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2020 年度 実施状況報告書

イオンと分子の反応を利用したトリウム229核異性体の電子架橋遷移の観測

研究課題

研究課題/領域番号 20K14500
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

重河 優大  国立研究開発法人理化学研究所, 仁科加速器科学研究センター, 基礎科学特別研究員 (60845626)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
キーワードトリウム229 / 電子架橋遷移 / 核異性体 / イオントラップ / RFカーペット / ガスセル / イオン分子反応
研究実績の概要

Th-229mはTh-229原子核の第一励起準位であり,8 eV程度という極端に低い励起エネルギーを持つ.そのため、Thの電子状態によっては、γ線放出過程や内部転換過程よりも高次の壊変過程である電子架橋遷移(電子遷移を介したγ線放出過程)が観測される可能性がある。特に電子架橋遷移が起こる確率が高いと考えられているのが1価のTh-229mイオンである。本研究では、イオントラップ中で2価のTh-229mイオンと分子を反応させるという手法を用いて、1価のTh-229mイオンを生成・制御し、電子架橋遷移を世界で初めて明確に観測することを目指す。
2020年度は、U-233線源からα壊変の反跳エネルギー(84 keV)で飛び出してくるTh-229mイオンを低速イオンビーム(数eV)として高真空中に引き出すために、RFカーペットガスセル装置を設計・製作した。Th-229mイオンは、Heガスとの衝突によって減速し、DC電圧勾配によってRFカーペットまで運ばれ、RF電圧によってRFカーペットの中心の穴まで運搬される。その後、四重極イオンガイドによって高真空中へと運搬される。Th-229mイオンの中性化の原因となるHeガスセル内の不純物を低減するため、高温真空ベーキングが可能なチャンバーを製作した。Csイオン源から放出されるイオンを用いて、製作したガスセル装置の性能評価を実施し、数10%程度の効率でCsイオンを高真空中へ引き出せることを確認した。
一方、電着法による大型(直径90 mm)のU-233線源の開発も実施した。U-233中のTh-229mの飛程は10 nm程度と短いため、Th-229mの量を稼ぐためにはできるだけ大型の線源を作製する必要があった。今回、種々の条件を最適化することで、100%近い効率で600 kBq程度のU-233大型線源を製作することに成功した。

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

RFカーペットガスセル装置の開発と、大型かつ高放射能量のU-233線源の開発に成功したため。 U-233線源をRFカーペットガスセル装置内に設置することで、毎秒数100個程度の2価のTh-229mイオンを低速イオンビームとして高真空中に引き出し、イオントラップへ導入できると期待される。

今後の研究の推進方策

2021年度は、2価のTh-229mイオンをトラップするイオントラップとそれをガスと反応させるための反応ガスセルを設計・製作する。Csイオン源から放出されたCsイオンをトラップすることで、イオントラップのRF・DC電圧等の核種条件を最適化し、イオンを1秒程度ロスなくトラップすることを目指す。また、ガスセルにNOやO2等のガスを導入し、イオントラップに捕捉したCsイオンと反応させることで、反応ガスセル内での化学反応をテストする。その際、イオントラップとMCPイオン検出器の間に四重極質量分離器を設置し、質量分離によってイオンが化学反応したかどうかを調べる。その後、RFカーペットガスセル内にU-233線源を設置し、2価のTh-229mイオンの引き出しとイオントラップを試みる。そして、反応ガスセル内にNOガスを導入し、電荷交換反応によって1価のTh-229mイオンを生成する。トラップ時間と1価のTh-229mイオンの生成時間の関係から、1価のTh-229mイオンの半減期を決定する。その後、イオントラップの傍に光電子増倍管を設置し、電子架橋遷移によって発生する光子の観測を目指す。

次年度使用額が生じた理由

イオントラップに関係した部品の設計や必要な物品の選定が完了していなかったため。次年度は、早急に設計と物品選定を完了し、必要物品の購入を進める予定である。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (7件) (うち国際共著 1件、 査読あり 7件) 学会発表 (2件)

  • [雑誌論文] Co-precipitation behaviour of single atoms of rutherfordium in basic solutions2021

    • 著者名/発表者名
      Kasamatsu Yoshitaka、Toyomura Keigo、Haba Hiromitsu、Yokokita Takuya、Shigekawa Yudai、Kino Aiko、Yasuda Yuki、Komori Yukiko、Kanaya Jumpei、Huang Minghui、Murakami Masashi、Kikunaga Hidetoshi、Watanabe Eisuke、Yoshimura Takashi、Morita Kosuke、Mitsugashira Toshiaki、Takamiya Koichi、Ohtsuki Tsutomu、Shinohara Atsushi
    • 雑誌名

      Nature Chemistry

      巻: 13 ページ: 226~230

    • DOI

      10.1038/s41557-020-00634-6

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Absolute X-ray energy measurement using a high-accuracy angle encoder2021

    • 著者名/発表者名
      Masuda Takahiko、Watanabe Tsukasa、Beeks Kjeld、Fujimoto Hiroyuki、Hiraki Takahiro、Kaino Hiroyuki、Kitao Shinji、Miyamoto Yuki、Okai Koichi、Sasao Noboru、Seto Makoto、Schumm Thorsten、Shigekawa Yudai、Tamasaku Kenji、Uetake Satoshi、Yamaguchi Atsushi、Yoda Yoshitaka、Yoshimi Akihiro、Yoshimura Koji
    • 雑誌名

      Journal of Synchrotron Radiation

      巻: 28 ページ: 111~119

    • DOI

      10.1107/S1600577520014526

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Development of a retarding-field type magnetic bottle spectrometer for studying the internal-conversion process of 235mU2020

    • 著者名/発表者名
      Shigekawa Y.、Kasamatsu Y.、Yamakita Y.、Yasuda Y.、Watanabe E.、Kondo N.、Haba H.、Shinohara A.
    • 雑誌名

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment

      巻: 976 ページ: 164207~164207

    • DOI

      10.1016/j.nima.2020.164207

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Half-life determination of nuclear excited states of 229Th by the coincidence measurement between α particles and γ rays from 233U2020

    • 著者名/発表者名
      Y. Shigekawa, A. Yamaguchi, K. Suzuki, H. Haba, T. Hiraki, H. Kikunaga, T. Masuda, S. Nishimura, N. Sasao, A. Yoshimi, and K. Yoshimura
    • 雑誌名

      RIKEN Accel. Prog. Rep.

      巻: 53 ページ: 51~51

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Development of an RF-carpet gas cell for the chemistry of superheavy elements2020

    • 著者名/発表者名
      Y. Shigekawa, A. Yamaguchi, N. Sato, A. Takamine, M. Wada, and H. Haba
    • 雑誌名

      RIKEN Accel. Prog. Rep.

      巻: 53 ページ: 168~168

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Solvent Extraction of Zr and Hf from HCl by Aliquat 336 using a Flow-Type Extraction Apparatus Toward Online Chemical Studies of Element 104, Rutherfordium2020

    • 著者名/発表者名
      Kasamatsu Yoshitaka、Kondo Narumi、Nakamura Kouhei、Kuboki Yuki、Ninomiya Hidemi、Shigekawa Yudai、Watanabe Eisuke、Yasuda Yuki、Toyomura Keigo、Nagase Masahiro、Yokokita Takuya、Komori Yukiko、Haba Hiromitsu、Yoshimura Takashi、Itabashi Hideyuki、Shinohara Atsushi
    • 雑誌名

      Solvent Extraction and Ion Exchange

      巻: 38 ページ: 318~327

    • DOI

      10.1080/07366299.2020.1726075

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Production of Bh266 in the Cm248(Na23,5n)Bh266 reaction and its decay properties2020

    • 著者名/発表者名
      Haba H.他(Shigekawa Y. 19番目)
    • 雑誌名

      Physical Review C

      巻: 102 ページ: 024625~024625

    • DOI

      10.1103/PhysRevC.102.024625

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] U-233のα-γ同時計数測定によるTh-229の原子核励起状態の半減期の決定2020

    • 著者名/発表者名
      重河優大, 山口敦史, 鈴木健太, 羽場宏光, 平木貴宏, 菊永英寿, 西村俊二, 笹尾登, 吉見彰洋, 吉村浩司
    • 学会等名
      日本放射化学会第64回討論会(2020)
  • [学会発表] 核化学研究用高周波イオン収集システムの開発2020

    • 著者名/発表者名
      重河優大, 山口敦史, 佐藤望, 高峰愛子, 和田道治, 羽場宏光
    • 学会等名
      日本放射化学会第64回討論会(2020)

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公開日: 2021-12-27  

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