2018 Fiscal Year Annual Research Report
「原子核時計」実現にむけたトリウム229核異性体準位のエネルギー測定
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18H01241
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
山口 敦史 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 研究員 (70724805)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
満田 和久 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (80183961)
前畑 京介 九州大学, 工学研究院, 准教授 (30190317)
菊永 英寿 東北大学, 電子光理学研究センター, 准教授 (00435645)
中村 圭佑 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 核燃料・バックエンド研究開発部門 核燃料サイクル工学研究所 放射線管理部, 技術・技能職 (80705054) [Withdrawn]
滝本 美咲 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 核燃料・バックエンド研究開発部門 核燃料サイクル工学研究所 放射線管理部, 技術・技能職 (40832316)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 原子時計 / 原子核分光 / ガンマ線分光 / カロリーメーター |
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| Outline of Annual Research Achievements |
トリウム229は、基底状態からわずかエネルギー8 eV程度のところに第1原子核励起状態（アイソマー状態と呼ばれる）をもつことが知られている．本研究の目的は、基底状態からアイソマー状態への原子核遷移の共鳴周波数を基準とする光周波数標準の実現をめざし、この核遷移の遷移エネルギーを精密に測定することである．そのために、本研究では、ウラン233線源から放出されるガンマ線を分光する．ウラン233はα崩壊してトリウム229に壊変するが、この際ある確率で、トリウム229の第2励起状態（エネルギー29 keV）を経由する．この第2励起状態からは、基底状態とアイソマー状態の両方に崩壊するため、この崩壊過程で放出されるエネルギー29 keVのガンマ線は、エネルギー8 eV程度の幅で2つに分裂して観測されるはずである．本研究では、このスペクトル分裂を観測し、その分裂幅から遷移エネルギーを精密に決定することを目指している．
本年度は、エネルギー29 keVのガンマ線を観測するために使用する超伝導転移端センサー(TES, Transition Edge Sensor)を設計・製作し、その性能評価を行った．素子設計では、29 keVで素子の応答が入射ガンマ線のエネルギーに対して飽和せず、かつエネルギー分解能が高くなるよう、素子の熱容量の大きさや転移温度の値を最適化した．製作した素子を希釈冷凍機により温度65 mKまで冷却し、ウラン233 線源から放出されるエネルギー29 keVのガンマ線を利用してエネルギー分解能の評価を行った．3つの素子で評価を行った結果、すべての素子で15～18 eV(半値全幅@ 29 keV)という高いエネルギー分解能が観測された．今後はこの素子を用いて、エネルギー29 keVスペクトル分裂の観測、およびその分裂幅からアイソマーエネルギーを決定する本測定をすすめる．
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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
本研究では、ウラン233がトリウム229に崩壊する際に放出されるエネルギー29 keVのガンマ線スペクトルの分裂を精密に測定することで、トリウム229のアイソマー状態のエネルギー(8 eV程度)を測定することを目指している．１年目の今年度は、高エネルギー分解能ガンマ線検出器である超伝導転移端センサー(TES, Transition Edge Sensor)を設計・製作し、その性能評価を行った．また、次年度以降の本測定に向け、ウラン233線源を準備した．
昨年度までに実施していたテスト測定では、ウラン233線源からの放射線を測定した際、エネルギー分解能が悪化していた．その原因は、ウラン233線源から放出されるエネルギー15～20 keV付近の大量の特性X線が、TES素子がのっている基板に吸収され、TES素子の温度を不安定にしていることであった．この問題を改善するため、今年度は、TES 素子の上に特性X線をブロックするコリメータをとりつけた．その結果、ウラン233線源から放出されたエネルギー29 keVのガンマ線を、半値全幅15～18 eVの高いエネルギー分解能で観測した（コリメータがない場合の分解能は40 eV程度）．ウラン233線源は以下の方法で準備した．ウラン233には不純物としてウラン232が含まれる．ウラン232は、その娘核に本測定にとってバックグラウンドノイズとなるガンマ線・X線を放出するものが存在する．そこでまず、イオン交換樹脂を用いた化学精製により、これらの娘核を取り除いた．精製したウラン233を、29 keVガンマ線をほとんど減衰させないテフロン樹脂でできた線源ケースに封入し、線源とした．
以上述べたように、TES素子・ウラン233線源と、次年度以降の本測定に必要なコンポーネントの開発を１年目の今年度中に完了し、研究は順調に進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、本年度製作したTES素子およびウラン233線源を用いて、エネルギー29 keVのスペクトルが分裂している様子の観測、およびその分裂幅からアイソマーエネルギーを決定することをめざす．シミュレーションによると、本研究で開発したTES素子を65 mKに冷却し、約50日間測定すれば、2～3σの有意性をもって、29 keVスペクトルの分裂を観測することができる．そのためには、TES素子を1ヶ月以上にわたって冷却し続ける必要がある．素子の冷却には希釈冷凍機を使用するが、その長期運転を制限する主な要因の１つは、循環ヘリウムガス中の不純物の増加である．不純物が増加すると冷却能力が徐々に低下し、最後には65 mKを保てなる．この不純物は、主にガスを循環させるポンプ内部の部品から徐々に放出される．そこで次年度は、このポンプを不純物ガスの放出が少ないオールメタルポンプに交換し、さらなる長期連続運転を実現する．また、限られた測定時間で多くのスペクトルデータを収集できるよう、3つのTES素子を使い同時にデータ取得する．そのための素子製作・評価およびデータ取得系の構築は、本年度に完了している．
これと並行して、データ処理によるエネルギー分解能の改善も試みる．本年度のテスト測定で、TES素子の温度ゆらぎに起因すると考えられる分解能の悪化が観測された．この悪化を抑えるため、まずは冷凍機の温度制御系の改善を行い、温度ゆらぎ自体を抑制する．それでも抑えきれない温度ゆらぎによる影響を、測定後のデータ処理により補正する．素子の温度ゆらぎは、測定データのオフセット電圧のゆらぎとして現れる．したがって、この電圧ゆらぎを解析することで、温度ゆらぎに起因する分解能の悪化をある程度補正することができる．次年度以降は、この補正手法を改良し、データ処理によりさらなるエネルギー分解能の改善も試みる．
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Research Products
(5 results)
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[Presentation] トリウム229異性体のX線マイクロカロリメータを用いた分光実験2018
Author(s)
村松 はるか, 湯浅 直樹, 林 佑, 紺野 良平, 山口 敦史, 満田 和久, 山崎 典子, 菊永 英寿, 中村 圭佑, 滝本 美咲, 前畑 京介
Organizer
日本物理学会 第74回年次大会
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