Study on the applications of emulsion technology for the purpose of astrophysics and medicine T.Toshito (Nagoya University) K. Niwa, T. Nakamura, M. Natsume, T. Ban, N. Naganawa, S. Takahashi, H. Shibuya, S. Ogawa, M. Shibasaki, C. Fukushima, S. Aoki, K. Kodama, N. Kanematsu, M. Komori, K. Yusa, K. Amako, K. Murakami, T. Sasaki, M. Ozaki and N. Kokubun Oct.1 st 2005 Nagoya University, Toho University,NIRS,KEK,SLAC,JAXA, etc.

NIRS HIMAC P152 Charged multiplicity, charge, LET, angular and momentum distribution ⇒ construction of database Event by event 3D kinematical information ⇒ direct validity test of 3D Monte Carlo simulator such as JQMD build GEANT4 Target(H,C,N,O,Ca,P etc.) Beam(mainly 12 C) Fragment reaction Development of emulsion technology to study fragment reaction interested in heavy ion therapy

12 C 180MeV/u 150μm Tracking detector with 3 dimensional spatial resolution of ~ 1μm Possible to detect and identify all charged secondary particles Carbon fragmentation in nuclear emulsion

High speed emulsion readout system Readout speed : 1cm 2 /hour For heavy ionizing particles Positional accuracy :1μm Angular accuracy :5mrad Detection efficiency :~100%(tanθ ≦ 0 ． 4) Pulse height ∝ dE/dx for MIP region 44μm S.Aoki, et al. NIM B 51(1990)466 T.Nakano, BUTSURI 56,411(2001) ・ Optical microscope with 3 dimensional image processor ・ Developed for neutrino experiment

Emulsion chamber to study C-Water interactions 30cm Water Film for Light and water shield Thickness :128μm 3mm Emulsion film 44μm emulsion on both side of 205μmTAC base 87layers Multi layer structure with 3mm thickness of water gap Jan.04 exp. 430MeV/u 12 C

Emulsion chamber to study C-Water interactions 30cm Water Film for Light and water shield Thickness :128μm 3mm Emulsion film 44μm emulsion on both side of 205μmTAC base 87layers Multi layer structure with 3mm thickness of water gap Jan.04 exp. 430MeV/u 12 C

2cm 22cm Jan MeV/u 12 C ~12000 beam tracks 4000 E kine =430~200MeV/u Multiplicity Impact parameter (μm)

・ Water(H 2 O) and Lucite(C 5 H 8 O 2 ) hybrid target ・ Emulsion film with reduced sensitivity for charge identification to avoid saturation of pulse height ・ Reduced sensitivity by 1/5 and 1/10 are combined Emulsion with normal sensitivity Reduced sensitivity by 1/5 Water 2mm Reduced sensitivity by 1/10 Lucite(1mm) Dec.04 exp. 400MeV/u 12 C 1/10 sensitivity 1/5 sensitivity B C Be Li He Pulse height 65layers Emulsion chamber to study C-Water and C-Lucite interactions

A.N.Golovchenko(2002) I.Schall(1996) Our preliminary results without efficiency correction C-Water(H 2 O) fragment reaction cross section Validity check

A.N.Golovchenko(1999) I.Schall(1996) Our preliminary results without efficiency correction C-Lucite(C 5 H 8 O 2 ) fragment reaction cross section Validity check

B BeLi He H Emission angle with respect to the beam(tanθ) Emission angle of secondly particles classified by charge

Velocity distribution of Z=1 fragments Pulse height ⇔ dE/dx(LET) ⇔ velocity E beam :430~395MeV/uE beam :395~360MeV/u E beam :325~285MeV/uE beam :360~325MeV/u E beam :285~245MeV/uE beam :245~195MeV/u β Calibrated by proton KEK PS proton π+π+ Pulse height

NIRS HIMAC P152 Apr.03, Jun.03, Sep.03, Apr.04, May.04 R&D for emulsion readout, chamber design and charge identification Jan.04 and Dec.04 for physics result of C-Water and C-Lucite interaction in ＞ 200MeV/u Preliminary results are presented. Cross section : consistent with other experiments Validity test of JQMD build Geant4 is set going. Summary

Two dedicated exposure to study Low energy interaction <200MeV/u Sep MeV/u 12 C Dec MeV/u 12 C Outlook For charge identification, emulsion films with much more reduced sensitivity is required because of higher dE/dx in low energy. New emulsion processing method is under study! 290MeV/u 9 B Normal processingGold processing Low sensitivity & Fine grain

(Super-Ultra Track Selector) S-UTS Scanning speed: 20cm 2 /hour Fast CCD camera (3k frames/sec) Continuous movement of the X-Y stage Z movement controlled by piezo actuator developed at Nagoya Univ. Scanning speed will increase by a factor of 20 Ready for scan. We will obtain much more statistics !

金現像

2004~2005 年度 400MeV/u 以下での炭素、水反応のシステマティックな 解析 2004/1 430MeV/u Z=3 以上の電荷同定なし 2004/12 400MeV/u 2005/9 230MeV/u 2005/12 100MeV/u 低エネルギー領域での結果が重要 モデル計算・実験の食い違いが大きい エマルションの空間分解能が活かされる

2003 年：エマルション技術がどのように活用できるかの試行錯誤 2004 年：炭素 - 水反応に焦点を絞った 粒子同定：リフレッシュ 2005 年：炭素 - 水反応：より低エネルギー領域でのデータ収集 粒子同定手法の改良 金現像など 原子核、ハドロン実験の可能性をさぐる C-Ca,C-P 反応、 O-C 反応 解析ツールは NETSCAN 用のものを流用 必要に応じて改良 データのまとめ シミュレーション (Geant4) との比較

Emulsion read-out (Super-Ultra Track Selector) S-UTS Scanning speed: 20cm 2 /h ×20 faster than current system (UTS) Fast CCD camera (3k frames/sec) Continuous movement of the X-Y stage Z movement controlled by piezo actuator developed at Nagoya Univ.

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

Stopping point of Carbon beam 30cm Dec C 400MeV/u 65layer

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

Target Be(2mm) Degrader( たぶんアルミニウム ) TOF(start) ΔE( シリコン ) TOF(stop) Bending magnet

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

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

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 ) (μm)

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

プレート番号 ビーム パルスハイト 10+10=20 枚で平均 B Be Li He Carbon

2005 年度 より低エネルギーへ 秋に 2 回マシンタイム 9 月 6 日 230MeV/u 12 月 6 日 100MeV/u リフレッシュ法の限界 ⇒より低感度のエマルションが必要 ターゲット ( 水、アクリル ) を薄くする 水中飛程 ~3cm

dE/dx in emulsion β=v/c Z=1 Z=2 Z=3 Z=4 Z=5 Z=6 dE/dx ∝ Z 2 f(β) M.I.P. Calculated by Bethe-Bloch equation black track thin track gray track 倍 ) 倍 )

通常の写真現像のメカニズム 白黒写真画像の作製方法 化学現像 銀イオンは ハロゲン化銀粒子内から 供給される 物理現像 銀イオンは 液中から供給される Red Ox e- 潜像核 Ag+ AgX 半球状銀 Red Ox e- 潜像核 Ag+ AgX フィラメント 状銀

金現像