Po 0.298μs 208Pb stable α:4.083MeV α:5.520MeV α:5.789MeV(γ) α:6.405MeV(γ) α:6.906MeV (35.94%) α:6.207MeV α:9.784MeV β-:1.325MeV β-:2.127MeV(γ) β-:0.574MeV (64.06%) β-:2.254MeV β-:5.001MeV2009/12/7 15
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観測された飛跡
空気中に拡散したラドン気体からのα線(?)
４．今後の予定
◎霧箱 • 温度勾配や過飽和の度合い等、動作原理を詳しく見る • 232Th系列に沿った連続的な崩壊を霧箱で確認する • 霧箱で宇宙線を確認できるよう調整する ◎スパークチェンバー • 電圧を印加する検出器として学び、完成させる 2009/12/7 17５．まとめ
• 気体を用いた荷電粒子検出器には電圧を印加す るものとしないものがある • 電圧を印加するもの・・・MWPC、ドリフトチェンバー、 スパークチェンバーなど • 電圧を印加しないもの・・・霧箱、泡箱など • 霧箱の動作を詳しく見ていく。 • スパークチェンバーについて学び、完成させる。 2009/12/7 18飛程
• Bethe-Blochの式 荷電粒子が標的物質中で失うエネルギー 2009/12/7 20 I mV m V n e z dx dE 2 2 2 0 4 2 ln 4 • 飛程 荷電粒子がエネルギーを失うまでに標的物質中を走る長さ 0 0 1 0) ( E dE dx dE E R標準温度圧力の空気中におけるアルファ粒子の 飛程は T(MeV):α粒子の運動エネルギー 空気中以外の場合、Bragg-Kleeman則 2009/12/7 21
15M eV T 4M eV 4 1 ) ( 85 . 2 ) ( 05 . 0 )] ( exp[ ) ( 2 3 MeV T MeV MeV T MeV T MeV T mm R 2 1 1 2 2 1 A A R R ( ) ) / ( 337 . 0 ) ( 3 R mm m kg A mm R air 実 効 1 1 L i i i A A実 効 2009/12/7 22
α線の空気中での飛程
崩壊核 エネルギー(MeV) 飛程(mm) 232Th 4.083 25.19761482 228Th 5.52 40.54129249 224Ra 5.789 43.72792758 220Rn 6.405 51.38924206 216Po 6.906 57.98978525 212Bi 6.207 48.87173984 212Po 9.784 102.1920468 α線のエネルギー(MeV) 飛 程(mm)0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 50 100 150 200 250 Bethe-Blochの式と飛程(stopping range)の計算 Bethe-Blochの式から、次のように飛程 が計算できる。ただし , はそれぞれ 重荷電粒子の標的物質に侵入する前、 および後の運動エネルギーである。 0 0 1 0 ) ( E dE dx dE E R 0 E E 標的 R 化合物標的でのBethe-Blochの式は、各元素標的で のBethe-Blochの式の和として決定される。 化合物標的での Bethe-Blochの式 i i dx dE dx dE 和 i i i I mV m V n e z 2 2 2 0 4 2 ln 4 R 入射 停止 （ただし、 は各元素の物理量であることを示す）i 重荷電粒子の飛程 0 50 100 150 200 粒子の入射時の 運動エネルギー (MeV) 0 20 40 60 陽子 陽子 E 入射後の運動 エネルギー： 標的 0 E 入射前の運動 エネルギー： 7 陽子、 のプラスチック(CH) 中での飛程 R R (cm) 80 2009/12/7
