2018 Fiscal Year Annual Research Report
Highly spin-polarized RI beam and its application to nuclear physics and materials science
| 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 |
18H05462
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
上野 秀樹 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (50281118)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高峰 愛子 国立研究開発法人理化学研究所, 仁科加速器科学研究センター, 研究員 (10462699)
山崎 展樹 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (00271528)
山本 文子 芝浦工業大学, 公私立大学の部局等, 教授 (50398898)
吉見 彰洋 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 准教授 (40333314)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | その他の量子ビーム / 原子核（実験） / 量子ビーム測定手法 / 磁気共鳴 / 放射線 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では RI ビームに「超低速・高核スピン偏極」という新たな価値を付加した新奇量子ビームを実現すべく、RI 原子線共鳴装置の開発を行う。更に当該装置を用い、β線検出型超高感度 NMR 法 (β-NMR 法)による新たな物質科学研究を開拓するとともに、宇宙研究用ガンマ線検出器と組み合わせた核物理の展開も目指している。
現在、超低速不安定核生成ビーム装置（SLOWRI装置）から得る低エネルギーRIイオンを高効率に中性化させRI原子ビームを得るために鍵となる中性化装置として、線形リニアポールイオントラップを利用した中性化装置に関するの以下の装置設計及び必要機器の導入を進めた。SIMIONコードを使ったシミュレーションにより、イオントラップの大きさやセグメント数、軸方向振動電場の周波数などの最適化を進めている。また、イオンをトラップした時にそのままではRF加熱によりイオンをロスし実験に十分な長いトラップ時間を見込めないので、これを避けるためにレーザー冷却したBeイオンによる協同冷却を利用する。これに必要な冷却用レーザーの開発も進めており、近々の完成を見込んでいる。更に、入射するイオンと冷媒イオンは質量電荷比が近い方がトラップ条件近く簡単になるため、Be以外にもレーザー冷却が比較的可能なCa, Sr, Baイオンに必要なレーザーの用意ないしは開発設計も進めている。また、中性化試験には中性化した時にレーザーを利用した観測が容易なアルカリ原子イオンから着手する計画であり、そのために必要なレーザーの用意および設計も進めている。まずは既存の真空チェンバーを流用して協同冷却・中性化試験を行うために必要な真空排気装置、クライオ冷凍機、信号発生器などを導入し、また、レーザーを長時間安定に駆動するために数MHzもの高精度で波長を測定できかつ安定化フィードバックを行うことができる波長計を導入した。
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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
物質科学研究用の酸素RIプローブの開発研究では、磁気モーメント測定の結果がまとまり、当該研究で1名が博士号を取得した他現在投稿論文を準備中である。また関連核構造研究も1報投稿済である。酸素の電気四重極モーメント測定に関しては、関連する偏極・整列RIビーム生成の技術開発実験と共に、現在放医研で実験を実施中であり順調に進展している。また、研究対象とする物質であるCuOについては、4 mm角程度ではあるが、比較的大きな結晶を入手することができた。本研究の中心となるRI原子ビーム共鳴装置の開発では、最難関である中性化装置の開発に着手しているが、主要機器の詳細仕様設計やレーザー光源開発に時間を要しやや遅れ気味である。後者ではBeイオンの冷却レーザー(313 nm)は、939 nmの外部共振器型半導体レーザー(ECDL)を2つに分け、それぞれをテーパーアンプで増幅し、一方を第二次高調波発生器で470 nmに変換し、他方の939 nmとの和周波をとることで313 nmを得る方式とした。まず、種光となるECDLを新たに導入した高精度波長計を使うことで長時間安定に駆動できることを確認した。また、第二次高調波発生器までは最大60%程度にも達する変換効率を示し、目的に十分な性能を確認している。最後の和周波生成のところは最適化を進めている最中である。真空排気装置やクライオ冷凍機（振動が小さく、コンプレッサーに冷却水を必要としないものを選定した）は選定と納期に時間がかかったが、本年度内に納入できたため、開発試験のための装置組み立ての段階に速やかに移ることができる。以上一部遅れがあるが全体的には順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
2019年度は、既存の核反応に基づく偏極RIビームを用い、開発と並行して実施した研究でここまで得られた成果を論文にまとめると同時に、若干の遅れが生じているRI 原子線共鳴装置の開発に特に注力する。本研究では、目的達成に向け、酸素プローブ自体の研究を行う「1) 核プローブチーム 」、原子線共鳴装置の開発を担う「2) RI イオン冷却・中性化装置開発チーム」及び「3) RI 原子線共鳴装置本体部開発チーム」、その利用研究を推進する「4) 物質科学研究チーム」及び「5) γ線核分光研究チーム」の 5 チーム体制で研究を推進する。各々研究代表者及び研究分担者がコアとなるが、カバーしきれない専門性を有する 田島 (理研)、佐藤渉(金沢大)、市川 (理研)、西畑 (理研)、三宅 (KEK)、渡辺 (JAXA)、木野 (東北大)の 8 名の研究協力者を加えた研究実施体制により、研究開発を進める。各チームの2019年度の実施計画は下記の通り：1) 核プローブチーム： 測定に成功しているO-21の磁気モーメントの結果をまとめるのと並行し、RIBFや放医研での関連研究を推進する。2) RI イオン冷却・中性化装置開発チーム： RI ビームの高周波イオントラップ及びレーザーと混入Beによる共同冷却装置の開発を進める。3) RI 原子線共鳴装置本体部開発チーム：シミュレーションを進め原子スピン選択性を有する原子線共鳴装置本体部の設計を引き続き行う。4) 物質科学研究チーム： 前年度整備した装置を用い、CuO の単結晶の大型化 (～cm) を試みる。また、低温下で物質科学β-NMR 測定が行えるよう、試料冷却システムの整備を更に進める。5) γ線核分光研究チーム： RI ビームと宇宙検出器を組み合わせたγ線核分光実験の測定計画策定に向け基礎データを取得する。
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