バックグラウンド低減とタイムスタンプ測定による微量核分裂生成物の崩壊特性の研究

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K05327
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 柴田 理尋 名古屋大学, アイソトープ総合センター, 教授 (30262885)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 核分裂生成物 / 崩壊核分光実験 / 核異性体 / 崩壊図式

Outline of Annual Research Achievements

収率の小さい質量数150以上のU-235の核分裂生成物の崩壊核データは、詳しく調べられていない。京大原子炉に附置したオンライン同位体分離装置は、数秒程度の短半減期の核分裂生成物を効率よく分離することができる装置であり、これを用いて崩壊核データを測定することは、中性子過剰核の核構造の研究および崩壊熱の評価の向上に資する。実施者が所有する貫通孔型クローバー検出器は高立体角・高効率で崩壊γ線を測定することができるGe検出器であり、それにタイムスタンプ式データ収集系を購入し、組み合わせて、時間情報を含むリストモードデータを収集することによって質量数150近傍の崩壊データを取得した。
対象とした核種は、Sr-95、Pr-153、Pr-154であり、それをオンライン同位体分離して、その壊変に伴うβおよびγ線を測定した。核異性体が報告されているSr-95については、クローバー検出器によってβ-γ時間差測定法によって、μ秒の寿命測定を行った。この方法では、予簿実験から、検出器の全計数率が結果の精度に影響すると考えられていたため、5kcps以下、5～10kcps、10kcps以上の3つの条件で測定し、計数率が高いと結果が短めになると言うことが明らかとなった。Pr-153、154については、測定中にデータ収集系が不安定となり、十分な統計量は得られなかったが、既に報告されている核異性体の結果を支持する結果および過去の文献に加えて新たなγ線と同時計数関係が確認できた。
一方、収率の低い核種を測る際には、娘核や実験室内のバックグラウンドが問題となる。その影響を低減させるためにクローバー検出器の貫通孔内に設置するプラスチックシンチレーターを用いたβ線検出器の開発も並行して進めた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

Sr-95、Pr-153、Pr-154を対象として、京都大学原子炉附置オンライン同位体分離装置（KUR-ISOL)を用いて測定した。Sr-95は、励起準位の半減期をβ-γ時間差法で決めるための検証となる核種である。本手法は、収率が極めて低い核種に対して、高効率の検出器でのみ達成可能な手法であり、特に、予備実験の結果から、測定中の計数率が結果の精度に影響することが予想されたため、Sr-95を5kcps以下、5～10kcps、10kcps以上の3つの条件で測定した。娘核Y-95の核異性体の測定結果から、計数率が高いと結果が短めになることが明らかとなり、半減期測定では、計数率を5kcps程度までに抑える方が良いことがわかった。一方、データ収集系は高計数率にも対応するため、γ-γの同時事象測定には10kcps程度まで上げても測定器の分解能は劣化しないこともわかった。
Pr-153、154については、十分な統計量が得られてはいないが、Pr-153については、18個の励起準位と19本γ線を新たに確認し、予備的な崩壊図式が作成できた。また、191.7keVの核異性体準位の半減期を決定し1.13μ秒と決定した。この値は、文献値1.06μsと誤差の範囲で一致したことから、新しいデータ収集系はμ秒の核異性体の半減期測定に適用可能であることがわかった。Pr-154については、データ収集系が不安定であったために十分な統計量が得られなかったが、過去に報告されたγ線との同時計数の解析結果から、新たな7本の同時計数するγ線が確認された。
さらに、従来のフォトマルではなく、MPPCを用いた狭いスペースに設置可能なプラスチックシンチレーターβ線検出器の設計及び試作を行い、β線号信号を引き出し、スペクトル測定ができることを確認した。以上のことから、ほぼ当初の予定通り、研究が進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

今年度も京大原子炉の共同利用申請が採択されているので、Pr-153、Pr-154の崩壊核分光実験を行い、統計精度を上げる予定である。前回、ノイズ等の原因が明らかとなったので、その対策を採ることによって実質的に10倍近い測定時間が得られると予想している。それによってより詳細な崩壊図式の作成が可能である。また、核異性体の半減期も決定できる期待される。並行して作成中のクローバー検出器の貫通孔装着用のβ検出器を併用すると、バックグラウンドの影響を1/10程度まで削減できると考えている。
プラスチックシンチレーターに光電子増倍管ではなくMPPCを使うことによって、狭い領域に適したβ線検出器を作成している。このβ線検出器は100%近い立体角を持つので、ビーム強度を上げることによって実験室内のバックグラウンドが上昇しても、その影響を抑えることができる。Pr-153、154は共に、過去に1件しか報告がない核種で有り、その報告は京大原子炉からであるが、当時に比べ、オンライン同位体分離装置の強度は向上しているので、効率の良い検出器と高速データ収集系を組み合わせることで、より精度の高いデータが取得できると考えている。引き続き、MPPCに適したシンチレーター形状を選定してβ検出器の基礎特性をオフラインで測定し、オンライン実験に適用する。

Causes of Carryover

β線検出器用に試験的用いたMPPCの台数を増やして、集光効率を上げるなどの経費の一部として用いる予定である。