2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of non-destructive elemental analysis method using negative muon beam
| Project Area | Toward new frontiers : Encounter and synergy of state-of-the-art astronomical detectors and exotic quantum beams |
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| Project/Area Number |
18H05460
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
二宮 和彦 大阪大学, 放射線科学基盤機構附属ラジオアイソトープ総合センター, 准教授 (90512905)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
齋藤 努 国立歴史民俗博物館, 大学共同利用機関等の部局等, 教授 (50205663)
大澤 崇人 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 物質科学研究センター, 研究主幹 (70414589)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | 負ミュオン / ミュオン原子 / 非破壊分析 / ミュオン特性X線 / 三次元分析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
負ミュオンによる非破壊分析実験を進めるにあたって、三次元の元素分析システムの開発と微少試料分析の測定システムを用いた実験を進めた。ミュオン実験はJ-PARCおけるS型実験課題（2019MS01）として実施した。これらの研究は、領域内の他の研究グループ、特にA01班、C01班、C02班とは強力な協力関係を構築することで推進した。
三次元元素分析システムの開発においては、2020年度まで開発を進めていた4台のCdTeイメージング検出器を中心とした測定システムについて、ミュオン実験を想定した各種試験、開発研究を行った。特にリモート制御に関する実験を進め、冷却やシグナル制御についてのシステム整備を行った。また、検出器から得られる二次元の元素分布を三次元の画像に再構成するための解析法の開発を進め、核医学診断のSPECTで利用される画像再構成法を基にして、ミュオン分析における三次元画像作成の手順を確立した。三次元元素分析においては、文化財の分析を想定しており、その選定を進めるとともにミュオン実験の対照となる分析実験を実施した。
微少試料分析の測定システムを用いた実験として、2020年12月に地球にもたらされた、探査機「はやぶさ２」が採取した小惑星「リュウグウ」の石の分析を行った。この実験は、リュウグウ分析の初期分析の一環として実施した。この分析をするにあたって、開発した測定システムは十分な性能を有しており、約100mgのリュウグウの石について主要な元素の定量をしただけでなく、生命の誕生に重要な炭素、窒素、酸素といった軽元素について高い精度での分析に成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
新型コロナウィルスの影響から、三次元元素分析システムの整備に時間を要することになったが、検出器の各種試験と、ミュオン実験に向けた測定システムの整備は順調に進展している。ビーム実験の結果の解釈のための、三次元の元素組成を再構成するための解析法について確立できた。さらにビーム実験での分析対象として想定している文化財の選定も進んでおり、そのための対照実験についても順調に進展している。
微少試料の分析システムを用いた実験においては、小惑星「リュウグウ」の石の分析に成功した。このような試料を分析できたこと自体が、本研究が当初計画していた以上の成果である。詳細な解析が進められている段階ではあるが、地球で最も始源的であると考えられていた炭素質隕石（CI）との違いが見出されており、極めて重要な研究成果が得られた。ミュオン分析は非破壊である故に、関連の研究においては非常に多い100 mgもの試料の分析を行うことができた。このことは、ミュオン分析は試料の不均質性の影響が小さく、最も平均的な小惑星リュウグウの組成をもたらすことを意味している。2019年度までに整備した微小試料の分析システムは、今回分析した試料よりも10分の1以下の試料でも分析可能なシステムであり、これにより極めて高い精度での分析が達成できた。
以上のように、2021年度は当初見込んでいた研究成果を超えるものを達成できた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度整備した三次元元素分析システムのミュオン実験への適用と、微少試料分析の結果の解析を進める。
三次元元素分析システムにおいては、バックグラウンドの評価を目的としたビーム試験と、検出器の回転による二次元画像の取得のための測定システムの整備がタスクとして残されており、これらを進めていく。またこの結果のフィードバックをして、文化財を対象とした非破壊三次元元素分析のビーム実験を実施する。
微少試料分析の実験においては、これまで整備を進めた実験システムを用いて、小惑星リュウグウの石という貴重な試料の分析を行い、ミュオン実験でしか得られないユニークな結果を得ることができた。これらの実験データの詳細な解析を進めていくとともに、その解釈についても議論を展開していく。
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[Journal Article] Non-destructive 3D imaging method using muonic X-rays and a CdTe double-sided strip detector2022
Author(s)
I-Huan Chiu, Shin’ichiro Takeda, Meito Kajino, Atsushi Shinohara, Miho Katsuragawa, Shunsaku Nagasawa, Ryota Tomaru, Goro Yabu, Tadayuki Takahashi, Shin Watanabe, Soshi Takeshita, Yasuhiro Miyake & Kazuhiko Ninomiya
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Journal Title
Scientific Reports
Volume: 12
Pages: 5261
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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