加速器質量分析法による放射性核種の半減期の測定

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作成： 2000/09/21 山内　良麿　データ番号　　　：040216 加速器質量分析法による放射性核種の半減期の測定目的　　　　　　：加速器質量分析法の半減期測定への応用放射線の種別　　：重イオン,ベータ線,ガンマ線放射線源　　　　：タンデム加速器利用施設名　　　：ANL FNタンデム加速器、ロチェスター大学MPタンデム加速器、PSIタンデム加速器照射条件　　　　：真空中応用分野　　　　：核物理、放射線計測、考古学、年代測定概要　　　　　　：　放射性核種の半減期の測定には、崩壊する核の数と核の崩壊の割合を知ることが必要になるが、崩壊する核の数の測定に近年開発された加速器質量分析の技術が応用され、精度の高い測定が可能になった。⁶⁰Fe,³²Siおよび⁴⁴Tiの半減期測定に加速器質量分析法を応用した結果、得られた半減期はそれぞれ1.49x10⁶y, 108yおよび54.2yであった。詳細説明　　　　：　宇宙線によってつくられた放射性核種は水文学、考古学、地球物理学、海洋学、宇宙化学等の研究分野で年代測定に多く利用される。これまでこれらの放射性核種は、宇宙線束が長期間にわたってほぼ一定であるという仮定の基に、極地での氷殻の深さの関数としてその固有放射能を測定することによって調べられた。核の半減期を測るためには、崩壊する核の数Nと核の崩壊の割合dN/dtとの間の関係式　dN/dt=-λN (λは崩壊定数)を利用する。ここで一番の問題は試料中の放射性核種の核の数Nを正確に知ることである。これまでの半減期の測定では放射性核種の核の数の評価は核反応生成断面積についての仮定に基づいて行われた。近年、重イオン検出器を備えたタンデム加速器による加速器質量分析法(AMS;accelerator mass spectrometry) が開発され、ごく微量の核種の検出が可能になった。このAMSと放射線測定技術を原子核の半減期の測定に応用することによって半減期測定の精度が著しく向上した。　⁶⁰Feの半減期の値は、天体物理学上の問題にとって重要であることから、ANL(Argonne National Laboratory) のW.Kutschera らは、ANLのFNタンデム超伝導ライナックを用いたAMSにより、半減期の測定を行った。⁶⁰Fe試料は、BLIP(Brookhaven Linac Isotope Producer)の191MeV 陽子をCuに照射して核破砕反応によって得られたものである。図1に測定に用いたAMSの概略を示す。図1　Schematic layout of the accelerator system used for the ⁶⁰Fe/Fe ratio measurements. For #1 run (360MeV) the charge state sequence 1^-(ion source)→10⁺(stripper#1)→19⁺(stripper#2)→21⁺(Al foil stack) was used. For runs #2 and #3 the sequence 1^-→9⁺→18⁺→20⁺ was used.（原論文1より引用。　Reproduced from W.Kutchera, P.J.Billquist, D.Frekers, W.Henning, K.J.Jensen, M.Xiuzeng, R.Pardo, M.Paul, K.E.Rehm, and J.L.Yntema, Nucl. Instr. Methods in Physics Research, B5 (1984) 430-435, Figure 2(Data Source 1, pp.432), Copyright(1984), with permission from Elsevier Science.） ⁶⁰Fe 核の崩壊の割合は、⁶⁰Feのベータ崩壊によって生ずる⁶⁰Co から発生する1.332MeV ガンマ線の測定から求めた。図2に、⁶⁰Fe の崩壊の図式を示す。このようにして測定した⁶⁰Fe の半減期は 1.49x10⁶y であった。これは以前の測定値1x10⁵yと1桁異なる値である。図2　Decay scheme of ⁶⁰Fe. Except for the new half-life value of ⁶⁰Fe all data are taken from ref.[14].（原論文1より引用。　Reproduced from W.Kutchera, P.J.Billquist, D.Frekers, W.Henning, K.J.Jensen, M.Xiuzeng, R.Pardo, M.Paul, K.E.Rehm, and J.L.Yntema, Nucl. Instr. Methods in Physics Research, B5 (1984) 430-435, Figure 1(Data Source 1, pp.430), Copyright(1984), with permission from Elsevier Science.）　³²Siは大気中においてArから宇宙線による核破砕反応によってつくられるが、半減期はこれまで地下水、極地の氷殻や海水において研究され、³²Siの半減期は250から710yにわたっていた。D.Elmoreらは、52MeV 陽子による核破砕反応によってClからつくられた³²Si について、ロチェスター大学 MPタンデム加速器を用いたAMSによって試料中の³²Si核の数を求め、³²Si→³²P→³²Sのベータ崩壊系列における³²Pからのベータ線を検出することによって、³²Si核の半減期を測定し、108yを得た。またH.J.Hofmannらは、PSI(Paul Scherrer Institute) の加速器と原子炉を使って、³⁷Cl(p,2pα)³²Si 反応と ³¹P(n,γ)³²P(n,p)³²Si 反応の二つの異なる方法によって³²Siをつくり、タンデム加速器を用いたAMSによって³²Siの半減期を測定した。加速された³²Si を検出する際に、加速される粒子の質量Mと電荷qの比 M/q が同じである粒子は、全て検出器に到達し、この場合特に³²Sが³²Si の大きなバックグラウンドになる。加速粒子の検出にはガスカウンターテレスコープが用いられたが、エネルギーEとエネルギーロスΔE信号から粒子識別が行われた。ΔE-E 2次元表示による³²Si 識別の様子を、図3に示す。このようにして得た³²Siの半減期は133yであった図3　(a) Example of a ΔE/E_R spectrum with ³²Si and ³²S. The arrow indicates the direction of view in b. (b) Enlarged three-dimensional cut through a.（原論文3より引用。　Reproduced from J.Hofmann, G.Bonani, M.Suter, W.Wolfli, D.Zimmermann, H.R.Gunten, Nucl. Instr. Methods in Physics Research, B52(3/4), (1984) 544-551, Figure 3(Data Source 3, pp.547), Copyright(1990), with permission from Elsevier Science.）　比較的短い半減期のものとして、ANLのD.Frekersらは⁴⁴Tiを測定している。⁴⁴Tiはユーリッヒ研究センターのアイソクロナス　サイクロトロンからの45MeV 陽子を用いて⁴⁵Sc(p,2n)⁴⁴Ti 反応でつくり、⁴⁴Tiの半減期をANLのFNタンデム加速器を用いてAMSにより測定した。⁴⁴Tiは軌道電子捕獲によって⁴⁴Scに崩壊し、続いてポジトロン放出により⁴⁴Caに崩壊する。この⁴⁴Ca からの1.157MeV ガンマ線をGe(Li) 検出器で検出して核の崩壊の割合を求め、⁴⁴Tiの半減期として54.2yを得た。コメント　　　　：　微量の核種が検出できる加速器質量分析法と放射線測定技術を放射性核種の半減期の測定に応用することにより、放射性核種の半減期の測定精度が向上した。しかしながら、同じ加速器質量分析法を用いても、³²Siについては異なる実験施設での測定結果には108yと133yのようにばらつきがある。今後、加速器質量分析と微量放射線測定の技術の一層の向上が望まれる。原論文１ Data source 1： Half-Life of ⁶⁰Fe W.Kutchera, P.J.Billquist, D.Frekers, W.Henning, K.J.Jensen, M.Xiuzeng, R.Pardo, M.Paul, K.E.Rehm, R.K.Smither, and J.L.Yntema Argonne National Laboratory, Argonne, IL. 60439, USA Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B5 (1984) 430-435 原論文２ Data source 2： Half-Life of ³²Si from Tandem-Accelerator Mass Spectrometry D.Elmore, N.Anantaraman, H.W.Fulbright, H.E.Gove and H.S.Hans Nuclear Structure Research Laboratory, University of Rochester, Rochester, New York 14627 Physical Review Letters, 45 (1980) 589-592 原論文３ Data source 3： A new determination of the half-life of ³²Si H.J.Hofmann, G.Bonani, M.Suter, W.Wolfli, D.Zimmermann¹^*⁾, and H.R.Gunten¹^*⁾ Institute fur Mittelenergiephysik, ETH-Honggerberg, CH-8093 Zurich, Switzerland, 1*) Laboratory fur Radiochemie, Vniversitat Bern, CH-3000 Bern. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B52, (1990) 544-551. 原論文４ Data source 4： Half-life of ⁴⁴Ti D.Frekers, W.Henning, W.Kutschera, K.E.Rehm, R.K.Smither and J.L.Yntema Argonne National Laboratory, Argonne, Illinois 60439 Physical Review, C28, (1983) 1756-1762 キーワード：宇宙線、放射性核種、地球物理学、考古学、年代測定、半減期、加速器質量分析法、 cosmic-ray, radionuclide, geophysics, archaeology, dating, half life, accelerator mass spectrometry 分類コード：040101, 040204, 040301
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