2016 Fiscal Year Research-status Report
次世代”原子核”時計のキーマテリアルTh-229mの大量製造と検出
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15K13396
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
菊永 英寿 東北大学, 電子光理学研究センター, 准教授 (00435645)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 核励起 / 原子核 / 核異性体 / 標準 / トリウム / 放射化学 / 核化学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
質量数229のトリウム同位体は，これまで知られている中で最も低い励起エネルギーを持つ核異性体（Th-229m）が存在しており，そのエネルギーは7.8 eVと報告されている。このエネルギーは真空紫外領域であり，次世代"原子核時計"となる可能性が指摘されている。本研究では，これまで誰も成功していないTh-229の直接励起によりTh-229mを製造し，その確かな検出を試みる。本年度の実績は以下のとおりである。
（1）Th-229直接励起装置の開発：本年度は昨年度に引き続き，Th-229の直接励起するための放電励起装置の設計を行った。昨年度の結果を基に新たな試作機のテストを行い，安定した放電で，目標の電流量を確認することができた。現在はTh-229m実験ための実機の作成を行うとともに，レーザーによる直接励起の可能性も考慮し，新たな励起装置の設計も行っている。
（2）新たなTh-229試料の調製：実験に使用できるTh-229の量が増えるほど実験精度が上がるため，核燃料物質のU-233から娘核種のTh-229を分離することを試みた。その第一段階として国内の研究所より数百mgのU-233の提供を受け，その一部を用いて同位体分析を行った。その結果，U-233試料には本研究に用いるのに十分な量と同位体純度のTh-229が含まれていることが分かった。本試料は平成29年度に分離・精製を行い研究に用いる予定である。
（3）原子核周辺の電子密度の計算：Th-229mの7.8eVという極低エネルギーは最外殻電子の束縛エネルギーと同程度であり，化学状態により半減期が変化する可能性がある。この現象をより深く理解するためにTh-229mと同様に化学状態により半減期が変化する核種で，量子化学計算により求めた電子状態と半減期の比較を行った。今後はTh-229mについての計算を目指す予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本年度は昨年に引き続き，Th-229の直接励起するための放電励起装置の設計を進めた。本年度は放電励起装置の試作機のテストを終え，想定された電流量を引き出すことに成功した。研究計画ではトリウムと性質が似ている4属元素（ジルコニウム，ハフニウム）の放射性同位体を用いて，放電励起の模擬実験を行う予定であったが，そこまで達成できなかった。その理由としては，放電励起部分が思ったより高額になり，試作できる回数が少なくなったために放電励起部分の設計に手間取ったことがあげられる。しかしながら，放電励起実験のための実機の設計は既に終えており，近々模擬実験を行う予定である。また，昨年度より研究計画に加えた，貴重なTh-229の増量も来年度前期に達成できることが確実となり，Th-229実験の統計精度を上げ実験に必要な時間を短縮することが期待できる。さらに放電励起が上手く行かなかった場合のレーザー励起実験の計画や，電子を通じたTh-229m原子核の励起・脱励起を理解するための量子化学計算も進行している。以上より，研究計画はやや遅れているが，概ね順調に進んでいると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度は放電励起装置の実機を用いたTh-229の励起実験を目指す。そのため，トリウムと性質が似ている4属元素（Zr，Hf）の放射性同位元素を用いた放電励起の模擬実験を早めに実施し，放射性同位元素線源(模擬Th線源)に対する放電励起による影響を確かめる。つまり，実際にTh-229で放電励起実験を行った際に，Th-229が安定して照射されるかどうかの試験を行う。その後，Zr，Hfの放射性同位元素をTh-229に置き換え，放電励起実験を行う。
さらに，放電励起が上手く行かなかったときに備えて，レーザー励起によるTh-229直接励起実験の準備も進める。本計画は放電励起をレーザー励起に変更することで実施でき，検出器系や解析については同じものを利用できる。Th-229m原子核の励起・脱励起を理解するための量子化学計算も試みつつ，放電励起法とレーザー励起法のそれぞれの利点を考慮しながらTh-229直接励起実験を進める予定である。
同時にTh-229の直接励起実験に向けて，前期のうちに多量のTh-229線源を製造する。使用できるTh-229量が増えれば実験精度を上げることができる。そこで，昨年度のうちに東北大学に輸送した核燃料物質のU-233からTh-229を分離・精製することで，多量のTh-229を入手する。
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| Causes of Carryover |
Th-229の放電励起装置の実機は耐熱性や放電耐性を考慮し，モリブデンで作成するため放電部分のみで一式50万円程度必要となる。それがZrやHfの模擬実験用とTh-229の本実験用で最低2式が必要となる。今年度は実機の納入までは達成できなかったために次年度使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
上記のように，次年度使用額は放電励起装置実機の製作費である。既に放電励起装置の設計は完了しているために，この費用は平成29年度初めに使用される予定である。
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