偏極ターゲット開発の現状 @ 山形大学 Current status of development of polarized targets @Yamagata Univ. 山形大学松田洋樹 Yamagata Univ. H. MATSUDA

Index 1. 偏極標的と偏極度 (Pol. Target and DoP) 2. 能動核偏極 (Dynamic Nuclear Polarization) 3. 不対電子 (Free Radical) 4. 不対電子の測定 (Electron Spin Resonance) 5. 偏極度測定 (Nuclear Magnetic Resonance) 6. 極低温を得る方法 (Dilution refrigeration) 7. 開発の実際 @ 山形大学 (development of Pol. target.) 8. 今後の展望 (Foresight)

1. 偏極標的と偏極度 偏極標的? 原子核のスピンをそろえた標的比較的軽い原子核を利用 (e.g., H, D, Li, etc) 偏極度 P := Particle Number S 3 S S 3 N + P := N - +1/2-1/2 N N N N for particles with spin 1/2

1. Define: 偏極度 Magnetic field: B Energy: E Particle Number E = + μb E = 0 N - P := N N N N E = - μb N + for particles with spin 1/2 Positively Charged particle with spin 1/2 磁場によりゼーマン分離 Energy Diff. ΔE = 2μB, μ: Magnetic moment

1. Define: 偏極度 Magnetic moment Electron: e g S B e g e -2.0023193043622(15) e B 2m e Nucleon: i g I i i g g p n 5.585694713(46) -3.82608545(90) i e 2M i

1. Define: 偏極度 温度 T の熱平衡 (Thermal Equilibrium) 状態 : 粒子数 = ボルツマン分布に従う N ± exp( E / kt) P = N N N N =tanh E kt P E / kt if E / kt 1

1. Define: 偏極度 Electron: μ = -9.284764E-24 J/T Proton: μ = 1.4106067E-26 J/T B = 2.5 T, 温度 T = 1k の熱平衡状態で, P = 93% v.s. P = 0.26% 高磁場, 極低温の条件だけでは陽子を偏極させるのは難しい 電子のスピンを陽子に移せば良いではないか! だけど ホントに出来るの? そんな方法あるの?

2. 能動核偏極 (Dynamic Nuclear Polarizaion) Energy B +, - > t e 1 ms State: e, p> ΔE = hν ΔE = hν,ν: 周波数 ~70GHz のマイクロ波を照射する +, + > 電子のスピン緩和時間 t e v.s. 陽子のスピン緩和時間 t p = 1 : 1000 -, - > t p 1 s -, + > スピンがそろう!

3. 不対電子 (Free Radical) DNP に必要な不対電子はどうする? 元々不対電子を持つ物質を偏極標的に混入させる 偏極標的物質の結合を切る Target Material Matter with free radical e.g. TEMPO, TEMPOL, FINLAND D36, etc Target Material Beam e.g. electron beam, proton beam, etc e.g. Polyethelene, D-butanol, Polymer, etc e.g. LiD, NH3, D-Butanol Target material Target material

3. 不対電子 (Free Radical) EPM+ TEMPO Irradiation dope Chemical dope Irradiated(proton beam) PE Polyethelene + TEMPO

4. 不対電子の測定 電子があればいいと言ったが, 適量 ( 濃度 ) が存在 多すぎる 少なすぎる 陽子に電子のスピンを効率よく移せない どうやって量を測定する? 電子スピン共鳴,ESR(Electron Spin Resonance)

4. 不対電子の測定 Magnetic field: B Energy: E Electron E = + μb E = 0 ΔE = 2μB = hν Electron E = - μb 電子多体系なので実際は gμ B B= hν, g= g-factor 条件式を満たすマイクロ波を照射 電子はエネルギーを吸収する 吸収量 自由電子の数 吸収量を測れば数 ( 濃度 ) が判る

4. 不対電子の測定 ν 9.46GHz(X-band) at B 330mT 1 st diff. absorption curve Absorption curve

4. 不対電子の測定 Polyethelene fiber

5. 偏極度測定 (Measurement of DoP) 偏極度 : スピンの数が数えれば良い どうやって数を測定する? 核磁気共鳴,NMR(Nuclear Magnetic Resonance) c.f. MRI(Magnetic Resonance Imaging)

5. 偏極度測定 (Measurement of DoP) Magnetic field: B Energy: E E- ΔE = E - - E + = hν proton E+ 条件式を満たすマイクロ波を照射 陽子はエネルギーを吸収する 信号強度 偏極度 NMR 信号を見れば偏極度が判る

5. 偏極度測定 (Measurement of DoP) c.f. ラジオ

5. 偏極度測定 (Measurement of DoP) P = 8.46% P P S TE S TE S : 信号面積 S P TE TE : 温度 Tの熱平衡状態の信号面積 : 温度 Tの熱平衡状態の偏極度

6. 極低温を得る方法 低温を得る方法は? He3 4 希釈冷凍 (dilution refrigeration) 超流動 He4 と常流動 He3 の混合熱を利用.

6. 極低温を得る方法 MC, H.E. Still evaporator separator 名大 PT 研からの Cryostat 昨年度更新した Cryostat 改良点 : 大黒柱 の設置 He4 を用いた予冷ラインの設置 Liq.He3 Target 用 He3 供給ラインの設置

7. 開発の実際 @ 山形大学 Year Proton source Free radical source DoP 2005 Liq. He3 TEMPO + Zeolite Not observed 2006 Liq. He3 TEMPO + Zeolite 0.3%, -0.2% 2007 Liq.He3 TEMPO + Zeolite 0.9%, -0.12% 2007 EPM TEMPO 0.84%, -0.12% 2008 Polyethelene sheet TEMPO 8.46%, -2.9% 2009 Polyethelene sheet & fiber Electron OR Proton beam Not tested yet 低 DoP の理由 :Cryostat の安定性が良くない. NMR 系の不具合. He を使いきってしまった. etc.

7. 開発の実際 @ 山形大学 2009 年 :PE (sheet, fiber) + electron or proton beam Sheet の利点 : 常温で固体 取り扱いが楽 薄い 薄膜作製が容易 Fiber の利点 : 表面積の増加 cooling power の向上 さらに冷やせる + マイクロ波照射量を増やせる 高偏極 高い変形性 加工が容易 常温で固体 取り扱いが楽

7. 開発の実際 @ 山形大学 2009 年 :PE with electron or proton beam Sheet Fiber 2010~: Fabric? Irradiated by Proton Beam

8. 今後の展望 (Foresight) Irrad. PE の電子スピン濃度測定最適な濃度を探る Irrad. PE の偏極テスト偏極度, 緩和時間の測定 2010 年 : 人がいっぱい. 更新した Cryostat の安定運転を目指す PE 標的の ESR DoP 測定 2011 年 : 人がいっぱいかも.Cryostat の安定した運転 PE 標的の ESR DoP 測定 2012 年 ~: 人は確保される. より開発に専念できる.