J-PARCにおける物質科学ー中性子科学の最前線ー

池田　進

中性子の粒子の性質そして波の性質

電磁波　　E = hc/λ

中性子 E = mv2/2 p = mv = h /λv = 3996/λ

E(meV) = 81.8/ λ 2

単位；　Å

E(meV) = 12400000/ λ 単位；　Å

例　λ = 1Å E = 12.4 keV（温度＝１億度K）

例　λ = 1Å E = 81.8 meV　　（温度＝千度K） v = approx. 4000m/s

物質に優しいプローブ

中性子（原子核との相互作用）

X線（電磁相互作用）

電子線（電磁相互作用）

中性子（磁気モーメントとの相互作用）

何を見るか

中性子は原子核と相互作用

10-8 cm10-12cm

高精度測定

V(r) = δ(r)相互作用

核散乱による位相のずれ

H　Ti

!

bi exp( iv

Q #r R i )

i

2

=% &

b1 b2( )2

(h + k + l = odd)

b1 + b2( )2

(h + k + l = even)

a

b1

b2

100

50

0

inte

ns

ity

1501209060300

scattering angle 2! (°)

a = 4 Å" = 2 Å

b1=b2=1 (bcc)

b1=1, b2=0 (sc)

b1=1, b2=0.5

(100)

(110)

(111) (200)(210)

(211)

(220)

(221)(300)

(310)

(311) (222)(320)

(321)

磁気散乱 ー 磁気構造

MnO結晶構造：NaCl型TN = 122 K

NaCl型

C. G. Shull andG. S. Smart,Phys. Rev. 76(1949)1256.

n! = 2d sin"

結晶格子面間隔

θ

d

中性子の特徴ー散乱断面積ー

プローブの特徴

Neutron(INS)

Raman

IR

相互作用ポテンシャル V

入射中性子　波数 k i　　　　　　エネルギー Ei　　　　　　スピン σ　　　　　　偏極率 Pσ

散乱中性子　波数 k f　　　　　　エネルギー Ef　　　　　　スピン σ'

中性子のエネルギー遷移 hω = Ei - Ef

試料　　始状態 λ　　始状態のエネルギー Eλ　　始状態の確率 Pλ　　終状態 λ'　　終状態のエネルギー Eλ'

中性子非弾性散乱断面積

h! = Ei " Efr Q =

r k i "

r k f

Q2= ki

2 + k f2 " 2kik f cos#

!

d2"

d#dE=k f

ki

m

2$h2%

& '

(

) * 2

P+P" k f + '" 'V ki+"2

+ '" '

,+"

, - h. +E+ / E+ '( )

incident neutron

k , E , !i i scattered neutron

sample

" "'

k , E , !'

f f

φ

中性子と水素原子との相互作用

水素の始状態、終状態の波動関数の積のフーリエ変換

水素貯蔵合金中の水素の運動：調和振動子(非干渉性非弾性散乱)

!

d2"

d#dE=k f

ki

m

2$h2%

& '

(

) * 2

P+ k f + 'V ki+2

+ '

,+

, - h. +E+ / E+ '( )

!

V (r) =2"h2

mbj

j

# $v r %

r R j( ) , ki = (2" )%3/2ei

r k i

r r , k f = (2" )

%3/2e

ir k f

r r

k f V ki =2"h2

mbj

j

# eir Q

r R j ,

r Q =

r k i %

r k f

!

d2"

d#dE=

k f

kiNb

2P$ % *$ ' (

r R )e

ir Q

r R %$ (

r R )d

r R &2

$ '

'$

' ( h) + E$ * E$ '( )

!h2

2m"2# +

1

2m$

0

2r2# = E#

# klm x, y, z( ) = NkNlNme!% 2 (x 2+ y2 +z2 )/2

Hk %x( )Hl %y( )Hm %z( )

En = h$0 n +3

2

& '

( ) , n = k + l +m

% = m$0/ h

Nn =%

* 2n n!

d2!

d"dE=

k f

kiNb

2An Q( )# h$ % nh$0( )

An Q( ) = & klm *r r ( )ei

r Q

r r &

000

r r ( )d

r r '2

k+l+m=n

(

A0 Q( ) = exp !Q2

2" 2# $ % &

' (

A1 Q( ) =1

2

Q

"# $

& '

2

exp !Q2

2" 2# $ % &

' (

A2 Q( ) =1

8

Q

"# $

& '

4

exp !Q2

2" 2# $ % &

' (

A3 Q( ) =1

48

Q

"# $

& '

6

exp !Q2

2" 2#

$ % &

' (

三次元調和振動子

ZrH2

H0(x) = 1

H1(x) = 2x

H2(x) = 4x 2 ! 2

d2!

d"dE=k f

kiNb

2An Q( )# h$ % nh$0( )

h! = Ei " Ef

Q2= ki

2 + k f2 " 2kik f cos#

ZrH2 powder, Ei = 500 meV

1.5

1.0

0.5

0.0IN

TE

NS

ITY

121086420

Q (Å -1)

A0(Q)

A1(Q)

A2(Q)

A3(Q)

固体の素励起 － 格子振動

調和近似、最近接相互作用

1

0

!/(4C/M)1/2

0 q "/a

hω = Ei - EfQ = ki - kf

銅のフォノン

G. Nilsson and S. Rolandson,Phys. Rev. B 7 (1973) 2393.

第8近接相互作用まで考慮したモデル

FCC a=3.61Å

!

U =1

2C ui " ui+1( )

2

i

#

Md2ui

dt2

= "$U

$ui

= "C(2ui " ui"1 " ui+1)

h%q =4C

Msinqa

S(q,%) = &(h% " h%q )

固体の素励起 － スピン波

反強磁性体

aJ

hω = Ei - EfQ = ki - kf

一次元反強磁性体CsVCl3の磁気励起

!

H = 2Jr S i

r S i+1

i

"

hdr S i

dt= 2J

r S i # (

r S i$1 +

r S i+1)

h%q = 4SJ sinqa

S(q,%) = &(h% $ h%q )低温におけるエネルギー幅－ 量子揺らぎの検出 －S. Itoh et al., PRB 59 (1999) 14406.S. Itoh et al., PRL 74 (1995) 2374.S. Itoh et al., JPS 73 (2004) 269.

!

S(q,") =

A(q)#(q,")

(" $"q )2

+ #(q,")2

物質科学ー多様さ（元素、階層、相互作用、次元、外場、温度）

複数項の観測　　　　複数のプローブ

!"#$%&'

()*+ (),- ./01 2345

67) 8 8 8 9:;?67)@ABCDEF

GH 8 I I JKL%!"MNOFPQRST%UVHWXA=YZF

[)H 8 \ \ JKL%!"MNOFPQRST%UVHWXA=YZF

]^_ 8 \ \ `)abcdefg

hi^ jklmno%pq \ \ rstnoM3uF

vwx j I \ 01MyZzt&'{=Y|01%p!"}~F

wx \ jkqI lm%!"t

\ jkq\ lm%!"t

中性子は、直接に電子を観測しない

(Q,ω) range

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

103

104

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

E /

me

V

Q / Å-1

Map science fields onto (Q,ω) range

E(meV) = 12400000/ λE(meV) = 81.8/ λ 2

Neutrons tell you‘where the atoms are and what the atoms do’(Nobel Prize citation for Brockhouse and Shull 1994)

構造とダイナミックスを同時に研究する手段

定常中性子実験施設の構成

原子炉235Uの核分裂反応

→ 減速材で熱化

　 →中性子分光器

JRR-3M (日本原子力研究開発機構)

Powder diffractometer　(KIMURA Sputnik)

First pulsed neutron source in the world (1967)Tohoku Univ.

300 MeV electron linacを利用

40 m

30 m

500MeV, 6 µA, 20 Hz, Proton beam

世界最初の陽子加速器駆動型パルス中性子施設KENS

（加速器によるパルス中性子源） Ep=500MeV, 20Hz, 3kW 200 実験課題／年 300 利用者

KENS 施設、ＫＥＫ 1980（茨城県つくば）

核内カスケード　入射陽子が原子核内の核子と複数　回衝突し、核破砕を引き起こす核外カスケード　発生した中性子・陽子が別の原子　核と同様な反応蒸発中性子　カスケードにより生じた残留核は　高い励起状態にあり、さらに中性　子を放出

重金属ターゲット（核破砕反応） 減速材（熱化）

減速材の種類　H2O ̃300K (30meV)　CH4 (液体) ̃100K (10meV)　H2 (液体) ̃20K (2meV)　CH4 (固体) ̃20K (2meV)

(マクスウェル分布)(kBT=eV: 11.6K=1meV)

(W, Ta, Hg, U)

E=500MeV:λ=1fm

パルス中性子源の革新性

スポレーション反応加速器駆動－停止が簡単

パルス発生　発生時刻を確定

0.0001ms 3ms

500meV中性子（ v＝10000m 、λ＝0.4A）

パルス中性子源核分裂

連続発生　発生時刻が不確定

線源位置

実験位置

30m

原子炉中性子源

γ線

中性子

中性子

時刻 時刻 30ms

5meV中性子（v＝1000m、λ＝4A）

測定法；λを固定、θを変化 波長を選別するデバイスが必要

測定法；λは時刻と伴に変化、θを固定

バックグランドの原因を避けるγ γ

40ms(J-PARC)

パルス幅1-100μs

V(m/s)=4000/λ(A)

2d sinθ = λ

2d sinθ = λ

パルス中性子と定常中性子 － 回折実験(弾性散乱)

! = 2d sin"

原子炉

パルス中性子源

モノクロメーターで波長を選んで試料に入射し散乱角2θをスキャン。

連続波長を試料に入射し飛行時間を分析して波長をスキャン。散乱角2θもスキャン可。λ=h/mv=(h/mL)t

中性子非弾性散乱

h! = Ei " Efr Q =

r k i "

r k f

エネルギー遷移：素励起の振動数

運動量遷移　　：素励起の波数

ki, Ei

kf, Ef

φ

Q

qx = ki cos! " k f cos(# " ! )

qy = ki sin! + kf sin(# " ! )

Q2= ki

2+ k f

2 ! 2kik f cos"

Qx = ki ! k f cos"

Qy = k f sin "

qy

qx

Qx

Qy

ki

kf Q

a*

b*

(010)

(100)

!

"

パルス中性子（飛行時間法）によるエネルギーの測定1直接配置型（Ei固定）

DETECTOR

SAMPLE

CHOPPER

NEUTRON

SOURCE

TIME MAPS分光器（RAL-ISIS）

h! = Ei " Efr Q =

r k i "

r k f

定常中性子によるエネルギーの測定三軸型分光器（EiとEfを決める）

h! = Ei " Efr Q =

r k i "

r k f

Ei(λi=2dsinθi)

Ef(λf=2dsinθf)φ

Q2= ki

2+ k f

2 ! 2kik f cos"

Qx = ki ! k f cos"

Qy = k f sin "

qx = ki cos! " k f cos(# " ! )

qy = ki sin! + kf sin(# " ! )

中性子強度の歴史：研究用原子炉と加速器による中性子源

世界の三か所 ほぼ同時に完成日本・J-PARC計画 2006-2008年米国・SNS計画欧州・ ISIS 増強計画

大強度パルス中性子源の建設

(3kW)

(160kW)

(1MW)

Bird’s eye photo in January of 2008

ニュートリノビーム　　　(神岡へ)

50 GeV シンクロトロン

ハドロン実験施設

物質・生命科学実験施設

2008年５月末中性子発生

2008年12月実験開始予定

3 GeV シンクロトロン

リニアック

0.2MW3GeV,25Hz, 2分の試験実績（2008年9月）

発生した中性子を測定装置に導くビームライン（２３本）

物質・生命科学実験施設世界最強のパルススポレーション中性子源3GeV 333µA 1MW 陽子加速器を利用

陽子ビーム

ミュオン実験施設

中性子散乱実験施設

J-PARC

Hg-target

建設中（2008年完成予定）

世界初のパルス中性子専用施設

最も早い時期に計画されたが延期

第２ターゲット計画進行中（2007完成）

＊資料参照

建設中（2006完成）特筆事項他

20081980?19961985/20072006.619831981中性子源完成年

231540151724712中性子散乱装置台数

1.25x10175x10146.3x10171.25x10171.8x10161.8x10176.7x10155x1015積分速中性子

数 (n/s)

液体水素固体メタン・水

液体水素・固体メタン

液体重水素・重水

液体水素・液体メタン・水

液体水素・水

固体メタン・水

固体メタン・水減速材

HgWHgジルカロイTaHgW濃縮Uターゲット材

料

252010/50連続50602030繰返数(Hz)

1MW4.5kW5MW/5MW1MW160kW1.4MW56kW8.1kW陽子ビーム出力

3000/333500/91333/7500590/1500800/2001000/1400800/70450/18陽子エネルギー(MeV)/電流(µA)

原研・高エネ機構高エネ機構KEK未定

ポールシェラー研究所

ラザフォードアップルトン研究所

RAL

オークリッジ国立研究所

ORNL（DOE）

ロスアラモス国立研究所LANL（DOE）

アルゴンヌ国立研究所ANL（DOE）

研究機関（所轄）／所在地

JSNSKENSESSPSIISISSNSLANSCEIPNS中性子源

日本日本EUスイス英国米国米国米国国／地域

世界の主な「加速器」中性子源と施設

400 400

233 233 233 233

1.5 1.5

時刻

中性子瞬間強度

J-PARC パルス中性子源1MW 25 Hzパルス間隔＝40ミリ秒

米国SNSパルス中性子源1.4MW 60 Hzパルス間隔＝16.6ミリ秒

KENS パルス中性子源0.003MW 20 Hzパルス間隔＝50ミリ秒

1

原子炉中性子源

パルス幅＝0.1ミリ秒

パルス中性子実験施設の構成

J-PARC・陽子加速器・重金属ターゲット　　核破砕反応　　W, Ta, Hg, U・減速材　　H2O ~300K　　CH4 (L) ~100K　　H2 (L) ~20K　　CH4 (S) ~20K・中性子分光器

SHRPD (KEK)

HRC (KEK)

TAKUMI (JAEA)H-REF (KEK)

iBIX (Ibaraki Pref.)

NOVA （NEDO, KEK）

NNRI （Tokyo Tech. U., JAEA, Hokkaido U.)

Instrument Suite in MLF, J-PARC

HI-SANS (JAEA)

AMATERAS (JAEA)

NOBORU (JAEA)

VIN_ROSE (Kyoto U.)

VINS（U. Tokyo）

DNA(JAEA)

4SEASONS （JAEA, KEK, Tohoku U.）

NoImage

NOP (KEK)

iMATERIA (Ibaraki Pref.)

J-PARC

Diffractometer in the World

SHRPD

Versatile Total Scattering Diff.

World-highest Resolution !

World-highest Speed !

(NEDO fund)

構造研究用装置 平均構造　と　局所構造 最高スピード　　　　　　最高分解能

2008年６月21日世界最高分解能達成0.035%酵素の反応水素位置コンポジット系

水素貯蔵合金

How much “High-Resolution” is superior to existingResolution

格子面間隔 d (Å)

Reliable structure factorsare not obtained

Many Separate Peaks in SHRPD Δd/d=0.03%

Δd/d=0.3%

Open-cage Fullerenes

SHRPD
withWorld
Best
HighResolution
canonly
unravelthese
newTopics

Science
in
SHRPD
Topics ①：Unravel Structure-Function Relationship in Hybrid Materials

Aim：Examine atomic positions and their displacements in hybrid structure materialsGoal：To unravel structure-function relationshipTo optimize the single function (ex. energy density) and hybridize new functionsEx.）Hydrogen Absorbing compound：Large cavity＋Switch to Control absorption/desorptionEx.）Inorganic-organic hybrid materials, Intelligent sensor, etc.

Inorg.-Org. Hybrid Materials（Dense absorption cavity）

ESRF,SPring8,APS

SHRPD

More Complicated Structure

Better Resolution Absorption of Light Atoms

High Resolution to detecttiny structural difference

Neutron is the best to detection distribution in superionicconductors

Multiferroic（dipole、spin、lattice distortion）, Spintronics

Functional ceramics, Superionic conductors, Phase transition,Function in Supermolecule, etc.

Topics③：PharmaceuticalsEx.) Candidate for Alzheimer N-methyl-D-aspartate (NMDA)Antagonist

Mn-perovskite

Thio-LISICON

CPL-1

Topics②：Structure Physics

Rattling in Skutterudite

Resolution of major PD

Batteries (Oxides)

Ceramics Zeolite

Ionic conductors

alloys

Hybrid, Supermolecule

Protein

Pharmaceticals

Thio-LISICON

Unit cell Volume

10-5

10-3

10-2

10-1

100

101

102

103

0.001 0.01 0.1 1 10 100

エネルギー変化

(meV

)

運動量変化 (1/A)

AMATERASEi = 1-80 meVΔE/Ei = 1-3%MAPS x10

High Resolution Chopper spectrometerEi = 1-2000 meVΔE/Ei = 1-3%MAPS x3

4SEASONSEi = 5-300 meVΔE/Ei = 6%MAPS x100

ダイナミックス研究用装置最高スピード分解能

CoveringWide E-Q range

DNA2µ eV < ΔE < 35 meVΔE/Ef = 0.15-0.75%IRIS x2400

超伝導

タンパク質の運動

スピンー電子相関

高分解能チョッパー分光器

Momentum Transfer Q (Å-1 )

Ener

gy T

rans

fer

E (

meV

)

Glass Crystal

・高エネルギー分解能(ΔE/Ei=1%)の実現・冷中性子源による広い時空空間のスキャン・大面積検出器システムによる高検出効率・エネルギー分解能と運動量分解能の最適化・eV中性子・偏極中性子の利用

低次元磁性体のスピン波

メタンハイドレート

ガラスの擬似的分散挙動（Ni33Zr66の例）

Fermi chopper

sample

background

noise

background

suppression chopper

Dis

tan

ce

0 40msec 80msec Time

フェルミチョッパーによる単色化

水

生体膜界面における情報伝達機構

生体物質同士の相互作用

生体脂質膜界面における組織化構造・ダイナミクス

細胞外

細胞内

膜タンパク質

アミロイドタンパク質プリオンタンパク質 HIVウイルスなど

脂質ドメイン

毒素 抗体

脂質二重膜

シグナル

ラフトドメイン

？

溶媒和

電解液基板

界面・電気二重層

○電気化学界面 ○機能材料界面複合材料界面の形成・崩壊メカニズム

ミクロ相分離 マクロ相分離結合解裂

超分子型ポリマー（環境低負荷材料）

○生体膜界面

電場印可下の電気二重層・物質移動のin-situ計測

電極界面における反応機構

外場印可に伴う相分離界面形成・崩壊プロセス

ポリマーA ポリマーB末端 末端

中性子反射計による表面研究λ（t） λ（t）

新領域への挑戦

多重収束型小角散乱装置（世界最小の小角散乱装置の集合）

基礎物理実験装置（世界最高の偏極とビームクオリティ）

極限状態構造解析装置（極限状態下での精密構造研究）

大強度非弾性散乱装置（極限状態下での時空領域の観測）

医学への挑戦

nn

n

n

nn

n

Xe, ...

np

!e

e時間・空間反転対称性の破れ崩壊パラメータ精密測定小林-益川ユニタリティ検証ビッグバン宇宙論元素合成

崩壊

散乱干渉

未知中距離力探索余剰次元核力における荷電対称性

地球重力による中性子位相変化Aharonov-Casher効果

基礎物理学への挑戦

超高圧、超高磁場、レーザー照射下の構造研究地震や火山の発生メカニズムを解明マグマの発生を実験室で再現し、その構造（液体）を解明マグマの物理的性質と水素・水の関係地球内部の水

蛋白質の機能と形状蛋白質の異常解明　アルツファイマーやパーキンソン病の起源　白内障の起源

学際科学への挑戦

極限物性への挑戦

強相関電子系、巨大磁気抵抗、軌道秩序、スピントロニックス

超高圧、超高磁場、レーザー照射下の原子分子のダイナミックス

中性子光学：日本発の技術革新(1990年代後半から2000年代前半)

Fresnel-shape Coaxial Double Biconcave MicroprismBiconcave

反射光学 (中性子スーパーミラー)

物質界面屈折光学

6Q!!paraboloidal supermirror

磁気屈折光学Superconducting Permanent Pulsed Variable Permanent

画像検出器RPMT

FPPMT

干渉光学

超伝導ソレノイド

冷凍機

制御機器

圧縮機

バッファータンク

2008.秋ーーミュオンビーム

超伝導ソレノイドチャネル（表面ミュオン／Decay-ミュオン）

２００７年度　2007.9 放射線管理区域 ソレノイド設置　　　　　　　　冷凍機設置　　　　　　　　二次チャネル電磁石設置　　　　　　　　二次チャネルシールド設置　　　　　　　　インターロック•制御陽子ビーム2008.4-5 施設へ

二期計画早期スタート　表面ミュオンチャネル　　　共同利用の拡充　　　産業界要望　超低速ミュオンチャネル　　　世界に唯一のビーム　　　0-30KeV, 0-30nm深さ,mmサイズ　　　nsパルス幅放射化する前にトンネル内設置が必要

表面ミュオンチャネル

超低速ミュオンチャネル 超伝導ソレノイドチャネ

ル

低速である。 (0-30 keV)◆ 打ち込み深さを制御可能

0nm-200nm◆ 深さ方向の位置分解能

2-5 nm、@J-PARC 1 nmをめざす。 高空間分解能

◆ 現在、3x4 mm2,@J-PARC Φ 1mm 高時間分解能

◆ 現在、8 ns, @J-PARC 1 ns BGが小さい。 外部同期可：極端条件下での測定

表面ミュオン

(4.1MeV)

超低速ミュオン

(0-30KeV)

!"#$%& '()#$%&

*+,-./0+1 4.1MeV 0-30 keV

1234567 810.2 mm 0 nm - 200 nm

1-./0+9 1!%:7; !!"1 %

*+,? 8.3 ns --> ps

*+,@ABCDE5@AB 30 mm x 40 mm 3mmx 4mm --> 1 !

超低速ミュオンビーム

物質科学の世界ー量子、1023の世界ー

光年km

mμm

nm

fm

A

中性子

ミュオン

1023の原子分子がつくる玉手箱

光、電磁波

量子力学統計力学数値計算実験研究

物質設計

1023個の世界を表現する物質科学版統一理論の構築ex. バンド理論、超伝導・超流動理論熱力学、統計力学

　　　　新物質の創成Novel functional materialsstimulate new sciences,lead to new technologies,and give a huge impact on allof our lives

多様な性質

理解

中性子

ミュオン

　電子（NxM系)原子核(N系)磁気モーメント(N系)

電子(NxM系)

　原子核(N系)

物質の性質を決める基本量

磁気モーメント　　　(N系)

放射光による電子の観測

ミュオンによる

プロトンの分布と動きの観測

プロトンの周りの電子分布の観測

H+ H+e-

e- e-

µ+ e-正極負極

プロトン伝導体

1023個の世界を探る

疑似プロトンとして内部調査

中性子によるプロトンの観測

内部調査

H+

（燃料電池関係）

期待される計測；　複合計測

　つくばスパイラル　ー異なる科学技術の立体的連携ー

高エネルギー加速器研究機構

農業生物資源研究所農業環境技術研究所農業工学研究所食品総合研究所

(財)日本農業研究所森林総合研究所

気象研究所

土木研究所・国土技術政策総合研究所

建築研究所・国土技術政策総合研究所

(財)ベターリング筑波建築試験センター

産業技術総合研究所

物質・材料研究機構

物質・材料研究機構

国立科学博物館筑波実験植物園

防災科学技術研究所

国土地理院筑波大学

宇宙開発事業団筑波宇宙センター

理化学研究所

農業技術研究機構JICA

国立環境研究所

国立医薬品食品衛生研究所

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食総研　酵素をトレハロースが防御　結合？ガラス化？ 　生体、食品の冷凍保存と細胞内の氷　ガラス化？建築研　コンクリート強度？　定量化？

Ca3SiO5 + (3+y-x)H2O -->　　 (3-x)Ca(OH)2 + (CaO)x(SiO2)(H2O)y

CSHゲル

J-PARC、New-PFを基幹とした世界研究拠点

つくばスパイラル対話シリーズ

新時代に向けた第一歩

ー新しい中性子科学ー