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2019 Fiscal Year Annual Research Report

Advanced negative muon beam development

Planned Research

Project AreaToward new frontiers : Encounter and synergy of state-of-the-art astronomical detectors and exotic quantum beams
Project/Area Number 18H05464
Research InstitutionHigh Energy Accelerator Research Organization

Principal Investigator

三宅 康博  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, 教授 (80209882)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 永谷 幸則  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, 特別准教授 (00393421)
Patrick Strasser  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, 研究機関講師 (20342834)
Project Period (FY) 2018-06-29 – 2023-03-31
Keywords負ミュオン / 冷却 / 非破壊検査 / ミュオン触媒核融合 / ラムザウアータウンゼント効果
Outline of Annual Research Achievements

トリチウムを用いたミュオン触媒核融合反応によるビーム冷却の基本原理、具体的な装置設計、実験手順、トリチウム使用から廃棄までの放射性安全管理の手順などを確立し、トリチウム取り扱いの専門家である富山大学水素同位体科学研究センターの原正憲氏、波多野雄治氏が分担者として新たに加わり、走査負ミュオン顕微鏡の設計が完了すると共に製作と実験の準備が完了した。
しかしながら、J-PARCは他の実験の許認可申請との干渉を避けるため、当面トリチウム使用許可の申請を認めない事を決定した。このため、これまでのトリチウムを用いたミュオン触媒核融合ベースのビーム冷却の手法から、摩擦冷却を主体とする負ミュオンビームの冷却装置の開発へと方針を転換した。新しい構想に基づき、作年度末、Dラインで得られる高エネルギーミュオンを効率良く減速し、更には減速した負ミュオンを、1.5メートル超の同軸引き出し装置を開発し実験した。この結果、世界で初めて、低速負ミュオン(7keV、5keV、3.5keV)を取り出すことに成功した。
具体的には、加速器で得られる高エネルギーの負ミュオンビームを厚さ3.5mmのベリリウム減速材を用いて減速し、減速された負ミュオンを2枚のカプトン薄膜標的に打ち込み、真空中に再放出された超低速負ミュオンを中心電極に3.5ー7kV印加した同軸輸送管で減速負ミュオンを引き出す実験を実施した。
超低速ミュオンの検出には、1m超の同軸管の末端に銀製の検出用標的を設置し、銀標的まで輸送された超低速負ミュオンからのミュオン特性X線(140keV, 300 keV)、並びに銀標的からの崩壊電子を測定するという2種類の検出法で行った。両者ともに、引き出し用の同軸管への高電圧印加時のみ確認できたが、非印加時には確認されなかった。
これらの実験により、世界初の超低速負ミュオン引き出しと輸送に成功したと結論づけることができた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

走査負ミュオン顕微鏡の核心部分であるトリチウムを使用したビーム冷却装置の理論構築と装置設計が完了し、毎秒数10個の強度の負ミュオンビームを10μm未満に収束させる目途が立ったが、J-PARCの運営方針によりトリチウムの使用が出来なくなった。このため、トリチウムを用いない摩擦冷却を主とする新たな手法を開発した。
この手法の妥当性を確かめる摩擦減速、薄膜捕獲、同軸輸送の実験を実施し、実際に加速器で生成された高エネルギーの負ミュオンを3.5keV未満の低速ミュオンへと減速し、検出器まで1.5mの距離を輸送することに成功した。
これをベースにして、摩擦減速・冷却を主とする走査負ミュオン顕微鏡の開発を進めている。
トリチウム使用が出来なくなったことにより1年以上の遅れが生じたが、代わりに考案した摩擦減速・冷却が予想以上の成果を挙げたため、ある程度は遅れを取り戻しつつある。
また重水素のみを用いたミュオン触媒核融合実験、再生ミュオンの取り出し実験も実施した。

Strategy for Future Research Activity

取り出した減速負ミュオンを多層の薄膜を用いて摩擦冷却し、輝度の高い超低速負ミュオンビームへと変換するビーム冷却装置を開発により、分解能が数10μmの走査負ミュオン顕微鏡を実現させる。
当初計画のトリチウム使用のものに比べ負ミュオンビームの輝度は落ちるものの、走査負ミュオン顕微鏡の原理実証を最優先課題として研究を進める。
冷却膜をどのようにして作成するかが主要な課題となり、水面転写法やシリコン微細加工技術を用いた方法などを組み合わせる手法の開発を進める。
体的には、直径5cmで、厚さ50~60nmの窒化ケイ素の自立薄膜を半導体製造プロセスを用いて20枚程度作成し、勾配電圧を印加可能な真空チャンバを併せて開発することにより、ビーム冷却装置を開発する。
この装置を、J-PARC/MLFのDラインに装置を接続し、冷却により高輝度化され収束可能な超低速負ミュオンビームを生成し、走査負ミュオン顕微鏡の基礎的な実験を行い、その分解能の測定などから、収束径、エミッタンスや輝度を測定する。
時間的に可能であれば実用材料の2次元の元素マッピングの顕微鏡像も取得する。

  • Research Products

    (49 results)

All 2020 2019 Other

All Journal Article (11 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 11 results,  Open Access: 9 results) Presentation (35 results) (of which Int'l Joint Research: 9 results,  Invited: 10 results) Remarks (3 results)

  • [Journal Article] Chemistry of Negative Muon2020

    • Author(s)
      Ninomiya Kazuhiko
    • Journal Title

      RADIOISOTOPES

      Volume: 69 Pages: 277~286

    • DOI

      10.3769/radioisotopes.69.277

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 電子顕微鏡と加速器技術の融合―過去、現在、そして未来ー2020

    • Author(s)
      永谷幸則
    • Journal Title

      固体物理

      Volume: 55 Pages: 231-244

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Development of a bunch-width monitor for low-intensity muon beam below a few MeV2020

    • Author(s)
      Y. Sue, M. Yotsuzuka, K. Futatsukawa, K. Hasegawa, T. Iijima, H. Iinuma, K. Inami, K. Ishida, N. Kawamura, R. Kitamura, Y. Kondo, T. Mibe, Y. Miyake et al
    • Journal Title

      Physical Review Accelerators and Beams

      Volume: 23 Pages: 022804(1-7)

    • DOI

      10.1103/PhysRevAccelBeams.23.022804

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Development of very slow negative muon beam2020

    • Author(s)
      Natori Hiroaki
    • Journal Title

      PoS (NuFACT2019)

      Volume: 369 Pages: 090(1-4)

    • DOI

      10.22323/1.369.0090

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] J-PARCミュオン施設の紹介とミュオン分析の特徴や開発状況2020

    • Author(s)
      三宅康博
    • Journal Title

      金属

      Volume: 91 Pages: 41-48

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] g Factor of the ^{99}Zr (7/2^{+}) Isomer: Monopole Evolution in the Shape-Coexisting Region2020

    • Author(s)
      F. Boulay, G. S. Simpson, Y. Ichikawa, S. Kisyov, D. Bucurescu, A. Takamine, D. S. Ahn, K. Asahi, H. Baba, D. L. Balabanski, T. Egami, T. Fujita, N. Fukuda, C. Funayama, T. Furukawa, …H. Ueno, H. Yamazaki, X. F. Yang, J. M. Daugas, et al
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 124 Pages: 112501(1-6)

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.124.112501

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Response of microchannel plates to positrons from muon-decays2019

    • Author(s)
      Otani M.、Kitamura R.、Fukao Y.、Hasegawa K.、Ishida K.、Kawamura N.、Kondo Y.、Miyake Y.、Saito N.、Shimomura K.、Strasser P.
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment

      Volume: 943 Pages: 162475~162475

    • DOI

      10.1016/j.nima.2019.162475

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] A new approach for measuring the muon anomalous magnetic moment and electric dipole moment2019

    • Author(s)
      M. Abe, S. Bae, G. Beer, G. Bunce, H. Choi, S. Choi, M. Chung, W. da. Silva, S. Eidelman, M. Finger, Y. Fukao, T. Fukuyama, S. Haciomeroglu, K. Hasegawa, K. Hayasaka, N. Hayashizaki, H. Hisamatsu, T. Iijima, H. Iinuma, H. Ikeda, M. Ikeno, K. Inami, K. Ishida, …Y. Matsuda, T. Mibe, Y. Miyake,et al
    • Journal Title

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      Volume: 2019 Pages: 1-22

    • DOI

      10.1093/ptep/ptz030

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Negative and Positive Muon-Induced SEU Cross Sections in 28-nm and 65-nm Planar Bulk CMOS SRAMs2019

    • Author(s)
      Liao Wang、Hashimoto Masanori、Manabe Seiya、Watanabe Yukinobu、Abe Shin-Ichiro、Nakano Keita、Takeshita Hayato、Tampo Motonobu、Takeshita Soshi、Miyake Yasuhiro
    • Journal Title

      2019 IEEE International Reliability Physics Symposium

      Volume: 2019-5 Pages: 1-5

    • DOI

      10.1109/IRPS.2019.8720568

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Development of non-destructive isotopic analysis methods using muon beams and their application to the analysis of lead2019

    • Author(s)
      Ninomiya Kazuhiko、Kudo Takuto、Strasser Patrick、Terada Kentaro、Kawai Yosuke、Tampo Motonobu、Miyake Yasuhiro、Shinohara Atsushi、Kubo Kenya M.
    • Journal Title

      Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry

      Volume: 320 Pages: 801~805

    • DOI

      10.1007/s10967-019-06506-9

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Development of a non-destructive isotopic analysis method by gamma-ray emission measurement after negative muon irradiation2019

    • Author(s)
      Kudo Takuto、Ninomiya Kazuhiko、Strasser Patrick、Terada Kentaro、Kawai Yosuke、Tampo Motonobu、Miyake Yasuhiro、Shinohara Atsushi、Kubo Kenya M.
    • Journal Title

      Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry

      Volume: 322 Pages: 1299~1303

    • DOI

      10.1007/s10967-019-06682-8

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 負ミュオンスピン緩和法の展望2020

    • Author(s)
      竹下聡史
    • Organizer
      第10回ミュオン科学と加速器研究
  • [Presentation] J-PARC MUSEにおける負ミュオン元素分析の現状と今後2020

    • Author(s)
      反保元伸
    • Organizer
      第10回ミュオン科学と加速器研究
  • [Presentation] J-PARCにおけるミュオン研究2020

    • Author(s)
      三宅康博
    • Organizer
      負ミュオン元素戦略
    • Invited
  • [Presentation] 正ミュオン、負ミュオン顕微鏡2020

    • Author(s)
      三宅康博
    • Organizer
      2019年度物質科学研究討論会
    • Invited
  • [Presentation] 負ミュオンビームによる文理融合研究2020

    • Author(s)
      三宅康博, 反保元伸, 竹下聡史, 下村浩一郎, 土居内翔伍, 橋本亜紀子, 齋藤努, 沓名貴彦, 久保謙哉, 二宮和彦
    • Organizer
      日本物理学会第75回年次大会
  • [Presentation] 負ミュオンビームによる文理融合研究「低エネルギー負ミュオンによる古銭分析」2020

    • Author(s)
      反保元伸, 竹下聡史, 土居内翔伍, 橋本亜紀子, 齋藤努, 久保謙哉, 二宮和彦, 三宅康博
    • Organizer
      日本物理学会第75回年次大会
  • [Presentation] J-PARC Muon Facility, MUSE2019

    • Author(s)
      三宅康博
    • Organizer
      Institute for Basic Science, The 1st RAON Users Workshop
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Highly spin-polarized RI beams and the application to nuclear and condensed-matter physics2019

    • Author(s)
      上野秀樹
    • Organizer
      新学術領域「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋。」第1回領域全体会議
  • [Presentation] Development of a flat-top RF acceleration cavity for negative muon microbeam production2019

    • Author(s)
      山崎高幸
    • Organizer
      新学術領域「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋。」第1回領域全体会議
  • [Presentation] ミュオンによる産業利用の可能性2019

    • Author(s)
      三宅康博
    • Organizer
      第4回J-PARC MLF産業利用報告会
    • Invited
  • [Presentation] ミュオンとは!ーミュオンによる非破壊分析ー2019

    • Author(s)
      三宅康博
    • Organizer
      第1回文理融合シンポジウム「量子ビームで歴史を探るー加速器が紡ぐ文理融合の地平ー」
  • [Presentation] 負ミュオン放射化分析法の開発2019

    • Author(s)
      土居内翔伍
    • Organizer
      第1回文理融合シンポジウム「量子ビームで歴史を探るー加速器が紡ぐ文理融合の地平ー」
  • [Presentation] 負ミュオン顕微鏡の開発 超高感度な元素の顕微分析に向けて2019

    • Author(s)
      永谷幸則
    • Organizer
      第1回文理融合シンポジウム「量子ビームで歴史を探るー加速器が紡ぐ文理融合の地平ー」
  • [Presentation] ミュオン分析法の特徴@MUSE2019

    • Author(s)
      反保元伸
    • Organizer
      第1回文理融合シンポジウム「量子ビームで歴史を探るー加速器が紡ぐ文理融合の地平ー」
  • [Presentation] 磁気センサー・ミュオンを用いた新たな非破壊検査法の提案2019

    • Author(s)
      竹下聡史
    • Organizer
      第1回文理融合シンポジウム「量子ビームで歴史を探るー加速器が紡ぐ文理融合の地平ー」
  • [Presentation] 超低速な負ミュオンビームの開発2019

    • Author(s)
      名取寛顕
    • Organizer
      第1回文理融合シンポジウム「量子ビームで歴史を探るー加速器が紡ぐ文理融合の地平ー」
  • [Presentation] 高分子における負ミュオンスピン緩和測定2019

    • Author(s)
      竹下聡史
    • Organizer
      負ミュオンスピン緩和法研究会
  • [Presentation] Ultra Slow Muon and Low Energy Muon2019

    • Author(s)
      Yasuhiro Miyake
    • Organizer
      THE 21ST INTERNATIONAL WORKSHOP ON NEUTRINOS FROM ACCELERATORS(NUFACT2019)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Development of very slow negative muon beam in J-PARC2019

    • Author(s)
      Hiroaki Natori
    • Organizer
      THE 21ST INTERNATIONAL WORKSHOP ON NEUTRINOS FROM ACCELERATORS(NUFACT2019)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Nuclear-physics research based on RI spin orientation technique2019

    • Author(s)
      H. Ueno
    • Organizer
      XXXVI Mazurian Lakes Conference on Physics
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 走査負ミュオン顕微鏡の開発の現状2019

    • Author(s)
      永谷幸則, Patrick Strasser, 名取寛顕, 三宅康博
    • Organizer
      日本物理学会2019年秋季大会
  • [Presentation] J-PARC MLF MUSE Dラインにおける低バックグラウンド負ミュオンビーム調整2019

    • Author(s)
      竹下聡史,梅垣いづみ,土居内翔伍,橋本亜紀子,久保謙哉,下村浩一郎,三宅康博
    • Organizer
      日本物理学会2019年秋季大会
  • [Presentation] J-PARC MLFにおける低速負ミュオンの取り出しについて2019

    • Author(s)
      名取寛顕,三宅康博,下村浩一郎,Patrick Strasser,永谷幸則,竹下聡史,足立泰平
    • Organizer
      日本物理学会2019年秋季大会
  • [Presentation] 核整列 RI ビームを用いたβ-NMR 測定法2019

    • Author(s)
      上野秀樹
    • Organizer
      新学術領域「クラスター階層」&「量子ビーム応用」合同検出器ワークショップ
  • [Presentation] Ultra Slow Muon Generation and Its Application for Transmission Muon Microscopy at J-PARC Muon Facility, MUSE2019

    • Author(s)
      三宅康博
    • Organizer
      The 3rd J-PARC Symposium (J-PARC2019)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Effective Shielding for radiation derived from negative muon2019

    • Author(s)
      S. Takeshita, H. Okabe, A. Koda, M. Hiraishi, K.M. Kojima,R. Kadono, H. Seto, T. Masui, and N. Wakabayashi
    • Organizer
      The 3rd J-PARC Symposium (J-PARC2019)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Ultra-slow negative muon beam development in J-PARC2019

    • Author(s)
      Hiroaki Natori, Y. Miyake, N. Nagatani, P. Strasser, K. Shimomura, T. Yamazaki, T. Adachi
    • Organizer
      The 3rd J-PARC Symposium (J-PARC2019)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Molecular dynamics in rubber probed by muon spin relaxation2019

    • Author(s)
      S. Takeshita, P. Strasser, N. Kawamura, S. Doiuchi, A. Hashimoto,M. Tampo, I. Umegaki, K. Shimomura, and Y. Miyake
    • Organizer
      The 3rd J-PARC Symposium (J-PARC2019)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 高分子材料のミュオンスピン緩和測定で何が見えるか2019

    • Author(s)
      竹下聡史
    • Organizer
      高分子討論会併設シンポジウム「J-PARC物質・生命科学実験施設と高分子科学」
  • [Presentation] 身近な素粒子ミュオンを用いた研究~文理融合の試み~2019

    • Author(s)
      三宅康博
    • Organizer
      量子放射線利用普及連絡協議会
    • Invited
  • [Presentation] J-PARCにおける最近の負ミュオン研究2019

    • Author(s)
      三宅康博
    • Organizer
      第2回ハイドロジェノミクス研究会
    • Invited
  • [Presentation] J-PARC Muon Facility, MUSE2019

    • Author(s)
      三宅 康博
    • Organizer
      University of Science and Technology of China 2nd muon source workshop
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 量子ビームによる文理融合研究ーJ-PARCにおけるミュオン非破壊分析ー2019

    • Author(s)
      三宅康博
    • Organizer
      第2回文理融合シンポジウム「量子ビームで歴史を探るー加速器が紡ぐ文理融合の地平ー」
  • [Presentation] J-PARC MUSEにおけるミュオン分析2019

    • Author(s)
      反保元伸
    • Organizer
      第2回文理融合シンポジウム「量子ビームで歴史を探るー加速器が紡ぐ文理融合の地平ー」
  • [Presentation] 磁気センサーミュオンを用いた新たな非破壊検査法の検討2019

    • Author(s)
      竹下聡史
    • Organizer
      第2回文理融合シンポジウム「量子ビームで歴史を探るー加速器が紡ぐ文理融合の地平ー」
  • [Remarks] 最先端負ミュオンビーム開発

    • URL

      https://www2.kek.jp/imss/msl/MuonScience-G/Research/SlowMuon-.html

  • [Remarks] 第1回文理融合シンポジウム

    • URL

      https://www2.kek.jp/imss/news/2019/topics/0727BunRi/

  • [Remarks] 第2回文理融合シンポジウム

    • URL

      https://www2.kek.jp/imss/news/2020/topics/1225BunRi2/

URL: 

Published: 2022-12-28  

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