| 研究課題/領域番号 |
20K20561
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| 研究機関 | 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構 |
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研究代表者 |
浅井 雅人 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究主幹 (20343931)
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| 研究期間 (年度) |
2020-07-30 – 2025-03-31
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| キーワード | 超重元素 / イオン化エネルギー / 吸着エンタルピー / 荷電変換 / フレロビウム |
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| 研究実績の概要 |
周期表第7周期の末端に位置する112～118番元素では、強い相対論効果とスピン軌道相互作用の影響で、化学結合に関与する価電子軌道のエネルギーが大きく変化し、軽い元素では決して見られない超重元素特有の化学結合の発現が期待される。本研究は、これらの特異な電子配置と化学特性を112～116番元素のイオン化エネルギー測定と吸着エンタルピー測定から実験的に明らかにすることを目的とする。そのため、生成量が少なく半減期が極めて短い112～116番元素に適用可能な新しい実験手法の開発を行う。
令和3～4年度に、イオンビーム荷電変換法を用いたイオン化エネルギー測定法の開発の予備実験を進め、核反応で生成した短寿命Bi, Fr, Ra, Ac等原子核を既存の表面電離イオン源を用いてイオンビームとして引き出し、Heガス中に打ち込んで停止したイオンをRFイオンガイド法により引き出し、イオンの価数分布を測定する実験に成功した。更にHeガスに少量の不純物ガスを導入し、価数分布のイオン化エネルギー依存性を調べた。また、重アクチノイド元素Es, Fm, Mdの低速イオンビーム生成実験を行い、イオンビーム量の評価を行った。これらの実験により、超重元素を模擬した短寿命同位体ビームを用いた荷電交換反応の測定、RFイオンガイド法による短寿命核イオンの引き出し、価数分布の変化のイオン化エネルギー依存性などを実証し、今後の超重元素用荷電変換装置の製作やRFイオンガイド式超重元素引き出し装置の製作に重要な指針を与える成果を得た。
超重元素の吸着エンタルピー測定では、ドイツ重イオン研究所（GSI）との共同研究で114番元素Flのガスクロマトグラフィー実験の論文を出版し、Flが極めて揮発性の高い金属元素であることを明らかにした。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
当初の予定では令和2年度にRFイオンガイド式オフラインイオン源を製作し、令和3年度にイオンビーム荷電変換装置を製作して、令和4年度にかけて荷電変換法によるイオン化エネルギー測定法の開発試験を実施、同時に吸着エンタルピー測定用クロマトグラフィー・測定装置の製作をする計画であった。RFイオンガイド式オフラインイオン源については、グループ内で同様のRFイオンガイド装置の開発が進んでおり、また別方式の電子衝撃型イオン源の開発も進めていることから、それらで代替しつつ改めて最適なイオン源の設計を進めている。イオンビーム荷電変換装置に関しては、既存の実験装置を利用して先行して荷電変換試験を実施しており、短寿命核ビームを用いた価数分布測定に成功し、価数分布のイオン化エネルギー依存性に関するデータの取得にも成功した。一方で、超重元素のイオン化エネルギー測定に適用できるイオンビーム荷電変換装置の製作については、上記の荷電変換試験を優先したため、製作が遅れている。超重元素の吸着エンタルピー測定については、GSIとの共同研究で実施した成果として114番元素Flのガスクロマトグラフィー実験の論文を出版し、Flが極めて揮発性の高い金属元素であることを明らかにした。この成果は本研究の目的である112～116番元素の特異な電子配置と化学特性の解明に繋がる直接的な実験成果であり、大きな進展である。一方で、112, 113, 115, 116番元素にも適用できるより高性能のクロマトグラフィー・測定装置の製作は遅れている。GSIとの共同研究で超重元素引き出し装置とクロマトグラフィー・測定装置の設計に関する情報を収集しており、それらの情報を基に装置の設計を進めている。
荷電変換測定やFlの吸着エンタルピー測定などの重要な成果は出ているが、実験装置の製作が遅れているため、全体として研究はやや遅れていると判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和5年度は、これまでの既存のイオン源及び荷電変換装置を利用した低速短寿命核ビーム生成及び荷電変換試験の結果を踏まえたうえで、改めて新型オフラインイオン源及びイオンビーム荷電変換装置の設計製作を進め、超重元素と同族のHg, Tl, Pb, Bi, Po, Rn等のイオンビーム荷電変換実験を実施する。また吸着エンタルピー測定のためのクロマトグラフィー・測定装置の開発も進め、実験装置を製作する。令和6年度は、開発したイオンビーム荷電変換装置並びにクロマトグラフィー・測定装置を超重元素生成装置に結合するための、超重元素ビーム引き出し電極の製作をおこない、104番元素Rfのイオン化エネルギー測定実験の準備を完了する。
更にこれらの開発実験に必要な、短寿命同位体ビーム生成法の開発、超重元素測定用検出器の開発、超重元素の生成や測定に必要な核反応機構や崩壊様式等に関する研究、イオン化エネルギー及び吸着エンタルピー測定に関する関連研究を随時実施する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
令和4年度に製作予定だったRFイオンガイド式オフラインイオン源については、グループ内で同様のRFイオンガイド装置の開発が進んでおり、また別方式の電子衝撃型イオン源の開発も進めていることから、それらで代替しつつ実験を進め、改めて最適なイオン源の設計検討を進めている。また、イオンビーム荷電変換装置に関しては、既存の実験装置を利用して先行して荷電変換試験を実施しており、それらの結果を受けて超重元素に適用できる荷電変換装置の設計を進めている。吸着エンタルピー測定のためのクロマトグラフィー・測定装置は、検出器の開発試験などは実施しているが、GSIとの共同研究で得た情報などを基に改めて設計を再検討している。よって、これらの製作予算を次年度へ繰り越し、次年度に執行することとした。また今年度もコロナの影響で学会や国際会議が少なかったため、旅費の使用も少なかった。次年度は国際会議なども多く開催されるため、それらの参加費や旅費にも使用していく計画である。
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