Chemical species identification of ions incident on water by beta-NMR

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K11920
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 三原 基嗣 大阪大学, 理学研究科, 助教 (60294154)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 溶液NMR / 放射性核ビーム / 化学シフト

Outline of Annual Research Achievements

水の中に打ち込んだイオンが形成する化学状態を明らかにするために、ベータ線検出核磁気共鳴(β-NMR)法による精密分光を行った。これまでに、短寿命核17Nビームを用いてβ-NMR分光を行い、水の中に打ち込んだ窒素イオンが少なくとも２種類の化学種を形成することを発見した。1ppmオーダーの高分解能NMRスペクトル測定を実現するために、パルスNMR技術の適用、静磁場一様性の改善、および高感度カメラによるビーム停止位置モニターの導入に取り組んだ結果、測定効率とスペクトル分解能を格段に向上させることができた。これにより、化学シフト参照試料の探索のために、様々な窒素化合物水溶液および溶媒試料中の17Nスペクトルを測定することができ、窒素置換を示唆する液体試料として、シアン化カリウム、亜硝酸ナトリウムおよびアンモニアの水溶液が有望であることがわかった。2021年度は、シムコイルを導入して静磁場一様性を高めることに成功した。これにより測定効率を前年度よりも約1.5倍向上させることができた。これまでに発見した２本の共鳴線のうち、低周波数側のピークについては、17N核と水素核1Hによるスピン-スピン結合により分裂していることがほぼ明らかになってきた。これは水に打ち込んだ窒素が水素と化学結合状態を形成していることの明確な証拠となる。

Research Products

• [Journal Article] Development of a small Beta-NMR system using Halbach Array permanent magnet (2021)
  • Author(s): Kimura Y.、Mihara M.、Matsuta K.、Fukuda M.、Otani Y.、Takayama G.、Izumikawa T.、Noguchi N.、Ogose M.、Sato M.、Takatsu K.、Ohtsubo T.、Takahashi H.、Momota S.、Okumura H.、Moriguchi T.、Ozawa A.、Kitagawa A.、Sato S.
  • Journal Title: Hyperfine Interactions Volume: 243 Pages: 1, 1-7
  • DOI: 10.1007/s10751-021-01789-5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High-resolution β-NMR of short-lived spin-1/2 nucleus 17N implanted into water (2021)
  • Author(s): Mihara M.、Otani Y.、Kimura Y.、Wakabayashi R.、Noguchi N.、Ogose M.、Izumikawa T.、Takahashi H.、Sato M.、Takatsu K.、Takayama G.、Momota S.、Okumura H.、Fukuda M.、Fukutome M.、Nishimura D.、Matsuta K.、Minamisono T.、Ohtsubo T.、Ozawa A.、Nagatomo T.、Kitagawa A.、Sato S.
  • Journal Title: Hyperfine Interactions Volume: 242 Pages: 49, 1-7
  • DOI: 10.1007/s10751-021-01773-z
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Application of spin polarized 19O beam to the study of oxygen motion in solid oxide fuel cell materials (2021)
  • Author(s): Otani Y.、Mihara M.、Matsuta K.、Fukuda M.、Wakabayashi R.、Okimoto N.、Fukutome M.、Kimura Y.、Takayama G.、Izumikawa T.、Noguchi N.、Ogose M.、Sato M.、Takatsu K.、Ohtsubo T.、Nishimura D.、Takahashi H.、Sugawara S. 他10名
  • Journal Title: Hyperfine Interactions Volume: 242 Pages: 47, 1-6
  • DOI: 10.1007/s10751-021-01776-w
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] ハルバッハ配列永久磁石を用いた小型β-NMR装置の開発 (2021)
  • Author(s): 木村容子、三原基嗣、松多健策、福田光順、大谷優里花、高山元、泉川卓司、野口法秀、生越瑞揮、佐藤弥紗、高津和哉、大坪隆、髙橋弘幸、百田佐多生、奥村寛之、森口哲朗、小沢顕、北川敦志、佐藤眞二
  • Journal Title: 令和二年度「短寿命RIを用いた核分光と核物性研究VII」研究会報告書 Volume: KURNS-EKR-13 Pages: 37-40
• [Journal Article] 溶液中のβ-NMR分光のための高分解能化について (2021)
  • Author(s): 三原基嗣、松多健策、福田光順、若林諒、大谷優里花、木村容子、福留美樹、高山元、南園忠則、西村太樹、高橋弘幸、泉川卓司、大坪隆、野口法秀、生越瑞揮、佐藤弥紗、高津和哉、百田佐多生、小沢顕、長友傑、北川敦志、佐藤眞二
  • Journal Title: 令和二年度「短寿命RIを用いた核分光と核物性研究VII」研究会報告書 Volume: KURNS-EKR-13 Pages: 41-44
• [Journal Article] 酸化物形燃料電池材料YSZ中19Oのスピン格子緩和時間の温度依存性 (2021)
  • Author(s): 大谷優里花、三原基嗣、松多健策、福田光順、若林諒、沖本直哉、福留美樹、木村容子、高山元、泉川卓司、野口法秀、生越瑞揮、佐藤弥紗、高津和哉、大坪隆、西村太樹、髙橋弘幸、菅原奏来、Aleksey Gladkov、北川敦志、佐藤眞二、百田佐多生、奥村寛之、森口哲朗、小沢顕
  • Journal Title: 令和二年度「短寿命 RI を用いた核分光と核物性研究 VII」研究会報告書 Volume: KURNS-EKR-13 Pages: 45-48
• [Presentation] β‐NMR分光とイメージングのためのβ線トラッカーの開発 (2022)
  • Author(s): 溝井浩、三原基嗣、木村容子、杉崎尭人、高山元、福田光順、大谷優里花、福留美樹、田口諒、松多健策、田中聖臣、泉川卓司、野口法秀、高津和哉、大坪隆、北川敦志、佐藤慎二
  • Organizer: 第36回 研究会「放射線検出器とその応用」
• [Presentation] 逆運動学を用いた低エネルギー核反応によるスピン偏極ビーム生成 (2022)
  • Author(s): 三原基嗣、大谷優里花、木村容子、杉崎尭人、森口哲朗、矢野朝陽、冨田啓介、要直登、小沢顕、石山博恒、福留美樹、高山元、宇田隆佑、湯田秀明、福田光順、松多健策
  • Organizer: 令和3年度京大複合研専門研究会「短寿命RI を用いた核分光と核物性研究VIII」
• [Presentation] β-NMR法によるイメージング用プログラムの開発 (2022)
  • Author(s): 杉崎尭人、木村容子、高山元、田中聖臣、溝井浩、三原基嗣、福田光順、大谷優里花、福留美樹、田口諒、泉川卓司、野口法秀、高津和哉、大坪隆、松多健策、北川敦志、佐藤眞二
  • Organizer: 令和3年度京大複合研専門研究会「短寿命RI を用いた核分光と核物性研究VIII」
• [Presentation] μ－SR法とβ-NMR法を用いたH2O中の窒素の化学状態の研究 (2022)
  • Author(s): 木村容子、三原基嗣、松多健策、福田光順、若林諒、大谷優里花、福留美樹、高山元、南園忠則、西村太樹、高橋弘幸、泉川卓司、大坪隆、野口法秀、生越瑞揮、佐藤弥紗、高津和哉、百田佐多生、小沢顕、長友傑、北川敦志、佐藤眞二、久保謙哉、下村浩一郎、幸田章宏、竹下聡史
  • Organizer: 令和3年度京大複合研専門研究会「短寿命RI を用いた核分光と核物性研究VIII」
• [Presentation] 偏極19Oビームを用いた固体酸化物形燃料電池材料YSZ中の酸素イオン伝導率の評価 (2022)
  • Author(s): 大谷優里花、三原基嗣、松多健策、福田光順、若林諒、沖本直哉、福留美樹、木村容子、高山元、杉崎尭人、田口諒、泉川卓司、野口法秀、生越瑞揮、佐藤弥紗、高津和哉、大坪隆、西村太樹、高橋弘幸、菅原奏来、Aleksey Gladkov、石山博恒、北川敦志、佐藤眞二、百田佐多生、奥村寛之、森口哲朗、小沢顕、冨田啓介、要直登、矢野朝陽
  • Organizer: 令和3年度京大複合研専門研究会「短寿命RI を用いた核分光と核物性研究VIII」
• [Presentation] ベータNMRによる物性研究 (2022)
  • Author(s): 松多健策
  • Organizer: 令和3年度京大複合研専門研究会「短寿命RI を用いた核分光と核物性研究VIII」
  • Invited
• [Presentation] β-NMR法を利用した3次元イメージング装置の開発 (2022)
  • Author(s): 木村容子、杉崎尭人、高山元、田中聖臣、溝井浩、三原基嗣、福田光順、大谷優里花、福留美樹、田口諒、泉川卓司、野口法秀、高津和哉、大坪隆、松多健策、北川敦志、佐藤眞二
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 逆運動学を用いた低エネルギー核反応によるスピン偏極19Oビーム生成 (2022)
  • Author(s): 三原基嗣、大谷優里花、木村容子、杉崎尭人、森口哲朗、矢野朝陽、冨田啓介、要直登、小沢顕、石山博恒、福留美樹、高山元、宇田隆佑、湯田秀明、福田光順、松多健策
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] β-NMR法によるイメージング用プログラムの開発 (2022)
  • Author(s): 杉崎尭人、木村容子、高山元、田中聖臣、溝井浩、三原基嗣、福田光順、大谷優里花、福留美樹、田口諒、泉川卓司、野口法秀、高津和哉、大坪隆、松多健策、北川敦志、佐藤眞二
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] Chemical states of nitrogen in water studied by beta-NMR spectroscopy (2021)
  • Author(s): M. Mihara、Y. Ohtani、Y. Kimura、R. Wakabayashi、N. Noguchi、M. Ogose、T. Izumikawa、H. Takahashi、M. Sato、K. Takatsu、G. Takayama、S. Momota、H. Okumura、M. Fukuda、M. Fukutome、D. Nishimura、K. Matsuta、T. Minamisonoi、T. Ohtsubo、A. Ozawa、T. Nagatomo、A. Kitagawa、S. Sato
  • Organizer: 3rd Int. Conf. on HYPERFINE Interactions and their Applications (HYPERFINE2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Production of spin polarized 19O beam and application to the study of solid oxide fuel cell materials (2021)
  • Author(s): Y. Ohtani、M. Mihara、K. Matsuta、M. Fukuda、R. Wakabayashi、N. Okimoto、M. Fukutome、Y. Kimura、G. Takayama、T. Izumikawa、N. Noguchi、M. Ogose、Y. Sato、K. Takatsu、T. Ohtsubo、D. Nishimura、H. Takahashi、S. Sugawara、A. Gladkov、A. Kitagawa、S. Sato、S. Momota、H. Okumura、T. Moriguchi、A. Ozawa
  • Organizer: 3rd Int. Conf. on HYPERFINE Interactions and their Applications (HYPERFINE2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a small beta-NMR system using Halbach array permanent magnet (2021)
  • Author(s): Y. Kimura、M. Mihara、K. Matsuta、M. Fukuda、Y. Ohtani、G. Takayama、T. Izumikawa、N. Noguchi、M. Ogose、Y. Sato、K. Takatsu、T. Ohtsubo、H. Takahashi、S. Momota、H. Okumura、T. Moriguchi、A. Ozawa、A. Kitagawa、S. Sato
  • Organizer: 3rd Int. Conf. on HYPERFINE Interactions and their Applications (HYPERFINE2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Production of spin polarized 19O beam and application to the study of solid oxide fuel cell materials (2021)
  • Author(s): Y. Ohtani、M. Mihara、K. Matsuta、M. Fukuda、M. Fukutome、Y. Kimura、G. Takayama、T. Izumikawa、N. Noguchi、K. Takatsu、T. Ohtsubo、D. Nishimura、H. Takahashi、A. Kitagawa、S. Sato、T. Moriguchi、A. Ozawa、N. Kaname、A. Yano、H. Ishiyama
  • Organizer: Materials Research Meeting 2021 (MRM2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Research on the chemical state of nitrogen in H2O by μ－SR and β-NMR methods (2021)
  • Author(s): Y. Kimura、M. Mihara、K. Matsuta、M. Fukuda、Y. Ohtani、M. Fukutome、G. Takayama、T. Nishimura、H. Takahashi、T. Izumikawa、T. Otsubo、N. Noguchi、M. Ogose、K. Takatsu、A. Ozawa、M. K. Kubo、K. Shimomura、S. Sato、A. Kitagawa、A. Koda
  • Organizer: Materials Research Meeting 2021 (MRM2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 酸素イオン伝導体YSZ中における短寿命核19Oのスピン格子緩和時間 (2021)
  • Author(s): 大谷優里花、三原基嗣、松多健策、福田光順、若林諒、沖本直哉、福留美樹、木村容子、高山元、泉川卓司、野口法秀、生越瑞揮、佐藤弥紗、高津和哉、大坪隆、西村太樹、高橋弘幸、菅原奏来、Aleksey Gladkov、石山博恒、北川敦志、佐藤眞二、百田佐多生、奥 村寛之、森口哲朗、小沢顕、冨田啓介、矢野朝陽
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] μ－SR法とβ-NMR法によるH2O中の窒素の化学状態の研究 (2021)
  • Author(s): 木村容子、三原基嗣、松多健策、福田光順、若林諒、大谷優里花、福留美樹、高山元、南園忠則、西村太樹、高橋弘幸、泉川卓司、大坪隆、野口法秀、生越瑞揮、佐藤 弥紗、高津和哉、百田佐多生、小沢顕、長友傑、北川敦志、佐藤眞二、久保謙哉、下村浩一郎、幸田章宏、竹下聡史
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] 物性プローブとしての高偏極不安定核ビーム生成法の開発 (2021)
  • Author(s): 三原基嗣
  • Organizer: 2020 年度HIMAC 共同利用研究成果発表会
• [Presentation] β-NMR法を利用した3 次元イメージング装置の開発 (2021)
  • Author(s): 木村容子
  • Organizer: 計測システム研究会2021～計測システム開発の現状と今後の展開～
• [Presentation] 短寿命核19Oを用いた固体酸化物形燃料電池材料YSZ中における酸素イオン伝導特性の 評価 (2021)
  • Author(s): 大谷優里花、三原基嗣、松多健策、福田光順、若林諒、沖本直哉、福留美樹、木村容子、高山元、泉川卓司、野口法秀、生越瑞揮、佐藤弥紗、高津和哉、大坪隆、西村太樹、高橋弘幸、菅原奏来、Aleksey Gladkov、石山博恒、北川敦志、佐藤眞二、百田佐多生、奥村寛之、森口哲朗、小沢顕、冨田啓介、要直登、矢野朝陽
  • Organizer: 第47 回固体イオニクス討論会
• [Presentation] β-NMR法を利用した3次元イメージング装置の開発 (2021)
  • Author(s): 木村容子、杉崎尭人、高山元、田中聖臣、溝井浩、三原基嗣、福田光順、大谷優里花、福留美樹、田口諒、泉川卓司、野口法秀、高津和哉、大坪隆、松多健策、北川敦志、佐藤眞二
  • Organizer: 日本量子医科学会第１回学術大会
• [Presentation] ベータNMR分光法による水中に入射したイオンの化学状態探索 (2021)
  • Author(s): 三原基嗣、大谷優里花、木村容子、若林諒、野口法秀、生越瑞揮、泉川卓司、高橋弘幸、佐藤弥紗、高津和哉、高山元、百田佐多生、奥村寛之、福田光順、福留美樹、西村太樹、松多健策、南園忠則i、大坪隆、小沢顕、長友傑、北川敦志、佐藤眞二
  • Organizer: 日本量子医科学会第１回学術大会
• [Remarks] 大阪大学大学院理学研究科 原子核実験研究室
  • URL: http://nucl.phys.sci.osaka-u.ac.jp