ぶんせき

2021年 第 11 号 ( 通巻第 563号)

令和３年 11 月 5 日発行 (毎月 1 回 5 日発行)

昭和50年 3 月27日第三種郵便物認可

ISSN 0386-2178

11〔特集〕量子ビームを用いる分析化学〜いまからあなたも仲間入り〜

2022年3号から電子版に移行します（団体会員除く）
詳細は 2021 年第 7 号挟み込み頁および
ぶんせきホームページをご確認ください

2021

日本分析化学会
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ぶんせき 11 月号
【ア行】

掲載会社

株 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . カレンダー裏
西進商事

索引
【ハ行】

株 アメナテック . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A5


株 ゼネラルサイエンスコーポレーション
株 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A11
ビー・エー・エス

株 エス・ティ・ジャパン. . . . . . . . . . . . . . . . . . A1


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A2

株 日立ハイテク. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A8
【カ行】

株 センシュー科学 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A9

株 . . . . . . . . . . . . . . . . A9
富士フイルム和光純薬

株 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 表紙4
関東化学

【ナ行】

株 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A12
フロンティア・ラボ

株 クロマニックテクノロジーズ . . . . . . . 表紙2


日本電気計器検定所 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A3

【サ行】

株 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A4
日本分光

製品紹介ガイド . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A6～7

株 島津製作所 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 表紙3


A5

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中性子（東海村)：中性子利用研究の新展開―大型定常中性子源（JRR 3）と大強度パルス中性子源（J PARC MLF）の協奏時代の幕開け
武
1は じ め に田全康

国内のふたつの大型中性子源

2

中性子を分析のためのプローブとして考えるとき，X最近では医療用に加えて，中性子を構造解析に使うた線との比較で考えるとわかりやすいだろう。中性子は原めの小型中性子源の開発が進んでいるが，大強度の中性子核の中にとどまっているもの， X 線は一か所に留ま子を得るためには，原子炉（以後，定常中性子源）や大らずに伝搬するものというイメージから，中性子は粒子，強度加速器（以後，パルス中性子源）といった大型実験

X 線は波のイメージを持つのが一般的と思われるが，施設が必要になる。国内には茨城県東海村にある日本原

両者はともに波でもあり粒子でもあるという二重性（量子力研究開発機構（原子力機構）原子力科学研究所の敷子性）を持つことが様々な観測からわかっている。中性地に，中性子ビーム利用実験が可能な研究用原子炉子を使った分析には大きく分けて構造解析と元素分析がJRR 3 と，大強度陽子加速器実験施設である J PARCあり，さらに構造解析はミクロなものとマクロなものにの物質・生命科学実験施設（ MLF ）が整備されている分類できる。構造解析のプローブとして中性子を X 線（図 1）。と比較すると以下のような特徴がある。
・ X 線の元素に対する感受性が原子番号（陽子数，2･ 1

研究用原子炉 JRR 3電子数）に比例するのに対して，中性子では原子番号にJRR 3 は 1962 年に初臨界を達成し，ウラン燃料の対する規則性がなく，周期律表で隣り合う元素に対して核分裂によって得られた中性子を使い，黎明期における大きくその感受性（散乱長）が異なる。

様々な原子力研究に使われた。その後， 1980 年代後半

・上記の特徴に派生したものではあるが，一般的にの大改造により熱出力 20 MW の研究用原子炉として生X 線では検出が難しいと言われる軽元素，特に水素にまれ変わり， 2 回目の臨界を迎えた 1991 年から，幅広対して大きな感受性を有する。

い学術分野と産業分野で様々な研究開発に利用されてき・中性子の感受性は同じ元素（原子番号が同じ）でも質量数に依存，すなわち同位体によって異なる。

た。福島第 1 原子力発電所の事故後に制定された研究用原子炉に対する新規制基準への適合性審査のため，・中性子はスピンを持つために固有の磁気モーメント2010 年の 11 月に定期検査で計画停止してから運転を休を持ち，物質中の磁気モーメントとの間に磁気双極子相止していたが，2018 年 11 月の審査合格後，より安全性互作用があるため大きな磁気感受性を持つ。
・ラマン散乱によって分子振動の情報が得られるように，中性子では構造のゆらぎや格子振動などの集団励起の動的な情報（励起エネルギーと運動量ベクトルの関係，すなわち分散関係）を得ることができる。
・回折が観測される結晶格子面間隔と同程度の波長の中性子のエネルギーは上記の励起エネルギーと同程度である。 0.1 nm の波長を持つ X 線のエネルギーは 12.4keV であるが，中性子のエネルギーは 81.787 meV である。
・中性子に対する吸収が大きな一部の元素（同位体によっても異なることに注意）を除き，物質に対する透過率が大きく，測定対象である物質の奥深くまで侵入することができる。この大きな透過性は，特に金属に対する中性子ラジオグラフィ（透過撮影法）や溶接部の応力ひずみの評価などに大きな威力を発揮する。

図1

茨城県那珂郡東海村の日本原子力研究開発機構にあるふたつの大型中性子実験施設（ JRR 3 と J PARC質・生命科学実験施設）［提供：日本原子力研究開発機構，許可を得て掲載］

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物

を高めるための耐震工事を完了し，本年（ 2021 年） 2なるが，どちらを使っても可能な実験がある一方で，使月に，ほぼ 10 年ぶりの運転再開を果たした。

える中性子強度に大きな差が現れる場合には，適切な使い分けが必要である。たとえば，結晶構造解析を例に取2･2

物質生命科学実験施設（MLF）

ると，中性子回折実験から結晶構造を決定するのに必要

MLF では，大強度陽子ビーム（最終出力値は 1 MW

なのは，実空間とフーリエ変換で結び付いている逆格子で現時点では 700 kW）と水銀の核破砕反応によるパル空間での中性子の回折強度の分布から，実空間での構造

ス中性子を利用した実験が 2008 年から行われている。

情報を導き出すことである。一般的に時間平均強度がパMLF も東日本大震災で被災したが，ほぼ 1 年で復旧し，ルス中性子源に比べて大きな定常中性子源では，温度，2011 年度内に運転を再開した。MLF ではシンクロトロ

磁場，圧力などの外場に応答したピークの強度や形の変ンの加速周期である 25 Hz で大強度パルス中性子が発化を測定するのに有利である。その一方，パルス中性子生し， 1 パルスあたりの中性子強度（700 kW 運転時で源では TOF 法と 2 次元位置敏感検出器の組合せによ1.3× 1013 個/ステラジアン/パルス）は現時点で世界最り，逆格子空間上での広範囲な構造情報を一度に得る事高である。

ができる。そのため，前者は航空写真の情報から地図

3定常中性子源とパルス中性子源の使い分け（逆格子マップ）を作る際の望遠レンズ，後者は広角レンズに例えることができる。

パルス中性子源では，標的と検出器の距離と，陽子非弾性散乱装置の場合は，時間的に変化しないと見なビームが標的に入射した時刻から検出されるまでの時間せる静的な構造情報（ここでは熱振動は無視する）の代を使って中性子の速さがわかるので， E ＝ 8178.7 / l2 ＝

わりに，散乱体の動的な情報（位置と時間）を含む散乱2.0717× 10－2 k2＝5.226×10－6 v2）の関係（それぞれの関数（入射中性子と散乱中性子の波数ベクトルの差と両単位は，エネルギー E は meV ，波長 l は nm ，波数 k

者のエネルギー差で表される）の逆格子空間上の強度分＝2p/l は 1/nm，速さ v は m/sec）を使ってエネルギー布を測定することになる。ラマン散乱のストークス，アや波長を決めることができる。これを飛行時間（TOF :ンチストークスラインと同様に，散乱過程で中性子が獲Time Of Flight）法と呼ぶ。一方の定常中性子源では，得または失ったエネルギーに加え，励起された（または中性子の発生時刻である核分裂が起きた時刻を知ること消された）運動量とも関係している（分散関係）。ここはできない。

でもパルス中性子源では，逆格子空間内の散乱関数を広したがって定常中性子源では， Maxwell 分布に従っ範囲な領域にわたって一度に測定できるので広角レンズた様々なエネルギーを持つ中性子（白色中性子）からモに，定常中性子源では高い強度を活かし，逆格子空間のノクロメータなどを使って特定のエネルギー（波長）を特定の位置の散乱関数を詳細に調べるのに有利であるこ持つ中性子を取り出して使うのに対し，パルス中性子源とから望遠レンズにたとえる事ができる。

では，あるエネルギー幅に含まれる中性子を一度に測定に使い，飛行時間法を使って，中性子の検出時に中性子をエネルギーごとに分解して計測するのが一般的である。

4JRR 3 と MLF に設置されている中性子実
験装置

定常中性子源でも TOF 法を，パルス中性子源でも特JRR 3 と MLF には図 2 と 3 に示すような様々な装定のエネルギーの中性子だけを使うことで両者は等価と置が設置されている。それらの多くには X 線を使った

図2

研究用原子炉 JRR 3 の装置配置図（平面図）［提供：日本原子力研究開発機構，許可を得て掲載］

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て紹介する。個々の手法や装置の詳細，そこで行われるサイエンスについては参考文献 1,2 に加え，それらの情報にアクセスするための入口として中性子・ミュオン利用ポータルサイト3)が開設されているので，それらを参照していただきたい。以下括弧内は装置の名前で，多機能な装置は複数の項目に現れる場合がある。
4･ 1

非弾性散乱装置群（JRR 3 : TAS 1, TAS 2,LTAS, GPTAS, PONTA, TOPAN, AGNES,HER, HQR, AKANE, MLF : 4SEASONS,DNA, HRC, AMATERAS, POLANO）

中性子は散乱の過程で，エネルギーだけでなく運動量も受け渡しするので，物質の中で起こるミクロな構造の揺らぎや格子振動やスピン波といった集団励起の分散関係等の情報を含む散乱関数 S ( …q, v ）を調べることがで
図3

J PARC の 物 質 ・ 生 命 科 学 実 験 施 設 の 装 置 配 置 図（2021 年 4 月現在）

きる。これらの装置では， •ki（入射中性子の波数ベクトル）か •kf（散乱中性子の波数ベクトル）のどちらかのエ

CM, PM, DM は中性子のエネルギー分布を変換するための中性子減速材の種類，S1, U, D1, D2 はミュオン実

ネルギーを固定して，固定しなかった方のエネルギーを験装置を表す。［提供： J PARC 物質・生命科学実験施

アナライザ等によって変化させ，その差から散乱過程で設，許可を得て掲載］やり取りしたエネルギー（ »v ）を決定する。アナライ
ザを使わずに非弾性成分も取り込んでしまい，擬似的な弾性散乱装置として使うこともできる。格子振動の測定
では放射光にその座を譲りつつあるが，磁気励起に関しては中性子の座は不動である。
4･ 2

Neutron Spin Echo（NSE）装置群（JRR 3 : iNSE, MLF : VIN ROSE）
NSE は非弾性散乱実験装置の特殊なもので，散乱関数 S( …q, v）の時間 Fourier 変換である中間相関関数 I( …q,t ）を通して，物質内部の散乱体の変形や移動の時間変化を調べることができる。エネルギー変化に非常に敏感な中性子スピンの Larmor 回転を利用することで，他の非弾性散乱測定装置に比べてはるかに高いエネルギー分解能（neV～neV 程度）を得ることができるため，高分
図4

おもちゃの内部透視像の中性子（左）と X 線（右）による違い
中性子ではプラスチックのような主として軽元素でできている部品が見えているが， X 線では見えていない。
［提供：日本原子力研究開発機構，許可を得て掲載］子や誘電体などの内部の構造の拡散や緩和現象などのスローダイナミクスの研究に大きな威力を発揮する。
4･ 3

全散乱装置（MLF : NOVA）

液体・非晶質などの原子の位置が固定されていない物
質の，ある時刻の平均的な実空間上の構成原子の位置関同等の装置が存在するが，中性子と X 線の物質に対す係の情報が得られる。また，結晶構造解析でも，局所的る感受性，同じ波長でも両者のエネルギーが大きく異なな構造の乱れの解析に利用されている。 X 線を使ったること等から，得られる情報に違いがある。一例とし

全散乱測定では q が大きくなると形状因子の効果で散乱て，両者の違いをラジオグラフィの例で示す（図 4）。

強度が減少するが，中性子が点とみなす原子核に対するこのように，全く同じ観測対象に対してかなり異なる印

形状因子は一定で大きな q 領域（原理的には無限大）ま象の透過像が得られる。また，互いに見えない物が見えで散乱強度が減少しないという特徴がある。ていることから，両者は相補的な情報を与えていると言える。
以下，両施設に設置されている装置を大まかに分類しぶんせき 
 613

4･4

単 結 晶 構 造 解 析 装 置 群 （JRR 3 : BIX 3,

一方で，パルス中性子源のラジオグラフィ装置では，BIX 4, FONDER, MLF : iBIX, SENJU）

中性子のエネルギー別の透過像が撮れるので，それを利単結晶試料を用いる構造解析装置（回折計）である。

用した元素マッピング（被写体のどこにどのような元素BIX 3, BIX 4, iBIX の B は Biology を表していて，タがあるか）や， Bragg 回折に由来する Bragg エッジをンパク質単結晶の構造解析などの生命科学研究を主目的解析することにより，試料内部の結晶方位の分布を得るとして設置されている。

ことができる。

4･5

粉 末 構 造 解 析 装 置 群 （JRR 3 : HRPD,HERMES,MLF : SuperHRPD,

4･9

MLF : ANNRI）

SPICA,

PLANET, iMATERIA, NOVA）

即発 g 線分析装置群（ JRR 3 : PGA, MPGA,

中性子の吸収によって安定な原子核が励起されると，単結晶が得られにくい試料に対して，粉末試料を使う

10－14 秒程度の短い時間に g 線を放出して基底状態に戻結晶構造解析装置で，SuperHRPD は Dd/d＝0.03 ％ とる。この g 線を即発 g 線と呼ぶ。放出される g 線のエネ

いう，中性子粉末構造解析装置の中では，特筆すべき性

ルギーは原子核に固有であるので，元素の微量分析に使能を有する。 PLANET では 10 万気圧， 2000 °C での高うことができる。検出感度は ppm 程度であるが，分析温高圧下での測定が可能である。

するための前処理の必要がないことが大きな利点である。

4･6

反 射 率 測 定 装 置 群 （JRR 3 : SUIREN,

4･10MINE II, MLF : SOFIA, SHARAKU）

物質に照射された中性子が原子核に吸収される際，核放射化分析施設（JRR 3 : PN 2）

中性子を試料表面に非常に浅い角度で入射させると，反応によって非放射性核種が放射性核種に変換される場

可視光のような反射，屈折，透過，干渉といった光学的合がある。その核種からの放射線は固有のエネルギーをな性質（中性子光学現象）を示すことを利用し，鏡面を持つので，その分析により物質に含まれる元素を同定で持つ薄膜の表面や多層構造（各層の厚さは 0.1 nm からきる。炉心の近くでキャプセルに封入した試料に中性子1 nm 程度）を非破壊で解析する装置である。軽水素とを照射した後，外部に取り出して分析する。即発 g 線分

重水素に対する中性子の感受性の違いを利用した重水素

析法と同様前処理が不要であり，感度は ppt 程度に達す

ラベル法を用いた高分子薄膜や，偏極中性子を使って磁る。

気感受性高めた磁性薄膜の研究などが行われている。
4 ･ 114･7

小 角 散 乱 装 置 群 （JRR 3 : PNO, SANS J,

多 目 的 実 験 装 置 群 （ JRR 3 : MUSASI L,MUSASIH, NOP, CHOP, MLF : NOBORU）

MLF : TAIKAN, iMATERIA, NOVA）

これらの装置群は，ビームシャッターや検出器などの試料内部の回折が起こらない 1 nm から 100 nm 程度

中性子ビーム利用実験に必要な基本的なものを備えておの大きさの析出物や不均一構造（構造揺らぎ）によって，り，新たな中性子利用技術開発や，利用者が機器を持ち入射した中性子が特定の方向にわずかに曲がることを利込んで組み上げた装置での特殊な実験が可能である。

用し，それらの構造情報を得るものである。また，中性子の磁気感受性を利用した，第 2 種超伝導体の混合状態における磁束線やらせん磁性など，散乱角が小さな回

5

中性子利用実験を行うには上で紹介した JRR 3 と MLF の実験装置で実験する

折ピークとして現れる長周期磁気構造の研究にも行われためには，年に 1 回または 2 回行われる課題公募に申ている。 X 線小角散乱にはない手法として，軽水素と請し採択される必要がある。両方の施設には，原子力機重水素で中性子の感受性が異なることを利用し，多相成構， KEK ，茨城県，大学等が設置した装置があり，一分からなる試料の中から，特定の成分の情報だけを取り部は統一されているものの，異なる利用制度の下で課題出すことのできるコントラストバリエーション法がある。

公募が行われている。これらの違いや複雑さが，新規利用者の応募の妨げにならないように，統一窓口として中4･8

中 性 子 ラ ジ オ グ ラ フ ィ 装 置 群 （JRR 3 :性子・ミュオン利用ポータルサイト3)を開設し情報の提TNRF, CNRF, MLF : RADEN）供に努めている。

ラジオグラフィ（透過イメージング）法で中性子がX 線に勝る点は，特に金属に対する大きな透過力で，6結びに変えて回転中の自動車エンジン内部のオイルの循環の様子を毎放射光源の出現によって，中性子を使わざるを得な秒 2000 コマで撮影することも可能である。このようなかった，かつての状況は大きく変わり，構造解析という高速撮影は大強度の中性子によってのみ可能で，定常中視点での両者の差は小さくなってきている。しかし，定性子源に設置されているラジオグラフィ装置向きである。

常中性子源とパルス中性子源におのおのの特徴があり，

614

ぶんせき  互いに補完する意味合いがあるように，中性子と X 線

ハンドブック：確度の高い多元素同時微量分析への実践”，の間にも同様の関係があり，それぞれの性質の違いを日本アイソトープ協会（2004），（丸善）．

3 ) 中性子・ミュオン利用ポータルサイト，日本原子力研究開発機構， https: // jrr3ring.jaea.go.jp / jjoin /（令和 3 年 10 月

知った上で，適切に使い分けることによって大きな威力を発揮できる。中性子・ミュオン利用ポータルサイトで11 日，最終確認）．

は，課題応募に関する相談や申請書作成のお手伝いの武田全康（Masayasu TAKEDA）

他，中性子に初めて接する方からの気軽な質問も受け付

国立研究開発法人日本原子力研究開発機

けているので，ぜひサイトを活用して中性子の魅力を感

構原子力科学研究部門原子力科学研究所物じていただきたい。

質科学研究センター（〒319 1195 茨城県
那珂郡東海村大字白方 2 番地 4 ）。東北大学大学院理学研究科。理学博士。≪現在の文献研究テーマ≫中性子・放射光を利用した物

1) 学会誌「波紋」中性子入門講座，日本中性子科学会，https:// www.jsns.net/ blank （リストから J STAGE での公開先性研究。≪趣味≫ radiko でラジオを聴くこと。
E mail : takeda.masayasu＠jaea.go.jpに飛ぶことができる。令和 3 年 10 月 11 日，最終確認）．
)
2 伊藤泰男，海老原充，松尾基之 監修・編集：“放射化分析会 員の拡充に御協力を 

本会では，個人（正会員：会費年額 9,000 円＋入会金 1,000 円，学生会員：年額 4,500 円）及び団体会員（維持会員：年額 1 口 79,800 円，特別会員：年額 30,000 円，公益会員：年額 28,800 円）の拡充を行っております。分析化学を業務としている会社や分析化学関係の仕事に従事している人などがお知り合いにおられましたら，ぜひ本会への入会を御勧誘くださるようお願い致します。
入会の手続きなどの詳細につきましては，本会ホームページ（http://www.jsac.jp）の入会案内をご覧いただくか，下記会員係までお問い合わせください。
◇〒141 0031

東京都品川区西五反田 1 26 2

ぶんせき  

五反田サンハイツ 304 号 (公社)日本分析化学会会員係〔電話：03 3490 3351，FAX：03 3490 3572，E mail : memb＠jsac.or.jp〕

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