Development of novel liquid scintillators using organic-inorganic hybrid materials
| Project/Area Number |
22KJ0291
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| Project/Area Number (Other) |
22J20552 (2022)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2023)
Single-year Grants (2022) |
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| Section | 国内 |
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| Review Section |
Basic Section 31010:Nuclear engineering-related
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
渡邊 晶斗 東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2023-03-08 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000)
Fiscal Year 2024: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2023: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2022: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
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| Keywords | 液体シンチレータ / 微粒子分散 / ZrO2 / 界面制御 / ナノ粒子 / シンチレータ / 有機無機ハイブリッド / ニュートリノ / 波形弁別 |
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| Outline of Research at the Start |
ニュートリノの質量構造解明のためには，ニュートリノレス二重β崩壊探索実験の成功が鍵となる．極低確率で生じるニュートリノレス二重β崩壊を検出しうる検出器として，有力視されているものの一つが，二重β崩壊核を装荷した液体シンチレータである．しかし，当該検出材料の設計の際に，崩壊核の装荷により誘発される励起状態の無放射失活に起因する，シンチレータの光収率の低下が問題となる．そこで本研究では，これらの崩壊核の新規添加手法として，有機無機ハイブリッドナノ粒子の分散に注目した．当該粒子を装荷した液体シンチレータを開発することで，実用的なレベルの光収率および崩壊核の装荷濃度を兼ね備えた検出器の創出を目指す．
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| Outline of Annual Research Achievements |
ニュートリノ実験用の新規検出器開発に向けて、高発光量・高濃度金属装荷の両立した金属装荷型液体シンチレータの開発を進めている。
本研究では、96Zrから生じるとされているニュートリノを伴わない二重β崩壊の信号を実効的な感度で検出しうる検出器を開発すべく、Zrを多量に添加した液体シンチレータの創出を試みている。特に、添加手法としてZrO2ナノ粒子の分散を試みており、亜臨界水熱法による表面修飾ZrO2ナノ粒子の合成を行っている。
ナノ粒子の単分散のためには、粒子-液相界面に存在する表面修飾層の精密な制御が重要となる。近年の研究において、修飾層における有機分子の構造化が修飾分子-溶媒分子間の分子間相互作用を弱め、ナノ粒子の分散性を低下させている可能性が指摘されている。そこで本年度までの研究では、炭素鎖の長さが異なる2種類の芳香族カルボン酸分子を用いて表面修飾を行うことで、この構造化を回避し、ナノ粒子分散濃度を向上させることを試みた。3フェニルプロピオン酸および6フェニルヘキサン酸の二つの芳香族カルボン酸を混合し、表面修飾を行うことにより、分散濃度を大幅に向上させることに成功し、現状で2.11 wt%のZrをシンチレータ中に導入することに成功した。また、HPLC分析によって、ナノ粒子表面への2種の分子の吸着が成されたことが認められた。この際、修飾分子の混合はナノ粒子の粒径や表面修飾密度に影響を与えず、分散濃度のみを向上させたことから、本研究の分散濃度の向上が、混合修飾の効果によるものであることが示唆される。
並行して金属塩であるサリチル酸リチウムを用いたLi装荷液体シンチレータの開発も行った。この際、励起状態の無放射失活を極小化しうるような材料系の探索を行うことにより、3970 photons/neutronという高い発光量を示す中性子シンチレータの開発にも成功した。
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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
当初の計画では、ZrO2に発光機能を付与する予定であった。しかし、発光性ナノ粒子の導入がシンチレータの発光効率の向上に必ずしも寄与しないような挙動も観測されつつあり、当計画の有効性が疑問視されたため、当該実験は行わなかった。しかし、代わりにLi装荷液体シンチレータを対象とした組成最適化の実験に注力することで、高効率発光を示す材料を設計するという目標は達成することができ、また、Zrの添加濃度についても本研究の目標であった2 wt%以上という値を達成することができたため、おおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
合成・洗浄プロセスの検討を行うことで、更なる液体シンチレータの性能向上を目指す。この際、ナノ粒子の量産化を見越せるようなプロセスの開発も視野に入れつつ、研究を推進していく。
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Report
(2 results)
Research Products
(25 results)
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[Presentation] Development of PVK-Based Plastic Scintillators Loaded with Bi2O3 Nanoparticles2023
Author(s)
Masanori Koshimizu, Shunsuke Komatsuzaki, Akito Watanabe, Atsushi Sato, Akira Yoko, Gimyeong Seong, Takaaki Tomai, Tadafumi Adschiri, Shunji Kishimoto, Yutaka Fujimoto, Keisuke Asai
Organizer
The 2023 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference
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Int'l Joint Research
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