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Ion Beam Chemistry in the Heaviest Region of the Periodic Table

Research Project

Project/Area Number 22K18276
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 15:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
Research InstitutionJapan Atomic Energy Agency

Principal Investigator

佐藤 哲也  国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究主幹 (40370382)

Project Period (FY) 2022-06-30 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥25,350,000 (Direct Cost: ¥19,500,000、Indirect Cost: ¥5,850,000)
Fiscal Year 2025: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2024: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2023: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000)
Fiscal Year 2022: ¥8,450,000 (Direct Cost: ¥6,500,000、Indirect Cost: ¥1,950,000)
Keywords超重元素 / イオンビーム化学 / 質量分析 / イオントラップ / イオン分子反応 / イオンビーム
Outline of Research at the Start

原子番号が100を超える元素は、加速器を用いた重イオン核反応でしか合成できず、生成量は非常に少ない上、半減期も1分程度しかないために、実験操作には多くの困難が伴い、その化学的性質は未だ多くが明らかになっていない。
「周期表の重い極限領域で周期律はどこまで成り立つのか?」という化学の根本的な問いに答えるべく、アクチノイド系列と超アクチノイド元素の橋架けとなる103番元素ローレンシウム(Lr)および104番元素ラザホージウム(Rf)に着目し、超重元素原子・分子イオンビームとイオントラップ内化学を結合させた新手法によって、LrおよびRfの原子および分子の化学的性質を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

周期表第7周期のような重い元素領域では、大きな中心電荷に起因する相対論効果によって、最外殻電子軌道電子までが影響を受けるために、その化学的性質が周期表の予想とは異なる可能性が指摘されてきた。一方、原子番号が100を超える元素はすべて人工核種であり、重イオン核反応により、これらの核種を得ることができるものの、合成された核種の生成量は非常に少ない上、半減期もごく短いために、実験操作に伴う種々の困難によって、その化学的性質は未だ多くが明らかになっていない。最近の理論計算により、アクチノイド系列と超アクチノイド元素の橋架けとなる103番元素ローレンシウム(Lr)および104番元素ラザホージウム(Rf)では、その原子の電子構造が軽い同族元素からの予想と異なることが示された。そこで、超重元素原子・分子イオンビームとイオントラップ内化学を結合させた新手法によって、LrおよびRfの原子および分子の化学的性質を明らかにする。
本研究では、核反応で合成した超重元素をイオンビームとして利用する。目的核種のイオンビーム生成のため、電子衝撃型イオン源の開発を進めるとともに、モデル実験を行うための準備ならびに質量分析装置の動作試験を開始した。その結果、希ガス元素についてイオンビームが利用可能であることを確かめた。また、イオンビーム-分子反応によって生成した分子イオンの同定のために用いる質量分析装置について構築を進め、動作試験を開始した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2023(R5)年度は、質量分析装置の開発と並行して、イオン-化学反応のためのイオンビーム生成のための装置開発を進めた。不揮発性元素のイオン源内への吸着が無視できないため、最終目的であるラザホージウムのイオンビーム生成には課題を残すものの、揮発性の高い希ガス元素のイオン化は確認できたため。

Strategy for Future Research Activity

2024(R6)年度は、質量分析装置の単体稼働試験を先行して行い、アルカリ金属イオンを表面電離法によって発生させて、質量測定用回路および制御系の最適化を進める。これと並行して、イオンビーム発生のためのオンライン同位体分離器用イオン源中での分子イオン生成を利用したイオンビーム生成を確かめる。
2025(R7)年度以降は、カリホルニウム-252自発核分裂線源を用いたオフライン実験の後、原子力機構タンデム加速器を用いて合成した短寿命核種によって、短寿命核種のイオントラップ並びに質量測定を行う。最適化した条件下で、同族元素を用いたモデル実験を行った後、超重元素イオン分子反応実験を実施する。

Report

(3 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Comments on the Screening Results   Research-status Report
  • Research Products

    (5 results)

All 2024 2023 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (2 results) Presentation (2 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 1 results)

  • [Int'l Joint Research] Paul Scherrer Institut (PSI)(スイス)

    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Journal Article] Chemical characterization of heavy actinides and light transactinides – Experimental achievements at JAEA2024

    • Author(s)
      NAGAME Yuichiro、SATO Tetsuya K.
    • Journal Title

      Proceedings of the Japan Academy, Series B

      Volume: 100 Issue: 3 Pages: 165-189

    • DOI

      10.2183/pjab.100.011

    • ISSN
      0386-2208, 1349-2896
    • Year and Date
      2024-03-11
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Journal Article] Extreme Chemistry of Superheavy Elements2023

    • Author(s)
      佐藤 哲也、永目 諭一郎
    • Journal Title

      Butsuri

      Volume: 78 Issue: 2 Pages: 64-72

    • DOI

      10.11316/butsuri.78.2_64

    • ISSN
      0029-0181, 2423-8872
    • Year and Date
      2023-02-05
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Current Status of JAEA-ISOL for the study of atomic, chemical, and nuclear properties of the heaviest elements2023

    • Author(s)
      T. K. Sato, R. Aoki, Y. Ito, Y. Uchibaba, M. Asai, G. Gyeongmin, H. Natori, Y. Miyachi, K. Tsukada, Y. Nagame
    • Organizer
      7th International Conference on The Chemistry and Physics of the Transactinide Elements (TAN23)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Chemistry of the elements at the end of the actinide series using their low-energy ion-beams2023

    • Author(s)
      Tetsuya K. Sato
    • Organizer
      ARCEBS2023
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited

URL: 

Published: 2022-07-05   Modified: 2024-12-25  

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