J-PAR C ML F ビ ー ム 供 給 状 況Now 300kW
93% reliability

Beam Reliability %Beam Power (kW)リニアック棟M L F は1 M W クラスの⼤強度陽⼦加速器を利⽤した世界最先端の中性⼦・ミュオン源を持つ研究施設です。パルス周期は25Hzで、中性⼦・ミュオン共にパルスあたり
では世界最⾼のビーム強度を誇ります。
ミュオン源の特徴

中性⼦源の特徴

液体⾦属（⽔銀）を使⽤したターゲット
3種の超臨界⽔素モデレータ
・⾮結合型 ・結合型 ・ポイズン型
23 のビーム取り出し⼝
6.5x1013neutrons/pulse(2013年4⽉現在世界最⾼強度)

BL17 写楽

BL15 大観(JAEA)(JAEA)

周辺冷却型グラファイトターゲット
パルスミュオンビーム
7.2x105 muons / pulse（2010年6⽉現在世界最⾼強度）

Muon D1

Muon D2

中性⼦源

Muon U(KEK, JAEA)(KEK)中性子ターゲット(KEK)※建設中

ミュオンターゲット

BL14アマテラス

D1(JAEA)

D2
BL18 SENJU(JAEA)

BL16 SOFIA

BL12 HRC

(KEK)

(KEK)

19

1614

20
BL19 匠第2実験ホール

12Coming soon!!
Muon S

21(KEK)※建設中

10(JAEA)(NEDO, KEK)

08

05
BL20 iMATERIA

第1実験ホール

01(茨城県)BL09 SPICA

BL08 SuperHRPD
(KEK)

04
Coming soon!!
BL22 (JAEA)※建設中
BL23 （KEK、東北大) ※建設中

03

BL21 NOVA(NEDO, KEK)

※ 赤枠・赤字装置：共用ビームライン
詳しくは、CROSS Webへ

BL01 四季BL02 DNA（JAEA, KEK, 東北大）

(JAEA)

BL03 iBIX
(茨城県)

02

BL11 PLANET

BL10 NOBORU(東大, JAEA)(JAEA)

BL04 ANNRI

BL05 NOP

BL06 VIN ROSE

(東北大, JAEA, 北大)(KEK)(京大, KEK)※建設中

原⼦⼒研究開発機構(JAEA)、⾼エネルギー加速器研究機構(KEK)、茨城県、⼤学などにより建設された18の中性⼦実験装置、2つのミュオン実験装置がＭＬＦに配置されています。現在更に中性⼦実験装置3台(BL06, BL22、BL23)とミュオン実験装置2台(U、S)の建設が進⾏中です。
※実験課題公募は年に2回⾏っています。詳しくはＷｅｂへ！

J - PA R C Ｍ Ｌ Ｆ

h t t p : / / w w w. j - p a r c . j p

CROSS

h t t p : / / w w w. c r o s s - t o k a i . j p

Cumulated Beam Power (MWh)520kW test

東日本大震災2011.3.11

内部構造の観察

ダイナミクスの観察

中性子の高い透過能を利用することで、バルク材料を壊すことなく、その内部構造を観察することができます。

非弾性中性子散乱法(中性子分光法)を用いることで、物質を構成する原子や磁気スピンのダイナミクスを観察することができます。

BL

BL
01

複合組織鉄鋼材料における強化機構の解明

19

反強磁性体ではキャリア濃度が高くなると、超伝導は抑制されスピン揺らぎの減少が見られますが、LaFeAsO1−xHxの研究では、さらにキャリア濃度を増やすと再び超伝導相が復活することがわかりました。非弾性中性子散乱法で、この第２の超伝導相におけるスピン揺らぎを直接観測することにより、第２の超電導相は第１のそれとは異なる運動量とエネルギーを持ち、超伝導に複数の電子軌道が寄与している可能性が高いことが示されました。

TRIP鋼は複合組織鋼の一つで、比較的強い母相フェライト組織と比較的延性のあるオーステナイト組織からなっています。このTRIP鋼は塑性変形させるとオーステナイト組織が両相よりも強いマルテンサイト相に変態し、材料の強度及び伸びが増加することが知られています。
高輝度・高分解能の中性子で観察することで、区別が難しいフェライト相とマルテンサイト相を区別することができ、マルテンサイト相が形成される様子を詳しく観察することができました。
Stefanus Harjo (JAEA), et al., MRS Online Proceedings 1528 (2013)

BL

鉄系超伝導体のキャリア濃度に対する相図。AFM、SC-1、SC-2はそれぞれ反強磁性相、従来の超伝導相、最近発見された超伝導相四季で観測された励起スペクトル。
1.3Å-1付近のピークがスピン揺らぎによるもの

S. Iimura (東京工業大学) et al., Phys. Rev. B 88, 060501(R) (2013)

⾼強度鉄鋼材料の⽣成過程のその場観察

19

新超伝導相のスピン揺らぎの観測

BL08
BL14

ナノベナイト鋼はその名の通りナノサイズのベナイト組織を持つ鉄鋼材料で、高強度鉄鋼材料として注目されていますがその形成過程は明らかにされていませんでした。
これに対してMLFでは本鉄鋼の中性子回折測定を熱処理過程中に行うことで、ベナイト組織形成のその場観察に成功しました。これにより、熱処理と変形加工の組み合わせによってベナイト組織の形成を促進できることが明らかとなりました。

熱処理のみ

マルチフェロイック物質の機構解明への取り組み

マルチフェロイック物質は磁気的性質と電気的性質が結びついた物質で、様々な電子デバイスへの応用が期待されています。
非弾性中性子散乱法でマルチフェロイック物質中の原子の振動(格子振動)と磁気スピンの振動(磁気励起)を調べ、更に磁気構造とあわせて解析した結果、格子振動の影響を受けて変化する磁気励起の様子が初めて観測されました。

熱処理＋変形加工

W. Gong (茨城大学), et al., Acta Materialia, 61 (2013) 4142 - 4154

R. Kiyanagi (JAEA), et al., J. Phys. Soc. Jpn., 81 (2012), 024603.
J. Jeong (Seoul National U.), et al., Phys. Rev. Lett., 108 (2012) 077202.

磁気構造の観察

軽元素の観察中性子やミュオンの磁気と相互作用するという性質を利用することで、物質の磁気構造を詳細に観察することができます。
BL15

水素原子やリチウム原子といった軽元素と大きな相互作用を持つという中性子の特徴を利用し、電池材料中のリチウムイオンなどの可視化を行うことができます。

ミュオンスピン緩和

偏極中性⼦による結晶構造と磁気構造のカイラリティ結合の解明

左手と右手のように互いに鏡で映しあうが両者を重ね合わせることができない状態をカイ
ラリティ言います。カイラリティを持つ結晶が磁気を帯びると、結晶対称性に由来したカイラルらせん磁気構造を有することが知られています。結晶構造が左巻きのMnSiの単結晶を偏極中性子散乱実験で観察した結果、中性子スピンの方向に依存した散乱強度分布が観測されました。

BL08
BL20

中性子スピン

中性子スピン<1,1,0><1,1,0><0,0,‐1><1,1,‐1><0,0,‐1>
B // <1,1,1>

B // <1,1,1>

Y. Kousaka(青山学院大学) et al., in press (Journal of the Physical Society Conference Proceedings)

Muon

磁性プローブとしてのミュオンの利⽤½のスピンを持つミュオンを物質中に注入すると、周囲の電子や原子核の作る磁場を感じて歳差運動しながら徐々に崩壊し、陽電子を放出します。この陽電子を捉えることで、物質内部のミクロな磁気構造を知ることができます。
このようなミュオンの性質を利用し、物質の磁気相図や超伝導体における磁気侵入長の決定、時間反転対称性を破った弱い磁性の観察などに幅広く用いられます。

液体電解質は発火の危険が高く、電気自動車の普及にリスクがあります。最近、これまでになく高い伝導率を示す固体電解質が開発され、高エネルギー密度で安全性が高い全固体型リチウム電池の実現性が高まってきました。
この物質を中性子回折装置で調べた結果、原子が3次元的に骨格を形成し、その間をリチウムイオンが流れる経路があることがわかりました。
N. Kamaya（東京工業大学） Nature Materials 10: 682-686, 2011

3GPa or CeFeAsO1‐xHx
LaFeAsO1‐xHx
LaFeAsO1‐xFx

ミュオンスピン緩和(SR)

世界最⾼の固体電解質の開発とその構造解明

磁性相BL09BL20

充放電下の電極材料における原⼦配列変化の直接観察

充電や放電は酸化還元反応ですが、中性子を使うと、リチウムなどの原子配列が酸化還元の進行とともに変化する様子を調べることができます。
特殊環境発生装置を設置できる中性子装置を使って、実電池内部の電極等の原子配列を充放電しながら観察することに成功しました。
NEDO革新型蓄電池先端科学基礎研究事業（RISING事業）ニュースレター No.12, 2014
Charged capacity c / mAh0M. Hiraishi (KEK) et al., in press

1000

1500

2000

3000

Voltage V / V

4.03.53.00.25(BEDT-TTF) 2IBrCl ZF
Preliminary2.5025.5K

0.23.2K
0.1
1231000

1500

2000

2500

（a）時分割回折データには、正極負極(b)上記の実験時の充放電曲線。
極材料の構造変化がはっきりと観測されている。
充放電での電極構造変化

19.5K
0.150500

Discharged capacity c / mAh

20.7K

456Time(s)Lei. Shu (UCRiverside), et al., Phys.
Rev. B 83 (2011) 100504(1-4)

2500
Discharge
Charge4.5

水素状態の温度変化

T. Ito (JAEA) et al., Appl. Phys.
Lett. 103, 042905 (2013)

500

5.0K.Satoh（埼玉大学）

783000