物理学基础研究-东北大学大学院理学研究科物理学専攻素粒子核.docVIP

物理学基礎研究　原子核物理 ワイヤー一本でX線や素粒子を検出しよう ～ワイヤーチェンバーを手作りして素粒子?原子核実験を体験～ 東北大学　理学研究科 物理学専攻 原子核物理 田村裕和 三輪浩司 Teaching Assistant 大谷友和 Technical Assistant 千賀信幸 テーマ開発 小林俊雄 目次 1. 序 (1) ガスを用いたワイヤー検出器 (2) 目的 (3) 予定 (4) 注意事項 (5) 参考文献 2. 実験手順 (1) 比例計数管本体の製作 ① 概略 ② 製作手順 ③ 高電圧 ④ PreAmp 信号の観測 (2) 増幅?整形回路の製作 ① 概略 ② 実際の回路 ③ 回路製作と試験 (3) 放射線の観測 ① X 線の観測 ② β線の観測 ③　宇宙線の観測 (4) レポート課題 3. Appendix (1) 単位と相対論的運動学 (2) 荷電粒子と物質の相互作用 (3) ガンマ線と物質の相互作用 (4) 原子核の崩壊と放射線源 (5) 比例計数管 (6) 電子回路 (7) オシロスコープ (8) MCA(MultiChannel Analyzer) (9) 信号観測の例 序 ガスを用いたワイヤー検出器 MWPC/DC (MultiWire Proportional Chamber / Drift Chamber)は、現在殆ど全ての素粒子?原子核実験に用いられている。 これは、多数の細いアノードワイヤーを張った検出器中に気体を充填し、荷電粒子やγ線による電離により発生した１次電離電子を電子雪崩過程によりガス増幅し、粒子の通過位置を0.1-1 mm程度の精度で測定する検出器である。 多くの場合、磁場中の荷電粒子の曲率半径を数面の位置検出器を用いて測定し、粒子の運動量を求める目的で用いられる。 低エネルギー粒子は、粒子を物質中に止めて全エネルギーを測定する事が可能であるが、高エネルギー粒子は止まるまでのレンジが長く膨大な物質量が必要になる上、強い相互作用をする粒子の場合は止まる前に反応で消滅してしまう。 その為、高エネルギー粒子の運動量測定には多くの場合磁場と位置検出器の組合せが用いられる。 要求されるのは、粒子の通過位置を広い面積にわたり高い位置精度で測定できる検出器である。 さらに、粒子の方向を決めるには少なくとも空間の２点での測定が必要な為、測定により粒子の方向を変えない低物質量の検出器が必要となる。 又、実験によっては非常に頻度の高い（高計数率）粒子を測定できる能力も必要とされる。 ガスを用いたワイヤー検出器はこれらの要求をほぼ満たす検出器であり、 現在の素粒子?原子核実験に必要不可欠な道具となっている。 その重要性は、MWPC の開発による功績を評価され、G. Charpakが1992年にノーベル物理学賞を受賞した事からも伺い知る事ができる。 目的 この実験では、 １． MWPC/DCの基本である円筒型比例計数管本体と、 検出器からの微弱な電気信号を増幅／整形する電子回路を製作する。 ２． 自作した検出器を用いて、 ガス中での光電効果を用いてX線を観測し、 光と物質の相互作用と、ガス検出器の動作を学ぶ。 ３． ガス中での電離過程を用いてβ線を観測し、荷電粒子と物質の相互作用と、ガス検出器の動作を学ぶ ４．複数の比例計数管を並べて宇宙線の同時計測を行い、論理回路の基礎を学ぶ。そして宇宙線の角度分布を測定する。 等の作業を行う。これまで殆ど経験が無いと思われる検出器や電子回路の製作を通して、 実際の実験研究で必要な技術や知識の一部に触れ、同時に放射線計測の理解に必要な物理 知識を確認する。 ?１.3? 予定 大体の実験予定は以下の通り。 第１回：演習内容の説明 第2回：比例計数管の製作、増幅回路の説明と製作 第3回：比例計数管の完成、ガス漏れのチェック、回路製作 第4回：物質と粒子の相互作用の説明、X線および(線の観測 第5回：X線およびβ線の観測(2) 第6回：ディスクリミネーター回路の製作と宇宙線の同時計測 第7回：宇宙線の同時計測、データ解析 第8回：データ解析、発表準備 第9回：発表会 「1.4」 注意事項　 １． 検出器には、PRガスと呼ばれる90%Ar+10%CH4混合ガスを用いる。 法律上可燃性ガスの扱いは受けないが、メタンが含まれている為、ガス漏れには注意を払う。 ２． 作業中、細いアノードワイヤー、抵抗やコンデンサーのリード線、配線用電線などの切り屑が出る。 これらが放置されて電子回路や計算機の中に入るとショートを起こすので、放置せずに、必ずゴミ箱のビニール袋に入れて飛び散らないようにする。 ３． ハンダごてを使用するので火災を起こさないように注意。 毎回、実験終了時