Development of chemical state analysis method without contact using muon

• Project/Area Number: 18K11922
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 80040:Quantum beam science-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: NINOMIYA Kazuhiko 大阪大学, 理学研究科, 助教 (90512905)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2019: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2018: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: ミュオン / ミュオン特性X線 / 非破壊元素分析 / ミュオン原子 / 化学状態分析 / ミュオン原子形成過程

Outline of Final Research Achievements

When a muon is captured on muon atomic orbit and a muonic atom is formed, muonic X-rays are emitted. In recent years, elemental analysis method by muon has been developed and applied for many materials. In muonic atom formation process, chemical effect has been known that muonic X-ray emission probabilities are changed by the chemical environment of muon capturing atom. The purpose of this research project is development of non-destructive chemical state analysis using muon. The character of muonic X-ray emission probability of each chemical state has been examined in detail. Using this property, the chemical form (mixing ratio) of ironsand was determined non-destructively, and time development of oxidation reaction of metal iron powder was investigated. From this research, we successfully demonstrated chemical compound identification by muon, in other words, we added a new characteristic of chemical species identification on non-destructive muon elemental analysis method.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

非破壊の元素分析は、多くの研究分野において非常に有用な技術の一つであり、特に考古学など貴重資料を取り扱う分野においては唯一の分析手段となりうる。その中で物質内部の元素を分析できる、ミュオン元素分析法は有用であり非常に注目されている。本研究ではこれに化学状態分析を行うという、新たな付加価値を与えることに成功した。例えば考古物では、錆の状況、顔料などの詳しい化学形の分析など、化学形を知ることにより極めて重要な情報が得られる。本研究の成果は、これらのこれまで知ることのできなかった情報に光を当てるものであり、広い量子ビーム応用研究の展開が期待されるものである。

Research Products

• [Journal Article] Chemistry of Negative Muon (2020)
  • Author(s): Ninomiya Kazuhiko
  • Journal Title: RADIOISOTOPES Volume: 69 Issue: 8 Pages: 277-286
  • DOI: 10.3769/radioisotopes.69.277
  • NAID: 130007887588
  • ISSN: 0033-8303, 1884-4111
  • Year and Date: 2020-08-15
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Non-Destructive Elemental Analysis Using Negative Muon Obtained from DC Muon Beam Source; RCNP-MuSIC (2020)
  • Author(s): 二宮 和彦, 新倉 潤, 佐藤 朗, 寺田 健太郎, 齋藤 岳志, 松崎 禎一郎, 友野 大, 川島 祥孝, 篠原 厚, 久保 謙哉, 齋藤 努
  • Journal Title: RADIOISOTOPES Volume: 69 Issue: 1 Pages: 13-17
  • DOI: 10.3769/radioisotopes.69.13
  • NAID: 130007785026
  • ISSN: 0033-8303, 1884-4111
  • Year and Date: 2020-01-15
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Position distribution calculation of annihilation radiations and bremsstrahlung x rays in water during irradiation of positive muons: a Monte Carlo simulation study (2020)
  • Author(s): Hirano Yoshiyuki、Yamamoto Seiichi、Kawamura Naritoshi、Ninomiya Kazuhiko
  • Journal Title: Physica Scripta Volume: 96 Issue: 2 Pages: 025302-025302
  • DOI: 10.1088/1402-4896/abcf65
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Optical imaging of muons (2020)
  • Author(s): Yamamoto Seiichi、Ninomiya Kazuhiko、Kawamura Naritoshi、Hirano Yoshiyuki
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 20790-20790
  • DOI: 10.1038/s41598-020-76652-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Nuclear magnetic field in Na0.7CoO2 detected with μ－SR (2020)
  • Author(s): Jun Sugiyama, Izumi Umegaki, Soshi Takeshita, Hiroya Sakurai, Shoichiro Nishimura, Ola Kenji Forslund, Elisabetta Nocerino, Nami Matsubara, Martin Mansson, Takehito Nakano, Ichihiro Yamauchi, Kazuhiko Ninomiya, M. Kenya Kubo, and Koichiro Shimomura
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 102 Issue: 14 Pages: 144431-144431
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.144431
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Irradiation Test of 65-nm Bulk SRAMs With DC Muon Beam at RCNP-MuSIC Facility (2020)
  • Author(s): Mahara Takumi、Manabe Seiya、Watanabe Yukinobu、Liao Wang、Hashimoto Masanori、Saito Takeshi Y.、Niikura Megumi、Ninomiya Kazuhiko、Tomono Dai、Sato Akira
  • Journal Title: IEEE Transactions on Nuclear Science Volume: 67 Issue: 7 Pages: 1555-1559
  • DOI: 10.1109/tns.2020.2972022
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] X-ray Spectroscopy of Muonic Atoms Isolated in Vacuum with Transition Edge Sensors (2020)
  • Author(s): Okada S.、Azuma T.、Bennett D. A.、Caradonna P.、Doriese W. B.、Durkin M. S.、Fowler J. W.、Gard J. D.、Hashimoto T.、Hayakawa R.、Hilton G. C.、Ichinohe Y.、Indelicato P.、Isobe T.、Kanda S.、Katsuragawa M.、Kawamura N.、Kino Y., et al.
  • Journal Title: Journal of Low Temperature Physics Volume: 20 Issue: 5-6 Pages: 445-451
  • DOI: 10.1007/s10909-020-02476-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Nondestructive High-Sensitivity Detections of Metallic Lithium Deposited on a Battery Anode Using Muonic X-rays (2020)
  • Author(s): Umegaki Izumi、Higuchi Yuki、Kondo Yasuhito、Ninomiya Kazuhiko、Takeshita Soshi、Tampo Motonobu、Nakano Hiroyuki、Oka Hideaki、Sugiyama Jun、Kubo Michael K.、Miyake Yasuhiro
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 92 Issue: 12 Pages: 8194-8200
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.0c00370
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Nuclear isotope production by ordinary muon capture reaction (2020)
  • Author(s): Hashim I.H.、Ejiri H.、Othman F.、Ibrahim F.、Soberi F.、Ghani N.N.A.M.A.、Shima T.、Sato A.、Ninomiya K.
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 963 Pages: 163749-163749
  • DOI: 10.1016/j.nima.2020.163749
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Per atom muon capture ratios and effects of molecular structure on muon capture by γ- Fe2O3 and Fe3O4 (2020)
  • Author(s): Kazuhiko Ninomiya, Meito Kajino, Makoto Inagaki, Kentaro Terada. Akira Sato, Dai Tomono, Yoshitaka Kawashima, Atsushi Shinohara
  • Journal Title: Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry Volume: 324 Issue: 1 Pages: 403-408
  • DOI: 10.1007/s10967-020-07065-0
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of non-destructive isotopic analysis methods using muon beams and their application to the analysis of lead (2019)
  • Author(s): Kazuhiko Ninomiya, Takuto Kudo, Patrick Strasser, Kentaro Terada, Yosuke Kawai, Motonobu Tampo, Yasuhiro Miyake, Atsushi Shinohara, Kenya M. Kubo
  • Journal Title: J Radioanal Nucl Chem Volume: 320 Issue: 3 Pages: 801-805
  • DOI: 10.1007/s10967-019-06506-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of a non-destructive isotopic analysis method by gamma-ray emission measurement after negative muon irradiation (2019)
  • Author(s): Takuto Kudo, Kazuhiko Ninomiya, Patrick Strasser, Kentaro Terada, Yosuke Kawai, Motonobu Tampo, Yasuhiro Miyake, Atsushi Shinohara, Kenya M. Kubo
  • Journal Title: J Radioanal Nucl Chem Volume: 322 Issue: 3 Pages: 1299-1303
  • DOI: 10.1007/s10967-019-06682-8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Estimation of dose and light distributions in water during irradiation of muon beams (2019)
  • Author(s): Yoshiyuki Hirano, Kazuhiko Ninomiya, Seiichi Yamamoto
  • Journal Title: Physica Scripta Volume: 94 Issue: 12 Pages: 125804-125804
  • DOI: 10.1088/1402-4896/ab3acb
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Non-destructive, position-selective, and multi-elemental analysis method involving negative muons (2019)
  • Author(s): Kazuhiko Ninomiya
  • Journal Title: Journal of Nuclear and Radiochemical Sciences Volume: 19 Pages: 8-13
  • NAID: 130007986174
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Negative Muon Capture Ratios for Nitrogen Oxide Molecules (2019)
  • Author(s): Kazuhiko Ninomiya/Takashi U. Ito/Wataru Higemoto/Naritoshi Kawamura/Patrick Strasser/Takashi Nagatomo/Koichiro Shimomura/Yasuhiro Miyake/Makoto Kita/Atsushi Shinohara/Kenya M. Kubo/Taichi Miura
  • Journal Title: J Radioanal Nucl Chem Volume: 319 Issue: 3 Pages: 767-773
  • DOI: 10.1007/s10967-018-6366-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Chemical Environmental Effect on Muon Capture Processes for Iron Compounds Initial quantum levels of captured muons in CO, CO2, and COS (2019)
  • Author(s): Kazuhiko Ninomiya, Takuto Kudo, Michihiro Kitanaka, Motonobu Tampo, Yasuhiro Miyake, Atsushi Shinohara, Michael K. Kubo
  • Journal Title: JPS Conference Proceedings Volume: 25 Pages: 11010-11010
  • DOI: 10.7566/jpscp.25.011010
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of elemental analysis method using negative muon (2018)
  • Author(s): Kazuhiko Ninomiya
  • Journal Title: KEK Proceedings Volume: 2018-6 Pages: 9-15
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nuclear Magnetic Field in Solids Detected with Negative-Muon Spin Rotation and Relaxation (2018)
  • Author(s): Jun Sugiyama, Izumi Umegaki, Hiroshi Nozaki, Wataru Higemoto, Koji Hamada, Soshi Takeshita, Akihiro Koda, Koichiro Shimomura, Kazuhiko Ninomiya, and M. Kenya Kubo
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 121 Issue: 8 Pages: 87202-87202
  • DOI: 10.1103/physrevlett.121.087202
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] CdTe検出器を用いた負ミュオンによる文化財の非破壊三次元イメージング法の開発 (2021)
  • Author(s): 邱 奕寰, 梶野 芽都、篠原 厚、二宮 和彦、武田 伸一郎、桂川 美穂、都丸 亮太、藪 悟郎、長澤 俊作 、高橋 忠幸、渡辺 伸
  • Organizer: 第11回Muon科学と加速器研究
• [Presentation] CdTe検出器を用いた負ミュオンによる非破壊三次元イメージング法の開発 (2021)
  • Author(s): 邱 奕寰, 梶野 芽都、篠原 厚、二宮 和彦、武田 伸一郎、桂川 美穂、都丸 亮太、藪 悟郎、長澤 俊作、南 喬博 、高橋 忠幸、渡辺 伸
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 二次元シリコン検出器を用いた負ミュオンX線測定実験 (2020)
  • Author(s): 邱 奕寰, 梶野 芽都、篠原 厚、二宮 和彦、武田 伸一郎、桂川 美穂、都丸 亮太、藪 悟郎、長澤 俊作 、高橋 忠幸、渡辺 伸
  • Organizer: 日本放射化学会第 64回討論会(2020)
• [Presentation] CdTe 検出器を用いた負ミュオンによる非破壊三次元イメージング法の開発 (2020)
  • Author(s): 邱 奕寰, 梶野 芽都、篠原 厚、二宮 和彦、武田 伸一郎、桂川 美穂、都丸 亮太、藪 悟郎、長澤 俊作 、高橋 忠幸、渡辺 伸
  • Organizer: 日本放射化学会第 64回討論会(2020)
• [Presentation] ミュオン特性 X 線測定による鉄の酸化反応の追跡 (2020)
  • Author(s): 梶野芽都、二宮和彦、工藤拓人、寺田健太郎、稲垣誠、佐藤朗、友野大、川島祥孝、酒井陽一、高山努、篠原厚
  • Organizer: 日本放射化学会第 64回討論会(2020)
• [Presentation] Non-destructive identification of carbon content in iron product by muon lifetime measurement (2020)
  • Author(s): Kazuhiko Ninomiya
  • Organizer: 日本鉄鋼協会 第179回春季講演大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of non-destructive elemental analysis method by muonic X-ray measurement (2020)
  • Author(s): Kazihiko Ninomiya, M. Kenya Kubo, Yasuhiro Miyake, Atsushi Shinohara, Tsutomu Saito
  • Organizer: 日本化学会 第100春季年会 (2020)
• [Presentation] Development of non-destructive isotopic analysis method using negative muon (2019)
  • Author(s): Takuto KUDO, Kazuhiko NINOMIYA, M. Kenya KUBO, Patrick STRASSER, Motonobu TAMPO, Yasuhiro MIYAKE, Atsushi SHINOHARA
  • Organizer: 2nd International Conference on Radioanalytical and Nuclear Chemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Chemical environmental effect on muon capture processes for iron compounds (2019)
  • Author(s): Kazuhiko Ninomiya, Akihiro Nanbu, Makoto Inagaki, Takuto Kudo, Kentaro Terada, Akira Sato, Dai Tomono, Yoshitaka Kawashima, Atsushi Shinohara
  • Organizer: 2nd International Conference on Radioanalytical and Nuclear Chemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Muonic X-ray identification of nuclear materials sealed in a box (2019)
  • Author(s): K. Ninomiya, T. Kudo, A. Shinohara, M. Tampo, Y. Miyake, M. K. Kubo
  • Organizer: The 3rd J-PARC Symposium (J-PARC2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Chemical environmental effects on muon capture for iron compounds and their application to nondestructive identification of chemical species (2019)
  • Author(s): K. Ninomiya, M. Kajino, A. Nanbu, M. Inagaki, T. Kudo, K. Terada, A. Sato, D. Tomono, Y. Kawashima, Y. Sakai, T. Takayama, A. Shinohara
  • Organizer: 15th International Conference on Modern Trends in Activation Analysis
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 鉄原子へのミュオン捕獲における化学状態の影響 (2019)
  • Author(s): 二宮 和彦，南部 明弘，稲垣 誠，工藤 拓人，寺田 健太郎，佐藤 朗，友野 大，川島 祥孝，篠原 厚
  • Organizer: 原子衝突学会第44回年会
• [Presentation] ミュオン特性 X 線測定による非破壊での化学状態分析法の開発 (2019)
  • Author(s): 梶野芽都,二宮和彦,工藤拓人,寺田健太郎,稲垣誠,佐藤朗,友野大,川島祥孝,酒井陽一,高山努,篠原厚
  • Organizer: 日本放射化学会第63回討論会(2019)
• [Presentation] ミュオン崩壊電子寿命測定による非破壊元素分析法の開発 (2019)
  • Author(s): 工藤 拓人, 千徳 佐和子, 二宮 和彦, 竹下 聡史, 髭本 亘, 篠原 厚, 下村 浩一郎, 河村 成肇, パトリック ストラッサー, 三宅 康博, 齋藤 努, 久保 謙哉
  • Organizer: 日本放射化学会第63回討論会(2019)
• [Presentation] ミュオン照射後に放出されるガンマ線測定による非破壊同位体分析 (2019)
  • Author(s): 二宮和彦、工藤拓人、パトリック・ストラッサー、寺田健太郎、河井洋輔、反保元伸、三宅康博、篠原厚、久保謙哉
  • Organizer: 日本放射化学会第63回討論会(2019)
• [Presentation] ミュオン特性Ｘ線を用いた非破壊同位体分析法の開発 (2019)
  • Author(s): 二宮和彦
  • Organizer: 第1回 文理融合シンポジウム 量子ビームで歴史を探る ～加速器が紡ぐ文理融合の地平～
  • Invited
• [Presentation] 考古学資料の産地分析に向けたミュオン特性X線による非破壊鉛同位体分析法の開発 (2019)
  • Author(s): 工藤拓人、二宮和彦、パトリック・ストラッサー、寺田健太郎、河井洋輔、反保元伸、三宅康博、篠原厚、久保謙哉
  • Organizer: 第1回 文理融合シンポジウム 量子ビームで歴史を探る ～加速器が紡ぐ文理融合の地平～
• [Presentation] ミュオンを用いた鉄の非破壊化学状態分析 (2019)
  • Author(s): 梶野芽都 二宮和彦 篠原厚 寺田健太郎 佐藤朗 友野大 川島祥孝 酒井陽一 高山努
  • Organizer: 第1回 文理融合シンポジウム 量子ビームで歴史を探る ～加速器が紡ぐ文理融合の地平～
• [Presentation] 負ミューオンビームによる考古学試料等の分析 (2019)
  • Author(s): 二宮和彦
  • Organizer: 第2回 文理融合シンポジウム 量子ビームで歴史を探る ～加速器が紡ぐ文理融合の地平～
  • Invited
• [Presentation] 二次元検出器を用いたミュオンによる文化財の3次元 元素イメージング法の開発 (2019)
  • Author(s): 邱奕寰 、二宮和彦 、武田伸一郎 、桂川美穂 、高橋忠幸
  • Organizer: 第2回 文理融合シンポジウム 量子ビームで歴史を探る ～加速器が紡ぐ文理融合の地平～
• [Presentation] 文化財の産地分析に向けたミュオン特性X線による非破壊同位体分析法の開発 (2019)
  • Author(s): 工藤拓人、二宮和彦、パトリック・ストラッサー、寺田健太郎、河井洋輔、反保元伸、三宅康博、篠原厚、久保謙哉
  • Organizer: 第2回 文理融合シンポジウム 量子ビームで歴史を探る ～加速器が紡ぐ文理融合の地平～
• [Presentation] ミュオン特性X線測定による文化財の酸化状態特定の可能性検討 (2019)
  • Author(s): 梶野芽都,二宮和彦,工藤拓人,寺田健太郎,稲垣誠,佐藤朗,友野大,川島祥孝,酒井陽一,高山努,篠原厚
  • Organizer: 第2回 文理融合シンポジウム 量子ビームで歴史を探る ～加速器が紡ぐ文理融合の地平～
• [Presentation] 青銅内部の非破壊元素分析と非破壊同位体分析の試み (2019)
  • Author(s): 二宮和彦
  • Organizer: 令和元年度非破壊検査・可視化・分析技術研究会
  • Invited
• [Presentation] 負ミュオンを用いた新しい非破壊元素分析法の開発 (2019)
  • Author(s): 二宮和彦
  • Organizer: 第33回「放射線検出器とその応用」研究会
  • Invited
• [Presentation] ミュオンを用いた非破壊同位体分析法の開発 (2019)
  • Author(s): 二宮和彦、工藤拓人、篠原厚、久保謙哉、反保元伸、三宅康博
  • Organizer: 専門研究会「放射化分析及び中性子を用いた地球化学的研究-2-」
• [Presentation] 鉄化合物のミュオン捕獲比と特性X線構造 (2019)
  • Author(s): 二宮 和彦, 南部 明弘, 稲垣 誠, 工藤 拓人, 寺田 健太郎, 佐藤 朗, 友野 大, 川島 祥孝, 篠原 厚
  • Organizer: 第9回Muon科学と加速器研究
• [Presentation] ベンゼンおよびシクロヘキサンにおけるミュオン転移過程に対する分子構造の影響 (2019)
  • Author(s): 稲垣誠、二宮和彦、南部明弘、工藤拓人、梶野芽都、寺田健太郎、佐藤朗、川島祥孝、友野大、篠原厚
  • Organizer: 第9回Muon科学と加速器研究
• [Presentation] ミュオン特性Ｘ線を用いた非破壊同位体分析法の開発 (2019)
  • Author(s): 工藤拓人、二宮和彦、篠原厚、久保謙哉、反保元伸、三宅康博
  • Organizer: 第9回Muon科学と加速器研究
• [Presentation] ミューオンを用いた非破壊分析技術の青銅文化財分析への応用 ミューオン非破壊分析の原理、測定例 (2019)
  • Author(s): 二宮和彦
  • Organizer: 日本鉄鋼協会「鉄文化財にみる日本の独自技術の学際的研究フォーラム」専門委員会
  • Invited
• [Presentation] Development of non-destructive, position- selective and multi-elemental analysis method with negative muons (2018)
  • Author(s): Kazuhiko Ninomiya
  • Organizer: 3rd International Symposium of Quantum Beam Science at Ibaraki University
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ミュオン特性Ｘ線を用いた非破壊同位体分析法の開発 (2018)
  • Author(s): 工藤拓人、二宮和彦、篠原厚、久保謙哉、反保元伸、三宅康博
  • Organizer: 2018日本放射化学会年会・第62回放射化学討論会
• [Presentation] 密封容器中の放射性物質に対する負ミュオンを用いた非開封元素分析法の開発 (2018)
  • Author(s): 工藤拓人、二宮和彦、篠原厚、久保謙哉、反保元伸、三宅康博
  • Organizer: 2018日本放射化学会年会・第62回放射化学討論会
• [Presentation] ベンゼンおよびシクロヘキサンにおけるミュオン転移過程への分子構造の影響 (2018)
  • Author(s): 稲垣誠、二宮和彦、工藤拓人、寺田健太郎、佐藤朗、川島祥孝、友野大、篠原厚
  • Organizer: 2018日本放射化学会年会・第62回放射化学討論会
• [Presentation] ミューオン非破壊分析の原理、測定例と将来計画 (2018)
  • Author(s): 二宮和彦、工藤拓人、篠原厚、久保謙哉、反保元伸、三宅康博
  • Organizer: ミューオンによる非破壊分析の可能性 - 考古学・文化財への応用を考える -
• [Presentation] ミュオン特性X線測定による非破壊内部元素分析法Non-destructive elemental analysis method for interior of a material by muonic X-ray measurement (2018)
  • Author(s): 二宮 和彦,寺田 健太郎,佐藤 朗,三宅 康博,久保 謙哉
  • Organizer: 量子ビームを用いた次世代非破壊分析技術とその応用 惑星物質科学との可能性