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2023 年度 実施状況報告書

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 22KJ0291
配分区分基金
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) 2023-03-08 – 2025-03-31
キーワード液体シンチレータ / 微粒子分散 / ZrO2 / 界面制御
研究実績の概要

ニュートリノ実験用の新規検出器開発に向けて、高発光量・高濃度金属装荷の両立した金属装荷型液体シンチレータの開発を進めている。
本研究では、96Zrから生じるとされているニュートリノを伴わない二重β崩壊の信号を実効的な感度で検出しうる検出器を開発すべく、Zrを多量に添加した液体シンチレータの創出を試みている。特に、添加手法としてZrO2ナノ粒子の分散を試みており、亜臨界水熱法による表面修飾ZrO2ナノ粒子の合成を行っている。
ナノ粒子の単分散のためには、粒子-液相界面に存在する表面修飾層の精密な制御が重要となる。近年の研究において、修飾層における有機分子の構造化が修飾分子-溶媒分子間の分子間相互作用を弱め、ナノ粒子の分散性を低下させている可能性が指摘されている。そこで本年度までの研究では、炭素鎖の長さが異なる2種類の芳香族カルボン酸分子を用いて表面修飾を行うことで、この構造化を回避し、ナノ粒子分散濃度を向上させることを試みた。3フェニルプロピオン酸および6フェニルヘキサン酸の二つの芳香族カルボン酸を混合し、表面修飾を行うことにより、分散濃度を大幅に向上させることに成功し、現状で2.11 wt%のZrをシンチレータ中に導入することに成功した。また、HPLC分析によって、ナノ粒子表面への2種の分子の吸着が成されたことが認められた。この際、修飾分子の混合はナノ粒子の粒径や表面修飾密度に影響を与えず、分散濃度のみを向上させたことから、本研究の分散濃度の向上が、混合修飾の効果によるものであることが示唆される。
並行して金属塩であるサリチル酸リチウムを用いたLi装荷液体シンチレータの開発も行った。この際、励起状態の無放射失活を極小化しうるような材料系の探索を行うことにより、3970 photons/neutronという高い発光量を示す中性子シンチレータの開発にも成功した。

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

当初の計画では、ZrO2に発光機能を付与する予定であった。しかし、発光性ナノ粒子の導入がシンチレータの発光効率の向上に必ずしも寄与しないような挙動も観測されつつあり、当計画の有効性が疑問視されたため、当該実験は行わなかった。しかし、代わりにLi装荷液体シンチレータを対象とした組成最適化の実験に注力することで、高効率発光を示す材料を設計するという目標は達成することができ、また、Zrの添加濃度についても本研究の目標であった2 wt%以上という値を達成することができたため、おおむね順調に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

合成・洗浄プロセスの検討を行うことで、更なる液体シンチレータの性能向上を目指す。この際、ナノ粒子の量産化を見越せるようなプロセスの開発も視野に入れつつ、研究を推進していく。

次年度使用額が生じた理由

次年度使用額は、本年度計画されていた、ナノ粒子への発光中心の導入実験の中止に伴い生じた未使用額である。
次年度は、当初予定していた流通式合成プロセスの開発に加え、洗浄プロセスの改善や出発物質の検討による合成プロセスの改善も行う。

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 5件)

  • [雑誌論文] Scintillation properties and neutron/gamma discrimination of lithium-6 salicylate-loaded liquid scintillators2024

    • 著者名/発表者名
      Akito Watanabe, Masanori Koshimizu, Kenichi Watanabe, Atsushi Sato, Yutaka Fujimoto, Keisuke Asai
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 26 ページ: 9329-9339

    • DOI

      10.1039/d4cp00042k

    • 査読あり
  • [学会発表] 二種分子表面修飾によるZrO2ナノ粒子の有機液体シンチレータへの高濃度添加2024

    • 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2024年会
  • [学会発表] Zr装荷液体シンチレータの高発光量化に向けたZrO2ナノ粒子洗浄プロセスの検討2024

    • 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 71回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] ZrO2ナノ粒子の動的界面制御による液体シンチレータへの Zr の高濃度装荷2024

    • 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19回日本セラミックス協会マテリアル・ファブリケーション&プロダクション・デザイン研究会
  • [学会発表] Development of Bi2O3 Nanoparticle-loaded Plastic Scintillators Based on 9-Polyvinyl Carbazole2024

    • 著者名/発表者名
      Masanori Koshimizu, Shunsuke Komatsuzaki, Akito Watanabe, Atsushi Sato, Akira Yoko, Gimyeong Seong, Takaaki Tomai, Tadafumi Adschiri, Yutaka Fujimoto, Keisuke Asai
    • 学会等名
      48th International Conference and Expo on Advanced Ceramics and Composites (ICACC2024)
    • 国際学会
  • [学会発表] ナノ分散シンチレータの実現に向けた有機修飾ZrO2ナノ粒子の合成と動的界面制御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
      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12回研究会(兼 第28回次世代先端光科学研究会)
  • [学会発表] SrMoO4ナノ粒子分散系のシンチレーション検出器への応用検討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84回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] ZrO2ナノ粒子装荷液体シンチレータにおける遊離修飾分子洗浄プロセスの検討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
      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13回研究会(兼 第29回次世代先端光科学研究会)
  • [学会発表] Influence of triplet-triplet annihilation in 6Li-loaded liquid scintillators2023

    • 著者名/発表者名
      Akito Watanabe, Masanori Koshimizu, Kenichi Watanabe, Atsushi Sato, Yutaka Fujimoto, Keisuke Asai
    • 学会等名
      20th International Conference on Luminescence (ICL2023)
    • 国際学会
  • [学会発表] Hydrothermal synthesis of surface modified-ZrO2 nanoparticles for scintillation detector applications2023

    • 著者名/発表者名
      A. Watanabe, M. Koshimizu, A. Yoko, G. Seong, T. Tomai, T. Adschiri, Y. Hayashi, Y. Fujimoto, K. Asai
    • 学会等名
      8th International Solvothermal and Hydrothermal Association Conference (ISHA2023)
    • 国際学会
  • [学会発表] Development 6LiSal-Loaded Liquid Scintillators for High Sensitivity Neutron Detection2023

    • 著者名/発表者名
      Akito Watanabe, Masanori Koshimizu, Kenichi Watanabe, Atsushi Sato, Yutaka Fujimoto, Keisuke Asai
    • 学会等名
      The 30th International Display Workshops (IDW23)
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of PVK-Based Plastic Scintillators Loaded with Bi2O3 Nanoparticles2023

    • 著者名/発表者名
      Masanori Koshimizu, Shunsuke Komatsuzaki, Akito Watanabe, Atsushi Sato, Akira Yoko, Gimyeong Seong, Takaaki Tomai, Tadafumi Adschiri, Shunji Kishimoto, Yutaka Fujimoto, Keisuke Asai
    • 学会等名
      The 2023 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference
    • 国際学会

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公開日: 2024-12-25  

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