Systematic experiments for influence of methyl radical and hydrogen bond on neutron slowing down and scattering data derivation

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K05339
• Research Institution: Japan Atomic Energy Agency
• Principal Investigator: 原田 正英 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, 研究主幹 (50354733)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 安部 豊 京都大学, 工学研究科, 助教 (80378794)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: メチル基 / 水素結合 / 中性子の減速 / 系統的実験 / 散乱データ

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、(1)メチル基もしくは水素結合を有する水素含有物質メタン、水素、軽水、ポリエチレン、エタン、2ブチン、メチルアセチレンの中性子透過・散乱データを測定して全断面積及び二重微分断面積を系統的に取得すること、(2)理論計算と比較し、メチル基及び水素結合が、中性子の減速過程においてどのような影響を与えるかを明らかにすることである。エタン、メタノール、2ブチン、メチルアセチレンの中性子透過・散乱の測定データ、理論データは存在しておらず、室温で気体である試料を使用した試料セルを用いた実験はほとんどないため、これら物質の実験データを取得することの意義は大きい。そして、メチル基もしくは水素結合を含む水素含有物質の系統的な測定データや理論データの蓄積は、中性子の減速過程に与える影響を明らかにすることに大きな役割を果たす。
2019年度は、まず、J-PARCの核破砕中性子源における特性試験装置（NOBORU）と非弾性散乱装置（AMATERASS）にて、20K～300Kの温度領域で、軽水、重水、エタノールの中性子透過・散乱データ測定を行った。全断面積へ変換し、他者の実験データや研究分担者の安部らの計算データとの比較の結果、矛盾がないことを確認した。そして、10meV以下の領域では、全断面積に、温度依存の傾向がみられることも確認した。透過データの測定では、入射中性子のモニター、検出効率の違う複数の中性子検出器を設置することで、入射中性子の揺らぎ及び計測データの数え落としを避けられることを確認した。次に、常温気体試料用容器の製作を行った。ガスだまりを作り、低温で液化させることで、室温常圧で気体である試料も使用でき、ガスの導入ラインを常設する必要がない利点がある。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

①実験準備、②実験及び解析、③理論計算との比較、の３つに分けて進捗状況を説明する。
①実験準備では、2019年度から2020年度にかけ「室温気体試料容器及び導入装置の製作」を行う予定であるが、2019年度は、室温気体試料容器を製作した。また、今後測定する液体試料（メタノール、2ブチンなど）を購入した。
②実験及び解析では、2019年度から2021年度にかけ、「中性子透過実験」「中性子非弾性散乱実験」は、J-PARCの核破砕中性子源における特性試験装置（NOBORU）と非弾性散乱装置（AMATERASS）にて中性子透過及び散乱データを取得・解析する。年4種類の試料を測定できるように課題申請を行い、マシンタイムを取得した。ただ、2019年度後半に発生したJ-PARCの核破砕中性子源のトラブルにより、11月～12月の実験ができなくなり、当初の計画より遅れてしまったが。2019年度末までに、軽水、重水、エタノールまで測定実験を行った。透過データから全断面積への変換は終了した。散乱データから二重微分断面積に変換は、研究協力者の協力により、プログラムを作成し、変換の準備を進めた。
③理論計算との比較は、2020年度から2021年度にかけ、実施する予定で、2019年度は、②実験及び解析で測定された全断面積との比較を進め、データの不規則性が見つかるなど、解析のサポートとなった。また、2020年度以降に実施する理論計算の準備を進めた。
ただ、新型コロナウィルスの影響で、研究打合せに制約が発生し、学会発表を行えなかった。

Strategy for Future Research Activity

①実験準備、②実験及び解析、③理論計算との比較、に分けて説明する。
①実験準備では、2020年度は、原田が主担当となり、「室温気体試料容器及び導入装置の製作」により製作した試料容器のオフビーム試験を行う。具体的には、ガス試料と導入装置を準備し、オフビームで窒素ガスを用いて、試料容器の冷却試験を行う。安全に使用できることを確認した上で、ガス試料を導入して、冷却試験を行う。
②実験及び解析では、2020年度も、原田が主担当となり「中性子透過実験」「中性子非弾性散乱実験」を継続して行う。実験には、引き続き、J-PARCの核破砕中性子源における特性試験装置（NOBORU）と非弾性散乱装置（AMATERASS）を利用する。取得した散乱データを二重微分断面積に変換するプログラムを完成させ、二重微分断面積への変換を行う。
③理論計算との比較では、2020年度は、②の実験で得られたエネルギー・運動量遷移情報を含む全断面積と二重微分断面積の測定データをもとに、安部（実験分担者）らにより開発された分子動力学解析により分子原子の詳細な運動を熱中性子散乱則に反映させる手法による理論計算と比較し、理論計算の精度を上げる。
これらの成果は、原子力学会などにて、公表する。

Causes of Carryover

物品費に関しては、「室温気体試料容器」において、安全上の問題解決と現状機器との調整に時間がかかり、仕様の決定に時間がかかってしまった。そのため、「導入装置」の仕様の決定が間に合わず、物品費が年度繰り越しとなった。旅費に関しては、2020年2月に研究分担者との打合せのための出張を、3月に春の原子力学会への出張を予定していたが、新型コロナウィルスの影響ですべて取りやめとなり、旅費が執行できなくなった。
これらの繰越金をもとに、2020年度は、2019年度に執行できなかった「導入装置」の購入を行い、研究分担者との打合せ、J-PARC実験、原子力学会への参加発表などの出張を行う予定である。