荷電粒子の捕集・輸送装置の開発

• 研究領域: 宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋。
• 研究課題/領域番号: 21H00160
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 学習院大学 (2022); 東北大学 (2021)
• 研究代表者: 奥津 賢一 学習院大学, 理学部, 助教 (00838568)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円); 2022年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円); 2021年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: 装置開発 / 荷電粒子輸送 / ミュオン / ミュオン触媒核融合 / 固体水素標的 / 荷電粒子輸送装置

研究開始時の研究の概要

本研究では新たに電場を利用した荷電粒子輸送装置を開発、実証を行い、特に従来の電場や磁場を利用した荷電粒子の制御方法では難しかった面上から放出される荷電粒子を効率的に輸送可能な荷電粒子輸送装置の開発を行う。実証実験では主にベータ線を含めた電子源および分子イオン源を用い、電子源(ベータ線源)、イオン源から輸送先までの到達効率を求めるほか、任意の電子線、イオンビームの軌跡を確かめ、シミュレーションとの比較を行う。

研究実績の概要

本研究では新たに電場を利用した荷電粒子輸送装置を開発、実証を行い、特に従来の電場や磁場を利用した荷電粒子の制御方法では難しかった面上から等方的に放出される荷電粒子を効率的に輸送可能な荷電粒子輸送装置の開発を行う。実証実験では電子源または分子イオン源を用い、電子線、イオンビームの軌跡を確かめ、シミュレーションとの比較を行う。
開発中の荷電粒子輸送装置は荷電粒子の運動エネルギーやその進行方向が非常に幅広い場合でも効率的に粒子を捕集し輸送できるものを目指しており、同軸輸送管に代表されるように高電圧印加された芯線と接地された輸送管による荷電粒子を電場による捕集しつつ誘導する装置を提案している。
これまでに開発中の荷電粒子輸送装置についてより詳細にシミュレーションを進め、より粒子輸送の特性などについて理解を進めた。シミュレーションでは研究計画当初より、より正確なシミュレーションが可能となり、実際の実験環境、電場環境を模擬した計算を実施した。
これらの結果より、具体的に10 keV以下の運動エネルギーのミュオンの引き出しを対象とした輸送装置の実装実験にシミュレーション結果をフィードバックさせ、輸送用の電圧印加時により多くのミュオンを引き出すことに成功した。
また、研究を進める中で引きだしたミュオンの運動エネルギー分布について、輸送用の印加電圧を掃引することでおおよそ、運動エネルギー分布を明らかにするシミュレーションも進めた。高効率の輸送を主眼としていることからエネルギー分解能は低いものの、異なる輸送条件での結果から運動エネルギー分布を得ることがある程度可能になること明らかとなった。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Role of resonance states of muonic molecule in muon catalyzed fusion (2023)
  • 著者名/発表者名: Kenichi Okutsu, Takuma Yamashita, Yasushi Kino, Konan Miyashita, Kazuhiro Yasuda, Toshitaka Oka, Motoyasu Sato
  • 雑誌名: JJAP Conference Proceedings 巻: 9 号: 0 ページ: 011003-011003
  • DOI: 10.56646/jjapcp.9.0_011003
  • ISSN: 2758-2450
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Roles of resonant muonic molecule in new kinetics model and muon catalyzed fusion in compressed gas (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamashita Takuma、Kino Yasushi、Okutsu Kenichi、Okada Shinji、Sato Motoyasu
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 6393-6393
  • DOI: 10.1038/s41598-022-09487-0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 歯のESRスペクトルにおける放射線誘起成分の解析精度の検討 (2022)
  • 著者名/発表者名: 光安優典, 岡壽崇, 高橋温, 木野康志, 奥津賢一, 関根勉, 山下琢磨, 清水良央, 千葉美麗, 鈴木敏彦, 小坂健, 佐々木啓一, 鈴木正敏, 福本学, 篠田壽
  • 雑誌名: KEK Proceedings (第23回「環境放射能」研究会 Proceedings) 巻: 2022-2 ページ: 120-125
  • 査読あり
• [雑誌論文] イメージングプレートを用いた歯中放射性核種推定のための数値シミュレーション (2022)
  • 著者名/発表者名: 尾田晃平, 光安優典, 奥津賢一, 山下琢磨, 木野康志, 関根勉, 高橋温, 篠田壽
  • 雑誌名: KEK Proceedings (第23回「環境放射能」研究会 Proceedings) 巻: 2022-2 ページ: 126-131
  • 査読あり
• [雑誌論文] Deexcitation Dynamics of Muonic Atoms Revealed by High-Precision Spectroscopy of Electronic K X Rays (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Okumura et al.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 127 号: 5 ページ: 053001-053001
  • DOI: 10.1103/physrevlett.127.053001
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Dynamical Response of Transition-Edge Sensor Microcalorimeters to a Pulsed Charged-Particle Beam (2021)
  • 著者名/発表者名: Okumura Takuma、Azuma Toshiyuki、Bennett Douglas A.、Caradonna Pietro、Chiu I-Huan、Doriese W. Bertrand、Durkin Malcolm S.、Fowler Joseph W.、Gard Johnathon D.、Hashimoto Tadashi、Hayakawa Ryota、Hilton Gene C.、Ichinohe Yuto、Indelicato Paul et al.
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: 31 号: 5 ページ: 1-4
  • DOI: 10.1109/tasc.2021.3067793
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Time evolution calculation of muon catalysed fusion: Emission of recycling muons from a two-layer hydrogen film (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Yamashita et al.
  • 雑誌名: Fusion Engineering and Design 巻: 169 ページ: 112580-112580
  • DOI: 10.1016/j.fusengdes.2021.112580
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Design for detecting recycling muon after muon-catalyzed fusion reaction in solid hydrogen isotope target (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Okutsu et al.
  • 雑誌名: Fusion Engineering and Design 巻: 170 ページ: 112712-112712
  • DOI: 10.1016/j.fusengdes.2021.112712
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 野生動物の歯を用いた低線量被ばく推定法の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 光安優典, 岡壽崇, 高橋温, 小荒井一真, 木野康志, 奥津賢一, 関根勉, 山下琢磨, 清水良央, 千葉美麗, 鈴木敏彦, 小坂健, 佐々木啓一, 漆原佑介, 鈴木正敏, 福本学, 篠田壽
  • 雑誌名: KEK Proceedings (第22回「環境放射能」研究会 Proceedings ) 巻: 2021-2 ページ: 91-96
  • 査読あり
• [学会発表] Measurement of recycling muon from muon catalyzed fusion reaction in solid hydrogen, (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Okutsu, K, Miyashita, R. Nakashima, R. Konishi, K. Sasaki, K. Yasuda, T. Yamashita, Y. Kino, Y. Toyama, S. Okada, M. Sato, T. Oka, N. Kawamura, S. Kanda, K. Shimomura, P. Strasser, S. Takeshita, M. Tampo, S. Doiuchi, Y. Nagatani, S. Nishimura, A. D. Pant, Y. Miyake, K. Ishida
  • 学会等名: 37th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] A simulation study for energy separation of recycling muons after muon catalyzed fusion (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Nakashima, K. Okutsu, K, Miyashita, R. Konishi, K. Sasaki, K. Yasuda, T. Yamashita, Y. Kino, Y. Toyama, S. Okada, M. Sato, T. Oka, N. Kawamura, S. Kanda, K. Shimomura, P. Strasser, S. Takeshita, M. Tampo, S. Doiuchi, Y. Nagatani, S. Nishimura, A. D. Pant, Y. Miyake, K. Ishida
  • 学会等名: 37th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] 固体重水素薄膜を用いたミュオン触媒核融合反応素過程の解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 奥津賢一
  • 学会等名: 新学術領域研究「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新た応用の架け橋。」領域研究会 (第 4 回領域全体会議)
• [学会発表] ミュオンビームの固体水素内における挙動の数値シミュレーション (2022)
  • 著者名/発表者名: 小西蓮, 奥津賢一, 木野康志, 佐々木喬祐, 中島良太, 山下琢磨, 宮下湖南, 安田和弘, 岡田信二, 佐藤元泰, 外山裕一, 岡壽崇, 河村成肇, 神田聡太郎, 下村浩一郎, Strasser Patrick, 竹下聡史, 反保元伸, 土居内翔伍, 永谷幸則, 名取寛顕, 西村昇一郎, Amba Pant, 三宅康博, 石田勝彦
  • 学会等名: 令和 4 年度化学系学協会東北大会
• [学会発表] ミュオン水素分子イオンの解離 X 線スペクトルの非断熱計算 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山下琢磨, 安田和弘, 奥津賢一, 木野康志,
  • 学会等名: 第 16 回分子科学討論会
• [学会発表] ミュオン触媒核融合からの低速ミュオン検出実験のための数値シミュレーション (2022)
  • 著者名/発表者名: 小西蓮, 奥津賢一, 木野康志, 佐々木喬祐, 中島良太, 宮下湖南, 安田和弘, 山下琢磨, 岡田信二, 佐藤元泰, 外山裕一, 岡壽崇, 河村成肇, 神田聡太郎, 下村浩一郎, 竹下聡史, 反保元伸, 土居内翔伍, 永谷幸則, 名取寛顕, 西村昇一郎, 三宅康博, Amba D. Pant, Strasser Patrick, 石田勝彦
  • 学会等名: 日本物理学会 2023 年春季大会
• [学会発表] ミュオン触媒核融合反応生成物の観測へ向けて (2022)
  • 著者名/発表者名: 奥津賢一
  • 学会等名: 2021年度 Muon合同研究会・シンポジウム(第12回 研究会「Muon科学と加速器研究」)
• [学会発表] Direct measurement of muon catalyzed nuclear fusion in thin deuterium film (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Okutsu, T. Yamashita, Y. Kino, R. Nakashima, K, Miyashita, K. Yasuda, S. Okada, M. Sato, T. Oka, N. Kawamura, S. Kanda, K. Shimomura, P. Strasser, S. Takeshita, M. Tampo, S. Doiuchi, Y. Nagatani, S. Nishimura, A. D. Pant, Y. Miyake, K. Ishida
  • 学会等名: 36th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] 高強度パルスミュオンによるミュオン触媒核融合反応素過程の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 奥津賢一
  • 学会等名: 第38回 無機・分析化学コロキウム
• [学会発表] 荷電粒子の捕集・輸送装置の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 奥津賢一
  • 学会等名: 第３回新学術領域研究「量子ビーム応用」領域会議
• [学会発表] Design of a charged particle transport method using electrostatic field (2021)
  • 著者名/発表者名: K Okutsu, T Yamashita, Y Kino, R Nakashima, K Miyashita, K Yasuda, S Okada, M Sato, T Oka, N Kawamura, S Kanda, K Shimomura, P Strasser, S Takeshita, M Tampo, S Doiuchi, Y Nagatani, H Natori, S Nishimura, A D Pant, Y Miyake, K Ishida
  • 学会等名: 32nd International Conference on Photonic, Electronic and Atomic Collisions (Virtual iCPEAC)
  • 国際学会
• [学会発表] ミュオン触媒核融合素過程計測へ向けた固体水素標的 (2021)
  • 著者名/発表者名: 奥津賢一, 木野康志, 中島良太, 宮下湖南, 安田和弘, 山下琢磨, 岡田信二, 佐藤元泰, 岡壽崇, 河村成肇, 神田聡太郎, 下村浩一郎, Strasser Patrick, 竹下聡史, 反保元伸, 土居内翔伍, 永谷幸則, 名取寛顕, 西村昇一郎, Amba Datt Pant, 三宅康博, 石田勝彦
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] DD実験によるμCF生成物の観測へ向けて (2021)
  • 著者名/発表者名: 奥津賢一
  • 学会等名: 第 1 回超低速負ミュオンビーム研究会
• [学会発表] Observation of recycling muon in muon catalyzed nuclear fusion reaction (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Okutsu, H. Natori, P. Strasser, K. Miyashita, K. Yasuda, R. Nakashima, T. Yamashita, Y. Nagatani, N. Kawamura, S. Kanda, S. Nishimura, S. Okada, T. Oka, M. Tampo, K. Ishida, M. Sato, K. Shimomura, Y. Miyake, Y. Kino
  • 学会等名: Pacifichem2021
  • 国際学会