熱外中性子偏極デバイスの開発と実用化に関する研究

• 研究課題/領域番号: 18K11929
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分80040:量子ビーム科学関連
• 研究機関: 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
• 研究代表者: 奥 隆之 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 J－PARCセンター, リーダー (10301748)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2020年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2019年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2018年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
• キーワード: 中性子 / 偏極中性子 / 中性子散乱 / 中性子偏極子 / He-3スピンフィルター / SEOP / 熱外中性子 / スピン交換光ポンピング法 / 3Heスピンフィルター

研究成果の概要

本研究では、熱外中性子を効率良く偏極して用いるための、スピン交換光ポンピング（SEOP）法に基づくHe-3ガスを用いた中性子偏極フィルターの開発を行った。第一段階として、レーザー波長をSEOP法で用いるアルカリ金属の吸収幅(0.2nm)程度まで狭帯域化した、安定で且つ高出力(100W程度以上)の高強度小型レーザー光学系の開発、第二段階としてアルカリ金属の電子スピン偏極を、He-3核スピンの偏極へ効率良く移行させるために、アルミシリケートガラスにHe-3ガスと共にルビジウム及びカリウムを最適な混合比で封入したセル開発した。そして、両技術を統合し、熱外中性子偏極フィルターを開発した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

J-PARCの大強度パルス中性子源が稼働し、それ以前はほとんど利用することができなかった熱外中性子等の高エネルギー中性子が得られるようになり、散乱実験やパルス中性子イメージングなど様々な実験で利用できるようになった。その一方で、偏極中性子に関して述べると、世界的に見ても中性子の偏極技術とその利用は、熱中性子（ エネルギー数十meV）以下のエネルギー領域に限定されている。熱外中性子を効率良く偏極して用いることができれば、新しい物理を切り開くブレークスルーとなるような基礎物理の研究や物性研究から産業利用まで、その波及効果は極めて大きい。そこで、本研究では、熱外中性子を偏極する技術開発を行った。

研究成果

• [雑誌論文] Study of Neutron Nuclear Spin Correlation Term with a Polarized Xe Target (2021)
  • 著者名/発表者名: Sakai Kenji、Oku Takayuki、Okudaira Takuya、Kai Tetsuya、Harada Masahide、Hiroi Kosuke、Hayashida Hirotoshi、Kakurai Kazuhisa、Shimizu Hirohiko M.、Hirota Katsuya、Yamamoto Tomoki、Ino Takashi
  • 雑誌名: Proceedings of the 3rd J-PARC Symposium (J-PARC2019) 巻: 33
  • DOI: 10.7566/jpscp.33.011116
• [雑誌論文] A Neutron Depolarization Measurement of Single Crystal Fe by Using a 3He Neutron Spin Filter and Magnetic Super-mirrors (2021)
  • 著者名/発表者名: Okudaira Takuya、Oku Takayuki、Sakai Kenji、Hiroi Kosuke、Shinohara Takenao、Ino Takashi、Kira Hiroshi、Hayashida Hirotoshi、Suzuki Jun-ichi、Kakurai Kazuhisa、Aizawa Kazuya
  • 雑誌名: Proceedings of the 3rd J-PARC Symposium (J-PARC2019) 巻: 33
  • DOI: 10.7566/jpscp.33.011096
• [雑誌論文] Polarization analysis for small-angle neutron scattering with a 3He spin filter at a pulsed neutron source (2021)
  • 著者名/発表者名: Okudaira Takuya、Ueda Yuki、Hiroi Kosuke、Motokawa Ryuhei、Inamura Yasuhiro、Takata Shin-ichi、Oku Takayuki、Suzuki Jun-ichi、Takahashi Shingo、Endo Hitoshi、Iwase Hiroki
  • 雑誌名: Journal of Applied Crystallography 巻: 54 号: 2 ページ: 548-556
  • DOI: 10.1107/s1600576721001643
  • 査読あり
• [雑誌論文] Transverse asymmetry of γ rays from neutron-induced compound states of La140 (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto T.、Okudaira T.、Endo S.、Fujioka H.、Hirota K.、Ino T.、Ishizaki K.、Kimura A.、Kitaguchi M.、Koga J.、Makise S.、Niinomi Y.、Oku T.、Sakai K.、Shima T.、Shimizu H. M.、Takada S.、Tani Y.、Yoshikawa H.、Yoshioka T.
  • 雑誌名: Physical Review C 巻: 101 号: 6 ページ: 064624-064624
  • DOI: 10.1103/physrevc.101.064624
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Development and application of a 3He Neutron Spin Filter at J-PARC (2020)
  • 著者名/発表者名: Okudaira T.、Oku T.、Ino T.、Hayashida H.、Kira H.、Sakai K.、Hiroi K.、Takahashi S.、Aizawa K.、Endo H.、Endo S.、Hino M.、Hirota K.、Honda T.、Ikeda K.、Kakurai K.、Kambara W.、Kitaguchi M.、Oda T.、Ohshita H.、Otomo T.、Shimizu H.M.、Shinohara T.、Suzuki J.、Yamamoto T.
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 977 ページ: 164301-164301
  • DOI: 10.1016/j.nima.2020.164301
  • NAID: 120006882449
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Development of an in Situ 3He NSF Using SEOP Technique with an Evaluation System for the Pulsed Neutron Source (2020)
  • 著者名/発表者名: Okudaira T.、Oku T.、Sakai K.、Ino T.、Hayashida H.、Hiroi K.、Shinohara T.、Kakurai K.、Aizawa K.
  • 雑誌名: Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques 巻: 14 号: S1 ページ: S165-S168
  • DOI: 10.1134/s1027451020070356
  • 査読あり
• [雑誌論文] 偏極中性子 (2018)
  • 著者名/発表者名: 平賀 晴弘、山口 泰男、丸山 龍治、奥 隆之、猪野 隆
  • 雑誌名: 波紋 巻: 28 ページ: 144-149
  • NAID: 130007746204
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of a Neutron Spin Filter for a T Violation Search in Compound Nuclei (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Yamamoto, H. M. Shimizu, M. Kitaguchi, K. Hirota, T. Okudaira, C. C. Haddock, N. Oi, I. Ito, S. Endo, S. Takada, J. Koga, T. Yoshioka, T. Ino, K. Asahi, T. Momose, T. Iwata, K. Sakai, T. Oku, A. Kimura, M. Hino, T. Shima, and Y. Yamagata
  • 雑誌名: JPS Conference Proceeding 巻: 22
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 中性子デバイス (2021)
  • 著者名/発表者名: 奥 隆之
  • 学会等名: MLFシンポジウム
• [学会発表] Development and application of a spin-exchange optical pumping He-3 neutron spin filter at J-PARC (2020)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Oku
  • 学会等名: ESS Polarisation Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development and application of a SEOP-based 3He spin filter at J-PARC (2020)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Oku
  • 学会等名: 2020 Neutron Polarization Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development and application of a spin-exchange optical pumping 3He neutron spin filter at J-PARC (2019)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Oku
  • 学会等名: 中性子散乱アジア・オセアニア会議
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A neutron depolarization measurement of a single crystal Fe by using a 3He neutron spin filter and magnetic super-mirrors (2019)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Oku
  • 学会等名: 3rd J-PARC Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] 単結晶鉄試料の透過中性子偏極度解析実験 (2018)
  • 著者名/発表者名: 奥隆之
  • 学会等名: 日本中性子科学会
• [学会発表] A neutron depolarization measurement of a single crystal Fe by using a 3He neutron spin filter and magnetic super-mirrors (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Oku
  • 学会等名: Polarized Neutrons for Condensed Matter Investigations (PNCMI)
  • 国際学会