Development of non-destructive elemental analysis method using negative muon beam

• Project Area: Toward new frontiers : Encounter and synergy of state-of-the-art astronomical detectors and exotic quantum beams
• Project/Area Number: 18H05460
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 二宮 和彦 大阪大学, 放射線科学基盤機構附属ラジオアイソトープ総合センター, 准教授 (90512905)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 齋藤 努 国立歴史民俗博物館, 大学共同利用機関等の部局等, 教授 (50205663) ; 大澤 崇人 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究主幹 (70414589)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥148,200,000 (Direct Cost: ¥114,000,000、Indirect Cost: ¥34,200,000); Fiscal Year 2022: ¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000); Fiscal Year 2021: ¥19,370,000 (Direct Cost: ¥14,900,000、Indirect Cost: ¥4,470,000); Fiscal Year 2020: ¥31,980,000 (Direct Cost: ¥24,600,000、Indirect Cost: ¥7,380,000); Fiscal Year 2019: ¥46,410,000 (Direct Cost: ¥35,700,000、Indirect Cost: ¥10,710,000); Fiscal Year 2018: ¥33,280,000 (Direct Cost: ¥25,600,000、Indirect Cost: ¥7,680,000)
• Keywords: 負ミュオン / ミュオン原子 / 非破壊分析 / ミュオン特性X線 / 三次元分析 / ミュオン / 非破壊元素分析 / イメージング分析 / 考古学 / 隕石

Outline of Annual Research Achievements

負ミュオンによる非破壊三次元分析実験を進めるにあたって、新たなCdTeイメージング検出器の開発を進めるとともに、J-PARCおけるS型実験課題申請を行い、ミュオン実験を実施した。これらの研究は、領域内の他の研究グループ、特にA01班、C01班、C02班とは強力な協力関係を構築することで推進した。
昨年度決定した、CdTeイメージング検出器の仕様に基づき、合計で６台の検出器を製作し、各種テストを行った。具体的には、測定器のエネルギー分解能、空間分解能を調べた。2mmのCdTe結晶を用いた標準線源による実験で、136 keVまでのエネルギー範囲で良好な性能を持っていることが確認できた。また測定器における冷却やケーブリングについて最適化することで、これまでにない、コンパクトな測定システムを作ることができた。これにより、J-PARCでのミュオン実験への適用をはじめとする汎用的な測定器にすることができた。
J-PARCにおけるビーム実験を実施し、まずは既存の半導体検出器、シンチレーション検出器を用いた各種のテストを行った。特に小さいサンプルを想定し、ビームパラメーターの調整による高流束のビーム取り出し条件の探索と、測定におけるバックグラウンドの評価を行った。ビーム実験から得られたビームのプロファイルをはじめとする様々な結果について検討を進め、ビーム実験条件における低バックグラウンド化に取り組んだ。そして、J-PARCにおける実験条件に適合した専用の測定システムの開発を行い、ビーム実験によりそのシステムの評価を行った。これにより、これまでのJ-PARCでは難しかった、数10 mgオーダーの少量のサンプルについて、元素分析が実施できることが分かった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当該年度で予定していた、６台の検出システムの整備と、J-PARCにおける専用の実験システムの整備を行った。これらの一部は調達の関係から、予算の繰り越しを行っていたが、それぞれについては問題なく調達を行った。これらの評価を行い、検出システムについては想定していた性能が得られることがわかった。また、新たな実験システムでは、当初予想していたよりも低バックグラウンドの測定ができることが明らかとなり、J-PARCにおける実験において今後様々な試料への適用の選択肢を増やすことができた。

Strategy for Future Research Activity

今年度整備した検出システムの調整および利用と、J-PARCにおける専用の実験システムを用いた分析研究を進めていく。
検出システムの調整においては、今年度開発したコンパクトな測定システムを量産し、現有の６台について同一のものを製作する。さらに、イメージングにおいて重要なコリメーターシステムについて最適化を行い、実装を行う。整備した検出器については、順次J-PARCにおけるミュオン実験で利用する。同時に、複数台の検出器によるイメージ像を組み合わせて、三次元的な元素分布を決定するための解析ソフトウェアについても整備を進める。
実験システムを用いた分析研究では、まずは隕石試料と考古資料に着目して、分析研究を進めていく。隕石試料については、特に小さな試料の分析が可能となったことで、貴重な試料について系統的な分析を行うことが可能である。そのため、炭素を多く含む炭素質隕石についての分析を進めていく。考古資料については、まずは陶器類に注目した分析を進める。
これらの研究は、引き続き研究領域内の他の研究班との連携を強化しつつ推進する。

Research Products

• [Journal Article] Non-Destructive Elemental Analysis Using Negative Muon Obtained from DC Muon Beam Source; RCNP-MuSIC (2020)
  • Author(s): 二宮 和彦, 新倉 潤, 佐藤 朗, 寺田 健太郎, 齋藤 岳志, 松崎 禎一郎, 友野 大, 川島 祥孝, 篠原 厚, 久保 謙哉, 齋藤 努
  • Journal Title: RADIOISOTOPES Volume: 69 Issue: 1 Pages: 13-17
  • DOI: 10.3769/radioisotopes.69.13
  • NAID: 130007785026
  • ISSN: 0033-8303, 1884-4111
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Per atom muon capture ratios and effects of molecular structure on muon capture by γ- Fe2O3 and Fe3O4 (2020)
  • Author(s): Kazuhiko Ninomiya, Meito Kajino, Makoto Inagaki, Kentaro Terada. Akira Sato, Dai Tomono, Yoshitaka Kawashima, Atsushi Shinohara
  • Journal Title: Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry Volume: 324 Pages: 403-408
  • DOI: 10.1007/s10967-020-07065-0
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 長登銅山と皇朝十二銭 (2020)
  • Author(s): 齋藤努
  • Journal Title: 學士會会報 Volume: 940 Pages: 100-105
• [Journal Article] Development of non-destructive isotopic analysis methods using muon beams and their application to the analysis of lead (2019)
  • Author(s): Kazuhiko Ninomiya, Takuto Kudo, Patrick Strasser, Kentaro Terada, Yosuke Kawai, Motonobu Tampo, Yasuhiro Miyake, Atsushi Shinohara, Kenya M. Kubo
  • Journal Title: Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry Volume: 320 Pages: 801-805
  • DOI: 10.1007/s10967-019-06506-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of a non-destructive isotopic analysis method by gamma-ray emission measurement after negative muon irradiation (2019)
  • Author(s): Takuto Kudo, Kazuhiko Ninomiya, Patrick Strasser, Kentaro Terada, Yosuke Kawai, Motonobu Tampo, Yasuhiro Miyake, Atsushi Shinohara, Kenya M. Kubo
  • Journal Title: Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry Volume: 322 Pages: 1299-1303
  • DOI: 10.1007/s10967-019-06682-8
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Estimation of dose and light distributions in water during irradiation of muon beams (2019)
  • Author(s): Yoshiyuki Hirano, Kazuhiko Ninomiya, Seiichi Yamamoto
  • Journal Title: Physica Scripta Volume: 94 Pages: 125804-125804
  • DOI: 10.1088/1402-4896/ab3acb
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Non-destructive, position-selective, and multi-elemental analysis method involving negative muons (2019)
  • Author(s): Kazuhiko Ninomiya
  • Journal Title: Journal of Nuclear and Radiochemical Sciences Volume: 19 Pages: 8-13
  • NAID: 130007986174
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 負ミュオンを使った歴史資料分析の新しい取り組み (2019)
  • Author(s): 齋藤努
  • Journal Title: 歴史系総合誌『歴博』 Volume: 214 Pages: 18-19
• [Journal Article] Negative Muon Capture Ratios for Nitrogen Oxide Molecules (2019)
  • Author(s): Kazuhiko Ninomiya/Takashi U. Ito/Wataru Higemoto/Naritoshi Kawamura/Patrick Strasser/Takashi Nagatomo/Koichiro Shimomura/Yasuhiro Miyake/Makoto Kita/Atsushi Shinohara/Kenya M. Kubo/Taichi Miura
  • Journal Title: Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry Volume: 319 Pages: 767-773
  • DOI: 10.1007/s10967-018-6366-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Chemical Environmental Effect on Muon Capture Processes for Iron Compounds Initial quantum levels of captured muons in CO, CO2, and COS (2019)
  • Author(s): Kazuhiko Ninomiya, Takuto Kudo, Michihiro Kitanaka, Motonobu Tampo, Yasuhiro Miyake, Atsushi Shinohara, Michael K. Kubo
  • Journal Title: JPS Conference Proceedings Volume: 25 Pages: 11010-11010
  • DOI: 10.7566/jpscp.25.011010
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Initial quantum levels of captured muons in CO CO2 and COS (2019)
  • Author(s): Go Yoshida Kazuhiko Ninomiya Makoto Inagaki Wataru Higemoto Patrick Strasser Naritoshi Kawamura Koichiro Shimomura Yasuhiro Miyake Taichi Miura Kenya M. Kubo Atsushi Shinohara
  • Journal Title: Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry Volume: 320 Pages: 283-289
  • DOI: 10.1007/s10967-019-06470-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 「日本刀の刀匠が伝承する卸し鉄の浸炭と脱炭における条件の相違」 (2019)
  • Author(s): 齋藤努
  • Journal Title: Integrated Studies of Cultural Research Resources Volume: 2019 Pages: 233-265
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 「鉛同位体比からみた日韓青銅資料の原料の産地」 (2019)
  • Author(s): 齋藤努
  • Journal Title: 国立歴史民俗博物館研究報告 Volume: 213 Pages: 69-125
  • NAID: 120006820391
• [Journal Article] 「中国四国地方で出土した銅鋺からみた国産銅鉛原材料の産出地と使用開始時期」 (2019)
  • Author(s): 澤田秀実 齋藤努 長柄毅一
  • Journal Title: 国立歴史民俗博物館研究報告 Volume: 213 Pages: 31-41
  • NAID: 120006820390
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of elemental analysis method using negative muon (2018)
  • Author(s): Kazuhiko Ninomiya
  • Journal Title: KEK Proceedings Volume: 2018-6 Pages: 9-15
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nuclear Magnetic Field in Solids Detected with Negative-Muon Spin Rotation and Relaxation (2018)
  • Author(s): Jun Sugiyama, Izumi Umegaki, Hiroshi Nozaki, Wataru Higemoto, Koji Hamada, Soshi Takeshita, Akihiro Koda, Koichiro Shimomura, Kazuhiko Ninomiya, and M. Kenya Kubo
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 121 Pages: 87202-87202
  • DOI: 10.1103/physrevlett.121.087202
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Non-destructive identification of carbon content in iron product by muon lifetime measurement (2020)
  • Author(s): Kazuhiko Ninomiya
  • Organizer: 日本鉄鋼協会 第179回春季講演大会 国際セッション
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of non-destructive elemental analysis method by muonic X-ray measurement (2020)
  • Author(s): Kazihiko Ninomiya, M. Kenya Kubo, Yasuhiro Miyake, Atsushi Shinohara, Tsutomu Saito
  • Organizer: 日本化学会 第100春季年会 (2020)
• [Presentation] Development of non-destructive isotopic analysis method using negative muon (2019)
  • Author(s): Takuto KUDO, Kazuhiko NINOMIYA, M. Kenya KUBO, Patrick STRASSER, Motonobu TAMPO, Yasuhiro MIYAKE, Atsushi SHINOHARA
  • Organizer: 2nd International Conference on Radioanalytical and Nuclear Chemistry (RANC2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Chemical environmental effect on muon capture processes for iron compounds (2019)
  • Author(s): Kazuhiko Ninomiya, Akihiro Nanbu, Makoto Inagaki, Takuto Kudo, Kentaro Terada, Akira Sato, Dai Tomono, Yoshitaka Kawashima, Atsushi Shinohara
  • Organizer: 2nd International Conference on Radioanalytical and Nuclear Chemistry (RANC2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Muonic X-ray identification of nuclear materials sealed in a box (2019)
  • Author(s): K. Ninomiya, T. Kudo, A. Shinohara, M. Tampo, Y. Miyake, M. K. Kubo
  • Organizer: The 3rd J-PARC Symposium (J-PARC2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Chemical environmental effects on muon capture for iron compounds and their application to nondestructive identification of chemical species (2019)
  • Author(s): K. Ninomiya, M. Kajino, A. Nanbu, M. Inagaki, T. Kudo, K. Terada, A. Sato, D. Tomono, Y. Kawashima, Y. Sakai, T. Takayama, A. Shinohara
  • Organizer: 15th International Conference on Modern Trends in Activation Analysis
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 鉄原子へのミュオン捕獲における化学状態の影響 (2019)
  • Author(s): 二宮 和彦，南部 明弘，稲垣 誠，工藤 拓人，寺田 健太郎，佐藤 朗，友野 大，川島 祥孝，篠原 厚
  • Organizer: 原子衝突学会第44回年会
• [Presentation] ミュオン特性 X 線測定による非破壊での化学状態分析法の開発 (2019)
  • Author(s): 梶野芽都,二宮和彦,工藤拓人,寺田健太郎,稲垣誠,佐藤朗,友野大,川島祥孝,酒井陽一,高山努,篠原厚
  • Organizer: 日本放射化学会第63回討論会(2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ミュオン崩壊電子寿命測定による非破壊元素分析法の開発 (2019)
  • Author(s): 工藤 拓人, 千徳 佐和子, 二宮 和彦, 竹下 聡史, 髭本 亘, 篠原 厚, 下村 浩一郎, 河村 成肇, パトリック ストラッサー, 三宅 康博, 齋藤 努, 久保 謙哉
  • Organizer: 日本放射化学会第63回討論会(2019)
• [Presentation] ミュオン照射後に放出されるガンマ線測定による非破壊同位体分析 (2019)
  • Author(s): 二宮和彦、工藤拓人、パトリック・ストラッサー、寺田健太郎、河井洋輔、反保元伸、三宅康博、篠原厚、久保謙哉
  • Organizer: 日本放射化学会第63回討論会(2019)
• [Presentation] 負ミュオンによる歴史資料の完全非破壊分析 (2019)
  • Author(s): 齋藤努
  • Organizer: 第1回 文理融合シンポジウム 量子ビームで歴史を探る ～加速器が紡ぐ文理融合の地平～
• [Presentation] ミュオン分析法の新展開～同位体分析と化学状態分析～ (2019)
  • Author(s): 二宮和彦
  • Organizer: 第1回 文理融合シンポジウム 量子ビームで歴史を探る ～加速器が紡ぐ文理融合の地平～
• [Presentation] 考古学資料の産地分析に向けたミュオン特性X線による非破壊鉛同位体分析法の開発 (2019)
  • Author(s): 工藤拓人、二宮和彦 、久保謙哉 、Patrick STRASSER、濱田幸司、反保元伸、土居内 翔悟、三宅康博、篠原厚
  • Organizer: 第1回 文理融合シンポジウム 量子ビームで歴史を探る ～加速器が紡ぐ文理融合の地平～
• [Presentation] ミュオンを用いた鉄の非破壊化学状態分析 (2019)
  • Author(s): 梶野芽都 二宮和彦 篠原厚 寺田健太郎 佐藤朗 友野大 川島祥孝 酒井陽一 高山努
  • Organizer: 第1回 文理融合シンポジウム 量子ビームで歴史を探る ～加速器が紡ぐ文理融合の地平～
• [Presentation] 青銅内部の非破壊元素分析と非破壊同位体分析の試み (2019)
  • Author(s): 二宮 和彦
  • Organizer: 令和元年度非破壊検査・可視化・分析技術研究会
• [Presentation] ミュオン捕獲特性X線を用いた非破壊同位体比測定の可能性 (2019)
  • Author(s): 大澤 崇人
  • Organizer: 質量分析学会 同位体比部会
• [Presentation] 負ミューオンビームによる考古学試料等の分析 (2019)
  • Author(s): 二宮 和彦
  • Organizer: 第2回 文理融合シンポジウム 量子ビームで歴史を探る ～加速器が紡ぐ文理融合の地平～
• [Presentation] 二次元検出器を用いたミュオンによる文化財の3次元 元素イメージング法の開発 (2019)
  • Author(s): 邱奕寰、二宮和彦、武田伸一郎、桂川美穂、高橋忠幸
  • Organizer: 第2回 文理融合シンポジウム 量子ビームで歴史を探る ～加速器が紡ぐ文理融合の地平～
• [Presentation] ミュオン特性X線測定による文化財の酸化状態特定の可能性検討 (2019)
  • Author(s): 梶野芽都,二宮和彦,工藤拓人,寺田健太郎,稲垣誠,佐藤朗,友野大,川島祥孝,酒井陽一,高山努,篠原厚
  • Organizer: 第2回 文理融合シンポジウム 量子ビームで歴史を探る ～加速器が紡ぐ文理融合の地平～
• [Presentation] 文化財の産地分析に向けたミュオン特性X線による非破壊同位体分析法の開発 (2019)
  • Author(s): 工藤拓人、二宮和彦、久保謙哉、Patrick STRASSER、濱田幸司、反保元伸、土居内 翔悟、三宅康博、篠原厚
  • Organizer: 第2回 文理融合シンポジウム 量子ビームで歴史を探る ～加速器が紡ぐ文理融合の地平～
• [Presentation] 傷つけずに測る文化財のナカミ (2019)
  • Author(s): 齋藤努
  • Organizer: 第2回 文理融合シンポジウム 量子ビームで歴史を探る ～加速器が紡ぐ文理融合の地平～
• [Presentation] 負ミュオンを用いた新しい非破壊元素分析法の開発 (2019)
  • Author(s): 二宮和彦
  • Organizer: 第33回「放射線検出器とその応用」研究会
  • Invited
• [Presentation] ミュオンを用いた非破壊同位体分析法の開発 (2019)
  • Author(s): 二宮和彦、工藤拓人、篠原厚、久保謙哉、反保元伸、三宅康博
  • Organizer: 専門研究会「放射化分析及び中性子を用いた地球化学的研究-2-」
• [Presentation] 鉄化合物のミュオン捕獲比と特性X線構造 (2019)
  • Author(s): 二宮 和彦, 南部 明弘, 稲垣 誠, 工藤 拓人, 寺田 健太郎, 佐藤 朗, 友野 大, 川島 祥孝, 篠原 厚
  • Organizer: 第9回Muon科学と加速器研究
• [Presentation] ベンゼンおよびシクロヘキサンにおけるミュオン転移過程に対する分子構造の影響 (2019)
  • Author(s): 稲垣誠、二宮和彦、南部明弘、工藤拓人、梶野芽都、寺田健太郎、佐藤朗、川島祥孝、友野大、篠原厚
  • Organizer: 第9回Muon科学と加速器研究
• [Presentation] ミュオン特性Ｘ線を用いた非破壊同位体分析法の開発 (2019)
  • Author(s): 工藤拓人、二宮和彦、篠原厚、久保謙哉、反保元伸、三宅康博
  • Organizer: 第9回Muon科学と加速器研究
• [Presentation] ミューオンを用いた非破壊分析技術の青銅文化財分析への応用 ミューオン非破壊分析の原理、測定例 (2019)
  • Author(s): 二宮和彦
  • Organizer: 日本鉄鋼協会「鉄文化財にみる日本の独自技術の学際的研究フォーラム」専門委員会
  • Invited
• [Presentation] Development of non-destructive, position- selective and multi-elemental analysis method with negative muons (2018)
  • Author(s): Kazuhiko Ninomiya
  • Organizer: 3rd International Symposium of Quantum Beam Science at Ibaraki University
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ミュオン特性Ｘ線を用いた非破壊同位体分析法の開発 (2018)
  • Author(s): 工藤拓人、二宮和彦、篠原厚、久保謙哉、反保元伸、三宅康博
  • Organizer: 2018日本放射化学会年会・第62回放射化学討論会
• [Presentation] 密封容器中の放射性物質に対する負ミュオンを用いた非開封元素分析法の開発 (2018)
  • Author(s): 工藤拓人、二宮和彦、篠原厚、久保謙哉、反保元伸、三宅康博
  • Organizer: 2018日本放射化学会年会・第62回放射化学討論会
• [Presentation] ベンゼンおよびシクロヘキサンにおけるミュオン転移過程への分子構造の影響 (2018)
  • Author(s): 稲垣誠、二宮和彦、工藤拓人、寺田健太郎、佐藤朗、川島祥孝、友野大、篠原厚
  • Organizer: 2018日本放射化学会年会・第62回放射化学討論会
• [Presentation] ミューオン非破壊分析の原理、測定例と将来計画 (2018)
  • Author(s): 二宮和彦、工藤拓人、篠原厚、久保謙哉、反保元伸、三宅康博
  • Organizer: ミューオンによる非破壊分析の可能性 - 考古学・文化財への応用を考える -
• [Presentation] ミュオン特性X線測定による非破壊内部元素分析法Non-destructive elemental analysis method for interior of a material by muonic X-ray measurement (2018)
  • Author(s): 二宮 和彦,寺田 健太郎,佐藤 朗,三宅 康博,久保 謙哉
  • Organizer: 量子ビームを用いた次世代非破壊分析技術とその応用 惑星物質科学との可能性
• [Book] ここが変わる！ 日本の考古学 (2019)
  • Author(s): 藤尾 慎一郎、松木 武彦
  • Total Pages: 210
  • Publisher: 吉川弘文館
  • ISBN: 9784642083423