ｒ－過程元素組成比における第3ピーク滞留核近傍核のベータ崩壊様式研究

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26247044
• 研究機関: 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
• 研究代表者: 鄭 淳讃 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 協力研究員 (00262105)
• 研究分担者: 平山 賀一 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 研究機関講師 (30391733) ; 宮武 宇也 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 教授 (50190799) ; 石山 博恒 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 研究機関講師 (50321534) ; 渡邉 裕 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 研究機関講師 (50353363)
• 研究期間 (年度): 2014-06-27 – 2017-03-31
• キーワード: 元素合成 / レーザー共鳴イオン化 / アルゴンガスセル / 国際情報交換 / ベルギー

研究実績の概要

金、ウラン等の重元素を合成する速い中性子捕獲過程の起源となる天体環境の解明を目指し、中性子数N=126の安定閉殻の精密ベータ崩壊核分光実験を行う。そのため、多核子移行反応で生成される希少原子核を高速かつ高効率で分離、収集可能な単一原子核ビーム生成用ガスセル、レーザー装置、寿命測定用のベータ崩壊測定用検出器の開発を行った。
レーザー共鳴イオン化効率を向上されるために、色素レーザーと線幅を広げる光学装置を購入した。そのおかげで、ガスセル内に設置したフィラメントから蒸発した中性原子のタンタル(Z=73)、レニウム(Z=75)、イリジウム(Z=77)、白金(Z=78)を用いたオフライン試験で、効率の良いレーザー共鳴イオン化様式の探索に成功した。理化学研究所の加速器から供給されたキセノンビームを用いて、ガスセルシステムの性能試験および寿命測定を27年度に行った。
26年度末に開発した多段多極高周波イオンガイドの導入により、レーザー共鳴イオン化した原子の単体イオンとしての存在比の改善を図り、ほぼ198Pt+のみを引き出すことにオンライン試験で成功した。また短寿命核199Pt、196,197,198Irの引出しに成功し、ベータ崩壊の寿命を測定することに成功した。28年度の7月、9月に238U/136Xeビームで加速器実験を行い、寿命測定を進めて行く予定である。
生成量が少ない短寿命核のベータ崩壊寿命測定のため、バックグラウンドの低減をこれまで行っており0.1cpsを達成できた。高効率かつ低バックグラウンドガス検出器を開発することで、0.01cpsまで低減させて、より中性子過剰な短寿命核の寿命測定を推進する予定である。開発中のガス検出器の試作機では99%という高効率を達成できており、これを元に今年度初旬に実機を製作する予定である。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

27年度は、加速器を用いたオンライン試験で、本研究で予定している136Xeビームを198Pt標的に照射して、アルゴンガスセルの性能を評価した。短寿命核199Pt, 196,197,198Irを原子核反応で生成し、レーザー共鳴イオンにより引き出した後、ベータ崩壊の寿命測定に成功した。
引出したイオンは、アルゴンガス中の不純物と分子イオンを形成しており、引出し効率の低下の原因となる。イオン引出し光学系の多段多極高周波イオンガイドの構造を改良し、DC電場を用いることで分子を解離させ、単一イオンとしての引出し効率を向上させることにオンライン試験でも成功した。
希少反応生成物のベータ崩壊寿命を測定するために不可欠な低バックグランドのベータ線検出器として比例計数管を採用し、試作機を製作し、試験し、性能を評価した。効率は99%で位置感応型にすることで最終的に0.01cpsよりも十分に低いバックグラウンドを達成できると期待している。これを元に実機を今年度初旬に製作する。これにより、新たに10種類程度の核種の寿命測定が可能となる。
レーザー共鳴イオン化効率を向上されるために、色素レーザーと線幅を広げる光学装置を購入した。そのおかげで、ガスセル内に設置したフィラメントから蒸発した中性原子のタンタル(Z=73)、レニウム(Z=75)、イリジウム(Z=77)、白金(Z=78)を用いて、レーザー共鳴イオン化様式探索を行い、実用的な様式を発見できた。
27年度の理化学研究所の実験課題審査会で、未知中性子過剰核の寿命測定の課題が評価Aで採択された。このように未知中性子過剰核の寿命測定に向けた開発及び準備は着々と進んでいる。

今後の研究の推進方策

低バックグラウンド毎秒0.01個以下の比例計数管型ベータ線検出器の実機を今年度初旬に製作し、9月に予定されているオンライン試験で未知中性子過剰核203Pt、198Osの寿命測定を行う予定である。
未知核の生成反応断面積が一桁大きいと予測されている238Uビームを用いて、実際に生成反応断面積が増大することを7月の開発実験で確認する。これの結果によっては以後の実験は238Uビームを用いる。
現在、アルゴンガス中でレーザー共鳴イオン化を行っている。原子核反応で生成された核子当たり1MeV程度の短寿命核を効率よくガス中で捕集するために、一気圧に近いアルゴンガスを使用する。そのため目的の元素のレーザー吸収幅はレーザーの線幅よりも10倍近く広がっており、レーザーイオン化の効率が10%以下になっている。この状況を打破するために、27年度に大強度色素レーザーと線幅を広げる光学装置を購入した。これを整備して、7月または9月に予定されているオンライン試験で引出し効率の向上を図る。
利用できる一次ビーム強度の増大を図るために、新たにドーナツ型ガスセルの開発すすめる。これにより一桁以上の生成量増大を見込める。
上記の開発により、今年度は未知中性子過剰核Pt, Ir, Os同位体の寿命測定を行う。

研究成果

• [国際共同研究] Katholieke Universiteit Leuven(ベルギー)
  • 国名: ベルギー
  • 外国機関名: Katholieke Universiteit Leuven
• [国際共同研究] Institute for Basic Science/Seoul National University(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: Institute for Basic Science/Seoul National University
• [国際共同研究] GANIL/Institut de Physique Nucleaire (IPN)(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: GANIL/Institut de Physique Nucleaire (IPN)
• [国際共同研究] Universita di Torino/Laboratori Nazionali di Legnaro(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: Universita di Torino/Laboratori Nazionali di Legnaro
• [雑誌論文] On-line experimental results of an argon gas cell-based laser ion source (KEK Isotope Separation System) (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Hirayama, Y.X. Watanabe, N. Imai, H. Ishiyama, S.C. Jeong, H.S. Jung, H. Miyatake, M. Oyaizu, S. Kimura, M. Mukai, Y.H. Kim, T. Sonoda, M. Wada, M. Huyse, Yu. Kudryavtsev, P. Van Duppen
  • 雑誌名: Nucl. Instrum. Methods B 巻: 376 ページ: 52-56
  • DOI: 10.1016/j.nimb.2016.03.031
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Search for efficient laser resonance ionization schemes of tantalum using a newly developed time-of-flight mass-spectrometer in KISS (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Mukai, Y. Hirayama, H. Ishiyama, H.S. Jung, H. Miyatake, M. Oyaizu, Y.X. Watanabe, S. Kimura, A. Ozawa, S.C. Jeong, T. Sonoda
  • 雑誌名: Nucl. Instrum. Methods B 巻: 376 ページ: 73-76
  • DOI: 10.1016/j.nimb.2016.02.017
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Development of the detector system for image-decay spectroscopy at the KEK Isotope Separation System (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Kimura, H. Ishiyama, H. Miyatake, Y. Hirayama, Y.X. Watanabe, H.S. Jung, M. Oyaizu, M. Mukai, S.C. Jeong, A. Ozawa
  • 雑誌名: Nucl. Instrum. Methods B 巻: 376 ページ: 338-340
  • DOI: 10.1016/j.nimb.2016.01.041
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Beta-decay spectroscopy of r-process nuclei around N = 126 (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Hirayama, H. Miyatake, Y.X. Watanabe, N. Imai, H. Ishiyama, S.C. Jeong, H.S. Jung, M. Oyaizu, M. Mukai, S. Kimura T. Sonoda, M. Wada, Y.H. Kim, M. Huyse, Yu. Kudryavtsev, P. Van Duppen
  • 雑誌名: EPJ Web Conf. 巻: 109 ページ: 08001, p1-6
  • DOI: 10.1051/epjconf/201610908001
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Laser ion source for multi-nucleon transfer reaction products (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Hirayamaa, Y.X. Watanabea, N. Imaia, H. Ishiyamaa, S.C. Jeonga, H. Miyatakea, M. Oyaizua, S. Kimurab, M. Mukaib, Y.H. Kimc, T. Sonodad, M. Wadad, M. Huysee, Yu. Kudryavtseve, P. Van Duppene
  • 雑誌名: Nucl. Instrum. Methods B 巻: 353 ページ: 4-15
  • DOI: 10.1016/j.nimb.2015.04.001
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Pathway for the Production of Neutron-Rich Isotopes around the N=126 Shell Closure (2015)
  • 著者名/発表者名: Y.X. Watanabe, Y.H. Kim, S.C. Jeong, Y. Hirayama, N. Imai, H. Ishiyama, H.S. Jung, H. Miyatake, S. Choi, J.S. Song, E. Clement, G. de France, A. Navin, M. Rejmund, C. Schmitt, G. Pollarolo, L. Corradi, E. Fioretto, D. Montanari, M. Niikura, D. Suzuki, H. Nishibata, and J. Takatsu
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 115 ページ: 172503, p1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.172503
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] Experimental study of multinucleon transfer reactions of 136Xe + 198Pt for KISS project (2015)
  • 著者名/発表者名: 渡辺 裕
  • 学会等名: The 9th Japan-China Joint Nuclear Physics Symposium (JCNP2015)
  • 発表場所: 大阪大学吹田キャンパス(大阪府吹田市)
  • 年月日: 2015-11-07 – 2015-11-12
• [学会発表] KISSを用いた核分光実験 (2015)
  • 著者名/発表者名: 平山 賀一
  • 学会等名: 短寿命RIを用いた核分光と核物性研究II
  • 発表場所: 京都大学原子炉実験所(大阪府熊取町)
  • 年月日: 2015-11-04 – 2015-11-05
• [学会発表] 多核子移行反応によるN=126中性子過剰核の生成に関する実験的研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 渡辺 裕
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 大阪市立大学杉本キャンパス(大阪府大阪市)
  • 年月日: 2015-09-25 – 2015-09-28
• [学会発表] Beta-decay spectroscopy of r-process nuclei around N = 126 (2015)
  • 著者名/発表者名: 宮武 宇也
  • 学会等名: OMEG2015, The 12th International Symposium on Origin of Matter and Evolution of Galaxies
  • 発表場所: Beijing, China
  • 年月日: 2015-06-24 – 2015-06-27
  • 国際学会
• [学会発表] On-line experimental results of an argon gas cell-based laser ion source (KEK Isotope Separation System) (2015)
  • 著者名/発表者名: 平山 賀一
  • 学会等名: International Conference on Electromagnetic Isotope Separators and Related Topics (EMIS2015)
  • 発表場所: Grand Rapids, Michigan, in the United States
  • 年月日: 2015-05-11 – 2015-05-15
  • 国際学会
• [学会発表] Search for efficient laser resonance ionization schemes of tantalum using a newly developed time-of-flight mass-spectrometer in KISS (2015)
  • 著者名/発表者名: 向井 もも
  • 学会等名: International Conference on Electromagnetic Isotope Separators and Related Topics (EMIS2015)
  • 発表場所: Grand Rapids, Michigan, in the United States
  • 年月日: 2015-05-11 – 2015-05-15
  • 国際学会
• [学会発表] Development of the detector system for image-decay spectroscopy at the KEK Isotope Separation System (2015)
  • 著者名/発表者名: 木村 創大
  • 学会等名: International Conference on Electromagnetic Isotope Separators and Related Topics (EMIS2015)
  • 発表場所: Grand Rapids, Michigan, in the United States
  • 年月日: 2015-05-11 – 2015-05-15
  • 国際学会
• [学会発表] Measurements of multi-nucleon transfer reactions of 136Xe + 198Pt for production of exotic nuclei (2015)
  • 著者名/発表者名: 渡辺 裕
  • 学会等名: International Conference on Electromagnetic Isotope Separators and Related Topics (EMIS2015)
  • 発表場所: Grand Rapids, Michigan, in the United States
  • 年月日: 2015-05-11 – 2015-05-15
  • 国際学会
• [備考] KEK 短寿命核グループのホームページ
  • URL: http://research.kek.jp/group/kekrnb/