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2009/12/7 物理学コロキウム第２
気体を用いた荷電粒子検出器
内容：
１．研究の目的
２．気体を用いた荷電粒子検出器
３．霧箱でのα線の観察
４．今後の予定
５．まとめ
2009/12/7
柴田・陣内研究室
寄林 侑正
1
１．研究の目的
• 気体の電離作用を利用した荷電粒子検出器の原
理を学ぶ。
• 実際に霧箱とスパークチェンバーを作成する。
• 放射線を観察し、荷電粒子と気体粒子の相互作用
について学ぶ。
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電圧を印加するもの
• 電離箱
• 比例計数管
• ガイガーミュラー計数管
• スパークチェンバー
• etc…
集められたイオンの数
２．気体を用いた荷電粒子検出器
1012
1010
電離箱領域
比例計数管領域
108
放
電
106
ガイガー・ミュラー計数管
領域
104
電圧を印加しないもの
• 霧箱
• 泡箱
• etc…
102
N
1
0
250
500
750
1000
電圧 ［ V ］
N：放射線入射によって生成されたイオン対の数
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電圧を印加するガス検出器
◎ MWPC ( Multi Wire Proportional Chamber )，ドリフトチェンバー ( Drift Chamber )
荷電粒子の位置を測定するためのガス検出器。
z
荷電粒子
ターゲット
x
y
陽極ワイヤー
入射粒子（z方向）
y座標がわかる
( x2,y2,z2 )
x座標がわかる
( x1,y1,z1 )
◎ スパークチェンバー
電離電子
電極
電子なだれを起
こし最終的にス
パークを起こす
V
－8 kV
20 MΩ
Trigger
SCR
ガス
原子
正イオン
荷電粒子
電極対を重ねることにより荷電粒子の飛跡をスパークとして観測できる。
R
1000 pF
－ ＋
Q Q
C
R 20Ω
R
220 Ω
スパークチェンバー
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電圧を印加しないガス検出器
◎ 霧箱
①容器上部に液体アルコールを含ませる
アルコール(液体)
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電圧を印加しないガス検出器
◎ 霧箱
①容器上部に液体アルコールを含ませる
②容器内で右図のように上部と下部に温
度差をつける
アルコール(液体)
温度高
温度低
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電圧を印加しないガス検出器
◎ 霧箱
①容器上部に液体アルコールを含ませる
②容器内で右図のように上部と下部に温
度差をつける
③液体アルコールが蒸発していく
アルコール(液体)
温度高
蒸発
温度低
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電圧を印加しないガス検出器
◎ 霧箱
①容器上部に液体アルコールを含ませる
②容器内で右図のように上部と下部に温
度差をつける
③液体アルコールが蒸発していく
④飽和蒸気圧の高い上部から飽和蒸気
圧の低い下部へとアルコール蒸気が拡
散していく
アルコール(液体)
温度高
温度低
：アルコール蒸気
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電圧を印加しないガス検出器
◎ 霧箱
①容器上部に液体アルコールを含ませる
②容器内で右図のように上部と下部に温
度差をつける
③液体アルコールが蒸発していく
④飽和蒸気圧の高い上部から飽和蒸気
圧の低い下部へとアルコール蒸気が拡
散していく
⑤容器内下部で過飽和の層が形成される
アルコール(液体)
温度高
温度低
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：アルコール蒸気
：過飽和アルコール蒸気
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電圧を印加しないガス検出器
◎ 霧箱
①容器上部に液体アルコールを含ませる
②容器内で右図のように上部と下部に温
度差をつける
③液体アルコールが蒸発していく
④飽和蒸気圧の高い上部から飽和蒸気
圧の低い下部へとアルコール蒸気が拡
散していく
⑤容器内下部で過飽和の層が形成される
⑥過飽和の層を荷電粒子が通過した際、
電離されて生成したイオンを核として蒸
気が凝結する→霧のすじが生成
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アルコール(液体)
温度高
温度低
：アルコール蒸気
：過飽和アルコール蒸気10
荷
電
粒
子
• 学部３年生の学生実験で用いた霧箱
使用した気体：エチレングリコール蒸気
化学式： C2H4(OH)2
融点： －12.9℃
沸点： 197.3℃
動作温度：上部・・・110～130℃くらいに熱する
上部と下部の温度差・・・60～80℃くらい
• 今回作成した霧箱
使用した気体：エタノール蒸気
化学式： C2H5OH
融点： －114.3℃
沸点： 78.4℃
動作温度：上部・・・室温
下部・・・ドライアイス(昇華温度：－78.5℃)に接触させて冷やす
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３．霧箱でのα線の観察
作成した霧箱
8cm程度
液体のエタノールをスポンジに含ませる。
ドライアイスの上に置く。
エタノールを含ませたスポンジテープ
15cm
程度
キャップから吊るした針金(線源を取り付ける)
1cm
程度
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線源(マントル)
熱伝導を良くするため、アルミテープで密封
ドライアイス
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科学実験教室を準備し、講師を務めました。
「
大学生と学ぶ素粒子物理
身近な放射線について知ろう
ー霧箱の作成ー
」
柴田研究室・多摩六都科学館共催 第30回 2009年11月8日(日)
中高生約20名が参加し、ペットボトルで霧箱を作成しました。
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用いた線源
野外キャンプ等で使われるランタンの芯(マントル)
マントル中には232Thが含まれる
232Th
β-:2.127MeV(γ)
1.405×1010y
228Th
1.9131y
α:4.083MeV
220Ac
α:5.520MeV
6.15h
220Ra
5.75y
β-:1.325MeV
224Ra
3.66d
α:5.789MeV(γ)
220Rn
55.6s
：α崩壊
：β崩壊
α:6.405MeV(γ)
216Po
(64.06%)
β-:2.254MeV
0.145s
α:6.906MeV
212Pb
10.64h
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212Bi
(35.94%)
α:6.207MeV
208Tl
3.083m
0.298μs
α:9.784MeV
60.55m
β-:0.574MeV
212Po
β-:5.001MeV
208Pb
stable
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今回使ったマントルを3年生の学生実験で用いた霧箱で見てみると・・・
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観測された飛跡
トリウム系列からのα
線
空気中に拡散したラドン気体からのα線(?)
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４．今後の予定
◎霧箱
• 温度勾配や過飽和の度合い等、動作原理を詳しく見る
• 232Th系列に沿った連続的な崩壊を霧箱で確認する
• 霧箱で宇宙線を確認できるよう調整する
◎スパークチェンバー
• 電圧を印加する検出器として学び、完成させる
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５．まとめ
• 気体を用いた荷電粒子検出器には電圧を印加す
るものとしないものがある
• 電圧を印加するもの・・・MWPC、ドリフトチェンバー、
スパークチェンバーなど
• 電圧を印加しないもの・・・霧箱、泡箱など
• 霧箱の動作を詳しく見ていく。
• スパークチェンバーについて学び、完成させる。
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飛程
• Bethe-Blochの式
荷電粒子が標的物質中で失うエネルギー
 m V2 
dE
z 2e4n


ln 

2
2
dx
4 0 V m  I 
• 飛程
荷電粒子がエネルギーを失うまでに標的物質中を走る長さ
R( E0 ) 
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E0
 dE 
0  dx 
1
dE
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標準温度圧力の空気中におけるアルファ粒子の
飛程は
exp[T (MeV )]　1MeV  T  4MeV

R(mm)  
3
0.05T (MeV )  2.85T (MeV ) 2 4MeV  T  15MeV
T(MeV):α粒子の運動エネルギー
空気中以外の場合、Bragg-Kleeman則
R1  2

R2 1
A1
A2
R(m m)  0.337
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 (kg / m )

i 

 
 i 1 A 
i 

L
A実効
A実効
3
Rair (m m)
1
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α線の空気中での飛程
(mm)
飛
程
崩壊核
エネルギー(MeV) 飛程(mm)
232Th
4.083
25.19761482
228Th
5.52
40.54129249
224Ra
5.789
43.72792758
220Rn
6.405
51.38924206
216Po
6.906
57.98978525
212Bi
6.207
48.87173984
212Po
9.784
102.1920468
α線のエネルギー(MeV)
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Bethe-Blochの式と飛程(stopping range)の計算
化合物標的でのBethe-Blochの式は、各元素標的で
のBethe-Blochの式の和として決定される。
陽子
入射前の運動
エネルギー：E
 dE 
 dE 

   

i
 dx  和
 dx  i
 m V 2  化合物標的での
z 2 e 4 ni

ln 
 Bethe-Blochの式
2 2
i 4 V m
I
 i 
0
0
E0
 dE 
R ( E 0 )   

dx


0
1
R
重荷電粒子の飛程

R
90
(cm)
80
80
70
60
60

40
40
30
陽子
20
20
粒子の入射時の
運動エネルギー
10
00
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標的
陽子、 のプラスチック(CH)
中での飛程 R
50
dE
入射後の運動
エネルギー：E
停止
（ただし、i は各元素の物理量であることを示す）
Bethe-Blochの式から、次のように飛程 R
が計算できる。ただし E 0 , E はそれぞれ
重荷電粒子の標的物質に侵入する前、
および後の運動エネルギーである。
標的
入射
0
0
50
50
100
100
150
150
(MeV)
200
200
250
7