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2019 Fiscal Year Annual Research Report

大発光量無機シンチレータで目指す宇宙史研究

Research Project

Project/Area Number 18H01222
Research InstitutionUniversity of Tsukuba

Principal Investigator

飯田 崇史  筑波大学, 数理物質系, 助教 (40722905)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 小川 泉  福井大学, 学術研究院工学系部門, 准教授 (20294142)
吉野 将生  東北大学, 金属材料研究所, 助教 (30789938)
鎌田 圭  東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 准教授 (60639649)
Project Period (FY) 2018-04-01 – 2021-03-31
Keywords無機シンチレータ / 波形弁別 / 粒子識別 / ヨウ化カルシウム
Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、発光量の大きいヨウ化カルシウム(CaI2)結晶シンチレータを開発し、暗黒物質や二重ベータ崩壊探索実験に応用することである。宇宙の歴史を理解する上で欠かせないこれらの実験の高感度化には、一般的に「低閾値・高分解能、 大型化、 低バックグラウンド」の3本柱が重要となる。申請者は先行研究においてCaI2 結晶作成に成功し、NaI(Tl)の2.7倍という大発光量を得て、低閾値・高分解能が達成可能なことを示している。本研究では3年間で残る低バックグラウンドと大型化に道筋をつける。
2年目は、低バックグラウンド化で非常に重要となるCaI2結晶の波形弁別特性の調査を行った。ブリッジマン法で作成したCaI2結晶を、5mm×5mm×1mm程度に切り出し、光電子増倍管(Hamamatsu R7600U-200)と組み合わせたセットアップを、湿度3 %以下に保持されたドライルーム内に用意した。これに上から241Am、137Csの放射線源を用いて、アルファ線、ガンマ線を照射した。光電子増倍管からの信号波形は0.4 GHzのサンプリングレートで波形デジタイザ(USB wave catcher)を用いて、それぞれ1万事象ずつ取得した。
アルファ線とガンマ線を当てたデータ1万事象の平均波形を比較した結果、波形の最初200 nsに大きな違いがみられる一方で、波形後半はほとんど変わらないことが分かった。事象ごとの波形の違いを定量化するために、波形前半200 nsと全体の比を取ったRatioというパラメータを定義し、100 keV以上の領域で、きれいにRatio分布が分かれることを示し論文(Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A)にまとめた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究の主な目的は、CaI2結晶の大型化と低バックグラウンド化である。2年目の今年は低バックグラウンド化のための波形弁別能を調査したが、当初の期待以上に優れた波形弁別能を有していることが分かり論文を執筆した。
一方で大型化に関しては、業者と協力し1インチの結晶を作成し、10mm角×2mm厚程度のサイズに加工したものを、潮解しないようパッケージングすることに成功している。大型化に向けた重要な一歩であり、本研究はここまで順調に進んでいると言える。

Strategy for Future Research Activity

昨年度はCaI2結晶に対して、低バックグラウンド化に重要となる波形粒子識別能の研究を行った。その結果、CaI2は既存のシンチレータの中でも、高い識別能を持っていると考えられ、今年度さらに詳細な解析を進めていく。一方で二重ベータ崩壊探索に用いる結晶の開発としては、2インチ以上の大型化や結晶の高純度化等も重要な開発項目であり、今年度はそれらを進めていく予定である。
さらに96Zrや150Nd等、別の二重ベータ崩壊核種を含むシンチレータの開発も並行して検討を始めたい。

  • Research Products

    (10 results)

All 2020 2019

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 2 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results)

  • [Journal Article] High-light-yield calcium iodide (CaI2) scintillator for astroparticle physics2020

    • Author(s)
      Takashi Iida, Kei Kamada, Masao Yoshino, Kyoung Jin Kim, Koichi Ichimura, Akira Yoshikawa
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section

      Volume: 958 Pages: 162629

    • DOI

      10.1016/j.nima.2019.162629

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Crystal growth and scintillation properties of Eu-doped Ca(Br_x,I_1-x)2 crystals2019

    • Author(s)
      Kei Kamada, Takashi Iida, Yuki Furuya et al.
    • Journal Title

      Radiation Measurements

      Volume: 127 Pages: 106139

    • DOI

      10.1016/j.radmeas.2019.106139

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Pulse-shape discrimination potential of new scintillator material: La-GPS:Ce2019

    • Author(s)
      K. Mizukoshi, T. Iida, I. Ogawa, K. Shimizu, S. Kurosawa, K. Kamada, M. Yoshino and A. Yoshikawa
    • Journal Title

      Journal of Instrumentation

      Volume: 14 Pages: P06037

    • DOI

      10.1088/1748-0221/14/06/p06037

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 二重ベータ崩壊探索実験のための新規シンチレータ開発 ~ Development of new scintillator for wdouble beta decay search ~2019

    • Author(s)
      Takashi Iida, Kei Kamada, Kyoung Jin Kim, Shunsue Kurosawa, Keita Mizukoshi, Izumi Ogawa, Kensei Shimizu, Masao Yoshino, Akira Yoshikawa
    • Journal Title

      Proceedings of the 33th Workshop on Radiation Detectors and Their Uses

      Volume: 1 Pages: 42-50

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 20.Development of calcium iodide (CaI2) scintillator for the study of double beta decay of 48Ca2019

    • Author(s)
      Takashi Iida, Kei Kamada, Masao Yoshino, Kyoung Jin Kim, Akira Yoshikawa
    • Organizer
      15th International Conference on Scintillating Materials and their Applications (SCINT2019)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 22.R&D of new high-performance scintillators including double beta decay nuclei2019

    • Author(s)
      Takashi Iida, Kei Kamada, Masao Yoshino, Kyoung Jin Kim, Shunsuke Kurosawa, Akira Yoshikawa,
    • Organizer
      IEEE NSS-MIC 2019
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 宇宙史研究のためのCaI2シンチレータ開発の現状III ~波形弁別能の研究~2019

    • Author(s)
      飯田崇史、鎌田圭、吉野将生、K. J. Kim
    • Organizer
      日本物理学会 秋季大会
  • [Presentation] Particle identification capability of Ca(Br, I)2 scintillators for low background experiments2019

    • Author(s)
      Masao Yoshino, Takashi Iida, Kei Kamada, Kyoung Jin Kim, and Akira Yoshikawa
    • Organizer
      Topics in Astroparticle and Underground Physics (TAUP2019)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 無機シンチレータを用いた160Gdと96Zrの二重ベータ崩壊の探索2019

    • Author(s)
      飯田崇史、吉野将生、水越彗太
    • Organizer
      Scintillator for Medical, Astroparticle and environmental Radiation Technologies (SMART2019)
  • [Presentation] Pulse-shape discrimination potential of Ce:La-GPS and its property in low temperature2019

    • Author(s)
      K. Mizukoshi, T.Iida, I. Ogawa, K. Shimizu, S. Kurosawa, K. Kamada, M. Yoshino and A. Yoshikawa
    • Organizer
      15th International Conference on Scintillating Materials and their Applications (SCINT2019)
    • Int'l Joint Research

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Published: 2021-01-27  

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