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論文

Negatively charged muonium and related centers in solids

伊藤 孝; 髭本 亘; 下村 浩一郎*

Journal of the Physical Society of Japan, 89(5), p.051007_1 - 051007_8, 2020/05

 被引用回数:1 パーセンタイル:100(Physics, Multidisciplinary)

Muonium (Mu) centers formed upon implantation of $$mu^+$$ in a solid have long been investigated as an experimentally accessible model of isolated hydrogen impurities. Recent discoveries of hydridic centers formed at oxygen vacancies have stimulated a renewed interest in H$$^-$$ and corresponding Mu$$^-$$ centers in oxides. However, the two diamagnetic centers, Mu$$^+$$ and Mu$$^-$$, are difficult to separate spectroscopically. In this review article, we summarize established and developing methodologies for identifying Mu$$^-$$ centers in solids, and review recent Mu studies on said centers supposedly formed in mayenite, oxygen-deficient SrTiO$$_{3-x}$$, and BaTiO$$_{3-x}$$H$$_x$$ oxyhydride.

論文

Negative muonium ion production with a C12A7 electride film

大谷 将士*; 深尾 祥紀*; 二ツ川 健太*; 河村 成肇*; 的場 史郎*; 三部 勉*; 三宅 康博*; 下村 浩一郎*; 山崎 高幸*; 長谷川 和男; et al.

Journal of Physics; Conference Series, 1350, p.012067_1 - 012067_6, 2019/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:100

負ミューオニウムはそのユニークな性質から様々な科学の分野で応用される可能性がある。1980年代に真空中で初めて生成されて以来、仕事関数の低い物質を用いて負ミューオニウム生成効率を高めることが議論されてきた。アルミナセメントの構成物質であるC12A7は良く知られた絶縁体であるが、電子をドープすることで導体として振舞うことが近年発見された。このC12A7エレクトライドは2.9eVという比較的低い仕事関数を持ち、負イオン生成効率を示すと期待されている。本論文では、従来用いていたアルミニウム、C12A7エレクトライド、さらにステンレスターゲット用いた負ミューオニウムイオン生成効率の比較について述べる。測定された生成率は10$$^{-3}$$/sであり、現状セットアップではエレクトライドにおいても大きな生成率向上は確認されず、表面状態をより注意深く整える必要であることが推定される。また、生成された負ミューオニウムの平均エネルギーに材質依存はなく、0.2$$pm$$0.1keVであった。

論文

Polaronic nature of a muonium-related paramagnetic center in SrTiO$$_3$$

伊藤 孝; 髭本 亘; 幸田 章宏*; 下村 浩一郎*

Applied Physics Letters, 115(19), p.192103_1 - 192103_4, 2019/11

 被引用回数:2 パーセンタイル:56.85(Physics, Applied)

The hyperfine features and thermal stability of a muonium (Mu)-related paramagnetic center were investigated in the SrTiO$$_3$$ perovskite titanate via muon spin rotation spectroscopy. The hyperfine coupling tensor of the paramagnetic center was found to have prominent dipolar characteristics, indicating that the electron spin density is dominantly distributed on a Ti site to form a small polaron near an ionized Mu$$^+$$ donor. Based on a hydrogen-Mu analogy, interstitial hydrogen is also expected to form such a polaronic center in the dilute doping limit. The small activation energy of 30(3) meV found for the thermal dissociation of the Mu$$^+$$-polaron complex suggests that the strain energy required to distort the lattice is comparable to the electronic energy gained by localizing the electron.

論文

First muon acceleration using a radio-frequency accelerator

Bae, S.*; Choi, H.*; Choi, S.*; 深尾 祥紀*; 二ツ川 健太*; 長谷川 和男; 飯嶋 徹*; 飯沼 裕美*; 石田 勝彦*; 河村 成肇*; et al.

Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 21(5), p.050101_1 - 050101_6, 2018/05

 被引用回数:9 パーセンタイル:15.06(Physics, Nuclear)

ミューオンがRF加速器によって初めて加速された。正ミューオンと電子の束縛状態である負ミューオニウムをアルミ標的中での電子獲得反応によって生成し、静電加速器により初期加速する。それを高周波四重極加速空洞(RFQ)によって89keVまで加速した。加速された負ミューオニウムは、偏向電磁石による運動量の測定と飛行時間により同定された。このコンパクトなミューオン加速器は、素粒子物理や物性物理などのミューオン加速器の様々な応用への第一歩である。

論文

New precise measurement of muonium hyperfine structure interval at J-PARC

上野 恭裕*; 青木 正治*; 深尾 祥紀*; 東 芳隆*; 樋口 嵩*; 飯沼 裕美*; 池戸 豊*; 石田 啓一*; 伊藤 孝; 岩崎 雅彦*; et al.

Hyperfine Interactions, 238(1), p.14_1 - 14_6, 2017/11

 被引用回数:3 パーセンタイル:6.76

MuSEUM is an international collaboration aiming at a new precise measurement of the muonium hyperfine structure at J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex). Utilizing its intense pulsed muon beam, we expect a ten-fold improvement for both measurements at high magnetic field and zero magnetic field. We have developed a sophisticated monitoring system, including a beam profile monitor to measure the 3D distribution of muonium atoms to suppress the systematic uncertainty.

論文

Non-destructive elemental analysis of a carbonaceous chondrite with direct current Muon beam at MuSIC

寺田 健太郎*; 佐藤 朗*; 二宮 和彦*; 川島 祥孝*; 下村 浩一郎*; 吉田 剛*; 河井 洋輔*; 大澤 崇人; 橘 省吾*

Scientific Reports (Internet), 7(1), p.15478_1 - 15478_6, 2017/11

AA2017-0455.pdf:1.15MB

 被引用回数:6 パーセンタイル:51.34(Multidisciplinary Sciences)

電子やX線を用いた特性X線分析は基礎的化学分析手法として様々な分野で用いられている。近年、その高い透過性からミュオン捕獲特性X線を用いた分析手法が注目を集めている。我々はここに最新の強力なDCミュオン源であるMuSICを用いて行った炭素質コンドライトの分析結果について報告する。炭素を約2%含むJbilet Winselwan隕石を測定した結果、Mg, Si, Fe, O, S, Cからのミュオン捕獲特性X線を検出し、元素存在度のパターンはCMコンドライトとして無矛盾であった。本非破壊分析手法は炭素に高い感度を持つことから、C型小惑星からのサンプルが持ち帰られた場合にも、それを分析する強力な新手法となりえる。

論文

Materials and Life Science Experimental Facility at the Japan Proton Accelerator Research Complex, 4; The Muon Facility

髭本 亘; 門野 良典*; 河村 成肇*; 幸田 章宏*; 小嶋 健児*; 牧村 俊助*; 的場 史郎*; 三宅 康博*; 下村 浩一郎*; Strasser, P.*

Quantum Beam Science (Internet), 1(1), p.11_1 - 11_24, 2017/06

ミュオン科学実験施設はJ-PARCにおいて中性子, ハドロン, ニュートリノ各施設と並ぶ利用施設である。ミュオン施設では、物質生命科学実験棟において中性子実験施設と共有している高エネルギーの陽子により発生させたミュオンを用いて様々な科学研究に用いている。本レビューではミュオン科学実験施設の現状について報告する。

論文

Excited configurations of hydrogen in the BaTiO$$_{3-x}$$H$$_x$$ perovskite lattice associated with hydrogen exchange and transport

伊藤 孝; 幸田 章宏*; 下村 浩一郎*; 髭本 亘; 松崎 禎市郎*; 小林 洋治*; 陰山 洋*

Physical Review B, 95(2), p.020301_1 - 020301_5, 2017/01

 被引用回数:5 パーセンタイル:56.63(Materials Science, Multidisciplinary)

Excited configurations of hydrogen in the oxyhydride BaTiO$$_{3-x}$$H$$_x$$ ($$x=0.1-0.5$$), which are considered to be involved in its hydrogen transport and exchange processes, were investigated by $$mu^+$$SR spectroscopy using muonium (Mu) as a pseudoisotope of hydrogen. Muons implanted into BaTiO$$_{3-x}$$H$$_x$$ were mainly found in two metastable states. One was assigned to a highly mobile interstitial protonic state, which is commonly observed in perovskite oxides. The other was found to form an entangled two spin-$$frac{1}{2}$$ system with the nuclear spin of an H$$^-$$ ion at the anion site. The structure of the (H,Mu) complex agrees well with that of a neutralized center containing two H$$^-$$ ions at a doubly charged oxygen vacancy, which was predicted to form in SrTiO$$_{3-delta}$$ by a computational study. Above 100 K, interstitial Mu$$^+$$ diffusion and retrapping to a deep defect were observed, which could be a rate-limiting step of macroscopic Mu/H transport in BaTiO$$_{3-x}$$H$$_x$$.

論文

New muonium HFS measurements at J-PARC/MUSE

Strasser, P.*; 青木 正治*; 深尾 祥紀*; 東 芳隆*; 樋口 嵩*; 飯沼 裕美*; 池戸 豊*; 石田 啓一*; 伊藤 孝; 岩崎 雅彦*; et al.

Hyperfine Interactions, 237(1), p.124_1 - 124_9, 2016/12

 被引用回数:5 パーセンタイル:7.43

At the Muon Science Facility (MUSE) of J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex), the MuSEUM collaboration is planning new measurements of the ground state hyperfine structure (HFS) of muonium both at zero field and at high magnetic field. The previous measurements were performed both at LAMPF (Los Alamos Meson Physics Facility) with experimental uncertainties mostly dominated by statistical errors. The new high intensity muon beam that will soon be available at MUSE H-Line will provide an opportunity to improve the precision of these measurements by one order of magnitude. An overview of the different aspects of these new muonium HFS measurements, the current status of the preparation, and the results of a first commissioning test experiment at zero field are presented.

論文

ミューオンg-2/EDM実験のためのRFQを用いたミューオン初期加速の現状

北村 遼*; 大谷 将士*; 深尾 祥紀*; 河村 成肇*; 三部 勉*; 三宅 康博*; 下村 浩一郎*; 近藤 恭弘; 長谷川 和男; 石田 勝彦*; et al.

Proceedings of 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.476 - 479, 2016/11

J-PARCにおいて、新しいミューオンg-2実験が計画されている。この実験では、超低温ミューオンを生成し、線形加速器によって再加速する。このミューオンリニアックの初段の加速構造として、RFQが用いられる。初期の加速試験において、J-PARCリニアックの予備機として製作されたRFQ(RFQ II)を用いる予定である。この論文では、初期の加速試験に用いる、アルミニウムのデグレーダを用いた低速ミューオン源の開発状況、また、このミューオン源を用いたミューオン加速のシミュレーション研究について述べる。

論文

Electronic structure of hydrogen donors in semiconductors and insulators probed by muon spin rotation

下村 浩一郎*; 伊藤 孝

Journal of the Physical Society of Japan, 85(9), p.091013_1 - 091013_5, 2016/09

 被引用回数:2 パーセンタイル:71.88(Physics, Multidisciplinary)

Hydrogen in semiconductors and insulators plays a crucial role in their electric conductivity. Substantial experimental and theoretical efforts have been made to establish this hypothesis in the last decade, and the muon spin rotation technique has played a pioneering role. Positive muons implanted into such low-carrier systems often form a muonium (a hydrogen analogue). Although its dynamical aspect may be different from the heavier hydrogen, the electronic structure of the muonium is expected to be identical to that of hydrogen after a small correction of the reduced mass. Since the discovery of a shallow muonium in CdS, its properties have been intensively studied in many semiconductors and insulators, and then it was interpreted as a possible origin of $$n$$-type conductivity under the context of a classical shallow donor model. In this article, we will describe the principle of muonium experiments and survey recent achievements in this field.

論文

Online monitoring of negative muon beam profiles at J-PARC MUSE using a gated image intensifier

伊藤 孝; 髭本 亘; 二宮 和彦*; 久保 謙哉*; 河村 成肇*; 下村 浩一郎*

JPS Conference Proceedings (Internet), 8, p.036014_1 - 036014_5, 2015/09

We report on negative muon beam imaging at J-PARC MUSE using a newly-developed online muon beam profile monitor. A beam spot of a 3.8-MeV pulsed negative muon beam was clearly visualized in a few minutes. Decay electron background was significantly reduced owing to high-speed gating capability of a gated image intensifier installed in the muon beam profile monitor. A 3D map of negative muon intensity distribution was obtained at around the beam exit in the D2 experimental area, using a movable feature of this instrument.

論文

Tuning of ultra-slow muon transport system

足立 泰平*; 池戸 豊*; 西山 樟生*; 薮内 敦*; 長友 傑*; Strasser, P.*; 伊藤 孝; 髭本 亘; 小嶋 健児*; 牧村 俊助*; et al.

JPS Conference Proceedings (Internet), 8, p.036017_1 - 036017_4, 2015/09

We report on the tuning of the ultra-slow muon beam line at J-PARC MUSE using Li impurities in a tungsten muonium production target in place of positive muons. Li ions were evaporated from the tungsten target by heating it up to 2000K and were transported in the ultra-slow muon beam line. The Li ion beam was monitored by micro channel plates installed at several points in the beam line. The Li beam was successfully transported to the end of the beam line after optimization of beam line parameters.

論文

Nondestructive elemental depth-profiling analysis by muonic X-ray measurement

二宮 和彦*; 久保 謙哉*; 長友 傑*; 髭本 亘; 伊藤 孝; 河村 成肇*; Strasser, P.*; 下村 浩一郎*; 三宅 康博*; 鈴木 栄男*; et al.

Analytical Chemistry, 87(9), p.4597 - 4600, 2015/05

 被引用回数:11 パーセンタイル:47.24(Chemistry, Analytical)

Elemental analysis of materials is fundamentally important to science and technology. Many elemental analysis methods have been developed, but three-dimensional nondestructive elemental analysis of bulk materials has remained elusive. Recently, we developed a nondestructive depth-profiling elemental analysis method after a decade of research. This new method utilizes a new type of probe; a negative muon particle and high-energy muonic X-rays emitted after the muon stops in a material. We performed elemental depth profiling on an old Japanese gold coin (Tempo-Koban) using a low-momentum negative muon beam and successfully determined that the Au concentration in the coin gradually decreased with depth over a micrometer length scale.

論文

ミュオニウムで探る誘電材料中の不純物水素の電子状態

伊藤 孝; 髭本 亘; 幸田 章宏*; 下村 浩一郎*

四季, 26, P. 5, 2015/03

超小型・大容量の積層セラミックチップコンデンサ(MLCC)は電子機器の小型化・軽量化に欠かせない電子部品である。高誘電率系MLCCの誘電材料には主にBaTiO$$_3$$が用いられ、素子の性能はその品質に大きく依存する。ゆえに、BaTiO$$_3$$結晶中における特定の欠陥・不純物の電子状態を明かにしておくことは、その応用において大変重要である。本研究では最もありふれた不純物である水素に着目した。我々はBaTiO$$_3$$中の希薄な不純物水素の電子状態を調べるためにミュオニウム(水素の放射性同位体と見なせる)を用いた。BaTiO$$_3$$中のミュオニウムの電子状態を詳しく調べた結果、伝導帯下端から数十meVのところに浅い不純物準位を形成することが明らかになった。実際の不純物水素もこの疑似水素と同様に浅いドナーとして振る舞うと考えられる。

論文

Online full two-dimensional imaging of pulsed muon beams at J-PARC MUSE using a gated image intensifier

伊藤 孝; 豊田 晃久*; 髭本 亘; 田島 美典*; 松田 恭幸*; 下村 浩一郎*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 754, p.1 - 9, 2014/08

 被引用回数:6 パーセンタイル:45.36(Instruments & Instrumentation)

A new muon beam profile monitor (MBPM) was developed to diagnose pulsed muon beams in J-PARC MUSE, mainly composed of a scintillation screen, a gated image intensifier (II), and a cooled CCD camera. The MBPM was designed to be compact so that it could be inserted into the bore of the $$mu$$SR spectrometer in the D1 area and used concurrently. The spatial resolution of the MBPM was evaluated to be in the range from one to two line-pair/mm, depending on II gain. Such high-resolution muon beam profiles were obtained online for a positive muon beam with a kinetic energy of $$sim$$ 4 MeV. The contribution from decay positrons was significantly reduced owing to II gating. The linearity of the MBPM was evaluated on the bases of the number of decay positrons monitored by the $$mu$$SR spectrometer. A linear response within five percent deviations was confirmed over more than two orders of magnitude. In addition, 3D imaging capability, use in vacuum, and immunity against moderate magnetic fields were demonstrated.

論文

Shallow donor level associated with hydrogen impurities in undoped BaTiO$$_3$$

伊藤 孝; 髭本 亘; 松田 達磨*; 幸田 章宏*; 下村 浩一郎*

Applied Physics Letters, 103(4), p.042905_1 - 042905_4, 2013/07

 被引用回数:7 パーセンタイル:62.55(Physics, Applied)

The influence of hydrogen impurities on electronic properties of undoped BaTiO$$_3$$ was studied from a microscopic point of view using the muon spin rotation and relaxation technique. Electron localization around an implanted positive muon, by analogy an hydrogen impurity, was observed below $$sim$$80 K. The effective electron binding energy was estimated to be $$sim10^{-2}$$ eV, indicating that the hydrogen-induced defect forms a shallow donor level. At room temperature, the weakly bound electron is excited into a conduction band and behaves as a free carrier, which causes insulation degradation undesirable for capacitor application.

論文

Development of nondestructive and quantitative elemental analysis method using calibration curve between muonic X-ray intensity and elemental composition in bronze

二宮 和彦; 長友 傑*; 久保 謙哉*; 伊藤 孝; 髭本 亘; 喜多 真琴*; 篠原 厚*; Strasser, P.*; 河村 成肇*; 下村 浩一郎*; et al.

Bulletin of the Chemical Society of Japan, 85(2), p.228 - 230, 2012/02

 被引用回数:13 パーセンタイル:52.4(Chemistry, Multidisciplinary)

負ミュオンが物質中に停止しミュオン原子が形成すると、高エネルギーで透過力の強いミュオン特性エックス線が放出される。本研究ではミュオン特性エックス線測定による非破壊元素分析技術の開発を行った。元素の構成比が既知の青銅の標準試料に対して負ミュオンの照射を行い、ミュオン原子が形成した後に放出されるミュオン特性エックス線の強度から、青銅に含まれる元素構成を決定するための検量線を作成した。この関係を用いて成分が未知の中国の古銭について負ミュオンの照射を行い、得られたミュオン特性エックス線スペクトルから古銭の元素の構成比を非破壊で決定した。

論文

Development of elemental analysis by muonic X-ray measurement in J-PARC

二宮 和彦; 長友 傑*; 久保 謙哉*; Strasser, P.*; 河村 成肇*; 下村 浩一郎*; 三宅 康博*; 齋藤 努*; 髭本 亘

Journal of Physics; Conference Series, 225, p.012040_1 - 012040_4, 2010/06

 被引用回数:9 パーセンタイル:5.59

蛍光エックス線分析と同じように、負ミュオンの入射によって形成されるミュオン原子から放出される、ミュオン特性エックス線の測定による元素分析手法が考えられる。本研究ではJ-PARCミュオン施設において、ミュオン特性エックス線の測定による元素分析手法開発のため、半導体検出器からなる実験システムの構築を行った。元素分析のテスト実験として、天保小判(19世紀、日本)に負ミュオンの照射を行い、ミュオン特性エックス線を測定した。エックス線の強度から、天保小判の金含有率が56%と非破壊で定量でき、これは破壊分析による分析値とも良い一致を示している。

論文

J-PARC muon facility, MUSE

三宅 康博*; 下村 浩一郎*; 河村 成肇*; Strasser, P.*; 牧村 俊助*; 幸田 章宏*; 藤森 寛*; 中原 一隆*; 竹下 聡史*; 小林 庸男*; et al.

Journal of Physics; Conference Series, 225, p.012036_1 - 012036_7, 2010/06

 被引用回数:7 パーセンタイル:8

The science facility (MUSE) along with the neutron, hadron and neutrino facilities is one of the experimental areas PF the J-PARC project, which was approved for construction in a period from 2001 to 2008. Construction of the MLF building was started in the beginning of 2004, and was completed at the end of the 2006 fiscal year. On September 19th, 2008, the graphite target for muon production was placed into the 3 GeV proton beam line. On September 26th, 2008, we finally succeeded to extract surface muon beams. We also succeeded in the extraction of the decay muons on December 25th, 2008.

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