Ｊ－ＰＡＲＣの白色中性子線を用いた多波長原子分解能ホログラフィー法の確立

2013 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 24656004
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 大山 研司 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (60241569)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 林 好一 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (20283632) ; 奥 隆之 独立行政法人日本原子力研究開発機構, J-PARCセンター, 研究主幹 (10301748) ; 前川 藤夫 独立行政法人日本原子力研究開発機構, その他部局等, 研究員 (30354723)
• Keywords: 中性子 / 多波長ホログラフィー / 局所構造 / パルス中性子 / ドーパント

Research Abstract

シリコンに微少量のボロンや燐をドープすることでn型かp型かを制御できる。これは、マクロな性質が微少量ドーパントに支配されることを意味しており、ドーパント周囲の環境を直接解明できれば、機能性材料の機構解明、高度化が可能と予想できる。しかし、局所構造の観測は通常の回折実験ではほぼ不可能であり、とくにボロンのような軽元素観測にはX線は感度が弱いことから、ドーパント周りの局所構造解明は、その重要性にもかかわらずいまだ不十分である。我々は、ドーパント周囲の3D原子局所構造の観測のため、従来の実験技術の延長上にはない実験手法「原子分解能中性子ホログラフィー」に注目している。原子分解能中性子ホログラフィーは、中性子実験としては唯一の核種選択的な局所構造解析技術であり、かつスピンや水素やボロンなどの軽元素ドーパント研究にとって決定的な役割を果たる。しかし従来は強度不足から単波長中性子でしか測定できず、再生像の鮮明度が不十分であり、ドーパント周りの局所構造研究には精度が不十分であった。本研究ではこの点を克服するため、大強度陽子加速器施設(J-PARC)を利用して多波長での中性子ホログラフィーを世界で初めて実現することをめざす。成功すれば水素原子像再生の飛躍的高度化が可能になる。さらに0.01Aで原子位置を決定する解析コードの開発、白色偏極中性子を用いた高精度磁気イメージングにも取り組む。Ｘ線では例えば0.8-1.0A 範囲で10 本程のホログラムを測定するが、本計画ではさらに広い波長範囲（0.6-10A）ではるかに多数（100本程度の波長で中性子ホログラムの測定をめざすので、再生像精度がＸ線、電子線を上回る可能性もある。また偏極中性子ホログラフィーにも挑戦する。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

H25 年度には、J-PARC/MLF のBL10においてガンマ線を測定するインバース法で本格的研究実験を開始する計画であり、試料環境、測定装置はH24 年に作成した装置を用いる予定であった。しかし、H25年5月のJ-PARCでの事故により、J-PARC/MLFが予定外のシャットダウンとなり、予定していた中性子本実験を実施することができなかった。このため期待していたデータが得られず、この意味で計画は遅れている。一方で、H24年度に得たEuドープCaF2の局所構造データの解析を進めることに集中した結果、Euドーパント回りの局所構造の可視化に成功した。さらに、多波長を用いることでの高精度化が実現できることが実証できた。世界初の実証であり、H25年度には実験は進展しなかったものの、本計画の狙いが正しかったことを示す重大な結果である。

Strategy for Future Research Activity

H26年度は最終年度であり、H25年度に実施できなかった実験を成功させる。大山と林が行う。実験はH26年度後半に予定している。このため、遮蔽体などの作製を行う。一方、H25年度に得られたCaF2の結果の論文投稿を早急に行う。ホログラフィー実験と解析と平行し、将来の偏極ホログラフィーにつながる技術として、偏極デバイス開発を大山、奥で進める。 H26年度に予定されている国際海外J-PARC Symposium（つくば）、PNCMI（シドニー）などで成果発表を行う。PNCMIは招待講演である。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

J-PARCでのハドロン事故（２０１３年５月）のため、H26年度はJ-PARC/MLFが予定外の停止があり、また日本原子力研究開発機構の研究炉JRR3も停止中であったため、本計画での中性子実験がまったくできなかった。そのため、予定していた実験をH26年度に実施することにし、予算をH26年度にまわすことにした。
実験旅費および、実験機器の購入をおこなう。また、本計画に直接関連する国際会議（PNCMI2014　シドニー）に大山が招待講演を行うことになったので、その旅費に使用する。

Research Products

• [Journal Article] Concepts of Neutron Polarisation Analysis Devices for a New Neutron Chopper Spectrometer, POLANO, in J-PARC (2014)
  • Author(s): K. Ohoyama, T. Yokoo, S. Itoh, T. Ino, M. Ohkawara, T. Oku, S. Tasaki, K. Iwasa, T. J. Sato, S Ishimoto, K. Taketani, H. Kira, Y. Sakaguch, M. Nanbu, H Hiraka, H. M. Shimizu, M. Takeda, M. Hino, K. Hayashi, U. Fliges and P. Hautle
  • Journal Title: J. Phys.: Conf. Ser Volume: 502 Pages: 012051-1-4
  • DOI: doi:10.1088/1742-6596/502/1/012051
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Construction of Polarized Inelastic Neutron Spectrometer in J-PARC (2014)
  • Author(s): T. Yokoo, K. Ohoyama , S. Itoh, J. Suzuki, K. Iwasa,T. J. Sato, H. Kira,Y. Sakaguchi , T. Ino,T. Oku, K.Tomiyasu, M. Matsuura, H. Hiraka, M. Fujita, H. Kimura, T. Sato, J. Suzuki ,M. Takeda, K. Kaneko, M. Hino, S. Muto
  • Journal Title: J. Phys.: Conf. Ser. Volume: 502 Pages: 012046-1-5
  • DOI: doi:10.1088/1742-6596/502/1/012046
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Diffusion Path and Conduction Mechanism of Protons in Hydroxyapatite (2014)
  • Author(s): M. Yashima, N. Kubo, K. Omoto, H. Fujimori, K. Fujii, K. Ohoyama
  • Journal Title: J. Phys. Chem. C Volume: 118 Pages: 5180-5187
  • DOI: DOI: 10.1021/jp412771f
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Novel Magnetic Chiral Structures and Unusual Temperature Hysteresis in the Metallic Helimagnet MnP (2014)
  • Author(s): T. Yamazaki, Y. Tabata, T. Waki, T. J Sato, M. Matsuura, K. Ohoyama, M. Yokoyama, H. Nakamura
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Jpn Volume: 83 Pages: 054711(1)-(8)
  • DOI: 10.7566/JPSJ.83.054711
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Metallic glass grating for X-ray grating interferometer fabricated by an imprinting technique (2014)
  • Author(s): Wataru Yashiro, Daiji Noda, Tadashi Hattori, Kouichi Hayashi, Atsushi Momose, and Hidemi Kato,
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 7 Pages: 032501-1-3
  • DOI: doi:10.7567/APEX.7.032501
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Physical Properties of Double Perovskite-type Barium Neodymium Osmate Ba2NdOsO6. (2013)
  • Author(s): M. Wakeshima, Y. Hinatsu, and K. Ohoyama
  • Journal Title: J. Solid State Chem. Volume: 197 Pages: 236-241
  • DOI: 10.1016/j.jssc.2012.08.059
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Basic Concepts of Polarisation Analysis of Neutron Chopper Spectrometer, POLANO, at J-PARC (2013)
  • Author(s): K. Ohoyama, T. Yokoo, S. Itoh, J. Suzuki, K. Iwasa, T.J. Sato, H. Kira, Y. Sakaguchi, T. Ino, T. Oku, K. Tomiyasu, M. Matsuura, H. Hiraka, M. Fujita, H. Kimura, T. Sato, J. Suzuki, H.M. Shimizu, T. Arima, M. Takeda, K. Kaneko, M. Hino, S. Muto, H. Nojiri, C.H. Lee, J.G. Park, S. Choi
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Jpn. Volume: 82 Pages: SA035(1)-(5)
  • DOI: 10.7566/JPSJS.82SA.SA036
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Newly Proposed Inelastic Neutron Spectrometer POLANO (2013)
  • Author(s): T. Yokoo, K. Ohoyama , S. Itoh, J. Suzuki, K. Iwasa,T. J. Sato, H. Kira,Y. Sakaguchi , T. Ino,T. Oku, K.Tomiyasu, M. Matsuura, H. Hiraka, M. Fujita, H. Kimura, T. Sato, J. Suzuki ,M. Takeda, K. Kaneko, M. Hino, S. Muto
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Jpn. Volume: 82 Pages: SA035(1)-(5)
  • DOI: 10.7566/JPSJS.82SA.SA035
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pd-based metallic glass with a low glass transition temperature (2013)
  • Author(s): K. Hayashi, I. Seki, K. Suzuki, M. Ito
  • Journal Title: J. Non-Crystalline Solids Volume: 359 Pages: 46-50
  • DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2012.09.029
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Evaluation of local lattice distortion by X-ray fluorescence holography (2013)
  • Author(s): K. Hayashi, N. Happo, S. Hosokawa
  • Journal Title: J. Jpn. Soc. Synchrotron Radiation Research Volume: 26 Pages: 195-205
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Study on the Boron-Nonstoichiometry and Properties of Perovskite-Type YRh3B (2013)
  • Author(s): Toetsu Shishido, Kunio Yubuta, Takao Mori, Masahiko Tanaka, Kunio Kudo, Shigeru Okada, Akio Nomura, Takamasa Sugawara, Ryoji Sahara, Kouichi Hayashi, Shigemi Kohki, Yutaka Sawada, Katsuya Teshima, Shuji Oishi, Yoshiyuki Kawazoe, and Akira Yoshikawa,
  • Journal Title: Journal of Flux Growth Volume: 8 Pages: 12-17
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spatial resolution of a mu PIC-based neutron imaging detector (2013)
  • Author(s): Parker, J. D., Harada, M., (Hattori, K., Iwaki, S., Kabuki, S., Kishimoto, Y., Kubo, H., Kurosawa, S., Matsuoka, Y., Miuchi, K., Mizumoto, T., Nishimura, H., Oku, T., Sawano, T., Shinohara, T., Suzuki, J., Takada, A., Tanimori, T., Ueno, K.
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, Volume: 726 Pages: 155-161
  • DOI: 10.1016/j.nima.2013.06.001
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 軽元素ドーパント直接観測のための中性子ホログラフィー法 (2014)
  • Author(s): 大山研司、林 好一、細川伸也、八方直久、原田正英、稲村泰弘、南部光江、宍戸統悦、湯葢邦夫
  • Organizer: MLFシンポ ２０１３
  • Place of Presentation: 茨城県つくば市
  • Year and Date: 20140318-20140319
  • Invited
• [Presentation] 偏極中性子散乱装置POLANOでの偏極デバイス評価 (2014)
  • Author(s): 大山研司、横尾哲也、伊藤晋一、 岩佐和晃、大河原学、南部光江、猪野隆、田崎誠司、奥隆之、吉良弘、武田全康、竹谷薫、石元茂
  • Organizer: MLFシンポ ２０１３
  • Place of Presentation: 茨城県つくば市
  • Year and Date: 20140318-20140319
• [Presentation] 偏極中性子散乱装置POLANOの建設状況 (2014)
  • Author(s): 横尾哲也、大山研司、伊藤晋一、岩佐和晃、金子直勝、大河原学,、鈴木純一、室屋孝司、菅井征二、相澤一也
  • Organizer: MLFシンポ ２０１３
  • Place of Presentation: 茨城県つくば市
  • Year and Date: 20140318-20140319
• [Presentation] Investigations of 3D Local Atomic Structure by Neutron Atomic Resolution Holography Technique (2014)
  • Author(s): K. Ohoyama, K. Hayashi, S. Hosokawa, N. Happo, M. Harada, Y. Inamura, M. Nanbu, S. Orimo, H. Takahashi, and K. Shibata, T. Shishido, K. Yubuta
  • Organizer: The 13th Japan-Korea Meeting on Neutron Science
  • Place of Presentation: 韓国 扶余市
  • Year and Date: 20140316-20140318
• [Presentation] 中性子散乱装置POLANOの概要と建設計画 (2013)
  • Author(s): 大山研司, 横尾哲也, 伊藤晋一, 大河原学, 金子直勝, 鈴木純一, 岩佐和晃, 佐藤卓, 猪野隆, 田崎誠司, 竹谷薫, 石元茂, 武田全康, 奥隆之, 吉良弘, 林好一, 平賀晴弘, 藤田全基, 富安啓輔, 木村宏之, J.G. Park
  • Organizer: 日本中性子科学会第１３回年会
  • Place of Presentation: 千葉県柏市
  • Year and Date: 20131212-20131213
• [Presentation] 偏極中性子散乱装置POLANOのビーム輸送シミュレーション (2013)
  • Author(s): 大山研司、南部光江、横尾哲也、岩佐和晃、伊藤晋一、佐藤卓、大河原学
  • Organizer: 日本中性子科学会第１３回年会
  • Place of Presentation: 千葉県柏市
  • Year and Date: 20131212-20131213
• [Presentation] オンビーム SEOP 型 3He 中性子偏極フィルターの開発と応用 (2013)
  • Author(s): 奥 隆之, 林田 洋寿, 酒井 健二, 篠原 武尚, 中村 充孝, 相澤 一也, 新井 正敏, 遠藤 康夫, 加倉井 和久, 吉良 弘, 坂口 佳史, 鈴木 淳市, 猪野 隆, 平賀 晴弘, 清水 裕彦, 大河原 学, 大山 研司
  • Organizer: 日本中性子科学会第 13 回年会
  • Place of Presentation: 千葉県柏市
  • Year and Date: 20131212-20131213
• [Presentation] ドーパント直接観測のためのパルス中性子ホログラフィー法 (2013)
  • Author(s): 大山研司、林 好一、細川伸也、八方直久、原田正英、稲村泰弘、南部光江、宍戸統悦、湯葢邦夫
  • Organizer: 日本中性子科学会第１３回年会
  • Place of Presentation: 千葉県柏市
  • Year and Date: 20131212-20131212
• [Presentation] Concepts of Neutron Polarisation Analysis Devices for a New Neutron Chopper Spectrometer in J-PARC (2013)
  • Author(s): K. Ohoyama, T. Yokoo, S. Itoh, T. Ino, M. Ohkawara, T. Oku, S. Tasaki, K. Iwasa, T. J. Sato, S Ishimoto, K. Taketani, H. Kira, Y. Sakaguch, M. Nanbu, H Hiraka, H. M. Shimizu, M. Takeda, M. Hino, K. Hayashi, U. Fliges and P. Hautle
  • Organizer: Light and Particle Beams in Materials Science 2013
  • Place of Presentation: つくば市
  • Year and Date: 20130829-20130831
• [Presentation] Construction of Polarisation Analysis Neutron Chopper Spectrometer POLANO at J-PARC (2013)
  • Author(s): Kenji Ohoyama, Tetsuya Yokoo, Sinichi Itoh, Kazuaki Iwasa, Taku J. Sato, Takashi Ino, Takayuki Oku
  • Organizer: International Conference on Neutron Scattering
  • Place of Presentation: エジンバラ、英国
  • Year and Date: 20130708-20130712
• [Presentation] Neutron holography and diffuse scattering of palladium hydride (2013)
  • Author(s): K. Hayashi
  • Organizer: International Conference on Neutron Scattering
  • Place of Presentation: エジンバラ、英国
  • Year and Date: 20130708-20130712
• [Presentation] Development and application of an in-situ SEOP 3He neutron spin filter at J-PARC/MLF (2013)
  • Author(s): 奥 隆之, 吉良 弘, 林田洋寿, 酒井 健二, 篠原 武尚, 坂口 佳史, 猪野 隆, 有本 靖, 大山 研司, 平賀 晴弘, Chang, L. J., 中村 充孝, 鈴木 淳市, 清水 裕彦, 新井 正敏, 遠藤 康 夫, 加倉井 和久
  • Organizer: International Workshop on Neutron Optics and Detectors (NOP&D 2013)
  • Place of Presentation: Ismaning (Germany)
  • Year and Date: 20130702-20130705