JP6308514B2 - 加速器用荷電粒子測定ユニット - Google Patents

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Description

本発明は、加速器から供給される荷電粒子の強度を測定する加速器用荷電粒子測定ユニットおよび加速器に関するものである。
高エネルギー物理学の実験および医療などに、加速器が用いられている。加速器においては、加速させた荷電粒子の強度を測定することが求められる。従来、荷電粒子の強度の測定方法として、ファラデーカップによる電流計測方法（非特許文献１参照）、および薄膜への入射粒子のラザフォード散乱を用いた電流計測方法（非特許文献２参照）が提案されている。
‐Cup Monitors for High‐Energy Electron Beams文 K. L. Bro’wn and G. W. Tautfest, Rev. Sci. Instrum. 27, 696 (1956) " The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom" E. Rutherford, Philos. Mag., vol 6, pp.21, (1911)
ファラデーカップによる電流計側方法およびラザフォード散乱を用いた電流計側方法の何れも接触法による荷電粒子の測定方法である。接触法では、加速する荷電粒子の高エネルギー化および大強度化に伴い、接触部分における仕事量が増加するため、荷電粒子の強度の測定精度が低下し得る。
本発明は、かかる観点に鑑みてなされたもので、荷電粒子の強度の測定精度の低下を抑制させた加速器用荷電粒子測定ユニットを提供することを目的とするものである。
上述した諸課題を解決すべく、第１の観点による加速器用荷電粒子測定ユニットは、
気体状のシンチレータを内部に含み、加速器から供給される荷電粒子が通過するガスチャンバと、
前記ガスチャンバ内における前記荷電粒子の通過経路における光量を検出する光検出器と、
前記ガスチャンバの窓部と前記光検出器との間に設けられる光ファイバと、を備え、
前記ガスチャンバには、前記荷電粒子を通過させるための入口孔および出口孔を有する
ことを特徴とするものである。
また、第２の観点による加速器用荷電粒子測定ユニットにおいて、
前記光検出器が検出した光量に基づいて、前記荷電粒子の強度を算出する算出部を、さらに備える
ことが好ましい。
また、第３の観点による加速器用荷電粒子測定ユニットにおいて、
前記ガスチャンバおよび前記光検出器の間に設けられ、前記シンチレータの種類に応じて定められる帯域の光を透過するフィルタを、さらに備える
ことが好ましい。
また、第４の観点による加速器用荷電粒子測定ユニットにおいて、
前記フィルタを透過する光の帯域は、不可視光の帯域である
ことが好ましい。
本発明によれば、加速器用荷電粒子測定ユニットにおいて、荷電粒子の強度の測定精度の低下を抑制可能である。
本発明の一実施形態に係る加速器用荷電粒子測定ユニットを有する超重元素合成装置の概略構成を示す機能ブロック図である。 図１におけるガス充填反跳イオン分離器の構成を示す断面図である。 加速器用荷電粒子測定ユニットの概略構成を示す機能ブロック図である。 シンチレータが発光した光の受光量と荷電粒子の強度の関係を示す両対数グラフである。
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る加速器用荷電粒子測定ユニットを有する超重元素合成装置の概略構成を示す機能ブロック図である。
超重元素合成装置１０は、イオン源１１、加速器１２、標的１３、ガス充填反跳イオン分離器１４、および検出器１５を含んで構成される。
イオン源１１は、中性原子から電子をはぎ取り、陽イオンである荷電粒子を生成する。加速器１２は、イオン源１１から引き出された荷電粒子を加速させ、イオンビームとして膜状の標的１３の原子に衝突させる。イオンビームを標的１３の原子に衝突させると、ごく一部が融合反応を起こして超重核を形成する。ガス充填反跳イオン分離器１４は、標的１３から飛出すごく一部の超重核およびイオンビームを形成する多数の荷電粒子を分離する。検出器１５は、検出器１５内で起きる超重核のアルファ崩壊および自発核分裂による安定核への壊変による壊変連鎖のエネルギーなどを解析して、形成された超重核の核種、寿命、崩壊エネルギーなどを決定する。
次に、加速器用荷電粒子測定ユニットが組込まれる、ガス充填反跳イオン分離器１４の構成について詳細に説明する。図２に示すように、ガス充填反跳イオン分離器１４は、ガスチャンバ１６、第１の双極電磁石１７、第２の双極電磁石１８、第１の４重極電磁石１９、および第２の４重極電磁石２０を含んで構成される。
ガスチャンバ１６は、一部が屈曲した管腔であり、入口孔２１、出口孔２２、窓部２３を有する。入口孔２１からは、超重核イオンおよび超重核の形成に用いられなかったイオンビームが入射する。出口孔２２からは、ガスチャンバ１６により分離された超重核イオンが出射し、検出器１５に入射する。窓部２３は、例えばアクリルであって、光を透過する。ガスチャンバ１６内には、入射するイオンと電子の交換を行う希薄なガスが注入される。ガスチャンバ１６に注入されるガスは、気体状のシンチレータとしても機能するガスが選択される。例えば、本実施形態では、ヘリウムが用いられる。超重核イオンの電荷は、標的１３との衝突時において、平均値の周りに分散して分布する。ガスチャンバ１６は、超重核イオンの電荷の分布の拡がりを、ガスの原子との電子の繰返しの交換により狭小化させる。電荷を狭小化させることにより、超重核イオンの分離効率を向上させる。
第１の双極電磁石１７、第１の４重極電磁石１９、第２の４重極電磁石２０、および第２の双極電磁石１８が順番に、ガスチャンバ１６の入口孔２１から出口孔２２までの経路に沿って、設けられる。第１の双極電磁石１７は、超重核イオンと荷電粒子とを分離させ、荷電粒子をガスチャンバ１６の内壁に衝突させ（符号ＩＢ参照）、超重核イオンのみを第１の４重極電磁石１９が設けられる領域に入射させる。第１の４重極電磁石１９および第２の４重極電磁石２０は超重核イオンを検出器１５の焦点面に結像させる。第２の双極電磁石１８は、荷電粒子のガスチャンバ１６内壁への衝突時に発生するバックグラウンド粒子を掃討する。
次に、ガス充填反跳イオン分離器１４に組込まれる加速器用荷電粒子測定ユニットの構成について詳細に説明する。図３に示すように、加速器用荷電粒子測定ユニット２４は、ガスチャンバ１６、光ファイバ２５、フィルタ２６、光検出器２７、電圧源２８、電流計２９、および算出部３０を含んで構成される。
前述のように、ガスチャンバ１６には、気体状のシンチレータｇ−ｓｃｉが注入される。それゆえ、シンチレータｇ−ｓｃｉは、ガスチャンバ１６内を通過する荷電粒子によって、発光する。ガスチャンバ１６の窓部２３は、強度測定を所望する荷電粒子の通過経路付近に設けられる。例えば、イオンビームの強度測定を望む場合には、窓部２３は入口孔２１近傍に設けられる。
光ファイバ２５は、窓部２３に、取付けられる。光ファイバ２５は、ガスチャンバ１６内の荷電粒子の通過経路におけるシンチレータｇ−ｓｃｉが発光する光をフィルタ２６に伝達する。
フィルタ２６は、光ファイバ２５および光検出器２７の間に設けられ、光ファイバ２５が伝達した光の中で特定の帯域の光を透過する。フィルタ２６の透過帯域はシンチレータｇ−ｓｃｉの種類に応じて定められる。例えば、シンチレータｇ−ｓｃｉが発光する光スペクトルにおいて、ピークを有する帯域を透過帯域として有するフィルタ２６が選択される。また、例えば、光検出器２７の検出感度の良好な帯域を透過帯域として有するフィルタ２６が選択されることが好ましい。本実施形態では、例えばシンチレータｇ−ｓｃｉとして用いられるヘリウムによる発光スペクトルがピークを有しかつ不可視光の帯域であって、さらに後述する光検出器２７の検出感度が良好である紫外光の帯域を透過するフィルタ２６が用いられる。
光検出器２７は、例えば光電子増倍管であって、フィルタ２６を透過した特定の帯域の光の受光量を検出し、受光量に応じた電流を出力する。電圧源２８は、光検出器２７による受光量検出のために、高圧の電圧を印加する。電流計２９は、光検出器２７が出力する電流、すなわち受光量に応じた電気信号を生成する。
算出部３０は、例えば、荷電粒子の算出プログラムをインストールしたコンピュータであり、電流計２９から取得する電気信号に基づいて、シンチレータｇ−ｓｃｉを発光させた荷電粒子の強度を算出する。本実施形態において、荷電粒子の強度とは、単位時間当たりの荷電粒子の個数である。シンチレータｇ−ｓｃｉが発光した光の受光量および荷電粒子の強度には、図４のような相関関係があり、当該相関関係は算出部３０が有するメモリに予め記憶される。算出部３０は、取得する電気信号に相当する受光量に対応する荷電粒子の強度をメモリから読出し、算出する。
以上のような構成の本実施形態の加速器用荷電粒子測定ユニットによれば、測定対象の荷電粒子に非接触で強度を算出可能である。荷電粒子の強度を非接触で測定するので、接触部分における仕事量が発生せず、荷電粒子の強度の測定精度の低下を抑制可能である。
また、本実施形態の加速器用荷電粒子測定ユニットによれば、フィルタ２６の透過帯域が紫外光の帯域なので、窓部２３からフィルタ２６までの間の光の経路に侵入する外光もフィルタ２６により遮光することが可能である。したがって、本実施形態の加速器用荷電粒子測定ユニットには、外光を遮光するシステムなどが不要である。
本発明を諸図面や実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。
例えば、本実施形態において、ガス充填反跳イオン分離器１４に加速器用荷電粒子測定ユニット２４を組込んだが、加速器１２により加速させた荷電粒子を用いる他の装置に加速器用荷電粒子測定ユニット２４を組込んでもよい。または、加速器１２により加速させ供給される荷電粒子を測定するために、単体で加速器用荷電粒子測定ユニット２４を用いてもよい。
また、本実施形態において、特定の帯域の光を透過するフィルタ２６を用いたが、例えば分光器などを用いてもよい。
１０ 超重元素合成装置
１１ イオン源
１２ 加速器
１３ 標的
１４ ガス充填反跳イオン分離器
１５ 検出器
１６ ガスチャンバ
１７ 第１の双極電磁石
１８ 第２の双極電磁石
１９ 第１の４重極電磁石
２０ 第２の４重極電磁石
２１ 入口孔
２２ 出口孔
２３ 窓部
２４ ガス充填反跳イオン分離器
２５ 光ファイバ
２６ フィルタ
２７ 光検出器
２８ 電圧源
２９ 電流計
３０ 算出部
ｇ−ｓｃｉ シンチレータ

Claims (4)

  1. 気体状のシンチレータを内部に含み、加速器から供給される荷電粒子が通過するガスチャンバと、
    前記ガスチャンバ内における前記荷電粒子の通過経路における光量を検出する光検出器と、
    前記ガスチャンバの窓部と前記光検出器との間に設けられる光ファイバと、を備え、
    前記ガスチャンバには、前記荷電粒子を通過させるための入口孔および出口孔を有する
    ことを特徴とする加速器用荷電粒子測定ユニット。
  2. 請求項１に記載の加速器用荷電粒子測定ユニットであって、
    前記光検出器が検出した光量に基づいて、前記荷電粒子の強度を算出する算出部を、さらに備える
    ことを特徴とする加速器用荷電粒子測定ユニット。
  3. 請求項２に記載の加速器用荷電粒子測定ユニットであって、
    前記ガスチャンバおよび前記光検出器の間に設けられ、前記シンチレータの種類に応じて定められる帯域の光を透過するフィルタを、さらに備える
    ことを特徴とする加速器用荷電粒子測定ユニット。
  4. 請求項３に記載の加速器用荷電粒子測定ユニットであって、
    前記フィルタを透過する光の帯域は、不可視光の帯域である
    ことを特徴とする加速器用荷電粒子測定ユニット。
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