高エネルギー放射線と物質の相互作用に関する研究/R&D (Fundamental Technology Group)

基盤技術グループでは、放射線実験や検出器・測定技術開発、シミュレーションなどを通して、NanoTerasuにおける放射線管理の高度化や放射線に関する研究を進めています。ここではガス制動放射線に関する研究について紹介します。

電子の相互作用によって起こる制動放射線 ¹⁾です。実験でユーザーに使用される放射光²⁾と同じ方向に強く発生するため、その実態の把握および遮蔽による管理は、実験ホール側でのユーザーや実験機器の安全、質の高い放射光実験にとって重要です。

1)蓄積リングのダクト内の圧力は超高真空のレベルに保たれていますが、ゼロにはなりません。水素分子など空気より軽い気体がより高い割合で残留する傾向にあります。

2)高速で運動する電子が原子核の近傍の強い電場で急激に曲げられることで発生する光で、その最高エネルギーは電子の運動エネルギー ( = 3 GeV) と等しくなります。

NanoTerasuを建設するにあたって、発生するガス制動放射線を評価することは重要な課題でした。われわれはまず、従来のガス制動放射線のエネルギースペクトルを表す解析式を、より現実の気体組成に近似できる表現に拡張し、モンテカルロシミュレーションや他施設での実測値とよく一致することを示しました³⁾ 。また、実際の遮蔽設計においては、この解析式やPHITS によるシミュレーションを用いて光学ハッチでの遮蔽を評価し、実験ホールの非管理区域化が実現できることを示しました。

3)  A. Takeuchi et al., “Estimation of Absorbed Dose Due to Gas Bremsstrahlung Based on Residual Gas in Electron Storage Rings”, Nucl. Sci. Eng., 198, 348–357 (2023). 

​NanoTerasuが運用を開始した今、われわれはガス制動放射線を実際に測定するための実験環境を構築しています。蓄積リングトンネル内のビームラインが建設されていない場所を選んで複数のCsI (Tl) シンチレーション検出器 を配置し、そこへ入射されるガス制動放射線を観測しつつあります。NanoTerasuでの残留ガスから、どのような強度・エネルギー分布を持ったガス制動放射線が発生し、検出器ではどのように見えるか―測定データとシミュレーションを慎重に比較検討しながら研究を進めています。