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中性子応用光学分野

研究用原子炉や加速器中性子源によって発生される低速中性子を制御し、その物質波としての光学特性を活用した研究をおこなっている。中性子スピン干渉現象による基礎物理研究から、物性研究のための中性子散乱装置の開発、さらには中性子ラジオグラフィによる工学・農学研究への応用まで幅広く研究をおこなっている。

中性子反射光学素子に関して、世界有数の開発拠点であり、中性子スピン制御技術を用いた新型中性子散乱装置の開発には特に力を入れている。

教員

川端 祐司 ( Yuji KAWABATA )

川端 祐司教授(原子炉実験所)

研究テーマ

中性子光学機器の開発とその応用をおこなっている。特に、中性子スピン光学を利用した中性子散乱装置の開発と、中性子鏡を中心とした中性子光学素子の中性子イメージングへの応用を中心に研究を進めている。

主な担当講義

応用中性子工学

連絡先

熊取地区 原子炉実験所研究棟 208号室
TEL: 0724-51-2434
FAX: 0724-51-2635
E-mail: kawabata@* (スパム対策のためメールアドレスを省略しております。@の後にはrri.kyoto-u.ac.jpを追加して下さい。)

日野 正裕 ( Masahiro HINO )

日野 正裕准教授(原子炉実験所)

研究テーマ

極冷・冷中性子スピン干渉計を用いて、観測問題も視野に入れた量子力学基礎問題を実験的に解明、検証する研究をおこなっている。また低速中性子をスピンも含めて制御するデバイス開発をしている。

主な担当講義

応用中性子工学

連絡先

熊取地区 原子炉実験所研究棟 208号室
TEL: 0724-51-2450
FAX: 0724-51-2635
E-mail: hino@* (スパム対策のためメールアドレスを省略しております。@の後にはrri.kyoto-u.ac.jpを追加して下さい。)

研究テーマ・開発紹介

中性子光学素子の開発

低速中性子ビームは、中性子散乱実験や中性子ラジオグラフィに利用されており、試料の原子構造決定や非破壊検査・調査に強力なツールとなっている。その様な研究では、中性子ビームを適切な条件に制御することが求められている。

ここでは、低速中性子が、0.1-10nm 程度の波長を持つ物質波として振る舞うことを利用して、中性子ビーム制御技術を開発している。低速中性子の挙動には光学との共通点が多いため、この分野は中性子光学と呼ばれている。

例えば、シリコンウエファ上に、ニッケルとチタンを交互に積層した多層膜を作成すると、その膜厚に応じたブラッグ反射が起こる。その膜厚をコントロールすることにより、特定の波長の中性子のみを取り出したり、幅広い波長にわたって反射させることができる。

より広い波長範囲にわたって中性子を反射させる中性子鏡をスーパーミラーと呼んでおり、我々のグループが開発したものが、現時点(平成15年4月)で世界最高性能を有している。

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図-1 我々のグループが開発したスーパーミラーの中性子反射率
(H15年4月時点で世界最高性能を有している)

中性子スピン光学を用いた新型中性子散乱装置の開発

中性子は微小な磁石のようなものであり、スピンを持っており、量子力学の制約から磁場中では上下方向のみに向くことができる。このスピンのそろった中性子を選別したり、スピン方向を自在に制御することにより、磁場と中性子との相互作用をコントロールすることができる。

さらに磁場中における中性子スピンの才差運動を利用して中性子のエネルギー分析をおこない、中性子散乱における中性子エネルギーの分析を高効率・高分解能でおこなうことができる。その結果、試料の原子構造やエネルギー準位について、従来の中性子散乱実験装置とは異なる情報を得ることができるようになる。

これらの情報は材料開発において最も基本的なものであるため、このような新型中性子散乱装置の開発が期待されている。

我々は、現在茨城県東海村に建設中の世界最高レベルの加速器中性子源J-PARCへの設置を目指し、この様な中性子散乱装置の開発をおこなっている。平成 15年3月には世界で最初のパルス中性子源における中性子スピンエコー現象の発現に成功しており、装置完成に向けて着実な進展を見せている。

中性子スピン干渉の基礎物理実験への応用

多層膜中性子反射鏡は、中性子に対する1次元ポテンシャルと見なす事ができ、最も簡単な量子力学の散乱問題を実験的に試すことのできる系である。この原理と冷中性子スピン干渉計を組み合わせることにより、トンネル中性子のラーモア歳差回転(位相)を世界で初めて、精密測定に成功した。

これは"粒子が障壁をトンネル通過するのにかかる時間はどれくらいか?"という素朴だが、未だ解決されていない量子力学の問題に関連していて、実験的にトンネル粒子のラーモア時間を精密に測定した最初の例である。

さらに量子多重井戸を形成するFabry-Perot磁気膜を作成、共鳴トンネルする中性子スピンの位相を精密に測定して、↑スピン中性子波が共鳴トンネルする条件はその磁気膜内に反射波が無いように見える事だということを位相の観点から示した。

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図-2 ラウエ・ランジュバン研究所(フランス・グルノーブル)の高中性子束炉に設置した中性子スピン干渉装置

中性子光学機器を用いた高コントラスト中性子イメージングの研究

X線の物質透過率は重い元素に対して小さく、軽い元素に対して大きいという特徴がある。その結果、よく目にするレントゲン写真のような画像が得られることになる。また、中性子は水素や硼素といった軽元素に大きな断面積を持っており、それらに対して敏感である。

この結果、X線では不可能な金属中に存在する水素を含む物質の透過画像を得るようなことも可能となる。この様に、X線と中性子線を用いることにより、それぞれ相補的な情報を得ることができる。

本研究室では、特に極低エネルギー中性子を用いることにより、他の研究所では不可能な高コントラスト画像を得ることを目的としている。例えば、切り花のような植物中の水分分布変化を調べている。植物中の水分分布を分解能0.1mm以下で調べる方法は、現在のところまだ他になく、ユニークな研究手段となっている。

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 図-3 世界で唯一のVCNラジオグラフィ装置で観察された菊の葉の水分分布。
真空予冷によって水分が失われる様子が現されている。