[論文レビュー] Thermoluminescence of Simulated Interstellar Matter after Gamma-ray Irradiation

Kazuto Koike, Masuo Nakagawa+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2002

Nuclear Physics and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、低温（10–70 K）でガンマ線および中性子線照射を受けた模擬宇宙ダスト（ olivine（Mg₂SiO₄）、pyroxene（MgSiO₃）、magnesite（MgCO₃））における熱ルミネッセンス（TL）を調査した。照射された olivine は 645–655 nm に強い TL ピークを示し、赤い長方形星雲における拡張赤外発光（ERE）に非常に類似している。これは、宇宙空間における ERE の起源として、放射線損傷に起因するルミネッセンスが関与している可能性を示唆している。

ABSTRACT

Interstellar matter is known to be strongly irradiated by radiation and several types of cosmic ray particles. Simulated interstellar matter, such as forsterite $ m Mg_{2}SiO_{4}$, enstatite $ m MgSiO_{3}$ and magnesite $ m MgCO_{3}$ has been irradiated with the $ m ^{60}Co$ gamma-rays in liquid nitrogen, and also irradiated with fast neutrons at 10 K and 70 K by making use of the low-temperature irradiation facility of Kyoto University Reactor (KUR-LTL. Maximum fast neutron dose is $10^{17}n_f{ m /cm^{2}}$). After irradiation, samples are stored in liquid nitrogen for several months to allow the decay of induced radioactivity. We measured the luminescence spectra of the gamma ray irradiated samples during warming to 370K using a spectrophotometer. For the forsterite and magnesite, the spectra exhibit a rather intense peak at about 645 -- 655 nm and 660 nm respectively, whereas luminescence scarcely appeared in olivine sample. The spectra of forsterite is very similar to the ERE of the Red Rectangle.

研究の動機と目的

• 模擬宇宙ダスト（olivine、pyroxene、magnesite）のガンマ線および中性子線照射に対する熱ルミネッセンス応答を調査すること。
• 低温（10–70 K）での照射が、特に拡張赤外発光（ERE）として知られる宇宙環境で観測された発光特徴と類似する発光を誘発するかどうかを評価すること。
• 結晶性ケイ酸塩に生じる放射線誘発欠陥と、天体物理学的 ERE 現象との潜在的関連を検討すること。
• 低温宇宙環境下における放射線誘発欠陥の安定性および持続性を調べること。
• 宇宙時間スケールにわたる照射歴が、宇宙ダストの光学的性質をどのように規定するかを評価すること。

提案手法

• ⁶⁰Co ガンマ線（1.1 および 1.3 MeV）を用いて、液体窒素温度（77 K）で forsterite、enstatite、magnesite のバルク単結晶を照射した。
• 京都市立大学原子炉の低温度照射施設（KUR-LTL）を用い、10 K および 70 K で最大 10¹⁷ n_f/cm² の高速中性子線照射を追加で実施した。
• TL 測定の前に、放射能の緩和が行われるよう、数か月間液体窒素中に照射試料を保存した。
• 分光計（CCD カメラおよび光ファイバー結合）を用いて、10 K から 370 K までの熱刺激下で熱ルミネッセンススペクトルを測定した。
• 照射試料の TL スペクトルを、既知の天体的発光特徴（特に赤い長方形星雲における拡張赤外発光 ERE）と比較した。
• 結晶構造、欠陥中心、およびナノ粒子サイズ効果の可能性と関連して、スペクトル特徴を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙ダストの模擬物質にガンマ線および中性子線を照射することで、宇宙空間で観測された拡張赤外発光（ERE）と一致する熱ルミネッセンス特徴が得られるか？
• RQ2 低温照射後の forsterite やその他のケイ酸塩／炭酸塩アナログにおける熱ルミネッセンスの温度依存性は何か？
• RQ3 forsterite、enstatite、magnesite の発光スペクトルは、赤い長方形星雲の ERE スペクトルとどのように比較できるか？
• RQ4 forsterite などの結晶性ケイ酸塩に生じる放射線誘発欠陥が、ERE スペクトルにおける 590 nm 特徴の起源を説明できるか？
• RQ5 放射線効果は低温宇宙環境下でどれほど蓄積され、安定性を保っているか？

主な発見

• forsterite（Mg₂SiO₄）は、77 K でガンマ線照射後に 645–655 nm に顕著な熱ルミネッセンスピークを示し、590 nm に二次ピークも観測された。
• forsterite の TL スペクトルは、赤い長方形星雲で観測された拡張赤外発光（ERE）と、特に 590–655 nm 範囲で極めて類似している。
• magnesite（MgCO₃）は 660 nm に強い TL ピークを示し、炭酸塩ダスト粒子における発光活性の可能性を示唆している。
• enstatite（MgSiO₃）は同条件で弱いか、または顕著な熱ルミネッセンスを示さず、欠陥に起因する発光量子収率が低いことが示唆された。
• forsterite の熱ルミネッセンスは低温（160–200 K）でも検出可能であり、寒冷宇宙環境下で放射線誘発欠陥が貯蔵され、加熱によって放出されることを示している。
• 照射された forsterite の TL スペクトルと ERE スペクトルとの類似性は、結晶性ケイ酸塩に生じる放射線誘発欠陥が、宇宙空間における発光の原因である可能性を支持する。