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2022 年度 実績報告書

有機無機ハイブリッド材料を用いた新規液体シンチレータの開発

研究課題

研究課題/領域番号 22J20552
配分区分補助金
研究機関東北大学

研究代表者

渡邊 晶斗  東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2022-04-22 – 2025-03-31
キーワードナノ粒子 / シンチレータ / 有機無機ハイブリッド / ニュートリノ / 波形弁別
研究実績の概要

本研究では、二重β崩壊探索実験の新規検出器開発に向けて、その二重β崩壊の放射線源となる96Zrを多量に装荷した液体シンチレータの開発を目的としている。当該線源の装荷手法としてはZrO2ナノ粒子の分散を案出し、亜/超臨界水熱プロセスによって表面に有機修飾が施されたZrO2ナノ粒子を合成することによって、液体シンチレータへの高濃度分散が可能なナノ粒子の多量合成プロセスの開発を行っている。特に本年度の研究においては、液体シンチレータの主成分となるトルエンへの、ナノ粒子の高濃度分散の達成のために、適切な有機修飾系を構築することに注力した。
古典的な溶媒/溶質系の熱力学パラメータに基づいて修飾有機分子を選定することにより、トルエンへのナノ粒子の分散が可能になることが示された。また、特に、分子鎖の長さの異なる修飾分子を混合して修飾することにより、この分散濃度が劇的に向上することが判明し、今年度までに1 wt%までのZr濃度を達成することに成功した。
一方で、ナノ粒子の凝集や未反応の修飾剤の残留等の課題も残されており、更なる合成プロセスの改善が要求される。しかし一方で、これらの課題はナノ粒子の分散性や液体シンチレータの性能に直結する因子であり、これらの改善に成功した際には、従来の化合物を溶解した系を大きく上回る線源の添加が実現することが予見される。
一方で、二重β崩壊探索実験においては、液体シンチレータの高感度化が実験の成否に大きく関連するとされており、そのためのバックグラウンドの除去技術の確率も重要視されている。そこで、上記とは別の、Liを装荷した液体シンチレータを用いて中性子の信号からγ線のバックグラウンドを除去する実験も並行して行った。励起分子の物理化学プロセスに着目して材料設計を行うことにより、中性子とγ線の信号を弁別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)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

ナノ粒子の分散について、当初予定していた濃度を達成することが出来たため。また、バックグラウンドの除去実験として並行していた、中性子とγ線の信号を弁別することにも成功したため。

今後の研究の推進方策

本年度に残された課題を基に合成プロセスの改善を進め、優れた光学特性を示すナノ粒子装荷液体シンチレータの開発を目指す。
また、ナノ粒子添加系で問題となる励起状態の無放射失活を抑制すべく、蛍光ナノ粒子や量子ドット系の開発にも着手する。

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 2件、 招待講演 2件)

  • [国際共同研究] Lund University(スウェーデン)

    • 国名
      スウェーデン
    • 外国機関名
      Lund University
  • [学会発表] サリチル酸6Li装荷液体シンチレータにおける三重項対消滅プロセスの熱中性子応答特性への影響2023

    • 著者名/発表者名
      渡邊晶斗、越水正典、渡辺賢一、佐藤敦史、藤本裕、浅井圭介
    • 学会等名
      応用物理学会 極限的励起状態の形成と量子エネルギー変換研究グループ 第9回研究会(兼 第25回次世代先端光科学研究会)
  • [学会発表] ナノ粒子装荷有機シンチレータの開発に向けた有機修飾ZrO2ナノ粒子の合成2023

    • 著者名/発表者名
      渡邊晶斗、越水正典、横哲、成基明、笘居高明、阿尻雅文、林大和、藤本裕、浅井圭介
    • 学会等名
      日本セラミックス協会2023年会
  • [学会発表] ナノ粒子装荷有機シンチレータの開発に向けたZrO2ナノ粒子の表面修飾の研究2023

    • 著者名/発表者名
      渡邊晶斗、越水正典、横哲、成基明、笘居高明、阿尻雅文、林大和、藤本裕、浅井圭介
    • 学会等名
      第 70回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 中性子検出用6Li装荷液体シンチレータの開発2023

    • 著者名/発表者名
      渡邊 晶斗、越水 正典、渡辺 賢一、佐藤 敦史、藤本 裕、浅井 圭介
    • 学会等名
      第 70回応用物理学会春季学術講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] ナノマテリアルを用いたシンチレーション材料の開発および大学での研究2023

    • 著者名/発表者名
      渡邊晶斗
    • 学会等名
      第17回日本セラミックス協会MFD研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] 凝集有機発光特性を有するテトラフェニルエチレン結晶の光学およびシンチレーション特性2022

    • 著者名/発表者名
      渡邊 晶斗、越水 正典、藤本 裕、浅井 圭介
    • 学会等名
      応用物理学会 極限的励起状態の形成と量子エネルギー変換研究グループ 第6回研究会(兼 第22回次世代先端光科学研究会)
  • [学会発表] Development of an organic liquid scintillator loaded with organic-inorganic hybrid ZrO2 nanoparticles for detection of neutrinoless double β decay2022

    • 著者名/発表者名
      Akito Watanabe, Masanori Koshimizu, Akira Yoko, Gimyeong Seong, Takaaki Tomai, Tadafumi Adschiri, Yamato Hayashi, Yutaka Fujimoto, Keisuke Asai
    • 学会等名
      化学系学協会東北大会
  • [学会発表] 液体シンチレータへの高濃度装荷を企図した二種分子修飾ZrO2ナノ粒子の合成および修飾分子の探索2022

    • 著者名/発表者名
      渡邊晶斗、越水正典、横哲、成基明、笘居高明、阿尻雅文、林大和、藤本裕、浅井圭介
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 中性子検出用6Li装荷液体シンチレータの開発2022

    • 著者名/発表者名
      渡邊 晶斗、越水 正典、渡辺 賢一、佐藤 敦史、藤本 裕、浅井 圭介
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 二重β崩壊探索実験への応用を企図した有機修飾ZrO2ナノ粒子装荷液体シンチレータの開発2022

    • 著者名/発表者名
      渡邊晶斗、越水正典、横哲、成基明、笘居高明、阿尻雅文、林大和、藤本裕、浅井圭介
    • 学会等名
      第37回 研究会「放射線検出器とその応用」
  • [学会発表] Development of an Organic Liquid Scintillator Loaded with Organic-Inorganic Hybrid Nanoparticles2022

    • 著者名/発表者名
      Akito Watanabe, Masanori Koshimizu, Akira Yoko, Seong Gimyeong, Takaaki Tomai, Tadafumi Adschiri, Yamato Hayashi, Yutaka Fujimoto, Keisuke Asai
    • 学会等名
      2022 Tohoku University Chemistry Summer School
    • 国際学会
  • [学会発表] Optical and scintillation properties of a tetraphenylethylene crystal exhibiting aggregation-induced emission2022

    • 著者名/発表者名
      Akito Watanabe, Masanori Koshimizu, Yutaka Fujimoto, Keiuske Asai
    • 学会等名
      The 6th International Conference on the Physics of Optical Materials and Devices (ICOM2022) AND The 5th International Workshop of Persistent and Photostimulable Phosphors (IWPPP-5)
    • 国際学会

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公開日: 2023-12-25  

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