最先端負ミュオンビーム開発

2020 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) ; 原 正憲 富山大学, 学術研究部理学系, 准教授 (00334714) ; 波多野 雄治 富山大学, 学術研究部理学系, 教授 (80218487)
• 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

本年度、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設計を完了させ、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ち、入手、貯蔵、使用、廃棄に関わる具体的なトリチウム使用手順を策定し、トリチウム使用の許可申請の準備を進めたが、12月、J-PARC首脳部により、他の実験の許認可申請との干渉を避けるため、少なくとも今後４年間はトリチウム使用許可の申請を認めない事が決定された。この決定を受け、トリチウムを用いない摩擦冷却を主とする手法へと大きく方針を転換する事となった。新しい手法は、従来は平面形状であった摩擦冷却薄膜の代わりに曲面形状の薄膜を用いることにより、エネルギーの冷却に加え、従来の摩擦冷却手法では出来なかった空間方向のビーム冷却も併せて可能とするものである。トリチウムを使用する方法には及ばないものの、数10μｍへの微小収束に向けた装置設計を行った。特に、曲面冷却膜の具体的な製造方法に関して複数の方法を検討し、初段に用い大口径の曲面冷却膜には水面転写法を、終段の精密小口径の曲面冷却膜にはシリコン微細加工プロセスを用いる事が可能との知見を得て、装置製造の準備を進めた。また、トリチウムを使用せず重水素のみを使用したミュオン触媒核融合実験の装置も開発した。これらの開発において、同軸輸送管が負ミュオンを含む低速の荷電粒子を効率的に輸送する事を見出し、国内特許を出願した。負ミュオンビームの高度化の成果としては、人工ミュオンビームによるミュオン透過CTイメージングに成功した。

現在までの達成度 (区分)

4: 遅れている

理由

トリチウムを使用した負ミュオンビームのビーム冷却装置の設計を進め、毎秒10個の負ミュオンビームを直径10μｍに収束させる装置の開発に目途が立った。併せてJ-PARC内でのトリチウム許可申請の準備を、J-PARC内の放射線安全の関係者に加え、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、波多野雄治氏の助力も得て進めてきたが、12月、J-PARC首脳部により、J-PARCで進められている他の実験の原子力規制庁への放射線関係の許認可申請との干渉を避けるため、少なくとも今後４年間はトリチウム使用許可の申請を認めない事が決定された。このため、トリチウム使用実験を断念せざるを得なくなり、これまでの準備とは全く異なる摩擦冷却を主体とするビーム冷却技術の開発へと大きく方針転換する事となった。
負ミュオンビームの高度化の成果としては、人工ミュオンビームを用いたミュオン透過によるCTイメージングに成功した。

今後の研究の推進方策

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うえで、分解能が数10μｍの走査負ミュオン顕微鏡を実現させる。減速膜による高エネルギー負ミュオンの減速、同軸輸送管を用いた、低速化した負ミュオンの収集、曲面摩擦冷却による負ミュオンビームの冷却を組み合わせ、目標分解能の走査負ミュオン顕微鏡を開発する。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。曲面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、最重要要素技術である、湾曲炭素薄膜に関して、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、これまでにない新しい摩擦冷却装置を開発する。また、負ミュオンビームの高度化として、負ミュオンビームによる透過イメージング実験も併せて実施する。

研究成果

• [雑誌論文] A novel challenge of nondestructive analysis on OGATA Koan’s sealed medicine by muonic X-ray analysis (2021)
  • 著者名/発表者名: Shimada-Takaura Kayoko、Ninomiya Kazuhiko、Sato Akira、Ueda Naomi、Tampo Motonobu、Takeshita Soshi、Umegaki Izumi、Miyake Yasuhiro、Takahashi Kyoko
  • 雑誌名: Journal of Natural Medicines 巻: - ページ: 01487(1-8)
  • DOI: 10.1007/s11418-021-01487-0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 文化財への応用が期待される量子ビームを用いた非破壊分析技術「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」 (2021)
  • 著者名/発表者名: 三宅康博
  • 雑誌名: 金属 巻: 91,3 ページ: 235-242
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nondestructive High-Sensitivity Detections of Metallic Lithium Deposited on a Battery Anode Using Muonic X-rays (2020)
  • 著者名/発表者名: Umegaki Izumi、Higuchi Yuki、Kondo Yasuhito、Ninomiya Kazuhiko、Takeshita Soshi、Tampo Motonobu、Nakano Hiroyuki、Oka Hideaki、Sugiyama Jun、Kubo Michael K.、Miyake Yasuhiro
  • 雑誌名: Analytical Chemistry 巻: 92 ページ: 8194～8200
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.0c00370
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Impact of the Angle of Incidence on Negative Muon-Induced SEU Cross Sections of 65-nm Bulk and FDSOI SRAMs (2020)
  • 著者名/発表者名: Liao Wang、Hashimoto Masanori、Manabe Seiya、Watanabe Yukinobu、Abe Shin-ichiro、Tampo Motonobu、Takeshita Soshi、Miyake Yasuhiro
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Nuclear Science 巻: 67 ページ: 1566～1572
  • DOI: 10.1109/TNS.2020.2976125
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] X-ray Spectroscopy of Muonic Atoms Isolated in Vacuum with Transition Edge Sensors (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Okada, T. Azuma, D. A. Bennett, …M. Katsuragawa ,N. Kawamura,Y. Kino ,Y. Miyake ,K. M. Morgan,K. Ninomiya ,H. Noda ,G. C. O’Neil , T. Okumura , C. D. Reintsema ,D. R. Schmidt ,K. Shimomura, P. Strasser ,D. S. Swetz , T. Takahashi ,S. Takeda, S. Takeshita, H. Tatsuno , Y. Ueno , J. N. Ullom , S. Watanabe ,S. Yamada
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 200 ページ: 445～451
  • DOI: 10.1007/s10909-020-02476-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Optical imaging of muons (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Seiichi、Ninomiya Kazuhiko、Kawamura Naritoshi、Hirano Yoshiyuki
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 ページ: 20790（1-11）
  • DOI: 10.1038/s41598-020-76652-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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] Position distribution calculation of annihilation radiations and bremsstrahlung x rays in water during irradiation of positive muons: a Monte Carlo simulation study (2020)
  • 著者名/発表者名: Hirano Yoshiyuki、Yamamoto Seiichi、Kawamura Naritoshi、Ninomiya Kazuhiko
  • 雑誌名: Physica Scripta 巻: 96 ページ: 025302～025302
  • DOI: 10.1088/1402-4896/abcf65
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] J-PARC Muon Facility, MUSE (2020)
  • 著者名/発表者名: MIYAKE Yasuhiro
  • 雑誌名: Journal of Computer Chemistry, Japan 巻: 19 ページ: A12～A18
  • DOI: 10.2477/jccj.2020-0016
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] J-PARCにおけるミュオン非破壊分析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 三宅康博
  • 学会等名: 第４回文理融合シンポジウム
• [学会発表] 負ミュオンX線新型分析システムの構築 (2021)
  • 著者名/発表者名: 反保元伸
  • 学会等名: 第４回文理融合シンポジウム
• [学会発表] 多素子Ge検出器用データ収集システム (2021)
  • 著者名/発表者名: 竹下聡史
  • 学会等名: 第４回文理融合シンポジウム
• [学会発表] 走査ミュオン顕微鏡の生物・考古学および産業への展開 (2021)
  • 著者名/発表者名: 永谷幸則
  • 学会等名: 第４回文理融合シンポジウム
• [学会発表] ミュオンビームで歴史を探る (2021)
  • 著者名/発表者名: 三宅康博
  • 学会等名: SATテクノロジー・ショーケース2021
• [学会発表] Integration of arts and sciences by using negative muon non-destructive analysis at J-PARC MUSE (2021)
  • 著者名/発表者名: Y.Miyake
  • 学会等名: 日本鉄鋼協会 第181回春季講演大会国際セッション
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ミュオンビームライン増設 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山崎高幸
  • 学会等名: 2020 年度 MLF シンポジウム
• [学会発表] J-PARC MLF 大強度ミュオンビームで探る基礎物理 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山崎高幸
  • 学会等名: 日本物学会第 76 回年次大会
• [学会発表] 負ミュオンマイクロビーム生成のためのフラットトップ高周波加速空洞 の開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 山崎高幸
  • 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．新たな応用への架け橋。」 第 2 回領域全体会議
• [学会発表] ミュオンマイクロビーム生成のためのフラットトップ RF 空洞の開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 山崎高幸 他
  • 学会等名: 第 17 回日本加速器学会年会
• [学会発表] 負ミュオンを用いた非破壊による丁銀の深さ方向分析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 齋藤努,竹下聡史,反保元伸,土居内翔伍,橋本亜紀子,梅垣いづみ,二宮和彦,三宅康博
  • 学会等名: 日本文化財科学会第37回大会
• [学会発表] 走査負ミュオン顕微鏡の基礎技術 (2020)
  • 著者名/発表者名: 永谷幸則, Patric Strasser, 名取寛顕, 三宅康博
  • 学会等名: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [学会発表] J-PARC MLF MUSE Dラインにおけるビームパラメータ測定 (2020)
  • 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，反保元伸，下村浩一郎，三宅康博
  • 学会等名: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [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 2020年秋季大会
• [学会発表] J-PARCにおけるミュオン非破壊分析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 三宅康博
  • 学会等名: 第3回文理融合シンポジウム
• [学会発表] ミュオンによる試料の酸化状態分析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 二宮和彦
  • 学会等名: 第3回文理融合シンポジウム
• [学会発表] ミュオン元素分析の基礎と応用 (2020)
  • 著者名/発表者名: 反保元伸
  • 学会等名: 第3回文理融合シンポジウム
• [学会発表] 多素子Ge検出器の導入 ～効率的な元素分析に向けて～ (2020)
  • 著者名/発表者名: 土居内翔伍,反保元伸,竹下聡史
  • 学会等名: 第3回文理融合シンポジウム
• [学会発表] J-PARC Muon Facility, MUSE (2020)
  • 著者名/発表者名: 三宅康博
  • 学会等名: 錯体化学会 第70回討論会
  • 招待講演
• [学会発表] Scanning negative muon microscopy by muon-catalyzed fusion using tritium (2020)
  • 著者名/発表者名: Y.Nagatani
  • 学会等名: 3rd Asia Pacific Symposium on Tritium Science (APSOT-3)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A new plan to construct a tritium treating place inside an accelerator facility, J-PARC (2020)
  • 著者名/発表者名: H. Natori
  • 学会等名: 3rd Asia Pacific Symposium on Tritium Science (APSOT-3)
  • 国際学会
• [学会発表] 正負ミュオンによる高分子のμSR (2020)
  • 著者名/発表者名: 竹下聡史
  • 学会等名: ミュオン科学研究会「ソフトマター・ミュオニウム・強相関電子系におけるミュオンサイエンスの進展」
• [学会発表] ミュオンで物質内部を見る (2020)
  • 著者名/発表者名: 三宅康博
  • 学会等名: 第63回放射線化学討論会
  • 招待講演
• [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3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
  • URL: https://www2.kek.jp/imss/msl/2020/07/3.html
• [備考] 第4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
  • URL: https://www2.kek.jp/imss/msl/2020/12/4.html
• [産業財産権] 荷電粒子輸送装置 (2020)
  • 発明者名: 永谷幸則 他
  • 権利者名: 永谷幸則 他
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2020-178286