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

Oct.1st 2005 JKMP@Kyoto

Nagoya University, Toho University,NIRS,KEK,SLAC,JAXA, etc.

NIRS HIMAC P152

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

Target(H,C,N,O,Ca,P etc.)Beam(mainly 12C)

Fragment reaction

Development of emulsion technology to study fragment reactioninterested in heavy ion therapy

　 12C180MeV/u

150μm

Tracking detector with 3 dimensional spatial resolution of ~ 1μmPossible to detect and identify all charged secondary particles

Carbon fragmentation in nuclear emulsion

High speed emulsion readout system

Readout speed : 1cm2/hourFor heavy ionizing particles

Positional accuracy :1μmAngular accuracy :5mradDetection efficiency :~100%

(tanθ 0≦ ． 4)Pulse height ∝ dE/dx for MIP region

44μm

S.Aoki, et al. NIM B 51(1990)466T.Nakano, BUTSURI 56,411(2001)

・ Optical microscope with 3 dimensional image processor・ Developed for neutrino experiment

Emulsion chamber to study C-Water interactions

30cm

Water

Film for Light and water shieldThickness :128μm

3mm

Emulsion film44μm emulsion on both side of 205μmTAC base

87layers

Multi layer structure with 3mm thickness of water gap

Jan.04 exp.

430MeV/u 12C

Emulsion chamber to study C-Water interactions

30cm

Water

Film for Light and water shieldThickness :128μm

3mm

Emulsion film44μm emulsion on both side of 205μmTAC base

87layers

Multi layer structure with 3mm thickness of water gap

Jan.04 exp.

430MeV/u 12C

2cm22cm

Jan.04 430MeV/u 12C

~12000 beam tracks4000 interactions @ Ekine=430~200MeV/u

MultiplicityImpact parameter

(μm)

・ Water(H2O) and Lucite(C5H8O2) hybrid target

・ Emulsion film with reduced sensitivity for charge identification to avoid saturation of pulse height・ Reduced sensitivity by 1/5 and 1/10 are combined

Emulsion with normal sensitivity

Reduced sensitivity by 1/5

Water Water Water

2mm

Reduced sensitivity by 1/10

Lucite(1mm)

Dec.04 exp. 400MeV/u 12C

1/10

sen

siti

vity

1/5 sensitivity

BC

Be

LiHe

Pulse height

65layers

Emulsion chamber to study C-Water and C-Lucite interactions

A.N.Golovchenko(2002)

I.Schall(1996)

Our preliminary resultswithout efficiency correction

C-Water(H2O) fragment reaction cross section

Validity check

A.N.Golovchenko(1999)

I.Schall(1996)

Our preliminary resultswithout efficiency correction

C-Lucite(C5H8O2) fragment reaction cross section

Validity check

B

Be LiLi

He

H

Emission angle with respect to the beam(tanθ)

Emission angle of secondly particles classified by charge

Velocity distribution of Z=1 fragments

Pulse height⇔dE/dx(LET)⇔velocity

Ebeam:430~395MeV/u Ebeam:395~360MeV/u

Ebeam:325~285MeV/uEbeam:360~325MeV/u

Ebeam:285~245MeV/u Ebeam:245~195MeV/u

β

Calibrated by proton beam

@ KEK PS

protonπ+

Pulse height

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.

Summary

Two dedicated exposure to study Low energy interaction <200MeV/u

Sep.05 230MeV/u 12C Dec.05 100MeV/u 12C

Outlook

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!

290MeV/u 9B 290MeV/u 9B

Normal processing Gold processingLow sensitivity& Fine grain

(Super-Ultra Track Selector)S-UTS

Scanning speed: 20cm2/hour

Fast CCD camera (3k frames/sec)Continuous movement of the X-Y stageZ movement controlled by piezo actuator

developed at Nagoya Univ.

Scanning speed will increase by a factor of 20

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/u2005/9 230MeV/u2005/12 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

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

原子核、ハドロン実験の可能性をさぐる

C-Ca,C-P 反応、 O-C 反応

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

Emulsion read-out(Super-Ultra Track Selector)

0.008

0.25

3

60

0.001

0.01

0.1

1

10

100

TS(1994) NTS(1996) UTS(1998) S-UTS(2002)

Scanning Power Roadmapviews/sec(1view=120× 90 m 2)

S-UTS

Scanning speed: 20cm2/h×20 faster than current system (UTS)

Fast CCD camera (3k frames/sec)Continuous movement of the X-Y stageZ movement controlled by piezo actuator

developed at Nagoya Univ.

水槽

エマルションフィルム12.5cm10

cm

OPERA 実験用に大量生産中

87 層

40cm 21cm

厚さ293μm

Stopping point of Carbon beam

30cm

Dec.04 exposure@HIMAC

12C 400MeV/u

65layer

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。

δ 線～ 5 本 /44μm

Z=1

Z=2

Z=6 感度を下げる手段として利用30℃38℃45℃ でテスト

Target Be(2mm)

Degrader( たぶんアルミニウム )TOF(start)

ΔE( シリコン )TOF(stop)

Bending magnet

エマルションフィルム 32 枚

3He

7Li

11B

9Be

12C

reference30℃

38℃45℃

R.H.98% 3 日間でリフレッシュ処理

4 プレートずつ

290MeV/u 12C からの 2 次ビームを照射2≦Z 6≦

2004 年 4,5 月マシンタイム

速度はほぼ等しいβ~0.65

Z=1 ならばdE/dx=1.7×MIP

3He

7Li

11B

9Be

12C

Referenceリフレッシュ処理なし

30℃38℃45℃ パルスハイト

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

2004 年 4,5 月マシンタイム

Be

LiB

Z=6 までの電荷識別に有効

速度はほぼ等しいβ~0.65

平均化

バーテックスの再構成

2cm

22cm

3mm上流側から 77 層 (27cm ）分を解析

Ekine=430~100MeV/u

エマルションフィルム44μm 両面塗り 205μmTAC ベース

水

多重度 (2 次粒子の本数 )

(μm)

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

Nbeam(1) Nint

Nbeam(2)

ビームと 2 次粒子を同時測定して反応を再構成・検出

NintNbeam(1)

P( 反応確率 )=

σ= M(=18: 分子量 )PNAρ( 密度 )x( 厚さ )

x

P<<1 ならば

深さ⇔エネルギーの関係GEANT4 によるモンテカルロ計算

プレート番号

ビーム

パルスハイト10+10=20 枚で平均

BBe

LiLi

He

Carbon

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/u12 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

水中飛程 ~3cm

dE/dx in emulsion

β=v/c

Z=1

Z=2

Z=3Z=4Z=5Z=6

dE/dx Z∝ 2f(β)

M.I.P.

Calculated byBethe-Bloch equation

0.2 1.0

black track

thin track

gray track

0.71@400MeV/u

0.6@230MeV/u(1.4 倍 )

0.43@100MeV/u(2.7 倍 )

通常の写真現像のメカニズム

白黒写真画像の作製方法• 化学現像

銀イオンはハロゲン化銀粒子内から供給される

• 物理現像銀イオンは液中から供給される

RedOx

e-

潜像核

Ag+

AgX

半球状銀

RedOx

e-潜像核

Ag+

AgX

フィラメント状銀

金現像