中性子ビーム利用：大学共同利用

中性子散乱全国共同利用の歴史と展望

東京大学物性研究所中性子科学研究施設

柴山 充弘

I. 全国共同利用の歴史と現状II. 装置の高度化III. サイエンスハイライトIV. 啓蒙活動と展望

1

JRR-3シンポジウム2011.2.28

中性子科学研究施設沿革

JRR-3 (1990 -) 研究員宿泊施設“波紋施設” (1994-)

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東京大学物性研究所 日本原子力研究開発機構

1956 日本原子力研究所発足

1957 物性研、共同利用研として発足 JRR-1臨界

1960 中性子散乱共同利用開始 JRR-2臨界

1962 JRR-3臨界（国産第１号）

1969 中性子回折部門増設

1980 中性子回折物性部門へ再編、日米科学技術協力

1990 第１回中性子解析装置共同利用運営委員会 改３号炉JRR-3M臨界、運転開始

1993 中性子散乱研究施設の新設

1994 研究員宿泊施設竣工

2003 中性子科学研究施設へ改組

2005 日本原子力研究機構(JAEA) 2010 高強度汎用チョッパー分光器(HRC、J-PARC)

ガイドホール(1992 -)

JRR-3に設置された共同利用装置

大学所有散乱装置: １４台, 東大物性研 ９, 東北大 3, 京大 2年間申請課題: ~３００年間利用者数 (人・日)：職員 2000, 外部利用者 5000, 計 7000年間論文発表数：~100

飛行時間法 反射率 スピンエコー

小角散乱

粉末回折

三軸分光

炉室 ガイドホール

三軸分光

3

東大

東北大

東大

京大

東大

東大

東北大

東大東北大

東大

東大 東大

京大

東大

JRR-3分光器群の構成

全体図

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1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

申請

課題数

利用

者（延

べ人数）

西暦

原研施設利用人数記録（2010年度まで）

中性子延べ人数（AR）

中性子科学研究施設

（１）東海村に研究および宿泊施設を供えた中性子散乱研究施設を建設し、

そこを拠点にした中性子散乱全国共同利用の推進、（２）日米協力「中性子散乱」実施責任機関（旧文部省側）、（３）Instrument Maintenance Team（IMT）による装置維持管理利用、

中性子散乱研究施設(1993 ~ 2003)

成果・共同利用件数および利用者数の飛躍的な増大

・中性子散乱コミュニティでの中心的役割

中性子散乱研究施設(2003~)（４）共同利用のさらなる推進（５）装置の高度化による中性子資源の

効率的利用（６）施設発のサイエンスの向上

Instrument & Research Team (IRT)

特徴（世界的にみてもユニークな施設）装置維持、宿泊業務、旅費業務、安全管理、などを自主運営

黎明期

高度成長期

質的充実期

高度化期

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共同利用分野分布と論文成果

ガラス/液体

強相関系構造と励起

磁性ソフトマター

¾ がハードマター¼ がソフトマターほか

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論文

数年

2004 2006 2008 2010

年間約100報

JRR-3計画外停止

装置群の高度化

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対策１．結晶回折、非弾性装置群・ビーム孔の大口径化・集光系モノクロ、アナライザー・スーパーミラー化・偏極デバイス、・・・

２．小角散乱、高分解能、反射率装置群・ビーム孔の大口径化・集光系コリメーション、・高分解能検出器・スーパーミラー化

限られた資源ー中性子線束ーを最大に利用

高強度“一点”測定

• JAEAグループとの共同開発により、2重集光 PG002 モノクロメーターとアナライザーをGPTAS (4G)に導入

– 強度の20倍化を実現！

• HER (C11)とにおいても集光アナライザーで– 強度の14倍化を実現！

Doubly focusing monochromator

Doubly focusing analyzer (V-fix)

(0.2,0.2,2)TA branch at low E

(0.9,0.9,2)TA branch at ZB

SANS-U(小角散乱)

iNSE (スピンエコー)

mf-SANS (小型小角散乱)

小角散乱装置群の高度化

SANS-U: 高強度、集光iNSE: 磁場の均一化,白色スピンフリッパーmf-SANS: コンパクトマシンの性能評価

文科省原子力イニシアティブ(2008 – 2010)

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小角散乱装置SANS-Uの高度化

11Iwase et al, J. Appl. Cryst., in press.

高分解能化・高強度化

12ILL 80mSANS(λ =20Å)条件に匹敵する性能

強度の3倍化

高分解能

従来

高強度

サイエンスハイライト

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年 研究成果 メディア 研究グループ

2003 酸化物イオン分布 日刊工業新聞 東工大

2007 ポリプロピレンのシシカバブ構造 Science 住友化学、CALTECH、東大

2008 リチウム電池 Nature Materials日刊工業新聞

東工大

2008 ２分子膜 Phys. Rev. Lett. 京大薬

2008 微粒子の動き観察 日経産業新聞 物材機構

2009 磁気単極子の探索 J. Phys. Soc. Jpn. 首都大学東京,東大、ほか

2009 中性子で構造解析 水戸一高生が観察 読売新聞 JAEA, 東大

2010 燃料電池の中のイオンの動き J. Am. Chem. Soc.毎日新聞

東工大、九州大

2010 籠目格子反強磁性体 Nature Physics 東大、東工大、東京理科大

2010 高強力ゲル J. Phys. Soc. Jpn. 東大

燃料電池や酸素透過膜におけるイオンの動きの可視化

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J. Am. Chem. Soc.2010年2月2日の毎日新聞

東京工業大学・九州大学

東北大学中性子粉末回折装置HERMES

2010

籠目格子反強磁性体の非磁性基底状態の解明

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Nature Physics 電子版に2010/09/12英国学術誌「ネイチャーフィジックス」（Nature Physics）

“スピンの量子引きこもり現象”を解明

東大物性研、東工大、東京理科大

東大物性研3軸分光器GPTAS(4G)およびHER(C1-1)

2010

驚異的な力学物性と“理想”網目構造

反発計数 ≈ 0.84

Tetra-PEG ボール vs スーパーボール

わずか１５％の高分子濃度

・驚異的な反発係数と限りなく０に近い損失弾性率・絡み合いを持たず、欠陥もない“理想”網目 Macromolecules, 43, 488-493 (2010),

ibid, in press.

JST: サイエンスパートナーシッププログラム

水戸一高生への出張講義（2009.6.29)

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読売新聞茨城版2009.6.30

JAEA産学連携本部企画

JRR-3のさらなる高度化への要望

新しい冷中性子孔

取り出し孔の大口径化

熱中性子ビーム孔

冷中性子源１０倍化計画

偏極中性子

要 望

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・早急なる高経年化対策

・原子炉の高度化

・次世代原子炉計画

原子力機構施設利用（大学開放研究室）全国共同利用（東大物性研）

からの要望