荷電粒子の捕集・輸送装置の開発

• Project Area: Toward new frontiers : Encounter and synergy of state-of-the-art astronomical detectors and exotic quantum beams
• Project/Area Number: 21H00160
• 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: Gakushuin University (2022); Tohoku University (2021)
• Principal Investigator: 奥津 賢一 学習院大学, 理学部, 助教 (00838568)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2022: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000); Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 装置開発 / 荷電粒子輸送 / ミュオン / ミュオン触媒核融合 / 固体水素標的 / 荷電粒子輸送装置

Outline of Research at the Start

本研究では新たに電場を利用した荷電粒子輸送装置を開発、実証を行い、特に従来の電場や磁場を利用した荷電粒子の制御方法では難しかった面上から放出される荷電粒子を効率的に輸送可能な荷電粒子輸送装置の開発を行う。実証実験では主にベータ線を含めた電子源および分子イオン源を用い、電子源(ベータ線源)、イオン源から輸送先までの到達効率を求めるほか、任意の電子線、イオンビームの軌跡を確かめ、シミュレーションとの比較を行う。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では新たに電場を利用した荷電粒子輸送装置を開発、実証を行い、特に従来の電場や磁場を利用した荷電粒子の制御方法では難しかった面上から等方的に放出される荷電粒子を効率的に輸送可能な荷電粒子輸送装置の開発を行う。実証実験では電子源または分子イオン源を用い、電子線、イオンビームの軌跡を確かめ、シミュレーションとの比較を行う。
開発中の荷電粒子輸送装置は荷電粒子の運動エネルギーやその進行方向が非常に幅広い場合でも効率的に粒子を捕集し輸送できるものを目指しており、同軸輸送管に代表されるように高電圧印加された芯線と接地された輸送管による荷電粒子を電場による捕集しつつ誘導する装置を提案している。
これまでに開発中の荷電粒子輸送装置についてより詳細にシミュレーションを進め、より粒子輸送の特性などについて理解を進めた。シミュレーションでは研究計画当初より、より正確なシミュレーションが可能となり、実際の実験環境、電場環境を模擬した計算を実施した。
これらの結果より、具体的に10 keV以下の運動エネルギーのミュオンの引き出しを対象とした輸送装置の実装実験にシミュレーション結果をフィードバックさせ、輸送用の電圧印加時により多くのミュオンを引き出すことに成功した。
また、研究を進める中で引きだしたミュオンの運動エネルギー分布について、輸送用の印加電圧を掃引することでおおよそ、運動エネルギー分布を明らかにするシミュレーションも進めた。高効率の輸送を主眼としていることからエネルギー分解能は低いものの、異なる輸送条件での結果から運動エネルギー分布を得ることがある程度可能になること明らかとなった。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Role of resonance states of muonic molecule in muon catalyzed fusion (2023)
  • Author(s): Kenichi Okutsu, Takuma Yamashita, Yasushi Kino, Konan Miyashita, Kazuhiro Yasuda, Toshitaka Oka, Motoyasu Sato
  • Journal Title: JJAP Conference Proceedings Volume: 9 Issue: 0 Pages: 011003-011003
  • DOI: 10.56646/jjapcp.9.0_011003
  • ISSN: 2758-2450
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Roles of resonant muonic molecule in new kinetics model and muon catalyzed fusion in compressed gas (2022)
  • Author(s): Yamashita Takuma、Kino Yasushi、Okutsu Kenichi、Okada Shinji、Sato Motoyasu
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 6393-6393
  • DOI: 10.1038/s41598-022-09487-0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 歯のESRスペクトルにおける放射線誘起成分の解析精度の検討 (2022)
  • Author(s): 光安優典, 岡壽崇, 高橋温, 木野康志, 奥津賢一, 関根勉, 山下琢磨, 清水良央, 千葉美麗, 鈴木敏彦, 小坂健, 佐々木啓一, 鈴木正敏, 福本学, 篠田壽
  • Journal Title: KEK Proceedings (第23回「環境放射能」研究会 Proceedings) Volume: 2022-2 Pages: 120-125
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] イメージングプレートを用いた歯中放射性核種推定のための数値シミュレーション (2022)
  • Author(s): 尾田晃平, 光安優典, 奥津賢一, 山下琢磨, 木野康志, 関根勉, 高橋温, 篠田壽
  • Journal Title: KEK Proceedings (第23回「環境放射能」研究会 Proceedings) Volume: 2022-2 Pages: 126-131
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Deexcitation Dynamics of Muonic Atoms Revealed by High-Precision Spectroscopy of Electronic K X Rays (2021)
  • Author(s): T. Okumura et al.
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 127 Issue: 5 Pages: 053001-053001
  • DOI: 10.1103/physrevlett.127.053001
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dynamical Response of Transition-Edge Sensor Microcalorimeters to a Pulsed Charged-Particle Beam (2021)
  • Author(s): Okumura Takuma、Azuma Toshiyuki、Bennett Douglas A.、Caradonna Pietro、Chiu I-Huan、Doriese W. Bertrand、Durkin Malcolm S.、Fowler Joseph W.、Gard Johnathon D.、Hashimoto Tadashi、Hayakawa Ryota、Hilton Gene C.、Ichinohe Yuto、Indelicato Paul et al.
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 31 Issue: 5 Pages: 1-4
  • DOI: 10.1109/tasc.2021.3067793
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Time evolution calculation of muon catalysed fusion: Emission of recycling muons from a two-layer hydrogen film (2021)
  • Author(s): T. Yamashita et al.
  • Journal Title: Fusion Engineering and Design Volume: 169 Pages: 112580-112580
  • DOI: 10.1016/j.fusengdes.2021.112580
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Design for detecting recycling muon after muon-catalyzed fusion reaction in solid hydrogen isotope target (2021)
  • Author(s): K. Okutsu et al.
  • Journal Title: Fusion Engineering and Design Volume: 170 Pages: 112712-112712
  • DOI: 10.1016/j.fusengdes.2021.112712
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 野生動物の歯を用いた低線量被ばく推定法の開発 (2021)
  • Author(s): 光安優典, 岡壽崇, 高橋温, 小荒井一真, 木野康志, 奥津賢一, 関根勉, 山下琢磨, 清水良央, 千葉美麗, 鈴木敏彦, 小坂健, 佐々木啓一, 漆原佑介, 鈴木正敏, 福本学, 篠田壽
  • Journal Title: KEK Proceedings (第22回「環境放射能」研究会 Proceedings ) Volume: 2021-2 Pages: 91-96
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Measurement of recycling muon from muon catalyzed fusion reaction in solid hydrogen, (2022)
  • Author(s): K. Okutsu, K, Miyashita, R. Nakashima, R. Konishi, K. Sasaki, K. Yasuda, T. Yamashita, Y. Kino, Y. Toyama, S. Okada, M. Sato, T. Oka, N. Kawamura, S. Kanda, K. Shimomura, P. Strasser, S. Takeshita, M. Tampo, S. Doiuchi, Y. Nagatani, S. Nishimura, A. D. Pant, Y. Miyake, K. Ishida
  • Organizer: 37th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A simulation study for energy separation of recycling muons after muon catalyzed fusion (2022)
  • Author(s): R. Nakashima, K. Okutsu, K, Miyashita, R. Konishi, K. Sasaki, K. Yasuda, T. Yamashita, Y. Kino, Y. Toyama, S. Okada, M. Sato, T. Oka, N. Kawamura, S. Kanda, K. Shimomura, P. Strasser, S. Takeshita, M. Tampo, S. Doiuchi, Y. Nagatani, S. Nishimura, A. D. Pant, Y. Miyake, K. Ishida
  • Organizer: 37th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 固体重水素薄膜を用いたミュオン触媒核融合反応素過程の解明 (2022)
  • Author(s): 奥津賢一
  • Organizer: 新学術領域研究「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新た応用の架け橋。」領域研究会 (第 4 回領域全体会議)
• [Presentation] ミュオンビームの固体水素内における挙動の数値シミュレーション (2022)
  • Author(s): 小西蓮, 奥津賢一, 木野康志, 佐々木喬祐, 中島良太, 山下琢磨, 宮下湖南, 安田和弘, 岡田信二, 佐藤元泰, 外山裕一, 岡壽崇, 河村成肇, 神田聡太郎, 下村浩一郎, Strasser Patrick, 竹下聡史, 反保元伸, 土居内翔伍, 永谷幸則, 名取寛顕, 西村昇一郎, Amba Pant, 三宅康博, 石田勝彦
  • Organizer: 令和 4 年度化学系学協会東北大会
• [Presentation] ミュオン水素分子イオンの解離 X 線スペクトルの非断熱計算 (2022)
  • Author(s): 山下琢磨, 安田和弘, 奥津賢一, 木野康志,
  • Organizer: 第 16 回分子科学討論会
• [Presentation] ミュオン触媒核融合からの低速ミュオン検出実験のための数値シミュレーション (2022)
  • Author(s): 小西蓮, 奥津賢一, 木野康志, 佐々木喬祐, 中島良太, 宮下湖南, 安田和弘, 山下琢磨, 岡田信二, 佐藤元泰, 外山裕一, 岡壽崇, 河村成肇, 神田聡太郎, 下村浩一郎, 竹下聡史, 反保元伸, 土居内翔伍, 永谷幸則, 名取寛顕, 西村昇一郎, 三宅康博, Amba D. Pant, Strasser Patrick, 石田勝彦
  • Organizer: 日本物理学会 2023 年春季大会
• [Presentation] ミュオン触媒核融合反応生成物の観測へ向けて (2022)
  • Author(s): 奥津賢一
  • Organizer: 2021年度 Muon合同研究会・シンポジウム(第12回 研究会「Muon科学と加速器研究」)
• [Presentation] Direct measurement of muon catalyzed nuclear fusion in thin deuterium film (2021)
  • Author(s): K. Okutsu, T. Yamashita, Y. Kino, R. Nakashima, K, Miyashita, K. Yasuda, S. Okada, M. Sato, T. Oka, N. Kawamura, S. Kanda, K. Shimomura, P. Strasser, S. Takeshita, M. Tampo, S. Doiuchi, Y. Nagatani, S. Nishimura, A. D. Pant, Y. Miyake, K. Ishida
  • Organizer: 36th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高強度パルスミュオンによるミュオン触媒核融合反応素過程の研究 (2021)
  • Author(s): 奥津賢一
  • Organizer: 第38回 無機・分析化学コロキウム
• [Presentation] 荷電粒子の捕集・輸送装置の開発 (2021)
  • Author(s): 奥津賢一
  • Organizer: 第３回新学術領域研究「量子ビーム応用」領域会議
• [Presentation] Design of a charged particle transport method using electrostatic field (2021)
  • Author(s): K Okutsu, T Yamashita, Y Kino, R Nakashima, K Miyashita, K Yasuda, S Okada, M Sato, T Oka, N Kawamura, S Kanda, K Shimomura, P Strasser, S Takeshita, M Tampo, S Doiuchi, Y Nagatani, H Natori, S Nishimura, A D Pant, Y Miyake, K Ishida
  • Organizer: 32nd International Conference on Photonic, Electronic and Atomic Collisions (Virtual iCPEAC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ミュオン触媒核融合素過程計測へ向けた固体水素標的 (2021)
  • Author(s): 奥津賢一, 木野康志, 中島良太, 宮下湖南, 安田和弘, 山下琢磨, 岡田信二, 佐藤元泰, 岡壽崇, 河村成肇, 神田聡太郎, 下村浩一郎, Strasser Patrick, 竹下聡史, 反保元伸, 土居内翔伍, 永谷幸則, 名取寛顕, 西村昇一郎, Amba Datt Pant, 三宅康博, 石田勝彦
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] DD実験によるμCF生成物の観測へ向けて (2021)
  • Author(s): 奥津賢一
  • Organizer: 第 1 回超低速負ミュオンビーム研究会
• [Presentation] Observation of recycling muon in muon catalyzed nuclear fusion reaction (2021)
  • Author(s): K. Okutsu, H. Natori, P. Strasser, K. Miyashita, K. Yasuda, R. Nakashima, T. Yamashita, Y. Nagatani, N. Kawamura, S. Kanda, S. Nishimura, S. Okada, T. Oka, M. Tampo, K. Ishida, M. Sato, K. Shimomura, Y. Miyake, Y. Kino
  • Organizer: Pacifichem2021
  • Int'l Joint Research