| 研究課題/領域番号 |
20K12481
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分80040:量子ビーム科学関連
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
小高 康照 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 技術専門職員 (00813396)
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| 研究分担者 |
長濱 弘季 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (00804072)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2024年度: 130千円 (直接経費: 100千円、間接経費: 30千円)
2023年度: 130千円 (直接経費: 100千円、間接経費: 30千円)
2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2021年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2020年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
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| キーワード | ペッパーポット型エミッタンス測定器 / イオンビーム輸送 / ビームエミッタンス / 電気双極子能率測定 / 高周波四重極線形減速装置 / AVFサイクロトロン / ビーム軌道計算 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
宇宙の反物質消失機構の解明を目指し、原子の物質・反物質対称性の破れを探索するために重元素・フランシウム(Fr)の永久電気双極子能率(EDM)を10の-30乗ecmの世界最高感度で測定する実験の鍵となる大強度・低速・低エミッタンスFrイオンビームを実現する。そのために、核融合反応で金(Au)標的の幅1mmの範囲にFrを生成するため、理研AVFサイクロトロンで100MeVに加速した強度18eμA以上の酸素イオンビームを収束するビーム輸送法と生成したFrイオンビームを減速・冷却して、EDM測定に必要な中性化器表面に局所的に集中して停止させる高周波四重極線形減速装置を相乗的に開発する。
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| 研究実績の概要 |
東京大学原子核科学研究センターで進むフランシウム(Fr)の電気双極子能率(EDM)を世界最高感度で測定する実験には酸素イオンビーム(1次ビーム)と金(標的)の核融合反応で生成したFrの収量増強が必要である。そのために1次ビーム強度の増強が必要である。これをビーム輸送率向上によって実現するため大強度1次ビーム用ペッパーポット型エミッタンス測定器(PEM)を開発しビーム輸送系を最適化する。また高周波四重極線形減速装置(RFQD)によりFrイオンビームを冷却・減速し、Frを電気的に中性な原子にする中性化器の表面に局所的に集めて収量増強を目指す。
PEM開発については、ビームの空間分布測定結果から推定したビームエミッタンスを基準とし、そこに測定誤差を導入したビーム軌道計算を行い、EDM実験装置までのビーム軌道計算に影響を与えない位置と角度測定誤差を0.1mmと0.3mradと見積もった。またビーム照射によるPEM発熱を回避するビームシャッター機構を構築した。これらを国際会議、加速器学会で報告した。さらに測定誤差の信頼性を確認する実験が東京大学タンデム加速器研究施設に採択され、実験装置を構築し、ビーム照射テストを行った。測定誤差が確定できればビーム軌道計算だけで最適なビーム輸送系が設計できる。
RFQDについては、Frに最適化した構造設計のためビーム運動計算を継続している。計算結果の信頼性を見るためRFQDを開発したオランダ・フローニンゲン大学の先行研究の参考文献と比較したが、結果に相違があり原因追及を進めていた。一方、他の参考文献を探して同様の比較を試みたところほぼ一致した。これにより自分の計算の誤りの可能性は低いと判断した。コロナウイルス感染拡大の影響で延期していたフローニンゲン大学からのRFQD本体移設は再開した。2024年6月に到着するので本体開発に着手する。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
東京大学タンデム加速器研究施設のビーム照射テストの途中経過だが、PEMの位置・角度の測定誤差が想定した通りの結果が出てきている。これが進めばビームエミッタンスの測定誤差を無視できるPEMをビーム軌道計算のみで設計できると考える。またビーム照射中の測定器の発熱回避のためのビーム停止・照射を短時間で制御するビームシャッター機構のシャッター速度は浜松ホトニクス製光電子増倍管用小型高電圧電源(最大2kV)を使用することにより0.27秒を実現した。この速度はAVFサイクロトロンのビーム引出静電チャネルのビームによる損壊を防ぐインターロック速度に同等である。またPEMのデジタルカメラの放射線損傷を低減するためカメラをビームラインから遠方に設置するカメラ光学系については、遠隔距離2.2mにおいて蛍光板で発光するビーム像の位置誤差を0.15mmに収められている。
RFQDについては、新型コロナウイルス感染拡大の影響で延期していたフローニンゲン大学からの移設を再開させ2024年6月に到着するので、本体開発の準備を進めている。Frに最適化された構造設計を行うために進めているビーム運動計算の信頼性の確認については、フローニンゲン大学の先行研究の参考文献との比較では計算結果に相違があるが、他の参考文献の結果とはほぼ一致した。これにより自分の計算の誤りの可能性は低く、四重極高周波電場を作る電極構造の相違が問題と考えている。この確認のため3次元電場計算コードによる3次元電場を用いてビーム軌道計算を行い、先行研究と比較する方針である。
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| 今後の研究の推進方策 |
PEM開発は、東京大学タンデム加速器研究施設におけるビーム照射テストによりPEM測定誤差を確定した後、測定誤差を導入したビーム軌道計算のみで最適化したビーム輸送系の設計方法を構築する。測定誤差の主要因はマスク穴径、蛍光板で発光するビームの位置誤差、マスクと蛍光板間距離である。必要と見積もった位置と角度誤差は0.1mmと0.3mradとなる。この場合のマスクと蛍光板間距離は440mmであり、比較的に長い。角度誤差を維持してこの距離を短縮する手段として、蛍光板で発光するビーム位置精度向上をカメラ光学系改良やカメラセンサー画素数向上により検討する。ビーム照射中の測定器の発熱回避ビームシャッター機構は、シャッター速度の短縮が測定可能なビーム強度上限を上げるのでシャッター速度短縮を追求する。必要なシャッター速度は熱伝導計算を使う手法を検討する。最終的には測定システムを構築し、その安全性を確認した上で、大強度ビームエミッタンス測定を行い測定可能なビーム強度上限を確認したい。またデジタルカメラの放射線損傷対策として遮蔽方法も検討する。
Frイオン専用RFQDについては、RFQD構造をリアルに再現した3次元計算電場を導入し、複数イオン粒子を用いたビーム運動計算により最適化した設計を行う。RFQD本体の移設後は正常に稼働することを確認し、試験用ルビジウムイオンを用いた性能評価を行う。これらの性能評価を用いてビーム運動計算の信頼性を確認し、Fr専用RFQDを設計し、改造する。将来的にはEDM実験装置の表面電離イオン源からのFrイオンビームに混入する不純物の除去、ビーム強度測定精度の対策を講じて、表面電離イオン源の後段に実装する。最終的には酸素イオンビームを金に照射して生成したFrイオンビームを用いてRFQDの性能評価を行う。
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