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原子核乾板の元素組成と密度

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原子核乾板の密度と組成について

原子核乾板 (Nuclear Emulsion) の組成や密度を実測することは難しい。 軽元素から重元素までの測定レンジを持つ組成の測定方法は存在しないため、同じ条件で全ての元素組成を測定することはできない。 また、環境の湿度が変化すると乾板に含まれる水分量も変化し、酸素や水素の組成が変化する。 製造工程から推定する方法については、原料の組成は測定しやすいものの、原子核乳剤を製造する工程に水洗工程があり、この工程で何がどれだけ流出したかの推定は難しい。

よくある測定方法

軽元素である水素、炭素、窒素、硫黄、酸素の質量比(通常の装置では水素、炭素、窒素)は、元素分析装置による測定が可能である1。硫黄についてはその存在比が少ないため、元素分析装置での測定は一般には不可能である。 重元素については、銀、臭素ヨウ素の比はSEM-EDXによる測定が可能である[^8]。 定着(FIX)前後の厚みと質量測定により、AgBrIとバインダーの比及び密度を測定することが可能である[^8]。

アルファ線を用いた密度測定方法

アルファ線の飛程からエネルギーとレンジ(飛程)の関係式を導き出す方法が最も精度の良い密度測定方法である2

アルファ線の飛程は約1μmの標準偏差を持つ分布となり、100イベント使えば飛程につく標準誤差は0.1μmとなる。 密度3.5g/ccのPo-212からのアルファ線の飛程は約50μmなので、飛程につく誤差は0.2%となる。この誤差は、密度の誤差に換算すると0.3%相当になる。

この手法で求められる密度は、アルファ線のエネルギーとレンジ(飛程)の関係式を媒介する、換算密度とも呼ばれるものであり、絶対値としての信頼性ない。

原子核乾板の組成および密度

以下、論文等で紹介されている各原子核乾板の組成を紹介する。

Emulsion Ilford G-5

  • Density 3.907g/cc 3
H C N O S Ag Br I
Mass % ^21 1.4 6.9 1.7 6.9 0.2 47.4 34.8 0.6

50% R.H. 。

[^13]の第3表のIlford G-5 の Nが0.67g/ccとなっているのは0.067g/ccの誤記と思われる。4

Photographic Emulsion (ICRU-215) = Standard emulsion

  • Density 3.815g/cc 5
H C N O S Ag Br I
Mass % [^3] 1.4 7.2 1.9 6.6 0.2 47.4 34.9 0.3

Fuji ET-7B ET-7C/D

  • 密度: 3.73 g/cc (Fuji ET-7B)
  • 密度: 3.60 g/cc (Fuji ET-7C/D)
  • 密度: 3.63g/cc (ET-7D) [^11]
  • 相対湿度: 68%

結晶サイズ

  • ET-7B 240±78 nm 6
  • ET-7C 260 nm ^9
  • ET-7D 176 nm ^9
H C N O S Ag Br I
ET-7D Mass g/cc^9 0.05 0.31 0.1 0.226 0.0067 1.675 1.22 0.034
ET-7D Mass %^9 1.38 8.56 2.76 6.24 0.18 46.25 33.69 0.94
ET-7C/7D Mass %1 1.5 9.3 3.1 6.8 0.2 45.4 33.4 0.3
Binder AgBrI
ET-7D Volume %[^11] 55.0 45.0

Fuji OPERA film

  • 密度: 2.71g/cc 7
  • 密度: 2.84g/cc 乳剤層のみ [^11]
  • 密度: 2.77g/cc 乳剤層と保護層 [^11]

OPERAの論文(シミュレーションも多分)は全ては密度2.71g/cc と表記されている。桑原氏の値となぜズレたのかは不明。

結晶サイズ

  • 200±16 nm [^7]

組成

以下の組成は乳剤層と保護層である。

H C N O S Si Na Sr Ba Ag Br I
Mass % ^6 2.4 13.0 4.81 12.43 0.09 0.08 0.08 0.02 0.01 38.34 27.86 0.81
Binder AgBrI
Mass % 33.0 67.0
Volume %^7 69.0 31.0

組成は原料からの計算値である。水洗工程でバインダーが水溶液側に抜ける割合に大胆な仮定が入っている[^11]。

OPERAタイプ GIF処方[^11]

  • 結晶サイズ 200 nm
  • 密度 3.53g/cc
H C N O S Ag Br I
GIF g/cc[^11] 0.05 0.326 0.11 0.23 - 1.6 1.166 0.033
GIF Mass %[^11] 1.42 9.27 3.13 6.54 - 45.52 33.17 0.94

Nagoya NIT [^8]

  • 乳剤層の密度: 3.44 g/cc
  • AgBrの密度: 6.473g/cc
  • ゼラチンの密度: 1.32g/cc
  • PVAの密度: 1.19g/cc

結晶サイズ

  • NIT 44.2±6.8 nm
  • UNIT 24.8±4.3 nm

組成

H C N O Ag Br I
Mass % 1.6 10.1 2.7 7.4 44.5 31.8 1.9
Atomic % 41.1 21.4 4.9 11.7 10.5 10.1 0.4
Binder AgBrI
Mass % 21.9 78.2
Density g/cc 1.29 6.473

AgBrIの分量は原料からの計算値、HとCとNは実測値、Oはそこからの推定値である。

文責: 吉本

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参考文献


  1. 浅田 吉本ら PTEP論文 https://doi.org/10.1093/ptep/ptx076 (2017)

  2. Geant4で伝統的に使われてきたFujiFilm ET-7C/7D emulsion for KEK-PS E373 の組成 元ソースは歳藤氏による

  3. 古関 靖夫 原子核乾板 http://hdl.handle.net/2261/30908 (1959)

  4. 吉田ら NIM論文 https://doi.org/10.1016/j.nima.2016.11.044 (2016)

  5. SRIM ソフトウェア http://www.srim.org/

  6. 桑原謙一氏・吉本 private communication

  7. Photographic Emulsion (ICRU-215) https://physics.nist.gov/cgi-bin/Star/compos.pl?refer=ap&matno=215

  8. 中村琢ら NIM論文 https://dx.doi.org/10.1016/j.nima.2005.08.109 (2006)

  9. L. Patrizii ら JINST論文 https://dx.doi.org/10.1088/1748-0221/3/07/P07002 (2008)