実用表面材料開発研究のための高効率な全反射高速陽電子回折実験システムの開発

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H03745
• 配分区分: 補助金
• 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: 和田 健 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, 准教授 (10401209)
• 研究分担者: 望月 出海 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, 助教 (30579058) ; 兵頭 俊夫 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, 協力研究員 (90012484)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: 表面 / 陽電子回折 / 低速陽電子ビーム

研究実績の概要

陽電子は反粒子のため十分なビーム強度を得るのが困難で全反射高速陽電子回折(TRHEPD，トレプト)法等の実験では測定に時間がかかり，これが様々な材料研究におけるボトルネックとなっている。より高強度ビームでの実験を可能にするため，磁場によって輸送した低速陽電子ビームを非磁場領域にビームを引出してから減速材 (リモデレータ) に高効率にビームを収束するシステム開発を進めた。これまでに，ビームラインからの磁場遮蔽のための磁性体薄膜 (磁場遮蔽グリッド) の導入，および磁力線をコイル外側にそって上流側に戻すための磁性体遮蔽構造を導入することで，非磁場領域へのビーム輸送効率を大幅に増大できることが確認できた。ただし，その下流側における静電レンズではビームの収束が困難であることがわかった。ビーム軸に垂直な方向の運動量の分散が想定よりも大きかったことが原因の1つと考えられる。そこで，静電レンズ群の最終段の静電収束レンズにかえて磁場レンズを導入し，ビーム収束の問題は解決された。ただし，その上流側の静電レンズ (アインツェルレンズ) 部の存在のために，磁場収束レンズへの陽電子輸送効率が落ちていることが判明し，このアインツェルレンズを省略して磁場収束レンズに導入するよう改良してビーム試験を行った。その結果，輸送効率が数倍に高められたことが確認できた。磁場遮蔽グリッドと磁場レンズの距離をさらに詰めることで，より輸送効率を高められることもわかったため，そのための光学系の改良設計と製作を行った。また，この技術はポジトロニウムのレーザー冷却実験等においても重要となってきている。
並行して，強度が増大したビームを用いてもTRHEPDの検出器のマイクロチャンネルプレート(MCP)が飽和しないよう，TRHEPD用に15 keV以上で20 ms毎の1 μsのパルス幅のビームを準DCビームに変換するパルスストレッチャーの開発を進めている。

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

磁場輸送された陽電子ビームを回折実験用に非磁場領域に高輝度で取り出す新開発のシステムの前年度までのビーム試験において，上流側の磁場遮蔽グリッドと磁場レンズの距離をさらに詰めることで，より輸送効率を高められることがわかったので，ビームの輸送効率をはかることを目的に，磁場遮蔽用の磁性体薄膜の下流側に設置していた静電輸送レンズ系を省略し，できるだけ短距離でビームを磁場収束レンズに輸送する光学系の改造設計と製作を行った。さらに，磁場収束レンズのポールピースの内径についても3種類用意をして，どの条件でリモデレータに収束ができるか比較検証できるようにした。また，磁場収束レンズ下流側の磁場強度の測定の結果，ビームラインのソレノイドコイルからの磁力線のまわり込みの影響が強いことが判明した。その対策に，磁場遮蔽部直上流のソレノイソコイルの外側のヨークから，ビームラインのソレノイドコイル外側を覆うような軟鉄による磁場遮蔽シールドを作成した。新しいシステム全体を組上げ，真空試験を実施した。また，この光学系の開発を通して得られた知見をポジトロニウムのレーザー冷却実験にも応用することで，ポジトロニウム生成媒質までの高効率なビーム輸送と，実験領域における漏れ磁場の低減を実現した。

今後の研究の推進方策

改造した光学系を用いてビーム試験を行い，3種類用意した磁場収束レンズのポールピースのそれぞれの特性を調べ，性能を最大化する条件を探る。さらに，ポジトロニウムのレーザー冷却実験に転用しつつ性能評価と最適なレンズパラメータの調整を行っていく。

研究成果

• [雑誌論文] Determination of the spacing between hydrogen-intercalated quasifreestanding monolayer graphene and 6H-SiC(0001) using total-reflection high-energy positron diffraction (2023)
  • 著者名/発表者名: Dodenhoft Matthias、Mochizuki Izumi、Wada Ken、Hyodo Toshio、Richter Peter、Schadlich Philip、Seyller Thomas、Hugenschmidt Christoph
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 108 ページ: 155438-1-6
  • DOI: 10.1103/physrevb.108.155438
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Development of a porous silica cavity for laser excitation of confined positronium (2023)
  • 著者名/発表者名: Shu Kenji、Yamada Kyohei、Hashidate Kaori、Ishida Akira、Namba Toshio、Asai Shoji、Kuwata-Gonokami Makoto、Tajima Yohei、Chae Eunmi、Yoshioka Kosuke、Oshima Nagayasu、O’Rourke Brian E.、Michishio Koji、Ito Kenji、Kumagai Kazuhiro、Suzuki Ryoichi、Fujino Shigeru、Hyodo Toshio、Mochizuki Izumi、Wada Ken、Kai Takeshi
  • 雑誌名: JJAP Conference Proceedings 巻: 9 ページ: 011202-1-9
  • DOI: 10.56646/jjapcp.9.0_011202
  • 査読あり
• [学会発表] 低温・高密度ポジトロニウム生成材としてのシリカエアロゲルの性能評価 (2024)
  • 著者名/発表者名: 牧和真, 石田明, Randall W. Gladen, 難波俊雄, 浅井祥仁, 大島永康, オロークブライアン, 満汐孝治, 伊藤賢志, 兵頭俊夫, 望月出海, 和田健, 前川雅樹
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] ポジトロニウムのボース・アインシュタイン凝縮（高密度化・冷却の現状と今後の方針） (2024)
  • 著者名/発表者名: 石田明, 牧和真, Randall W. Gladen, 難波俊雄, 浅井祥仁, 大島永康, オロークブライアン, 満汐孝治, 伊藤賢志, 兵頭俊夫, 望月出海, 和田健, 前川雅樹
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] ボース・アインシュタイン凝縮を目指した高密度・低温ポジトロニウム生成材の開発 (2024)
  • 著者名/発表者名: 石田明, 牧和真, Randall W. Gladen, 難波俊雄, 浅井祥仁, 大島永康, オロークブライアン, 満汐孝治, 伊藤賢志, 兵頭俊夫, 望月出海, 和田健, 前川雅樹
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] 全反射高速陽電子回折(TRHEPD)法による水素吸着したセリア表面の構造解析II (2024)
  • 著者名/発表者名: 望月出海, 花田貴, 星健夫, 和田健, Rezwan Ahmed, 兵頭俊夫
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] 低速陽電子実験施設報告 (2024)
  • 著者名/発表者名: 和田健
  • 学会等名: 2023年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [学会発表] 全反射高速陽電子回折(TRHEPD)法による水素吸着したセリア表面の構造解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 望月出海, 花田貴, 星健夫, 和田健, Rezwan Ahmed, 兵頭俊夫
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会 (2023年)
• [学会発表] 低温シリカエアロゲルのポジトロニウム飛行時間測定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 石田明, Randall W. Gladen, 難波俊雄, 浅井祥仁, 大島永康, オロークブライアン, 満汐孝治, 伊藤賢志, 兵頭俊夫, 望月出海, 和田健, 前川雅樹
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会 (2023年)
• [学会発表] 3層遅延線アノード検出器による低速陽電子回折(LEPD)のI-V曲線取得 (2023)
  • 著者名/発表者名: 和田健, Rezwan Ahmed, 望月出海, 白澤徹郎, 水野清義, 兵頭俊夫
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会 (2023年)
• [学会発表] 電子回折と陽電子回折によるホウ素蒸着Al(111)の構造の研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 庄司誠, 武田朋也, 沼田川拓真, 望月出海, 和田健, 兵頭俊夫, 高山あかり
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会 (2023年)
• [学会発表] 全反射高速陽電子線回折(TRHEPD)によるSi(111)基板上Bi薄膜の構造解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 岩澤大希, 阿部浩子, 武田朋也, 望月出海, 和田健, 兵頭俊夫, 高山あかり
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会 (2023年)
• [学会発表] チャープする光パルス列によるポジトロニウムのレーザー冷却 (2023)
  • 著者名/発表者名: 周健治, 田島陽平, 魚住亮介, 宮本尚樹, 白石蒼馬, 小林拓豊, 山田恭平, グラデンランドール, 難波俊雄, 浅井祥仁, 望月出海, 兵頭俊夫, 和田健, 満汐孝治, オロークブライアン, 大島永康, 伊藤賢志, 石田明, 吉岡孝高
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会 (2023年)
• [学会発表] Development of a new low-energy positron diffraction (LEPD) experimental station at KEK and its initial I-V Curve data obtained from a Cu(001) surface (2023)
  • 著者名/発表者名: Rezwan Ahmed, Izumi Mochizuki, Tetsuroh Shirasawa, Seigi Mizuno, Toshio Hyodo, Ken Wada
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会 (2023年)
• [学会発表] Pulse Pile-up Deconvolution Methods via Machine Learning (2023)
  • 著者名/発表者名: R.W. Gladen, A. Ishida, T. Namba, S. Asai, K. Shu, T. Hyodo, I. Mochizuki, K. Wada
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会 (2023年)
• [学会発表] 低速陽電子ビームの生成と物質研究への応用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 和田健
  • 学会等名: 第40回高エネルギー加速器セミナー OHO'23 標的と2次ビーム
• [学会発表] Slow-positron beam at KEK-IMSS-SPF: techniques, applications, and advances in surface structure analysis (2023)
  • 著者名/発表者名: Ken Wada
  • 学会等名: The 2nd International Workshop Applications of Nuclear Analytical Techniques in Materials Science (ANTMS 2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Recent progress towards positronium Bose-Einstein condensation (2023)
  • 著者名/発表者名: A. Ishida, R. W. Gladen, T. Namba, S. Asai, M. Kuwata-Gonokami, Y. Tajima, T. Kobayashi, R. Uozumi, K. Shu, E. Chae, K. Yoshioka, N. Oshima, B. E. O’Rourke, K. Michishio, R. Watanabe, K. Ito, K. Kumagai, R. Suzuki, S. Fujino, T. Hyodo, I. Mochizuki, K. Wada, T. Kai, M. Maekawa
  • 学会等名: XXXIII International Conference on Photonic, Electronic and Atomic Collisions (ICPEAC 2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Positron diffraction stations at the Slow Positron Facility in IMSS, KEK (2023)
  • 著者名/発表者名: Toshio Hyodo, Izumi Mochizuki, Reswan Ahmed, Ken Wada
  • 学会等名: 16th International Workshop on Slow Positron Beam Techniques & Applications (SLOPOS-16)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of the new low-energy-positron-diffraction (LEPD) experimental station at the Slow Positron Facility in KEK (2023)
  • 著者名/発表者名: R. Ahmed, I. Mochizuki, K. Ozawa, S. Mizuno, T. Hyodo, K. Wada
  • 学会等名: 16th International Workshop on Slow Positron Beam Techniques & Applications (SLOPOS-16)
  • 国際学会
• [学会発表] Renewal of the slow-positron generation unit and user activities at the IMSS Slow Positron Facility, KEK (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Wada, I. Mochizuki, R. Ahmed, T. Hoshi, A. Ichimiya, S. Mizuno, K. Ozawa, H. Iwase, A. Shirakawa, Y. Enomoto, T. Hyodo
  • 学会等名: 16th International Workshop on Slow Positron Beam Techniques & Applications (SLOPOS-16)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] An effective use of total-reflection high-energy positron diffraction (TRHEPD) for the detection of H atoms: application to H-terminated CeO2 (111)-1x1 surface (2023)
  • 著者名/発表者名: I. Mochizuki, T. Hanada, T. Hoshi, K. Wada, R. Ahmed, T. Hyodo
  • 学会等名: 16th International Workshop on Slow Positron Beam Techniques & Applications (SLOPOS-16)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Positron Diffraction on Hydrogen-Intercalated Quasi-Free-Standing Graphene on 6H-SiC(0001) (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Dodenhof, I. Mochizuki, K. Wada, T. Hyodo, P. Richter, P. Schadlich, T. Seyller, C. Hugenschmid
  • 学会等名: 16th International Workshop on Slow Positron Beam Techniques & Applications (SLOPOS-16)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ボース・アインシュタイン凝縮を目指したポジトロニウム生成用ナノ材料開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 石田明, 難波俊雄, 浅井祥仁, 田島陽平, 小林拓豊, 魚住亮介, 周健治, 吉岡孝高, 大島永康, オロークブライアン, 満汐孝治, 渡邉亮太, 伊藤賢志, 兵頭俊夫, 望月出海, 和田健, 前川雅樹
  • 学会等名: 第60回アイソトープ・放射線研究発表会
• [学会発表] 全反射高速陽電子回折(TRHEPD)法によるセリア表面上の水素吸着構造の解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 望月出海, 花田貴, 星健夫, 和田健, AHMED Rezwan, 兵頭俊夫
  • 学会等名: 第60回アイソトープ・放射線研究発表会