Transcript 12 C 180MeV/u

Oct.1st 2005 JKMP@Kyoto
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
Nagoya University, Toho University,NIRS,KEK,SLAC,JAXA, etc.
NIRS HIMAC P152
Development of emulsion technology to study fragment reaction
interested in heavy ion therapy
Fragment reaction
Beam(mainly 12C) Target(H,C,N,O,Ca,P etc.)
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
Carbon fragmentation in nuclear emulsion
12C
180MeV/u
150μm
Tracking detector with 3 dimensional spatial resolution of ~ 1μm
Possible to detect and identify all charged secondary particles
High speed emulsion readout system
・Optical microscope with
3 dimensional image processor
・Developed for neutrino experiment
S.Aoki, et al. NIM B 51(1990)466
T.Nakano, BUTSURI 56,411(2001)
44μm
Readout speed : 1cm2/hour
For heavy ionizing particles
Positional accuracy :1μm
Angular accuracy :5mrad
Detection efficiency :~100%(tanθ≦0．4)
Pulse height ∝ dE/dx for MIP region
Emulsion chamber to study C-Water interactions
Multi layer structure with 3mm thickness of water gap
Jan.04 exp.
30cm
430MeV/u 12C
87layers
Water
3mm
Film for Light and
water shield
Thickness :128μm
Emulsion film
44μm emulsion on both side of 205μmTAC base
Emulsion chamber to study C-Water interactions
Multi layer structure with 3mm thickness of water gap
Jan.04 exp.
30cm
430MeV/u 12C
87layers
Water
3mm
Film for Light and
water shield
Thickness :128μm
Emulsion film
44μm emulsion on both side of 205μmTAC base
Jan.04 430MeV/u 12C
4000 interactions @ Ekine=430~200MeV/u
~12000 beam tracks
2cm
22cm
Impact parameter
(μm)
Multiplicity
Emulsion chamber to study C-Water and C-Lucite interactions
Dec.04 exp. 400MeV/u 12C
Water
Water
Water
1/10 sensitivity
・Water(H2O) and Lucite(C5H8O2) hybrid target
・Emulsion film with reduced sensitivity for charge identification
Pulse height
to avoid saturation of pulse height
・Reduced sensitivity by 1/5 and 1/10
are combined
65layers
Lucite(1mm)
Be
Li
He
1/5 sensitivity
Reduced sensitivity by 1/5
2mm
Reduced sensitivity by 1/10
Emulsion with normal sensitivity
C
B
Validity check
C-Water(H2O) fragment reaction cross section
A.N.Golovchenko(2002)
I.Schall(1996)
Our preliminary results
without efficiency correction
Validity check
C-Lucite(C5H8O2) fragment reaction cross section
A.N.Golovchenko(1999)
I.Schall(1996)
Our preliminary results
without efficiency correction
Emission angle of secondly particles classified by charge
H
He
Be Li
B
Emission angle with respect to the beam(tanθ)
Velocity distribution of Z=1 fragments
Pulse height
⇔dE/dx(LET)
⇔velocity
β
Ebeam:430~395MeV/u
Ebeam:395~360MeV/u
Calibrated by proton beam
@ KEK PS
Ebeam:360~325MeV/u
Ebeam:325~285MeV/u
proton
π+
Ebeam:285~245MeV/u
Ebeam:245~195MeV/u
Pulse height
Summary
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.
Outlook
Two dedicated exposure to study Low energy interaction <200MeV/u
Sep.05 230MeV/u 12C
Dec.05 100MeV/u 12C
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!
Normal processing
Gold processing
Low sensitivity
& Fine grain
290MeV/u 9B
290MeV/u 9B
Scanning speed will increase by a factor of 20
S-UTS (Super-Ultra Track Selector)
developed at Nagoya Univ.
Fast CCD camera (3k frames/sec)
Continuous movement of the X-Y stage
Z movement controlled by piezo actuator
Scanning speed: 20cm2/hour
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
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
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
C-Ca,C-P反応、O-C反応
原子核、ハドロン実験の可能性をさぐる
Emulsion read-out
S-UTS
(Super-Ultra Track Selector)
developed at Nagoya Univ.
Scanning speed: 20cm2/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
S c a n n in g P o w e r R o a d m a p
views/sec
( 1view=120× 90  m
2
)
60
100
10
3
1
0.25
0.1
0.008
0.01
0.001
T S (1 9 9 4 )
N T S (1 9 9 6 )
U T S (1 9 9 8 )
S -U T S (2 0 0 2 )
エマルションフィルム 12.5cm
10cm
厚さ
293μm
OPERA実験用に大量生産中
水槽
87層
40cm
21cm
Dec.04 exposure@HIMAC
65layer
Stopping point of Carbon beam
12C
400MeV/u
30cm
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。
Z=1
Z=2
Z=6
δ線～5本/44μm
感度を下げる手段として利用
45℃ 38℃ 30℃ でテスト
Bending magnet
ΔE(シリコン)
TOF(stop)
Target Be(2mm)
Degrader(たぶんアルミニウム)
TOF(start)
290MeV/u 12Cからの2次ビームを照射
2004年4,5月マシンタイム
R.H.98% 3日間でリフレッシュ処理
2≦Z ≦ 6
30℃ 45℃
38℃
4プレートずつ
reference
速度はほぼ等しい
β~0.65
3He
Z=1ならば
dE/dx=1.7×MIP
11B
7Li
9Be
12C
エマルションフィルム32枚
2004年4,5月マシンタイム
290MeV/u 12Cからつくられた
Z=2から6までの2次ビームを照射
速度はほぼ等しいβ~0.65
3He
平均化
Be
7Li
Li
9Be
B
11B
12C
45℃ 38℃ 30℃ Reference
パルスハイト
リフレッシュ処理なし
Z=6までの電荷識別に有効
バーテックスの再構成
上流側から77層(27cm）分を解析
エマルションフィルム
44μm両面塗り205μmTACベース
3mm
Ekine=430~100MeV/u
水
(μm)
2cm
22cm
多重度(2次粒子の本数)
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
x
ビームと2次粒子を同時測定して
反応を再構成・検出
Nint
P(反応確率)=
Nbeam(1)
P<<1ならば
M(=18:分子量)P
σ=
NAρ(密度)x(厚さ)
Nbeam(1) Nint
Nbeam(2)
深さ⇔エネルギーの関係
GEANT4によるモンテカルロ計算
パルスハイト
10+10=20枚で平均
Carbon
B
Be
Li
He
プレート番号
ビーム
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
水中飛程~3cm
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
dE/dx in emulsion
Calculated by
Bethe-Bloch equation
0.43@100MeV/u(2.7倍)
dE/dx∝Z2f(β)
0.6@230MeV/u(1.4倍)
0.71@400MeV/u
Z=6
Z=5
Z=4
Z=3
Z=2
black track
gray track
thin track
M.I.P.
0.2
Z=1
β=v/c
1.0
通常の写真現像のメカニズム
Red
Ox
潜像核
白黒写真画像の作製方法
• 化学現像
フィラメント状銀
e-
Ag+
銀イオンは
ハロゲン化銀粒子内から
供給される
AgX
Red
Ox
• 物理現像
銀イオンは
液中から供給される
Ag+
e-
潜像核
AgX
半球状銀
金現像