ビームライン常設型フレキシブル高エネルギー中性子偏極デバイスの開発

• 研究課題/領域番号: 22K20364
• 研究種目: 研究活動スタート支援
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 0203:素粒子、原子核、宇宙物理学およびその関連分野
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 高田 秀佐 東北大学, 金属材料研究所, 特任助教 (10967748)
• 研究期間 (年度): 2022-08-31 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2024年度)
• 配分額: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2022年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: 中性子 / 偏極 / スピンフィルター / ヘリウム3 / スピン交換光ポンピング / スピン交換光ポンピング法 / SEOP / ヘリウム

研究開始時の研究の概要

偏極中性子の生成において、スピン交換光ポンピング法による中性子偏極デバイス(He-3スピンフィルター)は、meVからeVのエネルギーに相当する中性子(熱-熱外中性子)の偏極が可能である。このデバイスは従来の核偏極法で必要とされた高磁場や極低温が不要という利点がある一方で、外磁場の影響を強く受けると性能が低下してしまう欠点を持つ。そのため、中性子ビームラインのような磁性体が多い環境下では、これまで実用が難しかった。本研究では、磁場シミュレーションと磁気シールドを用いてこの問題を克服し、J-PARCの各ビームラインに実装可能な、常設型フレキシブルHe-3スピンフィルターの開発・実用を目指す。

研究成果の概要

本研究では、物理実験のためのスピン偏極中性子利用の汎用化を目的として、中性子ビームラインその場で常時偏極することで高いヘリウム3偏極率を保持し続けることを可能としたヘリウム3スピンフィルターの開発および中性子ビームを用いた装置試験を実施した。有限要素法に基づいた高精度磁場シミュレーションを駆使して、ヘリウム3偏極率の減衰を抑制しつつビームラインの限られた空間でも設置可能な装置を設計した。また、大強度陽子加速器施設J-PARCの高強度全散乱装置NOVAや研究用原子炉JRR-3の東北大学中性子散乱分光器TOPANにおいて装置試験を実施し、中性子偏極子として実用に足る性能の装置であることを実証した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

偏極中性子ビームは物性、生命、工学、原子核、素粒子研究などの幅広い分野で利用されている。本研究の根幹であるヘリウム3スピンフィルターにおいて、ヘリウム3の偏極は外磁場の影響を受けて減衰しやすい。そのため、中性子遮蔽のために磁性体（鉄）が使用され、かつ中性子分光のための装置がすでに設置されており追加装置の設置スペースの確保が難しい中性子ビームラインなどの環境下では、スピンフィルターの導入に工夫を要する。本研究は、数日から一週間長時間に渡る中性子ビーム実験期間中のヘリウム3偏極率を高く維持するための装置設計・開発に取り組んだ。本研究は物理測定の高精度化に直結し、将来的な科学の発展に寄与する。

研究成果

• [雑誌論文] Recent Advancements and Operational Applications of 3He Spin Filters at MLF Beamlines (2025)
  • 著者名/発表者名: Shusuke Takada, Kanta Asai, Shusuke Endo, Masaki Fujita, Takashi Honda, Takashi Ino, Kazuhisa Kakurai, Atsushi Kimura, Ryoji Kiyanagi, Ryuju Kobayashi, Takashi Ohhara, Hidetoshi Ohshita, Kenichi Oikawa, Takayuki Oku, Takuya Okudaira, Mao Okuizumi, Toshiya Otomo, Kenji Sakai, Shingo Takahashi, Yusuke Tsuchikawa
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: -
  • 査読あり
• [雑誌論文] 2.Spin dependence in the p-wave resonance of La + n (2024)
  • 著者名/発表者名: T. Okudaira et al.
  • 雑誌名: Physical Review C 巻: 109 号: 4 ページ: 044606-044606
  • DOI: 10.1103/physrevc.109.044606
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Development of instruments for imaging of local magnetic structure by magnetic neutron holography (2024)
  • 著者名/発表者名: Kanno Tomoya、Ohoyama Kenji、Nakada Hajime、Fukui Yuto、Yamakawa Kota、Hoshi Shota、Takano Motoki、Kobayashi Yodai、Tomimatsu Yuka、Takahashi Shingo、Oku Takayuki、Okudaira Takuya、Kobayashi Ryuju、Takada Shusuke、Harada Masahide、Oikawa Kenichi、Inamura Yasuhiro、Shishido Toetsu、Sato Keisuke、Hayashi Kouichi
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: - ページ: 169349-169349
  • DOI: 10.1016/j.nima.2024.169349
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Study of magnetic environment for neutron spin filters using polarized 3He at J-PARC and JRR-3 (2023)
  • 著者名/発表者名: Shusuke Takada, Masaki Fujita, Yu Goto, Takashi Honda, Kazutaka Ikeda, Yoichi Ikeda, Takashi Ino, Koji Kaneko, Ryuju Kobayashi, Manabu Okawara, Takayuki Oku, Takuya Okudaira, Toshiya Otomo, Shingo Takahashi
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: -
  • 査読あり
• [学会発表] Applications of spin polarized neutrons with 3He spin filters in Japan (2025)
  • 著者名/発表者名: Shusuke Takada
  • 学会等名: Workshop on 3He neutron spin filter at NCKU
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Separation of coherent and incoherent scattering from 1H-containing samples using polarized neutrons with ex-situ 3He spin filters (2025)
  • 著者名/発表者名: S. Takada, M. Fujita, T. Honda, T. Ino, K. Kakurai, R. Kobayashi, H. Ohshita, T. Oku, T. Okudaira, M. Okuizumi, T. Otomo, S. Takahashi
  • 学会等名: The 15th Polarized Neutrons for Condensed-Matter Investigations
  • 国際学会
• [学会発表] Recent Advancements and Operational Applications of 3He Spin Filters at MLF Beamlines (2024)
  • 著者名/発表者名: Shusuke Takada, Kanta Asai, Shusuke Endo, Masaki Fujita, Takashi Honda, Takashi Ino, Kazuhisa Kakurai, Atsushi Kimura, Ryoji Kiyanagi, Ryuju Kobayashi, Takashi Ohhara, Hidetoshi Ohshita, Kenichi Oikawa, Takayuki Oku, Takuya Okudaira, Mao Okuizumi, Toshiya Otomo, Kenji Sakai, Shingo Takahashi, Yusuke Tsuchikawa
  • 学会等名: J-PARC Symposium 2024
  • 国際学会
• [学会発表] Operational applications of 3He neutron spin filters at JRR-3 and J-PARC (2024)
  • 著者名/発表者名: S. Takada, K. Asai, S. Endo, M. Fujita, T. Honda, Y. Ikeda, T. Ino, K. Kakurai, A. Kimura, R. Kiyanagi, R. Kobayashi, T. Ohhara, M. Ohkawara, H. Ohshita, K. Oikawa, T. Oku, T. Okudaira, M. Okuizumi, T. Otomo, K. Sakai, S. Takahashi, Y. Tsuchikawa
  • 学会等名: Workshop on Polarized Neutron Sciences and Technology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] J-PARCおよびJRR-3中性子ビームラインにおける3Heスピンフィルター運用状況 (2024)
  • 著者名/発表者名: 髙田 秀佐、浅井 寛太、池田 陽一、猪野 隆、遠藤 駿典、及川 健一、大河原 学、大下 英敏、大友 季哉、大原 高志、奥 隆之、奥泉 舞桜、奥平 琢也、加倉井 和久、木村 敦、鬼柳 亮嗣、小林 龍珠、酒井 健二、髙橋 慎吾、土川 雄介、藤田 全基、本田 孝志
  • 学会等名: 日本中性子科学会 第24回年会
• [学会発表] J-PARC センターにおける 3He ガスを用いた中性子スピン偏極デバイスの開発と運用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 髙田 秀佐, 池田 陽一, 猪野 隆, 大河原 学, 奥 隆之, 奥平 琢也, 後藤 優, 小林 龍珠, 髙橋 慎吾, 福村 省三, 藤田 全基
  • 学会等名: 日本中性子科学会第23回年会
• [学会発表] J-PARC MLF BL04 ANNRI における偏極中性子利用について (2023)
  • 著者名/発表者名: 奥泉 舞桜, 奥平 琢也, 猪野 隆, 遠藤 駿典, 奥 隆之, 加倉井 和久, 河村 しほり, 北口 雅暁, 木村 敦, Clayton Auton, 後藤 優, 小林 龍珠, 髙田 秀佐, 髙橋 慎吾, 清水 裕彦
  • 学会等名: 日本中性子科学会第23回年会
• [学会発表] 中性子単結晶回折装置 SENJU への 3He 中性子スピンフィルターの導入 (I) (2023)
  • 著者名/発表者名: 高橋 慎吾, 小林 龍珠, 奥 隆之, 鬼柳 亮嗣, 奥平 琢也, 猪野 隆, 鈴木 淳市, 加倉井 和久, 高田 秀佐, 池田 陽一, 藤田 全基
  • 学会等名: 日本中性子科学会第23回年会
• [学会発表] 3Heスピンフィルター用ソレノイドコイルの磁場一様性を評価するための磁場測定装置の構築 II (2023)
  • 著者名/発表者名: 小林 龍珠, 奥 隆之, 高橋 慎吾, 高田 秀佐, 奥平 琢也
  • 学会等名: 日本中性子科学会第23回年会
• [学会発表] J-PARC MLF BL23 POLANO の3He中性子偏極フィルター (2023)
  • 著者名/発表者名: 猪野 隆, 植田 大地, 金子 直勝, 林 浩平, 山内 沙羅, 伊藤 晋一, 横尾 哲也, 高田 秀佐, 大河原 学, 池田 陽一, 藤田 全基
  • 学会等名: 日本中性子科学会第23回年会
• [学会発表] Circular polarization measurement of -rays emitted from 32S(n, gamma)33S reaction with polarized neutrons (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Endo, H. Fujioka, I. Ide, M. Iinuma, N. Iwamoto, O. Iwamoto, K. Kameda, S. Kawamura, A. Kimura, M. Kitaguchi, R. Kobayashi, S. Nakamura, T. Oku, T. Okudaira, M. Okuizumi, G. Rovira, T. Shima, H. M. Shimizu, S. Takada, S. Takahashi, H. Yoshikawa, T. Yoshioka, NOPTREX collaboration
  • 学会等名: The 17th International Symposium on Capture Gamma-Ray Spectroscopy and Related Topics
• [学会発表] The development of the neutron polarization device for the single crystal time-of-flight diffractometer SENJU at J-PARC (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Takahashi, R. Kiyanagi, T. Kobayashi, T. Okudaira, T. Ino, J. Suzuki, K. Kakurai, S. Takada, Y. Ikeda, M. Fujita, T. Oku
  • 学会等名: The 8th International Symposium of Quantum Beam Science at Ibaraki University
• [学会発表] Development of Measurement System of Magnetic Field Uniformity for 3He Spin-Filter (2023)
  • 著者名/発表者名: R. Kobayashi, T. Ino, T. Oku, T. Okudaira, S. Takada, S. Takahashi
  • 学会等名: The 8th International Symposium of Quantum Beam Science at Ibaraki University
• [学会発表] Study of magnetic environment for neutron spin filters using polarized 3He at J-PARC and JRR-3 (2022)
  • 著者名/発表者名: Shusuke Takada, Masaki Fujita, Yu Goto, Takashi Honda, Kazutaka Ikeda, Yoichi Ikeda, Takashi Ino, Koji Kaneko, Ryuju Kobayashi, Manabu Okawara, Takayuki Oku, Takuya Okudaira, Toshiya Otomo, Shingo Takahashi
  • 学会等名: 11th International Workshop on Sample Environment at Scattering Facilities
  • 国際学会