イオン源開発と崩壊核分光 atomic energy agency 80 85 90 95 00 05 10 1980年12月...
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Japan Atomic Energy Agency JAERI-ISOLにおけるイオン源開発と崩壊核分光
市川 進一
独立行政法人 日本原子力研究開発機構
先端基礎研究センター
Tokai site of JAEA
20MV Tandem Accelerator
JAERI-ISOL
2009年1月6日, 7日タンデム研究会
Japan Atomic Energy Agency
80 85 90 95 00 05 10
1980年12月タンデム加速器施設に設置
新希土類核の探索121La
希土類核の酸化物イオン化法
RIビーム
重イオンビームISOL : Isotope Separator On-Line
表面電離型イオン源
β/γ崩壊核分光・レザー核分光
Qβの測定
中性子欠損、La, Baの核分光144Ce, 143Pr hfs
Japan Atomic Energy Agency 希土類元素の酸化物イオン化法
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
156Sm16O+/156Sm+
156Pm16O+/156Pm+
原 子 番 号 7060
Ce Nd Sm Gd Dy Er YbLa Pr Pm Eu Tb Ho Tm Lu
log
[i(M
O + )/
i(M + )]
ターゲット内蔵型
ガスジェット結合型
実験値
計算値
Cs、Ba酸化物イオン検出限界以下
S. Ichikawa et al., Nucl. Instr. and Meth. A274, 259-264 (1989).
123La
natMo + 32S
124La 125La 126La
124Ba
124Cs
Ba,Csイオンの混入が無いLa同位体の分離
酸化物イオンLaO+
Japan Atomic Energy Agency 選択的質量分離による新同位体 121La の発見
Comparison between the γ spectra obtained at A=124 and A=140 when bombarding a Mo target with a 4.4 MeV/u 32S beam (30 particle nA). The products were ionized at 2400 K. The γ-lines at A=140 were assigned to 124La16O+.
β-coincident γ-ray spectra for the A=137 (121La16O+) in comparison with the A=121 spectrum of 121m,gCs and 121Ba previously obtained with a LEPS.In the top spectra, peaks marked by their Energy ( in keV) are assigned to the decay of 121La.
半減期:5.3±0.2秒
T. Sekine et al., Z. Phys. A 331, 105-106 (1988).
Japan Atomic Energy Agency
122,124,126Baの第一励起準位の寿命測定から換算転移確率を求める
92Mo(35Cl, 2p5n) 122LanatMo(35Cl, 2pxn) 124,126La
ALa16O+ イオンで質量分離
β − γ遅延同時計数法
Time spectra gated with the 2+ 0+ transitionsof (a) 126Ba, (b) 124Ba, and (c) 122Ba in the BaF2detector. The solid line indicates the fitted curvesby the deconvolution method.
B(E
2)
(e2 b
2 )B
(E2)
(e
2 b2 )
Neutron Number
B(E2; 2+ → 0+ ) values for (a) Ba and (b) Xe neutrondeficient isotopes. Data obtained in the present workare plotted in solid circles. Open circles are taken fromRef. [1]. The solid and the dashed lines are the resultsof the IBM-2 calculated in Ref. [5] with and withoutPauli-blocking effect, respectively.T. Morikawa et al., Phys. Rev. C 46, R6 (1992).
Japan Atomic Energy Agency
80 85 90 95 00 05 10
1980年12月タンデム加速器施設に設置
1992年TIARA-ISOL設置(高崎)
新アクチノイド核
233,236Am, 237Cm, 241Bk
159Pm, 161,162Sm165,166Gd, 166,167,168Tb
新希土類核
ガスジェット搬送法と結合した
表面電離型イオン源
反応生成物
TargetGas inlet
Gas outlet
Capillary1.4 mm I.D.
標的槽
熱イオン源
標的:U、Np、Pu
S. Ichikwa et al., Nucl. Instr. and Meth. A 374, 330-334(1996) and B 187, 548-554 (2002).
Japan Atomic Energy AgencyGas-jet ISOL による新希土類核の探索
半減期:19.4±2.7秒 半減期:8.2±1.3秒
M. Asai et al., Phys. Rev C 59, 3060-3065 (1999).
Japan Atomic Energy Agencyアクチノイド標的を用いた超Pu同位体の合成と新核種探索@ Gas-jet ISOL
238U235U234U233U 236U
237Np
239Pu 240Pu 242Pu 244Pu
248Cm
252Cf
233Am234Am235Am
236Am
237Cm
N=152
UNpPuAm
AmBkCf
EsFm
MdNoLrRf
DbSb
241Bk
257No
248Cm(13C,4n)257No
233U, 235U237Np239Pu248Cm
Japan Atomic Energy Agency 新核種 233Am の発見
233Am
229Np
225Pa
221Ac
217Fr
213At
209Bi
6Li
6890 keV
7245 keV7195 keV
7645 keV7440 keV7375 keV
8315 keV
9 08 0 k eV
4.0 min
1.7 s
52 ms
22 µs
125 ns
EC decay
233U239Am +α-decay
α 100%
α 100%
α 100%
α 100%
α 70%
α >3%
stable
6780 keV
荷電粒子標的複合核中性子蒸発
6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.00
2
4
6
8
10
12
14
16
233Am 229Np 225Pa 221Ac 217Fr 213At
Energy / MeV
Cou
nts
233Am起因
T1/2 :3.2±0.8分Eα:6.78MeV
生成断面積:<0.9μb
質量数233で分離
Japan Atomic Energy Agency α崩壊部分半減期の系統性
α-decay partial half-lives for odd-A 233-243Am and 229-237Np, and even-A 236-242mAm plotted as a function of the α-transition energy.
SCdp EEAAE ∆+= αα )/(*
M. Sakama et al., Phys. Rev C 69, 014308 (2004).
Japan Atomic Energy Agency
80 85 90 95 00 05 10
1980年12月タンデム加速器施設に設置
JAERI-KEKRNBに係る共同研究締結
1992年TIARA-ISOL設置(高崎)
163,164,165,166Eu
放射性核種ビーム
核分裂で生成するRI8Li, 9Li, 18F, 20F, 111In
表面電離型イオン源
低圧アーク放電型
FEBIADイオン源
S.Ichikawa et al., Nucl. Instr. and Meth. B 204, 372-376 (2003).
ウラン標的装着表面電離型・低圧アーク放電型
Japan Atomic Energy Agencyウラン標的装着表面電離型イオン源
による新Eu核種の発見
0 2 4 6 8 10102
103
73.3 keV T1/2=3.8(0.3) s
168.8 keV T1/2=4.5(0.2) s
Cou
nts
Time / s
ウラン炭化物標的を装着した表面電離型イオン源還元性雰囲気
X, γ-ray spectrum in coincidence with β-ray for A=164 fraction. The open circles indicate the γ rays associated with the decay of 164Eu
50 100 150 200 2500
100
200
300
400
500
168.
6 ke
V (4
+ -> 2
+ )
73 k
eV (2
+ -> 0
+ )
Gd
k β
x ra
yG
d K
x α
ray
β-gated γ ray spectrum observed at mass 164
Cou
nts /
0.1
keV
Energy / keV
193.
3 ke
V
92.8
keV
61.1
keV
164 G
d 1
41.9
keV
145 B
a 9
6.6
keV
168.
8 ke
V4+
->2+
73.3
keV
2+->
0+
半減期:2.7±0.3秒
A. Osa et al., Nucl. Instr. and Meth. B 266, 4396-4397 (2008).
Japan Atomic Energy Agency162Gd, 164Gd の第一励起準位の寿命測定
から換算転移確率を求める
Nd
Pm
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
152 153 154 155 156
153 154 155 156 157 158
154 155 156 157 158 159 160
155 156 157 158 159 160 161 162
156 157 158 159 160 161 162 163 164
157 158 159 160 161 162 163 164 165
158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169
11.4 m 28.9 s 25.9 s 8.9 s 5.47 s
5.4 m 2.68 m1.73 m 41.5 s 26.70 s 10.56 s 4.8 s
22.3 m 9.4 h 432 s 5.30 m 11.37 s 9.6 s
4.961 y 15.19 d 15.18 h 45.9 m 18.1 m
18.479 h 3.66 m 8.4 m 68 s 45 s
38 s 26 s 10.6 s
99 y 180 y10.7 s 72.3 d 6.88 d 7.60 m 19.5 m 3.0 m 2.11 m
144.4 d 2.334 h1.257 m 81.6 h 6.20 m 8.7 m 39 s
60
61
62
63
64
65
66
92 94 96 98 100 102
159
161
165
16716625.6 s
10.3 s
4.8 s
1.47s
19.4 s1688.2 s
157
162
1664.8 s
2.4s
163 1647.7 s 4.2 s
1652.7 s
1661.7 s
88 90 92 94 96 98 100 102 104 106
70
80
90
100
110
Dy
Gd SmE(
2+) /
keV
Neutron Number
New
Shell gap at N=98?
Preliminary results
D. Nagae, private communication.
Japan Atomic Energy Agency 全吸収型BGO検出器を用いた崩壊エネルギー (Qβ) の測定
100
102
104
106
0 20 40 60
162EuBGBG subtracted
Cou
nts
/ Cha
nnel
Channel
162Eu
0
100
200
300
Original (BG subtracted)Unfolded with energy resolutions
N 162Eu
(a)
0
200
400
600
4000 5000 6000
f(Emax)=f(3815-500 keV)f(Emax)=f(3815 keV)f(Emax)=f(3815+500 keV)f(Emax)=f(5565 keV)
Np/
fW
Energy / keV
1750 = Elevel
0 keV
1750+500
1750-500
Ep,f(3815+500)
=Ep,f(3815) - 20 keVf(3815-500)
f(3815+500)
Ep,f(3815-500)
=Ep,f(3815) + 20 keV
First Forbidden
(b)Adopted
Ep
Emax
RI beam
s
全吸収型BGO検出器
Energy
Cou
nts
(arb
. uni
ts)
β1+γ1
β2
Sumβ1, E
β1=Q
β-E
γ1
γ1β2, Qβ
0
Qβ
Eγ1
H. Hayashi et al., Eur. Phys. J. A. 34, 363-370 (2007).
Japan Atomic Energy Agency崩壊エネルギーから S2n を求める
Nd
Pm
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
152 153 154 155 156
153 154 155 156 157 158
154 155 156 157 158 159 160
155 156 157 158 159 160 161 162
156 157 158 159 160 161 162 163 164
157 158 159 160 161 162 163 164 165
158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169
11.4 m 28.9 s 25.9 s 8.9 s 5.47 s
5.4 m 2.68 m1.73 m 41.5 s 26.70 s 10.56 s 4.8 s
22.3 m 9.4 h 432 s 5.30 m 11.37 s 9.6 s
4.961 y 15.19 d 15.18 h 45.9 m 18.1 m
18.479 h 3.66 m 8.4 m 68 s 45 s
38 s 26 s 10.6 s
99 y 180 y10.7 s 72.3 d 6.88 d 7.60 m 19.5 m 3.0 m 2.11 m
144.4 d 2.334 h1.257 m 81.6 h 6.20 m 8.7 m 39 s
60
61
62
63
64
65
66
92 94 96 98 100 102
159
161
165
16716625.6 s
10.3 s
4.8 s
1.47s
19.4 s1688.2 s
157
162
1664.8 s
2.4s
163 1647.7 s 4.2 s
1652.7 s
1661.7 s
10
11
12
13
94 98 102 106
S2n
/ M
eV
Neutron Number
S2n(Z,A) = -M(Z,A)+M(Z,A-2)+2×Mn
161Sm159Pm
164Eu
166TbAME03(Exp.)AME03(SYST.)Present(Exp.)Present(SYST.)
2中性子分離エネルギーの系統性
0
100
200
300
3000 5000 7000
164Eu
0
100
200
300
3000 4000 5000 6000 7000
165EuKu
rie P
lot
Energy / keV Energy / keVH. Hayashi et al., Eur. Phys. J. A. 34, 363-370 (2007).
Japan Atomic Energy Agency 原子核質量の実験値と計算値の比較
-1
0
1
87 92 97 102
Exp.Syst.Dussel
ComayJaneckeMasson
Mas
s-M
ass(
AME
03) [
MeV
]
Neutron Number
162Eu
Exp. Syst.
161Eu
160Eu163Eu
164Eu
165Eu
87 92 97 102
Exp.Syst.SatpathySpanierMoller
MyerKouraGorielyDuflo
Neutron Number
Exp. Syst.
Systematicsによる計算 原子核モデルによる計算
Q値の誤差⇒赤いError
Massの誤差(Q値+娘核のMass)⇒黒のError(娘核のGdも測定されていないので、大きな誤差となる)
H. Hayashi et al., Eur. Phys. J. A. 34, 363-370 (2007).
Japan Atomic Energy Agency 新核種探索結果のまとめ
28
20
28
50
82
2 820 28
50
82
126
中性子数
陽子数
表面電離型イオン源
表面電離型イオン源
ウラン標的を装着した
163,164,165,166Eu
159Pm, 161,162Sm165,166Gd, 166,167,168Tb
233,236Am, 237Cm, 241Bk
ガスジェット搬送装置表面電離型イオン源
標的槽
イオン源
121La125,127Pr
Japan Atomic Energy Agencyビーム強度の向上と短寿命核の分離
●U/C 比, 1/4、1/10など・・
●RVC繊維
●パウダをプレスし、Disk→パウダーの粒径?
Reticulated Vitreous Carbon Fiber(網状硝子体炭素繊維)
11 µm φのグラファイト繊維(GC-20、Tokai Carbon Co.)
A. AndrighettoA. AndrighettoINFNINFN
DiskSPES方式(イタリア)
ウラン炭化物標的の最適化
Japan Atomic Energy Agency高温型 FEBIAD イオン源の開発
●イオン源の動作確認136Xe : ビーム電流6nA ~ 10nA →イオン化効率 7% ~ 11%
●電子衝撃 300V / 0.05A (15W)で加熱138Ba : ビーム電流1.7nAを確認 (ターゲット温度未測定)
23
4
target containerfilament
connectionpipe
1
イオン・ビーム
加速器からの荷電粒子
25 mm
カソードアノード
ガス導入口
標的フィラメント
標的槽
チムニー
Y. Otokawa, private communication.
Japan Atomic Energy Agency
NiCuZnGaGeAs
SeBrKr
RbSr
Y
N=50
Z=28
Neutron Number
Prot
on N
umbe
r
1 x 104 9 x 104
1 x 102 9 x 102
1 x 103 9 x 103
1 x 105 9 x 105
1 x 106 9 x 106
Beam intensity (ions/sec/)
1g/cm2 of 238U@1 μA
~
~
~
~
~
1 x 107 9 x 107~
PdAg
CdInSnSb
TeI
XeCs
BaLa
N=82
Z=50
Prot
on N
umbe
r
Neutron Number
RNB計画に係る放射性核種ビーム強度の向上
迅速な分離と効率の向上
標的の最適化とイオン源開発
A. Osa et al., Nucl. Instr. and Meth. B 266, 4396-4397 (2008).
Japan Atomic Energy Agency 極限領域核の崩壊核分光
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
La
Ce
Pr
Nd
Pm
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
92 94 96 98 100 102 104 106158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 171 172
144.4 d 2.334 h1.257 m 81.6 h 6.20 m 8.7 m 39 s
157 158 159 160 161 162 163 164 165 167166 168 170 17199 y 180 y
10.7 s 72.3 d 6.88 d 7.60 m 19.5 m 3.0 m 2.11 m
156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 16618.48 h 3.66 m 8.4 m 68 s 45 s
4.961 y 15.19 d 15.18 h 45.9 m 18.1 m 38 s 26 s 10.6 s155 156 157 158 159 160 161 162
154 155 156 157 158 159 16022.3 m 9.4 h 432 s 5.30 m 11.37 s 9.6 s
161 162
153 154 155 156 157 1585.4 m 2.68 m 41.5 s 26.70 s 10.56 s 4.8 s
159
152 153 154 155 15611.4 m 28.9 s 25.9 s 8.9 s 5.47 s
1572.72 s
151 152 153 15418.90 s 3.24 s 4.3 s 2.3 s
155 156 157
150 151 1524.0 s 1.02 s 1.4 s
153 154 155 1561.19 s 0.47 s 0.43 s
1491.05 s 0.7 s
150 151 153 1540.71 s 1.19 s 0.47 s
163 164 165
169
102
104
170
152
doubly midshell nucleus170Dy: E(4+
1)/E(2+1)
Astrophysical interestEu,Sm:T1/2, S2n deduced from Qβ
N = 102, 104
Kπ = 6+
large deformation andaxial symmetryT1/2:hours range
limits of the Qβ known isotopes
Stable isotopes
166
○ 166Eu → 166Gd○ 170Tb → 170Dy○ 160Pm, 162Pm → 160Sm, 162Sm○ and others??
Japan Atomic Energy Agency ま と め● イオン源の開発:
表面電離型イオン源ガスジェット搬送装置と結合した表面電離型イオン源ウラン標的装着FEBIADイオン源、表面電離型イオン源
● 新核種の発見: 159Pm, 161,162Sm,165,166Gd, 166,167,168Tb, 163,164,165,166Eu233,236Am, 237Cm, 241Bk, 121La,125,127Pr
● A=160近傍核のβ崩壊エネルギー測定:158,161Sm、160-165Eu、163Gd、166Tb● 変形閉殻(N=98)周辺での励起準位寿命測定:162,164Gd 2+準位
● 短寿命核ビーム加速実験計画に係るビーム開発:
ウランの陽子誘起核分裂で生成する19元素105核種の分離● 発表論文総数:34報
イオン源・イオン化法の開発9編希土類核領域(新核種・崩壊核分光)17編アクチノイド領域(新核種・崩壊核分光)8編