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Development of a method to measure radioisotopes in organic materials with high sensitivity for the next generation of astroparticle physics experiments

Research Project

Project/Area Number 21H01105
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

Ichimura Koichi  東北大学, ニュートリノ科学研究センター, 助教 (80600064)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 坂口 綾  筑波大学, 数理物質系, 教授 (00526254)
Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥18,200,000 (Direct Cost: ¥14,000,000、Indirect Cost: ¥4,200,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2021: ¥13,520,000 (Direct Cost: ¥10,400,000、Indirect Cost: ¥3,120,000)
Keywords極低放射能 / 放射線計測 / 微量元素分析 / ICP-MS / ゲルマニウム検出器 / 濃縮法
Outline of Research at the Start

ニュートリノの出ない2重ベータ崩壊事象などの極稀事象探索において、検出器の極低放射能化は探索感度の向上に非常に重要な要素である。本研究では次世代KamLAND2-Zen実験で用いる予定の有機材料中の放射性不純物量分析について、徹底したクリーン環境の整備と灰化による濃縮法の導入、ICP-MSや高純度ゲルマニウム検出器の測定感度向上を行い、世界トップレベルの高感度で放射性不純物量を測定する手法の確立を目的とする。確立した手法を用いることで検出器部材のスクリーニングを遂行し、放射性不純物起源の雑音事象を低減しKamLAND2-Zen実験のニュートリノの出ない2重ベータ崩壊事象探索感度を向上させる。

Outline of Final Research Achievements

The development of an ultra-low background detector is necessary for the search for extremely rare events such as neutrinoless double beta decay. It is also necessary to develop a method for measuring radioactivity in the detector components of such ultra-low background detectors with high sensitivity. In this research project, we have established a method for measuring trace amounts of uranium and thorium in organic materials by combining an ashing device and inductively coupled plasma mass spectrometry. The detection limit of the method was found to be one picogram per gram of organic material for now. We also established a method to measure RI amount with world-class high sensitivity by constructing a low-background shielding for the ultra-low background high-purity germanium detector. Using these methods, we measured RI amounts in candidate components for the next generation of extremely rare event search detectors.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究により、次世代極稀事象探索検出器のスクリーニングをより高感度で行うことが可能になった。灰化装置と誘導結合プラズマ質量分析法を組み合わせた有機物中の放射性不純物量測定に関し、数グラムの有機物を灰化することが出来ること、および有機物1グラムあたり1ピコグラムの濃度での測定に必要なクリーン環境や実験器具の洗浄方法を提示できた。今後濃縮法との組み合わせやクリーン環境や実験器具の整備を行うことでさらに高感度測定出来ることも示すことができた。極低放射能ゲルマニウム検出器に関しても10 kg程度の試料まで測定することが可能であり、様々な極稀事象探索検出器のための測定に活用することができる。

Report

(4 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (13 results)

All 2024 2023 2022 2021

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (12 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 4 results)

  • [Journal Article] Development of a method to measure trace level of uranium and thorium in scintillation films2024

    • Author(s)
      Ichimura K、Chiba K、Gando Y、Ikeda H、Kishimoto Y、Kurasawa M、Nemoto K、Sakaguchi A、Takaku Y、Sakakieda Y
    • Journal Title

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      Volume: - Issue: 6

    • DOI

      10.1093/ptep/ptae071

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Development of a method to measure trace level of uranium and thorium in scintillation films2024

    • Author(s)
      Chiba Kentaro
    • Organizer
      UGAP2024 workshop
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 極低放射能ゲルマニウム検出器の構築と運用2024

    • Author(s)
      市村晃一
    • Organizer
      「第9回極低放射能技術」研究会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] ICP-MSの高感度化と低バックグラウンド実験施設の構築2024

    • Author(s)
      高久雄一
    • Organizer
      「第9回極低放射能技術」研究会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] KamLAND2-Zen実験のためのPENフィルムの性能評価2023

    • Author(s)
      千葉健太郎
    • Organizer
      日本物理学会第78回年次大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 次世代宇宙素粒子実験のための、四重極質量分析器による有機物中極微量放射性元素の高感度測定の開発・研究2022

    • Author(s)
      倉澤真帆
    • Organizer
      プラズマ分光分析研究会2022筑波セミナー
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 次世代宇宙素粒子物理学実験、KamLAND2-Zen実験のための、有機物中の極微量放射性元素の高感度測定の開発・研究2022

    • Author(s)
      倉澤真帆
    • Organizer
      日本物理学会 2022年秋季大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] KamLAND2-Zen実験のための、有機物に含まれる極微量放射性元素の高感度測定方法と純化方法の開発・研究2022

    • Author(s)
      倉澤真帆
    • Organizer
      第3回新学術「地下宇宙」若手研究会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] D01班: 神岡Geスクリーニング2022

    • Author(s)
      市村晃一
    • Organizer
      「第8回極低放射能技術」研究会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Recent results from KamLAND-Zen2022

    • Author(s)
      市村晃一
    • Organizer
      NOW (Neutrino Oscillation Workshop) 2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Research and development of high-sensitive measurement of trace amount of radioactive elements in organic materials for KamLAND2-Zen2022

    • Author(s)
      Maho Kurasawa
    • Organizer
      UGAP2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Development a method to measure radioactivity in organic materials at the trace level for the next generation experiment2022

    • Author(s)
      Aya Sakaguchi
    • Organizer
      環境放射能研究所第9回成果報告会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] KamLAND2-Zen実験のための,四重極質量分析器による有機物中の極微量放射性元素の高感度測定の開発・研究2021

    • Author(s)
      倉澤真帆
    • Organizer
      第2回新学術領域「地下から解き明かす宇宙の歴史と物質の進化」若手研究会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report

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Published: 2021-04-28   Modified: 2025-01-30  

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