Transmission Muon Microscope by muon microbeam, realizing 3-D Imaging
| Project/Area Number |
17H06126
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Field |
Quantum beam science
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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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, 特別教授 (80209882)
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| 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)
吉田 光宏 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 准教授 (60391710)
林崎 規託 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (50334537)
荻津 透 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 超伝導低温工学センター, 教授 (30185524)
大西 純一 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, 先任技師 (30634703)
鳥養 映子 山梨大学, その他部局等, 客員教授 (20188832)
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| Project Period (FY) |
2017-05-31 – 2022-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥207,090,000 (Direct Cost: ¥159,300,000、Indirect Cost: ¥47,790,000)
Fiscal Year 2020: ¥29,770,000 (Direct Cost: ¥22,900,000、Indirect Cost: ¥6,870,000)
Fiscal Year 2019: ¥60,710,000 (Direct Cost: ¥46,700,000、Indirect Cost: ¥14,010,000)
Fiscal Year 2018: ¥67,340,000 (Direct Cost: ¥51,800,000、Indirect Cost: ¥15,540,000)
Fiscal Year 2017: ¥34,060,000 (Direct Cost: ¥26,200,000、Indirect Cost: ¥7,860,000)
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| Keywords | ミュオン / 超低速ミュオン / 顕微鏡 / 量子可干渉性 / 波動性 / ミュオン加速 / スピン / 偏極 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ミュオンの波動性を金薄膜の回折実験により直接証明する実験に必要となる対物レンズ・試料ステージ、さらには２次元像を得る為のミュオン用の撮像システム（MCP、蛍光板、冷却CCDカメラ）を完成させ、超低速ミュオンのビームラインに接続し、各種テストを開始した。特に、ミュオン撮像システムが実際に超低速ミュオンビーム（およびテスト用の水素イオンビーム）を２次元の動画として捉える事が可能である事を確認した。これによりミュオン回折実験が開始できる段階となった。
超低速ミュオンの波長の可変やより高効率のミュオン回折実験を可能とする超低速ミュオンを再加速する「インダクション加速器」をKEKつくばキャンパスにおいて完成させ、その加速能力やビーム収束性を電子を用いて確認し、実験場所となるJ-PARC/MLFに搬入した。これを用いればミュオン回折パターンの波長依存性が明瞭になり、より確実な波動性の証明が可能となる。
最終的な目的である超高圧電子顕微鏡を凌駕する透過能を得る「5MeV加速の透過ミュオン顕微鏡」の実現に必要となるミュオン用の加速器「フラットトップAVF型サイクロトロン」の設計を住友重機械工業社、KEK、理研の３者の共同で実施し、装置本体の設計はほぼ完了、シミュレーションにより基本的な性能を確認し、製造を開始した。また、グレーザーレンズなどのサイクロトロン内収束系はすでに納入された。高加速のミュオンを収束・結像させるマイスナーシールド型超伝導レンズの分解や再組上げ等の技術指導を、装置提供元の日本電子社より受け、ビームラインへの設置方法などを決定した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
ミュオン波動性を年度内に証明する予定であったが、超低速ミュオンを発生させるレーザー装置のトラブルにより必要な強度のミュオンビームが出ず、次年度へと持ち越す事になった。本実験に必要となる装置（レンズ・ステージ・カメラ、追加実験としてインダクション加速器）はすでに完成し、個別の動作試験も終了し、超低速ミュオンのビームラインに接続されている。レーザー装置のトラブル解消後には直ちにミュオン波動性の証明実験が出来る状況にある。
透過ミュオン顕微鏡に必要なフラットトップAVF型サイクロトロンの開発やレンズ開発（設計・シミュレーション・製造）は予定通り進捗している。
ミュオン用撮像カメラは、当初はCe:YAG結晶蛍光体と高感度CCDカメラの組合せ、もしくはSOI裏目照射型２次元センサの採用を検討したが、これまでの実験により30keVの低加速領域ではMCPに蛍光板を組合せCCDカメラで撮影する事が最も有効であると判明し、これを採用し実装した。加速時には前記の２つの方法も再び試みる予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
誘導加速器を用いて超低速ミュオンを再加速することで高輝度マイクロビームを生成し、これを用いてグラフェンや金結晶のミュオン回折像を取得する。これは再加速されたミュオンが波の性質を持つ量子ビームであることの直接的な証明であり、標準模型の第2世代以降の粒子の量子可干渉性を初めて直接明らかにする歴史的な成果となる。
5MeV以上までミュオンを再加速することにより電子顕微鏡では不可能な10um以上厚さの試料の透過ミュオン顕微観察が可能となる。さらにエネルギー分散・安定度を10万分の1レベルに抑えることで、色収差を抑え顕微鏡として高い分解能が得られる。これまで行った基本設計検討により、フラットトップRF加速技術を備えたAVFサイクロトロンが最適であることがわかった。今後は透過型ミュオン顕微鏡の実現に向け、詳細な機械設計に基づいて実機を製作し、磁場の精密測定・調整などを順次進めていく。
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Report
(3 results)
Research Products
(19 results)
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[Journal Article] J-PARC Muon Facility, MUSE2018
Author(s)
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
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Journal Title
JPS Conf. Proc.
Volume: 21
DOI
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Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Perspective of Muon Production Target at J-PARC MLF MUSE2018
Author(s)
Makimura Shunsuke、Matoba Shiro、Kawamura Naritoshi、Matsuzawa Yukihiro、Tabe Masato、Aoyagi Hiroyuki、Kondo Hiroto、Kobayashi Yasuo、Fujimori Hiroshi、Ikedo Yutaka、Kadono Ryosuke、Koda Akihiro、Kojima Kenji M.、Miyake Yasuhiro、Nakamura Jumpei G.、Oishi Yu、Okabe Hirotaka、Shimomura Koichiro、Strasser Patrick
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Journal Title
JPS Conf. Proc.
Volume: 21
DOI
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Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Transportation of Ultra Slow Muon on U-line, MLF, J-PARC2018
Author(s)
Pant Amba Datt、Adachi Taihei、Ikedo Yutaka、Oishi Yu、Nakamura Jumpei、Strasser Patrick、Kojima Kenji、Makimura Shunsuke、Kawamura Naritoshi、Koda Akihiro、Ito Takashi、Higemoto Wataru、Shimomura Koichiro、Kadono Ryosuke、Miyake Yasuhiro、Torikai Eiko
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Journal Title
JPS Conf. Proc.
Volume: 21
DOI
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[Presentation] J-PARCにおける超低速ミュオンビームのコミッショニング状況４2018
Author(s)
足立泰平, アンバダットパント, 池戸豊, 大石裕, 中村惇平, ストラッサーパトリック, 伊藤孝, 髭本亘, 牧村俊助, 河村成肇, 下村浩一郎, 門野良典, 三宅康博, 鳥養映子
Organizer
日本物理学会第73回年次大会
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[Presentation] Simulation study of transportation of ultra slow muon on U-line, MLF, J-PARC2018
Author(s)
A.D. Pant, T. Adachi, Y. Ikedo, P. Strasser, K. Shimomura, Y. Oishi, J. Nakamura, W. Higemoto, R. Kadono, Y. Miyake and E. Torikai
Organizer
日本物理学会第73回年次大会
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[Presentation] 透過型ミュオン顕微鏡2017
Author(s)
三宅康博, 吉田光宏, 永谷幸則, 林崎規託, 池戸豊, 下村浩一郎, 足立泰平, パント アンバ ダット, パトリック ストラッサー, 岩下大器, 荻津透, 籔内敦, 村田和義, 鳥飼幸太
Organizer
日本物理学会2017年秋季大会
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[Presentation] J-PARCにおける超低速ミュオンビームのコミッショニング状況32017
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足立泰平, アンバダットパント, 池戸豊, 大石裕, 中村惇平, ストラッサーパトリック, 伊藤孝, 髭本亘, 牧村俊助, 河村成肇, 下村浩一郎, 門野良典, 三宅康博, 鳥養映子
Organizer
日本物理学会2017年秋季大会
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