Application of reduction technology of impurity to impruveme purity and sensitivity of radiation detector

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Unraveling the History of the Universe and Matter Evolution with Underground Physics
• Project/Area Number: 22H04575
• Research Institution: The University of Tokushima
• Principal Investigator: 伏見 賢一 徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 教授 (90274191)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 高純度化技術 / 不純物除去 / 高感度元素分析

Outline of Annual Research Achievements

フッ化カルシウム結晶の純化方法として、水溶液に含まれる放射性不純物の除去を検討した。フッ化カルシウム自体は水に溶けないので、原料となる塩化カルシウムを水に溶かし、その純度向上を確認した。塩化カルシウム水溶液を、ウラン及びトリウムを除去するキレート樹脂に通してウランおよびトリウムの濃度変化を調査した。ウラン及びトリウムの濃度は、筑波大学にてICP-MSを用いて分析をおこなった。その結果、ウランの濃度は樹脂を通すことによって1/40程度まで低減させることに成功した。ただし、トリウムの濃度については定量することができなかった。
水溶性原料の不純物除去は技術が確立しつつあったが、大量生産に向けて品質維持に課題があった。そこで、原料を純化処理する際の条件を見直し、高品質な結晶を得ることに成功した。質量1.3 kgのNaI(Tl)結晶を製造し、その純度およびバックグラウンドを測定した。低バックグラウンド測定は、岐阜県飛騨市に設置されている東北大学ニュートリノ科学研究センターの神岡地下実験室にて実施した。NaI(Tl)検出器に低バックグラウンドの光電子増倍管を接着し、厚さ5 cmの無酸素銅および厚さ20 cmの高純度鉛によって外部からのガンマ線バックグラウンドを低減した状態で測定した。その結果、210Pbの濃度、226Raの濃度共にこれまでの高純度NaI(Tl)結晶と同等の純度を確認し、良好な結果を得ることに成功した。
今後は、フッ化カルシウム結晶の純化に集中し、課題となっていたトリウム濃度の正確な測定を目指して樹脂によるトリウムの脱着試験を行う。また、分析環境の汚染によるバックグラウンドを低減させるため、実験室の環境を整備し、高精度な不純物測定を可能にすることを目標とした。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

すべての研究課題について、解決方法を見いだした。NaI(Tl)結晶の大量生産について、純化作業における条件を確認し、大量生産の方針を確定させることに成功した。

Strategy for Future Research Activity

トリウムの濃度を精密に測定することが困難で、十分な精度の測定ができなかった。この原因は既に特定できており、今後は汚染対策およびトリウムの脱着条件最適化を通じてトリウム濃度を適切に測定できるように改良を行う予定である。
NaI(Tl)結晶の純化はその方法が確立し、大量生産の目処が立った。今後は大容量のNaI(Tl)検出器システムを構築し、宇宙暗黒物質探索実験の開始に向けて予算獲得および開発に注力する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Alabama(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: University of Alabama
• [Int'l Joint Research] National Research Nuclear University(ロシア連邦)
  • Country Name: RUSSIA FEDERATION
  • Counterpart Institution: National Research Nuclear University
• [Journal Article] Present status of PICOLON project (2024)
  • Author(s): K. Fushimi, D. Chernyak, H. Ejiri, K. Hata, R. Hazama, T. Iida, H. Ikeda, K. Imagawa, K. Inoue, H. Ito, T. Kisimoto, M. Koga, K. Kotera, A. Kozlov, S. Kurosawa, K. Nakamura, R. Orito, A. Sakaguchi, A. Sakaue, T. Shima, Y. Takaku, Y. Takemoto, S. Umehara, Y. Urano, Y. Yamamoto, K. Yasuda, S. Yoshida
  • Journal Title: Proceedings of the 37th Workshop on Radiation Detectors and Their Uses, KEK Proceedings 2023-1, (2024), p43 Volume: 2023-1 Pages: 43-56
  • DOI: 10.48550/arXiv.2402.08786
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 高純度ヨウ化ナトリウムの結晶育成 (2023)
  • Author(s): 伏見 賢一 ，D. Chernyak，江尻 宏泰，畑 和実，硲 隆太，飯田 崇史， 池田 晴雄， 今川 恭四郎，井上 邦雄，伊藤 博士，岸本 忠史， 古賀 真之，小寺 健太， A. Kozlov，中村 健悟，折戸 玲子，嶋 達志，竹本 康浩，梅原 さおり，浦野 雄介，山本 祐平，保田 賢輔，吉田 斉
  • Journal Title: 日本結晶成長学会誌 Volume: 49-4 Pages: 01-10
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 無機シンチレーター結晶で解明する宇宙暗黒物質、ニュートリノの謎 (2023)
  • Author(s): K. Fushimi, D. Chernyak, H. Ejiri, K. Hata, R. Hazama, T. Iida, H. Ikeda, K. Imagawa, K. Inoue, H. Ito, T. Kisimoto, M. Koga, K. Kotera, A. Kozlov, S. Kurosawa, K. Nakamura, R. Orito, A. Sakaguchi, A. Sakaue, T. Shima, Y. Takaku, Y. Takemoto, S. Umehara, Y. Urano, Y. Yamamoto, K. Yasuda, and S. Yoshida
  • Organizer: 放射線検出器とその応用(第37回)
• [Presentation] 高純度CaF2開発に向けたCaCl2の純化 (2023)
  • Author(s): 坂上陽俊, 伏見賢一, 硲隆太, 今川恭四郎, 岸田有美子, 小寺健太, 黒澤俊介, 坂口綾, 高久雄一, 梅原さおり, 浦野雄介, 山本祐平, 保田賢輔
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 二重ベータ崩壊実験のためのCaF2結晶の高純度化4 (2022)
  • Author(s): 黒澤俊介，梅原さおり， 岸田有美子， 村上力輝斗，大橋雄二，坂上陽俊，吉田朋美，今川恭四郎，保田賢輔，伏見賢一，山路晃広
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] CaF2のスクリーニングのためのGe検出器開発 (2022)
  • Author(s): 岸田有美子, 梅原さおり, 黒澤俊介, 村上力輝斗, 大橋雄二, 坂上陽俊, 吉田朋美, 今川恭四郎, 保田賢輔, 伏見賢一, 山路晃広
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 宇宙暗黒物質探索実験の現状と課題～宇宙暗黒物質信号の真偽は？～ (2022)
  • Author(s): 伏見賢一
  • Organizer: 融合領域研究会
  • Invited
• [Presentation] Development of Ge detector for purification of CaF2 crystals (2022)
  • Author(s): Y.Kishida,S.Umehara, S.Kurosawa, R.Murakami, Y.Ohashi, A.Sakaue, T.Yoshida, K.Imagawa, K.Yasuda, K.Fushimi, A.Yamaji
  • Organizer: "Unraveling the History of the Universe and Matter Evolution with Underground Physics"(UGAP2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Background analysis of NaI(Tl) crystals for the development of new PICOLON detector (2022)
  • Author(s): K.Kotera, D.Chernyak, H.Ejiri, K.Fushimi, K.Hata, R.Hazama, T.Iida, K.Imagawa, K.Inoue, H.Ito, T.Kishimoto, M.Koga, A.Kozlov, K.Nakamura, R.Orito, T.Shima, Y.Takemoto, S.Umehara, Y.Urano, K.Yasuda, S.Yoshida
  • Organizer: "Unraveling the History of the Universe and Matter Evolution with Underground Physics"(UGAP2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超高純度無機シンチレーターによる宇宙・素粒子稀現象の研究 (2022)
  • Author(s): 伏見賢一，小寺健太，折戸玲子，浦野雄介，Dmitry Chernyak，江尻宏泰，岸本忠史，嶋達志，梅原さおり，吉田斉，畑和実，池田晴雄，井上邦雄，古賀真之，黒澤俊介，硲隆太，飯田崇史，今川恭四郎，保田賢輔，伊藤博士，Alexandre Kozlov，中村健悟，竹本康浩
  • Organizer: 公益社団法人日本セラミックス協会 第35 回秋季シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] ニュートリノ・宇宙暗黒物質探索装置のスクリーニングのためのGe検出器開発 (2022)
  • Author(s): 岸田有美子, 梅原さおり, 黒澤俊介, 村上力輝斗, 大橋雄二, 坂上陽俊, 吉田朋美, 今川恭四郎, 保田賢輔, 伏見賢一, 山路晃広
  • Organizer: Scintillator for Medical, Astroparticle and environm,ental Radiation Technologies (SMART2022)