嗚呼夏休み。。 - oyogulo-manuscript

本日は8/30ということで, もう夏休みも終わりますね。悲しい。今思えば, 夏休みの半分ぐらいインターンとコミケに行ってました。

インターンは, 東海村の日本原子力研究開発機構というところに行って, 「ガンマ線計測とその利用」っていう研究テーマでいろんな実験をさせていただいた。

メインでやってたのが, 陽電子消滅寿命測定法っていうやつ。ちょっと難しくなるけど, 物質中の陽電子寿命スペクトルを測定して解析することで, 物質についての情報とか陽電子, ポジトロニウムの振る舞いについての情報を得る手法のこと。陽電子寿命スペクトルは陽電子が物質中に入射した時刻(スタート)と, 陽電子が物質中の電子と対消滅した時刻(ストップ)の時間差の測定を何度も何度も(10の6乗～7乗ぐらい)繰り返して横軸を時間, 縦軸を頻度とした頻度分布のこと。

スペクトルの一例。

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陽電子の入射時刻の測定は, ナトリウム22の核ガンマ線を利用する方法が最も簡単で, ナトリウム22の原子核は陽子11個, 中性子11個からなる。安定なナトリウム23(陽子11個, 中性子12個)と比べると, 陽子が過剰な状態なので, β+崩壊して, 陽電子を放出する。

${ \displaystyle ^{22}Na → ^{22}Ne^*+ e^+ + v_e }$

※ $v_e$ は電子ニュートリノ。

ナトリウム22の励起状態の $^{22}Ne^*$ は, 3.7psの半減期で基底状態に遷移するときに1.2MeVのガンマ線を放出する。このガンマ線を検出した時刻が入射時刻となる。

また, 消滅時刻は, 陽電子消滅ガンマ線の検出によって知ることができる。消滅ガンマ線とは, さきほどのβ+崩壊で発生した陽電子が物質中の電子と対消滅するときに出てくるガンマ線のこと。

粒子と反粒子をくっつけると, 粒子も反粒子も実際に消滅してしまうが, ここでもエネルギー保存則は守られているので, 両者を足したエネルギーが残る。このエネルギーは光(ガンマ線)として現れる。エネルギーの大きさは, 2ガンマ消滅(ガンマ線が2本出る消滅のこと)のとき511keVぐらいになる。

ガンマ線の検出には, シンティレータと光電子増倍管を組み合わせた, シンティレーション検出器を用いる。シンティレータとは, 入射したガンマ線を紫外線や可視光に変換する物質。(今回は $BaF_2$ という物質を用いた。)光電子増倍管は, カミオカンデとかのニュースで聞いたことがある人もいるだろうけど, 光を電気信号に変える装置のこと。これらを組み合わせることで, ガンマ線がシンティレータに入射すると, シンティレータが発光してその光を光電子増倍管で検出して電気信号に変えることで, オシロスコープを用いて陽電子の消滅を計測することができる。

だらだらと説明してきたけど, ここから実験の一例の説明。陽電子消滅法によるアルミニウム合金中の空孔観察というやつ。

市販のアルミニウムの板(1050; 純度99.5%以上) を用意し, のこぎりなどを用いて2x2cm 程度に小さく分ける。また小さく分けたものを4枚ほど用意する。
ハンマーを用いてアルミ板を叩いて延ばす。20%叩いたものと50%叩いたものを用意する。
22Na 線源を上下に20%叩いたアルミ板で挟み, シンティレーション検出器を2 台を線源から見て90 度の角度の方向に配置する。また, この状態で陽電子寿命測定を行う。またPALSfitというアプリケーションを用いて解析を行う。
50%叩いたアルミ板を用いて, 3 と同様に陽電子寿命測定を行う。
叩いたアルミ板をはんだごてを用いて, 320 ℃程度で1 時間ほど温め, そのアルミ板で3 と同様に陽電子寿命測定を行う。
50%叩いたアルミ板を用いて, 温度調節器で段階的に50, 100, 150, 180, 210, 240, 270, 300, 320 ℃と温め(15 分), それぞれについて陽電子寿命測定を行う。

結果がこんな感じ。 f:id:oyoguLO:20160830020508j:plain

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陽電子は物質に入射すると, 消滅までの間(数百ps程度)に, 陽電子の好きな原子スケールのサイトを探し回る。陽電子がサイトを見つけると, そこで消滅して, そのサイトの情報を持ったガンマ線を放出する。陽電子が特に好きなサイトは空孔欠陥と呼ばれ, そこで電子と対消滅すると, 欠陥についての情報を与えてくれる。今回の実験でハンマーで叩いたのは, この空孔欠陥を増やすためで, 欠陥が増えると陽電子と電子の対消滅が起こりにくくなり, 陽電子の平均寿命が長くなる。またはんだごてで温めたのは, 空孔欠陥を減らすためで, 熱運動によって結晶配列が整い, 欠陥が減少して平均寿命が短くなる。これは表1, 2より正しいことが分かった。

表1 の半田ごてで温めたときに, 陽電子の寿命が173.85[ps] なのに対して, 同様の方法で温めた表2 の320 ℃のときの陽電子寿命が184.4[ps], と寿命があまり短くならなかった。これは, 熱処理している時間が短かったためであると考えられる。

陽電子消滅寿命測定法以外にも, 福島県の土壌のサンプルを持ってきて, 半導体検出器でガンマ線のスペクトルを解析してどの放射能がどれぐらいの濃度で含まれているか測定したりした。こちらのほうはまた気が向けばブログに上げようと思います。

インターンシップ中, いろんな実験ができたり, 専門の研究についての話が聞けたり, 施設を案内してもらったりで本当に楽しかった。機構には夏期休暇実習生以外にも, 実習生を受け入れてくれる制度があるので, 積極的に利用していきたい。

休日に大洗に行ってきたので, その写真を少し。

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