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論文

Optimized TES microcalorimeters with 14 eV energy resolution at 30 keV for $$gamma$$-ray measurements of the $$^{229}$$Th isomer

村松 はるか*; 林 佑*; 湯浅 直樹*; 紺野 良平*; 山口 敦史*; 満田 和久*; 山崎 典子*; 前畑 京介*; 菊永 英寿*; 滝本 美咲; et al.

Journal of Low Temperature Physics, 200(5-6), p.452 - 460, 2020/09

https://doi.org/10.1007/s10909-020-02458-7
 被引用回数：1 パーセンタイル：6.04(Physics, Applied)

We have developed a four-pixel array of superconducting transition-edge sensors with gold absorbers for the detection of a 29.2 keV $$gamma$$-ray doublet decay from $$^{229}$$Th. To identify the decay, an energy resolution better than 20 eV full width at half maximum (FWHM) is needed. We measured an energy resolution of 14 eV FWHM for 26 keV $$gamma$$-ray decay from an $$^{241}$$Am isotope in combined data of three pixels. We describe the design and the performance of the devices and discuss the baseline correction method to compensate the variation in the baseline, which was observed during the evaluation of the performance using the $$^{241}$$Am isotope.

論文

Energy of the $$^{229}$$Th nuclear clock isomer determined by absolute $$gamma$$-ray energy difference

山口 敦史*; 村松 はるか*; 林 佑*; 湯浅 直樹*; 中村 圭佑; 滝本 美咲; 羽場 宏光*; 小無 健司*; 渡部 司*; 菊永 英寿*; et al.

Physical Review Letters, 123(22), p.222501_1 - 222501_6, 2019/11

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.222501
 被引用回数：36 パーセンタイル：89.11(Physics, Multidisciplinary)

The low-lying isomeric state of $$^{229}$$Th provides unique opportunities for high-resolution laser spectroscopy of the atomic nucleus. We determine the energy of this isomeric state by measuring the absolute energy difference between two $$gamma$$-decays from the 29.2-keV second-excited state. A transition-edge sensor microcalorimeter was used to measure the absolute energy of the 29.2-keV $$gamma$$-ray with improved precision. Together with the cross-band transition energy (29.2 keV$$rightarrow$$ground) and the branching ratio of the 29.2-keV state measured in a recent study, the isomer energy was determined to be 8.30$$pm$$0.88 eV. Our result is in agreement with latest measurements based on different experimental techniques, which further confirms that the isomeric state of $$^{229}$$Th is in the laser-accessible vacuum ultraviolet range.

論文

Real-time whole-plant imaging of $$^{11}$$C translocation using positron-emitting tracer imaging system

河地 有木; 鈴井 伸郎; 石井 里美; 伊藤 小百合; 石岡 典子; 山崎 治明; 岩崎 郁*; 小川 健一*; 藤巻 秀

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 648(Suppl.1), p.S317 - S320, 2011/08

https://doi.org/10.1016/j.nima.2010.10.152
 被引用回数：19 パーセンタイル：80.18(Instruments & Instrumentation)

Elucidation of carbon kinetics in a plant is important from viewpoint of environmental reduction in the amounts of atmospheric carbon dioxide (CO$$_{2}$$) and from an agricultural viewpoint in terms of the growth and development of the plant body. In articular photosynthetic CO$$_{2}$$ fixation and photoassimilate translocation are important topics for understanding the mechanisms underlying carbon kinetics. In this study, we have developed a method to investigate the carbon kinetics by using one of the most powerful radionuclide-based imaging techniques for plant study, that is, the positron emitting tracer imaging system (PETIS). Carbon-11-labeled carbon dioxide ($$^{11}$$CO$$_{2}$$) and PETIS enable video imaging of tracer dynamics of carbon fixation, photosynthesis, and translocation. Because of a large field of view (FOV) provided by the PETIS and the sufficiently small size of soybeans (${it Glycine max}$ cultive Jack) that fit in the FOV, dynamic quantitative PETIS data of gradual changing in $$^{11}$$C activity and $$^{11}$$C distribution throughout the entire intact plant body after pulse-chase $$^{11}$$CO$$_{2}$$ treatment is acquired. This indicates the successful imaging of CO$$_{2}$$ photoassimilate translocation from the time of infusion into leafs to that of distribution of the whole plant body; further, carbon kinetics is analyzable to understand plant physiology and nutrition.

論文

Carbon translocation in a whole plant body by using Positron Emitting Tracer Imaging System (PETIS) and carbon-11-labeled carbon dioxide ($$^{11}$$CO$$_{2}$$)

河地 有木; 鈴井 伸郎; 石井 里美; 伊藤 小百合; 石岡 典子; 山崎 治明; 岩崎 郁*; 小川 健一*; 藤巻 秀

JAEA-Review 2010-065, JAEA Takasaki Annual Report 2009, P. 101, 2011/01

https://jopss.jaea.go.jp/pdfdata/JAEA-Review-2010-065.pdf

Elucidation of carbon kinetics in a plant is important from viewpoint of environmental reduction in the amounts of atmospheric carbon dioxide (CO$$_{2}$$) and from an agricultural viewpoint in terms of the growth and development of the plant body. In particular photosynthetic CO$$_{2}$$ fixation and photoassimilate translocation are important topics for understanding the mechanisms underlying carbon kinetics. In this study, we have developed a method to investigate the carbon kinetics by using one of the most powerful radionuclide-based imaging techniques for plant study, that is, the Positron Emitting Tracer Imaging System (PETIS) and carbon-11-labeled carbon dioxide ($$^{11}$$CO$$_{2}$$).

論文

Noninvasive imaging of zinc dynamics in an intact plant using the positron-emitting tracer $$^{65}$$Zn

鈴井 伸郎; 山崎 治明*; 河地 有木; 石井 里美; 石岡 典子; 藤巻 秀

JAEA-Review 2010-065, JAEA Takasaki Annual Report 2009, P. 105, 2011/01

https://jopss.jaea.go.jp/pdfdata/JAEA-Review-2010-065.pdf

$$^{65}$$Zn (half-life: 244 days) is commercially available and frequently used as a zinc tracer in plants. $$^{65}$$Zn decays with 98.6% by electron capture and 1.4% by positron emission to stable 65Cu. Because of its weak positron emission, $$^{65}$$Zn was thought to be unsuitable for positron imaging, but there has been no verification of the possibility. In this study, we examined whether positron imaging of zinc is possible using $$^{65}$$Zn and a positron-emitting tracer imaging system (PETIS). The tracer solution containing 400 kBq $$^{65}$$Zn was fed to a rice plant (${it Oryza sativa}$ L.) and the dynamics of $$^{65}$$Zn in plant was monitored by PETIS. As a result, serial images of $$^{65}$$Zn distribution were successfully obtained every 5 minutes for 48 hours. In addition, the uptake kinetics (${it K}$m/${it V}$max) and the translocation velocity of zinc in plant were determined from the image data. These results indicate that $$^{65}$$Zn is a suitable radioisotope for noninvasive imaging by PETIS. By taking advantage of the long half-life, $$^{65}$$Zn translocation can be visualized all through the life of plants. Furthermore, the commercial availability of $$^{65}$$Zn makes it possible to conduct noninvasive imaging of zinc in facilities without cyclotron, accelerating the research of zinc dynamics in plants.

論文

Quantitative evaluation of rice varieties in cadmium uptake activities for remediation of cadmium-contaminated soil

石川 覚*; 鈴井 伸郎; 伊藤 小百合*; 石井 里美; 山崎 治明*; 河地 有木; 石岡 典子; 藤巻 秀

JAEA-Review 2010-065, JAEA Takasaki Annual Report 2009, P. 102, 2011/01

https://jopss.jaea.go.jp/pdfdata/JAEA-Review-2010-065.pdf

In this study, we evaluated the activities on Cd translocation of a few candidate varieties and analyzed the biological mechanisms using a positron-emitting tracer imaging system (PETIS). Three common rice cultivars, Nipponbare, Koshihikari and Sasanishiki and three candidate varieties were subjected. We equally fed the hydroponic culture solution including $$^{107}$$Cd to the six test plants and obtained the serial images of the Cd distribution in the aerial parts for 36 h using PETIS. As a result, It was found that the three candidate plants accumulated Cd in their aerial parts approximately two times as common cultivars. It was also found that almost all Cd in the culture solution was absorbed by all the tested plants. Therefore, this result indicates that the difference was due to greater activities of the candidates in the process to export Cd from the root tissue to the aerial parts, but not in the process of absorption from the culture.

口頭

$$^{11}$$Cを用いた光合成産物のイメージング; ソース・シンクバランスと転流速度の解析

鈴井 伸郎; 河地 有木; 石井 里美; 伊藤 小百合; 山崎 治明*; 中村 進一*; 石岡 典子; 藤巻 秀

no journal, , 

$$^{11}$$Cトレーサー及びPositron Imaging Tracer Imaging System (PETIS)を用い、人為的にソース・シンク器官の機能を阻害した植物の糖転流の速度変化を解析した。供試植物として播種後約4週間のイネ(${it Oryza sativa}$ L.)を用いた。葉に100MBqの$$^{11}$$CO$$_{2}$$を含む空気を供給し、$$^{11}$$Cで標識された糖が葉から根へと転流する過程をPETISにより撮像した。ソース・シンク器官の機能阻害処理は、ショ糖トランスポーターの阻害剤である${it p}$-chlorobenzenesulfonic acid (PCMBS)を葉面塗布及び経根投与することで行った。PCMBS処理後数時間に渡り、PETISによる撮像を行った。得られた画像データから各器官における$$^{11}$$Cの放射能量の経時変化のグラフを作成し、$$^{11}$$Cトレーサーの到達時間を推定する解析方法を用いて、各区での糖転流の速度を算出したところ、ソース器官にPCMBS処理を行った植物の糖転流速度の低下が確認できた。

口頭

シンク・ソースバランス改変時の糖転流速度の解析

鈴井 伸郎; 河地 有木; 石井 里美; 伊藤 小百合; 山崎 治明*; 中村 進一*; 石岡 典子; 藤巻 秀

no journal, , 

高等植物は葉(ソース器官)で合成した糖を、根や生長点などの器官(シンク器官)に転流させ、個体維持に必要なエネルギー源を全身に行き渡らせている。さらに、シンク器官とソース器官との間で情報をやり取りし、糖の転流量を必要に応じてダイナミックに変化させることで、自らの生育段階や外的環境の変化に対応している。このソース-シンク器官間に存在する情報伝達の機構を明らかにするうえで、環境に応じた糖の転流量の変化を経時的かつ非侵襲的に測定することができるPositron Emitting Tracer Imaging System (PETIS)は非常に強力な研究ツールである。われわれは、PETISで得られた炭素動態の動画像データから糖の転流速度を算出するプログラムを開発した。本発表では、ダイズ(${it Glycine max}$)及びイネ(${it Oryza sativa}$)を供試植物として用い、ソース葉及び隣接する葉の光強度を変化させた植物の炭素動態をPETISにより撮像することで、植物個体のシンク・ソースバランスに対する糖転流速度の応答を解析した結果を報告する。

口頭

農作物生産の諸課題に対するポジトロンイメージングを用いた取り組み

藤巻 秀; 河地 有木; 鈴井 伸郎; 石井 里美; 伊藤 小百合; 山崎 治明; 石岡 典子

no journal, , 

安全な食糧の安定供給は、言うまでもなく、人類共通の目標である。しかしながら、不良環境の増大など、今後の農業をとりまく状況は厳しい。「吸収」「同化」「移行」「蓄積」などから成る植物の物質輸送機能を人為的に制御し、利用することが農業の本質であり、これらの機能の研究は食糧生産上の諸問題の解決に対して重要な役割を担っている。われわれはこれまで10年以上に渡り、ポジトロン放出核種で標識したさまざまなトレーサを製造し、光合成産物,硝酸イオン,鉄,亜鉛,マンガンなどの栄養、またカドミウム,バナジウムなどの有害物質が生きた植物体内を移行する様子を撮像し、その挙動を解析してきた。さらに、実用的な知見を得るために「炭素固定速度」などの定量的情報を数理的解析によって動画像データから導くアルゴリズムの開発を進めてきており、環境応答に関する研究を行っている。本発表では代表的な研究例を紹介し、今後の展望について述べる。

口頭

CdTe検出器を用いた植物栄養の複数元素同時モニタリングシステムの開発

鈴井 伸郎; 山口 充孝; 河地 有木; 山崎 治明; 石岡 典子; 藤巻 秀

no journal, , 

本発表では、「生きた植物体」における「複数元素」の吸収活性を測定するために開発した、$$gamma$$線スペクトロメーターを用いたモニタリングシステムについて報告する。$$gamma$$線スペクトロメーターとして高エネルギー分解能を持つCdTe半導体検出器を用い、異なる$$gamma$$線を放出する植物栄養元素のRIトレーサーを植物体に投与し、水耕液中の$$gamma$$線スペクトルを連続的に取得するシステムを構築した。次に播種後4週間のイネに$$^{109}$$Cd(80kBq)及び$$^{65}$$Zn(650kBq)を経根投与し、得られた$$gamma$$線スペクトルの経時データから88keV及び1116keVのピークカウントを抽出した。その結果、イネにおける$$^{109}$$Cd及び$$^{65}$$Znの吸収量の経時変化を12時間に渡り追跡することに成功した。現在、$$^{54}$$Mnと$$^{59}$$Feを加えた計4核種の同時モニタリングを検討しており、「植物栄養学」の研究分野において高いインパクトを持つRIトレーサー実験系の確立を目指している。

口頭

$$^{65}$$Znを用いた植物体内における亜鉛のポジトロンイメージング

鈴井 伸郎; 山崎 治明; 河地 有木; 石井 里美; 伊藤 小百合; 石岡 典子; 藤巻 秀

no journal, , 

植物体内における亜鉛の動態をポジトロンイメージング技術により可視化する際に、これまでは$$^{62}$$Znを自ら製造して用いてきたが、娘核種の$$^{62}$$Cuがポジトロン放出核種である問題があった。そこで本研究では、購入可能なRIである$$^{65}$$Zn(娘核種$$^{65}$$Cuは安定同位体)をトレーサーに用いることで、亜鉛のポジトロンイメージングが可能であるかを検証した。par400kBqの$$^{65}$$Znを含むトレーサー溶液をイネに投与し、PETISで撮像したところ、$$^{65}$$Znが根から吸収され、地上部へ輸送され、蓄積される動画像を得ることができた。さらに、異なるキャリア濃度(基質濃度)のトレーサー溶液を投与した際の動画像から、$$^{65}$$Znの吸収速度を算出し、ミカエリス・メンテン式を用いることで、イネにおける亜鉛の吸収特性(Km, Vmax)を評価することに成功した。

口頭

$$^{11}$$Cを用いた光合成産物のイメージングによる植物の節の機能解析

山崎 治明; 鈴井 伸郎; 河地 有木; 石井 里美; 伊藤 小百合; 島田 浩章*; 石岡 典子; 藤巻 秀

no journal, , 

本研究では植物の節における元素分配メカニズムの解明を目的とし、まず節の機能を人為的に阻害する実験系の確立を目指した。今回、その候補として植物の一部を局所的に冷やす試みを行った。ダイズの葉柄、及びイネの茎基部に局所冷却を施し、それぞれの葉に$$^{11}$$CO$$_{2}$$を投与した。次に、植物が$$^{11}$$CO$$_{2}$$を吸収・固定し、$$^{11}$$C-光合成産物として体内を移行・蓄積する様子を、PETISを用いてそれぞれ2時間撮像した。実験終了後、得られた動画像からダイズの節及びイネの茎基部における$$^{11}$$C放射活性の経時変化を算出し、局所冷却を行わなかった場合と比較した。その結果、局所冷却を行ったダイズ、イネでは、ともに節での$$^{11}$$C-光合成産物の蓄積量に減少傾向が見られた。また、ダイズでは$$^{11}$$C-光合成産物の節への到達時間に遅延が認められた。これらの結果より、局所冷却によって篩管内及び節での光合成産物の移行量が減少することが明らかとなり、節の機能を阻害する手段として局所冷却が有効である可能性が示された。

口頭

Real-time imaging of zinc uptake and translocation in an intact plant using $$^{65}$$Zn

鈴井 伸郎; 山崎 治明; 河地 有木; 石井 里美; 石岡 典子; 藤巻 秀

no journal, , 

Zinc is an essential element for plants. Real-time imaging of zinc dynamics has been a powerful tool for elucidating how plants regulate zinc uptake and translocation. In the past decade, we have employed a positron-emitting tracer imaging system (PETIS), which provides serial time-course images of the two-dimensional distribution of a radioisotope (e.g. $$^{11}$$C, $$^{13}$$N, $$^{52}$$Fe, $$^{64}$$Cu, $$^{107}$$Cd) in an intact plant without contact. Real-time imaging of zinc by PETIS has been conducted using $$^{62}$$Zn (half-life: 9.2 hours), which was produced by ourselves in the facility with a cyclotron. In this study, we demonstrate that real-time imaging of zinc is also possible using commercially available radioisotope, $$^{65}$$Zn (half-life: 244 days). The tracer solution containing $$^{65}$$Zn was fed to a rice plant and serial images of $$^{65}$$Zn distribution were successfully obtained by PETIS. Uptake kinetics (Km/V$$_{rm max}$$) and translocation velocity of zinc were determined from the image data. Furthermore, we observed zinc translocation for several weeks by taking advantage of the long half-life. These results indicate that $$^{65}$$Zn is widely useful for the analysis of zinc dynamics in plants.

口頭

$$^{65}$$Znを用いた植物体内における亜鉛のリアルタイムイメージング

鈴井 伸郎; 山崎 治明; 河地 有木; 石井 里美; 石岡 典子; 大山 卓爾; 藤巻 秀

no journal, , 

植物体内における亜鉛の動態をポジトロンイメージング技術により可視化する際に、これまでは$$^{62}$$Znを自ら製造して用いてきたが、娘核種の$$^{62}$$Cuがポジトロン放出核種である問題があった。本発表では購入可能なRIである$$^{65}$$Zn(娘核種$$^{65}$$Cuは安定同位体)にトレーサーに用いることで、亜鉛のポジトロンイメージングが可能であるかを検証した。400kBqの$$^{65}$$Znを含むトレーサー溶液をイネに投与し、PETISで撮像したところ、$$^{65}$$Znが根から吸収され、地上部へ輸送され、蓄積される動画像を得ることができた。さらに、異なるキャリア濃度(基質濃度)のトレーサー溶液を投与した際の動画像から、$$^{65}$$Znの吸収速度を算出し、ミカエリス・メンテン式を用いることで、イネにおける亜鉛の吸収特性(Km, Vmax)を評価することに成功した。

口頭

$$^{11}$$Cを用いた光合成産物のイメージングによる植物の節の機能解析

山崎 治明; 鈴井 伸郎; 河地 有木; 石井 里美; 伊藤 小百合; 島田 浩章*; 石岡 典子; 藤巻 秀

no journal, , 

本研究では植物の節における元素分配メカニズムの解明を目的とし、まず節の機能を人為的に阻害する実験系の確立を目指した。今回、その候補として植物の一部を局所的に冷やす試みを行った。ダイズの葉柄、及びイネの茎基部に局所冷却を施し、それぞれの葉に$$^{11}$$CO$$_{2}$$を投与した。次に、植物が$$^{11}$$CO$$_{2}$$を吸収・固定し、$$^{11}$$C-光合成産物として体内を移行・蓄積する様子を、PETISを用いてそれぞれ2時間撮像した。実験終了後、得られた動画像からダイズの節及びイネの茎基部における$$^{11}$$C放射活性の経時変化を算出し、局所冷却を行わなかった場合と比較した。その結果、局所冷却を行ったダイズ,イネでは、ともに節での$$^{11}$$C-光合成産物の蓄積量に減少傾向が見られた。また、ダイズでは$$^{11}$$C-光合成産物の節への到達時間に遅延が認められた。これらの結果より、局所冷却によって篩管内及び節での光合成産物の移行量が減少することが明らかとなり、節の機能を阻害する手段として局所冷却が有効である可能性が示された。

口頭

トリウム229異性体のX線マイクロカロリメータを用いた分光実験

村松 はるか*; 湯浅 直樹*; 林 佑*; 紺野 良平*; 山口 敦史*; 満田 和久*; 山崎 典子*; 菊永 英寿*; 中村 圭佑; 滝本 美咲; et al.

no journal, , 

物理定数である微細構造定数の恒常性については常に検証の対象であり、その測定方法の一つに異種の原子時計の周波数を比較する方法がある。さらに新たな可能性として$$^{229}$$Thの29.19keVから遷移する基底準位と異性体準位のエネルギーの差を使用した原子核時計を用いることで、微細構造定数の時間変動に対する精度が5桁も向上すると期待されている。$$^{229}$$Th異性体準位エネルギー測定方法には29.19keVダブレットの直接観測と他の崩壊系列から間接的に推定する方法があり、$$^{229}$$Th異性体準位エネルギーは間接的な推定から7.8$$pm$$0.5eVと求められている。しかし、このエネルギーに相当するシンクロトロン光で$$^{229}$$Thの基底準位が直接励起された報告はなく、0.5eV以上の系統誤差が存在する可能性がある。現在可能性のある$$^{229}$$Th異性体準位エネルギーは$$^{229}$$Thイオンの半減期から見積もられた6.3-18.3eVである。この広帯域をシンクロトロン光にてスキャンすることは困難であり、系統誤差を抑えるためにも$$gamma$$線分光による29.19keVダブレットの直接観測が望まれる。そこで我々は、29.19keVダブレットの直接分光を可能とするTES型X線マイクロカロリメータの開発を行った。そして$$sim$$30keVのエネルギーに対して15eVのエネルギー分解能を有する素子を開発し、29.19keVダブレットの直接観測が可能となることをシミュレーションを用いて示した。本講演では、検出器の開発、評価結果とシミュレーション結果について報告する。

口頭

Challenge to improve the $$^{229}$$Th isomer energy measurement with TES calorimeters

田中 圭太*; 平野 航亮*; 山口 敦史*; 村松 はるか*; 林 佑*; 湯浅 直樹*; 中村 圭佑; 滝本 美咲; 羽場 宏光*; 白崎 謙次*; et al.

no journal, , 

Determination of the isomer energy of $$^{229}$$Th is essential to realize a nuclear clock by an UV laser excitation. Several experiments such as spectroscopy of internal conversion electrons or $$gamma$$-ray spectroscopy using TES or magnetic calorimeters have been made and the isomer energy seems to converge to around 8 eV. In 2019, we have measured the energy of the 29.2-keV $$gamma$$-ray with a single-pixel TES, and determined the isomer energy to be 8.30$$pm$$0.92 eV (A. Yamaguchi et al. 2019). We continued our experiments at Tohoku University to reduce the statistical errors and determination of the isomer energy with smaller uncertainty. We optimized a TES design and achieved an improved energy resolution of about 20 eV (H. Muramatsu et al. 2020). By using 3 pixels of this new TES elements with a 5 times stronger $$^{233}$$U source, the new measurements we reperformed. We are also trying to resolve two emission lines separating by the isomer energy, which were successfully demonstrated with magnetic calorimeters (T. Sikorskyet al. 2020). We will report the results obtained in our new measurement campaigns.

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