最先端負ミュオンビーム開発

2019 年度 実績報告書

• 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: 18H05464
• 研究機関: 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
• 研究代表者: 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, 教授 (80209882)
• 研究分担者: 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)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2023-03-31
• キーワード: 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

研究実績の概要

トリチウムを用いたミュオン触媒核融合反応によるビーム冷却の基本原理、具体的な装置設計、実験手順、トリチウム使用から廃棄までの放射性安全管理の手順などを確立し、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設計が完了すると共に製作と実験の準備が完了した。
しかしながら、J-PARCは他の実験の許認可申請との干渉を避けるため、当面トリチウム使用許可の申請を認めない事を決定した。このため、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。新しい構想に基づき、作年度末、Dラインで得られる高エネルギーミュオンを効率良く減速し、更には減速した負ミュオンを、１.5メートル超の同軸引き出し装置を開発し実験した。この結果、世界で初めて、低速負ミュオン（7keV、5keV、3.5keV）を取り出すことに成功した。
具体的には、加速器で得られる高エネルギーの負ミュオンビームを厚さ3.5mmのベリリウム減速材を用いて減速し、減速された負ミュオンを２枚のカプトン薄膜標的に打ち込み、真空中に再放出された超低速負ミュオンを中心電極に３.5ー7kV印加した同軸輸送管で減速負ミュオンを引き出す実験を実施した。
超低速ミュオンの検出には、1m超の同軸管の末端に銀製の検出用標的を設置し、銀標的まで輸送された超低速負ミュオンからのミュオン特性X線（140keV,　300 keV）、並びに銀標的からの崩壊電子を測定するという２種類の検出法で行った。両者ともに、引き出し用の同軸管への高電圧印加時のみ確認できたが、非印加時には確認されなかった。
これらの実験により、世界初の超低速負ミュオン引き出しと輸送に成功したと結論づけることができた。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

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理論構築と装置設計が完了し、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ったが、J-PARCの運営方針によりトリチウムの使用が出来なくなった。このため、トリチウムを用いない摩擦冷却を主とする新たな手法を開発した。
この手法の妥当性を確かめる摩擦減速、薄膜捕獲、同軸輸送の実験を実施し、実際に加速器で生成された高エネルギーの負ミュオンを3.5keV未満の低速ミュオンへと減速し、検出器まで1.5mの距離を輸送することに成功した。
これをベースにして、摩擦減速・冷却を主とする走査負ミュオン顕微鏡の開発を進めている。
トリチウム使用が出来なくなったことにより１年以上の遅れが生じたが、代わりに考案した摩擦減速・冷却が予想以上の成果を挙げたため、ある程度は遅れを取り戻しつつある。
また重水素のみを用いたミュオン触媒核融合実験、再生ミュオンの取り出し実験も実施した。

今後の研究の推進方策

取り出した減速負ミュオンを多層の薄膜を用いて摩擦冷却し、輝度の高い超低速負ミュオンビームへと変換するビーム冷却装置を開発により、分解能が数10μｍの走査負ミュオン顕微鏡を実現させる。
当初計画の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。
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、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る手法の開発を進める。
体的には、直径5cmで、厚さ50～60nmの窒化ケイ素の自立薄膜を半導体製造プロセスを用いて20枚程度作成し、勾配電圧を印加可能な真空チャンバを併せて開発することにより、ビーム冷却装置を開発する。
この装置を、J-PARC/MLFのＤラインに装置を接続し、冷却により高輝度化され収束可能な超低速負ミュオンビームを生成し、走査負ミュオン顕微鏡の基礎的な実験を行い、その分解能の測定などから、収束径、エミッタンスや輝度を測定する。
時間的に可能であれば実用材料の２次元の元素マッピングの顕微鏡像も取得する。

研究成果

• [雑誌論文] Chemistry of Negative Muon (2020)
  • 著者名/発表者名: Ninomiya Kazuhiko
  • 雑誌名: RADIOISOTOPES 巻: 69 ページ: 277～286
  • DOI: 10.3769/radioisotopes.69.277
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: 永谷幸則
  • 雑誌名: 固体物理 巻: 55 ページ: 231-244
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of a bunch-width monitor for low-intensity muon beam below a few MeV (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Sue, M. Yotsuzuka, K. Futatsukawa, K. Hasegawa, T. Iijima, H. Iinuma, K. Inami, K. Ishida, N. Kawamura, R. Kitamura, Y. Kondo, T. Mibe, Y. Miyake et al
  • 雑誌名: Physical Review Accelerators and Beams 巻: 23 ページ: 022804(1-7)
  • DOI: 10.1103/PhysRevAccelBeams.23.022804
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of very slow negative muon beam (2020)
  • 著者名/発表者名: Natori Hiroaki
  • 雑誌名: PoS (NuFACT2019) 巻: 369 ページ: 090(1-4)
  • DOI: 10.22323/1.369.0090
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: 三宅康博
  • 雑誌名: 金属 巻: 91 ページ: 41-48
  • 査読あり
• [雑誌論文] g Factor of the ^{99}Zr (7/2^{+}) Isomer: Monopole Evolution in the Shape-Coexisting Region (2020)
  • 著者名/発表者名: F. Boulay, G. S. Simpson, Y. Ichikawa, S. Kisyov, D. Bucurescu, A. Takamine, D. S. Ahn, K. Asahi, H. Baba, D. L. Balabanski, T. Egami, T. Fujita, N. Fukuda, C. Funayama, T. Furukawa, …H. Ueno, H. Yamazaki, X. F. Yang, J. M. Daugas, et al
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 124 ページ: 112501(1-6)
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.112501
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Response of microchannel plates to positrons from muon-decays (2019)
  • 著者名/発表者名: Otani M.、Kitamura R.、Fukao Y.、Hasegawa K.、Ishida K.、Kawamura N.、Kondo Y.、Miyake Y.、Saito N.、Shimomura K.、Strasser P.
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 943 ページ: 162475～162475
  • DOI: 10.1016/j.nima.2019.162475
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A new approach for measuring the muon anomalous magnetic moment and electric dipole moment (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Abe, S. Bae, G. Beer, G. Bunce, H. Choi, S. Choi, M. Chung, W. da. Silva, S. Eidelman, M. Finger, Y. Fukao, T. Fukuyama, S. Haciomeroglu, K. Hasegawa, K. Hayasaka, N. Hayashizaki, H. Hisamatsu, T. Iijima, H. Iinuma, H. Ikeda, M. Ikeno, K. Inami, K. Ishida, …Y. Matsuda, T. Mibe, Y. Miyake,et al
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2019 ページ: 1-22
  • DOI: 10.1093/ptep/ptz030
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Negative and Positive Muon-Induced SEU Cross Sections in 28-nm and 65-nm Planar Bulk CMOS SRAMs (2019)
  • 著者名/発表者名: Liao Wang、Hashimoto Masanori、Manabe Seiya、Watanabe Yukinobu、Abe Shin-Ichiro、Nakano Keita、Takeshita Hayato、Tampo Motonobu、Takeshita Soshi、Miyake Yasuhiro
  • 雑誌名: 2019 IEEE International Reliability Physics Symposium 巻: 2019-5 ページ: 1-5
  • DOI: 10.1109/IRPS.2019.8720568
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Development of non-destructive isotopic analysis methods using muon beams and their application to the analysis of lead (2019)
  • 著者名/発表者名: Ninomiya Kazuhiko、Kudo Takuto、Strasser Patrick、Terada Kentaro、Kawai Yosuke、Tampo Motonobu、Miyake Yasuhiro、Shinohara Atsushi、Kubo Kenya M.
  • 雑誌名: Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry 巻: 320 ページ: 801～805
  • DOI: 10.1007/s10967-019-06506-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of a non-destructive isotopic analysis method by gamma-ray emission measurement after negative muon irradiation (2019)
  • 著者名/発表者名: Kudo Takuto、Ninomiya Kazuhiko、Strasser Patrick、Terada Kentaro、Kawai Yosuke、Tampo Motonobu、Miyake Yasuhiro、Shinohara Atsushi、Kubo Kenya M.
  • 雑誌名: Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry 巻: 322 ページ: 1299～1303
  • DOI: 10.1007/s10967-019-06682-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 負ミュオンスピン緩和法の展望 (2020)
  • 著者名/発表者名: 竹下聡史
  • 学会等名: 第10回ミュオン科学と加速器研究
• [学会発表] J-PARC MUSEにおける負ミュオン元素分析の現状と今後 (2020)
  • 著者名/発表者名: 反保元伸
  • 学会等名: 第10回ミュオン科学と加速器研究
• [学会発表] J-PARCにおけるミュオン研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 三宅康博
  • 学会等名: 負ミュオン元素戦略
  • 招待講演
• [学会発表] 正ミュオン、負ミュオン顕微鏡 (2020)
  • 著者名/発表者名: 三宅康博
  • 学会等名: 2019年度物質科学研究討論会
  • 招待講演
• [学会発表] 負ミュオンビームによる文理融合研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 三宅康博, 反保元伸, 竹下聡史, 下村浩一郎, 土居内翔伍, 橋本亜紀子, 齋藤努, 沓名貴彦, 久保謙哉, 二宮和彦
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] 負ミュオンビームによる文理融合研究「低エネルギー負ミュオンによる古銭分析」 (2020)
  • 著者名/発表者名: 反保元伸, 竹下聡史, 土居内翔伍, 橋本亜紀子, 齋藤努, 久保謙哉, 二宮和彦, 三宅康博
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] J-PARC Muon Facility, MUSE (2019)
  • 著者名/発表者名: 三宅康博
  • 学会等名: Institute for Basic Science, The 1st RAON Users Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Highly spin-polarized RI beams and the application to nuclear and condensed-matter physics (2019)
  • 著者名/発表者名: 上野秀樹
  • 学会等名: 新学術領域「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。」第1回領域全体会議
• [学会発表] Development of a flat-top RF acceleration cavity for negative muon microbeam production (2019)
  • 著者名/発表者名: 山崎高幸
  • 学会等名: 新学術領域「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。」第1回領域全体会議
• [学会発表] ミュオンによる産業利用の可能性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 三宅康博
  • 学会等名: 第4回J-PARC MLF産業利用報告会
  • 招待講演
• [学会発表] ミュオンとは！ーミュオンによる非破壊分析ー (2019)
  • 著者名/発表者名: 三宅康博
  • 学会等名: 第1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」
• [学会発表] 負ミュオン放射化分析法の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 土居内翔伍
  • 学会等名: 第1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」
• [学会発表] 負ミュオン顕微鏡の開発 超高感度な元素の顕微分析に向けて (2019)
  • 著者名/発表者名: 永谷幸則
  • 学会等名: 第1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」
• [学会発表] ミュオン分析法の特徴＠MUSE (2019)
  • 著者名/発表者名: 反保元伸
  • 学会等名: 第1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」
• [学会発表] 磁気センサー・ミュオンを用いた新たな非破壊検査法の提案 (2019)
  • 著者名/発表者名: 竹下聡史
  • 学会等名: 第1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」
• [学会発表] 超低速な負ミュオンビームの開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 名取寛顕
  • 学会等名: 第1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」
• [学会発表] 高分子における負ミュオンスピン緩和測定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 竹下聡史
  • 学会等名: 負ミュオンスピン緩和法研究会
• [学会発表] Ultra Slow Muon and Low Energy Muon (2019)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Miyake
  • 学会等名: THE 21ST INTERNATIONAL WORKSHOP ON NEUTRINOS FROM ACCELERATORS（NUFACT2019）
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of very slow negative muon beam in J-PARC (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Natori
  • 学会等名: THE 21ST INTERNATIONAL WORKSHOP ON NEUTRINOS FROM ACCELERATORS（NUFACT2019）
  • 国際学会
• [学会発表] Nuclear-physics research based on RI spin orientation technique (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Ueno
  • 学会等名: XXXVI Mazurian Lakes Conference on Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 走査負ミュオン顕微鏡の開発の現状 (2019)
  • 著者名/発表者名: 永谷幸則, Patrick Strasser, 名取寛顕, 三宅康博
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] J-PARC MLF MUSE Dラインにおける低バックグラウンド負ミュオンビーム調整 (2019)
  • 著者名/発表者名: 竹下聡史，梅垣いづみ，土居内翔伍，橋本亜紀子，久保謙哉，下村浩一郎，三宅康博
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] J-PARC MLFにおける低速負ミュオンの取り出しについて (2019)
  • 著者名/発表者名: 名取寛顕，三宅康博，下村浩一郎，Patrick Strasser，永谷幸則，竹下聡史，足立泰平
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] 核整列 RI ビームを用いたβ-NMR 測定法 (2019)
  • 著者名/発表者名: 上野秀樹
  • 学会等名: 新学術領域「クラスター階層」&「量子ビーム応用」合同検出器ワークショップ
• [学会発表] Ultra Slow Muon Generation and Its Application for Transmission Muon Microscopy at J-PARC Muon Facility, MUSE (2019)
  • 著者名/発表者名: 三宅康博
  • 学会等名: The 3rd J-PARC Symposium (J-PARC2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Effective Shielding for radiation derived from negative muon (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Takeshita, H. Okabe, A. Koda, M. Hiraishi, K.M. Kojima,R. Kadono, H. Seto, T. Masui, and N. Wakabayashi
  • 学会等名: The 3rd J-PARC Symposium (J-PARC2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Ultra-slow negative muon beam development in J-PARC (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Natori, Y. Miyake, N. Nagatani, P. Strasser, K. Shimomura, T. Yamazaki, T. Adachi
  • 学会等名: The 3rd J-PARC Symposium (J-PARC2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Molecular dynamics in rubber probed by muon spin relaxation (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Takeshita, P. Strasser, N. Kawamura, S. Doiuchi, A. Hashimoto,M. Tampo, I. Umegaki, K. Shimomura, and Y. Miyake
  • 学会等名: The 3rd J-PARC Symposium (J-PARC2019)
  • 国際学会
• [学会発表] 高分子材料のミュオンスピン緩和測定で何が見えるか (2019)
  • 著者名/発表者名: 竹下聡史
  • 学会等名: 高分子討論会併設シンポジウム「J-PARC物質・生命科学実験施設と高分子科学」
• [学会発表] 身近な素粒子ミュオンを用いた研究～文理融合の試み～ (2019)
  • 著者名/発表者名: 三宅康博
  • 学会等名: 量子放射線利用普及連絡協議会
  • 招待講演
• [学会発表] J-PARCにおける最近の負ミュオン研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 三宅康博
  • 学会等名: 第2回ハイドロジェノミクス研究会
  • 招待講演
• [学会発表] J-PARC Muon Facility, MUSE (2019)
  • 著者名/発表者名: 三宅 康博
  • 学会等名: University of Science and Technology of China 2nd muon source workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 量子ビームによる文理融合研究ーJ-PARCにおけるミュオン非破壊分析ー (2019)
  • 著者名/発表者名: 三宅康博
  • 学会等名: 第2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」
• [学会発表] J-PARC MUSEにおけるミュオン分析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 反保元伸
  • 学会等名: 第2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」
• [学会発表] 磁気センサーミュオンを用いた新たな非破壊検査法の検討 (2019)
  • 著者名/発表者名: 竹下聡史
  • 学会等名: 第2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」
• [備考] 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
• [備考] 第1回文理融合シンポジウム
  • URL: https://www2.kek.jp/imss/news/2019/topics/0727BunRi/
• [備考] 第2回文理融合シンポジウム
  • URL: https://www2.kek.jp/imss/news/2020/topics/1225BunRi2/