2019 Fiscal Year Annual Research Report
Advanced negative muon beam development
| Project Area | Toward new frontiers : Encounter and synergy of state-of-the-art astronomical detectors and exotic quantum beams |
|---|
| Project/Area Number |
18H05464
|
|---|
| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
|---|
Principal Investigator |
三宅 康博 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 教授 (80209882)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
永谷 幸則 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 特別准教授 (00393421)
Patrick Strasser 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 研究機関講師 (20342834)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
|
| Keywords | 負ミュオン / 冷却 / 非破壊検査 / ミュオン触媒核融合 / ラムザウアータウンゼント効果 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
トリチウムを用いたミュオン触媒核融合反応によるビーム冷却の基本原理、具体的な装置設計、実験手順、トリチウム使用から廃棄までの放射性安全管理の手順などを確立し、トリチウム取り扱いの専門家である富山大学水素同位体科学研究センターの原正憲氏、波多野雄治氏が分担者として新たに加わり、走査負ミュオン顕微鏡の設計が完了すると共に製作と実験の準備が完了した。
しかしながら、J-PARCは他の実験の許認可申請との干渉を避けるため、当面トリチウム使用許可の申請を認めない事を決定した。このため、これまでのトリチウムを用いたミュオン触媒核融合ベースのビーム冷却の手法から、摩擦冷却を主体とする負ミュオンビームの冷却装置の開発へと方針を転換した。新しい構想に基づき、作年度末、Dラインで得られる高エネルギーミュオンを効率良く減速し、更には減速した負ミュオンを、１.5メートル超の同軸引き出し装置を開発し実験した。この結果、世界で初めて、低速負ミュオン（7keV、5keV、3.5keV）を取り出すことに成功した。
具体的には、加速器で得られる高エネルギーの負ミュオンビームを厚さ3.5mmのベリリウム減速材を用いて減速し、減速された負ミュオンを２枚のカプトン薄膜標的に打ち込み、真空中に再放出された超低速負ミュオンを中心電極に３.5ー7kV印加した同軸輸送管で減速負ミュオンを引き出す実験を実施した。
超低速ミュオンの検出には、1m超の同軸管の末端に銀製の検出用標的を設置し、銀標的まで輸送された超低速負ミュオンからのミュオン特性X線（140keV, 300 keV）、並びに銀標的からの崩壊電子を測定するという２種類の検出法で行った。両者ともに、引き出し用の同軸管への高電圧印加時のみ確認できたが、非印加時には確認されなかった。
これらの実験により、世界初の超低速負ミュオン引き出しと輸送に成功したと結論づけることができた。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
走査負ミュオン顕微鏡の核心部分であるトリチウムを使用したビーム冷却装置の理論構築と装置設計が完了し、毎秒数10個の強度の負ミュオンビームを10μｍ未満に収束させる目途が立ったが、J-PARCの運営方針によりトリチウムの使用が出来なくなった。このため、トリチウムを用いない摩擦冷却を主とする新たな手法を開発した。
この手法の妥当性を確かめる摩擦減速、薄膜捕獲、同軸輸送の実験を実施し、実際に加速器で生成された高エネルギーの負ミュオンを3.5keV未満の低速ミュオンへと減速し、検出器まで1.5mの距離を輸送することに成功した。
これをベースにして、摩擦減速・冷却を主とする走査負ミュオン顕微鏡の開発を進めている。
トリチウム使用が出来なくなったことにより１年以上の遅れが生じたが、代わりに考案した摩擦減速・冷却が予想以上の成果を挙げたため、ある程度は遅れを取り戻しつつある。
また重水素のみを用いたミュオン触媒核融合実験、再生ミュオンの取り出し実験も実施した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
取り出した減速負ミュオンを多層の薄膜を用いて摩擦冷却し、輝度の高い超低速負ミュオンビームへと変換するビーム冷却装置を開発により、分解能が数10μｍの走査負ミュオン顕微鏡を実現させる。
当初計画のトリチウム使用のものに比べ負ミュオンビームの輝度は落ちるものの、走査負ミュオン顕微鏡の原理実証を最優先課題として研究を進める。
冷却膜をどのようにして作成するかが主要な課題となり、水面転写法やシリコン微細加工技術を用いた方法などを組み合わせる手法の開発を進める。
体的には、直径5cmで、厚さ50～60nmの窒化ケイ素の自立薄膜を半導体製造プロセスを用いて20枚程度作成し、勾配電圧を印加可能な真空チャンバを併せて開発することにより、ビーム冷却装置を開発する。
この装置を、J-PARC/MLFのＤラインに装置を接続し、冷却により高輝度化され収束可能な超低速負ミュオンビームを生成し、走査負ミュオン顕微鏡の基礎的な実験を行い、その分解能の測定などから、収束径、エミッタンスや輝度を測定する。
時間的に可能であれば実用材料の２次元の元素マッピングの顕微鏡像も取得する。
|
-
-
-
[Journal Article] Development of a bunch-width monitor for low-intensity muon beam below a few MeV2020
Author(s)
Y. Sue, M. Yotsuzuka, K. Futatsukawa, K. Hasegawa, T. Iijima, H. Iinuma, K. Inami, K. Ishida, N. Kawamura, R. Kitamura, Y. Kondo, T. Mibe, Y. Miyake et al
-
Journal Title
Physical Review Accelerators and Beams
Volume: 23
Pages: 022804(1-7)
DOI
Peer Reviewed / Open Access
-
-
-
[Journal Article] g Factor of the ^{99}Zr (7/2^{+}) Isomer: Monopole Evolution in the Shape-Coexisting Region2020
Author(s)
F. Boulay, G. S. Simpson, Y. Ichikawa, S. Kisyov, D. Bucurescu, A. Takamine, D. S. Ahn, K. Asahi, H. Baba, D. L. Balabanski, T. Egami, T. Fujita, N. Fukuda, C. Funayama, T. Furukawa, …H. Ueno, H. Yamazaki, X. F. Yang, J. M. Daugas, et al
-
Journal Title
Physical Review Letters
Volume: 124
Pages: 112501(1-6)
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
-
-
[Journal Article] A new approach for measuring the muon anomalous magnetic moment and electric dipole moment2019
Author(s)
M. Abe, S. Bae, G. Beer, G. Bunce, H. Choi, S. Choi, M. Chung, W. da. Silva, S. Eidelman, M. Finger, Y. Fukao, T. Fukuyama, S. Haciomeroglu, K. Hasegawa, K. Hayasaka, N. Hayashizaki, H. Hisamatsu, T. Iijima, H. Iinuma, H. Ikeda, M. Ikeno, K. Inami, K. Ishida, …Y. Matsuda, T. Mibe, Y. Miyake,et al
-
Journal Title
Progress of Theoretical and Experimental Physics
Volume: 2019
Pages: 1-22
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
