９．中性子ビームライン

高エネルギー加速器研究機構
伊

藤

晋

一

目

次

中性子ビームライン– 高分解能チョッパー分光器HRC による中性子非弾性散乱実験 –１

はじめに … …………………………………………………………………………………………………… ９－１

２

中性子非弾性散乱実験 … …………………………………………………………………………………… ９－１
２．１ 中性子の性質と中性子散乱実験… …………………………………………………………………… ９－１
２．２ 固体中の素励起… ……………………………………………………………………………………… ９－１
２．３ 素励起の観測… ………………………………………………………………………………………… ９－３

３

高分解能チョッパー分光器HRC … ………………………………………………………………………… ９－４
３．１ HRC の構成……………………………………………………………………………………………… ９－４
３．２ HRC による測定………………………………………………………………………………………… ９－５
３．３ HRC の設計……………………………………………………………………………………………… ９－６
３．４ HRC の性能……………………………………………………………………………………………… ９－８

４ HRC の構成機器… …………………………………………………………………………………………… ９－11
４．１ T0 チョッパー… ……………………………………………………………………………………… ９－11
４．２ ガイド管… ……………………………………………………………………………………………… ９－13
４．３ フェルミチョッパー… ………………………………………………………………………………… ９－14
４．４ 入射コリメーター… …………………………………………………………………………………… ９－15
４．５ オシレーティングコリメーター… …………………………………………………………………… ９－16
４．６ 試料環境… ……………………………………………………………………………………………… ９－17
４．７ 検出器… ………………………………………………………………………………………………… ９－19
４．８ 真空散乱槽と真空排気系… …………………………………………………………………………… ９－20
４．９ 大面積アルミ窓… ……………………………………………………………………………………… ９－21
４．10 計算環境………………………………………………………………………………………………… ９－22
５

中性子ブリルアン散乱……………………………………………………………………………………… ９－23

６

おわりに……………………………………………………………………………………………………… ９－25

参考文献 … ………………………………………………………………………………………………………… ９－26

大きさは、それぞれ、物質中の原子間距離、格子

中性子ビームライン

振動やスピン波などの固体中の素励起の振動数– 高分解能チョッパー分光器 HRC による中性子非弾性散乱実験 –1.

の大きさと概ね一致する（振動数wはエネルギーwを持つ、ここで、= h/2p）。すなわち、中性子
はそのエネルギーと波長がともに物質中の変化を研究するのに適した大きさを持っているので、はじめに空間的相関（運動量に関する情報）または時間的J-PARC の RCS（Rapid-Cycling Synchrotron）

相関（エネルギーに関する情報）のいずれかを対で 3GeV まで加速された陽子は、物質・生命科学

象とする研究のみならず、その両方を同時に扱っ

実験施設（MLF）の中性子生成ターゲットである

た時空相関の研究を行なうことができる。

水銀標的に定格ビーム出力 1MW で入射する。陽

中性子散乱は、物質に入射する中性子の状態

子による水銀原子核の核破砕反応により、陽子のと、物質から散乱される中性子の状態を観測する

入射ごとに時間的にパルス状に発生した中性子ことによって、物質に関する微視的な情報を得る

は、水銀標的の周辺に設置された水素減速材で熱実験手段である。散乱の前後でエネルギー変化が化され、物質・生命科学研究に必要な低エネルギ

ない場合は弾性散乱と呼ばれ、物質が結晶であれ

ー中性子に変換される。MLF では水銀標的及びば、これはブラッグ散乱であり、結晶構造（原子減速材等で構成されるパルス中性子源を取り囲配列）の決定がなされる。物質が結晶でない場合

むように、23 本の中性子ビームラインが放射状にでも散乱公式が導出でき、構造研究が可能であ設置され、そのうち、21 本に中性子分光器を設置して、それぞれ特色ある実験研究を推進している。いずれの場合でも弾性散乱では空間的相関がる。ここでは、中性子ビームラインのうち、BL12乱の前後でエネルギー変化がある場合は非弾性に設置した高分解能チョッパー分光器[1]（HighResolution Chopper Spectrometer, HRC）を例に散乱と呼ばれる。散乱前に比べて散乱後の中性子とり、実験研究や装置構成を紹介する。

2.

観測でき、物質の微視的な構造が決定できる。散のエネルギーが小さい場合にはそのエネルギー差は物質に与えられ、物質中に励起状態（素励起）を作る。素励起は原子の運動状態であり、非弾性

中性子非弾性散乱実験

散乱では、その空間的及び時間的相関が観測できる。素励起の性質を調べることによって、素励起

2.1. 中性子の性質と中性子散乱実験
中性子は、電気的に中性であり、スピン 1/2、質量 m = 1.675×10-27 kg をもつ。電気的に中性であるの起源となる物質中の相互作用を明らかにすることができる。

ことから、物質の深部まで浸入し、バルクの性質

2.2. 固体中の素励起を調べることがきる。スピンを持つことから、磁性原子の電子スピンと相互作用し、物質の磁気的ここでは、固体中の素励起として、結晶を構成する原子の位置、または、原子のスピンの揺らぎ

性質を調べることができる。波動性を考えると、が、原子間の相互作用をとおして、固体中を波と速さ v の中性子のド・ブロイ波長は、l = h/mv で。
与えられる（h = 6.626×10-34 Js：プランク定数）
運動エネルギーは mv2/2 であり、これが熱エネル
ギーkBT（kB = 1.381×10-23 J/K：ボルツマン定数、
T：温度）に等しいとおくと、室温（T = 300 K）程度のエネルギーを持つ中性子（熱中性子）の波長は、l = 1.8Å 程度、エネルギーは 25 meV 程度で。これらのある（1Å = 10-10 m、1eV = 1.602×10-19 J）

して伝搬する集団励起を考える。
結晶中の原子の弾性振動が固体中を伝播する
集団励起を格子振動（フォノン）と呼ぶ。結晶中の n 番目の原子に、m 番目の原子の変位が引き起こす力が、それぞれの原子の変位ベクトルの差 um– un に比例するとして、質量 Mn の n 番目の原子の運動方程式は次式で与えられる。

９－ 1

状態（互いに逆向きに整列する状態）が安定であ22

Mn d un/dt = Sm Cmn (um – un)(2-1)

り、結晶全体では反強磁性に秩序化する。秩序化した状態では、スピンの揺らぎは交換相互作用を

これは、力が変位に比例する、いわゆるフックのとおして、波として結晶中を伝播する集団励起と法則を表わしている。簡単のため、同一原子（Mn= M）からなる一次元結晶を考え、最近接の原子なり、これをスピン波（マグノン）と呼ぶ。簡単

間にのみ相互作用があるとし、Cmn = C とすれば、なる一次元結晶を考え、最近接の原子間にのみ交(2-1)式は、一次元鎖方向の変位 un に対して、換相互作用があるとし、Jij = J とすれば、(2-5)式は

M d2un/dt2 = C (un+1 – 2un + un-1)

H = –2J Si Si•Si+1(2-2)と表わされる。格子間隔を a とし、波数 q、振動数wの進行波の形を持つ解
un = u exp[i(naq – wt)]

に対する運動方程式は次式で与えられる。
idSi/dt = [Si, H]

散関係（振動数wと波数 q の関係）が得られる。

(2-7)

ここで、演算子 A、B に対して、[A, B] = AB – BAである。
強磁性体の場合（J > 0）
、秩序状態でのスピンの(2-4)

実際の結晶では原子が三次元的に配列されているので、種々の方向に伝播する格子振動が定義される。波の伝播方向と振動方向が一致する場合を縦波、垂直な場合を横波というが、一般には定数
C は縦波と横波で異なった値をとるので、異なる分散関係を示す。q の小さいところでは、(2-4)式
を aq ≪ 1 として展開すると、w = (C/2M)1/2aq と近似されるが、これをw = cq とおけば、c = (C/2M)1/2a
は、音速を与える。
磁性を記述する方法として、ハイゼンベルグの方向を z 軸にとり、秩序状態からのスピンの揺らぎが小さいとして、Six、Siy << 0、Siz = S、dSiz/dt =0 とすると、運動方程式は次のように近似される。
dSix/dt = -2SJ(Si-1y -2Siy + Si+1y)
dSiy/dt = 2SJ (Si-1x -2Six + Si+1x)原子のスピンを Si、j 番目の磁性原子のスピンを
Sj とするとき、Si と Sj との間に–2Jij Si•Sj の交換相互作用とよばれる相互作用を仮定し、結晶全体では、以下のハミルトニアンを仮定する。

(2-8)

格子間隔を a とし、波数 q、振動数wをもつ進行波の形を持つ解を考えると、以下のスピン波の分散関係が得られる。

ハミルトニアンがある。結晶格子の i 番目の磁性

H = – S<i,j> 2Jij Si•Sj(2-6)と表わされる。このハミルトニアンからスピン Si(2-3)

を考え、(2-3)式を(2-2)式に代入すると、以下の分

w = (2C/M)1/2 | sin aq/2 |のため、同一の磁性原子（スピン量子数 S）から

w = 4SJ (1 – cos aq)(2-9)

q の小さいところ（aq ≪ 1）では、w = 2SJa2q2 と近似される。

反強磁性体の場合（J < 0）
、上向スピン、下向き
スピンに分けて、スピンの揺らぎが小さいとし(2-5)て、運動方程式を書き下し、Si+ = Six + iSiy とおく

和は結晶内にある異なる全ての i、j の組に対してと、運動方程式は以下のようになる。

とられる。Jij > 0 ならば、2 つのスピンが平行な状態が安定であり、結晶全体では強磁性に秩序化する。また、Jij < 0 ならば、2 つのスピンが反平行な

９－ 2

dS2i+/dt = 2iSJ(S2i-1+ + 2S2i+ + S2i+1+)
dS2i+1+/dt = -2iSJ(S2i+ + 2S2i+1+ + S2i+2+)(2-10)

進行波の形を持つ解を考えると、以下のスピン波の分散関係が得られる。
w = 4S|J||sin aq/2|(2-11)

q の小さいところ（aq ≪ 1）では、w = 2S|J|aq と近似される。

このように、物質中の素励起では、その波数 qと振動数wとの間に、分散関係w = W(q)があり、こFig. 1 CsVCl3 の中性子非弾性散乱強度[2]。白い実線は(2-9)式によるフィッティング。

れは素励起の起源となる相互作用で決定される。
三次元空間では波数 q も三次元となる。波数空間を定義するために、試料は単結晶である必要がある。また、中性子非弾性散乱は弾性散乱に比べて散乱強度は、10-2 ~ 10-4、あるいはそれ以下で、とても微弱であるので、単結晶は大型である必要がある。微弱な中性子非弾性散乱の観測のためには、ノイズを極力低減させなければならない。中性子非弾性散乱装置は、その指針に従って、設計、製作される。
2.3. 素励起の観測
中性子散乱実験において、中性子は、試料に入Fig. 2 NdFe3(BO3)4 の中性子非弾性散乱強度[5]。実線および波線はモデルによるフィッテ
ィング。白丸は解析に用いた測定点。

射し、散乱される。中性子非弾性散乱で、入射中性子のエネルギーを Ei、波数ベクトルを ki、散乱
中性子のエネルギーを Ef、波数ベクトルを kf とす
ると、エネルギー遷移 E と散乱ベクトル（運動量遷移）Q は、次式で与えられる。
E = Ei – Ef

(2-12)

Q = ki – kf

(2-13)

等しくなるように選べば、散乱強度を観測する。
分散関係w = W(q)を測定すれば、それから素励起の起源となる相互作用を決定することができる。

波数ベクトル ki、kf の大きさ（波数）を ki、kf とす る と 、 そ れ ら と エ ネ ル ギ ー と の 間 に 、 Ei =
2ki2/2m、Ef =  2kf 2/2m の関係がある。ki と kf のな
す角fは散乱角と呼ばれる。
中性子非弾性散乱強度は動的構造因子に比例するが、素励起の動的構造因子は、減衰がない場
合、比例因子を除いて、以下の式で与えられる。
S(Q,E) ~ d(E – W(Q))(2-14)

すなわち、散乱ベクトル Q とエネルギー遷移 E をそれぞれ素励起の波数ベクトル q と振動数 wにFig. 1 は一次元反強磁性体 CsVCl3 の中性子非弾性散乱強度である[2,3]。CsVCl3 は結晶の c 軸方
向に V2+イオンが配列して一次元鎖を形成している。鎖間の距離が離れているので、鎖間の V2+イオン間の交換相互作用は、鎖内の V2+イオン間の交換相互作用の 10-4 と十分小さく、一次元磁性体が実現し、ハミルトニアンは(2-6)式で記述される。Fig. 1 で、散乱強度が周辺よりも大きい部分を(2-11)式の分散関係でフィットすると、4S|J| =75.0 ± 0.7 meV と求まり、V2+では S = 3/2 である

９－ 3

から、交換相互作用定数は、|J| = 12.5 ± 0.1 meV と決定される。このように中性子非弾性散乱実験では、スピン間に働く相互作用の値を決めることがここで、Si は Fe3+のスピン、Jk は Nd3+のスピンできる。この研究には、さらに続きがある。(2-11)

接（nnn）の Fe3+間の、J3 は最近接（nn）の Fe3+と式では磁性を担うスピンを古典的に扱っているが、一次元反強磁性体では、量子効果が顕著にな

Nd3+の間の交換相互作用定数であり、和は対応す
るスピン対で取られ、D は Nd3+の磁気異方性を決っていて、そのために基底状態のエネルギーが下める結晶場パラメーターである。Jkx は Jk の x 成

がり、基底状態から励起状態へのエネルギー（スピン波のエネルギー）が増大する。この効果を考分である。
フィッティングにより、J1 = -0.482 meV、J2 = -0.054 meV、J3 = 7.9 µeV、D = 23.5 µeV と決慮すると、(2-11)式の係数 4S|J|は増大因子 R を導定される。この結果は、Nd3+は、結晶場（D）で決入して 4SR|J|と書き換えられる。すなわち、4SR|J|= 75.0 ± 0.7 meV である。CsVCl3 では、磁化率のまる磁気異方性を持ち、Fe3+と Nd3+の相互作用（J3）をとおして、Fe3+の秩序化を制御し、マルチ温度変化から、|J| = 9.9 meV と見積もられるので、フェロイック特性を発現することを表わしていR = 1.26 ± 0.2 が得られる[3]。この増大因子の値はる。このように、分散関係の測定により相互作用である。J1 は最近接（nn）の Fe3+間の、J2 は次近理論値[4]に一致する。従って、この実験は CsVCl3を決定し、物性の発現機構を議論することができにおける量子効果を検出したものである。

る。

Fig. 2 はマルチフェロイック物質 NdFe3(BO3)4の中性子非弾性散乱強度である[5]。マルチフェロ

3. 高分解能チョッパー分光器 HRC

イック物質は磁気秩序と強誘電性を同時に示すものである。Fe3+の磁気秩序化により結晶構造が低対称化し、電気分極を発生させる。中性子非弾性散乱実験で測定されたスペクトルは、以下のハ
ミルトニアンから導出されるスピン波の分散関係でフィットすることができる。
H = – Snn J1 Si•Sj – Snnn J2 Si•Sj – Snn J3 Si•Jk– Sk D(Jkx)2(2-15)

3.1. HRC の構成

HRC は、meV から eV にわたる広いエネルギー領域の中性子を高分解能で利用して、物質のダ
イナミクスを研究するための中性子非弾性散乱実験装置である[1]。HRC を用いた高分解能中性子非弾性散乱実験として、次の 3 種類が可能である。第 1 は、この種の分光器の通常の測定範囲である 100 meV 程度以下のエネルギー運動量空間で0.8°~ 0.6°
-13°
-31°

-0.6°
~ -5.1°

Fig. 3 HRC の配置図[6]。太線の部分に検出器が配置されている。

９－ 4

９－ 5

９－ 6

９－ 7

mm が L1 = 15 m を隔てて配置されていれば、この配置で決まるビーム発散角はDqdiv = 7.2 mrad である。ガイド管はビーム発散角を増大させて強度利得を得るデバイスであり、利得が G（Fig. 20）であれば、ビーム発散角は、Dq = DqdivG1/2 となる。
Dfは、Dqと wd で決まり、10 ~ 20 mrad である。
中性子非弾性散乱強度は微弱であるので、チョッパー分光器はDtch ≥ Dtm を動作条件に選択する。
その結果、HRC の性能はDE/Ei ≥ 2.5%となる。しかし、概念設計では、さらなる高分解能化の可能性も検討した[11]。Fig. 7 に示すように、Dtch =0.3Dtm とすると、DE/Ei = 1%が実現する。このときFig. 9 白色ビームをバナジウム標準試料に照射したときに、L2 = 4 m 位置で観測した散乱強度。

ピーク強度 R0 はDtch = Dtm のときに比べて 0.75 倍であり、積分強度は 0.2 倍である。DE/Ei = 1%が技術的に実現できれば、十分大きいビーム出力のもw

neutronbeamとで実験可能と考えた。
3.4. HRC の性能

d

フェルミチョッパーを外して、白色ビームをバ
ナジウム標準試料（外径 25 mm、内径 23 mm、高さ 37 mm の円筒形状）に照射したときに、L2 = 4

DFig. 10 フェルミチョッパーのローターの断面図。遮蔽板（厚さ d）が間隔 w を保ってス
リット状を構成している。

m 位置で検出したスペクトルを Fig. 9 に示す。観
測強度は以下の計算式でよく表わされる。
Iwhite(Ei) = C F(Ei) (Sm/L12) G(Ei) Apath(Ei) acol× (NVsV/4p) Av(Ei) DW h(Ei)の強度の減少は T0 チョッパ―を 50 Hz で運転し(3-8)

ているためである。

、
ここで、F(Ei)は減速材表面での中性子束（Fig. 6）
減速材面積は Sm = 100×100 mm2、G(Ei)はガイド管
利得（Fig. 20）、Apath(Ei)は飛行経路上のアルミ（厚さ 21 mm）と空気（厚さ 2.7 m）による減衰、acol= 0.76 は入射コリメーターの透過率の測定値[6]、、sV はバ
NV はバナジウム原子数（16.7 g に相当）

フェルミチョッパー[12]は、中性子遮蔽板を間隔を保って積層したスリットをローターに挿入して、これを中性子発生周期に同期させて回転させて、中性子を単色化するデバイスであり、HRCの性能を決めるものである。Fig. 10 にフェルミチ
ョッパーのローター断面の模式図を示す。スリッ

ナジウムの散乱断面積、Av(Ei)はバナジウムによるトが中性子ビームに平行に向いた時刻に、中性子が隙間（白色部）を通過して、その下流に向けて減衰、DW = 0.75 sr は検出器 246 本分の立体角（解析にはf = 3° ~ 62°、-29°~ -14°の 246 本を用いた）、

中性子を供給する。このローター形状（スリットh(Ei)は検出効率（Fig. 27）である。Fig. 9 のように、C = 0.6 とすると観測値を再現する。 MLF のどの中性子ビームラインでも C = 0.5 ~ 0.7 程度のようである。Ei = 4 meV 程度及び Ei ≥ 1000 meV で

幅 w、直径 D、回転周波数 f）に対して、開口時間
はDtch = w/2pDf で与えられる。また、スリットに
曲率 R をつけると，最適エネルギーEopt の中性子に対して透過強度が増大する（vopt = 4pRf、Eopt =。
mvopt2/2）

９－ 8

Fig. 11 L2 = 4 m 位置で測定した HRC の性能。Fermi A と Fermi B の強度 I と分解能DE/Ei を示す。
HRC では、大強度型と高分解能型の 2 台のフェルミチョッパーを選択できるようにした。大強の半値全幅を分解能DE、積分強度を強度 I としてプロットした。実験者はこの図を用いて、フェル度型 Fermi A は、w = 2.4 mm 、R = 1.3 m、D = 100

ミチョッパーの動作条件を決める。

mm として、チョッパーの開口時間Dtch がパルス
幅Dtm の 2 倍程度になるように設計した。高分解

Fig. 11 の測定に対して、分解能は、(3-4)式で表わされ、強度（積分強度）は次式で表わされる。

能型 Fermi B は、w = 1.2 mm、R = 1 m、D = 100
mm として、Dtch がDtm と同程度になるように設計し、特に NBS 実験のために L2 = 5.2 m の検出器

I(Ei) = Iwhite(Ei) T(Ei,w,R,f) AFermi(Ei) aFermi(Ei)× 2EiDtch/tch(3-9)

で、Ei = 100 meV でDE/Ei = 2%が、できるだけ強い
中性子強度で得られるように曲率 R を調整した。
回転周波数 f を 100 ~ 600 Hz の範囲で選ぶことにT(Ei,w,R,f)はフェルミチョッパーのスリットの形状で決まる透過率で次式で与えられる[9]。

より、Ei を数 meV から数 eV の範囲でカバーすることができる。Fig. 11 は、Fermi A と Fermi B
を回転周波数 f と入射中性子エネルギーEi を選んT(Ei,w,R,f) =1 – 8b2/3|b| < 1/4
1/2
2
16|b| /3 – 8|b|+8b /3 1/4 < |b| < 10

で、バナジウム標準試料からの散乱により、強度と分解能を L2 = 4 m で測定したものである[6]。バ
ナジウムからの散乱は等方的な非干渉性弾性散|b| > 1
(3-10)

乱が主であり、S(Q,E) = d(E)と近似できるので、

ここで、b = (D/2w)vp(vi-1-vopt-1)、vp = pDf である。

Fig. 7(a)に相当するスペクトルが観測される。そAFermi(Ei)はフェルミチョッパーのアルミ材（厚さ９－ 9

25 mm）による減衰、aFermi(Ei)はスリットのコリメーション w/D とビーム発散角Dqの比 u = Dq/(w/D)
で決まる補正因子であり、次式で与えられる。
aFermi(Ei) = {w/(w+d)} (1+u2)-1/2(3-11)(3-4)式と(3-9)式の開口時間Dtch = w/2pDf は、平行ビームに対するものであり、有限のビーム発散角に対しては、実効的な開口時間は、u で決まる補正因子 p を用いて、pDtch と与えられる[9]。
1 + u/4
p=

Fig. 12 L2 = 5.2 m 位置で測定した HRC の性能[6]。

0 < u < 0.8
2 1/2

2 + u – (4u – u )0.8 < u < 2

u2<u

製作誤差も考えられる。また、t = 0 よりも遅く発生した、Ei よりもエネルギーの高い中性子がフェルミチョッパーの開口を通り抜けることによっ(3-12)て E < 0 の強度の小さいところに尾が生じること(3-4)式、(3-9)式の計算では、Dtch を pDtch で置き換えた。Fig. 11 の実線は、フェルミチョッパーの製を述べたが、この効果の大小はエネルギーに依存すると考えられる。こういった効果が一定の大き

作時のパラメーターを用いて(3-9)式で計算したさで存在すれば、
Fermi A ではスリット幅が広く、ものである。減速材と標準試料の配置で決まるビーム発散角はDqdiv = 6.7 mrad であり、ガイド管の相対的にその効果は小さいが、スリット幅の狭い
Fermi B では相対的に大きくなる。そのために、利得（Fig. 20）を G(Ei)として、Dq = DqdivG(Ei)1/2 である。(3-4)式のDL2/L2 は、試料は直径 25 mm、検出器は直径 19 mm として、L2 = 4 m に対して、
DL2/L2 = 0.42%である。計算値は観測値を概ね再現している。Fermi A に対して Fermi B の強度は概ね 1/3 程度である。これは、Dtch で 1/2、aFermi(Ei)
で 1/1.5 程度であることで説明できる。
計算値は観測値を概ね再現しているとは言え、Fermi B の分解能は、そのほかのデータに比べて計算値と観測値の食い違いが大きい。Fermi B は
Fermi A に比べてスリット幅 w は 1/2 であるので、DE も 1/2 になるように高分解能化を期待して設計したものであるが、期待どおりに高分解能化されていない。実際の実験において、パラメータ
ーが製作時のものから変化していると考えられることがいくつかある。ローターの高速回転による応力の発生で、スリット形状が変形し、変形は回転周波数が大きくなるにつれて大きくなることが考えられる。スリット材の遮蔽能が高エネル
ギーでは低下することが考えられる。そのほか、

期待どおりに高分解能化できないという結果になったと考えられる。Fig. 11 において白抜きの黒丸は、Dtch = Dtm となっている点である。Fermi A
では、Dtch = Dtm では、高い Ei に対しては、DE/Ei= 3%程度となっていて、設計値DE/Ei = 2.5%に近い性能を出している。この辺りでは、I ~ 300 程度の強度になっている。これに対して、Fermi B では、DE/Ei は設計値より大きくずれている。こう言ったことも、上述の効果の表われと考えられる。
I ~ 300 程度以上が、実験上許容できる強度であり、実際の最高分解能はDE/Ei = 2%程度である。
L2 = 4 m 位置であれば、Fermi A を用いて、Ei ≤ 10
meV で f = 200 Hz で、実験可能な中性子強度でDE/Ei = 2%が得られる。L2 = 5.2 m 位置では Ei =100 meV でDE/Ei = 2%が、できるだけ強い中性子強度で得られるように設計した。その結果、Fermi
B を用いて f = 300 Hz で、Fermi A、f = 600 Hz に比べ、強度増に成功した。さらに高速回転して、
f = 500 Hz とすると、実験可能な中性子強度で、。Fermi B を
DE/Ei = 1.4%が得られた（Fig. 12(a)）
用いると Fig. 12(b)に示されるように、DE/Ei =９－ 10

2.0% （Ei = 103 meV）
、2.3%（206 meV）
、2.4%（310meV）
、2.7% （520 meV）であり、Ei = 500 meV 程
度まで 2%程度の分解能が得られた。

4. HRC の構成機器
ここでは、HRC を構成する機器の開発や性能について、概ね、上流から下流に向かって、配置順に述べる。
4.1. T0 チョッパー

Fig. 13 T0 チョッパー試作機組立図[14]。

陽子ビームが中性子発生ターゲットに入射後、短い時間に中性子が放出されるが、このうち特に
高エネルギー中性子が中性子分光器に入射すると、分光器内で散乱及び熱化され、バックグラウ
ンドノイズを発生させる。微弱な散乱強度の中性
子非弾性散乱実験ではこのバックグラウンドノ
イズの低減が必須である。T0 チョッパーは、高エネルギー中性子に対する遮蔽材である鋼材を、中性子の発生に同期させて回転させ、t = 0 付近の時間帯でビームラインを遮蔽し、分光器に入射する
高エネルギー中性子を低減させるものである（Fig. 4）[13-15]。
T0 チョッパーの試験機の組立図を Fig. 13 に、ローター（試験機も実機も外形は同じ）の形状を
Fig. 14 に示す[14,15]。80×80 mm2（wT0 = 80 mm）のビーム断面積の中性子ビームラインでは、ビーム断面積に対して ±1 mm のマージン（DwT0 = 1mm）をとり、82×82 mm2 の遮蔽材（Fig. 14 の斜線部分）をビームラインから 300 mm 離れた位置
でビームラインに平行な軸のまわりに回転させ。遮蔽材は、回転応力
る（回転半径 RT0 = 300 mm）
が集中するため、材料強度が高い必要があり、また、中性子による放射化を低減するために、照射により長寿命核種を生成する Co 等を含まない材質である必要がある。そのため Inconel X 750 を選択した。開発時には、十分な大きさの鍛造材が入手できたこともあり、ローター全体を Inconel
X 750 で一体で製作したが、実機では、中性子ビームが照射される 50 mmf×300 mm の部分のみをInconel X 750 として、SUS630 のローター本体に HIP（熱間等方圧加圧）で接合した。t = 0 で、Fig. 14 T0 チョッパーのローターの形状[14]。
遮蔽体部分の中心がビームラインの中心にあって、ビームラインを完全に閉じていたとすると、回転周波数が f = 100 Hz の時には 430 μs（= tT0 =(wT0+DwT0)/2pRT0f）後に完全に開口する。これを線
源から 9 m 位置（LT0）に設置すれば、2.5 eV 以下の エ ネ ル ギ ー の 中 性 子 が 利 用 で き る （ En =m(LT0/tT0)2/2）。
100 Hz 回転時にはマージン（±1 mm）
が回転位相の制御精度 ±5 μs に対応する。
質量 mT0= 120 kg のローターの両端を軸受が支える単純な構造ではあるが、ローターの安定回転のため、この軸受支持部の同軸度の確保が重要である。同軸
度は 10 μm 以下、回転バランスは釣合い良さ G1（G ≤ 1 mm/s）で、精密加工を行なった。G = 2pfu/mT0
であり、G ≤ 1 mm/s は、u ≤ 0.19 kg mm に対応する。u はローターの重心の変位であり、120 kg に対しては、1.6 µm 以下となる。同軸度 10 μm は、この大きさの物体に対する加工の限界である。回９－ 11

転バランスはそれ以下にして無視できる程度とした。軸受等の回転軸上に取付けられる部品の固定部分も同等の精度で加工、組立を行った。T0 チ
ョッパーでは、ローターを真空中に置き、その両軸を玉軸受で保持し、大気中に設置したモーターの回転を磁気シールを介して導入した。
モーターは、8192 パルスを送ると 1 回転する。
ローターが 100 Hz で回転するためには、
406.9 kHzのパルスをモーターに送り（モーターの回転数は50 Hz）、タイミングベルトで倍速の 100 Hz にする。上述のように、機械的には、回転揺らぎを抑Fig. 15 100Hz 回転時における位相制御回路による回転揺らぎの自動補正効果[14]。

える対策を行なっているが、熱変形、潤滑油の温度上昇に伴うグリースの粘度の変化に影響されて、100 Hz の回転速度を 5 μs 以下の揺らぎで維持することは容易ではない。そのため、目標回転速度の指定範囲を超える場合、回転速度センサー信号値に対して 1 パルス単位で減速または増速が自動的に可能な制御系を開発した。この自動補正制
御の ON （作動した場合）、OFF（作動しない場合）での、回転周期からのずれの頻度を Fig.15 に示す。半値幅が 1μs に改善されていることから，自動補正の効果が明確に認められる。
T0 チョッパーは、部品交換なしで、連続 1000
時間、累積 4000 時間の運転を目指した。玉軸受の寿命は、t = (106/f)(CB/P)3 で与えられる[16]。ここ

Fig. 16 着脱機構を組み入れた T0 チョッパーの実機[14]。本体着座時(左)、分離時(右)。

で、f は回転周波数、CB は許容最大耐荷重、P は荷重である。使用したローターの玉軸受は、口径45 mm で CB = 2140 kgf のものである。120 kg のローターの両側を玉軸受 1 個ずつで支え、この使用状態に対する加重因子は 1.3 であるので、P =1.3×120 kgf /2 = 78 kgf である。従って、寿命は f =4

100 Hz のとき、t = 6×10 h である。磁気シール
は、100 Hz 回転で、実験的に 7500 時間の寿命を確認している。いずれも年間 4000 時間の運転時間を満足する。実際に、100 Hz で運転を行なって、
累積 4648 時間、連続 1551 時間を確認した。
主要部品は中性子ビームラインから 300 mm 以
上離れた場所に配置されている。HRC の T0 チョ
ッパ―の設置場所では、ビーム出力 1 MW のとき、
中性子ビームラインから 300 mm の位置では、1kGy/y の吸収線量が推定される[17]。ローターの玉軸受のグリース、磁気シールの磁性流体、磁気シールの軸受のグリース、タイミングベルトに、
60C からの 1 ~ 100 kGy のエネルギーのガンマ線を照射し、材料特性の変化を調べた[16]。この照射量では、材料特性にあまり変化は見られなかったが、ローターの玉軸受のグリースは 100 kGy の照射で CB が 80%に減少することがわかった。100kGy の照射ではあるが、寿命が半分になることに相当する。回転数を検出する半導体素子は 1~10
kGy で動作不良を起こすことがわかった。ロータ
ーの回転位相検出系は、中性子ビームライン外に設置した制御盤内に光源を設け、光ファイバーで光を伝送し、ローター軸に取り付けられた切り欠
きのある円盤で、光を透過または遮断することに９－ 12

より、光ファイバーで制御盤に戻し、回転位相を検出することとした。光ファイバーは、耐放射線仕様で、照射損傷による損失が 16 dB/m/MGy のものを用いた。光ファイバーは遮蔽体内に 10 m 程
度敷設し、吸収線量は 1 kGy/y 程度と推定される
ので、3 dB 低下するのに（出力 1/2）
、19 年を要する。モーターのエンコーダーは放射線損傷が気になるところであるが、モーターは、実機では、ローターの真下で、
中性子ビームラインから 520 mmの位置に設置し、さらに鉄板でモーターを囲うことにより、吸収線量は 0.2 kGy/y 程度に低減した。
ローターの先端（装置の外）にダイナミックダ

Fig. 17 白色ビームで測定した T0 チョッパーの透過率の TOF 依存性[14]。

ンパー（速度変動を吸収する装置:スタビライザーと名付けた）を設置し、回転揺らぎの機械的な部分について改善を図った（Fig. 13）。スタビライ
ザーは、100 Hz 回転時に要求制御精度を実現する
ためには不可欠であるが、50 Hz 以下では特に必要はない。また、本体が架台に着座するだけで、
電気、冷却水、真空配管が接続され、クレーンで吊り上げるだけで、それらを切り離すことが可能な構造とした。この開発に基づいて設計された実機を Fig. 16 に示す[14,15]。
Fig. 17 は、透過率の飛行時間 t 依存性である[14,15]。透過率は、白色ビームを用いて、バナジ
ウム標準試料から測定される強度から、T0 チョ

ッパーを動作させないときの測定強度に対するFig. 18 単色ビームで測定した T0 チョッパーのバックグラウンド抑制の効果[14]。OFF で
は T0 チョッパーを動作させていない。

動作させたときの測定強度の比をとって求めた。
透過率が、f = 100 Hz では 2.5 eV で、f = 50 Hz で
は 0.63 eV で、f = 25 Hz では 0.16 eV で回復することを確認した。Fig. 18 は、フェルミチョッパーを600 Hz で運転し、T0 チョッパーを f = 25 Hz、50
Hz、100 Hz で運転した時の、バナジウム標準試料からの散乱強度である[14,15]。スリット幅の広い
フェルミチョッパー（Fermi A）を使っているので、ローターの半回転ごとに中性子ビームが透過している。t = 1940 µs、4190 µs、6440 µs、8690 µsのピークが Ei = 500 meV、100 meV、45 meV、25meV に対応している。t = 820 µs、3070 µs のピー
クは回転が半回転ずれていて、スリットの曲率が逆であり、最適化されていない強度である。Ei =500 meV 付近で、バックグラウンドノイズが 2 桁程度減少していることがわかる。これにより、
HRC で中性子非弾性散乱実験が可能になった。
4.2. ガイド管

ガイド管は、中性子源と試料の間に設置する管状の機器で、管の内壁を鏡面にして、中性子を反射させ、試料位置での中性子強度を増大させるものである。HRC では、管の断面は正方形として、
Fig. 19 のように鏡面を配置した[18]。ガイド管内
は真空排気している。鏡面はスパーミラーであるが、これは、NiC と Ti をガラス基板に交互に蒸着した多層膜であり、積層周期が徐々に変化している。多層膜では積層周期に対応するブラッグ反９－ 13

射が起きるが、積層周期を徐々に変化させること

moderator

によって連続波長を反射させることができる。最小積層周期は反射可能な中性子の最大波数を与え、最大積層周期はミラー全体の全反射臨界波数

ド管の鏡面は従来 Ni が使われて、Ni 鏡面の全反う表現を用いる。HRC では、シャッター内は m =3、生体遮蔽内は m = 3.65、それより下流は m = 4のスーパーミラーを用いた。m 値はその部分のガ

m = 3.65m=42.351mm=44.643m7.100m1.588m0.524msampleFermi 50mm

T0

100mm

につながるように選べば、あたかも中性子が最大波数以下で全反射しているようにみなせる。ガイ射を利用してきたので、スパーミラーの臨界波数
は Ni の全反射臨界波数（0.0217 Å-1）の m 倍とい

m=3

3.672m5.791m

L1 = 15m

Fig. 19 ガイド管の配置[18]。太線がスーパーミラーを、縦縞がシャッター内と生体遮蔽内、横縞が下流部分の基板及び鉄枠を表わす。

イド管を購入した時期による。Fig. 20 に試料位置での中性子強度の利得を示す[1,18]。
ガイド管は、Ni 鏡面が用いられていた頃は、10meV 程度以下のエネルギーの冷中性子に対して有効なデバイスであった。m = 3 程度のスーパーミラーが開発されたことにより、ガイド管は、100
meV 程度のエネルギーの中性子に対しても有効と考えられ、KEK つくばキャンパスに中性子実験施設があったときに、チョッパー分光器 INC で世界に先駆けてこのエネルギー領域の中性子に対して用いた [19]。今では、ガイド管は、世界的にも、チョッパー分光器では標準的な装備となっている。

Fig. 20 ガイド管の利得(設置しないときに対する設置時の利得)のエネルギー依存性[1,18]。

4.3. フェルミチョッパー

フェルミチョッパーは、中性子遮蔽板を間隔を保って積層したスリットをローターに挿入して、これを中性子発生周期に同期させて回転させて、中性子を単色化する機器である。スリットは Fig.
21 に示す構成で実現している[20-22]。スリットが中性子ビームに平行に向いた時刻に，中性子が白色部（隙間）を通過して、その下流に向けて中性子を供給する。
ローターは中性子発生周期に同期させて回転させるが、常に時刻 tch にスリットが中性子ビーム
ラインに対して開口しなければならない。透過中性子強度の減少を 2%以下にするためには、同期
精度は、Dtch の 30%以下である必要がある[21]。すなわち、開口時刻を tch ± 0.3Dtch に制御する必要がFig. 21 フェルミチョッパーのローターに挿入されるスリット。遮蔽板（黒い部分）とくり抜いたアルミ板（スリット幅 w を規定）を交互に配置し、曲率壁（曲率 R を規定）で挟んでいる[20,22]。
ある。回転周波数は f = 100 ~ 600 Hz の範囲で選択され、これにより、HRC では、数 meV ~ 数 eVのエネルギーの中性子の利用を可能とする。Ei = 1

９－ 14

Number of events

2500
2000
1500
1000
500
0
-0.5

0.0

0.5

Deviation from target timing (µs)

Fig. 23 製作したフェルミチョッパーの全体
図（左）及びローター（右）[20,21]。

Fig. 22 位相制御回路による回転揺らぎの抑制[21]。600 Hz で 0.08 µs (FWHM)を達成。
eV では Dtm＝2.5 µs であり、最適条件Dtch = Dtm で実機の製作に向けて制御回路の開発も行なった。

は、Dtch = 2.5 µs であり、DE/Ei = 2.5%である。こモーターのインバーター制御ではノイズが発生する

れは、w = 0.95 mm、D = 100 mm、f = 600 Hz で得られ、必要な制御精度は ±0.75 µs である。DE/Ei =ので、ノイズ発生を防止するため、デジタル直接合

1%を目指すためには、Dtch = 1 µs 及び制御精度

50 MHz の基準クロックを用いて、正弦波波形の 1 周成発振器（direct digital synthesizer, DDS）により、±0.3 µs が必要であり、これを開発目標とした。

期を 232 に分割して、合成して、モーターへ供給する

スリットは、中性子遮蔽板（スリット材）をア

電源を生成した。これを用いて、回転周波数分解能

ルミ製補強材に挟んで積層し、ローターへ組み込

0.01164 Hz（= 50 MHz / 232）
、位相制御精度 0.02 µs をむものである。中性子ビームはアルミ製補強材を透過する。スリット材は、従来は、タングステン

実現した。

芯にボロンを化学気相成長させたボロン繊維（直パーを Fig. 23 に示す[21,22]。実際の性能は 3.4 に

径 140 µm）をアルミ板に拡散接合する材料が用いられていた[23]。これは、500 MPa 以上の引張強述べたとおりである。

度が報告されていて、600 Hz の高速回転で生じる

これらの開発に基づき、製作したフェルミチョッ

4.4. 入射コリメーター

応力に耐えられる材料である。この材料は現在製造されていないので、材料開発を行なったが、有入射中性子ビームの飛行経路はできるだけ真空にして中性子の散乱を減らすようにするが、全効な製法は見出せていない[24]。タングステン芯

体を一体にすることは困難で、ガイド管、T0 チョのボロン繊維（直径 100 µm）をエポキシで固化させた材料ならば入手可能である。回転系は、市販

ッパ―、フェルミチョッパーは、機器ごとに真空排気している。中性子ビームの透過部分には窓材のターボ分子ポンプ（TMP）の磁気軸受の利用を計（アルミ）が設けられているが、窓材や機器間の空画し、モーターをインバーター制御して、基礎試験を行なった[21,22]。排気速度が 1300 L/s の TMP の気で中性子が散乱し、検出器位置では、散乱角が10°程度までの領域にバックグラウンドノイズが回転体の重量及び慣性モーメントがローターの重量生じていた。中性子ビーム方向長さ Lc = 150 mm、及び慣性モーメントに近いので、この TMP を選択した。この TMP は 600 Hz 回転での 1 周期の回転揺ビーム断面積 60×60 mm2 の領域に、厚さ 0.1 mmの Cd 箔を一定間隔 wc に保って配置してスリット

らぎは 0.099 µs であった。制御回路を開発し、最終を構成し、これを試料直前に設置することによ

的には、600 Hz で 0.08 µs の回転揺らぎを達成した

り、このバックグラウンドノイズの低減に成功した。試行錯誤の結果、散乱角 3°以上の高角検出器（Fig. 22）
。これは必要な同期精度を満たす。

を用いる実験では、wc = 3.9 mm でコリメーション

９－ 15

Fig. 24 Ei = 100 meV で測定した一次元反強磁性体 CsVCl3 の励起スペクトル。(a) 入射コリメーター
なし、(b)あり。低 q（低角）のノイズが、入射コリメーターで低減されることがわかる[18]。Fig. 1 は、
(a)のデータから、バックグラウンドノイズの測定結果を差し引いて得られたものである。
(a)

(b)

(c)

(d)

Fig. 25 1K 冷凍機を用いた実験で、オシレーティングコリメーターを用いないとき(a)、用いたとき(b)の弾性散乱強度、及び、用いないとき(c)、用いたとき(d)の非弾性散乱強度。
が wc/Lc = 1.5°のコリメーターを用いることによっ子ビームに対するスリットの平行度は、透過中性て、最低角 0.6°の低角検出器を用いる NBS 実験

子強度が最大になるように、パルスモーターで調では、wc = 0.8 mm でコリメーションが wc/Lc = 0.3°のコリメーターを用いることによって、バックグ整する。コリメーションが、1.5°（短尺）、0.3°（短尺）、0.3°（長尺）のコリメーターを製作し、ブララウンドノイズが低減した。1.5°のコリメーター

ンクも含めて、4 個を縦に配置して、パルスモーの効果を Fig. 24 に示す[18]。実験に応じてこれらのコリメーターを選択できるようにした。
Cd 箔

ターでエレベーター式に移動させて、選択できるようにした。

は変形しやすいために、平板から変形し、透過強度が抑制されるので、NBS 実験用では、Lc = 295mm、wc = 1.55 mm として、wc/Lc = 0.3°を保つよう

4.5. オシレーティングコリメーター

後述の試料環境装置では、輻射熱の制御のたにすると、スリット幅 wc に対して Cd の変形が相め、試料周りに、アルミ製の多層の輻射シールド

対的に小さくなり、透過強度が改善した[6]。中性が設けられているものがあり、これからの中性子

９－ 16

散乱が大きなバックグラウンドノイズを発生すの呼び径 800 mm のフランジが設けられている。

る。このバックグラウンドノイズを低減させるた
め、散乱中性子に対して、厚さ 0.1 mm の Cd 箔を

MLF には SE に関する規格があり、SE は呼び径
800 mm または 400 mm のフランジに取り付けら2°おきに動径方向 150 mm の範囲に配置するラジれること、SE のフランジの下面から中性子ビー

アルコリメーターを設置し、これを数秒間の周期で、試料位置を中心に 2.25°の範囲を行ったり来た

ムラインまで、すなわち、試料中心までは、600 mm
であることが定められている。HRC では試料槽り振動するようにした。これをオシレーティングの 800 mm フランジに、800 mm – 400 mm の変換

コリメーターと呼ぶ。振動させるのは、試料と特定の検出器の間に、Cd 箔のみが配置されること

フランジを設け、800 mm 対応 SE であっても、400 mm 対応 SE であっても、SE のフランジからがないように、ラジアルコリメーターの遮蔽効果

中性子ビームラインまで 600 mm なるようにしを平滑化するためである。Fig. 25(a)は、1K 冷凍機を用いた実験でオシレーティングコリメータ

た。入射コリメーター、及び、オシレーティング
コリメーターは変換フランジの 800 mm ~ 400 mm

ーを配置しないときの弾性散乱強度である。リン

の部分に設置されているので、これらのコリメー

グ状の散乱は、1K 冷凍機の輻射シールドからの散乱で、単結晶試料のブラッグ反射と同程度の散ターは 400 mm 対応 SE に対して使用できる。ただし、長尺 Lc = 295 mm の 0.3°コリメーターは、乱強度である。リング状の散乱は、オシレーティ

試料位置から半径 400 mm 以内の部分にはみ出し

ングコリメーターを配置することによって低減された（Fig. 25(b)）
。非弾性散乱スペクトルでも、て、試料位置から 66.2 mm のところまで配置されるので、SE によっては長尺の 0.3°コリメーター

輻射シールドからの強大なフォノンが、オシレーが使用できないものがある。なお、試料槽は真空テ ィ ン グ コ リ メ ー タ ー に よ り 低 減 し た （ Fig.
25(c), (d)）
。

散乱槽と一体になっている。
GM（Gifford-McMahon）冷凍機は HRC で最も使用頻度が高い SE である。ボトムローディン

4.6. 試料環境

グ（BL）型であるので、試料交換ごとに真空散乱

試料の温度や磁場などの制御に種々の試料環

槽を大気圧にして GM 冷凍機を真空散乱槽から境装置（Sample environment, SE）が必要であ取り出さなければならないが、試料周りにはアルる。HRC では Table 1 に示す SE を整備してきた。

ミ箔で製作した輻射シールドを取り付けるのみ
で、真空散乱槽と一体となるので、バックグラン

HRC の真空散乱槽の SE を取り付ける部分をドノイズが低く、オシレーティングコリメーター

試料槽と呼び、その上部に SE を取り付けるためは不要である。試料によるが、真空散乱槽の真空

Table 1 HRC で利用可能な試料環境装置（SE）。BL はボトムローディング、TL はトップローデ
ィング、利用可能入射コリメーター（In-col）のコリメーションは、1：1.5°（短尺）、2：0.3°（短尺）、3：0.3°（長尺）、4：1.5°（専用）、Osc-col はオシレーティングコリメーターである。

取付フランジ

試料取付方法In-col

T = 4 – 300 K

400 mmBL

1, 2, 3

Osc-col
不要

400 mm

BL

1, 2

要

3He 冷凍機

T = 0.6 – 300 K
T = 0.3 – 300 K

400 mm

BL

1, 2

要

クライオファーネス

T = 4 – 700 K

400 mm

TL

1, 2

要

超伝導電磁石B≤5T

800 mm

TL

4

要

–

–

–

–

試料環境装置（SE） 環境条件
GM 冷凍機
1K 冷凍機

T = 0.3 – 300 K
圧力セル

P ≤ 1.2 GPa

９－ 17

排気開始から最低温度到達まで 3 時間程度である。
1K 冷凍機は 3He ガス循環型冷凍機である。BL型であり試料交換に 2 日程度を要する。3 層の輻射シールドを持ち、入射、散乱で合計 1.4 mm のアルミを透過するので、そこからの中性子の散乱を低減するためにオシレーティングコリメーターが必要である。3He 冷凍機は、ソープションポ
ンプ型冷凍機で、3He を液体に凝縮させ、真空引
きして蒸発させて 0.3 K を達成させるものであり、蒸発が続く限り最低温度が持続する。持続時間は100 時間程度である。BL 型であり試料交換に 2 日程度を要する。3 層の輻射シールドを持ち、入射、散乱で合計 3 mm のアルミを透過するので、そこからの中性子の散乱を低減するためにオシレー
ティングコリメーターが必要である。
クライオファーネスは、GM 冷凍機で試料室を冷却しておいて、試料スティックを試料室に挿入して、試料スティックに取り付けたヒーターで試K を確認している。温度センサーは Pt 抵抗を用

Fig. 26 CsFeCl3 において、(A)臨界圧力以下(常圧、6 K)と、(B) 臨界圧力以上(1.4 GPa、0.9 K)で測定された中性子非弾性散乱スペクトル。
実線は理論曲線。[25]

いていて、最低温度は 14 K である。室温以下では試料スティックが挿入される試料室にヘリウム

磁場は 5 T として運用している。TL 型であるの料の温度制御を行なう。高温用試料スティックでは試料室を真空排気して、HRC では最大温度 700

ガスを導入する。高温用試料スティックで 14 K ま
での低温実験が可能であるが、Si ダイオード温度センサーが取り付けられた低温用試料スティッ
クを用いれば 4 K までの温度制御が可能である。
トップローディング（TL）型であるので試料交換は短時間で可能である。3 層の輻射シールドを持ち、入射、散乱で合計 3 mm のアルミを透過する
ので、そこからの中性子の散乱を低減するために
オシレーティングコリメーターが必要である。
超伝導電磁石は最大磁場 14 T の仕様であり、HRC では 10 T までの励磁に一旦成功した。その後、超伝導電磁石でリークが発生し、鉄材が多い
HRC の真空散乱槽に設置して励磁したことにより、超伝導電磁石内に変形を生じたことがリークにつながったとの見解が製造元から示され、製造元の解析により、5 T までならば、変形が小さく、運転可能であることが示された。それ以来、最大で試料交換は短時間で可能である。多層の輻射シールドを持つ。入射コリメーターもオシレーティ
ングコリメーターも専用のものが超伝導電磁石に取り付けられている。入射コリメーターは、ビーム断面積 60×60 mm2、Lc = 91 mm で wc/Lc = 1.5°になるように厚さ 0.1 mm の Cd 箔でスリットを構成し、パルスモーターで角度調整できるようにした。
オシレーティングコリメーターは、厚さ 0.05
mm のアルミ板に 25 µm の Cd を被覆したものを2°おきに動径方向 78 mm の範囲に配置し、2.25°の範囲を振動させる。超伝導電磁石の運転中は、
液体ヘリウムの補給が定期的に必要である。HRC
では、例年 4 月ごろに約 1 ヶ月間、超伝導電磁石を運転して、年間に予定する磁場実験はこの時期にまとめて実施している。
圧力実験は、シリンダー型圧力セルに試料を搭載して圧力をかけ、標準試料容器に挿入して、こ９－ 18

の試料容器を SE に取り付けて実験を行う。圧力以外の温度や磁場等の条件、及び、利用可能なコ
リメーターは 、取り付ける SE による。Fig. 26 は、1K
圧力セルで CsFeCl3 の単結晶試料を加圧して、冷凍機に取り付けて測定した例である[25]。圧力
誘起相転移の前後で異なる磁気励起が観測されていることがわかる。温度と圧力の多重環境での測定が可能になったことを示す実験である。
いずれの SE でも、単結晶実験の場合には、結晶方位を中性子ビームラインに対して合わせる
ためゴニオメーターが必要である。BL 型の SE では、400 mm フランジにゴニオメーターを取り付

Fig. 27 3He ガス圧 P 及び検出器直径 D に対する検出効率の計算値（管厚は 0.5 mm）[26]。

け、ゴニオメーター上部に SE を取り付けている。
ゴニオメーターは各 SE に対して専用とし、ゴニオメーター込みで SE としている。TL 型の SE でれ、この電場勾配によりイオンを検出する。中性は、試料スティックに試料を取り付け、SE の上部子が検出器に入射すると円筒管の両端からそれから差し込んで、試料室にフランジで固定する。
実験中は試料は、真空か、低圧のヘリウムガス雰

ぞれ Q1、Q2 の電荷が検出され、x = LDQ1/(Q1+Q2)
により、円筒管上の長さ方向の検出位置 x が決定囲気になる。ゴニオメーターは試料スティックとされる。

試料室の間のフランジ部分に設け、試料スティッ
クのみが回転するようにしている。BL 型でも TL

円筒管の外径は HRC で要求される Q 分解能で決まる。また、検出効率は 3He ガスの圧力で決ま方でも、いずれの場合でも、ゴニオメーターの回る。従来、この種の実験では、外径 1 インチ、3He

転部分は真空と大気の境界に配置される。

ガス圧 1 MPa の検出器が使われてきた。この検出効率を外径 3/4 インチで実現しようとすると、
Fig.

4.7. 検出器

27 のように、3He ガス圧は 1.8 MPa 程度必要であHRC では中性子検出器として 3He ガス検出器を用いている。中性子は電気的に中性であるのる[27]。また、1/2 インチならば 2 MPa 程度必要である。これらのパラメーターは検出器メーカーでで、直接検出することはできない。3He は中性子製造可能な範囲にある。HRC では、高角検出器でに対して吸収断面積が大きく（25 meV のエネルギ
ーの中性子に対して 5330 barn）、n+3He→3H+p のは 3/4 インチ、1.8 MPa、低角検出器では 1/2 イン
チ、2 MPa とした。Fig. 27 のエネルギー依存性は反応により、荷電粒子を発生させ、荷電粒子が 3He

3He の吸収断面積のエネルギー依存性による。

ガスを電離することにより生成したイオンを電気的に検出する[26]。HRC で用いているものは位

検出器は真空仕様とした。PSD 両端のコネクター部分を真空フランジにして、PSD 本体（円筒管

置敏感型検出器（PSD）であり、L2 = 4 m 位置の部分）は真空中に配置し、真空フランジは真空散高角領域では、長さ LD = 2.8 m の SUS の円筒管内に 3He ガスを満たし、円筒の中心軸に芯線が張乱槽に固定し、電気配線は大気中を通す構造にした。

られている。
SUS の外径は 3/4 インチ（19.05 mm）、

エネルギー分解能は L2 に依存する。一定のエネ

SUS の厚さは 0.35 mm である。L2 = 5.2 m 位置の低角領域では、LD = 0.8 m、SUS の外径は 1/2 イ

ルギー分解能を実現するためには検出器を球面
上（L2 一定）に配置する必要がある。直線状の検ンチ（12.7 mm）、SUS の厚さは 0.25 mm である。

出器の中央と試料とがなす直線に対して、検出器

SUS と芯線の間に 1800 V 程度の高電圧が印加さの長さ方向を垂直に配置したとき、検出器の中央

９－ 19

９－ 20り、試料から散乱した中性子のみを検出できるよ
Displacement (mm)80

作方法についても開発を行なった[29]。
試料を交換したり、試料環境装置を交換したりする場合、真空散乱槽は、乾燥吸気を導入して大気圧に戻す。B4C レジンは多孔質であるので、湿気があれば、水分が B4C レジンに吸着し、次に、真空排気を行うときに長時間を要する。実験室に

60

C
B
A

40
1000 mm

うになり、他の経路から来る真空散乱槽内の散乱を遮蔽することができる。また、B4C レジンの製

20
0
0.00

Stress (MPa)プ（排気速度 2050 m3/h）を 2 組用いて粗引きを行う。20 分程度で真空散乱槽は 5 Pa になり、スク
ロールポンプとメカニカルブースターポンプの排気経路は閉じて、真空散乱槽とクライオポンプの間に設置されたゲートバルブ（GV）を開いてク

力は 350Pa•m であるので、50 m の真空容器では粗引きからクライオポンプへの切り替え時の圧力は 7 Pa 以下にすればよく、5 Pa にしている。
Fig. 29 に真空散乱槽排気時の圧力の時間変化を示す。クライオポンプへ切り替えてすぐに圧力が一定値に落ち着かないのは、B4C レジンに吸着した水分が徐々に放出されるためである。夏期メン
テナンス期間の作業により真空散乱槽を長時間空気に晒すと、B4C レジンに吸着した大量の水分のために、真空排気に長時間を要する。中性子実
験開始の 1 ヶ月程度前から真空排気を行ない、Fig. 29 の排気時間と真空度を再現させておく必

0.20

4

6

8

P (MPa)

200
150
100
50
0
0

ライオポンプによる真空排気に切り替え、実験を

3

0.15

250

（排気速度 630 m3/h）とメカニカルブースターポン

3

0.10

300

から真空排気する場合、まず、スクロールポンプ開始する。クライオポンプは、口径 750 mm、排気速度 28 m3/s（N2 ガス）のものを用いた。交差圧

C 400 Amm

1424 mm
0.05

供給されている圧縮空気を、空気乾燥機に通して、真空散乱槽に供給する。真空散乱槽を大気圧B
250 mm2

Strain (%)

Fig. 30 上：アルミ窓試験機（挿入図）上の変位の測定値（印）と計算値（実線）。下：A5052-H32の応力歪み曲線（実線）と計算に用いた値（丸）。
[30]に設置するためには、検出器が面する真空散乱槽に 1×1 m2 程度の大面積の窓を設け、窓からの中性子の散乱を抑えるために、窓は厚さ tw = 1 mm 程度のアルミとする必要がある。通常の圧力容器の設計（材料の弾性範囲内で設計し、安全率を設ける）では、アルミ窓が平面ならば、この大きさでは厚さは 5 mm 程度となり、中性子の散乱が抑えられない。アルミ窓に曲率をつければ薄くすることができるが、製作コストの問題が生じる。材料

要がある。

特性は塑性変形領域まで許容し、寿命を設定する
条件で、大面積アルミ窓を開発した。英国ラザフ

4.9. 大面積アルミ窓

ォードアプルトン研究所の ISIS 施設では同様の

KEK つくばキャンパスに中性子実験施設があったときに、チョッパー分光器 INC では、大気中に設置するタイプの検出器を使っていた。
HRC の建設時に、これらの検出器を HRC の一部分に設置しようと考えた。多数の検出器を真空散乱槽外事例があり、実用化されているので、それを参考にして開発し、技術の習得を行った[30]。
材料に A5052-H32 を用い、1×1.4 m2 で厚さ 1mm のアルミ窓を製作し、O リングと取付枠を用いて容器に取り付けた。取付枠と容器でアルミ窓を挟み、ボルトで十分な強度で抑え込んだ。アル

９－ 21

ミ窓には、変位計を取り付けた。容器から水圧で加圧して、変位を測定した。応力計算ソフト
ANSYS に塑性変形領域も含めた応力歪み曲線をA与えて、モデル計算したところ、変位の圧力変化

A’

LA =
75

920

は計算で再現することができた（Fig. 30）。また、
0.25 MPa でアルミ窓の破壊を観測した。この形状

1010

で、1000 回の真空排気、すなわち、大気圧 0.1 MPa
850と真空との繰り返しが、設計上、十分可能である。
1000 回は 10 年間の運転に対応している。
0.11 MPa
で繰り返し試験をしたところ、2000 回でも破壊しなかった。1×1.7 m2 で厚さ 1 mm のアルミ窓でも、成立性を確認した。真空排気により、アルミ窓が

LB =75500940

真空散乱槽に引き込まれるが、これを支えるために、ボルトにより十分な強度で押さえ込むことがt = 1.5必要である。

45

Fig. 31 に実際に HRC に設置した大面積アルミ52窓を示す。窓の大きさは 920×850 mm 、厚さは tw= 1.5 mm とした。この構造で応力計算をすると、

40

真空排気時に窓の中央で最大変位は 33 mm、窓のg

長辺中央で最大応力は 220 MPa、最大歪み 1.5%と得られる。また、長辺中央の窓枠から 2 mm 内側で膜応力は sm = 103 MPa と計算されるので、ボ
ルト 1 本あたりに窓の張力は、T1 = smLAtw = 11.6
kN（ボルト間隔：LA = 75 mm）である。ボルトの締付力は、T2 = 2µp(d/2)2sa であり、44 Nm のトル
クで軸力sa = 380 MPa が得られる M10 ボルト（d= 10 mm）を使い、異種金属間（窓：A5052-H34と枠：SUS304）では摩擦係数を µ = 0.4 とすると、T2 = 23.9 kN であり、安全率は T2/T1 = 2.1 である。実際は、接触部表面をあらすので、µ > 0.4 である。従って、設置時のトルク管理を確実に実施することで滑りは発生しない。また、アルミ窓を窓枠に沿うように曲げ加工（R5）し、その外側から補強板及び M8 ボルト（間隔：LB = 75 mm）で固定した。アルミ窓が滑り抜けることは考え難いが、仮に滑ったとしても、アルミ窓材料の引張強さにより耐えられる構造としている。Fig. 30 に示すとおり、
A5052-H34 の引張り強さの測定値は
st = 260 MPa であるので、アルミ窓の引張り強さ
は、T3 = stLBtw = 29.2 kN である。これも考慮した
安全率は、(T2+T3)/T1 = 4.6 である。また、繰り返

dR5

A - A’

f
c
e

45
a

air
t = 1.5bR10vacuuma アルミ窓b 真空散乱槽
c 窓枠
d 補強板
e Oリング溝f M10ボルト
g M8ボルト
単位：mmFig. 31 実際に製作して HRC に取り付けたアルミ窓（上）とボルト等の取付方法（下）[30]。
し加圧試験を 3 度実施し、7191 回、9425 回、8324
回で、リークが起きることを確認した。
安全率は十分であるが、万が一のことを考え、HRC では、真空排気中は真空散乱槽に接近しない安全対策をとった。しかし、検出器の取付不良により、たびたび、検出器のフランジからリークが発生した。安全対策はリーク箇所の特定に支障があったので、HRC では大面積アルミは廃止し、全ての検出器は真空散乱槽内に設置することとした。MLF では SuperHRPD（BL08）、SPICA（BL09）、iMateria（BL20）、NOVA（BL21）で大面積アルミ窓が用いられている。
4.10. 計算環境

HRC のデータ集積系を Fig. 32 に示す[27]。ひ
とつの中性子が検出されると検出器の両端から
電荷 Q1、Q2 が出力され、Neunet[31]の ADC でデジタル化される。Gatenet からの飛行時間情報 tも加え、{ndet, Q1, Q2, t}からなるイベントデータが９－ 22

９－ 23

NBS は新しい実験手法ではなく、原子炉を用いた粉末強磁性体のスピン波[38,39]や液体のフォノン[40]の研究は古くから報告がある。パルス中性子では、より高いエネルギーの中性子が利用でき、運動量ゼロ近傍の非弾性散乱がより容易に測定できる可能性があるので、1985 年に英国ラザフォードアプルトン研究所の ISIS 施設が大強度
パルス中性子源として稼働すると、寄せられた期待のひとつに NBS があった[41]。ISIS では NBS
は実現しなかったが、パルス中性子源では、1990
年代に米国ロスアラモス研究所の LANSCE 施設

で NBS が試みられた[42]。2000 年代にはフランスの原子炉定常中性子源 ILL に BRISP 分光器がNBS 専用装置として設置され、稼動している

Fig. 34 NBS でアクセスする(Q,E)領域と多結晶
試料による強磁性スピン波の測定例（Ei = 102
meV）[44]。

[43]。MLF では、HRC のみが、その装置性能に8加え、低角での性能強化に成功して、NBS を実現
し[44]、多結晶強磁性体[44]や永久磁石材料[45]のスピン波、水やエタノール等の液体のフォノン

d

e

f

86 K

115 K

ES (meV)

2

エネルギーEi と低散乱角fが必要である。典型的

低角では、バックグラウンドノイズが増大するとともに、測定したい Q に寄与する検出器の立体角c4等の研究に成果を上げてきた。
運動量ゼロ近傍にアクセスするためには高いすると、エネルギー分解能DE は悪くなる。また、b6[46]、高強度材料である Mg 合金のフォノン[47]には、Q = 1 Å-1 で数 meV の領域に対しては Ei =100 meV、f = 1°が必要である。一般に、Ei が増大

a

0
0

4K

0.1 0

38 K

0.1 0

61 K

0.1 0
0.1 0
2
-2
Q (Å )

147 K

0.1 0

0.1

Fig. 35 SrRuO3 のスピン波の分関係[48]。E(Q)= DQ2+Eg でフィットされる。白抜きの丸はフィットから外挿して求めた Eg。

が減少して計数率が低下する。HRC で NBS を明3

Eg (meV)

34 に HRC での NBS 実験での典型的な(Q,E)領域を示す。Ei = 102 meV とした。L2 = 5.2 m では最小散乱角はf = 0.6°であり、f = 0.6 – 2.8°の各検出器
で飛行時間をスキャンしたときの軌跡（(3-5)式）
が点線で描かれている。破線は E = (ħ2Q2/2m)/sin f
でf = 5°としたもので、これは、f = 5°の検出器の散乱角 5°の分光器では破線より上の領域は観測できない。灰色の領域は、HRC の NBS 実験で観測可能となった領域である。強磁性体（La0.8Sr0.2MnO3、T = 245 K、及び、SrRuO3、T =

2

1

0
0

軌跡の Ei に対する包絡線である。すなわち、最小SrRuO3σxy (a.u.)

瞭に観測するために、これまで述べてきたように、これらの技術上の問題を解決してきた。Fig.

0

-0.1
0

0.5
T / TC

0.5
T / TC1

1

Fig. 36 SrRuO3 のスピン波ギャップエネルギー
Eg の温度依存性[48]。実線は理論式によるフィット。挿入図は異常ホール伝導度の温度依存性。強磁性転移温度は TC = 165 K。

９－ 24

7 K）の多結晶試料から観測されたスピン波のピー
ク位置を示した[44]。実線は、それぞれに対して、強磁性スピン波の分散関係 E(Q) = DQ2+Eg でフィットしたものである。La0.8Sr0.2MnO3 の結果は、単結晶試料を用いた実験結果と一致し、HRC のNBS の正確さを示している。また、SrRuO3 は大型の単結晶試料が合成できないので、粉末試料を用いる NBS がスピン波の唯一の観測手段である。
一例として金属強磁性体 SrRuO3 の研究を紹介する[48,49]。SrRuO3 はスピン軌道相互作用のたFig. 37 HRC の L2 を変化させたときの、分解能
DE/Ei と強度 I。Fermi A 600 Hz の強度を I =1 とした。

めにバンド交差（ワイルフェルミオン）が運動量
空間に多数存在する系である。ワイルフェルミオ

置としては標準的なものであり、MLF では HRC

ンは電子の波動関数の量子力学的位相にベリーの他に 3 台設置されているし、諸外国のパルス中位相をもたらし、運動量空間におけるモノポール
として振る舞い、その仮想的な磁場が異常ホール

性子施設にもそれぞれ数台ずつ設置されている。
この中で HRC のみが NBS を可能にした。

効果の起源となる[50]。この仮想的な磁場を中性

HRC を用いた高分解能中性子非弾性散乱実験

子非弾性散乱実験で観測できるかどうかを調べるため、SrRuO3 のスピン波を HRC で観測したとして、3 種類の可能性をあげた。第 1 は、100[48]。スピン波のピーク位置は、強磁性スピン波
2

meV 程度以下のエネルギー運動量空間での高分解能実験である。Fig. 1、Fig. 2、Fig. 26 の研究の分散関係 E(Q) = DQ +Eg でよくフィットされる（Fig. 35）
。特徴的なことは、Eg が非単調に温度変の領域の研究である。第 2 は、NBS であり、上述化することである。Eg は異常ホール伝導度sxy(T)のとおり、成果を収めた。NBS としては HRC はを用いて、理論式 Eg(T) = aM(T)/[1+bM(T)sxy(T)]でよく表わされることがわかった（Fig. 36）。ここ

世界最高分解能である。NBS 専用装置ではなく、で、M(T)は磁化であり、単調に温度変化する。a、に多様性をもたらし、HRC の成功の要因と考え

b は定数である。sxy(T)は、ベリー曲率、すなわち、仮想的な磁場で表わされる[50]。従って、この実られる。低角に検出器を配置したことで、Gd 等の中性子吸収断面積の大きい物質の磁気構造を吸験事実は、ベリー曲率が中性子非弾性散乱の観測

収が小さくなる高エネルギー中性子による回折量になることを示している。電子の物理自由度の揺らぎは、スピン波やフォノンなどとして、中性実験で観測できるようになり、新しい研究分野の創成につながった。第 3 は、eV 領域中性子分光

子非弾性散乱で観測可能であることは周知の事であり、電子励起の観測を目指した。中性子非弾

実であるが、これに加えて、電子の波動関数の量
子力学的位相もまた中性子非弾性散乱で観測可性散乱による電子励起の観測可能性について、理論研究がなされていた[51]。最近、金属反強磁性能であることを示した。

体 FeMn の磁気励起の観測を試みた。一般に、金6. おわりに属反強磁性体は交換相互作用が大きく、励起エネ
ルギーが高いので、励起の全貌を調べることは難をはじめとし、HRC でなされる多くの研究はこオプションとして NBS を実装したことが、HRC

HRC は、
KEK の大学共同利用の枠組みにより、しい。FeMn では TN ~ 470 K より十分低温では、KEK と東京大学とが共同で、建設し、運営してい低エネルギー領域ではスピン波が、高エネルギー領域ではブロードな励起が観測された。クライオ

る。国の内外から共同利用者を受け入れ、多くの研究成果を上げている。チョッパー分光器は、パルス中性子源に設置される中性子非弾性散乱装

フェーネスの導入により TN より高温での測定が可能になり、高温ではスピン波は消失したが、ブ９－ 25

ロードな励起は観測された。ブロードな励起は金属磁性体のバンド間遷移である Stoner 励起と考えられる。
HRC の今後の可能性についていくつか述べる。
実験条件の拡充のために種々の SE を導入してきた。3He 冷凍機とクライオファーネスはごく最近導入したもので、現在、コミッショニング中である。これら、温度範囲の拡充とともに、SE の組み合わせにより多重環境も実現可能になる。NBS は

L2 = 5.2 m で実現したが、L2 をより長くすることにより、性能が向上する。L2 を長くすると、フェルミチョッパーはより低回転数で同じ分解能を実現し、中性子強度が増加する。その状態で、さらに高速回転すればより高分解能が実現する。
Fig. 37 にその様子を示す。Stoner 励起の研究は、
これまで、スピン波が Stoner 励起との相互作用によりブロードになったという視点のものが多かったように思うが、FeMn の実験では、Stoner
励起が単独で観測された可能性がある。これを足がかりに、電子励起観測への発展が期待される。
HRC を建設するにあたって、性能を決める技
術は所有するべきであるとの信念に基づいて、機器の開発を進め、技術の習得に務めてきた。開発開始から 20 数年、運転開始から 10 数年が経過し、技術の継承を考える時期に来ている。
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