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Advanced negative muon beam development

Planned Research

Project AreaToward new frontiers : Encounter and synergy of state-of-the-art astronomical detectors and exotic quantum beams
Project/Area Number 18H05464
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Science and Engineering
Research InstitutionHigh Energy Accelerator Research Organization

Principal Investigator

三宅 康博  大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 研究員 (80209882)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 永谷 幸則  大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 特別准教授 (00393421)
Patrick Strasser  大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 研究機関講師 (20342834)
原 正憲  富山大学, 学術研究部理学系, 准教授 (00334714)
波多野 雄治  富山大学, 学術研究部理学系, 教授 (80218487)
Project Period (FY) 2018-06-29 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥144,950,000 (Direct Cost: ¥111,500,000、Indirect Cost: ¥33,450,000)
Fiscal Year 2022: ¥35,620,000 (Direct Cost: ¥27,400,000、Indirect Cost: ¥8,220,000)
Fiscal Year 2021: ¥31,460,000 (Direct Cost: ¥24,200,000、Indirect Cost: ¥7,260,000)
Fiscal Year 2020: ¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2019: ¥20,540,000 (Direct Cost: ¥15,800,000、Indirect Cost: ¥4,740,000)
Fiscal Year 2018: ¥39,650,000 (Direct Cost: ¥30,500,000、Indirect Cost: ¥9,150,000)
Keywords負ミュオン / 冷却 / 非破壊検査 / ミュオン触媒核融合 / ラムザウアータウンゼント効果
Outline of Annual Research Achievements

本年度、トリチウム取り扱いの専門家である富山大学水素同位体科学研究センターの原正憲氏、波多野雄治氏が分担者として新たに加わり、走査負ミュオン顕微鏡の核心部分であるトリチウムを使用したビーム冷却装置の設計を完了させ、毎秒数10個の強度の負ミュオンビームを10μm未満に収束させる目途が立ち、入手、貯蔵、使用、廃棄に関わる具体的なトリチウム使用手順を策定し、トリチウム使用の許可申請の準備を進めたが、12月、J-PARC首脳部により、他の実験の許認可申請との干渉を避けるため、少なくとも今後4年間はトリチウム使用許可の申請を認めない事が決定された。この決定を受け、トリチウムを用いない摩擦冷却を主とする手法へと大きく方針を転換する事となった。新しい手法は、従来は平面形状であった摩擦冷却薄膜の代わりに曲面形状の薄膜を用いることにより、エネルギーの冷却に加え、従来の摩擦冷却手法では出来なかった空間方向のビーム冷却も併せて可能とするものである。トリチウムを使用する方法には及ばないものの、数10μmへの微小収束に向けた装置設計を行った。特に、曲面冷却膜の具体的な製造方法に関して複数の方法を検討し、初段に用い大口径の曲面冷却膜には水面転写法を、終段の精密小口径の曲面冷却膜にはシリコン微細加工プロセスを用いる事が可能との知見を得て、装置製造の準備を進めた。また、トリチウムを使用せず重水素のみを使用したミュオン触媒核融合実験の装置も開発した。これらの開発において、同軸輸送管が負ミュオンを含む低速の荷電粒子を効率的に輸送する事を見出し、国内特許を出願した。負ミュオンビームの高度化の成果としては、人工ミュオンビームによるミュオン透過CTイメージングに成功した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

トリチウムを使用した負ミュオンビームのビーム冷却装置の設計を進め、毎秒10個の負ミュオンビームを直径10μmに収束させる装置の開発に目途が立った。併せてJ-PARC内でのトリチウム許可申請の準備を、J-PARC内の放射線安全の関係者に加え、トリチウム取り扱いの専門家である富山大学水素同位体科学研究センターの原正憲氏、波多野雄治氏の助力も得て進めてきたが、12月、J-PARC首脳部により、J-PARCで進められている他の実験の原子力規制庁への放射線関係の許認可申請との干渉を避けるため、少なくとも今後4年間はトリチウム使用許可の申請を認めない事が決定された。このため、トリチウム使用実験を断念せざるを得なくなり、これまでの準備とは全く異なる摩擦冷却を主体とするビーム冷却技術の開発へと大きく方針転換する事となった。
負ミュオンビームの高度化の成果としては、人工ミュオンビームを用いたミュオン透過によるCTイメージングに成功した。

Strategy for Future Research Activity

これまでのトリチウムを用いたミュオン触媒核融合ベースのビーム冷却の手法から、摩擦冷却を主体とする負ミュオンビームの冷却装置の開発へと方針を転換したうえで、分解能が数10μmの走査負ミュオン顕微鏡を実現させる。減速膜による高エネルギー負ミュオンの減速、同軸輸送管を用いた、低速化した負ミュオンの収集、曲面摩擦冷却による負ミュオンビームの冷却を組み合わせ、目標分解能の走査負ミュオン顕微鏡を開発する。トリチウム使用のものに比べ負ミュオンビームの輝度は落ちるものの、走査負ミュオン顕微鏡の原理実証を最優先課題として、研究を進める。曲面冷却膜をどのようにして作成するかが主要な課題となり、最重要要素技術である、湾曲炭素薄膜に関して、水面転写法やシリコン微細加工技術を用いた方法などを組み合わせ、これまでにない新しい摩擦冷却装置を開発する。また、負ミュオンビームの高度化として、負ミュオンビームによる透過イメージング実験も併せて実施する。

Report

(3 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(110 results)

All 2021 2020 2019 2018 Other

All Journal Article (31 results) (of which Int'l Joint Research: 13 results,  Peer Reviewed: 31 results,  Open Access: 27 results) Presentation (72 results) (of which Int'l Joint Research: 15 results,  Invited: 20 results) Remarks (6 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] A novel challenge of nondestructive analysis on OGATA Koan’s sealed medicine by muonic X-ray analysis2021

    • Author(s)
      Shimada-Takaura Kayoko、Ninomiya Kazuhiko、Sato Akira、Ueda Naomi、Tampo Motonobu、Takeshita Soshi、Umegaki Izumi、Miyake Yasuhiro、Takahashi Kyoko
    • Journal Title

      Journal of Natural Medicines

      Volume: 75 Issue: 3 Pages: 532-539

    • DOI

      10.1007/s11418-021-01487-0

    • NAID

      40022589264

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  • [Journal Article] 文化財への応用が期待される量子ビームを用いた非破壊分析技術「J-PARCミュオン施設の紹介とミュオン分析の特徴や開発状況」2021

    • Author(s)
      三宅康博
    • Journal Title

      金属

      Volume: 91,3 Pages: 235-242

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  • [Journal Article] Chemistry of Negative Muon2020

    • Author(s)
      Ninomiya Kazuhiko
    • Journal Title

      RADIOISOTOPES

      Volume: 69 Issue: 8 Pages: 277-286

    • DOI

      10.3769/radioisotopes.69.277

    • NAID

      130007887588

    • ISSN
      0033-8303, 1884-4111
    • Year and Date
      2020-08-15
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  • [Journal Article] Nondestructive High-Sensitivity Detections of Metallic Lithium Deposited on a Battery Anode Using Muonic X-rays2020

    • Author(s)
      Umegaki Izumi、Higuchi Yuki、Kondo Yasuhito、Ninomiya Kazuhiko、Takeshita Soshi、Tampo Motonobu、Nakano Hiroyuki、Oka Hideaki、Sugiyama Jun、Kubo Michael K.、Miyake Yasuhiro
    • Journal Title

      Analytical Chemistry

      Volume: 92 Issue: 12 Pages: 8194-8200

    • DOI

      10.1021/acs.analchem.0c00370

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  • [Journal Article] Impact of the Angle of Incidence on Negative Muon-Induced SEU Cross Sections of 65-nm Bulk and FDSOI SRAMs2020

    • Author(s)
      Liao Wang、Hashimoto Masanori、Manabe Seiya、Watanabe Yukinobu、Abe Shin-ichiro、Tampo Motonobu、Takeshita Soshi、Miyake Yasuhiro
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Nuclear Science

      Volume: 67 Issue: 7 Pages: 1566-1572

    • DOI

      10.1109/tns.2020.2976125

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  • [Journal Article] X-ray Spectroscopy of Muonic Atoms Isolated in Vacuum with Transition Edge Sensors2020

    • Author(s)
      Okada S.、Azuma T.、Bennett D. A.、Caradonna P.、Doriese W. B.、Durkin M. S.、Fowler J. W.、Gard J. D.、Hashimoto T.、Hayakawa R.、Hilton G. C.、Ichinohe Y.、Indelicato P.、Isobe T.、Kanda S.、Katsuragawa M.、Kawamura N.、Kino Y., et al.
    • Journal Title

      Journal of Low Temperature Physics

      Volume: 20 Issue: 5-6 Pages: 445-451

    • DOI

      10.1007/s10909-020-02476-5

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  • [Journal Article] Optical imaging of muons2020

    • Author(s)
      Yamamoto Seiichi、Ninomiya Kazuhiko、Kawamura Naritoshi、Hirano Yoshiyuki
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 10 Issue: 1 Pages: 20790-20790

    • DOI

      10.1038/s41598-020-76652-8

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  • [Journal Article] Position distribution calculation of annihilation radiations and bremsstrahlung x rays in water during irradiation of positive muons: a Monte Carlo simulation study2020

    • Author(s)
      Hirano Yoshiyuki、Yamamoto Seiichi、Kawamura Naritoshi、Ninomiya Kazuhiko
    • Journal Title

      Physica Scripta

      Volume: 96 Issue: 2 Pages: 025302-025302

    • DOI

      10.1088/1402-4896/abcf65

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  • [Journal Article] J-PARC Muon Facility, MUSE2020

    • Author(s)
      MIYAKE Yasuhiro
    • Journal Title

      Journal of Computer Chemistry, Japan

      Volume: 19 Issue: 3 Pages: A12-A18

    • DOI

      10.2477/jccj.2020-0016

    • NAID

      130007992549

    • ISSN
      1347-1767, 1347-3824
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  • [Journal Article] 電子顕微鏡と加速器技術の融合―過去、現在、そして未来ー2020

    • Author(s)
      永谷幸則
    • Journal Title

      固体物理

      Volume: 55 Pages: 231-244

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  • [Journal Article] Development of a bunch-width monitor for low-intensity muon beam below a few MeV2020

    • Author(s)
      Sue Yuki, Yotsuzuka Mai, Iijima Toru, Mibe Tsutomu 他18名
    • Journal Title

      Physical Review Accelerators and Beams

      Volume: 23 Issue: 2 Pages: 022804-022804

    • DOI

      10.1103/physrevaccelbeams.23.022804

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  • [Journal Article] Development of very slow negative muon beam2020

    • Author(s)
      Natori Hiroaki
    • Journal Title

      PoS (NuFACT2019)

      Volume: 369

    • DOI

      10.22323/1.369.0090

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  • [Journal Article] J-PARCミュオン施設の紹介とミュオン分析の特徴や開発状況2020

    • Author(s)
      三宅康博
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      金属

      Volume: 91 Pages: 41-48

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  • [Journal Article] g Factor of the Zr99 (7/2+) Isomer: Monopole Evolution in the Shape-Coexisting Region2020

    • Author(s)
      Boulay F. 他 47 名
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 124 Issue: 11 Pages: 112501-112501

    • DOI

      10.1103/physrevlett.124.112501

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  • [Journal Article] Response of microchannel plates to positrons from muon-decays2019

    • Author(s)
      Otani M.、Kitamura R.、Fukao Y.、Hasegawa K.、Ishida K.、Kawamura N.、Kondo Y.、Miyake Y.、Saito N.、Shimomura K.、Strasser P.
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment

      Volume: 943 Pages: 162475-162475

    • DOI

      10.1016/j.nima.2019.162475

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  • [Journal Article] A new approach for measuring the muon anomalous magnetic moment and electric dipole moment2019

    • Author(s)
      Abe M.、Mibe T.、Saito N.、Sato Y.、Yamanaka T.、Yoshioka T.、et al.
    • Journal Title

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      Volume: 2019 Issue: 5 Pages: 1-22

    • DOI

      10.1093/ptep/ptz030

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  • [Journal Article] Negative and Positive Muon-Induced SEU Cross Sections in 28-nm and 65-nm Planar Bulk CMOS SRAMs2019

    • Author(s)
      Liao Wang、Hashimoto Masanori、Manabe Seiya、Watanabe Yukinobu、Abe Shin-Ichiro、Nakano Keita、Takeshita Hayato、Tampo Motonobu、Takeshita Soshi、Miyake Yasuhiro
    • Journal Title

      2019 IEEE International Reliability Physics Symposium

      Volume: 2019-5 Pages: 1-5

    • DOI

      10.1109/irps.2019.8720568

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  • [Journal Article] Development of non-destructive isotopic analysis methods using muon beams and their application to the analysis of lead2019

    • Author(s)
      Kazuhiko Ninomiya, Takuto Kudo, Patrick Strasser, Kentaro Terada, Yosuke Kawai, Motonobu Tampo, Yasuhiro Miyake, Atsushi Shinohara, Kenya M. Kubo
    • Journal Title

      J Radioanal Nucl Chem

      Volume: 320 Issue: 3 Pages: 801-805

    • DOI

      10.1007/s10967-019-06506-9

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  • [Journal Article] Development of a non-destructive isotopic analysis method by gamma-ray emission measurement after negative muon irradiation2019

    • Author(s)
      Takuto Kudo, Kazuhiko Ninomiya, Patrick Strasser, Kentaro Terada, Yosuke Kawai, Motonobu Tampo, Yasuhiro Miyake, Atsushi Shinohara, Kenya M. Kubo
    • Journal Title

      J Radioanal Nucl Chem

      Volume: 322 Issue: 3 Pages: 1299-1303

    • DOI

      10.1007/s10967-019-06682-8

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  • [Journal Article] Negative Muon Capture Ratios for Nitrogen Oxide Molecules2019

    • 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

      J Radioanal Nucl Chem

      Volume: 319 Issue: 3 Pages: 767-773

    • DOI

      10.1007/s10967-018-6366-3

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  • [Journal Article] Initial quantum levels of captured muons in CO CO2 and COS2019

    • 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

      J Radioanal Nucl Chem

      Volume: 320 Issue: 2 Pages: 283-289

    • DOI

      10.1007/s10967-019-06470-4

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  • [Journal Article] Chemical Environmental Effect on Muon Capture Processes for Iron Compounds Initial quantum levels of captured muons in CO, CO2, and COS2019

    • 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

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  • [Journal Article] Location of the Neutron Dripline at Fluorine and Neon2019

    • Author(s)
      Ahn D.S.、Fukuda N.、Geissel H.、Inabe N.、Iwasa N.、Kubo T.、Kusaka K.、Morrissey D.J.、Murai D.、Nakamura T.、Ohtake M.、Otsu H.、Sato H.、Sherrill B.M.、Shimizu Y.、Suzuki H.、Takeda H.、Tarasov O.B.、Ueno H.、Yanagisawa Y.、Yoshida K.
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 123 Issue: 21 Pages: 212501-212501

    • DOI

      10.1103/physrevlett.123.212501

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  • [Journal Article] Negative Parity States in 39Cl Configured by Crossing Major Shell Orbits2019

    • Author(s)
      Tao Long-Chun、Ichikawa Y.、Yuan Cen-Xi、Ishibashi Y.、Takamine A.、Gladkov A.、Fujita T.、Asahi K.、Egami T.、Funayama C.、Imamura K.、Lou Jian-Ling、Kawaguchi T.、Nishizaka T.、Sato T.、Tominaga D.、Yang Xiao-Fei、Yamazaki H.、Ye Yan-Lin、Ueno H.
    • Journal Title

      Chinese Physics Letters

      Volume: 36 Issue: 6 Pages: 062101-062101

    • DOI

      10.1088/0256-307x/36/6/062101

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    • Author(s)
      P. Strasser et al.
    • Journal Title

      EPJ Web of Conferences 198, 00003 (2019)

      Volume: 198 Pages: 00003-00003

    • DOI

      10.1051/epjconf/201919800003

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  • [Journal Article] Characterization and optimization of ultra slow muon beam at J-PARC/MUSE: A simulation study2019

    • Author(s)
      Pant A.D.、Adachi T.、Strasser P.、Ikedo Y.、Oishi Y.、Nakamura J.、Higemoto W.、Shimomura K.、Kadono R.、Miyake Y.、Torikai E.
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment

      Volume: 929 Pages: 129-133

    • DOI

      10.1016/j.nima.2019.02.065

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  • [Journal Article] Measurement and Mechanism Investigation of Negative and Positive Muon-Induced Upsets in 65-nm Bulk SRAMs2018

    • Author(s)
      Liao Wang、Hashimoto Masanori、Manabe Seiya、Watanabe Yukinobu、Abe Shin-Ichiro、Nakano Keita、Sato Hikaru、Kin Tadahiro、Hamada Koji、Tampo Motonobu、Miyake Yasuhiro
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Nuclear Science

      Volume: 65 Issue: 8 Pages: 1734-1741

    • DOI

      10.1109/tns.2018.2825469

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  • [Journal Article] Negative and Positive Muon-Induced Single Event Upsets in 65-nm UTBB SOI SRAMs2018

    • Author(s)
      Manabe Seiya、Watanabe Yukinobu、Liao Wang、Hashimoto Masanori、Nakano Keita、Sato Hikaru、Kin Tadahiro、Abe Shin-Ichiro、Hamada Koji、Tampo Motonobu、Miyake Yasuhiro
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Nuclear Science

      Volume: 65 Issue: 8 Pages: 1742-1749

    • DOI

      10.1109/tns.2018.2839704

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      Y. Miyake, K. Shimomura, N. Kawamura, A. Koda, P. Strasser, K. M. Kojima, H. Fujimori, S. Makimura, Y. Ikedo, Y. Kobayashi, J. Nakamura, Y. Oishi, S. Takeshita, T. Adachi, A. D. Pant, H. Okabe, S. Matoba, M. Tampo, M. Hiraishi, K. Hamada, S. Doiuchi, W. Higemoto, T. U. Ito, and R. Kadono
    • Journal Title

      JPS Conf. Proc.

      Volume: 21 Pages: 1-6

    • DOI

      10.7566/jpscp.21.011054

    • NAID

      130007992549

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      二宮和彦
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      Volume: 2018-7 Pages: 9-15

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    • Journal Title

      Phys. Rev. Lett.

      Volume: 121 Issue: 8 Pages: 87202-87202

    • DOI

      10.1103/physrevlett.121.087202

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  • [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
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] J-PARC Muon Facility, MUSE -Status and Recent Activity-2018

    • Author(s)
      三宅康博
    • Organizer
      Physics of muonium and related topics
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      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] J-PARC Muon Facility, MUSE2018

    • Author(s)
      三宅康博
    • Organizer
      EMus Review meeting
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Remarks] 最先端負ミュオンビーム開発

    • URL

      https://www2.kek.jp/imss/msl/MuonScience-G/Research/SlowMuon-.html

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      2020 Annual Research Report 2019 Annual Research Report
  • [Remarks] 第3回 文理融合シンポジウム 量子ビームで歴史を探る ー加速器が紡ぐ文理融合の地平ー

    • URL

      https://www2.kek.jp/imss/msl/2020/07/3.html

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      2020 Annual Research Report
  • [Remarks] 第4回 文理融合シンポジウム 量子ビームで歴史を探る ー加速器が紡ぐ文理融合の地平ー

    • URL

      https://www2.kek.jp/imss/msl/2020/12/4.html

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      2020 Annual Research Report
  • [Remarks] 第1回文理融合シンポジウム

    • URL

      https://www2.kek.jp/imss/news/2019/topics/0727BunRi/

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      2019 Annual Research Report
  • [Remarks] 第2回文理融合シンポジウム

    • URL

      https://www2.kek.jp/imss/news/2020/topics/1225BunRi2/

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      2019 Annual Research Report
  • [Remarks] 最先端負ミュオンビーム開発

    • URL

      http://msl-www.kek.jp/MuonScience-G/

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  • [Patent(Industrial Property Rights)] 荷電粒子輸送装置2020

    • Inventor(s)
      永谷幸則 他
    • Industrial Property Rights Holder
      永谷幸則 他
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2020-178286
    • Filing Date
      2020
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      2020 Annual Research Report

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Published: 2018-07-20   Modified: 2022-12-28  

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