ラボ実験10：陽電子消滅
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目的：
- 陽電子消滅現象を研究します。
- 180°の角度分離と真の同時計数で放出される2つの511keV光子を測定します。
必要な機器：
理論の概要：
最も一般的には、陽電子はβ+崩壊またはペア生成から生成されます。陽電子は電子の反粒子で、質量は同じですが、反対の電荷と量子数を持っています。β+崩壊またはペア生成から生成された陽電子は、生成された媒体中で、電子との結合状態が形成されるまでにエネルギーが十分に減少するまで減速します。このバインド状態はポジトロニウムと呼ばれ、平均寿命は125ピコ秒で不安定になり、陽電子と電子は消滅します。消滅では、電荷、エネルギー、運動量、その他すべての量子数を保存する必要があります。基準システムは、正味運動量がゼロになり、このシステムでは消滅からの光子の運動量が最大でゼロになるように構築できます。ですから、2光子消滅から放出される光子は、反対方向に放出される必要があります。エネルギーと運動量の保存では、2つの光子で同じエネルギー、電子質量または511keVが必要です。電子と陽電子は完全に静止していないため、消滅が発生すると、2つの光子間にわずかなエネルギーと角度変化が起こる可能性があります。これは、同様のエネルギーの他のガンマ線ピークと比較して、511keV消滅光子のFWHMの増加によって観察できます。
実験10ガイド：
NaI検出器（5cm x 5cm）の使用
1. 2つのNaI検出器（1つはOsprey MCA、もう1つは2007PプリアンプとLynx II DSA）を設定します。2つのMCAを測定用PCに直接またはローカルネットワーク経由で接続します。
2. 各検出器の周囲にNaI検出器シールディングを設定します。散乱テーブルを使用して、散乱ピラーがある場合は取り外します。2つの検出器を散乱テーブル上に配置し、間隔はおよそ16インチ（400mm）とします。2つの検出器の対称軸が互いに、かつ線源の位置に一致していることを確認します。（図10-1）
3. 22Na線源を2つの検出器の間の中心線、つまり分離距離の半分に配置します。コリメーターによって得られる角度は、次の方程式で得られます。
ここでは、
dはコリメーター開口の直径、
Lは検出器間の距離です。
図10-1：陽電子消滅実験のセットアップの回路図。
エネルギー校正
1. ProSpectガンマ分光ソフトウェアを起動して、2つのMCAとの通信を確立します。
2. ProSpectソフトウェアの[検出器]タブで[高電圧設定]を選択し、MCAデバイスに接続されている両方の検出器に推奨される高電圧を適用します。
3. ProSpectソフトウェアの[MCA]タブで、OspreyとLynx IIユニットの両方の変換ゲインを2048チャネルに設定します。
4. 両検出器のProSpectソフトウェアの[MCA]タブで、光電ピークがスペクトルの中心に近づくように粗利得と微利得の設定を調整します。
5. スペクトルディスプレイの上部にある[スタート]をクリックして、スペクトルの収集を開始します。フォトピークで少なくとも10,000計数となるようなカウント時間を使用します。
6. 必要に応じて実験1の設定を参照しながら、各検出器で22Naの511.0keVと1274.5keVのピークを使ってエネルギー校正を行います。
７. スペクトルを保存します。利得係数とエネルギー校正係数の設定を一度完了したら、変更しないでください。変更すると、校正が変更されてしまいます。
TLIST取得モードを使用した同時計数測定
1. ProSpectソフトウェアページのデータ取得モードをTLISTモードに設定します。TLISTモードでは、各事象のエネルギーと時間に関する情報を持つ事象を保存できます。
2. TLISTモードでデータを取得するには、表10-1に示すように両方の検出器を設定します。
表10-1：Lynx IIとOsprey DSAとの同期TLISTモード取得の設定。
3. 表10-1に記載のとおり、2つのデバイスを設定した後、Lynx II DSA背面パネルのSync BNCコネクター（必要に応じて、反射を防ぐために50オームのターミネーターを追加）をOspreyユニットのGPIO入力チャネル1に必ず接続します。
4. [制御開始]を選択すると、両デバイスの取得が同時に開始されます。
5. 両検出器が待機モード（データソースのサムネイルの背景が青色）であることを確認します。速やかに（タイムアウト時間の20秒間が経過する前に）、Lynx II DSA外部同期先を「Slave（スレーブ）」から「Master B（マスターB）」に切り替えます。
6. 両検出器でデータの取得が開始されていることを確認します（取得が開始されると、PHAデータがディスプレイに表示され、データソースのサムネイルビューで両検出器の背景が緑色に変わります）。
7. 約5分間データを取得してからPHAデータを保存します。
8. TLISTモードデータを分析して同時計数測定結果を確認するには、ProSpect TLISTデータスキャナーを使用します。以下の手順に従ってProSpectデータスキャナーを操作します。
9. [検索ディレクトリー]タブで、取得したTLISTデータを含むディレクトリーを指定します。「開始」ボタンを押して分析を開始します。
10. [スキャン結果]タブで適切な取得設定を選択し、開始時間範囲を-6000nsに、最大時間範囲を6000nsに、時間ビンを1000に設定します。
11. [分析]タブの[デバイス]タブと[取得]タブを使用して両検出器の取得を選択します。X軸にエネルギーを、Y軸に時間をプロットして同時計数カウントを分析します。分析結果のグラフにコメントします。なお、グラフをクリップボードにコピーして、より詳細な分析に使用することも可能です。
同時計数の角度依存性
1. 一方のNaI検出器を、他のNaI検出器の対称軸に対して5度、10度、15度、20度、25度、30度、-5度、-10度、-15度、-20度、-25度、-30度の角度位置に設置します。各角度で上記のステップ19～28を繰り返し、511keVのガンマ線を検出するための時間同時計数を記録します。
2. 大量の同時計数が発生する角度の広がりを確認します。 511keVのガンマ線の2つの同時計数を2つの検出器間の角度関数としてプロットします。2つの検出器間の角度が180度のときに、同時計数は急激にピークに達し、2つの検出器間の角度が180°からずれるにつれて急激に減少することが観察されるはずです。
3. 方程式10-1を使用して、コリメーターが受ける角度を決定します。計数ステップ2で観察された角度の広がりと比べてどうですか？
