2020 Fiscal Year Research-status Report
Observing the electron bridge process of the Th-229 isomer utilizing ion-molecule reactions
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20K14500
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
重河 優大 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, 基礎科学特別研究員 (60845626)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | トリウム229 / 電子架橋遷移 / 核異性体 / イオントラップ / RFカーペット / ガスセル / イオン分子反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
Th-229mはTh-229原子核の第一励起準位であり，8 eV程度という極端に低い励起エネルギーを持つ．そのため、Thの電子状態によっては、γ線放出過程や内部転換過程よりも高次の壊変過程である電子架橋遷移（電子遷移を介したγ線放出過程）が観測される可能性がある。特に電子架橋遷移が起こる確率が高いと考えられているのが1価のTh-229mイオンである。本研究では、イオントラップ中で2価のTh-229mイオンと分子を反応させるという手法を用いて、1価のTh-229mイオンを生成・制御し、電子架橋遷移を世界で初めて明確に観測することを目指す。
2020年度は、U-233線源からα壊変の反跳エネルギー（84 keV）で飛び出してくるTh-229mイオンを低速イオンビーム（数eV）として高真空中に引き出すために、RFカーペットガスセル装置を設計・製作した。Th-229mイオンは、Heガスとの衝突によって減速し、DC電圧勾配によってRFカーペットまで運ばれ、RF電圧によってRFカーペットの中心の穴まで運搬される。その後、四重極イオンガイドによって高真空中へと運搬される。Th-229mイオンの中性化の原因となるHeガスセル内の不純物を低減するため、高温真空ベーキングが可能なチャンバーを製作した。Csイオン源から放出されるイオンを用いて、製作したガスセル装置の性能評価を実施し、数10%程度の効率でCsイオンを高真空中へ引き出せることを確認した。
一方、電着法による大型（直径90 mm）のU-233線源の開発も実施した。U-233中のTh-229mの飛程は10 nm程度と短いため、Th-229mの量を稼ぐためにはできるだけ大型の線源を作製する必要があった。今回、種々の条件を最適化することで、100%近い効率で600 kBq程度のU-233大型線源を製作することに成功した。
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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
RFカーペットガスセル装置の開発と、大型かつ高放射能量のU-233線源の開発に成功したため。 U-233線源をRFカーペットガスセル装置内に設置することで、毎秒数100個程度の2価のTh-229mイオンを低速イオンビームとして高真空中に引き出し、イオントラップへ導入できると期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度は、2価のTh-229mイオンをトラップするイオントラップとそれをガスと反応させるための反応ガスセルを設計・製作する。Csイオン源から放出されたCsイオンをトラップすることで、イオントラップのRF・DC電圧等の核種条件を最適化し、イオンを1秒程度ロスなくトラップすることを目指す。また、ガスセルにNOやO2等のガスを導入し、イオントラップに捕捉したCsイオンと反応させることで、反応ガスセル内での化学反応をテストする。その際、イオントラップとMCPイオン検出器の間に四重極質量分離器を設置し、質量分離によってイオンが化学反応したかどうかを調べる。その後、RFカーペットガスセル内にU-233線源を設置し、2価のTh-229mイオンの引き出しとイオントラップを試みる。そして、反応ガスセル内にNOガスを導入し、電荷交換反応によって1価のTh-229mイオンを生成する。トラップ時間と1価のTh-229mイオンの生成時間の関係から、1価のTh-229mイオンの半減期を決定する。その後、イオントラップの傍に光電子増倍管を設置し、電子架橋遷移によって発生する光子の観測を目指す。
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| Causes of Carryover |
イオントラップに関係した部品の設計や必要な物品の選定が完了していなかったため。次年度は、早急に設計と物品選定を完了し、必要物品の購入を進める予定である。
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[Journal Article] Half-life determination of nuclear excited states of 229Th by the coincidence measurement between α particles and γ rays from 233U2020
Author(s)
Y. Shigekawa, A. Yamaguchi, K. Suzuki, H. Haba, T. Hiraki, H. Kikunaga, T. Masuda, S. Nishimura, N. Sasao, A. Yoshimi, and K. Yoshimura
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Journal Title
RIKEN Accel. Prog. Rep.
Volume: 53
Pages: 51～51
Peer Reviewed
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