| Project/Area Number |
23K20405
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| Project/Area Number (Other) |
20H04450 (2020-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2020-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 80040:Quantum beam science-related
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
松山 成男 東北大学, 工学研究科, 教授 (70219525)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
菊池 洋平 東北大学, 工学研究科, 准教授 (50359535)
加田 渉 東北大学, 工学研究科, 准教授 (60589117)
藤代 史 高知大学, 教育研究部自然科学系理工学部門, 准教授 (90546269)
神谷 富裕 群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (70370385)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥16,900,000 (Direct Cost: ¥13,000,000、Indirect Cost: ¥3,900,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2021: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000)
Fiscal Year 2020: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
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| Keywords | ナノビーム / 全元素分析 / 自動集束 / ナノ原子顕微鏡 / イオンビーム発光分光 / IBIL / ERDA / マッピング / 焦点予測システム / マルチモーダル分析 / 元素分析 / ナノ元素顕微鏡 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、イオンビームと物資との相互作用に注目し、イオンビームを数10nm程度にまで収束させ、その相互作用による発光(Ion beam induced luminescence, IBIL)、特性X線発生 (Particle Induced X-ray Emission, PIXE)、荷電粒子の散乱 (Rutherford BackScattering Spectroscopy, RBS)による二次放射線等を検出することにより、ナノ元素顕微鏡を実現しようとするものである。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、昨年度までに開発したマイクロ特性X線発生 (PIXE)/荷電粒子の散乱 (RBS)分析システムに組み合わせて、マルチモーダル化を図るべく、イオンビームとの相互作用による発光(IBIL)/水素原子の反跳ERDA分析システムの開発と、ナノビーム化の検討を図った。
IBILについては、高感度の分光器とCCDカメラを組み合わせており、場所ごとの蛍光スペクトルの測定が可能であったが、マッピングは不可能であった。そこで、シリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）アレイをミラーを介して取り付け、場所ごとの高分解能での蛍光スペクトルの取得に加え、ミラーの切り替えにより蛍光スペクトルマッピングが初めて可能となった。SiPMは、CCDに比べて感度が低いため、集光システムの改良を図り、CCDの1/10程度までの感度を得ることができた。また、CCDに比べると、波長分解能が悪いものの、CCDでの測定と簡単に切り替えることができるため、問題にならないと考えられる。開発したシステムは、テレビで用いられてた3原色の蛍光体分析や、組織マーカとして予定しているYPO4Gd試料を用いて検証し、その成果は2023年10月に富山で開催されたIBA/PIXE2024で発表した。論文は現在査読中である。ERDA分析については、実験体系の最適化を行い、マッピングはできてないものの、定量性の確認を行った。その成果は同様に2023年10月に富山で開催されたIBA/PIXE2024で発表し、論文は査読中である。
ナノビーム化については、レンズの多連化を図り進めたものの、色収差、球面収差の影響がシミュレーションで予測したものよりも大きく、2連のレンズの方が有効であるとの結論に達し、2連のレンズを用いたでの最適化を進めた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度で初めて、蛍光マッピングシステムが完成し、PIXE/RBS/RFSと組み合わせて、目指していたマルチモーダル分析システムの高度化に近づいた。ERDA法については、基礎要素の開発が進んでおり、これを組み合わせることにより、目的の一つである、元素と機能を見る顕微鏡は実現すると考えられる。分解能のナノ化については、多連化によるレンズの色収差、寄生収差の影響が大きく達成出来てないが、原因が分かってきたため、加速器電圧の変動とドリフト特性の向上を図ることに合わせて、影響の少ない2連化を進めることで達成出来ると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は、2連のレンズシステムの最適化を図り、ナノビームを目指す。シミュレーション結果からは、色収差、球面収差の影響は少ないと想定していたが、実験結果からは、影響は数倍高かった。これについては、加速器の電圧安定度、エネルギー分析システムの向上により低減し、多連化でのナノビーム化とともに、影響の少ない2連のレンズシステムについても検討を行い、最適なシステムでナノビーム化を図る。
これまでに開発したPIXE/RBS/IBILに加え、水素原子の反跳(ERDA)分析システムを組み込みこむ。そしてナノビームと組み合わせることにより、元素と機能を見るナノ顕微鏡を開発する。
開発後には、植物試料に発光体でマーキングを行い、植物の機能と元素のマッピングを行い、本システムの有効性を検討する。
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