2020 Fiscal Year Annual Research Report
Development of non-destructive elemental analysis method using negative muon beam
| Project Area | Toward new frontiers : Encounter and synergy of state-of-the-art astronomical detectors and exotic quantum beams |
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| Project/Area Number |
18H05460
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
二宮 和彦 大阪大学, 放射線科学基盤機構附属ラジオアイソトープ総合センター, 准教授 (90512905)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
齋藤 努 国立歴史民俗博物館, 大学共同利用機関等の部局等, 教授 (50205663)
大澤 崇人 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 物質科学研究センター, 研究主幹 (70414589)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | 負ミュオン / ミュオン原子 / 非破壊分析 / ミュオン特性X線 / 三次元分析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
負ミュオンによる非破壊分析実験を進めるにあたって、三次元の元素分析システムの開発と微少試料分析の測定システムの開発を進めた。ミュオン実験はJ-PARCおけるS型実験課題（2019MS01）として実施した。これらの研究は、領域内の他の研究グループ、特にA01班、C01班、C02班とは強力な協力関係を構築することで推進した。
三次元元素分析システムの開発においては、2019年度まで開発を進めていたCdTeイメージング検出器について、4台をミュオン実験で利用するための専用のハウジング（冷却システム）に組み込んだうえで、検出器の動作確認、冷却能の確認、エネルギー分解能のチェックなど各種試験を実施した。関連して、恒温実験システムや低ノイズ電源を整備した。また、三次元元素分析を達成するために、検出器を回転させて複数の二次元画像を取得する測定システムの設計を進め、これに必要なパルスモーターやコリメーターを整備した。
微少試料分析の測定システム開発においては、2019年度予算で整備した測定システムのバックグラウンドの試験を実施した。ミュオンビーム試験により、強度は低いもののバックグラウンドシグナルが観測されたため、その由来の特定を行ったうえで測定システムの改良を行った。J-PARCにおけるミュオン実験における低バックグラウンド化のために低ノイズ電源の整備を行うとともに、Ge半導体検出器を整備して測定系を増強し、これにより検出限界の改善が行われた。各種試験の結果、本科研費で整備したシステムにより5 mgの試料まで分析可能であるという見積もりが得られた。これは過去のミュオン実験と比べて100倍程度の検出下限の改善が得られたことになる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
新型コロナウィルスの影響から、三次元元素分析システムの仕様の決定に時間を要することになったが、検出器の開発と、それを組み込む測定システムの整備は順調に進展しており、ミュオンビーム実験に向けた各種試験を実施することができた。
また、微少試料の分析システムの開発においては、ミュオンビーム試験を行い、その結果を受けた測定システムの改良を行うことで、過去のJ-PARCでのミュオン実験システムに比べて極めて高い性能のシステムの開発に成功した。これは当初予定していた測定システムよりも数倍高い性能を有しており、2019年度までのビーム取り出し試験などの基礎研究の結果を、領域内の他の研究班との議論を通して適切にフィードバックすることによって達成された。
以上のように、2020年度で見込んでいた研究成果が得られており、研究は順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度整備した検出システムのさらなる開発、性能向上のための実験と、これを利用した実試料の分析を進めていく。
三次元元素分析システムにおいては、ビーム実験に至るためには、リモートシステムの整備などいくつかの開発要素が残っており、これらの整備を順次進めていく。また、得られた複数の二次元画像を三次元の元素分布に再構成するための解析システムの整備を進めていく。また、三次元元素分析システムの適用対象として文化財を考えており、分析する文化財の選定とミュオン実験と対照となる分析実験を行う。
微少試料の分析においては、開発はおおむね終了したため、利用実験を実施する。その最初の分析対象として、2020年12月に地球にもたらされた、探査機「はやぶさ２」が採取した小惑星「リュウグウ」の石を選定し、実施に向けた基礎開発を進める。
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[Journal Article] Nondestructive High-Sensitivity Detections of Metallic Lithium Deposited on a Battery Anode Using Muonic X-rays2020
Author(s)
I. Umegaki, Y. Higuchi, Y. Kondo, K. Ninomiya, S. Takeshita, M. Tampo, H. Nakano, H. Oka, J. Sugiyama, M.K. Kubo, Y. Miyake
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Journal Title
Anal. Chem.
Volume: 92
Pages: 8194-8200
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Nuclear magnetic field in Na0.7CoO2 detected with μ-SR2020
Author(s)
Jun Sugiyama, Izumi Umegaki, Soshi Takeshita, Hiroya Sakurai, Shoichiro Nishimura, Ola Kenji Forslund, Elisabetta Nocerino, Nami Matsubara, Martin Mansson, Takehito Nakano, Ichihiro Yamauchi, Kazuhiko Ninomiya, M. Kenya Kubo, and Koichiro Shimomura
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 102
Pages: 144431
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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