ミュオン特性Ｘ線元素分析イメージングによる価数・電子状態の可視化

Publicly Offered Research

Project Area	Toward new frontiers : Encounter and synergy of state-of-the-art astronomical detectors and exotic quantum beams
Project/Area Number	19H05199
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
Allocation Type	Single-year Grants
Review Section	Science and Engineering
Research Institution	Toyota Central R&D Lab., Inc.
Principal Investigator	梅垣いづみ株式会社豊田中央研究所, 分析部量子ビーム解析研究室, --- (20638522)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2021-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help	¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000) Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000) Fiscal Year 2019: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Keywords	ミュオン特性X線 / 負ミュオン / 元素分析 / 化学効果 / 金属リチウム析出 / リチウムイオン電池 / ミュオン / イメージング / Ｘ線
Outline of Research at the Start	ミュオン特性X線による非破壊元素分析はこれまで一次元の面内平均の元素分布を実現してきた。加えて、この手法には元素の特定のみならず、同一元素の電子・価数状態判別の可能性がある。本研究では、ミュオン捕獲過程に基づく電子・価数状態とミュオン特性X線の関係を明らかにし、化学状態の非破壊可視化技術を確立する。これにより、リチウムイオン電池内の電極の充電状態の均一性／非均一性や、表面に析出する不活性リチウムの可視化を実現する。さらに、新学術領域研究で取り組む、宇宙線検出器やイメージング技術により、電子・価数状態の3次元マッピングへ展開する。
Outline of Annual Research Achievements	本研究は、ミュオン特性X線を用いた元素分析をさらに発展させて「化学効果」を利用した新しい分析の実現を目的としたものである。「化学効果」とは、負ミュオンが原子に捕獲される際の捕獲されやすさに、その原子の化学状態が影響することである。同じ元素でもその化学状態によって捕獲率が異なるので、得られるミュオン特性X線の強度に違いが表れ、元素判別のみならず、価数・電子状態の判別に用いることが可能である。さらに、本新学術領域で取り組んでいるイメージングと組み合わせ、電極面内における電池反応の不均一性や金属リチウム析出の分布を捉えることを目標としてきた。 20年度は、リチウムイオン電池内の縦約3cm×横約4cmの電極の平均情報として、金属リチウム析出を非破壊で捉えることに成功した。あらかじめ異なる析出量のリチウムイオン電池を用意して、負ミュオンは金属リチウム析出面に停止するように打ち込み、得られるミュオン特性X線を測定した。測定後、各電池を解体し、電極に析出する金属リチウムを固体NMRとICP-OESで定量した。その結果、析出量と信号強度は比例関係にあることを示し、検量線を作成できた。また、リチウムを含む酸化物への負ミュオン照射実験に参加し、ミュオンの捕獲率について検討した。その結果、寿命法によって、リチウムへの捕獲率が2%程度であることが分かった。類推で、電池に含まれる被膜（リチウム化合物）におけるリチウムの捕獲率も低いと予想されるが、過去の捕獲率の研究は2元素で安定な物質に限られているので、今後実測により確かめる必要はあるが、化学効果により金属リチウム析出はリチウムイオン電池の中で、感度よく測定可能と言える。コロナの影響で予定していた実験の実施が不可能になる事態があり、予算執行が予定通りできなかったが、研究自体はミュオン特性X線のイメージングにつながる成果が得られた。
Research Progress Status	令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
Strategy for Future Research Activity	令和2年度が最終年度であるため、記入しない。