宇宙・医療分野へのエマルション チェンバー技術の応用のための研究 歳藤利行 ( 名古屋大学 ) H16 年度 HIMAC 千葉 名古屋大学、 NIRS 、 GEANT4 日本グループ (KEK ， SLAC) 、 JAXA 、東邦大学な ど 名大理，放医研 A ，高エ研 B ，宇宙研 C ，東大理 D ，神戸大発達 E ，東邦大理 F ，愛知教育大教育 G ，鳴門教育大 H ，群馬 大医 I ， SLAC J ，立命館大理工 K 歳藤利行，丹羽公雄，中野敏行，中村琢，伴尊行，高橋覚，兼松伸幸 A ，遊佐顕 I ， 小森雅孝 A ， 村上晃一 B ，佐々木節 B ，尼子勝哉 B ，吉田肇 H ，田中覚 K ，小井辰巳 A ，浅井慎 J ，尾崎正伸 C ，国分紀秀 D ，青木茂樹 E ， 渋谷寛 F ，児玉康一 G NIRS HIMAC P152 実験

P152 実験の目的 150μm 炭素ビーム 180MeV/u 原子核の多重度、角度、運動量などを測定。データベース 化 GEANT4 の重粒子線治療応用、 人工衛星による X 線・ γ 線観測における宇宙線バックグラウ ンド評価を確立させるのに必要な調整用・検証用データと して利用。 エマルション すべての荷電 2 次粒子を検出・測定 個々の事象ごとに反応を再構成 標的 ( 人体では H,C,N,O,Ca,P な ど ) ビーム 入射核破砕反応 エマルション技術の開発・改良 Exclusive な解析が可能

飛跡の高速自動読み取 り 重イオントラックに対して 位置精度～ 1μm 角度精度～ 5mrad 検出効率～ 100%( tanθ ≦ 0 ． 4) 44μm 16 層の断層映像 3 次元画像解析 ~120μm 中野敏行 : 三次元素粒子飛跡の並列画像処理 日本物理学会誌 2001 年 6 月号 S.Aoki, et al. NIM B 51(1990)466 3 視野 / 秒

炭素 - 水反応収集用 水ターゲットチェ ンバー 人体の主要構成物質 2004 年 1 月マシンタイム 430MeV/u β= C ビーム 本 / 2cm×2cm 87 層 水 遮光防水フィルム 厚さ ~128μm 3mm 30cm エマルションフィルム 44μm 両面塗り 205μmTAC ベース 87 層 水中飛程 ~30cm ビームが静止するまでの エネルギー領域をカバー

オンライン：各プレート上でのトラックの読 み出し 水 3mm エマルションフィルム

オフライン処理：直線トラックを再 構成

オフライン処理：バーテックスの再構 成 インパクトパラメータ (μm) 多重度 (2 次粒子の本数 ) 2cm 22cm ~6μm ~6000 反応

入射核破砕反応断面積の導出 定義： 破砕反応 =2 本以上の 2 次粒子をともなった反応 Nbeam(1) Nint Nbeam(2) ビームと 2 次粒子を同時測定して 反応を再構成・検出 Nint Nbeam(1) P( 反応確率 )= σ= M(=18: 分子量 )P N A ρ( 密度 )x( 厚さ ) x P<<1 ならば 深さ⇔エネルギーの関係 GEANT4 によるモンテカルロ計算

過去に測定された Charge changing cross section との比較 / 5layers Our results I.Schall A.N.Golovchenko L.Sihver モデル計算 統計誤差のみ考慮 アクセプタンス・検出効率などの 補正なし preliminary = σ(total)-σ(elastic)-σ(neutron removal)

パルスハイトによる電荷の分離 ・・・・・・ Z=1Z=2 Z=6 2 次粒子 入射粒子 16 層 ピクセル 0.3μm× 0.3μm E kine =430~100MeV/u 44μm 検出された飛跡 パルスハイト パルスハイト：フィルム 1 枚あたりの平均ピクセル数 Z=1 の粒子に対しては∝ dE/dx(β) Z≧3Z≧3

電荷の分離 (3 ≦ Z ≦ 6) リフレッシュ処理による減感 35 grains/100μm ～ 8 grains/100μm 30 ℃,R.H.98%,3 日間 ビーム照射後のフィルムを高温・高湿下に さらして、潜像核を消去する。 δ 線～ 5 本 /44μm Z=1 Z=2 Z=6 感度を下げる手段として利用 30 ℃ 38 ℃ 45 ℃でテスト

3 He 7 Li 11 B 9 Be 12 C Reference リフレッシュ処理なし 30 ℃ 38 ℃ 45 ℃ パルスハイト 290MeV/u 12 C からつくられた Z=2 から 6 までの 2 次ビームを照 射 2004 年 4,5 月マシンタイム Be Li B Z=6 までの電荷識別に有効 速度はほぼ等しい β~0.65 平均化

2004 年 12 月 1 日マシンタイム 水 (H 2 O) とアクリル (C 5 H 8 O 2 ) の複合ターゲット 低感度エマルションの導入 ( リフレッシュ ) ⇒電荷の区別可能 検出器のアップグレード Normal エマルション 低感度 :~1/5 38 ℃リフレッシュ 水 水 水 2mm 低感度 :~1/7 40 ℃リフレッシュ アクリル ( 厚さ 1mm) 400MeV/u 12 C 65 層

1 層目 24 層目 多重度 2 以上の反応の 2 次粒子 40 ℃リフレッシュ 38 ℃リフレッシュ B C Be Li He 10.7cm パルスハイト Z=6 まで電荷を識別 65 層のうち上流側 24 層分

まとめ P152 実験 2004 年 1 月マシンタイム 430MeV/u 12 C 炭素 - 水 入射核破砕反応 E k =430~100MeV/u において断面積を測定 多重度、電荷、放出角、速度分布なども測定 データベース化 GEANT4 に組み込まれた QMD に基づく核破砕反応ルーチン (JQMD) の検証、調整 さまざまなビーム、ターゲット (Ca,P など ) を用いたデータ集収 2004 年 12 月マシンタイム 400MeV/u 12 C ：電荷情報を付加 炭素 - 水、炭素 - アクリル反応 飛跡読み取り進行中 検出効率などの評価 オフライン処理の改良 2004 年 4,5 月マシンタイム 290MeV/u 12 C → ２次ビーム 電荷同定の R&D Z=6 まで電荷を識別

水槽 エマルションフィルム 12.5cm 10cm OPERA 実験用に大量生産中 87 層 40cm21cm 厚さ 293μm

バーテックスの再構成 2cm 22cm 3mm 上流側から 77 層 (27cm ）分を解析 E kine =430~100MeV/u エマルションフィルム 44μm 両面塗り 205μmTAC ベース 水 多重度 (2 次粒子の本数 ) インパクトパラメータ (μm)

430MeV/u 12 C ~4000 事象 ~12000 本 2cm 22cm 上流側から 66 層 (22cm ）分のデータ E kine =430 ～ 200MeV/u

2cm 22cm 430MeV/u 12 C ~12000 本 青 :Z=1, 緑 :Z=2, 赤 :Z ≧ 事象

入射粒子との角度差 (tanθ) Z=1 Z=2 Z≧3Z≧3 E kine =430~100MeV/u 2 次粒子の電荷別角度分布 22cm 2cm

2 次粒子に含まれる水素原子核 (Z=1) の速度分布 パルスハイト⇔ dE/dx ⇔速度 E kine :430~395MeV/uE kine :395~360MeV/u E kine :325~285MeV/uE kine :360~325MeV/u E kine :285~245MeV/uE kine :245~195MeV/u 炭素ビームのエネルギー 領域ごとに区別 β

角度依存性 θ 依存性 : 放物線で近似 Ph(θ,φ,dE/dx) =A(dE/dx の 3 次式 )+B(φ,dE/dx)×tan 2 θ φ=0° φ=90° φ 依存性 : 三角関数で近似 B(φ)= － cos(2φ)×(B(90 o ) － B(0 o ))/2 + (B(90 o )+B(0 o ))/2 0 φ B(φ) B(0 o ) B(90 o ) 実は B(φ)=B(φ,dE/dx) :KEK テストビームの測定結果に合うように滑らかに補間

速度・角度相関

Track Fiducial Cut 各 track の end point に対して要求

Energy Scaling 始点：加速器によるビームエネルギー (430MeV/u) 終点：反応を起こさないビームが到達する深さを 3mm 間隔のサンプリングで測定 途中： GEANT4 によるモンテカルロ計算で内挿 反応点の深さ⇔炭素ビームのエネルギー エネルギー絶対値の誤差＜ 2% 深さ 12 C ビーム 430MeV/u 終点：測定点 物質量の補正 エネルギー

水中反応の選び出し ECC : 549 micron margin : micron

Refresh : erasing cosmic-ray background 35 grains/100μm ～ 8 grains/100μm Condition : For 3 days Temperature 30 ℃, Humidity 98 ％ Before refresh After refresh

リフレッシュ処理による電荷の 分離 リファレン ス リフレッシュ処理 38 ℃ R.H.98% 3 日 ビーム照射後のフィルムを高温・高湿下に さらして、主にデルタ線 ( 電子 ) が生成した 潜像核を消去する。 δ 線～ 5 本 /44μm Z=1 Z=2 Z=6 現像後の飛跡が細くなる 180MeV/u 12 C ビーム ピクセル数 リファレ ンス リフレッシュ処理 後 Z=6 Z=2 Z=1

エマルションフィルム 32 枚 3 He 7 Li 11 B 9 Be 12 C reference 30 ℃ 38 ℃ 45 ℃ R.H.98% 3 日間でリフレッシュ処理 4 プレートずつ 290MeV/u 12 C からの 2 次ビームを照 射 2 ≦ Z ≦ 年 4,5 月マシンタイム 速度はほぼ等しい β~0.65 Z=1 ならば dE/dx=1.7×MIP

リフレッシュ 2004 年 12 月 40 ℃リフレッシュ試験 (2 次ビーム： 2004 年 5 月照射フィルム ) 40 ℃と 38 ℃ ( いずれも R.H.98%,3 日間 ) の 2 種類に決定 2005 年 1 月 水ターゲットチェンバーのフィルムをリフレッシュ処理 リファレンス用 2 次ビーム照射フィルムも同時に処理 すべて現像を完了した no refresh 45 ℃ 38 ℃ 40 ℃ 30 ℃ He Li Be B C

30 ℃ 38 ℃ 45 ℃足して平均 3 He 7 Li 11 B 9 Be 12 C Be Li B Z=6 までの電荷識別に有効 パルスハイト

・・・ 400MeV/u 12 C アクリル窓 ( 厚さ 1mm) スペーサー ( 厚さ 2mm) OPERA-film4 枚とアクリル板 ( 厚さ 1mm) をパックしたもの 鉛 ECC OPERA-film(29)+Pb(1mm) +OPERA-film(28)+Pb(1mm)+ … +Pb(1mm)+OPERA-film(1) 28.75cm4.65cm

リフレッシュなしフィルムのスキャン 水ターゲットチェンバー、スポット１、３ 2.5cm×2.5cm 15000×2 スポット =30000 本 プレート 100 から 77 まで (24 層 ) 上流側スキャン完了 (1 月 30 日 ) 上流

低感度 38 ℃リフレッシュ 低感度 40 ℃リフレッシュ Normal エマルション パルスハイト

54μm 72μm β= C 11 B

9 Be β= μm 72μm

Grain Count for Heavy Ions, β=0.65 Angle 1 Angle 2 9 Be 11 B 12 C Grains / 72μm Preliminary ! Grain Density = (93±9) / 72μm = (1.3±0.1) / 1μm Grain Density ∝ Z 2