結像型中性子顕微鏡の開発

• 研究課題/領域番号: 22K12664
• 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: 一般財団法人総合科学研究機構
• 研究代表者: 青木 貞雄 一般財団法人総合科学研究機構, 総合科学研究センター, 主任研究員 (50016804)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2024年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2022年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
• キーワード: 中性子 / 顕微鏡 / 結像 / ウオルターミラー / Ⅹ線 / 原子炉 / JRR-3 / 集光

研究開始時の研究の概要

中性子は結晶解析や非破壊検査のプローブとして多用されているが、有効なレンズがないため、短波長を生かした中性子顕微鏡の開発は遅れていて、数10ミクロン程度の分解能に留まっている。
本研究ではⅩ線結像用のウオルターミラーを中性子顕微鏡に利用する。ウオルターミラーは、斜入射全反射を利用した結像素子で、色収差がなく集光効率が高い。中性子も特定の金属面で効率よく全反射を起こす。中性子顕微鏡システムは、ウオルターミラーを基本にした集光ミラーと対物ミラーの組み合わせから成る。中性子源として、J-PARCおよびJRR-3の冷中性子を利用し、分解能1ミクロンを目指す。並行して、新しいウオルターミラー製作も行う。

研究実績の概要

中性子はx線と同様にラジオグラフィーのプローブとして有用な役割を果たしているが、有効な結像素子が存在しなかったために、空間分解能は数十ミクロンにとどまっている。本研究では、結像型中性子顕微鏡の実現を目的として、原子力研究開発機構のJRR-3中性子実験施設CNRFビームラインで中性子顕微鏡光学システムを構築し、結像実験を行う。実験で用いる中性子の波長域は0.4～1.0nmで冷中性子と呼ばれている。この波長域では鏡面による中性子の全反射が利用できるので、非球面に加工された斜入射ミラーによる中性子結像が可能になる。顕微鏡光学系には、比較的収差の少ないウオルターミラー（回転楕円面と回転双曲面をタンデムに組み合わせたミラー）を採用する。実験で用いるウオルター型ミラーは波長0.15nmのx線に対して数ミクロンの空間分解能を有している。
中性子顕微鏡の光学系は、照明用の集光ミラーと拡大結像用の対物ミラーから成る。当該年度は照明用ミラーの結像集光特性を評価するために、中性子ビーム縮小像の撮影を行った。中性子の検出器にはイメージングプレートを用いた。原子炉の中性子源からミラーまでの距離はおよそ50m、ミラーから集光面までの距離は約20㎜なのでおよそ250分の1に縮小された中性子源の像が得られる。
中性子ビームの光軸は、円形開口を持つホウ素入りゴム板を入射位置に挿入して決めた。ウオルターミラの光軸合わせはあらかじめ可視光を用いて行い、中性子の集光像はイメージングプレートで撮影した。得られた集光像にタテ・ヨコの筋状パターンが見られたが、これはビームラインに配置されたコリメーターによるものと推定された。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

本研究で構築する結像型中性子顕微鏡光学系の基本構成は、照明・対物ウオルターミラー、検出器となる。今年度は照明光学系に使用する集光用ウオルターミラーの中性子集光評価を行った。中性子ビームの光軸を定義するために、厚さ1㎝のホウ素入りゴム板に2㎝径の開口を空け、入射位置を決めた。ハッチ内後方にイメージングプレートを配置し、中性子ビーム投影像を撮影して光軸を決定した。ウオルターミラーの軸合わせは、可視光レーザーを用いて行った。可視光による集光位置を参考にし、イメージングプレートを光軸に沿って前後に移動させ、中性子ビームの集光像変化を調べた。集光点付近の1㎜前後でコントラストの良い中性子縮小像が得られた。縮小像にはタテ・ヨコの筋状構造が現れたが、その原因はウオルターミラーに起因するものではなく、ビームラインの反射リレー光学部品に依るものと推定された。また、集光像の外側にリング状のバックグラウンドが生じていたが、今回の実験では除去しきれなかった。

今後の研究の推進方策

照明・対物ミラーと検出器を含む中性子顕微鏡光学システムの長さは約3mとなる。JRR-3CNRFビームラインの実験ハッチの長さは1m弱なので、ハッチ外に2m程度の光軸を延長する必要がある。幸い、ハッチの外側に4m程度のスペースが確保されており、施設側も延長の準備をしている。加えて、CMOS素子を搭載した中性子カメラの準備も進めており、実時間計測も可能になる。
照明ミラーと対物ミラーの組み合わせ光学系では、それぞれの開口数をマッチングさせる必要があり、その定量的な予備実験は可視光で行う。
中性子顕微鏡の結像性能評価のために試料として＃100、＃200のニッケルメッシュおよび＃400、＃640のSUSメッシュを準備した。＃100はピッチ250ミクロンを表す。また、一般的な試料のひとつとして数10ミクロンのホウ素微粒子も準備した。